添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料的制备方法 [0002] 自润滑刀具是指刀具材料本身具有减摩、抗磨和润滑功能，可在无外加润滑液或 润滑剂的条件下实现自润滑切削加工。由于自润滑刀具的应用可减小摩擦与磨损，省去冷 却润滑系统，减少设备投资，避免切削液造成的环境污染，实现清洁化生产，因此自润滑刀 具是一种高效、洁净的绿色切削刀具，在现代切削加工中具有广阔的应用前景。 [0003] 添加固体润滑剂的自润滑刀具是将固体润滑剂直接添加到刀具材料中，制备成含 有固体润滑剂的复合刀具。随着固体润滑剂含量的增加，自润滑材料的机械性能一般随润 滑剂含量的增加而降低。研究发现，Al 203/TiC/CaF2自润滑陶瓷材料的摩擦磨损性能相对于 没有添加 CaFj^陶瓷材料得到了大幅度改善，但其主要力学性能指标却随之下降了 20%以 上。参见：曹同坤等，添加固体润滑剂的Al203/TiC陶瓷材料的力学性能和显微结构，机械工 程学报，2006, 14(1) : 5-8。因此，如何使得所制备的陶瓷刀具材料既具有良好的自润滑性 能，又具有良好的力学性能，是当前自润滑刀具领域亟待解决的问题。
[0004] 针对现有技术的不足，为了使自润滑刀具既保持良好的减摩耐磨功能又具备较高 的力学性能，本发明提供一种添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料的制备方法。 [0005] 本发明技术方案如下：
[0006] .-种添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料的制备方法，原料组分体积百分 比为：
[0007] 碳化钨钛36 % -41 %，表面包覆氢氧化铝的氟化钙5 % -15 %，氧化镁2 % -3 %，氧 化镍2% -3%，其余为氧化铝；碳化钨钛、氧化镁、氧化镍、氧化铝原料均为微米级粉末；
[0008] 包括步骤如下：
[0009] (1)按比例，分别称取氧化铝、碳化钨钛，以适量无水乙醇为分散介质，充分搅拌的 同时超声分散30min ;分别配成氧化铝悬浮液、碳化钨钛悬浮液；将所得氧化铝悬浮液、碳 化钨钛悬浮液混合，得复相悬浮液，充分搅拌的同时超声分散20-30min ;
[0010] (2)将步骤（1)所得复相悬浮液倒入球磨罐中，以氮气或者氩气为保护气氛，以无 水乙醇为分散介质，各组分原料总量与研磨球的料球重量比为1 :1〇,球磨24-48h后取出备 用；
[0011] ⑶配制〇. 12-15mol/L的CaF2溶液，加入质量分数为3-4%的聚乙二醇作为表 面分散剂，加入质量分数为22-26 %的醋酸钠-醋酸缓冲液，超声分散搅拌均匀，加热到 70-80°C，缓慢滴加 Al3+浓度为0. 1-0. 2mol/L的硝酸铝溶液，同时滴加氨水控制pH值为 7. 2-8,滴加完毕保持温度70-80°C反应30-40min，然后静置陈化，经清洗、离心、真空干燥 得到表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末；所述CaF2溶液与所述硝酸铝溶液的体积比为1 :1。
[0012] (4)按比例，称取步骤（3)所得表面包覆氢氧化铝的氟化钙粉末，加入适量无水 乙醇作为分散介质，配成氟化钙悬浮液，按比例加入微米氧化镁和微米氧化镍，超声分散 20-30min，混合均匀；得混合物悬浮液；
[0013] (5)将步骤（4)所得的混合物悬浮液加入步骤（2)球磨后的复相悬浮液中，以氮气 或者氩气为保护气氛，球磨12_24h ;然后在100-12(TC温度下连续干燥40-60h，完全干燥后 在氮气或者氩气气氛中过200目筛，得混合粉料，密封备用；
[0014] (6)采用热压法烧结，在真空热压炉中将步骤（5)所得的粉料压模烧结成型。
[0015] 根据本发明优选的，所述步骤（3)中所用原料CaFd^粒径为3_5μπι。配制 0. 13mol/L的CaF2溶液；所述硝酸铝溶液是Al3+浓度为0. 15mol/L的硝酸铝溶液。所述硝 酸铝溶液的滴加速度为2-4mL/min。
[0016] 根据本发明优选的，所述步骤（3)中所述的控制pH值为7. 5。反应温度为75°C。
[0017] 根据本发明优选的，所述步骤（3)中的清洗是先用蒸馏水清洗2-3次，再用无水乙 醇清洗2?3次。
[0018] 根据本发明优选的，所述步骤（5)中的连续干燥是在电热真空干燥箱中进行。
[0019] 根据本发明优选的，步骤（3)中制备的所述表面包覆氢氧化铝的CaF2粉末的粒径 为 4-8 μ m。
[0020] 本发明中所用微米氧化铝、微米碳化钨钛分别是市售的平均粒径为2 μ m A1203粉 末、平均粒径为3 μ m(W，C)Ti粉末，纯度均大于99%。其余原料均为市售产品。
[0021] 根据本发明优选的，步骤（1)、（2)中所述的无水乙醇是作为配成悬浮液的分散介 质，用量按本领域常规选择即可，本发明不做特定限定。
[0022] 根据本发明优选的，步骤（2)、（5)中球磨用的研磨球是硬质合金（YG8)球。
[0023] 根据本发明优选的，上述步骤（6)热压烧结方法如下：先将粉料装入石墨模具，然 后进行真空热压烧结，热压烧结工艺参数为：保温温度1550-1650°C，热压压力25-35MPa， 保温时间20-40min，升温速率为10-20°C /min。
[0024] 根据本发明优选的，所述自润滑刀具材料的原料组分体积百分比为：
[0025] 氧化铝为44% -49% ;碳化钨钛为36% -41% ;表面包覆氢氧化铝的氟化钙的为 5% -15% ;氧化镁的为2% -3%,氧化镍的体积百分比为2% -3%。各组分体积百分比之 和为100%。
[0026] 进一步优选的，本发明的自润滑刀具材料的原料组分体积百分比如下：
[0027] 微米氧化铝46%，微米碳化钨钛39%，表面包覆氢氧化铝的氟化钙10%，微米氧 化镁2%，微米氧化镍3%。采用该配比制备的刀具材料综合力学性能和减摩耐磨性能最 好。
[0028] 本发明的添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料，是以微米氧化铝为基体，添 加微米碳化钨钛作为增强相，表面包覆氢氧化铝的氟化钙为固体润滑剂，以微米氧化镁和 微米氧化镍作为烧结助剂，经热压烧结而成的自润滑刀具材料。本发明通过对固体润滑剂 的表面改性处理，使得所制备的陶瓷刀具材料既具有良好的自润滑性能，又具有良好的力 学性能。
[0029] 与现有技术相比，本发明将粉体颗粒表面包覆技术引入到自润滑刀具材料的设计 中，为切削刀具的设计提供了新的思路和新的研究方向。通过包覆型固体润滑剂氟化钙的 加入，可同时提高刀具材料的硬度、断裂韧性和抗弯强度，而且具有制备简单，成本较低的 优点。与添加未经表面包覆处理的CaF 2的八1203八1，11)0/^&&自润滑刀具材料相比，其力 学性能显著改善。其中，与相应添加未经表面包覆处理的CaF 2的自润滑刀具材料相比，添加 lOvol %包覆型固体润滑剂CaF2的Al2〇V (W，Ti) C/CaF2自润滑刀具材料在硬度、断裂韧性和 抗弯强度等方面分别提高了 21. 7%、8%和10. 7%。本发明的刀具材料为穿晶和沿晶的复 合断裂模式，有利于提高材料的强度。如图2中试样抛光面SEM形貌所示，刀具材料各组分 分布较为均匀，晶粒排列有致密性，颗粒之间相互包裹，结构为空间网状或者空间骨架。通 过图3中试样断面SEM形貌观察断口处可发现有孔洞，此为晶粒拔出后留下，此现象为典型 的沿晶断裂；同时一些波纹状或条状组织形态出现，此为晶粒断裂后形成，即为典型的穿晶 断裂。




[0030] 图1是实施例所用的表面包覆氢氧化铝的氟化钙的SEM形貌。
[0031] 图2是实施例1添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料测试试样抛光面SEM形 貌。
[0032] 图3是实施例1添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料测试试样断面SEM形 貌。


[0033] 下面结合实施例对本发明做进一步说明。各实施例的原料氧化铝、碳化钨钛分别 是市售的A1 203粉末、(W，Ti) C粉末，所用的A1203粉末平均粒径分别为2 μ m，纯度大于99%; (W，Ti) C粉末平均粒径分别为3 μ m，纯度大于99 %。氧化镁、氧化镍粉末平均粒径分别为 5 μ m、3 μ m。
[0034] 各实施例的原料组分中，所用表面包覆氢氧化铝的氟化钙是按以下方法制得：
[0035] 将Α1 (Ν03) 3 · 9H20加入一定量蒸馏水，配制Al3+浓度为0· 15mol/L的硝酸铝溶液；
[0036] 取平均粒径为2 μ m的氟化钙配制成0. 13mol/L的CaF2溶液100mL，加入质量分数 为4%聚乙二醇10〇1^所为表面分散剂，同时加入151^质量分数为25%的似4〇-祖(3缓冲 溶液以保持溶液pH值的恒定，超声分散30min，并在DF- II数显集热式磁力搅拌器中加热 到75°C;以3mL/min的速度缓慢滴加上述配制的硝酸铝溶液，同时在75°C水浴槽中搅拌，同 时以2mL/min的速度缓慢滴加质量分数为28 %的氨水使pH值保持在7. 5,所述硝酸铝溶液 100mL全部滴加完毕，保温30min ;用蒸馏水清洗3次，再用无水乙醇清洗2遍，用高速离心 机2000rad/min离心10min，离心后将滤饼放入真空干燥箱100°C下烘干12h。得表面包覆 氢氧化铝的氟化钙粉末，形貌如图1所示，平均粒径为3 μ m。
[0037] 实施例产品摩擦实验用45钢配副是指采用45#碳素结构钢与所制备的刀具材料 试样形成摩擦副。
[0038] 实施例1、添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料，原料组分的体积百分比为：
[0039] 氧化错46%,碳化鹤钛39%,表面包覆氢氧化错的氟化|丐10%,氧化镁2%,氧化 镍3%。制备步骤如下：
[0040] 按比例称取氧化铝粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌 器充分搅拌的同时超声分散30min ;按比例称取碳化钨钛粉末，以适量无水乙醇为分散介 质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散30min ;将以上所得氧化铝悬浮 液、碳化钨钛悬浮液混合，得到复相悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散20min。将所 得混合物倒入球磨罐中，以氮气或者氩气为保护气氛，以无水乙醇为分散介质，各组分原料 总量与研磨球的料球重量比为1 :1〇,球磨36h后取出。按比例称取表面包覆氢氧化铝的氟 化钙粉末，加入适量无水乙醇作为分散介质配成氟化钙悬浮液，然后按比例称取添加烧结 助剂微米氧化镁和微米氧化镍，超声分散20min，混合均匀；将上述所得的混合物悬浮液加 入球磨后得到的混合物中，以氮气或者氩气为保护气氛，球磨12h ;然后在电热真空干燥箱 中120°C温度下连续干燥40h，完全干燥后在惰性气体气流中过200目筛，得到混合粉料装 入石墨模具，进行真空热压烧结。热压烧结工艺参数为：保温温度1650°C，热压压力25MPa， 保温时间30min，升温速率为15°C /min。得到自润滑刀具材料。
[0041] 将制得的陶瓷材料坯体进行线切割加工，粗磨、精磨、研磨、抛光，制得测试试样， 测得其力学性能参数为：抗弯强度607MPa、断裂韧性4. 12MPa ·πι1/2、维氏硬度16. 03GPa。与 45钢配副时，摩擦系数为0.27。
[0042] 实施例2、添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料，原料组分的体积百分比为：
[0043] 氧化错49 %,碳化鹤钛41 %,表面包覆氢氧化错的氟化興5 %,氧化镁3 %,氧化镍 2%。制备步骤如下：
[0044] 按比例称取氧化铝粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌 器充分搅拌的同时超声分散30min ;按比例称取碳化钨钛粉末，以适量无水乙醇为分散介 质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散30min;将以上所得氧化铝悬浮 液、碳化钨钛悬浮液混合，得到复相悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散20min。将所 得混合物倒入球磨罐中，以氮气或者氩气为保护气氛，以无水乙醇为分散介质，各组分原料 总量与研磨球的料球重量比为1 :1〇,球磨36h后取出。按比例称取表面包覆氢氧化铝的氟 化钙粉末，加入适量无水乙醇作为分散介质，配成氟化钙悬浮液，然后按比例称取添加烧结 助剂微米氧化镁和微米氧化镍，超声分散20min，混合均匀；将上述所得的混合物悬浮液加 入球磨后得到的混合物中，以氮气或者氩气为保护气氛，球磨12h ;然后在电热真空干燥箱 中120°C温度下连续干燥40h，完全干燥后在惰性气体气流中过200目筛，得到混合粉料装 入石墨模具，进行真空热压烧结。热压烧结工艺参数为：保温温度1650°C，热压压力25MPa， 保温时间30min，升温速率为15°C /min。得到自润滑刀具材料。
[0045] 将制得的陶瓷材料坯体进行线切割加工，粗磨、精磨、研磨、抛光，制得测试试样， 测得其力学性能参数为：抗弯强度658MPa、断裂韧性3. 96MPa ·πι1/2、维氏硬度16. 98GPa。与 45钢配副时，摩擦系数为0.39。
[0046] 实施例3、添加包覆型氟化钙粉末的自润滑刀具材料，原料组分的体积百分比为：
[0047] 氧化错47. 5 %，碳化鹤钛40 %，表面包覆氢氧化错的氟化興7. 5 %，氧化镁2 %，氧 化镍3%。制备步骤如下：
[0048] 按比例称取氧化铝粉末，以适量无水乙醇为分散介质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌 器充分搅拌的同时超声分散30min ;按比例称取碳化钨钛粉末，以适量无水乙醇为分散介 质，配成氧化铝悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散30min ;将以上所得氧化铝悬浮 液、碳化钨钛悬浮液混合，得到复相悬浮液，用搅拌器充分搅拌的同时超声分散20min。将所 得混合物倒入球磨罐中，以氮气或者氩气为保护气氛，以无水乙醇为分散介质，各组分原料 总量与研磨球的料球重量比为1 :1〇,球磨36h后取出。按比例称取表面包覆氢氧化铝的氟 化钙粉末，加入适量无水乙醇作为分散介质，配成氟化钙悬浮液，然后按比例称取添加烧结 助剂微米氧化镁和微米氧化镍，超声分散20min，混合均匀；将上述所得的混合物悬浮液加 入球磨后得到的混合物中，以氮气或者氩气为保护气氛，球磨12h ;然后在电热真空干燥箱 中120°C温度下连续干燥40h，完全干燥后在惰性气体气流中过200目筛，得到混合粉料装 入石墨模具，进行真空热压烧结。热压烧结工艺参数为：保温温度1650°C，热压压力25MPa， 保温时间30min，升温速率为15°C /min。得到自润滑刀具材料。
[0049] 将制得的陶瓷材料坯体进行线切割加工，粗磨、精磨、研磨、抛光，制得测试试样， 测得其力学性能参数为：抗弯强度629MPa、断裂韧性4. 06MPa ·πι1/2、维氏硬度16. 47GPa。与 45钢配副时，摩擦系数为0.34。
[0050] 对照例：添加微米氟化钙的氧化铝基自润滑刀具材料，其中碳化钨钛、氧化镁、氧 化镍、氧化铝原料与实施例1相同，所不同的是固体润滑剂是未经表面处理的氟化钙；原 料组分的体积百分比为：氧化铝46%，碳化钨钛39%，平均粒径为3 μ m的氟化钙10 %，氧 化镁2%，氧化镍3%。操作步骤及工艺条件、产品加工测试均与实施例1相同。所得添 加微米氟化钙的氧化铝基自润滑刀具材料，力学性能参数为：抗弯强度548MPa、断裂韧性 3. 87MPa · m1/2、维氏硬度 13. 17GPa。