一种用于自润滑刀具材料的氧化铝包覆氟化钙粉末及其制备方法 【技术领域】及其制备方法，具体是涉及一种氧化 铝包覆氟化钙粉末材料及其制备方法。 [0002] 氟化钙（CaF2)是一种具有优异摩擦学性能和良好工业应用前景的高温固体润滑 材料，其熔点高、性能稳定、良好的润滑效果常作为自润滑刀具的固体润滑剂使用。 [0003] 随着高速干切削技术的飞速发展和应用，对刀具材料提出了更高的要求。作为润 滑领域最具有前景的发展方向，无环境污染、使用寿命长、低摩擦、自修复的固体润滑材料 应用的越来越广泛，备受世人关注。通过在氧化铝（A1 203)陶瓷基体中引入0&&等固体润 滑剂，可制备性能优异的自润滑刀具材料。但是，这类自润滑刀具材料存在着固体润滑剂与 基体的物化相容性差、混料不均匀、界面结合强度低等问题，在降低摩擦系数、改善润滑的 同时，也会导致刀具材料的力学性能乃至耐磨性能下降，使得刀具寿命提高有限。为了实现 自润滑刀具强度与润滑性能的统一，现有技术通过对整体自润滑复合刀具材料研究，提出 的现有解决该问题的方法是对烧结制备后的刀具材料进行处理，以此达到刀具本身所具有 的力学性能。这种后处理方式提高刀具力学性能的工艺较为复杂，势必增加工序，加大成 本。如果采用表面包覆工艺，从固体润滑剂粉末材料表面改性的角度来研究刀具材料，可有 效实现自润滑刀具材料力学性能的进一步改善。

[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种用于自润滑刀具材料的氧化铝包覆氟化钙 粉末及其制备方法，
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种用于自润滑刀具材料的氧化铝包覆CaF2粉末，由CaF2颗粒和包覆在所述CaF 2 颗粒上的氧化铝组成；是将CaF2加水和聚乙二醇分散均匀，在醋酸钠-醋酸（NaAc-HAc)缓 冲液中、pH值7. 2-8条件下与硝酸铝反应，通过非均匀成核法在CaF2表面包覆一层氢氧化 铝粉末；再煅烧制成氧化铝包覆的CaF 2粉末。
[0007] 所述的氧化铝包覆CaF2粉末中，氧化铝占比为35_40wt%。
[0008] 所述的氧化铝包覆CaF2粉末的粒径为4-8 μ m。
[0009] 根据本发明，一种氧化铝包覆CaF2粉末及其制备方法，包括步骤如下：
[0010] (1)取CaF2颗粒加水配制0· 10?0· 15mol/L的CaF2溶液，加入质量分数为3-4% 的聚乙二醇和适量的醋酸钠-醋酸缓冲液，超声分散搅拌均匀，加热到70-80°C，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,所述硝酸铝溶液滴加 完毕后于70-80°C保温反应30-40min，然后静置陈化，经清洗、离心、真空干燥得到包覆氢 氧化铝的CaF 2粉末；所述CaF2溶液与所述硝酸铝溶液的体积比为1 :1 ;
[0011] (2)将步骤（1)制得的包覆氢氧化铝的0&&粉末置于坩埚中，采用真空热压烧结 炉煅烧，煅烧温度为1150-1250°C ;煅烧的保温时间为2-3小时，煅烧后氢氧化铝完全转化 为氧化铝包覆层，即得氧化铝包覆的CaF2粉末。
[0012] 根据本发明优选的，所述步骤（1)中，所述CaF2水溶液的浓度为0. 13mol/L，硝酸 铝溶液的Al3+浓度为0. 15mol/L。所述醋酸钠-醋酸缓冲液的质量分数为22-26%，优选质 量分数为25%的醋酸钠-醋酸缓冲液。
[0013] 根据本发明优选的，所述步骤⑴中，调节pH用的氨水溶液的质量分数为 25-30%。优选 pH 值为 7. 5。
[0014] 根据本发明优选的，步骤（1)中，所述CaF2颗粒的粒径为3-5μπι。
[0015] 根据本发明优选的，步骤（1)中，所述反应温度为75°C。
[0016] 根据本发明优选的，步骤（1)中，所述硝酸铝溶液的滴加速度为2-4mL/min。
[0017] 根据本发明优选的，步骤（1)中，所述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，步骤（2)中所述坩埚的材料为A1203或Si0 2。
[0019] 根据本发明优选的，步骤（2)中所述煅烧时的升温速度为8-12°C /min。进一步优 选煅烧时的升温速度为10°c /min。
[0020] 本发明步骤（1)中，所述的聚乙二醇作为表面分散剂，所述聚乙二醇的加量与所 述CaF 2溶液体积比为1?1. 2 :1，优选所述聚乙二醇的加量与所述CaF2溶液体积相同。
[0021] 本发明步骤（1)中添加醋酸钠-醋酸缓冲液是使溶液pH值的恒定。一般优选加 量为所述CaF 2溶液体积的12-16% v/v。
[0022] 本发明步骤（2)中煅烧后氧化铝包覆CaF2的颗粒大小为4-8 μ m。
[0023] 本发明所制备的氧化铝包覆氟化钙粉末材料具有良好的力学性能，可作为固体润 滑剂用于自润滑刀具材料中。该包覆粉末材料是以非均匀成核法用氧化铝包覆CaF 2粉末， 通过CaF2粉末表面包覆氧化铝粉末来得到特殊的界面层，实现增强CaF2性能的效果。界面 层的选择和设计对于优化高性能复合材料最终的性能起关键作用。由于氧化铝复合材料的 界面对其力学性能的影响显著，采用CaF 2颗粒表面包覆氧化铝粉末可以获得良好的界面反 应阻挡层，使其在添加入刀具材料基体中后具有良好的力学性能。与现有技术相比，本发明 氧化铝包覆CaF 2粉末材料，从改善固体润滑剂粉末材料性能的角度来增强刀具材料的力学 性能，是前所未有的创新。
[0024] 本发明的制备工艺简单易控，所得粉末表面包覆效果好，尺寸分布均匀，颗粒大小 为4-8 μ m ;工艺操作方便，设备要求低，工业生产成本低，制备的氧化铝包覆CaF2粉末包覆 率在80%以上。




[0025] 图1是CaF2颗粒的原始形貌的扫描电镜图片。图中CaF2颗粒的大小比较均勻，表 面较光滑。
[0026] 图2是实施例1制得的氧化铝包覆CaF2粉末材料的扫描电镜图片。煅烧温度 1150°C，图中CaF 2表层的包覆粉体氧化铝的颗粒细小且致密度较好。
[0027] 图3是实施例2制得的氧化铝包覆CaF2粉末材料的扫描电镜图片。煅烧温度 1250°C，CaF2表面包覆层氧化铝颗粒变大。
[0028] 图4是实施例3制得的氧化铝包覆CaF2粉末材料的扫描电镜图片。煅烧温度 1200°C，图中CaF 2表面包覆层颗粒生长较为均匀。


[0029] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明 的保护范围。
[0030] 实施例中所用CaF2颗粒的粒径为3-4 μ m，形貌如图1所示。
[0031] 实施例中所用坩埚为A1203材质，所用加热器为DF- II数显集热式磁力搅拌器。
[0032] 实施例1、氧化铝包覆CaF2粉末及其制备方法，步骤如下：氧化铝包覆CaF 2粉末及 其制备方法，步骤如下：
[0033] 将Α1(Ν03)3 ·9Η20加入一定量蒸馏水，配制Al3+浓度为0· 15mol/L的硝酸铝溶液， 备用。
[0034] (1)取粒径为3-4 μ m的CaF2颗粒加水配制0. 13mol/L的CaF2溶液100mL，加入 100mL质量分数为4%聚乙二醇作为表面分散剂，同时加入质量分数为25%的NaAc-HAc缓 冲液15mL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 ;
[0035] (2)以3mL/min的速度向步骤⑴的体系中缓慢滴加配制的Al3+浓度为0. 15mol/ L的硝酸铝溶液共计100mL，在75°C水浴槽中搅拌，同时缓慢滴加质量分数为28%的氨水溶 液使pH值保持在7. 5,所述硝酸铝溶液全部滴加完毕，于75°C保温30min，形成澄清透明的 溶胶体；
[0036] 将所得的溶胶体用蒸馏水清洗2-3次，再用无水乙醇清洗2?3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 ;
[0037] (3)将步骤（2)所得的滤饼放置于坩埚中在真空热压烧结炉中，按9°C /min缓慢 升温至1150°C，保温3小时，得到氧化铝包覆的CaF2粉末。CaF2表层的包覆粉体氧化铝的 颗粒细小且致密度较好，颗粒大小为4-8 μ m，所得产品的电镜照片如图2所示。CaF2表面 包覆层颗粒生长均匀，包覆率为85 %。产品中氧化铝占比为38wt %。
[0038] 实施例2、氧化铝包覆CaF2粉末及其制备方法，步骤如下：
[0039] 将Α1(Ν03)3 ·9Η20加入一定量蒸馏水，配制Al3+浓度为0· 17mol/L的硝酸铝溶液， 备用；
[0040] 1、取粒径为3-4 μ m的CaF2颗粒加水配制0. 13mol/L的氟化钙溶液100mL，加入质 量分数为4%聚乙二醇100mL，同时加入质量分数为26%的NaAC-HA C缓冲液14mL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85°C ;
[0041] 2、以3mL/min的速度缓慢滴加配制的Al3+浓度为0. 17mol/L的硝酸铝溶液共计 100mL，同时在85°C水浴槽中搅拌，同时缓慢滴加氨水使pH值保持在7. 5,滴加完毕85°C保 温30min，形成澄清透明的溶胶体，用蒸馏水反复清洗2?3遍后，再用无水乙醇清洗2?3 遍，用高速离心机在2000rad/min离心10min，将滤饼放入真空干燥箱100°C下烘干12h ;
[0042] 3、将步骤2所得滤饼放置于坩埚中在真空热压烧结炉中，升温速度为10°C /min， 缓慢升温至1250°C，保温2小时，得到包覆氧化铝的CaF2粉末。颗粒大小为4-8 μ m ;所得 产品的电镜照片如图3所示，包覆率为82%。CaF2表面包覆层氧化铝颗粒略微变大，此为 氧化铝颗粒生长所致。产品中氧化铝占比为36wt%。
[0043] 实施例3、氧化铝包覆CaF2粉末及其制备方法，步骤如下：
[0044] 将Α1 (Ν03) 3 · 9H20加入一定量蒸馏水，配制Al3+浓度为0· 13mol/L的硝酸铝溶液 备用。
[0045] 1、配制0. 13mol/L的CaF2溶液100mL，加入质量分数为4%聚乙二醇100mL，同时 加入质量分数为25%的NaAc-HAc缓冲液15mL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 ;
[0046] 2、以3mL/min缓慢滴加 Al3+浓度为0. 13mol/L的硝酸铝溶液共计100mL，同时在 75°C水浴槽中搅拌，同时缓慢滴加氨水使pH值保持在8,滴加完毕保温30min，形成澄清透 明的溶胶体；用蒸馏水反复清洗2?3遍，再用无水乙醇清洗2?3遍，用高速离心机于 2000rad/min离心10min，然后将滤饼放入真空干燥箱100°C下烘干12h ;
[0047] 3、将烘干的滤饼放置于坩埚中在真空热压烧结炉中，按11°C /min缓慢升温至 1200°C，保温2小时，得到包覆氧化铝的CaF2颗粒。颗粒大小为4-8 μ m ;所得产品的电镜照 片如图4所示。图中CaF2表面包覆层颗粒生长均匀，包覆率为90%。产品中氧化铝占比为 40wt %。