CN110157998B - 一种超硬自润滑刀具材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超硬自润滑刀具材料及其制备方法，属于陶瓷材料制备的技术领域，是针对二硼化钛颗粒高硬度的优势、碳化硅纤维的增韧补强性和石墨具有良好润滑性能的优势，采用铝粉、钴粉、铬粉、铁粉和镍粉作为粘结剂，通过高能球磨技术将二硼化钛颗粒、碳化硅纤维、石墨、铝粉、钴粉、铬粉、铁粉和镍粉混合均匀并发生合金化，形成八元混合粉末，通过高能脉冲电流烧结技术将八元混合粉末烧结成形，高能脉冲电流烧结技术具有烧结速度快、烧结温度低等特点，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制备的超硬自润滑复合材料的组织分布均匀，界面之间结合良好，致密度可达98%以上，维氏硬度可达300HV，是十分理想的制备超硬自润滑复合材料的方法。

Description

一种超硬自润滑刀具材料及其制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料制备的技术领域，具体公开了一种超硬自润滑刀具材料及其制备方法。

背景技术

二硼化钛陶瓷材料具有低密度、高硬度的优势，是良好的耐磨材料。然而，二硼化钛属于脆性材料，韧性和抗冲击性能较差，通常需要在二硼化钛材料内部添加粘结剂的方式将二硼化钛颗粒通过高能脉冲电流烧结的方法烧结成块体材料。

碳化硅纤维是良好的高温陶瓷基复合材料的增韧补强纤维，具有高温抗氧化性、耐腐蚀、低密度等优点，可有效增强复合材料的韧性。

石墨是良好的耐磨润滑材料，同时具有良好的化学稳定性和耐高温性能，在200℃-2000℃的温度条件下不使用润滑油仍可良好的工作。

上述材料的特性为超硬自润滑刀具材料的制备提供了基础，但是目前尚未有相关技术能够实现以上述材料为原材的超硬自润滑刀具材料的制备。

发明内容

本发明在于提供一种超硬自润滑刀具材料及其制备方法，针对二硼化钛高硬度的特点，选用二硼化钛颗粒为耐磨材料，选用碳化硅纤维为增韧材料，选用石墨为润滑材料，选用铝粉、钴粉、铬粉、铁粉和镍粉为粘结剂，通过高能球磨技术将二硼化钛颗粒、碳化硅纤维、石墨、铝粉、钴粉、铬粉、铁粉和镍粉混合均匀，使得二硼化钛颗粒、碳化硅纤维和石墨表面发生合金化，通过高能脉冲电流烧结技术制备成超硬自润滑的复合材料，以适应工业领域对车削用刀具材料的需求。

为实现上述目的，本发明提供一种超硬自润滑刀具材料的制备方法，包括下述步骤：

步骤一，预氧化二硼化钛粉

将二硼化钛粉置于石英容器中，然后置于电阻丝加热炉内，进行预氧化处理，预氧化温度1000℃，氧化时间60min；

步骤二，配料

称取质量比为68：16：1：1.6：3.5：3.1：3.3：3.5的二硼化钛粉、碳化硅纤维、石墨粉、铝粉、钴粉、铬粉、铁粉和镍粉置于球磨罐中，并密闭；

步骤三，球磨

将球磨罐置于球磨机上，进行球磨，球磨转速1500r/min，球磨时间120min；

步骤四，装料

将球磨混合均匀的八元混合粉末从球磨罐内取出，放入石墨模具中；

步骤五，预压实

将装有八元混合粉末的石墨模具置于压力机工作台上进行预压实，预压压力为10MPa，保压时间为5min；

步骤六，高能脉冲电流烧结复合材料

超硬自润滑复合材料的烧结是在高能脉冲电流烧结炉内烧结完成的，是在真空环境下、高能脉冲电流加热、外水循环冷却、施加压力过程中完成的；

①打开炉体，将石墨模具垂直置于烧结炉炉腔中下电极的上部；

② 向下移动烧结炉内部的下电极，并保持下电极、石墨模具、上电极的中心在一条中心线上，对中并压紧，压紧压力为2MPa，下电极与石墨模具之间、上电极与石墨模具之间均垫有石墨垫块；

③关闭炉体，并密闭；

④开启真空泵，抽取机内空气，使机内压强达1Pa；

⑤开启高能脉冲电流加热器，加热温度至300℃±2℃；

⑥开启压力电机，通过上电极，经过石墨垫块对石墨模具内的八元混合粉末施压，施压压强40MPa，并保持压力恒定；

⑦升高脉冲电流，继续对八元混合粉末加热，加热温度至1200℃±2℃，保温、保压5min；

⑨加热、施压后，停止加热、施压，使八元混合粉末随炉体冷却至100℃；

⑩打开炉体的炉门，取出石墨模具及石墨模具内的烧结复合材料，使其在空气中自然冷却至25℃；

步骤七，开模

冷却后，开启石墨模具，取出高能脉冲电流烧结后的超硬自润滑复合材料。

进一步地，石墨模具为开合式模具，模具型腔表面粗糙度为Ra 0.08-0.16µm。

进一步地，步骤六中，高能脉冲电流烧结炉为立式，包括炉体、水箱、压力电机、真空泵和电控柜；炉体内部为烧结炉炉腔，外部由外水循环冷却管环绕；外水循环冷却管与进水管和出水管连通；进水管通过水泵与水箱连通，出水管与水箱连通；烧结炉炉腔下部设置有下电极，下电极上部垫有下石墨垫块，在下石墨垫块上部放置有石墨模具，石墨模具上部安装有热电偶，在石墨模具的中下部为下垫头，下垫头的上部放置有八元混合粉末，八元混合粉末的上部为上压头，上压头和上电极之间有上石墨垫块；压力电机与上电极连接；真空泵上设置有用于排气的第一真空管，通过第二真空管与烧结炉炉腔连通；电控柜上设有电源开关、电流调节器、真空泵控制器、压力控制器、外水循环控制器、指示灯和显示屏；水箱、真空泵、炉体、压力电机和电控柜之间通过第一连接导线、第二连接导线、第三连接导和第四连接导线连接。

进一步地，炉体、水箱、压力电机、真空泵和电控柜均设置在工作台上。

进一步地，步骤八，打磨、砂光处理

将高能脉冲电流烧结后的超硬自润滑复合材料置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及表面。

本发明还提供一种超硬自润滑刀具材料，其特征在于，由上述超硬自润滑复合材料的制备方法制备。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的超硬自润滑刀具材料及其制备方法，是针对二硼化钛颗粒高硬度的优势，碳化硅纤维的增韧补强性和石墨具有良好润滑性能的优势，采用铝粉、钴粉、铬粉、铁粉和镍粉作为粘结剂，通过高能球磨技术将二硼化钛颗粒、碳化硅纤维、石墨、铝粉、钴粉、铬粉、铁粉和镍粉混合均匀并发生合金化，形成八元混合粉末，通过高能脉冲电流烧结技术将八元混合粉末烧结成形，高能脉冲电流烧结技术具有烧结速度快、烧结温度低等特点，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制备的超硬自润滑复合材料的组织分布均匀，界面之间结合良好，通过阿基米德排水法测量，致密度可达98%以上，维氏硬度可达300HV，可用做刀具材料使用，是十分理想的制备超硬自润滑复合材料的方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的超硬自润滑复合材料的微观组织形貌图；

图2为本发明实施例提供的超硬自润滑复合材料的界面形貌图；

图3为本发明实施例提供的超硬自润滑复合材料的界面线扫描图谱；

图4为本发明实施例中高能脉冲电流烧结炉的结构示意图。

图中：1、高能脉冲电流烧结炉，2、模具上压头，3、烧结炉炉腔，4、外水循环冷却管，5、石墨模具，6、八元混合粉末，7、模具下垫头，8、下石墨垫块，9、下电极，10、工作台，11、回水管，12、左支架，13、水箱，14、第一连接导线，15、真空泵，16、第一真空管，17、第二真空管，18、第二连接导线，19、右支架，20、第三连接导线，21、电控柜，22、电源开关，23、电流调节器，24、真空泵控制器，25、压力控制器，26、外水循环控制器，27、指示灯，28、显示屏，29、第四连接线，30、压力电机，31、上电极，32、上石墨垫块，33、进水管，34、水泵，35、热电偶。

具体实施方式

本实施例使用的化学物质材料为：二硼化钛粉、碳化硅纤维、石墨粉、铝粉、钴粉、铬粉、铁粉、镍粉和无水乙醇，其组合准备用量如下：以克、毫米为计量单位

二硼化钛粉：TiB₂ 68 g±0.01g

碳化硅纤维：SiC_f 16g±0.01g

石墨粉：C 1g±0.01g

铝粉：Al 1.6g±0.01g

钴粉：Co 3.5g±0.01g

铬粉：Cr 3.1g±0.01g

铁粉：Fe 3.3±0.01g

镍粉：Ni 3.5±0.01g

石墨纸：C 2块 90mm×2mm×90mm

砂纸：400目 2张 300mm×0.5mm×200mm

无水乙醇：C₂H₅OH 200mL±5 mL

制备方法如下：

（1）制备开合式模具

开合式模具用石墨材料制作，模具型腔表面粗糙度为Ra 0.08-0.16µm；

（2）预氧化TiB₂粉

将TiB₂粉置于石英容器中，然后置于电阻丝加热炉内，进行预氧化处理，预氧化温度1000℃，氧化时间60min；预氧化的目的是在TiB₂粉颗粒表面形成一层氧化硼的薄膜，提高二硼化钛颗粒与粘结剂之间的界面结合性能；

（3）配料

称取二硼化钛粉68g±0.01g、碳化硅纤维16g±0.01g、石墨粉 1g±0.01g、铝粉1.6g±0.01g、钴粉3.5g±0.01g、铬粉3.1g±0.01g、铁粉3.3g±0.01g、镍粉3.5g±0.01g，置于球磨罐中，并密闭；

二硼化钛粉：碳化硅纤维：石墨粉：铝粉：钴粉：铬粉：铁粉：镍粉=

68：16：1：1.6：3.5：3.1：3.3：3.5；

（4）球磨

将球磨罐置于球磨机上，进行球磨，球磨转速1500r/min，球磨时间120min;

（5）装料

将球磨混合均匀的八元混合粉末6从球磨罐内取出；打开石墨模具5，取出模具上压头，在模具下垫头上部放置石墨纸，在石墨纸上部放置八元混合粉末6，在八元混合粉末6上部放置石墨纸，在石墨纸上部放置上压头；

（6）预压实

将装有八元混合粉末6的石墨模具5置于手动压力机工作台上进行预压实，预压压力为10MPa，保压时间为5min；

（7）高能脉冲电流烧结复合材料

超硬自润滑复合材料的烧结是在高能脉冲电流烧结炉内烧结完成的，是在真空环境下、高能脉冲电流加热、外水循环冷却、施加压力过程中完成的；

①打开开炉体1，将开合式石墨模具5垂直置于烧结炉炉腔3中下电极9的上部；

②向下移动烧结炉炉腔3内部的上电极9，并保持下电极9、石墨模具5、上电极31的中心在一条中心线上，对中并压紧，压紧压力为2MPa，下电极9与石墨模具5之间、上电极31与石墨模具5之间均垫有石墨垫块；

③关闭炉体1，并密闭；

④开启真空泵15，抽取机内空气，使机内压强达1Pa；

⑤开启高能脉冲电流加热器，加热温度至300℃±2℃；

⑥开启压力电机30，通过上电极31，经过石墨垫块对石墨模具5内的八元混合粉末6施压，施压压强40MPa，并保持压力恒定；

⑦升高脉冲电流，继续对八元混合粉末6加热，加热温度至1200℃±2℃，保温、保压5min；

⑨加热、施压后，停止加热、施压，使八元混合粉末6随高能脉冲电流烧结炉冷却至100℃；

⑩打开炉体1的炉门，取出石墨模具5及其内的烧结复合材料，使其在空气中自然冷却至25℃；

（8）开模

冷却后，开启石墨模具5，取出高能脉冲电流烧结后的超硬自润滑复合材料；

（9）打磨、砂光处理

将高能脉冲电流烧结后的超硬自润滑复合材料置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及表面，使其洁净；

（10）检测、分析、表征

对制备的超硬自润滑复合材料的形貌、色泽、微观组织形貌、力学性能进行检测、分析、表征；

用扫描电镜仪进行微观组织形貌分析；

图1为超硬自润滑复合材料的微观组织形貌图(放大倍数1000)，图中所示：各组元之间分布较为均匀，未出现局部团聚现象；

图2为超硬自润滑复合材料的界面形貌图(放大倍数2000)，图中所示：不同组元之间的界面结合良好，达到了冶金结合；

用X射线能谱仪(EDS)进行图谱扫描，图3为超硬自润滑复合材料的界面线扫描图谱，图中所示：在不同组元的界面处，存在一定厚度的元素扩散层，元素扩散较为平滑，未出现元素的突变；

用维氏硬度仪进行硬度测试，维氏硬度可达 300HV；

结论：超硬自润滑复合材料为灰黑色，各个组元之间分布均匀，二硼化钛颗粒、碳化硅纤维、石墨颗粒与粘结剂之间界面结合良好，复合材料内部无气孔、裂纹等缺陷产生，复合材料的维氏硬度可达 300HV；

（11）储存

对制备的超硬自润滑复合材料用软质材料包装，储存于洁净、干燥环境，要防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃，相对湿度≤10%。

其中，如图4所示，高能脉冲电流烧结炉为立式，包括炉体1、水箱13、压力电机30、真空泵15和电控柜21；炉体1内部为烧结炉炉腔3，外部由外水循环冷却管4环绕；外水循环冷却管4与进水管33和出水管11连通；进水管33通过水泵34与水箱13连通，出水管11与水箱13连通；烧结炉炉腔3下部设置有下电极9，下电极9上部垫有下石墨垫块8，在下石墨垫块8上部放置有石墨模具5，石墨模具5上部安装有热电偶35，在石墨模具5的中下部为下垫头7，下垫头7的上部放置有八元混合粉末6，八元混合粉末6的上部为上压头2，上压头2和上电极31之间有上石墨垫块32；压力电机30与上电极31连接；真空泵15上设置有用于排气的第一真空管16，通过第二真空管17与烧结炉炉腔3连通； 电控柜21上设有电源开关22、电流调节器23、真空泵控制器24、压力控制器25、外水循环控制器26、指示灯27和显示屏28；水箱13、真空泵15、炉体1、压力电机30和电控柜21之间通过第一连接导线14、第二连接导线18、第三连接导20和第四连接导线29连接；炉体1、水箱13、压力电机30、真空泵15和电控柜21均设置在工作台10上。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种超硬自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一，预氧化二硼化钛粉

将二硼化钛粉置于石英容器中，然后置于电阻丝加热炉内，进行预氧化处理，预氧化温度1000℃，氧化时间60min；

步骤二，配料

称取质量比为68：16：1：1.6：3.5：3.1：3.3：3.5的二硼化钛粉、碳化硅纤维、石墨粉、铝粉、钴粉、铬粉、铁粉和镍粉置于球磨罐中，并密闭；

步骤三，球磨

将球磨罐置于球磨机上，进行球磨，球磨转速1500r/min，球磨时间120min；

步骤四，装料

将球磨混合均匀的八元混合粉末(6)从球磨罐内取出，放入石墨模具(5)中；

步骤五，预压实

将装有八元混合粉末(6)的石墨模具(5)置于压力机工作台上进行预压实，预压压力为10MPa，保压时间为5min；

步骤六，高能脉冲电流烧结复合材料

超硬自润滑复合材料的烧结是在高能脉冲电流烧结炉内烧结完成的，是在真空环境下、高能脉冲电流加热、外水循环冷却、施加压力过程中完成的；

①打开炉体(1)，将石墨模具垂直置于烧结炉炉腔(3)中下电极(9)的上部；

②向下移动烧结炉炉腔(3)内部的下电极(9)，并保持下电极(9)、石墨模具(5)、上电极(31)的中心在一条中心线上，对中并压紧，压紧压力为2MPa，下电极(9)与石墨模具(5)之间、上电极(31)与石墨模具(5)之间均垫有石墨垫块；

③关闭炉体(1)，并密闭；

④开启真空泵(15)，抽取机内空气，使机内压强达1Pa；

⑤开启高能脉冲电流加热器，加热温度至300℃±2℃；

⑥开启压力电机(30)，通过上电极(31)，经过石墨垫块对石墨模具(5)内的八元混合粉末施压，施压压强40MPa，并保持压力恒定；

⑦升高脉冲电流，继续对八元混合粉末(6)加热，加热温度至1200℃±2℃，保温、保压5min；

⑨加热、施压后，停止加热、施压，使八元混合粉末(6)随炉体(1)冷却至100℃；

⑩打开炉体(1)的炉门，取出石墨模具(5)及石墨模具(5)内的烧结复合材料，在空气中自然冷却至25℃；

步骤七，开模

冷却后，开启石墨模具(5)，取出高能脉冲电流烧结后的超硬自润滑复合材料。

2.根据权利要求1所述的超硬自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，所述石墨模具为开合式模具，模具型腔表面粗糙度为Ra 0.08-0.16µm。

3.根据权利要求1所述的超硬自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，所述步骤六中，所述高能脉冲电流烧结炉为立式，包括炉体(1)、水箱(13)、压力电机(30)、真空泵(15)和电控柜(21)；

所述炉体(1)内部为烧结炉炉腔(3)，外部由外水循环冷却管(4)环绕；

所述外水循环冷却管(4)与进水管(33)和出水管(11)连通；

所述进水管(33)通过水泵(34)与水箱(13)连通，出水管(11)与水箱(13)连通；

所述烧结炉炉腔(3)下部设置有下电极(9)，下电极(9)上部垫有下石墨垫块(8)，在下石墨垫块(8)上部放置有石墨模具(5)，石墨模具(5)上部安装有热电偶(35)，在石墨模具(5)的中下部为下垫头(7)，下垫头(7)的上部放置有八元混合粉末(6)，八元混合粉末(6)的上部为上压头(2)，上压头(2)和上电极(31)之间有上石墨垫块(32)；

所述压力电机(30)与上电极(31)连接；

所述真空泵(15)上设置有用于排气的第一真空管(16)，通过第二真空管(17)与烧结炉炉腔(3)连通；

所述电控柜(21)上设有电源开关(22)、电流调节器(23)、真空泵控制器(24)、压力控制器(25)、外水循环控制器(26)、指示灯(27)和显示屏(28)；

所述水箱(13)、真空泵(15)、炉体(1)、压力电机(30)和电控柜(21)之间通过第一连接导线(14)、第二连接导线(18)、第三连接导(20)和第四连接导线(29)连接。

4.根据权利要求3所述的超硬自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，所述炉体(1)、水箱(13)、压力电机(30)、真空泵(15)和电控柜(21)均设置在工作台(10)上。

5.根据权利要求1所述的超硬自润滑刀具材料的制备方法，其特征在于，还包括步骤八，打磨、砂光处理

将高能脉冲电流烧结后的超硬自润滑复合材料置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及表面。

6.一种超硬自润滑刀具材料，其特征在于，由权利要求1-5任一项所述的超硬自润滑刀具材料的制备方法制备。

Images