專利名稱：表面具有殘余壓應力的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于表面殘余壓應力的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料及其制備方法，屬于陶瓷刀具材料技術領域。
背景技術：
自潤滑陶瓷刀具是通過在陶瓷刀具基體內加入固體潤滑劑制成，利用固體潤滑劑摩擦系數(shù)低的特點，使陶瓷刀具在切削加工時在刀具表面形成連續(xù)的固體潤滑膜，從而實現(xiàn)刀具本身的自潤滑功能，參見曹同坤，自潤滑陶瓷刀具的設計開發(fā)及其自潤滑機理研究，山東大學博士學位論文，2005。添加的固體潤滑劑一方面可從摩 擦表面析出并拖敷形成固體潤滑膜，使摩擦界面的接觸狀態(tài)得到改善，進而起到減摩的作用，另一方面會導致陶瓷刀具材料力學性能的降低，從而導致耐磨性能下降。因此，關系到自潤滑刀具廣泛應用的關鍵技術問題是如何兼顧固體潤滑劑的減摩作用和刀具材料力學能之間的平衡。將功能梯度材料的設計思想引入自潤滑陶瓷刀具材料的研制過程，開發(fā)多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料，將有望緩解切削過程中刀具內的熱應力，提高抗熱震性，并能在刀具材料表層中形成殘余壓應力，部分抵消切削過程中外載造成的應力，進而實現(xiàn)自潤滑陶瓷刀具減摩性能和耐磨性能的統(tǒng)一。然而，現(xiàn)有的梯度組成分布函數(shù)由于僅采用I個組成分布指數(shù)，多用于二元功能梯度材料的組分設計。在用于組元大于2種的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料設計時會遇到困難，導致組分設計很難進行。

發(fā)明內容
針對已有技術的不足，本發(fā)明提供一種表面具有殘余壓應力的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料及其制備方法。本發(fā)明的技術方案如下一種多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料，是以a-Al2O3為基體，添加(W，Ti)C作為增強相，以氟化鈣(CaF2)為固體潤滑劑，以氧化鎂(MgO)和氧化鎳(NiO)作為燒結助劑，經分層鋪填、熱壓燒結而成；其特征為該陶瓷刀具材料具有(2K-1)層的梯度結構，其中K為整數(shù)且3 < K < 6 ;相對中間層對稱的層中組分及含量相同，且厚度對稱分布；按體積百分比計，表面層的氟化鈣含量最高，為8 12%，中間層的氟化鈣含量為0，氟化鈣的含量從表面層最高為8 12%降至中間層的氟化鈣含量為0，(W，Ti)C的含量從表面層到中間層逐層降低；表面層的(W，Ti) C的含量最高，為45飛0%，中間層的(W，Ti) C的含量最低，為25 35% ；a-Al2O3的含量從表面層到中間層逐層增加；表面層的a-Al2O3含量最低，為30 40%，中間層的a -Al2O3含量最高，為65 75% ；氧化鎂(MgO)含量從表面層到中間層各層相同，為0. 5 1% ；氧化鎳(NiO)的含量從表面層到中間層各層相同，為0. 5^1% ；各層的a-Al203、(W, Ti)C、氟化I丐、氧化鎂和氧化鎳百分比組成之和為100%。toon] 根據本發(fā)明優(yōu)選的，氟化鈣的含量從表面層到中間層逐層降低或者有r2層是相等的；當氟化鈣的含量逐層降低時相鄰兩層的氟化鈣含量體積比差額為1_5%。根據本發(fā)明優(yōu)選的，從表面層到中間層，相鄰兩層的(W，Ti)C含量體積比差額為5-10%，相鄰兩層的a -Al2O3含量體積比差額為5-15%。優(yōu)選的，上述各組分中，所用的原料均為市售產品，其中a-Al2O3粉末和CaF2粉末的平均粒徑均為0. 5 ii m，(W，Ti) C粉末的平均粒徑為I y m,純度均大于99%。根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述各層的氧化鎂、氧化鎳的體積比含量均為0. 5%。根據本發(fā)明優(yōu)選的，中間層厚度廣3_，從中間層到表面層的厚度逐層減小，總厚 度為3. 5 4. 5mm。根據本發(fā)明優(yōu)選方案之一，多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料為7層結構，各層的組分體積百分含量及厚度為第1、7 層，a -Al2O3 335. 6%, (W，Ti) C 53. 4%, CaF210%，氧化鎂 0. 5%，氧化鎳 0. 5%,厚度 0. 39 0. 4mm ；第2、6 層，a -Al20346. 15%, (ff, Ti) C 46. 15%, CaF26. 7%,氧化鎂 0. 5%,氧化鎳 0. 5%,厚度 0. 57 0. 58mm ；第3、5 層，a -Al20357. 42%, (ff, Ti) C 38. 28%, CaF23. 3%,氧化鎂 0. 5%,氧化鎳 0. 5%,厚度 I. 03 I. 04mm ；第4 層，a -Al2O3 69. 3%, (ff, Ti) C 29. 7%,氧化鎂 0. 5%,氧化鎳 0. 5%,厚度 2. 00mm。根據本發(fā)明優(yōu)選方案之二，多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料為9層結構，各層的組分體積百分含量及厚度為第1、9 層，a -Al20335. 6%, (ff, Ti) C 53. 4%, CaF210%,氧化鎂 0. 5%,氧化鎳 0. 5%,厚度 0. 38 0. 40mm ；第2、8 層，a -Al20342. 28%, (ff, Ti) C 46. 72%, CaF210%,氧化鎂 0. 5%,氧化鎳 0. 5%,厚度 0. 80 0. 85mm ；第3、7 層，a _A120351. 7%, (ff, Ti) C 42. 3%, CaF25%,氧化鎂 0. 5%,氧化鎳 0. 5%,厚度 0. 35 0. 39mm ；第4、6 層，a _A120358. 75%, (ff, Ti) C 35. 25%, CaF25%，氧化鎂 0. 5%，氧化鎳 0. 5%,厚度 0. 80 0. 85mm ；第5 層，a -Al20369. 3%, (ff, Ti) C 29. 7%,氧化鎂 0. 5%,氧化鎳 0. 5%,厚度 I. 20mm。根據本發(fā)明，所述多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料的制備方法，依據各層的原料組分配比，分別配制K組混合粉料，各組混合粉料的配制步驟如下(I)按比例稱取a-Al2O3粉末，加無水乙醇配成a-Al2O3懸浮液，充分攪拌、超聲分散20 30min ；(2)按比例稱取(W，Ti)C粉末，加無水乙醇配成(W，Ti)C懸浮液，充分攪拌、超聲分散20 30min ；(3)按比例稱取氟化鈣粉末，加無水乙醇配成氟化鈣懸浮液，充分攪拌、超聲分散20 30min ；配制中間層混合粉料時，氟化鈣含量為0，省略該步驟。(4)將上述步驟(I) (3)得到的各相懸浮液混合，然后按比例添加燒結助劑氧化鎂和氧化鎳，超聲分散2(T30min，混合均勻；(5)將步驟(4)所得混合物料倒入球磨罐中，以氮氣或氬氣為保護氣氛，以無水乙醇為介質，各組分原料總量與研磨球的料球重量比為I :1(T12，球磨48 80h ;然后在電熱真空干燥箱中10(T110°C溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在氮氣或氬氣氣流中過篩，得到混合粉料，密封備用；將所得的各層混合粉料逐層裝入石墨模具，形成各層關于中間層對稱的(2K-1)層梯度結構。填充好的混合粉料預壓后在真空熱壓燒結爐中燒結成型。制得Al2O3/(W，Ti) C/CaF2多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料。熱壓燒結工藝參數(shù)為升溫速率15_30°C /min，保溫溫度150(Tl65(TC，熱壓壓力25 30MPa，保溫時間l(T30min，然后降溫至室溫。上述步驟(I廣(3)中所述的無水乙醇是作為配成懸浮液的分散介質，用量按本領域常規(guī)選擇即可，本發(fā)明不做特別限定。 優(yōu)選的,步驟(5)中球磨用的研磨球是市售的YG類硬質合金球。本發(fā)明的設計原理本發(fā)明應用多元梯度組成分布函數(shù)進行梯度自潤滑陶瓷刀具材料的組分梯度設計?，F(xiàn)有的冪指數(shù)型組成分布函數(shù)只包含一個組成分布指數(shù)，本發(fā)明應用的多元梯度組成分布函數(shù)包含N-I個組成分布指數(shù)(N為組元個數(shù)且N>2)。梯度自潤滑陶瓷刀具材料一般由復相基體和固體潤滑組元構成，而目前適用于兩種組元以上的多元功能梯度材料的組成分布模型尚未有報道。本發(fā)明提出多元功能梯度材料的組成分布模型及分布函數(shù)。設功能梯度材料由K (K為大于2的自然數(shù))種組元ei、e2、e3、…、ek組成，體積分數(shù)分別為今、怠、念、…、式11則么+ 42 +炙+-+41[=1，將組元62、e3>…、ek看成基體叫，e:服從冪指數(shù)為Ii1的梯度分布函數(shù)，即
—Co<^<4e-
rHW1#,=/(^= (C1-C1) 4-% +^1⑴
Aei^<c<i式中，忍和l-f分別為底層和頂層兩非梯度層的量綱一厚度'￠:、C1分別為底層和頂層中組元ei在材料整體中的體積分數(shù)；&為組元ei在材料整體中的梯度分布指數(shù)?；w!!^的梯度分布函數(shù)為4=1戈(2)在基體Hi1中，e2服從冪指數(shù)為n2的梯度分布函數(shù)，其表達式為
. 0<^<^#:=/(^)= -C2)+A G …泛b)
、AeiP 中I式中，泣和I 5分別為底層和頂層兩非梯度層的量綱一厚度# 、分別為底層和頂層中組元e2在基體Hi1中的體積分數(shù)；n2為組元e2在基體Hi1中的梯度分布指數(shù)。
在梯度材料整體中，e2的梯度分布函數(shù)為
權利要求
1.一種多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料，是以Q-Al2O3為基體，添加(W，Ti)C作為增強相，以氟化鈣(CaF2)為固體潤滑劑，以氧化鎂(MgO)和氧化鎳(NiO)作為燒結助劑，經分層鋪填、熱壓燒結而成；其特征在于該陶瓷刀具材料具有(2K-1)層的梯度結構，其中K為整數(shù)且3 < K < 6 ;相對中間層對稱的層中組分及含量相同，且厚度對稱分布；按體積百分比計氟化鈣的含量從表面層最高為8 12%降至中間層的氟化鈣含量為O ; (W，Ti)C的含量從表面層到中間層逐層降低；表面層的(W，Ti)C的含量最高，為45 60%，中間層的(W，Ti) C的含量最低，為25 35% ； a -Al2O3的含量從表面層到中間層逐層增加；表面層的a -Al2O3含量最低，為30 40%,中間層的a -Al2O3含量最高，為65 75% ； 氧化鎂(MgO)含量從表面層到中間層各層相同，為O. 5^1% ； 氧化鎳(NiO)的含量從表面層到中間層各層相同，為O. 5^1% ； 各層的α-Α1203、(W, Ti)C、氟化I丐、氧化鎂和氧化鎳百分比組成之和為100%。
2.如權利要求I所述的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料，其特征在于，氟化鈣的含量從表面層到中間層逐層降低或有f 2層相等；當氟化鈣的含量逐層降低時相鄰兩層的氟化鈣含量體積比差額為1_5%。
3.如權利要求I所述的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料，其特征在于，從表面層到中間層，相鄰兩層的(W，Ti)C含量體積比差額為5-10%，相鄰兩層的Q-Al2O3含量體積比差額為5-15%。
4.如權利要求I所述的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料，其特征在于，所述各層的氧化鎂、氧化鎳的體積比含量均為O. 5%。
5.如權利要求I所述的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料，其特征在于，多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料為7層結構，各層的組分體積百分含量及厚度為 第 1、7 層，α -Α120335· 6%，(W，Ti) C 53. 4%，CaF210%,氧化鎂 O. 5%，氧化鎳 O. 5%，厚度O.39^0. 4mm ；第 2、6 層，α -Α120346· 15%, (W，Ti) C 46. 15%, CaF26. 7%，氧化鎂 O. 5%，氧化鎳 O. 5%，厚度 O. 57 O. 58mm ；第 3、5 層，α -Α120357· 42%, (W，Ti) C 38. 28%, CaF23. 3%，氧化鎂 O. 5%，氧化鎳 O. 5%，厚度 I. 03 I. 04mm ；第 4 層，α -Α120369· 3%, (W，Ti) C 29. 7%,氧化鎂 O. 5%,氧化鎳 O. 5%,厚度 2. 00mm。
6.如權利要求I所述的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料，其特征在于，多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料為9層結構，各層的組分體積百分含量及厚度為第 1、9 層，α -Α120335· 6%, (ff, Ti) C 53. 4%, CaF210%,氧化鎂 O. 5%,氧化鎳 O. 5%,厚度O.38^0. 40mm ；第 2、8 層，α -Α120342· 28%, (ff, Ti) C 46. 72%, CaF210%，氧化鎂 O. 5%，氧化鎳 O. 5%，厚度O.80^0. 85mm ； 第 3、7 層，α -Α120351· 7%，(ff, Ti)C 42. 3%，CaF25%，氧化鎂 O. 5%，氧化鎳 O. 5%，厚度O.35 O. 39mm ; 第 4、6 層，α-Al20358. 75%，(W，Ti)C 35. 25%，CaF25%，氧化鎂 O. 5%，氧化鎳 O. 5%，厚度O.80^0. 85mm ；第 5 層，a -Al2O3 69. 3%, (ff, Ti) C 29. 7%，氧化鎂 O. 5%，氧化鎳 O. 5%，厚度 I. 20mm。
7.如權利要求I飛任一項所述的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料，其特征在于，Ci-Al2O3粉末和CaF2粉末的平均粒徑均為O. 5 μ m，(ff, Ti) C粉末的平均粒徑為I μ m,純度均大于99%。
8.權利要求Γ7任一項所述多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料的制備方法，依據各層的原料組分配比，分別配制K組混合粉料，各組混合粉料的配制步驟如下 (1)按比例稱取Q-Al2O3粉末，加無水乙醇配成Ci-Al2O3懸浮液，充分攪拌、超聲分散20 30min ； (2)按比例稱取(W，Ti)C粉末，加無水乙醇配成(W，Ti)C懸浮液，充分攪拌、超聲分散20 30min ； (3)按比例稱取氟化鈣粉末，加無水乙醇配成氟化鈣懸浮液，充分攪拌、超聲分散20 30min ； 配制中間層混合粉料時，氟化鈣含量為0，省略該步驟； (4)將上述步驟(I) (3)得到的各相懸浮液混合，然后按比例添加燒結助劑氧化鎂和氧化鎳，超聲分散2(T30min，混合均勻； (5)將步驟(4)所得混合物料倒入球磨罐中，以氮氣或氬氣為保護氣氛，以無水乙醇為介質，各組分原料總量與研磨球的料球重量比為I :1(Γ12，球磨48 80h ;然后在電熱真空干燥箱中10(Tll(TC溫度下連續(xù)干燥，完全干燥后在氮氣或氬氣氣流中過篩，得到混合粉料，密封備用； 將所得的各層混合粉料逐層裝入石墨模具，形成各層關于中間層對稱的(2K-1)層梯度結構；填充好的混合粉料預壓后在真空熱壓燒結爐中燒結成型。
9.如權利要求8所述多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料的制備方法，其特征在于在真空熱壓燒結爐中，熱壓燒結工藝參數(shù)為升溫速率15-30°C /min，保溫溫度150(Tl650°C，熱壓壓力25 30MPa，保溫時間l(T30min，然后降溫至室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面具有殘余壓應力的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料及其制備方法。本發(fā)明的多元梯度自潤滑陶瓷刀具材料是應用多元梯度組成分布函數(shù)進行組分梯度設計，以α-Al2O3為基體，添加(W，Ti)C作為增強相，以氟化鈣為固體潤滑劑，以氧化鎂和氧化鎳作為燒結助劑，經分層鋪填、熱壓燒結而成。該刀具材料具有組分關于中間層對稱的(2K-1)層梯度結構；氟化鈣的含量從表面層最高為8~12%降至中間層的氟化鈣含量為0；該刀具材料的兩表面層中存在殘余壓應力。該陶瓷刀具材料的各項力學性能指標均高于相同材料體系的均質自潤滑陶瓷刀具材料，兼具高減摩和高耐磨性能，可用于干式切削和難加工材料的切削加工。
文檔編號C04B35/56GK102815929SQ20121033287
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權日2012年9月10日
發(fā)明者許崇海, 吳光永, 肖光春, 方斌 申請人:山東輕工業(yè)學院