一種硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種陶瓷材料，具體的說是一種硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]機械制造業在整個國民經濟中占有及其重要的地位，而金屬切削加工在制造業中占據主導地位。在切削加工中，使用切削液對提高加工效率與加工工件表面質量具有重要作用，但也是最大的污染源。切削液在制造、使用、處理和排放的各個時期均會對環境造成嚴重污染。在全球環保意識不斷增強與環保立法日益嚴格的大趨勢下，如何找到對環境無污染、可持續發展的現代制造模式已經成為我國制造業面臨的最緊迫難題。在切削加工中合理、適當地選用干切削技術不僅可以在源頭上解決切削液污染問題，而且能夠降低生產成本，這無疑為眾多制造企業指明了方向。其指導思想符合由高效大量生成型向低環境負荷型發展。
[0003]雖然采用干式切削已成為現代制造業發展的必然，但其實質并不是簡單地停止使用切削液，而是在停止使用切削液的同時，保證高效率、高產品質量以及切削過程的可靠性，這就需要用性能優良的干切削刀具以及輔助設備替代傳統切削中切削液的作用，來實現真正意義上的干切削加工。在實際的生產加工中，由于缺少切削液的潤滑和冷卻作用，因而不可避免地會使加工中產生的熱量增加，導致切削溫度升高，排肩不暢，極易引起刀具壽命下降及加工表面質量惡化。只有克服這些不利因素，才能使干切削具有濕切削的同樣效果，從而使干切削得到成功應用。為此，國內外已投入大量人力和資金對干切削技術進行研宄，如從改進刀具性能著手開發干切削技術，研制適用于干切削的先進刀具材料，但由于干切削時摩擦條件異常嚴酷，切削溫度極高，刀具熱磨損十分嚴重，導致刀具壽命偏低，因此迫切需要研宄開發無污染的新型潤滑方式。
【發明內容】
[0004]本發明目的是提供一種硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料的制備方法，結合添加固體潤滑劑和原位氧化反應的雙重機制，粉末狀的ZrB2作為基體材料并提供原位反應自潤滑機制，ZrO2為增韌相，CaF 2為添加劑式自潤滑配料，制備出一種不僅適合高速切削而且在在高低溫均不受限制的自潤滑陶瓷材料。
[0005]一種硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料的制備方法，為了保證所制備出的雙機制自潤滑復合材料的力學與自潤滑性能，ZrB2采用納米粉，粒度為55~60nm ; ZrO2采用納米粉，粒度為15~25nm ;CaF2采用納米粉，粒度為110~120nm。其中所述ZrB 2納米粉、ZrO 2納米粉和 CaF2m米粉的體積百分比為:ZrB 2 60.0-69.0%、ZrO2 17.0-36.0%、CaF2 4.0%。
[0006]一種硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟: 步驟一、原材料的預處理所述2池2納米粉、Zr02m米粉和CaF 2納米粉在制備和包裝過程中可能混有雜質，為了提高其純度，采用的氫氟酸水溶液進行清洗。由于納米粉料的粒度較小，活性較大，為避免粉料受氫氟酸的腐蝕，氫氟酸的濃度應適當。清洗方法為:分別將2池2納米粉、ZrO2納米粉和CaF2納米粉置于濃度為1.6wt%的氫氟酸水溶液中，然后60~80Hz超聲波、80~150r/min攪拌處理50~70min，靜置60~90min，倒出上層溶液及漂浮的雜質等，所得沉淀物加入去離子水進行洗滌，靜置60~90min再次倒出上層溶液，再次加入去離子水進行洗滌，直至上層溶液PH值大于6.5為止，最終分別得到酸洗后2池2納米粉、ZrO 2納米粉和CaF 2納米粉；將所得酸洗后2池2納米粉、ZrO 2納米粉和CaF 2納米粉分別加入無水乙醇洗滌一次，然后真空干燥至水的含量質量百分比為50%，再次加入無水乙醇洗滌一次，然后抽真空分別進行保存，得到預處理后2池2納米粉、ZrO 2納米粉和CaF 2納米粉，備用；
步驟二、配料、攪拌、分散及第一次球磨
按照2池2的體積百分比為60.0-69.0%、ZrO 2的體積百分比為17.0-36.0%分別取預處理后的2池2納米粉和ZrO 2納米粉，倒入裝有ZrB 2納米粉和ZrO 2納米粉混合物體積7~8倍的去離子水的容器中，得到混合物A ;該容器設有溫度傳感器，可以隨時測量容器內液體的溫度；將容器置于超聲波發生器中，120-170HZ超聲波處理，同時對其進行180~220r/min攪拌；在超聲攪拌過程中，將混合物A的溫度快速升高至105°C，并保持不變。超聲攪拌35min后，按照聚乙二醇和混合物A的質量比為1:80，取聚乙二醇加入到混合物A中，繼續超聲攪拌15~20min，得到混合物B ;將所得混合物B放入球磨罐中，以無水乙醇為介質，球磨180~220h，在140~160°C條件下真空干燥24~25h，過篩，得到細化粉末，備用；
步驟三、第二次球磨
按照上述步驟二所得細化粉末的體積百分比為96%、步驟一預處理得到的CaF2納米粉的體積百分比為4%，取步驟二所得細化粉末和步驟一預處理得到的CaF2m米粉，倒入步驟二所得細化粉末和步驟一預處理得到的CaF2納米粉總體積3~5倍的去離子水的容器中，得到混合物C ;所述容器配合有溫度傳感器，可以隨時測量容器內液體的溫度；將裝有混合物C的容器置于超聲波發生器中，80~100Hz超聲分散，同時對其進行100~150r/min攪拌；在超聲攪拌過程中，將混合物溫度快速升高至100°C，維持該溫度，繼續超聲攪拌30~40min，按照聚乙二醇和混合物的質量比為1:100加入聚乙二醇，然后繼續超聲攪拌分散10~20min，超聲攪拌分散結束后，得到混合物D ;將所得混合物D放入球磨罐中，以無水乙醇為介質，球磨280~300h，在170~180°C條件下真空干燥20~22h，過篩，得到二次球磨細化粉末，備用；步驟四:放電等離子燒結
將步驟三所得二次球磨細化粉末裝入石墨模具，置于真空環境中，然后均勻加壓進行放電等離子燒結，燒結時，從室溫上升至1700°C的過程中，環境壓力平穩均勻的加至35MPa，之后在溫度為1700°C、壓力35MPa條件下保溫15~28min，然后斷電自然冷卻至室溫，即得到硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料。
[0007]步驟二和步驟三中所述的球磨罐均為瑪瑙球磨罐；
步驟二和步驟三中所述球磨的方法為濕式行星球磨。
[0008]有益效果是:
1、本發明硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料的制備方法，采用粉末狀的ZrB2作為基體材料并提供原位反應自潤滑機制，ZrO2為增韌相，CaF2為添加劑式自潤滑配料，并控制各組分的體積百分比為-.ZrB2 60.0-80.0%、ZrO2 15.0-35.0%、CaF2 5.0%，引入15.0-35.0%的ZrO2主要可以提高復合材料的強度和韌性，ZrB 2氧化后也可以生成的ZrO 2，使基體相ZrB2與新生成的ZrO2、增強相ZrOjg互穿插、包裹，形成較好的骨架結構，能夠形成較好的相變增韌效果；引入5.0%的CaF2，主要是利用此高溫潤滑材料在低速切削或摩擦時提供良好的自潤滑，同時利用2池2/21<)2陶瓷基體起到的支撐骨架作用，并依靠三次球磨技術，將CaF2固體潤滑劑嵌入到連續的陶瓷骨架中，在低速切削或摩擦時可以析出，起到自潤滑與減摩的作用。
[0009]2、本發明提供硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料的制備方法，通過在ZrB2基體中添加ZrO2粉末和CaF2粉末，并控制各自的體積分數，采用真空環境，均勻加壓的放電等離子燒結(SPS)工藝，此燒結工藝可以有效降低較難燒結硼化物復合材料的燒結溫度，從而獲得致密度更高的材料；在此工藝條件下制備的硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料，適合于高低溫，具有粒度細小且分布均勻、高硬度、高抗彎強度、高斷裂韌性、良好的高低溫穩定性等特點，適合于制成對高溫及耐磨性要求較高的金屬切削刀具、軸承、噴嘴等。
【附圖說明】
[0010]圖1為原料中各組分的體積百分比為！ZrB2 55.0%、Zr02 40.0%、CaF2 5.0%，其他條件按照本發明硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料的制備方法中的不變，所制備的材料在700° C下摩擦磨損后圖片；
圖2為實施例二制備的硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料在700° C下摩擦磨損后圖片；
圖3為原料中各組分的體積百分比為:ZrB2 85.0%、Zr02 10.0%、CaF2 5.0%，其他條件按照本發明硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料在700° C下摩擦磨損后圖片；
圖4為高溫摩擦磨損實驗中摩擦溫度與摩擦系數關系圖；
圖5為硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料在摩擦過程中的自潤滑機理-摩擦開始階段示意圖；
圖6為硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料在摩擦過程中的自潤滑機理-ZrB2、CaF2顆粒逐漸析出示意圖；
圖7為硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤滑陶瓷材料在摩擦過程中的自潤滑機理-B2O3,ZrO2, CaFjg滑膜在摩