一種可適應高低溫自潤滑刀具材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種材料，具體的說是一種可適應高低溫的自潤滑刀具材料的制備方法。
【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。
[0003]按刀具自潤滑機理分類，可將自潤滑刀具材料分為潤滑劑式自潤滑材料和原位反應自潤滑材料。前者主要是將某些潤滑劑，尤其是固體潤滑劑，作為添加劑加到基體材料中，通過燒結或者其他手段制成。固體潤滑劑改善了刀具材料的摩擦磨損性能，但是其加入使得刀具材料的機械性能降低，在實際工程應用中受到一定限制。原位反應自潤滑方式則是靠材料本身的摩擦反應在接觸表面原位生成一層潤滑膜，此潤滑膜在特定的工作條件下能夠保持較低的剪切強度和摩擦系數，達到自潤滑的目的，同時本身的力學性能也可以達到工程應用的要求。
[0004]固體潤滑劑改善了刀具材料的摩擦磨損性能，但是其加入使得刀具材料的機械性能降低，在實際工程應用中受到一定限制，比較適合低速切削。原位反應自潤滑刀具非常適用于高速干切削，但是由于切削過程中的高溫氧化反應較難控制，且必須在特定高溫下才能發生反應，在低速切削或溫度不夠時，刀具仍然處于干切削而未潤滑的工作環境。
【發明內容】
[0005]本發明目的是提供一種可適應高低溫的自潤滑刀具材料的制備方法，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ZrBdt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刀具材料。
[0006]一種可適應高低溫的自潤滑刀具材料的制備方法，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30~50nm ;，ZrO2采用納米粉，粒度為10~30nm ;CaF2采用納米粉，粒度為140~160nm。其中所述ZrB 2納米粉、ZrO2納米粉和 CaF2m米粉的體積百分比為:ZrB 2 60.0-80.0%、ZrO2 15.0-35.0%、CaF2 5.0%。
[0007]一種可適應高低溫的自潤滑刀具材料的制備方法，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1.0-2.0wt%的氫氟酸水溶液中，然后50~100Hz超聲波、80~150r/min攪拌處理90~120min，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60.0-80.0%、ZrO 2的體積百分比為15.0-35.0%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3~5倍的去離子水的容器中，得到混合物A ;該容器配合有溫度傳感器，可以隨時測量容器內液體的溫度；將容器置于超聲波發生器中，50~100Hz超聲波處理，同時對其進行100~150r/min攪拌；在超聲攪拌過程中，將混合物A的溫度快速升高至100°C，并保持不變。超聲攪拌30~40min后，按照聚乙二醇和混合物A的質量比為1:100，取聚乙二醇加入到混合物A中，繼續超聲攪拌10~20min，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22~26h，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95%、步驟一預處理得到的CaF2納米粉的體積百分比為5%，取步驟二所得細化粉末和步驟一預處理得到的CaF2納米粉，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180~220h，在140~160°C條件下真空干燥22~26h，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40MPa，之后在溫度為1700°C、壓力40MPa條件下保溫5~20 min，然后斷電自然冷卻至室溫，即得到可適應高低溫的自潤滑刀具材料。
[0008]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。
[0009]有益效果是:
1、本發明可適應高低溫的自潤滑刀具材料的制備方法，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，ZrO2S增韌相，CaF 2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，ZrB2氧化后也可以生成的ZrO2，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。
[0010]2、本發明提供可適應高低溫的自潤滑刀具材料的制備方法，通過在ZrB2S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可適應高低溫的自潤滑刀具材料，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、噴嘴等。
【附圖說明】
[0011]圖1為原料中各組分的體積百分比為-.ZrB2 55.0%、ZrO2 40.0%、CaF2 5.0%，其他條件按照本發明可適應高低溫的自潤滑刀具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為實施例二制備的可適應高低溫的自潤滑刀具材料在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可適應高低溫的自潤滑刀具材料在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為可適應高低溫的自潤滑刀具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為可適應高低溫的自潤滑刀具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為可適應高低溫的自潤滑刀具材料在摩擦過程中的自潤滑機理-B2O3, ZrO2,CaFj's]滑膜在摩擦表面拖覆示意圖；
圖8為可適應高低溫的自潤滑刀具材料在摩擦過程中的自潤滑機理-自潤滑膜的形成示意圖；
圖9為可適應高低溫的自潤滑刀具材料