一種硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤(rùn)滑陶瓷材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種陶瓷材料，具體的說(shuō)是一種硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤(rùn)滑陶瓷材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)械制造業(yè)在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有及其重要的地位，而金屬切削加工在制造業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。在切削加工中，使用切削液對(duì)提高加工效率與加工工件表面質(zhì)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(gè)時(shí)期均會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。在全球環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)與環(huán)保立法日益嚴(yán)格的大趨勢(shì)下，如何找到對(duì)環(huán)境無(wú)污染、可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代制造模式已經(jīng)成為我國(guó)制造業(yè)面臨的最緊迫難題。在切削加工中合理、適當(dāng)?shù)剡x用干切削技術(shù)不僅可以在源頭上解決切削液污染問(wèn)題，而且能夠降低生產(chǎn)成本，這無(wú)疑為眾多制造企業(yè)指明了方向。其指導(dǎo)思想符合由高效大量生成型向低環(huán)境負(fù)荷型發(fā)展。
[0003]雖然采用干式切削已成為現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然，但其實(shí)質(zhì)并不是簡(jiǎn)單地停止使用切削液，而是在停止使用切削液的同時(shí)，保證高效率、高產(chǎn)品質(zhì)量以及切削過(guò)程的可靠性，這就需要用性能優(yōu)良的干切削刀具以及輔助設(shè)備替代傳統(tǒng)切削中切削液的作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)真正意義上的干切削加工。在實(shí)際的生產(chǎn)加工中，由于缺少切削液的潤(rùn)滑和冷卻作用，因而不可避免地會(huì)使加工中產(chǎn)生的熱量增加，導(dǎo)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(zhì)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(yīng)用。為此，國(guó)內(nèi)外已投入大量人力和資金對(duì)干切削技術(shù)進(jìn)行研宄，如從改進(jìn)刀具性能著手開發(fā)干切削技術(shù)，研制適用于干切削的先進(jìn)刀具材料，但由于干切削時(shí)摩擦條件異常嚴(yán)酷，切削溫度極高，刀具熱磨損十分嚴(yán)重，導(dǎo)致刀具壽命偏低，因此迫切需要研宄開發(fā)無(wú)污染的新型潤(rùn)滑方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是提供一種硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤(rùn)滑陶瓷材料的制備方法，結(jié)合添加固體潤(rùn)滑劑和原位氧化反應(yīng)的雙重機(jī)制，粉末狀的ZrB2作為基體材料并提供原位反應(yīng)自潤(rùn)滑機(jī)制，ZrO2為增韌相，CaF 2為添加劑式自潤(rùn)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(rùn)滑陶瓷材料。
[0005]一種硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤(rùn)滑陶瓷材料的制備方法，為了保證所制備出的雙機(jī)制自潤(rùn)滑復(fù)合材料的力學(xué)與自潤(rùn)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(rùn)滑陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟: 步驟一、原材料的預(yù)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(guò)程中可能混有雜質(zhì)，為了提高其純度，采用的氫氟酸水溶液進(jìn)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(yīng)適當(dāng)。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(zhì)等，所得沉淀物加入去離子水進(jìn)行洗滌，靜置60~90min再次倒出上層溶液，再次加入去離子水進(jìn)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(wú)水乙醇洗滌一次，然后真空干燥至水的含量質(zhì)量百分比為50%，再次加入無(wú)水乙醇洗滌一次，然后抽真空分別進(jìn)行保存，得到預(yù)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(yù)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(shè)有溫度傳感器，可以隨時(shí)測(cè)量容器內(nèi)液體的溫度；將容器置于超聲波發(fā)生器中，120-170HZ超聲波處理，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行180~220r/min攪拌；在超聲攪拌過(guò)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(zhì)量比為1:80，取聚乙二醇加入到混合物A中，繼續(xù)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(wú)水乙醇為介質(zhì)，球磨180~220h，在140~160°C條件下真空干燥24~25h，過(guò)篩，得到細(xì)化粉末，備用；
步驟三、第二次球磨
按照上述步驟二所得細(xì)化粉末的體積百分比為96%、步驟一預(yù)處理得到的CaF2納米粉的體積百分比為4%，取步驟二所得細(xì)化粉末和步驟一預(yù)處理得到的CaF2m米粉，倒入步驟二所得細(xì)化粉末和步驟一預(yù)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(shí)測(cè)量容器內(nèi)液體的溫度；將裝有混合物C的容器置于超聲波發(fā)生器中，80~100Hz超聲分散，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行100~150r/min攪拌；在超聲攪拌過(guò)程中，將混合物溫度快速升高至100°C，維持該溫度，繼續(xù)超聲攪拌30~40min，按照聚乙二醇和混合物的質(zhì)量比為1:100加入聚乙二醇，然后繼續(xù)超聲攪拌分散10~20min，超聲攪拌分散結(jié)束后，得到混合物D ;將所得混合物D放入球磨罐中，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，球磨280~300h，在170~180°C條件下真空干燥20~22h，過(guò)篩，得到二次球磨細(xì)化粉末，備用；步驟四:放電等離子燒結(jié)
將步驟三所得二次球磨細(xì)化粉末裝入石墨模具，置于真空環(huán)境中，然后均勻加壓進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)，從室溫上升至1700°C的過(guò)程中，環(huán)境壓力平穩(wěn)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(rùn)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(fā)明硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤(rùn)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(yīng)自潤(rùn)滑機(jī)制，ZrO2為增韌相，CaF2為添加劑式自潤(rùn)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(fù)合材料的強(qiáng)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(qiáng)相ZrOjg互穿插、包裹，形成較好的骨架結(jié)構(gòu)，能夠形成較好的相變?cè)鲰g效果；引入5.0%的CaF2，主要是利用此高溫潤(rùn)滑材料在低速切削或摩擦?xí)r提供良好的自潤(rùn)滑，同時(shí)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(shù)，將CaF2固體潤(rùn)滑劑嵌入到連續(xù)的陶瓷骨架中，在低速切削或摩擦?xí)r可以析出，起到自潤(rùn)滑與減摩的作用。
[0009]2、本發(fā)明提供硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤(rùn)滑陶瓷材料的制備方法，通過(guò)在ZrB2基體中添加ZrO2粉末和CaF2粉末，并控制各自的體積分?jǐn)?shù)，采用真空環(huán)境，均勻加壓的放電等離子燒結(jié)(SPS)工藝，此燒結(jié)工藝可以有效降低較難燒結(jié)硼化物復(fù)合材料的燒結(jié)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(rùn)滑陶瓷材料，適合于高低溫，具有粒度細(xì)小且分布均勻、高硬度、高抗彎強(qiáng)度、高斷裂韌性、良好的高低溫穩(wěn)定性等特點(diǎn)，適合于制成對(duì)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(shuō)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(fā)明硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤(rùn)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(shí)施例二制備的硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤(rùn)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(fā)明硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤(rùn)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(shí)驗(yàn)中摩擦溫度與摩擦系數(shù)關(guān)系圖；
圖5為硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤(rùn)滑陶瓷材料在摩擦過(guò)程中的自潤(rùn)滑機(jī)理-摩擦開始階段示意圖；
圖6為硼化鋯-氧化鋯-氟化鈣自潤(rùn)滑陶瓷材料在摩擦過(guò)程中的自潤(rùn)滑機(jī)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(rùn)滑陶瓷材料在摩擦過(guò)程中的自潤(rùn)滑機(jī)理-B2O3,ZrO2, CaFjg滑膜在摩