[发明专利]一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的制备方法。本发明以梯度方式添加纳米氧化锆，添加石墨烯作为增韧相和润滑相，并添加微量烧结助剂和稳定剂，经高真空温热压烧结而成。该梯度自润滑陶瓷刀具具有对称性分布结构。纳米氧化锆的体积含量从表层到中间层逐层减少。所得的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料具有高的断裂韧性和自润滑性能，且表面具有压应力，大大提高了刀具材料的耐磨性能和抗破损能力，适用于一些难加工材料的高速干式切削加工。该陶瓷刀具材料具有制备简单，成本低，绿色环保等优点，是一种可以工业化生产的新型陶瓷刀具材料。

技术领域

本发明属于机械制造和硅酸盐材料的交叉领域，特别是一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

为了提高陶瓷刀具在高速切削镍基合金、淬硬钢等难加工材料时的寿命，增强陶瓷刀具材料的断裂韧性、抗破损能力以及减摩抗磨性能是切削领域亟需解决的一个难题。传统强韧化方式是向陶瓷基体中添加强韧化相如碳化钛、碳化钨钛、碳氮化钛、硼化钛、氧化锆或氮化硅晶须，并取得了很好的效果，但是为了满足难加工材料的高速加工，陶瓷材料的性能仍需提升。

现有技术中有通过润滑剂梯度分布，实现自润滑梯度的技术，但其刀具表面的抗破损能力仍有待提高。

发明内容

为克服陶瓷刀具材料在高速切削加工过程中的断裂韧性、抗破损能力以及减摩抗磨性能，本发明提出一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料及其制备方法。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料，所述陶瓷刀具材料包括多层，各层原料组分和厚度成对称型分布，在厚度方向上以中心层为对称面，纳米氧化锆的体积含量从表层到中间层逐层减少。

研究发现：氧化锆体积含量由表层至中间层逐层减少，再由中间层到表层逐层增多的对称型梯度结构会使表面产生压应力，在切削过程中可以抵消一部分拉应力，从而提高刀具材料的抗破损能力。

与目前具有自润滑梯度的陶瓷刀具相比，本申请是通过氧化锆梯度分布形成压应力，加入石墨烯实现自润滑，而石墨烯作为润滑剂并没有梯度分布。其优势是引入新材料石墨烯作为润滑剂，提高减摩耐磨性能；利用氧化锆梯度分布在刀具表面形成压应力，从而提高抗破损能力。

在一些实施例中，所述各层的组分体积分数为：碳氮化钛30-60％，纳米氧化锆0-5％，氧化镁0.2-1％，石墨烯0.2-0.8％，氧化钇0-0.5％，其余为亚微米氧化铝，其中，纳米氧化锆、氧化钇的含量不为零。石墨烯由于其超高的力学性能和特殊的二维结构，作为强韧化相，石墨烯可以提高陶瓷材料力学性能，如抗弯强度、断裂韧性，且由于其具有自润滑性能，又可以在切削过程中形成连续润滑膜，起到减摩作用，提高刀具寿命。

本发明还提供了一种表面具有压应力的石墨烯自润滑梯度陶瓷刀具材料的制备方法，包括：

将石墨烯和至少2种不同体积分数的纳米氧化锆分散在醇溶液中，得到含有不同氧化锆体积分数、分散均匀的石墨烯/纳米氧化锆混合液；

将含有不同氧化锆体积分数的石墨烯/纳米氧化锆混合液加入氧化铝、碳氮化钛、烧结助剂和稳定剂的混合粉末中，球磨，干燥，过筛，得到至少2种含有不同纳米氧化锆体积分数的混合原料粉末；

按照纳米氧化锆体积含量从高到低，再从低到高的顺序在模具中逐层填铺并预压；

将模具真空烧结，保温结束后，冷却，即得。