[发明专利]表面具有残余压应力的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于表面残余压应力的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法，属于陶瓷刀具材料技术领域。

背景技术

自润滑陶瓷刀具是通过在陶瓷刀具基体内加入固体润滑剂制成，利用固体润滑剂摩擦系数低的特点，使陶瓷刀具在切削加工时在刀具表面形成连续的固体润滑膜，从而实现刀具本身的自润滑功能，参见曹同坤，自润滑陶瓷刀具的设计开发及其自润滑机理研究，山东大学博士学位论文，2005。添加的固体润滑剂一方面可从摩擦表面析出并拖敷形成固体润滑膜,使摩擦界面的接触状态得到改善，进而起到减摩的作用，另一方面会导致陶瓷刀具材料力学性能的降低，从而导致耐磨性能下降。因此，关系到自润滑刀具广泛应用的关键技术问题是如何兼顾固体润滑剂的减摩作用和刀具材料力学能之间的平衡。

将功能梯度材料的设计思想引入自润滑陶瓷刀具材料的研制过程，开发多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，将有望缓解切削过程中刀具内的热应力，提高抗热震性，并能在刀具材料表层中形成残余压应力，部分抵消切削过程中外载造成的应力，进而实现自润滑陶瓷刀具减摩性能和耐磨性能的统一。然而，现有的梯度组成分布函数由于仅采用1个组成分布指数，多用于二元功能梯度材料的组分设计。在用于组元大于2种的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料设计时会遇到困难，导致组分设计很难进行。

发明内容

针对已有技术的不足，本发明提供一种表面具有残余压应力的多元梯度自润滑陶瓷刀具材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种多元梯度自润滑陶瓷刀具材料，是以α-Al₂O₃为基体，添加(W，Ti)C作为增强相，以氟化钙（CaF₂）为固体润滑剂，以氧化镁（MgO）和氧化镍（NiO）作为烧结助剂，经分层铺填、热压烧结而成；其特征为：该陶瓷刀具材料具有（2K-1）层的梯度结构，其中K为整数且3≤K≤6；相对中间层对称的层中组分及含量相同，且厚度对称分布；按体积百分比计，表面层的氟化钙含量最高，为8~12%，中间层的氟化钙含量为0，氟化钙的含量从表面层最高为8~12%降至中间层的氟化钙含量为0，(W，Ti)C的含量从表面层到中间层逐层降低；表面层的(W，Ti)C的含量最高，为45~60%，中间层的(W，Ti)C的含量最低，为25~35%；

α-Al₂O₃的含量从表面层到中间层逐层增加；表面层的α-Al₂O₃含量最低，为30~40%，中间层的α-Al₂O₃含量最高，为65~75%；

氧化镁（MgO）含量从表面层到中间层各层相同，为0.5~1%；

氧化镍（NiO）的含量从表面层到中间层各层相同，为0.5~1%；

各层的α-Al₂O₃、(W，Ti)C、氟化钙、氧化镁和氧化镍百分比组成之和为100%。

根据本发明优选的，氟化钙的含量从表面层到中间层逐层降低或者有1~2层是相等的；当氟化钙的含量逐层降低时相邻两层的氟化钙含量体积比差额为1-5%。

根据本发明优选的，从表面层到中间层，相邻两层的(W，Ti)C含量体积比差额为5-10%，相邻两层的α-Al₂O₃含量体积比差额为5-15%。

优选的，上述各组分中，所用的原料均为市售产品，其中α-Al₂O₃粉末和CaF₂粉末的平均粒径均为0.5μm，(W，Ti)C粉末的平均粒径为1μm，纯度均大于99%。

根据本发明优选的，所述各层的氧化镁、氧化镍的体积比含量均为0.5%。

根据本发明优选的，中间层厚度1~3mm，从中间层到表面层的厚度逐层减小，总厚度为3.5~4.5mm。

根据本发明优选方案之一，多元梯度自润滑陶瓷刀具材料为7层结构，各层的组分体积百分含量及厚度为：

第1、7层，α-Al₂O₃ 335.6%，(W，Ti)C 53.4%，CaF₂10%，氧化镁0.5%，氧化镍0.5%，厚度0.39~0.4mm；