本發明專利技術涉及一種石墨烯增韌A12O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料及其制備方法。該陶瓷刀具材料是以A12O3與Ti(C,N)為基體，石墨烯納米片為增強相，MgO與Y2O3為燒結助劑。該陶瓷刀具材料經原料分散、復合粉體制備、干燥過篩、冷壓裝模和熱壓燒結而成。在本發明專利技術所制備的石墨烯增韌A12O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料中，石墨烯對A12O3/Ti(C,N)基體增韌補強效果明顯，該陶瓷刀具材料的綜合力學性能良好。經切削試驗可知，與未添加石墨烯的納米復合陶瓷刀具相比，石墨烯增韌A12O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料具有的更長的刀具壽命、更好的加工質量和更優異的減磨耐磨特性。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種陶瓷刀具材料及其制備方法，特別涉及一種石墨烯增韌A12O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料及其制備方法。
技術介紹
隨著高速切削加工技術的普遍應用以及難加工材料的大量涌現。在實際切削過程中，切削力與切削熱大大增加，加劇了刀具材料的磨損。因此，要求刀具材料不僅具有良好的綜合力學性能，還應兼具減摩耐磨特性。陶瓷刀具材料因其具有硬度高、耐磨損、耐高溫、化學性質穩定等特點，而得到廣泛的研究與應用。當前，陶瓷刀具材料正朝著由低純度到高純度、微米尺度到納米尺度和單相材料到復相材料的方向發展。納米復合陶瓷刀具材料便是其中的代表。因納米添加相在材料中形成晶內型、晶間型與晶內/晶間復合型等納米復合結構有效的改善了陶瓷刀具材料的力學性能。因此，納米復合陶瓷刀具材料得到了廣泛的應用。例如，CN103641456A提供了一種由納米ZrO2、TiC、BN、B4C以及亞微米Al2O3組成的高強度納米復合陶瓷材料。Ti(C,N)(碳氮化鈦)是一種性能優良的金屬陶瓷材料。CN1632150A公開了一種用于制造陶瓷軸承套圈的Ti(C,N)基陶瓷材料。氧化鋁碳氮化鈦復合陶瓷，簡寫為A12O3/Ti(C,N)，兼具氧化鋁基陶瓷與碳氮化鈦基陶瓷的特點，是一種新型復合陶瓷材料。CN105112756A公開了一種由Ti(C,N)與超細Al2O3組成的Ti(C,N)復合Al2O3金屬陶瓷刀具材料，其所制備的陶瓷刀具材料的HV50提高到了2050-2200，從而提高了刀具的耐磨性和使用壽命。然而，在這些公開的專利報道中僅僅改善了材料的硬度，而斷裂韌性與抗彎強度未得到提高，致使刀具材料的綜合力學性能仍然不理想。
技術實現思路
針對現有技術不足，本專利技術提供了一種石墨烯增韌A12O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料及其制備方法。本專利技術所述石墨烯增韌A12O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料具有綜合力學性能高、切削距離長和良好的減摩耐磨特性。術語說明：石墨烯：是石墨烯納米片的通用簡寫，是一種具有蜂窩狀結構的二維材料，在本專利技術中用作增強相。最長向徑：是指石墨烯片的長軸長度。Ti(C,N)：是碳氮化鈦的通用簡寫，是一種由碳化鈦(TiC)與氮化鈦(TiN)按照不同碳氮比(C:N的重量比)組成的固溶體。在本專利技術中用作基體材料之一。A12O3/Ti(C,N)：是氧化鋁碳氮化鈦復合材料的通用簡寫。本專利技術技術方案如下：一種石墨烯增韌A12O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料，是由以下體積百分比的原料經熱壓燒結而成：石墨烯0.25～5％，Ti(C,N)5～50％，MgO 0.1～5％，Y2O3 0.5～5％，其余為A12O3；其中：所述A12O3平均粒徑為100～500nm；所述Ti(C,N)平均粒徑為50～500nm；所述石墨烯平均厚度為0.34～50nm，石墨烯平均最長向徑為1～50μm；所述MgO和Y2O3的平均粒徑為0.5～5μm。根據本專利技術，優選的，原料組分體積百分比為：石墨烯0.25～1％，Ti(C,N)5～30％，MgO0.25～2％，Y2O3 0.1～2％，A12O3余量。最優選的，原料組分體積百分比為：石墨烯0.75％，Ti(C,N)15％，MgO 0.5％，Y2O30.2％，其余為Al2O3。根據本專利技術，優選的，所述A12O3為α相Al2O3。根據本專利技術，優選的，所述Al2O3平均粒徑為200～400nm。根據本專利技術，優選的，所述Ti(C,N)的碳氮比按重量比C:N為1～2.5:1；優選所述Ti(C,N)平均粒徑為60～200nm。根據本專利技術，優選的，所述石墨烯平均厚度為0.34～30nm。根據本專利技術，優選的，所述石墨烯平均最長向徑為1～20μm。根據本專利技術，優選的，所述MgO和Y2O3的平均粒徑為1～3μm。上述所用的原料均為市售產品，純度均大于99.99％。根據本專利技術，所述石墨烯增韌A12O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料制備方法，原料組分比例如前所述，包括步驟如下：(1)將聚乙二醇加入無水乙醇，使其完全溶解，超聲分散并機械攪拌10～30min；加入A12O3，繼續超聲分散并機械攪拌10～30min；得A12O3-聚乙二醇分散液；(2)將聚乙二醇加入無水乙醇，使其完全溶解，超聲分散并機械攪拌10～30min；加入Ti(C,N)，繼續超聲分散并機械攪拌10～30min；得Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；(3)將步驟(1)所述的A12O3-聚乙二醇分散液與步驟(2)所述的Ti(C,N)-聚乙二醇分散液混合，超聲分散并機械攪拌10～30min；得A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液；(4)將步驟(3)所述的A12O3-Ti(C,N)-聚乙二醇分散液倒入球磨罐中，在保護氣氛下球磨24～48h，球料質量比為5～15:1；(5)將聚乙烯吡咯烷酮加入無水乙醇，使其完全溶解，超聲分散并機械攪拌10～30min；加入石墨烯，繼續超聲分散并機械攪拌10～30min；得石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液；(6)將步驟(5)所述的石墨烯-聚乙烯吡咯烷酮分散液倒入步驟(4)的球磨罐中，并保持所述的保護氣氛，繼續球磨1～12h；(7)待步驟(6)完成后，將球磨罐中的液體進行真空干燥，干燥完全的粉體過100～200目篩，裝入石墨套筒中，冷壓10～30min，然后進行熱壓燒結。上述步驟(1)、(2)、(5)中所述的無水乙醇是作為配成懸浮液的分散介質，用量為溶解量，按本領域常規選擇即可，本專利技術不做特別限定。根據本專利技術優選的，步驟(1)所述的聚乙二醇的質量為A12O3質量的1～5％。根據本專利技術優選的，步驟(2)所述的聚乙二醇的質量為Ti(C,N)質量的1～5％。根據本專利技術優選的，步驟(1)、步驟(2)所述的聚乙二醇分子量在2000～10000之間(數均分子量)，例如聚乙二醇2000、聚乙二醇4000、聚乙二醇6000、聚乙二醇10000之任一型號的市售產品均可。最優選聚乙二醇4000(PEG4000)。根據本專利技術優選的，步驟(5)所述的聚乙烯吡咯烷酮質量為石墨烯質量的50～90％。根據本專利技術優選的，步驟(5)所述的聚乙烯吡咯烷酮的規格為K15～K40。其含義為聚乙烯吡咯烷酮K15、K16、K17直至K40型之間的任一型號的市售產品均可。最優選聚乙烯吡咯烷酮-K30型(PVP，K30)。根據本專利技術優選的，步驟(4)、(6)所述的球磨球是硬質合金球YG6或YG8。根據本專利技術優選的，步驟(4)、(6)所述的保護氣氛是氮氣或氬氣。根據本專利技術優選的，步驟(7)所述干燥溫度為90～130℃，干燥時間為12～60h。根據本專利技術優選的，步驟(7)所述的熱壓燒結，優選的，燒結溫度為1550～1750℃，保溫時間為5～50min，壓力為20～35MPa，升溫速率為10～35℃/min。本專利技術的技術特點及有益效果：本專利技術的石墨烯增韌A12O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料，是以A12O3/Ti(C,N)為基體，石墨烯為增強相，MgO、Y2O3為燒結助劑，經熱壓燒結而成。與現有A12O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料相比，本專利技術制備的石墨烯增韌A12O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料具有更高的綜合力學性能，在切削過程本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種石墨烯增韌Al2O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料，是由以下體積百分比的原料組分經熱壓燒結而成：石墨烯0.25～5％，Ti(C,N)5～50％，MgO?0.1～5％，Y2O3?0.5～5％，其余為Al2O3；其中：所述Al2O3平均粒徑為100～500nm；所述Ti(C,N)平均粒徑為50～500nm；所述石墨烯平均厚度為0.34～50nm，石墨烯平均最長向徑為1～50μm；所述MgO和Y2O3的平均粒徑為0.5～5μm。
【技術特征摘要】
1.一種石墨烯增韌Al2O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料，是由以下體積百分比的原料組分經熱壓燒結而成：石墨烯0.25～5％，Ti(C,N)5～50％，MgO 0.1～5％，Y2O3 0.5～5％，其余為Al2O3；其中：所述Al2O3平均粒徑為100～500nm；所述Ti(C,N)平均粒徑為50～500nm；所述石墨烯平均厚度為0.34～50nm，石墨烯平均最長向徑為1～50μm；所述MgO和Y2O3的平均粒徑為0.5～5μm。2.根據權利要求1所述石墨烯增韌Al2O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料，其特征在于原料組分體積百分比為：石墨烯0.25～1％，Ti(C,N)5～30％，MgO 0.25～2％，Y2O3 0.1～2％，Al2O3余量；或者，石墨烯0.75％，Ti(C,N)15％，MgO 0.5％，Y2O3 0.2％，其余為Al2O3。3.根據權利要求1或2所述石墨烯增韌Al2O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料，其特征在于所述Al2O3平均粒徑為200～400nm；優選的，所述Al2O3為α相Al2O3。4.根據權利要求1或2所述石墨烯增韌Al2O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料，其特征在于所述Ti(C,N)的碳氮比按重量比C:N為1～2.5:1；優選所述Ti(C,N)平均粒徑為60～200nm。5.根據權利要求1或2所述石墨烯增韌Al2O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料，其特征在于所述石墨烯平均厚度為0.34～30nm；優選的所述石墨烯平均最長向徑為1～20μm；優選的所述MgO平均粒徑為1～3μm；所述Y2O3平均粒徑為1～3μm。6.根據權利要求1～5任一項所述石墨烯增韌Al2O3/Ti(C,N)納米復合陶瓷刀具材料的制備方法，包括步驟如下：(1)將聚乙二醇加入無水乙醇，使其完全溶解，超聲分散并機械攪拌10～30min；加入Al2O3，繼續超聲分散并機械攪拌10～30min；得Al2O3-聚乙二醇分散液；(2)將聚乙二醇加入無水乙醇，使其完全溶解，超聲分散并機械攪拌10～30min；加入Ti(C...
【專利技術屬性】
技術研發人員：許崇海，孟祥龍，肖光春，衣明東，陳照強，
申請(專利權)人：齊魯工業大學，
類型：發明
國別省市：山東;37
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