本發(fā)明涉及機械制造使用的高硬度耐磨陶瓷刀具
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是涉及一種石墨烯增強的高硬度陶瓷刀具。
背景技術(shù)：
：隨著科學的發(fā)展與進步，機械加工朝著高速、高效加工方向發(fā)展，尤其是難加工材料的不斷涌現(xiàn)，對切削刀具的性能提出了越來越高的要求。刀具的使用性能在很大程度上取決于刀具材料的性能。因陶瓷刀具材料具有硬度高、耐腐蝕、耐磨損和良好的化學穩(wěn)定性等特點而得到了研究者廣泛的關(guān)注。陶瓷切削工具具備了高硬度、高密度、耐高溫、抗磁化、抗氧化、耐腐蝕性強、化學穩(wěn)定性好、高耐磨性等特點，是高速鋼等傳統(tǒng)切削工具良好的替代品，解決了鉬、鎳等資源稀缺的問題。但是目前陶瓷切削材料還是存在成本較高，韌性不夠、脆性大、硬度參差不齊、散熱性差、自潤滑性不好等問題，需要解決。隨著高速切削加工技術(shù)的普遍應(yīng)用以及難加工材料的大量涌現(xiàn)，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(yīng)兼具減摩耐磨特性。目前，對于陶瓷刀具主要的增韌方式包括相變增韌、顆粒增韌和晶須、纖維增韌。但是相變增韌應(yīng)用范圍有限，基本僅限于ZrO2的相轉(zhuǎn)化。顆粒增韌通過晶粒的釘扎可提高刀具的韌性，但是效果不顯著。晶須、纖維可顯著提高刀具韌性，但是一維的纖維、碳納米管易發(fā)生團聚，不利于刀具綜合力學性能的改善。石墨烯，碳納米管的同素異構(gòu)體，一種由sp2雜化的碳原子以六邊形周期排列形成的二維結(jié)構(gòu)。石墨烯具有非常優(yōu)異的物化和力學性能，導(dǎo)熱系數(shù)高達5000Wm-1K-1，強度達130GPa，斷裂強度約為125GPa。其獨特的2D片狀結(jié)構(gòu)，可以有效的抑制石墨烯的團聚。石墨烯納米片是由幾層石墨烯構(gòu)成，具有超高的表面積和極好的力學性能。因此，石墨烯納米片在陶瓷刀具增韌補強方面應(yīng)用前景廣闊，且其超高的導(dǎo)熱性能也是陶瓷刀具必需的。陶瓷刀具大多數(shù)是通過熱壓燒結(jié)得到的，熱壓燒結(jié)在加壓的同時進行加熱，利于顆粒的接觸、擴散和流動，容易得到接近理論密度的燒結(jié)體的性能較高。但熱壓燒結(jié)效率較低，很難大批量生產(chǎn)且成本也高。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本申請人提供了一種高硬度陶瓷刀具。本發(fā)明制備得到的陶瓷刀具不僅具有現(xiàn)有陶瓷刀具共有的高硬度、高耐磨性，而且還具有高韌性，使用壽命長，不易開裂，大大提高了陶瓷刀具的實用性能。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種高硬度陶瓷刀具，由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：40～50份；TiC：20～30份；WC：10～20份；ZrO2：5～8份；Y2O3：3～6份；SiN4：2～4份；預(yù)處理過的石墨烯粉：1～3份；所述石墨烯的預(yù)處理方法為：將石墨烯與2-氯-4,6-二甲氧基-1,3,5-三嗪按照1:0.02～0.05的質(zhì)量比混合，放入濃度為20～35wt％乙醇溶液中，邊攪拌邊超聲分散30～50分鐘，然后在微波爐中干燥。所述各原料的粒徑均小于60微米。優(yōu)選的，所述各原料的粒徑均小于20微米。優(yōu)選的，所述高硬度陶瓷刀具由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：46份；TiC：25份；WC：13份；ZrO2：7份；Y2O3：5份；SiN4：2份；預(yù)處理過的石墨烯粉：2份。本申請還提供了一種高硬度陶瓷刀具的制備方法，具體步驟如下：(1)將除預(yù)處理過的石墨烯以外的其他原料混合后，加入重量為這些原料5～15％的無水乙醇，置入行星磨中進行混合和研磨2～3小時；(2)然后加入預(yù)處理過的石墨烯粉以及重量為該石墨烯粉3～8％的硅烷偶聯(lián)劑，繼續(xù)球磨50～70分鐘；(3)將球磨后獲得的泥狀產(chǎn)物進行噴霧造粒，造粒后的物料在30～50MPa壓力下壓制20～35分鐘成型；(4)壓制成型后的材料進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1550～1650℃，時間保持50～70分鐘；(5)然后以每分鐘15～20℃的速度冷卻至室溫，室溫下保持10～15分鐘后回火，在650～750℃下保持20～30分鐘，然后自然冷卻至室溫。優(yōu)選的，所述硅烷偶聯(lián)劑為異丁基三乙氧基硅烷。其中，2-氯-4,6-二甲氧基-1,3,5-三嗪的分子結(jié)構(gòu)式如下：本發(fā)明有益的技術(shù)效果在于：石墨烯具有非常優(yōu)良的性能，但是由于其自身易團聚性，難以均勻分散在其他物料中；再加上石墨烯是二維平面結(jié)構(gòu)，如果在晶體中不規(guī)則分布，會導(dǎo)致晶體容易出現(xiàn)面型缺陷，從而破壞晶體的硬度和耐磨性。本申請人經(jīng)過對石墨烯的改性處理，使得石墨烯分散性好，與其他原料混合時容易均勻分散在其他原料之間，并且在特定的硅烷偶聯(lián)劑的作用下有取向性的通過氫鍵搭接在混合原料中，在造粒和熱壓情況下不致打破其取向，最終燒結(jié)后得到的陶瓷晶體中石墨烯平面與刀具切削時的受力面平行，從而大大增強了刀具的韌性和耐磨性。具體實施方式實施例1一種高硬度陶瓷刀具，由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：40份；TiC：20份；WC：10份；ZrO2：5份；Y2O3：3份；SiN4：2份；預(yù)處理過的石墨烯粉：1份；所述石墨烯的預(yù)處理方法為：將石墨烯與2-氯-4,6-二甲氧基-1,3,5-三嗪按照1:0.02的質(zhì)量比混合，放入濃度為20wt％乙醇溶液中，邊攪拌邊超聲分散30分鐘，然后在微波爐中干燥。所述各原料的粒徑均小于60微米。所述高硬度陶瓷刀具的制備方法，具體步驟如下：(1)將除預(yù)處理過的石墨烯以外的其他原料混合后，加入重量為這些原料5％的無水乙醇，置入行星磨中進行混合和研磨2小時；(2)然后加入預(yù)處理過的石墨烯粉以及重量為該石墨烯粉3％的異丁基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑，繼續(xù)球磨50分鐘；(3)將球磨后獲得的泥狀產(chǎn)物進行噴霧造粒，造粒后的物料在30MPa壓力下壓制35分鐘成型；(4)壓制成型后的材料進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1550℃，時間保持70分鐘；(5)然后以每分鐘15℃的速度冷卻至室溫，室溫下保持10分鐘后回火，在650℃下保持30分鐘，然后自然冷卻至室溫。實施例2一種高硬度陶瓷刀具，由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：46份；TiC：25份；WC：13份；ZrO2：7份；Y2O3：5份；SiN4：2份；預(yù)處理過的石墨烯粉：2份。所述石墨烯的預(yù)處理方法為：將石墨烯與2-氯-4,6-二甲氧基-1,3,5-三嗪按照1:0.02的質(zhì)量比混合，放入濃度為20wt％乙醇溶液中，邊攪拌邊超聲分散50分鐘，然后在微波爐中干燥。所述各原料的粒徑均小于20微米。所述高硬度陶瓷刀具的制備方法，具體步驟如下：(1)將除預(yù)處理過的石墨烯以外的其他原料混合后，加入重量為這些原料10％的無水乙醇，置入行星磨中進行混合和研磨3小時；(2)然后加入預(yù)處理過的石墨烯粉以及重量為該石墨烯粉4％的異丁基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑，繼續(xù)球磨60分鐘；(3)將球磨后獲得的泥狀產(chǎn)物進行噴霧造粒，造粒后的物料在40MPa壓力下壓制30分鐘成型；(4)壓制成型后的材料進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1600℃，時間保持60分鐘；(5)然后以每分鐘20℃的速度冷卻至室溫，室溫下保持15分鐘后回火，在700℃下保持25分鐘，然后自然冷卻至室溫。實施例3一種高硬度陶瓷刀具，由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：46份；TiC：25份；WC：13份；ZrO2：7份；Y2O3：5份；SiN4：2份；預(yù)處理過的石墨烯粉：2份。所述石墨烯的預(yù)處理方法為：將石墨烯與2-氯-4,6-二甲氧基-1,3,5-三嗪按照1:0.04的質(zhì)量比混合，放入濃度為25wt％乙醇溶液中，邊攪拌邊超聲分散40分鐘，然后在微波爐中干燥。所述各原料的粒徑均小于20微米。所述高硬度陶瓷刀具的制備方法，具體步驟如下：(1)將除預(yù)處理過的石墨烯以外的其他原料混合后，加入重量為這些原料12％的無水乙醇，置入行星磨中進行混合和研磨2小時；(2)然后加入預(yù)處理過的石墨烯粉以及重量為該石墨烯粉6％的異丁基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑，繼續(xù)球磨70分鐘；(3)將球磨后獲得的泥狀產(chǎn)物進行噴霧造粒，造粒后的物料在30MPa壓力下壓制30分鐘成型；(4)壓制成型后的材料進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1620℃，時間保持60分鐘；(5)然后以每分鐘18℃的速度冷卻至室溫，室溫下保持12分鐘后回火，在720℃下保持24分鐘，然后自然冷卻至室溫。實施例4一種高硬度陶瓷刀具，由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：50份；TiC：30份；WC：20份；ZrO2：8份；Y2O3：6份；SiN4：4份；預(yù)處理過的石墨烯粉：3份；所述石墨烯的預(yù)處理方法為：將石墨烯與2-氯-4,6-二甲氧基-1,3,5-三嗪按照1:0.05的質(zhì)量比混合，放入濃度為35wt％乙醇溶液中，邊攪拌邊超聲分散50分鐘，然后在微波爐中干燥。所述各原料的粒徑均小于60微米。所述高硬度陶瓷刀具的制備方法，具體步驟如下：(1)將除預(yù)處理過的石墨烯以外的其他原料混合后，加入重量為這些原料15％的無水乙醇，置入行星磨中進行混合和研磨3小時；(2)然后加入預(yù)處理過的石墨烯粉以及重量為該石墨烯粉8％的異丁基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑，繼續(xù)球磨70分鐘；(3)將球磨后獲得的泥狀產(chǎn)物進行噴霧造粒，造粒后的物料在50MPa壓力下壓制20分鐘成型；(4)壓制成型后的材料進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1650℃，時間保持50分鐘；(5)然后以每分鐘20℃的速度冷卻至室溫，室溫下保持15分鐘后回火，在750℃下保持20分鐘，然后自然冷卻至室溫。測試例1：將實施例1～4制備得到的陶瓷刀具進行性能測試，測試結(jié)果如表1所示。表1性能實施例1實施例2實施例3實施例4維氏硬度(GPa)24.325.125.723.9抗彎強度(MPa)1560163016801570斷裂韌性(MPa·m1/2)11.512.913.411.2疲勞強度(MPa)745806835783備注：抗疲勞性能測試，Kt＝1，應(yīng)力比R＝0.5，循環(huán)頻率f＝120Hz，循環(huán)次數(shù)N≥107。當前第1頁1 2 3