鎳硼包覆氟化鈣復(fù)合粉體、其制備與應(yīng)用及自潤滑陶瓷刀具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鎳硼包覆氟化鈣復(fù)合粉體及其制備方法與應(yīng)用，屬于陶瓷刀具材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氟化鈣(CaF2)作為一種固體潤滑劑在陶瓷刀具的研制領(lǐng)域中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位，其耐高溫，耐化學(xué)腐蝕，并且在中高溫下具有優(yōu)秀的潤滑效果。將氟化鈣引入陶瓷刀具的領(lǐng)域中所獲得的自潤滑陶瓷刀具，可以避免潤滑液的使用，實(shí)現(xiàn)干摩擦，既保護(hù)了環(huán)境，又提高了經(jīng)濟(jì)效益。由于將氟化鈣添加進(jìn)陶瓷刀具中所制備的自潤滑陶瓷刀具已早有先例，所以氟化鈣的一些缺點(diǎn)也暴露出來，氟化鈣的加入引起自潤滑陶瓷刀具的力學(xué)性能顯著下降，如周文等制備的Al203/TiB2/CaF2g潤滑陶瓷刀具，隨著氟化鈣的添加量的增加，雖然材料的抗摩擦性能提高不少，但是CaFd^加入?yún)s導(dǎo)致了刀具材料的力學(xué)性能直線下降，因此，如何提高自潤滑陶瓷刀具材料的力學(xué)性能，已經(jīng)成為了競相研宄的重點(diǎn)課題。參見周文.Al203/TiB2/CaF2g潤滑陶瓷刀具的研宄[D].湘潭:湘潭大學(xué)，2014。
[0003]為了克服固體潤滑劑的缺陷，近年來對于氟化鈣固體潤滑劑材料本身的改進(jìn)研宄也被關(guān)注，例如CN104045351A公開了用于自潤滑刀具材料的氧化鋁包覆氟化鈣粉末，是以硝酸鋁和CaF2為原料，采用非均勻成核法和真空煅燒法制備。但迄今為止尚未有金屬包覆氟化鈣固體潤滑劑材料的報道。
[0004]化學(xué)鍍能將金屬與無機(jī)物很好的結(jié)合起來。自1950年以來，在各個領(lǐng)域的研宄都處于一個比較領(lǐng)先的位置，尤其是在粉體化學(xué)鍍領(lǐng)域，化學(xué)鍍可以在保持無機(jī)物固有性質(zhì)的條件下，使其具有金屬的特性。但是，粉體巨大的比表面積對鍍液的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，易使鍍液分解或者使粉體表面金屬包覆不完全，從而得不到預(yù)期的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對CaF^體潤滑劑的添加導(dǎo)致陶瓷刀具力學(xué)性能下降的技術(shù)難題，本發(fā)明提供一種自潤滑陶瓷刀具用鎳硼包覆氟化鈣復(fù)合粉體及其制備方法。
[0006]本發(fā)明還提供鎳硼包覆氟化鈣復(fù)合粉體的應(yīng)用和一種添加鎳硼包覆氟化鈣復(fù)合粉體的自潤滑陶瓷刀具。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種自潤滑陶瓷刀具用鎳硼包覆氟化鈣復(fù)合粉體，該復(fù)合粉體具有CaF2ON1-B核殼結(jié)構(gòu)，其中，微米級CaF2為核，N1-B為殼；
[0009]該復(fù)合粉體是采用超聲波輔助化學(xué)鍍法，將已活化的0&匕粉體的懸濁液加入到鎳硼化學(xué)鍍液中，在超聲波和攪拌條件下，使鎳硼沉積并包覆在微米0&&表面制成；
[0010]所述鎳硼化學(xué)鍍液的組分包含硫酸鎳10-20g/L、乙二胺50-60mL/L、硼氫化鈉1-1.5g/L 和氫氧化鈉 30-50g/L。
[0011]一種鎳硼包覆氟化鈣復(fù)合粉體的制備方法，包括步驟如下:
[0012](I)配置鎳硼化學(xué)鍍液
[0013]將硫酸鎳溶液加入到乙二胺溶液中，攪拌均勻，得A液；
[0014]將硼氫化鈉加入到氫氧化鈉溶液中，攪拌均勻，得B液；
[0015]將上述B液加入到A液中，得鎳硼化學(xué)鍍液；簡稱鍍液；
[0016](2)將已活化的CaF2粉體加蒸餾水?dāng)嚢璩蓱覞嵋?；將步驟⑴的鍍液溫度調(diào)節(jié)在55-750C，置于超聲波中；將含有CaF2粉體的懸濁液加入到所述鍍液中，開始施鍍，施鍍過程中不斷攪拌，直到鍍液不再有氣泡冒出，停止施鍍。
[0017](3)將所得到的懸濁液在1000-4000r/min條件下離心分離5_10min，用蒸餾水清洗1-6次，30-60°C條件下真空干燥，得到以微米CaF2為核、N1-B為殼的CaF 2_i_B復(fù)合粉體材料。
[0018]根據(jù)本發(fā)明上述方法優(yōu)選的，步驟(I)中A液、B液混合液中，可添加硫脲作為穩(wěn)定劑，添加量為l_2mg/L。
[0019]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(I)所述鎳硼化學(xué)鍍液的組分包含硫酸鎳10-20g/L、乙二胺50-60mL/L、硼氫化鈉1-1.5g/L和氫氧化鈉30_50g/L。
[0020]本發(fā)明所述鎳硼化學(xué)鍍液，以鍍液總體積IL計，除了上述的硫酸鎳、乙二胺、硼氫化鈉、氫氧化鈉及穩(wěn)定劑外，余量為水，或者還有l(wèi)_2mg/L的穩(wěn)定劑。
[0021]根據(jù)本發(fā)明步驟⑴所述鎳硼化學(xué)鍍液pH在13-14之間。
[0022]根據(jù)本發(fā)明步驟⑴所述硫酸鎳溶液是用NiSO4.6H20加水配置。
[0023]根據(jù)本發(fā)明上述方法優(yōu)選的，步驟(2)中，超聲化學(xué)鍍中的攪拌方式為勻速攪拌，攪拌速率保持在40-60r/min之間?；瘜W(xué)反應(yīng)過程中，如果攪拌的速率過快，會使粉體之間的碰撞更加劇烈，造成部分包覆表面金屬脫落，影響包覆的完整性。
[0024]根據(jù)本發(fā)明，所述的CaF2粉體的敏化、活化方法可以按現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明提供以下優(yōu)選的方法:
[0025]所述CaF2粉體的敏化、活化方法，步驟如下:
[0026]①取2.5-5g的SnCl2.H2O置于容器中，加入4_8mL濃鹽酸并攪拌2_5min，再加蒸餾水至總體積200-400mL，得敏化液；取10_20g的CaF2并將其加入敏化液中，超聲攪拌
5-10min，離心過濾4_6次至溶液呈現(xiàn)中性，CaF2表面吸附一層Sn (OH) Cl，得到敏化后的CaF2懸濁液。
[0027]②取2_4ml的濃鹽酸于容器中，加入0.1-0.2g的PdCl2，然后加蒸餾水至總體積200-400mL，將步驟②敏化后的0&匕懸濁液加入到容器中，并攪拌5_10min，直到懸濁液完全變?yōu)樽厣珪r停止攪拌。
[0028]③將活化后的懸濁液進(jìn)行離心處理，離心次數(shù)在7-9次，取出沉淀物，進(jìn)行真空干燥處理，獲得活化的CaF2粉體。
[0029]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的CaF2粉體粒徑為1_5 μπι，為分析純。
[0030]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，為獲得敏化較好的CaF2,上述步驟①需要將離心機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為 2500-3000r/min。
[0031]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，0&&粉體活化完畢后，為更進(jìn)一步提純活化后的CaF2粉末，將上述步驟③活化后的懸池液進(jìn)行離心處理，所用離心機(jī)的轉(zhuǎn)速在3000-3500r/min之間。
[0032]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在對活化后的0&&進(jìn)行真空干燥時，真空干燥的溫度為20-50。。。
[0033]本發(fā)明利用敏化、活化兩步法使CaF2表面產(chǎn)生活性，然后通過超聲化學(xué)鍍法將N1-B包覆在微米CaF2表面。包覆層由一層N1-B覆蓋，而且包覆層完整且致密，與CaF 2的結(jié)合牢固，借助這種核殼結(jié)構(gòu)可有效的提高自潤滑陶瓷刀具的力學(xué)性能與使用性能。本發(fā)明經(jīng)過大量的研宄發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)鍍過程中引進(jìn)超聲波輔助，可以極大地提高反應(yīng)的速率，由于超聲波可以將反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體及時的排出，使N1-B包覆層緊密平整，無尖角且不易剝落。超聲波的引入，使CaF2粉體的包覆速率大幅提高，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。
[0034]根據(jù)本發(fā)明，所述鎳硼包覆氟化鈣復(fù)合粉體的應(yīng)用，用于自潤滑陶瓷刀具作為固體潤滑劑。鎳硼包覆氟化鈣復(fù)合粉體簡寫為CaF2_1-B。
[0035]一種鎳硼包覆氟化鈣復(fù)合粉體的自潤滑陶瓷刀具，其特征在于各組分體積百分比為:Al20360-65%, TiB225-28%, CaF2iN1-B 5-15%, MgO 0.5-1.5%0 制備方法如下:
[0036](I)按比例，稱取Al2O3和TiB2并分別分散于無水乙醇中，超聲分散并機(jī)械攪拌20min，將所得Al2O3和TiB 2懸浮液混合后加入MgO，再次超聲分散并機(jī)械攪拌20min，得到混合均勻的復(fù)相懸浮液；
[0037](2)將上述復(fù)相懸浮液倒入球磨灌，加入硬質(zhì)合金球，保證球料重量比為10:1，充入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛連續(xù)球磨48h ；
[0038](3)按比例加入CaF2ON1-B復(fù)合粉體再次球磨2.5h后將懸浮液在真空干燥箱中110°C下連續(xù)干燥24h，然后過篩得到混合粉料，密封備用；
[0039](4)將步驟(3)所得干燥后混合粉料裝入石墨模具中進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1550°C，熱壓壓力30MPa，保溫時間20min，升溫速度20°C /min。
[0040]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0041]本發(fā)明通過對0&匕粉體進(jìn)行N1-B包覆，使包覆后的CaF 2復(fù)合粉體表面具有金屬的高強(qiáng)度及內(nèi)層具有潤滑作用的雙重特性，該方法工藝過程簡單，操作難度低，并且無需要求較高的設(shè)備。在超聲化學(xué)鍍中，可以實(shí)現(xiàn)包覆層與粉體之間結(jié)合緊固，致密，且不易被破壞，同時促使反應(yīng)的速率大幅提高，這是一般的粉體化學(xué)鍍所無法比擬的。利用該方法所制備的CaF2ON1-B復(fù)合粉體，大大改善了 CaF2固有的低強(qiáng)度特性，將CaF 2加入到材料中進(jìn)行燒結(jié)，所得到的自潤滑陶瓷刀具，其斷裂韌性與抗彎強(qiáng)度有明顯提高。此外，通過金屬包覆CaF2，可以使CaF2與基體的結(jié)合更加緊密。利用超聲化學(xué)鍍方法將CaF2進(jìn)行金屬包覆，這將擴(kuò)大CaF2在其他領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
【附圖說明】
[0042]圖1是未包覆的微米CaF2顆粒在掃描電鏡下的表面形貌。
[0043]圖2是實(shí)施例2中CaF2ON1-B包覆型復(fù)合粉體在掃描電鏡下的表面形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。但本發(fā)明不限于此。
[0045]實(shí)施例中使用的CaFj^粒徑為1_5 μ m，為分析純。
[0046]實(shí)施例1: CaF2的活化
[0047](I)取2.5gSnCl2.Η20置于容器中，加入4mL濃鹽酸并攪拌5min，再加蒸飽水至總體積為200mL，得敏化液；取15gCaF2并將其加入到敏化液中，超聲攪拌lOmin，離心過濾6次至溶液呈現(xiàn)中性，離心機(jī)轉(zhuǎn)速2600r/min ;取出CaF2懸濁液備用。
[0048](2)取4mL的濃鹽酸于容器中，加入0.15g PdCl2，然后加蒸餾水至總體積200mL，將步驟(I)敏化后的CaF2懸濁液加入到容器中，并攪拌lOmin，直到懸濁液完全變?yōu)樽厣珵橹埂?br>[0049](3)將活化后的懸濁液進(jìn)行離心處理，離心的轉(zhuǎn)速為3000r/min，離心7次，取出沉淀物，進(jìn)行真空干燥處理，真空干燥溫度30°C，得活化的CaF2粉體，并將其用于以下實(shí)施例中。
[0050]實(shí)施例2:
[0051](I)配置鎳硼化學(xué)鍍液
[0052]稱取1.5g的NiSO4.6H20溶解在20mL的蒸餾水中，取6mL的乙二胺并加入50mL蒸餾水中，將NiSO4.6H20溶液倒入乙二胺溶液中并攪拌均勻，得A液；
[0053]取4gNaOH溶于20mL的蒸餾水中，加入0.13g的硼氫化鈉，并攪拌均勻，得B液；
[0054]將B液加入到A液中，并攪拌均勻；另加0.2mg的硫脲，攪拌約lmin，加蒸餾水補(bǔ)齊到總體積lOOmL，鍍液配置完成。
[0055](2)取已經(jīng)活化好的粒徑約為3 μ m的0.5g CaF2加入1mL的蒸餾水中，攪拌成懸濁液，將步驟(I)配置好的鍍液保持在65°C左右，并置于超聲波的環(huán)境中，將配置好的CaF2懸濁液倒入鍍液中，進(jìn)行施鍍，施鍍過程中，保持?jǐn)嚢?，攪拌速率?0r/min。直到無氣泡冒出時終止施鍍。
[0056](3)施鍍結(jié)束后，對得到的懸濁液在2000r/min條件下離心分離lOmin，用蒸餾水清洗3次，40