一种绿色环保的陶瓷刀具材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种绿色环保的陶瓷刀具材料及其制备方法 (Environment-friendly ceramic cutter material and preparation method thereof ) 是由 陈威 赵自强 焦小雨 刘星宇 成坤 朱朝龙 吴晨静 刘宣彤 于 2021-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种绿色环保的陶瓷刀具材料及其制备方法,包括以下过程,步骤1,取质量分数为87～89wt％的氮化硅、2～4wt％的纳米木质素、总质量分数为9～11wt％的氧化镁和氧化钇,混合均匀后干燥得到混合粉末；所述纳米木质素从杨木中提取；步骤2,将混合粉末与无水乙醇混合后,研磨后得到混匀的混合浆料；步骤3,干燥步骤2的混合浆料,得到混合均匀的复合粉料；步骤4,将步骤35的复合粉料装入模具中,并在氮气氛围的保护下进行热压烧结,烧结温度为1700～1800℃,压力为30～40MPa,保温保压时间为30～60min,其中,在升温至800～850℃时,保温30～40min,得到绿色环保的陶瓷刀具材料。所用原料绿色,制备方法简单,制备成的刀具无需使用切削液即可达到较低摩擦系数和磨损率,提升断裂韧性。(The invention provides a green environment-friendly ceramic cutter material and a preparation method thereof, and the preparation method comprises the following steps of 1, taking 87-89 wt% of silicon nitride, 2-4 wt% of nano lignin, and 9-11 wt% of magnesium oxide and yttrium oxide in total mass, uniformly mixing, and drying to obtain mixed powder; the nano lignin is extracted from poplar; step 2, mixing the mixed powder with absolute ethyl alcohol, and grinding to obtain uniformly mixed slurry; step 3, drying the mixed slurry obtained in the step 2 to obtain uniformly mixed composite powder; and 4, filling the composite powder obtained in the step 35 into a mold, and performing hot-pressing sintering under the protection of nitrogen atmosphere, wherein the sintering temperature is 1700-1800 ℃, the pressure is 30-40 MPa, and the heat preservation and pressure maintaining time is 30-60 min, wherein the heat preservation time is 30-40 min when the temperature is raised to 800-850 ℃, so that the green and environment-friendly ceramic cutter material is obtained. The raw materials are green, the preparation method is simple, the prepared cutter can reach a low friction coefficient and a low wear rate without using cutting fluid, and the fracture toughness is improved.)
技术领域
本发明属于结构陶瓷材料技术领域，具体属于一种绿色环保的陶瓷刀具材料及其制备方法。
背景技术
机械制造业是国家工业的基础，在国民经济中占据着严重的地位，而金属切削加工又是机械制造中最基本的实施手段和关键环节之一。常用的切削刀具主要有硬质合金材料和陶瓷材料，陶瓷材料中如氮化硅陶瓷材料，具有比硬质合金更好的强度、硬度和耐磨性能，更有希望作为刀具材料，但是氮化硅材料由于本身的脆性问题，易发生脆裂现象，严重阻碍了其作为切削刀具的使用与推广，因此可以通过添加第二相使其断裂韧性得到提高，防止其断裂。
人们常常利用切削液来改善工件的表面质量、提高刀具的服役寿命和加工效率，特别是对于GH4169等难加工的镍基高温合金的加工，更加需要切削液的使用。然而切削液的频繁使用会造成环境污染，危害工人健康，增加制造成本，无切削液加工就变得具有重要意义了。
综上，现有的加工GH4169等难加工合金的刀具材料和加工过程存在诸多问题，因此，有必要研究一种绿色环保的陶瓷刀具材料。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种绿色环保的陶瓷刀具材料及其制备方法，所用原料绿色，制备方法简单，制备成的刀具无需使用切削液即可达到较低摩擦系数和磨损率，能够有效地提升氮化硅基陶瓷的断裂韧性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种绿色环保的陶瓷刀具材料，所述陶瓷刀具材料包括87～89wt％的氮化硅、1～4wt％的纳米木质素、总质量分数为9～11wt％的氧化镁和氧化钇，各组分配合比之和为100％；
所述纳米木质素从杨木中提取。
一种绿色环保的陶瓷刀具材料的制备方法，包括以下过程，
步骤1，取质量分数为87～89wt％的氮化硅、2～4wt％的纳米木质素、总质量分数为9～11wt％的氧化镁和氧化钇，混合均匀后干燥得到混合粉末；所述纳米木质素从杨木中提取；
步骤2，将混合粉末与无水乙醇混合后，研磨后得到混匀的混合浆料；
步骤3，干燥步骤2的混合浆料，得到混合均匀的复合粉料；
步骤4，将步骤3的复合粉料装入模具中，并在氮气氛围的保护下进行热压烧结，烧结温度为1700～1800℃，压力为30～40MPa，保温保压时间为30～60min，其中，在升温至800～850℃时，保温30～40min，得到绿色环保的陶瓷刀具材料。
优选的，步骤2中，采用氧化锆研磨体进行球磨，得到混匀的混合浆料。
优选的，步骤3中，采用真空干燥箱干燥步骤2的混合浆料，得到复合粉料。
优选的，步骤3中，将步骤3的复合粉料磨碎，并用筛网过筛，得到粒径大小合适的复合粉料。
优选的，步骤3中，使用三维混料仪将步骤2的复合粉料进行混合，得到混合均匀的复合粉料。
优选的，步骤4中，所述模具为石墨模具。
优选的，步骤4中，在氮气氛围的保护下进行热压烧结。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种绿色环保的陶瓷刀具材料，以从杨木中提取的纳米木质素和氮化硅粉末作为主要原料，配成特定比例，通过球磨工艺和热压烧结得到具有优异的物理力学性能和摩擦学性能的陶瓷刀具材料，其中，纳米木质素转化为类石墨烯材料，形成一层包覆层包覆在氮化硅晶粒表面。当材料发生断裂时，可以通过裂纹的钝化分支、偏转和桥接，其中，裂纹的桥接就是氮化硅晶粒发生断裂后，其表面的类石墨烯材料组成的类石墨烯薄膜破裂桥接形成，提升材料断裂韧性。并且，这种包覆层的形成使得复合材料具有优异的微观组织结构，也提升了材料的强度和硬度，使得材料的整体力学性能得到提升。
优异的物理力学性能使得刀具不易发生崩刃现象，较低的磨损率使得刀具能够具有较长的服役寿命，使用时间更长久。本材料在与GH4169这种难加工的镍基高温合金进行大气环境下的摩擦磨损试验时，具有较低的摩擦系数，表明将此材料做为切削刀具加工镍基高温合金等难加工金属时，无需切削液即可达到较低的摩擦系数，可以直接进行加工，避免了切削液对环境的污染。此外，本专利选用原料绿色：纳米木质素是从杨木中萃取得到，绿色环保可再生，氮化硅对环境无毒无害。
附图说明
图1为本发明实例1中陶瓷刀具材料与GH4169配副时的摩擦系数随磨程变化的曲线图；
图2为本发明实例2陶瓷刀具材料与GH4169配副时的摩擦系数随磨程变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种绿色环保的陶瓷刀具材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，称取的纳米木质素、氮化硅粉末与氧化镁、氧化钇混合粉末质量比为2：88：10，混合均匀后干燥得到复合粉料；纳米木质素从杨木中提取，绿色环保可再生。并且从杨木中提取的纳米木质素可以转化为类石墨烯材料，形成一层包覆层包覆在氮化硅晶粒表面。当材料发生断裂时，可以通过裂纹的钝化分支、偏转和桥接，其中，裂纹的桥接就是氮化硅晶粒发生断裂后，其表面的类石墨烯材料组成的类石墨烯薄膜破裂桥接形成，提升材料断裂韧性。
步骤S2，将混合粉末与少量无水乙醇混合后，使用氧化锆研磨体进行球磨，得到混匀的混合浆料；
步骤S3，用真空干燥箱干燥步骤S2得到的混匀的混合浆料，得到复合粉料；
步骤S4，将步骤S3得到的复合粉磨碎，并用80目筛网过筛，得到粒径大小合适的复合粉料；
步骤S5，使用三维混料仪将步骤S4得到的复合粉料混匀，得到混匀的复合粉料；
步骤S6，将步骤S5得到的复合粉料装入石墨模具中，并在氮气氛围的保护下进行热压烧结，烧结温度为1700℃，压力为30MPa，保温保压时间为30min，其中，在升温至800℃时，保温30min，得到绿色环保的陶瓷刀具材料。
该材料的物理力学性能如下表所示：
将此材料制备成销试样，与GH4169盘试样进行销盘式摩擦磨损试验时，转速为1000r/min，载荷为10N，可以得到附图1所示的摩擦曲线，可见其稳定后的平均摩擦系数可达0.22左右，销试样的磨损率为1.23×10-5mm3/(N·m)，可作为服役寿命长无需切削液的绿色环保切削刀具的材料。
实施例2
一种绿色环保的陶瓷刀具材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，称取的纳米木质素、氮化硅粉末与氧化镁、氧化钇混合粉末质量比为4：87：9，混合均匀后干燥得到复合粉料；纳米木质素从杨木中提取；
步骤S2，将混合粉末与少量无水乙醇混合后，使用氧化锆研磨体进行球磨，得到混匀的混合浆料；
步骤S3，用真空干燥箱干燥步骤S2得到的混匀的混合浆料，得到复合粉料；
步骤S4，将步骤S3得到的复合粉磨碎，并用80目筛网过筛，得到粒径大小合适的复合粉料；
步骤S5，使用三维混料仪将步骤S4得到的复合粉料混匀，得到混匀的复合粉料；
步骤S6，将步骤S5得到的复合粉料装入石墨模具中，并在氮气氛围的保护下进行热压烧结，烧结温度为1800℃，压力为40MPa，保温保压时间为40min，其中，在升温至800℃时，保温40min，得到绿色环保的陶瓷刀具材料。
该材料的物理力学性能如下表所示：
将此材料制备成销试样，与GH4169盘试样进行销盘式摩擦磨损试验时，转速为1000r/min，载荷为10N，可以得到附图2所示的摩擦曲线，可见其稳定后的平均摩擦系数可达0.27左右，销试样的磨损率为1.74×10-6mm3/(N·m)，可作为服役寿命长无需切削液的绿色环保切削刀具的材料。
实施例3
一种绿色环保的陶瓷刀具材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，称取的纳米木质素、氮化硅粉末与氧化镁、氧化钇混合粉末质量比为1：89：10，混合均匀后干燥得到复合粉料；纳米木质素从杨木中提取；
步骤S2，将混合粉末与少量无水乙醇混合后，使用氧化锆研磨体进行球磨，得到混匀的混合浆料；
步骤S3，用真空干燥箱干燥步骤S2得到的混匀的混合浆料，得到复合粉料；
步骤S4，将步骤S3得到的复合粉磨碎，并用90目筛网过筛，得到粒径大小合适的复合粉料；
步骤S5，使用三维混料仪将步骤S4得到的复合粉料混匀，得到混匀的复合粉料；
步骤S6，将步骤S5得到的复合粉料装入石墨模具中，并在氮气氛围的保护下进行热压烧结，烧结温度为1750℃，压力为35MPa，保温保压时间为40min，其中，在升温至850℃时，保温35min，得到绿色环保的陶瓷刀具材料。
该材料的物理力学性能如下表所示：
实施例4
一种绿色环保的陶瓷刀具材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，称取的纳米木质素、氮化硅粉末与氧化镁、氧化钇混合粉末质量比为3：88：9，混合均匀后干燥得到复合粉料；纳米木质素从杨木中提取；
步骤S2，将混合粉末与少量无水乙醇混合后，使用氧化锆研磨体进行球磨，得到混匀的混合浆料；
步骤S3，用真空干燥箱干燥步骤S2得到的混匀的混合浆料，得到复合粉料；
步骤S4，将步骤S3得到的复合粉磨碎，并用80目筛网过筛，得到粒径大小合适的复合粉料；
步骤S5，使用三维混料仪将步骤S4得到的复合粉料混匀，得到混匀的复合粉料；
步骤S6，将步骤S5得到的复合粉料装入石墨模具中，并在氮气氛围的保护下进行热压烧结，烧结温度为1730℃，压力为35MPa，保温保压时间为50min，其中，在升温至820℃时，保温35min，得到绿色环保的陶瓷刀具材料。
该材料的物理力学性能如下表所示：
实施例5
一种绿色环保的陶瓷刀具材料及其制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，称取的纳米木质素、氮化硅粉末与氧化镁、氧化钇混合粉末质量比为2：87：11，混合均匀后干燥得到复合粉料；纳米木质素从杨木中提取；
步骤S2，将混合粉末与少量无水乙醇混合后，使用氧化锆研磨体进行球磨，得到混匀的混合浆料；
步骤S3，用真空干燥箱干燥步骤S2得到的混匀的混合浆料，得到复合粉料；
步骤S4，将步骤S3得到的复合粉磨碎，并用120目筛网过筛，得到粒径大小合适的复合粉料；
步骤S5，使用三维混料仪将步骤S4得到的复合粉料混匀，得到混匀的复合粉料；
步骤S6，将步骤S5得到的复合粉料装入石墨模具中，并在氮气氛围的保护下进行热压烧结，烧结温度为1780℃，压力为30MPa，保温保压时间为60min，其中，在升温至830℃时，保温35min，得到绿色环保的陶瓷刀具材料。
该材料的物理力学性能如下表所示：
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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