本發(fā)明涉及機械制造使用的高硬度耐磨陶瓷刀具
技術領域：
，尤其是涉及一種石墨烯增強的高硬度陶瓷切削頭。
背景技術：
：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的普遍應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。但是相變增韌應用范圍有限，基本僅限于ZrO2的相轉化。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構。石墨烯具有非常優(yōu)異的物化和力學性能，導熱系數(shù)高達5000Wm-1K-1，強度達130GPa，斷裂強度約為125GPa。其獨特的2D片狀結構，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用前景廣闊，且其超高的導熱性能也是陶瓷刀具必需的。陶瓷刀具大多數(shù)是通過熱壓燒結得到的，熱壓燒結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體的性能較高。但熱壓燒結效率較低，很難大批量生產(chǎn)且成本也高。技術實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術存在的上述問題，本申請人提供了一種高硬度陶瓷切削頭。本發(fā)明制備得到的陶瓷切削頭不僅具有現(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)明的技術方案如下：一種高硬度陶瓷切削頭，由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：30～45份；TiCN：15～25份；WC：12～18份；MoC：3～5份；MgO：4～8份；BN：5～7份；SiN4：3～5份；預處理過的石墨烯粉：1～3份；所述石墨烯的預處理方法為：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80微米。優(yōu)選的，所述各原料的粒徑均小于30微米。優(yōu)選的，所述高硬度陶瓷切削頭由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：42份；TiCN：21份；WC：16份；MoC：4份；MgO：6份；BN：6份；SiN4：3份；預處理過的石墨烯粉：2份。所述的高硬度陶瓷切削頭的制備方法具體步驟如下：(1)將除預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8～16％的無水乙醇，置入行星磨中進行混合和研磨1～4小時；(2)然后加入預處理過的石墨烯粉以及重量為該石墨烯粉5～7％的硅烷偶聯(lián)劑，繼續(xù)球磨60～80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35～45MPa壓力下壓制25～45分鐘成型；(4)壓制成型后的材料進行高溫燒結，燒結溫度為1620～1680℃，時間保持60～80分鐘；(5)然后以每分鐘12～18℃的速度冷卻至室溫，室溫下保持12～20分鐘后回火，在680～720℃下保持25～35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構式如下：本發(fā)明有益的技術效果在于：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構，如果在晶體中不規(guī)則分布，會導致晶體容易出現(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，最終燒結后得到的陶瓷晶體中石墨烯平面與切削頭切削時的受力面平行，從而大大增強了切削頭的韌性和耐磨性。具體實施方式實施例1一種高硬度陶瓷切削頭，由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：30份；TiCN：15份；WC：12份；MoC：3份；MgO：4份；BN：5份；SiN4：3份；預處理過的石墨烯粉：1份；所述石墨烯的預處理方法為：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80微米。所述的高硬度陶瓷切削頭的制備方法具體步驟如下：(1)將除預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8％的無水乙醇，置入行星磨中進行混合和研磨1小時；(2)然后加入預處理過的石墨烯粉以及重量為該石墨烯粉5％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35MPa壓力下壓制45分鐘成型；(4)壓制成型后的材料進行高溫燒結，燒結溫度為1620℃，時間保持80分鐘；(5)然后以每分鐘12℃的速度冷卻至室溫，室溫下保持12分鐘后回火，在680℃下保持35分鐘，然后自然冷卻至室溫。實施例2一種高硬度陶瓷切削頭，由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：42份；TiCN：21份；WC：16份；MoC：4份；MgO：6份；BN：6份；SiN4：3份；預處理過的石墨烯粉：2份。所述石墨烯的預處理方法為：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30微米。所述的高硬度陶瓷切削頭的制備方法具體步驟如下：(1)將除預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2小時；(2)然后加入預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，燒結溫度為1650℃，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16分鐘后回火，在700℃下保持30分鐘，然后自然冷卻至室溫。實施例3一種高硬度陶瓷切削頭，由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：42份；TiCN：21份；WC：16份；MoC：4份；MgO：6份；BN：6份；SiN4：3份；預處理過的石墨烯粉：2份。所述石墨烯的預處理方法為：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30微米。所述的高硬度陶瓷切削頭的制備方法具體步驟如下：(1)將除預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3小時；(2)然后加入預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74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42MPa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，燒結溫度為1660℃，時間保持65分鐘；(5)然后以每分鐘16℃的速度冷卻至室溫，室溫下保持18分鐘后回火，在710℃下保持28分鐘，然后自然冷卻至室溫。實施例4一種高硬度陶瓷切削頭，由以下重量份數(shù)的原料組成：Al2O3：45份；TiCN：25份；WC：18份；MoC：5份；MgO：8份；BN：7份；SiN4：5份；預處理過的石墨烯粉：3份；所述石墨烯的預處理方法為：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80微米。所述的高硬度陶瓷切削頭的制備方法具體步驟如下：(1)將除預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16％的無水乙醇，置入行星磨中進行混合和研磨4小時；(2)然后加入預處理過的石墨烯粉以及重量為該石墨烯粉7％的異丁基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑，繼續(xù)球磨80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45MPa壓力下壓制25分鐘成型；(4)壓制成型后的材料進行高溫燒結，燒結溫度為1680℃，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20分鐘后回火，在720℃下保持25分鐘，然后自然冷卻至室溫。測試例1：將實施例1～4制備得到的陶瓷切削頭進行性能測試，測試結果如表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)22.123.924.822.6抗彎強度(MPa)1510159016201530斷裂韌性(MPa·m1/2)12.313.714.512.6疲勞強度(MPa)643754767690備注：抗疲勞性能測試，Kt＝1，應力比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