一種用于自潤(rùn)滑刀具材料的氧化鋁包覆氟化鈣粉末及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于自潤(rùn)滑刀具材料的氧化鋁包覆氟化鈣粉末及其制備方法。本發(fā)明是采用非均勻成核法和真空煅燒法，以硝酸鋁和CaF2為原料，各自配成一定濃度的溶液，加入聚乙二醇和NaAc-HAc溶液，超聲分散，然后將分散好的硝酸鋁溶液和CaF2溶液在攪拌條件下滴定，反應(yīng)，陳化，離心，清洗，干燥，真空煅燒。所制得的氧化鋁包覆CaF2粉末尺寸為4-8μm，粉末表面包覆效果好，尺寸分布均勻，包覆后的粉末可應(yīng)用到自潤(rùn)滑刀具材料中。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，操作方便，設(shè)備要求低。
【專利說明】一種用于自潤(rùn)滑刀具材料的氧化鋁包覆氟化鈣粉末及其制 備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于包覆粉末材料【技術(shù)領(lǐng)域】及其制備方法，具體是涉及一種氧化 鋁包覆氟化鈣粉末材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 氟化鈣（CaF2)是一種具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能和良好工業(yè)應(yīng)用前景的高溫固體潤(rùn)滑 材料，其熔點(diǎn)高、性能穩(wěn)定、良好的潤(rùn)滑效果常作為自潤(rùn)滑刀具的固體潤(rùn)滑劑使用。
[0003] 隨著高速干切削技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)刀具材料提出了更高的要求。作為潤(rùn) 滑領(lǐng)域最具有前景的發(fā)展方向，無環(huán)境污染、使用壽命長(zhǎng)、低摩擦、自修復(fù)的固體潤(rùn)滑材料 應(yīng)用的越來越廣泛，備受世人關(guān)注。通過在氧化鋁（A1 203)陶瓷基體中引入0&&等固體潤(rùn) 滑劑，可制備性能優(yōu)異的自潤(rùn)滑刀具材料。但是，這類自潤(rùn)滑刀具材料存在著固體潤(rùn)滑劑與 基體的物化相容性差、混料不均勻、界面結(jié)合強(qiáng)度低等問題，在降低摩擦系數(shù)、改善潤(rùn)滑的 同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致刀具材料的力學(xué)性能乃至耐磨性能下降，使得刀具壽命提高有限。為了實(shí)現(xiàn) 自潤(rùn)滑刀具強(qiáng)度與潤(rùn)滑性能的統(tǒng)一，現(xiàn)有技術(shù)通過對(duì)整體自潤(rùn)滑復(fù)合刀具材料研究，提出 的現(xiàn)有解決該問題的方法是對(duì)燒結(jié)制備后的刀具材料進(jìn)行處理，以此達(dá)到刀具本身所具有 的力學(xué)性能。這種后處理方式提高刀具力學(xué)性能的工藝較為復(fù)雜，勢(shì)必增加工序，加大成 本。如果采用表面包覆工藝，從固體潤(rùn)滑劑粉末材料表面改性的角度來研究刀具材料，可有 效實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑刀具材料力學(xué)性能的進(jìn)一步改善。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于自潤(rùn)滑刀具材料的氧化鋁包覆氟化鈣 粉末及其制備方法，
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種用于自潤(rùn)滑刀具材料的氧化鋁包覆CaF2粉末，由CaF2顆粒和包覆在所述CaF 2 顆粒上的氧化鋁組成；是將CaF2加水和聚乙二醇分散均勻，在醋酸鈉-醋酸（NaAc-HAc)緩 沖液中、pH值7. 2-8條件下與硝酸鋁反應(yīng)，通過非均勻成核法在CaF2表面包覆一層氫氧化 鋁粉末；再煅燒制成氧化鋁包覆的CaF 2粉末。
[0007] 所述的氧化鋁包覆CaF2粉末中，氧化鋁占比為35_40wt%。
[0008] 所述的氧化鋁包覆CaF2粉末的粒徑為4-8 μ m。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明，一種氧化鋁包覆CaF2粉末及其制備方法，包括步驟如下：
[0010] (1)取CaF2顆粒加水配制0· 10?0· 15mol/L的CaF2溶液，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3-4% 的聚乙二醇和適量的醋酸鈉-醋酸緩沖液，超聲分散攪拌均勻，加熱到70-80°C，滴加 Al3+濃 度為0. 1-0. 2mol/L的硝酸鋁溶液，同時(shí)滴加氨水控制pH值為7. 2-8,所述硝酸鋁溶液滴加 完畢后于70-80°C保溫反應(yīng)30-40min，然后靜置陳化，經(jīng)清洗、離心、真空干燥得到包覆氫 氧化鋁的CaF 2粉末；所述CaF2溶液與所述硝酸鋁溶液的體積比為1 :1 ;
[0011] (2)將步驟（1)制得的包覆氫氧化鋁的0&&粉末置于坩堝中，采用真空熱壓燒結(jié) 爐煅燒，煅燒溫度為1150-1250°C ;煅燒的保溫時(shí)間為2-3小時(shí)，煅燒后氫氧化鋁完全轉(zhuǎn)化 為氧化鋁包覆層，即得氧化鋁包覆的CaF2粉末。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟（1)中，所述CaF2水溶液的濃度為0. 13mol/L，硝酸 鋁溶液的Al3+濃度為0. 15mol/L。所述醋酸鈉-醋酸緩沖液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22-26%，優(yōu)選質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為25%的醋酸鈉-醋酸緩沖液。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟⑴中，調(diào)節(jié)pH用的氨水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 25-30%。優(yōu)選 pH 值為 7. 5。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1)中，所述CaF2顆粒的粒徑為3-5μπι。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1)中，所述反應(yīng)溫度為75°C。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1)中，所述硝酸鋁溶液的滴加速度為2-4mL/min。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1)中，所述的清洗是先用蒸餾水清洗2-3次，再用無水 乙醇清洗2?3次。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（2)中所述坩堝的材料為A1203或Si0 2。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（2)中所述煅燒時(shí)的升溫速度為8-12°C /min。進(jìn)一步優(yōu) 選煅燒時(shí)的升溫速度為10°c /min。
[0020] 本發(fā)明步驟（1)中，所述的聚乙二醇作為表面分散劑，所述聚乙二醇的加量與所 述CaF 2溶液體積比為1?1. 2 :1，優(yōu)選所述聚乙二醇的加量與所述CaF2溶液體積相同。
[0021] 本發(fā)明步驟（1)中添加醋酸鈉-醋酸緩沖液是使溶液pH值的恒定。一般優(yōu)選加 量為所述CaF 2溶液體積的12-16% v/v。
[0022] 本發(fā)明步驟（2)中煅燒后氧化鋁包覆CaF2的顆粒大小為4-8 μ m。
[0023] 本發(fā)明所制備的氧化鋁包覆氟化鈣粉末材料具有良好的力學(xué)性能，可作為固體潤(rùn) 滑劑用于自潤(rùn)滑刀具材料中。該包覆粉末材料是以非均勻成核法用氧化鋁包覆CaF 2粉末， 通過CaF2粉末表面包覆氧化鋁粉末來得到特殊的界面層，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)CaF2性能的效果。界面 層的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)于優(yōu)化高性能復(fù)合材料最終的性能起關(guān)鍵作用。由于氧化鋁復(fù)合材料的 界面對(duì)其力學(xué)性能的影響顯著，采用CaF 2顆粒表面包覆氧化鋁粉末可以獲得良好的界面反 應(yīng)阻擋層，使其在添加入刀具材料基體中后具有良好的力學(xué)性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明 氧化鋁包覆CaF 2粉末材料，從改善固體潤(rùn)滑劑粉末材料性能的角度來增強(qiáng)刀具材料的力學(xué) 性能，是前所未有的創(chuàng)新。
[0024] 本發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單易控，所得粉末表面包覆效果好，尺寸分布均勻，顆粒大小 為4-8 μ m ;工藝操作方便，設(shè)備要求低，工業(yè)生產(chǎn)成本低，制備的氧化鋁包覆CaF2粉末包覆 率在80%以上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是CaF2顆粒的原始形貌的掃描電鏡圖片。圖中CaF2顆粒的大小比較均勻，表 面較光滑。
[0026] 圖2是實(shí)施例1制得的氧化鋁包覆CaF2粉末材料的掃描電鏡圖片。煅燒溫度 1150°C，圖中CaF 2表層的包覆粉體氧化鋁的顆粒細(xì)小且致密度較好。
[0027] 圖3是實(shí)施例2制得的氧化鋁包覆CaF2粉末材料的掃描電鏡圖片。煅燒溫度 1250°C，CaF2表面包覆層氧化鋁顆粒變大。
[0028] 圖4是實(shí)施例3制得的氧化鋁包覆CaF2粉末材料的掃描電鏡圖片。煅燒溫度 1200°C，圖中CaF 2表面包覆層顆粒生長(zhǎng)較為均勻。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0030] 實(shí)施例中所用CaF2顆粒的粒徑為3-4 μ m，形貌如圖1所示。
[0031] 實(shí)施例中所用坩堝為A1203材質(zhì)，所用加熱器為DF- II數(shù)顯集熱式磁力攪拌器。
[0032] 實(shí)施例1、氧化鋁包覆CaF2粉末及其制備方法，步驟如下：氧化鋁包覆CaF 2粉末及 其制備方法，步驟如下：
[0033] 將Α1(Ν03)3 ·9Η20加入一定量蒸餾水，配制Al3+濃度為0· 15mol/L的硝酸鋁溶液， 備用。
[0034] (1)取粒徑為3-4 μ m的CaF2顆粒加水配制0. 13mol/L的CaF2溶液100mL，加入 100mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%聚乙二醇作為表面分散劑，同時(shí)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的NaAc-HAc緩 沖液15mL以保持溶液pH值的恒定，超聲分散30min，并在DF- II數(shù)顯集熱式磁力攪拌器中 加熱到75°C ;
[0035] (2)以3mL/min的速度向步驟⑴的體系中緩慢滴加配制的Al3+濃度為0. 15mol/ L的硝酸鋁溶液共計(jì)100mL，在75°C水浴槽中攪拌，同時(shí)緩慢滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%的氨水溶 液使pH值保持在7. 5,所述硝酸鋁溶液全部滴加完畢，于75°C保溫30min，形成澄清透明的 溶膠體；
[0036] 將所得的溶膠體用蒸餾水清洗2-3次，再用無水乙醇清洗2?3遍，用高速離心機(jī) 2000rad/min離心10min，離心后將濾餅放入真空干燥箱100°C下烘干12h ;
[0037] (3)將步驟（2)所得的濾餅放置于坩堝中在真空熱壓燒結(jié)爐中，按9°C /min緩慢 升溫至1150°C，保溫3小時(shí)，得到氧化鋁包覆的CaF2粉末。CaF2表層的包覆粉體氧化鋁的 顆粒細(xì)小且致密度較好，顆粒大小為4-8 μ m，所得產(chǎn)品的電鏡照片如圖2所示。CaF2表面 包覆層顆粒生長(zhǎng)均勻，包覆率為85 %。產(chǎn)品中氧化鋁占比為38wt %。
[0038] 實(shí)施例2、氧化鋁包覆CaF2粉末及其制備方法，步驟如下：
[0039] 將Α1(Ν03)3 ·9Η20加入一定量蒸餾水，配制Al3+濃度為0· 17mol/L的硝酸鋁溶液， 備用；
[0040] 1、取粒徑為3-4 μ m的CaF2顆粒加水配制0. 13mol/L的氟化鈣溶液100mL，加入質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為4%聚乙二醇100mL，同時(shí)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%的NaAC-HA C緩沖液14mL以保持溶 液pH值的恒定，超聲分散30min，并在DF- II數(shù)顯集熱式磁力攪拌器中加熱到85°C ;
[0041] 2、以3mL/min的速度緩慢滴加配制的Al3+濃度為0. 17mol/L的硝酸鋁溶液共計(jì) 100mL，同時(shí)在85°C水浴槽中攪拌，同時(shí)緩慢滴加氨水使pH值保持在7. 5,滴加完畢85°C保 溫30min，形成澄清透明的溶膠體，用蒸餾水反復(fù)清洗2?3遍后，再用無水乙醇清洗2?3 遍，用高速離心機(jī)在2000rad/min離心10min，將濾餅放入真空干燥箱100°C下烘干12h ;
[0042] 3、將步驟2所得濾餅放置于坩堝中在真空熱壓燒結(jié)爐中，升溫速度為10°C /min， 緩慢升溫至1250°C，保溫2小時(shí)，得到包覆氧化鋁的CaF2粉末。顆粒大小為4-8 μ m ;所得 產(chǎn)品的電鏡照片如圖3所示，包覆率為82%。CaF2表面包覆層氧化鋁顆粒略微變大，此為 氧化鋁顆粒生長(zhǎng)所致。產(chǎn)品中氧化鋁占比為36wt%。
[0043] 實(shí)施例3、氧化鋁包覆CaF2粉末及其制備方法，步驟如下：
[0044] 將Α1 (Ν03) 3 · 9H20加入一定量蒸餾水，配制Al3+濃度為0· 13mol/L的硝酸鋁溶液 備用。
[0045] 1、配制0. 13mol/L的CaF2溶液100mL，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%聚乙二醇100mL，同時(shí) 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的NaAc-HAc緩沖液15mL以保持溶液pH值的恒定，超聲分散30min， 并在DF- II數(shù)顯集熱式磁力攪拌器中加熱到75°C ;
[0046] 2、以3mL/min緩慢滴加 Al3+濃度為0. 13mol/L的硝酸鋁溶液共計(jì)100mL，同時(shí)在 75°C水浴槽中攪拌，同時(shí)緩慢滴加氨水使pH值保持在8,滴加完畢保溫30min，形成澄清透 明的溶膠體；用蒸餾水反復(fù)清洗2?3遍，再用無水乙醇清洗2?3遍，用高速離心機(jī)于 2000rad/min離心10min，然后將濾餅放入真空干燥箱100°C下烘干12h ;
[0047] 3、將烘干的濾餅放置于坩堝中在真空熱壓燒結(jié)爐中，按11°C /min緩慢升溫至 1200°C，保溫2小時(shí)，得到包覆氧化鋁的CaF2顆粒。顆粒大小為4-8 μ m ;所得產(chǎn)品的電鏡照 片如圖4所示。圖中CaF2表面包覆層顆粒生長(zhǎng)均勻，包覆率為90%。產(chǎn)品中氧化鋁占比為 40wt %。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于自潤(rùn)滑刀具材料的氧化鋁包覆CaF2粉末，由CaF2顆粒和包覆在所述CaF 2 顆粒上的氧化鋁組成；是將CaF2加水和聚乙二醇分散均勻，在醋酸鈉-醋酸緩沖液中、pH值 7. 2-8條件下與硝酸鋁反應(yīng)，通過非均勻成核法在CaF2表面包覆一層氫氧化鋁粉末；再煅 燒制成氧化鋁包覆的CaF 2粉末；粒徑為4-8 μ m。
2. -種氧化鋁包覆〇&匕粉末的制備方法，包括步驟如下： (1) 取CaF2顆粒加水配制0. 10?0. 15mol/L的CaF2溶液，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3-4%的聚 乙二醇和適量的醋酸鈉-醋酸緩沖液，超聲分散攪拌均勻，加熱到70-80°C，滴加 Al3+濃度 為0. 1?0. 2mol/L的硝酸鋁溶液，同時(shí)滴加氨水控制pH值為7. 2-8,所述硝酸鋁溶液滴加 完畢后于70-80°C保溫反應(yīng)30-40min，然后靜置陳化，經(jīng)清洗、離心、真空干燥得到包覆氫 氧化鋁的CaF 2粉末；所述CaF2溶液與所述硝酸鋁溶液的體積比為1 :1 ; (2) 將步驟（1)制得的包覆氫氧化鋁的0&&粉末置于坩堝中，采用真空熱壓燒結(jié)爐煅 燒，煅燒溫度為1150-1250°C ;煅燒的保溫時(shí)間為2-3小時(shí)，煅燒后氫氧化鋁完全轉(zhuǎn)化為氧 化鋁包覆層，即得氧化鋁包覆的CaF2粉末。
3. 如權(quán)利要求2所述的氧化鋁包覆0&&粉末的制備方法，其特征在于步驟（1)中，所 述CaF2溶液的濃度為0. 13mol/L，硝酸鋁溶液的Al3+濃度為0. 15mol/L。
4. 如權(quán)利要求2所述的氧化鋁包覆0&&粉末的制備方法，其特征在于步驟（1)中，所 述醋酸鈉-醋酸緩沖液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22-26%。
5. 如權(quán)利要求2所述的氧化鋁包覆0&&粉末的制備方法，其特征在于步驟（1)中，調(diào) 節(jié)pH用的氨水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25-30 %。
6. 如權(quán)利要求2所述的氧化鋁包覆0&&粉末的制備方法，其特征在于步驟（1)中，所 述CaF2顆粒的粒徑為3-5 μ m。
7. 如權(quán)利要求2所述的氧化鋁包覆0&&粉末的制備方法，其特征在于步驟（1)中，所 述硝酸鋁溶液的滴加速度為2-4mL/min。
8. 如權(quán)利要求2所述的氧化鋁包覆0&&粉末的制備方法，其特征在于步驟（1)中，所 述的清洗是先用蒸餾水清洗2-3次，再用無水乙醇清洗2?3次。
9. 如權(quán)利要求2所述的氧化鋁包覆CaF2粉末及其制備方法，其特征在于步驟（2)中所 述坩堝的材料為A1 203或Si02。
10. 如權(quán)利要求2所述的氧化鋁包覆0&&粉末的制備方法，其特征在于步驟（2)中所 述煅燒時(shí)的升溫速度為8-12°C /min。
【文檔編號(hào)】C04B35/63GK104045351SQ201410294935
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】許崇海, 陳照強(qiáng), 肖光春, 李明 申請(qǐng)人:齊魯工業(yè)大學(xué)