本發(fā)明涉及一種石墨烯納米片增韌的復(fù)合陶瓷刀具及其微波制備方法，屬于機械加工刀具制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

相比于傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金和高速鋼刀具，陶瓷刀具具有高硬度、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕性強、化學(xué)穩(wěn)定性好、高耐磨性和不易于金屬發(fā)生粘結(jié)等優(yōu)點，在高速切削領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。但是，陶瓷刀具較低的強度和斷裂韌性在切削難加工時，易造成刀具的失效和斷裂，限制了刀具的應(yīng)用。因此，改善陶瓷刀具的脆性，成為陶瓷刀具研制的關(guān)鍵問題。

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(xué)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(xué)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(xué)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：

本發(fā)明的目的在于克服目前陶瓷刀具韌性較低且制備效率低下的缺點，利用微波燒結(jié)技術(shù)，制備出具有較高綜合力學(xué)性能的新型陶瓷刀具。

本發(fā)明的基本構(gòu)思是在脆性基體中加入TiC顆粒和石墨烯納米片，在保持其高硬度的基礎(chǔ)上，提高刀具的斷裂韌性。利用微波燒結(jié)具有的加熱均勻和升溫快速的優(yōu)點，在維持石墨烯納米片穩(wěn)定的2D片狀結(jié)構(gòu)的同時，通過優(yōu)化配比、燒結(jié)溫度和保溫時間等工藝參數(shù)，提供性能優(yōu)良、工藝簡單和成本低廉的新型陶瓷刀具。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下：一種石墨烯納米片增韌的復(fù)合陶瓷刀具，它是以Al₂O₃為基體，以TiC和石墨烯納米片為增強相，并添加一定量的金屬粘結(jié)劑和燒結(jié)助劑，其組成按質(zhì)量百分比為：Al₂O₃：50.2-60.2%、TiC：20-40%、Ni：3-5%、Mo：3-5%、MgO：0.5-1%、Y₂O₃：0.5-1%、石墨烯納米片：0.1-0.8%。

上述石墨烯納米片增韌的復(fù)合陶瓷刀具，其制備工藝為：

（1）將石墨烯納米片加入到1-甲基-2-吡咯烷酮中，超聲分散1-2h得到石墨烯懸浮液；

（2）將亞微米的Al₂O₃ 、TiC和微米Ni、Mo、Y₂O₃和MgO，同時加入到步驟（1）石墨烯懸浮液中，超聲分散并攪拌，得到混合溶液；

（3）將步驟（2）中的混合溶液進行球磨；

（4）球磨結(jié)束前兩個小時加入1-10wt%的聚乙烯醇溶液進行造粒；

（5）將造粒后的混合料在100-120℃下真空干燥，然后研磨并過篩；

（6）將篩選后的粉料壓制成型，成型壓力為150MPa-300MPa，保壓時間為2-3min；

（7）將成型后的素坯置于微波燒結(jié)爐中，在氬氣的氛圍下以30℃/min 的速率加熱至1600℃-1700℃，并保溫5-30min，然后隨爐冷卻制得復(fù)合陶瓷刀具。

步驟（1）中，石墨烯納米片的厚度為5-10nm， 片徑為1-10μ，石墨烯懸浮液濃度為2.5-5mg/ml。

步驟（2）中，亞微米Al₂O₃ 、TiC的粒徑均不大于0.5μm，微米Ni、Mo、Y₂O₃和MgO的粒徑不大于2μm。

步驟（3）中，球磨是將混合溶液放入行星球磨罐中，球料比為8:1-10:1，球磨時間為36-60小時。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：

（1）本發(fā)明構(gòu)思新穎，通過在Al₂O₃基體中加入TiC和石墨烯納米片，充分發(fā)揮了TiC和石墨烯納米片的增韌補強的作用。復(fù)合陶瓷刀具的硬度最高達19.12 GPa，斷裂韌度為8.73MPa m^1/2。增韌機制主要是石墨烯納米片的拔出、裂紋橋接以及裂紋偏轉(zhuǎn)等，提高了陶瓷刀具的綜合力學(xué)性能。

（2）本發(fā)明中微波電磁場可以保護石墨烯納米片的組織結(jié)構(gòu)不受破壞，且具有燒結(jié)溫度低，升溫時間短的特點。該工藝設(shè)備簡單，成本低廉，具有較高的市場推廣價值。

附圖說明

圖1為實施例2中中制備的刀具斷口掃面電鏡照片。

圖2 為實施例3中刀具表面維氏壓痕的掃描電鏡照片。

具體實施方式

按實例參數(shù)附表稱取石墨烯納米片，在1-甲基-2-吡咯烷酮中超聲分散2h，制備懸浮液；然后按實例附表稱取亞微米Al₂O₃、TiC和微米Ni、Mo、Y₂O₃和MgO加入到石墨烯納米片的懸浮液中，超聲分散并機械攪拌20min；將混合溶液加入到行星球磨罐中，球磨48小時；制備質(zhì)量濃度為5wt%的聚乙烯醇溶液，并在球磨結(jié)束前兩個小時加入到溶液中進行造粒；球磨后的混合料置于真空干燥箱中在110±10℃下干燥，然后研磨并過100目篩篩選粉料；將篩選后的粉料壓制成型，成型壓力為200MPa，保壓時間為3min，得到燒結(jié)素坯。素坯置于微波燒結(jié)爐中進行微波燒結(jié)，燒結(jié)工藝為：在氬氣（純度為99.99%）的氛圍下以30℃/min 的速率加熱至1600℃-1700℃，并保溫5-30min，然后隨爐冷卻制得復(fù)合陶瓷刀具。經(jīng)測試所得力學(xué)性能見附表。

實施例參數(shù)附表

實施例力學(xué)性能附表

圖1 是根據(jù)實施例2中所得到的陶瓷刀具的斷口形貌，可以看到石墨烯納米片釘扎在晶界處。晶界處的石墨烯納米片由于具有極好的力學(xué)性能可以阻止裂紋的擴展，產(chǎn)生裂紋的偏轉(zhuǎn)。而且，在材料斷裂過程中，石墨烯納米片會產(chǎn)生拔出效應(yīng)和裂紋橋連。石墨烯的這種分布方式，會消耗較多的斷裂能，可有效的提高材料的力學(xué)性能。

圖2是根據(jù)實施例3中所得到的陶瓷刀具表面維式壓痕的掃描電鏡照片，在TiC顆粒和石墨烯納米片的共同作用下，裂紋發(fā)生了分支、偏轉(zhuǎn)和橋連等現(xiàn)象，可以有效的提高刀具的斷裂韌性。