本文针对传统自润滑陶瓷刀具不能兼顾减摩性能和力学性能的难题,利用金属增韧补强作用对其进行微观结构改性,研制了添加金属包覆固体润滑剂复合粉体的新型自润滑陶瓷刀具。该刀具材料以氧化铝(A1203)为基体,碳化钨钛固溶体((W,Ti)C)为增强相,氧化镁(MgO)、氧化钇(Y203)为烧结助剂,六方氮化硼(h-BN)为润滑剂,镍(Ni)为包覆层金属。其中,润滑剂分别为微米h-BN(h-BNμ)、纳米BN(h-BNn)和h-BN纳米片(BNNS)三种尺度的h-BN。揭示了不同尺度的h-BN对刀具材料的微观结构、力学性能、摩擦磨损和切削性能的影响规律。采用以水合胼为还原剂的化学镀工艺分别制备了 Ni包覆三种尺度h-BN的复合粉体,即h-BNμ@Ni、h-BNn@Ni和BNNS@Ni。由于传统的酸基敏化液对h-BN粉体的润湿性较差,为提高敏化效果,提出并应用了醇基敏化液。为解决纳米h-BN和BNNS由于比表面积大而易引起镀液分解的问题,提出了分段恒温化学镀工艺,使得化学镀过程平缓进行。所制备的h-BN@Ni复合粉体的包覆层比较完整、均匀,由晶态纳米Ni粒子构成,与h-BN结合紧密。本研究使用自制的BNNS,提出了一种纯剪切球磨与超声协同制备BNNS的装置与方法。真空热压制备了分别添加h-BNμ@Ni、h-BNn@Ni和BNNS@Ni三种复合粉体的刀具材料,其力学性能高于相应的添加h-BN粉体的刀具材料。其中,添加5 vol.%包覆型微米h-BN的刀具材料的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性分别为599 MPa、16.1 GPa和5.2 MPa·m1/2,分别比添加5 vol.%微米h-BN的刀具材料提高了 8.7%、3.9%和20.9%。添加5 vol.%包覆型纳米h-BN的刀具材料的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性分别为632 MPa、17.2 GPa和5.4 MPa·m1/2,分别比添加5 vol.%纳米h-BN的刀具材料提高了 8.4%、5.5%和14.9%。添加1 vol.%包覆型BNNS的刀具材料的抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性分别为760 MPa、18.7 GPa和6.7 MPa·m1/2,分别比添加1 vol.%BNNS的刀具材料提高了 3.4%、3.3%和11.7%。刀具材料强度和硬度的提高归因于添加h-BN@Ni复合粉体代替h-BN粉体使得h-BN晶粒在刀具材料中的分布均匀,与陶瓷基体的结合紧密。刀具材料断裂韧性的改善是由于h-BN@Ni复合粉体的Ni包覆层提高了 h-BN晶粒与陶瓷基体的界面结合强度,进而增加了裂纹扩展阻力,并提高了 h-BN的脱粘功和拔出功,同时利用金属Ni自身的增韧作用。刀具材料的力学性能随着h-BN尺度的减小而提高。研究了 h-BN@Ni含量对刀具材料的摩擦磨损特性的影响。摩擦磨损试验表明,随着h-BNμ@Ni含量的增加,添加包覆型微米h-BN的刀具材料的摩擦系数减小,磨损率先减小后增大;随着h-BNn@Ni含量的增加,添加包覆型纳米h-BN的刀具材料的摩擦系数减小,磨损率增大。研究了试验条件对刀具材料的摩擦磨损特性的影响。试验结果表明,添加10 vol.%包覆型微米h-BN、添加10 vol.%包覆型纳米h-BN和添加1 vol.%包覆型BNNS的刀具材料的摩擦系数随载荷的增大而先增大后减小,磨损率随载荷的增大而增大;摩擦系数和磨损率均随转速的升高而减小。在相同的试验条件下,上述三种刀具材料的减摩和耐磨性能均优于相应的添加10 vol.%微米h-BN、添加10 vol.%纳米h-BN和添加1 vol.%BNNS的刀具材料。摩擦磨损性能随着h-BN尺度的减小而提高。研究了自润滑陶瓷刀具对40Cr淬火钢的切削性能,结果表明,添加h-BN@Ni复合粉体的J具的切削性能优于添加h-BN粉体的刀具。在切削速度为200 m/min、背吃刀量为0.2 mm和进给量为0.102 mm/r的条件下,添加5 vol.%包覆型微米h-BN、添加5 vol.%包覆型纳米h-BN和添加1 vol.%包覆型BNNS的刀具的刀-屑摩擦系数分别比添加5 vol.%微米h-BN、添加5 vol.%纳米h-BN和添加1 vol.%BNNS的刀具降低了 2%、6.8%和5%;切削温度分别降低了 6.7%、5.9%和4.2%;最大切削距离分别增加了 22.5%、19.7%和21%。自润滑陶瓷刀具的前刀面磨损主要为月牙洼磨损和疲劳磨损引起的微崩刃,前刀面高应力作用区的磨损比低应力作用区剧烈。刀具材料中的h-BN在前刀面析出,形成摩擦膜,减轻了切屑对刀具的粘结磨损。自润滑陶瓷刀具的后刀面未生成摩擦膜,其磨损主要为磨粒磨损。自润滑陶瓷刀具的切削性能随着h-BN尺度的减小而提高。