[发明专利]一种添加石墨烯的梯度硬质合金刀具材料及其快速制备方法

说明书

本发明属于硬质合金材料技术领域，涉及一种添加石墨烯的梯度硬质合金刀具材料及其快速制备方法。本发明以多层石墨烯纳米片作为梯度硬质合金刀具材料的强韧化相与润滑相及钴梯度的稳定相，设计并构筑石墨烯/硬质合金界面，通过构造法及界面物理调控与力学调控，得到粘结相含量可控，各梯度层厚度可控，高耐磨性、高韧性、导热性能优良、摩擦性能优良的梯度硬质合金刀具材料，尤其适用于金属的断续车削和铣削，该发明制备方法简单，设备投资小，方便操作，材料利用率高，易于工业化生产，具有很高的应用前景。

技术领域

本发明属于硬质合金材料技术领域，特别涉及一种“双高”(高耐磨性、高韧性)、导热性能优良、摩擦性能优良的添加石墨烯的梯度硬质合金刀具材料及其快速制备方法。

背景技术

包括切削在内的“精密及超精密加工”是工业强基工程(“中国制造2025”五大工程之一)中十二项先进基础工艺重点突破口之一。高速切削加工技术已成为并在将来很长一段时间里仍将是切削加工的主流和研究热点，而其中高速切削刀具技术则是高速切削中的核心要素。硬质合金具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等诸多优异性能，在淬硬钢、超高强度钢等难加工材料的高速加工领域具有特有的优势。硬质合金由硬质相和粘结相组成，硬质相对合金的硬度与耐磨性起重要作用，粘结相对合金的强韧性产生重要影响。一般而言，粘结相含量较高、硬质相含量低的合金耐磨性低而韧性高；硬质相含量较高、粘结相含量低的合金耐磨性高而韧性差。在高速切削时,硬质合金刀具的失效形式主要表现为裂纹扩展导致的崩刃和刀屑、刀工剧烈摩擦导致的磨损。传统均匀结构硬质合金刀具的这种矛盾特性制约了其应用领域的进一步扩大，并且摩擦性能差严重影响被切削件精度。

梯度结构硬质合金克服了均匀结构材料的不足，其特性是在一个构件中引人显微组织与成分的逐渐变化，以使其满足该部件在不同位置上不同的性能要求，最终使该部件整体上获得最佳效果。表面贫钴梯度硬质合金，自表及里钴含量增加，表层钴含量低，具有很好的耐磨性，芯层钴含量高，具有较好韧性和强度，可有效解决硬质合金各性能间的矛盾。但在烧结过程中，Co会发生从高钴区向低钴区、高碳区向低碳区、细晶粒区向粗晶粒区的转移，因此在烧结制备过程中很难保证粘结相Co的梯度结构，往往会趋于均匀化。

目前，国内外硬质合金界都对梯度硬质合金的研究和开发给予了较大的关注并已尝试采用多种方法来制备梯度硬质合金材料，文献(A new approach for thepreparation of functionally graded materials via slip casting in a gradientmagneticfield,Peng X,Yan M,Shi W,Scripta materialia,2007,56(10):907-909.)报道了一种采用固相烧结法制备梯度硬质合金材料的方法，但为消除烧结体中的残余孔隙,一般都要进行后续的热等静压处理，工艺复杂。文献(功能梯度材料基础一制备及热机械行为，Suresh S,M ortensen A，李守新译，北京:国防工业出版社2000:12-69.)报道了一种采用熔渗法制备梯度硬质合金材料的方法，但是需先制备出含有一定数量、尺寸孔隙的多孔坯块。文献(Formation mechanism of cobalt-gradient structure in WC-Co hardalloy,Liu Y,Wang H,Yang J,et al.Journal of materials science,2004,39(13):4397-4399.)报道了一种采用气氛烧结法制备梯度硬质合金材料的方法，但是需先制备偏离正常含碳量的硬质合金坯块。而无压烧结则需需将粉末与成型剂混合、压制成压块才可进行烧结，由于要加入成型剂，在脱除成型剂时，高温下的真空环境使有机成型剂分解产生游离C，渗入材料内部会造成WC及Co渗碳；同时真空还会引起粘结金属Co的蒸发。

石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是目前最薄也是最坚硬的纳米材料，具有超大的比表面积、超高的强度和韧性，为高性能梯度硬质合金的制备提供了新途径和新原理。

发明内容