[发明专利]一种石墨烯基硬质合金复合自润滑涂层的制备方法

说明书

本发明涉及材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯基硬质合金复合自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：1)将石墨粉与干冰进行高能机械球磨，原位剥离得到石墨烯片层；将石墨烯片层与硬质合金粉末进行机械球磨，得到石墨烯基硬质合金核壳包覆粉；2)将基体表面依次进行清洗、除油、喷砂处理；3)将石墨烯基硬质合金核壳包覆粉对处理后的基体表面进行等离子喷涂，制得石墨烯基硬质合金复合自润滑涂层。涂层综合性能较好，与普通硬质合金涂层相比摩擦系数降低了60～65％，磨损量降低；且保持了硬质合金原有的高强度高硬度特性，涂层硬度可以达到600～750Hv。

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，具体涉及一种石墨烯基硬质合金复合自润滑涂层的制备方法。

背景技术

随着科技的飞速发展和机械制造业的日益崛起，各领域内都出现了高速、重载的工作状态，随之产生的摩擦磨损也成为行业内遇到的难题之一，德国福格尔波尔教授曾推算出摩擦磨损消耗了世界上能源的1/3～1/2，磨损无处不在。磨损和腐蚀破坏大多都是从表面开始，然后损伤向内部发展，最终造成整个零件的失效。因此，添加润滑介质或对零件进行表面改性来降低摩擦系数，近而提高其抗磨损性能显得尤为重要。

目前，添加润滑介质是减小摩擦磨损的重要手段之一。大多数轴瓦采用添加润滑油进行减磨，而废弃润滑油的处理不当，会产生污染问题。因此，考虑通过添加环保型润滑剂来制备自润滑耐磨涂层很有必要。

石墨烯的强度高、弹性好，同时，石墨烯薄膜表现出良好的抗摩擦磨损性能。热喷涂WC-Co硬质合金涂层通常具有相对较大的摩擦系数并引起对应材料的严重磨损，平均摩擦磨损系数为0.6～0.8，在WC-Co硬合金涂层制备中加入石墨烯作为固体润滑剂可以很好地降低摩擦磨损。但是该方法存在以下三大问题：

第一：石墨烯价格昂贵，不易保存与运输。从购买石墨烯到完成涂层的制备，整体成本非常高，从而导致经济效益极低的现象；

第二：石墨烯粉末轻且薄，在添加及制备涂层过程中，石墨烯存在大量损耗，无法保证较高的沉积率；

第三：目前已有的制备石墨烯复合涂层的工艺，较为复杂且无法实现再次修复循环使用的目的。

以上问题制约了在WC-Co硬合金涂层制备中加入石墨烯的发展。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题，提供了一种石墨烯基硬质合金复合自润滑涂层的制备方法，通过机械剥离法制备出石墨烯片层结构，再与硬质合金粉末进行核壳包覆，通过等离子喷涂技术将该包覆粉喷涂在基体上制得石墨烯基硬质合金复合自润滑涂层，该涂层具有高硬度、高强度、耐磨性高的特点，尤其在摩擦磨损方面性能优异，涂层平均摩擦磨损系数低至0.245，制备工艺操作简单、成本低、效率高。

解决上述技术问题的技术方案如下：

一种石墨烯基硬质合金复合自润滑涂层的制备方法，具体步骤如下：

1)制备石墨烯基硬质合金核壳包覆粉

将石墨粉与干冰放入行星式球磨机的球磨罐中进行高能机械球磨，原位剥离得到石墨烯片层；将制得的石墨烯片层进行筛粉处理后与硬质合金粉末进行机械球磨，得到石墨烯基硬质合金核壳包覆粉；球磨过程中，干冰破坏石墨粉强烈的粘合相互作用且干冰会减弱石墨层之间的范德华相互作用，从而产生新的表面；石墨粉与干冰的加入质量比为1:24～30，高能机械球磨的球粉比为6:1，转速为450～500r/min，高能球磨30h。球磨罐为四个，球磨罐的材质为玛瑙，容量为100mL，磨球的材质为玛瑙球，磨球的尺寸为d＝0.5mm和d＝0.3mm。硬质合金粉末是粒度为15～45μm的YG6粉末，所述的石墨烯基硬质合金核壳包覆粉的粒度为30～60μm。石墨烯片层的质量占石墨烯片层和硬质合金粉末的总量的3％或者6％，筛粉采用300目的筛网。机械球磨的球粉比为8:1，转速为200r/min，球磨时间16h。玛瑙材质球磨用品光泽度优质、耐震动力强、不污染产品、使用寿命长、研磨效率高。