[發明專利]一種添加石墨烯的梯度硬質合金刀具材料及其快速制備方法

有效

• 申請號: 201710813017.2
• 申請日: 2017-09-11
• 公開（公告）號: CN107460391B
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 孫加林;趙軍
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C22C29/08
• 分類號: C22C29/08;C22C1/05;B22F3/16;B22F7/02
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 王緒銀

本發明屬于硬質合金材料技術領域，涉及一種添加石墨烯的梯度硬質合金刀具材料及其快速制備方法。本發明以多層石墨烯納米片作為梯度硬質合金刀具材料的強韌化相與潤滑相及鈷梯度的穩定相，設計并構筑石墨烯/硬質合金界面，通過構造法及界面物理調控與力學調控，得到粘結相含量可控，各梯度層厚度可控，高耐磨性、高韌性、導熱性能優良、摩擦性能優良的梯度硬質合金刀具材料，尤其適用于金屬的斷續車削和銑削，該發明制備方法簡單，設備投資小，方便操作，材料利用率高，易于工業化生產，具有很高的應用前景。

技術領域

本發明屬于硬質合金材料技術領域，特別涉及一種“雙高”(高耐磨性、高韌性)、導熱性能優良、摩擦性能優良的添加石墨烯的梯度硬質合金刀具材料及其快速制備方法。

背景技術

包括切削在內的“精密及超精密加工”是工業強基工程(“中國制造2025”五大工程之一)中十二項先進基礎工藝重點突破口之一。高速切削加工技術已成為并在將來很長一段時間里仍將是切削加工的主流和研究熱點，而其中高速切削刀具技術則是高速切削中的核心要素。硬質合金具有高硬度、高強度、耐高溫、耐腐蝕等諸多優異性能，在淬硬鋼、超高強度鋼等難加工材料的高速加工領域具有特有的優勢。硬質合金由硬質相和粘結相組成，硬質相對合金的硬度與耐磨性起重要作用，粘結相對合金的強韌性產生重要影響。一般而言，粘結相含量較高、硬質相含量低的合金耐磨性低而韌性高；硬質相含量較高、粘結相含量低的合金耐磨性高而韌性差。在高速切削時,硬質合金刀具的失效形式主要表現為裂紋擴展導致的崩刃和刀屑、刀工劇烈摩擦導致的磨損。傳統均勻結構硬質合金刀具的這種矛盾特性制約了其應用領域的進一步擴大，并且摩擦性能差嚴重影響被切削件精度。

梯度結構硬質合金克服了均勻結構材料的不足，其特性是在一個構件中引人顯微組織與成分的逐漸變化，以使其滿足該部件在不同位置上不同的性能要求，最終使該部件整體上獲得最佳效果。表面貧鈷梯度硬質合金，自表及里鈷含量增加，表層鈷含量低，具有很好的耐磨性，芯層鈷含量高，具有較好韌性和強度，可有效解決硬質合金各性能間的矛盾。但在燒結過程中，Co會發生從高鈷區向低鈷區、高碳區向低碳區、細晶粒區向粗晶粒區的轉移，因此在燒結制備過程中很難保證粘結相Co的梯度結構，往往會趨于均勻化。

目前，國內外硬質合金界都對梯度硬質合金的研究和開發給予了較大的關注并已嘗試采用多種方法來制備梯度硬質合金材料，文獻(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.)報道了一種采用固相燒結法制備梯度硬質合金材料的方法，但為消除燒結體中的殘余孔隙,一般都要進行后續的熱等靜壓處理，工藝復雜。文獻(功能梯度材料基礎一制備及熱機械行為，Suresh S,M ortensen A，李守新譯，北京:國防工業出版社2000:12-69.)報道了一種采用熔滲法制備梯度硬質合金材料的方法，但是需先制備出含有一定數量、尺寸孔隙的多孔坯塊。文獻(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.)報道了一種采用氣氛燒結法制備梯度硬質合金材料的方法，但是需先制備偏離正常含碳量的硬質合金坯塊。而無壓燒結則需需將粉末與成型劑混合、壓制成壓塊才可進行燒結，由于要加入成型劑，在脫除成型劑時，高溫下的真空環境使有機成型劑分解產生游離C，滲入材料內部會造成WC及Co滲碳；同時真空還會引起粘結金屬Co的蒸發。

石墨烯是一種由碳原子緊密堆積構成的二維晶體，是目前最薄也是最堅硬的納米材料，具有超大的比表面積、超高的強度和韌性，為高性能梯度硬質合金的制備提供了新途徑和新原理。

發明內容