[發明專利]一種石墨烯基硬質合金復合自潤滑涂層的制備方法

在審

• 申請號: 202110246892.3
• 申請日: 2021-03-05
• 公開（公告）號: CN113025947A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 張悅;于泓洋;陳飛;董福宇;張楠楠;何星池;徐金陽;杜曉懿;程嘉浩
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: C23C4/134
• 分類號: C23C4/134;C23C4/06;B22F9/04;B22F1/02;C01B32/19
• 代理公司: 北京君泊知識產權代理有限公司 11496
• 代理人: 李丹

本發明涉及材料制備技術領域，具體涉及一種石墨烯基硬質合金復合自潤滑涂層的制備方法，包括以下步驟：1)將石墨粉與干冰進行高能機械球磨，原位剝離得到石墨烯片層；將石墨烯片層與硬質合金粉末進行機械球磨，得到石墨烯基硬質合金核殼包覆粉；2)將基體表面依次進行清洗、除油、噴砂處理；3)將石墨烯基硬質合金核殼包覆粉對處理后的基體表面進行等離子噴涂，制得石墨烯基硬質合金復合自潤滑涂層。涂層綜合性能較好，與普通硬質合金涂層相比摩擦系數降低了60～65％，磨損量降低；且保持了硬質合金原有的高強度高硬度特性，涂層硬度可以達到600～750Hv。

技術領域

本發明涉及材料制備技術領域，具體涉及一種石墨烯基硬質合金復合自潤滑涂層的制備方法。

背景技術

隨著科技的飛速發展和機械制造業的日益崛起，各領域內都出現了高速、重載的工作狀態，隨之產生的摩擦磨損也成為行業內遇到的難題之一，德國福格爾波爾教授曾推算出摩擦磨損消耗了世界上能源的1/3～1/2，磨損無處不在。磨損和腐蝕破壞大多都是從表面開始，然后損傷向內部發展，最終造成整個零件的失效。因此，添加潤滑介質或對零件進行表面改性來降低摩擦系數，近而提高其抗磨損性能顯得尤為重要。

目前，添加潤滑介質是減小摩擦磨損的重要手段之一。大多數軸瓦采用添加潤滑油進行減磨，而廢棄潤滑油的處理不當，會產生污染問題。因此，考慮通過添加環保型潤滑劑來制備自潤滑耐磨涂層很有必要。

石墨烯的強度高、彈性好，同時，石墨烯薄膜表現出良好的抗摩擦磨損性能。熱噴涂WC-Co硬質合金涂層通常具有相對較大的摩擦系數并引起對應材料的嚴重磨損，平均摩擦磨損系數為0.6～0.8，在WC-Co硬合金涂層制備中加入石墨烯作為固體潤滑劑可以很好地降低摩擦磨損。但是該方法存在以下三大問題：

第一：石墨烯價格昂貴，不易保存與運輸。從購買石墨烯到完成涂層的制備，整體成本非常高，從而導致經濟效益極低的現象；

第二：石墨烯粉末輕且薄，在添加及制備涂層過程中，石墨烯存在大量損耗，無法保證較高的沉積率；

第三：目前已有的制備石墨烯復合涂層的工藝，較為復雜且無法實現再次修復循環使用的目的。

以上問題制約了在WC-Co硬合金涂層制備中加入石墨烯的發展。

發明內容

本發明為了克服上述技術問題，提供了一種石墨烯基硬質合金復合自潤滑涂層的制備方法，通過機械剝離法制備出石墨烯片層結構，再與硬質合金粉末進行核殼包覆，通過等離子噴涂技術將該包覆粉噴涂在基體上制得石墨烯基硬質合金復合自潤滑涂層，該涂層具有高硬度、高強度、耐磨性高的特點，尤其在摩擦磨損方面性能優異，涂層平均摩擦磨損系數低至0.245，制備工藝操作簡單、成本低、效率高。

解決上述技術問題的技術方案如下：

一種石墨烯基硬質合金復合自潤滑涂層的制備方法，具體步驟如下：

1)制備石墨烯基硬質合金核殼包覆粉

將石墨粉與干冰放入行星式球磨機的球磨罐中進行高能機械球磨，原位剝離得到石墨烯片層；將制得的石墨烯片層進行篩粉處理后與硬質合金粉末進行機械球磨，得到石墨烯基硬質合金核殼包覆粉；球磨過程中，干冰破壞石墨粉強烈的粘合相互作用且干冰會減弱石墨層之間的范德華相互作用，從而產生新的表面；石墨粉與干冰的加入質量比為1:24～30，高能機械球磨的球粉比為6:1，轉速為450～500r/min，高能球磨30h。球磨罐為四個，球磨罐的材質為瑪瑙，容量為100mL，磨球的材質為瑪瑙球，磨球的尺寸為d＝0.5mm和d＝0.3mm。硬質合金粉末是粒度為15～45μm的YG6粉末，所述的石墨烯基硬質合金核殼包覆粉的粒度為30～60μm。石墨烯片層的質量占石墨烯片層和硬質合金粉末的總量的3％或者6％，篩粉采用300目的篩網。機械球磨的球粉比為8:1，轉速為200r/min，球磨時間16h。瑪瑙材質球磨用品光澤度優質、耐震動力強、不污染產品、使用壽命長、研磨效率高。