一种石墨烯改性自润滑耐磨涂层的制作方法

本发明涉及一种涂层，具体讲涉及一种润滑耐磨涂层。

背景技术：

爆炸喷涂技术是热喷涂技术的一种，其原理是利用气体爆炸产生一定能量和爆炸轰击波，将喷涂粉末加热到较高温和高速撞击基体表面形成涂层。爆炸喷涂制备WC-Co涂层具有较高的显微硬度，较好的耐磨性、氧化物含量低，涂层结合强度高等优势，是常用的耐磨涂层，已广泛应用于航空、航天、核能、机械等工业领域的装备关键摩擦运动副零部件表面耐磨防护。但在实际工作环境中，由于WC-Co涂层较高的硬度，摩擦体系的摩擦系数较大，摩擦会产生较严重的磨损，甚至影响耐磨防护涂层的使用寿命。另外，随着科技进步，工业生产日益向高度自动化、高速化方向发展，许多零件(如轴承、衬套、密封环、活塞杆等)常常在重载、高速、高温、低温、高真空、强腐蚀等苛刻环境条件下工作，这样的环境不仅超越了润滑油或脂的使用极限，也使WC-Co涂层的应用受到局限，因此必须对其改性以满足在极端摩擦条件下服役。基于此向涂层中添加润滑剂来降低其摩擦系数，制备固体自润滑耐磨复合材料的技术应运而生。

典型的固体润滑剂主要包括软金属(Au，Ag等)、氟化物(LiF₂，CaF₂等)、二硫化物(MoS₂，WS₂等)以及金属氧化物(Zr₂O₃，Cr₂O₃等)，现有技术对这些润滑剂作为涂层的润滑相已进行了不少研究。但这些添加剂都有一些局限性，如摩擦过程中随着温度的升高，添加在涂层中的硫化物润滑相容易被氧化，摩擦学性能严重降低，在潮湿环境中尤其严重；虽然碱土金属和稀有金属的氟化物具有高温自润滑性能，但低温时其摩擦学性能很差，且呈现脆性。

经长期研究、分析，发现石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建最常用的固体润滑剂-石墨的基本单元，具有比石墨更低的摩擦系数，是一种新型的自润滑减磨涂层添加剂。将石墨烯改性WC-Co自润滑耐磨涂层及采用爆炸喷涂技术制备该涂层可以应用于现有易磨损零件，起到减磨抗磨的作用，也可以应用于飞机起落架活塞杆或工程机械中液压传动构件(柱塞、活塞、连杆)上，替代目前的电镀硬铬构件，这不仅可以避免六价铬粒子的环境污染，而且大大降低涂层摩擦过程中的摩擦系数和磨损率，提高零件的使用寿命。据此可以拓展应用于空天领域中摩擦工况比较苛刻的部件耐磨防护。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种石墨烯改性WC-Co自润滑耐磨涂层，以得到较高任性，较低 摩擦系数的涂层。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种石墨烯改性自润滑耐磨涂层，所述涂层包括石墨烯和WC-12Co喷涂粉末；按质量百分比计，99.4～99.9％的WC-Co粉末，0.1～0.6％的石墨烯。

所述的石墨烯改性自润滑耐磨涂层的第一优选方案，所述WC-Co的粒度为25μm～45μm。

一种所述石墨烯改性自润滑耐磨涂层的制备方法，于液态介质中球磨混合石墨烯和WC-12Co喷涂粉末转速3～6rpm/s，混合10～20小时；随后在5～10Hz频率下超声处理2～5小时；于40～70℃下烘干处理1～3小时，得粒度为25～45μm的喷涂粉末。

所述石墨烯改性自润滑耐磨涂层的制备方法的第一优选方案，所述喷涂的工艺参数：用氮气作送粉气和清扫气；氧气和乙炔为热源气体，氧气和乙炔的气体流量比为1.0～1.5，气体充枪量为60～90％，调节爆炸频率为3～7次/秒，喷涂距离为250～300mm，送粉率为0.2～0.7g/s。

与最接近的现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)采用爆炸喷涂制备的石墨烯改性WC-Co涂层中，WC作为硬质相弥散分布在涂层内部，大大提了高涂层的硬度和耐磨性，Co作为金属相包覆在其周围，提高了涂层的韧性，石墨烯片层间的剪切力极小，在摩擦过程中石墨烯片层之间发生相对滑动，可以代替摩擦副表面金属件的相对滑动，实现磨屑与摩擦副表面的分离，大大降低了摩擦系数，减少了磨损。

2)本发明提供的技术方案可以在保证WC-Co涂层原有较高结合强度和硬度的基础上降低WC-Co涂层摩擦系数，降低其在服役过程中的磨损率，提高其使用寿命。

附图说明

图1为石墨烯复合WC-Co喷涂粉末微观形貌图；

图2为涂层截面组织图；

图3为涂层耐磨性能图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

石墨烯改性自润滑耐磨涂层制备过程如下：分别称取质量百分比为99.9％的WC-12Co粉末 和0.1％的石墨烯，在无水乙醇介质中球磨10小时，球磨机转速为3rpm/s，将球磨后含有液态介质的混合粉末超声分散处理2小时，超声处理后粉末在40℃烘干2小时后筛分出粒度为25～45μm的喷涂粉末。

采用爆炸喷涂制备石墨烯改性涂层，工艺参数为：氧气和乙炔流量比为1.2，气体充枪量为68％，喷涂距离为260mm，调节爆炸频率为3次/秒，喷涂距离为250mm，送粉率为0.3g/s。摩擦试验在CETR微动摩擦磨损实验机上进行，采用球-面接触方式，载荷为10N，上试样为直径6.5mm的GCrl5钢球，下试样为圆盘表面喷涂涂层，抛光后涂层最终厚度为0.2mm。

试验参数为：磨损时间10min，频率30Hz，位移幅值D为2mm。

本实例制备WC-Co涂层的平均硬度为1135HV_0.3，平均结合强度为73.98MPa，磨损量为4.2mg，平均摩擦系数为1.031；制备石墨烯改性WC-Co涂层的平均硬度为1127HV_0.3，平均结合强度为70.68MPa，磨损量为4.8mg，平均摩擦系数为1.352。研究结果表明：石墨烯改性涂层摩擦系数略高于WC-12Co涂层，与石墨烯添加量较少有一定关系。

实施例2：

石墨烯改性自润滑耐磨涂层制备过程如下：分别称取质量百分比为99.8％的WC-12Co粉末和0.2％的石墨烯，在无水乙醇介质中球磨15小时，球磨机转速为3rpm/s，将混好含有液态介质超声分散处理4小时，超声处理后粉末在40℃烘干2小时后筛分出粒度为25～45μm的喷涂粉末。

采用爆炸喷涂制备石墨烯改性涂层，工艺参数为：氧气和乙炔流量比为1.3，气体充枪量为52％，喷涂距离为260mm，调节爆炸频率为5次/秒，送粉率为0.5g/s。摩擦试验在CETR微动摩擦磨损实验机上进行，采用球-面接触方式，载荷为20N，上试样为直径6.5mm的GCrl5钢球，下试样为圆盘表面喷涂涂层，抛光后涂层最终厚度为0.2mm。

试验参数为：磨损时间10min，频率30Hz，位移幅值D为2mm。

本实例制备WC-Co涂层的平均硬度为1204HV_0.3，平均结合强度为76.37MPa，磨损失重为3.5mg，平均摩擦系数为1.224。制备石墨烯改性WC-Co涂层的平均硬度为1196HV_0.3，平均结合强度为74.47MPa，磨损失重为3.1mg，平均摩擦系数为0.978。研究结果表明：随着石墨烯含量增大，石墨烯改性涂层的摩擦系数低于WC-12Co涂层，说明复合涂层的自润滑耐磨性与石墨烯含量有一定关系，另外也与球磨混合和超声分散石墨烯和WC-12Co粉末时间有关系，时间较长，混合粉末均匀性提高，同时改性后涂层保证了原有涂层的结合强度和硬度。

实施例3：

石墨烯改性自润滑耐磨涂层制备过程如下：分别称取质量百分比为99.5％的WC-12Co粉末和0.5％的石墨烯，在无水乙醇介质中球磨20小时，球磨机转速为3rpm/s，将混好含有液态介质超声分散处理5小时，超声处理后粉末在40℃烘干2小时后筛分出粒度为25～45μm的喷涂粉末。

采用爆炸喷涂制备石墨烯改性涂层，工艺参数为：氧气和乙炔流量比为1.5，气体充枪量为68％，喷涂距离为260mm，调节爆炸频率为5次/秒，喷涂距离为260mm，送粉率为0.5g/s。摩擦试验在CETR微动摩擦磨损实验机上进行，采用球-面接触方式，载荷为30N，上试样为直径6.5mm的GCrl5钢球，下试样为圆盘表面喷涂涂层，抛光后涂层最终厚度为0.4mm。

试验参数为：磨损时间10min，频率30Hz，位移幅值D为2mm。

本实例制备WC-Co涂层的平均硬度为1227HV_0.3，平均结合强度为75.68MPa，磨损失重为5.4mg，平均摩擦系数为1.317。制备石墨烯改性WC-Co涂层的平均硬度为1211HV_0.3，平均结合强度为76.79MPa，磨损失重为3.1mg，平均摩擦系数为0.848。研究结果表明：随着石墨烯含量增大，石墨烯改性涂层的摩擦系数低于WC-12Co涂层。

实施例4：

石墨烯改性自润滑耐磨涂层制备过程如下：分别称取质量百分比为99.4％的WC-12Co粉末和0.6％的石墨烯，在无水乙醇介质中球磨20小时，球磨机转速为3rpm/s，将混好含有液态介质超声分散处理5小时，超声处理后粉末在40℃烘干2小时后筛分出粒度为25～45μm的喷涂粉末，如图1所示。

采用爆炸喷涂制备石墨烯改性涂层，工艺参数为：氧气和乙炔流量比为1.7，气体充枪量为68％，喷涂距离为260mm，调节爆炸频率为7次/秒，喷涂距离为260mm，送粉率为0.5g/s。摩擦试验在CETR微动摩擦磨损实验机上进行，采用球-面接触方式，载荷为50N，上试样为直径6.5mm的GCrl5钢球，下试样为圆盘表面喷涂涂层，抛光后涂层最终厚度为0.4mm。

试验参数为：磨损时间10min，频率30Hz，位移幅值D为2mm。

本实例制备的石墨烯复合WC-Co喷涂粉末微观形貌如图1所示，从图中可以看出，粉末微观形貌为球形，粒度尺寸范围在25～45μm，表明粉体具有良好的流动性，其成分分析表明石墨烯经混合后均与分散在喷涂粉末中。同时制备涂层截面组织如图2所示，石墨烯镶嵌在涂层组织层状结构之间，在摩擦过程中石墨烯片层之间发生相对滑动，会大大降低摩擦系数，减少磨损。

WC-Co涂层的平均硬度为1227HV_0.3，平均结合强度为73.37MPa，磨损失重为4.7mg， 平均摩擦系数为1.421(如图3所示)。制备石墨烯改性WC-Co涂层截面组织照片如图2所示。涂层平均硬度为1239HV_0.3，平均结合强度为75.49MPa，磨损失重为3.3mg，平均摩擦系数为0.701(如图3所示)。研究结果表明：随着石墨烯含量增大，石墨烯改性涂层的摩擦系数低于WC-12Co涂层，且随着摩擦载荷增大，石墨烯改性涂层的摩擦系数降低，而WC-12Co涂层摩擦系数升高，说明石墨烯改性涂层具有优异的抗高载自润滑耐磨性能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。