一种具有石墨烯涂层的刀具的加工工艺的制作方法

本发明涉及刀具表面涂层工艺领域，具体的说是一种具有石墨烯涂层的刀具的加工工艺。

背景技术：

在制造业中金属切削成型是最主要的加工手段之一，其直接的执行者就是刀具，为了减少切削液对环境的污染，提高加工精度及加工效率，干切削和高速切削技术就尤为重要。对于刀具而言就要具备足够的强度和韧性，高的硬度和高耐磨性，低的摩擦系数以及高耐热性。

涂层刀具在一定程度上很好的解决了硬度和韧性之间的矛盾关系，使刀具表面具有高的硬度和高的耐磨性的同时保持了刀具基体良好的韧性。常见的高硬度的耐磨化合物涂层材料为TiC、TiN、TiCN或Al2O3，虽然相比于普通刀具来说，具有上述涂层材料的刀具的硬度和韧性均有所提升，但是刀具的摩擦系数并未明显降低，在诸如灰铸铁等加工量大且加工精度要求高的切削生产中，由于摩擦系数较高，使得刀具磨损消耗大，使用寿命短，增加了企业的生产成本。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种能够降低刀具摩擦系数的具有石墨烯涂层的刀具的加工工艺，从而在加工量大、加工精度要求高的切削生产中降低刀具的损耗量，延长刀具使用寿命。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案为：一种具有石墨烯涂层的刀具的加工工艺，包括以下步骤：

1）、取石墨烯涂料和稀释剂按照1:8至1:12的比例进行混合，制得石墨烯溶液；

2）、将步骤1）中制得的石墨烯溶液在刀具基体表面进行雾化喷涂，制得带有预制石墨烯涂层的刀具；

3）、将步骤2）中制得的带有预制石墨烯涂层的刀具在140-160℃条件下进行干燥后在室温条件下进行冷却，冷却结束后即制得具有石墨烯涂层的刀具。

优选的，步骤1）中石墨烯涂料和稀释剂的比例为1:10。

优选的，所述稀释剂为甲苯、乙醇、丙醇、甲乙酮以及环己酮中的任意一种或任意多种的组合。

优选的，步骤1）中石墨烯溶液的制备方法为：首先将石墨烯涂料和稀释剂添加至容器中形成混合液，然后通过玻璃棒对容器中的混合溶液进行初次搅拌，以防止石墨烯涂料形成凝聚块，最后将经过初次搅拌的混合液连同容器放置于超声波振荡器中，调整超声波振荡器中震荡介质的温度为22-27℃后对容器内的混合液进行4-6min的振动搅拌，振动搅拌结束后即制得均匀混合的石墨烯溶液。

优选的，步骤2）中的雾化喷涂方法为：首先去除刀具基体表面的油污；然后将步骤1）中制得的石墨烯溶液倒入喷嘴口径为0.8-1.2mm的重力式喷枪的喷壶中，调节重力式喷枪的流量调节阀至50-55ml/min，调节重力式喷枪的配套的空气压缩机的出气开关至2.8-3.2KPa；最后通过重力式喷枪将石墨烯容易在刀具的基体表面进行雾化喷涂，直至刀具基体表面均匀覆盖石墨烯溶液，在雾化喷涂过程中，重力式喷枪的喷嘴与刀具之间的间距保持在30-35cm。

优选的，步骤3）中通过电热恒温干燥箱对步骤2）中制得的带有预制石墨烯涂层的刀具进行干燥，干燥时间为80-100min。

有益效果

本发明通过在刀具基体表面喷涂出一层石墨烯作为润滑层，石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。石墨烯具有优异的物理力学性能，断裂强度达到42N/m2，抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa。热导率室温下可达5000W/（m·K）。为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。通过石墨烯涂层填补了刀具基体表面上的凹坑及沟壑，有效降低刀具的摩擦系数，从而在刀具切削过程中更加耐磨，延长了刀具的使用寿命。

本发明的工艺方法可在未使用的新刀具上实施，也可作业修复措施在磨损严重的刀具上实施，使磨损严重的刀具修复后仍能够正常使用，从而减小了企业在刀具上的投入成本。

附图说明

图1为通过本发明加工出的具有石墨烯涂层的刀具表面在USB电子显微镜下放大450倍的照片；

图2为普通刀具磨损后的刀尖部位在USB电子显微镜下放大450倍的照片；

图3为图2中的普通刀具磨损后的刀尖部位经本发明的工艺喷涂石墨烯涂层后在USB电子显微镜下放大450倍的照片；

图4为图3中的具有石墨烯涂层的刀尖部位在经过切削生产后在USB电子显微镜下放大450倍的照片。

具体实施方式

通过三个具体实施例对本发明的一种具有石墨烯涂层的刀具的加工工艺以及通过本发明制备刀具的性能进行详细说明，三个实施例中均采用厦门金鹭特种合金有限公司生产的TNMG160404R-SV GP1115型刀具为基体，其中实施例1和实施例2均为新刀具，实施例3为经过10次切削生产磨损后的刀具。

实施例1、一种具有石墨烯涂层的刀具的加工工艺，包括以下步骤：

1）、取石墨烯涂料和稀释剂按照1:8的比例进行混合，制得石墨烯溶液，稀释剂为甲苯、乙醇、丙醇、甲乙酮以及环己酮中的任意一种或其任意多种的组合。具体步骤为：首先将石墨烯涂料和稀释剂添加至容器中形成混合液，然后通过玻璃棒对容器中的混合溶液进行初次搅拌，以防止石墨烯涂料形成凝聚块，最后将经过初次搅拌的混合液连同容器放置于超声波振荡器中，调整超声波振荡器中震荡介质的温度为22℃后对容器内的混合液进行4min的振动搅拌，振动搅拌结束后即制得均匀混合的石墨烯溶液。

2）、将步骤1）中制得的石墨烯溶液在刀具基体表面进行雾化喷涂，制得带有预制石墨烯涂层的刀具；具体步骤为：首先去除刀具基体表面的油污；然后将步骤1）中制得的石墨烯溶液倒入喷嘴口径为0.8mm的重力式喷枪的喷壶中，调节重力式喷枪的流量调节阀至50ml/min，调节重力式喷枪的配套的空气压缩机的出气开关至2.8KPa；最后通过重力式喷枪将石墨烯容易在刀具的基体表面进行雾化喷涂，直至刀具基体表面均匀覆盖石墨烯溶液，在雾化喷涂过程中，重力式喷枪的喷嘴与刀具之间的间距保持在30cm。

3）、将步骤2）中制得的带有预制石墨烯涂层的刀具置入电热恒温干燥箱内，在140℃条件下进行干燥，干燥时间为100min；干燥结束后用镊子将刀具小心的取出并在室温条件下进行冷却，冷却结束后即制得实施例1的具有石墨烯涂层的刀具。

实施例2、一种具有石墨烯涂层的刀具的加工工艺，包括以下步骤：

1）、取石墨烯涂料和稀释剂按照1:10的比例进行混合，制得石墨烯溶液，稀释剂为甲苯、乙醇、丙醇、甲乙酮以及环己酮中的任意一种或其任意多种的组合。具体步骤为：首先将石墨烯涂料和稀释剂添加至容器中形成混合液，然后通过玻璃棒对容器中的混合溶液进行初次搅拌，以防止石墨烯涂料形成凝聚块，最后将经过初次搅拌的混合液连同容器放置于超声波振荡器中，调整超声波振荡器中震荡介质的温度为25℃后对容器内的混合液进行5min的振动搅拌，振动搅拌结束后即制得均匀混合的石墨烯溶液。

2）、将步骤1）中制得的石墨烯溶液在刀具基体表面进行雾化喷涂，制得带有预制石墨烯涂层的刀具；具体步骤为：首先去除刀具基体表面的油污；然后将步骤1）中制得的石墨烯溶液倒入喷嘴口径为1.0mm的重力式喷枪的喷壶中，调节重力式喷枪的流量调节阀至53ml/min，调节重力式喷枪的配套的空气压缩机的出气开关至3KPa；最后通过重力式喷枪将石墨烯容易在刀具的基体表面进行雾化喷涂，直至刀具基体表面均匀覆盖石墨烯溶液，在雾化喷涂过程中，重力式喷枪的喷嘴与刀具之间的间距保持在33cm。

3）、将步骤2）中制得的带有预制石墨烯涂层的刀具置入电热恒温干燥箱内，在150℃条件下进行干燥，干燥时间为90min；干燥结束后用镊子将刀具小心的取出并在室温条件下进行冷却，冷却结束后即制得实施例2的具有石墨烯涂层的刀具。

实施例1、一种具有石墨烯涂层的刀具的加工工艺，包括以下步骤：

1）、取石墨烯涂料和稀释剂按照1:12的比例进行混合，制得石墨烯溶液，稀释剂为甲苯、乙醇、丙醇、甲乙酮以及环己酮中的任意一种或其任意多种的组合。具体步骤为：首先将石墨烯涂料和稀释剂添加至容器中形成混合液，然后通过玻璃棒对容器中的混合溶液进行初次搅拌，以防止石墨烯涂料形成凝聚块，最后将经过初次搅拌的混合液连同容器放置于超声波振荡器中，调整超声波振荡器中震荡介质的温度为27℃后对容器内的混合液进行6min的振动搅拌，振动搅拌结束后即制得均匀混合的石墨烯溶液。

2）、将步骤1）中制得的石墨烯溶液在刀具基体表面进行雾化喷涂，制得带有预制石墨烯涂层的刀具；具体步骤为：首先去除刀具基体表面的油污；然后将步骤1）中制得的石墨烯溶液倒入喷嘴口径为1.2mm的重力式喷枪的喷壶中，调节重力式喷枪的流量调节阀至55ml/min，调节重力式喷枪的配套的空气压缩机的出气开关至3.2KPa；最后通过重力式喷枪将石墨烯容易在刀具的基体表面进行雾化喷涂，直至刀具基体表面均匀覆盖石墨烯溶液，在雾化喷涂过程中，重力式喷枪的喷嘴与刀具之间的间距保持在35cm。

3）、将步骤2）中制得的带有预制石墨烯涂层的刀具置入电热恒温干燥箱内，在160℃条件下进行干燥，干燥时间为90min；干燥结束后用镊子将刀具小心的取出并在室温条件下进行冷却，冷却结束后即制得实施例3的具有石墨烯涂层的刀具。

将上述实施例1、实施例2以及实施例3中的具有石墨烯涂层的刀具与对照例的不具有石墨烯涂层的新刀具分别对灰铸铁HT350进行10次切削实验。具体切削参数为，切削速度v=80m/min，背吃刀量ap=0.5mm，进给速度为0.15r/mm。在每次切削后测量被切削的灰铸铁HT350切面上六个不同测量点的粗糙度，去除最大值和最小值后求平均值，灰铸铁HT350切面粗糙度的平均值即可反应出实施例1、实施例2、实施例3以及对照例中各个刀具的摩擦系数，实验结果如下所示：表一位实施例1的实验数据，表二为实施例2的实验数据，标三为实施例3的实验数据，表四为对照例的实验数据。

表一

表二

表三

表四

如表1及表2所示，实施例1及实施例2中的具有石墨烯涂层刀具在对灰铸铁HT350进行10次切削后，灰铸铁HT350切削面上的粗糙度仍小于2.3Ra，说明实施例1及实施例2找那个的具有石墨烯涂层的刀具的摩擦系数仍然较小，可满足灰铸铁HT350的精加工切削。

如表4所示，对照例中午石墨烯涂层的刀具在10次切削后，灰铸铁HT350切削面上的粗糙度达到3.620，已不再适合灰铸铁HT350的精加工切削。

如图表3所示，实施例3中的磨损刀具在通过本发明的方法获得一层石墨烯涂层后，第一次切削下的灰铸铁HT350上的粗糙度下降至1.720，且随着切削次数的增加，切削下的灰铸铁HT350上的粗糙度缓慢增大，经过同样10次切削后，切削下的灰铸铁HT350上的粗糙度远小于喷涂石墨烯涂层前。

综上，本发明的工艺方法可在未使用的新刀具上实施，也可作业修复措施在磨损严重的刀具上实施，大大降低了刀具表面摩擦系数，使得刀具更加耐磨，还可使得磨损严重的刀具修复后仍能够正常使用，从而减小了企业在刀具上的投入成本。