一種石墨烯改性自潤滑耐磨塗層的製作方法

2023-10-21 11:30:08

本發明涉及一種塗層，具體講涉及一種潤滑耐磨塗層。

背景技術：

爆炸噴塗技術是熱噴塗技術的一種，其原理是利用氣體爆炸產生一定能量和爆炸轟擊波，將噴塗粉末加熱到較高溫和高速撞擊基體表面形成塗層。爆炸噴塗製備WC-Co塗層具有較高的顯微硬度，較好的耐磨性、氧化物含量低，塗層結合強度高等優勢，是常用的耐磨塗層，已廣泛應用於航空、航天、核能、機械等工業領域的裝備關鍵摩擦運動副零部件表面耐磨防護。但在實際工作環境中，由於WC-Co塗層較高的硬度，摩擦體系的摩擦係數較大，摩擦會產生較嚴重的磨損，甚至影響耐磨防護塗層的使用壽命。另外，隨著科技進步，工業生產日益向高度自動化、高速化方向發展，許多零件(如軸承、襯套、密封環、活塞杆等)常常在重載、高速、高溫、低溫、高真空、強腐蝕等苛刻環境條件下工作，這樣的環境不僅超越了潤滑油或脂的使用極限，也使WC-Co塗層的應用受到局限，因此必須對其改性以滿足在極端摩擦條件下服役。基於此向塗層中添加潤滑劑來降低其摩擦係數，製備固體自潤滑耐磨複合材料的技術應運而生。

典型的固體潤滑劑主要包括軟金屬(Au，Ag等)、氟化物(LiF2，CaF2等)、二硫化物(MoS2，WS2等)以及金屬氧化物(Zr2O3，Cr2O3等)，現有技術對這些潤滑劑作為塗層的潤滑相已進行了不少研究。但這些添加劑都有一些局限性，如摩擦過程中隨著溫度的升高，添加在塗層中的硫化物潤滑相容易被氧化，摩擦學性能嚴重降低，在潮溼環境中尤其嚴重；雖然鹼土金屬和稀有金屬的氟化物具有高溫自潤滑性能，但低溫時其摩擦學性能很差，且呈現脆性。

經長期研究、分析，發現石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料，是構建最常用的固體潤滑劑-石墨的基本單元，具有比石墨更低的摩擦係數，是一種新型的自潤滑減磨塗層添加劑。將石墨烯改性WC-Co自潤滑耐磨塗層及採用爆炸噴塗技術製備該塗層可以應用於現有易磨損零件，起到減磨抗磨的作用，也可以應用於飛機起落架活塞杆或工程機械中液壓傳動構件(柱塞、活塞、連杆)上，替代目前的電鍍硬鉻構件，這不僅可以避免六價鉻粒子的環境汙染，而且大大降低塗層摩擦過程中的摩擦係數和磨損率，提高零件的使用壽命。據此可以拓展應用於空天領域中摩擦工況比較苛刻的部件耐磨防護。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種石墨烯改性WC-Co自潤滑耐磨塗層，以得到較高任性，較低 摩擦係數的塗層。

為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：

一種石墨烯改性自潤滑耐磨塗層，所述塗層包括石墨烯和WC-12Co噴塗粉末；按質量百分比計，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潤滑耐磨塗層的第一優選方案，所述WC-Co的粒度為25μm～45μm。

一種所述石墨烯改性自潤滑耐磨塗層的製備方法，於液態介質中球磨混合石墨烯和WC-12Co噴塗粉末轉速3～6rpm/s，混合10～20小時；隨後在5～10Hz頻率下超聲處理2～5小時；於40～70℃下烘乾處理1～3小時，得粒度為25～45μm的噴塗粉末。

所述石墨烯改性自潤滑耐磨塗層的製備方法的第一優選方案，所述噴塗的工藝參數：用氮氣作送粉氣和清掃氣；氧氣和乙炔為熱源氣體，氧氣和乙炔的氣體流量比為1.0～1.5，氣體充槍量為60～90％，調節爆炸頻率為3～7次/秒，噴塗距離為250～300mm，送粉率為0.2～0.7g/s。

與最接近的現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1)採用爆炸噴塗製備的石墨烯改性WC-Co塗層中，WC作為硬質相彌散分布在塗層內部，大大提了高塗層的硬度和耐磨性，Co作為金屬相包覆在其周圍，提高了塗層的韌性，石墨烯片層間的剪切力極小，在摩擦過程中石墨烯片層之間發生相對滑動，可以代替摩擦副表面金屬件的相對滑動，實現磨屑與摩擦副表面的分離，大大降低了摩擦係數，減少了磨損。

2)本發明提供的技術方案可以在保證WC-Co塗層原有較高結合強度和硬度的基礎上降低WC-Co塗層摩擦係數，降低其在服役過程中的磨損率，提高其使用壽命。

附圖說明

圖1為石墨烯複合WC-Co噴塗粉末微觀形貌圖；

圖2為塗層截面組織圖；

圖3為塗層耐磨性能圖。

具體實施方式

下面將結合實施例，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

實施例1：

石墨烯改性自潤滑耐磨塗層製備過程如下：分別稱取質量百分比為99.9％的WC-12Co粉末 和0.1％的石墨烯，在無水乙醇介質中球磨10小時，球磨機轉速為3rpm/s，將球磨後含有液態介質的混合粉末超聲分散處理2小時，超聲處理後粉末在40℃烘乾2小時後篩分出粒度為25～45μm的噴塗粉末。

採用爆炸噴塗製備石墨烯改性塗層，工藝參數為：氧氣和乙炔流量比為1.2，氣體充槍量為68％，噴塗距離為260mm，調節爆炸頻率為3次/秒，噴塗距離為250mm，送粉率為0.3g/s。摩擦試驗在CETR微動摩擦磨損實驗機上進行，採用球-面接觸方式，載荷為10N，上試樣為直徑6.5mm的GCrl5鋼球，下試樣為圓盤表面噴塗塗層，拋光後塗層最終厚度為0.2mm。

試驗參數為：磨損時間10min，頻率30Hz，位移幅值D為2mm。

本實例製備WC-Co塗層的平均硬度為1135HV0.3，平均結合強度為73.98MPa，磨損量為4.2mg，平均摩擦係數為1.031；製備石墨烯改性WC-Co塗層的平均硬度為1127HV0.3，平均結合強度為70.68MPa，磨損量為4.8mg，平均摩擦係數為1.352。研究結果表明：石墨烯改性塗層摩擦係數略高於WC-12Co塗層，與石墨烯添加量較少有一定關係。

實施例2：

石墨烯改性自潤滑耐磨塗層製備過程如下：分別稱取質量百分比為99.8％的WC-12Co粉末和0.2％的石墨烯，在無水乙醇介質中球磨15小時，球磨機轉速為3rpm/s，將混好含有液態介質超聲分散處理4小時，超聲處理後粉末在40℃烘乾2小時後篩分出粒度為25～45μm的噴塗粉末。

採用爆炸噴塗製備石墨烯改性塗層，工藝參數為：氧氣和乙炔流量比為1.3，氣體充槍量為52％，噴塗距離為260mm，調節爆炸頻率為5次/秒，送粉率為0.5g/s。摩擦試驗在CETR微動摩擦磨損實驗機上進行，採用球-面接觸方式，載荷為20N，上試樣為直徑6.5mm的GCrl5鋼球，下試樣為圓盤表面噴塗塗層，拋光後塗層最終厚度為0.2mm。

試驗參數為：磨損時間10min，頻率30Hz，位移幅值D為2mm。

本實例製備WC-Co塗層的平均硬度為1204HV0.3，平均結合強度為76.37MPa，磨損失重為3.5mg，平均摩擦係數為1.224。製備石墨烯改性WC-Co塗層的平均硬度為1196HV0.3，平均結合強度為74.47MPa，磨損失重為3.1mg，平均摩擦係數為0.978。研究結果表明：隨著石墨烯含量增大，石墨烯改性塗層的摩擦係數低於WC-12Co塗層，說明複合塗層的自潤滑耐磨性與石墨烯含量有一定關係，另外也與球磨混合和超聲分散石墨烯和WC-12Co粉末時間有關係，時間較長，混合粉末均勻性提高，同時改性後塗層保證了原有塗層的結合強度和硬度。

實施例3：

石墨烯改性自潤滑耐磨塗層製備過程如下：分別稱取質量百分比為99.5％的WC-12Co粉末和0.5％的石墨烯，在無水乙醇介質中球磨20小時，球磨機轉速為3rpm/s，將混好含有液態介質超聲分散處理5小時，超聲處理後粉末在40℃烘乾2小時後篩分出粒度為25～45μm的噴塗粉末。

採用爆炸噴塗製備石墨烯改性塗層，工藝參數為：氧氣和乙炔流量比為1.5，氣體充槍量為68％，噴塗距離為260mm，調節爆炸頻率為5次/秒，噴塗距離為260mm，送粉率為0.5g/s。摩擦試驗在CETR微動摩擦磨損實驗機上進行，採用球-面接觸方式，載荷為30N，上試樣為直徑6.5mm的GCrl5鋼球，下試樣為圓盤表面噴塗塗層，拋光後塗層最終厚度為0.4mm。

試驗參數為：磨損時間10min，頻率30Hz，位移幅值D為2mm。

本實例製備WC-Co塗層的平均硬度為1227HV0.3，平均結合強度為75.68MPa，磨損失重為5.4mg，平均摩擦係數為1.317。製備石墨烯改性WC-Co塗層的平均硬度為1211HV0.3，平均結合強度為76.79MPa，磨損失重為3.1mg，平均摩擦係數為0.848。研究結果表明：隨著石墨烯含量增大，石墨烯改性塗層的摩擦係數低於WC-12Co塗層。

實施例4：

石墨烯改性自潤滑耐磨塗層製備過程如下：分別稱取質量百分比為99.4％的WC-12Co粉末和0.6％的石墨烯，在無水乙醇介質中球磨20小時，球磨機轉速為3rpm/s，將混好含有液態介質超聲分散處理5小時，超聲處理後粉末在40℃烘乾2小時後篩分出粒度為25～45μm的噴塗粉末，如圖1所示。

採用爆炸噴塗製備石墨烯改性塗層，工藝參數為：氧氣和乙炔流量比為1.7，氣體充槍量為68％，噴塗距離為260mm，調節爆炸頻率為7次/秒，噴塗距離為260mm，送粉率為0.5g/s。摩擦試驗在CETR微動摩擦磨損實驗機上進行，採用球-面接觸方式，載荷為50N，上試樣為直徑6.5mm的GCrl5鋼球，下試樣為圓盤表面噴塗塗層，拋光後塗層最終厚度為0.4mm。

試驗參數為：磨損時間10min，頻率30Hz，位移幅值D為2mm。

本實例製備的石墨烯複合WC-Co噴塗粉末微觀形貌如圖1所示，從圖中可以看出，粉末微觀形貌為球形，粒度尺寸範圍在25～45μm，表明粉體具有良好的流動性，其成分分析表明石墨烯經混合後均與分散在噴塗粉末中。同時製備塗層截面組織如圖2所示，石墨烯鑲嵌在塗層組織層狀結構之間，在摩擦過程中石墨烯片層之間發生相對滑動，會大大降低摩擦係數，減少磨損。

WC-Co塗層的平均硬度為1227HV0.3，平均結合強度為73.37MPa，磨損失重為4.7mg， 平均摩擦係數為1.421(如圖3所示)。製備石墨烯改性WC-Co塗層截面組織照片如圖2所示。塗層平均硬度為1239HV0.3，平均結合強度為75.49MPa，磨損失重為3.3mg，平均摩擦係數為0.701(如圖3所示)。研究結果表明：隨著石墨烯含量增大，石墨烯改性塗層的摩擦係數低於WC-12Co塗層，且隨著摩擦載荷增大，石墨烯改性塗層的摩擦係數降低，而WC-12Co塗層摩擦係數升高，說明石墨烯改性塗層具有優異的抗高載自潤滑耐磨性能。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員應當理解，參照上述實施例可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換均在申請待批的權利要求保護範圍之內。