强流脉冲电子束改性石墨/硬质合金自润滑涂层性能

摘要

【目的】硬质合金是一种以微米级难熔金属化合物（WC、TaC、TiC、NbC）粉末为硬质相，以过渡族金属（Co、Fe、Ni）粉末为烧结黏结相，经高温烧结制备而成的合金。硬质合金因具有高硬度、高强度、耐磨耐腐蚀性和良好高温性能，被广泛应用于刀具材料等工业领域，被称为“工业牙齿”。随着我国战略性新兴产业的发展，航空航天、海洋工程、数控机床、轨道交通、核工程、新能源、先进医疗装备、环保节能装备等高端制造产业对高性能高稳定性刀具材料的需求越来越大。采用涂层镀膜等表面处理方法将固体润滑剂涂覆在刀具表面，或将固体润滑剂作为添加剂加入刀具材料基体，利用固体润滑剂高温稳定的优点，在服役刀具表面形成连续的固态润滑层，有利于刀具性能的进一步提升。【方法】以WC-Co硬质合金粉末（粒径15～45μm）为耐磨组元，以石墨粉末（粒径80～200μm）为固体润滑剂，通过球磨法制备球形复合粉末，采用等离子喷涂工艺将复合粉末沉积为石墨/WC-Co涂层，采用强流脉冲电子束（能量密度27 keV、脉冲间隔15 s）进行辐照处理，辐照次数为1、10、20和30。对处理后涂层的显微组织和力学性能进行观察。【结果】采用强流脉冲电子束处理后，重熔涂层表面致密平整，改性层厚度可达294μm,表面硬度最高可达800 HV,平均摩擦系数最低可降至0.10。显微结构分析表明，强流脉冲电子束辐照后涂层表面生成纳米尺寸的WC相、Co₃W₉C₄相和类金刚石结构，使涂层表面显微硬度大幅提高；电子束使涂层表面大块石墨溶解后重新析出，生成椭球状石墨，同时石墨在电子束作用下分离成石墨烯片层，均匀覆盖在涂层表面，有效降低了涂层表面的摩擦系数；部分石墨转变为金刚石结构，有效提升了涂层的表面硬度。【结论】采用热喷涂沉积和强流脉冲电子束改性的两步技术，制备了表面均匀、致密细小的WC-Co合金，诱导了球状石墨、石墨烯和金刚石共同组成复合碳结构，有效提高了涂层的硬度并降低表面的摩擦系数。所制备的纳米复合自润滑涂层为高端装备制造刀具行业提供了一种新材料。

关键词

强流脉冲电子束 / 石墨/硬质合金涂层 / 石墨烯 / 金刚石 / 耐磨性能 / 显微组织 / 相组成 / 摩擦磨损性能