[发明专利]一种添加石墨烯的梯度硬质合金刀具材料及其快速制备方法

权利要求书

1.一种添加石墨烯的梯度硬质合金刀具材料，其特征是：梯度层包括对称的5层，自表及里，硬质相亚微米碳化钨含量减小，硬质相纳米碳化钛含量增多，粘结相含量增大；石墨烯、纳米碳化钒、纳米碳化铬、纳米碳化硅晶须含量有三种设置：自表及里，石墨烯含量增大，三层均无碳化钒、碳化铬及碳化硅晶须；过渡层含有石墨烯，表层及芯层含有复式晶粒增长抑制剂碳化钒与碳化铬比例为2:1或者碳化硅晶须的其中一种；过渡层及芯层含有石墨烯，表层含有复式晶粒增长抑制剂碳化钒与碳化铬比例为2:1或者碳化硅晶须的其中一种；表层按90.8～91.95WC-3TiC-5Co-0或0.05～0.1石墨烯-0或0.8VC-0或0.4Cr₃C₂-0或0.4SiC晶须质量配比，过渡层按83.85～83.9WC-6TiC-10Co-0.1～0.15石墨烯质量配比，芯层按74.8～75.88WC-9TiC-15Co-0或0.15～0.2石墨烯-0或0.8VC-0或0.4Cr₃C₂-0或0.4SiC晶须质量配比；其中,添加的WC粉末的平均粒度为100-400nm,TiC粉末的平均粒度为50-100nm,Co粉末的平均粒度为100-500nm，石墨烯层数为1-40层，VC粉末的平均粒度为50-100nm，Cr₃C₂粉末的平均粒度为50-100nm，SiC晶须直径≤300nm，长径比≥10。

2.根据权利要求1所述的一种添加石墨烯的梯度硬质合金刀具材料的快速制备方法，其特征是包括以下步骤:

(1)配料

表层按90.8～91.95WC-3TiC-5Co-0或0.05～0.1石墨烯-0或0.8VC-0或0.4Cr₃C₂-0或0.4SiC晶须质量配比，过渡层按83.85～83.9WC-6TiC-10Co-0.1～0.15石墨烯质量配比，芯层按74.8～75.88WC-9TiC-15Co-0或0.15～0.2石墨烯-0或0.8VC-0或0.4Cr₃C₂-0或0.4SiC晶须质量配比；

(2)石墨烯及硬质合金粉体的分散

石墨烯分散采用有机溶剂无水乙醇、N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺中至少一种作为分散溶剂，加入相对石墨烯质量10-100％的表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠中至少一种，配制成石墨烯悬浮液，将悬浮液在100℃水浴加热超声分散10～30min；纳米TiC分散采用无水乙醇为分散溶剂，加入相对纳米TiC颗粒质量1.0％聚乙二醇配置成悬浮液在100℃水浴加热超声分散10～30min；纳米VC、纳米Cr₃C₂纳米SiC晶须分散工艺与纳米TiC分散工艺相同；

(3)混料

按照步骤(1)配比，将亚微米WC及Co与步骤(2)制得的纳米材料悬浮液混合，在100℃水浴加热继续超声分散10～30min得到硬质合金粉体悬浮液，然后将步骤(2)中分散好的石墨烯悬浮液，在强烈搅拌的状态下滴加到硬质合金粉末悬浮液继续超声分散10～30min；按一定的球料比加入磨球，球磨10～30小时，然后在真空干燥箱中干燥，过筛即得分散良好的石墨烯硬质合金粉体；

(4)装料与烧结

根据模具大小及梯度层厚度计算出各梯度层粉末重量，采用分层铺压法装料，将5层梯度粉体压制成型；采用一步烧结或者二步烧结的热压烧结工艺；一步烧结工艺：在真空度保持在10Pa以下，按60℃/min升温至1350-1450℃，保温10-30min然后随炉冷却；在室温至1000℃期间，压力保持15MPa，1000-1350～1450℃压力保持40MPa；二步烧结工艺：在真空度保持在10Pa以下，按60℃/min升温至1400-1450℃，保温1-5min然后按60℃/min冷却至1250-1300℃保温1-6h然后随炉冷却；在室温至1000℃期间，压力保持15MPa，1000-1350～1450℃压力保持40MPa。