【摘 要】
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钨钴类硬质合金自其被发明以来就被广泛于机械加工、矿物开采等领域。所以对于硬质合金零部件来说,硬度、断裂韧性及耐磨性是其关键性能。目前人们常常采用各种手段（例如调控WC晶粒大小、用其他材料替换Co相等）来制备拥有良好性能的硬质合金,但是研究人员的实验结果已经证明,通过这些方式难以同时提高钨钴类硬质合金的硬度、断裂韧性和耐磨性。因此,研究并设计能够同时提升硬质合金以上几种性能的方法对于高性能硬质合金的
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钨钴类硬质合金自其被发明以来就被广泛于机械加工、矿物开采等领域。所以对于硬质合金零部件来说,硬度、断裂韧性及耐磨性是其关键性能。目前人们常常采用各种手段（例如调控WC晶粒大小、用其他材料替换Co相等）来制备拥有良好性能的硬质合金,但是研究人员的实验结果已经证明,通过这些方式难以同时提高钨钴类硬质合金的硬度、断裂韧性和耐磨性。因此,研究并设计能够同时提升硬质合金以上几种性能的方法对于高性能硬质合金的制备以及硬质合金的行业发展有着重要的意义。本次实验以性能优异的多层石墨烯（MLG）作为增强相添加到WC-11Co硬质合金中,制备了硬度、断裂韧性和耐磨性均优于原始试样的复合材料,并结合TEM、SEM、XRD等表征手段从微观角度分析了石墨烯对硬质合金性能的影响。结果如下:（1）石墨烯添加可以提升试样硬度,最高可达14.5%,分析认为这与致密度和晶粒尺寸的变化有关。首先,石墨烯在烧结过程中可以起到“导热片”的作用使得粉末在烧结过程中能够快速达到液相状态,促进孔隙的填充和空气的排除从而提升烧结试样的致密度,试样越致密,基体越“紧实”,硬度越高。其次,石墨烯在烧结过程中会附着在WC表面阻碍其溶解与析出过程,有利于抑制晶粒长大,根据Hollpetch理论,试样晶粒越小,强度、硬度更高。（2）石墨烯添加后,试样断裂韧性显著提升,最高可达71.8%。由于石墨烯具备优异的力学性能,在裂纹扩展过程中可以起到裂纹桥接和裂纹偏折效作用,有效提升试样断裂韧性。此外,石墨烯还能抑制Co相在烧结过程中转变为Co3C,并使其在常温下依旧保持塑性优良的FCC结构,从而达到增韧效果。（3）对试样摩擦磨损性能的研究表明,石墨烯对硬质合金磨损性能的影响有多个方面。第一,石墨烯在摩擦磨损过程中会被摩擦球拉拔出基体表面,对试样表面起到保护作用。第二,石墨烯会附着于WC与Co界面处防止W3Co3C和Co3C的生成,使基体保持良好的塑形及韧性,从而有效提升其耐磨性。第三,石墨烯能够提升硬质合金导热性能从而使基体在摩擦过程中的氧化程度大大降低,最终使得试样耐磨性得到提升。第四,相比于无石墨烯试样,0.1wt%石墨烯含量的试样磨损体积降低了98%,但其300s后的平均磨擦系数却提升了8.8%。结合摩擦曲线及磨痕形貌分析的得出,虽然石墨烯在摩擦前期可以起到润滑效果使得含石墨烯试样的摩擦系数低于无石墨烯试样,但在900s后,由于磨屑起到的固体润滑效果比石墨烯起到的润滑效果更显著,所以无石墨烯试样的摩擦系数更低。
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