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石墨烯增韧WC-Co硬质合金摩擦特性及切削性能

硬质合金因其超高的硬度以及良好红硬性，在机械加工刀具中占有重要地位，被誉为“工业牙齿”。硬质合金低韧性、易崩刃的特点一定程度上限制了其应用范围。硬质合金的硬度和韧性为一对矛盾体，如何在提升硬质合金韧性的同时保持较高的硬度一直是硬质合金的重要研究方向。石墨烯作为一种高比表面积、高热导率材料，它的引入有望改善硬质合金硬度和断裂韧性之间的矛盾关系。部分研究已经表明石墨烯的引入可以改善材料的摩擦磨损性能[1-4]。本研究向原始粉料中引入不同质量分数石墨烯，真空烧结制备WC-8Co硬质合金刀具。通过微观组织分析，发现石墨烯的加入优化了晶粒尺寸分布。采用压痕法测试维氏硬度以及断裂韧性，结果表明硬度小幅提升，断裂韧性产生较大提升。根据室温下40N往复摩擦磨损性能测试结果，发现添加石墨烯硬质合金摩擦系数下降约30%，磨损体积更小，磨损表面更为完整。表面磨擦膜以及润滑膜的形成保护了硬质合金表面完整性，是减磨润滑的重要机制。通过连续、断续车削42CrMo模具钢检验硬质合金刀具的使用寿命：含石墨烯硬质合金刀具具有最佳的使用寿命和最高的断续冲击次数。通过监测切削过程刀具三向力学信号，石墨烯的加入在降低切削力提升切削过程稳定性具有一定作用。
关键词: 硬质合金；石墨烯；减磨机制；摩擦磨损；车削