CN106521214A - 一种复合金属陶瓷及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种复合金属陶瓷及其应用。本发明提供了一种复合金属陶瓷，所述复合金属陶瓷由中心层至表层依次为：耐磨相、过渡相和增韧基体相；所述耐磨相选自Co‑Cr合金、镍基合金、304不锈钢以及W18高速钢中的一种或多种。本发明还提供了一种上述复合金属陶瓷在刀具切削、矿产开发、盾构工具以及石油钻井领域的应用。经实验测定可得，本发明提供的技术方案制得的产品，强度可满足刀具切削、矿产开发、盾构工具以及石油钻井应用需求；同时，本发明中的复合金属陶瓷，可同时提高金属陶瓷的耐磨性和强度。解决了现有技术中，金属陶瓷颗粒存在着无法同时提高耐磨性和断裂韧性的技术缺陷。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种复合金属陶瓷及其应用。
背景技术
超硬合金的金属陶瓷颗粒作为一类特殊工具材料已经广泛用于刀具切削、矿产开发、基础建设(盾构工具)以及石油钻井等领域。在这些应用中，常规金属陶瓷遇到的最大挑战是无法同时提高耐磨性和断裂韧性，现有技术中的金属陶瓷，在提高其耐磨性的同时，其断裂韧性将会降低，反之亦然。目前盾构领域的金属陶瓷颗粒主要是粗晶粒的传统的均匀显微结构的硬质合金，虽然断裂韧性较高，但耐磨性非常低，成为凿岩刀具寿命短的根本原因。
现有技术中，常规金属陶瓷存在着无法同时提高耐磨性和断裂韧性的技术缺陷，使得其应用受到限制。
因此，研发出一种复合金属陶瓷及其应用，用于解决现有技术中，常规金属陶瓷存在着无法同时提高耐磨性和断裂韧性的技术缺陷，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种复合金属陶瓷及其应用，用于解决现有技术中，常规金属陶瓷存在着无法同时提高耐磨性和断裂韧性的技术缺陷。
本发明提供了一种复合金属陶瓷，所述复合金属陶瓷由中心层至表层依次为：耐磨相、过渡相和增韧基体相；
所述耐磨相选自Co-Cr合金、镍基合金、304不锈钢以及W18高速钢中的一种或多种。
优选地，所述W18高速钢为W18Cr4V。
优选地，所述过渡相为WC-Co合金。
优选地，所述WC-Co合金中，Co的质量百分含量为5～15％。
优选地，所述WC-Co合金中，WC的粒径为20～5000nm。
优选地，所述增韧基体相选自：Co-Ni-Cr-Y、Cu-Ni或Co-Ni中的一种或多种。
优选地，所述耐磨相、过渡相和增韧基体相的体积比为(30～80):(2～40):(10～68)。
优选地，所述耐磨相、过渡相和增韧基体相的体积比为(40～75):(10～30):(17～58)。
优选地，所述耐磨相、过渡相和增韧基体相的体积比为(60～70):(15～25):(24～38)。
本发明还提供了一种包括以上任意一项所述的复合金属陶瓷在刀具切削、矿产开发、盾构工具以及石油钻井领域的应用。
综上所述，本发明提供了一种复合金属陶瓷，所述复合金属陶瓷由中心层至表层依次为：耐磨相、过渡相和增韧基体相；所述耐磨相选自Co-Cr合金、镍基合金、304不锈钢以及W18高速钢中的一种或多种。本发明还提供了一种上述制备方法得到的在刀具切削、矿产开发、盾构工具以及石油钻井领域的应用。经实验测定可得，本发明提供的技术方案制得的产品，强度可满足刀具切削、矿产开发、盾构工具以及石油钻井应用需求；同时，本发明中的复合金属陶瓷，可同时提高金属陶瓷的耐磨性和强度。解决了现有技术中，金属陶瓷颗粒存在着无法同时提高耐磨性和断裂韧性的技术缺陷。
具体实施方式
本发明提供了一种复合金属陶瓷及其应用，用于解决现有技术中，常规金属陶瓷存在着无法同时提高耐磨性和断裂韧性的技术缺陷。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更详细说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种复合金属陶瓷及其应用，进行具体地描述。
实施例1
本实施例为制备产品1的具体实施例。产品1中，耐磨相、过渡相和增韧基体相的体积比为60:15:38。本实施例中，耐磨相为Co-Cr合金，过渡相为WC-Co合金，增韧基体相为Cu-Ni合金。其中，过渡相中，Co的质量百分含量为15％，WC的粒径为3000nm。
耐磨相在压力为20MPa、温度为1400℃条件下制粒90min，冷却至室温后，过40μm筛，得第一产物1。
第一产物1和过渡相混合，在200r/min的转速下湿磨3h，得湿磨产物1。湿磨产物1在60℃条件下干燥后，依次经过筛和制粒，得球粒1。球粒1在氢气气氛下，在400℃条件下脱蜡2h，得脱蜡产物1。脱蜡产物1在真空中，1200℃条件下烧结，得第二产物1。
第二产物1和增韧基体相混合，在200r/min的转速下湿磨1.5h，得湿磨产物11。湿磨产物11在60℃条件下干燥后，依次经过筛和制粒，得球粒11。球粒11在氢气气氛下，在400℃条件下脱蜡1h，得脱蜡产物11。脱蜡产物11在真空中，1200℃条件下烧结，得第三产物1。
第三产物1经激光选区熔化法，得产品1。
产品1在SLM(选区激光熔化)类型设备中平铺后在1400～1500℃条件下加热形成当前层；采用激光束按照预设的当前层截面轮廓进行扫描，使产品1烧结，形成截面层。其中，激光束的功率为400W，扫描间距为0.06mm，扫描速度为1000mm/s，光斑直径为70μm，能量密度为107W/cm2。在截面层上再次平铺硬质合金颗粒重复上述步骤的操作过程，直至得到预设形状的硬质合金。
实施例2
本实施例为制备产品2的具体实施例。产品2中，耐磨相、过渡相和增韧基体相的体积比为70:20:30。本实施例中，耐磨相为镍基合金，过渡相为WC-Co合金，增韧基体相为Co-Ni-Cr-Y合金。其中，过渡相中，Co的质量百分含量为10％，WC的粒径为5000nm。
耐磨相在压力为20MPa、温度为1350℃条件下制粒90min，冷却至室温后，过60μm筛，得第一产物2。
第一产物2和过渡相混合，在150r/min的转速下湿磨1h，得湿磨产物2。湿磨产物2在60℃条件下干燥后，依次经过筛和制粒，得球粒2。球粒2在氢气气氛下，在300℃条件下脱蜡1.7h，得脱蜡产物2。脱蜡产物2在真空中，1000℃条件下烧结，得第二产物2。
第二产物2和增韧基体相混合，在100r/min的转速下湿磨2h，得湿磨产物22。湿磨产物22在60℃条件下干燥后，依次经过筛和制粒，得球粒22。球粒22在氢气气氛下，在400℃条件下脱蜡0.5h，得脱蜡产物22。脱蜡产物22在真空中，1300℃条件下烧结，得第三产物2。
第三产物1经激光选区熔化法，得产品2。
产品2在SLM(选区激光熔化)类型设备中平铺后在1400～1500℃条件下加热形成当前层；采用激光束按照预设的当前层截面轮廓进行扫描，使产品2烧结，形成截面层。其中，激光束的功率为400W，扫描间距为0.06mm，扫描速度为1000mm/s，光斑直径为70μm，能量密度为107W/cm2。在截面层上再次平铺硬质合金颗粒重复上述步骤的操作过程，直至得到预设形状的硬质合金。
实施例3
本实施例为制备产品3的具体实施例。产品3中，耐磨相、过渡相和增韧基体相的体积比为62:25:24。本实施例中，耐磨相为304不锈钢，过渡相为WC-Co合金，增韧基体相为Co-Ni合金。其中，过渡相中，Co的质量百分含量为5％，WC的粒径为20nm。
耐磨相在压力为20MPa、温度为1450℃条件下制粒90min，冷却至室温后，过30μm筛，得第一产物3。
第一产物3和过渡相混合，在300r/min的转速下湿磨4h，得湿磨产物3。湿磨产物3在60℃条件下干燥后，依次经过筛和制粒，得球粒3。球粒3在氢气气氛下，在500℃条件下脱蜡1.5h，得脱蜡产物3。脱蜡产物3在真空中，1300℃条件下烧结，得第二产物3。
第二产物3和增韧基体相混合，在170r/min的转速下湿磨1h，得湿磨产物33。湿磨产物33在60℃条件下干燥后，依次经过筛和制粒，得球粒33。球粒33在氢气气氛下，在300℃条件下脱蜡0.7h，得脱蜡产物33。脱蜡产物33在真空中，1000℃条件下烧结，得第三产物3。
第三产物3经激光选区熔化法，得产品3。
产品3在SLM(选区激光熔化)类型设备中平铺后在1400～1500℃条件下加热形成当前层；采用激光束按照预设的当前层截面轮廓进行扫描，使产品3烧结，形成截面层。其中，激光束的功率为400W，扫描间距为0.06mm，扫描速度为1000mm/s，光斑直径为70μm，能量密度为107W/cm2。在截面层上再次平铺硬质合金颗粒重复上述步骤的操作过程，直至得到预设形状的硬质合金。
实施例4
本实施例为制备产品4的具体实施例。产品4中，耐磨相、过渡相和增韧基体相的体积比为40:10:58。本实施例中，耐磨相为Co-Cr合金，过渡相为WC-Co合金，增韧基体相为Cu-Ni合金。其中，过渡相中，Co的质量百分含量为15％，WC的粒径为3000nm。
耐磨相在压力为20MPa、温度为1400℃条件下制粒90min，冷却至室温后，过40μm筛，得第一产物4。
第一产物4和过渡相混合，在200r/min的转速下湿磨3h，得湿磨产物4。湿磨产物4在60℃条件下干燥后，依次经过筛和制粒，得球粒4。球粒4在氢气气氛下，在400℃条件下脱蜡2h，得脱蜡产物4。脱蜡产物4在真空中，1200℃条件下烧结，得第二产物4。
第二产物4和增韧基体相混合，在200r/min的转速下湿磨3h，得湿磨产物44。湿磨产物44在60℃条件下干燥后，依次经过筛和制粒，得球粒44。球粒44在氢气气氛下，在400℃条件下脱蜡2h，得脱蜡产物44。脱蜡产物44在真空中，1200℃条件下烧结，得第三产物4。
第三产物4经激光选区熔化法，得产品4。
产品4在SLM(选区激光熔化)类型设备中平铺后在1400～1500℃条件下加热形成当前层；采用激光束按照预设的当前层截面轮廓进行扫描，使产品4烧结，形成截面层。其中，激光束的功率为400W，扫描间距为0.06mm，扫描速度为1000mm/s，光斑直径为70μm，能量密度为107W/cm2。在截面层上再次平铺硬质合金颗粒重复上述步骤的操作过程，直至得到预设形状的硬质合金。
实施例5
本实施例为测定实施例1～实施例4制得的产品1～产品4断裂韧性、耐磨性以及硬度的具体实施例。
本实施例中所使用的对照品为市售常规3D打印产品。
本实施例中，样品断裂韧性的测定标准为ASTM E399，样品耐磨性的测定标准为ASTM B611。
所得测定结果请参阅表1。
表1产品合金性能
从实施例1至实施例5可以得出，实施例1～实施例4制得的产品1～产品4的耐磨性及断裂韧性在满足刀具切削、矿产开发、盾构工具以及石油钻井应用需求的基础上，还可以同时提高耐磨性和断裂韧性。解决了现有技术中，常规金属陶瓷材料存在着无法同时提高耐磨性和断裂韧性的技术缺陷。
综上所述，本发明提供了一种复合金属陶瓷，所述复合金属陶瓷由中心层至表层依次为：耐磨相、过渡相和增韧基体相；所述耐磨相选自Co-Cr合金、镍基合金、304不锈钢以及W18高速钢中的一种或多种。本发明还提供了一种上述复合金属陶瓷在刀具切削、矿产开发、盾构工具以及石油钻井领域的应用。经实验测定可得，本发明提供的技术方案制得的产品，强度可满足刀具切削、矿产开发、盾构工具以及石油钻井应用需求；同时，本发明中的复合金属陶瓷，可同时提高金属陶瓷的耐磨性和强度。解决了现有技术中，金属陶瓷颗粒存在着无法同时提高耐磨性和断裂韧性的技术缺陷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种复合金属陶瓷，其特征在于，所述复合金属陶瓷由中心层至表层依次为：耐磨相、过渡相和增韧基体相；
所述耐磨相选自Co-Cr合金、镍基合金、304不锈钢以及W18高速钢中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的复合金属陶瓷，其特征在于，所述W18高速钢为W18Cr4V。
3.根据权利要求1所述的复合金属陶瓷，其特征在于，所述过渡相为WC-Co合金。
4.根据权利要求3所述的复合金属陶瓷，其特征在于，所述WC-Co合金中，Co的质量百分含量为5～15％。
5.根据权利要求3所述的复合金属陶瓷，其特征在于，所述WC-Co合金中，WC的粒径为20～5000nm。
6.根据权利要求1所述的复合金属陶瓷，其特征在于，所述增韧基体相选自：Co-Ni-Cr-Y、Cu-Ni或Co-Ni中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的复合金属陶瓷，其特征在于，所述耐磨相、过渡相和增韧基体相的体积比为(30～80):(2～40):(10～68)。
8.根据权利要求7所述的复合金属陶瓷，其特征在于，所述耐磨相、过渡相和增韧基体相的体积比为(40～75):(10～30):(17～58)。
9.根据权利要求8所述的复合金属陶瓷，其特征在于，所述耐磨相、过渡相和增韧基体相的体积比为(60～70):(15～25):(24～38)。
10.一种包括权利要求1至9任意一项所述的复合金属陶瓷在刀具切削、矿产开发、盾构工具以及石油钻井领域的应用。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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- 2017-01-04 CN CN201710004360.2A patent/CN106521214A/zh active Pending
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