CN110042292B - 一种硬质合金-金刚石复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种硬质合金-金刚石复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种硬质合金‑金刚石复合材料及其制备方法，本发明所述方法包括以下步骤：根据预定的硬质合金‑金刚石复合材料成型结构，得到切片数据；将WC‑Co硬质合金和金刚石分别加入3D打印机中，按照所述切片数据，进行电子束选区熔化扫描，得到硬质合金‑金刚石复合材料。本发明通过3D打印的方式使层与层之间通过化学键的方式进行结合，结合方式更牢固，在使用过程中能够避免涂层的剥落、且同时具有较好的断裂韧性、硬度和耐腐蚀性。

Description

一种硬质合金-金刚石复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种硬质合金-金刚石复合材料及其制备方法。
背景技术
WC-Co硬质合金因具有硬度高、耐磨性好且化学性能稳定的特点，而被广泛用于机械加工、模具成型、凿岩采矿、石油勘探和建筑工具等领域。但传统WC-Co硬质合金内外组织均匀，机械性能一致，使得所述WC-Co硬质合金的硬度和强韧性之间存在难以调和的矛盾。当材料的硬度较高时，其耐磨性较好，但是其强韧性明显较低；当强韧性较好时，材料的硬度则有所下降，导致材料的耐磨性降低。上述不足，严重制约了WC-Co硬质合金的发展。
目前，为了解决上述矛盾，主要采用PVD和CVD的方法在强韧性较佳的硬质合金基体表面涂覆高硬度的涂层。然而上述方法制备得到的涂层与硬质合金基体表面的结合方式为物理结合，且二者的物理性能相差甚远，在使用过程中，由于外载或热应力的作用会导致涂层很快剥落。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬质合金-金刚石复合材料及其制备方法，所述硬质合金-金刚石复合材料中的WC-Co硬质合金层和金刚石层通过3D打印的方式使层与层之间通过化学键的方式进行结合，结合方式更牢固，在使用过程中能够避免涂层的剥落、且同时具有较好的硬度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种硬质合金-金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：
根据预定的硬质合金-金刚石复合材料成型结构，得到切片数据；
将WC-Co硬质合金和金刚石分别加入3D打印机中，按照所述切片数据，进行电子束选区熔化扫描，得到硬质合金-金刚石复合材料。
优选的，所述WC-Co硬质合金中Co的质量含量为8％～25％；
所述WC-Co硬质合金的粒径为45～105μm。
优选的，所述金刚石的粒径为45～105μm。
优选的，所述WC-Co硬质合金和金刚石的质量比为(420～430)：(3～4)。
优选的，所述3D打印机的底板为氮化硅底板；
所述电子束选区熔化扫描在真空状态下进行。
优选的，进行所述电子束选区熔化扫描前对所述底板进行预热，所述底板的预热温度为600～750℃。
优选的，所述电子束选区熔化扫描为先对WC-Co硬质合金进行电子束熔化扫描，后对金刚石进行电子束熔化扫描。
优选的，所述对WC-Co硬质合金进行电子束熔化扫描的扫描速率为1.0×104～6.0×104mm/s，扫描电流为0.5～10mA，熔化温度为1380～1460℃。
优选的，所述对金刚石进行电子束熔化扫描的扫描速率为1.0×104～1.0×105mm/s，扫描电流为6～20mA，熔化温度为1400～1450℃。
本发明还提供了所述的制备方法制备得到的硬质合金-金刚石复合材料，所述硬质合金-金刚石复合材料为层状结构；包括WC-Co硬质合金层和金刚石层；所述WC-Co硬质合金层和金刚石层交替层叠设置；
所述硬质合金-金刚石复合材料的厚度≤3mm，单层WC-Co硬质合金层和单层金刚石层的厚度独立的为0.08～0.12mm。
本发明提供了一种硬质合金-金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：根据预定的硬质合金-金刚石复合材料成型结构，得到切片数据；将WC-Co硬质合金和金刚石分别加入3D打印机中，按照所述切片数据，进行电子束选区熔化扫描，得到硬质合金-金刚石复合材料。本发明通过3D打印的方式使层与层之间通过化学键的方式进行结合，结合方式更牢固，在使用过程中能够避免涂层的剥落、且同时具有较好的断裂韧性、硬度和耐腐蚀性。根据实施例的记载，利用本发明所述制备方法制备得到的硬质合金-金刚石复合材料的导热系数为500～550W/mK，摩擦系数为0.3～0.5，热膨胀系数为0.9～1.18×10-6，硬度值为4800～5000HV，冲击韧性为300～320J。
具体实施方式
本发明提供了一种硬质合金-金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：
根据预定的硬质合金-金刚石复合材料成型结构，得到切片数据；
将WC-Co硬质合金和金刚石分别加入3D打印机中，按照所述切片数据，进行电子束选区熔化扫描，得到硬质合金-金刚石复合材料。
在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
本发明根据预定的硬质合金-金刚石复合材料成型结构，得到切片数据。在本发明中，所述得到切片数据的过程优选包括以下步骤：
利用三维建模软件设计复合材料的三维实体模型，得到复合材料的三维实体模型；
利用切层软件对所述复合材料的三维实体模型进行切层处理，得到切片数据。
在本发明中，所述三维建模软件优选为Unigraphics NX或SolidWorks；所述切层软件优选为Cura、EasyPrint 3D或Sli3r。本发明对上述软件各个参数的设置没有特殊的要求，在本发明的具体实施例中，优选根据目标合金的形状设置具体的参数。
得到切片数据后，本发明优选将所述切片数据作为电子束扫描路径全部导入3D打印机中，再将WC-Co硬质合金和金刚石分别加入3D打印机中，按照所述切片数据，进行电子束选区熔化扫描，得到硬质合金-金刚石复合材料。
在本发明中，所述WC-Co硬质合金中Co的质量含量优选为8％～25％，更优选为10％～20％，最优选为12％～18％；所述WC-Co硬质合金的粒径优选为45～105μm，更优选为50～90μm，最优选为60～80μm；所述WC-Co硬质合金优选为球形WC-Co硬质合金。
在本发明中，所述金刚石的粒径优选为45～105μm，更优选为50～90μm，最优选为60～80μm。在本发明中，所述金刚石的纯度优选≥99wt％。
在本发明中，所述WC-Co硬质合金和金刚石的质量比优选为(420～430)：(3～4)，更优选为(425～429)：(3.2～3.7)，最优选为(426～427)：(3.4～3.5)。
在本发明中，所述3D打印机的底板优选为氮化硅底板；所述电子束选区熔化扫描优选在真空状态下进行；进行所述电子束选区熔化扫描前优选对所述底板进行预热，所述底板的预热温度优选为600～750℃，更优选为620～720℃，最优选为650～700℃。
在本发明中，所述电子束选区熔化扫描优选为先对WC-Co硬质合金进行电子束熔化扫描，后对金刚石进行电子束熔化扫描；所述对WC-Co硬质合金进行电子束熔化扫描的扫描速率优选为1.0×104～6.0×104mm/s，更优选为2.0×104～5.0×104mm/s，最优选为3.0×104～4.0×104mm/s；扫描电流优选为0.5～10mA，更优选为2～8mA，最优选为4～6mA；熔化温度优选为1380～1460℃，更优选为1400～1450℃，最优选为1420～1430℃。
在本发明中，所述对金刚石进行电子束熔化扫描的扫描速率优选为1.0×104～1.0×105mm/s，更优选为2.0×104～8.0×104mm/s，最优选为4.0×104～6.0×105mm/s；扫描电流优选为6～20mA，更优选为10～18mA，最优选为13～16mA；熔化温度优选为1400～1450℃，更优选为1410～1440℃，最优选为1420～1430℃。
本发明还提供了所述制备方法制备得到的硬质合金-金刚石复合材料，所述硬质合金-金刚石复合材料为层状结构；包括WC-Co硬质合金层和金刚石层；所述WC-Co硬质合金层和金刚石层交替层叠设置；
所述硬质合金-金刚石复合材料的总厚度≤3mm，单层WC-Co硬质合金层和单层金刚石层的厚度独立的为0.08～0.12mm，优选为0.09～0.11mm。
下面结合实施例对本发明提供的硬质合金-金刚石复合材料进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
利用三维建模软件建立硬质合金-金刚石复合材料的三维实体模型，然后利用切层软件对所述硬质合金-金刚石复合材料的三维实体模型进行切层处理，得到切片数据；
将858g粒径为45～105μm的球形WC-Co硬质合金(Co的质量含量为8％)与7g粒径为45～105μm，纯度为99％的金刚石分别加入底板为氮化硅的3D打印机中，抽真空后预热底板至700℃，先以扫描速率为1.0×104mm/s、扫描电流为10mA、熔化温度为1380℃的条件，对WC-Co硬质合金进行电子束熔化扫描；然后以扫描速率为1.0×104mm/s、扫描电流为6mA、熔化温度为1450℃的条件，对金刚石进行电子束熔化扫描；得到硬质合金-金刚石复合材料。
按照GB/T10294-2008对所述硬质合金-金刚石复合材料的导热系数进行测试，按照YB/T4286-2012标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的摩擦系数进行测试，按照GB/T4339-2008标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的热膨胀系数进行测试，按照GB/T4340-2009标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的硬度值进行测试，按照GB/T229-1994标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的冲击韧性值进行测试，其测试结果如表1所示：
表1：实施例1得到的硬质合金-金刚石复合材料的性能指标
导热系数(W/mK) 550
摩擦系数 0.5
热膨胀系数(mm) 1.18×10<sup>-6</sup>
硬度值/HV 5000
冲击韧性(J) 300
实施例2
利用三维建模软件建立硬质合金-金刚石复合材料的三维实体模型，然后利用切层软件对所述硬质合金-金刚石复合材料的三维实体模型进行切层处理，得到切片数据；
将854g粒径为45～105μm的球形WC-Co硬质合金(Co的质量含量为8％)与6.4g粒径为45～105μm，纯度为99％的金刚石分别加入底板为氮化硅的3D打印机中，抽真空后预热底板至700℃，先以扫描速率为6.0×104mm/s、扫描电流为10mA、熔化温度为1400℃的条件，对WC-Co硬质合金进行电子束熔化扫描；然后以扫描速率为6.0×104mm/s、扫描电流为2.0mA、熔化温度为1460℃的条件，对金刚石进行电子束熔化扫描；重复进行上述电子束熔化扫描过程，得到硬质合金-金刚石复合材料。
按照GB/T10294-2008对所述硬质合金-金刚石复合材料的导热系数进行测试，按照YB/T4286-2012标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的摩擦系数进行测试，按照GB/T4339-2008标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的热膨胀系数进行测试，按照GB/T4340-2009标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的硬度值进行测试，按照GB/T229-1994标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的冲击韧性值进行测试，其测试结果如表2所示：
表2：实施例2得到的硬质合金-金刚石复合材料的性能指标
导热系数(W/mK) 530
摩擦系数 0.4
热膨胀系数(mm) 1.0×10<sup>-6</sup>
硬度值/HV 4800
冲击韧性(J) 320
实施例3
利用三维建模软件建立硬质合金-金刚石复合材料的三维实体模型，然后利用切层软件对所述硬质合金-金刚石复合材料的三维实体模型进行切层处理，得到切片数据；
将850g粒径为45～105μm的球形WC-Co硬质合金(Co的质量含量为8％)与6.0g粒径为45～105μm，纯度为99％的金刚石分别加入底板为氮化硅的3D打印机中，抽真空后预热底板至700℃，先以扫描速率为1.0×104mm/s、扫描电流为10mA、熔化温度为1380℃的条件，对WC-Co硬质合金进行电子束熔化扫描；然后以扫描速率为1.0×104mm/s、扫描电流为6mA、熔化温度为1450℃的条件，对金刚石进行电子束熔化扫描；得到硬质合金-金刚石复合材料。
按照GB/T10294-2008对所述硬质合金-金刚石复合材料的导热系数进行测试，按照YB/T4286-2012标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的摩擦系数进行测试，按照GB/T4339-2008标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的热膨胀系数进行测试，按照GB/T4340-2009标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的硬度值进行测试，按照GB/T229-1994标准对所述硬质合金-金刚石复合材料的冲击韧性值进行测试，其测试结果如表3所示：
表3：实施例3得到的硬质合金-金刚石复合材料的性能指标
导热系数(W/mK) 500
摩擦系数 0.3
热膨胀系数(mm) 0.9×10<sup>-6</sup>
硬度值/HV 4900
冲击韧性(J) 310
由以上实施例可知，本发明所述的制备得到的硬质合金-金刚石复合材料的导热系数为500～550W/mK，摩擦系数为0.3～0.5，热膨胀系数为0.9～1.18×10-6，硬度值为4800～5000HV，具有较好的硬度，冲击韧性为300～320J，能够很好的避免涂层的剥落。
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)

1.一种硬质合金-金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：
根据预定的硬质合金-金刚石复合材料成型结构，得到切片数据；
将WC-Co硬质合金和金刚石分别加入3D打印机中，按照所述切片数据，进行电子束选区熔化扫描，得到硬质合金-金刚石复合材料；
所述硬质合金-金刚石复合材料为层状结构；包括WC-Co硬质合金层和金刚石层；所述WC-Co硬质合金层和金刚石层交替层叠设置。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述WC-Co硬质合金中Co的质量含量为8％～25％；
所述WC-Co硬质合金的粒径为45～105μm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金刚石的粒径为45～105μm。
4.如权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述WC-Co硬质合金和金刚石的质量比为(420～430)：(3～4)。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述3D打印机的底板为氮化硅底板；
所述电子束选区熔化扫描在真空状态下进行。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，进行所述电子束选区熔化扫描前对所述底板进行预热，所述底板的预热温度为600～750℃。
7.如权利要求1、5或6所述的制备方法，其特征在于，所述电子束选区熔化扫描为先对WC-Co硬质合金进行电子束熔化扫描，后对金刚石进行电子束熔化扫描。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述对WC-Co硬质合金进行电子束熔化扫描的扫描速率为1.0×104～6.0×104mm/s，扫描电流为0.5～10mA，熔化温度为1380～1460℃。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述对金刚石进行电子束熔化扫描的扫描速率为1.0×104～1.0×105mm/s，扫描电流为6～20mA，熔化温度为1400～1450℃。
10.权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到的硬质合金-金刚石复合材料，所述硬质合金-金刚石复合材料为层状结构；包括WC-Co硬质合金层和金刚石层；所述WC-Co硬质合金层和金刚石层交替层叠设置；
所述硬质合金-金刚石复合材料的厚度≤3mm，单层WC-Co硬质合金层和单层金刚石层的厚度独立的为0.08～0.12mm。
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