CN113510238A - 一种基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料，包括：微米级球形粉末、纳米级陶瓷粉末和微米级钨包金刚石粉末，所述微米级球形粉末为铁基合金粉末或者镍基合金粉末，所述纳米级陶瓷粉末为碳化物陶瓷粉末，所述纳米级陶瓷粉末包覆在所述微米级球形粉末表面；所述微米级钨包金刚石粉末为纳米级钨粉通过化学镀的方法包覆在金刚石表面制成的钨包金刚石粉末；三种组分按照预定配比制得铁基‑纳米碳化物参钨包金刚石体系或者镍基‑纳米碳化物参钨包金刚石体系的所述复合材料。另外还公开了该复合材料的制备方法。本发明基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料是由纳米陶瓷粉末包覆金属球形粉末和纳米钨包覆金刚石粉末混合而成，不仅增强了耐磨性性，而且提高了硬度，使得刀模可以长期使用。

Description

一种基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料及其制 备方法
技术领域
本发明涉及激光金属3D打印技术领域，特别涉及一种基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料，以及该复合材料的制备方法。
背景技术
对于刀模来说，硬度和耐磨性是评价刀模性能的一个重要指标，传统提高刀模性能的方式主要是通过热处理的方式来提高它的性能，存在周期长，处理后产品存在变形等问题。热处理后的刀模往往还需二次加工，使得整个刀模的制备周期长，工艺复杂。
金属3D打印是一种快速成型的方式，由于高冷却速率，得到的成型件内部组织结构细小，成型件的性能可相当于锻件性能，在减少了热处理的环节前提下，还能得到高性能产品。
对于单一合金来说，往往不能同时满足高硬度和高耐磨性，往往需要加入一些增强相来提高打印件的性能。对于两种不同粒径的复合粉成型来说，激光熔覆是一种较好的成型方式。陶瓷颗粒的加入可在一定程度上提高成型件的耐磨性，金刚石颗粒的加入可在一定程度上提高成型件的硬度。但是由于陶瓷颗粒高激光吸收率和本身特性，会导致陶瓷颗粒分布不均匀或者金属未充分熔融，存在成型件性能不一致、孔洞等缺陷。由于金刚石的低熔点，会存在挥发的可能，从而导致孔洞等缺陷。
因此，发明一种刀模用高硬度高耐磨的复合材料成为本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料及其制备方法，通过采用在微米级球形粉末即铁基合金粉末或者镍基合金粉末的表面包覆纳米陶瓷粉末，可以保证铁基合金粉末或者镍基合金粉末的充分熔融，也可使纳米陶瓷粉末均匀地分布在成形件内部，提高耐磨性；通过化学镀的方法在金刚石表面包覆金属钨，由于金属钨的高熔点，可防止全部金刚石熔解，其次即使部分金刚石熔解可与金属钨生成碳化钨，从而进一步提高耐磨性；通过两种包覆粉末的混合，即可保证成型件的高耐磨性，也可保证成型件的高硬度。为了解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：
本发明的一种基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料，所述复合材料包括：微米级球形粉末、纳米级陶瓷粉末和微米级钨包金刚石粉末，所述微米级球形粉末为铁基合金粉末或者镍基合金粉末，所述纳米级陶瓷粉末为碳化物陶瓷粉末，所述纳米级陶瓷粉末包覆在所述微米级球形粉末表面；所述微米级钨包金刚石粉末为纳米级钨粉通过化学镀的方法包覆在金刚石表面制成的钨包金刚石粉末；三种组分按照预定配比制得铁基-纳米碳化物参钨包金刚石体系或者镍基-纳米碳化物参钨包金刚石体系的所述复合材料。
进一步地，所述微米级球形粉末为铁基合金粉末时，组成所述微米级球形粉末的各组分按照重量百分比组成如下：碳0.01％-0.5％、铬5.30％-18.00％、镍0.1％-20％、硼0.1％-2％、硅0.1％-4％，余量为铁。
进一步地，所述微米级球形粉末为铁基合金粉末时，所述复合材料为铁基-纳米碳化物参钨包金刚石体系的复合材料，所述复合材料的各组分按照重量百分比组成如下：铁基合金粉末70％-90％、纳米级陶瓷粉末5％-20％、微米级钨包金刚石粉末5％-30％，各组分百分比之和为100％。
进一步地，所述微米级球形粉末为镍基合金粉末时，组成所述微米级球形粉末的各组分按照重量百分比组成如下：碳0.01％-0.8％、铬10.00％-20.00％、铝0.2％-1％、钴0.01％-1％、钼0.1％-3.5％、铌0.3％-6％、铁10％-25％，余量为镍。
进一步地，所述微米级球形粉末为镍基合金粉末时，所述复合材料为镍基-纳米碳化物参钨包金刚石体系的复合材料，所述复合材料的各组分按照重量百分比组成如下：镍基合金粉末70％-90％、纳米级陶瓷颗粒5％-20％、微米级钨包金刚石粉末5％-30％，各组分百分比之和为100％。
进一步地，所述微米级球形粉末粒径为75-150μm，所述纳米级陶瓷粉末粒径为50-80nm，所述钨包金刚石粉末粒径为20-30μm。
本发明提供的一种基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1，根据球磨罐容积、微米级球形粉末和纳米级陶瓷粉末的质量百分比，计算出所需球磨介质、微米级球形粉末以及纳米级陶瓷粉末的质量，并进行称量，误差控制在0.01g之内。
S2，根据步骤S1中的称量，依次向球磨罐中加入纳米级陶瓷粉末、微米级球形粉末和球磨介质，球磨介质均匀地覆盖在纳米级陶瓷粉末和微米级球形粉末上方，防止在对球磨罐抽真空或者充惰性气体时，纳米级陶瓷粉末和微米级球形粉末损失，抽真空或者充惰性气体完毕后，进行球磨得到金属-纳米碳化物。
S3，在步骤S2中的球磨完毕后，取出金属-纳米碳化物，根据混粉罐容积、金属-纳米碳化物和微米级钨包金刚石粉末的质量百分比，计算所需金属-纳米碳化物和微米级钨包金刚石粉末的质量，并进行称量，误差控制在0.01g之内。
S4，根据步骤S3中的称量，向混粉罐中加入金属-纳米碳化物和微米级钨包金刚石粉末，并对混粉罐进行抽真空或者通氩气处理，然后进行混粉得到所述复合材料。
进一步地，在步骤S2中，若是对球磨罐抽真空，则真空度为0.1MPa；若是对球磨罐充惰性气体，则惰性气体为氩气；对纳米级陶瓷粉末和微米级球形粉末的球磨时间为3h-20h，球磨包括自转和公转，其中，自转速度为100r/min-120r/min，公转速度为0.5r/min-2r/min。
进一步地，在步骤S4中，若是对混粉罐抽真空，则真空度为0.1MPa；若是对混粉罐充惰性气体，则惰性气体为氩气；混粉时间为10h-24h,转速为50r/min-100r/min。
本发明提供的基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料的有益效果是：
通过采用在微米级球形粉末即铁基合金粉末或者镍基合金粉末的表面包覆纳米陶瓷粉末，可以保证铁基合金粉末或者镍基合金粉末的充分熔融，也可使纳米陶瓷颗粒均匀地分布在成形件内部，提高耐磨性。通过化学镀的方法在金刚石表面包覆金属钨，由于金属钨的高熔点，可防止全部金刚石熔解，其次即使部分金刚石熔解可与金属钨生成碳化钨，从而提高耐磨性。通过两种包覆粉的混合，即可保证成型件的高耐磨性，也可保证成型件的高硬度。
对于刀模来讲，高硬度和高耐磨是首要保证，通过添加金刚石来提高复合材料硬度，通过添加纳米陶瓷粉末来提高复合材料的耐磨性，由于金刚石熔点低，在熔覆成型过程中可能会分解，带来孔洞的缺陷，通过化学镀的方法在金刚石表面包覆金属钨，由于金属钨的高熔点，可防止全部金刚石熔解，其次即使部分金刚石熔解可与金属钨生成碳化钨，从而提高耐磨性。陶瓷颗粒由于高激光吸收率和本身特性，会导致陶瓷颗粒分布不均匀或者金属未充分熔融，存在孔洞等缺陷。通过球磨方法在金属粉末的表面包覆纳米陶瓷粉末，可以保证金属的充分熔融，也可使纳米陶瓷颗粒均匀地分布在成形件内部，提高耐磨性。使得本发明的复合材料具有高硬度和高耐磨的特性。
本发明基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料是由纳米陶瓷粉末包覆金属球形粉末和纳米钨包覆金刚石粉末混合而成，不仅增强了耐磨性性，而且提高了硬度，使得刀模可以长期使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例二的制备方法步骤示意图；
图2是本发明实施例三中微米级铁基合金球形粉末形貌图；
图3是本发明实施例三中纳米级碳化钨粉末形貌图；
图4是本发明实施例三中钨包金刚石粉末形貌图；
图5是本发明实施例三中纳米级碳化钨包微米级铁基粉末形貌图；
图6是本发明实施例三中刀模初胚图片；
图7是本发明实施例三中削出刀锋的刀模图片；
图8是本发明实施例三中刀模的元素分布图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例一
本实施例的一种基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料，该复合材料包括：微米级球形粉末、纳米级陶瓷粉末和微米级钨包金刚石粉末，微米级球形粉末为铁基合金粉末或者镍基合金粉末，纳米级陶瓷粉末为碳化物陶瓷粉末，纳米级陶瓷粉末包覆在微米级球形粉末表面；微米级钨包金刚石粉末为纳米级钨粉通过化学镀的方法包覆在金刚石表面制成的钨包金刚石粉末；三种组分按照预定配比制得铁基-纳米碳化物参钨包金刚石体系或者镍基-纳米碳化物参钨包金刚石体系的复合材料。
作为优选的实施方式，若微米级球形粉末为铁基合金粉末时，组成该微米级球形粉末的各组分按照重量百分比组成如下：碳0.01％-0.5％、铬5.30％-18.00％、镍0.1％-20％、硼0.1％-2％、硅0.1％-4％，余量为铁。进一步优选地，微米级球形粉末为铁基合金粉末时，复合材料为铁基-纳米碳化物参钨包金刚石体系的复合材料，复合材料的各组分按照重量百分比组成如下：铁基合金粉末70％-90％、纳米级陶瓷粉末5％-20％、微米级钨包金刚石粉末5％-30％，各组分百分比之和为100％。
若微米级球形粉末为镍基合金粉末时，组成该微米级球形粉末的各组分按照重量百分比组成如下：碳0.01％-0.8％、铬10.00％-20.00％、铝0.2％-1％、钴0.01％-1％、钼0.1％-3.5％、铌0.3％-6％、铁10％-25％，余量为镍。进一步优选地，微米级球形粉末为镍基合金粉末时，复合材料为镍基-纳米碳化物参钨包金刚石体系的复合材料，复合材料的各组分按照重量百分比组成如下：镍基合金粉末70％-90％、纳米级陶瓷颗粒5％-20％、微米级钨包金刚石粉末5％-30％，各组分百分比之和为100％。
优选地，微米级球形粉末粒径为75-150μm，纳米级陶瓷粉末粒径为50-80nm，钨包金刚石粉末粒径为20-30μm。
实施例二
参见图1，本实施例的一种基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1，根据球磨罐容积、微米级球形粉末和纳米级陶瓷粉末的质量百分比，计算出所需球磨介质、微米级球形粉末以及纳米级陶瓷粉末的质量，并进行称量，误差控制在0.01g之内。其中，微米级球形粉末为铁基合金粉末或者镍基合金粉末。
S2，根据步骤S1中的称量，依次向球磨罐中加入纳米级陶瓷粉末、微米级球形粉末和球磨介质，球磨介质均匀地覆盖在纳米级陶瓷粉末和微米级球形粉末上方，防止在对球磨罐抽真空或者充惰性气体时，纳米级陶瓷粉末和微米级球形粉末损失，抽真空或者充惰性气体完毕后，进行球磨得到金属-纳米碳化物。如步骤S1中，微米级球形粉末为铁基合金粉末或者镍基合金粉末，则球磨后所得到的金属-纳米碳化物为铁基合金-纳米碳化物或者镍基合金-纳米碳化物。
S3，在步骤S2中的球磨完毕后，取出金属-纳米碳化物，根据混粉罐容积、金属-纳米碳化物和微米级钨包金刚石粉末的质量百分比，计算所需金属-纳米碳化物和微米级钨包金刚石粉末的质量，并进行称量，误差控制在0.01g之内。
S4，根据步骤S3中的称量，向混粉罐中加入金属-纳米碳化物和微米级钨包金刚石粉末，并对混粉罐进行抽真空或者通氩气处理，然后进行混粉得到所述复合材料。
其中，在步骤S2中，若是对球磨罐抽真空，则真空度为0.1MPa；若是对球磨罐充惰性气体，则惰性气体为氩气；对纳米级陶瓷粉末和微米级球形粉末的球磨时间为3h-20h，球磨包括自转和公转，其中，自转速度为100r/min-120r/min，公转速度为0.5r/min-2r/min。
在步骤S4中，若是对混粉罐抽真空，则真空度为0.1MPa；若是对混粉罐充惰性气体，则惰性气体为氩气；混粉时间为10h-24h,转速为50r/min-100r/min。
实施例三
请参考图2至图8，本实施例的一种基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料的制备方法，以及通过该制备方法所得到的复合材料。
该制备方法包括以下步骤：
S1，按以下比例配备原料：微米级铁基合金球形粉末占总重量的85％，微米级镍基球形粉末的粒径在75μm-150μm之间，形貌如图2所示；纳米级碳化钨粉末占总重量的10％，纳米级碳化钨粉末的粒径在50nm-80nm之间，形貌如图3所示；微米级钨包金刚石粉末占总重量的5％，微米级钨包金刚石粉末的粒径在20μm-30μm之间，形貌如图4所示。根据球磨罐的容积分别计算微米级铁基合金粉末、纳米碳化钨粉末以及球磨介质的质量，然后分别进行称量，误差范围在0.01g之内。
S2，在步骤S1称量完毕后，按照纳米级碳化钨粉末、微米级铁基合金球形粉末、球磨介质的顺序将三者加入到球磨罐中；装料完毕后，对球磨罐内进行充氩气，气流量为1L/min，时间约为30s，充气完毕后进行球磨，球磨时间15h，球磨完毕后，筛出粉末，即得到铁基合金-纳米碳化物粉末，形貌如图5所示。
S3，根据混粉罐的容积分别计算铁基合金-纳米碳化物粉末、微米级钨包金刚石粉末的质量，然后分别进行称量，误差范围在0.01g之内。
S4，在步骤S3称量完毕后，向混粉罐中加入铁基合金-纳米碳化物粉末和微米级钨包金刚石粉末，并对混粉罐进行通氩气处理，气流量为3L/min，时间约为1min，充气完毕后进行混粉，混粉时间为24h，混粉完毕后，筛出粉末，即得到用于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料。
在应用该激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料时，以DC53钢作为基体材料，进行刀模的激光熔覆制备，制备初胚如图6所示，经特殊工艺，加工出刀锋，如图7所示。
对刀模进行了元素分布、磨损和硬度分析，测试结果表明：刀模的元素分布如图8所示，纳米碳化钨均匀地分布在刀模内部，动摩擦因数为0.2，平均显微硬度为70HRC。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激光熔覆制备高硬度高耐磨刀模的复合材料，其特征在于，所述复合材料包括：微米级球形粉末、纳米级陶瓷粉末和微米级钨包金刚石粉末，所述微米级球形粉末为铁基合金粉末或者镍基合金粉末，所述纳米级陶瓷粉末为碳化物陶瓷粉末，所述纳米级陶瓷粉末包覆在所述微米级球形粉末表面；所述微米级钨包金刚石粉末为纳米级钨粉通过化学镀的方法包覆在金刚石表面制成的钨包金刚石粉末；
三种组分按照预定配比制得铁基-纳米碳化物参钨包金刚石体系或者镍基-纳米碳化物参钨包金刚石体系的所述复合材料。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述微米级球形粉末为铁基合金粉末时，组成所述微米级球形粉末的各组分按照重量百分比组成如下：碳0.01％-0.5％、铬5.30％-18.00％、镍0.1％-20％、硼0.1％-2％、硅0.1％-4％，余量为铁。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述微米级球形粉末为铁基合金粉末时，所述复合材料为铁基-纳米碳化物参钨包金刚石体系的复合材料，所述复合材料的各组分按照重量百分比组成如下：铁基合金粉末70％-90％、纳米级陶瓷粉末5％-20％、微米级钨包金刚石粉末5％-30％，各组分百分比之和为100％。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述微米级球形粉末为镍基合金粉末时，组成所述微米级球形粉末的各组分按照重量百分比组成如下：碳0.01％-0.8％、铬10.00％-20.00％、铝0.2％-1％、钴0.01％-1％、钼0.1％-3.5％、铌0.3％-6％、铁10％-25％，余量为镍。
5.根据权利要求4所述的复合材料，其特征在于，所述微米级球形粉末为镍基合金粉末时，所述复合材料为镍基-纳米碳化物参钨包金刚石体系的复合材料，所述复合材料的各组分按照重量百分比组成如下：镍基合金粉末70％-90％、纳米级陶瓷颗粒5％-20％、微米级钨包金刚石粉末5％-30％，各组分百分比之和为100％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的复合材料，其特征在于，所述微米级球形粉末粒径为75-150μm，所述纳米级陶瓷粉末粒径为50-80nm，所述钨包金刚石粉末粒径为20-30μm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1，根据球磨罐容积、微米级球形粉末和纳米级陶瓷粉末的质量百分比，计算出所需球磨介质、微米级球形粉末以及纳米级陶瓷粉末的质量，并进行称量，误差控制在0.01g之内；
S2，根据步骤S1中的称量，依次向球磨罐中加入纳米级陶瓷粉末、微米级球形粉末和球磨介质，球磨介质均匀地覆盖在纳米级陶瓷粉末和微米级球形粉末上方，防止在对球磨罐抽真空或者充惰性气体时，纳米级陶瓷粉末和微米级球形粉末损失，抽真空或者充惰性气体完毕后，进行球磨得到金属-纳米碳化物；
S3，在步骤S2中的球磨完毕后，取出金属-纳米碳化物，根据混粉罐容积、金属-纳米碳化物和微米级钨包金刚石粉末的质量百分比，计算所需金属-纳米碳化物和微米级钨包金刚石粉末的质量，并进行称量，误差控制在0.01g之内；
S4，根据步骤S3中的称量，向混粉罐中加入金属-纳米碳化物和微米级钨包金刚石粉末，并对混粉罐进行抽真空或者通氩气处理，然后进行混粉得到所述复合材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，若是对球磨罐抽真空，则真空度为0.1MPa；若是对球磨罐充惰性气体，则惰性气体为氩气；
对纳米级陶瓷粉末和微米级球形粉末的球磨时间为3h-20h，球磨包括自转和公转，其中，自转速度为100r/min-120r/min，公转速度为0.5r/min-2r/min。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，若是对混粉罐抽真空，则真空度为0.1MPa；若是对混粉罐充惰性气体，则惰性气体为氩气；混粉时间为10h-24h,转速为50r/min-100r/min。
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