CN115213413A - 复合超硬零件及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合超硬零件及其生产工艺，本发明的复合超硬零件在生产时，主要采用3D打印的方式打印成型出聚晶金刚石部分或者聚晶金刚石部分以及硬质合金部分，然后再进行烧结制得零件成品，如此复合超硬零件的形状将不受传统工艺的限制，极大的扩展了复合超硬零件形状、结构的可变性，同时也为满足一些复合超硬零件的特殊性能需求提供了工艺支持。

Description

复合超硬零件及其生产工艺

技术领域

本发明涉及金属粉末加工领域，尤其涉及复合超硬零件及其生产工艺。

背景技术

复合超硬材料因为包含有金刚石层，而能够体现出硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性，广泛应用于工业生产和制造领域，其涉及的产品有石油钻采用聚晶金刚石复合片、机加工用超硬刀具、拉丝模，甚至高耐磨轴承等。随着复合超硬材料的应用领域和场合不断扩展，其产品形式也不断增多，传统的复合超硬零件的生产工艺，已经极大的限制了复合超硬材料所应用的产品的形状、结构以及性能。因此，如何打破复合超硬零件生产工艺的局限性，对于进一步推广和扩展复合超硬材料的应用十分关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于复合超硬材料的3D打印方法，用于解决现有的复合超硬零件结构受限的问题。

本发明的目的还在于提供一种复合超硬刀具生产工艺，用以解决现有的复合超硬刀具生产工艺所导致的刀具结构局限性较大的问题，同时还提供了使用该复合超硬刀具生产工艺所制得的复合超硬刀片。

本发明的目的还在于提供一种聚晶金刚石复合片生产工艺，以解决现有的聚晶金刚石复合片生产工艺所导致的复合片性能受限的问题，同时本发明还提供了使用该聚晶金刚石复合片生产工艺制得的聚晶金刚石复合片。

本发明的目的还在于提供一种拉丝模生产工艺，用以解决现有的拉丝模生产工艺所导致的拉丝模承力性能不佳、受用寿命短的问题，同时还提供了使用该拉丝模生产工艺所制得的拉丝模。

本发明的目的还在于提供一种超硬轴承滚动件的生产工艺，用以解决现有的超硬轴承滚动件生产工艺的局限性而无法制造出结构性能优异的滚动体的问题，同时本发明还提供了使用该超硬轴承滚动件生产工艺制得的超硬轴承滚动件。

本发明的目的还在于提供一种具有梯度的聚晶金刚石烧结体的生产工艺，以解决现有生产工艺制得的聚晶金刚石烧结体性能不佳的问题，同时本发明还提供了使用该具体梯度的聚晶金刚石烧结体的生产工艺制得的聚晶金刚石烧结体。

本发明的用于复合超硬材料的3D打印方法，具体包括以下步骤：

混料，将复合超硬材料原料所包括的前驱体粉料以及成型剂混合均匀；

造粒，将混合均匀的原料放入造粒机中制出所需大小的颗粒状原料；

拉丝，将颗粒状原料放入挤出机中进行拉丝，制得丝状原料；

打印，将丝状原料送入3D打印机中进行打印，制得所需形状、结构的坯体。

本发明的用于复合超硬材料的3D打印方法，开拓式的将复合超硬材料原料进行打印，通过混料、造粒、拉丝，能够将复合超硬材料原料充分的混合均匀，在将通过拉丝制得的丝状原料送入打印机中进行3D打印时，能够打印出结构更加多变的复合超硬零件坯体，如此复合超硬零件的形状将不受传统工艺的限制，极大的扩展了复合超硬零件形状结构的变形性，同时也为满足一些复合超硬零件的特殊性能需求提供了工艺支持，而且打印出的每一层质地均匀，保证了复合超硬零件力学性能的稳定。

进一步的，复合超硬材料原料包括用于打印成型金刚石层部分的金刚石层原料以及用于打印成型硬质合金部分的硬质合金层原料。如此，能够打印出包含硬质合金部分和金刚石层部分的复合超硬零件，大大简化了既包含硬质合金部分，又包含金刚石层部分的复合超硬零件的制造工艺，使得复合超硬零件的结构更加灵活多变。

进一步的，金刚石层原料包括前驱体粉料以及成型剂，所述金刚石层原料的前驱体粉料包括金属粉和金刚石微粉，金属粉包括WC和Co。如此能够打印出金属粉和金刚石微粉比例不同的打印层，使得复合超硬零件的内部质地更加灵活，便于满足复合超硬零件的使用需求。

进一步的，WC粉和Co粉的粉末粒度不超过2um，金刚石微粉的粒度在0.1-100um之间。如此能够使打印出的复合超硬零件质地更加均匀。

进一步的，硬质合金层原料均包括前驱体粉料以及成型剂，所述硬质合金层原料的前驱体粉料包括WC、Co，Co质量比在5-15％，WC质量比在95-85％。这样制得的复合超硬零件的硬质合金部分结构性能和力学性能更好。

进一步的，根据硬质合金部分的不同使用需求，硬质合金层原料均包括前驱体粉料以及成型剂，所述硬质合金层原料的前驱体粉料包括WC、Co以及辅助添加剂，Co质量比在0-20％，WC质量比在60-99.9％，辅助添加剂的质量比在0.1-20％，所述辅助添加剂为Ni、Cr、Mo中的至少一种。

进一步的，混料包括预混料和密炼混料，预混料在转子混料机中进行，密炼混料在密炼机中进行。采用现有的设备进行两个阶段的混料，方便实施，能够保证混料均匀。

进一步的，在密炼混料过程中，密炼温度在100-200℃，密炼时间在1-10h，以使橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种构成的成型剂融化。如此能够保证成型剂充分融化，进而使复合超硬材料原料形成均匀的浆料，保证最终的打印质量。

进一步的，在打印时，将丝状原料通过3D打印机进行打印，打印机喷嘴直径在1.75/0.4mm，喷头工作温度为260℃，打印速度为20-150mm/s，每层打印厚度在0.1-3mm。这样的打印方式能够保证打印出的复合超硬零件形状规则、质地均匀，使最终制得的复合超硬零件性能优越。

进一步的，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。这样可根据不同成分和配比的前驱体粉料灵活选择成型剂，工艺选择更加灵活。

本发明的复合超硬刀具生产工艺，包括以下步骤：

将复合超硬材料原料通过3D打印打印成型出所需形状、结构的复合超硬材料坯体；

烧结复合超硬材料坯体；

或者，

在预制基体上将复合超硬材料原料通过3D打印打印成型出所需形状、结构的超硬材料部分；

将预制基体及打印成型出的超硬材料部分一同烧结；

或者，

将复合超硬材料原料通过3D打印打印成型出所需形状、结构的超硬材料部分；

将超硬材料部分置于预制基体上，并将两者一同烧结。

这种复合超硬刀具生产工艺打破了原有生产工艺的设计思维，开拓式的采用打印的方式制得所需形状和结构的坯体，再进行烧结即可制得所需形状和结构的复合超硬刀片，如此复合超硬刀片的形状将不受传统工艺的限制，大大提高了制得的复合超硬刀片结构可变性，为满足不同使用场合和使用需求的复合超硬刀片的生产提供了可行方案。

进一步的，复合超硬材料原料包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀并相互粘结。这样能够使得前驱体粉料更加均匀，保证打印出的复合超硬刀具质地均匀，力学性能优良。

进一步的，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。提供更多的选择，能够根据不同的原料成分和配比选用合适的成型剂，工艺选择更加灵活。

进一步的，在进行烧结前，去除坯体中的成型剂。这样能够保证烧结质量，进而保证复合超硬刀具整体的结构强度和力学性能。

进一步的，复合超硬材料坯体包括金刚石层部分，金刚石层部分的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。这样能够使得金刚石层部分内部形成梯度，优化金刚石层部分的力学性能。

进一步的，金刚石层部分的多层打印面沿打印顺序分为多组，相邻组打印面所使用的原料配方不同。这样能够使得金刚石层内部的梯度级数更多，层次更加清晰多样，能够根据实际的使用需求调整不同打印面的原料配方，使得复合超硬零件的性能指标更加多样。

进一步的，复合超硬材料坯体包括硬质合金部分，硬质合金部分的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。这样能够使得硬质合金部分内部形成梯度，优化硬质合金部分的力学性能。

进一步的，硬质合金部分的多层打印面沿打印顺序分为多组，相邻组打印面所使用的原料配方不同。这样能够使得硬质合金内部的梯度级数更多，层次更加清晰多样，能够根据实际的使用需求调整不同打印面的原料配方，使得复合超硬刀具的性能指标更加多样。

进一步的，超硬材料部分包括金刚石层部分，金刚石层部分的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。这样能够使得金刚石层部分内部形成梯度，优化金刚石层部分的力学性能。

进一步的，金刚石层部分的多层打印面沿打印顺序分为多组，相邻组打印面所使用的原料配方不同。这样能够使得金刚石层内部的梯度级数更多，层次更加清晰多样，能够根据实际的使用需求调整不同打印面的原料配方，使得复合超硬刀具的性能指标更加多样。

进一步的，复合超硬材料坯体包括金刚石层部分和硬质合金层部分，复合超硬材料原料包括用于打印成型金刚石层部分的金刚石层原料以及用于打印成型硬质合金部分的硬质合金层原料。这样既能够打印硬质合金部分，又能够打印金刚石层部分，复合超硬刀具能够整体打印，制造效率较高，而且硬质合金部分的形状结构以及金刚石层部分的形状结构都不受传统工艺的约束，能够根据使用需求灵活变化。

进一步的，金刚石层部分的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。这样能够使得金刚石层部分内部形成梯度，优化金刚石层部分的力学性能。

进一步的，所述3D打印采用上述的用于复合超硬材料的3D打印方法。这种方法能够将原料充分的混合均匀，在将通过拉丝制得的丝状原料送入打印机中进行3D打印时，能够打印出结构更加多变的复合超硬刀具，如此复合超硬刀具的形状将不受传统工艺的限制，极大的扩展了复合超硬刀具形状结构的变形性，同时也为满足一些复合超硬刀具的特殊性能需求提供了工艺支持，而且打印出的每一层质地均匀，保证了复合超硬刀具力学性能的稳定。

本发明的聚晶金刚石复合片生产工艺包括以下步骤：

通过3D打印打印成型出包含金刚石层和硬质合金层的复合片烧结坯体；

对复合片烧结坯体进行烧结；

或者，

将聚晶金刚石层前驱体原料通过3D打印打印成型出所需形状、结构的金刚石层坯体；

将金刚石层坯体置于预制的硬质合金基体上，形成复合片烧结坯体；

烧结所述复合片烧结坯体；

或者，在预制硬质合金基体的端面，将聚晶金刚石层前驱体原料通过3D打印打印成型出所需形状、结构的金刚石层坯体；

将预制硬质合金基体和金刚石层坯体共同形成的复合片烧结坯体进行烧结。

这种聚晶金刚石复合片生产工艺打破了原有生产工艺的设计思维，开拓式的采用打印的方式制得所需形状和结构的坯体，再进行烧结即可制得所需形状和结构的聚晶金刚石复合片，如此聚晶金刚石复合片的形状将不受传统工艺的限制，大大提高了制得的聚晶金刚石复合片结构可变性，为满足不同使用场合和使用需求的聚晶金刚石复合片的生产提供了可行方案。

进一步的，通过3D打印成型出的复合片烧结坯体包括基体部分和处于基体部分端部的表层部分，所述基体部分包括硬质合金层，所述表层部分包括所述金刚石层。这样既能够打印硬质合金部分，又能够打印金刚石层部分，复合片烧结坯体能够整体打印，制造效率较高，而且硬质合金部分的形状结构以及金刚石层部分的形状结构都不受传统工艺的约束，能够根据使用需求灵活变化。

进一步的，所述表层部分包括硬质合金层，且硬质合金层处于相邻两金刚石层之间。在金刚石层之间设置硬质合金层作为夹层，能够提升表层部分的韧性，提高其抗冲击能力。

进一步的，表层部分的金刚石层的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。这样能够使得金刚石层部分内部形成梯度，优化金刚石层部分的力学性能。

进一步的，打印复合片烧结坯体的原料包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀并相互粘结；聚晶金刚石层前驱体原料包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀并相互粘结。这样能够使得前驱体粉料更加均匀，保证打印出的聚晶金刚石复合片质地均匀，力学性能优良。

进一步的，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。提供更多的选择，能够根据不同的原料成分和配比选用合适的成型剂，工艺选择更加灵活。

进一步的，在进行烧结前，去除坯体中的成型剂。这样能够保证烧结质量，进而保证复合超硬零件整体的结构强度和力学性能。

进一步的，金刚石层坯体的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。这样能够使得金刚石层部分内部形成梯度，优化金刚石层部分的力学性能。

进一步的，金刚石层坯体的多层打印面沿打印顺序分为多组，相邻组打印面所使用的原料配方不同。这样能够使得金刚石层内部的梯度级数更多，层次更加清晰多样，能够根据实际的使用需求调整不同打印面的原料配方，使得复合超硬零件的性能指标更加多样。

进一步的，所述3D打印采用上述的用于复合超硬材料的3D打印方法。这种方法能够将原料充分的混合均匀，在将通过拉丝制得的丝状原料送入打印机中进行3D打印时，能够打印出结构更加多变的复合片烧结坯体，如此聚晶金刚石复合片的形状将不受传统工艺的限制，极大的扩展了聚晶金刚石复合片形状结构的变形性，同时也为满足一些聚晶金刚石复合片的特殊性能需求提供了工艺支持，而且打印出的每一层质地均匀，保证了聚晶金刚石复合片力学性能的稳定。

本发明的聚晶金刚石复合片包括：

硬质合金基体以及设于硬质合金基体端部的表层部分，所述表层部分包括靠近硬质合金基体设置的过渡层以及处于过渡层的背向硬质合金基体一侧的表面金刚石层，过渡层包括相间设置的过渡金刚石层和过渡硬质合金层，且有一层过渡金刚石层与硬质合金基体相接。

本发明的聚晶金刚石层通过在表层部分中设置过渡层和表面金刚石层，在保证聚晶金刚石复合片的切屑能力的同时，能够提升表层部分的韧性，提高其抗冲击能力。

进一步的，过渡层中的各过渡金刚石层中，至少有两层的晶粒度不同。这样能够使各过渡金刚石层的耐磨性、抗冲击性有一定的梯度变化，优化复合片的使用性能。

进一步的，过渡金刚石层与表面金刚石层的晶粒度不同。这样能够使过渡层与表面金刚石层的性能之间产生区分，能够使切削能力、抗冲击能力以及耐磨性等方面的性能得到兼顾。

本发明的拉丝模生产工艺包括以下步骤：

通过3D打印逐层打印成型出所需形状、结构的拉丝模坯体；

拉丝模坯体的每层打印面包括处于中部的金刚石层模芯坯体以及处于外围的环形硬质合金坯体；

烧结所述拉丝模坯体；

或者，

预制环形硬质合金基体；

在环形硬质合金基体的内部沿其轴向逐层打印出金刚石层模芯坯体；

将预制环形硬质合金基体以及打印出的金刚石层模芯坯体共同形成的拉丝模坯体进行烧结；

或者，

预制环形硬质合金基体；

通过3D打印逐层打印成型出所需形状、结构的金刚石层模芯坯体；

将金刚石层模芯坯体装入预制环形硬质合金基体内形成拉丝模坯体；

烧结所述拉丝模坯体。

这种拉丝模生产工艺打破了原有生产工艺的设计思维，开拓式的采用打印的方式制得所需形状和结构的坯体，再进行烧结即可制得所需形状和结构的拉丝模，如此拉丝模的硬质合金基体以及模芯的结合将不受传统工艺的限制，大大提高了制得的拉丝模的承力效果，延长了拉丝模的使用寿命。

进一步的，在通过3D打印逐层打印成型出所需形状、结构的拉丝模坯体的过程中，将环形硬质合金坯体的内周面打印成内凸环面，金刚石模芯坯体的外周面为硬质合金坯体的的内周面适配。这种内部结构的拉丝模，承力效果好，金刚石模芯与硬质合金部分之间的结合较为可靠，大大延长了拉丝模的使用寿命。

进一步的，打印金刚石层模芯坯体和/或环形硬质合金坯体的原料均包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀并相互粘结。这样能够使得前驱体粉料更加均匀，保证打印出的拉丝模各部分质地均匀，力学性能优良。

进一步的，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。提供更多的选择，能够根据不同的原料成分和配比选用合适的成型剂，工艺选择更加灵活。

进一步的，在进行烧结前，去除坯体中的成型剂。这样能够保证烧结质量，进而保证拉丝模整体的结构强度和力学性能。

进一步的，所述3D打印采用上述的用于复合超硬材料的3D打印方法。这种方法能够将原料充分的混合均匀，在将通过拉丝制得的丝状原料送入打印机中进行3D打印时，能够打印出结构更加多变的拉丝模，如此拉丝模的形状将不受传统工艺的限制，极大的扩展了拉丝模形状结构的变形性，同时也为满足一些拉丝模的特殊性能需求提供了工艺支持，而且打印出的每一层质地均匀，优化拉丝模的力学性能。

本发明的超硬轴承滚动件生产工艺包括以下步骤：

通过3D打印逐层打印成型出所需形状、结构的滚动件坯体；

滚动件坯体的每层打印面包括处于内部的硬质合金坯体以及处于外围的金刚石层坯体；

烧结所述滚动件坯体；

或者，

预制硬质合金基体；

在硬质合金基体的外表面逐层打印出金刚石层坯体，而形成滚动件坯体；

烧结所述滚动件坯体。

这种超硬轴承滚动件生产工艺打破了原有生产工艺的设计思维，开拓式的采用打印的方式制得所需形状和结构的坯体，再进行烧结即可制得所需形状和结构的超硬轴承滚动件，如此超硬轴承滚动件的表层能够形成金刚石层，大大提高了制得的超硬轴承滚动件的承载能力和耐磨性能。

进一步的，打印硬质合金坯体的原料和/或打印金刚石层坯体的原料均包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀并相互粘结。这样能够使得前驱体粉料更加均匀，保证打印出的超硬轴承滚动件各部分质地均匀，力学性能优良。

进一步的，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。提供更多的选择，能够根据不同的原料成分和配比选用合适的成型剂，工艺选择更加灵活。

进一步的，在进行烧结前，去除坯体中的成型剂。这样能够保证烧结质量，进而保证超硬轴承滚动件的结构强度和力学性能。

进一步的，所述3D打印采用上述的用于复合超硬材料的3D打印方法。这种方法能够将原料充分的混合均匀，在将通过拉丝制得的丝状原料送入打印机中进行3D打印时，能够制得内部为硬质合金基体，外部覆盖金刚石层的超硬轴承滚动件，大大提升了滚动件的性能。

本发明的超硬轴承滚动件，采用上述所述的超硬轴承滚动件生产工艺制得；

包括柱状硬质合金基体，柱状硬质合金基体的外周面上包裹有聚晶金刚石层；

或者，包括球状硬质合金基体，球状硬质合金基体的外表面包裹有聚晶金刚石层。

这种超硬轴承滚动件的外层为聚晶金刚石，具有较高的硬度和耐磨性，内侧为硬质合金基体，不仅具有一定的硬度，而且还具有一定的抗冲击性，滚动体整体的性能较为优异。

进一步的，所述聚晶金刚石层从内向外分为多层，至少有两层的晶粒度不同。这样能够使聚晶金刚石层从内向外形成梯度，使滚动件的结构和力学性能进一步提升。

进一步的，从内部到边缘，聚晶金刚石层的各层的晶粒度逐渐减小。这样能够在从内向外的方向上，硬度和耐磨性逐渐提高，提高滚动件滚动面的指标。

本发明的具有梯度的聚晶金刚石烧结体的生产工艺包括以下步骤：

将聚晶金刚石前驱体原料通过3D打印逐层打印成型出所需形状、结构的烧结体坯体；

对烧结体坯体进行烧结。

这种具有梯度的聚晶金刚石烧结体生产工艺打破了原有生产工艺的设计思维，开拓式的采用打印的方式制得所需形状和结构的坯体，再进行烧结即可制得所需形状和结构的具有梯度的聚晶金刚石烧结体，如此聚晶金刚石烧结体的形状将不受传统工艺的限制，能够方便的使聚晶金刚石烧结体内形成清晰的梯度，提升聚晶金刚石烧结体的力学性能。

进一步的，聚晶金刚石前驱体原料包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀并相互粘结。这样能够使得前驱体粉料更加均匀，保证打印出的聚晶金刚石烧结体的质地均匀，力学性能优良。

进一步的，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。提供更多的选择，能够根据不同的原料成分和配比选用合适的成型剂，工艺选择更加灵活。

进一步的，在进行烧结前，去除坯体中的成型剂。这样能够保证烧结质量，进而保证复合超硬零件整体的结构强度和力学性能。

进一步的，所述3D打印采用上述的用于复合超硬材料的3D打印方法。这种方法能够将原料充分的混合均匀，在将通过拉丝制得的丝状原料送入打印机中进行3D打印时，能够打印出结构更加多变的聚晶金刚石烧结体，如此聚晶金刚石烧结体的形状以及内部层次将不受传统工艺的限制，极大的扩展了聚晶金刚石烧结体的变形性，同时也为满足一些聚晶金刚石烧结体的特殊性能需求提供了工艺支持，而且打印出的每一层质地均匀，梯度灵活可变，保证了聚晶金刚石烧结体力学性能的稳定。

本发明的复合超硬刀片包括：

硬质合金片体以及处于硬质合金片体表面的金刚石层，金刚石层在厚度方向上包括至少两层，且各金刚石层中有至少两层的晶粒度不同。

这种复合超硬刀片的金刚石层有至少两层的晶粒度不同，如此能够使金刚石层内部产生具有不同力学性能的梯度层，进而优化复合超硬刀片的力学性能，使其对于不同使用需求的适应性更好，而且不同层之间晶粒度的差异可变，层数可变，大大扩展了复合超硬刀片的适用范围。

进一步的，各金刚石层的晶粒度在远离硬质合金片体的方向上逐渐减小。这样能够保证刀片表层的切削能力，提高刀片整体的抗冲击能力。

本发明的拉丝模包括：

硬质合金模壳和聚晶金刚石模芯，聚晶金刚石模芯的中部具有成丝的模孔；

硬质合金模壳为环形，聚晶金刚石模芯处于环形的硬质合金模壳的内侧；

环形的硬质合金模壳的内周面具有向内凸出的凸部，聚晶金刚石模芯的外周面与硬质合金模壳的内周面适配。

这种内部结构的拉丝模，硬质合金模壳与聚晶金刚石模芯结合较为可靠，大大延长了拉丝模的使用寿命。

进一步的，硬质合金模壳的内周面为弧面，弧面向内凸出，且弧面的弧形凸起部分构成所述凸部。将硬质合金模壳与聚晶金刚石模芯之间的配合面设置为弧面，使聚晶金刚石模芯与硬质合金模壳之间的传力更加均匀，避免应力集中，提高了拉丝模的承力效果，延长了拉丝模的使用寿命。

本发明的具有梯度的聚晶金刚石烧结体为饼状或块状烧结体，饼状或块状烧结体从中部到边缘分为至少两层，且至少有两层的晶粒度不同。这种聚晶金刚石烧结体能够在从中部到边缘的方向上形成不同的晶粒梯度，进而具有不同的性能梯度，能够满足不同使用需求。

进一步的，从中部到边缘，各层的晶粒度逐渐减小。这样使边缘具有较高的耐磨能力和切削能力，中部具有较高的抗冲击能力，整体性能较佳。

进一步的，具有梯度的聚晶金刚石烧结体为圆饼状烧结体，圆饼状烧结体从中部到边缘呈同心环形分层。这样内部结构的圆饼状烧结体，从内向外梯度清晰均匀，在圆周方向上各层完整度好，烧结体整体结构强度较高，抗冲击性好。

附图说明

图1为本发明的超硬刀片的剖面图；

图2为本发明的包含有聚晶金刚石层的麻花钻的结构示意图；

图3为本发明的聚晶金刚石复合片的剖面图；

图4为本发明的拉丝模的剖面图；

图5为本发明的轴承辊子的剖面图；

图6为本发明的具有梯度的聚晶金刚石烧结体的剖面图。

图中：1、硬质合金层；20、第一聚晶金刚石层；21、第二聚晶金刚石层；3、硬质合金基体；30、过渡硬质合金层；40、第一过渡金刚石层；41、第二过渡金刚石层；42、表面金刚石层；5、硬质合金模壳；6、聚晶金刚石模芯；7、双螺旋基体；8、螺旋刃；90、圆柱状芯层；91、第一同心环形层；92、第二同心环形层；93、第三同心环形层；101、圆柱状硬质合金基体；102、聚晶金刚石层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明的用于复合超硬材料的3D打印方法的一种实施例：

本实施例中3D打印复合超硬材料的打印方法，包括混料、造粒、拉丝以及打印。

混料：将原料进行混合，以在硬质合金基体上打印金刚石层为例，原料包括金属粉、金刚石微粉、成型剂；金属粉包括：WC粉末和Co粉，粉末粒度不超2um，如1um或2um或1.5um等；金刚石微粉粒度分布在0.1-100um之间，如1um、10um、30um、50um、75um及80um等；成型剂采取水、橡胶、石蜡、聚乙二醇(PEG)中的至少一种。

原料混合包括以下两个阶段：

(1)预混料。原料配比：100％～0％金属粉和0％～100％金刚石微粉，根据打印位置的不同，金属粉和金刚石微粉的比例也不相同，比如在紧挨硬质合金基体表面打印时，可以适当提高金属粉的比例，降低金刚石微粉的比例，这样能够更好的使金刚石层与硬质合金基体结合，而在逐渐远离硬质合金基体的位置进行打印时，可以逐渐降低金属粉的比例，提高金刚石微粉的比例；例如，金属粉与金刚石微粉的比例可以为1：99或5:59或10:90或20:80或50:50或75:25或80:20或90:10或95:5或99:1，两者此消彼长；然后添加橡胶、石蜡、聚乙二醇(PEG)中的一种或多种成型剂，在转子混料机中进行初混，将金刚石粉、金属粉、成型剂混合均匀。

(2)密炼混料。将混好的粉料放入密炼机中(规格型号：ZG-0.2LKH型密炼机)进行混料密炼，密炼温度在100-200℃之间，如120℃或150℃或180℃，密炼时间在1-10h，如8h或5h或3h或2h，以使橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种构成的成型剂融化，从而将金刚石微粉、金属粉及成型剂密炼均匀并粘结在一起。

造粒：将密炼好的料通过颗粒造粒机进行造粒，通过造粒机从而得到所需大小的颗粒状。

拉丝：将造粒好的粉末颗粒放入挤出机中(规格型号：SJ-25/25型单螺杆挤出机)，把造粒的粉料倒入挤出机中，通过螺杆的旋转，将粉料向前推进,从而达到压实、熔融、混炼均化之目的，并通过加热的机筒，进行拉丝。

打印：将拉丝过的金刚石线采用4Max Pro2.0型3D打印机进行打印，喷嘴直径为1.75/0.4mm，喷头工作温度为260℃，打印速度为20-150mm/s，每层打印厚度在0.1-3mm。

当然，在其实施例中，也可以在原料混合过程中仅在密炼机中密炼混料，或者，在成型剂为水时，仅在转子混料机中进行预混料；挤出机也可采用其他型号单螺杆挤出机，3D打印机也可采用其他型号打印机。

而对于打印硬质合金基体，所需原料为硬质合金层原料，硬质合金层原料均包括前驱体粉料以及成型剂，硬质合金层原料的前驱体粉料包括WC、Co，Co质量比在5-15％，WC质量比在95-85％。在一些特殊需要时，还可以加以辅助添加剂构成原料，Co质量比在0-20％，WC质量比在60-99.9％，辅助添加剂的质量比在0.1-20％，辅助添加剂为Ni、Cr、Mo中的至少一种。

本发明的复合超硬刀具生产工艺的一种实施例：

本实施例中，生产工艺针对的复合超硬刀具具体为本发明的超硬刀片。

本发明的超硬刀片的结构如图1所示，其包括硬质合金层1以及处于硬质合金层1上的聚晶金刚石层，聚晶金刚石层在厚度方向上分为第一聚晶金刚石层20和第二聚晶金刚石层21，两层为一体结构，并无明显层状区分，但两层的晶粒度不同，处于靠近硬质合金层1的位置的第一聚晶金刚石层20的晶粒度大于处于远离硬质合金层1的位置的第二聚晶金刚石层20的晶粒度。当然，本发明的超硬刀片并不局限于金刚石层仅有两层，根据需要，金刚石层也可以有三层或更多层，当金刚石层有更多层时，多层中有至少两层的晶粒度不同，且靠近硬质合金层1的金刚石层的晶粒度大于远离硬质合金层1的金刚石层的晶粒度。

该超硬刀片在生产时，基于整体的一个工艺路线具体有三种具体的工艺方案。

第一种：配制硬质合金层前驱体粉料和金刚石层前驱体粉料，硬质合金层前驱体粉料可以为合金粉末，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂，在两种前驱体粉料中分别加入成型剂，然后将原料以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备打印成型出如以上介绍的结构形式的超硬刀片坯体；对超硬刀片坯体进行脱脂，即将超硬刀片坯体中的成型剂去除，且不改变超硬刀片坯体的结构、形状和尺寸，然后将超硬刀片坯体放入模具中进行高温高压烧结即可。

其中，需要说明的是，成型剂的主要作用为与前驱体粉料混合成能够供3D打印设备进行打印的、具有一定粘结力的浆料，可以为水或者其他具有一定粘结作用的有机物，例如橡胶、石蜡、聚乙二醇等。高温高压烧结的工艺方法与传统的聚晶金刚石刀具的烧结方法相同。在通过3D打印成型超硬刀片坯体时，可以沿超硬刀片的厚度方向上先打印出硬质合金层，然后再打印金刚石层，在打印金刚石层时，需要根据不同金刚石层的晶粒度要求选择不同配方的金刚石层前驱体粉料，也就是说，将金刚石层的多层打印面分为不同组，每一组对应于一层金刚石层，在打印形成一层金刚石层时，该层所对应的一组打印面的前驱体粉料与另一组打印面的前驱体粉料的配方不同，以形成不同的晶粒度。

当然，根据实际使用需要，硬质合金层也可以如金刚石层一样在厚度方向上分为两层以上，每层可具有包含一个打印面的厚度或多个打印面的厚度，两层以上的硬质合金层中有至少两层所使用的原料配方不同，而使硬质合金层具有所需的强度要求。

第二种：与第一种工艺方法不同的是，首先预制片状的硬质合金层作为基体，配制金刚石层前驱体粉料，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂，在金刚石层前驱体粉料中加入成型剂，然后以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备在基体上打印成型出金刚石层，并形成如以上介绍的结构形式的超硬刀片坯体；对超硬刀片坯体进行脱脂，即将超硬刀片坯体中的成型剂去除，且不改变超硬刀片坯体的结构、形状和尺寸，然后将超硬刀片坯体放入模具中进行高温高压烧结即可。

第三种：与第一种工艺方法不同的是，首先预制片状的硬质合金层作为基体，配制金刚石层前驱体粉料，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂，在金刚石层前驱体粉料中加入成型剂，然后以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备打印成型出金刚石层，将金刚石层置于预制的基体上并形成如以上介绍的结构形式的超硬刀片坯体；对超硬刀片坯体进行脱脂，将超硬刀片坯体中的成型剂去除，且不改变超硬刀片坯体的结构、形状和尺寸，然后将超硬刀片坯体放入模具中进行高温高压烧结即可。

本发明的复合超硬刀具生产工艺的第二种实施例：

本实施例中，生产工艺针对的复合超硬刀具具体为麻花钻。麻花钻的结构如图2所示，包括钻柄以及钻头，钻头为麻花形且为双螺旋结构，钻头包括中部双螺旋基体7以及处于双螺旋基体7的边缘的螺旋刃8，双螺旋基体7为硬质合金基体，螺旋刃8为聚晶金刚石层形成的刃。

该麻花钻在生产时，基于整体的一个工艺路线具体有两种具体的工艺方案。

第一种：配制硬质合金前驱体粉料和金刚石层前驱体粉料，硬质合金前驱体粉料可以为合金粉末，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂，在两种前驱体粉料中分别加入成型剂，然后以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备打印成型出如以上介绍的结构形式的麻花钻坯体；对麻花钻坯体进行脱脂，即将麻花钻坯体中的成型剂去除，且不改变麻花钻坯体的结构、形状和尺寸，然后将对麻花钻坯体烧结即可。

其中，需要说明的是，成型剂的主要作用为与前驱体粉料混合成能够供3D打印设备进行打印的、具有一定粘结力的浆料，可以为水或者其他具有一定粘结作用的有机物，例如橡胶、石蜡、聚乙二醇等。高温高压烧结的工艺方法与传统的聚晶金刚石刀具的烧结方法相同。在通过3D打印成型麻花钻坯体时，沿麻花钻的轴向逐层打印即可。整个打印过程中针对硬质合金基体部分可以采用同一种硬质合金前驱体粉料，针对金刚石层可以采用同一种金刚石层前驱体粉料。或者根据强度需要，可以在轴向逐层打印的过程中选择不同的硬质合金前驱体粉料和金刚石层前驱体粉料，以在轴向形成有梯度的强度变化。

第二种：与第一种工艺方法不同的是，首先预制硬质合金的双螺旋基体，配制金刚石层前驱体粉料，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂，在金刚石层前驱体粉料中加入成型剂，然后将原料以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备在基体上打印成型出金刚石层，并形成如以上介绍的结构形式的麻花钻坯体；对麻花钻坯体进行脱脂，即将麻花钻坯体中的成型剂去除，且不改变麻花钻坯体的结构、形状和尺寸，然后将对麻花钻坯体烧结即可。

本发明的一种聚晶金刚石复合片及本发明的聚晶金刚石复合片的生产工艺如下：

本发明的一种聚晶金刚石复合片的实施例如图3所示，包括圆柱状或棱柱状的硬质合金基体3以及处于硬质合金基体3一端的表层部分，表层部分包括靠近硬质合金基体3设置的过渡层以及处于过渡层的背向硬质合金基体一侧的表面金刚石层42，其中过渡层包括相间设置的过渡金刚石层和过渡硬质合金层30，如图所示，过渡金刚石层有两层，分别为第一过渡金刚石层40和第二过渡金刚石层41，过渡硬质合金层30有一层且处于两层过渡金刚石层之间，两层过渡金刚石层中有一层与硬质合金基体3相接。第一过渡金刚石层和第二过渡金刚石层以及表面过渡金刚石层的晶粒度均不同，且依次减小。硬质合金基体和过渡硬质合金层的配方不同，以具有不同的结构性能。

当然，过渡层的具体结构可以根据需要进行改变，例如，过渡层所包含的过渡金刚石层和过渡硬质合金层的总层数可以有四层或更多层，过渡金刚石层和过渡硬质合金层交替布置。

本发明的聚晶金刚石复合片生产工艺基于整体的一个工艺路线具体有三种具体的工艺方案。

第一种：配制硬质合金层前驱体粉料和金刚石层前驱体粉料，硬质合金层前驱体粉料可以为合金粉末，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石复合片中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂，在两种前驱体粉料中分别加入成型剂，然后将原料以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备打印成型出如以上介绍的结构形式的聚晶金刚石复合片坯体，称之为复合片烧结坯体；对复合片烧结坯体进行脱脂，即将复合片烧结坯体中的成型剂去除，且不改变复合片烧结坯体的结构、形状和尺寸，然后将复合片烧结坯体放入模具中进行高温高压烧结即可。

其中，需要说明的是，成型剂的主要作用为与前驱体粉料混合成能够供3D打印设备进行打印的、具有一定粘结力的浆料，可以为水或者其他具有一定粘结作用的有机物，例如橡胶、石蜡、聚乙二醇等。高温高压烧结的工艺方法与传统的聚晶金刚石复合片的烧结方法相同。在通过3D打印成型复合片烧结坯体时，可以沿复合片烧结坯体的厚度方向上先打印出硬质合金基体部分，然后再依次打印过渡层和表面金刚石层，或者也可以沿复合片烧结坯体的厚度方向上先打印出表面金刚石层，再依次打印过渡层和硬质合金基体。在打印过程中，针对硬质合金基体部分和过渡硬质合金层分别选用不同的硬质合金前驱体粉料，针对第一过渡金刚石层、第二过渡金刚石层以及表面金刚石层分别选用不同的金刚石层前驱体粉料。

第二种：与第一种工艺方法不同的是，首先预制柱状的硬质合金基体，分别配置对应于第一过渡金刚石层、第二过渡金刚石层以及表面金刚石层的三种金刚石层前驱体粉料以及对应于过渡硬质合金层的硬质合金前驱体粉料，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂。在前驱体粉料中加入成型剂，然后将原料以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备在基体上打印成型出过渡层和表面金刚石层，并形成如以上介绍的结构形式的复合片烧结坯体；对复合片烧结坯体进行脱脂，将复合片烧结坯体中的成型剂去除，且不改变复合片烧结坯体的结构、形状和尺寸，然后将复合片烧结坯体放入模具中进行高温高压烧结即可。

第三种：与第一种工艺方法不同的是，首先预制柱状的硬质合金基体，分别配置对应于第一过渡金刚石层、第二过渡金刚石层以及表面金刚石层的三种金刚石层前驱体粉料以及对应于过渡硬质合金层的硬质合金前驱体粉料，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂。在前驱体粉料中加入成型剂，然后将原料以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备打印成型出过渡层和表面金刚石层，将打印成型的过渡层和表面金刚石层置于硬质合金基体上并形成如以上介绍的结构形式的复合片烧结坯体；将复合片烧结坯体中的成型剂去除，且不改变复合片烧结坯体的结构、形状和尺寸，然后将复合片烧结坯体放入模具中进行高温高压烧结即可。

当然，同样可以采用本发明的聚晶金刚石复合片生产工艺加工现有的各种不同形状的聚晶金刚石复合片，例如针对传统的在硬质合金基体上设置金刚石层的聚晶金刚石复合片。

本发明的拉丝模的实施例如下：

如图4所示，拉丝模包括硬质合金模壳5和聚晶金刚石模芯6，硬质合金模壳5为环形，聚晶金刚石模芯6处于硬质合金模壳5内，且在硬质合金模芯6的中部具有成丝的模孔。为了提高聚晶金刚石模芯的靠近模孔位置处的强度，硬质合金模壳5的内周面的截面为向内凸出的弧形，相应地，聚晶金刚石模芯6的外周面与硬质合金模壳5的内周面相适配。当然，以上介绍的实施例中，硬质合金模壳5通过弧形内周面形成朝向聚晶金刚石模芯凸出的凸部，以提高模芯的靠近模孔处的强度，在其他实施例中，还可以将硬质合金模壳5的内周面的截面形状为多边形，以减小硬质合金模壳与模孔之间的距离，提高模孔处的强度。

本发明的拉丝模生产工艺基于整体的一个工艺路线具体有三种具体的工艺方案。

第一种：配制硬质合金层前驱体粉料和金刚石层前驱体粉料，硬质合金层前驱体粉料可以为合金粉末，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂，在两种前驱体粉料中分别加入成型剂，然后将原料以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备打印成型出如以上介绍的结构形式的拉丝模坯体；将拉丝模坯体中的成型剂去除，且不改变拉丝模坯体的结构、形状和尺寸，然后对拉丝模坯体进行高温高压烧结即可。

其中，需要说明的是，成型剂的主要作用为与前驱体粉料混合成能够供3D打印设备进行打印的、具有一定粘结力的浆料，可以为水或者其他具有一定粘结作用的有机物，例如橡胶、石蜡、聚乙二醇等。高温高压烧结的工艺方法与传统的聚晶金刚石烧结方法相同。在通过3D打印成型拉丝模坯体时，可以沿拉丝方向上逐层打印，且每个打印面包括处于外围的硬质合金部分和处于中部的聚晶金刚石部分，分别形成环形硬质合金坯体和金刚石模芯坯体。

这种方法能够将硬质合金模壳的与金刚石模芯的结合面设置撑如向内凸出的弧形或多边形的内凸环面，以此提高模芯的靠近模孔位置的强度。

第二种：与第一种工艺方法不同的是，首先预制环形的硬质合金模壳作为基体，环形的硬质合金基体的内周面为内凸环面，配制金刚石层前驱体粉料，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂，在金刚石层前驱体粉料中加入成型剂，然后将原料以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备在基体内打印成型出金刚石模芯坯体，并形成如以上介绍的结构形式的拉丝模坯体；将拉丝模坯体中的成型剂去除，且不改变拉丝模坯体的结构、形状和尺寸，然后对拉丝模坯体进行高温高压烧结即可。

这种方法能够将硬质合金模壳的与金刚石模芯的结合面设置撑如向内凸出的弧形或多边形的内凸环面，以此提高模芯的靠近模孔位置的强度。

第三种：与第一种工艺方法不同的是，首先预制片状的硬质合金层作为基体，环形的硬质合金基体的内周面为内凸环面，配制金刚石层前驱体粉料，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂，在金刚石层前驱体粉料中加入成型剂，然后将原料以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备打印成型出金刚石模芯坯体，并将金刚石模芯坯体置于硬质合金坯体内，形成如以上介绍的结构形式的拉丝模坯体；将拉丝模坯体中的成型剂去除，且不改变拉丝模坯体的结构、形状和尺寸，然后对拉丝模坯体进行高温高压烧结即可。

当硬质合金模壳基体的内周面为内凹环面时，可以在打印金刚石模芯坯体时，将金刚石模芯坯体在拉丝方向上分分瓣打印，然后将两半坯体相对放置于硬质合金基体内即可形成拉丝模坯体。

本发明的超硬轴承滚动件生产工艺基于整体的一个工艺路线具体有两种具体的工艺方案。

超硬轴承滚动件生产工艺能够生产如图5所示的轴承辊子，包括内部的圆柱状硬质合金基体101以及包裹于圆柱状硬质合金基体101外圆柱面上的聚晶金刚石层102。当然，也可以用于生产包括内部球形硬质合金基体以及包裹于球形硬质合金基体外表面的聚晶金刚石层。优化的设计，硬质合金基体外侧的聚晶金刚石层在从内向外的方向上分为多层，且从内向外，各层的晶粒度逐渐减小，这样能够使外表面具有较高的光滑度以及耐磨性，使内侧的抗冲击能力较好。

第一种：配制硬质合金层前驱体粉料和金刚石层前驱体粉料，硬质合金层前驱体粉料可以为合金粉末，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂，在两种前驱体粉料中分别加入成型剂，然后将原料以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备打印成型出轴承滚动件坯体；将轴承滚动件坯体中的成型剂去除，且不改变滚动件坯体的结构、形状和尺寸，然后对滚动件坯体进行高温高压烧结即可。

其中，需要说明的是，成型剂的主要作用为与前驱体粉料混合成能够供3D打印设备进行打印的、具有一定粘结力的浆料，可以为水或者其他具有一定粘结作用的有机物，例如橡胶、石蜡、聚乙二醇等。高温高压烧结的工艺方法与传统的聚晶金刚石烧结方法相同。在通过3D打印成型辊子坯体时，沿轴向上逐层打印。当超硬轴承滚动件为滚球时，可以沿滚球的某一直径方向逐层打印。其中，内部的硬质合金基体部分和外侧的聚晶金刚石部分可以分别通过两个喷嘴进行打印。

第二种：与第一种工艺方法不同的是，首先预制圆柱状或者球形的硬质合金基体，配制金刚石层前驱体粉料，金刚石层前驱体粉料为传统的聚晶金刚石刀具中制造金刚石层的原料，包括金刚石粉末以及结合剂，在金刚石层前驱体粉料中加入成型剂，然后将原料以上文所述复合超硬材料的3D打印方法通过3D打印设备基体的表面上打印成型出金刚石层，并形成滚动件坯体；将滚动件坯体中的成型剂去除，且不改变滚动件坯体的结构、形状和尺寸，然后对滚动件坯体进行高温高压烧结即可。

本发明的具有梯度的聚晶金刚石烧结体以及具有梯度的聚晶金刚石烧结体的生产工艺如下：

本发明的具有梯度的聚晶金刚石烧结体如图6所示，为圆饼状结构，且圆饼状烧结体从中部到边缘分为四层，四层同心布置且为一体结构，处于中部位置的为圆柱状芯层90，处于圆柱状芯层外围的从中部向边缘依次为第一同心环形层91、第二同心环形层92、第三同心环形层93。从中部到边缘四层的晶粒度依次减小，而使烧结体的性能从内向外有梯度变化，从另一个角度将，从中部到边缘的分层正是以晶粒度的变化而进行区分。当然，根据实际使用需要，聚晶金刚石烧结体也可以为其他形状，例如形状不规则的饼状或块状结构，聚晶金刚石烧结体可以从内部到边缘分为两层、三层或者五层以上。

在生产上述聚晶金刚石烧结体时，将聚晶金刚石前驱体原料通过3D打印逐层打印成型出圆饼状的烧结体坯体，将烧结体坯体中的成型剂去除，且不改变烧结体坯体的结构、形状和尺寸，然后对烧结体坯体进行烧结；其中，打印时可以沿圆饼状烧结体的轴向逐层打印，且打印时对应于不同层分别采用不同的聚晶金刚石前驱体原料；或者也可以针对圆饼状的烧结体坯体的每层分别打印，即在轴向逐层打印成型圆柱状芯层90后，逐次打印第一同心环形层91、第二同心环形层92、第三同心环形层93，当然，在打印每层时，对应的聚晶金刚石前驱体原料要进行调整。

其中，需要说明的是，成型剂的主要作用为与前驱体粉料混合成能够供3D打印设备进行打印的、具有一定粘结力的浆料，可以为水或者其他具有一定粘结作用的有机物，例如橡胶、石蜡、聚乙二醇等。高温高压烧结的工艺方法与传统的聚晶金刚石烧结方法相同。

以上的工艺过程中涉及到的脱脂工序即去除成型剂的工序具体如下：

由于成型剂的挥发温度在100℃-400℃之间，因此使用型号为ZX-XQ-6-12的真空箱式气氛炉进行加热，具体条件为升温速率为1-10℃/min，具体可为5℃/min或8℃/min或3℃/min；保温温度：200-800℃，具体可为300℃或450℃或600℃或700℃；保温时间：1-30h，具体可为10h或5h或8h或16h或20h或25h；降温为随炉冷却，全程保持真空环境。

以上通过介绍几种不同的生产工艺和复合超硬材料零件可知，本发明通过3D打印的方法首先成型复合超硬零件，然后对零件进行烧结，制得零件成品，如此大大降低了异形或者结构形状采用传统工艺很难实现的复合超硬零件的成型，极大的扩展了复合超硬材料的使用场合，增大了复合超硬零件结构的可变程度，满足了复合超硬零件的多样化设计需求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (62)

1.一种用于复合超硬材料的3D打印方法，其特征是，具体包括以下步骤：

混料，将复合超硬材料原料所包括的前驱体粉料以及成型剂混合均匀；

造粒，将混合均匀的原料放入造粒机中制出所需大小的颗粒状原料；

拉丝，将颗粒状原料放入挤出机中进行拉丝，制得丝状原料；

打印，将丝状原料送入3D打印机中进行打印，制得所需形状、结构的坯体。

2.根据权利要求1所述的用于复合超硬材料的3D打印方法，其特征是，复合超硬材料原料包括用于打印成型金刚石层部分的金刚石层原料以及用于打印成型硬质合金部分的硬质合金层原料。

3.根据权利要求2所述的用于复合超硬材料的3D打印方法，其特征是，金刚石层原料包括前驱体粉料以及成型剂，所述金刚石层原料的前驱体粉料包括金属粉和金刚石微粉，金属粉包括WC和Co。

4.根据权利要求3所述的用于复合超硬材料的3D打印方法，其特征是，WC粉和Co粉的粉末粒度不超过2um，金刚石微粉的粒度在0.1-100um之间。

5.根据权利要求2所述的用于复合超硬材料的3D打印方法，其特征是，硬质合金层原料均包括前驱体粉料以及成型剂，所述硬质合金层原料的前驱体粉料包括WC、Co，Co质量比在5-15％，WC质量比在95-85％。

6.根据权利要求2所述的用于复合超硬材料的3D打印方法，其特征是，硬质合金层原料均包括前驱体粉料以及成型剂，所述硬质合金层原料的前驱体粉料包括WC、Co以及辅助添加剂，Co质量比在0-20％，WC质量比在60-99.9％，辅助添加剂的质量比在0.1-20％，所述辅助添加剂为Ni、Cr、Mo中的至少一种。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的用于复合超硬材料的3D打印方法，其特征是，混料包括预混料和密炼混料，预混料在转子混料机中进行，密炼混料在密炼机中进行。

8.根据权利要求7所述的用于复合超硬材料的3D打印方法，其特征是，在密炼混料过程中，密炼温度在100-200℃，密炼时间在1-10h，以使橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种构成的成型剂融化。

9.根据权利要求1-6任意一项所述的用于复合超硬材料的3D打印方法，其特征是，在打印时，将丝状原料通过3D打印机进行打印，打印机喷嘴直径在1.75/0.4mm，喷头工作温度为260℃，打印速度为20-150mm/s，每层打印厚度在0.1-3mm。

10.根据权利要求1-6任意一项所述的用于复合超硬材料的3D打印方法，其特征是，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。

11.一种复合超硬刀具生产工艺，其特征是，包括以下步骤：

将复合超硬材料原料通过3D打印打印成型出所需形状、结构的复合超硬材料坯体；

烧结复合超硬材料坯体；

或者，

在预制基体上将复合超硬材料原料通过3D打印打印成型出所需形状、结构的超硬材料部分；

将预制基体及打印成型出的超硬材料部分一同烧结；

或者，

将复合超硬材料原料通过3D打印打印成型出所需形状、结构的超硬材料部分；

将超硬材料部分置于预制基体上，并将两者一同烧结。

12.根据权利要求11所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，复合超硬材料原料包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀。

13.根据权利要求12所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。

14.根据权利要求12所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，在进行烧结前，去除坯体中的成型剂。

15.根据权利要求11所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，复合超硬材料坯体包括金刚石层部分，金刚石层部分的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。

16.根据权利要求15所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，金刚石层部分的多层打印面沿打印顺序分为多组，相邻组打印面所使用的原料配方不同。

17.根据权利要求11所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，复合超硬材料坯体包括硬质合金部分，硬质合金部分的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。

18.根据权利要求17所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，硬质合金部分的多层打印面沿打印方向分为多组，相邻组打印面所使用的原料配方不同。

19.根据权利要求11所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，超硬材料部分包括金刚石层部分，金刚石层部分的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。

20.根据权利要求19所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，金刚石层部分的多层打印面沿打印方向分为多组，相邻组打印面所使用的原料配方不同。

21.根据权利要求11-14任意一项所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，复合超硬材料坯体包括金刚石层部分和硬质合金层部分，复合超硬材料原料包括用于打印成型金刚石层部分的金刚石层原料以及用于打印成型硬质合金部分的硬质合金层原料。

22.根据权利要求21所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，金刚石层部分的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。

23.根据权利要求11所述的复合超硬刀具生产工艺，其特征是，所述3D打印采用如权利要求1-10任意一项所述的用于复合超硬材料的3D打印方法。

24.一种聚晶金刚石复合片生产工艺，其特征是，包括以下步骤：

通过3D打印打印成型出包含金刚石层和硬质合金层的复合片烧结坯体；

对复合片烧结坯体进行烧结；

或者，

将聚晶金刚石层前驱体原料通过3D打印打印成型出所需形状、结构的金刚石层坯体；

将金刚石层坯体置于预制的硬质合金基体上，形成复合片烧结坯体；

烧结所述复合片烧结坯体；

或者，在预制硬质合金基体的端面，将聚晶金刚石层前驱体原料通过3D打印打印成型出所需形状、结构的金刚石层坯体；

将预制硬质合金基体和金刚石层坯体共同形成的复合片烧结坯体进行烧结。

25.根据权利要求24所述的聚晶金刚石复合片生产工艺，其特征是，通过3D打印成型出的复合片烧结坯体包括基体部分和处于基体部分端部的表层部分，所述基体部分包括硬质合金层，所述表层部分包括所述金刚石层。

26.根据权利要求25所述的聚晶金刚石复合片生产工艺，其特征是，所述表层部分包括硬质合金层，且硬质合金层处于相邻两金刚石层之间。

27.根据权利要求26所述的聚晶金刚石复合片生产工艺，其特征是，表层部分的金刚石层的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。

28.根据权利要求24所述的聚晶金刚石复合片生产工艺，其特征是，打印复合片烧结坯体的原料包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀并相互粘结；聚晶金刚石层前驱体原料包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀并相互粘结。

29.根据权利要求28所述的聚晶金刚石复合片生产工艺，其特征是，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。

30.根据权利要求28所述的聚晶金刚石复合片生产工艺，其特征是，在进行烧结前，去除坯体中的成型剂。

31.根据权利要求24所述的聚晶金刚石复合片生产工艺，其特征是，金刚石层坯体的多层打印面中，有至少两层打印面所使用的原料配方不同。

32.根据权利要求31所述的聚晶金刚石复合片生产工艺，其特征是，金刚石层坯体的多层打印面沿打印顺序分为多组，相邻组打印面所使用的原料配方不同。

33.根据权利要求24所述的聚晶金刚石复合片生产工艺，其特征是，所述3D打印采用如权利要求1-10任意一项所述的用于复合超硬材料的3D打印方法。

34.一种聚晶金刚石复合片，其特征是，采用如权利要求24-33任意一项所述的聚晶金刚石复合片生产工艺制得，包括：

硬质合金基体以及设于硬质合金基体端部的表层部分，所述表层部分包括靠近硬质合金基体设置的过渡层以及处于过渡层的背向硬质合金基体一侧的表面金刚石层，过渡层包括相间设置的过渡金刚石层和过渡硬质合金层，且有一层过渡金刚石层与硬质合金基体相接。

35.根据权利要求34所述的聚晶金刚石复合片，其特征是，过渡层中的各过渡金刚石层中，至少有两层的晶粒度不同。

36.根据权利要求34所述的聚晶金刚石复合片，其特征是，过渡金刚石层与表面金刚石层的晶粒度不同。

37.一种拉丝模生产工艺，其特征是，包括以下步骤：

通过3D打印逐层打印成型出所需形状、结构的拉丝模坯体；

拉丝模坯体的每层打印面包括处于中部的金刚石层模芯坯体以及处于外围的环形硬质合金坯体；

烧结所述拉丝模坯体；

或者，

预制环形硬质合金基体；

在环形硬质合金基体的内部沿其轴向逐层3D打印出金刚石层模芯坯体；

将预制环形硬质合金基体以及3D打印出的金刚石层模芯坯体共同形成的拉丝模坯体进行烧结；

或者，

预制环形硬质合金基体；

通过3D打印逐层打印成型出所需形状、结构的金刚石层模芯坯体；

将金刚石层模芯坯体装入预制环形硬质合金基体内形成拉丝模坯体；

烧结所述拉丝模坯体。

38.根据权利要求37所述的拉丝模生产工艺，其特征是，在通过3D打印逐层打印成型出所需形状、结构的拉丝模坯体的过程中，将环形硬质合金坯体的内周面打印成内凸环面，金刚石模芯坯体的外周面为硬质合金坯体的的内周面适配。

39.根据权利要求37所述的拉丝模生产工艺，其特征是，打印金刚石层模芯坯体和/或环形硬质合金坯体的原料均包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀并相互粘结。

40.根据权利要求39所述的拉丝模生产工艺，其特征是，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。

41.根据权利要求39所述的拉丝模生产工艺，其特征是，在进行烧结前，去除坯体中的成型剂。

42.根据权利要求37所述的拉丝模生产工艺，其特征是，所述3D打印采用如权利要求1-10任意一项所述的用于复合超硬材料的3D打印方法。

43.一种超硬轴承滚动件生产工艺，其特征是，包括以下步骤：

通过3D打印逐层打印成型出所需形状、结构的滚动件坯体；

滚动件坯体的每层打印面包括处于内部的硬质合金坯体以及处于外围的金刚石层坯体；

烧结所述滚动件坯体；

或者，

预制硬质合金基体；

在硬质合金基体的外表面逐层3D打印出金刚石层坯体，而形成滚动件坯体；

烧结所述滚动件坯体。

44.根据权利要求43所述的超硬轴承滚动件生产工艺，其特征是，打印硬质合金坯体的原料和/或打印金刚石层坯体的原料均包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀并相互粘结。

45.根据权利要求44所述的超硬轴承滚动件生产工艺，其特征是，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。

46.根据权利要求44所述的超硬轴承滚动件生产工艺，其特征是，在进行烧结前，去除坯体中的成型剂。

47.根据权利要求43所述的超硬轴承滚动件生产工艺，其特征是，所述3D打印采用如权利要求1-10任意一项所述的用于复合超硬材料的3D打印方法。

48.一种具有梯度的聚晶金刚石烧结体的生产工艺，其特征是，包括以下步骤：

将聚晶金刚石前驱体原料通过3D打印逐层打印成型出所需形状、结构的烧结体坯体；

对烧结体坯体进行烧结。

49.根据权利要求48所述的具有梯度的聚晶金刚石烧结体的生产工艺，其特征是，聚晶金刚石前驱体原料包括前驱体粉料以及成型剂，成型剂用于使前驱体粉料混合均匀并相互粘结。

50.根据权利要求49所述的具有梯度的聚晶金刚石烧结体的生产工艺，其特征是，所述成型剂为水、橡胶、石蜡、聚乙二醇中的至少一种。

51.根据权利要求49所述的具有梯度的聚晶金刚石烧结体的生产工艺，其特征是，在进行烧结前，去除坯体中的成型剂。

52.根据权利要求48所述的具有梯度的聚晶金刚石烧结体的生产工艺，其特征是，所述3D打印采用如权利要求1-10任意一项所述的用于复合超硬材料的3D打印方法。

53.一种复合超硬刀片，其特征是，采用如权利要求11-23任意一项所述的复合超硬刀具生产工艺制得，包括：

硬质合金片体以及处于硬质合金片体表面的金刚石层，金刚石层在厚度方向上包括至少两层，且各金刚石层中有至少两层的晶粒度不同。

54.根据权利要求53所述的复合超硬刀片，其特征是，各金刚石层的晶粒度在远离硬质合金片体的方向上逐渐减小。

55.一种拉丝模，其特征是，采用如权利要求37-42任意一项所述的复合超硬刀具生产工艺制得，包括：

硬质合金模壳和聚晶金刚石模芯，聚晶金刚石模芯的中部具有成丝的模孔；

硬质合金模壳为环形，聚晶金刚石模芯处于环形的硬质合金模壳的内侧；

环形的硬质合金模壳的内周面具有向内凸出的凸部，聚晶金刚石模芯的外周面与硬质合金模壳的内周面适配。

56.根据权利要求55所述的拉丝模，其特征是，硬质合金模壳的内周面为弧面，弧面向内凸出，且弧面的弧形凸起部分构成所述凸部。

57.一种具有梯度的聚晶金刚石烧结体，采用如权利要求48-52任意一项所述的复合超硬刀具生产工艺制得，其特征是，为饼状或块状烧结体，饼状或块状烧结体从中部到边缘分为至少两层，且至少有两层的晶粒度不同。

58.根据权利要求57所述的具有梯度的聚晶金刚石烧结体，其特征是，从中部到边缘，各层的晶粒度逐渐减小。

59.根据权利要求57所述的具有梯度的聚晶金刚石烧结体，其特征是，具有梯度的聚晶金刚石烧结体为圆饼状烧结体，圆饼状烧结体从中部到边缘呈同心环形分层。

60.一种超硬轴承滚动件，其特征是，采用如权利要求43-47任意一项所述的超硬轴承滚动件生产工艺制得；

包括柱状硬质合金基体，柱状硬质合金基体的外周面上包裹有聚晶金刚石层；

或者，包括球状硬质合金基体，球状硬质合金基体的外表面包裹有聚晶金刚石层。

61.根据权利要求60所述的超硬轴承滚动件，其特征是，所述聚晶金刚石层从内向外分为多层，至少有两层的晶粒度不同。

62.根据权利要求61所述的超硬轴承滚动件，其特征是，从内部到边缘，聚晶金刚石层的各层的晶粒度逐渐减小。

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