一种硬质合金零部件及其制备方法、机械工具技术

本发明专利技术公开了一种硬质合金零部件及其制备方法、机械工具，属于3D打印技术领域。该硬质合金零部件具有至少两层的硬质合金层，每层硬质合金层中均同时含有硬质相和黏结相，硬质相和黏结相在至少两层硬质合金层中均分别沿硬质合金层的设置方向呈梯度变化。通过使硬质合金零部件中脆、韧两相在空间上呈梯度分布，相应地获得梯度变化的力学性能，从而使硬质合金零部件具有高硬度和高韧性的“双高”力学性能。其由3D打印而成的硬质合金零部件坯体烧结而得。该方法简单、易操作。将其用于机械工具，如切削工具、地质矿山工具或耐磨零部件中，可提高机械工具的硬度和韧性。

【技术实现步骤摘要】
一种硬质合金零部件及其制备方法、机械工具
本专利技术涉及3D打印
，具体而言，涉及一种硬质合金零部件及其制备方法、机械工具。
技术介绍
硬质合金材料是由难熔金属硬质化合物和黏结金属/合金组成的复合材料，可用于制造切削工具、地质矿山工具、模具和耐磨零部件。硬质合金零部件服役环境恶劣，常在不同位置有不同的性能要求，如地质矿山工具表面需求高硬度和高耐磨，而芯部必须有较高的抗弯强度和断裂韧性以抵抗挖掘冲击。目前硬质合金零部件的制备方法主要有粉末冶金法、熔体浸渗法和粉末燃烧合成法等，但这些方法制得的硬质合金零部件很难同时具有较高的硬度和韧性。鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的包括提供一种硬质合金零部件，其具有高硬度和高韧性的“双高”力学性能。本专利技术的第二目的包括提供一种上述硬质合金零部件的制备方法。本专利技术的第三目的包括提供一种含有上述硬质合金零部件的机械工具。本申请可这样实现：第一方面，本申请提供一种硬质合金零部件，其具有至少两层硬质合金层，每层硬质合金层中均同时含有硬质相和黏结相，硬质相和黏结相在上述至少两层硬质合金层中均分别沿硬质合金层的设置方向呈梯度变化。在可选的实施方式中，沿设置方向，硬质相的含量在20-90wt％范围内呈梯度变化，黏结相的含量在80-10wt％范围内呈梯度变化。在可选的实施方式中，硬质相由难熔金属硬质化合物形成，黏结相由黏结金属或黏结合金形成。在可选的实施方式中，难熔金属硬质化合物为TiC、WC、Ti(C,N)和Cr3C2中的至少一种。在可选的实施方式中，黏结金属包括Ni、Mo、Co、Fe及其合金中的至少一种。在可选的实施方式中，各层硬质合金层的孔隙率均小于0.02％。在可选的实施方式中，硬质合金层的层数为3层，3层硬质合金层由下至上依次设置。在可选的实施方式中，每层硬质合金层的厚度均不低于0.2mm。在可选的实施方式中，位于最下方的第一硬质合金层的厚度为28-32mm，位于最上方的第三硬质合金层的厚度为68-72mm，位于第一硬质合金层和第三硬质合金层之间的第二硬质合金层的厚度为74-76mm。在可选的实施方式中，硬质合金层的层数为2层，2层硬质合金层由内至外依次设置。在可选的实施方式中，位于内层的第一硬质合金层的宽度为68-70mm；位于外层的第二硬质合金层的厚度为0.15-0.25mm。第二方面，本申请提供如前述实施方式任一项的硬质合金零部件的制备方法，由3D打印的硬质合金零部件坯体烧结而得。在可选的实施方式中，硬质合金零部件坯体经以下方式得到：按3D打印数据，将含有不同含量的硬质相的硬质合金悬浮浆料喷射沉积，喷射沉积过程中辅以紫外光照射。在可选的实施方式中，按体积百分数计，硬质合金悬浮浆料中含有50-62％的硬质合金粉末、15-20％的光敏树脂、10-15％的活性稀释剂、2-5％的光引发剂、5-10％的溶剂、0.5-2％的分散剂和0.1-0.5％的消泡剂。在可选的实施方式中，硬质合金粉末含有20-90wt％的难熔金属硬质化合物，余量为黏结金属或黏结合金。在可选的实施方式中，硬质合金粉末的粒度为2-40μm。在可选的实施方式中，光敏树脂包括环氧丙烯酸酯树脂、双酚A环氧丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯中的至少一种。在可选的实施方式中，活性稀释剂包括二丙二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇双丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸盐中的至少一种。在可选的实施方式中，光引发剂包括2-苄基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉苯基)丁酮、2-羟基-2-甲基苯基丙酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦和对-N,N-二甲氨基苯甲酸异辛酯中的至少一种。在可选的实施方式中，溶剂包括丙酮、乙醇、氯仿中的至少一种。在可选的实施方式中，分散剂包括油酸、DP310高分子分散剂和EFKA-5064分散剂中的至少一种。在可选的实施方式中，消泡剂包括正丁醇和聚醚改性硅油中的至少一种。在可选的实施方式中，烧结于1280-1480℃的条件下进行。在可选的实施方式中，烧结前，还包括将硬质合金零部件坯体进行脱脂。在可选的实施方式中，脱脂是在保护氛围下，于400-800℃下保温1-4h。在可选的实施方式中，脱脂前，还包括将硬质合金零部件坯体进行干燥。在可选的实施方式中，干燥于40-80℃的条件下进行。第三方面，本申请提供一种机械工具，包括如前述实施方式任一项的硬质合金零部件。在可选的实施方式中，机械工具包括切削工具、地质矿山工具或耐磨零部件。本申请的有益效果包括：本申请通过使硬质合金零部件中脆、韧两相在空间上呈梯度分布，相应地获得梯度变化的力学性能，从而使硬质合金零部件具有高硬度和高韧性的“双高”力学性能。该硬质合金零部件由3D打印的硬质合金零部件坯体烧结而得，能够在保持3D打印技术自由成形能力、100％材料利用率、快速成形等特点的前提下，极大地降低了3D打印技术对粉末形貌和流动性的要求，实现了“双高”性能梯度结构硬质合金零部件的最优化设计和低成本打印。由此得到的硬质合金零部件用于加工机械工具，如切削工具或地质矿山工具等，可提高机械工具的硬度和韧性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。图1为实施例1中梯度结构高锰钢钢结硬质合金的制备工艺流程图。其中，图1(a)表示高锰钢钢结硬质合金悬浮浆料的制备过程，图1(b)表示梯度结构三维模型的设计过程；图1(c)表示多喷头3D打印成形过程；图1(d)表示干燥过程，图1(e)表示脱脂烧结过程。图2为实施例1中TiC含量按40wt％-30wt％-20wt％分布的零件三维模型。图3为实施例1的烧结态样品中TiC(硬质相)的空间梯度分布图。图4为实施例1的烧结态样品的不同区域的XRD曲线。图5为实施例1的烧结态样品的硬度变化图。图6为实施例1的烧结态样品的抗弯强度和冲击韧性变化图。图7为实施例2中的打印成型的梯度结构硬质合金齿轮图。图8为实施例2中的具有梯度结构硬质合金齿轮的显微组织图。图9为实施例2中的具有梯度结构硬质合金齿轮的密度和硬度变化图。图10为对比例1中传统粉末冶金方法制备的硬质合金显微组织图。图11为对比例2中未烧结致密的硬质合金零部件微观组织图。图标：1-硬质合金悬浮浆料供料系统；2-多喷头打印系统；3-紫外光发生器；4-梯度结构钢结硬质合金零件坯体；5-40wt％TiC合金层；6-30wt％TiC合金层；7-20wt％TiC合金层；8-20wt％WC-Co本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硬质合金零部件，其特征在于，所述硬质合金零部件具有至少两层硬质合金层，每层所述硬质合金层中均同时含有硬质相和黏结相，所述硬质相和所述黏结相在所述至少两层硬质合金层中均分别沿所述硬质合金层的设置方向呈梯度变化；/n优选地，沿设置方向，所述硬质相的含量在20-90wt％范围内呈梯度变化，所述黏结相的含量在80-10wt％范围内呈梯度变化。/n

【技术特征摘要】
1.一种硬质合金零部件，其特征在于，所述硬质合金零部件具有至少两层硬质合金层，每层所述硬质合金层中均同时含有硬质相和黏结相，所述硬质相和所述黏结相在所述至少两层硬质合金层中均分别沿所述硬质合金层的设置方向呈梯度变化；
优选地，沿设置方向，所述硬质相的含量在20-90wt％范围内呈梯度变化，所述黏结相的含量在80-10wt％范围内呈梯度变化。


2.根据权利要求1所述的硬质合金零部件，其特征在于，所述硬质相由难熔金属硬质化合物形成，所述黏结相由黏结金属或黏结合金形成；
优选地，所述难熔金属硬质化合物为TiC、WC、Ti(C,N)和Cr3C2中的至少一种；
优选地，所述黏结金属包括Ni、Mo、Co、Fe及其合金中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的硬质合金零部件，其特征在于，各层所述硬质合金层的孔隙率均小于0.02％。


4.根据权利要求1所述的硬质合金零部件，其特征在于，所述硬质合金层的层数为3层，3层所述硬质合金层由下至上依次设置；
优选地，每层所述硬质合金层的厚度均不低于0.2mm；
优选地，位于最下方的第一硬质合金层的厚度为28-32mm；位于最上方的第三硬质合金层的厚度为68-72mm；位于所述第一硬质合金层和所述第三硬质合金层之间的第二硬质合金层的厚度为74-76mm。


5.根据权利要求1所述的硬质合金零部件，其特征在于，所述硬质合金层的层数为2层，2层所述硬质合金层由内至外依次设置；
优选地，位于内层的第一硬质合金层的宽度为68-70mm；位于外层的第二硬质合金层的厚度为0.15-0.25mm。


6.根据权利要求1-5任一项所述的硬质合金零部件的制备方法，其特征在于，所述硬质合金零部件由3D打印而成的硬质合金零部件坯体烧结而得。


7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述硬质合金零部件坯体经以...

【专利技术属性】
技术研发人员：张欣悦，卢冰文，刘桦，李艳辉，王岳亮，董东东，马文有，李福海，陈兴驰，刘敏，
申请(专利权)人：广东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44