【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种具有多层梯度结构的co-wc硬质合金及其制备方法与应用，尤其涉及一种采用3d打印技术与粉末冶金法相结合的生产工艺，属于硬质合金制造领域。
技术介绍
1、硬质合金是一种以难熔金属化合物(wc，tic，tac，nbc等)为硬质相，以过渡族金属(fe，co，ni)为粘结相，采用粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料。其具有高强度、高硬度、耐磨耐腐蚀性好等优势，在钻井、采矿、切削工具、耐磨零件等领域应用广泛。随着现代科学技术的发展，市场终端用户对硬质合金的使用成本、效率方面的要求越来越高，传统硬质合金难以同时具有高硬度和高韧性，无法满足未来制造业的发展需求，因此，需要开发出满足表层高硬度，下部高韧性的梯度结构硬质合金。
2、梯度结构硬质合金在组织结构上呈现出钴的梯度分布，由于表层wc含量较高，具有高的硬度和良好的耐磨性，而越接近合金下部其钴含量较高，具有很好的韧性，在凿岩过程中硬质合金在破坏之前能够承受更高的载荷，较好地解决了韧性与耐磨性之间的矛盾，从而受到广泛关注。但目前制备梯度结构硬质合金主要是通过渗碳法制备，较为流行的工艺有缺碳合金渗碳和低碳合金渗碳，但这两种方法的缺点均很明显，缺碳法核心技术是η相的分布控制，工艺的稳定性、重复性风险较大；低碳法依赖工艺设备的精确控制。因此，开发出一种制备梯度结构硬质合金的新方法，降低合金的成本，对于提高梯度硬质合金的应用具有重要的意义，是未来硬质合金的发展趋势。
技术实现思路
1、针对现有技术中co-wc硬质合金难以同时满
2、本专利技术的第二个目的是在于提供一种具有多层梯度结构的co-wc硬质合金的制备方法，该方法采用3d打印中的fdm制造工艺，能够优化产品性能，提高生产效率，有效控制生产成本，同时能精准控制梯度层中wc和co的含量。
3、本专利技术的第三个目的是在于提供一种具有多层梯度结构的co-wc硬质合金的应用，将其作为基于冲击荷载的硬质合金球齿的原料应用，可以充分利用其表层高硬度和底部高韧性的特殊性能，有效破碎岩石和传输能量，在增快破碎效率的同时延长材料的使用寿命。
4、为了实现上述目的，本专利技术提供了一种具有多层梯度结构的co-wc硬质合金，该多层梯度结构为从顶层到底层co含量逐层增加、wc含量逐层减少的n层梯度层结构，其中n大于4；所述梯度层结构中各层均由wc和co组成；所述顶层中wc的体积分数大于co的体积分数。
5、本专利技术的co-wc硬质合金通过将co含量设置成从顶层到底层逐层增加而wc含量逐层减少的梯度层结构，且顶层的wc的体积分数大于co的体积分数，可以使得合金的顶层的yg3硬度很高，从而可以充分破碎岩石的同时底层具有较高的韧性，从而不会轻易断裂。同时，采用层数大于4的梯度层渐变方式，可以保证合金在应用过程中保证荷载传递均匀，提高冲击能的缓冲效果，不产生突变。
6、作为一种优选的方案，所述n为4～18。本专利技术的co-wc硬质合金相对现有技术来说，梯度层层数较高，这主要是因为本专利技术的co-wc硬质合金的梯度层中每层的厚度比较薄，因而可以结合脱脂烧结和热等静压烧结进行多层致密叠加，从而保持了冲击荷载传递的连续性和均匀性，不会产生突变。专利技术人发现，若n过小时，则无法有效对冲击荷载进行缓冲，容易造成材料破碎。
7、作为一种优选的方案，所述梯度层结构中每层的厚度大于等于0.05mm，多层梯度结构的总厚度为0.2～20mm。本专利技术所制备的co-wc硬质合金的多层梯度结构的总厚度控制在传统工具的厚度之间即可，但是co-wc硬质合金需要同时保持良好的耐磨性和抗冲击性，因此需要控制梯度层结构中每层的厚度。梯度层结构的厚度过小时，在应用时，合金顶层破碎岩石的yg3硬度降低而底层的缓冲能力也下降，会导致其效果大大降低。而若梯度层结构中每层厚度过高时，一方面限制了梯度层的层数，导致其缓冲性能下降；另一方面会造成后续脱脂烧结和热等静压工艺上的困难，导致梯度层各层的界面结合力下降。
8、本专利技术还提供了一种具有多层梯度结构的co-wc硬质合金的制备方法，该方法是将wc粉末、co粉末和粘结剂按设计比例混合配制成n组不同wc和co含量的混合料；所述n组混合料分别经过密炼、制粒和拉丝得到n组丝线状材料；所述n组丝线状材料经过3d打印形成n组生坯；所述生坯经过脱脂和热等静压组装烧结处理，即得。
9、在本专利技术的制备方法中，通过先制得丝线状材料，然而再进行熔融挤出成型，可以充分的保证从喷嘴中挤出材料的均匀性。而通过3d打印工艺和粉末冶金的结合，可以实现精确打印出所设计的梯度结构层的同时精准控制梯度层的厚度。
10、专利技术人发现，通过结合3d打印技术可以打印出厚度极薄的且成分均匀的co-wc的梯度层，最薄的厚度仅为0.05mm，而传统的铺粉工艺在这种厚度下是无法控制材料的均匀性的。因而，本专利技术中梯度层的层数可以在保证硬质合金总厚度的情况下尽可能的多，从而实现co粉末含量的缓慢变化，减小了梯度层之间的结合难度，进一步提高了co-wc硬质合金的性能。
11、作为一种优选的方案，所述wc粉末和co粉末的体积分数比为(70～97％)：(3～30％)；进一步优选为wc粉末和co粉末的体积分数比为(80～97％)：(3～20％)。本专利技术的硬质合金中，wc为硬质相，co为粘结相，在本专利技术范围内若wc的含量越高则合金表现出高硬度，而co的含量增加时，合金则表现出高韧性。
12、作为一种优选的方案，所述wc粉末和co粉末的总质量和粘结剂的质量比为(4～8)：1。
13、作为一种优选的方案，所述wc粉末平均粒度为0.8～1.8μm，co粉末平均粒度为0.5～1.0μm。本专利技术技术方案中wc和co的粒径若过大时，配置浆料的过程中会出现严重的团聚现象而无法进行打印。进一步优选为wc粉末平均粒度为0.8～1.6μm，co粉末平均粒度为0.8～1.0μm。
14、作为一种优选的方案，所述粘结剂按照质量百分比计，由以下组分组成：聚甲醛25～75％、聚氯乙烯10～35％、聚氨酯5～35％、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物1～10％、邻苯二甲酸二辛酯1～10％、乙烯基双硬脂酰胺1～5％、石蜡1～5％。
15、作为一种优选的方案，所述密炼的条件为：温度为100～300℃，时间为1～2h。
16、作为一种优选的方案，所述拉丝的具体过程为：将颗粒料置入挤出拉丝机中，设定拉丝的温度为100～300℃、转速为10～300rpm进行拉丝，得到n组不同成分配比的直径为1～2mm的丝线状材料，并在牵引机上完成牵引收卷。进一步优选丝线状材料的直接为1.55～1.95mm。
17、作为一种优选的方案，所述3d打印的参数为：打印速度为10～300m本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有多层梯度结构的Co-WC硬质合金，其特征在于：所述多层梯度结构为从顶层到底层Co含量逐层增加、WC含量逐层减少的N层梯度层结构，其中N大于4；所述梯度层结构中各层均由WC和Co组成；
2.根据权利要求1所述的一种具有多层梯度结构的Co-WC硬质合金，其特征在于：所述梯度层结构中每层的厚度大于等于0.05mm，多层梯度结构的总厚度为0.2～20mm。
3.权利要求1或2所述的一种具有多层梯度结构的Co-WC硬质合金的制备方法，其特征在于：将WC粉末、Co粉末和粘结剂按设计比例混合配制成N组不同WC和Co含量的混合料；所述N组混合料分别经过密炼、制粒和拉丝得到N组丝线状材料；所述N组丝线状材料经过3D打印形成N组生坯；所述生坯经过脱脂和热等静压组装烧结处理，即得。
4.根据权利要求3所述的一种具有多层梯度结构的Co-WC硬质合金的制备方法，其特征在于：
5.根据权利要求3所述的一种具有多层梯度结构的Co-WC硬质合金的制备方法，其特征在于：所述粘结剂按照质量百分比计，由以下组分组成：聚甲醛25～75％、聚氯乙烯10～35％、
6.根据权利要求3所述的一种具有多层梯度结构的Co-WC硬质合金的制备方法，其特征在于：所述拉丝的具体过程为：将颗粒料置入挤出拉丝机中，设定拉丝的温度为100～300℃、转速为10～300rpm进行拉丝，得到N组不同成分配比的直径为1～2mm的丝线状材料，并在牵引机上完成牵引收卷。
7.根据权利要求4～6任一项所述的一种具有多层梯度结构的Co-WC硬质合金的制备方法，其特征在于：所述3D打印的参数为：打印速度为10～300mm/s，打印层厚为0.05～0.3mm，打印温度为100～350℃，喷嘴温度100～240℃。
8.根据权利要求7所述的一种具有多层梯度结构的Co-WC硬质合金的制备方法，其特征在于：所述脱脂过程在通有氢气的脱脂炉中采用阶梯式升温保温脱脂，步骤如下：以4～6℃/min的升温速率由室温升温至80～120℃，保温0.5～1h；然后以3～4℃/min的升温速率升温至230～270℃，保温2～2.5h；再以2.5～4℃/min的升温速率升温至380～420℃，保温1～1.5h；最后以2～2.5℃/min的升温速率升温至580～620℃，保温1.5～2h。
9.根据权利要求8所述的一种具有多层梯度结构的Co-WC硬质合金的制备方法，其特征在于：所述热等静压组装烧结的条件为：温度为1300～1500℃，烧结时间为30～90min，采用氩气作压力介质，压制压力为1～15MPa，压制时间为30～60min。
10.权利要求1或2所述的一种具有多层梯度结构的Co-WC硬质合金的应用，其特征在于：作为基于冲击荷载的硬质合金球齿的原料应用。
...【技术特征摘要】
1.一种具有多层梯度结构的co-wc硬质合金，其特征在于：所述多层梯度结构为从顶层到底层co含量逐层增加、wc含量逐层减少的n层梯度层结构，其中n大于4；所述梯度层结构中各层均由wc和co组成；
2.根据权利要求1所述的一种具有多层梯度结构的co-wc硬质合金，其特征在于：所述梯度层结构中每层的厚度大于等于0.05mm，多层梯度结构的总厚度为0.2～20mm。
3.权利要求1或2所述的一种具有多层梯度结构的co-wc硬质合金的制备方法，其特征在于：将wc粉末、co粉末和粘结剂按设计比例混合配制成n组不同wc和co含量的混合料；所述n组混合料分别经过密炼、制粒和拉丝得到n组丝线状材料；所述n组丝线状材料经过3d打印形成n组生坯；所述生坯经过脱脂和热等静压组装烧结处理，即得。
4.根据权利要求3所述的一种具有多层梯度结构的co-wc硬质合金的制备方法，其特征在于：
5.根据权利要求3所述的一种具有多层梯度结构的co-wc硬质合金的制备方法，其特征在于：所述粘结剂按照质量百分比计，由以下组分组成：聚甲醛25～75％、聚氯乙烯10～35％、聚氨酯5～35％、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物1～10％、邻苯二甲酸二辛酯1～10％、乙烯基双硬脂酰胺1～5％、石蜡1～5％；
6.根据权利要求3所述的一种具有多层梯度结构的co-wc硬质合金的制备方法，其特征在于：所述拉丝的具体过程为：将颗粒料置入挤出拉丝机中，设...
【专利技术属性】
技术研发人员：张绍和，唐傲宇，孔祥旺，张昊旸，吴晶晶，刘庆峰，林冬，陈礼干，赵登，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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