一种3D打印制造硬质合金的方法技术

本发明专利技术涉及一种3D打印制造硬质合金的方法，包括将硬质合金原料粉末与有机粘结剂湿磨混和、喷雾干燥制粒、挤压成丝材、用3D打印成形、脱蜡烧结。本发明专利技术的方法借助3D打印成形制造复杂形状的硬质合金零件，大大拓展了硬质合金的应用范围。与现有3D打印方法相比，原料粉末容易制备，成形坯体均匀，不会造成粉末的浪费。同时本发明专利技术的方法与传统硬质合金生产方法接近，便于实现工业化生产，制造成本较低。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印制造硬质合金的方法
本专利技术属于3D打印
，具体涉及3D打印制造硬质合金的方法。
技术介绍
硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物(碳化钨、碳化钛)粉末为主要成分，以钴(Co)或镍(Ni)、钼(Mo)为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度，因其具有很高的硬度和耐磨性。硬质合金刀具、工模具、耐磨零件在汽车、船舶、飞机、电机、电子器件、超大规模集成电路、精密机床、冶金、采矿、石油勘探等行业具有广泛的应用，它的出现使机械加工产生了革命性的进展，被誉为“工业的牙齿”。由于硬质合金硬度高，加工非常困难，只能采用磨削、电加工的方式进行，因此硬质合金采用粉末冶金法制造，成形和烧结。但实际需求中，仍有一些形状复杂的零件，采用模具成形困难，或者根本无法采用模具成形，这就限制了硬质合金的应用。能够用于制造复杂形状零件的方法，如注射成形、粉浆浇注、凝胶注模成形，都需要制造复杂模具，提高了零件制造成本。并且，其零件复杂程度也有局限性。3D打印技术的出现，为制造形状复杂的零件提供一种有效的方法。与传统制造技术相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造过程中去除大量的材料，也不必通过复杂的工艺就可以得到形状复杂的最终产品，因此，在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等，也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反应工程。因此，3D打印产业受到了国内外越来越广泛的关注，将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。在3D打印中，选区激光烧结(SLS)或电子束选区熔化(EBM)能将金属粉末直接打印烧结成最终零件，对于金属钛和不锈钢已经获得成功应用。但对于硬质合金这种两种性质相差较大的复合材料，其中WC属于陶瓷类，熔点高；而Co属于金属，熔点低。虽然激光达到的温度足以将WC熔化，但达到WC熔化温度时，Co会蒸发，凝固后合金组织无法满足作为硬质合金的要求。如烧结温度控制在仅使Co熔化，由于硬质合金烧结需要在液相维持一定时间，这在SLS或EBM中会造成成形结构坍塌。并且硬质合金的烧结对于致密度以及碳含量的控制都有很高的要求，这在SLS或EBM中也无法实现。在3D打印中，熔丝堆积法(FDM)法是一种最为便捷的工艺，并且随着技术进展，其3D打印成形精度和表面光洁度等指标也都达到了较高的水平。现有的FDM只是成形塑料等有机制品。
技术实现思路
为克服现有的硬质合金制造方法以及3D打印方法的不足，本专利技术提供一种3D打印制造硬质合金的方法。本专利技术的技术方案是提供一种3D打印制造硬质合金的方法，其特征在于包括如下步骤：将硬质合金原料粉末与有机粘结剂湿磨混和得到料浆，所述有机粘结剂的含量为40～55vol.％；将所述料浆喷雾干燥制粒得到颗粒状混合料；将所述混合料挤压成丝材；将所述丝材装入3D打印机打印成形得到坯体；将所述坯体脱蜡烧结得到最终制品。进一步，所述有机粘结剂包括石蜡以及聚乙二醇、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇中的一种或两种。进一步，所述有机粘结剂中石蜡的比例为28～38wt.％。与现有硬质合金制造方法相比，例如模压、等静压、注射成形、挤压成形，本专利技术借助3D打印能制造形状更加复杂的硬质合金制品，大大拓展了现有硬质合金的应用范围。并且省去了模具制造，节约制造成本。与现有硬质合金制造方法相比，本专利技术方法成形的复杂形状坯体的密度更加均匀，最终烧结制品的尺寸精度更高。现有的制造方法都借助模具成形，在粉料与模具接触时，由于摩擦力存在，都为导致表面与内部存在坯体密度的差异，这种差异将在最终烧结的制品上反映出收缩不均匀，尺寸精度低。与现有3D打印方法相比，本专利技术方法原料粉末容易制备，不会造成粉末的浪费。对于原料粉末没有特殊要求，可以直接使用现有硬质合金工业中的原料。并且对于混合料喷雾干燥后的颗粒粒度和形状也没有很高的要求，与现在硬质合金工业相同。而现有的粉末3D打印技术中，为了满足粉末的输送，对粉末的粒度、粒度分布以及形状的要求高，制造困难，成本高。综上所述，本专利技术的方法与传统硬质合金生产方法接近，便于复杂形状硬质合金制品实现工业化生产，制造成本较低。具体实施方式硬质合金硬度高、强度大，是非常重要的工模具材料以及耐磨材料。传统的硬质合金制造方法为粉末冶金法，即将陶瓷相WC与金属相Co混合、加入有机粘结剂造粒、压制成形、脱脂烧结。一旦烧结完成，硬质合金很难加工，通常需要金刚石工具磨削以及电加工方式。因此，硬质合金成形和烧结后要尽可能达到最终制品形状和尺寸。3D打印技术的熔丝沉积法，是3D打印技术中设备和工艺最为便捷的一种方法，将熔丝沉积法用于制备复杂形状硬质合金，能够以较低成本实现复杂形状制品的工业化生产，达到商品实用化。现有熔丝沉积法中，采用的是塑料类材质的丝材。因此，本专利技术方法中，为了实现硬质合金的熔丝沉积法成形，就需要制备出适用于熔丝沉积法的并且含有硬质合金原料的丝材。因此，本专利技术的方法中，首先将硬质合金粉与有机粘结剂球磨混合，球磨时加入有机溶剂。其中有机粘结剂的含量为40～55vol.％，有机粘结剂的含量过少，难以熔化下来，3D过程无法连续进行。而且成形坯体中孔隙等缺陷较多。当有机粘结剂含量过多时，烧结过程收缩大，容易变形，最终制品的致密度达不到要求。有机粘结剂包括石蜡以及聚乙二醇、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇中的一种或两种。石蜡熔点低，熔化后粘度小，但其强度低，其单独作为粘结剂不能得到有足够强度的丝材。聚乙二醇、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇这些有机化合物熔点高，粘度大，混入粉末后粘度会更大，难以连续熔化堆积。因此将其二者组合使用。优选地，有机粘结剂中石蜡的比例为28～38wt.％。将上述硬质合金粉末与有机粘结剂球磨时加入液体球磨介质，例如酒精、汽油、二甲苯等，使所有物料混合均匀，并起到保护物料的作用。将球磨好的料浆用喷雾干燥设备将液体球磨介质蒸发，并且同时使物料干燥成较大的颗粒，使物料有较好的流动性。然后用挤压机挤压成丝材，供3D打印机熔丝堆积成硬质合金坯体。硬质合金坯体经过脱蜡烧结后成为最终硬质合金制品。下面结合具体实施例对本专利技术作进一步阐述。实施例1将WC粉和Co粉以及石蜡、聚乙烯装入球磨桶，其中有机粘结剂在所有物料中的含量55vol.％，石蜡与聚乙烯的重量比为28：72，并加入酒精进行球磨，原料粉末与有机粘结剂湿磨混和得到料浆；将所述料浆喷雾干燥制粒得到颗粒状混合料；将所述混合料挤压成丝材；将所述丝材装入熔丝沉积法3D打印机打印成形得到坯体；将所述坯体脱蜡烧结得到最终制品。实施例2将WC粉和Co粉以及石蜡、聚丙烯装入球磨桶，其中有机粘结剂在所有物料中的含量40vol.％，石蜡与聚乙烯的重量比为38：62，并加入酒精进行球磨，原料粉末与有机粘结剂湿磨混和得到料浆；将所述料浆喷雾干燥制粒得到颗粒状混合料；将所述混合料挤压成丝材；将所述丝材装入熔丝沉积法3D打印机打印成形得到坯体；将所述坯体脱蜡烧结得到最终制品。实施例3将WC粉和Co本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种3D打印制造硬质合金的方法，其特征在于包括如下步骤：将硬质合金原料粉末与有机粘结剂湿磨混和得到料浆，所述有机粘结剂的含量为40～55vol.％；将所述料浆喷雾干燥制粒得到颗粒状混合料；将所述混合料挤压成丝材；将所述丝材装入3D打印机打印成形得到坯体；将所述坯体脱脂烧结得到最终制品。

【技术特征摘要】
1.一种3D打印制造硬质合金的方法，其特征在于包括如下步骤：将硬质合金原料粉末与有机粘结剂湿磨混和得到料浆，所述有机粘结剂的含量为40～55vol.％；将所述料浆喷雾干燥制粒得到颗粒状混合料；将所述混合料挤压...

【专利技术属性】
技术研发人员：林涛，王志，邵慧萍，韩宇超，何新波，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11