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硬质合金材料怎样兼顾硬度和强韧性

硬质合金材料是硬质合金的一种,具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定的特点,主要被用于制造金属加工刀具、矿山工具、耐磨零件。传统WC-Co 硬质合金材料内外组织均匀,机械性能一致,当材料的硬度较高时,耐磨性较好,但同时材料的强韧性会明显较低。反之,当强韧性较好时,材料的硬度则有所下降,材料的耐磨性将会因此而降低。可见对于传统WC-Co 硬质合金材料来说,硬度和强韧性是难以两全的。

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那么,如何解决硬质合金材料硬度和强韧性之间的矛盾呢?常见的方式是给硬质合金材料穿上坚硬的“盔甲”,也就是在强韧性较佳的硬质合金基体表面涂覆高硬度的PVD、CVD涂层。虽然这是一种有效的方法,但是涂层与硬质合金基体材料之间是一种物理结合,在使用过程中外载或热应力下难免会出现涂层剥落的现象。


然而痛点也是创新的突破点。根据3D科学谷的市场研究,一种硬质合金材料增材制造-3D打印工艺,在这种工艺中,硬质合金-金刚石复合材料中的WC-Co硬质合金层和金刚石层通过3D打印的方式实现层与层之间的结合。这种结合是通过化学键方式所进行的结合,相比传统的物理结合,这种结合方式更牢固,在使用过程中能够避免涂层的剥落,同时具有较好的硬度。

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采用的增材制造工艺为基于粉末床熔融的电子束熔化(EBM)3D打印技术,并基于这一工艺开展了对WC-Co硬质合金层-金刚石复合材料组分以及材料增材制造工艺参数的研究。材料的研究包括对WC-Co硬质合金中Co的质量含量、粒径,金刚石材料的粒径、纯度,以及两种材料的质量比等方面。在工艺参数方面,湖南伊澍智能制造探索了这种复合材料的3D打印参数,例如电子束熔化扫描的扫描速率、电流、熔化温度等。

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通过对以上工艺制造的样件,能够得到热导系数为500~550W/mK,摩擦系数为0.3~0.5,热膨胀系数为0.9~1.18×10-6,硬度值为4800~5000HV的硬质合金-金刚石复合材料,材料具有较好的硬度,冲击韧性为300~320J,能够很好的避免涂层的剥落。


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