3D 젤 인쇄 첨가제로 만든 초경합 카바이드 WC-20Co 어셈블리

Abstract3D 젤 프린팅 (3DGP)은 금속 슬러리를 층별로 증착하고 겔화하여 3D 구성 요소를 만드는 새로운 제조 기술입니다. 여기서, 47-56 용적 % WC-20Co의 고형 부하를 갖는 하이드 록시 에틸 메타 크릴 레이트 (HEMA) 계 슬러리를 3DGP에 의해 직접 형성 한 다음 진공 오븐에서 소결시켰다. WC-20Co 슬러리는 3DGP 성형 공정에 유리한 적절한 유동 및 전단 박화 거동을 나타낸다. 프린팅 블랭크의 표면 거칠기 및 치수 정확도에 대한 3DGP 처리 파라미터 (인쇄 내경 및 충진 속도와 같은)의 효과를 연구했습니다. WC-20Co 슬러리의 레올 로지 특성, 소결 밀도, 소결 밀도 및 기계적 성질에 대한 고형 부하의 영향을 연구 하였다. 결과는 샘플이 적절한 정확도와 균일 한 미세 구조로 좋은 모양으로 인쇄 될 수 있음을 보여줍니다. 소결 된 샘플은 양호한 형태 유지 및 균일 한 미세 구조를 갖는다. 최고의 샘플 밀도, 경도 및 횡 항복 강도는 각각 13.55 g / cm3, HRA 87.7 및 2612.8 MPa입니다. 3DGP는 복잡한 모양의 WC-20Co 요소를 거의 그물 모양으로 만들 때 독특한 이점을 제공합니다. 1. Introduction WC-Co 초경합금은 연속적인 Co 매트릭스에 내장 된 경질 WC 입자로 구성되며 가장 중요한 금속 매트릭스 복합 재료 중 하나입니다. 그들은 현재 드릴링 및 절삭 공구, 스탬핑 다이, 부품 및 기타 특수 부품의 마모로 널리 사용되고 있습니다. WC 입자의 불 용해성으로 인해, 초경합금은 일반적으로 WC-Co 분말 성형체의 액상 소결이 일어나는 분말 야금 (PM) 공정을 사용하여 생산됩니다. 제품의 형상 복잡성은 다이 구조에 의해 심각하게 제한됩니다. 또한, WC-Co 초경 금속의 경도 및 강도 - 인성이 높기 때문에 WC-Co 초경합금을 가공하기가 어렵습니다. 복잡한 형상의 카바이드 부품을 제조하기 위해 전통적인 방법을 사용하는 것은 큰 도전 과제입니다. 근년에 가까운 그물 모양과 복잡한 부품을 제조하기에 적합한 첨가제 제조 (AM) 기술이 개발되어 여러 금속 재료의 생산에 적용되었습니다 스테인리스 스틸, 티타늄, 티타늄 합금 및 알루미늄 합금 (SLM) 등이 있습니다. 직접 금속 레이저 소결 (DMLS), 전자 빔 용해 (EBM) 등이 대표적이며 주류 기술입니다. 레이저 엔지니어링 네트워크 성형 (LENS)은 복잡한 형상과 거의 완벽한 밀도의 부품을 생산할 수 있습니다. 이러한 AM 공정에서, 금속 분말은 부품이 제조 될 때까지 레이저 / 전자 빔 층에 의해 선택적으로 적층된다. 그러나 WC-Co 초 경금속의 첨가제 제조에 관한 연구는 거의 없다. 첫째, WC-Co 초경합금은 WC 입자와 Co 매트릭스 재료로 구성되며, 두 재료의 융점은 매우 다릅니다. WC-Co 분말이 Co의 융점까지 가열 될 때, WC 입자는 고체 상태로 남아있게된다. 분말은 추가로 가열되고 Co는 증발하기 시작한다. 부분 용융은 제품의 밀도를 감소시킵니다. 이 문제를 해결하기 위해 일부 연구자들은 저 융점 금속과 같은 바인더를 추가하려고했습니다. Gu 외. Cu 분말과 WC-10Co 분말을 60:40의 중량비로 혼합하고, DMLS를 사용하여 50mm × 10mm × 9mm의 샘플을 제조 하였다. 다량의 Cu 때문에,이 샘플의 상대 밀도는 94.3 %에 이른다. 둘째, 이러한 분말 베드 융합 기술은 사용 된 분말에 대한 특정 요구 사항을 가지고 있습니다. SLM 및 EBM 공정에서 금속 분말은 롤러를 통해 전파되는 반면, DMLS 및 LENS는 일반적으로 동기식 분말 공급 시스템을 갖추고 있습니다. 균일하고 얇은 분말 층을 얻기 위해, 두 가지 분말 공급 유형 모두 양호한 유동성을 갖는 미세 분말 및 구형 분말을 필요로한다. 상업적으로 불규칙한 모양의 WC-Co 분말은 이러한 요건을 충족시키지 못합니다. 또한, 레이저 / 전자빔 가열 및 냉각 (즉, 소결 공정)은 매우 빠릅니다. 단지 몇 개의 WC 입자 만이 액상으로 용해 될 수 있습니다. 불완전 소결은 제품 성능을 저하시킬 수 있습니다. 마지막으로, 상기 기술은 비용이 많이 들며 코발트의 탈탄 및 증발을 수반하는 고진공 또는 불활성 가스 보호 시스템을 필요로한다. Bear et al. 는 LENS 공정에서 발생한 탄소 손실을 보충하기 위해 분말 화 된 공급 원료에 충분한 탄소가 없다는 것을 발견했습니다. 상기 기술은 많은 복잡한 부품을 생산할 수 있지만, WC-Co 초경합금의 생산에는 적합하지 않을 수 있습니다. WC-Co 초경 금속의 제조에있어서 상기 종래 기술의 한계 및 상기 AM 기술의 문제점을 해결하기 위해, 3D 겔 프린팅 (3DGP)이라 불리는 새로운 AM 공정이 제안되었다. 3DGP는 겔 사출 성형과 FDM (Fused Deposition Model)을 결합하고 3D 모델을 3D 솔리드로 변환하는 기능을 갖추고 있습니다. 그림 1 (a)는 설계된 3DGP 장치를 보여줍니다. 그림 1 (b)는 장치의 압출 및 증착 시스템의 확대도를 보여줍니다. 먼저 설계된 3D 모델을 일련의 2D 조각으로 잘라냅니다. 그런 다음 유기 단량체 용액의 분말 슬러리는 "잉크"로 사용되어 압축 공기의 특정 압력 하에서 3D GP 장비의 스크류 압출기로 운반됩니다. 동시에, 개시제 및 촉매는 동일한 스크류 압출기에 비례하여 전달된다. 재료는 완전히 혼합되고 노즐을 통해 압출 된 다음 인쇄 플랫폼에 부착됩니다. 짧은 시간 후에, 유기 단량체는 가교 결합되고 고체 분말은 3 차원 가교 중합체에 의해 제 위치에 유지된다. 이러한 방식으로, 슬러리는 층별로 선택적으로 증착되며, 이는 3D 모델의 사전 구성된 2D 슬라이스와 일치한다. 마지막으로, 입체 구조의 녹색 바디가 얻어진다. 인쇄 과정에서 녹색의 붕괴를 피하기 위해, 인쇄 플랫폼은 고정되어 있으며, 3DGP 장치의 프린트 헤드는 종래의 FDM 장치와는 다른 X, Y 및 Z 축을 따라 이동할 수있다. 전통적인 FDM 장치와 마찬가지로이 새로운 장치는 유연한 몰딩, 간단한 구조 및 정확한 제어의 장점을 가지고 있습니다. 건조 후 그린 바디는 진공 또는 대기로에서 탈지 및 소결됩니다. 그림 1 3DGP의 개략도 : (a) 3D 젤 프린팅 장치, (b) 압출 및 증착 시스템의 확대도, (c) 슬러리 필라멘트 및 (d) 세리 신 필라멘트의 증착. 겔 성형은 WC-8 wt % Co, 17-4PH 스테인리스 강, 고온 합금, Al2O3, Si3N4, SiC 등과 같은 다양한 금속 재료와 세라믹을 생산하는데 사용되어왔다. . 이는 다양한 원료 분말이 유기 단량체 용액에 안정적으로 분산 및 부유 될 수 있다는 것을 증명합니다. 즉, 3DGP는 금속, 금속 합금, 금속 매트릭스 복합 재료 및 세라믹을 비롯한 많은 재료를 형성 할 수있는 가능성이 크다는 것을 의미합니다. 복잡한 카바이드 부품에 대한 현재의 수요는 지속적으로 증가하고 있습니다. WC-20Co는 전형적인 초경합금입니다. 본 연구에서는 WC-20Co 슬러리를 인쇄 가능한 잉크로 사용하고 WC-20Co 성분의 첨가제 제조를 3DGP로 연구 하였다. 그 목적은 WC-20Co 복합 부품의 고밀도, 고 기계적 성질을 제조하고, WC-Co 경질 합금 부품의 근사 성형에서 3DGP의 실현 가능성과 실용성을 연구하는 데 있습니다. 준비 2.1. WC-20Co 슬러리 준비 본 연구에서는 평균 입경 2.7 ㎛의 상용 WC 분말과 평균 입경 46.5 ㎛의 Co 분말을 사용 하였다. 그림 2 (a)와 (b)는 각각 WC 분말과 Co 분말의 모양을 보여줍니다. 이들 원료를 WC 대 Co의 중량비가 80:20 인 볼 밀링 혼합물과 WC-20Co 분말을 5 : 1의 중량비로 혼합 한 초경합금 볼을 사용하여 혼합 하였다. 그림 2 (c)는 24 시간 분쇄 후 WC-20Co 복합 분말을 보여줍니다. 2 분말 재료의 형태 : (a) WC 분말, (b) Co 분말 및 (c) WC-20Co 복합 분말. 코발트의 산화를 방지하기 위해 비 하이드로 겔 시스템이 설계되었습니다. 톨루엔 및 히드 록시 에틸 메타 크릴 레이트 (CH2 = C (CH3) COOCH2CH2OH, HEMA)를 용매 및 유기 단량체로서 선택 하였다. 표 1은 WC-20Co 슬러리에 사용 된 겔 시스템을 나열합니다. 표 1. WC-20Co 슬러리 용 화학 시약 시스템. 솔벤트 유기 단량체 가교제 분산제 개시제 촉매 톨루엔 - 하이드 록시 에틸 메타 크릴 레이트 (HEMA) N, N'- 메틸렌 비스 - 아크릴 아미드 Solsperse-6000 벤조일 퍼 옥사이드 (BPO) 디메틸 아닐린 (TEMED) 실험에 사용 된 시약은 모두 분석적으로 순수했다. 먼저 HEMA (모노머)와 N, N'- 메틸렌 - 비스 아크릴 아미드 (가교제)를 80 : 1의 중량비로 혼합하고 HEMA 50 부피 %의 농도로 톨루엔에 용해시켜 전처리 물을 제조 하였다. 혼합물. 다음으로 WC-20Co 파우더를 미리 혼합 한 용액에 분산시켜 다른 고형분을 가진 슬러리를 제조 하였다. 분산제 Solsperse-6000 (ICI Co. USA, 무독성)을 일정 비율로 동시에 첨가 하였다. 이 WC-20Co 현탁액을 2 시간 동안 볼 밀링하여 균일 한 슬러리를 얻었다 .2.2. 3D 젤 인쇄 공정 위의 WC-20Co 슬러리는 적절한 압력으로 3D GP 장치에 전달되었습니다. 여기서는 내경이 0.5, 0.6 및 0.7 mm 인 3 개의 노즐이 사용된다. 표 2는 3DGP 프로세스의 인쇄 조건을 나열합니다. 베벨 커터를 예로 들어 이러한 인쇄 매개 변수를 기반으로 3DGP의 정확도와 표면 상태를 결정하기 위해 직사각형 샘플을 준비하고 분석했습니다. 3D 젤 프린팅 공정 후에, 그린 바디를 진공 오븐 내에서 60 ℃에서 8 시간 동안 건조시켰다. 건조 된 성형체를 700 ℃에서 1 시간 동안 탈지하고, 최종적으로 1360 ℃에서 1 시간 동안 진공 탄소 튜브로 (vacuum <2Pa)에서 소결시켰다. 표 2. 3DGP에 대한 인쇄 조건. 번호 인쇄 조건 노즐 지름 두꺼운 인쇄 속도 1 0.50 mm 0.35 mm 28 mm / s2 0.60 mm 0.45 mm 28 mm / s3 0.70 mm 0.55 mm 28 mm / s2.3. 측정 WC-20Co 슬러리의 점도는 25 ° C에서 NDJ-79 회전 점도계를 사용하여 테스트되었습니다. 열 중량 분석 (TGA) 및 시차 열 분석 (DTA)은 고순도 아르곤 흐름 하에서 가열 속도가 10 ℃ / 분인 경우 유기 결합제의 열 중량 손실 및 분해 동역학을 연구하기 위해 사용되었습니다. 아르 키 메데스의 원리는 녹색 밀도와 소결 밀도를 측정하는 데 사용되었습니다. 레이저 스캐닝 공 초점 현미경을 사용하여 3DGP 성형체의 표면 거칠기, 모양 및 단면 형태를 관찰했습니다. WC-20Co 분말의 외관 및 녹색 및 소결 된 샘플의 미세 구조가 주사 전자 현미경으로 관찰되었다. 소결 된 샘플의 경도는 다이아몬드 콘 및 60kg 하중을 갖는 로크웰 경도 시험기를 사용하여 시험 하였다. 5mm × 5mm × 35mm로 재단 한 소결 시험편의 굽힘 시험은 전자 범용 시험기에 의해 10mm / 분의 하중 속도로 수행되었다. 보고 된 각 데이터 세트는 3 ~ 5 개 샘플에서 얻은 속성을 기반으로합니다. 결과 및 토론 3.1. WC-20Co 슬러리의 유변학 적 거동 및 겔화 공정 슬러리의 품질은 두 가지 핵심 요소 인 고형분 및 점도에 따라 달라집니다. 무화과. 3은 20 s -1의 전단 율에서 WC-20Co 슬러리의 점도에 대한 고형 하중의 효과를 보여준다. 슬러리의 점도는 고체 하중에 따라 증가한다. 겔 사출 성형의 점도 요구 사항 (일반적으로 <1 Pa · s)과 달리 점도 (고형분 함량이 높음)는 3DGP 공정에서 사용될 수 있습니다. 3DGP 페이스트는 몰드로 채워질 필요는 없지만 노즐을 통해 압출 될 수 있도록 일정 정도의 유동성 (일반적으로 <3 Pa · s) 만 있으면됩니다. 그러나 과도한 점성은 WC-20Co 페이스트의 압출을 방해 할 수 있습니다. 예를 들어, 59vol %의 고체 함량을 갖는 슬러리는 너무 점성이어서 압출 될 수 없다. 이 연구에서, 3DGP에 의해 4 개의 다른 고형 부하 WC-20Co 슬러리가 직접적으로 인쇄되었다 : 47, 50, 53 및 56 vol %. 그림 3. WC-20Co 페이스트의 점도에 대한 고형 하중의 효과. 또한 WC -20Co 슬러리는 가소성 유체 특성을 나타낸다. 그림 4에서 보는 바와 같이 전단 속도가 증가함에 따라 WC-20Co 슬러리의 점도가 현저히 감소하여 전단 묽어 짐 거동을 나타냅니다. 이것은 WC-20Co 슬러리가 공기 압력과 교반으로 인한 높은 전단 속도로 흐를 수 있고 작은 직경의 노즐을 통해 특정 압력에서 압출 될 수 있음을 나타냅니다. 일단 슬러리가 압출되고 전단력이 사라지면, 슬러리 필라멘트는 응고 전에 짧은 유휴 시간 동안 퍼지기보다는 그들의 형상을 유지한다. 이 전단 담화 특성은 3DGP 공정에서 WC-20Co 슬러리의 압출 및 침착에 매우 유리합니다. 그림 4. WC-20Co 슬러리의 겉보기 점도와 전단 속도 사이의 관계. 촉매 dimethylaniline 첨가 사이의 유휴 시간이 있습니다 (TEMED) 및 개시제 벤조일 퍼 옥사이드 (BPO) 및 겔화 (가교 중합)의 개시를 포함한다. 자유 시간을 최적화하는 것이 3DGP의 핵심입니다. 정확한 유휴 시간에서 압출 시스템의 스크류는 WC-20Co 슬러리, 촉매 및 개시제를 강하게 교반 할 수 있으며 HEMA 단량체의 가교 중합이 슬러리의 압출 및 증착 후에 빠르게 발생하도록 할 수 있습니다. 다음 층을 인쇄하기 전에 슬러리의 이전 층은 성형체가 그 모양을 유지하고 자체 중량을 견딜 수 있도록 충분한 강도를 가져야합니다. HEMA의 교차 결합 중합 반응은 발열 반응이므로 온도계가있는 주문형 계기가 유휴 시간을 결정하는 데 사용됩니다. 이전의 연구에서 우리는 촉매 TEMED의 반응 속도에 상당한 영향을 발견했다. TEMED 농도는 안정성이 발생할 때 10 mmol / L 가교 반응이 일어난다. 촉매의 현저한 효과와는 달리, 개시제의 농도를 조정함으로써 유휴 시간 및 중합 속도를 최적화하는 것이보다 편리하다. 일단 WC-20Co 슬러리에 첨가되면, 개시제 BPO는 자유 라디칼로 분해되어 성공적으로 중합 반응을 개시합니다. 도 5는 56 부피 %의 고형분 함량을 갖는 WC-20Co 슬러리의 데드 타임에 대한 개시제 농도의 효과를 나타낸다. 결과는 WC-20Co 슬러리의 겔화가 조절 가능하다는 것을 보여줍니다. 유휴 시간은 개시제 농도가 증가함에 따라 감소합니다. 개시제 농도가 40 mmol / L 일 때 유휴 시간은> 20 분입니다. 그러나, 개시제 농도가 70mmol / L로 증가함에 따라 유휴 시간은 약 5 분으로 감소되었다. 농도가 100 mmol / L를 초과하면 충격의 최소 유휴 시간. 비슷한 패턴이 다른 고체 함량을 갖는 슬러리에 적용됩니다. 반복 실험의 결과에 따라 최적 용량의 개시제 (90 mmol / L)를 나타냈다. 이 최적의 무부하 기간 (약 2 분) 동안, WC-20Co 슬러리를 일정한 양의 촉매 및 개시제와 스크류 압출기에서 혼합 한 다음 노즐을 통해 압출시키고 최종적으로 20 초 내에 경화시켰다. 5 WC-20Co Slurry의 공시에 미치는 개시제 농도의 영향 3.2. 그린 바디의 특성화 WC-20Co 슬러리는 종래의 노즐을 통해 압출되었고 Barus 효과 (압출 된 팽창)로 인해 슬러리 필라멘트의 직경은 노즐의 내부 직경보다 약간 더 컸다. 그림 1 (c)에서 알 수 있듯이, 슬러리 필라멘트가 인쇄 플랫폼에 부착 된 후, 노즐 자체의 중력, 유동 학적 특성 및 노즐과의 약간의 접촉은 그림 1 (c)와 같이 반 타원형이된다. 유휴 시간을 제어함으로써, 인쇄 페이스트는 신속하게 경화 될 수 있고 다음 층이 압출되기 전에 충분히 강할 수있다. 그림 1 (d)는 3DGP 증착 공정의 개략도이다. WC-20Co 슬러리 필라멘트는 교차 적층되고 다음 층은 이전 층의 빈 공간을 채 웁니다. 앞서 언급 한 Barus 효과로 인해 정확한 충전 속도를 선택해야합니다. 충진 속도의 효과가도 6에 도시되어있다. 3 개의 상이한 충진 속도 샘플이 0.7 ㎜ 노즐 및 56 부피 % 고형분을 갖는 WC-20Co 페이스트로 인쇄되었다. 충진율이 100 % 일 때, WC-20Co 슬러리는 쌓이고 변형되어 제품의 형태를 손상시킵니다. 한편,도 1의 격자 구조에 나타낸 바와 같이, 도 6 (a)에 도시 된 바와 같이, 낮은 충전율은 미가공 바디의 낮은 밀도를 초래한다. 충전율이 92 % 인 경우 녹색 몸체가 잘 형성됩니다. 적절한 충전 속도는 슬러리 및 노즐 크기의 유변학 적 특성에 따라 선택됩니다. 그림 6 (a) 84 %, (b) 92 % 및 (c) 100 %. 노즐은 증착 된 층의 두께에 영향을 미치고 최종적으로 성형체의 표면 조도 및 치수 정확성을 결정합니다. 이것을 설명하기 위해, 3DGP에 의해 여러 가지 직경의 노즐과 WC-20Co 슬러리를 사용하여 56vol %의 고형물을 가진 여러 샘플을 만들었습니다. 3DGP 성형 정확도를 계산하기 위해 층 두께, 표면 조도, 형상 및 크기를 측정했습니다. 프린팅 된 샘플의 층 두께 및 표면 거칠기는 공 초점 레이저 스캐닝 현미경으로 연구되었다. 무화과. 도 7은 내경이 0.5, 0.6 및 0.7 mm 인 3 개의 노즐을 사용하여 3DGP에 의해 얻어진 그린 바디의 측면도이다. 이것은 슬러리 필라멘트가 시간의 경과에 따라 모양을 유지하고 층간의 결합이 양호 함을 나타냅니다. 표 3은 인쇄 된 성형체의 층 두께, 표면 거칠기 및 치수를 보여줍니다. 측정 된 층 두께 (각각 0.355mm, 0.447mm 및 0.552mm)의 결과는 표 2에 표시된 3DGP의 설정과 일치합니다. 노즐 직경이 커지면 인쇄 된 샘플의 표면 거칠기가 증가합니다. 직육면체 샘플을 내경 0.5 ㎜의 노즐을 사용하여 인쇄 한 경우, 8.13 ± 0.6 ㎛의 표면 조도 (Ra)가 얻어졌다. 노즐의 내경을 0.7㎜로 증가 시켰을 때, 샘플의 표면 거칠기 (Ra)는 19.98 ± 0.9㎛로 높았다. 표 3에서 알 수 있듯이이 인쇄 된 블랭크는 모두 3 차원 모델보다 약간 크지 만 건조 과정에서 약간 작아 모델에 더 가깝습니다. 도 8은 고체 용적이 56 부피 % 인 0.5 mm 노즐 및 WC-20Co 슬러리를 사용하여 인쇄 된 건조 직사각형 샘플을 도시한다. 그림 8 (b)에서 볼 수 있듯이 3DGP- bulit 샘플의 표면에는 명백한 기공, 파편 및 휨 결함이 없었습니다. 선 인쇄 마크는 입방체 샘플의 표면에서 여전히 보입니다. 결과는 3DGP 디바이스가 우수한 성형 능력을 가지고 있으며, 샘플을 준비하기 위해 미세 노즐을 사용하면 표면 조도가 낮아지고 치수 정밀도가 높아진다는 것을 알 수 있습니다. 도 8 (e)는 저배율 녹색 건조 샘플의 단면을 도시한다. 녹색 샘플 내부의 인쇄 레이어와 선 사이에는 인터페이스가 없습니다. WC-Co 페이스트는 하나씩 층별로 인쇄 되나 페이스트의 젖음성과 도포 성이 좋고 충진율이 적당하여 와이어와 층이 우수한 접착력을 갖습니다. 또한, HEMA의 교차 결합 중합은 인쇄 및 건조 단계 및 와이어와 층의 단단한 결합 중에 이러한 계면에서 여전히 발생합니다. SEM 이미지 (도 8 (f))로부터, 녹색 샘플은 균일 한 미세 구조를 가지며 WC-Co 입자는 균일하게 분포되어 있음을 알 수있다. 그림 7 : 3DGP에 의해 형성된 다른 노즐의 성형체의 측면 외관과 층 두께 : 0.5mm 노즐, (b) 0.6mm 노즐, (c) 0.7 mm 노즐. 표 3. 인쇄 된 녹색 몸체의 층 두께, 표면 거칠기 및 치수 및 건조 된 녹색 몸체의 치수. (3D 모델은 40mm × 20mm × 20mm입니다.) Fig. 8. 입체 모델, (b) 건조 된 시체, (c) 소결 된 샘플, (e) 고형분이 56 % 인 WC-20Co 슬러리를 사용하여 3DGP로 인쇄 된 입방 형 샘플. 저배율 하에서 건조 된 그린 바디의 단면적, 및 (f) 건조 된 그린 바디의 미세 구조. 고체 로딩은 그린 바디의 밀도에 영향을 미친다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 도 9에 도시 된 바와 같이, 적절한 노즐이 선택되고 적절한 충전율이 선택되면, 슬러리의 고형 부하가 증가함에 따라 녹색 밀도가 증가한다. 56 부피 %의 고체 하중에서, 녹색 밀도는 7.85 g / cm3이었다. 고형분 함량의 슬러리를 사용하면 고밀도 압 분체의 생성이 용이 해지고 건조 및 소결 중 수축을 감소시켜 고밀도 균질하고 매우 정확한 소결 부품을 얻을 수 있습니다. 합리적인 점도를 전제로하여, 가능한 한 많이 고체 하중을 증가시켜야합니다. 그림 9. WC-20Co 고체 하중이 다른 3D GP 샘플의 초록 밀도 및 소결 밀도 .3.3. 소결 시료 3DGP 공정은 유기 단량체 결합제 및 FDM의 현장 중합에 기초합니다. 소결 전에, 녹색 겔 중합체 (유기 바인더)가 분해되어 연소되어야한다. 유기 결합제의 열분해 속도를 조사하기 위해, 56 부피 % 고체 하중에서 WC-20Co 슬러리를 사용하여 인쇄 한 녹색 샘플을 10 ℃ / 분의 가열 속도로 흐르는 아르곤 대기에서 TG 및 DTA로 시험 하였다. . 그림 10에서 볼 수 있듯이 녹색 샘플은 톨루엔의 증발로 인해 흡열 반응을하며 저온 (<100 ° C)에서 더 밝아집니다. DTA 곡선은 약 450 ° C에서 강한 발열을 나타냅니다. 발열 피크에 해당하는 미생물 체는 300 ° C에서 500 ° C 사이에서 유의 한 체중 감량을 보입니다. 600 ℃로 가열하면 녹색 샘플은 3.08wt % 손실됩니다. 계산에 의해, 건조 된 녹색 샘플의 유기 함량은 3.02 중량 %였다. 온도가 600 ℃를 초과하면 성형체의 중량이 거의 변화하지 않는다. 결과는 약 600 ° C로 가열 한 후 녹색 고분자 겔이 완전히 연소되었음을 보여줍니다. 유기 바인더의 함량이 낮기 때문에 3DGP로 인쇄 된 녹색 샘플은 열 탈지 만 필요합니다. 3DGP는 대형 구성 요소를 형성 할 수 있습니다. WC-20Co 샘플은 노 온도 지연을 고려하여 700 ℃에서 1 시간 동안 어닐링되었다. 도 1의 도 8 (c)에 도시 된 바와 같이, 3DGP 제조 샘플의 소결시 수축이 균일 함을 명확하게 알 수있다. 소결 된 샘플은 휨이없이 형태를 유지하고 표면에 결함이 없습니다. 그림 10. 가열 속도가 10 ° C / min 인 3DGP 샘플의 DTA 커브 및 TG 곡선. 고체 하중이 증가함에 따라 소결 밀도는 3DGP 샘플이 증가합니다. 도 4의 밀도 데이터와 마찬가지로, 도 9에서, 56 부피 %의 고체 로딩을 갖는 WC-20Co 슬러리를 사용하여 인쇄 된 샘플은 이론 밀도의 99.93 %에 도달하는 13.55 g / cm3의 최대 밀도를 나타내었다. 그러나, 고체 하중이 47 체적 %로 감소되면, 소결 밀도는 12.01g / cm3 (이론 밀도의 88.58 %)에 불과하다. 고체 하중의 영향은 또한 소결 된 시료의 미세 구조에 반영됩니다. 체적 기준으로 최대 56 %의 고형 하중에서 SEM 이미지 (그림 11 (a))는 크랙이나 보이드가 관찰되지 않은 거의 완전한 치밀도를 가진 소결 샘플을 보여줍니다. 고형분 함량이 낮 으면, 즉 용매 함량 및 유기 결합제 함량이 높을 때, 용매의 증발 및 유기 결합제의 소각 (burn-out)은 많은 보이드를 유발하여 소결 고밀도화를 방해한다. 무화과. 도 11 (b)는 WC-20Co 슬러리의 고형 부하가 53 부피 %로 감소 될 때, 소결 된 샘플에 약간의 작은 구멍이 있음을 보여준다. 다수의 공극이도 5에서 관찰 될 수있다. 도 11 (c)는 50 부피 %의 고형분을 갖는 WC-20Co 슬러리를 사용하여 인쇄 된 샘플의 미세 구조를 도시한다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 도 11의 (d)에 도시 된 바와 같이, 솔리드 하중이 더 감소함에 따라 점점 더 많은 구멍이 나타난다. 탈지 및 소성 과정에서 용매 및 유기 바인더에 의해 남겨진 공극을 채우기에 충분한 액상이 없다. 이 결과로 WC-20Co 페이스트를 사용하여 47vol %의 고형분을 가진 샘플을 인쇄 할 때 낮은 밀도와 많은 보이드가 발생했습니다. 그림 11 (a) 56vol %, (b) 53vol %, (c) 50 부피 % 및 (d) 47 부피 %의 WC-20Co 슬러리를 소성 된 샘플의 3DGP 인쇄 된 SEM 이미지를 통해 분석 하였다. 그림 12는 WC-20Co 슬러리 고체 하중의 함수로서 소결 된 시료의 경도 변화를 보여줍니다. 부피 47 %의 고형물 로딩시, 경도 (HRA)는 단지 84.5이다. 고체 함량이 낮 으면 소결 밀도가 낮아 (다공성이 높음) 시료의 기계적 특성이 현저히 떨어집니다. 고체 하중이 증가함에 따라 경도가 크게 증가합니다. 56 vol % 고체 하중을 갖는 WC-20Co 슬러리를 사용하여 인쇄 된 샘플은 최대 경도 (HRA)가 87.7입니다. 그림 12. 다른 WC-20Co 고형 하중을 가진 소결 샘플의 경도 값. 비슷한 상황이 횡 밀림 강도 소결 된 샘플의 도 13에 도시 된 바와 같이, 샘플의 굴곡 강도는 고형 부하가 증가함에 따라 증가하는 것으로 관찰되었다. 파단 모양과 샘플의 미세 구조 (그림 14)도이를 확인했습니다. 도 1 및도 2에 도시 된 바와 같이, 도 14의 (b), (c), (d)에서, 샘플은 매우 낮은 굽힘 강도를 가지며, 53 %, 50 %, 및 47 %의 낮은 고체 하중에 의해 많은 구멍이 생겼다. 모공의 존재에도 불구하고, WC 입자가 균일하게 분포되고 이상 성장이 일어나지 않는 것을 볼 수있다. 높은 WC-20Co 함량 (56 vol %) 슬러리로 제조 된 샘플은 2612.8 MPa의 항복 강도를 보였다. 그림 13. 다른 WC-20Co 고형 하중으로 소결 된 샘플의 굽힘 강도 그림 14. WC-20Co 샘플의 파단 패턴 (a) 56vol %, (b) 53vol %, (c) 50vol % 및 (d) 47vol %의 서로 다른 고형물을 가진 슬러리를 사용하여 인쇄 하였다.도 15는 3DGP이며 1360 ° C에서 소결된다. 소결은 균등하게 줄어든다. 따라서 베벨 밀링은 모양 유지가 좋습니다. 3DGP 인쇄 된 샘플의 기계적 특성은 일반적인 인쇄 프레스 및 소결 기술로 제조 된 샘플의 기계적 특성과 유사합니다. 3DGP는 금형 (자유 성형)없이 복잡한 형상을 형성 할 수있는 고급 니어 성형 공정입니다. 인쇄 된 선은 경 사진 표면에서 볼 수 있습니다. 3DGP로 만든 부품은 사용 전에 광택을 내고 마무리해야합니다. 3DGP의 성형 속도는 여전히 매우 느립니다. 베벨 밀링을 인쇄하는 데 2 시간 46 분이 소요됩니다. 성형 외 공정으로 3DGP는 복잡한 형상의 한계를 극복하고 공정 흐름을 단순화합니다. 기술 및 장비 개발로 성형 정밀도 및 성형 속도가 점차 증가 할 것입니다. 3DGP는 WC-Co 초경 금속 부품의 근사 성형을위한 새로운 방법을 제공합니다. 그림 15. 3DGP.4로 인쇄 된 경사 타래. 결론 복합 WC-20Co 구성 요소는 WC-20Co 슬러리 층을 층별로 선택적으로 증착하는 3D 젤 프린팅이라는 새로운 AM 공정에 의해 가까운 그물 모양으로 성공적으로 생산되었습니다. 다음의 결론을 도출 할 수있다 : (1) 불규칙한 모양의 WC-20Co 복합 분말 및 톨루엔 -HEMA 겔 시스템을 사용하여 적합한 유동 학적 특성을 갖는 슬러리를 제조 할 수있다. Shear thinning 거동 및 제어 된 겔화 반응은 WC-20Co slury를 3DGP 공정에 적합하게 만든다. (2) 3DGP는 복잡한 녹색 시체를 만드는데 사용될 수있다. 미세 노즐을 사용하면 3DGP의 성형 정확도를 높이고 시료의 표면 거칠기를 줄일 수 있습니다. 패킹 율은 슬러리의 레올 로지 및 노즐 크기에 기초하여 선택되어야한다. 인쇄 된 샘플은 좋은 모양과 8.13 ± 0.6 μm의 표면 조도를 가지고 있습니다. 그린웨어의 바인더 함량이 낮 으면 3DGP가 대형 부품을 제조 할 수 있습니다. (3) WC-20Co 슬러리의 고체 하중을 증가 시키면 슬러리 점도, 녹 밀도, 소결 밀도 및 소결 된 샘플의 기계적 특성이 향상됩니다. 56vol % WC-20Co 슬러리를 사용하여 인쇄 된 소결 샘플은 13.55g / cm3 (이론 밀도의 99.93 %), 경도 87.7 (HRA) 및 2612.8MPa의 굴곡 강도를 갖는다. 또한, 미세 구조는 미세하고 균일 한 WC grain.Reference와 함께 균일합니다. 신화 왕위 장, 다우, 멩 구오, 쾅 광 첸, 웨이 웨이 양. 3D 젤 인쇄로 WC - 20Co 구성 요소의 추가 제조. 국제 난 학 금속 및 하드 재료 저널, 70 권, 2018 년 1 월, 페이지 215-223
출처 : Meeyou Carbide