CN114799153B - 一种金属粉末、部件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对增材制造不锈钢模具使用寿命低的问题，提供了一种适用于增材制造的金属粉末及其制备方法。通过设计金成分含量，选用C：≤0.07；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.035；S：≤0.030；Ni：6.00‑8.00；Cr：15.0‑17.5；Cu：1.00‑2.50；Nb：0.15‑0.45；La和Ce：0.3‑2.0；余量为Fe的成分含量，实现了兼顾耐腐蚀性、耐开裂性能、硬度的优良综合性能，解决了不锈钢材料在增材制造模具领域的工业应用难题。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种可用于增材制造的模具钢粉末材料、部件及其制备方法。
技术背景
增材制造技术是快速成型技术的一种，它是一种以三维模型为基础，运用金属粉末或者塑料等可粘合材料，通过逐层扫描，层层堆垛的方式来构造出立体三维零件的技术。该技术结合了CAD/CAM、光学、数控及材料科学等各类学科，应用领域非常广泛，在珠宝、医疗、鞋类、工业设计、建筑、模具、航空航天、汽车、教育等都有应用前景。
在材料科学日益发展的现代，增材制造技术在注塑行业也越来越受到重视，针对各种注塑产品的模具设计越来越复杂，要求材料在散热、导热、增材制造成形性能方面有了更高的要求。结合增材制造技术，可以将模具钢材料加工成为具有内流道、透气结构等特殊散热导热设计的模具，进而提高模具的冷却效率、冷却效果和脱模效率，大幅提升不锈钢模具的经济性，降低企业生产成本。然而，实际使用中发现，现有技术通过增材制造的方法打印得到的模具，其使用寿命远远低于其他加工方式得到的模具。如何改善其使用寿命，是目前增材制造不锈钢模具的难题。
发明内容
针对现有技术中存在的使用寿命问题，本发明的一个方面，提供了一种适用于增材制造的金属粉末，该金属粉末包含如下重量百分比的各元素组分：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：6.00-8.00
Cr：15.0-17.5
Cu：1.00-2.50
Nb：0.15-0.45
La和Ce：0.3-2.0
余量为Fe。
根据本发明提供的金属粉末，所述la和Ce重量百分比之和为0.5％-2％。
根据本发明提供的金属粉末，所述La的含量为0.2％-1％。
根据本发明提供的金属粉末，所述Ce的含量为0.1％-1％。
根据本发明提供的金属粉末，所述La的含量为0.3％，所述Ce的含量为0.5％。
根据本发明提供的金属粉末，所述Cu的重量百分比为2-2.5％。
根据本发明提供的金属粉末，所述Ni的重量百分比为7.0-7.5％。
研发人员意外的发现，现有技术公开的不锈钢材料在增材制造加工过程中，由于内部设计复杂，细孔、微槽较多，容易在使用过程中产生电化学腐蚀失效，同时还有模具重复利用、高低温交替以及冷却液进入杂质等原因，模具会出现腐蚀现象，从而会引起模具提前失效或者引发生产事故。
初步研究发现，对于通过增材制造生产的设计结构复杂、内部加工面不平整的部件，采用打磨、电镀等方式，在复杂的模具产品中应用受到诸多条件的限制，无法广泛应用。
初步研究发现，借鉴常规的稀土元素，加入不锈钢材料中，一定程度上进一步提升了耐腐蚀的性能，其硬度也有一定程度的提升。但是，常规稀土元素的加入导致产品的耐开裂性能迅速恶化，导致打印的模具产品的成品率和循环使用性能迅速下降。无法兼顾其耐腐蚀性能和耐开裂性能，达不到预期的使用效果，并不具有工业应用价值。本发明通过设计不锈钢的组分含量，通过添加La、Ce元素，配合其他成分的设计调整，实现了兼顾耐腐蚀性、耐开裂性能、硬度的优良综合性能，解决了不锈钢材料在增材制造模具领域的工业应用难题。
本发明的另一个方面，提供了一种适用于增材制造的金属粉末的制备方法，该制备方法包括：
按照元素成分比例，将包含Ni、Cr、Cu、Nb元素的第一原材料熔炼，熔炼温度为1450-1700℃，形成第一熔体；
向第一熔体中加入包含La、Ce元素的第二原材料，熔炼0.1-0.2h，得到第二熔体；
对第二熔体进行雾化制粉，得到合金粉末。
所述金属粉末中，各元素的成分含量如下：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：6.00-8.00
Cr：15.0-17.5
Cu：1.00-2.50
Nb：0.15-0.45
La和Ce：0.3-2.0
余量为Fe。
根据本发明提供的金属粉末的制备方法，所述La的含量为0.2％-1％。
根据本发明提供的金属粉末的制备方法，所述Ce的含量为0.1％-1％。
研究发现，所述La、Ce元素的添加量过高，对于产品的耐腐蚀性能和综合性能无法进一步提高，不利于产品的成本控制。同时，对于产品的耐开裂性能有一定的负面影响，在一些优选的实施方式中，考虑到产品的成本、综合性能，所述La、Ce的含量优选为0.2％-1％。
根据本发明提供的金属粉末的制备方法，在一些优选的实施方式中，La、Ce的添加量分别为：La添加量为0.3％，Ce添加量为0.5％
根据本发明提供的金属粉末的制备方法，所述Cu的重量百分比为2-2.5％。
在一些试验中发现，所述Cu元素的含量对于综合性能有复杂的影响，过高的Cu元素添加量，与La、Ce同时加入时，产品的耐开裂性能急剧的降低，综合考虑产品的各项性能，所述Cu的重量百分比优选为2-2.5％。
根据本发明提供的金属粉末的制备方法，所述Ni的重量百分比为7.0-7.5％。
据本发明提供的适用于增材制造的金属粉末的制备方法，所述得到第一熔体之后，保温0.2-1h后，再加入包含La、Ce元素的第二原材料。
根据本发明提供的适用于增材制造的金属粉末的制备方法，所述雾化制粉的步骤的气压为3.8MPa-4.0MPa，熔炼室正压为12-20KPa。
本领域技术人员可以知晓，所述的第一原材料可以为一种或多种包含2种或2种以上元素的合金材料、中间合金，也可以为多种仅包含单一元素成分的纯金属锭。
可以理解的是，所述的合金材料、中间合金或者纯金属锭中可以包含一些无法去除的杂质成分。
在一些优选的实施方式中，所述第一原材料中的C：≤0.07，P：≤0.035，S：≤0.030。
根据本发明提供的适用于增材制造的金属粉末的制备方法，所述第二原材料为包含Ce和La的合金材料。
该工艺通过优化成分组、优化熔炼时间、温度，解决了La、Ce的加入问题，熔体的纯化问题，制备得到了适用于模具用增材制造，抗热腐蚀性能优良的合金粉末。
本发明的另一方面，还提供一种部件，所述部件由上述的金属粉末通过增材制造的方法制备得到。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本发明的全文中，如无特殊说明，各成分的含量均为重量百分含量，各成分的比均为重量百分比。
下述实施例的合金粉末制备方法包括如下步骤：
按照元素成分比例，将包含Ni、Cr、Cu、Nb元素的第一原材料熔炼，设定温度为1600℃，形成第一熔体；
向第一熔体中加入包含La、Ce元素的第二原材料，熔炼0.1-0.2h，得到第二熔体；
对第二熔体进行雾化制粉，得到合金粉末。筛选得到粒径为20-45μm的粉末进行增材制造打印。所述第一原材料为纯Ni、Cr、Cu、Nb金属原料，第二原材料为La、Ce合金。雾化制粉的步骤采用气雾化制粉工艺，气压为3.8MPa，熔炼室正压为15KPa。
下述示例的测试样品条通过下述增材制造工艺制备得到：
增材制造激光功率400W，扫描速度500mm/s,扫描间距50μm，粉末层厚30μm。成型样件形状按照拉伸测试样件要求打印。打印样件在500℃下时效处理50min后进行测试。
各实施例样品的耐腐蚀性能参照按照GB/T 24196-2009进行。
各实施例样品的硬度采用EM1500L维氏硬度测试仪进行测试。
各实施例样品的力学性能测试样件系通过上述的增材制造工艺打印样件，并对样品表面进行磨抛处理后，在拉力测试仪上进行测试。
各实施例样品的耐开裂性能通过SEM对产品表面形貌进行观察。
实施例1：
本示例合金粉末中，各元素的成分含量如下：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：6.0
Cr：16
Cu：1.0
Nb：0.3
La：1.0
Ce：1.0
余量为Fe。
实施例2
本示例合金粉末中，各元素的成分含量如下：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：7.0
Cr：16
Cu：2.0
Nb：0.3
La：0.5
Ce：0.5
余量为Fe。
实施例3
本示例合金粉末中，各元素的成分含量如下：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：7.5
Cr：16
Cu：2.5
Nb：0.3
La：0.3
Ce：0.2
余量为Fe。
实施例4
本示例合金粉末中，各元素的成分含量如下：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：8.0
Cr：16
Cu：1.0
Nb：0.3
La：0.1
Ce：0.2
余量为Fe。
对比例1
本示例合金粉末中，各元素的成分含量如下：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：7.0：开裂降低，同时，硬度降低，提高到6-8
Cr：16：改善力学性能，抗腐蚀性能
Cu：2.0：开裂敏感，降低到1-2.5％
Nb：0.3
余量为Fe。
对比例2：
本示例合金粉末中，各元素的成分含量如下：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：4.5
Cr：16
Cu：4.3
Nb：0.3
La：0.5
Ce：0.5
余量为Fe。
对比例3
本示例合金粉末中，各元素的成分含量如下：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：7.0
Cr：16
Cu：4.3
Nb：0.3
La：0.5
Ce：0.5
余量为Fe。
上述实施例、对比例记载的金属粉末通过增材制造的方式获得的样条，测试得到的性能如下所述：
通过实施例和对比例可以发现，La、Ce的加入，配合其他元素成分的设计，可以有效保障打印件的腐蚀电位、维氏硬度、抗拉强度和伸长率维持在较高的水平。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (6)
1. 一种适用于增材制造的金属粉末，其特征在于：该金属粉末包含如下重量百分比的各元素组分：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：7.0-7.5
Cr：15.0-17.5
Cu：2.00-2.50
Nb：0.15-0.45
La和Ce：0.3-2.0
余量为Fe。
2.如权利要求1所述的金属粉末，其特征在于：所述La的含量为0.2%-1%。
3.如权利要求1所述的金属粉末，其特征在于：所述Ce的含量为0.1%-1%。
4.一种适用于增材制造的金属粉末，其特征在于：该金属粉末包含如下重量百分比的各元素组分：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：7.0
Cr：16
Cu：2.0
Nb：0.3
La：0.5
Ce：0.5
余量为Fe。
5.一种适用于增材制造的金属粉末，其特征在于：该金属粉末包含如下重量百分比的各元素组分：
C：≤0.07
Si：≤1.00
Mn：≤1.00
P：≤0.035
S：≤0.030
Ni：7.5
Cr：16
Cu：2.5
Nb：0.3
La：0.3
Ce：0.2
余量为Fe。
6.一种金属部件，其特征在于，所述金属部件由权利要求1-5中任一项所述金属粉末通过增材制造工艺制备得到。
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2022
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