CN107385405B - 一种离子注入改性层深度可控的不锈钢部件及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种离子注入改性层深度可控的不锈钢部件，包括不锈钢基体和不锈钢基体表面的离子注入改性层，所述不锈钢基体采用3D打印不锈钢粉末制备，所述离子注入改性层的深度可根据实际需要进行设计，所述不锈钢基体表面分布有开口的微孔，且所述微孔尺寸随深度方向逐渐缩小直到封闭，所述离子注入改性层覆盖所述不锈钢基体表面和所述微孔的内表面。该不锈钢部件的制备工艺包括3D打印具有微孔表面结构的不锈钢基体、不锈钢基体微孔振动处理和离子常温注入处理等步骤。该制备工艺将3D打印快速成型技术和离子注入改性技术的优点相结合，获得的食品加工机械不锈钢部件离子注入改性层的深度可根据实际需要设计，具有长期而优异的耐磨性能，适用于压榨或粉碎等加工硬质物料的食品机械中。

Description

一种离子注入改性层深度可控的不锈钢部件及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种食品机械，更具体涉及一种食品加工机械不锈钢部件及其制备工艺。
背景技术
食品加工机械的工作条件和服役环境非常复杂，其中摩擦磨损是无法回避的问题，对于破碎和打浆类食品加工机械来说更是如此。以日常生活中经常接触的豆浆机、榨汁机和破壁机来说，其破碎或打浆部件需要在很宽的转速范围内工作，甚至需要达到每分钟数百上千转，在这样的条件下与大豆、果皮、果核等发生摩擦时，磨损现象是不可避免的，而对于食品加工生产企业的流水线来说，破碎和打浆类设备在连续不间断生产过程中的磨损问题更是需要得到很好地解决。这就对相关食品加工机械的耐磨性能提出了更高要求。而从食品安全角度考虑，采用不锈钢材质是食品加工机械的首选，但是随之而来的问题是不锈钢的耐磨性能较差，完全不能满足上述破碎和打浆过程中加工部件的性能要求，而对于任何机械部件来说其抗菌和耐磨都主要依靠表面来实现，因此需要大幅改善食品加工机械不锈钢部件表面的耐磨性能，使其可以服役更长的时间。在现有的表面处理技术中，离子注入表面改性因为可以获得与基体完全没有结合界面的改性层，不会出现诸如涂层或镀层等可能在加工食品过程中出现的剥落问题，从而具有很好的安全性，成为食品加工机械耐磨部件的最优选项。研究表明，采用常温离子注入处理可以确保不锈钢部件不变形，并通过离子注入层的成分和结构改变来提高不锈钢表面的耐磨性能。然而，离子注入改性层的深度成为限制食品加工机械不锈钢部件耐磨性能的关键。对于不锈钢来说，注入离子的能量、剂量和顺序都会影响离子注入改性层的深度，但大幅提高离子注入能量来增加注入深度的思路受限于离子注入设备本身而无法在实际应用中加以实现，离子注入剂量和顺序受限于离子达到饱和剂量后相互之间的溅射，同样无法获得足够深度的离子注入层。研究表明，氮离子为代表的非金属离子在不锈钢表面注入后的深度仅仅可以达到200-300纳米，而W、Mo等金属离子注入后不锈钢表面的离子注入改性层深度仅仅在100纳米左右，而这完全无法满足食品加工机械耐磨部件的实际需要。
因此，如何在常温状态下对不锈钢部件进行离子注入处理，通过获得足够深度的离子注入改性层，来满足食品加工机械不锈钢耐磨部件的需要，具有很重要的实际意义和市场前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种具有深度可控的离子注入改性层，可以长时间很好地满足食品机械实际加工过程中磨损工况的食品加工机械不锈钢部件及其制备工艺。
按照本发明提供的一种离子注入改性层深度可控的不锈钢部件，其采用的主要技术方案为：包括不锈钢基体和不锈钢基体表面的离子注入改性层，所述不锈钢基体采用3D打印不锈钢粉末制备，所述离子注入改性层的深度可根据实际需要进行设计，所述不锈钢基体表面分布有开口的微孔，且所述微孔尺寸随深度方向逐渐缩小直到封闭，所述离子注入改性层覆盖所述不锈钢基体表面和所述微孔的内表面。
本发明提供的一种离子注入改性层深度可控的不锈钢部件，还具有以下附属技术方案：
所述微孔均匀分布在所述不锈钢基体表面上，且所述微孔面积占所述不锈钢基体表面的比例为5％-20％。
所述微孔的深度范围为0.1-1000微米。
所述微孔内表面在深度方向的侧边轮廓线可以为直线、折线或者不规则形状线条。
所述3D打印不锈钢粉末的粒度为不超过50微米。
所述微孔在所述不锈钢基体表面的形状为圆形，所述圆形的直径为200-1000微米。
所述微孔在所述不锈钢基体表面的形状也可以为矩形或者正方形，所述微孔为轴对称结构，所述对称轴垂直于所述不锈钢部件基体表面，沿着包含所述对称轴的任意平面进行剖开所获得的剖面均对称于所述对称轴。
所述3D打印不锈钢粉末为316L不锈钢粉末。
所述离子注入改性层的离子种类可以是金属离子，也可以是非金属离子。
按照本发明提供的一种制备所述离子注入改性层深度可控的食品加工机械不锈钢部件的工艺，主要包括以下步骤：
(1)根据食品加工机械不锈钢部件的外形尺寸和实际需要，确定离子注入改性层的深度分布，并以此为基础确定微孔的深度、尺寸、分布和面积等参数，并将建立的相应数据模型导入3D打印机的软件系统；
(2)采用3D金属打印机利用选区激光熔化原理打印上一步设定的不锈钢部件基体，其中微孔位置只进行不锈钢粉末的铺粉，而不进行相应的激光熔化；
(3)将3D打印获得的不锈钢部件基体倒置后在密闭的高频振动装置上进行10-30分钟的充分振动处理，使得微孔中未进行激光熔化处理的不锈钢粉末从微孔中脱落，为防止不锈钢部件振动过程碰撞损伤，在振动装置密闭空间的四周均铺设橡胶皮垫，从而获得具有设定微孔结构的不锈钢表面；
(4)将上述不锈钢基体置于离子注入改性设备中，对带有微孔的不锈钢基体表面在真空度1×10-4-5×10-4Pa，平均离子电压50-80keV，加速电压20-40kV，离子注入剂量1×106-1×108离子/cm2的工艺条件下进行碳或氮等非不锈钢离子和钨或铬等不锈钢离子的注入处理，为了防止离子注入过程中不锈钢部件表面温度升高过大，采用间歇式注入方式来确保不锈钢部件表面的温度不超过150℃，即根据不锈钢部件的具体尺寸和升温情况，每注入10-30分钟就用不锈钢部件上方的挡板将不锈钢部件遮挡10-15分钟，暂停离子对其表面的轰击，使得不锈钢部件表面实现降温，从而实现不锈钢部件在离子注入过程中不会出现因温度过高导致变形或尺寸精度超标；
(5)获得本发明所述的离子注入改性层深度可控的食品加工机械不锈钢部件。
按照本发明提供的一种离子注入改性层深度可控的不锈钢部件及其制备工艺，与现有技术相比具有如下优点：
1、采用3D打印快速成型技术很好地实现了不锈钢部件表面的微孔结构，为离子注入改性层深度向不锈钢基体内部深入提供了很好的途径。本发明通过采用3D打印一次成型在不锈钢部件表面制备具有一定深度的微孔结构使得离子注入表面积大幅增加，特别是实现了在深度方向的直接扩展，使得离子注入能量、注入种类和剂量等因素的影响降低，更易于在实际加工中加以实现。如果采用传统机械加工或激光加工不仅很难获得相应的微孔结构，而且即使加工得到相应的微孔，也会在尺寸精度控制和不锈钢部件机械性能方面产生较大不利影响，而本发明很好地解决了这一问题。
2、微孔的尺寸设计兼顾了不锈钢部件的耐磨性能和整体结构的稳定性。所述微孔尺寸随深度方向逐渐缩小直到封闭，均匀分布在所述不锈钢基体表面上，面积占比为5％-20％，为轴对称结构，以上设计既实现了不锈钢基体无微孔的底部和有微孔的表层之间的一体化，实现了不锈钢基体支撑和表层耐磨的功能协同，又对表层从表面和深度三个维度出发避免了微孔面积过大、深度过深或微孔内部结构尺寸的突变对不锈钢表层机械性能的较大影响，确保其整体结构的稳定。
3、微孔的结构设计有效解决了不锈钢部件表面离子注入改性层深度有限的现状，确保了不锈钢食品机械部件耐磨性能的长效性。所述微孔尺寸随深度方向逐渐缩小直到封闭，微孔在所述不锈钢基体表面的形状为圆形，直径为200-1000微米，深度范围为0.1-1000微米，最大程度上实现了离子注入过程中微孔内表面对注入离子的充分接触和开放，并成功实现了离子注入改性层深度向不锈钢基体内部的拓展，当表面的离子注入改性层完全磨耗后，每一个微孔外层都将成为硬度较高的小区域进一步体现出优异的耐磨性能，直到微孔结构全部被耗尽，从而实现离子注入改性层在微孔深度范围内对耐磨性能的贡献。
4、制备工艺中的充分振动处理确保了微孔中粉末的充分脱落，在振动装置密闭空间的四周均铺设橡胶皮垫金属铜对不锈钢部件进行了充分的保护，采用间歇式离子注入工艺均最大程度上避免了温度升高可能对不锈钢部件整体性能的影响，确保了不锈钢部件的尺寸精度。
附图说明
图1是本发明的不锈钢部件表面结构示意图。
图2是本发明的不锈钢部件离子注入处理前的微孔剖面结构示意图。
图3是本发明的不锈钢部件离子注入处理后的微孔剖面结构示意图。
具体实施方式
参见图1-图3，按照本发明提供的一种离子注入改性层深度可控的不锈钢部件实施例，包括不锈钢基体1和不锈钢基体表面的离子注入改性层3，其特征在于，所述不锈钢基体1采用3D打印不锈钢粉末制备，所述离子注入改性层3的深度可根据实际需要进行设计，所述不锈钢基体1表面分布有开口的微孔2，且所述微孔2尺寸随深度方向逐渐缩小直到封闭，所述离子注入改性层3覆盖所述不锈钢基体1表面和所述微孔2的内表面。本发明通过采用3D打印一次成型在不锈钢部件表面制备具有一定深度的微孔结构使得不锈钢基体1的离子注入表面积大幅增加，特别是实现了在深度方向的直接扩展，使得离子注入能量、注入种类和剂量等因素的影响降低，使不锈钢部件表面可以实现多种离子在较宽的注入剂量条件下获得足够的离子注入深度，更易于在实际加工中加以实现，为离子注入改性层深度向不锈钢基体内部深入提供了很好的途径。特别之处在于，微孔结构的设计有效解决了不锈钢部件表面离子注入改性层深度有限的现状，确保了不锈钢食品机械部件耐磨性能的长效性。
参见图1和图2，根据本发明上述的实施例，所述微孔2均匀分布在所述不锈钢基体1表面上，且所述微孔2面积占所述不锈钢基体1表面的比例为5％-20％。所述微孔2的深度范围为0.1-1000微米。所述微孔2的面积比例和深度均需要根据食品加工机械不锈钢部件的实际工况具体确定。所述微孔2内表面在深度方向的侧边轮廓线可以为直线、折线或者不规则形状线条。所述微孔2在所述不锈钢基体1表面的形状为圆形，所述圆形的直径为200-1000微米。所述微孔2在所述不锈钢基体1表面的形状也可以为矩形或者正方形，所述微孔2为轴对称结构，所述对称轴垂直于所述不锈钢部件基体1表面，沿着包含所述对称轴的任意平面进行剖开所获得的剖面均对称于所述对称轴。微孔2的上述设计最大程度上实现了离子注入过程中微孔内表面对注入离子的充分接触和开放，并成功实现了离子注入改性层深度向不锈钢基体内部的拓展，既实现了不锈钢基体无微孔的底部和有微孔的表层之间的一体化，实现了不锈钢基体支撑和表层耐磨的功能协同，又对表层从表面和深度三个维度出发避免了微孔面积过大、深度过深或微孔内部结构尺寸的突变对不锈钢表层机械性能的较大影响，确保其整体结构的稳定，同时兼顾了不锈钢部件的耐磨性能。当表面的离子注入改性层完全磨耗后，每一个微孔外层都将成为硬度较高的小区域进一步体现出优异的耐磨性能，直到微孔结构全部被耗尽，从而实现离子注入改性层在微孔深度范围内对耐磨性能的贡献。
根据本发明上述的实施例，所述3D打印不锈钢粉末为316L不锈钢粉末。所述3D打印不锈钢粉末的粒度为不超过50微米，该粒度范围可以确保3D打印过程中较高的成型质量和后期没有进行重熔处理的粉末颗粒易于从微孔中脱落。所述离子注入改性层3的离子种类可以是金属离子，如W、Mo、Cr、Zr、Ni或Al等，也可以是非金属离子，如C或N，还可以是两种或两种以上的金属离子、非金属离子、或金属离子和非金属离子。
根据本发明上述的实施例，一种制备所述离子注入改性层深度可控的食品加工机械不锈钢部件的工艺，主要包括以下步骤：
(1)根据食品加工机械不锈钢部件的外形尺寸和实际需要，确定离子注入改性层3的深度分布，并以此为基础确定微孔2的深度、尺寸、分布和面积等参数，并将建立的相应数据模型导入3D打印机的软件系统；
(2)采用3D金属打印机利用选区激光熔化原理打印上一步设定的不锈钢部件基体1，其中微孔2位置只进行不锈钢粉末的铺粉，而不进行相应的激光熔化，该步骤可以获得所需要的微孔2，该加工工艺具有很大的独有优势，如果采用传统机械加工或激光加工不仅很难获得相应的微孔结构，而且即使可以加工得到相应的微孔，也会在尺寸精度控制和不锈钢部件机械性能方面产生较大不利影响，而本发明很好地解决了这一问题。
(3)将3D打印获得的不锈钢部件基体1倒置后在密闭的高频振动装置上进行10-30分钟的充分振动处理，使得微孔2中未进行激光熔化处理的不锈钢粉末从微孔中脱落，为防止不锈钢部件振动过程碰撞损伤，在振动装置密闭空间的四周均铺设橡胶皮垫，从而获得具有设定微孔结构的不锈钢表面；
(4)将上述不锈钢基体1置于离子注入改性设备中，对带有微孔2的不锈钢基体1表面在真空度1×10-4-5×10-4Pa，平均离子电压50-80keV，加速电压20-40kV，离子注入剂量1×106-1×108离子/cm2的工艺条件下进行碳或氮等非金属离子和钨或铬等金属离子的注入处理，为了防止离子注入过程中不锈钢部件表面温度升高过大，采用间歇式注入方式来确保不锈钢部件表面的温度不超过150℃，即根据不锈钢部件的具体尺寸和升温情况，每注入10-30分钟就用不锈钢部件上方的挡板将不锈钢部件遮挡10-15分钟，暂停离子对其表面的轰击，使得不锈钢部件表面实现降温，从而实现不锈钢部件在离子注入过程中不会出现因温度过高导致变形或尺寸精度超标；
(5)获得本发明所述的离子注入改性层深度可控的表面离子注入改性层深度可控的食品加工机械不锈钢部件。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种离子注入改性层深度可控的不锈钢部件，包括不锈钢基体和不锈钢基体表面的离子注入改性层，其特征在于，所述不锈钢基体采用3D打印不锈钢粉末制备，所述离子注入改性层的深度可根据实际需要进行设计，所述不锈钢基体表面分布有开口的微孔，且所述微孔尺寸随深度方向逐渐缩小直到封闭，所述离子注入改性层覆盖所述不锈钢基体表面和所述微孔的内表面；所述微孔均匀分布在所述不锈钢基体表面上，且所述微孔面积占所述不锈钢基体表面的比例为5％-20％；所述微孔的深度范围为0.1-1000微米；所述微孔内表面在深度方向的侧边轮廓线为直线、折线或者不规则形状线条；所述3D打印不锈钢粉末的粒度为不超过50微米；所述微孔在所述不锈钢基体表面的形状为圆形，所述圆形的直径为200-1000微米；所述微孔在所述不锈钢基体表面的形状为矩形，所述微孔为轴对称结构，所述对称轴垂直于所述不锈钢部件基体表面，沿着包含所述对称轴的任意平面进行剖开所获得的剖面均对称于所述对称轴；所述3D打印不锈钢粉末为316L不锈钢粉末；所述离子注入改性层的离子种类是金属离子，或是非金属离子；所述离子注入改性层深度可控的不锈钢部件的制备工艺，主要包括以下步骤：
(1)根据食品加工机械不锈钢部件的外形尺寸和实际需要，确定离子注入改性层的深度分布，并以此为基础确定微孔的深度、尺寸、分布和面积参数，并将建立的相应数据模型导入3D打印机的软件系统；
(2)采用3D金属打印机利用选区激光熔化原理打印上一步设定的不锈钢部件基体，其中微孔位置只进行不锈钢粉末的铺粉，而不进行相应的激光熔化；
(3)将3D打印获得的不锈钢部件基体倒置后在密闭的高频振动装置上进行10-30分钟的充分振动处理，使得微孔中未进行激光熔化处理的不锈钢粉末从微孔中脱落，为防止不锈钢部件振动过程碰撞损伤，在振动装置密闭空间的四周均铺设橡胶皮垫，从而获得具有设定微孔结构的不锈钢表面；
(4)将上述不锈钢基体置于离子注入改性设备中，对带有微孔的不锈钢基体表面在真空度1×10-4-5×10-4Pa，平均离子电压50-80keV，加速电压20-40kV，离子注入剂量1×106-1×108离子/cm2的工艺条件下进行碳或氮非金属离子和钨或铬金属离子的注入处理，为了防止离子注入过程中不锈钢部件表面温度升高过大，采用间歇式注入方式来确保不锈钢部件表面的温度不超过150℃，即根据不锈钢部件的具体尺寸和升温情况，每注入10-30分钟就用不锈钢部件上方的挡板将不锈钢部件遮挡10-15分钟，暂停离子对其表面的轰击，使得不锈钢部件表面实现降温，从而实现不锈钢部件在离子注入过程中不会出现因温度过高导致变形或尺寸精度超标；
(5)获得所述的离子注入改性层深度可控的不锈钢部件。
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