CN107419234B - 一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，由不锈钢基体、不锈钢基体表面的氮离子注入层和不锈钢基体表面的微孔组成，所述微孔中充满金属铜，所述不锈钢基体采用3D打印不锈钢粉末制备，所述微孔均匀分布在所述不锈钢基体表面上，所述微孔尺寸随深度方向逐渐增大且所述微孔底部尺寸最大，所述氮离子注入层覆盖所述不锈钢基体表面和所述微孔的内表面，所述氮离子注入层在所述不锈钢基体表面和所述微孔的内表面的厚度为20‑300纳米。该不锈钢部件的加工工艺包括3D打印具有微孔表面结构的不锈钢基体、氮离子常温注入处理和金属铜液滴注入等步骤。本发明的一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件兼顾优异的耐磨性能和抗菌性能，而且对不锈钢部件的外形结构和尺寸适应性很强，可以满足食品加工机械中直接与食品接触的关键部件的耐磨抗菌和安全性要求。

Description

一种耐磨抗菌的食品加工机械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的不锈钢部件及其制备工艺。
背景技术
随着社会的发展和人们对食品安全的要求日渐提高，对食品加工机械部件，特别是可能或者直接与被加工食品之间相互接触的部件，提出了以下更高的要求：更长的使用寿命，更好的抗菌性能和更高的安全性。不锈钢材料因其优异的食品安全性能在食品加工机械中得到最为普遍的应用，但是其表面的耐磨性能和抗菌性能相对较差。由于离子注入改性与基体材料之间不存在结合界面，使用安全，因此成为食品加工机械部件最为理想的表面处理手段之一。采用W、Mo或C、N等离子注入对不锈钢部件进行表面处理可以显著改善其耐磨性能，同时与不锈钢基体之间不存在结合界面，不会出现剥落等问题，因此具有很好的安全性，而通过离子注入Ag、Cu、Zn等抗菌元素同样可以改善不锈钢的抗菌性能，但是将可以提高不锈钢部件耐磨性能的W、Mo或C、N等离子和可以改善其抗菌性能的Ag、Cu、Zn等抗菌元素同时或者依次注入不锈钢部件表面，会出现不同元素之间的相互溅射作用，使得不锈钢基体表面的上述耐磨离子含量和抗菌离子含量均受到限制，这不利于不锈钢基体表面耐磨性能和抗菌性能的改善。
近年来，随着3D打印技术的发展，对于一些结构复杂的高端食品加工机械部件或者需要长时间连续工作的关键食品来说，3D打印快速成型技术提供了一种全新的制造工艺，并成为当前先进制造领域的研究和应用热点，对于不锈钢食品机械部件机械来说同样是大势所趋。3D打印制备的机械部件属于增材制造，加工得到的机械部件的尺寸精度很高，但是由于其得到的是成品，因此在成品的后处理方面局限较多，特别是不可以进行高温处理，避免由此导致的变形和性能降低问题。目前3D打印食品加工机械不锈钢部件相关的研究还较少。
由上可见，对于食品机械领域的不锈钢部件，特别是采用3D打印获得的不锈钢部件，在安全性保证的基础上，如何有效提高不锈钢基体表面耐磨性能和抗菌性能，使其可以具有长效的耐磨和抗菌性能，具有很好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，提供一种表面具有优异耐磨性能和抗菌性能，可以长时间满足食品机械实际加工过程中磨损和抗菌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耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，其采用的主要技术方案为：一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，由不锈钢基体、不锈钢基体表面的氮离子注入层和不锈钢基体表面的微孔组成，所述微孔中充满金属铜，所述不锈钢基体采用3D打印不锈钢粉末制备，所述微孔均匀分布在所述不锈钢基体表面上，所述微孔尺寸随深度方向逐渐增大且所述微孔底部尺寸最大，所述氮离子注入层覆盖所述不锈钢基体表面和所述微孔的内表面，所述氮离子注入层在所述不锈钢基体表面和所述微孔的内表面的厚度为20-300纳米。
本发明提供的表面耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，还具有以下附属技术方案：
所述微孔的面积占所述不锈钢基体表面的面积比例为1%-10%。
所述微孔的深度为100-500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200-500微米，所述微孔底部的直径为300-1500微米。
所述3D打印不锈钢粉末为316L不锈钢粉末。
所述不锈钢基体表面所述微孔以外的区域无金属铜存在。
所述微孔为轴对称结构，所述对称轴垂直于所述不锈钢基体表面，沿着包含所述对称轴的任意平面进行剖开所获得的剖面轮廓线均对称于所述对称轴。
按照本发明提供的一种制备所述表面耐磨抗菌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，确定氮离子注入层的厚度和金属铜的含量，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打印获得的不锈钢基体倒置后在高频振动筛床上进行30-60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彻底脱落，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部件；
（4）对不锈钢部件表面进行常温氮离子注入处理，具体工艺如下：真空度1×10-4 -5×10-4 Pa，平均离子电压 30-60 keV，加速电压20-40 kV，离子注入剂量1×106 - 1×108离子/cm2，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，暂停氮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氮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）在真空环境中采用中频感应加热的方式将纯铜棒进行熔化，并将熔化后的纯铜金属液滴通过坩埚底部细孔与所述3D打印不锈钢基体表面的微孔对中后，进行点对点快速注入处理，使得不锈钢微孔中充满金属铜，待所有微孔均注满铜液滴后，在真空环境中冷却至室温；
（6）将冷却后的不锈钢部件表面进行打磨和抛光处理，确保不锈钢表面所述微孔以外的区域不存在金属铜；
（7）获得本发明所述的表面耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件。
按照本发明提供的一种耐磨抗菌的食品加工机械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、充分利用3D打印技术实现了不锈钢部件表面特殊微孔结构的加工。利用3D打印技术通过从底部到表面逐层铺粉逐层选区熔化成型的原理成功获得了不锈钢部件表面的“小口大肚”型微孔结构，而采用传统机械加工或激光加工根本无法实现本发明中微孔结构的加工。该微孔结构可以实现铜元素的存储，从而实现抗菌。
2、选择氮离子注入作为表面处理方法，最大程度上实现了耐磨性能的长效性，并降低了处理过程的成本。氮离子在不锈钢中的注入是同等条件下深度最大的离子之一，因此可以在同等离子注入深度条件下采用较短的时间，或者同等处理时间内获得更深的离子注入层，从而在长期耐磨性方面体现出更好的效果。
3、微孔结构的尺寸和比例设计，在保证抗菌性能的基础上最大程度降低了其对基体表面形状和性能的影响。所述微孔均匀分布在所述不锈钢基体表面上，面积比例为1%-10%，微孔尺寸随深度方向逐渐增大，深度为100-500微米，微孔为轴对称结构，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。
4、本发明的微孔结构可以兼顾金属铜的存储和缓慢释放。微孔“小口大肚”结构的存在可以在不锈钢表层的内部存储较多的铜，同时由于不锈钢部件表面微孔结构的开口尺寸较小，因此金属铜只能在服役过程中缓慢的释放，既起到了抗菌作用，又不会很快消耗，实现了不锈钢部件的长效抗菌。
5、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，采用点对点方式进行注入和间歇式离子注入工艺均最大程度上降低了温度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在氮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在氮离子注入和金属铜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耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件实施例，所述不锈钢部件由不锈钢基体1、不锈钢基体表面的氮离子注入层2和不锈钢基体表面的微孔3组成，所述微孔3中充满金属铜4，所述不锈钢基体1采用3D打印不锈钢粉末制备，所述微孔3均匀分布在所述不锈钢基体1表面上，所述微孔3尺寸随深度方向逐渐增大且所述微孔底部尺寸最大，所述氮离子注入层2覆盖所述不锈钢基体1表面和所述微孔3的内表面，所述氮离子注入层2在所述不锈钢基体1表面和所述微孔3的内表面的厚度为20-300纳米。本发明从不锈钢部件的表面出发，通过提高其表面的抗菌性能和耐磨性能来改善不锈钢部件的整体性能。选择氮离子注入作为表面处理方法，最大程度上实现了耐磨性能的长效性，并降低了处理过程的成本。氮离子在不锈钢中的注入是同等条件下深度最大的离子之一，因此可以在同等离子注入深度条件下采用较短的时间，或者同等处理时间内获得更深的离子注入层，从而在长期耐磨性方面体现出更好的效果，确定氮离子注入层的厚度为20-300纳米，兼顾了氮离子注入处理的实际和食品加工机械不锈钢部件在一般情况下对磨损性能的要求。充分利用3D打印技术的独有优势，采用从底部到表面逐层铺粉逐层选区熔化成型的原理获得了不锈钢部件表面的“小口大肚”型微孔结构，可以实现铜元素的存储，从而实现抗菌。而这是采用传统机械加工或激光加工在保证尺寸精度和不锈钢基体性能的前提下很难实现的。本发明的“小口大肚”微孔结构可以兼顾金属铜的存储和缓慢释放，微孔结构的存在可以在不锈钢表层的内部存储较多的铜，同时由于不锈钢部件表面微孔结构的开口尺寸较小，因此金属铜只能在服役过程中缓慢的释放，既起到了抗菌作用，又不会很快消耗，实现了不锈钢部件的长效抗菌。
参见图1和图2，根据本发明上述的实施例，所述微孔3的面积占所述不锈钢基体表面的面积比例为1%-10%，所述微孔3的深度为100-500微米，可以根据不同食品加工环境确定微孔的具体比例和深度。所述微孔3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3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200-500微米，所述微孔底部的直径为300-1500微米。所述微孔3为轴对称结构，所述对称轴垂直于所述不锈钢基体表面，沿着包含所述对称轴的任意平面进行剖开所获得的剖面轮廓线均对称于所述对称轴。以上关于微孔3在尺寸、面积比例、深度和结构等方面的专门设计，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进行设计，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或不对称，可能对不锈钢表层机械性能产生的较大影响，确保了其整体结构的稳定，使其在保证抗菌性能的基础上最大程度降低了金属铜注入对其表面形状和性能的影响。
根据本发明上述的实施例，所述不锈钢基体1表面所述微孔以外的区域无金属铜4存在。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不超过50微米，该粒度范围可以确保打印过程中较高的成型质量，也可以确保后期振动处理过程中没有进行重熔处理的粉末颗粒易于从微孔中充分脱落。
根据本发明上述的实施例，一种制备所述表面耐磨抗菌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，确定氮离子注入层2的厚度和金属铜4的含量，并以此为基础确定微孔3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基体1，其中微孔3位置只进行不锈钢粉末的铺粉，而不进行相应的激光熔化，该步骤可以获得用于存储金属铜4的“小口大肚”型微孔3；
（3）将3D打印获得的不锈钢基体1倒置后在高频振动筛床上进行30-60分钟的充分振动处理，使得微孔3中未进行激光熔化处理的不锈钢粉末从微孔3中彻底脱落，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部件；
（4）对不锈钢基体1表面进行常温氮离子注入处理，具体工艺如下：真空度1×10-4 - 5×10-4 Pa，平均离子电压 30-60 keV，加速电压20-40 kV，离子注入剂量1×106 - 1×108离子/cm2，氮离子在不锈钢中的注入是同等条件下深度最大的离子之一，因此可以在同等离子注入深度条件下采用较短的时间，或者同等处理时间内获得更深的离子注入层，从而在长期耐磨性方面体现出更好的效果，也可以在实际应用中降低成本。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，暂停氮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氮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）在真空环境中采用中频感应加热的方式将纯铜棒进行熔化，并将熔化后的纯铜金属液滴通过坩埚底部细孔与所述3D打印不锈钢基体1表面的微孔3对中后，进行点对点快速注入处理，使得不锈钢微孔3中充满金属铜4，待所有微孔3均注满铜液滴后，在真空环境中冷却至室温，避免发生氧化，这种点对点注入的局部化处理的方式最大程度上降低了温度可能对不锈钢部件整体性能的影响；
（6）将冷却后的不锈钢部件表面进行打磨和抛光处理，确保不锈钢表面所述微孔以外的区域不存在金属铜4；
（7）获得本发明所述的表面耐磨抗菌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 (10)

1.一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，其特征在于，所述不锈钢部件由不锈钢基体、氮离子注入层和金属铜组成，所述不锈钢基体采用3D打印不锈钢粉末制备，所述不锈钢基体表面有微孔，所述微孔均匀分布在所述不锈钢基体表面上，所述微孔尺寸随深度方向逐渐增大且所述微孔底部尺寸最大，所述氮离子注入层覆盖包括所述微孔内表面在内的所述不锈钢基体表面，内表面覆盖有所述氮离子注入层的所述微孔中充满所述金属铜，所述氮离子注入层的厚度为20-300纳米。
2.如权利要求1所述的一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，其特征在于，所述微孔的面积占所述不锈钢基体表面的面积比例为1％-10％。
3.如权利要求1所述的一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，其特征在于，所述微孔的深度为100-500微米。
4.如权利要求1所述的一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，其特征在于，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。
5.如权利要求1所述的一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，其特征在于，所述3D打印不锈钢粉末的粒度不超过50微米。
6.如权利要求1所述的一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，其特征在于，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200-500微米，所述微孔底部的直径为300-1500微米。
7.如权利要求1所述的一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，其特征在于，所述3D打印不锈钢粉末为316L不锈钢粉末。
8.如权利要求1所述的一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，其特征在于，所述不锈钢基体表面所述微孔以外的区域无金属铜存在。
9.如权利要求1所述的一种耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件，其特征在于，所述微孔为轴对称结构，所述对称轴垂直于所述不锈钢基体表面，沿着包含所述对称轴的任意平面进行剖开所获得的剖面轮廓线均对称于所述对称轴。
10.一种制备权利要求1-9任意一种耐磨抗菌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，确定氮离子注入层的厚度和金属铜的含量，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打印获得的不锈钢基体倒置后在高频振动筛床上进行30-60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彻底脱落，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部件；
(4)对不锈钢部件表面进行常温氮离子注入处理，具体工艺如下：真空度1×10-4-5×10-4Pa，平均离子电压30-60keV，加速电压20-40kV，离子注入剂量1×106-1×108离子/cm2，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，暂停氮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氮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)在真空环境中采用中频感应加热的方式将纯铜棒进行熔化，并将熔化后的纯铜金属液滴通过坩埚底部细孔与所述3D打印不锈钢基体表面的微孔对中后，进行点对点快速注入处理，使得不锈钢微孔中充满金属铜，待所有微孔均注满铜液滴后，在真空环境中冷却至室温；
(6)将冷却后的不锈钢部件表面进行打磨和抛光处理，确保不锈钢表面所述微孔以外的区域不存在金属铜；
(7)获得所述的表面耐磨抗菌的食品加工机械不锈钢部件。
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