CN110157862A - 一种slm成型不锈钢产品的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SLM成型不锈钢产品的热处理方法。该方法首先将SLM成型的40Cr13不锈钢产品加热至800℃左右，并保温一段时间；然后继续加热至1000℃左右，并保温一段时间；接着用50℃左右的油进行淬火，最后在300℃左右回火并空冷。经过以上处理，基本消除了SLM成型不锈钢产品的各向异性，提高了其硬度、强度以及韧性，减小了产品内应力。该热处理方法简单、高效、便于操作，有较好的应用前景。

Description

一种SLM成型不锈钢产品的热处理方法
技术领域
本发明涉及不锈钢产品加工技术领域，具体涉及一种SLM成型不锈钢产品的热处理方法。
背景技术
选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)是一种金属材料增材制造技术。该技术通过软件对待制备的零件模型进行切片，得到各截面的二维轮廓数据，然后根据切片数据控制高功率密度激光束逐层选择性的熔化金属粉末，得到与三维模型相同的金属零件。SLM特别适用于制造含复杂结构的金属零件，尤其适合内部有复杂结构的零件(如空腔、变截面管道和螺旋管道等)，以及用传统成型方法难以加工制造甚至无法直接制造的复杂零部件。此外，SLM还能制造生命科学所需的梯度功能材料。利用SLM制备的工件具有较高的尺寸精度(达0.1mm)，相对密度能达到近乎100％。
在SLM成型过程中，熔池内部是一个急速升温、急速降温(103–108K/s)的过程，因此制备所得工件的晶粒非常细小。与此同时熔池间温度梯度非常大(约106K/m)，使得工件内产生一定的热应力；另一方面由于已凝固区处于反复加热的环境中，使得材料发生相转变产生一定的内应力，从而导致工件内存在较大的残余应力。SLM成型的不锈钢(如40Cr13)产品的力学性能存在各向异性，尚不能达到使用要求，需要进行后续热处理改善其性能。
目前针对SLM成型件的热处理研究仍然处于起步阶段。由于SLM成型件与常规铸造件所经历的热历史不一样，因此工件的成分和组织也有很大差异，传统常规成型件的热处理工艺(如CN102899460B、CN102392107B、CN108754097A等)并不完全适用于SLM成型件。美国国家标准局(American National Standards Institute)于2017年发布的增材制造路线图中明确提出，迫切需要对SLM成型的金属产品热处理工艺进行研究。目前相关研究与工业应用存在技术缺口，需要根据不同的材料体系分别进行研究，其研究的重要性为最高级。
本发明开发的热处理工艺可以使SLM成型工件的组织转变成粒状贝氏体，改善其组织均匀性，消除力学性能的各向异性，提高强韧性，减小内应力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种SLM成型不锈钢产品的热处理方法，该方法具体过程如下：将SLM成型的不锈钢产品加热至一定温度后保温，接着进行淬火处理，淬火完成后进行回火处理，最后冷却即可。
进一步的，所述不锈钢产品的材质具体为40Cr13。
进一步的，SLM成型不锈钢产品的加热-保温过程分两段进行：首先从室温加热至700-800℃并保温10-20min，这样做的目的在于减小工件内部温差；接着继续升温至1000-1050℃并保温25-35min，使工件完全奥氏体化。
进一步的，第一阶段升温速率为30-40℃/min，第二阶段升温速率为10-20℃/min。
进一步的，加热-保温过程在真空环境下进行，真空度控制在5Pa以内。
进一步的，淬火处理所使用的淬火油温度为25-50℃。
进一步的，回火温度为300-350℃，回火时间为120-150min。
进一步的，淬火与回火时间间隔需控制在60min以内。间隔时间过长，工件易变形或者开裂。
进一步的，回火处理完成后将不锈钢产品取出，空冷即可。
本发明热处理工艺的原理为：在较高的奥氏体化温度下，溶入奥氏体中的碳元素以及其他合金元素的量较多，使得淬火后固溶在α-Fe中的碳以及其他合金元素含量较多，即马氏体中的碳以及合金元素含量较多，因此经过淬火、回火后的试样相对未热处理的SLM不锈钢(40Cr13)试样硬度提高；由于组织为粒状贝氏体，韧性也得到提高，内应力减小。淬火后基体中的Cr元素含量较高，使得回火后基体中的Cr含量也保持较大值，淬火、回火后试样的耐蚀性下降不明显，与此同时还消除了SLM成型特有的熔池边界，改善了组织和元素分布的不均匀性，消除了SLM不锈钢(40Cr13)产品的各向异性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：热处理工艺简单、效果明显，所需设备廉价易得；通过热处理能够使SLM成型40Cr13不锈钢产品的组织转变成粒状贝氏体，显著改善了其组织均匀性，消除了力学性能的各向异性，提高了强韧性，减小了内应力。
附图说明
图1为本发明SLM成型不锈钢产品热处理工艺示意图；
图2为本发明实施例1中SLM成型所得40Cr13不锈钢产品热处理后的金相组织图；
图3为本发明实施例1中SLM成型所得40Cr13不锈钢产品热处理后的SEM图(放大倍数2000)；
图4为本发明实施例1中SLM成型所得40Cr13不锈钢产品热处理后的SEM图(放大倍数20000)。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。
实施例1
一种SLM成型的40Cr13不锈钢热处理工艺，具体步骤如下：
(1)将SLM成型的不锈钢试样清洗吹干，放入真空热处理炉中，待热处理炉真空度稳定在5Pa以内后，开始分段加热(如图1所示)；
(2)第一阶段加热速率设定为30℃/min，由室温加热到800℃，在此温度下保温10min；
(3)第一阶段加热保温结束后开始第二阶段加热，加热速率设定为10℃/min，由800℃加热到1000℃，在此温度下保温25min；
(4)第二阶段加热保温结束后，用25℃的真空淬火油(THIF-517，下同)对不锈钢试件进行油淬；
(5)油淬完成后的一个小时内对不锈钢试件进行回火处理，回火所用设备为普通电阻炉，回火处理温度为300℃，回火时间为120min，回火处理完成后取出不锈钢试件，空冷即可。
结合图2-4可以看出，热处理后的SLM 40Cr13不锈钢产品组织为细小的粒状贝氏体；粒状贝氏体为块状铁素体内分布着一些小岛，这些小岛为马氏体、奥氏体和碳化物；通过这些小岛产生的第二相强化提高了材料的强度，没有发生严重的晶格畸变。该粒状贝氏体相比于传统工艺得到的马氏体组织具有更好的强韧性配合。经过淬火回火后的试样相比未热处理的SLM成型40Cr13不锈钢产品硬度提高了10％左右，韧性也得到提高，内应力减小，各向异性基本消除，且耐蚀性下降不明显。
实施例2
一种SLM成型的40Cr13不锈钢热处理工艺，具体步骤如下：
(1)将SLM成型的不锈钢试样清洗吹干，放入真空热处理炉中，待热处理炉真空度稳定在5Pa以内开始分段加热；
(2)第一阶段加热速率设定为35℃/min，由室温加热到700℃，在此温度下保温15min；
(3)第一阶段加热保温结束后开始第二阶段加热，加热速率设定为10℃/min，由700℃加热到1000℃，在此温度下保温30min；
(4)第二阶段加热保温结束后，用25℃的真空淬火油对不锈钢试件进行油淬；
(5)油淬完成后的一个小时内对不锈钢试件进行回火处理，回火温度为300℃，回火时间为120min，回火处理完成后取出不锈钢试件，空冷即可。
实施例3
一种SLM成型的40Cr13不锈钢热处理工艺，具体步骤如下：
(1)将SLM成型的不锈钢试样清洗吹干，放入真空热处理炉中，待热处理炉真空度稳定在5Pa以内开始分段加热；
(2)第一阶段加热速率设定为40℃/min，由室温加热到800℃，在此温度下保温20min；
(3)第一阶段加热保温结束后开始第二阶段加热，加热速率设定为10℃/min，由800℃加热到1050℃，在此温度下保温35min；
(4)第二阶段加热保温结束后，用50℃的真空淬火油对不锈钢试件进行油淬；
(5)油淬完成后的一个小时内对不锈钢试件进行回火处理，回火温度为350℃，回火时间为150min，回火处理完成后取出不锈钢试件，空冷即可。
综上，本发明提供一种SLM成型所得40Cr13不锈钢产品的热处理方法，显著改善了SLM 40Cr13不锈钢组织均匀性，消除力了学性能的各向异性，提高了强韧性，减小了内应力。

Claims (9)

1.一种SLM成型不锈钢产品的热处理方法，其特征在于该方法包括以下步骤：将SLM成型的不锈钢产品加热至一定温度后保温，接着进行淬火处理，淬火完成后进行回火处理，最后冷却即可。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述不锈钢产品的材质具体为40Cr13。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于SLM成型不锈钢产品的加热-保温过程分两段进行：首先从室温加热至700-800℃并保温10-20min；接着继续升温至1000-1050℃并保温25-35min。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：第一阶段升温速率为30-40℃/min，第二阶段升温速率为10-20℃/min。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：加热-保温过程在真空环境下进行，真空度控制在5Pa以内。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：淬火处理所使用的淬火油温度为25-50℃。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：回火温度为300-350℃，回火时间为120-150min。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：淬火与回火时间间隔需控制在60min以内。间隔时间过长，工件易变形或者开裂。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：回火处理完成后将不锈钢产品取出，空冷即可。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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