CN111761065B - 一种3d打印制备耐磨切草机刀片的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺，所述3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺，包括原材料准备、合金粉末制备、原材料混合、3D打印制备切草机刀片初品、制备耐磨切草机刀片。本发明3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺，通过熔炼、雾化成型制备合金粉末，与纳米氧化铝和纳米氧化硅混合球磨，增强材料分散性和结合强度，利用3D打印技术制成的割草机刀片强度高、耐磨性好，可用于多种环境下使用，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺。
背景技术
目前，公园和庭院小区中大面积种植草地，一方面绿化环境，另一方面改善生态环境，而且，学校或者体育场地也种植草地，并将草裁切为固定长度供各种体育运动如足球、榄球、棒球、垒球、网球和高尔夫球等使用。为了美观和实用性，需要经常对种植草地进行修剪和整理。割草机在草地修整过程中扮演者十分重要的角色，为了将草地修整的干净整洁，以及割草机使用起来方便快捷，对割草机刀片的要求也逐步提高。
3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料，将3D打印机与电脑连接后，通过电脑控制把打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。
目前，市场上的割草机刀片在加工过程中，由于工艺流程的问题，割草机刀片内部的原料成分分布不均，导致割草机刀片的强度不够，从而容易造成割草机刀片磨损，使用寿命短，而且，传统工艺制备割草机刀片的步骤复杂，成本较高。
中国专利CN106624633B公开了一种高耐磨割草机用刀片的制备方法，包括以下步骤：S1、锻造石墨材料A1：熔炉10m3，数量为1个，将10m3的熔炉内大气压的强度控制在5×103Mpa-6×103Mpa，然后对10m3的熔炉进行升温，将温度加热至3650℃-3700℃，之后将5Kg-10Kg的石墨加入至10m3的熔炉中。提供一种高耐磨割草机用刀片，通过选取石墨做刀片的材料，在经过特定气压和特定温度下的锻造，能够使石墨形成高强的金刚石材料，从而能够将刀片材料的强度得到一定的提升，并且将金刚石材料进行丸锻、包烧刃土和淬火的处理，能够进一步提高金刚石的韧性，从而不仅使其具有高强度，还使其具备一定耐磨损能力，最后的打磨和打孔工艺能够完善金刚石片，并且打磨能够使金刚石刀片的表面光滑。
中国专利CN110272589 A公开了一种3D打印成型材料及其打印方法，该3D打印成型材料包括聚合物，聚合物呈颗粒或粉末状；辐射吸收剂，辐射吸收剂吸收波长为700nm至10μm的辐射；填料，填料经过表面改性处理。该打印方法包括辐射预热、添加助熔剂、辐射熔合的步骤。能够提高3D打印物体的机械强度，提高打印生产效率。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺，包括如下步骤：
步骤A、原材料准备：耐磨切草机刀片由以下重量份的组分组成：纳米氧化铝3.2份～4.2份、纳米氧化硅0.25份～0.65份、钴6.5份～8.5份、碳0.12份～0.24份、铬2.2份～2.5份、钨0.10份～0.20份、镍3.1份～3.8份、钼1.2份～1.6份、铁45份～65份；
步骤B、合金粉末制备：步骤A中所述重量份的钴、碳、铬、钨、镍、钼和铁在真空熔炼炉中熔炼1.5小时～2.5小时，然后将得到的熔体利用雾化成型制成合金粉末，备用；合金粉末原料中添加6.5份～8.5份钴可以提高合金的耐磨性和切削性能；添加0.12份～0.24份碳具有脱氧作用、细化晶粒和调整合金成分，有一定精炼效果，添加2.2份～2.5份铬可以显著提高合金粉末的强度和硬度，保证合金粉末的稳定性；添加0.10份～0.20份钨可细化晶粒，提高合金粉末的硬度和耐磨性以及抗冲击性能；添加3.1份～3.8份镍可增加合金粉末的可塑性和成型性，改变合金粉末的晶体结构，提高抗拉强度和硬度；添加1.2份～1.6份钼可以明显提高合金粉末的硬度；
步骤C、原材料混合：步骤A中所述重量份的纳米氧化铝和纳米氧化硅在球磨机中以850转/分钟～1250转/分钟的速率混合球磨1小时～3小时，然后加入步骤B中得到合金粉末，继续球磨30分钟～90分钟，干燥得到3D打印材料，备用；将合金粉末与纳米氧化铝和纳米氧化硅混合球磨可以提高3D打印材料的均一性以及成型性，保证成型稳定，提高硬度；
步骤D、步骤C得到的3D打印材料装入3D打印设备的料斗中，利用喷头进行连续逐层打印，得到切草机刀片初品；
步骤E、步骤D中得到的切草机刀片初品以3℃/min～8℃/min的速率升温至360℃～460℃，并在温度为360℃～460℃的条件下保温3小时～6小时，然后空冷至室温得到所述耐磨切草机刀片。保温改善割草机刀片初品内部结构，提高割草机刀片初品的硬度和耐磨性，适应多种环境下使用。
进一步的，步骤A中，耐磨切草机刀片由以下重量份的组分组成：纳米氧化铝3.4份～4.0份、纳米氧化硅0.35份～0.55份、钴7.0份～8.0份、碳0.14份～0.20份、铬2.3份～2.4份、钨0.12份～0.18份、镍3.2份～3.6份、钼1.3份～1.5份、铁50份～60份。
进一步的，步骤B中，熔炼1.5小时～2.5小时过程中，首先在温度为860℃～890℃保温熔炼30分钟～60分钟，然后升温至1460℃～1510℃保温熔炼60分钟～90分钟。分步熔炼可以提高熔炼速率，减少能耗，提高效率。
进一步的，步骤B中，合金粉末的粒径为1.5μm～4.5μm。适中的粒径与纳米氧化铝和纳米氧化硅球磨相容性更高，3D打印成型性更好。
进一步的，步骤C中，干燥具体为：在温度为125℃～135℃的条件下干燥2小时～3小时。
进一步的，步骤D中，喷头预热30分钟～40分钟。喷头预热可以提高3D打印效率，保证成型稳定。
进一步的，步骤D中，连续逐层打印过程中逐层冷却的温度为5℃～15℃。
进一步的，步骤D中，连续逐层打印的速度为5m/s～12m/s。控制打印速度可以保证打印稳定有序进行，成品结构稳定，硬度高。
本发明的优点是：
(1)本发明3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺，通过熔炼、雾化成型制备合金粉末，与纳米氧化铝和纳米氧化硅混合球磨，增强材料分散性和结合强度，利用3D打印技术制成的割草机刀片强度高、耐磨性好，可用于多种环境下使用，使用寿命长；
(2)本发明3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺，3D打印过程中控制打印速度和逐层打印冷却温度，保证割草机刀片成型稳定均一，强度高，工艺简单，方便操作，成本较低，省时省力。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺
包括以下步骤：
步骤A、原材料准备：耐磨切草机刀片由以下重量份的组分组成：纳米氧化铝3.2kg、纳米氧化硅0.25kg、钴6.5kg、碳0.12kg、铬2.2kg、钨0.10kg、镍3.1kg、钼1.2kg、铁45kg；
步骤B、合金粉末制备：步骤A中所述重量份的钴、碳、铬、钨、镍、钼和铁在真空熔炼炉中首先在温度为860℃保温熔炼30分钟，然后升温至1460℃保温熔炼60分钟，然后将得到的熔体利用雾化成型制成粒径为1.5μm的合金粉末，备用；
步骤C、原材料混合：步骤A中所述重量份的纳米氧化铝和纳米氧化硅在球磨机中以850转/分钟的速率混合球磨1小时，然后加入步骤B中得到合金粉末，继续球磨30分钟，在温度为125℃的条件下干燥2小时得到3D打印材料，备用；
步骤D、步骤C得到的3D打印材料装入3D打印设备的料斗中，利用预热30分钟的喷头进行连续逐层打印，得到切草机刀片初品；
上述中，连续逐层打印过程中逐层冷却的温度为5℃；连续逐层打印的速度为5m/s。
步骤E、步骤D中得到的切草机刀片初品以3℃/min的速率升温至360℃，并在温度为360℃的条件下保温6小时，然后空冷至室温得到所述耐磨切草机刀片。
实施例2
一种3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺
包括以下步骤：
步骤A、原材料准备：耐磨切草机刀片由以下重量份的组分组成：纳米氧化铝4.2kg、纳米氧化硅0.65kg、钴8.5kg、碳0.24kg、铬2.5kg、钨0.20kg、镍3.8kg、钼1.6kg、铁65kg；
步骤B、合金粉末制备：步骤A中所述重量份的钴、碳、铬、钨、镍、钼和铁在真空熔炼炉中首先在温度为890℃保温熔炼60分钟，然后升温至1510℃保温熔炼90分钟，然后将得到的熔体利用雾化成型制成粒径为4.5μm的合金粉末，备用；
步骤C、原材料混合：步骤A中所述重量份的纳米氧化铝和纳米氧化硅在球磨机中以1250转/分钟的速率混合球磨3小时，然后加入步骤B中得到合金粉末，继续球磨90分钟，在温度为135℃的条件下干燥3小时得到3D打印材料，备用；
步骤D、步骤C得到的3D打印材料装入3D打印设备的料斗中，利用预热40分钟的喷头进行连续逐层打印，得到切草机刀片初品；
上述中，连续逐层打印过程中逐层冷却的温度为15℃；连续逐层打印的速度为12m/s。
步骤E、步骤D中得到的切草机刀片初品以8℃/min的升温速率升温至460℃，并在温度为460℃的条件下保温6小时，然后空冷至室温得到所述耐磨切草机刀片。
实施例3
一种3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺
包括以下步骤：
步骤A、原材料准备：耐磨切草机刀片由以下重量份的组分组成：纳米氧化铝3.4kg、纳米氧化硅0.35kg、钴7.0kg、碳0.14kg、铬2.3kg、钨0.12kg、镍3.2kg、钼1.3kg、铁50kg；
步骤B、合金粉末制备：步骤A中所述重量份的钴、碳、铬、钨、镍、钼和铁在真空熔炼炉中首先在温度为870℃保温熔炼40分钟，然后升温至1480℃保温熔炼70分钟，然后将得到的熔体利用雾化成型制成粒径为2.5μm的合金粉末，备用；
步骤C、原材料混合：步骤A中所述重量份的纳米氧化铝和纳米氧化硅在球磨机中以950转/分钟的速率混合球磨1.5小时，然后加入步骤B中得到合金粉末，继续球磨40分钟，在温度为127℃的条件下干燥3小时得到3D打印材料，备用；
步骤D、步骤C得到的3D打印材料装入3D打印设备的料斗中，利用预热32分钟的喷头进行连续逐层打印，得到切草机刀片初品；
上述中，连续逐层打印过程中逐层冷却的温度为8℃；连续逐层打印的速度为8m/s。
步骤E、步骤D中得到的切草机刀片初品以4℃/min的升温速率升温至380℃，并在温度为380℃的条件下保温4小时，然后空冷至室温得到所述耐磨切草机刀片。
实施例4
一种3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺
包括以下步骤：
步骤A、原材料准备：耐磨切草机刀片由以下重量份的组分组成：纳米氧化铝4.0kg、纳米氧化硅0.55kg、钴8.0kg、碳0.20kg、铬2.4kg、钨0.18kg、镍3.6kg、钼1.5kg、铁60kg；
步骤B、合金粉末制备：步骤A中所述重量份的钴、碳、铬、钨、镍、钼和铁在真空熔炼炉中首先在温度为880℃保温熔炼50分钟，然后升温至1500℃保温熔炼80分钟，然后将得到的熔体利用雾化成型制成粒径为3.5μm的合金粉末，备用；
步骤C、原材料混合：步骤A中所述重量份的纳米氧化铝和纳米氧化硅在球磨机中以1150转/分钟的速率混合球磨2.5小时，然后加入步骤B中得到合金粉末，继续球磨80分钟，在温度为133℃的条件下干燥2.8小时得到3D打印材料，备用；
步骤D、步骤C得到的3D打印材料装入3D打印设备的料斗中，利用预热38分钟的喷头进行连续逐层打印，得到切草机刀片初品；
上述中，连续逐层打印过程中逐层冷却的温度为13℃；连续逐层打印的速度为10m/s。
步骤E、步骤D中得到的切草机刀片初品以7℃/min的升温速率升温至440℃，并在温度为440℃的条件下保温5小时，然后空冷至室温得到所述耐磨切草机刀片。
实施例5
一种3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺
包括以下步骤：
步骤A、原材料准备：耐磨切草机刀片由以下重量份的组分组成：纳米氧化铝3.7kg、纳米氧化硅0.45kg、钴7.5kg、碳0.17kg、铬2.3kg、钨0.15kg、镍3.4kg、钼1.4kg、铁55kg；
步骤B、合金粉末制备：步骤A中所述重量份的钴、碳、铬、钨、镍、钼和铁在真空熔炼炉中首先在温度为875℃保温熔炼45分钟，然后升温至1490℃保温熔炼75分钟，然后将得到的熔体利用雾化成型制成粒径为3.0μm的合金粉末，备用；
步骤C、原材料混合：步骤A中所述重量份的纳米氧化铝和纳米氧化硅在球磨机中以1050转/分钟的速率混合球磨2小时，然后加入步骤B中得到合金粉末，继续球磨60分钟，在温度为130℃的条件下干燥2.5小时得到3D打印材料，备用；
步骤D、步骤C得到的3D打印材料装入3D打印设备的料斗中，利用预热35分钟的喷头进行连续逐层打印，得到切草机刀片初品；
上述中，连续逐层打印过程中逐层冷却的温度为10℃；连续逐层打印的速度为9m/s。
步骤E、步骤D中得到的切草机刀片初品以6℃/min的升温速率升温至420℃，并在温度为420℃的条件下保温4.5小时，然后空冷至室温得到所述耐磨切草机刀片。
实验例
为了进一步说明本发明的技术进步性，现采用实验进一步说明。
实验材料：本发明实施例1～5利用3D打印技术制备的耐磨切草机刀片。
实验方法：同等情况下比较实施例1～5所制备的耐磨切草机刀片的主要性能，结果统计见下表1：
表1.实施例1～5所制备的耐磨切草机刀片测试结果
| 材料 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 硬度(HRC) | 75 | 76 | 77 | 75 | 77 |
| 抗拉强度(MPa) | 1210 | 1230 | 1210 | 1220 | 1230 |
| 延伸率(％) | 10.5 | 11.0 | 10.2 | 10.2 | 11.3 |
上述表1结果说明，本发明制备的耐磨切草机刀片的力学性能优异，具有较高的硬度，耐磨性好，抗拉强度高、延伸率优异，可以在适应多种环境，应用领域广泛而且使用寿命长。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种3D打印制备耐磨切草机刀片的工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
步骤A、原材料准备：所述耐磨切草机刀片由以下重量份的组分组成：纳米氧化铝3.4份～4.0份、纳米氧化硅0.35份～0.55份、钴7.0份～8.0份、碳0.14份～0.20份、铬2.3份～2.4份、钨0.12份～0.18份、镍3.2份～3.6份、钼1.3份～1.5份、铁50份～60份；
步骤B、合金粉末制备：步骤A中所述重量份的钴、碳、铬、钨、镍、钼和铁在真空熔炼炉中熔炼1.5小时～2.5小时，然后将得到的熔体利用雾化成型制成合金粉末，备用；
步骤C、原材料混合：步骤A中所述重量份的纳米氧化铝和纳米氧化硅在球磨机中以850转/分钟～1250转/分钟的速率混合球磨1小时～3小时，然后加入步骤B中得到合金粉末，继续球磨30分钟～90分钟，干燥得到3D打印材料，备用；
步骤D、3D打印制备切草机刀片初品：步骤C得到的3D打印材料装入3D打印设备的料斗中，利用喷头进行连续逐层打印，得到切草机刀片初品；
步骤E、制备耐磨切草机刀片：步骤D中得到的切草机刀片初品以3℃/min～8℃/min的速率升温至360℃～460℃，并在温度为360℃～460℃的条件下保温3小时～6小时，然后空冷至室温得到所述耐磨切草机刀片；
步骤B中，所述熔炼1.5小时～2.5小时过程中，首先在温度为860℃～890℃保温熔炼30分钟～60分钟，然后升温至1460℃～1510℃保温熔炼60分钟～90分钟。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤B中，所述合金粉末的粒径为1.5μm～4.5μm。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤C中，所述干燥具体为：在温度为125℃～135℃的条件下干燥2小时～3小时。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤D中，所述喷头预热30分钟～40分钟。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤D中，所述连续逐层打印过程中逐层冷却的温度为5℃～15℃。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤D中，所述连续逐层打印的速度为5m/s～12m/s。
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