CN112692296B - 一种3d打印用工具钢粉末、工具钢丝材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印用工具钢粉末的制备方法，将真空气雾化与锡铅浴相结合，在雾化喷头与工具钢液中间包之间设置铅锡液浴炉，加压气体经雾化喷头喷出，冲击锡铅液滴，雾化锡铅液滴冲击工具钢液滴，雾化得到工具钢粉末。本发明在雾化喷头与工具钢液中间包之间设置铅锡液浴炉，利用铅锡液在工具钢液凝固过程中，对工具钢粉末表面进行热处理，降低了工具钢粉末表面凝固速度，提高了工具钢粉末表面质量，减少了不规则形状工具钢粉末的产生。

Description

一种3D打印用工具钢粉末、工具钢丝材及其制备方法

技术领域

本发明涉及3D打印用工具钢丝材研制领域，具体涉及一种3D打印用工具钢粉末、工具钢丝材及其制备方法，可适用于汽车模具修复以及大型零部件3D打印。

背景技术

新材料的发展引领着全球的技术革新，推动着高新技术制造业的转型升级。在新材料领域，共提出了19类重点发展的材料，其中3D打印金属材料是急需解决的前沿新材料。未来10年，为满足航空航天、生物医疗、汽车摩配、消费电子等领域对个性化、定制化复杂形状技术制品的需求，3D打印金属粉末需求量将年均增长30％，到2020年需求量达800吨。

3D打印用丝材中的药芯丝材主要由钢皮包裹金属粉末组成。金属粉末决定丝材质量。金属制粉主要采用气雾化制粉的方法，该方法的主要原理为：雾化制粉时先用感应炉将金属原料熔炼为成分合格的合金液体(一般过热100～150℃)，然后将其注入位于雾化喷嘴之上的中间包内。合金液由中间包底部漏眼流出，通过喷嘴时与高速气流或水流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成合金粉末。

决定金属粉末质量的影响因素有喷头压力、形状、设置距离以及金属材质。3D打印用工具钢丝材中包裹的金属粉末在真空气雾化生产中，可以通过调节喷头压力与喷头形状改变粉末的粒径，但是在粒径参数相似的情况下，粉末的表面质量才是决定粉末质量的关键，但是对于提高金属粉末的表面质量，目前还缺少相关的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种3D打印用工具钢粉末、工具钢丝材及其制备方法，使用锡铅液浴的方法对工具钢粉末进行表面热处理，提高工具钢粉末的表面质量，进一步提高工具钢丝材质量。

第一方面，本发明提供了一种3D打印用工具钢粉末的制备方法，将真空气雾化与锡铅浴相结合，在雾化喷头与工具钢液中间包之间设置铅锡液浴炉，加压气体经雾化喷头喷出，冲击锡铅液滴，雾化锡铅液滴冲击工具钢液滴，雾化得到工具钢粉末。

本发明方法，利用铅锡液在工具钢液凝固过程中，对粉末表面进行热处理，降低粉末表面凝固速度，能够提高粉末表面质量。

进一步地，所述锡铅液组成为锡63％和铅37％，以250℃的温度滴出。

进一步地，所述铅锡液浴炉包括控流阀门、恒温不锈钢容器和PID自动恒温系统，其中PID自动恒温系统将温度恒定在250℃，保证锡铅合金变成液滴流出。

进一步地，为确保气体喷射的锡铅液能够在工具钢液滴下降的过程中起撞击、缓冷以及再凝固的作用，所述锡铅液的滴落速度与工具钢液的滴落速度一致。

进一步地，所述雾化喷头的气体喷射压力为5.5～6.0Mpa。

进一步地，所述工具钢粉末经冷却、分筛后，置于300℃恒温炉中保持5小时。在该温度下，工具钢粉末表面未固溶进粉末内的锡铅液融化滴落。

第二方面，本发明提供了一种3D打印用工具钢粉末，采用上述的制备方法制备得到。

第三方面，本发明提供了一种3D打印用工具钢丝材，包括钢皮和填充在钢皮中的药芯，药芯按总重量百分比为100％计，由如下重量百分比的组分构成：造渣剂6.0～10.0％，其余为上述的工具钢粉末。

进一步地，所述药芯填充率为20～25％。

第四方面，本发明一种3D打印用工具钢丝材的制备方法，将SPHC低碳钢带轧制成U型槽，将上述用量的药芯填入U型槽中，使用丝材成型机反复拉拔制得直径1.2～1.6mm的丝材，得到3D打印用工具钢丝材。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)通过在气雾化生产过程中，在雾化喷头与工具钢液中间包之间设置铅锡液浴炉，利用铅锡液在工具钢液凝固过程中，对工具钢粉末表面进行热处理，降低了工具钢粉末表面凝固速度，提高了工具钢粉末表面质量，减少了不规则形状工具钢粉末的产生。

2)提高工具钢粉末质量能够显著增强工具钢丝材质量，通过预合金化工具钢粉末可以保证丝材增材制造过程中成分稳定，锡铅浴后的工具钢粉末球形度高，能够降低增材制造过程中的飞溅。

附图说明

图1是本发明的真空雾化+锡铅浴的原理示意图；

图2是本发明的铅锡液浴炉的结构示意图；

图3是实施例一的工具钢颗粒表面质量对比图，其中：

(a)为未经锡铅浴处理的工具钢颗粒在扫描电镜下的表面质量图；

(b)为经过锡铅浴处理的工具钢颗粒在扫描电镜下的表面质量图；

图4是实施例二的工具钢颗粒表面质量对比图，其中：

(a)为未经锡铅浴处理的工具钢颗粒在扫描电镜下的表面质量图；

(b)为经过锡铅浴处理的工具钢颗粒在扫描电镜下的表面质量图；

附图标记说明：1-工具钢液中间包；2-雾化喷头；3-铅锡液浴炉；31-恒温不锈钢容器；32-控流阀门；33-热电偶；34-PID自动恒温系统；35-锡铅液。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明的技术方案基于以下构思：

在传统的汽车轮胎用钢帘线生产过程中，为防止生产钢帘线的钢丝在拉拔到0.6mm过程中折断，钢丝表面质量要求极为苛刻。为提高钢丝表面质量，均有进行铅浴的热处理工艺，该工艺能显著提高钢丝的表面质量，降低帘线钢的断丝率，提高钢帘线的可拉拔性。

为提高3D打印用工具钢粉末的表面质量，本发明借鉴钢帘线的铅浴热处理方法，并针对3D打印用工具钢粉末的特性，在工具钢粉末真空气雾化生产中，使用熔点更低的锡铅浴的方法，利用铅锡液在工具钢液雾化凝固过程中，对粉末表面进行热处理，以提高工具钢粉末的表面质量。

如图1所示，本发明提供一种3D打印用工具钢粉末的制备方法，将真空气雾化与锡铅浴相结合，在雾化喷头2与工具钢液中间包1之间设置铅锡液浴炉3，加压气体经雾化喷头2喷出，冲击从铅锡液浴炉3底部溜嘴滴落的锡铅液滴，将锡铅液滴雾化，雾化锡铅液滴再冲击从工具钢液中间包1底部溜嘴滴落的工具钢液滴，雾化工具钢液滴，得到工具钢粉末。

雾化后的工具钢粉末进入充满氮气的雾化塔中冷却，然后进入分级设备中进行分筛，将分级后的工具钢粉末，在300℃恒温炉中保持5小时，在该温度下，工具钢粉末表面未固溶进粉末内的锡铅液融化滴落。

优选的，为确保气体喷射的锡铅液能够在工具钢液滴下降的过程中起撞击、缓冷以及再凝固的作用，锡铅液的滴落速度与工具钢液的滴落速度保持一致。雾化喷头的气体喷射压力为5.5～6.0Mpa。

如图2所示，铅锡液浴炉3包括恒温不锈钢容器31、设置在底部溜嘴处的控流阀门32、用于测量铅锡液浴炉3中锡铅液35温度的热电偶33、以及与热电偶33电连接用于将铅锡液浴炉3温度恒定在250℃的PID自动恒温系统。

本发明还提供一种3D打印用工具钢丝材的制备方法，先将SPHC低碳钢带轧制成U型槽，再将药芯填入U型槽中，药芯填充率为20～25％，使用丝材成型机反复拉拔制得直径1.2～1.6mm的丝材，得到3D打印用工具钢丝材。

其中，药芯按总重量百分比为100％计，由如下重量百分比的组分构成：造渣剂6.0～10.0％，其余为采用上述制备方法制得的工具钢粉末。

下面通过具体的实施例，对本申请的技术方案作进一步说明。

实施例1

1)使用表1所示成分的工具钢进行工具钢气雾化制粉试验。原料使用酸洗或者打磨的方法去掉表面氧化物锈层，并切割成30～50cm的小段，放入真空气雾化喷粉设备中，设置功率为20kw，加热，保证原料完全熔化，融化时，真空感应炉内抽真空，真空度为100pa。同时打开锡铅液浴炉，保持温度恒定在250℃。

表1.原料化学成分表

C

Ti

Mn

P

S

Co

Mo

Ni

N

0.02

0.6

≤0.10

≤0.01

≤0.01

8.5

4.6

18.0

70ppm

2)将氮气通入气雾化装置中。气雾化喷头压力为6MPa，通过喷头喷出氮气，同时打开锡铅液浴炉，保证锡铅液滴落速度与工具钢液滴落速度保持一致，喷头冲击锡铅液滴，雾化锡铅液滴冲击金属液滴，制成球形颗粒。

3)雾化后的粉末进入充满氮气的雾化塔中冷却，然后进入分级设备中进行分筛，将分级后的工具钢颗粒，在300℃恒温炉中保持5小时。在扫描电镜下观察锡铅浴前后，金属颗粒表面质量，如图3所示。

4)从图3可以看出，锡铅浴后金属颗粒表面搭桥现象不明显，表面光滑，无大面积凸起。

5)将工具钢粉末包裹在钢皮中，使用丝材成型机反复拉拔，制得直径为1.2mm的3D打印用工具钢丝材。

6)将丝材使用基于CMT焊接技术的3D打印制造(CMT-AM)实验系统进行实验，保护气类型为纯氩，气流量为20L/min，堆覆速度为50cm/min，送丝速度为4.0m/min。电流为100A，电压为20V，堆覆层为50层。表2是3D打印过程中丝材性能指标。

表2. 3D打印用工具钢丝材性能表

飞溅率	直径公差	成型精度	硬度
				4％	±0.04mm	2mm	52HRC

实例2

1)使用表3所示成分的工具钢进行工具钢气雾化制粉试验。原料使用酸洗或者打磨的方法去掉表面氧化物锈层，并切割成30～50cm的小段，放入真空雾化喷粉设备中，设置功率为20kw，加热，保证原料完全熔化，融化时，真空感应炉内抽真空，真空度为100pa。同时打开锡铅液浴炉，保持温度恒定在250℃

表3.原料化学成分表

C

Ti

Mn

P

S

Co

Mo

Ni

N

0.03

0.64

≤0.10

≤0.01

≤0.01

8.3

4.8

19.0

65ppm

2)将氮气通入气雾化装置内中。气雾化喷头压力为5.5MPa，通过喷头喷出氮气，同时打开锡铅液浴炉，保证锡铅液滴落速度与工具钢液滴落速度保持一致，喷头冲击锡铅液滴，雾化锡铅液滴冲击金属液滴，制成球形颗粒。

3)雾化后的粉末进入充满氮气的雾化塔中冷却，然后进入分级设备中进行处理，将分级后的工具钢颗粒，在300℃恒温炉中保持5小时。在扫描电镜下观察锡铅浴前后，金属颗粒表面质量，如图4所示。

4)从图上可以看出，锡铅浴后金属颗粒表面搭桥现象不明显，表面光滑，无大面积凸起。

5)将工具钢粉末包裹在钢皮中，使用丝材成型机反复拉拔，制得直径为1.2mm的3D打印用工具钢丝材。

6)将丝材使用基于CMT焊接技术的3D打印制造(CMT-AM)实验系统进行实验，保护气类型为纯氩，气流量为20L/min，堆覆速度为45cm/min，送丝速度为3.5m/min。电流为90A，电压为20V，堆覆层为50层。表4是3D打印过程中丝材性能指标。

表4. 3D打印用工具钢丝材性能表

飞溅率	直径公差	成型精度	硬度
				3％	±0.04mm	2.5mm	55HRC

综上，本发明方法制备的工具钢颗粒表面搭桥现象不明显，表面光滑，无大面积凸起，粉末球形度高，能够有效降低增材制造过程中的飞溅。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种3D打印用工具钢丝材，其特征在于：包括钢皮和填充在钢皮中的药芯，药芯按总重量百分比为100％计，由如下重量百分比的组分构成：造渣剂6.0～10.0％，其余为工具钢粉末，所述药芯填充率为20～25％；

所述的工具钢粉末的制备方法，包括如下步骤：将真空气雾化与锡铅浴相结合，在雾化喷头与工具钢液中间包之间设置铅锡液浴炉，加压气体经雾化喷头喷出，冲击锡铅液滴，雾化锡铅液滴冲击工具钢液滴，雾化得到工具钢粉末；所述锡铅液组成为锡63％和铅37％，以250℃的温度滴出；

所述铅锡液浴炉包括控流阀门、恒温不锈钢容器和PID自动恒温系统，其中PID自动恒温系统将温度恒定在250℃，保证锡铅合金变成液滴流出；

所述锡铅液的滴落速度与工具钢液的滴落速度一致；

所述雾化喷头的气体喷射压力为5.5～6.0Mpa；

所述工具钢粉末经冷却、分筛后，置于300℃恒温炉中保持5小时。

2.一种3D打印用工具钢丝材的制备方法，其特征在于：将SPHC低碳钢带轧制成U型槽，将权利要求1所述的药芯填入U型槽中，使用丝材成型机反复拉拔制得直径1.2～1.6mm的丝材，得到3D打印用工具钢丝材。