发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种无铅多元青铜合金球形粉体材料及其制备方法与应用。本发明提供的无铅多元青铜合金球形粉体材料呈球形、形貌均匀,能够应用于3D材料打印,且得到的3D打印材料具有优异的切削性能。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种无铅多元青铜合金球形粉体材料,由包括以下重量含量元素的原料制备得到:锡4.4~4.88%、锌3.8~6.24%、铋1.2~2.2%、混合稀土0.005~0.04%、铅≤0.02%、铁≤0.03%、镍≤1.6%、磷≤0.60%、硅≤0.004%、铝≤0.004%,余量为铜。
优选地,所述的无铅多元青铜合金球形粉体材料由包括以下重量含量的元素制备得到:锡4.44%、锌5.02%、铋1.7%、混合稀土0.0225%、铅≤0.02%、铁≤0.03%、镍≤1.6%、磷≤0.60%、硅≤0.004%、铝≤0.004%,余量为铜。
优选地,以混合稀土重量为100%计,所述混合稀土包括以下重量含量的组分:镧85%、铈9%、镨5%、钕1.0%。
本发明还提供了上述技术方案所述的无铅多元青铜合金球形粉体材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按照上述技术方案所述的元素重量含量称取原料,并进行熔炼,得到熔炼金属液体;
(2)将所述步骤(1)得到的熔炼金属液体进行气雾化,得到所述无铅多元青铜合金球形粉体材料。
本发明还提供了上述技术方案所述的无铅多元青铜合金球形粉体材料或上述技术方案所述的制备方法得到的无铅多元青铜合金球形粉体材料在3D打印材料中的应用。
优选地,包括以下步骤:
将所述无铅多元青铜合金球形粉体材料铺平在基体上,预热,采用选择性激光烧结法进行打印,得到3D打印材料。
优选地,所述选择性激光烧结法的参数包括:光斑为正离焦光斑;所述正离焦光斑的直径为145μm;所述正离焦光斑的移动速率为900mm/s;所述选择性激光烧结法的线间距为0.07~0.11mm;所述选择性激光烧结法的功率为230~310W。
本发明提供了一种无铅多元青铜合金球形粉体材料,由包括以下重量含量的元素制备得到:锡4.4~4.88%、锌3.8~6.24%、铋1.2~2.2%、混合稀土0.005~0.04%、铅≤0.02%、铁≤0.03%、镍≤1.6%、磷≤0.60%、硅≤0.004%、铝≤0.004%,余量为铜。本发明提供的无铅多元青铜合金球形粉体材料为均匀的球形;在各元素的共同作用下,合金球形粉体材料经选择性激光烧结法获得的3D打印材料具有优异的铸造性能和切削性能。
进一步地,本发明采用气雾化制备合金球形粉体材料,通过控制气雾化的参数,使得合金球形粉体材料较好的球形度,并保证了粉体材料的尺寸均匀性。
具体实施方式
本发明提供了一种无铅多元青铜合金球形粉体材料,由包括以下重量含量的元素制备得到:锡4.4~4.88%、锌3.8~6.24%、铋1.2~2.2%、混合稀土0.005~0.04%、铅≤0.02%、铁≤0.03%、镍≤1.6%、磷≤0.60%、硅≤0.004%、铝≤0.004%,余量为铜。
本发明制备无铅多元青铜合金球形粉体材料的原料中包括重量含量为4.4~4.88%的锡元素,优选为4.44~4.5%。本发明对锡元素的添加形式没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的含锡物质,只要含锡物质中的元素种类及含量能够与无铅多元青铜合金球形粉体材料中的元素种类及含量相对应即可,具体的,如锡块。本发明的锡元素在其它元素的共同作用下,提高了合金球形粉体材料的铸造性能和切削性能。
本发明制备无铅多元青铜合金球形粉体材料的原料中包括重量含量为3.8~6.24%的锌元素,优选为4.0~6.0%,更优选为5.02~5.5%。本发明对锌元素的添加形式没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的含锌物质,只要含锌物质中的元素种类及含量能够与无铅多元青铜合金球形粉体材料中的元素种类及含量相对应即可,具体的如,镁铝合金锭、镁锭。
本发明制备无铅多元青铜合金球形粉体材料的原料中包括重量含量为1.2~2.2%的铋元素,优选为1.4~2.0%,更优选为1.5~1.7%。本发明对所述铋元素的添加形式没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的含铋物质,只要含铋物质中的元素种类及含量能够与无铅多元青铜合金球形粉体材料中的元素种类及含量相对应即可,具体的,如铋块。
本发明制备无铅多元青铜合金球形粉体材料的原料中包括重量含量为0.005~0.04%的混合稀土元素,优选为0.01~0.03%,更优选为0.015~0.225%。在本发明中,以混合稀土元素的重量为100%计,所述混合稀土元素优选包括以下重量含量的元素:镧85%、铈9%、镨5%、钕1.0%。在本发明中,混合稀土的加入能够提高合金球形粉体材料的铸造性能。
本发明制备无铅多元青铜合金球形粉体材料的原料中包括重量含量≤0.02%的铅元素。由于本发明的目的是制备无铅多元青铜合金球形粉体材料,所以需要将合金粉体材料中铅元素的含量控制为≤0.02%。
本发明制备无铅多元青铜合金球形粉体材料的原料中包括重量含量≤0.03%的铁元素。
本发明制备无铅多元青铜合金球形粉体材料的元素中包括重量含量≤1.6%的镍元素。本发明对镍的添加形式没有特殊的限定,只要含镍物质即可,只要能使含镍物质中含有的元素种类和含量与无铅多元青铜合金球形粉体材料的元素种类及含量相对应即可。
本发明制备无铅多元青铜合金球形粉体材料的原料中包括重量含量≤0.6%的磷元素。
本发明提供的无铅多元青铜合金球形粉体材料的原料中包括重量含量≤0.004%的硅元素;本发明制备无铅多元青铜合金球形粉体材料的原料中包括重量含量≤0.004%的铝元素。由于硅和铝为杂质元素,极易被氧化,降低了合金球形粉体材料的流动性和致密性,能够使合金球形粉体材料在应用时导致材料机械性能下降。所以,硅和铝的重量含量要严格控制为≤0.004%。
本发明的无铅多元青铜合金球形粉体材料在混合稀土、锡元素的共同作用下,保证了合金球形粉体材料在制备3D打印材料时,能够使3D打印材料具有优异的铸造性能和切削性能。
本发明还提供了上述技术方案所述无铅多元青铜合金粉体材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按照上述技术方案所述的元素重量含量称取原料,并进行熔炼,得到熔炼金属液体;
(2)将所述步骤(1)得到的熔炼金属液体进行气雾化,得到所述无铅多元青铜合金球形粉体材料。
本发明还提供了上述技术方案所述无铅多元青铜合金球形粉体材料或上述技术方案所述的制备方法得到的无铅多元青铜合金球形粉体材料在3D打印材料中的应用。在本发明中,所述无铅多元青铜合金球形粉体材料用于3D打印材料时,优选包括以下步骤:
将所述无铅多元青铜合金球形粉体材料铺平在基板上,预热后,采用选择性激光烧结法进行打印,得到3D打印材料。
本发明对所述基板的材质没有特殊的限定,采用本领域技术人员熟知的基板即可,具体的,如不锈钢、玻璃和高分子材料。在本发明中,所述基板预热后的温度优选为60℃。
在本发明中,所述无铅多元青铜合金球形粉体材料的预热温度优选低于无铅多元青铜合金球形粉体材料熔点温度5~10℃。
在本发明中,所述选择性激光烧结法的光斑优选采用正离焦光斑。在本发明中,所述正离焦光斑的直径优选为145μm;所述正离焦光斑的移动速率优选为900mm/s。在本发明中,所述选择性激光烧结法的线间距优选为0.07~0.11mm;所述选择性激光烧结法的功率优选为230~310W。
由于采用择性激光烧结法时,是一层一层处理合金球形粉体材料,本发明优选每层材料的厚度优选为0.02mm。
本发明通过控制选择性激光烧结法的参数,得到了形貌各异的3D打印材料。由于该3D打印材料采用了本发明的无铅多元青铜合金球形粉体材料,使得3D打印材料具有优异的铸造性能及切削性能。
下面结合实施例对本发明提供的无铅多元青铜合金球形粉体材料及其制备方法与应用进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
图1为本发明3D打印材料的流程图:按照元素重量含量称取原料,将原料熔炼,得到熔炼金属液体;将熔炼金属液体经气雾化,和过筛和超声清洗后处理,得到无铅多元青铜合金球形粉体材料;然后利用选择性激光烧结法打印,得到3D打印材料。
实施例1
一种无铅多元青铜合金球形粉体材料,由包括以下重量含量的元素制备得到:锡4.44%、锌5.02%、铋1.7%、混合稀土0.0225%、铅≤0.02%、铁≤0.03%、镍≤1.6%、磷≤0.60%、硅≤0.004%、铝≤0.004%,余量为铜;其中,以混合稀土重量100%计,所述混合稀土包括以下重量含量的组分:85%、铈9%、镨5%、钕1.0%。
上述无铅多元青铜合金球形粉体材料的制备方法,包含如下步骤:
(1)按照元素重量含量称取原料,熔炼,得到熔炼金属溶液;
(2)将所述步骤(1)得到的熔炼金属溶液进行气雾化,将气雾化得到的粉体收集并过泰勒筛,将泰勒筛筛下物超声清洗,分离表面附着的细微颗粒,得到所述无铅多元青铜合金球形粉体材料。
图2~4为本实施例所得无铅多元青铜合金球形粉体材料的扫描电镜照片,从图2~4可以看出,本实施例所得无铅多元青铜合金球形粉体材料球形度好。
利用上述无铅多元青铜合金球形粉体材料制备3D打印材料,包括以下步骤:
将无铅多元青铜合金球形粉体材料铺平在基板上,预热,采用选择性激光烧结法进行打印,得到3D打印材料;
其中:选择性激光烧结法采用的光斑为正离焦光斑;所述正离焦光斑的直径为145μm,所述正离焦光斑的移动速率为900mm/s;所述基板的温度为60℃,打印时每层的厚度为0.02mm。
图5为本实施例所得3D打印材料的照片。
对3D打印材料进行抛光处理,抛光后所得3D打印材料的表面照片如图6所示。
对得到的3D打印材料进行腐蚀处理,腐蚀后的3D打印材料的金相照片如图7所示。
为了研究选择性激光烧结法线间距和功率对3D材料密度的影响,采用单一变量控制法,在参数:选择性激光烧结法采用的光斑为正离焦光斑,所述正离焦光斑的直径为145μm,所述正离焦光斑的移动速率为900mm/s,所述基板的温度为60℃,打印时每层的厚度为0.02mm固定的情况下,分别研究了选择性激光烧结法的线间距分别为0.07mm,0.08mm,0.09mm,0.10mm,0.11mm;选择性激光烧结法的功率分别为230W,250W,270W,290W,310W;对3D打印材料密度的影响。不同打印条件下所得到的3D打印材料的密度,如表1所示。
表1不同选择性激光烧结线间距和功率所得3D打印材料的密度数据
实施例2
一种无铅多元青铜合金球形粉体材料,由包括如下重量含量的元素制备得到:锡4.88%、锌6.24%、铋2.2%、混合稀土0.04%、铅≤0.02%、铁≤0.03%、镍≤1.6%、磷≤0.60%、硅≤0.004%、铝≤0.004%,余量为铜;混合稀土的重量为100%计,所述混合稀土包括以下重量含量的组分:镧85%、铈9%、镨5%、钕1.0%。
上述无铅多元青铜合金球形粉体材料的制备方法,包含如下步骤:
(1)按照元素重量含量称取原料,熔炼,得到熔炼金属溶液;
(2)将所述步骤(1)得到的熔炼金属溶液进行气雾化,将气雾化得到的粉体收集并过泰勒筛,将泰勒筛筛下物超声清洗,分离表面附着的细微颗粒,得到所述无铅多元青铜合金球形粉体材料。
本实施例所得无铅多元青铜合金球形粉体材料的扫描电镜照片与实施例1相似。
利用上述无铅多元青铜合金球形粉体材料制备3D打印材料,包括以下步骤:
将无铅多元青铜合金球形粉体材料铺平在基板上,预热,采用选择性激光烧结法进行打印,得到3D打印材料;
其中:选择性激光烧结法采用的光斑为正离焦光斑;所述正离焦光斑的直径为145μm,所述正离焦光斑的移动速率为900mm/s;所述基板的温度为60℃,打印时每层的厚度为0.02mm。
本实施例所得3D打印材料抛光后、腐蚀后照片与实施例1相似。
上述无铅多元青铜合金球形粉体材料的制备方法,及采用得到的无铅多元青铜合金球形粉体材料制备3D打印材料的制备方法与实施例1相同。
对比例
一种无铅多元青铜合金球形粉体材料,由包括如下重量含量的元素制备得到:锡4.0%、锌3.8%、铋1.2%、铅≤0.02%、铁≤0.03%、镍≤1.6%、磷≤0.60%、硅≤0.004%、铝≤0.004%,余量为铜。
上述无铅多元青铜合金球形粉体材料的制备方法,及采用得到的无铅多元青铜合金球形粉体材料制备3D打印材料的制备方法与实施例1相同。
实施例1~2及对比例所得3D打印材料的铸造性能测试:
对比例中不含混合稀土,制备的3D打印用无铅多元青铜合金球形粉体材料,铸造性能未得到改善;实施例1和2中,制备的3D打印用无铅多元青铜合金球形粉体材料,添加了混合稀土,且混合稀土的成分处于0.005~0.04%之间,提高了铸造性能;制备的3D打印用无铅多元青铜合金球形粉体材料,混合稀土不添加以及添加过多都会影响铸造性能,混合稀土的成分处于0.005~0.04%之间,铸造性能最优。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。