CN113084174B - 用于食品加工机械的3d打印不锈钢部件及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件，所述不锈钢部件的表层具有织构，表层无织构区域的表面分散有金属铜微粒，所述织构内部填充有金属铜颗粒，所述金属铜微粒被所述表层的不锈钢材料以机械方式局部包裹或全包裹固定，所述金属铜颗粒上表面被所述织构边缘的不锈钢材料以机械方式局部遮挡固定。本发明提供的不锈钢部件的制备工艺，主要包括：采用3D打印不锈钢部件、纯铜块体对磨、表面小直径压球冲击固定处理和表面大直径压球冲击整形处理。本发明的不锈钢部件及其制备工艺，将有效解决包括采用3D金属打印不锈钢部件在内的结构精细的不锈钢部件的耐磨问题，拓展其在食品加工机械领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及食品加工机械领域，更具体涉及一种用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件及其制备工艺。
背景技术
以304、316和316L等为代表的不锈钢材料，因其对人体优异的安全性和耐腐蚀性能，在食品机械领域得到广泛应用。但是由于该类不锈钢自身的硬度和耐磨性能相对较低，因此对于一些加工较硬食品的机械或者食品机械中的易磨损部件来说，不锈钢部件会出现快速失效的问题。与此同时，随着食品加工要求和机械精密程度的不断提高，3D金属打印特殊结构的精细不锈钢部件成为个性化定制加工的热点和未来趋势，而3D打印结构较高的成型精度对后续表面处理提出了新的挑战。因此，如何改善用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件的磨损失效问题成为迫待解决的问题。
为了解决食品加工机械不锈钢部件的磨损问题，现有的技术通常从热处理、涂层和表面机械处理等方面入手。其中热处理通过组织结构的改变可以改善不锈钢部件的硬度和耐磨性能，但是对于精细不锈钢部件，特别是3D打印制备的特殊结构的关键不锈钢部件，热处理的高温会使不锈钢部件出现明显的变形，应用受到很大限制；涂层处理，可以采用相对低温的工艺，如物理气相沉积，但是涂层成分对人体的安全性影响，涂层制备设备对被处理不锈钢部件外形和尺寸的苛刻要求，都使得其应用受到限制；表面机械处理由于处理过程的温度可控，不会引起不锈钢部件的变形，但是现有的传统表面机械处理工艺如喷丸等处理不够精细，一方面通过表面压应力来改善不锈钢部件的硬度和耐磨性能，其耐磨性能改善的程度有限，另一方面无法适用于包括采用3D金属打印不锈钢部件在内的精细结构的不锈钢部件。
因此，开发一种用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件及其制备工艺，将有效解决包括采用3D金属打印不锈钢部件在内的结构精细的不锈钢部件的耐磨问题，拓展其在食品加工机械领域的应用。
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，提供一种用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件及其制备工艺。
按照本发明提供的用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件，其采用的主要技术方案为：
所述不锈钢部件的表层具有织构，表层无织构区域的表面分散有金属铜微粒，所述织构内部填充有金属铜颗粒，所述金属铜微粒被所述表层的不锈钢材料局部包裹或全包裹固定，所述金属铜颗粒的上方被所述织构边缘的不锈钢材料局部遮挡固定，所述金属铜微粒和金属铜颗粒的固定均采用机械方式。
本发明提供的用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件，还采用如下附属技术方案：
所述表层无织构区域的表面存在金属铜微粒的厚度不超过3微米。
所述表层存在金属铜颗粒的织构的厚度为50-200微米。
所述织构至少为凹坑或线条中的一种，所述织构的面密度为5%-20%。
按照本发明提供的上述用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件的制备工艺，包括以下具体步骤：
（1）3D打印不锈钢部件：在金属3D打印设备上，利用选择性激光熔化工艺，制备表层具有织构的不锈钢部件；
（2）纯铜块体对磨：将上一步获得的不锈钢部件与纯铜块体作为摩擦副，调节不锈钢部件与纯铜块体之间的正压力，实现不锈钢部件表面与纯铜块体接触表面之间的相对滑动摩擦，在摩擦过程中使得纯铜块体表面的铜材料转移到所述不锈钢部件表面上；
（3）表面小直径压球冲击固定处理：采用小直径压球，在超声频率条件下，对上一步获得的不锈钢部件表面进行高载条件下的冲击处理，所述小直径压球的冲击载荷作用线与所述不锈钢部件表面法线之间的夹角范围为30-60度；利用不锈钢部件表面的微凸体在冲击挤压过程中的变形效应，对织构内部的金属铜颗粒进行局部遮挡，对无织构区域的金属铜微粒进行包裹或半包裹，使得不锈钢部件表面在摩擦过程中转移得到的铜材料被固定下来；
（4）表面大直径压球冲击整形处理：采用大直径压球，在较低频率条件下，对上一步处理过的不锈钢部件表面进行低载条件下的冲击处理，所述大直径压球的冲击载荷作用线与所述不锈钢部件表面法线平行，使得不锈钢部件表面的轮廓得到精细整理和平滑处理，使其无织构区域的表面粗糙度Ra不超过1微米，进而获得用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件。
进一步的，步骤（1）中所述3D打印不锈钢部件表层的织构至少为凹坑或线条的一种；所述凹坑的直径范围为100-800微米；所述线条的宽度为50-400微米。
进一步的，步骤（1）中3D打印不锈钢部件表层的无织构域的粗糙度Ra的数值不低于5微米。
进一步的，步骤（2）中不锈钢部件与纯铜块体接触表面之间的相对滑动摩擦路径为单一方向的直线或曲线。
进一步的，步骤（3）中的小直径压球的直径范围为1-10毫米，所述高载条件中的载荷为300-500 N；步骤（4）中的大直径压球的直径范围为20-50毫米，所述低载条件中的载荷为50-150 N。
进一步的，步骤（3）中小直径压球冲击过程中，首先对所有织构的边缘进行处理，使得织构边缘凸起的不锈钢材料向织构中心发生形变，实现对织构内部的金属铜颗粒上表面的局部遮挡固定；然后再对无织构域进行冲击处理，完成对无织构区域的金属铜微粒的包裹或半包裹固定。
按照本发明提供的用于食品加工机械的3D打印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、本发明技术方案中的不锈钢部件表层引入少量金属铜，可以有效改善不锈钢部件的耐磨性能。一方面，金属铜是优异的固体润滑剂，另一方面，铜是人体必需的微量元素，还可以起到优异的杀菌效果，具有很好的安全性，因此非常适合应用于食品加工机械的不锈钢部件当中。因此，本发明中不锈钢部件的表层无织构区域的表面分散有金属铜微粒，所述织构内部填充有金属铜颗粒，使得不锈钢部件在安全的前提下，可以有效改善不锈钢部件的耐磨性能。
2、本发明技术方案中的织构结构设计，在改善不锈钢部件表面耐磨性能的同时，为减摩组分金属铜提供了存储空间。织构是有规律的点和线在材料表面周期性分布的结构，研究表明表面织构化处理可以显著改善金属材料的耐磨性能。本发明通过在不锈钢部件表面引入面密度为5%-20%凹坑或线条织构，可提高不锈钢部件本身的耐磨性能，与此同时也可以将织构的下凹空间作为金属铜的存储空间，可以进一步为不锈钢部件提供更长时间的有效润滑，延长其使用寿命。
3、本发明的制备工艺中将3D金属打印和摩擦磨损实验的各自特点巧妙结合，采用机械的方式有效引入金属铜，并采用机械方式对金属铜进行固定，适用于包括各类特殊结构在内的不锈钢部件的应用。3D金属打印获得的不锈钢部件表面一般具有较高的粗糙度，通常需要进行表面磨抛处理后才能在食品机械中加以应用。而本发明则巧妙利用3D打印不锈钢部件表面的高粗糙度，采用金属纯铜块体与3D打印不锈钢部件直接配副对磨，摩擦磨损过程中不锈钢部件高粗糙度表面较硬的凸起尖端会刺入软质纯铜块体接触面，将金属铜材料以刮或粘等方式转移到不锈钢部件摩擦表面上，并充分利用摩擦磨损过程中摩擦接触面之间的自适应性和匹配性，使得金属铜微粒按需转移分散在不锈钢部件的无织构区域轮廓的波谷中，而尺寸较大的金属铜颗粒则填充进入在织构的下凹空间中。不同于一般的金属铜颗粒直接铺洒等无固定的引入方式，本发明中由于对磨件纯铜块体可以采用与不锈钢特定结构相适应的直径和可控的对磨工况，使得金属铜在磨损过程中与不锈钢部件产生一定的形变连接和高温冶金连接，起到预固定的作用，为后续表面机械冲击工艺以机械方式有效固定金属铜提供了良好的基础，有效实现不锈钢部件表面对金属铜的引入。
4、本发明的制备工艺中将表面机械冲击工艺引入，在提高不锈钢部件表面硬度和耐磨性的同时，通过工艺控制，有效解决了金属铜组分的固定和不锈钢部件表面的粗糙度问题。表面机械冲击是改善金属材料耐磨性能的有效措施，本发明在表面织构的基础上，进一步通过表面机械冲击来改善不锈钢部件的耐磨性能。表面机械冲击处理时，压球直径、冲击频率和冲击载荷的选择，会对被冲击表面产生不同的改性效果。本发明分别采用两个不同的处理阶段，首先采用表面小直径压球冲击固定处理，然后采用表面大直径压球冲击整形处理。第一个阶段中，采用小直径压球，可以满足更小面积表面的精细化处理，在超声频率条件下可以在不锈钢表面数微米到数百微米深度内获得更高的表面压应力甚至引起相变来改善其耐磨性能，同时该阶段还针对引入金属铜且完成预固定的不锈钢部件表面，进行高载条件下冲击的大变形处理，利用不锈钢部件表面的微凸体在冲击挤压过程中的变形效应，对表面的金属铜微粒进行包裹或半包裹，使得不锈钢部件表面在摩擦过程中转移得到的铜材料被牢固的固定下来。为了更好地实现以上目标，专门限定所述小直径压球的冲击载荷作用线与所述不锈钢部件表面法线之间的夹角范围为30-60度，该限定确保了冲击过程中周围较高位置的微凸体不锈钢材料必然向一侧倾斜和折叠变形，并会将处于波谷中的金属铜产生不同程度的包裹，将织构边缘的凹坑孔径或线条间距尺寸变小，形成对织构内部金属铜的遮盖固定。第二个阶段中采用表面大直径压球冲击整形处理，其压球的直径增大、载荷降低、冲击频率也降低，压球的冲击载荷作用线垂直于所述不锈钢部件表面，主要目的是改善不锈钢部件表面的粗糙度。
附图说明
图1是本发明不锈钢部件的整体结构示意图。
图2是本发明不锈钢部件表层的俯视图。
图3是本发明不锈钢部件表层的横截面示意图。
图4是本发明不锈钢部件表面采用小直径压头冲击处理时的位置示意图。
具体实施方式
参见图1-图3，按照本发明提供的用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件1，其采用的主要技术方案为：
所述不锈钢部件1的表层2具有织构21，表层2无织构区域22的表面分散有金属铜微粒221，所述织构21内部填充有金属铜颗粒211，所述金属铜微粒221被所述表层2的不锈钢材料局部包裹或全包裹固定，所述金属铜颗粒211上方被所述织构21边缘的不锈钢材料局部遮挡固定，所述金属铜微粒和金属铜颗粒的固定均采用机械方式。以上表述中的“机械方式”等同于“无粘结剂的纯物理方式”，指的是无论金属铜微粒被局部包裹或全包裹固定过程，还是金属铜颗粒上方被局部遮挡固定过程，均不涉及任何化学反应，也不涉及任何粘结剂，都是通过外力作用下利用不锈钢材料表面微凸体，受挤压载荷作用下发生侧向变形来实现对金属铜微粒和金属铜颗粒的固定。
需要说明的是，本发明中的铜微粒221指的是处于不锈钢部件表层无织构区域的轮廓波谷中的铜材料，其大小通常受限于轮廓波谷的尺寸大小，一般较小，对应由图2中的小黑点所代表；本发明中的金属铜颗粒211指的是处于不锈钢部件表层织构内部下凹空间的铜材料，其尺寸相对较大，对应由图2中的大黑点所代表，有的呈片状或较大的椭球形，也有部分较小的磨屑夹杂其中。
食品加工机械中的不锈钢部件由于直接或间接接触食品，因此出于安全性原因，作为最有效改善耐磨性能手段的润滑，受到极大的限制，只有极少数符合食品标准的固体润滑剂可以应用，但其效果和成本代价较大。本发明通过引入少量金属铜作为固体润滑剂，将有效改善不锈钢部件的耐磨性能和使用寿命。织构是有规律的点和线在表面周期性分布的结构，研究表明可以显著改善金属材料的耐磨性能。本发明通过在不锈钢部件表面引入面密度为5%-20%凹坑或线条织构，一方面可提高不锈钢部件本身的耐磨性能，另一方面也可以将织构的下凹空间作为金属铜的存储空间，结合无织构区域散布的铜微粒，为不锈钢部件提供更长时间的有效润滑，延长其使用寿命。
本发明提供的用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件1，还采用如下附属技术方案：
所述表层2无织构区域22的表面存在金属铜微粒221的厚度不超过3微米。所述金属铜微粒的下部被表层无织构区域的不锈钢微凸体之间的波谷轮廓包围，上部被周围的不锈钢微凸体变形后局部包裹或全包裹，进而实现机械方式的固定。在后期的服役过程中，这些金属铜微粒可以充分实现对不锈钢部件摩擦表面的有效润滑，并对食品加工机械的不锈钢部件表面产生杀菌的有益效果。
所述表层存在金属铜颗粒211的织构21的厚度为50-200微米。所述织构的下凹空间作为铜颗粒的存储空间，有利于更多大尺寸铜材料的沉积，并在不锈钢服役过程中，能够持续长久地发挥固体润滑和杀菌的作用。
所述织构21至少为凹坑或线条中的一种，所述织构21的面密度为5%-20%。所述凹坑的形状为圆形、椭圆形、三角形或多边形中的至少一种，所述线条的形状为线段、直线、弧线或曲线中的至少一种，织构是凹坑或线条或两者共存，取决于食品加工机械的种类和工作环境，以及不锈钢部件的外形特点等具体因素。
按照本发明提供的上述用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件的制备工艺，主要包括以下步骤：
（1）3D打印不锈钢部件：在金属3D打印设备上，利用选择性激光熔化工艺，制备表层2具有织构21的不锈钢部件；所述3D打印不锈钢部件表层2的织构21至少为凹坑或线条的一种；所述凹坑的直径范围为100-800微米；所述线条的宽度为50-400微米，3D打印不锈钢部件表层2包括织构21和无织构区域22，其中无织构域22的表面粗糙度Ra的数值不低于5微米，如此高的粗糙度有利于后期对铜材料的捕获和固定。
（2）纯铜块体对磨：将上一步获得的不锈钢部件与纯铜块体作为摩擦副，调节不锈钢部件与纯铜块体之间的正压力，实现不锈钢部件表面与纯铜块体接触表面之间的相对滑动摩擦，在摩擦过程中使得纯铜块体表面的铜材料转移到所述不锈钢部件表面上；不锈钢部件与纯铜块体接触表面之间的相对滑动摩擦路径为单一方向的线或曲线，可以避免反方向滑动摩擦时将已经转移到不锈钢部件表面微凸体的铜材料带走。
3D金属打印获得的不锈钢部件表面通常具有较高的粗糙度，Ra的数值可达数微米甚至超过十微米，通常需要进行表面磨抛处理后才能在食品机械中加以应用。本发明巧妙利用3D打印不锈钢部件表面的高粗糙度，采用金属纯铜块体与之配副对磨，摩擦磨损过程中较硬的不锈钢部件表面的凸起尖端会刺入纯铜块体接触面，将金属铜材料以刮或粘的方式转移到不锈钢部件摩擦表面上，并充分利用摩擦磨损过程摩擦接触面之间的自适应性和匹配性，使得金属铜微粒分散在不锈钢部件的无织构区域轮廓的波谷中，而尺寸较大的金属铜颗粒则填充进入在织构的下凹空间中。本发明中由于对磨件纯铜块体可以采用与不锈钢特定结构相适应的直径和可控的对磨工况，使得金属铜在磨损过程中与不锈钢部件产生一定的形变连接和高温冶金连接，起到预固定的作用，为后续表面机械冲击工艺以机械方式有效固定金属铜提供了良好的基础，有效实现不锈钢部件表面对金属铜的引入。
（3）表面小直径压球冲击固定处理：参见图4，采用小直径压球3，小直径压球3的直径范围为1-10毫米，在10-30 kHz的超声频率条件下，对上一步获得的不锈钢部件表面进行300-500 N高载条件下的冲击处理，所述小直径压球3的冲击载荷作用线与所述不锈钢部件表面法线之间的夹角θ范围为30-60度，优选30度或45度或60度；参见图3，利用不锈钢部件表面的微凸体在冲击挤压过程中的变形效应，对织构21内部的金属铜颗粒211进行局部遮挡，对表面的金属铜微粒221进行包裹或半包裹，有的铜微粒221局部暴露在表面，有的铜微粒221被完全包裹再不锈钢材料中，从而使得不锈钢部件表面在摩擦过程中转移得到的铜材料被固定下来；
参见图4，表面机械冲击处理的过程是，在工作过程中，固定在平台上的超声波发生装置32产生的超声振动通过变幅杆31放大后作用在不锈钢部件表面，使其表面同时产生振动和滚压效果。在本发明的实施过程中，通常设备在常温环境下进行工作，不锈钢部件需要被固定在底座上，通过变幅杆31对压球3施加一定的静载荷于不锈钢试件表面，处理过程中不锈钢部件随着底座一起运动，压球使得不锈钢部件表面产生持续的弹塑性变形。本发明中的所述高载条件指静载荷的数值较大，所述小直径压球的冲击载荷作用线与所述不锈钢部件表面法线之间的夹角，可通过变幅杆的轴线与不锈钢部件表面法线来确定。
采用小直径压球，在超声频率条件下，对引入金属铜且完成预固定的不锈钢部件表面进行高载条件下的冲击处理，目的是利用不锈钢部件表面的微凸体在冲击挤压过程中的变形效应，对表面的金属铜微粒进行包裹或半包裹，使得不锈钢部件表面在摩擦过程中转移得到的铜材料被固定下来，因此专门限定所述小直径压球的冲击载荷作用线与所述不锈钢部件表面法线之间的夹角范围为30-60度，该限定确保了冲击过程中周围较高位置的不锈钢材料必然向一侧倾斜和折叠变形，并会将处于波谷中的金属铜产生不同程度的包裹，在与固定的基础上进一步强化对金属铜的固定。
小直径压球冲击过程中，首先对所有织构21边缘分别进行冲击处理，然后再对无织构域22进行冲击处理。参见图3，所有织构21只是边缘部分进行冲击处理，使得每一个织构21的边缘凸起的不锈钢材料均向织构中心发生形变，使得织构上表面的尺寸变小，即凹坑的直径变小或者线条的边缘间距变小，从而实现对织构21内部的金属铜颗粒211上表面的局部遮挡固定；该限定可以优先确保织构周围的不锈钢材料完成对织构中更多金属铜的固定，确保数量充足的金属铜被引入。
（4）表面大直径压球冲击整形处理：采用大直径压球，大直径压球的直径范围为20-50毫米，对上一步处理过的不锈钢部件表面进行50-150 N的低载条件（所述低载条件指静载荷的数值较小）下的冲击处理，冲击频率不超过1kHz，所述大直径压球的冲击载荷作用线与所述不锈钢部件表面法线平行，使得不锈钢部件表面的轮廓得到精细整理和平滑处理，使其无织构区域的表面粗糙度Ra不超过1微米，从而获得用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件。除了压球直径变大，载荷和频率减小，大直径压球的冲击载荷作用线不同等区别之外，该过程的实现过程与表面小直径压球冲击固定处理过程基本一致。
本发明技术方案中采用机械处理的方式，结合滑动摩擦磨损来实现润滑组分铜材料的有效引入，利用摩擦过程中的微凸体咬合和短时高温，来实现铜材料的转移和预固定，接着利用机械冲击处理来实现铜材料的牢固固定，适用于食品加工机械领域结构精细的不锈钢关键部件的耐磨性能的改善。特别适用于3D金属打印不锈钢部件，充分利用了3D打印不锈钢部件高的表面粗糙度，将其缺点转变为优点，实现了铜材料的有效转移和固定。
本发明的不锈钢部件将固体润滑组分金属铜、表面织构和机械冲击处理有效结合，将有效延长不锈钢部件在食品加工机械中的服役寿命。
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 (6)
1.用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件的制备工艺，其特征在于，所述不锈钢部件的表层具有织构，表层无织构区域的表面分散有金属铜微粒，所述织构内部填充有金属铜颗粒，所述不锈钢部件的制备工艺包括以下具体步骤：
（1）3D打印不锈钢部件：在金属3D打印设备上，利用选择性激光熔化工艺，制备表层具有织构的不锈钢部件； 3D打印不锈钢部件表层的无织构域的粗糙度Ra的数值不低于5微米；
（2）纯铜块体对磨：将上一步获得的不锈钢部件与纯铜块体作为摩擦副，不锈钢部件表面与纯铜块体接触表面之间相对滑动摩擦，在摩擦过程中纯铜块体表面的铜材料转移到所述不锈钢部件表面上；不锈钢部件与纯铜块体接触表面之间的相对滑动摩擦路径为单一方向的直线或曲线；
（3）表面小直径压球冲击固定处理：采用小直径压球，在超声频率条件下，对上一步获得的不锈钢部件表面进行高载条件下的冲击处理，对织构内部的金属铜颗粒进行局部遮挡，对无织构区域的金属铜微粒进行包裹或半包裹，所述小直径压球的冲击载荷作用线与所述不锈钢部件表面法线之间的夹角范围为30-60度；小直径压球冲击过程中，首先对所有织构的边缘进行冲击处理；然后再对无织构域进行冲击处理；
（4）表面大直径压球冲击整形处理：采用大直径压球，对上一步处理过的不锈钢部件表面进行低载条件下的冲击处理，所述大直径压球的冲击载荷作用线与所述不锈钢部件表面法线平行，对不锈钢部件表面的轮廓精细整理和平滑处理。
2.如权利要求1所述的用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件的制备工艺，其特征在于，步骤（1）中所述3D打印不锈钢部件表层的织构至少为凹坑或线条的一种；所述凹坑的直径为100-800微米；所述线条的宽度为50-400微米。
3.如权利要求1所述的用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件的制备工艺，其特征在于，步骤（3）中的小直径压球的直径为1-10毫米，所述高载条件中的载荷为300-500 N；步骤（4）中的大直径压球的直径为20-50毫米，所述低载条件中的载荷为50-150 N。
4.如权利要求1所述的用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件的制备工艺，其特征在于，所述金属铜微粒被所述表层的不锈钢材料局部包裹或全包裹固定，所述金属铜颗粒的上方被所述织构边缘的不锈钢材料局部遮挡固定，所述金属铜微粒和金属铜颗粒的固定均采用机械方式；所述织构至少为凹坑或线条中的一种，所述织构的面密度为5%-20%。
5.如权利要求1所述的用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件的制备工艺，其特征在于，所述表层无织构区域的表面存在金属铜微粒的厚度不超过3微米。
6.如权利要求1所述的用于食品加工机械的3D打印不锈钢部件的制备工艺，其特征在于，所述表层存在金属铜颗粒的织构的厚度为50-200微米。
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