CN113787189A - 一种增材制造用模具钢球形粉末及其循环利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种增材制造用模具钢球形粉末及其循环利用方法，结合等离子旋转电极制粉，提出先将粉末热等静压成锭坯，再加工为电极棒进行制粉，制粉后所得细粒径粉末可用于增材制造，粗粒径粉末按照热等静压，锻造，机加工，等离子旋转电极制粉，完成了粗粒径模具钢粉末的循环利用。该循环利用方法，可解决粗粒径模具钢粉末大量积压库存的问题，及部分粉末无法利用而导致细粒径粉末成本较高的问题，且还能够克服粉末再利用中金属元素烧损的问题，及粉末再利用中气体元素增高的问题。

Description

一种增材制造用模具钢球形粉末及其循环利用方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及模具钢球形粉末，尤其涉及一种增材制造用模具钢球形粉末及其循环利用方法。
背景技术
20世纪90年代，增材制造技术已开始应用于模具领域，随着国内增材制造技术的进一步发展，每年用于模具领域的粉末原材料达到百吨以上。随之而来的问题就是，无论是气雾化或者是旋转电极制粉，除了可用于铺粉打印的细粒径（15-53μm）粉末，还会产生大量的粗粒径粉末（53-250μm），其数量大约是细粒径粉末的2倍以上。而粉末状材料由于间隙的存在，无法通过感应熔炼的方式进行重熔回收，这也导致模具钢粉末很难通过气雾化的方法重熔制粉。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种增材制造用模具钢球形粉末及其循环利用方法，通过持续的循环利用，有效解决了模具钢粉末粗粉大量积压的问题，并进一步降低了增材制造用粉末的成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种增材制造用模具钢球形粉末，以质量百分比计，包括：Ni 15%-18%，Fe 38%-42%，C 0-0.01%，Cr 0-1.2%，P<0.015%，S<0.010%，余量为Co。
另一方面，本发明还提供了一种增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，具体包括：
步骤1）、取粒度范围在53-250μm的模具钢粉末在粉末混合机内混合均匀；
步骤2）、先将步骤1）混合均匀的模具钢粉末装在包套中，通过机械振动使包套中的模具钢粉末符合振实密度的要求，再加热除气，最后采用氩弧焊完成包套封焊；
步骤3）、将步骤2）处理后的包套置于热等静压炉内进行热等静压处理，得到坯料；
步骤4）、去掉步骤3）中坯料的包套，锻造后得到棒坯，对棒坯进行机加工处理后得到电极棒；
步骤5）、对步骤4）所得电极棒采用等离子旋转电极制粉法制粉，所得粉末经筛分后，粒度范围在15-53μm的模具钢粉末用于增材制造，粒度范围在53-250μm的模具钢粉末可投入步骤1）中循环利用。
进一步，所述粉末混合机包括传动系统及混料筒，所述混料筒安装于机架上，所述混料筒的内部安装有抽真空过滤罩，出料口处安装有蝶阀；所述传动系统包括驱动电机、蜗轮蜗杆减速机、皮带及链轮，所述驱动电机通过皮带带动蜗轮蜗杆减速机转动，从而使链轮带动混料筒的筒体进行回转运动。
进一步，所述步骤1）中粉末混合机的混合时间为60-120min，转速为10-20r/min。
进一步，所述步骤2）中包套采用低碳钢包套，其直径为0.5-1.5m，高度为0.5-2m。
进一步，所述步骤2）中的振实密度为4.9-5.5g/cm3。
进一步，所述步骤2）中的加热温度为150-300℃。
进一步，所述步骤3）中热等静压温度为1000-1200℃，压力为100-120MPa。
进一步，所述步骤4）中锻造起锻温度＞1100℃，终锻温度＞1000℃。
进一步，所述步骤5）中电极棒直径为40-70mm，电极棒长度为100-1000mm，电极棒的转速为26000-30000r/min。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：该模具钢球形粉末的循环利用方法，通过热等静压进行粉末成形，解决了粉末无法直接再利用的问题，且热等静压成形锭坯组织均匀无偏析，无各向异性；利用电极棒进行制粉，解决了模具钢粉末无法重熔再利用的问题；利用等离子旋转电极制粉法制粉，属于局部熔化制粉，避免了重熔导致元素烧损及偏析等问题。
此外，步骤5）的制粉过程中存在惰性保护气体，且制粉依靠离心力，避免了气体元素的引入，可保证粉末的O、N含量在200ppm以内，电极棒的转速为26000-30000r/min，通过高转速提高旋转电极制粉时细粉成品率，进一步提高了材料的循环利用率。
附图说明
图1为本发明提供的一种增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法的工艺流程图；
图2为利用本发明提供的循环利用方法制得的金属粉末在放大倍数为100倍下的SEM图；
图3为利用本发明提供的循环利用方法制得的金属粉末在放大倍数为500倍下的SEM图；
图4为本发明实施例1-3制得的模具钢粉末O、N含量的折线图；
图5为本发明实施例1-3制得的模具钢粉末的循环利用率的折线图；
图6为本发明步骤1）所用的粉末混合机的结构图。
其中：1、机架；2、混料筒；3、抽真空过滤罩；4、蝶阀；5、蜗轮蜗杆减速机；6、驱动电机。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的方法的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
参见图1所示，本实施例提供了一种增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，该增材制造用模具钢球形粉末，以质量百分比计，包括：Ni 15%，Fe 42%，C 0.01%，Cr 1.2%，P 0.012%，S 0.008%，余量为Co。所述循环利用方法，具体包括：
步骤1）、取粒度范围在53-250μm的模具钢粉末在自主设计的粉末混合机内混合均匀，混合时间120min，混合机转速20r/min；
步骤2）、将步骤1）混合均匀的粉末装在直径0.5m，高1m的低碳钢包套中，机械振动使其达到振实密度5.5g/cm3，进而200℃加热除气，最后通过氩弧焊完成包套封焊；
步骤3）、将步骤2）处理后的包套置于热等静压炉内，通过高温高压环境（温度1200℃、压力120MPa）制成坯料；
步骤4）、将步骤3）所得热等静压锭坯去除包套，再进行锻造得到棒坯；对棒坯进行机加工处理，电极棒直径为45mm，长度为450mm；
步骤5）、将步骤4）所得电极棒进行高转速等离子旋转电极制粉，转速为26000r/min；经筛分后，其中15-53μm粉末可用于增材制造，53-250μm粉末可再次投入步骤1）循环利用。
需要强调的是，这里所说的等离子旋转电极制粉法是以电极棒为原材料，其端面受电弧加热而熔融为液体，通过电极高速旋转的离心力将液体甩出并破碎为细小液滴，后冷凝为球形粉末的制粉方法，通过等离子旋转电极制粉，属于局部熔化制粉，避免了重熔导致元素烧损及偏析等问题。
进一步，步骤1）中的粉末混合机包括传动系统及混料筒2，参见图6所示，所述混料筒2安装于机架1上，混料筒2由优质不锈钢加工制作，内外表面进行抛光镜面处理，用于盛装粉末并进行混合，其内部安装有抽真空过滤罩3，出料口处安装有蝶阀4；所述传动系统包括驱动电机6、蜗轮蜗杆减速机5、皮带及链轮，所述驱动电机6通过皮带带动蜗轮蜗杆减速机5转动，从而使链轮带动混料筒2的筒体进行回转运动。其中，整个粉末混合机固定于主轴架上，所述主轴架采用优质钢材焊接完成，以保证焊接质量；驱动电机6的转速采用变频控制，可实现混料筒2的筒体转速10-20r/min连续可调。
实施例2
本实施例提供了一种增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，该增材制造用模具钢球形粉末，以质量百分比计，包括：Ni 18%，Fe 38%，Cr 0.8%，P 0.010%，S 0.005%，余量为Co。所述循环利用方法，具体包括：
步骤1）、取粒度范围在53-250μm的模具钢粉末在自主设计的粉末混合机内混合均匀，混合时间100min，混合机转速15r/min；
步骤2）、将步骤1）混合均匀的粉末装在直径1.0m，高2m的低碳钢包套中，机械振动使其达到振实密度5.2g/cm3，进而300℃加热除气，最后通过氩弧焊完成包套封焊；
步骤3）、将步骤2）处理后的包套置于热等静压炉内，通过高温高压环境（温度1100℃、压力110MPa）制成坯料；
步骤4）、将步骤3）所得热等静压锭坯去除包套，再进行锻造得到棒坯；对棒坯进行机加工处理，电极棒直径为50mm，长度为450mm；
步骤5）、将步骤4）所得电极棒进行高转速等离子旋转电极制粉，转速为27000r/min；经筛分后，其中15-53μm粉末可用于增材制造，53-250μm粉末可再次投入步骤1）循环利用。
实施例3
本实施例提供了一种增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，该增材制造用模具钢球形粉末，以质量百分比计，包括：Ni 16%，Fe 40%，C 0.005%，P 0.013%，S 0.002%，余量为Co。所述循环利用方法，具体包括：
步骤1）、取粒度范围在53-250μm的模具钢粉末在自主设计的粉末混合机内混合均匀，混合时间80min，混合机转速10r/min；
步骤2）、将步骤1）混合均匀的粉末装在直径1.5m，高0.8m的低碳钢包套中，机械振动使其达到振实密度5.0g/cm3，进而150℃加热除气，最后通过氩弧焊完成包套封焊；
步骤3）、将步骤2）处理后的包套置于热等静压炉内，通过高温高压环境（温度1000℃、压力100MPa）制成坯料；
步骤4）、将步骤3）所得热等静压锭坯去除包套，再进行锻造得到棒坯；对棒坯进行机加工处理，电极棒直径为55mm，长度为450mm；
步骤5）、将步骤4）所得电极棒进行高转速等离子旋转电极制粉，转速为30000r/min；经筛分后，其中15-53μm粉末可用于增材制造，53-250μm粉末可再次投入步骤1）循环利用。
综上，本发明经过热等静压，锻造，机加工，等离子旋转电极制粉，完成了粗粒径模具钢粉末的循环利用；利用本发明提供的方法制备的模具钢粉末，图2为100倍下SEM照片，从图中可以发现粉末粒度分布集中，整体为球形，图3为放大500倍下的SEM照片，从图中可以看出模具钢粉末球形度良好，无异性颗粒及卫星颗粒，粉末质量良好；参见图4所示，本发明实施例1-3所得模具钢粉末的O、N含量均低于200ppm；参见图5所示，为本发明实施例1-3所得模具钢粉末循环利用率（指二次制粉后所得15-53μm粉末与热等静压用53-250μm粉末重量之比。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种增材制造用模具钢球形粉末，其特征在于，以质量百分比计，包括：Ni 15%-18%，Fe 38%-42%，C 0-0.01%，Cr 0-1.2%，P<0.015%，S<0.010%，余量为Co。
2.一种增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，其特征在于，具体包括：
步骤1）、取粒度范围在53-250μm的模具钢粉末在粉末混合机内混合均匀；
步骤2）、先将步骤1）混合均匀的模具钢粉末装在包套中，通过机械振动使包套中的模具钢粉末符合振实密度的要求，再加热除气，最后采用氩弧焊完成包套封焊；
步骤3）、将步骤2）处理后的包套置于热等静压炉内进行热等静压处理，得到坯料；
步骤4）、去掉步骤3）中坯料的包套，锻造后得到棒坯，对棒坯进行机加工处理后得到电极棒；
步骤5）、对步骤4）所得电极棒采用等离子旋转电极制粉法制粉，所得粉末经筛分后，粒度范围在15-53μm的模具钢粉末用于增材制造，粒度范围在53-250μm的模具钢粉末可投入步骤1）中循环利用。
3.根据权利要求2所述的增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，其特征在于，所述粉末混合机包括传动系统及混料筒(2)，所述混料筒(2)安装于机架(1)上, 所述混料筒(2)的内部安装有抽真空过滤罩(3)，出料口处安装有蝶阀(4)；所述传动系统包括驱动电机(6)、蜗轮蜗杆减速机(5)、皮带及链轮，所述驱动电机(6)通过皮带带动蜗轮蜗杆减速机(5)转动，从而使链轮带动混料筒(2)的筒体进行回转运动。
4.根据权利要求2所述的增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，其特征在于，所述步骤1）中粉末混合机的混合时间为60-120min，转速为10-20r/min。
5.根据权利要求2所述的增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，其特征在于，所述步骤2）中包套采用低碳钢包套，其直径为0.5-1.5m，高度为0.5-2m。
6.根据权利要求2所述的增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，其特征在于，所述步骤2）中的振实密度为4.9-5.5g/cm3。
7.根据权利要求2所述的增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，其特征在于，所述步骤2）中的加热温度为150-300℃。
8.根据权利要求2所述的增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，其特征在于，所述步骤3）中热等静压温度为1000-1200℃，压力为100-120MPa。
9.根据权利要求2所述的增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，其特征在于，所述步骤4）中锻造起锻温度＞1100℃，终锻温度＞1000℃。
10.根据权利要求2所述的增材制造用模具钢球形粉末的循环利用方法，其特征在于，所述步骤5）中电极棒直径为40-70mm，电极棒长度为100-1000mm，电极棒的转速为26000-30000r/min。
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