CN113967743B - 一种结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件及其制备方法与应用 - Google Patents

一种结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件及其制备方法与应用，属于不锈钢件材料制备技术领域。本发明利用316不锈钢粉末，粒径范围31～55μm，在如下技术参数：层厚60～100μm，饱和率60～80％，预热温度为60～100℃条件下，打印完成后，样品放入加热炉中在180～210℃保温5小时，然后使用直径45～1000μm铜粉进行渗铜处理，渗铜处理需在真空炉中进行，工况为1120～1250℃保温5小时。与传统轧制工艺制造的316不锈钢相比，本发明所述方法制备得到的316不锈钢件具有优异的耐磨损性能，适用于机械工业装备中关键的316不锈钢零部件。

Description

一种结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件及其制备方法与 应用
技术领域
本发明属于不锈钢件材料制备技术领域，具体涉及一种结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件及其制备方法与应用。
背景技术
不锈钢机械零部件具有优良抗氧化和耐腐蚀性能的特点，其中316不锈钢还具备优良的抗菌性能。机械零部件在相对运动过程中，相对运动的接触界面会产生摩擦磨损。其中耐磨损性能与零部件的强韧性有紧密关系，优良的强韧性匹配可答覆地降低零部件的磨耗，延长其使用寿命。
传统的铸锻焊工艺，难于制造结构形状复杂的机械零部件。3D打印技术的出现成功解决了这一难题，其中3D喷墨打印具有无热应力、无偏析和低成本的优势，在制备结构形状复杂的不锈钢机械零部件方面具有其独特的优势。对现有3D打印技术制备316不锈钢的调研发现，其致密度和耐磨损性能不甚理想，致密度低于95％，耐磨性能不佳。因此，寻找一种能够制备结构复杂且耐磨损的316不锈钢件是当务之急。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术制备结构复杂的316不锈钢件时耐磨损性能不足的缺点与不足，提供一种结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件的制备方法。
本发明的另一个目的是提供通过上述制备方法制备得到的结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件。
本发明的另一个目的是提供上述结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用3D喷墨打印技术，利用316不锈钢粉末，粒径范围31～55μm，在打印层厚60～100μm，饱和度为60％～80％，预热温度为60～100℃条件下制备多孔的316不锈钢基体；
(2)将步骤(1)制得的多孔的316不锈钢基体于180～210℃保温5h，得到热处理后的316不锈钢基体；
(3)使用粒径为45～1000μm的含有铜的粉末，在真空气氛下，对步骤(2)得到的热处理后的316不锈钢基体于1120～1250℃保温5h进行渗铜处理，即得结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件。
步骤(1)中，所述的打印层厚优选为100μm。
步骤(1)中，所述的饱和率优选为60％。
步骤(1)中，所述的预热温度优选为60℃。
步骤(2)中，所述的保温的条件优选为180℃加热保温5h。
步骤(3)中，所述的含有铜的粉末优选包括铜粉和铜锡合金粉的粉末中的至少一种；所述的含有铜的粉末的粒径优选为45～1000μm。
步骤(3)中，所述的保温的条件优选为1120℃加热保温5h。
一种结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件，通过上述制备方法制备得到。
上述结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件在机械工业装备中的应用。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用3D喷墨打印技术来制备耐磨损且结构形状复杂的316不锈钢件，该技术方法不直接使用激光、电子束等热源，具有尺寸精度高、无残余热应力、成分偏析少等优势。
(2)本发明利用316不锈钢粉末，粒径范围31～55μm，在如下技术参数：层厚60～100μm，饱和率60～80％，预热温度为60～100℃条件下，打印完成后，样品放入加热炉中在180～210℃保温5小时，然后使用直径45～1000μm铜粉进行渗铜处理，渗铜处理需在真空炉中进行，工况为1120～1250℃保温5小时。
(3)通过本发明所述方法制备得到的316不锈钢件的致密度为97.8％，屈服强度为283MPa，抗拉强度为505MPa，延伸率为15％～20％，与传统轧制工艺制造的316不锈钢相比，本发明所述方法制备得到的316不锈钢件具有优异的耐磨损性能，适用于机械工业装备中关键的316不锈钢零部件。
附图说明
图1为不同制备工艺的316不锈钢件的耐磨损性能比较结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用3D喷墨打印技术，利用316不锈钢粉末，粒径范围31～55μm，在打印层厚为100μm，饱和率为60％，预热温度为60℃条件下，制备多孔的316不锈钢基体；
(2)将打印得到的多孔的316不锈钢基体放入烘箱中，在180℃加热保温5h，得到热处理后的316不锈钢基体；
(3)在高温炉中使用粒径为45～1000μm铜粉，在1120℃加热保温5h且真空气氛下对步骤(2)得到的热处理后的316不锈钢基体进行渗铜处理，即得结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件。
不锈钢基体所占体积比(％)(具体是指不锈钢基体占316不锈钢件的体积比)：利用电子扫描显微镜对经金相制样处理后的不锈钢截面进行拍照(放大倍数约200x，至少30张)，然后对不锈钢相进行统计，算出其所占面积百分比，然后转换成体积比；
孔隙率(％)：方法与上述不锈钢基体所占体积比的方法相同，不同之处在于，统计出孔隙所占面积比，然后转换为体积比即得。
密度(g/cm3)：利用阿基米德原理，使用精确度为0.1mg的精密天平测出不锈钢件质量，然后用量筒和水测出其体积，二者之比即为其密度；
维氏硬度(HV)：利用维氏硬度计，在载荷为10g和保持时间为15s条件下测出各相的维氏硬度值；
屈服强度，抗拉强度和延伸率都是通过拉伸实验来测得的：使用直径4mm×长度16mm圆柱试样和Instron 5982万能力学试验机，按照ASTM E8/E8M-15a标准进行测试，测试条件为应变速率1mm/min。
结果如表1所示：
表1
从表1可以看出，所制备的316不锈钢件具有较高的致密度(97.8％)高于一般烧结法制备的316不锈钢件，同时具有较为优异的强度和塑性结合。
对比例1：
传统轧制工艺制造316不锈钢的方法是铸造和热轧以及随后的冷轧工艺。
磨损率检测方法：使用球盘磨损试验机，用GCr15球作为对磨副，在20N，0.1m/s条件下进行磨球。
经上述检测，测得结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件的磨损率为6.5×10- 5mm3·(N·m)-1。而传统轧制工艺制造316不锈钢的磨损率为3.5×10-4mm3·(N·m)-1，可见，本发明所述方法制备的316不锈钢件比传统轧制工艺制造316不锈钢的磨损率低一个数量级，具有优异的耐磨损性能。
发明人将实施例1制得的结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件与现有文献中记载的方法制得的不锈钢材料进行磨损性能比较。
[1]GCr15/316SS不锈钢件依据文献：N.Lin,Liu,Q.,Zou,J.,Guo,J.,Li,D.,Yuan,S.,Ma,Y.,Wang,Z.,Wang,Z.,Tang,B.Surface Texturing-Plasma Nitriding DuplexTreatment for Improving Tribological Performance of AISI 316 Stainless Steel,Materials(Basel,Switzerland),9(11)(2016)875.中记载的方法制得。
[2]Si3N4/316SS不锈钢件依据文献：A.F.Smith.The friction and sliding wearof unlubricated 316 stainless steel in air at room temperature in the loadrange 0.5–90N,Wear,110(2)(1986)151-168.中记载的方法制得。
[3]316SS/316SS不锈钢件依据文献：Y.Sun,Bell,T.Sliding wearcharacteristics of low temperature plasma nitrided 316 austenitic stainlesssteel,Wear,218(1)(1998)34-42.中记载的方法制得。
[4]GCr15/316L不锈钢件依据文献：W.Qin,Kang,J.-j.,Li,J.,Yue,W.,Liu,Y.,She,D.,Mao,Q.,Li,Y.Tribological Behavior of the 316L Stainless Steel withHeterogeneous Lamella Structure,Materials,11(2018)12.中记载的方法制得。
[5]WC-Co/316L不锈钢依据文献：P.F.Wang,Han,Z.Friction and wearbehaviors of a gradient nano-grained AISI 316L stainless steel under dry andoil-lubricated conditions,Journal of Materials Science&Technology,34(10)(2018)1835-1842.中记载的方法制得。
[6]氧化铝/烧结的316L件依据文献：M.Peruzzo,Serafini,F.L.,M.F.C.,Souza,R.M.,Farias,M.C.M.Reciprocating sliding wear of the sintered316L stainless steel with boron additions,Wear,422-423(2019)108-118.中记载的方法制得。
[7]WC-Co/316L不锈钢件依据文献：M.C.S.Duarte,Godoy,C.,Avelar-BatistaWilson,J.C.Analysis of sliding wear tests of plasma processed AISI 316Lsteel,Surface and Coatings Technology,260(2014)316-325.中记载的方法制得。
[8]304SS/316SS不锈钢件依据文献：D.Nuruzzaman,Chowdhury,M.FrictionCoefficient and Wear Rate of Different Materials Sliding Against StainlessSteel,International Journal of Surface Engineering and InterdisciplinaryMaterials Science,1(2013)33-45.中记载的方法制得。
[9]轴承用不锈钢/激光选择性熔化316不锈钢件、不锈钢球/激光烧结316L件、不锈钢球/锻造316L不锈钢件均依据文献：N.Sakthivel，Analysis of Wear and CorrosionProperties of 316L Stainless Steel Additively Manufactured Using LaserEngineered Net Shaping2018中记载的方法制得。
上述文献中记载的不锈钢件与本实施例1得到的不锈钢件的耐磨性能比较结果如图1所示。
从图1可以看出，实施例1所述方法制备得到的不锈钢件的耐磨性能优于上述其他方法制备的316不锈钢。
对比例2
一种316不锈钢件的制备方法，包括如下步骤：：
(1)采用3D喷墨打印技术，利用316不锈钢粉末，粒径范围31～55μm，在打印层厚为200μm，饱和率为60％，预热温度为60℃条件下，制备316不锈钢基体；
(2)将打印得到的316不锈钢基体放入烘箱中，在180℃加热保温5h，得到热处理后的316不锈钢基体；
(3)在高温炉中使用粒径为45～1000μm铜粉，在1120℃加热保温5h且真空气氛下对步骤(2)得到的热处理后的316不锈钢基体进行渗铜处理，即得316不锈钢件。
采用对比例1的磨损率检测方法进行检测，结果发现，本对比例的316不锈钢件的磨损率为8.7×10-4mm3·(N·m)-1。相较于对比例1中的传统轧制工艺制造316不锈钢的磨损率(3.5×10-4mm3·(N·m)-1)，高出148％。说明316不锈钢粉末的打印厚度影响最终的磨损效果。
发明人同时也分别做了在打印层厚为50μm和110μm条件下(其他条件与实施例1相同)的316不锈钢件，发现耐磨效果并不如本实施例1的，说明本发明所述方法在打印层厚60～100μm条件下方能得到如实施例1所述的具有优良耐磨损性能的316不锈钢件。
对比例3
一种316不锈钢件的制备方法，包括如下步骤：：
(1)采用3D喷墨打印技术，利用316不锈钢粉末，粒径范围31～55μm，在打印层厚为100μm，饱和率为60％，预热温度为60℃条件下，制备316不锈钢基体；
(2)将打印得到的316不锈钢基体放入烘箱中，在180℃加热保温5h，得到热处理后的316不锈钢基体；
(3)在高温炉中使用粒径为45～1000μm铜粉，在1000℃加热保温5h且真空气氛下对步骤(2)得到的热处理后的316不锈钢基体进行渗铜处理，即得316不锈钢件。
采用对比例1的磨损率检测方法进行检测，结果发现，本对比例的316不锈钢件的磨损率为5×10-4mm3·(N·m)-1。相较于对比例1中的传统轧制工艺制造316不锈钢的磨损率(3.5×10-4mm3·(N·m)-1)，高出42.9％。说明316不锈钢粉末的渗铜温度过低会影响最终的磨损效果。
对比例4
一种316不锈钢件的制备方法，包括如下步骤：：
(1)采用3D喷墨打印技术，利用316不锈钢粉末，粒径范围31～55μm，在打印层厚为100μm，饱和率为60％，预热温度为60℃条件下，制备316不锈钢基体；
(2)将打印得到的316不锈钢基体放入烘箱中，在180℃加热保温5h，得到热处理后的316不锈钢基体；
(3)在高温炉中使用粒径为45～1000μm铜粉，在1350℃加热保温5h且真空气氛下对步骤(2)得到的热处理后的316不锈钢基体进行渗铜处理，即得316不锈钢件。
采用对比例1的磨损率检测方法进行检测，结果发现，本对比例的316不锈钢件的磨损率为7×10-4mm3·(N·m)-1。相较于对比例1中的传统轧制工艺制造316不锈钢的磨损率(3.5×10-4mm3·(N·m)-1)，高出1倍。说明316不锈钢粉末的渗铜温度过高会影响最终的磨损效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）采用3D喷墨打印技术，利用316不锈钢粉末，粒径范围31～55 µm，在打印层厚100 µm，饱和度为60%，预热温度为60～100℃条件下制备多孔的316不锈钢基体；
（2）将步骤（1）制得的多孔的316不锈钢基体于180～210℃保温5 h，得到热处理后的316不锈钢基体；
（3）使用粒径为45～1000 µm的含有铜的粉末，在真空气氛下，对步骤（2）得到的热处理后的316不锈钢基体于1120℃保温5 h进行渗铜处理，即得结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的预热温度为60℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述的保温的条件为180℃加热保温5h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述的含有铜的粉末包括铜粉和铜锡合金粉的粉末中的至少一种。
5.一种结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件，其特征在于，通过权利要求1～4任一所述的制备方法制备得到。
6.权利要求5所述的结构形状复杂且耐磨损的316不锈钢件在机械工业装备中的应用。
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