CN115003434A - 增材制造方法用金属粉末、金属粉末的用途、构件的制造方法以及构件 - Google Patents

增材制造方法用金属粉末、金属粉末的用途、构件的制造方法以及构件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种旨在用于增材制造方法的金属粉末，该粉末由钢颗粒组成，其中钢颗粒的平均直径为5μm至150μm并且钢颗粒由以下组成，以质量百分比计：C：0.15％至1.0％、N：0.15％至1.0％、Si：0.1％至2.0％、Mn：10％至25％、Cr：5％至21％、Mo：0.1％至3.0％、Ni：＜5％，余量为铁和不可避免的杂质，根据ISO 4490确定的金属粉末的流动性小于30sec/50g。可以通过增材制造使用根据本发明的金属粉末制造可靠的高负荷构件。因此，根据本发明的金属粉末特别适合于制造经受高负荷的机械部件和用于人体或动物体内或者人体或动物体上的医疗构件。本发明还提供了一种方法，该方法可靠地使根据本发明的金属粉末能够基于增材制造方法制造具有优化的机械性能的构件。

Description

增材制造方法用金属粉末、金属粉末的用途、构件的制造方法 以及构件
技术领域
本发明涉及一种用于增材制造方法并且由钢颗粒组成的金属粉末。本发明还涉及这种金属粉末的用途、使用增材制造方法由这种金属粉末制造构件的方法以及使用增材制造方法制造的构件。
在下文给出关于合金或者钢组成的“％”数据时，除非另外明确说明，否则这些数据分别是指质量(“质量”数据)。
除非另外明确说明，否则在本文中中间钢制品或钢构件的组织的某些成分的占比以体积％表示。通过X射线衍射确定组织的成分的占比，其中根据Rietveld方法进行组织占比的评价。
除非另有说明，否则根据DIN 50125确定本文所示的全部机械性能，包括拉伸强度Rm、屈服强度Rp、断裂伸长率A5.65。
根据DIN EN 10045确定本文所示的缺口冲击能量和缺口冲击强度的值。
背景技术
奥氏体不锈钢特别是由于其良好的可变形性和非常好的耐腐蚀性能，因此在传统机械工程和医疗技术中具有广泛的应用。这些钢中的主要代表性钢为在钢铁列表中材料编号为1.4404的标准化的钢X2CrNiMo17-12-2，根据DIN EN 10088-3，钢X2CrNiMo17-12-2由以下组成，以质量％计：至多0.03％的C、至多1.00％的Si、至多2.00％的Mn、16.5％至18.5％的Cr、2.0％至2.5％的Mo和10.0％至13.0％的Ni、余量为铁和不可避免的杂质。
基于奥氏体不锈钢的合金概念必须保证材料的耐腐蚀性。特别地，这通过添加铬(“Cr”)实现。当Cr含量大于12质量％时，在由钢形成的构件上形成氧化铬层，这防止了腐蚀反应。可以通过元素钼(“Mo”)进一步稳定该氧化铬层。特别地，在钢合金中Mo的存在使得耐点蚀能力增加。
然而，仅在Cr和Mo这两种元素都在金属基体中溶解时才有助于耐腐蚀性。因此，将奥氏体不锈钢的碳含量(“C”)限定为至多0.030质量％，并且将氮含量(“N”)限定为至多0.011质量％。否则，将存在形成碳化铬或氮化铬的风险，这将导致钢的金属基体的局部损失。
碳化铬优选沿着晶界沉淀，这实际上对于技术应用是关键的。参见文献“Ferrousmaterials–Steel and cast iron,H.Berns,W.Theisen,DOI:10.1007/978-3-540-79957-3,Springer Verlag”所解释的，上述过程导致晶间腐蚀，这在技术应用中通常导致由相应的钢制成的构件的完全失效。
然而，碳通常不能被归类为奥氏体不锈钢中的关键元素。C和N也可以用作间隙元素以提高奥氏体的性能。以这种方式，这些元素在溶解时也有助于耐腐蚀性。这种贡献可以使用所谓的MARC方程估算：
MARC＝[％Cr]+3.3*[％Mo]+20*[％N]+20*[％C]-0.5*[％Mn]-0.25*[％Ni]
(MARC＝用于耐腐蚀性的合金化测定)，其考虑了具有正面影响(Cr、Mo、N、C)和负面影响(锰(“Mn”)、镍(“Ni”))的元素对耐腐蚀性的影响。
此外，作为替代元素的C和N通过固溶强化提高奥氏体钢的强度。具有高占比的间隙溶解原子的所谓的“C+N合金化奥氏体不锈钢”就是基于这种效果。DE 101 46 616 A1公开了这种钢的合金规格的实例。它规定奥氏体不锈钢由以下组成，以质量％计：12％至15％的Cr、17％至21％的Mn、＜0.7％的Si、总计0.4％至0.7％的C和N、以及总含量限定为小于1.0％的余量的铁和与制造相关的不可避免的杂质。以下适用于由相应的C含量％C和相应的N含量％N形成的比率％C:％N：0.6<％C:％N<1.0。在溶解退火状态下，与材料编号为1.4404的上述钢所属的常规奥氏体不锈钢相比，以这种方式构成的钢具有显著更高的强度。
N在熔融铁(“Fe”)中的低溶解度抵消了C+N合金化奥氏体不锈钢改善的机械性能的优势，这使得难以使N合金化。还有一种生成具有较高N含量的钢的方法，其为所谓的“熔体压力渗氮”。压力渗氮又需要特殊的炉技术，该技术使钢在所需的氮量溶解在熔体中的压力下熔融(例如参见EP 1 196 642 B1)。
通过添加Mn，可以增加熔体的N溶解度。因此，较高的Mn含量能够在大气压力下制造具有高N含量的钢。此外，Mn和N这两者都是强奥氏体稳定剂，因此在具有高Mn和N含量的钢中，不再需要昂贵的合金化元素镍(“Ni”)，或者仅在有限的程度上需要其作为奥氏体稳定剂。
常规奥氏体不锈钢仅规定了最小含量的N和C，因此，与常规奥氏体不锈钢相比，C+N合金化奥氏体钢具有以下优点：
-由于具有高占比的间隙溶解原子C和N(固溶硬化)，因此具有更高强度。
-由于具有间隙溶解原子，因此合金加工硬化的趋势更高。
-由于具有高占比的间隙溶解原子C和N，因此具有更高的耐腐蚀性。
-由于用Mn替代Ni，因此降低了合金成本。
-由于用Mn替代Ni(避免镍过敏)，因此具有用于医疗技术领域的可能性。
在工业上，在常规熔融冶金制造路线中使用上述C+N合金化奥氏体钢的尝试与以下事实形成对比：由这种钢铸造的铸件预制品(如团块、板坯等)的冷却不可避免地在相应的铸件预制品中产生碳化铬，在此，这也对耐腐蚀性具有不利影响。然而，为了确保足够的耐腐蚀性，钢在其加工过程中必须经历溶解退火以溶解碳化铬。然而，为此所需的退火温度高于1100℃，因此实际上仅能通过特殊的热处理炉实现。常规制造路线的另一问题在于，特别是厚截面不能足够快速地冷却以防止再次形成碳化铬。
此外，由于加工硬化的强烈趋势，因此具有高C+N含量的奥氏体钢难以或不可能在室温下成形或加工。相反，它们必须进行热成形，其中为此所需的温度又如此高，以至于相应的热成形构件的冷却会再次导致不期望的铬碳化物的形成。这严重限制了热成形可能的加工温度和钢可热成形的可能的变形程度。此外，热成形消除了通过加工硬化优化C+N合金化奥氏体钢的机械性能的可能性。这意味着需要大量的再加工，特别是在精细构件的制造中，或者是在不能由对强度具有特殊要求的钢制造的构件的制造中亦是如此。
常规熔融冶金制造路线的替代方案为粉末冶金，其用于通过(例如)将金属粉末压制成所需形状然后通过烧结方法对其进行压缩从而制造接近最终外形的构件。首先，水雾化金属粉末用于该目的，由于粉末颗粒的有角的形状(其特征在于突出的锯齿等)而可以将水雾化金属粉末容易地压缩成原始构件，因此使得可以在没有额外辅助的情况下实现原始构件的所需尺寸稳定性。
此外，例如，参见文献“Characterization of the surface of Fe-19Mn-18Cr-C-N during heat treatment in a high vacuum–An XPS study，K.Zusmande et al,Materials Characterization,Vol.71(2012),66-76”，在上述出版物中，已经证明锰氧化物可以存在于气体雾化粉末的颗粒表面。这些锰氧化物起到扩散屏障的作用，并使得在其粉末颗粒表面包含这种MnO氧化物的金属粉末不能用于常规烧结。
热等静压(“HIP”)是压缩由奥氏体钢组成的金属粉末的另一可能方法，该奥氏体钢为所讨论的C+N合金化的类型。尽管具有氧化物涂层，该方法也使得能够将金属粉末压实至高达理论密度。然而，例如，参见文献“Surface Oxide Transformation during HIP ofAustenitic Fe-19Mn-18Cr-C-N PM steel”，E.Hryha et al,Proceedings of 11-thInternational Conference on Hot Isostatic Pressing,9-13 June 2014,Stockholm,Sweden”，在上述出版物中的研究报道已经表明粉末颗粒的氧化物涂层对由这种金属粉末制造的构件的机械性能、特别是韧性具有负面影响，即使金属粉末通过热等静压进行压缩亦是如此。热等静压的另一缺点在于，需要复杂形成的胶囊以用于制造其中压制有金属粉末的最终外形。这限制了在技术上和经济上合理地使用热等静压的可能性。类似地，在热等静压的过程中在胶囊中发生的构件的成形导致冷却速率低，从而导致在热等静压之后的冷却过程中，在构件中又会出现不期望的碳化铬。这些碳化铬将不得不通过下游热处理再次溶解，使得在此出现与上述常规制造相同的问题。
可以通过增材制造方法规避用于制造接近最终外形的部件的已知方法的上述缺点。
在本文中，术语“增材制造方法”概括了添加材料以制造构件的全部制造方法。这种添加通常以分层形式进行。因此，在技术术语中通常被称为“生成方法”或普遍被称为“3D打印”的“增材制造方法”与诸如机械加工法(例如，铣削、钻削和车削)的经典减材制造方法形成对比，在减材制造中将材料去除以使待分别制造的构件成形。同样地，增材方法通常不同于诸如锻造等的常规固体成形方法，在常规固体成形方法中，在保持初始或中间制品的质量的同时形成相应的钢部件。
增材制造原理使得能够制造使用诸如前述机械加工方法或初级成形方法(铸造、锻造)之类的常规制造方法(参见文献“VDI Status Report"Additive ManufactuingMethods",September 2014,published by Verein Deutscher Ingenieure e.V.,Fachbereich Produktionstechnik und Fertigungsverfahren(Association of GermanEngineers,Department of Production Technology and Manufacturing Processes),www.vdi.de/statusadditiv”)不能实现或只有以很大难度才可以实现的几何复杂结构。
概括在通用术语“增材方法”范围内的方法的进一步定义可以参见(例如)VDI指南3404和3405。
在将金属粉末增材加工成构件时，在以下方法之间存在区别：通过热输入、通过使粉末的金属颗粒以形成物质结合化合物的方式熔融，从而进行金属粉末的固化的方法；以及通过与粉末颗粒混合的粘合剂实现固化，从而使得颗粒在硬化之后保持在固体基体中的方法。
由于热源的暴露时间短，因此基于热输入的增材制造方法能够实现如此高的冷却速率，使得在所制造的构件中不形成碳化铬。本文所讨论的类型的奥氏体钢材由于它们在加热和冷却的过程中不经受任何相变而特别适合于增材制造。因此，尤其是起初提及的钢X2CrNiMo17-12-2(材料编号1.4404)本身已被确定为用于制造3D打印用金属粉末的标准钢中的一种。然而，当打印时，这种钢在室温获得的机械性能对于许多应用而言是不足的。
发明内容
针对上述现有技术的背景，本发明的目的是提供一种适合用于增材制造的金属粉末，其能够可靠地制造高负荷构件。
此外，还应当指出所提供的金属粉末的有利用途。
还应该提出一种方法，其能够基于利用待提供的金属粉末的增材制造方法可靠地制造具有优化的机械性能的构件。
最后，应当指出当通过增材制造方法进行制造时，所得的构件表现出优化的机械性能。
实现该目的的金属粉末至少具有根据本发明的权利要求1所述的特征。
根据本发明，实现上述目的方法至少包括权利要求7所述的加工步骤。不言而喻，在实施根据本发明的方法及其变型和本文所解释的扩展选项时，本领域技术人员补充了在本发明的情况下未明确提及的加工步骤，当实施这样的方法时，本领域技术人员根据其实际经验知晓，通常应用这些加工步骤。
最后，根据本发明，还通过至少具有权利要求11所述的特征并通过增材制造方法制造的构件实现上述目的。
特别地，可通过应用根据本发明的方法由根据本发明获得的金属粉末制造根据本发明的这种构件。
特别地，根据本发明的构件是通过特别适合根据本发明的金属粉末的增材制造方法制造的在实践中经受高应力的机械部件或用于人体或动物体内或者人体或动物体上的构件。
从属权利要求限定了本发明的其他有利实施方案，并且与本发明的总体思想相同，将在下面进行详细解释。
具体实施方式
在本文中，术语“用于人体或动物体内或者人体或动物体上的构件”包括永久安置在体内的植入物，例如螺钉、夹板、支架、髋关节或膝关节部件、牙基台或者牢固固定在颌部中的其他牙齿植入物和作为天然骨骼或者关节的替代物而植入的其他部件，以及暂时性或永久性固定至身体的假体，如假牙修补术(牙桥，部分假牙或全口假牙)或特别是在牙科或普通外科的治疗中所需的工具。用于植入物或者假体的材料必须具有足够的耐腐蚀性并且具有优化的生物相容性。因此，这些材料在使用过程中不能对其中或其上使用了由该材料制造的构件的身体具有有害的影响，并且也不能引发可能对舒适度和健康有不利影响的任何其他反应。同时，植入物材料或者假体材料必须具有足以用于各自预期用途的机械性能，例如强度、韧性等。金属粉末(其颗粒在根据本发明指定的合金框架内以上述方式构成)最佳地满足了上述要求，并且还能够通过使用已知的3D打印工艺制造精细而稳定的构件，该构件可以安全地承受其在体内使用的过程中产生的应力。因此，例如，可通过增材制造由根据本发明的金属粉末制造用于普通外科和牙科外科目的的构件，如螺钉、钉子、螺栓、用于关节的部件等，以及外科器械，如手术器械等。
同时，根据本发明的金属粉末适合于制造高负载且同时高耐腐蚀性的机械部件，例如泵壳体或其他精细成形的机械构件，这些机械构件的成形(例如)由于特殊的流动工程要求而受到特定要求，并且上述成形不能用常规的成形、再成形或减材制造方法实现。在本文中，特别地，根据本发明所使用的钢材的加工硬化的强烈趋势可用于制造尽管尺寸最小化，但实际上可经受高压缩应力等的构件。
因此，根据本发明提供的用于增材制造方法的金属粉末由钢颗粒组成，其中
-钢颗粒的平均直径为5μm至150μm，
并且
-钢颗粒由以下组成，以质量％计，
C：0.15％至1.0％，
N：0.15％至1.0％，
Si：0.1％至2.0％，
Mn：10％至25％，
Cr：5％至21％，
Mo：0.1％至3.0％，
Ni：≤5％，
余量为铁和不可避免的杂质，
-其中根据DIN EN ISO 4490测定的金属粉末的流动性小于30sec/50g。
如在开始部分已经解释的，根据本发明的金属粉末的钢颗粒的碳(“C”)和氮(“N”)的高含量有助于通过增材制造由根据本发明的金属粉末制造的构件的强度、加工硬化和耐腐蚀性。为了确保这一点，本发明规定了C和N含量，其总计可达0.3质量％至2质量％，其中C含量和N含量分别为0.15质量％至1质量％。在强度性能和加工特性以及耐腐蚀性方面，实际上已经证明至少0.3质量％的C或N的含量是特别有利的，其中金属粉末的钢颗粒的C或N含量为至多0.7质量％确保了高强度值、良好韧性和同样良好的断裂伸长率的特别有利的组合。总体而言，根据本发明的金属粉末的钢颗粒的C和N含量有利地限定为0.6质量％至1.4质量％。
制造根据本发明的金属粉末的钢颗粒的熔体以及由此的钢颗粒本身包含0.1质量％至2质量％的硅(“Si”)，以在将熔体雾化为钢颗粒的过程中调整熔体的熔点和粘度，使得熔体可以以可靠的方式雾化为钢颗粒。Si也是钢制造过程中熔体脱氧所必需的。Si含量为至少0.15质量％是特别合适的，其中当Si含量为至多0.6质量％时，可以特别有效地利用Si存在的积极影响。
锰(“Mn”)以10质量％至25质量％的含量包含在根据本发明的金属粉末的钢颗粒中，以确保由根据本发明的金属粉末制造的构件的组织在技术意义上至少主要地、优选完全地由奥氏体组成。由此，将锰的含量设定为：使得组织的奥氏体相不仅通过共同存在的C、N和Mn得到稳定，即使在该构件的固化状态下也在组织中存在足够的奥氏体占比，而且同时补偿了在金属粉末的钢颗粒的合金中还根据本发明提供的铬(“Cr”)、钼(“Mo”)和硅(Si)的含量对铁素体稳定化的影响。Mn也是增加熔体的氮溶解度所必需的。以这种方式，根据本发明提供的高N含量可在大气压下实现。
重要的是，根据本发明，将根据本发明的金属粉末的钢颗粒的Mn含量确定为：使得尽管在金属粉末的制造和增材制造过程中，损失了钢颗粒的钢中存在的一部分Mn含量，但在通过增材制造获得的构件中仍然存在这样的奥氏体含量，该奥氏体含量足以形成所需的主要的、特别是完全的奥氏体组织。在这种情况下，本发明基于以下常识，即在增材制造过程中存在0.5质量％至2.5质量％的Mn损失，其中实际测试已经示出，发生的Mn损失通常为1.5±0.5质量％。
为了确保由根据本发明的金属粉末制造的构件的组织在技术意义上完全是奥氏体组织，因此所讨论的构件确实是非磁性的，考虑到通过增材制造发生的Mn损失，可以将金属粉末的Mn含量设定为：使得在所获得的构件中可靠地存在大于10质量％、特别是大于13质量％的Mn。本文所示的实际测试示出，在根据本发明的金属粉末的钢颗粒的Mn含量为至少13质量％、特别是至少15质量％的情况下，Mn含量可靠地存在于通过增材制造由根据本发明的金属粉末制造的构件中，这保证了完全奥氏体组织。因此，特别地，当要通过增材制造由金属粉末制造用于人体或动物体的构件时，为在根据本发明的金属粉末的钢颗粒提供的Mn含量为至少15质量％。
根据本发明，认为组织是“完全奥氏体的”，其中在构件的组织中除了奥氏体之外在技术上不可避免的组织成分的占比总计为至多10体积％。在这种情况下，其他组织成分的占比优选保持尽可能低，以使得其他组织成分的占比特别优选小于5体积％。
根据本发明的金属粉末的钢颗粒的铬(“Cr”)含量为5质量％至21质量％，从而在与0.5质量％至3.0质量％的钼(“Mo”)含量组合的情况下，确保通过相应的增材制造方法由根据本发明的金属粉末形成的构件具有足够的耐腐蚀性。当要确保制造的用于人体或动物体内或者用于其他高腐蚀性环境中的构件具有足够的耐腐蚀性时，可基于此目的规定金属粉末的钢颗粒中的Cr含量为至少14质量％。
当由韧性满足特别要求的金属粉末制造机械部件时，在根据本发明的金属粉末的钢颗粒中可以提供的镍(“Ni”)含量为至多5质量％。然而，当由根据本发明的金属粉末制造用于人体或动物体上或者人体或动物体内的构件时，应当将Ni含量设定得尽可能低，但在任何情况下应当限定为至多0.1质量％，使得尽管由于制造方法而在技术上不可避免地存在Ni，但由根据本发明的金属粉末制造的构件在与人体或动物体接触时也不会引发过敏反应。
根据本发明的金属粉末的钢颗粒中的杂质包括在本文中未明确提及的在钢制造和加工过程中不可避免地进入钢中的全部合金元素，但是这些合金元素的含量在任何情况下都非常低以至于它们不会影响以根据本发明的方式合金化的钢的性能。当然，因此应将杂质的水平保持在尽可能低的水平。然而，由于技术和经济原因，认为在钢中杂质的总量为至多2质量％、优选至多1质量％、特别优选小于1质量％的根据本发明的金属粉末的钢颗粒对根据本发明所寻求的效果和性能无害。在根据本发明的金属粉末旨在制造用于人体或动物体的构件的情况下，除了Ni含量之外，还应当将作为不期望的杂质的镉(“Cd”)、铍(“Be”)和铅(“Pb”)的总含量限定为至多0.02质量％。
由于限定了根据DIN EN ISO 4490确定的根据本发明的金属粉末的流动性必须小于30sec/50g，因此该金属粉末具有使其最佳地适合于常规3D打印工艺的流动性。当流动性为至多20sec/50g时是特别适用的。
根据本发明的金属粉末的堆积密度应当为至少3g/cm3以确保最佳可加工性。特别适合于实施的堆积密度的范围为3g/cm3至6g/cm3。
根据本发明的上述说明，根据本发明的用于制造钢构件的方法包括以下步骤：
a)使钢熔体熔融，钢熔体由以下组成，以质量％计，
C：0.15％至1.0％，
N：0.15％至1.0％，
Si：0.1％至2.0％，
Cr：5％至21％，
Mo：0.1％至3.0％，
Ni：≤5％，
以及Mn，
并且余量为铁和与制造相关的不可避免的杂质，
其中熔体的Mn含量比待制造的构件的相应Mn目标含量％Mn_Z高0.5％至5％，对此适用以下条件：8％≤Mn_Z≤24％；
b)将在加工步骤a)中熔融的熔体雾化为金属粉末，其中从得到的钢颗粒中选择平均粒度为5μm至150μm的钢颗粒用于进一步加工；
c)使用增材制造方法制造构件，其中
c.1)由至少一部分金属粉末制造待制造的构件的至少一个固化的体积截面；
c.2)必要时，将另一部分金属粉末施加至加工步骤c.1中的固化的体积截面；
以及
c.3)必要时，重复加工步骤c.1和c.2，直至待制造的构件以完全完成的方式增材成型；
d)任选地，机械加工以使构件成形；
e)任选地，对所获得的构件进行最终热处理；
f)任选地，对构件进行机械或热化学表面层处理。
根据本发明的方法指定了待雾化为根据本发明的金属粉末的熔体的Mn含量，该熔体的Mn含量应当比根据本发明制造的构件中存在的Mn含量高2质量％至4质量％，使得该构件具有所需的机械性能，并且使得该构件存在同样所需的至少主要的奥氏体组织。
在这种情况下，本发明基于以下常识，即不仅在如已经提及的各种情况下使用的增材制造的过程中，而且在将熔体雾化为金属粉末时，存在显著的Mn损失。实际上，Mn损失也通常在1.5±0.5质量％的范围内。与根据本发明制造的最终构件的合金相比，通过根据本发明的过合金化使熔体具有足够的Mn含量，因此可以主动补偿通过根据本发明的金属粉末的制造和加工可能发生的全部Mn损失。
通过合适的雾化方法以常规方式制造金属粉末的钢颗粒，例如通过气体或水雾化。当需要时，通过筛分从所获得的粉末颗粒中选择具有合适粒度的粉末颗粒，以根据本发明进一步进行加工。在此，已经证明平均直径为5μm至150μm的颗粒适合于根据本发明的目的。因此，通过筛分和另外的空气分离(当需要时)的根据本发明所选择的颗粒的直径为5μm至150μm，这是所有颗粒的平均值(例如，参见文献Zogg,Martin:Einführung in dieMechanische Verfahrenstechnik,3rd,revised Edition Stuttgart:Teubner,1993ISBN3-519-16319-5,https://de.wikipedia.org/wiki/Siebanalyse，其发表于2018年11月1日,或参见文献Lexikon Produktionstechnik Verfahrenstechnik/ed.Heinz M.Hiersig,Düsseldorf:VDI-Verl.,1995,ISBN 3-18-401373-1,词目“Siebanalyse”和“Sieben”)。
根据在加工步骤b)中熔体雾化的方式和增材制造方法的执行方式，在根据本发明的金属粉末的制造和加工过程中，由于金属熔体具有较低的氮溶解度，因此也会发生N损失。本发明考虑到这一点，因此将熔体的N含量设定为：使得在各种情况下在最终构件中存在足够多的N，以使得N对构件的性能产生积极影响。可以通过将熔体的N含量与构件的目标N含量进行比较，从而精确调整N含量，其中构件的目标N含量的范围通常为0.15质量％N至1.0质量％N、特别是0.2质量％N至0.7质量％N，而熔体的N含量要过合金化0.1质量％N至0.2质量％N。
通过根据本发明的合金化的熔体的气体雾化，可以特别好地制造根据本发明的金属粉末。在这种情况下，优选使用对熔体呈惰性的气体以避免金属颗粒的氧化。特别地，当通过热输入发生金属粉末的固化时，在根据本发明的金属粉末的增材加工的过程中，通过在(例如)由N或氩气(“Ar”)组成的保护性气体气氛下进行加工，可以避免更大的N损失。
类似地，当通过气体雾化制造金属粉末时，当将N或Ar用作雾化气体时，可以避免更大的N损失。已经特别证明氮气作为增材制造和气体雾化这两者中的加工气体的价值，因为在雾化或增材制造的过程中的短时间熔融时，氮气的使用抵消了氮从钢中脱气。
最近的进展表明，作为通过常规水雾化进行气体雾化的替代方案，也可以由根据本发明的合金化钢熔体制造根据本发明的金属粉末，这满足了其进一步加工的要求。
可以通过任选地进行热处理(加工步骤e))改善根据本发明制造的构件的机械性能。因此，相应的构件可以在1000℃至1250℃的温度保持5分钟至120分钟的退火持续时间，其中已经证明10分钟至30分钟的退火持续时间和1100℃至1150℃的退火温度是特别实用的。
可以在根据本发明完成的增材制造中利用现有技术已知并由此提供的3D打印装置进行根据本发明的金属粉末的加工。因此，在增材制造中，根据本发明加工的金属粉末可通过热输入固化，其中在加工步骤c.1)中，在体积截面中的至少一个第一部分经历时间受限的热输入，随后冷却，使得存在于经加热的体积截面中且分别彼此邻接的金属粉末的钢颗粒形成材料结合连接，并且在冷却之后固化到待制造的构件的相应体积截面。测试已表明，当在加工步骤c.1)中将激光束用作热源，该激光束以30J/mm3至90J/mm3的能量密度指向待分别加热的体积截面时，可以安全地实现良好的加工成功。
然而，可供选择地，也可以进行如已知的粘合剂喷射那样的增材制造，其中粉末颗粒通过合适的粘合剂胶合在一起以形成固体构件(参见文献https://de.wikipedia.org/wiki/Binder_Jetting，发表于2020年1月16日)。
根据上述解释，根据本发明的构件的特征还在于其
-通过增材制造方法制造，
-由以下组成，以质量％计：0.15％至1.0％的C、0.15％至1.0％的N、0.1％至2.0％的Si、8％至24％的Mn、5％至21％的Cr、0.15％至3.0％的Mo、≤5％的Ni、并且余量为铁和不可避免的杂质，并且
-具有由大于50体积％的奥氏体、至多49体积％的铁素体并且余量为铁素体和与制造相关的不可避免的其他组织成分组成的组织，其中构件的组织中不可避免的组织成分的占比为至多30体积％。
在由根据本发明的金属粉末制造诸如泵壳体和用于机械、车身或车辆底盘的精细成形的构件之类的机械部件的情况下，当相应制造的构件的组织主要由奥氏体构成，即在各种情况下大于50体积％、特别是大于60体积％、或至少80体积％的奥氏体，同时组织的余量为铁素体和高达30体积％的其他不可避免的组织成分时，在许多应用中可以是足够的。占组织的至多30体积％的其他不可避免的成分包括碳化铬、氮化铬和σ相。优选地，将与制造相关的其他不可避免的成分的占比限定为至多20体积％、特别是至多15体积％、或者特别优选为至多5体积％，以实现部件的优化的机械性能。
当根据本发明的构件的组织中铁素体占比为至多15体积％、特别是至多10体积％时，这可以有助于改善韧性性能，同时具有始终如一的高强度值。当根据本发明的构件在实际使用中暴露于高交替变化的负荷，或者应当能够吸收高动态力，如在车身或底盘的与碰撞相关的构件的情况下时，这种性能的组合可能是特别有益的。
另一方面，当根据本发明提供的构件用于医疗目的时，已经证明当组织的奥氏体占比为至少95体积％、特别是至少98体积％时是特别有利的，使得构件是安全无磁性的。
根据本发明的构件在非热处理状态下的拉伸强度Rm通常为至少650MPa，并且屈服强度Rp通常为至少650MPa。此外，在这种状态下，构件的缺口冲击能量为至少30J，并且缺口冲击强度为至少50J/cm3，其中实际上通常达到的缺口冲击能量为至少40J，并且缺口冲击强度为至少60J/cm3。在未硬化状态下，在根据本发明的构件的自由表面上测定的表面硬度通常为至少200HV、特别是至少250HV。根据本发明的构件在未热处理状态下的断裂伸长率A5.65通常为至少15％。
如上所述，可以通过任选地提供热处理进一步提高根据本发明制造的构件的机械性能。在缺口冲击试验中，构件的缺口冲击能量为至少100J，并且缺口冲击强度为至少120J/cm3。在根据本发明的构件的自由表面上测定的表面硬度通常为至少200HV，而且没有表面层硬化。
在这种情况下，已知通过所讨论的类型的增材制造方法制造的构件的机械性能具有各向异性。因此，在各种情况下，如上所示的极限值是必须符合相关机械性能的那些值，不管它们是在相应构件的水平方向还是垂直方向上确定的。“垂直”构造方向是指在增材制造过程中构件在逐层构建的方向上的延伸，而“水平”构造方向是指与构件横向对齐的方向上的延伸。
由于根据本发明的金属粉末的钢颗粒的组成，可以使根据本发明提供的合金在经受3D打印之后以常规的方式进行表面硬化，这可以特别地通过等离子体渗氮进行。合金中的高铬含量导致碳化铬或氮化铬层的形成以及近表面区域中硬度的相应增加。这些性能对于承受动态负荷或磨损的构件是特别有利的。
在特别适合于实际制造机械部件的根据本发明的金属粉末的一个变型中，其钢颗粒由以下组成，以质量％计：0.35％至0.45％的C、0.55％至0.65％的N、0.2％至0.3％的Si、20.0％至21.0％的Mn、17.5％至18.5％的Cr、1.9％至2.1％的Mo、至多1.0％的Ni，并且余量为铁和至多1.0质量％的不可避免的杂质，其中杂质包括本身具有不期望的含量的这些杂质：≤0.02％的P、≤0.02％的S、≤0.05％的Nb、≤0.05％的W、≤0.05％的V、≤0.1％的O、≤0.01％的B和≤0.1％的Al。
实际上特别适合于制造在人体或动物体上或者在人体或动物体内使用的构件的根据本发明的金属粉末的钢颗粒的钢的变型与前一段所述合金的区别仅在于将Ni含量限定为至多0.1质量％、优选小于0.1质量％。
下面将使用示例性实施方案更详细地解释本发明。
为了测试根据本发明的金属粉末和通过增材制造由根据本发明的金属粉末制造的构件的性能，在第一系列的测试中制造九个熔体M1至M9，其组成如表1所示。
由于它们使Ni含量最小化，因此熔体M1至M9适合于制造这样的金属粉末的钢颗粒，这些金属粉末的钢颗粒用于制造旨在用于人体或动物体上的构件。
用现有技术中由此建立的雾化装置以常规方式将熔体M1至M9气体雾化为钢颗粒。将氮气用作雾化气体。
在通过雾化获得的钢颗粒中，通过筛分和空气分离选择平均粒度为10μm至53μm的颗粒。根据DIN EN ISO 4490测定，以这种方式选择的钢颗粒的流动性为≤18s/50g。
在进一步的步骤中，使用常规3D打印装置(M290型3D打印机，参见https://www.eos.info/eos-m-290，2019年12月19日公开)加工所制造的金属粉末。金属粉末可以毫无疑问地加工，并且所制造的构件示出了致密组织，没有孔或裂纹。总体而言，已经证明，可以以能量密度范围为30J/mm3至90J/mm3由金属粉末制造可靠的构件。
在一些3D打印测试中将氩气用作加工气体，并且在其他测试中使用氮气。这两种加工气体都始终如一地产生了良好结果。
使用X射线衍射法对打印构件进行的相分析表明，没有对耐腐蚀性能产生负面影响的碳化铬或其他沉淀物。
打印的构件各自具有完全奥氏体组织(奥氏体占比≥99体积％)。
还根据标准以常规方式确定打印构件的拉伸强度Rm、屈服强度Rp、缺口冲击能量、缺口冲击强度和维氏硬度。
表2示出了对于由熔体M1至M9制造的金属粉末打印的构件，在构件的水平构造方向上已经确定的相关特征值的范围。
表3示出了对于由熔体M1至M9制造的金属粉末打印的构件，在构件的垂直构造方向上确定的相关特征值的范围。
此外，表2和表3列举了得自专业文献(参见文献https://www.fabb-it.de/files/datenblaetter/edelstahl.pdf，2020年1月16日发表)的参考材料316L的可获得的相应特征值，参考材料316L的组成也示于表1。
测试表明，由根据本发明的金属粉末打印的未热处理的构件的机械加工性能不仅优于由常规材料316L制造的构件的机械加工性能，而且高C和N含量使得根据本发明制造的构件具有显著改进的机械性能。
对于第二系列的测试，以针对熔体M1至M9所述的如上方式，将另一熔体熔融并雾化为钢颗粒。所获得的钢颗粒的组成M10示于表4。通过筛分，从这些钢颗粒中选择平均粒径为10μm至53μm的钢颗粒。如此获得的金属粉末的流动性为16.8s/50gr，并且堆积密度为4.23g/cm3。
使用前述M290 3D打印机，由钢颗粒形成的金属粉末打印二十个构件。将氮气用作保护气体。以每层40μm的层厚度打印构件。
在垂直构造方向上根据标准对处于非热处理状态的二十个构件的密度、维氏硬度HV、缺口冲击能量、屈服强度Rp、拉伸强度Rm、断裂伸长率A5.65进行测试。这些检验结果的平均值总结于表5，并与由上述引用文献的常规钢316L打印的构件的相应特性值进行比较。再次地，在此证明了根据本发明提供和加工的材料的显著优越性。
此外，还检验了由根据本发明的钢颗粒M10形成的金属粉末打印的构件的组成和组织。结果表明，由于所使用的3D打印工艺而发生了Mn和N的显著损失。该构件的平均Mn含量比金属粉末的钢颗粒的Mn含量低约8％。类似地，在3D打印工艺过程中，构件的N含量平均下降约12％。然而，保留在构件中的Mn和N含量足以保证构件中的完全奥氏体组织(奥氏体占比＞99体积％)的特征。
最后，对由具有对应于合金M10的根据本发明组成的钢颗粒的金属粉末打印的一个构件和比较用的由钢316L组成的钢颗粒的常规金属粉末打印的构件进行根据SEP 1877方法II的腐蚀试验。该试验用于测试高合金化耐腐蚀材料对晶间腐蚀的耐受性。这两个构件都通过了试验，因此耐受晶间腐蚀。
此外，根据ASTM G48方法E，对由根据本发明的金属粉末打印的构件和比较用的由钢316L打印的构件进行点蚀试验。在此也发现，由根据本发明的金属粉末制造的构件具有至少与打印并用于比较的常规金属粉末相同的耐点蚀能力。
最后，对由具有根据合金M10组成的钢颗粒的根据本发明的金属粉末打印的构件进行热处理，其中将构件加热至1125℃的温度，持续30分钟的退火持续时间，然后用水淬火。以这种方式热处理的构件按照标准化的方式测定缺口冲击能量，获得的结果平均为129±2J，这相当于在标准缺口冲击试验中由非热处理状态获得的平均缺口冲击能量52±3J的约2.4倍。
表1
粉末 C+N C N Si Mn Cr Mo Ni
M1 0.6 0.3 0.3 0.1 15.0 14 0.5 ≤0.1
M2 0.7 0.3 0.4 0.2 16.0 15 1.0 ≤0.1
M3 0.8 0.3 0.5 0.3 17.0 16 1.5 ≤0.1
M4 0.9 0.4 0.5 0.4 18.0 17 2.0 ≤0.1
M5 1.0 0.4 0.6 0.5 19.0 18 2.5 ≤0.1
M6 1.1 0.5 0.6 0.6 20.0 19 3.0 ≤0.1
M7 1.2 0.5 0.7 0.1 21.0 20 3.0 ≤0.1
M8 1.3 0.6 0.7 0.15 22.0 21 3.0 ≤0.1
M9 1.4 0.7 0.7 0.2 23.0 21 3.0 ≤0.1
316L - <0.03 <0.1 <0.75 <2.0 18 2.7 14
数据以质量％计，余量为Fe和不可避免的杂质
表2
Figure BDA0003752719590000181
*)n.d.＝未确定
表3
Figure BDA0003752719590000191
表4
Figure BDA0003752719590000192
合金M10，数据以质量％计，余量为Fe和不可避免的杂质
表5
Figure BDA0003752719590000193

Claims (15)

1.一种用于增材制造方法并且由钢颗粒组成的金属粉末，其中
-所述钢颗粒的平均直径为5μm至150μm，并且
-所述钢颗粒由以下组成，以质量％计，
C：0.15％至1.0％，
N：0.15％至1.0％，
Si：0.1％至2.0％，
Mn：10％至25％，
Cr：5％至21％，
Mo：0.1％至3.0％，
Ni：≤5％，
余量为铁和不可避免的杂质，
-其中根据DIN EN ISO 4490测定的所述金属粉末的流动性小于30sec/50g。
2.根据权利要求1所述的金属粉末，其特征在于，所述金属粉末的钢颗粒的Mn含量为至少15质量％。
3.根据前述权利要求中任一项所述的金属粉末，其特征在于，所述金属粉末的钢颗粒的Cr含量为至少14质量％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的金属粉末，其特征在于，所述金属粉末的钢颗粒的Ni含量为至多0.1质量％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的金属粉末，其特征在于，所述金属粉末的钢颗粒的C和N的总含量为0.6质量％至1.5质量％。
6.根据权利要求2、3和4获得的金属粉末在用于人体或动物体内或者人体或动物体上的构件的增材制造中的用途。
7.一种用于制造钢构件的方法，包括以下步骤：
a)使钢熔体熔融，所述钢熔体由以下组成，以质量％计，
C：0.15％至1.0％，
N：0.15％至1.0％，
Si：0.1％至2.0％，
Cr：5％至21％，
Mo：0.1％至3.0％，
Ni：≤5％，
以及Mn，
并且余量为铁和与制造相关的不可避免的杂质，
其中所述熔体的Mn含量比待制造的构件的相应Mn目标含量％Mn_Z高0.5％至5％，对此适用以下条件：8％≤Mn_Z≤24％；
b)将在加工步骤a)中熔融的所述熔体雾化为金属粉末，其中从得到的钢颗粒中选择平均粒度为5μm至150μm的钢颗粒用于进一步加工；
c)使用增材制造方法制造所述构件，其中
c.1)由至少一部分所述金属粉末制造待制造的所述构件的至少一个固化的体积截面；
c.2)必要时，将另一部分所述金属粉末施加至加工步骤c.1中的所述固化的体积截面；
以及
c.3)必要时，重复加工步骤c.1和c.2，直至待制造的所述构件以完全完成的方式增材成型；
d)任选地，机械加工以使所述构件成形；
e)任选地，对所获得的所述构件进行最终热处理；
f)任选地，对所述构件进行机械或热化学表面层处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在进行任选的热处理(加工步骤e))的过程中，将所述构件在1000℃至1250℃的温度保持5min至120min。
9.根据权利要求7或8中任一项所述的方法，其特征在于，在加工步骤b)中的所述熔体的雾化以气体雾化进行。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，在加工步骤c.1)中，将激光束用作热源，其中将所述激光束在各种情况下以20J/mm3至110J/mm3的能量密度引导至待加热的所述体积截面。
11.一种构件，所述构件
-通过增材制造方法制造，
-由以下组成，以质量％计：0.15％至1.0％的C、0.15％至1.0％的N、0.1％至2.0％的Si、8％至24％的Mn、5％至21％的Cr、0.15％至3.0％的Mo、≤5％的Ni、并且余量为铁和不可避免的杂质，并且
-具有由大于50体积％的奥氏体、至多49体积％的铁素体并且余量为铁素体和与制造相关的不可避免的其他组织成分组成的组织，其中所述构件的组织中不可避免的组织成分的占比为至多30体积％。
12.根据权利要求11所述的构件，其特征在于，所述构件在非热处理状态下的拉伸强度Rm为至少650MPa，并且屈服强度Rp为至少650MPa，并且所述构件在缺口冲击试验中达到的缺口冲击能量为至少30J，并且缺口冲击强度为至少50J/cm3。
13.根据权利要求12所述的构件，其特征在于，所述构件的表面硬度为至少250HV。
14.根据权利要求11或12中任一项所述的构件，其特征在于，在所述缺口冲击试验中的热处理状态下，所述构件达到的缺口冲击能量为至少100J，并且缺口冲击强度为至少120J/cm3。
15.根据权利要求14所述的构件，其特征在于，所述构件的表面硬度为至少200HV。
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