CN117248211A - 一种压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,涉及不锈钢表面处理技术领域,该方法包括以下步骤:(1)将不锈钢合金粉末SLM3D打印成形,得不锈钢;(2)将铝合金和不锈钢表面依次经抛光、打磨和超声清洗,得预处理铝合金和预处理不锈钢;(3)将预处理铝合金和预处理不锈钢重合放置,施加70‑90pa静压力,在750‑850℃保温6‑8h,然后空冷,得不锈钢表面涂层。本发明方法流程简单,便于操作,能够在不锈钢表面快速制得高强涂层,有效解决了现有技术中SLM成型的不锈钢表面硬度低、致密性差和综合性能较差等问题,便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢表面处理技术领域,具体涉及一种压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法。
背景技术
304不锈钢因其具有良好的焊接性、耐腐蚀性能和良好的性能而被广泛地应用于航空航天、汽车、船舶和医疗器械等领域。SLM作为金属3D打印技术的典型代表,是一种新型的激光快速成型工艺,其基于分层、叠加累积原理,使用高功率激光逐层熔化金属粉末,从而实现金属零件的快速制造,成型过程不需要复杂的工装模具。与传统铸造相比,3D打印零件在降低模具成本的基础上,有效缩短了产品生产周期。SLM成型的不锈钢表面硬度较铸件或是锻件都要低一些,因此,对其进行表面处理的研究有着重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供了一种压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,该方法流程简单,便于操作,能够在不锈钢表面快速制得高强涂层,有效解决了现有技术中SLM成型的不锈钢表面硬度低、致密性差和综合性能较差等问题,便于推广使用。
为实现上述目的,本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,包括以下步骤:
(1)将不锈钢合金粉末SLM3D打印成形,得不锈钢;
(2)将铝合金和步骤(1)所得不锈钢表面依次经抛光、打磨和超声清洗,得预处理铝合金和预处理不锈钢;
(3)将步骤(2)所得预处理铝合金和预处理不锈钢重合放置,施加静压力,在750-850℃保温,然后空冷,得不锈钢表面涂层。
进一步,步骤(1)中,不锈钢合金粉末为304L合金粉末。
再进一步,304L合金粉末由真空雾化法制得,粒径为20-50μm,松装密度为4.1g/cm3。
进一步,步骤(1)中,SLM3D打印的工艺参数为:通入氩气保护,激光功率为300W,扫描速度为900mm/s,铺粉厚度为0.03mm,扫描间距为0.01mm,打印尺寸为30mm×15mm×5mm。
进一步,步骤(2)中,铝合金为2024铝合金。
进一步,步骤(2)中,铝合金切割为不锈钢相同形状,厚度为2mm。
进一步,步骤(3)中,施加70-90pa静压力。
进一步,步骤(3)中,所述静压力的施加方法为在上方放置配重。
进一步,步骤(3)中,保温6-8h。
本发明还提供了上述压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法制得的不锈钢表面涂层。
综上所述,本发明具有以下优点:
1、本发明方法操作简单,生产成本低,所得不锈钢表面涂层与基体呈冶金结合,结合力好,不易脱落,不仅提高了合金的硬度、耐磨性及抗高温氧化性,还改善涂层组织,无明显气孔和贯穿式裂纹,提高不锈钢硬度和耐磨性。
2、在高温和压力作用下,在不锈钢表面形成稳定的铁-铝间金属化合物涂层,金属间化合物既具有金属材料的某些物理性能,又具有陶瓷材料的高熔点和高硬度等特性,涂层与基体呈冶金结合,涂层比基体有更好的耐磨性。
附图说明
图1为实施例1制得的不锈钢表面涂层的100×显微组织图;
图2为实施例1制得的不锈钢表面涂层的200×显微组织图;
图3为实施例1制得的不锈钢表面涂层的300×显微组织图;
图4为实施例1制得的不锈钢表面涂层的EDS分析点位图;
图5为实施例1制得的不锈钢表面涂层点位1的EDS能谱图;
图6为实施例1制得的不锈钢表面涂层点位2的EDS能谱图;
图7为实施例1制得的不锈钢表面涂层点位3的EDS能谱图;
图8为实施例1制得的不锈钢表面涂层点位4的EDS能谱图;
图9为实施例1制得的不锈钢表面涂层点位5的EDS能谱图;
图10为对比例1制得的不锈钢表面涂层的100×显微组织图;
图11为对比例1制得的不锈钢表面涂层的200×显微组织图;
图12为对比例1制得的不锈钢表面涂层的500×显微组织图;
图13为对比例1制得的不锈钢表面涂层的EDS分析点位图;
图14为对比例1制得的不锈钢表面涂层点位1的EDS能谱图;
图15为对比例1制得的不锈钢表面涂层点位2的EDS能谱图;
图16为对比例1制得的不锈钢表面涂层点位3的EDS能谱图;
图17为对比例1制得的不锈钢表面涂层点位4的EDS能谱图;
图18为对比例2制得的不锈钢表面涂层的100×显微组织图;
图19为对比例2制得的不锈钢表面涂层的200×显微组织图;
图20为对比例2制得的不锈钢表面涂层的300×显微组织图;
图21为对比例2制得的不锈钢表面涂层的EDS分析点位图
图22为对比例2制得的不锈钢表面涂层点位1的EDS能谱图;
图23为对比例2制得的不锈钢表面涂层点位2的EDS能谱图;
图24为对比例2制得的不锈钢表面涂层点位3的EDS能谱图;
图25为对比例2制得的不锈钢表面涂层点位4的EDS能谱图;
图26为对比例2制得的不锈钢表面涂层点位5的EDS能谱图;
图27为对比例3制得的不锈钢表面涂层的显微组织图;
图28为实施例1和对比例1-2制得的不锈钢表面涂层的表面硬度对比分析图;
图29为实施例1和对比例1-3制得的不锈钢表面涂层的XRD对比分析图。
具体实施方式
实施例1
一种压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,包括以下步骤:
(1)将304L合金粉末SLM3D打印成形,得不锈钢(SLM304);SLM3D打印的工艺参数为:通入氩气保护,激光功率为300W,扫描速度为900mm/s,铺粉厚度为0.03mm,扫描间距为0.01mm,打印尺寸为30mm×15mm×5mm。
(2)将2024铝合金切割为不锈钢相同形状,厚度为2mm,然后将2024铝合金和步骤(1)所得不锈钢表面依次经抛光、打磨和超声清洗,得预处理铝合金和预处理不锈钢;
(3)将步骤(2)所得预处理铝合金和预处理不锈钢重合放置,在上方放置配重施加80pa静压力,在预热至750℃的电阻炉内保温6h,然后空冷,得不锈钢表面涂层。
实施例1制得的不锈钢表面涂层的100×、200×和300×显微组织图如图1-3所示。
由图1-3可知,在高温和静压力的作用下,形成的SLM304不锈钢表面涂层与基体结合紧密,相对平直,无明显界限。
实施例1制得的不锈钢表面涂层的EDS分析图如图4-9所示,其中,图4为EDS分析点位图,图5-9依次为图4中点位1-5的EDS能谱图。
由图4-9可知,本发明方法在高温和静压力的共同作用下,促使了铝合金中的铝元素向SLM304基体方向扩散,从而形成稳定的铁-铝间金属化合物涂层。
对比例1
一种SLM304不锈钢表面的处理方法,包括以下步骤:
(1)将304L合金粉末SLM3D打印成形,得SLM304不锈钢;SLM3D打印的工艺参数为:通入氩气保护,激光功率为300W,扫描速度为900mm/s,铺粉厚度为0.03mm,扫描间距为0.01mm,打印尺寸为30mm×15mm×5mm。
(2)将2024铝合金切割为SLM304不锈钢相同形状,厚度为2mm,然后将2024铝合金和步骤(1)所得SLM304不锈钢表面依次经抛光、打磨和超声清洗,得预处理铝合金和预处理SLM304;
(3)将步骤(2)所得预处理铝合金和预处理SLM304重合放置,在预热至650℃的电阻炉内保温6h,然后空冷,得不锈钢表面涂层。
对比例1制得的不锈钢表面涂层的100×、200×和300×显微组织图如图10-12所示。
由图10-12可知,本对比方法未能得到有效的SLM304不锈钢表面涂层。
对比例1制得的不锈钢表面涂层的EDS分析图如图13-17所示,其中,图13为EDS分析点位图,图14-17依次为图13中点位1-4的EDS能谱图。
由图13-17可知,由于本对比方法无压力辅助,并且温度较低,铝未能向基体方向扩散,处理后元素与304L合金一致。
对比例2
一种SLM304不锈钢表面的处理方法,包括以下步骤:
(1)将304L合金粉末SLM3D打印成形,得SLM304不锈钢;SLM3D打印的工艺参数为:通入氩气保护,激光功率为300W,扫描速度为900mm/s,铺粉厚度为0.03mm,扫描间距为0.01mm,打印形状为30mm×15mm×5mm。
(2)将2024铝合金切割为SLM304不锈钢相同形状,厚度为2mm,然后将2024铝合金和步骤(1)所得SLM304不锈钢表面依次经抛光、打磨和超声清洗,得预处理铝合金和预处理SLM304;
(3)将步骤(2)所得预处理铝合金和预处理SLM304重合放置,在预热至750℃的电阻炉内保温6h,然后空冷,得不锈钢表面涂层。
对比例2制得的不锈钢表面涂层的100×、200×和300×显微组织图如图18-20所示。
由图18-20可知,涂层与基体虽有连接,但可观察到未熔化的铝合金涂层,因此没有压力辅助时,涂层依然与基体没有实现很好的连接,也没有获得有效的金属间化合物。
对比例2制得的不锈钢表面涂层的EDS分析图如图21-26所示,其中,图21为EDS分析点位图,图22-26依次为图21中点位1-5的EDS能谱图。
由图21-26可知,涂层中的铝元素没有向基体扩散。
对比例3
一种SLM304不锈钢表面的处理方法,包括以下步骤:
(1)将304L合金粉末SLM3D打印成形,得SLM304不锈钢;SLM3D打印的工艺参数为:通入氩气保护,激光功率为300W,扫描速度为900mm/s,铺粉厚度为0.03mm,扫描间距为0.01mm,打印形状为30mm×15mm×5mm。
(2)将2024铝合金切割为SLM304不锈钢相同形状,厚度为2mm,然后将2024铝合金和步骤(1)所得SLM304不锈钢表面依次经抛光、打磨和超声清洗,得预处理铝合金和预处理SLM304;
(3)将步骤(2)所得预处理铝合金和预处理SLM304重合放置,在上方放置配重施加80pa静压力,在预热至650℃的电阻炉内保温6h,然后空冷,得不锈钢表面涂层。
对比例3制得的不锈钢表面涂层的显微组织图如图27所示。
由图27可知,涂层与基体合金之间有明显间隙,本对比方法虽然有压力辅助,但处理温度过低,依然不能实现冶金连接,后期使用中很容易脱落。
试验例1
实施例1和对比例1-2制得的不锈钢表面涂层的表面硬度对比分析图如图28所示。
由图28可知,实施例1制得的不锈钢表面涂层最大硬度可达839HV,其余对比例均较小。
实施例1和对比例1-3制得的不锈钢表面涂层的XRD对比分析图如图29所示。
由图29可知,在高温和静压力作用下,实施例1制得的不锈钢表面涂层中形成了多种Fe-Al金属间化合物、Fe-Ni金属间化合物等,提高了SLM304的表面硬度,实现了良好的防护作用。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述,但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内,本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将不锈钢合金粉末SLM3D打印成形,得不锈钢;
(2)将铝合金和步骤(1)所得不锈钢表面依次经抛光、打磨和超声清洗,得预处理铝合金和预处理不锈钢;
(3)将步骤(2)所得预处理铝合金和预处理不锈钢重合放置,施加静压力,在750-850℃保温,然后空冷,得不锈钢表面涂层。
2.如权利要求1所述的压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述不锈钢合金粉末为304L合金粉末。
3.如权利要求2所述的压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,其特征在于,所述304L合金粉末由真空雾化法制得,粒径为20-50μm,松装密度为4.1g/cm3。
4.如权利要求1所述的压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述SLM3D打印的工艺参数为:通入氩气保护,激光功率为300W,扫描速度为900mm/s,铺粉厚度为0.03mm,扫描间距为0.01mm,打印尺寸为30mm×15mm×5mm。
5.如权利要求1所述的压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,其特征在于,步骤(2)中,所述铝合金为2024铝合金。
6.如权利要求1所述的压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,其特征在于,步骤(2)中,所述铝合金切割为不锈钢相同形状,厚度为2mm。
7.如权利要求1所述的压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,其特征在于,步骤(3)中,施加70-90pa静压力。
8.如权利要求1所述的压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,其特征在于,步骤(3)中,所述静压力的施加方法为在上方放置配重。
9.如权利要求1所述的压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法,其特征在于,步骤(3)中,保温6-8h。
10.权利要求1-9任一项所述的压力辅助提高不锈钢表面硬度的方法制得的不锈钢表面涂层。
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