一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法，按照C：0.43％；Mn：0.58％；Si：0.18％；Cr：0.25％；Ni：0.24％；Fe：余量进行配比中碳钢并采用真空感应熔炼制备出碳钢棒材，机械加工去除合金棒材表面氧化铁皮，加工成符合等离子旋转电极雾化制粉设备要求的电极棒尺寸，放入制粉机中，通过等离子枪熔化电极棒端部，在离心力的作用下得到球形粉末，后将收集的粉末通过超声振动按照不同粒度筛分。本发明专利技术通过使用等离子旋转电极雾化制备了中碳钢球形金属粉末，制备的粉末具有球形度高，卫星粉少、粉末致密度高、杂质含量少等特点，可以满足3D打印用金属粉末需求，适合广泛推广。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法
本专利技术涉及3D打印用金属球形粉末制造领域，尤其涉及一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法。
技术介绍
钢铁材料由于其优异的力学性能，冶炼容易、价格低廉等特点，是目前全世界范围内使用最多的金属材料。中碳钢(C:0.25％～0.60％)具有良好塑性和强度，广泛应用在各种结构件和承力部件。较高的含碳量虽然会产生优异的强度，但往往导致材料焊接性能较差。目前传统的材料加工方式焊接技术加工中碳钢时极易产生裂纹，需要预热，后处理等繁琐的工艺。3D打印技术是20世纪产生的一种一体化成形材料的加工技术，直接制备出零部件，具有很高的应用前景。然而目前关于3D打印用中碳钢的粉末制备研究还比较少，因此开展相关粉末制备工艺的研究具有重要的意义。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法。本专利技术的技术要点为：一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末，按照以下质量百分比组成：C：0.43％；Mn：0.58％；Si：0.18％；Cr：0.25％；Ni：0.24％；Fe：余量，上述组分质量百分比之和为100％。进一步的，所述的一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法，具体按照以下步骤进行：S1：按照C：0.43％；Mn：0.58％；Si：0.18％；Cr：0.25％；Ni：0.24％；Fe：余量进行配比中碳钢并采用真空感应熔炼制备出碳钢棒材；S2：将S1得到的中碳钢棒材加工成电极棒，采用机械加工方式去除合金电极棒表面黑色氧化铁皮，得到表面无明显疏松、裂纹和内部缺陷的棒材；S3：将步骤2得到的符合等离子旋转电极雾化制粉要求的合金电极棒夹持在等离子旋转电极雾化制粉装置内用于带动棒材旋转的夹持装置上，形成密封结构，然后进行抽真空处理，使整套等离子旋转电极雾化制粉装置处于真空状态下，并且通入保护气；S4：启动雾化功能等离子发生器，等离子枪对高速旋转的中碳钢棒材端面加热，使其均匀熔化并依靠旋转产生的离心力将小液滴被高速甩出，被甩出的液滴在惰性气体中尚未碰到粉末收集仓壁之前快速冷却成球形颗粒，落在壁底；S5：将冷却后的粉末颗粒在惰性气体保护下收集，按粒度要求筛分后分别进行真空包装。进一步的，所述S2中，棒材直径70-90mm，长度200mm-260mm，密度为99.6％以上，无明显疏松，裂纹等内部缺陷，合金棒圆跳动小于0.05mm，直线度偏差小于0.1mm，表面粗糙度小于1.2μm，如果棒料过细，必须增加转速才能收集到粉末，并且生产效率也会随着降低，如果棒材过粗，在高速旋转下会增加安全隐患，故设定棒材直径区间在70-90mm，设定圆跳动小于0.05mm和直线度偏差小于0.1mm保证棒材在高速旋转时减少棒材的跳动和偏差，使加工更具安全性。进一步的，所述S3中，真空度不低于5*10-3Pa，保护气为氩气和氦气混合气，氦气主要起冷却作用，氩气有助于等离子弧的形成，混合气可以使熔滴粉末的凝固速率更快，形貌更加稳定，可以稳定持续性输出熔化棒材。进一步的，所述S4中工作时电极棒的工作转速为：12000-15500r/min，工作电压为150-200V，所述的熔化电流为1500-2000A，如果转速太低，离心力不足，导致不能稳定产生粉末；在能产生粉末的转速下，转速太大则会增大安全隐患，熔化电流和电压的能量给予太低不能使棒料熔化，能量太高会使得棒料成片成片的掉落，不能稳定持续产生高质量球形粉末。进一步的，所述S5中所筛分出的粉末粒径主要在48-106μm之间，且根据得到的粉末，进行筛分48-106微米之间的粉末可以占到80以上。进一步的，在S4中的合金棒材的电极端上附有一层液膜，所述液膜成分是由有水、活性剂和有机溶剂组成的纳米膜，液膜的加入可提高粉末制备的效率。更进一步的，所述液膜的厚度为8.04-8.44μm之间，熔点处密度为7328kg·m-3,，熔点处粘度为4.32*10-3pa·s，在对附有液膜的电极棒进行加热时，等离子枪的枪口与所述电极棒的电极端距离控制在10-15mm，等离子的工作气体流量控制在80L/min，熔化的电极材料和液膜在离心力的作用下,向电极棒边缘流动,先在电极棒边缘形成一个液珥,进而在液珥上产生出液滴,最后液滴脱离液珥被甩出,形成一次颗粒，在一次颗粒与液珥的分离过程中,它们之间的粘连滚体则形成直径较一次颗粒小得多的二次颗粒，即为得到的球形粉末，液膜的厚度是通过本次设定的电极棒旋转转速设定的，离子枪的枪口与所述电极棒的电极端距离控制在10-15mm时对电极棒进行加热，等离子枪的热疗率最高，等离子的工作气体流量控制在80L/min时，等离子枪的热效率的分布更加均匀。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：第一,本专利技术采用等离子旋转电极雾化制粉制取的中碳钢球形粉末，根据中碳钢的熔点控制等离子旋转电极雾化制粉的工作电流电压，根据中碳钢的密度硬度熔点等物理性质，调整等离子旋转电极制粉的工作参数，制取的粉末球形度高，表面形貌优良，杂质少，卫星粉少等，可满足3D打印，冷等静压，热等静压等技术的使用要求。第二，本专利技术通过优化工艺参数，控制粉末粒度,减少夹杂数量和尺寸以及降低气体含量，从而提高粉末质量，并且增加电极棒直径和等离子弧电流，不仅能提高生产效率,而且可以保证所需粉末的粒度.降低电极棒的转速，减少设备磨损，延长设备的使用寿命。第三，本专利技术通过在合金棒材的电极端涂有液膜，提高了等离子枪对电极棒的加热效率和加热均匀度，从而提高制作球形粉的速率和质量。附图说明图1是本专利技术实施例1中碳钢球形粉末扫描图；图2是本专利技术实施例2中碳钢球形粉末扫描图；图3是本专利技术实施例3中碳钢球形粉末扫描图；图4是本专利技术实施例4中碳钢球形粉末扫描图；图5是本专利技术实施例5中碳钢球形粉末扫描图；图6是本专利技术实施例6中碳钢球形粉末扫描图。具体实施方式实施例一：一种制备3D打印用中碳钢金属球形粉末专利技术具体步骤：S1：按照C：0.43％；Mn：0.58％；Si：0.18％；Cr：0.25％；Ni：0.24％；Fe：余量进行配比中碳钢并采用真空感应熔炼制备出碳钢棒材；S2：将按照S1熔炼好的中碳钢合金棒经过精车加工，去除表面黑色氧化铁皮，得到符合等离子旋转电极雾化制备粉末的要求，其合金棒材致密度达到99％以上，表面无明显缺陷，加工后的中碳钢合金棒材的直径为70mm，长度230mm，圆跳动0.02mm，直线度偏差0.86mm/m，粗糙度1.2μm；S3：经过S2加工好的电极棒放入等离子旋转电极制粉机中，形成新型动密封结构，然后抽真空充入保护气：氩气和氦气混合气，使得制粉室内压力至0.1MPa，保证气氛中的含氧小于0.1％。S4：启用雾化功能并点燃等离子发生器，使用等离子枪对电极棒进行预热，预热完成后，将工作电压设定为150V，熔化电流设置为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末，其特征在于，按照以下质量百分比组成：C：0.43％；Mn：0.58％；Si：0.18％；Cr：0.25％；Ni：0.24％；Fe：余量，上述组分质量百分比之和为100％。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末，其特征在于，按照以下质量百分比组成：C：0.43％；Mn：0.58％；Si：0.18％；Cr：0.25％；Ni：0.24％；Fe：余量，上述组分质量百分比之和为100％。


2.根据权利要求1所述的一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
S1：按照权利要求1中的成分含量要求进行配比中碳钢并采用真空感应熔炼制备出碳钢棒材；
S2：将S1得到的中碳钢棒材加工成电极棒，采用机械加工方式去除合金电极棒表面黑色氧化铁皮，得到表面无明显疏松、裂纹和内部缺陷的棒材；
S3：将S2得到的符合等离子旋转电极雾化制粉要求的合金电极棒夹持在等离子旋转电极雾化制粉装置内用于带动棒材旋转的夹持装置上，形成密封结构，然后进行抽真空处理，使整套等离子旋转电极雾化制粉装置处于真空状态下，并且通入保护气；
S4：启动雾化功能等离子发生器，等离子枪对高速旋转的中碳钢棒材端面加热，使其均匀熔化并依靠旋转产生的离心力将小液滴被高速甩出，被甩出的液滴在惰性气体中尚未碰到粉末收集仓壁之前快速冷却成球形颗粒，落在壁底；
S5：将冷却后的粉末颗粒在惰性气体保护下收集，按粒度要求筛分后分别进行真空包装。


3.根据权利要求1所述的一种3D打印用低成本中碳钢球形粉末的制备方法，其特征在于，所述S2中，棒材直径70-90mm，长度200mm-260mm，密度为99.6％以上，合金棒圆跳动小于0.05mm，直线度偏差小于0.1mm，表面粗糙度小于1.2μm。
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘世锋，宋玺，王岩，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61