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CN108070784B - 低碳钢合金组成物、粉体及含其的工件的制造方法 - Google Patents

低碳钢合金组成物、粉体及含其的工件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低碳钢合金组成物、粉体及含其的工件的制造方法。其中低碳钢合金组成物，包含：98.5‑99.7重量份的铁，0.1‑0.3重量份的碳，0.1‑0.6重量份的硅，以及0.15‑0.45重量份的铬。上述合金组成物经气体喷雾的方式制成粉体，再以激光积层烧熔该粉体可完成合金工件。

Description

低碳钢合金组成物、粉体及含其的工件的制造方法
技术领域
本发明涉及金属材料制备领域，尤其是涉及一种低碳钢合金组成物及含其的工件的制造方法。
背景技术
积层制造被誉为第三次工业革命，对于模具、航太零组件、工具等产业带来新的挑战及变革，金属积层制造不仅能减少传统金属产业的生产工序，半成品即具有近净形(near-net shape)的特点，还具有产品几何结构不受限制的优异特性，现阶段工业模具产业还是以减法制造为主流，然而相较于传统制作工艺，积层制造应用于生产模仁/模具上具有简化复杂工序的优势，可制造几何形状复杂的工件，解决因减法制造限制而无法达成的几何设计问题，使得工业模具可通过更自由的几何设计制作高功能性、高寿命的工业模仁/模具，例如于模具内部设计复杂的异形水路，有效率的带走加工时所产生的热能，可同时提升生产稳定度及生产效能，进而提升产业竞争力。
传统的低碳钢材料相对的含锰(Mn)量较多，经激光烧熔后Mn易挥发，直接影响碳钢材料机械强度和韧性。而在制作激光积层烧熔时使用高真圆度、高流动性低碳钢合金粉体是可以使成形件的机械性质与硬度优于传统低碳钢材料。
所以，开发一种适用于激光积层制造及热喷涂方式的低碳钢合金组成物，为当前重要的课题。
发明内容
本发明的的目的在于提供一种低碳钢合金组成物以及以该组成物制造工件的方法，以解决上述问题。
为达上述目的，本发明一实施例提供的低碳钢合金组成物，包含：98.5-99.7重量份的铁，0.1-0.3重量份的碳，0.1-0.6重量份的硅，以及0.15-0.45重量份的铬。
本发明另一实施例中，该低碳钢合金组成物还包含微量的锰，例如是小于0.1重量份的锰。
根据本发明的公开内容，还提供以气体喷雾的方式将该低碳钢合金组成物制成粉体。在一实施例中，该粉体的粒径为5μm～200μm。
根据本发明的公开内容，将该低碳钢合金组成物制成粉体后以激光积层制造、等离子喷涂、电弧喷涂等方式制成工件。
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容了解本发明的其他优点与功效。本发明也可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
附图说明
图1为本发明一实施例的低碳钢组合物制得的粉体的SEM分析图；
图2为本发明一实施例的低碳钢组合物制得的粉体经激光积层烧熔后的工件示意图；
图3为本发明一实施例的低碳钢组合物制得的粉体经激光积层烧熔工件的截面金相图；
图4为比较例的传统低碳钢粉体经激光积层烧熔后的工件示意图；
图5为比较例的传统低碳钢粉体经激光积层烧熔工件的截面金相图。
具体实施方式
在下述内容中，经由本发明的公开内容，开发激光积层制造用的低碳钢合金粉体材料，由低碳钢合金组成物所制成，该组成物的主要成分为铁(Fe)，经由合金组成分中各成分的设计及微量元素的添加(例如碳元素(C)、硅元素(Si)、铬元素(Cr)等)，避免该粉体于激光源的烧熔过程中，因低熔点(高蒸气压)元素的挥发而影响成形的工件的致密度与机械性质，进而提升低碳钢合金成形工件的机械强度。
由于激光积层制造制作工艺熔池温度高达2500～3000℃，会造成材料中，高蒸气压元素的挥发，进而导致工件形成气孔、机械性质降低及仪器舱体的污染，因此本发明公开的合金组成物以铁为合金材料的主成分，添加具低蒸气压特性的强化元素例如碳、硅、铬等。
根据本发明所公开的以低碳钢合金组合物制得的粉体，其粒径15μm～60μm在激光积层烧结过程中不会产生元素挥发而影响烧熔成形工件的强度更优于传统低碳钢粉体。
在本发明一实施例中，低碳钢合金组成物包含：98.5-99.7重量份的铁，0.1-0.3重量份的碳，0.1-0.6重量份的硅，以及0.15-0.45重量份的铬。在另一实施例中，铁的含量可以为98.7-99.5重量份。
低碳钢合金组合物的粉体制作
实施例1～6
依据表1的Cr、C、Si及Fe的重量比例，使用真空熔炼法进行熔炼，以高周波加热器(V-UTMOST、SPZ-110)频率为1-20KHz,温度为1400-1600℃,进行高周波熔炼，再利用气体喷雾技术得到低碳钢合金组合物的粉体，使用扫描式电子显微镜(SEM,JEOL-6330)观察该粉体为球状如图1所示。利用激光粒径分析仪(Malvern，Mastersizer 2000E)进行粒径分布分析，得到粒径如表1所示。需注意的是，本发明所公开内容的技术领域内具有通常知识者皆明白，基于各个元素的起始物的选用，所制成的组成物中除了预定的元素及其重量百分比之外，尚可能存有微量原本存在于起始物中的其他杂质元素。在一实施例中，杂质的总含量小于0.2重量份。
表1
Fe Cr C Si Mn D50μm
比较例 98.825 0.05 0.107 0.58 0.438 31.62
实施例1 99.5 0.15 0.25 0.1 — 27.808
实施例2 99 0.15 0.25 0.6 — 27.892
实施例3 99.35 0.3 0.25 0.1 — 25.58
实施例4 98.85 0.3 0.25 0.6 — 25.746
实施例5 99.2 0.45 0.25 0.1 — 26.8
实施例6 98.7 0.45 0.25 0.6 — 27.235
含低碳钢合金组合物粉体的工件的制造
实施例7～12
取实施例1～6的粉体，以激光积层制造方式(温度2500-3000℃)进行烧熔成形，分别得到工件1～6，其中使用的电射功率(Laser Power)为195W/Scan，扫描速率(Scan Rate)为750mm/sec。
上述工件1～6的抗拉强度(YS)(以Gleeble3500进行材料常温拉伸强度测试，依据ASTM E8规范)、降伏强度(UTS)(以Gleeble3500进行材料常温降伏强度测试，依据ASTM E8规范)、伸长率(EL)(以Gleeble3500进行材料伸长率测试，依据ASTM E8规范)、平均硬度(以维氏硬度机进行Hv标准硬度测试，依据ASTM E18规范)如表2所示。
表2
Figure BDA0001173049650000041
比较例
依据表1的Cr、C、Si、Fe及Mn的重量比例(市售商品S10C)，使用真空熔炼法进行熔炼，以高周波加热器(V-UTMOST、SPZ-110)功率为15-25kW,温度为1400-1600℃进行高周波熔炼，再利用气体喷雾技术得到低碳钢合金组合物的粉体。
取比较例的粉体，以与实施例7～12相同的方式及制作工艺参数制得比较工件。其抗拉强度、降伏强度、伸长率、及平均硬度如表2所示。
由表2所示，本发明低碳钢合金组合物粉体所制得的工件的机械性质及硬度值优于比较例(市售商品)，特别是抗拉强度更是具有极大的功效。
由图2与图4明显可见使用本发明低碳钢合金组合物粉体所烧熔的工件材料内部未因Mn元素的挥发产生孔洞及缺陷，故具有较佳的致密性及机械强度，外力作用下，材料抵抗永久变形和破坏的能力远优于比较例(市售商品S10C)。
此外，由图3与图5的截面金相图可知经由激光烧熔后本发明可得到具有高度管芯细化的组织结构，细化管芯可以使金属组织中具有较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属材料得到强化并且改善材料韧性。
虽然结合以上数个实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何本技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (4)

1.一种低碳钢合金组成物粉体，由以下组分构成：
0.1-0.3重量份的碳，
0.1-0.6重量份的硅，
0.15-0.45重量份的铬，
98.5-99.7重量份的铁，
大于0且小于0.1重量份的锰，及
小于0.2重量份的杂质，
其中，该低碳钢合金组成物粉体的粒径为15μm-60μm。
2.如权利要求1所述的低碳钢合金组成物粉体，其中该铁的含量为98.7-99.5重量份。
3.一种合金工件的制造方法，其步骤包括：
以气体雾化方式制成如权利要求1所述的低碳钢合金组成物粉体；及
以激光积层制造烧熔该粉体以形成一合金工件。
4.如权利要求3所述的制造方法，其中该激光积层制造的温度为2500℃-3000℃。
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