金属粉末制造技术

本申请涉及一种金属粉末，其包含：0.1质量％≤C≤0.4质量％、0.005质量％≤Si≤1.5质量％、0.3质量％≤Mn≤8.0质量％、2.0质量％≤Cr≤15.0质量％、2.0质量％≤Ni≤10.0质量％、0.1质量％≤Mo≤3.0质量％、0.1质量％≤V≤2.0质量％、0.010质量％≤N≤0.200质量％、以及0.01质量％≤Al≤4.0质量％，余量为Fe和不可避免的杂质，并且满足以下表达式(1)：10<15[C]+[Mn]+0.5[Cr]+[Ni]<20(1)，其中，[C]、[Mn]、[Cr]和[Ni]分别表示C、Mn、Cr和Ni的质量％含量。量％含量。量％含量。

【技术实现步骤摘要】
金属粉末


[0001]本申请涉及一种金属粉末。更具体而言，本申请涉及这样一种金属粉末，当将该金属粉末用于增材制造时，可以提供具有较少裂纹和较小翘曲、并且具有适当硬度和高热导率的增材制造制品。

技术介绍

[0002]近年来，金属的增材制造技术受到关注。这是因为这些技术具有(例如)以下优点：(a)可以形成具有复杂形状的金属部件，使得金属部件的形状接近最终形状，(b)这些技术具有更高的设计自由度，以及(c)与常规的切削成形技术相比，切削余量较小。
[0003]术语“增材制造加工”是指通过任意方法堆叠对应于切片的薄层制作三维结构的加工，其中切片是通过水平切割该三维结构而获得的。用于堆叠这种薄层的方法的实例包括：(a)重复进行形成金属粉末的薄层的步骤和使粉末层局部熔融并固化该熔体的步骤的方法，所述熔融通过使用例如激光或电子束之类的能量束照射实现；以及(b)堆叠各自具有指定形状的薄层并使其扩散结合的方法。
[0004]在这些技术中，用激光照射层状铺展的金属粉末使得粉末层局部熔融并且使熔融金属固化的增材制造加工称为选择性激光熔化(SLM)法。SLM增材制造加工的优点在于，仅通过改变激光照射位点的位置就能够容易地形成复杂的三维形状。因此，在该方法应用于(例如)制作成型模具的情况下，可以在模具内自由地设置非线性冷却水通道或三维冷却水通道。
[0005]在使用SLM型3D打印机进行增材制造的情况下，由于仅快速加热所成形的制品的上表面，冷却之后会在成形制品的上表面存在残留拉伸应力。其结果是，成形制品容易变形导致向下突出。在成形制品的变形较大的情况下，这不仅降低了成形制品的尺寸精度，而且使得在成形后难以从3D打印机中取出成形制品。因此，通常使用马氏体时效钢的粉末作为增材制造粉末。
[0006]马氏体时效钢在快速冷却时发生马氏体相变并膨胀。马氏体时效钢在马氏体相变后具有低硬度，并且可以通过时效处理得到硬化。因此，在增材制造中使用马氏体时效钢的优点在于，成形的制品较少产生裂纹或变形，从而使得增材制造变得容易。通过在增材制造之后对成形制品进行时效处理，可以获得所需硬度。
[0007]然而，马氏体时效钢的热导率和韧性相对较低。因此，在使用马氏体时效钢粉末并通过增材制造来制作模具的情况下，模具存在(例如)如下问题：(a)模具由于低热导率而具有低冷却效率，以及(b)由于低韧性而易于从水冷孔处产生裂纹。
[0008]为了克服这些问题，迄今已经提出了各种方案。
[0009]例如，专利文献1公开了一种钢的粉末，其包含指定量的C、Si、Cr、Mn、Mo、V和N，余量为Fe和不可避免的杂质。
[0010]该文献记载了(a)虽然如SKD61、SUS420J2和马氏体时效钢等的常规模具用钢具有高温强度，但是因为这些钢包含大量的容易固溶于基体相的元素，例如Si、Cr、Ni和Co，因此
具有低热导率，(b)当通过减少使热导率降低的合金成分的含量并优化Cr的含量对这种高合金钢进行调节时，可以在保持高耐腐蚀性的同时得到高热导率，以及(c)这种钢的粉末适合用作增材制造用粉末。
[0011]专利文献2公开了通过增材制造来制作成形制品的方法，该方法包括：
[0012]在成形区域形成由碳钢或马氏体不锈钢的粉末形成的材料层的再涂布步骤，
[0013]用激光照射材料层的指定照射区域以形成固化层的固化步骤，以及
[0014]调节固化层的温度以使其为T1→
T2→
T1(其中，T1≥Mf(Mf为固化层的马氏体相变终止温度)、T1＞T2并且T2≤Ms(Ms为固化层的马氏体相变起始温度))的温度调节步骤。
[0015]该文献记载了(a)在增材制造中，固化层通常在冷却过程中收缩，因此固化层中残留有拉伸应力，(b)在使用发生马氏体相变的材料进行增材制造的情况下，由于固化层在马氏体相变时膨胀，因此固化层冷却时发生体积收缩，并且由体积收缩引起拉伸应力减小，从而能够抑制成形制品变形，(c)通过在温度调节步骤中控制T1和T2，可以控制相变量(＝膨胀量)，并且(d)由于Ms和Mf因材料的碳含量而升高或降低，可以通过调节材料的碳含量，可以使该文献所述的方法适用于各种材料。
[0016]专利文献3至5公开了模具用钢，所述钢分别包含指定量的C、Si、Mn、Cr、Mo和V，余量为Fe和不可避免的杂质。
[0017]这些文献记载了(a)通过减少如Si、Cr、Ni和Co等降低热导率的元素的含量，并增加如Mn、Mo和V等的提高高温强度的元素的含量，可以同时获得高的高温强度和高的热导率这两者，以及(b)由这种材料制成的粉末适合用作增材制造用粉末。
[0018]专利文献6公开了一种模具用粉末，其包含指定量的C、Si、Mn、Cr、V、Mo、W和Co，余量为Fe和不可避免的杂质，并且其中P、S和B的总含量为0.02质量％以下。
[0019]该文献记载了(a)增材制造伴随着成形制品的快速冷却和固化，并且通过使用包含相对大量的P、S和B的增材制造用粉末，导致在快速冷却和固化的过程中，这些元素在晶界处偏析并促使产生固化裂纹，以及(b)通过将增材制造用粉末中P、S和B的总含量调节至0.02质量％以下，可以使该粉末在用于增材制造时得到固化裂纹受到抑制的成形制品。
[0020]此外，专利文献7公开了一种热作模具钢，尽管其不是增材制造用金属粉末，但其包含指定量的C、Si、Mn、Cr、Mo、V、N、H和S，余量为Fe和不可避免的杂质。
[0021]该文献记载了该热作模具钢在耐热加工磨损性、不易产生大裂纹性和耐热裂纹性(heat check resistance)方面是优异的。
[0022]在使用SLM型3D打印机进行的增材制造中，认为通过使用碳含量为0.1％以上并且经历马氏体相变使之硬化的钢粉末(例如，热作模具钢或马氏体不锈钢的粉末)作为金属粉末，可有效补偿马氏体时效钢的缺陷。然而，在将如SKD61等的常规热作模具钢直接用于增材制造的情况下，存在处于成形状态(as
‑
shaped state)的成形制品具有过高的硬度且易于产生裂纹的问题。
[0023]为了解决该问题，专利文献1提出了一种钢粉末，其碳含量低于常规热作模具钢的碳含量，以得到更低的成形状态硬度，从而防止在成形过程中产生裂纹，并且该钢粉末具有更低的Si含量，以得到更高的热导率。然而，使用专利文献1所述的方法虽然有效地避免了裂纹，但是会导致热应力的松弛不充分，因此存在成形制品的尺寸精度降低或在成形之后难以从3D打印机中取出的情况。
[0024]专利文献2公开了一种方法，该方法在使用碳钢或马氏体不锈钢(SUS420J2)作为金属粉末进行的增材制造中，在Ms点附近升高和降低固化层的温度。通过该方法，由于使因马氏体相变引起的体积膨胀在成形后的冷却过程中产生的残留拉伸应力得到松弛，因此可以获得变形较小的成形制品。
[0025]然而，由于设备的限制，目前的3D打印机在最高成形区域温度方面存在限制。因此，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属粉末，包含0.1质量％≤C≤0.4质量％、0.005质量％≤Si≤1.5质量％、0.3质量％≤Mn≤8.0质量％、2.0质量％≤Cr≤15.0质量％、2.0质量％≤Ni≤10.0质量％、0.1质量％≤Mo≤3.0质量％、0.1质量％≤V≤2.0质量％、0.010质量％≤N≤0.200质量％、以及0.01质量％≤Al≤4.0质量％，余量为Fe和不可避免的杂质，并且满足以下表达式(1)：10<15[C]+[Mn]+0.5[Cr]+[Ni]<20
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(1)其中，[C]、[Mn]、[Cr]和[Ni...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉本隆，山田慎之介，井上幸一郎，
申请(专利权)人：大同特殊钢株式会社，
类型：发明
国别省市：