[发明专利]一种用于3D打印的高速工具钢粉体球化及筛分方法

说明书

本发明涉及一种面向3D打印技术的高速工具钢粉体球化处理及筛分方法，属于金属3D打印新材料领域，该方法通过流态化气流磨技术结合流化床内构件设计来实现，以雾化方法制备的近球形高速工具钢粉体为原料，通过高温使粉体软化，期间采用惰性气体和高硬度陶瓷颗粒为气流磨介质对粉体进行球化处理，并通过设计挡板孔径和布放位置对流态化粉体进行粒径筛分，得到符合3D打印要求的高质量高速工具钢球形粉体，本发明中的粉体制备方法具有方法简单易实现、效率高、粒径范围控制精确、杂质引入量少等优点。

技术领域

本发明属于钢材料处理领域，涉及一种面向3D打印技术的高速工具钢粉体球化处理及筛分方法。

背景技术

高速钢（高速工具钢）作为一种重要的工程材料，在工业生产、机械加工、航空航天等关键领域应用广泛。高速钢制品或器件生产一般采用熔炼-铸造方法，其优点是工艺简单、成本低。高速钢属莱氏体钢，内部合金元素种类庞杂，在制造过程中由于凝固速度缓慢，导致加工零部件组织粗大，严重损害材料的性能，同时在凝固的结晶过程中出现大量合金元素偏析，形成网状一次碳化物和二次碳化物，这为高速钢零部件的加工造成了巨大困难，而精细复杂结构的零部件更是无法制造。

为解决当前高速钢组织粗大和成分偏析所导致的性能差及加工难题，研究人员开发了高速钢工具的粉末成型技术（粉末冶金）用以解决高速钢难加工问题。其工艺是将高速钢熔融液用高压惰性气体或者蒸馏水喷射使之雾化急冷，形成一定尺度分布的粉末。然后对粉末进行筛分和预压制，通过热压或热等静压技术在高温高压条件下烧结致密化，然后对成型钢坯进行锻造、轧制成刀具形状。粉末冶金工艺能够有效解决传统铸造高速钢组织粗大和碳化物共晶偏析问题，得到组织细小、分布均匀，尺寸稳定性的碳化物组织，其强度和韧性相比铸造高速钢提高2倍以上。然而，粉末冶金制备高速钢工具由于是基于固相烧结，因而存在致密度低的问题，同时其加工形状和尺寸也受模具限制，只能生产一些小尺寸的简单零部件。

金属3D打印是一种通过材料逐层累积制造零部件的近净成形新技术，具有节约成本、高自由度设计、高精度成形等优点，已广泛用于不锈钢、钛合金、铝合金等材料的科学研究和生产中，其打印部件在航空航天、生物医疗、国防技术等领域逐步得到验证性应用。通过铺粉类激光熔覆和喷射成型等都有望成为生产复杂结构高速工具钢的关键技术。上述两种技术都是以粉体作为基础，通常采用雾化制粉技术生产的球形粉体，粉体的质量（球形度、流动性、杂质含量）都将影响最终的加工成型效果。与传统合金类粉体不同的是，高速钢由于内部存在大量不同种类合金和碳元素，导致在在熔体破碎成小液滴的雾化过程中，不同组成材料在熔点、密度和润湿性等材料物性上存在极大差异，不同区域熔体成球过程与历史明显不同，雾化过程中增强相颗粒难以分散均匀，所制备的粉体出现球形度差和形貌不可控等问题。这严重限制粉体在3D打印过程中的送粉和铺粉，造成成型器件中存在孔隙、裂纹等缺陷，严重影响材料的性能和使用寿命。对此，国内尝试采用等离子体球化技术对现有粉体进行二次处理，其原理是通过等离子体将粉体熔化，依靠自身球化效应或对粉体形貌的修饰提高球形度和流动性，然而该技术存在成本高、规模化生产难等问题，这限制了其应用。截止目前，仍然缺乏一种能够对高速工具钢粉体的低成本球化处理技术，为3D打印高速工具钢提供原料支持。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种面向3D打印技术的高速工具钢粉体球化处理及筛分方法。

具体通过如下技术方案实现：

一种高速工具钢粉体球化及筛分方法，包括如下步骤：

（1）设置球化及筛分处理装置，所述球化及筛分处理装置包括流化床反应器、粒径筛分部件和气流控制部件，所述流化床反应器为与地面垂直放置且内设置有加热装置，所述粒径筛分部件为设置于流化床中部至出气管口之间的位置，孔径为10~110微米的不锈钢密布通孔板，所述粒径筛分部件为垂直于流化床管壁和气流方向，所述气流控制部件为设置于流化床反应器外部的多个质量流量计。