激發3D列印活力，汽車用低合金鋼「浮出水面」

2019-08-28     3D科學谷當今增材製造（AM）行業最大的瓶頸之一 – 尤其是金屬增材製造（AM）–是用於3D列印的材料十分有限。在通過更傳統的製造工藝加工零件時則有大量的金屬合金可供選擇，卻難以找到符合工業製造特定要求的可3D列印金屬粉末。
根據3D科學谷的市場觀察，GKN推出的低合金鋼擴大了雷射粉末床熔化金屬3D列印工藝（LPBF）和粘結劑噴射金屬3D列印工藝（Binder Jetting)的材料範圍。

GKN低合金鋼粉末材料.來源：GKN
激活3D列印汽車應用前


目前，GKN增材製造材料業務提供了許多用於增材製造的先進金屬粉末，包括其ANCORTI 鈦合金系列和ANCORAM 特種鋼系列，以及鎳基合金，鋁合金和銅合金。
在其鋼粉業務中，GKN增材製造材料業務開創了用於增材製造的新型低合金鋼粉，可實現現有工業材料的機械性能，包括鑄造、鍛造和MIM鋼等工藝所加工的材料性能。這些突破性的低合金鋼粉為汽車行業等行業引入增材製造工藝創造了新機遇，其中可擴展性和成本是關鍵驅動因素。
汽車用低合金鋼
GKN增材製造材料業務部門與汽車行業的合作夥伴合作，開發出根據化學成分定製的用於增材製造工藝的低合金鋼粉末，這些材料滿足行業要求，並滿足金屬粉末工業聯合會（MPIF）和ASTM國際組織制定的標準。
GKN增材製造材料的ANCORAM4605是一種含有鎳，鉬和錳的氣體或水霧化低合金鋼粉，已經上市銷售，被認為是製造特殊厚截面零件的理想選擇。而所有低合金鋼的粒度均適用於LPBF和粘合劑噴射工藝。

GKN還成功開發出20MnCr5，這是另一種低合金鋼粉末材料，適用於汽車原型製造應用，提供汽車零件所需要的機械性能。根據3D科學谷的市場觀察，保時捷工程公司在確定這種材料的應用可行性後，開發了一種新的電動動力系統（延伸閱讀：快速走向新途徑，GKN和保時捷通過金屬3D列印開發電子驅動動力總成）。20MnCr5鋼粉具有高強度、高延展性、高疲勞強度，通過表面硬化具有優異的耐磨性。
20MnCr5材料對於汽車行業來說打開了增材製造的新空間，汽車行業將首先通過這種低合金鋼材料進行原型製造，然後確認是否可擴展到大規模生產應用。通過3D列印製造的零件允許工程師在幾周內（如果不是幾天）完成設計驗證，並進入到下一輪的設計疊代周期中。

GKN 20MnCr5鋼粉。來源：GKN
這種特殊的20MnCr5低合金鋼粉末不僅針對汽車應用進行了優化：它還特別適用於LPBF的粒度和成分。通過氣體霧化產生的粉末具有優異的流動性和可印刷性，從而實現了成本有效的LPBF工藝。
除了20MnCr5粉末外，GKN增材製造材料還開發了一系列用於增材製造的低合金鋼粉末，這些粉末在淬透性，熱處理和機械性能方面各不相同。每種粉末的區別在於不同的金屬組成，其中包含不同水平的碳（C）、矽（Si）、錳（Mn）、鉬（Mo）、鎳（Ni）和鉻（Cr）。

GKN開發的3D列印用低合金鋼粉。來源：GKN
​通過改變每種合金的化學成分，GKN增材製造材料正在創造用於增材製造的新型金屬粉末，以滿足工業合作夥伴的各種機械性能要求。材料可通過氣霧化或水霧化獲得，粒度可根據增材製造工藝進行調整。由於霧化技術的可擴展性，利用水霧化創造了實現更高產量而不犧牲性能的機會。

水霧化與氣霧化的比較。來源：GKN
當然開發這些材料並不是一帆風順的，GKN在開發更多低合金鋼粉時必須克服很多挑戰。其中一個主要困難是低合金鋼中的高碳含量，這在傳統製造中具有關鍵的高強度特性。然而，對於增材製造過程，高碳含量經常導致3D列印過程中的破裂並最終導致缺陷部件。因此，GKN正在尋找可替代的化學成分，以確保強度和可3D列印的特性，而不會增加碳含量。
GKN增材製造材料的主要優點是能夠匹配工業製造商習慣使用的鑄造，鍛造或MIM工藝用金屬材料所實現的機械性能。GKN增材製造材料的低合金鋼材料在彌合當前3D列印用材料方面的差距方向上前進了一大步，為汽車和其他領域的金屬3D列印開闢了新的應用空間。

名詞解釋：
低合金鋼：指合金元素總量小於5%的合金鋼。低合金鋼是相對於碳鋼而言的，是在碳鋼的基礎上，為了改善鋼的性能，而有意向鋼中加入一種或幾種合金元素。加入的合金量超過碳鋼正常生產方法所具有的一般含量時，稱這種鋼為合金鋼。當合金總量低於5%時稱為低合金鋼，普通合金鋼一般在3.5%以下，合金含量在5-10%之間稱為中合金鋼，大於10%的稱為高合金鋼
淬透性：指在規定條件下用試樣淬透層深度和硬度分布來表征的材料特徵，它主要取決於材料的臨界淬火冷速的大小。在規定條件下，決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性。即鋼淬火時得到淬硬層深度大小的能力，它表示鋼接受淬火的能力。