一种增材制造高导热模具钢材料及其制备方法与流程

1.本发明属于材料成型技术领域，具体地说，本发明涉及一种增材制造高导热模具钢材料及其制备方法。


背景技术：

2.模具被称作“万业之母”，在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等领域应用广泛，模具制造技术的水平，直接关系到一个国家研发和生产制造工业产品的能力。
3.随着科学技术的快速发展和人们生活水平的日益提高，社会各群体对模具制造的产品提出了更高的要求，各模具制造厂商之间的竞争也日益激烈，这就更加加快了模具制造方面技术的发展速度，传统加工方法制造出的模具已经无法满足模具制造厂家对优质、高效、长寿模具的需求，随形冷却水道模具取代普通模具已成为必然趋势。
4.传统加工方法制造的随形冷却水道模具，往往存在工序多、成本高、成型精度低、难加工的问题。
5.3d打印(增材制造)是快速成型技术的一种，以数学模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，采用激光等热源制造产品。3d打印的工艺方法可分为fdm(熔融沉积式)、sls(选择性激光烧结)、slm(选择性激光熔化成型)等类型，分别对应不同的材料，fdm一般加工热塑性材料，如蜡、abs、尼龙等，sls目前用于加工蜡、塑料等，slm可加工金属粉末。
6.slm技术是金属粉末的快速成型技术，能直接成型出接近完全致密度的金属零件，不需要黏结剂，成型的精度和力学性能都比sls要好，因此越来越广泛被应用于3d打印。由于slm技术自身成型方式的原因而具备传统加工方法所不具备的优点，可以制备出形状结构复杂的随形冷却水道模具，这意味着slm技术制备出的模具能够具备更均匀的散热能力，零件成型周期将会明显缩短，产生可观的社会经济效益。
7.目前，市场上应用于slm模具制备的材料主要是马氏体时效钢和马氏体时效不锈钢，为了获得2gpa的超高强度需要添加大量的合金元素，导致这些钢的热导率普遍低于20w/(mk)，使得模具的生产效率将会受到极大的限制。
8.目前，市场急需开发出一种能适用于slm成型的高强度高导热率的钢材料，以提高模具的生产效率，实现生产效率的提升。


技术实现要素：

9.本发明提供一种增材制造高导热模具钢材料及其制备方法，以解决上述背景技术中存在的问题。
10.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种增材制造高导热模具钢材料，具体重量百分比为，c占比0.05％、ni占比0.75％-3.4％、al占比0％-0.8％、cu占比1％-2％、mn占比0.7％-1.5％、si占比0.1％-0.4％、mo占比0.45％-3％。
11.优选的，一种增材制造高导热模具钢材料，具体重量百分比为，c占比0.05％、ni占
比3.4％、al占比0.8％、cu占比1％、mn占比1.5％、si占比0.1％、mo占比0.45％，还包括0.33％cr。
12.优选的，一种增材制造高导热模具钢材料，具体重量百分比为，c占比0.05％、ni占比0.75％、al占比0％、cu占比1.5％、mn占比0.7％、si占比0.4％、mo占比3％，还包括2％w。
13.优选的，一种增材制造高导热模具钢材料，具体重量百分比为，c占比0.05％、ni占比3.4％、al占比0.3％、cu占比1.3％、mn占比1％、si占比0.1％、mo占比0.6％。
14.优选的，一种增材制造高导热模具钢材料，具体重量百分比为，c占比0.05％、ni占比2.5％、al占比0.3％、cu占比2％、mn占比1％、si占比0.1％、mo占比1.5％，还包括01％v。
15.优选的，一种增材制造高导热模具钢材料，具体重量百分比为，c占比0.05％、ni占比2.5％、al占比0.3％、cu占比1.5％、mn占比1％、si占比0.1％、mo占比1.5％，还包括01％v。
16.优选的，一种增材制造高导热模具钢材料，具体重量百分比为，c占比0.05％、ni占比2.5％、al占比0.3％、cu占比1％、mn占比1％、si占比0.1％、mo占比1.5％，还包括01％v。
17.一种增材制造高导热模具钢材料的制备方法，具体包括以下步骤，
18.步骤s1：采用雾化制粉设备制备模具钢原材料粉末，然后严格按照模具钢重量百分比添加原材料进行混合；
19.步骤s2：对混合后的模具钢原材料进行熔融雾化，选择大口径雾化喷嘴，使熔融为液态金属温度达到1500℃后再进行雾化，使用氮气作为雾化介质；
20.步骤s3：采用3d打印模具专机hit-m150激光选区熔化成形设备，进行高导热模具钢材料的制备。
21.优选的，一种增材制造高导热模具钢材料的制备方法，所述步骤s3中的3d打印模具专机hit-m150激光选区熔化成形设备包括，
22.波长为1.075μm的400w yb光纤激光器；
23.高速高精度的扫描振镜单元和进口f-θ透镜，其扫描速度范围10～5000mm/s，光斑大小为70～500μm；
24.定位精度高达
±
5μm/100mm的精密扑粉系统，其铺粉层厚度可在10～100μm内自由调整；
25.带有负反馈的气体循环净化装置，根据成型过程自动调节净化强度。
26.优选的，一种增材制造高导热模具钢材料的制备方法，所述步骤s3中，整个金属粉末被激光熔化过程是在密封成形室进行，并且不断通入纯度达到99.9％的氩气保护气体，在吹散漂浮杂质的同时为成形过程提供无氧的环境。
27.采用以上技术方案的有益效果是：
28.1、该增材制造高导热模具钢材料的制备方法，slm成型的模具钢经过固溶 时效的热处理后强度由1041mpa提高到1364mpa，提升率为31.0％，硬度从31.8hrc提高到45.2hrc，延伸率则从12.4％下降到10.6％；既保证了slm成型的模具钢的强度和硬度，也保证了热导率来提高模具的生产效率。
附图说明
29.图1是本发明的实验钢成分设计表；
30.图2是雾化法制备的模具钢粉末在500倍下的扫描电镜照片；
31.图3是雾化法制备的模具钢粉末在1500倍下的扫描电镜照片；
32.图4是高热导率模具钢slm成型时打印态放大50倍的金相照片；
33.图5是高热导率模具钢slm成型时热处理态放大500倍的金相照片；
34.图6是高热导率模具钢打印态sem照片：a)低倍；b)、c)高倍；
35.图7是slm成型高热导率模具钢热处理后sem照片：a)低倍；b)高倍；
36.图8是不同状态slm成型高热导率模具钢力学性能对比图；
37.图9是slm成型高热导率模具钢打印态(af)与热处理态(sat)应力应变曲线图；
38.图10是不同状态的slm成型高热导率模具钢温度-热导率(w/(m
·
k))对比图；
39.图11是图10是不同状态的slm成型高热导率模具钢温度-热导率(w/(m
·
k))曲线图；
具体实施方式
40.下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
41.以下用具体实施例对具体工作方式进行阐述：
42.实施例1：
43.步骤s1：采用安徽哈特三维科技有限公司的雾化制粉设备制备模具钢原材料粉末，然后严格按照如图1所示的1#-6#模具钢重量百分比添加原材料进行混合；
44.步骤s2：选择1#模具钢，设计单因素实验，研究激光功率、扫描速度和扫描间距对模具钢slm成型件致密度的影响规律。
45.步骤s3：以激光功率、扫描速度、扫描间距作为本次单因素实验的三个因素，为了使最优的成型参数包含在设计的参数范围内，激光功率设置了240w、280w、320w、360w四个水平，扫描速度设置了700mm/s、850mm/s、1000mm/s、1150mm/s四个水平，扫描间距设置了0.09mm、0.11mm、0.13mm、0.15mm四个水平。
46.实施例2：
47.步骤s1：采用安徽哈特三维科技有限公司的雾化制粉设备制备模具钢原材料粉末，然后严格按照如图1所示的1#-6#模具钢重量百分比添加原材料进行混合；
48.步骤s2：选择6#模具钢，对混合后的模具钢原材料进行熔融雾化，选择大口径雾化喷嘴，防止雾化过程中金属液滴快速凝固堵塞喷嘴，使熔融为液态金属温度达到1500℃后再进行雾化，使用氮气作为雾化介质；如图2、图3所示，雾化法制备的6#模具钢粉末在500倍和1500倍下的扫描电镜照片可知，粉末的球形度较高，存在少量椭球形粉末和卫星粉，在大粒径粉末上粘附着少量小粒径粉末，由于雾化制粉过程中金属液滴冷却速度极快，使得粉末的晶粒尺寸均小于10μm，且粉末的晶粒为极小的胞状晶或树枝晶生长而成的等轴晶。
49.步骤s3：采用安徽哈特三维科技有限公司的3d打印模具专机hit-m150激光选区熔化成形设备，进行高导热模具钢材料的制备。
50.如图4所示，高热导率模具钢slm成型时打印态放大50倍的金相照片；可以清晰的看到熔池的形貌，深色区域为熔池边界，浅色区域为熔池内部，之所以出现色差，是因为熔
池边界由于熔池的快速凝固而具备高形核率，从而产生了大量的细晶，由于放大倍数较小，且细晶区晶粒密集，所以在照片中呈现深色；因为熔池内部由于凝固稍慢而具备了柱状晶的形成条件，每个熔池内部都由数量有限的较大的柱状晶组成，腐蚀后呈褐色的晶界密集程度相对较低，所以在照片中呈现浅色。
51.如图5所示，高热导率模具钢slm成型时热处理态放大500倍的金相照片；经过热处理后，分界清晰地柱状晶与细晶完全消失，转变为晶粒尺寸小于10μm的等轴晶，结合冷却条件、xrd结果以及组织形貌可以判断组织为板条马氏体。
52.如图6a)所示，可以更清楚的看到熔池边界细晶区和熔池内部柱状晶区的存在，未看到熔池心部等轴晶区的存在，细晶区的宽度大约在20μm左右，这说明熔池凝固的速度极快，虽然具备较快的冷速，但是因为合金元素含量较少而导致凝固过程中没有足够的形核质点，所以最终打印态的晶粒尺寸普遍要高于打印态的晶粒尺寸。
53.如图6b)和c)分别是熔池内部柱状晶区和熔池边界细晶区放大10000倍后的高热导率模具钢打印态sem照片，在熔池内部柱状晶区中可以看到明显的马氏体板条存在，而在熔池边界细晶区中由于晶粒尺寸过于细小而难以看清。
54.如图7a)和b)所示，slm成型高热导率模具钢热处理后sem照片，放大1000倍和10000倍的sem照片，从中可以看到，晶粒尺寸在20μm以内，相较于打印态，晶粒尺寸有着明显的增加，这是因为试样经过了900℃的固溶处理，而在固溶过程中奥氏体发生了长大。
55.然后，分别对slm成型高热导率模具钢打印态和热处理态的拉伸性能和硬度进行了测量，具体结果如图8和图9所示。由图8和图9可知，slm成型的模具钢经过固溶 时效的热处理后，强度从1041mpa提高到1364mpa，提升率为31.0％，硬度从31.8hrc提高到45.2hrc，延伸率从12.4％下降到10.6％。
56.然后，分别对对slm成型高热导率模具钢打印态和热处理态的热导率(w/(m
·
k))进行测量，具体结果如图10和图11所示，相同温度下，热处理态(sat)的热导率大；随着温度升高，无论是打印态(af)，还是热处理态(sat)的热导率也升高。
57.以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。