CN106825566A - 一种激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法，首先运用三维设计软件如由SolidWorks、ProE、Ug等软件设计出模具的三维结构，随后对三维模具进行切片分层和路径规划处理，将数据导入激光选区熔化设备并设置合理的成型工艺参数，一次成型出具有复杂冷却通道的模具。这种方法成型的模具具有致密度高、内部缺陷少、成型效率高以及随形冷却通道自由度高的优点。本发明有效降低了模具的生产周期，成型效率高，外界干扰小，显著提高模具的综合性能和生产效率，同时也能极大降低制造成本。直接成型的模具经过固溶时效处理后，其硬度和强度显著提高，满足模具的使用要求。

Description

一种激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法
技术领域
本发明涉及马氏体时效钢模具制备工艺，尤其涉及一种激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法。
背景技术
模具是用来成型物品的工具，这种工具有各种零件构成，不同的模具由不同的零件构成。它主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工。在冲裁、成形冲压、模锻、冷镦、挤压、粉末冶金件压制、压力铸造，以及工程塑料、橡胶、陶瓷等制品的压塑或注塑的成形加工中，用以在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件的工具。
模具不仅需要具有较高的硬度和强度，确保其使用寿命外，由于模具使用过程中产生大量的热，这些热量必须采用一定的方式传导出去来给模具降温，一般采用设计冷却通道来实现，而传统的模具制造方式为锻造、铸造等方式，受限于制造工艺，无法获取理想的高效冷却通道，制造的简单冷却通道无法及时将模具产生的热量传导出去，从而降低了模具的使用寿命；而通过减少模具使用频率的方式又降低了生产效率，对企业的正常发展不利。
激光选区熔化(SLM)成形技术是增材制造技术的一种，是快速成型技术的最新发展技术。该技术基于离散材料逐层堆积成型原理，依据三维设计软件设计的数字化零件的三维数据，采用高能激光束对原材料粉末逐点、逐线、逐层熔化直接制造出功能零件。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法，包括如下步骤：
步骤一：根据待加工的马氏体时效钢模具的形状，建立模具的三维数字模型，然后保存为STL格式文件，使用切片软件对三维数字模型进行切片处理，保持切片的厚度一致，并将切片后的文件导入Rpath路径规划软件中，获得激光扫描的路径数据，最后将扫描路径数据导入激光选区熔化设备中；
步骤二：通过人机界面调节激光选区熔化设备的成型基台，将打磨清理后的不锈钢成型基板通过螺钉固定在成型基台上，同时调整铺粉机构，使铺粉刷的低端与成型基板的表面接触；
步骤三：向激光选区熔化设备的粉料缸中添加马氏体时效钢金属粉末，根据马氏体时效钢模具的成型层数，换算需要加入的马氏体时效钢金属粉末量，微调粉料缸使之表面平齐；
步骤四：使用擦镜纸对激光选区熔化设备扫描振镜下部透镜表面进行清洁，关闭激光选区熔化设备的成型室密封门，对成型室循环抽真空后通入纯氩气，直至成型室内氧含量低于200ppm，同时保持成型室内气压在6-10Bar之间；
步骤五：启动激光选区熔化设备的加工程序，成型基台带动不锈钢成型基板下降至与步骤一中切片厚度相同的高度，粉料缸上升切片厚度两倍的高度，以确保不锈钢成型基板表面获取充足马氏体时效钢金属粉末；激光束按照预定设置的扫描路径参数，对不锈钢成型基板上的马氏体时效钢金属粉末进行扫描加热，马氏体时效钢金属粉末熔化后冷却凝固，完成一层马氏体时效钢模具的加工；
步骤六：完成步骤五后，不锈钢成型基板下降一个切片层厚的高度，粉料缸上升两个切片厚度的高度，铺粉机构将马氏体时效钢金属粉末从粉料缸推送到步骤五中冷却凝固后的加工层表面，激光束继续按照预设的扫描路径参数扫描熔化金属粉末；
步骤七：重复步骤五和步骤六，直至整个马氏体时效钢模具加工完成，关闭加工程序，待整个模具冷却至室温后取出。
上述步骤三所述马氏体时效钢金属粉末，采用气雾化法制备成球形颗粒，其粒径范围15-40μm，保持干燥，同时氧含量低于200ppm。
上述步骤三所述加入马氏体时效钢金属粉末量与加工层厚的换算关系为：加入马氏体时效钢金属粉末量≥2×加工层厚×切片层数。
上述步骤三所述马氏体时效钢金属粉末的成分为：
18.2％Ni-9％Co-5.3％Mo-0.8％Ti-0.1％Al，C含量低于0.2％，其余为Fe。
上述步骤七所得到的马氏体时效钢模具钢，需要经过固溶和时效处理。固溶和时效处理参数为：1)固溶：5℃/min升温到840℃保温1h后出炉空冷；2)时效：5℃/min升温到480℃保温6h后出炉空冷。
上述步骤一所述切片厚度设定为0.02-0.08mm。
上述步骤四所述纯氩气纯度为99.9996％。
上述步骤五所述激光选区熔化设备的具体参数为：
激光功功率180W-190W；
扫描间距0.075-0.085mm；
扫描速度400mm/s-450mm/s；
扫描方式为“S”形正交层错。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明根据模型的三维数据选用清洁高效的激光进行金属粉末的熔化，无需传统的坩埚、模具等外部工具，直接成型出与三维模设计一模一样的模具，减少了外部工具对模具制造产生的污染，制造方便简单，自动化程度高。
本发明直接制造模具在高纯氩气保护气氛中制造，可以有效避免空气中的氧气等与高温金属反应产生氧化物杂质，显著降低了模具内部夹杂的含量。
本发明制造马氏体时效钢模具过程中，冷却速度高，为高度非平衡凝固状态，可以有效避免晶粒的长大和宏观偏析，获得组织致密、晶粒细小、组织均匀的组织，从而获得具有良好力学性能的模具。
本发明采用激光选区熔化工艺成型马氏体时效钢模具，具有高自由度特点，特别是传统制造工艺无法制造的高度复杂几何结构以及内部复杂腔体结构，如随形冷却通道，提高模具的冷却效率和使用寿命，节约劳动力；使用的金属粉末可以回收再利用，从而节约资源，降低成本。
本发明对直接成型的马氏体时效钢模具，进行固溶时效处理，可以获得马氏体组织和弥散分布的Ni3Mo、Fe2Mo以及Ni3Ti等硬质化合物颗粒组成的模具产品，其硬度和强度进一步提升，力学性能更加的优秀，显著提高了模具的使用寿命和制造效率。
附图说明
图1为本发明激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法工艺流程图。
图2本发明马氏体时效钢模具直接成型后的显微组织形貌。
图3本发明马氏体时效钢模具固溶时效处理后的显微组织形貌。
图4本发明方法制造的具有螺旋随形冷却通道的模具。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1所示。本发明公开了一种激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法，包括如下步骤：
步骤一：根据待加工的马氏体时效钢模具的形状，建立模具的三维数字模型，然后保存为STL格式文件，使用切片软件对三维数字模型进行切片处理，保持切片的厚度一致，并将切片后的文件导入Rpath路径规划软件中，获得激光扫描的路径数据，最后将扫描路径数据导入激光选区熔化设备中；
步骤二：通过人机界面调节激光选区熔化设备的成型基台，将打磨清理后的不锈钢成型基板通过螺钉固定在成型基台上，同时调整铺粉机构，使铺粉刷的最低端与成型基板的表面刚好接触；不锈钢成型基板采用316L不锈钢，应保证表面平整，成型前进行水平度调整，误差处于±0.05μm以内。不锈钢成型基板长宽均为100mm，厚度为10mm。
步骤三：向激光选区熔化设备的粉料缸中添加马氏体时效钢金属粉末，根据马氏体时效钢模具的成型层数，换算需要加入的马氏体时效钢金属粉末量，微调粉料缸使之表面平齐；
步骤四：使用高级擦镜纸对激光选区熔化设备扫描振镜下部透镜表面进行清洁，关闭激光选区熔化设备的成型室密封门，对成型室循环抽真空后通入高纯氩气，直至成型室内氧含量低于200ppm，同时保持成型室内气压在6-10Bar之间；
步骤五：启动激光选区熔化设备的加工程序，成型基台带动不锈钢成型基板下降至与步骤一中切片厚度相同的高度，粉料缸上升约切片厚度两倍的高度，以确保不锈钢成型基板表面获取充足马氏体时效钢金属粉末；激光束按照预定设置的扫描路径参数，选择性的对不锈钢成型基板上的马氏体时效钢金属粉末进行扫描加热，马氏体时效钢金属粉末熔化后迅速冷却凝固，完成一层马氏体时效钢模具的加工；
步骤六：完成步骤五后，不锈钢成型基板下降一个切片层厚的高度，粉料缸上升两个切片厚度的高度，铺粉机构将马氏体时效钢金属粉末从粉料缸推送到步骤五中冷却凝固后的加工层表面，激光束继续按照预设的扫描路径参数扫描熔化金属粉末；
步骤七：重复步骤五和步骤六，直至整个马氏体时效钢模具加工完成，关闭加工程序，待整个模具冷却至室温后取出。
上述步骤三所述马氏体时效钢金属粉末，采用气雾化法制备成近球形颗粒，其粒径范围15-40μm，保持干燥，同时氧含量低于200ppm。
上述步骤三所述加入马氏体时效钢金属粉末量与加工层厚的换算关系为：加入马氏体时效钢金属粉末量≥2×加工层厚×切片层数。
上述步骤三所述马氏体时效钢金属粉末的成分为：
18.2％Ni-9％Co-5.3％Mo-0.8％Ti-0.1％Al，C含量低于0.2％，其余为Fe。
上述步骤七所得到的马氏体时效钢模具钢，由大部分马氏体组织和残余奥氏体组成，其微观组织包含大量因偏析而形成的蜂窝状结构，如图2所示。
马氏体时效钢模具钢需要经过固溶和时效处理后才能到由马氏体组织和弥散分布的Ni3Mo、Fe2Mo以及Ni3Ti等硬质化合物颗粒组成的高强度模具产品，如图3所示。
固溶和时效处理参数为：1)固溶：5℃/min升温到840℃保温1h后出炉空冷；2)时效：5℃/min升温到480℃保温6h后出炉空冷。
上述步骤一所述切片厚度根据具体模具加工要求设定为0.02-0.08mm。
上述步骤四所述高纯氩气纯度为99.9996％。
上述步骤五所述激光选区熔化设备的具体参数为：
激光功功率180W-190W；
扫描间距0.075-0.085mm；
扫描速度400mm/s-450mm/s；
扫描方式为“S”形正交层错。
如上所述，便可较好地实现本发明。
图4本发明制造的具有螺旋随形冷却通道的模具示意图。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：根据待加工的马氏体时效钢模具的形状，建立模具的三维数字模型，然后保存为STL格式文件，使用切片软件对三维数字模型进行切片处理，保持切片的厚度一致，并将切片后的文件导入Rpath路径规划软件中，获得激光扫描的路径数据，最后将扫描路径数据导入激光选区熔化设备中；
步骤二：通过人机界面调节激光选区熔化设备的成型基台，将打磨清理后的不锈钢成型基板通过螺钉固定在成型基台上，同时调整铺粉机构，使铺粉刷的低端与成型基板的表面接触。
步骤三：向激光选区熔化设备的粉料缸中添加马氏体时效钢金属粉末，根据马氏体时效钢模具的成型层数，换算需要加入的马氏体时效钢金属粉末量，微调粉料缸使之表面平齐；
步骤四：使用擦镜纸对激光选区熔化设备扫描振镜下部透镜表面进行清洁，关闭激光选区熔化设备的成型室密封门，对成型室循环抽真空后通入纯氩气，直至成型室内氧含量低于200ppm，同时保持成型室内气压在6-10Bar之间；
步骤五：启动激光选区熔化设备的加工程序，成型基台带动不锈钢成型基板下降至与步骤一中切片厚度相同的高度，粉料缸上升切片厚度两倍的高度，以确保不锈钢成型基板表面获取充足马氏体时效钢金属粉末；激光束按照预定设置的扫描路径参数，对不锈钢成型基板上的马氏体时效钢金属粉末进行扫描加热，马氏体时效钢金属粉末熔化后冷却凝固，完成一层马氏体时效钢模具的加工；
步骤六：完成步骤五后，不锈钢成型基板下降一个切片层厚的高度，粉料缸上升两个切片厚度的高度，铺粉机构将马氏体时效钢金属粉末从粉料缸推送到步骤五中冷却凝固后的加工层表面，激光束继续按照预设的扫描路径参数扫描熔化金属粉末；
步骤七：重复步骤五和步骤六，直至整个马氏体时效钢模具加工完成，关闭加工程序，待整个模具冷却至室温后取出。
2.根据权利要求1所述激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法，其特征在于，步骤三所述马氏体时效钢金属粉末，采用气雾化法制备成球形颗粒，其粒径范围15-40μm，保持干燥，同时氧含量低于200ppm。
3.根据权利要求1所述激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法，其特征在于，步骤三所述加入马氏体时效钢金属粉末量与加工层厚的换算关系为：加入马氏体时效钢金属粉末量≥2×加工层厚×切片层数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法，其特征在于，步骤三所述马氏体时效钢金属粉末的成分为：
18.2％Ni-9％Co-5.3％Mo-0.8％Ti-0.1％Al，C含量低于0.2％，其余为Fe。
5.根据权利要求4所述激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法，其特征在于，步骤七所得到的马氏体时效钢模具钢，需要经过固溶和时效处理；固溶和时效处理参数为：1)固溶：5℃/min升温到840℃保温1h后出炉空冷；2)时效：5℃/min升温到480℃保温6h后出炉空冷。
6.根据权利要求4所述激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法，其特征在于，步骤一所述切片厚度设定为0.02-0.08mm。
7.根据权利要求4所述激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法，其特征在于，步骤四所述纯氩气纯度为99.9996％。
8.根据权利要求4所述激光选区熔化成型马氏体时效钢模具的方法，其特征在于，步骤五所述激光选区熔化设备的具体参数为：
激光功功率180W-190W；
扫描间距0.075-0.085mm；
扫描速度400mm/s-450mm/s；
扫描方式为“S”形正交层错。
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