CN108941563A - 一种透气模具钢和选区激光熔化制备透气模具钢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透气模具钢和选区激光熔化制备透气模具钢的方法，利用选区激光熔化(SLM)成型技术，同时采用加入氮化铬(CrN)的方法，成功制备出了内部具有连通孔隙、孔径较小且可透气的模具钢，具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及模具钢成型领域，尤其是涉及一种透气模具钢和选区激光熔化制备透气模具钢的方法。
背景技术
随着模具工业的发展，在一些精密复杂的高档模具注塑过程中可能会产生困气现象，致使成型塑料件外观、性能和使用寿命受到影响。注塑过程中产生的气体大多数是通过引入排气系统(比如说设置透气杆)进行排出，但是在结构复杂的模具当中很难设置排气系统。如果采用透气模具钢镶嵌在困气处，由于透气模具钢镶嵌块内部具有孔径大小在几微米到几十微米之间的连通的孔隙，利用气体分子平均自由程远小于孔隙大小，气体可以顺利的在困气处及时排出。可透气的模具钢材料属于多孔金属的一种，其内部各个方向均匀分布着连通的孔隙，孔径较小。相较于普通的泡沫钢，透气钢除了拥有透气性能外，同时还满足注塑模具的高强度，高硬度以及耐腐蚀性的要求。
选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)是目前金属增材制造(addictivemanufacturing)应用较为广泛的一种前沿技术，其成型原理是首先利用计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)三维模型，利用激光逐层扫描，将预先铺好的粉末选择性地熔化并与已成型部分粘结为一体。相比传统的制造技术，SLM技术突出的优势在于几乎可以直接成型结构极为复杂且具有完全冶金结合的功能零件。其目前一大应用背景就是模具制造，对于提高产品质量和性能、降低制造成本、缩短模具开发时间，进而快速抢占市场尤为有意义。
现阶段在利用选区激光熔化(SLM)技术制备可透气的模具钢研究中，主要存在的两大问题。第一、所制备的样件内部孔隙直径达不到可透气模具钢的应用要求。现阶段技术里，采用在CAD造型阶段通过预设的方法，能制备的最小的孔径大小在200μm以上，尺寸较大，不符合透气模具钢材料孔隙直径的范围要求；第二、所制备的样件内部孔隙不连通，即样件透气性差。譬如2013年期刊《Metal Science Journal》第12期24卷1501-1505页“Development of porous 316L stainless steel with controllable microcellularfeatures using selective laser melting”中公开了向原始钢粉中通过球磨的方式添加氟硼酸钾发泡剂，利用激光熔化造孔剂分解出气体而使得样件内部具有蜂窝状微孔结构，孔隙率达到45％，孔径在2～5μm之间，但是孔隙并未连通，压差作用下，气体并不能透过多孔体。2010年期刊《南京航空航天大学》中“选区激光熔化制备多孔316L不锈钢和多孔钛的研究”文中公开了向原始钢粉中通过球磨的方式添加氢化物发泡剂，其原理与添加碳酸盐一样，存在的问题是孔径在250～300μm，且内部孔隙并未达到连通的效果。因此虽然SLM的技术特点之一是成型任意复杂结构的构件，但是对于利用SLM技术制备多孔金属，特别是对于孔径要求严格的透气钢材料而言，并不是简单的通过在CAD造型阶段预设成形件内部孔隙形状、尺寸与排布方向就能制备的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种透气模具钢和选区激光熔化制备透气模具钢的方法，制备得到的透气模具钢孔径尺寸较小且内部孔隙连通性好。
本发明所采取的技术方案是：
本发明提供一种选区激光熔化制备透气模具钢的方法，包括以下步骤：
S1、取欲成型粉体，所述欲成型粉体包括钢粉和氮化铬；
S2、利用选区激光熔化设备对所述欲成型粉体进行成型。
优选地，步骤S1中所述欲成型粉体中氮化铬的含量为0.5～10wt％。
优选地，所述氮化铬的粒径为2～20μm。
优选地，所述钢粉的粒径为15～65μm。
优选地，步骤S2具体为：
建立待成型产品的三维模型，保存为STL格式文件；
设置打印参数，对所述STL格式文件进行切片分层处理，以SLM格式文件导出；
将SLM格式文件导入选区激光熔化设备，利用所述选区激光熔化设备对欲成型粉体进行成型。
进一步地，所述打印参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度中的至少一种。
更进一步地，激光功率为50～300W；扫描速度为400～1200mm/s；扫描间距为0.10～0.30mm；铺粉厚度为0.02～0.05mm
本发明还提供一种透气模具钢，根据上述的选区激光熔化制备透气模具钢的方法制得。
本发明的有益效果是：
本发明利用选区激光熔化(SLM)成型技术，同时采用加入氮化铬(CrN)的方法，能够成功制备出内部具有连通孔隙、孔径分布在几微米至100微米之间、孔径较小并且可透气的模具钢。
附图说明
图1为实施例1中制备透气模具钢的流程示意图；
图2为S136钢粉、氮化铬粉末及其混合形成的欲成型粉末的形貌图；
图3为在相同打印参数下未添加氮化铬和添加氮化铬制备得到的模具钢的金相显微图；
图4为孔隙率为24.36％的透气模具钢的扫面电镜图及局部放大图；
图5为孔隙率为24.36％的透气模具钢的Micro-CT三维扫描全景图和剖视图；
图6为孔隙率为24.36％的透气模具钢透气性测试的拟合曲线图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种选区激光熔化制备透气模具钢的方法，具体包括以下步骤：
S1、取钢粉和氮化铬充分机械混合形成欲成型粉体，本步骤中混合粉体使用的设备为TURBULA三维混料机，欲成型粉体中氮化铬的含量为5wt％，本实施例中的钢粉选用S136为例进行说明，粒径大小分布在15～65μm，粉末形貌呈球形，氮化铬粉末平均粒径大小10μm，粉末形貌呈鳞片状，如图2所示，其中(a)表示S136钢粉的形貌图，(b)表示氮化铬粉末的形貌图，(c)表示欲成型粉体的形貌图；
S2、在计算机中构件中设计所需制造的产品三维模型，保存成STL格式文件；
使用德国的SLM Solutions Gmbh公司生产的型号SLM-125HL的3D打印设备，设置打印参数，包括激光功率、扫描速度，扫描间距、铺粉层厚等，并将STL格式文件进行切片分层处理，以SLM格式文件导出；
将SLM格式文件导入选区激光熔化设备(本实施例中为SLM-125HL激光3D打印机)，利用所述选区激光熔化设备对欲成型粉体进行成型，制备得到透气模具钢。
不同打印参数对透气模具钢孔隙率的影响如表1所示。
表1不同打印参数对透气模具钢孔隙率的影响
从表中可以看出本发明所制备的可透气模具钢的孔隙率可达到25.02％，可透气模具钢的孔隙率随激光功率的减小而增大，随扫描速度的增大而增大，随扫描间距的增大而增大的规律，经过大量实验摸索，用于制备可透气模具钢的参数优选激光功率为50～300W；扫描速度为400～1200mm/s；扫描间距为0.10～0.30mm；铺粉厚度为0.02～0.05mm
从中选区孔隙率为24.36％的透气模具钢(即打印参数激光功率80W、扫描速度1000mm/s、扫描间距0.12mm、铺粉层厚0.03mm条件下制备的透气模具钢)，及在相同打印参数条件下，未加入氮化铬粉末制备得到的模具钢，分别测定其金相显微图如图3所示，其中(a)表示为未添加氮化铬制备的模具钢的金相显微图，(b)表示添加有氮化铬、孔隙率为24.36％的透气模具钢的金相显微图，从图中可以看出，在相同打印参数下，未添加氮化铬的模具钢呈接近全致密状态，添加5wt％氮化铬后，可以观察到孔隙数量显著增多，孔隙形貌以少量圆形、大量不规则形貌为主，孔与孔搭接比较好，孔径分布在几微米到100微米之间。进一步使用扫描电子显微镜观察孔隙率为24.36％的透气模具钢的孔隙形貌，如图4所示，其中(a)表示50倍数的扫描电镜图，(b)表示局部放大图，从图中可以看出孔隙还是均匀分布，以不规则形貌为主，局部放大后，可以看到孔隙与孔隙之间是连通的。
为了确定孔隙率为24.36％的透气模具钢的整体三维孔隙形貌及其分布，采用micro-CT对其进行扫描，结果如图5所示，其中(a)表示透气模具钢的Micro-CT三维扫描全景图，(b)表示透气模具钢的Micro-CT三维扫描剖视图，从图中可以观察到不仅透气模具钢的表面存在孔隙，从剖视图可以看到其内部也存在连通的孔隙。
由于多孔材料孔隙的存在，在试样两端气体压力梯度作用下，气体通过多孔材料的能力称为材料的气体渗透性，气体通过多孔材料的能力可用气体透过系数来表示，其大小取决于流体本身的特性以及多孔材料内部的孔隙结构等。由于透气钢材料内部孔隙在微米级别，远大于气体分子的平均自由程，以及在较小的压差作用下，气体通过透气钢材料时，表现出层流特性，符合层流运动规律，此时可用达西(Darcy)定律来描述气体运动规律。其运动方程为：式中，ψv—多孔材料的黏性渗透系数，m2；Q—气体流量，m3/h；η—试验气体在测试温度下的黏度系数，Pa·s；e—多孔材料的厚度，m；A—多孔材料测试时有效面积，m2；ΔP—气体通过多孔材料前后产生的压力差，kpa；Kg—相对透气系数，m3/(h·kpa·m2)。
利用TOPAS PSM 165透气性测试仪对本实施例制备的孔隙率为24.36％的透气模具钢的透气性测试，得到以下测试条件下(测试面积A＝4.15×10-2m2，测试厚度e＝1.62mm，压缩空气黏度系数η＝1.983×10-5Pa·S)的流量和压差一一对应数据后进行拟合如图6，得到y＝9.43234×10-11x-6.46529x10-9函数曲线，线性相关性非常好，R＝99.87％，计算出透气系数，本实施例中所制备的孔隙率为24.36％的可透气模具钢的透气系数为9.43×10- 11m2。相比已经商用的日本新东公司的PM-35透气钢(透气系数为4.95×10-13m2)，利用本发明选区激光熔化制备透气模具钢的方法制备得到的透气模具钢具有更好的透气系数，具有更好的应用前景。
实施例2
本实施例提供一种选区激光熔化制备透气模具钢的方法，具体包括以下步骤：
S1、取钢粉和氮化铬充分机械混合形成欲成型粉体，所述欲成型粉体中氮化铬的含量为10wt％，本实施例中的钢粉选用S136为例进行说明，粒径大小分布在15～65μm，氮化铬粉末粒径大小为2～20μm；
S2、在计算机中构件中设计所需制造的产品三维模型，保存成STL格式文件；
使用德国的SLM Solutions Gmbh公司生产的型号SLM-125HL的3D打印设备，设置打印参数：激光功率为300W、扫描速度400mm/s，扫描间距0.30mm、铺粉层厚0.05mm，并将STL格式文件进行切片分层处理，以SLM格式文件导出；
将SLM格式文件导入选区激光熔化设备(本实施例中为SLM-125HL激光3D打印机)，利用所述选区激光熔化设备对欲成型粉体进行成型，制备得到透气模具钢。
同样对制得的透气模具钢进行测定其金相显微图和扫描电镜图，同样可以观测到透气模具钢具有连通的孔隙，孔径大小在100微米内，孔径较小且透气性好。
以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种选区激光熔化制备透气模具钢的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取欲成型粉体，所述欲成型粉体包括钢粉和氮化铬；
S2、利用选区激光熔化设备对所述欲成型粉体进行成型。
2.根据权利要求1所述的选区激光熔化制备透气模具钢的方法，其特征在于，步骤S1中所述欲成型粉体中氮化铬的含量为0.5～10wt％。
3.根据权利要求1所述的选区激光熔化制备透气模具钢的方法，其特征在于，所述氮化铬的粒径为2～20μm。
4.根据权利要求1所述的选区激光熔化制备透气模具钢的方法，其特征在于，所述钢粉的粒径为15～65μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的选区激光熔化制备透气模具钢的方法，其特征在于，步骤S2具体为：
建立待成型产品的三维模型，保存为STL格式文件；
设置打印参数，对所述STL格式文件进行切片分层处理，以SLM格式文件导出；
将SLM格式文件导入选区激光熔化设备，利用所述选区激光熔化设备对欲成型粉体进行成型。
6.根据权利要求5所述的选区激光熔化制备透气模具钢的方法，其特征在于，所述打印参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的选区激光熔化制备透气模具钢的方法，其特征在于，激光功率为50～300W；扫描速度为400～1200mm/s；扫描间距为0.10～0.30mm；铺粉厚度为0.02～0.05mm。
8.一种透气模具钢，其特征在于，根据权利要求1-7任一项所述的选区激光熔化制备透气模具钢的方法制得。
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