CN110153418A - 一种采用3d打印实现不同模具钢材料连接的方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，属于增材制造3D打印技术领域。该方法首先通过铸造、机械加工等传统技术加工出符合制造各类塑料制品需求的模具底座；该模具底座的材料通常为H11、H13、NAK80、S136、17‑4、Corrax等模具钢；然后通过3D打印技术在基座上使用MS1粉末打印出所需要的3D打印件，打印完成后，将连接着基板的打印件取出，进行热处理，得到成品。这种方法可以将3D打印工艺不成熟的H11、H13、NAK80、S136、17‑4、Corrax材料与3D打印工艺成熟的MS1结合，能很好的提高随形冷却模具的生产效率和使用寿命，具有重要的社会经济效益。

Description

一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法
技术领域
本发明属于增材制造3D打印技术领域，具体涉及一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法。
背景技术
当前，模具工业是全球最大的横向产业，面向每个主要的垂直工业制造业，由于制造和模具是高度相互依存的，传统的冷却制造技术难以实现模具的均匀冷却，成型制品容易出现翘曲、收缩不均等缺陷。塑料注射后的零件冷却时间占据全制造过程44％的时间，这意味着冷却时间的减少对生产率的影响最大。随形冷却模具的冷却水路依据成型件外形变化，可以实现制品各部分均匀冷却，显著改善制品的品质，减少冷却时间，具有很强的实用性。增材制造技术在制造过程中不会受到产品内部结构及复杂形状的约束，通过在模具内部进行复杂的随形冷路设计与打印成形，可以实现随形水道高效冷却高端模具的生产制造，提高注塑生产效率。但是目前尚没有一种合适的方法可以实现不同制造技术的模具钢合金之间的有效连接。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前没有一种适用于不同制造技术的模具钢合金之间的有效连接的问题，提供一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法。
本发明中使用的H11、H13、NAK80、S136、17-4、Corrax等模具钢材料在3D打印应用领域使用较晚，目前工艺参数还不成熟，打印出的产品致命性缺陷还未能完全解决；而MS1模具钢在3D打印领域使用较早，打印工艺成熟，但是模具钢MS1相比于H11、H13、NAK80、S136、17-4、Corrax的市场价格要高很多，前者价格是后者价格的十几倍，若整套模具采用MS1模具钢材料，制造成本非常昂贵，而3D打印可实现两种不同模具钢的有效连接，实现设计和创建不同位置具有不同机械性能的零件，可极大地降低模具制造成本，具有较高的社会经济效益。而且MS1经时效处理以后，硬度可以上升到50HRC以上，抗拉强度达到1900MPa以上，与传统高强度钢相比，它不用碳而靠金属间化合物的弥散析出来强化，时效时几乎不变形；在高强度、高韧性的条件下，仍具有良好的韧性和高的断裂韧度，可有效提高模具使用寿命。
本发明通过3D打印技术实现两种不同模具钢有效连接且连接界面力学性能满足加工需求。发明以H11、H13、NAK80、S136、17-4、Corrax等模具钢材料为基座，采用3D打印技术，进行MS1模具钢合金铺粉打印，实现在模具内部进行复杂的随形冷却水路设计与3D打印，实现随形水道高效冷却高端模具的生产制造。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，所述方法步骤如下：
步骤一：利用传统加工工艺加工模具钢作为模具底座；所述的模具钢为H11、H13、NAK80、S136、17-4、Corrax中的任意一种；
步骤二：对模具底座依次进行热处理和去氧化皮处理；
步骤三：依据模具底座尺寸在基板上打印定位槽；
步骤四：启动金属3D打印机，抽真空，并通入高纯氮气，然后启动加热装置，加热基板温度至40~180℃；
步骤五：将模具底座固定在定位槽内，放入氮气保护的3D打印机中；
步骤六：启动打印机中的激光装置，采用激光功率285W、扫描速率960mm/s和铺粉厚度40μm的工艺参数进行MS1铺粉打印；
步骤七：关闭供气系统，待打印件自然冷却，从定位槽中取出打印成形的连接件；
步骤八：对打印成形的连接件进行时效处理；
步骤九：对经过时效处理的连接件进行吹砂，去除表面氧化皮。
本发明相对于现有技术的有益效果为：实现传统制造模具钢合金（H11、H13、S136、17-4、NAK80、Corrax）与增材制造模具钢合金（MS1）的有效连接，各自的机械性能结合起来，可有效降低随形冷却模具的生产成本，提高使用寿命，具有很高的社会经济效益，对制备新型高端模具具有重要意义。传统制造与增材制造结合成形模具具有成本低、冷却效果好等特点，本发明解决了传统冷却制造模具合金与增材制造模具合金的连接的技术问题。
附图说明
图1为使用H11基座得到的打印件断口形貌微观组织图；
图2为使用H13基座得到的打印件断口形貌微观组织图；
图3为使用NAK80基座得到的打印件断口形貌微观组织图；
图4为使用S136基座得到的打印件断口形貌微观组织图；
图5为使用17-4基座得到的打印件断口形貌微观组织图；
图6为使用Corrax基座得到的打印件断口形貌微观组织图；
图7为MS1与H11连接的引晶界面处微观组织图；
图8为MS1与H13连接的引晶界面处微观组织图；
图9为MS1与NAK80连接的引晶界面处微观组织图；
图10为MS1与S136连接的引晶界面处微观组织图；
图11为MS1与17-4连接的引晶界面处微观组织图；
图12为MS1与Corrax连接的引晶界面处微观组织图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，所述方法步骤如下：
步骤一：利用传统加工工艺加工模具钢作为模具底座；所述的模具钢为H11、H13、NAK80、S136、17-4、Corrax中的任意一种；
步骤二：对模具底座依次进行热处理和去氧化皮处理；
步骤三：依据模具底座尺寸在基板上打印定位槽；
步骤四：启动金属3D打印机，抽真空，并通入高纯氮气，然后启动加热装置，加热基板温度至40~180℃；
步骤五：将模具底座固定在定位槽内，放入氮气保护的3D打印机中；
步骤六：启动打印机中的激光装置，采用激光功率285W、扫描速率960mm/s和铺粉厚度40μm的工艺参数进行MS1铺粉打印；
表1 激光功率和扫描速率试验参数表
备注：每组连接试样按1到8标记编号。
步骤七：关闭供气系统，待打印件自然冷却，从定位槽中取出打印成形的连接件；
步骤八：对打印成形的连接件进行时效处理；
步骤九：对经过时效处理的连接件进行吹砂，去除表面氧化皮，按标准拉伸试验试样尺寸进行加工；
步骤十：启动拉伸试验装置，按荷定负荷加载，测试连接件的性能质保，试样拉断后经SEM扫描获取不同模具钢材料连接的拉伸断口形貌；
步骤十一：经过标准金相试样制备方法获取不同模具钢材料连接的引晶界面处微观组织。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，步骤二中，所述的热处理因模具钢的种类不同而有所区别，具体规则如下：
（1）当模具钢为H11时，热处理具体为：①淬火：830℃和1100℃下各保温60min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
（2）当模具钢为H13时，热处理具体为：①淬火：550℃、850℃和1030℃下各保温60min、60min和70min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
（3）当模具钢为NAK80时，热处理具体为：①淬火：830℃和1100℃下各保温60min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
（4）当模具钢为S136时，热处理具体为：淬火：650℃、830℃和1050℃下各保温60min、60min和80min后油冷；
（5）当模具钢为17-4时，热处理具体为：①淬火：830℃和1100℃下各保温60min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
（6）当模具钢为Corrax时，热处理具体为：淬火：650℃、830℃和1030℃下各保温60min、42min和48min后风冷。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，步骤六中，每层之间的扫描方向旋转67°，减少残余应力的累积。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，步骤二中，所述的时效处理因模具钢的种类不同而有所区别，作用是可保证MS1的性能，具体规则如下：
（1）当模具钢为H11时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后空冷；
（2）当模具钢为H13时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后炉冷；
（3）当模具钢为NAK80时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后空冷；
（4）当模具钢为S136时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后空冷；
（5）当模具钢为17-4时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后空冷；
（6）当模具钢为Corrax时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后风冷。
实施例1：
一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，所述方法步骤如下：
一、按基座H11材料的热处理要求，在与模具钢MS1打印连接前，先对基座H11模具钢热处理：①淬火：830℃和1100℃下各保温60min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
二、启动EOS 280打印机真空系统，抽真空，并通入高纯氮气，而后启动加热装置，加热基板温度至40~180℃；
三、启动打印机中的激光装置，激光功率控制为285W、扫描速率控制为960mm/s；
四、对于打印完成的连接件时效处理，480~520℃保温360min空冷；
五、对经过时效处理的连接件进行吹砂处理，去除表面氧化皮后按标准拉伸试验试样尺寸进行加工；
六、启动拉伸试验装置，按荷定负荷加载，试样拉断后经SEM扫描获取不同模具钢材料连接的拉伸断口形貌，见图1；
七、对切取的Φ11mm×20mm的圆柱小棒，采用电火花线切割技术沿轴线纵向切开，经过标准金相试样制备方法获取不同模具钢材料连接的引晶界面处微观组织，见图7。
实施例2：
一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，所述方法步骤如下：
一、按基座H13材料的热处理要求，在与模具钢MS1打印连接前，先对基座H13模具钢热处理：①淬火：550℃、850℃和1030℃下各保温60min、60min和70min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
二、启动EOS 280打印机真空系统，抽真空，并通入高纯氮气，而后启动加热装置，加热基板温度至40~180℃；
三、启动打印机中的激光装置，激光功率控制为285W、扫描速率控制为960mm/s；
四、对于打印完成的连接件时效处理，480~520℃保温360min炉冷；
五、对经过时效处理的连接件进行吹砂处理，去除表面氧化皮后按标准拉伸试验试样尺寸进行加工；
六、启动拉伸试验装置，按荷定负荷加载，试样拉断后经SEM扫描获取不同模具钢材料连接的拉伸断口形貌，见图2；
七、对切取的Φ11mm×20mm的圆柱小棒，采用电火花线切割技术沿轴线纵向切开，经过标准金相试样制备方法获取不同模具钢材料连接的引晶界面处微观组织，见图8。
实施例3：
一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，所述方法步骤如下：
一、按基座NAK80材料的热处理要求，在与模具钢MS1打印连接前，先对基座NAK80模具钢热处理：①淬火：830℃和1100℃下各保温60min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
二、启动EOS 280打印机真空系统，抽真空，并通入高纯氮气，而后启动加热装置，加热基板温度至40~180℃；
三、启动打印机中的激光装置，激光功率控制为285W、扫描速率控制为960mm/s；
四、对于打印完成的连接件时效处理，480~520℃保温360min空冷；
五、对经过时效处理的连接件进行吹砂处理，去除表面氧化皮后按标准拉伸试验试样尺寸进行加工；
六、启动拉伸试验装置，按荷定负荷加载，试样拉断后经SEM扫描获取不同模具钢材料连接的拉伸断口形貌，见图3；
七、对切取的Φ11mm×20mm的圆柱小棒，采用电火花线切割技术沿轴线纵向切开，经过标准金相试样制备方法获取不同模具钢材料连接的引晶界面处微观组织，见图9。
实施例4：
一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，所述方法步骤如下：
一、按基座S136材料的热处理要求，在与模具钢MS1打印连接前，先对基座S136模具钢进行淬火：650℃、830℃和1050℃下各保温60min、60min和80min后油冷；
二、启动EOS 280打印机真空系统，抽真空，并通入高纯氮气，而后启动加热装置，加热基板温度至40~180℃；
三、启动打印机中的激光装置，激光功率控制为285W、扫描速率控制为960mm/s；
四、对于打印完成的连接件时效处理，480~520℃保温360min空冷；
五、对经过时效处理的连接件进行吹砂处理，去除表面氧化皮后按标准拉伸试验试样尺寸进行加工；
六、启动拉伸试验装置，按荷定负荷加载，试样拉断后经SEM扫描获取不同模具钢材料连接的拉伸断口形貌，见图4；
七、对切取的Φ11mm×20mm的圆柱小棒，采用电火花线切割技术沿轴线纵向切开，经过标准金相试样制备方法获取不同模具钢材料连接的引晶界面处微观组织，见图10。
实施例5：
一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，所述方法步骤如下：
一、按基座17-4材料的热处理要求，在与模具钢MS1打印连接前，先对基座17-4模具钢热处理：①淬火：830℃和1100℃下各保温60min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
二、启动EOS 280打印机真空系统，抽真空，并通入高纯氮气，而后启动加热装置，加热基板温度至40~180℃；
三、启动打印机中的激光装置，激光功率控制为285W、扫描速率控制为960mm/s；
四、对于打印完成的连接件时效处理，480~520℃保温360min空冷；
五、对经过时效处理的连接件进行吹砂处理，去除表面氧化皮后按标准拉伸试验试样尺寸进行加工；
六、启动拉伸试验装置，按荷定负荷加载，试样拉断后经SEM扫描获取不同模具钢材料连接的拉伸断口形貌，见图5；
七、对切取的Φ11mm×20mm的圆柱小棒，采用电火花线切割技术沿轴线纵向切开，经过标准金相试样制备方法获取不同模具钢材料连接的引晶界面处微观组织，见图11。
实施例6：
一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，所述方法步骤如下：
一、按基座Corrax材料的热处理要求，在与模具钢MS1打印连接前，先对基座Corrax模具钢进行淬火：650℃、830℃和1030℃下各保温60min、42min和48min后风冷；
二、启动EOS 280打印机真空系统，抽真空，并通入高纯氮气，而后启动加热装置，加热基板温度至40~180℃；
三、启动打印机中的激光装置，激光功率控制为285W、扫描速率控制为960mm/s；
四、对于打印完成的连接件时效处理，480~520℃保温360min风冷；
五、对经过时效处理的连接件进行吹砂处理，去除表面氧化皮后按标准拉伸试验试样尺寸进行加工；
六、启动拉伸试验装置，按荷定负荷加载，试样拉断后经SEM扫描获取不同模具钢材料连接的拉伸断口形貌，见图6；
七、对切取的Φ11mm×20mm的圆柱小棒，采用电火花线切割技术沿轴线纵向切开，经过标准金相试样制备方法获取不同模具钢材料连接的引晶界面处微观组织，见图12。

Claims (4)

1.一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一：利用传统加工工艺加工模具钢作为模具底座；所述的模具钢为H11、H13、NAK80、S136、17-4、Corrax中的任意一种；
步骤二：对模具底座依次进行热处理和去氧化皮处理；
步骤三：依据模具底座尺寸在基板上打印定位槽；
步骤四：启动金属3D打印机，抽真空，并通入高纯氮气，然后启动加热装置，加热基板温度至40~180℃；
步骤五：将模具底座固定在定位槽内，放入氮气保护的3D打印机中；
步骤六：启动打印机中的激光装置，采用激光功率285W、扫描速率960mm/s和铺粉厚度40μm的工艺参数进行MS1铺粉打印；
步骤七：关闭供气系统，待打印件自然冷却，从定位槽中取出打印成形的连接件；
步骤八：对打印成形的连接件进行时效处理；
步骤九：对经过时效处理的连接件进行吹砂，去除表面氧化皮。
2.根据权利要求1所述的一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，其特征在于：步骤二中，所述的热处理因模具钢的种类不同而有所区别，具体规则如下：
（1）当模具钢为H11时，热处理具体为：①淬火：830℃和1100℃下各保温60min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
（2）当模具钢为H13时，热处理具体为：①淬火：550℃、850℃和1030℃下各保温60min、60min和70min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
（3）当模具钢为NAK80时，热处理具体为：①淬火：830℃和1100℃下各保温60min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
（4）当模具钢为S136时，热处理具体为：淬火：650℃、830℃和1050℃下各保温60min、60min和80min后油冷；
（5）当模具钢为17-4时，热处理具体为：①淬火：830℃和1100℃下各保温60min后油冷；②回火：250℃下保温180min后空冷；
（6）当模具钢为Corrax时，热处理具体为：淬火：650℃、830℃和1030℃下各保温60min、42min和48min后风冷。
3.根据权利要求1所述的一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，其特征在于：步骤六中，每层之间的扫描方向旋转67°。
4.根据权利要求1所述的一种采用3D打印实现不同模具钢材料连接的方法，其特征在于：步骤二中，所述的时效处理因模具钢的种类不同而有所区别，具体规则如下：
（1）当模具钢为H11时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后空冷；
（2）当模具钢为H13时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后炉冷；
（3）当模具钢为NAK80时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后空冷；
（4）当模具钢为S136时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后空冷；
（5）当模具钢为17-4时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后空冷；
（6）当模具钢为Corrax时，时效处理具体为：按480~520℃时效6h后风冷。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110760762A (zh) * 2019-12-16 2020-02-07 江苏金物新材料有限公司 一种利用3d打印制备模具材料的方法
CN111618248A (zh) * 2020-06-04 2020-09-04 湖北军威机械有限公司 一种汽车转向螺母和转向摇臂轴的壳型铸造工艺
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CN113020568A (zh) * 2021-03-10 2021-06-25 常州机电职业技术学院 一种金属型低压铸造模具冷却装置及其制备方法

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