CN110184435A - 对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法及18Ni300模具钢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属热处理技术领域，公开了一种对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法及18Ni300模具钢，包括步骤：S1、选取原料为选区激光熔融成形的18Ni300的模具钢；S2、将所述模具钢加热到设定温度460℃‑540℃，并保温预设时间t；S3、将保温后的所述模具钢进行冷却，得到强化的模具钢。该对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法通过将模具钢加热到设定温度460℃‑540℃，并保温预设时间t，冷却后得到强化的模具钢，该热处理方法提高了模具钢的强度，减少了传统固溶热处理工艺步骤，降低了热处理成本。本发明公开的激光熔融18Ni300模具钢，采用上述的热处理方法进行强化。该激光熔融18Ni300模具钢通过热处理方式进行强化，得到的模具钢强度较大。

Description

对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法及 18Ni300模具钢

技术领域

本发明涉及金属热处理技术领域，尤其涉及一种对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法及18Ni300模具钢。

背景技术

随着工业技术的迅速发展，制造工业广泛地采用精密冲压、精密锻造、压力铸造、冷挤压、热挤压、等温超塑性成形等近终成形新工艺，而模具是这些新工艺中不可缺少的工具。模具的制备通常采用锻造与机加工相结合的方法，模具钢先通过锻造获得简单结构，再通过机加工获得复杂结构。这一方法无法制备具有复杂结构的模具，尤其是具有随形冷却管道结构的模具。

金属增材制造技术作为一种新兴的成型技术，可实现金属的自由制造，不受结构复杂程度限制，为制备复杂结构模具提供了新的途径。选区激光熔融技术(SLM)具有成型精度高、产品性能优越等优势，成为增材制造快速成形模具的首选技术，在18Ni300模具钢成型方面已实现突破。但是，增材制造成形的18Ni300模具钢的强度较低，无法直接满足使用要求，需要通过热处理提升强度。现有的选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理工艺，是基于锻造成形的18Ni300模具钢的热处理工艺优化得到的，未充分考虑到两种成型工艺差异造成的影响，通常是需要经过固溶工艺，加热温度较高，导致成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法及18Ni300模具钢，能够对模具钢进行强化，而且无需经过固溶强化工艺，降低了加热温度，降低了生产成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，包括步骤：

S1、选取原料为选区激光熔融成形的18Ni300的模具钢；

S2、将所述模具钢加热到设定温度460℃-540℃，并保温预设时间t；

S3、将保温后的所述模具钢进行冷却，得到强化的模具钢。

该对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法通过将模具钢加热到设定温度460℃-540℃，并保温预设时间t，冷却后得到强化的模具钢，该热处理方法提高了模具钢的强度，减少了固溶热处理工艺步骤，降低了热处理成本。

作为上述对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的一种优选方案，步骤S2中，所述预设时间t为2h≤t≤12h。预设时间为上述时间范围，能够实现在加热温度460℃-540℃时，实现对模具钢的强化。

作为上述对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的一种优选方案，在步骤S2中，所述模具钢加热到所述设定温度之前，对所述模具钢进行分段加热，在低于所述设定温度下根据需要设置分段温度，使炉温在当前温度稳定后继续升温，直至达到设定温度。将模具钢在低于设定温度下分段加热，能够避免冲温的现象发生，对模具钢的加热温度控制的更加精确。

作为上述对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的一种优选方案，对所述模具钢预热结束后，继续对所述模具钢进行加热并升温到所述设定温度时开始保温，并开始计时。

作为上述对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的一种优选方案，在继续加热过程中，判断所述模具钢的温度是否达到所述设定温度，若是，所述模具钢开始保温，并开始计时；若否，则继续对所述模具钢进行加热。

作为上述对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的一种优选方案，步骤S3中，将保温后的所述模具钢自然冷却。通过将保温后的模具钢在空气中自然冷却，成本较低。

作为上述对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的一种优选方案，步骤S2中，将加热炉加热到所述设定温度后，将所述模具钢放入到所述加热炉内，当所述模具钢加热到设定温度460℃-540℃，并保温预设时间t。在加热过程中，可以先将加热炉加热到设定温度，然后再将模具钢放入到加热炉内。

作为上述对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的一种优选方案，将所述模具钢在10s-30s内放入所述加热炉内。通过在10s-30s内完成模具钢的添加，能够避免加热炉内的温度降低，从而导致冲温，使得材料发生相变。

作为上述对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的一种优选方案，所述模具钢在空气中进行加热或在惰性保护气体气氛下进行加热。模具钢在空气气氛下进行加热，能够实现模具钢的强化，而且成本低。模具钢在惰性保护气体气氛下进行加热实现了对模具钢的保护，防止其发生氧化等反应。

本发明还提供一种18Ni300模具钢，其特征在于，采用上述的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法进行处理。该激光熔融18Ni300模具钢通过热处理方式进行强化，得到的模具钢强度较大。

本发明的有益效果：

本发明提出的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，通过将模具钢加热到设定温度460℃-540℃，并保温预设时间t，冷却后得到强化的模具钢，该热处理方法提高了模具钢的强度，减少了固溶热处理工艺步骤，降低了热处理成本，推动了选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的产业化应用。

本发明提出的激光熔融18Ni300模具钢，采用上述的热处理方法进行强化。该激光熔融18Ni300模具钢通过热处理方式进行强化，得到的模具钢强度较大。

附图说明

图1是本发明实施方式一提供的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的流程图；

图2是本发明实施方式二提供的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的流程图；

图3中a)是传统18Ni300模具钢铸件的显示组织图，b)是SLM成型件的显微组织图；

图4是原始SLM成型件的XRD图谱；

图5中是a)原始SLM成型件组织形貌图，b)是原始SLM成型件经过固溶处理的组织形貌图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

实施方式一：

18Ni300模具钢是通过激光熔融形成的，经过激光熔融形成的18Ni300模具钢的硬度和强渡均无法达到需求，需要对其进行热处理，以满足需求。现有的热处理方法一般是将模具钢通过固溶强化加强模具钢的强度，虽然可以起到强化模具钢的作用，但是由于固溶强度需要的温度比较高，导致成本较高，因此本实施方式提供一种对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，能够实现模具钢的强化，而且降低成本。具体地，图1是本发明实施方式一提供的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的流程图，如图1所示，包括以下步骤：

S11、选取原料为选区激光熔融成形的18Ni300的模具钢。

S12、将模具钢加热到设定温度460℃-540℃，并保温预设时间t。

S13、将保温后的模具钢进行冷却，得到强化的模具钢。

该对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法通过将模具钢加热到设定温度460℃-540℃，并保温预设时间t，冷却后得到强化的模具钢，该热处理方法提高了模具钢的强度，减少了固溶热处理工艺步骤，降低了热处理成本。

当时效温度达到460℃时，18Ni300中的马氏体开始显著逆转变为奥氏体，当时效温度越高，时效时间越长，逆转变奥氏体的数量则越多，逆转变奥氏体作为软化相，导致屈服强度和极限拉伸强度的降低以及拉伸延展性的增加，在过时效初期，逆转变奥氏体有利于韧性的提高，但是随着时效时间的延长，时效时产生的沉淀颗粒粗化，导致材料变脆，同时韧性也降低，因此对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法通过将模具钢加热到设定温度460℃-540℃。

实施方式二：

本实施方式提供一种对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，是在实施方式一的基础上作出的改进，图2是本发明实施方式二提供的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法的流程图，如图2所示，包括以下步骤：

S21、选取原料为选区激光熔融成形的18Ni300的模具钢。

将选区激光熔融成形的18Ni300的模具钢的表面预处理干净后备用。对于18Ni300的模具钢的表面预处理属于现有技术，在此不再赘述。

S22、将模具钢进行预热。

将模具钢放入到加热炉内，预热温度低于设定温度，通过将加热炉的温度设置为预热温度，将模具钢加热到预热温度并保温设定时间，避免冲温的现象发生，对模具钢的加热温度控制的更加精确。具体的预热温度和预热时间在此不作限定，根据需求设置即可。

S23、继续对模具钢进行加热并升温。

将加热炉的加热温度设定为设定温度T，设定温度T的范围为460℃-540℃。该温度范围对18Ni300的模具钢进行加热能够对模具钢进行强化。加热炉按照每分钟上升5℃-10℃的速率对加热炉内的炉温进行升温，直至达到设定温度。加热炉的升温速率并不限于上述升温速率，根据具体需求设置即可。

模具钢可以在空气中进行加热，能够实现模具钢的强化，而且成本低。模具钢还可以在惰性保护气体气氛下进行加热，实现了对模具钢的保护，防止模具钢发生氧化等反应。惰性保护气体可以为氦、氖、氩、氪、氙、氡，可以在氩气气氛下进行加热。

S24、判断模具钢的温度是否达到设定温度T。

加热炉内设置有温度检测装置，能够对加热炉内的温度进行实时检测，而且还设置有检测模具的温度的检测装置。

S25、若是，则模具钢开始保温，并开始计时。

若否，则返回步骤S23。

S26、判断保温时间是否达到预设时间t。

预设时间t为2h≤t≤12h。预设时间t为2h≤t≤12h的时间范围，能够实现在加热温度为460℃-540℃时，实现对模具钢的强化。

S27、若是，则停止加热。

若否，则继续保温，并返回步骤S26。

S28、将保温后的模具钢进行冷却，得到强化的模具钢。

将保温后的模具钢进行自然冷却，可以将模具钢从加热炉中取出，在空气中降至室温；还可以将模具钢随加热炉一同冷却，当模具钢随加热炉一同冷却时，可以通过控制加热炉的降温速率对模具钢进行降温。

本实施方式还可以将加热炉进行加热，当加热炉内的温度达到预设温度后，将模具钢放入到加热炉内，当模具钢加热到设定温度460℃-540℃时开始保温。

优选地，当加热炉内的温度到达预设温度后，可以在此温度下保持一段时间后再将模具钢放入到加热炉内，当加热炉内的温度稳定后，快速打开加热炉的炉门，放入模具钢，关上炉门，整个过程在10s-30s内完成，当模具钢加热到设定温度460℃-540℃时，开始保温。由于放入模具钢的整个过程时间较短，不会影响加热炉内的温度，或者可以忽略不计加热炉内的温度变化，而且对应体积较小的模具钢当放入到加热炉内温度升温到设定温度的时间很短，也可以忽略不计，即当将模具钢放入加热炉后即开始记录保温的时间。

选区激光熔融成形的18Ni300模具钢为SLM成型件，SLM成型件因其特殊的工艺，即细小熔池内完全熔化，然后快速冷却得到晶粒细小的胞状和树突状组织，显微细胞组织致密而均匀，延热扩散方向延伸，而且在激光轨迹间延伸方向也没有改变，保证了组织均匀连续，保证了成型件的强度和韧性。虽显微形貌上未体现出板条马氏体组织(如图3中a)所示)，但是物相鉴定原始打印件主要是过饱和的单相固溶体α相，保证了后续时效硬化处理所需的α基体，使材料可省去固溶处理过程，直接时效强化。

首先对原始SLM成型件的相的组成进行分析，得到的XRD图谱如图4所示。原始SLM成型件只存在BCC结构的马氏体(α相)，传统18Ni300模具钢铸件还含有一定含量的奥氏体。传统18Ni300模具钢铸件的加工过程是：原料→固溶处理→加工成型→时效强化。本发明中SLM工艺下零件的组成相为单相马氏体，所以理论上分析可以免除材料的高温固溶处理，直接进行时效强化。

固溶处理对零件的强化作用主要是通过金属溶质原子进入基体的原子点阵中，导致形成弹性应力场，从而促使溶质原子向位错线偏移和聚集形成柯氏气团，导致位错的运动受到阻碍，从而提高了合金的强度。但是由于马氏体时效钢经过时效热处理以后，合金元素析出形成沉淀，导致基体中的合金元素含量不足，从而固溶强化对马氏体时效钢不明显。时效处理导致的沉淀析出强化是马氏体时效钢的主要强化作用，马氏体时效钢在时效初期进行调幅分解，基体中的合金元素通过上坡扩散形成元素富集区域，缓慢析出细小的沉淀，随着时效时间的延长，析出相开始慢慢长大，位错切过析出相所受的阻力也慢慢增大，但当析出相粒子的尺寸超过柏氏矢量的15倍时，位错开始绕过析出相，此时强度的强化作用最好。当时效继续进行的时候，析出相粗化，强度开始下降。

马氏体时效钢的高强度主要是通过时效得到的，合理的选择时效温度和时效时间是获得最佳力学性能的关键。一般来说由于逆变奥氏体在高温下更容易产生，所以时效温度低则零件的强度高，时效温度高则零件的韧性优良。当时效温度超过500℃以后，逆变奥氏体现象明显，原来经过析出的金属间化合物将重新被奥氏体组织吸收，同时析出相开始粗化，导致力学性能下降。当时效温度低于450℃时，马氏体时效钢中不稳定的bcc晶格崩溃，开始形成ω颗粒对金属强化；当时效温度高于450℃时，通过原子的聚集和排序机制析出了Ni3(Ti，Mo)的沉淀化合物。这说明了时效温度需要高于450℃才能使合金产生有效的时效作用。

由于SLM成型件和传统18Ni300模具钢铸件的微观组织具有显著区别，因此经过热处理后也会产生不一样的现象。原始SLM成型件的形貌如图5中的a)所示，可以见到明显的熔池搭接的形貌，原始SLM成型件的内部存在由于激光加工所导致的残余应力和大量的胞状组织，此组织提高了试样的力学性能。如图5中b)原始SLM成型件在900℃下固溶1h以后的形貌，熔道搭接的痕迹已经变得模糊不清，出现了大量的板条马氏体，说明在此温度下，熔道边界的偏析被重新吸收入基体中。同时大量的胞状结构也消失不见，胞状边缘的合金元素大部分融入到基体中，水冷以后形成富含Ni、Co和Mo的过饱和固溶体。虽然具有固溶强化的效果，但是并没有弥补胞状结构破碎导致力学性能降低的结果。

由于对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理加工使得合金快速凝固，导致一方面可以显著扩大合金的固溶极限，可以形成单相的固溶体组织，另一方面，凝固速率较快时，在很大的过冷度下可以达到极高的形核率，获得比常规晶粒尺寸低几个数量级的晶粒尺寸，同时获得少偏析的组织，当凝固速率超过了溶质原子的扩散速率时，甚至可以获得无偏析的合金。快速凝固的合金由于微观组织细小，具有很好的晶界强化与韧化的作用、微畴的强化和韧化也可以使得力学性能提高。成分均匀、少偏析不仅提高了强化的合金元素的使用效率，也避免了有害的组织结构的产生，降低了微裂纹产生的可能。固溶度的扩大使得过饱和固溶体的形成不仅起到了很好的固溶强化的作用，而且为第二相的析出、弥散强化做了充足的准备；甚至位错、层错密度的提高还产生了层错强化的作用。

通过实施方式二的热处理工艺对所用原料为选区激光熔融成形的18Ni300模具钢进行强化，采用热处理工艺为：加热温度×保温时间分别为：(1)460℃×2h，(2)460℃×12h，(3)500℃×3h，(4)500℃×12h，(5)540℃×2h，(6)540℃×8h。炉内气氛温度到达设定温度并稳定后，快速打开炉门、放入原料、关上炉门，整个过程在10秒内完成。原料在加热炉内保温到达预设时间后，快速从炉内取出，在空气中冷却。

如表1所示，经过上述热处理方法获得的强化18Ni300模具钢，与未经过热处理的模具钢相比，力学性能显著提升；与经过包含固溶的热处理工艺(900℃×1h+淬水+480℃×6h+空冷)的模具钢相比，屈服强度显著提升。最优为(460℃×12h)的模具钢，其抗拉强度显著高于经过包含固溶热处理工艺的模具钢。

表1经过不同热处理工艺的选区激光熔融(SLM)成形的18Ni300模具钢的力学性能

当时效温度达到500℃后，SLM制造的18Ni300中部分马氏体开始逆转变为奥氏体，逆转奥氏体的析出是温度与时间交互作用的结果，时效温度越高，或者时效时间延长，逆转变奥氏体转换量越多。逆转变奥氏体作为软化相，会降低成型件的强度和硬度，但相应地会改善其塑性，且过时效初期对塑性的提高作用大于强度降低，但是随着时效时间的继续延长，逆转变奥氏体趋于饱和，沉淀相的粗化导致材料强度下降明显。因此需合理选择时效工艺，在较高温下时效较短时间，生成一定量的逆转变γ-Fe，又能保证强化沉淀相析出不受过多阻碍和发生粗化，有效改善模具钢的综合力学性能。

本发明还提供一种激光熔融18Ni300模具钢，采用实施方式一或实施方式二的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法进行热处理。该激光熔融18Ni300模具钢通过热处理方式进行强化，得到的模具钢强度较大。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，其特征在于，包括步骤：

S1、选取原料为选区激光熔融成形的18Ni300的模具钢；

S2、将所述模具钢加热到设定温度460℃-540℃，并保温预设时间t；

S3、将保温后的所述模具钢进行冷却，得到强化的模具钢。

2.根据权利要求1所述的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，其特征在于，步骤S2中，所述预设时间t为2h≤t≤12h。

3.根据权利要求1所述的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，其特征在于，在步骤S2中，所述模具钢加热到所述设定温度之前，对所述模具钢进行预热，预热温度低于所述设定温度。

4.根据权利要求3所述的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，其特征在于，对所述模具钢预热结束后，继续对所述模具钢进行加热并升温到所述设定温度时开始保温，并开始计时。

5.根据权利要求4所述的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，其特征在于，在继续加热过程中，判断所述模具钢的温度是否达到所述设定温度，若是，所述模具钢开始保温，并开始计时；若否，则继续对所述模具钢进行加热。

6.根据权利要求1-5中任一所述的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，其特征在于，步骤S3中，将保温后的所述模具钢在空气中自然冷却。

7.根据权利要求1-5中任一所述的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，其特征在于，步骤S2中，将加热炉加热到所述设定温度后，将所述模具钢放入到所述加热炉内，当所述模具钢加热到设定温度460℃-540℃时，开始保温。

8.根据权利要求7所述的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，其特征在于，将所述模具钢在10s-30s内放入所述加热炉内。

9.根据权利要求1-5中任一所述的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法，其特征在于，所述模具钢在空气中进行加热或在惰性保护气体气氛下进行加热。

10.一种18Ni300模具钢，其特征在于，采用权利要求1-9中任一所述的对选区激光熔融成形的18Ni300模具钢的热处理方法进行处理。