CN111270146A - 一种h13模具钢耐磨复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域；本发明公开了一种H13模具钢耐磨复合材料及其制备方法，其包括：选取高纯度纳米TiN陶瓷颗粒与气雾化制备的H13模具钢粉末经过超声分散与上下振荡耦合混合均匀；采用激光选区熔化成形技术逐层扫描、累积成形。该激光选区熔化成形纳米TiN增强H13模具钢复合材料具有优异的耐磨损和力学性能，室温下抗拉强度≥1813.3MPa，显微硬度≥560.4HV0.5，耐磨性提高15.7％，在提高抗拉强度的同时耐磨性更好，优于H13模具钢沉积态水平。

Description

一种H13模具钢耐磨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种H13模具钢耐磨复合材料及其制备方法。
背景技术
H13钢是本领域技术人员熟知的一种典型的热作模具钢，具有良好的强韧性、抗热疲劳等性能，广泛应用于制造压铸模具、挤压模具、热锻模具中，服役环境恶劣。在高温、高压、热磨损等工况下，易出现粘结、龟裂、表面剥落等造成模具早期失效。
众所周知，通过表面喷涂工艺可以显著提高表面硬度、提高耐磨性能，避免早期失效，但喷涂工艺复杂，喷涂层中存在微裂纹和空洞等缺陷，且厚度不容易控制，对于高精度模具需进行二次机加工才能满足生产要求。
目前常规机加工设备难以对具有极高硬度的喷涂层进行加工。激光选区熔化成形工艺具有精度高、表面质量优异等特点，在成形高致密度、力学性能优良具有显著的技术优势，因此，本发明制备方法旨在结合激光选区熔化技术特性，以克服现有模具钢存在的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有模具钢耐磨性差及服役期短的缺点和不足，提供一种H13模具钢耐磨复合材料及其制备方法。本发明制备的模具钢，克服了在高温、高压、热磨损等工况下，易粘结、龟裂、表面剥落等造成模具早期失效的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种H13模具钢耐磨复合材料制备方法，包括如下步骤：
(1)组分选择：选用纯度为99.9％以上、粒径为15μm～53μm的H13模具钢粉末；颗粒增强相选用纯度为99.9％以上、粒径为20nm-100nm的纳米TiN陶瓷颗粒；
(2)混合：称取5～10g纳米TiN粉末，先放入超声波振动机中，通过上下震动与15～35KHz范围内的超声震荡进行分散(1-5分钟左右)，然后加入50～100g的H13钢粉末进行混合，待混合均匀后，再次加入50～100g的H13钢粉末进行均匀混合；以此类推，直至H13钢粉末总量达到1～2kg时停止加入，再经过0.5～2h持续超声震荡与上下震动耦合混合，使纳米TiN颗粒均匀包覆于H13钢粉末表面，完成初步混合；
将初步混合好的粉末放在V型混粉机进行8～15h时间二次混合；将二次混合好的粉末取出重筛，去除颗粒直径大于73μm的粉末，得到由纳米TiN颗粒均匀包覆于H13钢粉末表面的纳米TiN颗粒增强H13钢粉末；
(3)激光选区熔化成形：将纳米TiN颗粒增强H13钢粉末，装入3D激光选区熔化成型设备，以完成(纳米TiN颗粒增强)H13模具钢耐磨复合材料的工件打印。
所述工件打印过程中还包括：准备一块基板，将基板表面进行打磨，清洁，形成粗糙表面，并放置在成型腔内的成型工位上；成型腔充入保护气体；根据3D激光选区熔化成型设备预先分层和选区扫描的数据，逐层对纳米TiN颗粒增强H13钢粉末激光熔化，直至完成整个H13模具钢耐磨复合材料的工件加工。
所述3D激光选区熔化成型设备预先分层和选区扫描的数据包括：激光功率200～300W；扫描速度500～900mm/s；扫描间距80～120μm；铺粉层厚30～60μm；每一层激光束的方向应旋转5°～80°。
所述保护气体为氮气，工件打印过程中氧含量控制在0.1％以下。
所述基板在工件加工过程中，保持200℃直至打印结束。
一种H13模具钢耐磨复合材料，由上述方法制得，其中TiN百分含量为1％-5％，H13模具钢百分含量为95％-99％。
一种H13钢耐磨复合粉末，其组成成分及质量百分含量为：TiN粉末1％-5％，H13模具钢粉末95％-99％。优选TiN粉末1％，H13模具钢粉末99％。
所述H13模具钢粉末由以下重量百分比的成分组成：C：0.36％，Cr：4.88％，Mo：1.22％，Si：1.1％，V：1.03％，Mn：0.45％，其余为Fe。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明将预选好的TiN粉末和H13钢粉末通过先后、分时段、分量等措施进行混粉，使纳米TiN颗粒能够有效的均匀包覆H13钢粉末颗粒表面。
本发明TiN百分含量为1％-5％，H13模具钢百分含量为95％-99％。本发明优选TiN粉末1％，H13模具钢粉末99％。激光选区熔化成型后的模具钢工件，其相对致密度达到99.2％。当大于TiN粉末用量大于1％后，打印成型后的工件硬度和致密度反而会逐渐下降。
(2)本发明选区激光熔化成形工艺参数，可以成形纳米TiN颗粒增强H13模具钢耐磨复合材料相对致密度达到99.2％。在去除大颗粒聚集的纳米TiN粉末后，可以有效减少组织中TiN团聚现象出现的几率。TiN呈球状均匀分布在基体中，与基体结合良好，作为耐磨质点强化效果更佳，加入比例1％左右的TiN颗粒后即可明显提高耐磨性。
(3)本发明激光成形的纳米TiN颗粒增强H13模具钢耐磨复合材料耐磨性能良好，相比未加入TiN颗粒的SLM成形的H13模具钢材料磨擦痕迹轮廓面积降低15.7％。
(4)本发明提供的成形纳米TiN颗粒增强H13模具钢耐磨复合材料相比比未加入TiN颗粒的SLM成形的H13模具钢材料抗拉强度提高22.9％(抗拉强度≥1818.3MPa)。
附图说明
图1为H13钢粉末形貌图。
图2为图1放大示意图。
图3为本发明实施案例中选用的混入纳米TiN陶瓷颗粒的H13钢粉末形貌图
图4为图3放大示意图。
图5为本发明实施案例中激光选区熔化成形H13钢上表面组织。
图6为本发明实施案例中激光选区熔化成形纳米TiN颗粒增强H13钢上表面组织。
图7为采用氮化硅陶瓷球作为摩擦副进行往复滑动摩擦时磨痕截面曲线图。
图8为激光选区熔化成形H13钢与氮化硅陶瓷球进行往复滑动摩擦磨损时磨痕形貌图。
图9为激光选区熔化成形纳米TiN陶瓷颗粒增强H13钢与氮化硅陶瓷球进行往复滑动摩擦磨损时磨痕形貌图
图10为激光选区熔化成形H13钢与氮化硅陶瓷球滑动摩擦磨屑形貌图
图11为激光选区熔化成形纳米TiN陶瓷颗粒增强H13钢与氮化硅陶瓷球滑动摩擦磨屑形貌图。
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。
本发明公开了一种H13模具钢耐磨复合材料制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)组分选择：选用纯度为99.9％以上、粒径为15μm～53μm的H13模具钢粉末；颗粒增强相选用纯度为99.9％以上、粒径为20nm-100nm的纳米TiN陶瓷颗粒；
步骤(2)混合：称取5～10g，本实施例优选10g纳米TiN粉末，先放入超声波振动机中，通过上下震动与15～35KHz范围内的超声震荡进行分散(1-5分钟左右)，然后加入50～100g的H13钢粉末进行混合，待混合均匀后，再次加入50～100g的H13钢粉末进行均匀混合；以此类推，直至H13钢粉末总量达到1～2kg时停止加入，再经过0.5～2h持续超声震荡与上下震动耦合混合，使纳米TiN颗粒均匀包覆于H13钢粉末表面，完成初步混合；
将初步混合好的粉末放在V型混粉机进行8～15h时间二次混合；将二次混合好的粉末取出重筛，去除颗粒直径大于73μm的粉末，得到由纳米TiN颗粒均匀包覆于H13钢粉末表面的纳米TiN颗粒增强H13钢粉末；
重筛的目的是去除大颗粒团聚以便于进行激光选区熔化成形。
步骤(3)激光选区熔化成形：将纳米TiN颗粒增强H13钢粉末，装入3D激光选区熔化成型设备，以完成纳米TiN颗粒增强H13模具钢耐磨复合材料的工件打印。
所述工件打印过程中还包括：准备一块基板，将基板表面进行打磨，清洁，形成粗糙表面，并放置在成型腔内的成型工位上；成型腔充入保护气体；根据3D激光选区熔化成型设备预先分层和选区扫描的数据，逐层对纳米TiN颗粒增强H13钢粉末激光熔化，直至完成整个纳米TiN颗粒增强H13模具钢耐磨复合材料的工件加工。
所述3D激光选区熔化成型设备预先分层和选区扫描的数据包括：激光功率200～300W；扫描速度500～900mm/s；扫描间距80～120μm；铺粉层厚30～60μm；每一层激光束的方向应旋转5°～80°。
所述保护气体为氮气，工件打印过程中氧含量控制在0.1％以下。
所述基板在工件加工过程中，保持200℃直至打印结束。
一种H13模具钢耐磨复合材料，由上述方法制得，其中TiN百分含量为1％-5％，H13模具钢百分含量为95％-99％。
本发明步骤(2)制得的纳米TiN颗粒增强H13钢粉末，其组成成分及质量百分含量优选为：TiN粉末1％，H13模具钢粉末99％(具体形貌如图3-11所示)。其相对致密度达到99.2％。当大于TiN粉末用量大于1％后，打印成型后的工件硬度和致密度反而会逐渐下降。
所述H13模具钢粉末由以下重量百分比的成分组成：C：0.36％，Cr：4.88％，Mo：1.22％，Si：1.1％，V：1.03％，Mn：0.45％，其余为Fe。
图2为混入纳米TiN颗粒均匀包裹H13模具钢粉末。图3为图2放大示意图。
图4为激光选区熔化成形纳米TiN颗粒增强H13模具钢组织中均匀分布TiN颗粒。
上述激光选区熔化成形的H13模具钢与纳米颗粒增强H13模具钢的材料进行往复滑动摩擦测试，对磨副选择直径为6mm的氮化硅陶瓷球，加载力为50N，加载时间为15min，电机转速为300r/min，旋转半径为20mm。
图7为滑动摩擦磨损测试中H13模具钢与纳米TiN颗粒增强H13模具钢摩擦痕迹截面曲线图，图中显示纳米TiN颗粒增强H13模具钢轮廓面积更小，减少15.7％。
图8为滑动摩擦磨损测试中H13模具钢摩擦痕迹形貌。
图9为滑动摩擦磨损测试中纳米TiN颗粒增强H13模具钢摩擦痕迹形貌，犁沟更浅，且不易产生剥落。
图10为滑动摩擦磨损测试中H13模具钢磨屑形貌。
图11为滑动摩擦磨损测试中纳米TiN颗粒增强H13模具钢磨屑形貌。
对比可见，图10中有大块的剥落，磨损方式主要以剥落为主。而图11中主要为细小颗粒状，磨损方式主要以犁沟为主。
如上所述，便可较好地实现本发明。
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 (10)

1.一种H13模具钢耐磨复合材料制备方法，其特征在于：
(1)组分选择：选用纯度为99.9％以上、粒径为15μm～53μm的H13模具钢粉末；颗粒增强相选用纯度为99.9％以上、粒径为20nm-100nm的纳米TiN陶瓷颗粒；
(2)混合：称取5～10g纳米TiN粉末，先放入超声波振动机中，通过上下震动与15～35KHz范围内的超声震荡进行分散，然后加入50～100g的H13钢粉末进行混合，待混合均匀后，再次加入50～100g的H13钢粉末进行均匀混合；以此类推，直至H13钢粉末总量达到1～2kg时停止加入，再经过0.5～2h持续超声震荡与上下震动耦合混合，使纳米TiN颗粒均匀包覆于H13钢粉末表面，完成初步混合；
将初步混合好的粉末放在V型混粉机进行8～15h时间二次混合；将二次混合好的粉末取出重筛，去除颗粒直径大于73μm的粉末，得到由纳米TiN颗粒均匀包覆于H13钢粉末表面的纳米TiN颗粒增强H13钢粉末；
(3)激光选区熔化成形：将纳米TiN颗粒增强H13钢粉末，装入3D激光选区熔化成型设备，以完成纳米TiN颗粒增强H13模具钢耐磨复合材料的工件打印。
2.根据权利要求1所述H13模具钢耐磨复合材料制备方法，其特征在于，工件打印过程中还包括：准备一块基板，将基板表面进行打磨，清洁，形成粗糙表面，并放置在成型腔内的成型工位上；成型腔充入保护气体；根据3D激光选区熔化成型设备预先分层和选区扫描的数据，逐层对纳米TiN颗粒增强H13钢粉末激光熔化，直至完成整个纳米TiN颗粒增强H13模具钢耐磨复合材料的工件加工。
3.根据权利要求2所述H13模具钢耐磨复合材料制备方法，其特征在于，所述3D激光选区熔化成型设备预先分层和选区扫描的数据包括：激光功率200～300W；扫描速度500～900mm/s；扫描间距80～120μm；铺粉层厚30～60μm；每一层激光束的方向应旋转5°～80°。
4.根据权利要求3所述H13模具钢耐磨复合材料制备方法，其特征在于，所述保护气体为氮气，工件打印过程中氧含量控制在0.1％以下。
5.根据权利要求2所述H13模具钢耐磨复合材料制备方法，其特征在于，所述基板在工件加工过程中，保持200℃直至打印结束。
6.一种H13模具钢耐磨复合材料，其特征在于，由权利要求1～5中任一项所述方法制得，其中TiN百分含量为1％-5％，H13模具钢百分含量为95％-99％。
7.一种H13模具钢耐磨复合材料，其特征在于，由权利要求1～5中任一项所述方法制得，其中TiN百分含量为1％，H13模具钢百分含量为99％。
8.一种H13钢耐磨复合粉末，其组成成分及质量百分含量为：TiN粉末1％-5％，H13模具钢粉末95％-99％。
9.根据权利要求8所述H13钢耐磨复合粉末，其特征在于，TiN粉末1％，H13模具钢粉末99％。
10.根据权利要求9所述H13钢耐磨复合粉末，其特征在于，所述H13模具钢粉末由以下重量百分比的成分组成：C：0.36％，Cr：4.88％，Mo：1.22％，Si：1.1％，V：1.03％，Mn：0.45％，其余为Fe。
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