CN113399683A - 一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法 - Google Patents
一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，包括以下步骤：S1、将模具三维模型进行分层处理，将分层数据导入至金属3D打印机，逐层打印，得到模具基体；S2、将带成型基板的模具基体依次进行固溶处理、时效处理后，通过线切割的方法将模具基体与成型基板分离；S3、将与成型基板分离后的模具基体打磨、抛光后，再进行清洗、干燥；S4、采用离子镀技术，在清洗、干燥完成后的模具基体上依次沉积Cr扩散层、CrN涂层及CrAlN涂层。本发明SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，大大提高了模具的基体硬度、涂层的显微硬度，提高了涂层与基体之间的结合力，且涂层耐腐蚀性强，进而延长了模具的使用寿命，此外，涂层厚度小，对模具精度不会产生影响。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁材料表面强化技术领域，具体地，涉及一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法。
背景技术
18Ni300模具钢是一种马氏体时效钢，在超高强度、高硬度的条件下仍具有良好的韧性和高的断裂韧度，时效热处理变形小，焊接性良好，主要用于制造高精度、超镜面、型腔复杂、大截面、大批量生产的机械零件和塑料模具。
选区激光熔化技术(SLM)是金属3D打印技术中应用最为成熟与广泛的一种打印技术。由于18Ni300的性能优异，焊接性好，常被作为金属3D打印原材料。采用SLM技术打印出的18Ni300模具钢成型件的硬度通常在28～35HRC左右，其强度无法满足工作需求，此外，18Ni300模具钢的耐蚀性较低，而注塑模具生产过程中常常会产生腐蚀性气体腐蚀模具，因此需要对打印所得注塑模具进行强化处理。现有技术中，针对3D打印成型的注塑模具的强化主要还是以金属的热处理为主，对于表面改性强化处理较少。
授权公告号为CN108950464B的中国发明专利公开了一种提高金属3D打印18Ni300模具钢表面硬度的方法，该方法中采用等离子喷涂工艺在打印件表面喷涂一层NiCrBSi涂层，在一定程度上提高了金属3D打印18Ni300模具钢的表面硬度，改善了SLM成型18Ni300模具钢硬度较低的缺点。但是其在实际使用时，仍旧存在较多缺点，如采用等离子喷涂工艺所制备的NiCrBSi涂层与基体的结合力较低，在比较恶劣的工作环境下涂层容易剥落；所制备的涂层的厚度在在0.5mm以上，对于精密注塑模具等精度需求较高的产品而言，误差过大。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，大大提高了模具的基体硬度、涂层的显微硬度，提高了涂层与基体之间的结合力，且涂层耐腐蚀性强，进而延长了模具的使用寿命，此外，涂层厚度小，对模具精度不会产生影响。
本发明目的通过以下技术方案实现：一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，包括以下步骤：
S1、将模具三维模型进行分层处理，将分层数据导入至金属3D打印机，逐层打印，得到模具基体；
S2、将带成型基板的模具基体依次进行固溶处理、时效处理后，通过线切割的方法将模具基体与成型基板分离；
S3、将与成型基板分离后的模具基体打磨、抛光后，再进行清洗、干燥；
S4、采用阴极电弧离子镀技术，在清洗、干燥完成后的模具基体上依次沉积Cr扩散层、CrN涂层及CrAlN涂层。
优选地，步骤S1中，打印原料为18Ni300模具钢粉末。
优选地，步骤S2中，固溶处理具体包括以下步骤：随炉升温至820℃～840℃，保温0.5h～1.5h，取出空冷。
优选地，步骤S2中，时效处理具体包括以下步骤：随炉升温至450℃～500℃，保温4h～6h，取出空冷。
优选地，步骤S3中，清洗具体包括以下步骤：先采用质量浓度为99.8％的酒精溶液进行清洗，然后再放入超声波清洗设备中进行清洗。
优选地，步骤S4具体包括以下步骤；
S41、将步骤S3处理后的模具基体装入阴极电弧离子镀设备的真空镀膜室内，在阴极电弧离子镀设备的四个磁控靶位分别安装两个Cr靶和两个AlCr靶，同一种靶材对位安装；
S42、将真空镀膜室内抽真空至5*10-5Pa以下，加热温度至400℃～450℃，设定基体偏压，通入氩气，对模具基体进行氩离子清洗；
S43、继续通入氩气，调节基体偏压，打开Cr靶，在模具基体表面沉积Cr扩散层；
S44、关闭氩气气源，继续打开Cr靶，调节基体偏压，通入N2，在Cr扩散层上沉积CrN涂层；
S45、继续通入N2，调节基体偏压，同时打开Cr靶和AlCr靶，在CrN涂层上沉积CrAlN涂层；
S46、关闭四个靶电源，关闭N2气源，待真空镀膜室内的气压与大气压平衡并降至室温后取出模具。
优选地，步骤S41中，Cr靶纯度为99.8％以上，AlCr靶的各元素原子百分比为Cr：50at％，Al：50at％。
优选地，步骤S42中，氩气流量为180sccm～230sccm，设定基体偏压为-700V～-950V，氩离子清洗时间为5min～15min。
优选地，步骤S43中，调节基体偏压为-700V～-900V，沉积时间10min～20min。
优选地，步骤S44中，N2流量为130sccm～230sccm，调节基体偏压为-40V～-140V，沉积时间间10min～30min。
优选地，步骤S45中，N2流量为130sccm～230sccm，调节基体偏压为-40V～-140V，沉积时间间3h～6h。
优选地，CrN涂层厚度与CrAlN涂层厚度之和为2.0μm～3.5μm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，通过对打印好的模具依次进行固溶、时效处理后，大大提高了模具的基体硬度，使得基体表面硬度达到50～57HRC，进而对涂层起到了良好的支撑作用，增加了涂层的强度；其中，金属3D打印模具零件经固溶热处理后，残余应力得到释放，内部组织均匀，零件韧性得到提升。
2、本发明一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，采用磁控溅射技术在模具表面依次沉积Cr扩散层、CrN涂层及CrAlN涂层，提高了涂层与基体之间的结合力，进而提高了模具的使用寿命，涂层显微硬度达到3000～4000HV，涂层耐腐蚀性强，进而极大的提升了模具表面性能；此外，CrN涂层厚度与CrAlN涂层厚度之和仅为2.0～3.5μm，对模具精度不会产生影响。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为通过本发明一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法所制得的注塑模具的剖面结构示意图；
图中：
1-模具基体；
2-Cr扩散层；
3-CrN涂层；
4-CrAlN涂层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，具体包括以下步骤：
S1、模具打印：在三维建模软件NX中建立模具三维模型，将模具三维模型导入切片软件中进行分层切片处理，将分层数据导入至金属3D打印机，逐层打印，得到模具基体1；其中，金属3D打印机的打印参数为：打印用激光功率为250～350W，扫描速度为900～1100mm/s，打印层厚为30～60μm，扫描间距为0.10～0.15mm；具体地，本实施例中的金属3D打印机的打印参数为：激光功率为300w，扫描速度为950mm/s，扫描间距为0.11mm，铺粉层厚为30μm；其中，打印原料为18Ni300模具钢粉末；
S2、将带成型基板的模具基体1依次进行固溶处理、时效处理后，通过线切割的方法将模具与成型基板分离；
其中，固溶处理具体包括以下步骤：随炉升温至840℃，保温1h，取出空冷；
其中，时效处理具体包括以下步骤：随炉升温至490℃，保温5h，取出空冷。
S3、将与成型基板分离后的模具基体打磨、抛光后，再进行清洗，然后放入干燥箱内干燥备用；
其中，清洗步骤具体如下：先采用浓度为99.8％的酒精溶液进行清洗，然后再放入超声波清洗设备中进行清洗，超声波清洗设备内的清洗溶液为丙酮；
S4、采用阴极电弧离子镀技术，在清洗、干燥完成后的模具上依次沉积Cr扩散层2、CrN涂层3及CrAlN涂层4；
具体地，步骤S4具体包括以下步骤；
S41、将步骤S3处理后的模具基体装入阴极电弧离子镀设备的真空镀膜室内，在阴极电弧离子镀设备的四个磁控靶位分别安装两个Cr靶和两个AlCr靶，同一种靶材对位安装；其中，Cr靶纯度为99.8％以上，AlCr靶的各元素原子百分比为Cr：50at％，Al：50at％；
S42、将真空镀膜室内抽真空至5*10-5Pa以下，加热温度至450℃，设定基体偏压为-800V，通入氩气，氩气流量为200sccm，对模具基体进行氩离子清洗；其中，清洗时间为10min；
S43、继续通入氩气，调节基体偏压至-750v，打开Cr靶，在模具基体表面沉积Cr扩散层，沉积时间为15min；
S44、关闭氩气气源，继续打开Cr靶，调节基体偏压为-100V，通入N2，N2流量为200sccm，在Cr扩散层上沉积CrN涂层，沉积时间30min；
S45、继续通入N2，调节基体偏压为-60V，同时打开Cr靶和A1Cr靶，在CrN涂层上沉积CrAlN涂层，沉积时间为5h；
S46、关闭四个靶电源，关闭N2气源，待真空镀膜室内的气压与大气压平衡并降至室温后取出模具。
采用洛氏硬度计测试基体硬度，载荷150Kg，测试10个点取平均数据；采用显微维氏硬度计测试涂层显微硬度，载荷25gf，测试10个点取平均数据；采用球磨法测试涂层厚度，钢球直径30mm。经检测，通过上述方法处理后所得3D打印注塑模具，其基体硬度为56.7HRC，涂层显微硬度为3540.7HV，所制备的涂层厚度为3.1μm，对模具精度不会产生影响。
实施例2
本实施例提供了一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，本实施例中的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法与实施例1的区别在于：本实施例中的时效处理温度为470℃，时效处理时间为6小时。
经检测，通过上述方法处理后所得3D打印注塑模具，其基体硬度为51.33HRC，涂层显微硬度为3241.5HV，所制备的涂层厚度为3.0μm，对模具精度不会产生影响。
实施例3
本实施例提供了一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，本实施例中的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法与实施例1的区别在于：本实施例中的时效处理温度为495℃，时效处理时间为4小时。
经检测，通过上述方法处理后所得3D打印注塑模具，其基体硬度为54.1HRC，涂层显微硬度为3435.9HV，所制备的涂层厚度为2.95μm，对模具精度不会产生影响。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (12)
1.一种SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将模具三维模型进行分层处理，将分层数据导入至金属3D打印机，逐层打印，得到模具基体；
S2、将带成型基板的模具基体依次进行固溶处理、时效处理后，通过线切割的方法将模具基体与成型基板分离；
S3、将与成型基板分离后的模具基体打磨、抛光后，再进行清洗、干燥；
S4、采用阴极电弧离子镀技术，在清洗、干燥完成后的模具基体上依次沉积Cr扩散层、CrN涂层及CrAlN涂层。
2.根据权利要求1所述的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，步骤S1中，打印原料为18Ni300模具钢粉末。
3.根据权利要求1所述的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，步骤S2中，固溶处理具体包括以下步骤：随炉升温至820℃～840℃，保温0.5h～1.5h，取出空冷。
4.根据权利要求1所述的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，步骤S2中，时效处理具体包括以下步骤：随炉升温至450℃～500℃，保温4h～6h，取出空冷。
5.根据权利要求1所述的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，步骤S3中，清洗具体包括以下步骤：先采用质量浓度为99.8％的酒精溶液进行清洗，然后再放入超声波清洗设备中进行清洗。
6.根据权利要求1所述的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下步骤；
S41、将步骤S3处理后的模具基体装入阴极电弧离子镀设备的真空镀膜室内，在阴极电弧离子镀设备的四个磁控靶位分别安装两个Cr靶和两个AlCr靶，同一种靶材对位安装；
S42、将真空镀膜室内抽真空至5*10-5Pa以下，加热温度至400℃～450℃，设定基体偏压，通入氩气，对模具基体进行氩离子清洗；
S43、继续通入氩气，调节基体偏压，打开Cr靶，在模具基体表面沉积Cr扩散层；
S44、关闭氩气气源，继续打开Cr靶，调节基体偏压，通入N2，在Cr扩散层上沉积CrN涂层；
S45、继续通入N2，调节基体偏压，同时打开Cr靶和AlCr靶，在CrN涂层上沉积CrAlN涂层；
S46、关闭四个靶电源，关闭N2气源，待真空镀膜室内的气压与大气压平衡并降至室温后取出模具。
7.根据权利要求6所述的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，步骤S41中，Cr靶纯度为99.8％以上，AlCr靶的各元素原子百分比为Cr：50at％，Al：50at％。
8.根据权利要求6所述的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，步骤S42中，氩气流量为180sccm～230sccm，设定基体偏压为-700V～-950V，氩离子清洗时间为5min～15min。
9.根据权利要求6所述的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，步骤S43中，调节基体偏压为-700V～-900V，沉积时间10min～20min。
10.根据权利要求6所述的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，步骤S44中，N2流量为130sccm～230sccm，调节基体偏压为-40V～-140V，沉积时间间10min～30min。
11.根据权利要求6所述的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，步骤S45中，N2流量为130sccm～230sccm，调节基体偏压为-40V～-140V，沉积时间间3h～6h。
12.根据权利要求1所述的SLM成型18Ni300模具钢注塑模具表面强化方法，其特征在于，CrN涂层厚度与CrAlN涂层厚度之和为2.0μm～3.5μm。
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