CN113634766A - 一种基于3d打印技术的模具镶件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及3D打印技术领域，尤其是一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法。一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，包括以下步骤：上机前准备好；装夹基材；加粉；安装与调平刮刀；铺粉；安装吸粉方管；清洁成型室调整3D打印工艺参数，激光功率200‑500瓦，激光扫描速度600‑1000毫米每秒，光斑直径为0.06‑0.10mm，熔池间距在0.08‑0.2mm之间，吹风功率在20‑80%之间，平台温度在25‑200度之间；成形仓内冲入氩气，使得成形仓内的氧气含量低于0.1%；加载数据，逐层打印得半成品模具镶件；热处理得成品。本申请制备的模具具有无开裂、抛光优良、内应力低的优点，同时具有高强度和高韧性。
Description
技术领域
本申请涉及3D打印技术领域，尤其是涉及一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法。
背景技术
3D打印技术又称增材技术，是快速成型技术中的一种，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型。
作为模具镶件，3D打印产品须在力学性能、抛光性能和抗腐蚀性能上有优异表现。这些性能与产品生产参数息息相关。没有一款好的工艺参数就无法加工一款材料，或者加工过程会遇到各种形式的失效与事故。
目前，由于工艺的限制，市面上能打印的材料只限制于欧标1.2709和企标cx这两大类。而一些真正用于模具钢的材料，由于没有相配套的工艺导致无法打印，或是打印效果不佳，最终所所获得的产品无法满足客户的要求。在实际生产过程中发现以下问题：回火马氏体不锈钢类别中420大类不锈钢的打印工艺存在的抛光性能差、易开裂的问题。
发明内容
为了回火马氏体不锈钢类别中420大类不锈钢的打印工艺存在的抛光性能差、易开裂的问题，本申请提供了一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法。
第一方面，本申请提供的一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，包括以下步骤：；
步骤一，上机前准备；
步骤二，装夹基材，用深度尺测量工作平台的基材上表面与四周平台的高度差，确认无误后用内六角扳手将基材完全紧固，紧固扭矩为12N·M，确保装夹平整；
步骤三，加粉，用平铲将装入供粉平台内的金属粉末用力插实并将供粉平台周边粉末铺平压实，所述金属粉末为420类材料粉末；
步骤四，安装与调平刮刀；
步骤五，铺粉，使首层粉末均匀铺在基板上且厚度不超过0.03mm；
步骤六，安装吸粉方管；
步骤七，清洁成型室，用擦拭纸蘸无水乙醇清洁成形室门的密封圈和安全玻璃；
步骤八，调整3D打印工艺参数，激光功率200-500瓦，激光扫描速度600-1000毫米每秒，光斑直径为0.06-0.10mm，熔池间距在0.08-0.2mm之间，吹风功率在30-70％之间，平台温度在25-200℃之间；
步骤九，成形仓内冲入纯度≥99.99％的氩气，使得成形仓内的氧气含量低于0.1％；
步骤十，加载数据，逐层打印得，半成品模具镶件；
步骤十一，对半成品模具镶件进行热处理，退火温度为400-800℃，退火时间为5.0-12h，淬火温度为900-1200℃，淬火1.5-4.0h，冷却至室温后进行回火，回火300-600℃，回火时间为0.5-6h。
通过采用上述技术方案，本申请制备的模具具有无开裂、抛光优良、内应力低的优点，同时具有高强度和高韧性，克服了回火马氏体不锈钢类别中420大类不锈钢的打印工艺存在的抛光性能差、易开裂的问题。
优选的，所述420类材料粉末由以下质量百分比的元素组成：0.15-0.25％的C、12.0-14.0％的Cr、0.4-0.6％的Ni、0.15-0.2％的Mo、0.7-0.8％的Si、0.7-0.8％的Mn、0.15-0.2％的V、0-0.03％的P、0-0.03％的S、0-0.55％的残留元素，余量为Fe，以上各个元素的质量百分比总和为100％。
通过采用上述技术方案，420类材料粉末中的以Cr、Ni、Mo、V、Mn为钢强化元素，赋予了模具镶件具有更好的高温耐磨损性能、耐热疲劳、回火稳定性且高温状态下硬度较高，从而可保证通过本申请制备方法获得的模具镶件具有无开裂、抛光优良、内应力低的优点，同时具有高强度和高韧性的优点。
优选的，所述420类材料粉末的粒度为15-58微米；纯度≥99.99％，所述420类材料粉采用雾化法制备而成。
通过采用上述技术方案，高质量的420类材料粉末，不仅有利于3D打印工艺的实施，而且也可有效的保证模具镶件的质量，获得无开裂、抛光优良、内应力低且间距高强度和高韧性的模具镶件。
优选的，所述420类材料粉末的制备方法：S1，按照配比称量原料，加热至1400±100℃熔化成钢水；S2，利用雾化法将S1中得到的钢水进行雾化成粉末；S3，自然冷却，筛分，得粒度为15-58微米的420类材料粉末。
通过采用上述技术方案，可获得高质量的420类材料粉末，保证了模具镶件的质量。
优选的，所述S3自然冷却完成后，将所得金属粉末置于行星球磨机中进行球磨10-20min，用200-600目的筛网进行筛分，得粒度小于200-600目的金属粉料；所述行星球磨机的内胆为聚四氟乙烯材质。
通过采用上述技术方案，可获得粒度小于200-600目的金属粉料，保证了模具镶件的质量；且球磨过程中杂质掺杂量低，进一步保证了模具镶件的质量。
优选的，在所述步骤三之前对金属粉末进行烘干处理，烘干温度100-120℃，烘干时间为2-4h，降温至20-30℃，风冷烘干1h。
通过采用上述技术方案，对金属粉末进行烘干处理可有效除去粉末中的水气，从而保证模具镶件的质量。
优选的，所述步骤八，调整3D打印工艺参数，激光功率240瓦，激光扫描速度1000毫米每秒，光斑直径为0.08mm，熔池间距在0.1mm之间，吹风功率在30％之间，平台温度在25℃。
通过采用上述技术方案，进一步保证模具镶件的质量。
优选的，所述步骤十一中的热处理操作包括以下步骤：S1，将步骤十中的半成品模具镶件以3-6℃/min的加热速度升温至240-280℃，保温0.25-0.5h；S2，以5-8℃/min的加热速度升温至430-475℃，退火处理为8-10h；S3，以6-9℃/min的加热速度升温至1020-1075℃，保温时间为2-3h；S4，气淬，以18-22℃/min的降温速度，降温至常温；S5，以8-12℃/min的加热速度升温至400-415℃，保温时间为4h；S5，风冷，以5-6℃/min的降温速度，降温至常温；S7：重复S5和S6，得成品模具。
通过采用上述技术方案，对模具镶件进行热处理可改善模具镶件的强度和韧性，降低模具镶件的内应力，从而获得无开裂、抛光优良、内应力低且间距高强度和高韧性的模具镶件。
优选的，完成所述热处理的模具镶件孔隙率可达≤0.05％，最大硬度≥48HRC，拉伸强度≥1500Mpa，屈服强度≥1200Mpa，延伸率≥15％，冲击韧性≥15J。
通过采用上述技术方案，可制备得到无开裂、抛光优良、内应力低且间距高强度和高韧性的模具镶件。
综上所述，本申请具有以下优点：
1、本申请制备得到的模具镶件，具有无开裂、抛光优良、内应力低且间距高强度和高韧性的优点，克服了回火马氏体不锈钢类别中420大类不锈钢的打印工艺存在的抛光性能差、易开裂的问题。
2、本申请制备的高质量的420类材料粉末，不仅有利于3D打印工艺的实施，而且也可有效的保证模具镶件的质量，获得无开裂、抛光优良、内应力低且间距高强度和高韧性的模具镶件。
附图说明
图1是本申请实施例1中的制备的模具镶件局部表面抛光的金相图。
图2是本申请对比例1中的制备的模具镶件的整体结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
设备可选用为BLTA300、A320、EOS 290中的一种，本申请中所选用的是BLTA300。
原料
制备例
制备例1
420类材料粉末由以下质量百分比的元素组成：0.2％的C、12.0％的Cr、0.5％的Ni、0.2％的Mo、0.7％的Si、0.8％的Mn、0.2％的V、小于0.02％的P、小于0.02％的S、小于0.4％的残留元素，余量为Fe。
420类材料粉末的具体配方为：6.755kg纯铁、1kg的铁碳合金、0.875kg的铁硅合金、1.2kg的纯铬金属、0.05kg纯镍金属、0.02kg纯钼金属、0.08kg纯锰金属、0.02kg纯钒金属。
420类材料粉末的制备方法：
S1，按照配比称量原料，加热至1400℃熔化成钢水；
S2，利用雾化法将S1中得到的钢水进行雾化成粉末；
S3，自然冷却后，将所得金属粉末置于行星球磨机(行星球磨机的内胆为聚四氟乙烯材质)中进行球磨10min，用200目的筛网进行筛分，得粒度小于200目的金属粉料。
制备例2
制备例2与制备例1的区别在于：S3，自然冷却后，将所得金属粉末置于行星球磨机(行星球磨机的内胆为聚四氟乙烯材质)中进行球磨10min，用600目的筛网进行筛分，得粒度小于600目的金属粉料。
制备例3
制备例3与制备例1的区别在于：420类材料粉末由以下质量百分比的元素组成：0.25％的C、14.0％的Cr、0.6％的Ni、0.2％的Mo、0.75％的Si、0.8％的Mn、0.2％的V、0.02％的P、0.02％的S、0.4％的残留元素，余量为Fe。6.2825kg纯铁、1.2kg的铁碳合金、937.5g的铁硅合金、1.4kg的纯铬金属、0.06kg纯镍金属、0.02kg纯钼金属、0.08kg纯锰金属、0.02kg纯钒金属。
实施例
实施例1
为本申请公开的一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，操机人员上机前准备好工具和个人防护；
步骤二，装夹基材，用深度尺测量工作平台的基材上表面与四周平台的高度差，确认无误后用内六角扳手将基材完全紧固，紧固扭矩为12N·M，确保装夹平整；
步骤三，金属粉末为选用的是制备例1中制备的420类材料粉末对金属粉末进行烘干处理，烘干温度120℃，烘干时间为4h，降温至25℃，风冷烘干1h，得烘干金属粉末后进行加粉，用平铲将装入供粉平台内的金属粉末用力插实并将供粉平台周边粉末铺平压实；
步骤四，安装与调平刮刀；
步骤五，铺粉，使首层粉末均匀铺在基板上且厚度不超过0.03mm；
步骤六，安装吸粉方管；
步骤七，清洁成型室，用擦拭纸蘸无水乙醇清洁成形室门的密封圈和安全玻璃；
步骤八，调整3D打印工艺参数，激光功率240瓦，激光扫描速度1000毫米每秒，光斑直径为0.08mm，熔池间距在0.1mm之间，吹风功率在30％之间，平台温度在25℃；
步骤九，成形仓内冲入纯度≥99.99％的氩气，使得成形仓内的氧气含量低于0.1％；
步骤十，加载数据，逐层打印得模具镶件；
步骤十一，对模具镶件进行热处理，热处理操作包括以下步骤：S1，将步骤十中的半成品模具镶件以3.2±0.1℃/min的加热速度升温至280℃，保温0.25h；S2，以6±0.1℃/min的加热速度升温至450℃，退火处理为10h；S3，以7.5±0.1℃/min的加热速度升温至1050℃，退火处理为3h；S4，气淬，以20℃/min的降温速度，降温至常温；S5，以10±0.1℃/min的加热速度升温至410℃，退火处理为4h；S6，风冷，以5℃/min的降温速度，降温至常温；S7：重复S5和S6，得成品模具。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在：步骤三，金属粉末为选用的是制备例2中制备的420类材料粉末对金属粉末进行烘干处理，烘干温度120℃，烘干时间为4h，降温至25℃，风冷烘干1h，得烘干金属粉末后进行加粉，用平铲将装入供粉平台内的金属粉末用力插实并将供粉平台周边粉末铺平压实。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在：步骤三，金属粉末为选用的是制备例3中制备的420类材料粉末对金属粉末进行烘干处理，烘干温度120℃，烘干时间为4h，降温至25℃，风冷烘干1h，得烘干金属粉末后进行加粉，用平铲将装入供粉平台内的金属粉末用力插实并将供粉平台周边粉末铺平压实。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在：未对金属粉料进行烘干处理。
对比例
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于：步骤八，调整3D打印工艺参数，激光功率200瓦，激光扫描速度700毫米每秒，光斑直径为0.08mm，熔池间距在0.1mm之间，吹风功率在30％之间，平台温度在25度之间激光功率200w扫描速度700mm。所得产品出现了开裂的情况，参见图2。所得产品为废品不予检测。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于：未对模具镶件进行热处理操作。
性能检测试验
检测方法/试验方法
1、按照国标GB/T228.1-2010测试方法对实施例1-4和对比例2中得到的模具进行拉伸强度测试。
2按照国标GB/T 229-2007测试方法对实施例1-4和对比例2中得到的模具进行V-冲击测试。
3、按照ASTM_E18-15金属材料洛氏硬度标准试验方法对实施例1-4和对比例2中得到的模具进行硬度测试。
4、通过金相图像分析法对实施例1-4和对比例2中得到的模具进行孔隙率测试。
5、按照国标GB/T232-2010金属材料、弯曲试验方法对实施例1-4和对比例2中得到的模具进行屈服强度测试。
6、按照ASTM E8M-09金属材料拉伸试验方法对实施例1-4和对比例2中得到的模具进行延伸率测试。
数据分析
表1是实施例1-4和对比例2的测试参数
结合实施例1-4和对比例1-2并结合表1可以看出，采用本申请制备工艺得到的模具镶件的孔隙率可达0.05％以下，最大硬度≥50HRC，拉伸强度≥1500MPa,屈服强度1200MPa，延伸率14％，冲击韧性14J。
结合实施例1-4和对比例1-2并结合表1可以看出，实施例1中的模具镶件与对比例2中的模具镶件对比可知，采用本申请制备工艺中的热处理方法后的模具镶件，孔隙率有所下降，拉伸强度和屈服强度有了明显提升且延伸率16％和冲击韧性均有所提升，可制备得到无开裂、抛光优良、内应力低且间距高强度和高韧性的模具镶件。
结合实施例1-4和对比例1-2并结合表1可以看出，实施例1中模具镶件的各项测试性能优于实施例4中模具镶件的各项测试性能，因此，对金属粉末进行烘干处理，烘干温度120℃，烘干时间为4h，降温至25℃，风冷烘干1h，对于模具镶件的质量提升有着积极意义。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (9)
1.一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，上机前准备；
步骤二，装夹基材，用深度尺测量工作平台的基材上表面与四周平台的高度差，确认无误后用内六角扳手将基材完全紧固，紧固扭矩为12N•M，确保装夹平整；
步骤三，加粉，用平铲将装入供粉平台内的金属粉末用力插实并将供粉平台周边粉末铺平压实，所述金属粉末为420类材料粉末；
步骤四，安装与调平刮刀；
步骤五，铺粉，使首层粉末均匀铺在基板上且厚度不超过0.03mm；
步骤六，安装吸粉方管；
步骤七，清洁成型室，用擦拭纸蘸无水乙醇清洁成形室门的密封圈和安全玻璃；
步骤八，调整3D打印工艺参数，激光功率200-500瓦，激光扫描速度600-1000毫米每秒，光斑直径为0.06-0.10mm，熔池间距在0.08-0.2mm之间，吹风功率在20-80%之间，平台温度在25-200℃之间；
步骤九，成形仓内冲入纯度≥99.99%的氩气，使得成形仓内的氧气含量低于0.1%；
步骤十，加载数据，逐层打印得，半成品模具镶件；
步骤十一，对半成品模具镶件进行热处理，退火温度为400-800℃，退火时间为5.0-12h，淬火温度为900-1200℃，淬火1.5-4.0h，冷却至室温后进行回火，回火300-600℃，回火时间为0.5-6h。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，其特征在于：所述420类材料粉末由以下质量百分比的元素组成：0.15-0.25%的C、12.0-14.0%的Cr、0.4-0.6%的Ni、0.15-0.2%的Mo、0.7-0.8%的Si、0.7-0.8%的Mn、0.15-0.2%的V、0-0.03%的P、0-0.03%的S、0-0.55%的残留元素，余量为Fe，以上各个元素的质量百分比总和为100%。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，其特征在于：所述420类材料粉末的粒度为15-58微米；纯度≥99.99%，所述420类材料粉采用雾化法制备而成。
4.根据权利要求3所述的一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，其特征在于：所述420类材料粉末的制备方法：S1，按照配比称量原料，加热至1400±100℃熔化成钢水；S2，利用雾化法将S1中得到的钢水进行雾化成粉末；S3，自然冷却，筛分，得粒度为15-58微米的420类材料粉末。
5.根据权利要求4所述的一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，其特征在于：所述S3自然冷却完成后，将所得金属粉末置于行星球磨机中进行球磨10-20min，用200-600目的筛网进行筛分，得粒度小于200-600目的金属粉料；所述行星球磨机的内胆为聚四氟乙烯材质。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，其特征在于：在所述步骤三之前对金属粉末进行烘干处理，烘干温度100-120℃，烘干时间为2-4h，降温至20-30℃，风冷烘干1h。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，其特征在于：所述步骤八，调整3D打印工艺参数，激光功率240瓦，激光扫描速度1000毫米每秒，光斑直径为0.08mm，熔池间距在0.1mm之间，吹风功率在30%之间，平台温度在25℃。
8.根据权利要求7所述的一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法的后处理工艺，其特征在于：所述步骤十一中的热处理操作包括以下步骤：S1，将步骤十中的半成品模具镶件以3-6℃/min的加热速度升温至240-280℃，保温0.25-0.5h；S2，以5-8℃/min的加热速度升温至430-475℃，退火处理为8-10h；S3，以6-9℃/min的加热速度升温至1020-1075℃，保温时间为2-3h；S4，气淬，以18-22℃/min的降温速度，降温至常温；S5，以8-12℃/min的加热速度升温至400-415℃，保温时间为4h；S6，风冷，以5-6℃/min的降温速度，降温至常温；S7：重复S5和S6，得成品模具。
9.根据权利要求8所述的一种基于3D打印技术的模具镶件的制备方法，其特征在于：完成所述热处理的模具镶件孔隙率可达≤0.05%，最大硬度≥48HRC，拉伸强度≥1500MPa， 屈服强度≥1200MPa，延伸率≥15%，V缺口冲击韧性≥15J。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A preparation method for mold inserts based on 3D printing technology Granted publication date: 20230224 Pledgee: Shanghai Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Jinshan sub branch Pledgor: Shanghai Yisu Laser Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024310000175 |