CN114231842A - 一种3d打印不锈钢材料及其打印后的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印不锈钢材料及其打印后的热处理方法。本发明的3D打印不锈钢材料包括：碳元素0.2‑0.5wt％，铬元素11.5‑15.0wt％，镍元素1.5‑6.0wt％，钼元素0‑3.0wt％，铝元素0‑2wt％，钒元素0‑1.0wt％，铌元素0‑1.0wt％，钛元素0‑1.0wt％，钴元素0‑1.0wt％，铜元素0‑1.0wt％，硅元素0‑1.0wt％，锰元素0‑1.0wt％，以及余量的铁元素。在保证上述合金元素含量的同时，需控制马氏体转变温度Ms点在110‑160℃。上述的3D打印不锈钢材料经打印后再采用本发明的热处理方法处理后，最终可获得具有较高的强度、硬度和耐磨性能的模具钢。

Description

一种3D打印不锈钢材料及其打印后的热处理方法
技术领域
本发明涉及一种3D打印不锈钢材料及其打印后的热处理方法，具体涉及一种低成本、不易开裂的含碳3D打印不锈钢材料及其打印后的热处理方法，属于3D打印技术领域。
背景技术
3D打印技术作为一种新的材料加工工艺，其融合了计算机三维辅助设计、数控技术、激光加工、材料科学等多个学科的先进技术。与传统制造生产方式相比，3D打印技术在生产周期、设计灵活性、定制化等多方面具有优势。目前金属3D打印技术中的激光选区熔化工艺(SLM)在模具中的应用已逐渐展开。采用SLM技术可根据产品的外形特点在模具内部构建复杂的随形水路，以提高热交换效率，进而提高生产效率和产品质量。
目前在SLM领域，常用的模具钢类材料有18Ni300，Corrax等，都属于无碳或超低碳的沉淀硬化型不锈钢或者马氏体时效钢，其特点是强度、硬度较高，但由于不含碳，这类材料的耐磨性明显不足，工件在使用早期容易发生表面磨损而失效；此外由于其合金元素总含量较高，普遍含有较高的Ni，材料成本较高。材料较低的耐磨性以及较高的成本严重制约了SLM技术在模具领域的应用。
另一方面，现有的商用传统注塑模具钢材料具有耐磨性好、材料成本低等优点，这类材料以0.2-0.6wt％碳的中低合金钢为主，例如H13、S136等。由于SLM技术急冷急热的工艺特点，如果按照传统模具钢同样的成分制成粉末，然后进行SLM打印，打印后的组织以淬火马氏体为主。淬火马氏体硬度很高，并且随含碳量增加而增高，这类0.2％-0.6wt％碳的中低合金钢打印后硬度普遍在50HRC以上，造成打印后残余应力极大，很容易出现应力开裂的现象。此类材料一般难以稳定加工100mm*100mm尺寸以上的工件，不适用于SLM技术。
所以本技术领域迫切需要一类耐磨性良好、成本较低、稳定打印不出现应力开裂的模具钢材料。
发明内容
本发明的目的是开发一类低成本、不易开裂的含碳3D打印不锈钢材料；解决现有SLM模具钢材料，即沉淀硬化型不锈钢和马氏体时效钢在此领域应用的瓶颈。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种3D打印不锈钢材料，包括：碳元素0.2-0.5wt％，铬元素11.5-15.0wt％，镍元素1.5-6.0wt％，钼元素0-3.0wt％，铝元素0-2wt％，钒元素0-1.0wt％，铌元素0-1.0wt％，钛元素0-1.0wt％，钴元素0-1.0wt％，铜元素0-1.0wt％，硅元素0-1.0wt％，锰元素0-1.0wt％，以及余量的铁元素；在保证上述合金元素含量的同时，需控制马氏体转变温度Ms点在110-160℃。
优选地，所述的3D打印不锈钢材料包括：碳元素0.3-0.4wt％，铬元素11.5-13.0wt％，镍元素3.0-6.0wt％，钼元素0-2.0wt％，铝元素0-1.5wt％，钒元素0-0.5wt％，铌元素0-0.5wt％，钛元素0-0.5wt％，钴元素0-0.1wt％，铜元素0-0.1wt％，硅元素0-0.1wt％，锰元素0-0.1wt％，以及余量的铁元素；在保证上述合金元素含量的同时，需控制马氏体转变温度Ms点在120-140℃。
上述材料的Ms点超出常规模具钢材料的范围(＞200℃)，与其相比明显更低，目的是使得在SLM工艺打印后马氏体转变不能充分进行，其余组织以较软的残余奥氏体的形式保留下来，即获得马氏体+大量残余奥氏体的组织。残余奥氏体的比例可以通过Ms点的调节来实现，Ms点越低，残余奥氏体比例越大，打印后的硬度就越低，越不容易发生应力开裂。当Ms点控制在140℃以内时，可获得硬度在45HRC以内，甚至40HRC以内的不易发生应力开裂的材料。但如果Ms点低于110℃，则残余奥氏体过于稳定，在打印后的热处理过程中也难以充分消除，不能满足使用要求。
通过碳、镍、铬、钼元素含量的综合调节，在控制Ms点的同时，保证最终性能满足使用需求。碳元素需控制在0.2-0.5wt％范围内，碳含量过低，最终耐磨性和强度不足；碳元素过高，最终材料的冲击韧性则会较低。铬元素需控制在11.5-15.0wt％范围内，若低于11.5wt.％，则防锈性能不足，模具后期使用时水路易于生锈堵塞；若高于15wt％，则容易形成的δ铁素体，对材料性能不利。镍元素需控制在1.5-6.0wt％范围内，若低于1.5wt％，则不能有效降低Ms点；若高于6wt％，则会明显降低碳在奥氏体中的溶解度，导致在打印过程以及后续的热处理过程中，碳化物在原始奥氏体晶界中网状析出，最终组织韧性较低。添加适量的钼元素可以起到二次硬化的作用，与碳结合形成碳化物，提高强度和耐磨性。铝元素可与镍元素结合形成镍铝中间相，可以进一步提高最终的硬度和强度。可以添加少量的钒元素、铌元素、钛元素以细化奥氏体晶粒，避免打印过程以及后续热处理过程奥氏体晶粒的粗化长大。
由于打印后硬度较低，打印后的模具不能直接使用，需进行进一步热处理。
本发明还提供一种上述的3D打印不锈钢材料经打印后的热处理方法，包括以下步骤：
步骤1：将3D打印不锈钢材料经打印后加热至完全奥氏体化温度(Ac3点)以下20-50℃，保温30min后出炉空冷、气冷或油冷淬火。
步骤2：重新加热至400-600℃温度区间，进行2-3次回火，以获得最终的强度、硬度和耐磨性。
此热处理工艺与传统热处理的最大区别在于，在完全奥氏体化温度Ac3以下20-50℃的温度范围内，一定量的碳元素与铬元素、钼元素会结合形成碳化物析出，SLM工艺形成的大量亚晶界为碳化物的析出提供了形核质点。碳化物的析出提高了基体的Ms点，通过奥氏体化温度的选择，可以控制碳化物的析出量，进而可以控制Ms点提高的程度。通过初始Ms点的控制，以及奥氏体化温度的控制，可以实现打印后硬度在45HRC以内(低应力开裂倾向)，同时淬火时基体Ms点高于190℃，进而完全消除打印后的残余奥氏体，获得近乎全部马氏体的淬火组织。淬火后通过后续进一步的回火，可获得合理的强韧性、耐磨性综合性能良好的模具钢，具体可获得硬度为45～55HRC，抗拉强度为1500～2000MPa，屈服强度为1200～1800MPa，冲击韧性Akv为5～15J的模具钢。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.相对于现有的无碳SLM模具钢材料，本发明获得的SLM不锈钢材料含有一定量的碳以及更低的镍，进而获得了更好的耐磨性，同时保证了更低的材料成本；
2.相对于现有的传统模具钢材料，本发明通过创新的成分设计，对Ms温度点进行控制，配合以相应的热处理工艺的控制，实现了在含有0.2-0.5wt％碳元素的同时，SLM打印后获得＜45HRC的低硬度，进而保证较低的打印应力和开裂倾向，同时通过本发明的热处理工艺，可以在打印后使材料获得较高的强度、硬度和耐磨性的组织，满足注塑模具钢的使用要求；
3.本发明获得的低成本、不易开裂的含碳3D打印不锈钢材料，为SLM工艺在模具领域的进一步广泛应用提供了材料基础；本发明开拓的含碳类模具钢的成分设计以及热处理方法，也为进一步开发其他3D打印钢类材料提供了理论依据。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例作详细说明如下。
实施例1
一种3D打印不锈钢材料，成分包括：碳元素0.32wt％，铬元素12wt％，镍元素6.0wt％，钼元素0.5wt％，铝元素1.5wt％，钒元素0.2wt％，铌元素0wt％，钛元素0wt％，钴元素0wt％，铜元素0wt％，硅元素0.05wt％，锰元素0.05wt％，以及余量的铁元素。此成分其Ms＝120℃，Ac3＝1057℃。
打印后的热处理工艺为：升温至1000℃保温30min后空冷至室温，升温至510℃回火两次。
打印后硬度28HRC，热处理后硬度51HRC，抗拉强度1750MPa，屈服强度1565MPa，冲击韧性Akv 8.5J。
实施例2
一种3D打印不锈钢材料，成分包括：碳元素0.35wt％，铬元素11.5wt％，镍元素5.2wt％，钼元素0.5wt％，铝元素1.0wt％，钒元素0wt％，铌元素0wt％，钛元素0wt％，钴元素0wt％，铜元素0wt％，硅元素0.05wt％，锰元素0.05wt％，以及余量的铁元素。此成分其Ms＝137℃，Ac3＝1048℃。
打印后的热处理工艺为：升温至1010℃保温30min后空冷至室温，升温至495℃回火两次。
打印后硬度35HRC，热处理后硬度52HRC，抗拉强度1780MPa，屈服强度1560MPa，冲击韧性Akv 7J。
实施例3
一种3D打印不锈钢材料，成分包括：碳元素0.38wt％，铬元素13wt％，镍元素4.7wt％，钼元素0.5wt％，铝元素0wt％，钒元素0wt％，铌元素0wt％，钛元素0wt％，钴元素0wt％，铜元素0wt％，硅元素0.05wt％，锰元素0.05wt％，以及余量的铁元素。此成分其Ms＝125℃，Ac3＝1089℃。
打印后的热处理工艺为：升温至1040℃保温30min后空冷至室温，升温至485℃回火两次。
打印后硬度35HRC，热处理后硬度50HRC，抗拉强度1683MPa，屈服强度1536MPa，冲击韧性Akv 5.5J。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种3D打印不锈钢材料，其特征在于，包括：碳元素0.2-0.5wt％，铬元素11.5-15.0wt％，镍元素1.5-6.0wt％，钼元素0-3.0wt.％，铝元素0-2wt％，钒元素0-1.0wt％，铌元素0-1.0wt％，钛元素0-1.0wt％，钴元素0-1.0wt％，铜元素0-1.0wt％，硅元素0-1.0wt％，锰元素0-1.0wt％，以及余量的铁元素；在保证上述合金元素含量的同时，需控制马氏体转变温度Ms点为110～160℃。
2.如权利要求1所述的3D打印不锈钢材料，其特征在于，包括：碳元素0.3-0.4wt％，铬元素11.5-13.0wt％，镍元素3.0-6.0wt％，钼元素0-2.0wt％，铝元素0-1.5wt％，钒元素0-0.5wt％，铌元素0-0.5wt％，钛元素0-0.5wt％，钴元素0-0.1wt％，铜元素0-0.1wt％，硅元素0-0.1wt％，锰元素0-0.1wt％，以及余量的铁元素；在保证上述合金元素含量的同时，需控制马氏体转变温度Ms点为120-140℃。
3.权利要求1或2所述的3D打印不锈钢材料经打印后的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将3D打印不锈钢材料经打印后加热至完全奥氏体化温度Ac3点以下20-50℃，保温30min后出炉冷却至室温；
步骤2：重新加热至400-600℃温度区间，进行2-3次回火，以获得最终强度、硬度和耐磨性均满足使用要求的模具钢。
4.如权利要求2所述的3D打印不锈钢材料经打印后的热处理方法，其特征在于，所述步骤1中冷却所采用的方法为空气冷却、气体冷却或油冷淬火。
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