一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢及其热处理方法技术

本发明专利技术涉及一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢及其热处理方法，属于3D打印技术领域。模具钢材料中包括碳元素0.1

【技术实现步骤摘要】
一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢及其热处理方法


[0001]本专利技术涉及一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢及其热处理方法，属于3D打印


技术介绍

[0002]3D打印是以零件的三维模型为基础，经数据处理，通过自动化控制系统使材料逐层堆叠，最终得到实体结构的技术，具有生产周期短、材料利用率高、不受空间结构限制等特点，在近些年来得到广泛的关注。其中，选区激光熔化技术(SLM)利用激光将金属粉末熔化成型，现已在模具行业中有了一定规模的应用，为复杂结构的模具制造提供了解决方案，同时也让模具在生产制造过程中更加便捷与高效。基于上述3D打印逐层制造的特点，使用SLM技术进行生产制造时，零件各部位存在热量分布差异，导致冷却收缩程度不均匀，产生宏观应力，甚至在零件边角等应力集中位置引起宏观应力开裂。随着模具行业的产业升级，利用精密化技术高效制造复杂结构的模具制品已然成为新的发展趋势。其中，对打印材料的合理选用是解决SLM应力开裂、提升制造效率和获得高性能模具产品的根本途径。目前，若使用SLM技术熔化成型传统的中低碳模具钢(如S136、H13等)，虽然其具有硬度高、耐磨性好、成本低廉等优点，但是这类材料在打印过程中所形成的含碳马氏体组织将极大程度地增加打印零件的硬度和脆性，增大残余应力，在制造较大尺寸(300*300*300mm)或较复杂结构的零件时容易引发宏观应力开裂，因而无法满足实际生产制造的需求。现有的3D打印模具钢材料(如18Ni300、Corrax等)均属于无碳或超低碳的沉淀硬化钢或马氏体时效钢，虽然其对3D打印的结构尺寸可以不受限制，但是这些材料均缺乏内部碳化物的强化作用，导致较差的耐磨性，进而严重限制了模具的使用寿命；且该类材料的镍、钼、钴等合金元素含量高，材料成本高，也严重制约了这类材料在3D打印模具领域的应用。因此，本
亟需开发一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为解决如何获得一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢的技术问题；以及如何解决现有的3D打印中低碳模具钢宏观应力开裂、现有的3D打印模具材料耐磨性差、成本高等问题。
[0004]为达到解决上述问题的目的，本专利技术所采取的技术方案是提供一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢，模具钢具有以下质量百分比含量的元素：碳元素0.1
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0.6wt％，铬元素5.0
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15.0wt％，镍元素1.0
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5.0wt％，钼元素0
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3.0wt％，钒元素0
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1.0wt％，铌元素0
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1.0wt％，钛元素0
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1.0wt％，锆元素0
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1.0wt％，以及余量的铁元素，以上各元素的质量百分比总和为100wt％。
[0005]优选地，所述模具钢中含有钒、铌、钛、锆中的一种或多种强碳化物形成元素；通过调整强碳化物形成元素的种类和配比，使固溶于基体中的碳原子的质量百分比小于等于0.2wt％。
[0006]优选地，所述模具钢中含有钒、铌、钛、锆中的一种或多种强碳化物形成元素；通过调整强碳化物形成元素的种类和配比，在保证上述合金元素含量的同时，还需满足公式(1)：
[0007][0008]本专利技术提供一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢，模具钢具有以下质量百分比含量的元素：碳元素0.2
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0.4wt％，铬元素5.0
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15.0wt％，镍元素1.0
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3.5wt％，钼元素1.0
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2.0wt％，钒元素0
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0.5wt％，铌元素0
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0.5wt％，钛元素0
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0.8wt％，锆元素0
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0.5wt％，以及余量的铁元素，以上各元素的质量百分比总和为100wt％。
[0009]优选地，所述模具钢中含有钒、铌、钛、锆中的一种或多种强碳化物形成元素；通过调整强碳化物形成元素的种类和配比，使固溶于基体中的碳原子的质量百分比小于等于0.15wt％。
[0010]优选地，所述模具钢中含有钒、铌、钛、锆中的一种或多种强碳化物形成元素；通过调整强碳化物形成元素的种类和配比，在保证上述合金元素含量的同时，还需满足公式(2)：
[0011][0012]本专利技术提供一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢的热处理方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1：将抗应力开裂的3D打印模具钢粉末材料经打印成型后装入加热炉；
[0014]步骤2：将加热炉升温至800
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850℃进行第一阶段热处理，保温5min以使零件表面与内部的温度一致；再将加热炉缓慢升温至950
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1100℃进行第二阶段热处理，保温30
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60min使内部组织完全奥氏体化；
[0015]步骤3：保温结束后将模具钢立即取出后空冷、气冷或油冷淬火冷却；
[0016]步骤4：将淬火后冷却至室温的模具钢在450
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600℃进行回火处理，保温时间为2
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3个小时，回火处理后在空气中自然冷却至室温；
[0017]步骤5：重复步骤4的操作2
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3次，即完成模具钢的热处理过程，获得最终的硬度、韧性和耐磨性。
[0018]相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
[0019]1.本专利技术通过创新的成分设计，将强碳化物形成元素钒、铌、钛、锆添加到中低碳3D打印模具钢中，通过碳化物析出的方式减少马氏体基体中固溶的碳含量，降低马氏体硬度，并且通过调节镍元素的含量以提高马氏体的塑性与韧性，得到一款可以安全打印300*300*300mm尺寸的抗应力开裂的中低碳模具钢；
[0020]2.相较于传统3D打印模具钢的热处理，本专利技术使用高完全奥氏体化温度，在更好的消除各向异性和成分偏析的同时，也利用打印过程中所形成的稳定的强碳化物钉扎奥氏体晶界，最终获得高硬度、高韧性的淬火马氏体组织。
附图说明
[0021]图1为应用本专利技术提供的模具钢进行3D打印的打印组织纵截面光学显微镜图像；
[0022]图2为应用本专利技术提供的模具钢进行3D打印的打印组织纵截面扫描电子显微镜图像；
[0023]图3为应用本专利技术提供的模具钢热处理后纵截面光学显微镜图像；
[0024]图4为应用本专利技术提供的模具钢热处理后纵截面扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
[0025]为使本专利技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
[0026]如图1
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4所示，本专利技术所采取的技术方案是提供一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢材料，包括：碳元素0.1
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0.6wt％，铬元素5.0
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15.0wt％，镍元素1.0
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5.0wt％，钼元素0
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢，其特征在于，模具钢具有以下质量百分比含量的元素：碳元素0.1
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0.6wt％，铬元素5.0
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15.0wt％，镍元素1.0
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5.0wt％，钼元素0
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3.0wt％，钒元素0
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1.0wt％，铌元素0
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1.0wt％，钛元素0
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1.0wt％，锆元素0
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1.0wt％，以及余量的铁元素，以上各元素的质量百分比总和为100wt％。2.根据权利要求1所述的一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢，其特征在于，所述模具钢中含有钒、铌、钛、锆中的一种或多种强碳化物形成元素；通过调整强碳化物形成元素的种类和配比，使固溶于基体中的碳原子的质量百分比小于等于0.2wt％。3.根据权利要求1所述的一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢，其特征在于，所述模具钢中含有钒、铌、钛、锆中的一种或多种强碳化物形成元素；通过调整强碳化物形成元素的种类和配比，在保证上述合金元素含量的同时，还需满足公式(1)：4.一种抗应力开裂的中低碳3D打印模具钢，其特征在于，模具钢具有以下质量百分比含量的元素：碳元素0.2
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0.4wt％，铬元素5.0
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15.0wt％，镍元素1.0
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3.5wt％，钼元素1.0
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2.0wt％，钒元素0
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0.5wt％，铌元素0
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0.5wt％，钛元素0
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵煦文，罗璐颖，于鹏超，吴巧巧，张国良，
申请(专利权)人：上海镭镆科技有限公司，
类型：发明
国别省市：