一种2GPa级超高强马氏体模具钢的制造方法

摘要

本发明涉及增材制造工程技术领域，具体该公开了一种2GPa级超高强马氏体模具钢的制造方法，包括如下步骤：步骤1)采用激光选区熔化方法制备超高强马氏体模具钢工件，其中扫描间距为0.07mm‑0.13mm；步骤2)对步骤1)中制备的马氏体模具钢工件依次进行固溶处理和时效热处理。本发明通过优化的SLM工艺参数以及合适的热处理制度实现了SLM成型模具钢微观缺陷消失、组织均匀致密，得到了性能优异MS1超高强马氏体模具钢，为后续超高强马氏体钢模具的生产及使用奠定了重要基础。

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造工程技术领域，涉及一种2GPa级超高强马氏体模具钢的制造方法。

背景技术

超高强马氏体钢，其组织为高强度马氏体板条，具有超高的强度、硬度和耐磨性。这使得超高强马氏体钢在随形冷却水路、精密注塑模具和压铸模具等方面的生产应用中具有显著优势。

模具是机械制造、航空航天和汽车制造等领域的主要加工工具，模具的质量及性能好坏直接决定了加工产品的质量以及生产成本。在服役过程中，模具会受到很大的压应力、冲击力和摩擦力，对应地模具需要很高的强度和硬度以确保生产过程的顺利进行和加工产品的质量。然而，传统方法制造模具时要经过淬火、回火热处理，模具的淬透性差，容易在淬火过程中开裂。回火过程中，超高强马氏体钢产生的Ni

激光选区熔化技术(SLM)作为一种具有逐层累积和高冷却速率特点的先进制造技术，对模具的成型具有优势。SLM技术基于“自下而上”逐点、逐层生产的特点，适合生产具有复杂结构的模具，并且能够实现模具的近净成型，从而减少材料的浪费，降低生产成本。此外，利用SLM还能够实现模具的快速成型，从而缩短生产周期。重要的是，SLM的打印过程具有很高的冷却速率，使得模具钢的合金元素被大量固溶在内部，形成过饱和固溶度组织，并且细化钢的晶粒。这些独特的组织对材料强度的提升有益，能够使模具获得更高的性能。

现有的增材制造工艺方法虽能够完成模具的快速成型，但其性能没有较大突破，没能达到2GPa。

发明内容

本发明的目的是解决马氏体模具钢的加工困难，性能不足的问题，提供了一种2GPa级超高强马氏体模具钢的制造方法。通过优选地工艺参数成型MS1超高强马氏体模具钢，大幅度提高其力学性能，获得2GPa级超高强马氏体模具钢。

本发明提供了一种2GPa级超高强马氏体模具钢的制造方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1)采用激光选区熔化方法制备超高强马氏体模具钢工件，其中扫描间距为0.07mm-0.13mm；

步骤2)对步骤1)中制备的马氏体模具钢工件依次进行固溶处理和时效热处理。

优选地，步骤1)中以MS1超高强马氏体模具钢粉末为原料。

优选地，步骤1)中的扫描间距为0.07mm。

优选地，步骤1)中所述激光选区熔化方法的激光功率为175W。

优选地，步骤1)中所述激光选区熔化方法的扫描速度1000mm/s。

优选地，步骤2)中固溶处理的处理温度为850℃；

优选地，步骤2)中固溶处理的处理时间为1h。

优选地，步骤2)中时效热处理的处理温度为550℃，

优选地，步骤2)中时效热处理的处理时间为4h。

本发明具有如下有益效果：

本发明所提供的2GPa级超高强马氏体模具钢的制造方法，适用于激光选区熔化成型的超高强马氏体模具钢。本发明优选地扫描间距为0.07mm-0.13mm，线扫描速度为1000mm/s，激光功率为175W的最佳工艺参数组合并制备了理想宏观形貌的马氏体模具钢工件；经固溶和时效热处理后，马氏体模具钢的微观组织组织变为细小的全马氏体板条，不同取向的马氏体板条之间成一定角度，此时微小气孔缺陷消失，组织均匀致密；屈服强度由913MPa提升到了1982MPa，增长幅度超过了1倍；抗拉强度由1186MPa提升到了2017MPa，增长幅度超过了70％；平均维氏硬度值由312HV0.3提高到了569HV0.3，硬度值提升幅度超过了82％。

本发明通过优化的SLM工艺参数以及合适的热处理制度实现了SLM成型模具钢微观缺陷消失、组织均匀致密，得到了性能优异MS1超高强马氏体模具钢，为后续超高强马氏体钢模具的生产及使用奠定了重要基础。

附图说明

结合下述附图能更加充分的理解本发明具体的实施例，其中：

图1是本发明实施例1-3中采用不同扫描间距所成型的MS1超高强马氏体模具钢熔覆形貌图；

图2是本发明实施例1中所成型的MS1超高强马氏体模具钢的JMatPro相图；

图3是本发明实施例1中所成型的MS1超高强马氏体模具钢在打印和热处理状态下的SEM图像。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

实施例一:

(1)材料为MS1超高强马氏体模具钢粉末，将粉末装入德国SLM Solutions280型3D金属打印机的送粉舱内。

(2)试验设置激光功率为175W，扫描速度为1000mm/s，并设定扫描间距为0.07mm。

(3)在基板上打印的两组φ30mm×400mm的试样。

(4)将步骤(3)中熔覆质量最优的试样在SG-XQL1800型真空热处理炉中进行热处理方式为850℃固溶处理1h，550℃时效处理4h。

实施例二：

本实施方案与实施例一不同之处在于改变了激光成型过程中的扫描间距这一工艺参数，具体是：将扫描间距设定为0.10mm，其它与实施例一相同。

实施例三：

本实施方案与实施例一不同之处在于改变了激光成型过程中的扫描间距这一工艺参数，具体是：将扫描间距设定为0.13mm，其它与实施例一相同。

图1为通过实施例1-3所成型的MS1超高强马氏体模具钢熔覆形貌图；

对不同实施例的成型试样进行观察发现，如图1中(a)部分所示，当扫描间距为0.07mm时，相邻两熔道之间表面平整且两熔道高度相同；

如图1中(b)部分所示，扫描间距为0.10mm时，相邻两熔道之间的凹陷导致在两层熔覆层之间形成气孔缺陷；

如图1中(c)部分所示，扫描间距为0.13mm时，熔覆层的缺陷更加明显，甚至出现大面积凹陷。因此扫描间距越小，熔覆质量越好，扫描间距最优值为0.07mm。

图2为实施例1中所成型的MS1超高强马氏体模具钢的JMatPro相图，如图2所示，MS1超高强马氏体模具钢的完全奥氏体化温度约为800℃，M(C,N)等析出相大约在500℃时能够高效析出并具有最大占比。固溶的主要目的是要让基体均转化为奥氏体组织，但温度不能过高，否则会产生组织粗化。时效的作用是高效生成更多的析出强化相，以获得高强度。考虑到金属材料过热度的影响，选择时效温度为850℃，固溶温度500℃的热处理方式，刚好能够实现较细全奥氏体化组织，并且高效地生成更多的析出强化相。

将通过实施例1所成型的，经过热处理和未经过热处理的MS1超高强马氏体模具钢的金相试样分别采用10％硝酸+20％盐酸的腐蚀剂处理后，在FEI Nova Nano型场发射扫描电镜(SEM)中进行微观组织分析，得到的SEM图像如图3所示；其中，如图3中(a)部分所示，未经过热处理试样的微观组织主要由板条状马氏体和奥氏体组成并且晶粒均匀细小，组织中没有较大宏观孔洞、裂纹等缺陷，但是SLM成型过程中锁匙孔坍塌，导致其组织内部存在少量的微小气孔；如图3中(b)部分所示，经过热处理后的试样组织呈长条状，不同取向的条状组织之间相交成一定角度，且条状组织宽度有些许增大，但内部组织均匀致密，少量的气孔消除。由此可知，依次进行的850℃×1h固溶处理和550℃×4h时效热处理可以显著改善MS1超高强马氏体模具钢的打印态组织。

经过热处理和未经过热处理的MS1超高强马氏体模具钢式样分别加工成标准拉伸试棒并在型号为WDW-100KN型万能试验机以0.3％的应变增量和10-3s-1的应变速率进行拉伸试验。得到的力学性能对比如表1所示：

表1力学性能对比表

从表中可以看到，经过热处理后，MS1超高强马氏体模具钢的屈服强度由913MPa提升到了1982MPa，增长幅度超过了1倍；抗拉强度由1186MPa提升到了2017MPa，增长幅度超过了70％；平均维氏硬度值由312HV0.3提高到了569HV0.3，硬度值提升幅度超过了82％。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。