本發(fā)明涉及馬氏體時效鋼模具制備工藝，尤其涉及一種激光選區(qū)熔化成型馬氏體時效鋼模具的方法。

背景技術(shù)：

模具是用來成型物品的工具，這種工具有各種零件構(gòu)成，不同的模具由不同的零件構(gòu)成。它主要通過所成型材料物理狀態(tài)的改變來實現(xiàn)物品外形的加工。在沖裁、成形沖壓、模鍛、冷鐓、擠壓、粉末冶金件壓制、壓力鑄造，以及工程塑料、橡膠、陶瓷等制品的壓塑或注塑的成形加工中，用以在外力作用下使坯料成為有特定形狀和尺寸的制件的工具。

模具不僅需要具有較高的硬度和強度，確保其使用壽命外，由于模具使用過程中產(chǎn)生大量的熱，這些熱量必須采用一定的方式傳導(dǎo)出去來給模具降溫，一般采用設(shè)計冷卻通道來實現(xiàn)，而傳統(tǒng)的模具制造方式為鍛造、鑄造等方式，受限于制造工藝，無法獲取理想的高效冷卻通道，制造的簡單冷卻通道無法及時將模具產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，從而降低了模具的使用壽命；而通過減少模具使用頻率的方式又降低了生產(chǎn)效率，對企業(yè)的正常發(fā)展不利。

激光選區(qū)熔化(SLM)成形技術(shù)是增材制造技術(shù)的一種，是快速成型技術(shù)的最新發(fā)展技術(shù)。該技術(shù)基于離散材料逐層堆積成型原理，依據(jù)三維設(shè)計軟件設(shè)計的數(shù)字化零件的三維數(shù)據(jù)，采用高能激光束對原材料粉末逐點、逐線、逐層熔化直接制造出功能零件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種激光選區(qū)熔化成型馬氏體時效鋼模具的方法。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種激光選區(qū)熔化成型馬氏體時效鋼模具的方法，包括如下步驟：

步驟一：根據(jù)待加工的馬氏體時效鋼模具的形狀，建立模具的三維數(shù)字模型，然后保存為STL格式文件，使用切片軟件對三維數(shù)字模型進行切片處理，保持切片的厚度一致，并將切片后的文件導(dǎo)入Rpath路徑規(guī)劃軟件中，獲得激光掃描的路徑數(shù)據(jù)，最后將掃描路徑數(shù)據(jù)導(dǎo)入激光選區(qū)熔化設(shè)備中；

步驟二：通過人機界面調(diào)節(jié)激光選區(qū)熔化設(shè)備的成型基臺，將打磨清理后的不銹鋼成型基板通過螺釘固定在成型基臺上，同時調(diào)整鋪粉機構(gòu)，使鋪粉刷的低端與成型基板的表面接觸；

步驟三：向激光選區(qū)熔化設(shè)備的粉料缸中添加馬氏體時效鋼金屬粉末，根據(jù)馬氏體時效鋼模具的成型層數(shù)，換算需要加入的馬氏體時效鋼金屬粉末量，微調(diào)粉料缸使之表面平齊；

步驟四：使用擦鏡紙對激光選區(qū)熔化設(shè)備掃描振鏡下部透鏡表面進行清潔，關(guān)閉激光選區(qū)熔化設(shè)備的成型室密封門，對成型室循環(huán)抽真空后通入純氬氣，直至成型室內(nèi)氧含量低于200ppm，同時保持成型室內(nèi)氣壓在6-10Bar之間；

步驟五：啟動激光選區(qū)熔化設(shè)備的加工程序，成型基臺帶動不銹鋼成型基板下降至與步驟一中切片厚度相同的高度，粉料缸上升切片厚度兩倍的高度，以確保不銹鋼成型基板表面獲取充足馬氏體時效鋼金屬粉末；激光束按照預(yù)定設(shè)置的掃描路徑參數(shù)，對不銹鋼成型基板上的馬氏體時效鋼金屬粉末進行掃描加熱，馬氏體時效鋼金屬粉末熔化后冷卻凝固，完成一層馬氏體時效鋼模具的加工；

步驟六：完成步驟五后，不銹鋼成型基板下降一個切片層厚的高度，粉料缸上升兩個切片厚度的高度，鋪粉機構(gòu)將馬氏體時效鋼金屬粉末從粉料缸推送到步驟五中冷卻凝固后的加工層表面，激光束繼續(xù)按照預(yù)設(shè)的掃描路徑參數(shù)掃描熔化金屬粉末；

步驟七：重復(fù)步驟五和步驟六，直至整個馬氏體時效鋼模具加工完成，關(guān)閉加工程序，待整個模具冷卻至室溫后取出。

上述步驟三所述馬氏體時效鋼金屬粉末，采用氣霧化法制備成球形顆粒，其粒徑范圍15-40μm，保持干燥，同時氧含量低于200ppm。

上述步驟三所述加入馬氏體時效鋼金屬粉末量與加工層厚的換算關(guān)系為：加入馬氏體時效鋼金屬粉末量≥2×加工層厚×切片層數(shù)。

上述步驟三所述馬氏體時效鋼金屬粉末的成分為：

18.2％Ni-9％Co-5.3％Mo-0.8％Ti-0.1％Al，C含量低于0.2％，其余為Fe。

上述步驟七所得到的馬氏體時效鋼模具鋼，需要經(jīng)過固溶和時效處理。固溶和時效處理參數(shù)為：1)固溶：5℃/min升溫到840℃保溫1h后出爐空冷；2)時效：5℃/min升溫到480℃保溫6h后出爐空冷。

上述步驟一所述切片厚度設(shè)定為0.02-0.08mm。

上述步驟四所述純氬氣純度為99.9996％。

上述步驟五所述激光選區(qū)熔化設(shè)備的具體參數(shù)為：

激光功功率180W-190W；

掃描間距0.075-0.085mm；

掃描速度400mm/s-450mm/s；

掃描方式為“S”形正交層錯。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明根據(jù)模型的三維數(shù)據(jù)選用清潔高效的激光進行金屬粉末的熔化，無需傳統(tǒng)的坩堝、模具等外部工具，直接成型出與三維模設(shè)計一模一樣的模具，減少了外部工具對模具制造產(chǎn)生的污染，制造方便簡單，自動化程度高。

本發(fā)明直接制造模具在高純氬氣保護氣氛中制造，可以有效避免空氣中的氧氣等與高溫金屬反應(yīng)產(chǎn)生氧化物雜質(zhì)，顯著降低了模具內(nèi)部夾雜的含量。

本發(fā)明制造馬氏體時效鋼模具過程中，冷卻速度高，為高度非平衡凝固狀態(tài)，可以有效避免晶粒的長大和宏觀偏析，獲得組織致密、晶粒細小、組織均勻的組織，從而獲得具有良好力學(xué)性能的模具。

本發(fā)明采用激光選區(qū)熔化工藝成型馬氏體時效鋼模具，具有高自由度特點，特別是傳統(tǒng)制造工藝無法制造的高度復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)，如隨形冷卻通道，提高模具的冷卻效率和使用壽命，節(jié)約勞動力；使用的金屬粉末可以回收再利用，從而節(jié)約資源，降低成本。

本發(fā)明對直接成型的馬氏體時效鋼模具，進行固溶時效處理，可以獲得馬氏體組織和彌散分布的Ni₃Mo、Fe₂Mo以及Ni₃Ti等硬質(zhì)化合物顆粒組成的模具產(chǎn)品，其硬度和強度進一步提升，力學(xué)性能更加的優(yōu)秀，顯著提高了模具的使用壽命和制造效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明激光選區(qū)熔化成型馬氏體時效鋼模具的方法工藝流程圖。

圖2本發(fā)明馬氏體時效鋼模具直接成型后的顯微組織形貌。

圖3本發(fā)明馬氏體時效鋼模具固溶時效處理后的顯微組織形貌。

圖4本發(fā)明方法制造的具有螺旋隨形冷卻通道的模具。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步具體詳細描述。

實施例

如圖1所示。本發(fā)明公開了一種激光選區(qū)熔化成型馬氏體時效鋼模具的方法，包括如下步驟：

步驟一：根據(jù)待加工的馬氏體時效鋼模具的形狀，建立模具的三維數(shù)字模型，然后保存為STL格式文件，使用切片軟件對三維數(shù)字模型進行切片處理，保持切片的厚度一致，并將切片后的文件導(dǎo)入Rpath路徑規(guī)劃軟件中，獲得激光掃描的路徑數(shù)據(jù)，最后將掃描路徑數(shù)據(jù)導(dǎo)入激光選區(qū)熔化設(shè)備中；

步驟二：通過人機界面調(diào)節(jié)激光選區(qū)熔化設(shè)備的成型基臺，將打磨清理后的不銹鋼成型基板通過螺釘固定在成型基臺上，同時調(diào)整鋪粉機構(gòu)，使鋪粉刷的最低端與成型基板的表面剛好接觸；不銹鋼成型基板采用316L不銹鋼，應(yīng)保證表面平整，成型前進行水平度調(diào)整，誤差處于±0.05μm以內(nèi)。不銹鋼成型基板長寬均為100mm，厚度為10mm。

步驟三：向激光選區(qū)熔化設(shè)備的粉料缸中添加馬氏體時效鋼金屬粉末，根據(jù)馬氏體時效鋼模具的成型層數(shù)，換算需要加入的馬氏體時效鋼金屬粉末量，微調(diào)粉料缸使之表面平齊；

步驟四：使用高級擦鏡紙對激光選區(qū)熔化設(shè)備掃描振鏡下部透鏡表面進行清潔，關(guān)閉激光選區(qū)熔化設(shè)備的成型室密封門，對成型室循環(huán)抽真空后通入高純氬氣，直至成型室內(nèi)氧含量低于200ppm，同時保持成型室內(nèi)氣壓在6-10Bar之間；

步驟五：啟動激光選區(qū)熔化設(shè)備的加工程序，成型基臺帶動不銹鋼成型基板下降至與步驟一中切片厚度相同的高度，粉料缸上升約切片厚度兩倍的高度，以確保不銹鋼成型基板表面獲取充足馬氏體時效鋼金屬粉末；激光束按照預(yù)定設(shè)置的掃描路徑參數(shù)，選擇性的對不銹鋼成型基板上的馬氏體時效鋼金屬粉末進行掃描加熱，馬氏體時效鋼金屬粉末熔化后迅速冷卻凝固，完成一層馬氏體時效鋼模具的加工；

步驟六：完成步驟五后，不銹鋼成型基板下降一個切片層厚的高度，粉料缸上升兩個切片厚度的高度，鋪粉機構(gòu)將馬氏體時效鋼金屬粉末從粉料缸推送到步驟五中冷卻凝固后的加工層表面，激光束繼續(xù)按照預(yù)設(shè)的掃描路徑參數(shù)掃描熔化金屬粉末；

步驟七：重復(fù)步驟五和步驟六，直至整個馬氏體時效鋼模具加工完成，關(guān)閉加工程序，待整個模具冷卻至室溫后取出。

上述步驟三所述馬氏體時效鋼金屬粉末，采用氣霧化法制備成近球形顆粒，其粒徑范圍15-40μm，保持干燥，同時氧含量低于200ppm。

上述步驟三所述加入馬氏體時效鋼金屬粉末量與加工層厚的換算關(guān)系為：加入馬氏體時效鋼金屬粉末量≥2×加工層厚×切片層數(shù)。

上述步驟三所述馬氏體時效鋼金屬粉末的成分為：

18.2％Ni-9％Co-5.3％Mo-0.8％Ti-0.1％Al，C含量低于0.2％，其余為Fe。

上述步驟七所得到的馬氏體時效鋼模具鋼，由大部分馬氏體組織和殘余奧氏體組成，其微觀組織包含大量因偏析而形成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

馬氏體時效鋼模具鋼需要經(jīng)過固溶和時效處理后才能到由馬氏體組織和彌散分布的Ni₃Mo、Fe₂Mo以及Ni₃Ti等硬質(zhì)化合物顆粒組成的高強度模具產(chǎn)品，如圖3所示。

固溶和時效處理參數(shù)為：1)固溶：5℃/min升溫到840℃保溫1h后出爐空冷；2)時效：5℃/min升溫到480℃保溫6h后出爐空冷。

上述步驟一所述切片厚度根據(jù)具體模具加工要求設(shè)定為0.02-0.08mm。

上述步驟四所述高純氬氣純度為99.9996％。

上述步驟五所述激光選區(qū)熔化設(shè)備的具體參數(shù)為：

激光功功率180W-190W；

掃描間距0.075-0.085mm；

掃描速度400mm/s-450mm/s；

掃描方式為“S”形正交層錯。

如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。

圖4本發(fā)明制造的具有螺旋隨形冷卻通道的模具示意圖。

本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。