模具是萬業(yè)之母，目前，國產(chǎn)模具鋼還不能全部滿足國內(nèi)模具行業(yè)的需求，每年約有25%的模具需從國外進(jìn)口，主要為中、高檔模具。原因之一是國產(chǎn)合金鋼在品種、質(zhì)量、尺寸規(guī)格及性能等方面還與國際先進(jìn)水平有一定的差距。

差距也意味著機(jī)會，尤其是高檔模具鋼市場，迄今為止國內(nèi)產(chǎn)品的占有率很少，而這一市場將是國內(nèi)模具業(yè)發(fā)展的趨勢，潛在市場很大。本期分享的是國內(nèi)通過粉末床激光3D打印技術(shù)制造馬氏體模具鋼的進(jìn)展。

解決晶粒的粗大問題

模具鋼大致可分為：冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼三類，用于鍛造、沖壓、切型、壓鑄等。由于各種模具用途不同，工作條件復(fù)雜，因此對模具用鋼，按其所制造模具的工作條件，應(yīng)具有高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性，足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。

模具在經(jīng)過傳統(tǒng)機(jī)械加工后，一般要經(jīng)過淬火、回火 處理，而模具的形狀十分復(fù)雜，因此要求較高的淬透性、較小的變形及較低的開 裂傾向性。用傳統(tǒng)方法制造模具有生產(chǎn)周期長，模具的淬透性差，模具在淬火過程中開裂導(dǎo)致報廢等挑戰(zhàn)。

為解決現(xiàn)有制模技術(shù)中的工序復(fù)雜、成本高以及報廢率大等問題。據(jù)了解，南京航空航天大學(xué)通過調(diào)整激光加工過程工藝參數(shù)，改善成形模具晶粒粗大問題，從而改善其機(jī)械性能。利用Mn、Ni、Cr等合金元素穩(wěn)定過冷奧氏體，在激光加工極大的冷卻速度下得到組織均勻的馬氏體，從而省去了后續(xù)的“淬火”過程，激光加工完畢后，成形模具被傳送裝置送入真空熱處理室完成回火過程以釋放其內(nèi)應(yīng)力。

具體來說南航在激光3D打印馬氏體模具鋼的制作中體現(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)包括：粉末的制備、激光打印過程控制、后期熱處理。

案例一

粉末制備: 在鐵粉中加入相同粒度和同樣形狀的Mn、Ni、Cr粉末，鐵粉的平均粒徑為60μm，Mn、Ni、Cr粉末添加的質(zhì)量百分比分別為2.0%，4.0%，1.2%;金屬粉末混合均勻后放入烘干箱中干燥處理8小時。

激光打印過程控制：

氣體控制：先打開真空管道和真空泵抽真空一定程度后，再向成形腔體內(nèi)通入氬氣作為保護(hù)氣體，通入的氬氣的濃度不低于99.99%。重復(fù)抽真空和充入保護(hù)氣體各三次，控制成形腔體內(nèi)氧含量在8ppm的濃度范圍。

激光及過程控制：所用激光光斑直徑為60μm。激光的掃描方式為“S形正交層錯”掃描，同時對成形模具的二維模型外輪廓進(jìn)行后溝邊，激光掃描速度為350 mm/s;激光空跳速度為3500mm/s;激光功率為70W;掃描間距為60μm; 此時激光線能量密度η為200J/m。成形缸體每一次下降的高度為25μm

后期熱處理：成形模具被傳送裝置送入真空熱處理室，低溫回火處理后隨爐冷卻到室溫;低溫回火處理溫度為300℃，加熱速率10℃/min，處理時間5.5小時后隨爐冷卻到室溫。從而得到具有均勻、細(xì)小的回火馬氏體組織的成形模具。

案例二：

改變Mn、Ni、Cr粉末添加的質(zhì)量百分比分別為2.2%，4.2%，1.1%;

將激光功率設(shè)定為62.5W，掃描速度設(shè)定為250mm/s，此時激光線能量密度 η為250J/m。

其他加工條件與案例一相同。

如下圖，案例二的加工條件下，所獲得的回火馬氏體組織除了具有均勻、細(xì)小的特征之外，還同時具有新穎的纏結(jié)結(jié)構(gòu)， 有利于進(jìn)一步提升成形模具的機(jī)械性能。

當(dāng)然，除了粉末制備，激光加工過程控制以及后期的熱處理，南航的研究中還涉及到更為細(xì)膩嚴(yán)謹(jǐn)?shù)年P(guān)于激光掃描速度V對熔池的過冷度和凝固速度的研究，冷卻速度對淬火效應(yīng)和馬氏體相變的影響，相變應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用下，晶格常數(shù)所受到的影響等等。值得思考的是，傳統(tǒng)加工工藝中，高端模具鋼的原材料方面是長久制約我國模具發(fā)展的一塊短板，隨著3D打印技術(shù)將制造工藝與新材料研究的結(jié)合，這為模具制造從材料突破到制造工藝打開了另一個思路和發(fā)展空間。

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