國內激光3D列印技術製造馬氏體模具鋼的進展

模具是萬業之母，目前，國產模具鋼還不能全部滿足國內模具行業的需求，每年約有25%的模具需從國外進口，主要為中、高檔模具。原因之一是國產合金鋼在品種、質量、尺寸規格及性能等方面還與國際先進水平有一定的差距。

差距也意味著機會，尤其是高檔模具鋼市場，迄今為止國內產品的佔有率很少，而這一市場將是國內模具業發展的趨勢，潛在市場很大。本期，3D科學谷與谷友分享的是國內在通過粉末床激光3D列印技術製造馬氏體模具鋼的進展。

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，用於鍛造、衝壓、切型、壓鑄等。由於各種模具用途不同，工作條件複雜，因此對模具用鋼，按其所製造模具的工作條件，應具有高的硬度、強度、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。

模具在經過傳統機械加工後，一般要經過淬火、回火 處理，而模具的形狀十分複雜，因此要求較高的淬透性、較小的變形及較低的開 裂傾向性。用傳統方法製造模具有生產周期長，模具的淬透性差，模具在淬火過程中開裂導致報廢等挑戰。

為解決現有制模技術中的工序複雜、成本高以及報廢率大等問題。3D科學谷了解到南京航空航天大學通過調整 激光加工過程工藝參數，改善成形模具晶粒粗大問題，從而改善其機械性能。利用Mn、Ni、Cr等合金元素穩定過冷奧氏體，在激光加工極大的冷卻速度下得到組織均勻的馬氏體，從而省去了後續的「淬火」過程，激光加工完畢後，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應力。

具體來說南航在激光3D列印馬氏體模具鋼的製作中體現的技術特點包括：粉末的製備、激光列印過程式控制制、後期熱處理。

案例一

粉末製備: 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粉末添加的質量百分比分別為2.0％，4.0％，1.2％；金屬粉末混合均勻後放入烘乾箱中乾燥處理8小時。

激光列印過程式控制制：

氣體控制：先打開真空管道和真空泵抽真空一定程度後，再向成形腔體內通入氬氣作為保護氣體，通入的氬氣的濃度不低於99.99％。重複抽真空和充入保護氣體各三次，控制成形腔體內氧含量在8ppm的濃度範圍。

激光及過程式控制制：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行後溝邊，激光掃描速度為350mm/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

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

圖片：經過上述過程，南航獲得的馬氏體模具鋼的顯微組織照片

案例二：

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

將激光功率設定為62.5W，掃描速度設定為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、細小的特徵之外，還同時具有新穎的纏結結構， 有利於進一步提升成形模具的機械性能。

圖片：經過上述過程，南航獲得的馬氏體模具鋼的顯微組織照片

當然，除了粉末製備，激光加工過程式控制制以及後期的熱處理，南航的研究中還涉及到更為細膩嚴謹的關於激光掃描速度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和馬氏體相變的影響，相變應力和熱應力的共同作用下，晶格常數所受到的影響等等，3D科學谷在此不一一而述。值得思考的是，傳統加工工藝中，高端模具鋼的原材料方面是長久制約我國模具發展的一塊短板，3D科學谷認為隨著3D列印技術將製造工藝與新材料研究的結合，這為模具製造從材料突破到製造工藝打開了另一個思路和發展空間。

親愛的谷友，你所在的公司也在從事模具鋼金屬粉末的製造嗎?歡迎在文後評論舉手。

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