一种模具钢及其用于提高模具钢强韧性的热处理工艺的制作方法

本技术涉及模具钢及其热后处理，尤其是涉及一种模具钢及其用于提高模具钢强韧性的热处理工艺。

背景技术：

1、h13钢原是美国定义的一钢种，在我国称作4cr5mosiv1钢，通常作为铝挤压模具用钢而被最广应用。h13钢之所以被广泛应用，是因为它具有以下特性:1.高的淬透性和高的韧性；2.优良的抗热裂能力；3.在较高温度下具有抗软化能力；4.热处理变形小；5.良好的切削加工性。

2、增材制造作为一种近净成型技术，能够将复杂的三维立体结构转化成二维平面结构，然后通过材料逐层堆积方式进行实体累加制造，这种方式在实现形状控制的同时也能够对组织和成分进行精细调控。

3、目前，在1040℃下固溶、480℃下时效后所得h13钢母材的抗拉强度平均值为1900±50mpa，屈服强度平均值为1500±50mpa。但是，通过增材制造技术所生产的h13钢模的抗拉强度平均值为在1100-1700mpa，屈服强度平均值为800-1200mpa。如mertrens等通过slm增材制造所得h13钢的屈服强度为1236mpa，抗拉强度为1712mpa，同时发现对粉床进行预热能够降低屈服强度并提高抗拉强度，但强度值均低于固溶+下时效后所得h13钢母材。

4、综上所述，发明人发现现有增材制造技术所制造的h13钢模存在以下通病：增材制造技术所得h13钢模的力学性能低于固溶+下时效后所得h13钢母材，导致增材制造技术所得h13钢模的推广应用受到了限制，达到了相应技术瓶颈。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本技术提供了一种模具钢及其用于提高模具钢强韧性的热处理工艺，所制备的模具钢与常规固溶失效处理的模具钢力学性能相近，克服了3d打印h13模具钢力学性能相对较差的缺陷，为3d打印技术生产高质量异形h13模具奠定基础，提升整体h13钢制模具质量。

2、第一方面，本技术提供的一种模具钢，是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种模具钢，主要是由球形合金粉通过3d打印技术制备而成；所述球形合金粉主要是由h13钢粉搭配合金添加剂通过雾化法制备而成；所述h13钢粉与合金添加剂的质量比为100：(0.5-1.2)；所述h13钢粉由以下质量百分比的元素组成：0.38-0.40％的c、0.8-1.0％的si、0.30-0.35％的mn、4.85-5.20％的cr、1.3-1.4％的mo、0.8-0.85％的v、0-0.010％的p、0-0.010％的s、0-0.60％的残留元素，余量为fe，以上各个元素的质量百分比总和为100％；所述合金添加剂为平均粒径在20-200nm的氮化钒搭配氮化钛、氮化铝、二硼化钛、二硅化钼、碳化铌、碳化钛中的至少一种。

4、本技术通过添加特定的合金添加剂改善最终成品h13钢模的力学强度再结合特定的热处理工艺，使得3d打印技术制备的模具钢与常规固溶失效处理的模具钢力学性能相近，克服了3d打印h13模具钢力学性能相对较差的缺陷，为3d打印技术生产高质量异形h13模具奠定基础，提升整体h13钢制模具质量。此外，本技术中h13钢粉与合金添加剂的质量需要精细化控制，过多添加会改变金属元素组成导致力学性能畸变影响产品质量，过少添加量对整体的力学强度改善幅度小不易于获得高质量的h13模具钢材。

5、优选的，所述球形合金粉的粒度为5-60微米；纯度≥99.99％；所述球形合金粉的制备方法，s1，按照h13钢粉的配比称量原料混合均匀后加入合金添加剂，混合均匀然后加热至1400±50℃熔化成钢水；s2，利用雾化法将s1中得到的钢水进行雾化成粉末；s3，自然冷却，筛分，得粒度为5-60微米的球形合金粉。

6、本技术中球形合金粉的粒度和纯度对于最终产品的质量有着不小的影响，因而控制球形合金粉的粒度为5-60微米；纯度≥99.99％可保证所制备的h13模具钢材质量。球形合金粉是通过雾化法制备的球形或近球形合金粉便于实现3d打印加工得异形模具，保证最终产品的质量稳定性。

7、优选的，所述h13钢粉与合金添加剂的质量比为100：(0.8-1.0)。

8、本技术中h13钢粉与合金添加剂的质量需要精细化控制，优化h13钢粉与合金添加剂的质量配比可保证所制备的成品质量及其质量稳定性。

9、优选的，所述合金添加剂为平均粒径在20-200nm的氮化钒、二硅化钼、碳化钛组成；所述氮化钒、二硅化钼、碳化钛的质量比为1：(0.8-1.2)：(0.6-0.8)。

10、通过采用上述技术方案，可促进基体中的v、n微合金化和c、v、氮化物析出，弥散相强化，起到强化、细化晶粒的作用，进而提升整体的力学强度、韧性、延展性和耐热冲击强度。

11、优选的，所述合金添加剂为平均粒径在20-200nm的氮化钒、二硅化钼、氮化钛组成；所述氮化钒、二硅化钼、氮化钛质量比为1：(0.8-1.2)：(0.8-1.5)。

12、通过采用上述技术方案，可促进基体中的v、n微合金化和c、v、氮化物析出，弥散相强化，起到强化、细化晶粒的作用，进而提升整体的力学强度、韧性、延展性和耐热冲击强度。与氮化钒、二硅化钼、碳化钛组成的合金添加剂体系相比，氮化钒、二硅化钼、氮化钛组成的合金添加剂体系降低了碳含量，整体的硬度稍有降低，但是整体的韧性、延展性和耐热冲击性有了进一步的改善，此外，本合金添加剂配方所制备的成品在后期的时效等温+离子渗氮处理后的硬度提升更为明显，耐磨性能更好些。

13、优选的，所述模具钢的制备方法，包括以下步骤：

14、步骤一，上机前准备，装夹基材，确保装夹平整；

15、步骤二，向供粉平台内加烘干的球形合金粉，插实并将供粉平台周边的球形合金粉末铺平压实，然后安装与调平刮刀；

16、步骤三，铺粉，使首层球形合金粉均匀铺在基板上且厚度不超过0.03mm，然后安装吸粉方管，清洁成型室；

17、步骤四，调整3d打印工艺参数，激光功率250-600瓦，激光扫描速度800-1200毫米每秒，光斑直径为0.06-0.12mm，熔池间距在0.08-0.15mm之间，吹风功率在30-40％之间，平台温度在120-200℃之间；

18、步骤五，通入高纯惰性气体使得成形仓内的氧气含量低于0.1％，加载数据，逐层打印得，得模具件。

19、通过采用上述技术方案，通过3d打印技术可制备得到复杂结构的模具。

20、第二方面，本技术提供的一种用于提高模具钢强韧性的热处理工艺，是通过以下技术方案得以实现的：

21、一种用于提高模具钢强韧性的热处理工艺，包括以下步骤：

22、s1，前预热处理；

23、s2，淬火处理：调整温度至1040-1100℃，保温80-120min，气体淬火以5-50℃/min快速降温至380-400℃；

24、s3，回火处理两次：以3.0-8.0℃/min调整温度至600-660℃，维持90-100min，以5-10℃/min降温至200-240℃，开炉自然冷却，再次回火处理后冷却至室温，得强韧模具钢件。

25、本技术所提供的热处理方法相对简单，所采用的热处理设备相对常规，易于实现工业化生产，且可保证同批次制件的质量稳定性，所生产的h13钢制模具质量和质量稳定性更优，更易于市场接受，易于推向市场。

26、优选的，所述s1，前预热处理具体如下：s1.1，加热至480-520℃保持20-40min，以5-12℃/min升温至1000-1020℃，保温8-10h，风冷快速降温至380-400℃；s1.2，球化退火，调整温度至760-780℃，保温100-150min，再调整温度至840-860℃，保温90-100min，出炉，自然冷却至室温。

27、本技术的s1.1通过正火高温处理可使得组织的均匀化和碳化物溶解，且该温度段下不易发生晶粒粗化现象，同时使得原组织中碳化物部分溶解，仅保留一部分未溶碳化物质点，利于后续s1.2的球化处理，基体上均匀分布更多球状小颗粒fe3c或碳化物，即球状碳化物的颗粒越小，分布越均匀，易得良好的球化组织，进而保证所制备h13钢制模具的质量。

28、优选的，所述s2，淬火处理：以2.0-6.0℃/min升温至480-520℃，保温5-10min，以6.0-12.0℃/min调整温度至1040-1100℃，保温90-100min，气体淬火以40-80℃/min快速降温至400℃，再进行回火出炉。

29、本技术提供优化淬火工艺参数，使得基体为粒状珠光体组织的同时减少带状偏析及大块未溶碳化物，改善整体的拉伸、屈服强度，使得制备h13钢制模具的力学性能接近于常规固溶失效处理的模具钢的力学性能。

30、优选的，所述s3中的强韧模具钢件进行离子渗氮处理，调整温度480-520℃，保温时间8-10h，同时通入氮氢混合气体，氮氢混合气体中氢气和氮气的体积比为(5-10):(40-45)。

31、本技术中通过等温时效处理同时进行等离子渗氮处理，可进一步改善h13钢制模具的表面硬度，降低表面的摩擦系数，提升整体的耐磨性能。

32、综上所述，本技术具有以下优点：

33、1、本技术中提供的3d打印技术制备的模具钢与常规固溶失效处理的模具钢力学性能相近，克服了3d打印h13模具钢力学性能相对较差的缺陷，为3d打印技术生产高质量异形h13模具奠定基础，提升整体h13钢制模具质量。

34、2、本技术所提供的热处理方法相对简单，所采用的热处理设备相对常规，易于实现工业化生产，且可保证同批次制件的质量稳定性，所生产的h13钢制模具质量和质量稳定性更优，更易于市场接受，易于推向市场。