1 開發(fā)背景與目的
近年來，增材制造（AM）在復雜形狀壓鑄模具中的應用不斷推進。通過AM制作的壓鑄模具，可有效縮短制造周期。此外，隨著近終形技術(shù)的發(fā)展，省略切削加工工序，不僅能縮短模具制作工期，而且在制造單個零件時還能降低電力消耗。因此，從實現(xiàn)碳中和這一角度來看，利用AM制作壓鑄模具應用前景廣闊。 壓鑄模具一般使用代表性的熱作模具鋼SKD61。然而，在快速冷卻凝固的AM工藝中，由于成形時會發(fā)生淬火現(xiàn)象，SKD61淬火硬度過高，約為54HRC，冷卻時產(chǎn)生的熱應力容易出現(xiàn)成形裂紋。因此，將AM應用于壓鑄模具時，常使用超低碳鋼且成形后硬度較低、不易產(chǎn)生成形裂紋的馬氏體時效鋼。與SKD61鋼相比，馬氏體時效鋼含有較多的Ni和Co等固溶元素，因此，影響模具冷卻能力的熱導率較低。由此可見，熱導率和成形性之間存在此消彼長的關(guān)系。 為了突破這種制約關(guān)系，山陽特鋼開發(fā)了比SKD61具有更高熱導率和優(yōu)異成形性的熱作模具鋼（S-MEC?40D、S-MEC?34D），以及比通用馬氏體時效鋼熱導率更高的馬氏體時效鋼（S-MEC?24M）。S-MEC?作為一種為AM壓鑄模具開發(fā)的鋼種，兼顧了優(yōu)秀的熱傳導性和成形性。 2 技術(shù)內(nèi)容與特征
AM過程中，由于激光照射的每個微小區(qū)域都會反復進行局部熔化和快速冷卻凝固，可以省略諸如淬火和固溶處理等傳統(tǒng)上必要的熱處理工序。與熔煉鋼材相比，能夠減少提高淬透性的元素，并且也無需考慮在固溶處理時避免脆性相的問題?；谏鲜鲈O(shè)想，從適配AM工藝的合金元素最佳含量這一角度出發(fā)，進行了成分調(diào)整。 2.1 壓鑄模具用金屬AM熱作模具鋼“S-MEC?40D、S-MEC?34D” S-MEC?40D和S-MEC?34D以SKD61為基礎(chǔ)，針對AM工藝對合金元素進行了優(yōu)化。試驗所使用的AM合金粉末通過氣體霧化法制備，經(jīng)篩分分級后，選取粒徑為10-53μm的粉末。利用這些粉末，通過金屬增材制造設(shè)備（EOS M290）制作了各類試樣。另外，在評估熱導率和抗軟化性能時，進行了兩次回火處理，條件為600℃、1h，隨后空冷。 2.2 壓鑄模具用金屬AM無鈷馬氏體時效鋼“S-MEC?24M” 通用馬氏體時效鋼（相當于18NiGradeC）含有約9%的Co，而Co屬于特定化學物質(zhì)。將其作為粉末處理時，需要在室內(nèi)作業(yè)場所采取擴散抑制措施，如安裝局部排氣裝置等。因此，通過對無鈷馬氏體時效鋼進行成分優(yōu)化，開發(fā)出一種具有優(yōu)異成型性和高導熱率的材料。粉末通過氣體霧化法制備，經(jīng)分級得到粒度在10-53μm的粉末后，使用金屬增材制造設(shè)備（EOS M280）制作各種材料特性試樣。隨即使用經(jīng)過時效熱處理的試樣，對熱導率、硬度、夏比沖擊值進行評估。另外，為研究時效硬度的溫度依賴性，測量了成型后以及在480-630℃時效狀態(tài)下的硬度。 3 適用范圍及生產(chǎn)實例
相關(guān)試驗結(jié)果證實，S-MEC?40D和S-MEC?34D具有高熱導率和出色的成型性。其機械性能與SKD61相當甚至更優(yōu),適用于壓鑄模具的增材制造用熱作模具鋼。此外，S-MEC?24M在保持與傳統(tǒng)馬氏體時效鋼同等機械性能的同時，彌補了馬氏體時效鋼熱導率的不足。這幾種粉末在汽車制造商、模具制造商以及各服務(wù)機構(gòu)的評估進展順利，部分用戶已決定正式將其應用于量產(chǎn)。
