CN115026305B - 一种4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法，其包括以下步骤：1)对4Cr5Mo2SiV模具钢的待沉积区域进行前处理；2)将4Cr5MoSiV1模具钢粉末和W6Mo5Cr4V2高速钢粉末混合和干燥制成制造材料，根据待沉积区域的硬度要求确定制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量、激光功率和扫描速度，再对待沉积区域进行激光金属沉积形成沉积层；3)对沉积层进行铣削加工和打磨。本发明可以通过调整4Cr5MoSiV1模具钢粉末和W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的比例对沉积层的性能进行精确控制，沉积层的组织致密、缺陷少、强度和硬度较高，增材制造效果好，具有广阔的应用前景。

Description

一种4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法。
背景技术
热作模具钢服役时往往伴随着温度和机械载荷的循环变化，在热机载荷产生的交变应力的周期性作用下，模具表面一些大应力区域会产生局部塑性变形，经历裂纹萌生和扩展过程后疲劳失效。大型模具的生产制造周期长、成本昂贵，对模具进行局部修复和强化有利于延长模具的使用寿命，提高材料的利用率，具有极高的经济价值。
Mo元素在合金钢中的主要作用包括：1)Mo具有较强的碳化物形成能力，其形成的碳化物分散在基体中可以使较低含碳量的合金钢基体也具有较高的硬度和耐磨性；2)Mo可以使合金钢C曲线右移，可以极大地提高合金钢的淬透性；3)Mo能够阻止奥氏体化的晶粒粗大，可以提升合金钢的高温强度；4)Mo自身不向奥氏体晶界偏聚的同时还可以阻止Cr和一些其它的杂质元素向奥氏体晶界偏聚，可以防止或减轻由于偏聚而导致的回火脆性。综上可知，Mo可以提高合金钢在常温下的硬度和强度，还可以显著提高合金钢的高温强度以及在一定程度上提升合金钢的耐磨性能，因此近些年来Mo模具钢得到了广泛应用。
4Cr5Mo2SiV模具钢是一种在常规4Cr5MoSiV1钢的基础上通过提高Mo含量(从1.10％～1.75％提升至2.15％～2.40％)和降低V含量(从0.80％～1.20％降低至0.45％～0.90％)而得到的优质热作模具钢，其在抗热疲劳龟裂、抗热冲击开裂、抗热磨损、抗塑性变形等方面的性能更加优异，成为大型高端压铸、热锻、热挤压模具用钢的最佳选择。然而，即使是由具有优异抗热疲劳龟裂性能的4Cr5Mo2SiV模具钢制成的模具，其在长期使用过程中也仍然会出现局部裂纹，需要进行修复、强化或进一步制造。
目前，对含模具钢进行强化或修复的方法通常包括电弧焊、热喷涂、电刷镀等，这些方法通常都存在会产生热变形及残余应力大、效率低、组织性能不均匀等问题，难以完全满足实际应用需求。
因此，开发一种制造效果好的4Cr5Mo2SiV模具钢增材制造方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法包括以下步骤：
1)对4Cr5Mo2SiV模具钢的待沉积区域进行前处理；
2)将4Cr5MoSiV1模具钢粉末和W6Mo5Cr4V2高速钢粉末混合和干燥制成制造材料，根据待沉积区域的硬度要求确定制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量、激光功率和扫描速度，再对待沉积区域进行激光金属沉积形成沉积层；
3)对沉积层进行铣削加工和打磨。
优选的，步骤1)所述前处理的操作包括：通过砂纸将待沉积区域打磨至表面粗糙度Ra值≥3.2，再进行清洗。
优选的，所述打磨采用400#～800#的砂纸。
优选的，所述清洗采用无水乙醇。
优选的，步骤2)所述混合在混合机转速为40rpm～100rpm的条件下进行，混合时间为2h～8h。
优选的，步骤2)所述干燥在60℃～100℃下进行，干燥时间为2h～4h。
优选的，步骤2)所述制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量、激光功率和扫描速度通过如下所示的拟合公式计算得到：
H＝7588-2.178×P-17×S-258.833×M+0.005142×P×S+0.089×P×M+0.5852×S×M+0.001972×P2-0.000203×P×S×M，
式中，H为待沉积区域要求的硬度，单位为HV0.3；
P为激光功率，单位为W；
S为扫描速度，单位为mm/min；
M为制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量。
优选的，步骤2)所述激光功率为1800W～3200W。
优选的，步骤2)所述扫描速度为300mm/min～800mm/min。
优选的，步骤2)所述待沉积区域的硬度分为三级：
一级硬度为420HV0.3～520HV0.3，对应的制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量为0％～15％；
二级硬度为520HV0.3～630HV0.3，对应的制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量为15％～25％；
三级硬度为630HV0.3～710HV0.3，对应的制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量为25％～45％。
注：根据待沉积区域的硬度等级确定制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量时，W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量优先选取中间值，且取整数，例如：三级硬度为630HV0.3～710HV0.3，对应的制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量便取35％。
优选的，步骤2)所述4Cr5MoSiV1模具钢粉末通过气雾法制备而成，粒径为50μm～150μm。
优选的，步骤2)所述4Cr5MoSiV1模具钢粉末包括以下质量百分比的组分：
C：0.32％～0.45％；
V：0.80％～1.20％；
Cr：4.75％～5.50％；
Mo：1.10％～1.75％；
Mn：0.20％～0.50％；
Si：0.80％～1.20％；
S：≤0.03％；
P：≤0.03％；
Fe：余量。
优选的，步骤2)所述W6Mo5Cr4V2高速钢粉末通过气雾法制备而成，粒径为30μm～120μm。
优选的，步骤2)所述W6Mo5Cr4V2高速钢粉末包括以下质量百分比的组分：
C：0.80％～0.90％；
W：5.50％～6.75％；
Mo：4.50％～5.50％；
Cr：3.80％～4.40％；
V：1.75％～2.20％；
Mn：0.15％～0.40％；
Si：0.20％～0.45％；
S：≤0.03％；
P：≤0.03％；
Fe：余量。
优选的，步骤3)所述铣削加工和打磨的具体操作为：通过铣削加工去除沉积层表面的氧化层和一定厚度的沉积金属，再进行打磨，使4Cr5Mo2SiV模具钢工件的形状尺寸和粗糙度都满足使用要求。
本发明的有益效果是：本发明可以通过调整4Cr5MoSiV1模具钢粉末和W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的比例对沉积层的性能进行精确控制，沉积层的组织致密、缺陷少、强度和硬度较高，增材制造效果好，具有广阔的应用前景。
具体来说：
1)本发明通过调整4Cr5MoSiV1模具钢粉末和W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的比例，再结合与其适配的激光功率和扫描速度，可以实现沉积层性能的精确控制(W6Mo5Cr4V2高速钢粉末中含有4.50％～5.50％的Mo，其可以增加沉积层的Mo含量，从而增加沉积层的强度和硬度，W6Mo5Cr4V2高速钢粉末中还含有5.50％～6.75％的W元素，W与Mo的作用基本相同，同样有利于沉积层性能的提升，W6Mo5Cr4V2高速钢粉末中的C含量为0.80％～0.90％，高于4Cr5Mo2SiV模具钢，C固溶在4Cr5Mo2SiV模具钢中，可以提高4Cr5Mo2SiV模具钢的硬度和强度)；
2)本发明在4Cr5Mo2SiV模具钢待沉积区域形成的沉积层的组织致密、缺陷少、强度和硬度较高(抗拉强度为1400MPa～2000MPa，屈服强度为800MPa～1200MPa，表层维氏硬度为470HV0.3～710HV0.3)，增材制造(作用包括修复、强化或进一步制造)效果好。
附图说明
图1为实施例1和实施例2中的4Cr5MoSiV1模具钢粉末的扫描电镜图。
图2为实施例1和实施例2中的W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的扫描电镜图。
图3为步骤2)中的沉积层的截面的金相图。
图4为步骤2)中的沉积层与4Cr5Mo2SiV模具钢基体结合部位的扫描电镜图。
图5为实施例1中的4Cr5Mo2SiV模具钢基体和沉积层的拉伸曲线。
图6为实施例2中的4Cr5Mo2SiV模具钢基体和沉积层的拉伸曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1和实施例2中的4Cr5MoSiV1模具钢粉末(扫描电镜图如图1所示)通过气雾法制备而成，粒径为50μm～150μm，中值粒径为100μm，各组分的质量百分比为：C：0.35％；V：1.00％；Cr：5.05％；Mo：1.35％；Mn：0.32％；Si：0.95％；S：≤0.03％；P：≤0.03％；Fe：余量。
实施例1和实施例2中的W6Mo5Cr4V2高速钢粉末(扫描电镜图如图2所示)通过气雾法制备而成，粒径为30μm～120μm，中值粒径为75μm，各组分的质量百分比为：C：0.85％；W：6.55％；Mo：5.02％；Cr：4.28％；V：1.87％；Mn：0.33％；Si：0.24％；S：≤0.03％；P：≤0.03％；Fe：余量。
实施例1：
一种4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法(用于强化4Cr5Mo2SiV模具钢，要求沉积层的厚度达到3mm，硬度达到670HV0.3～700HV0.3)，其包括以下步骤：
1)采用400#的砂纸对4Cr5Mo2SiV模具钢(平板状)表面的待沉积区域进行打磨至表面粗糙度Ra值为3.2，再用无水乙醇进行清洗；
2)将4Cr5MoSiV1模具钢粉末和W6Mo5Cr4V2高速钢粉末按照质量比65:35加入转筒混粉机后以60rpm的转速混合4h，再转移至真空烘干箱中60℃烘6h，得到制造材料，再在激光功率为3000W、扫描速度为400mm/min的条件下对待沉积区域进行激光金属沉积3层制造材料，形成沉积层；根据如下所示的拟合公式计算得到制造材料中4Cr5MoSiV1模具钢粉末的质量百分含量为35％、激光功率为3000W(取整数)、扫描速度为400mm/min：
H＝7588-2.178×P-17×S-258.833×M+0.005142×P×S+0.089×P×M+0.5852×S×M+0.001972×P2-0.000203×P×S×M，式中，H为待沉积区域要求的硬度，单位为HV0.3；P为激光功率，单位为W；S为扫描速度，单位为mm/min；M为制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量；
3)待4Cr5Mo2SiV模具钢冷却至室温，再通过铣削加工去除沉积层表面的氧化层和一定厚度的沉积金属，再进行打磨，使4Cr5Mo2SiV模具钢工件的形状尺寸和粗糙度都满足使用要求。
性能测试：
1)步骤2)中的沉积层的截面的金相图如3所示，沉积层与4Cr5Mo2SiV模具钢基体结合部位的扫描电镜(SEM)图如4所示。
由图3和图4可知：沉积层无明显孔洞和裂纹，热影响区较小，与基体形成了良好的冶金结合。
2)本实施例中的4Cr5Mo2SiV模具钢基体和沉积层(LMD)的拉伸曲线如图5所示。
由图5可知：沉积层具有较高的强度和硬度，抗拉强度和屈服强度分别达到1925MPa和1193MPa，对比4Cr5Mo2SiV模具钢基体提升了32％和23％。
此外，经测试，沉积层表层的维氏硬度达到696HV0.3，对比4Cr5Mo2SiV模具钢基体提升了46％，且其硬度值在要求范围670HV0.3～700HV0.3之内。
实施例2：
一种4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法(用于修复4Cr5Mo2SiV模具钢，要求沉积层的厚度达到6mm，硬度达到640HV0.3～660HV0.3)，其包括以下步骤：
1)通过铣削加工去除4Cr5Mo2SiV模具钢模具(表面有裂纹)裂纹底部以下2mm、中心以外3mm的4Cr5Mo2SiV模具钢，铣削区域确定为待沉积区域，再用400#的砂纸将铣削区域打磨至表面粗糙度Ra值为3.2，再用无水乙醇对铣削区域进行清洗；
2)将4Cr5MoSiV1模具钢粉末和W6Mo5Cr4V2高速钢粉末按照质量比70:30加入转筒混粉机后以50rpm的转速混合4h，再转移至真空烘干箱中80℃烘2h，得到制造材料，再在激光功率为2800W、扫描速度为400mm/min的条件下对待沉积区域进行激光金属沉积6层制造材料，形成沉积层；根据如下所示的拟合公式计算得到制造材料中4Cr5MoSiV1模具钢粉末的质量百分含量为30％、激光功率为2800W(取整数)、扫描速度为400mm/min：
H＝7588-2.178×P-17×S-258.833×M+0.005142×P×S+0.089×P×M+0.5852×S×M+0.001972×P2-0.000203×P×S×M，式中，H为待沉积区域要求的硬度，单位为HV0.3；P为激光功率，单位为W；S为扫描速度，单位为mm/min；M为制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量；
3)待4Cr5Mo2SiV模具钢模具冷却至室温，再通过铣削加工去除沉积层表面的氧化层和一定厚度的沉积金属，再进行打磨，使4Cr5Mo2SiV模具钢工件的形状尺寸和粗糙度都满足使用要求。
性能测试：
本实施例中的4Cr5Mo2SiV模具钢基体和沉积层(LMD)的拉伸曲线如图6所示。
由图6可知：沉积层具有较高的强度和硬度，抗拉强度和屈服强度分别达到1821MPa和1140MPa，对比4Cr5Mo2SiV模具钢基体提升了24％和18％。
此外，经测试，沉积层表层的维氏硬度达到657HV0.3，对比4Cr5Mo2SiV模具钢基体提升了38％，且其硬度值在要求范围640HV0.3～660HV0.3之内。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对4Cr5Mo2SiV模具钢的待沉积区域进行前处理；
2)将4Cr5MoSiV1模具钢粉末和W6Mo5Cr4V2高速钢粉末混合和干燥制成制造材料，根据待沉积区域的硬度要求确定制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量、激光功率和扫描速度，再对待沉积区域进行激光金属沉积形成沉积层；
3)对沉积层进行铣削加工和打磨；
步骤2)所述制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量、激光功率和扫描速度通过如下所示的拟合公式计算得到：
H＝7588-2.178×P-17×S-258.833×M+0.005142×P×S+0.089×P×M+0.5852×S×M+0.001972×P2
-0.000203×P×S×M，
式中，H为待沉积区域要求的硬度，单位为HV0.3；
P为激光功率，单位为W；
S为扫描速度，单位为mm/min；
M为制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量。
2.根据权利要求1所述的4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法，其特征在于：步骤1)所述前处理的操作包括：通过砂纸将待沉积区域打磨至表面粗糙度Ra值≥3.2，再进行清洗。
3.根据权利要求1所述的4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法，其特征在于：步骤2)所述混合在混合机转速为40rpm～100rpm的条件下进行，混合时间为2h～8h；步骤2)所述干燥在60℃～100℃下进行，干燥时间为2h～4h。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法，其特征在于：步骤2)所述待沉积区域的硬度分为三级：
一级硬度为420HV0.3～520HV0.3，对应的制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量为0％～15％；
二级硬度为520HV0.3～630HV0.3，对应的制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量为15％～25％；
三级硬度为630HV0.3～710HV0.3，对应的制造材料中W6Mo5Cr4V2高速钢粉末的质量百分含量为25％～45％。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法，其特征在于：步骤2)所述4Cr5MoSiV1模具钢粉末通过气雾法制备而成，粒径为50μm～150μm。
6.根据权利要求5所述的4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法，其特征在于：步骤2)所述4Cr5MoSiV1模具钢粉末包括以下质量百分比的组分：
C：0.32％～0.45％；
V：0.80％～1.20％；
Cr：4.75％～5.50％；
Mo：1.10％～1.75％；
Mn：0.20％～0.50％；
Si：0.80％～1.20％；
S：≤0.03％；
P：≤0.03％；
Fe：余量。
7.根据权利要求1～3中任意一项所述的4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法，其特征在于：步骤2)所述W6Mo5Cr4V2高速钢粉末通过气雾法制备而成，粒径为30μm～120μm。
8.根据权利要求7所述的4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法，其特征在于：步骤2)所述W6Mo5Cr4V2高速钢粉末包括以下质量百分比的组分：
C：0.80％～0.90％；
W：5.50％～6.75％；
Mo：4.50％～5.50％；
Cr：3.80％～4.40％；
V：1.75％～2.20％；
Mn：0.15％～0.40％；
Si：0.20％～0.45％；
S：≤0.03％；
P：≤0.03％；
Fe：余量。
9.根据权利要求1～3中任意一项所述的4Cr5Mo2SiV模具钢的增材制造方法，其特征在于：步骤3)所述铣削加工和打磨的具体操作为：通过铣削加工去除沉积层表面的氧化层和一定厚度的沉积金属，再进行打磨，使4Cr5Mo2SiV模具钢工件的形状尺寸和粗糙度都满足使用要求。
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