增材制造在冷作模具领域的应用

2021-12-22 17:05:00

金属增材制造正迅速成为塑料注射成型工具制造的一项成熟技术，但是对于冷作模具行业，这些应用的增材制造是否也有市场？

随着对轻量化产品的需求不断增加，越来越多的高级高强度钢板被使用。这对用于冲压、成型和修整钣金零件的工具钢以及零件的质量提出了更高的要求，因此不存在可能危及产品零件使用和寿命的毛刺或应力集中。然而，增材制造技术在这种模具应用中会有什么用处呢？

用于热作模具的增材制造 (AM) 工具市场正在增长，例如用于高压压铸的模具。

使用 GE Additive Arcam 的电子束熔化 (EBM) 工艺为冷作工具钢的增材制造提供了新的可能性。

冷作工具钢最重要的特性是良好的耐磨性。耐磨性通常是通过硬化微观结构内的大量碳化物来实现的。碳化物的形成由特定的合金元素驱动并受碳含量控制。因此，冷作工具钢牌号是高合金钢牌号，碳含量高。

这种高合金含量使冷作工具钢难以在增材制造中进行加工。主要问题是由这些合金在快速凝固过程中的高裂纹敏感性引起的，如在焊接中，这就是为什么冷作工具钢是不可焊接的材料，这使得基于粉末床熔融原理（使用高能束进行熔化）的增材制造技术变得难以实行。此外，凝固和后续热处理过程中的偏析效应会导致碳化物的不均匀分布，这会导致磨损性能变差，应该加以预防。

以上种种问题使得很难加工此类牌号的钢种，尤其是针对基于激光的AM技术。此外，一般需要预热到相当高的温度的钢种牌号也是难以加工的，这对于最常见的激光粉末床AM技术的应用来说可能是一个问题。然而，使用 GE Additive Arcam 的电子束熔化 (EBM) 工艺为冷作工具钢的增材制造提供了新的可能性。

GE Additive Arcam EBM 生态系统、Spectra H EBM 系统、粉末处理和粉末回收解决方案。

EBM是一种热AM工艺，电子束可以具备两种功能，如果它是偏焦的，则用于加热，如果它是聚焦的，则用于熔化。这样就有可能在加工过程中控制和保持一定的温度，以防止裂纹的形成。

此外，EBM是一种真空工艺，为材料和粉末提供保护，防止污染。精确的工艺控制确保了所需合金的化学成分保持在其规格范围内。熔化过程中的高凝固率导致了精细和均匀的微观结构，这对于碳化物的形成和分布都是必要的。

为了释放EBM在冷作工具钢中的潜力，Uddeholm和 GE Additive 开发了 UddeholmVanadis 4 Extra 粉末材料用于EBM打印。UddeholmVanadis 4 Extra Superclean 是铬钼钒合金钢，最初是作为 PM 级开发的，现已改进并适应 EBM 工艺。保留了PM版本的优良材料特性，并兼备优异的耐磨性和良好的韧性，优于 D2一类传统冷作工具钢。

通过在EBM 加工和随后的热处理过程中使用正确的条件，可以获得具有精细分散的碳化钒的硬化微观结构，从而提供优异的耐磨性和良好的韧性。Uddeholm Vanadis 4 Extra的硬度达到64 HRC，抗压强度为2700 MPa，韧性为20J。加工过的EBM 材料也在冲压和压花操作中进行了测试，其中工具的磨损性能和生产零件的质量都与 Vanadis 4Extra PM 级非常相似。