[发明专利]一种MC和Laves相强化的高导热增材制造模具钢

说明书

本发明公开了一种MC和Laves相强化的高导热增材制造模具钢，包括以下按重量百分比计的组分：C0.1～0.2wt％和强碳化物形成元素M0.6～2.3wt％，余量为Fe；其中，强碳化物形成元素M与C的摩尔比为1：1.0～1.55。该材料包括Fe、C和M，C与M形成MC碳化物，Fe和M形成Fe₂M‑Laves相；通过调整M/C＝1.0～1.55，使合金中同时析出MC碳化物和Fe₂M‑Laves相，最大限度降低合金中固溶元素的含量，所以材料同时具有高的热导率和硬度；同时，通过降低C含量，经过实验证实能减少3D打印时模具钢开裂的情况，使合金具有良好的3D打印工艺性能。

技术领域

本发明涉及模具钢技术领域，具体涉及一种MC和Laves相强化的高导热增材制造模具钢。

背景技术

材料的热导率是模具钢冷却效果的决定因素，也是模具材料的关键物理性能，它关系着能否快速成型和提高生产效率。例如国内现有的热冲压生产线采用的模具材料通常是H13钢，热导率仅为25W/m·K，冲压节拍慢，每分钟只能获得2～3个冲压件，而国外采用的高导热模具材料每分钟冲压节拍下能获得6～7个冲压件，因此较大的导热系数能加快冲压节拍，显著提高生产效率。在注塑模具领域中，为了解决传统注塑模具在注塑成型生产过程中冷却耗时长的问题，常见的改善方法有增加隔水片、增加导热针、缩短冷却水路长度等来改善模具水路设计；近年来，随着增材制造技术的发展，基于3D打印技术制造随形冷却水道注塑模具已经受到越来越多的关注。然而，目前市场上3D打印塑料模具钢，如CX和MS1等，热导率通常都在20W/m·K以下，尽管采用了随形冷却水道，但材料的固有特性对于冷却效率的提升具有“天花板”般的限制，对于缩短产品生产周期、减少翘曲变形、加快产品交货期不利。

另一方面，尽管现在也有大量的研究工作致力于高导热模具钢的开发，并成功使模具钢的热导率大幅提高，如日本开发的SDCM-S和西班牙公司开发的HTCS-130等，SDCM-S和HTCS-130在100C下的热导率分别可达47W/m·K和60W/m·K，但是该类模具钢由于具有较高的C含量，使其在3D打印过程中往往会形成较大的内应力，最终出现严重的变形或开裂现象。综上所述，现有的模具钢中，难以兼具高热导率和打印性能。

发明内容

为了克服现有模具钢热导率和3D打印性能不可兼得的问题，本发明的目的在于提供一种MC和Laves相强化的高导热增材制造模具钢，通过降低C含量来提高合金的打印性能，同时调整C与碳化物形成元素之间的摩尔比例来提高合金的热导率和硬度，最终使设计出来的模具钢热导率≥40W/m·K、硬度≥40HRC，且具备3D打印工艺性能，从而开发高导热和打印性能兼具的模具钢。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种MC和Laves相强化的高导热增材制造模具钢，包括以下按重量百分比计的组分：C0.1～0.2wt％和强碳化物形成元素M，余量为Fe；其中，强碳化物形成元素M与C的摩尔比为1：1.0～1.55。

C与M形成MC碳化物，但由于C含量减少，所以需要添加更高的M，Fe和M形成Fe₂M-Laves相来提高增材的硬度。在模具钢成分设计时，为了使合金兼具高的热导率、3D打印工艺性能和硬度，需要使MC碳化物和Fe₂M-Laves相同时析出，因此保持M/C＝1.0～1.55之间。因为当合金完全采用析出强化方式时，固溶在基体中的溶质原子越少，合金的热导率越高。

进一步，所述MC和Laves相强化的高导热增材制造模具钢还包括Cr和/或Mo，Cr为0～2wt％和Mo为0～2wt％。Cr是不锈钢中提供耐蚀性的主要元素，一定含量的Cr添加可以提高合金的耐蚀性；但Cr含量过高会使合金的热导率显著下降，因此从合金耐蚀性与热导率综合考虑，Cr的含量不超过2wt％。Mo能提高不锈钢的抗点蚀能力，同时也能提高合金的抗高温软化性能，但是过高的Mo固溶在基体中会降低合金的热导率，Mo的含量不超过2wt％。