[发明专利]增材制造用工具钢粉末、工具钢及该工具钢的制备方法

说明书

本发明公开了一种增材制造用工具钢粉末，主要由工具钢原料粉末进行配料、熔炼、制粉、分筛、时效热处理后获得的，工具钢原料粉末中铜的质量含量为1.5wt％‑8wt％。本发明的制备方法：先制备工具钢粉末；在对粉末实施时效处理后对工具钢粉末进行增材制造，将增材制造得到的合金在1050‑1200℃下固溶处理0.5‑3h，然后再进行二次时效热处理，即得到工具钢。本发明的工具钢中添加适量的过固溶铜元素，其硬度、耐磨性都有明显的提高。

技术领域

本发明属于工具钢材料领域，尤其涉及一种增材制造用工具钢粉末、工具钢及该工具钢的制备方法。

背景技术

金属增材制造包括选择性激光熔化技术、直接金属激光烧结成型技术、选择性激光烧结技术及电子束熔化成型技术是近年出现的主流金属快速成形技术，是快速原型制造的最新发展形式之一。金属增材制造，利用高能量激光束或电子束将成形材料熔化，材料融化后在软件程序驱动下，自动按设计工艺完成各切片的凝固，使材料重新结合起来形成金属零件。

增材制造过程粉末的烧结能力决定了最终合金或部件的性能。现有技术通常是在已商业化的传统铸造合金的基础上，通过不同的制粉工艺已调整粉末粒度、粒度分布、氧含量、球形度等参数来研发适合于增材制造的合金粉末。然而，一般合金如工具钢，由于粒度小、比表面积大，粉末表面通常是以合金氧化物的形式存在，由于氧化物一般较致密，在高温下需要较高的能量对其破坏才能实现粉末的烧结与致密化。对于电子束增材制造过程，由于表面氧化物的电荷积聚效应，工艺调节不当还会引起所谓的“起雾现象”，不仅增加增材制造合金缺陷，也会破坏设备或电子枪的真空系统。传统粉末在增材制造过程中，电子束或者激光烧结对粉末的照射或烧结时间有限，由于表面氧化膜的存在，难以在颗粒间形成液相，阻碍了粉末间元素的扩撒，致使烧结不足，部件有大量的烧结缺陷或孔洞，降低部件的力学性能或使用寿命。因此，如何开发出合适的粉末成分、结构，使颗粒间优先形成液相，促进颗粒间元素的快速扩散是解决当今增材制造技术的关键之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种增材制造用工具钢粉末、工具钢及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种增材制造用工具钢粉末，由工具钢原料粉末进行配料、熔炼、制粉、分筛、时效热处理后获得的，所述工具钢原料粉末中铜的质量含量为1.5wt％-8wt％。申请人通过反复研究和实验验证发现，当工具钢粉末中铜含量低于1.5wt％时，时效处理后于颗粒表面很难得到足够的铜，对工具钢粉末的烧结性能促进不大；当铜含量高8wt％时，铜析出量太多，破坏颗粒表面形貌，导致粉末流动性下降，对增材制造不利；同时，铜含量高于8wt％时，增材制造过程中铜会大量析出，且析出物会聚集长大，对工具钢的性能促进作用不明显，甚至会恶化工具钢性能。

上述的工具钢粉末，优选的，所述工具钢原料粉末是在5CrNi4Mo工具钢、H13工具钢、M2工具钢或S136工具钢的成分基础上添加铜后得到的。

上述的工具钢粉末，优选的，所述时效热处理的温度为250-600℃，时间为0.5-5h。申请人通过反复研究和实验验证发现，经过合适温度和合适时间的时效处理，可使大量的铜析出于颗粒表面的晶界及其他缺陷处，当温度低于250℃时，由于铜的扩散系数很低，难以在粉末颗粒表面形成足够量的铜，当温度高于600℃时，粉末之间会由于析出的铜之间的扩散发生粘结，致使粉末流动性下降。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种工具钢的制备方法，包括以下步骤：

(1)先将工具钢原料粉末进行配料、熔炼、制粉、分筛、一次时效热处理，得到工具钢粉末；所述一次时效热处理的温度为250-600℃，时间为0.5-5h；所述工具钢原料粉末中铜的质量含量为1.5wt％-8wt％；