国産レーザー3Dプリント技術を用いたマルテンサイト系金型鋼の製造が進展

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-11-24 12:04 に最後に編集されました。

金型はすべての産業の母です。現在、国内の金型鋼は国内の金型産業のニーズを完全に満たすことができません。毎年、中高級金型を中心に約25％の金型を海外から輸入する必要があります。その理由の一つは、国産合金鋼は種類、品質、サイズ規格、性能の面で、依然として国際先進レベルとの間に一定の隔たりがあることです。このギャップは、特にハイエンド金型鋼市場においてチャンスでもあります。これまで、国産品が占める市場シェアはごくわずかでしたが、この市場は国内金型業界の発展のトレンドとなり、潜在的な市場は巨大です。南極熊と皆様は、粉末床レーザー3Dプリント技術による中国のマルテンサイト系金型鋼製造の進歩に注目します。

粗粒度の問題を解決する<br /> 金型鋼は、冷間金型鋼、熱間金型鋼、プラスチック金型鋼の3つに大別され、鍛造、スタンピング、切削、ダイカストなどに使用されます。各種の金型は用途が異なり、作業条件も複雑なため、金型鋼は製造される金型の作業条件に応じて、高硬度、強度、耐摩耗性、十分な靭性、高焼入れ性、焼入れ性などの加工特性を備えている必要があります。

従来の機械加工の後、金型は通常、焼入れと焼戻し処理を受けます。金型の形状は非常に複雑なため、より高い硬化性、より小さな変形、より低い割れ傾向が求められます。従来の方法で金型を製造する場合、生産サイクルが長い、金型の硬化性が低い、焼入れ中に金型が割れて廃棄されるなどの課題があります。

本発明は、既存の成形技術における複雑なプロセス、高コスト、および高いスクラップ率の問題を解決することを目的としている。 3D Science Valleyは、南京航空航天大学がレーザー加工のプロセスパラメータを調整することで成形金型の粗粒化の問題を改善し、機械的特性を向上させたことを知りました。 Mn、Ni、Crなどの合金元素を使用して過冷却オーステナイトを安定化させることで、レーザー加工の極めて高い冷却速度で均一なマルテンサイトが得られ、その後の「焼き入れ」工程が不要になります。レーザー加工が完了したら、成形型をコンベアで真空熱処理室に送り、内部応力を解放する焼き戻し工程を完了します。

具体的には、中国南方航空のレーザー 3D プリントマルテンサイト型鋼の製造における技術的特徴には、粉末の準備、レーザープリントのプロセス制御、および後熱処理が含まれます。

ケース1
粉末の準備：鉄粉に同じ大きさ、形のMn、Ni、Cr粉末を加えます。鉄粉の平均粒径は60μmで、加えるMn、Ni、Cr粉末の質量率はそれぞれ2.0％、4.0％、1.2％です。金属粉末が均一に混合されたら、乾燥炉に入れて8時間乾燥させます。

レーザー印刷プロセス制御:

ガス制御：まず真空パイプと真空ポンプを開いてある程度まで排気し、次に保護ガスとしてアルゴンを成形キャビティに導入します。導入されたアルゴンの濃度は 99.99% 以上です。真空引きと保護ガスの充填をそれぞれ3回繰り返し、成形キャビティ内の酸素含有量を8ppmの濃度範囲内に制御した。

レーザーとプロセス制御：使用されるレーザースポット径は 60μm です。レーザースキャンモードは「S字直交千鳥」スキャンであり、同時に成形金型の2次元モデルの外側輪郭に裏溝加工を施す。レーザースキャン速度は350mm/s、レーザージャンプ速度は3500mm/s、レーザー出力は70W、スキャン間隔は60μm、この時のレーザー線エネルギー密度ηは200J/mである。成形シリンダーが毎回落下する高さは25μmです

後熱処理：成形金型はコンベア装置によって真空熱処理室に送られ、低温焼戻し処理後に炉で室温まで冷却されます。低温焼戻し処理温度は300℃、加熱速度は10℃/分、処理時間は5.5時間で、その後炉で室温まで冷却されます。これにより、均一かつ微細な焼戻しマルテンサイト組織を有する成形金型が得られる。
画像：上記のプロセスの後、中国南方航空が取得したマルテンサイト系金型鋼の微細組織写真ケース2：

添加したMn、Ni、Cr粉末の質量パーセントはそれぞれ2.2%、4.2%、1.1%に変更し、レーザー出力は62.5W、スキャン速度は250mm/s、レーザー線エネルギー密度ηは250J/mとした。その他の処理条件はケース1と同じです。

下図に示すように、ケース 2 の加工条件では、得られた焼戻しマルテンサイト組織は均一で微細な特性を持つだけでなく、新しい絡み合い構造も持ち、成形金型の機械的特性をさらに向上させるのに役立ちます。
画像：上記のプロセスを経て、NPUはマルテンサイト系金型鋼の微細構造写真を入手しました。もちろん、粉末の準備、レーザー加工プロセス制御、その後の熱処理に加えて、NPUの研究には、レーザースキャン速度Vが溶融池の過冷却と凝固速度に与える影響、冷却速度が急冷効果とマルテンサイト相変態に与える影響、相変態応力と熱応力が格子定数に与える影響など、より繊細で厳密な研究も含まれています。3Dサイエンスバレーはここでそれらについて一つ一つ詳しく説明しません。伝統的な加工技術において、高級金型鋼の原材料は長い間、わが国の金型開発を制限する欠点であったことは、考える価値があります。3Dサイエンスバレーは、3Dプリント技術が製造技術と新素材の研究を組み合わせることで、材料のブレークスルーから製造プロセスまで、金型製造に新たなアイデアと開発スペースが開かれたと考えています。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
実用的なヒント - 3D プリントされたプラスチック金型と従来の機械加工金型の比較

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