[发明专利]一种高强度高热导率钢材料及热处理工艺、应用

说明书

本发明公开了一种高强度高热导率钢材料，其成分按重量百分比计包括：C0.05‑0.1％，Ni2.5‑3.4％，Al0.3‑0.8％，Cu1‑1.3％，Mn1‑1.5％，Si0‑0.1％，Mo0.45‑1.5％，Cr0‑0.33％，V0‑0.1％，余量为Fe。本发明还公开了上述高强度高热导率钢材料的热处理工艺，包括如下步骤：S1、取各原料熔炼浇铸得到铸件；S2、将铸件进行固溶处理，淬火，再于475‑525℃保温时效处理0.5‑8h得到高强度高热导率钢材料。本发明还公开了上述高强度高热导率钢材料的应用。本发明强韧性好、热导率高，可用于高热导率模具、SLM成型。

技术领域

本发明涉及模具钢技术领域，尤其涉及一种高强度高热导率钢材料及热处理工艺、应用。

背景技术

增材制造又称3D打印，是一种通过将材料从下往上逐步堆积来制造零部件的快速材料成型技术。增材制造技术作为制造业发展新方向的代表，已经被世界上较多的国家作为本国制造业长期发展战略中的关键技术之一。近几年来，由于增材制造技术的快速发展，已经成为了制造行业和材料加工领域的前沿研究热点之一，在军工、汽车、航空航天、模具、医疗、建筑德国领域的应用愈发广泛。此外，用于增材制造的材料也越来越多，从最初的非金属、钢、钛合金和铝合金发展到陶瓷材料、高熵合金、高温合金以及复合材料等。

选区激光熔化(Selective lasermelting，SLM)技术作为增材制造技术的重要组成部分，其原理是通过使用高能量的激光束按照预先设定的扫描策略逐层熔化粉末床上特定位置的粉末来制造出所需的零部件。因此，SLM技术可以突破传统加工方法的限制，实现了快速自由制造零部件的目的，且成型出的零部件不进行后续处理的情况下即可达到几乎完全致密，且成型件由于组织分布均匀、晶粒细小的特点力学性能可与铸锻件相当，在制造复杂结构零件方面具备极大优势，这使得SLM技术成为了发展潜力极为巨大的快速成型(Rapid prototyping,RP)技术之一。

模具被称作“万业之母”，在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等领域应用广泛，模具制造技术的水平直接关系到一个国家研发和生产制造工业产品的能力。随着科学技术的快速发展和人们生活水平的日益提高，社会各群体对模具制造的产品提出了更高的要求，各模具制造厂商之间的竞争也日益激烈，这就更加加快了模具制造方面的发展速度，传统加工方法制造出的模具已经无法满足模具制造厂家对优质、高效、长寿模具的需求，随形冷却模具取代普通模具已成为必然。然而使用传统的加工方法制造随性冷却水道模具往往存在工序多、成本高、成型精度低、成本高甚至难加工的问题，而SLM技术由于自身成型方式的原因而具备传统加工方法所不具备的特点，可以制备出形状结构复杂的随形冷却水道模具，这意味着SLM技术制备出的模具能够具备更均匀的散热能力，零件成型周期将会明显缩短，产生可观的社会经济效益。目前市场上应用于SLM模具制备的材料主要是马氏体时效钢和马氏体时效不锈钢，但是这些钢为了获得2GPa的超高强度而添加的大量的合金元素，这就导致了这些钢的热导率普遍低于20W/(mK)，这代表着模具的生产效率将会受到极大的限制。目前市场急需开发出一种高强度高导热率的钢，以提高模具的生产效率，实现生产效率的提升，并使其能适用于SLM成型。

早在20世纪60年代，由于生产生活的需要，人们开始对铸铁的热导率进行研究，但是高热导率模具钢的兴起却是在近几年，作为一种新型的高性能模具钢种，高热导率模具钢的最大特点就是其高于传统模具钢的热传导性能，能够显著提高模具开模的效率并且减少产生热裂现象的概率。国外的高热导率模具钢主要是日本大同公司的DHA-Thermo和西班牙ROVALMA公司的HTCS系列钢，HTCS系列中以HTCS-130应用最为广泛，国内的高热导率模具钢则有上海大学研发的SDCM钢种。表1是通过文献调研得到的几种高热导率模具钢的化学成分组成。

表1几种高热导率模具钢和H13钢化学成分(wt％)