03
Oct 2025
Meltio: 在積層製造中使用工具鋼
工具鋼是現代製造業中的關鍵材料：旨在承受最嚴苛的工業應用中展現極端應力、抗高溫和磨損能力。從壓鑄到射出成型，工具鋼的性能對生產力和性能非常重要。 Meltio 不斷拓展積層製造的極限，提供越來越多可使用線材雷射金屬沉積 (LMD) 技術進行可靠列印的工具鋼。
本篇文章中，我們將探討我們測試過的材料，包括 H11、H12、H13、P20 和 M7，詳細介紹它們的機械性能、可列印性、案例和熱處理建議，以幫助大家針對不同應用選擇正確的解決方案。
目錄
工具鋼包括碳鋼、合金鋼或高速鋼，可硬化和回火；用於製造成型和切割其他材料的工具和模具。
這些鋼的馬氏體含量對於決定機械性能（例如硬度、耐磨性和抗衝擊性）非常關鍵。馬氏體由奧氏體相淬火而成，奧氏體相具有較高的碳溶解度。馬氏體主要可分為七類。
| 定義屬性 | AISI-SAE 等級 | 重要特性 |
| 水硬化 | W | |
| 冷加工 | O | Oil-hardening |
| A | Air-hardening; medium alloy | |
| D | High Carbon; high chromium | |
| 耐衝擊 | S | |
| 高速 | T | Tungsten base |
| M | Molybdenum base | |
| 熱加工 | H | H1-H19: chromium base |
| H20-H39: tungsten base | ||
| H4-–H59: molybdenum base | ||
| 塑膠模具 | P | |
| 特殊功能 | L | Low alloy |
| F | Carbon tungsten |
我們的主要和最常列印的工具鋼是 H11，歸類為 Meltio 材料。除了 H11，其他相容和測試過的材料還包括 H12、H13、H17、P20 和 M7等。
H11工具鋼是最常用的工具鋼之一。它是一種熱作鋼，由於其抗熱疲勞開裂和高溫磨損性能，用於製造鍛造、壓鑄、擠壓和塑膠模具等熱作工具。
這種合金具有很強的耐磨性、抗變形性和耐熱性，成為包覆或雙材料應用的優良選擇。 H11 具有優異的可焊性，可用於形成緻密且結合良好的塗層。
在3D列印過程中，H11材料會達到硬化狀態。在這種狀態下，材料的可加工性會受到影響，並且由於延展性降低，開裂風險很高。因此，通常需要進行熱處理循環，但對於熔覆應用或小部件添加，這種硬化狀態可能有益。
理想的循環應該從將零件從列印平台上取下之前進行退火步驟開始。退火後，材料會軟化並消除內部應力，再進行加工。加工完成後，零件應進行淬火和適當的回火循環，以達到所需的硬度。
雖然它不是我們列印速度最快的材料（藍光雷射 150 g/hr，紅外線雷射 141 g/hr），但它是市場需求量最大的材料之一，最終用戶對結果的滿意度很高。 下面提供了該材料的一系列參考標準。
| 鍛造 (ASTM 1472) | 紅外線雷射 | ||
| 列印完 | 熱處理完 | ||
| 抗拉強度 [MPa] | 1990 | 1830 | 2087 |
| 抗拉強度 [MPa] | 1650 | 1170 | 1735 |
| 伸長率 [%] | 10 | 3.46 | 12.18 |
| 硬度 [HRC] | 53 | 52 | 51 |
顯微鏡結果由外部實驗室從 10x10x60 mm 列印試塊中獲得，遵循 ASTM E3-11：2017 標準並確保正確準備和檢查微觀結構。
另一方面，關於斷層掃描測試，附上了使用紅外線雷射對樣品進行 CT 掃描的結果，結果顯示沒有可檢測到的空隙或缺陷，分辨率為每像素 24 μm。
許多市場需求源自於客戶尋求使用這種鋼材進行雙材料列印或增強屬性。因此，了解 H11 沉積在 316 不鏽鋼零件上的列印特性非常重要。我們採用元素 (EDX) 譜圖來顯示兩種材料的稀釋度。
測量了材料轉變過程中的硬度，結果顯示單層熔覆層足以實現良好且穩定的性能。
本分析基於一塊尺寸為 30x60x20 mm 的列印試塊，並使用了「驗證密度參數化」技術。使用放電加工技術從列印塊中萃取樣品。硬度測試依照 UNE-EN ISO 6507-1 標準進行，並由外部實驗室進行分析。
| 硬度 [HV10] | 距離 [mm] | 材質 |
| 670 | 2.1 | Tool Steel H11 工具鋼 |
| 620 | 1.4 | |
| 630 | 0.6 | |
| 440 | 0 | Interlayer 內層 |
| 200 | -0.7 | Stainless Steel 316-LSi |
| 200 | -1.4 | |
| 200 | -1.8 | |
| 200 | -2.2 | |
| 200 | -3.1 |
我們的一個應用案例是使用 H11 工具鋼以單線配置生產射出成型嵌件。這些嵌件通常由實心塊加工而成，但會產生大量材料浪費，並且需要較長的交付週期，尤其對於複雜的幾何形狀零件而言。
利用 Meltio LMD 技術，可以以積層製造的方式製造出接近其最終形狀的插件，從而減少材料使用和加工時間。這種方法對於客製化外掛程式或小批量生產特別有效，可提供更大的靈活性，同時又不影響塑膠射出應用所需的機械性能。圖片展示了已經在列印底板上的加工結果。
另一方面，由於模具產業對 Meltio 技術的興趣日益濃厚，我們目前正在開發列印不同材料組合的參數，如圖所示。我們已經開發了採用 H11 材質製成的幾何形狀，並整合了冷卻通道和 CuCrZr 材質的嵌件。
與 H11 相比，H12 具有更佳的耐磨性和在長時間高溫條件下更穩定的性能，儘管它犧牲了一些韌性。它略高的碳含量、較低的鉻含量以及鎢的添加有效提高了硬度和熱穩定性，如應用更注重於耐熱性和耐磨性而抗衝擊強度或延展性為次要特性的話，H12是個理想選擇。
典型用途包括先進高強度鋼的熱成型工具、玻璃或耐熱塑料的模具以及燒結或粉末冶金中使用的模具，任何在高溫下保持形狀和硬度都非常重要的應用。
H12 也是在熱環境中面臨磨損工具的首選，例如用於腐蝕性合金的擠壓鑲件或用於熱沖壓的模具組件。
H13 是最廣泛使用的熱作工具鋼之一，因為它具有均衡的韌性、抗熱疲勞性和硬度。
與 H11 和 H12 相比，其釩和鉬含量更高，使它在反覆加熱和冷卻循環下具有出色的抗熱衝擊性和更好的耐磨性。這種平衡使 H13 特別適合面臨快速溫度變化和機械應力的工具，而不會犧牲尺寸穩定性或使用壽命。
I由於 H13 具有強大的抗開裂和抗熱裂性能，它也是製造芯銷、嵌件和其他需要反覆熱循環零件的熱門選擇。此種材料在各種熱能和機械條件下的多功能性和可靠性，使它已成為世界各地熱作模具的首選材料。
P20 是一種預硬化工具鋼，常用於低熔點合金的塑膠射出成型和壓鑄。由於生產完已進行過淬火和回火處理（通常約為 30 至 36 HRC），因此加工後無需進行熱處理，使加工過程更快捷、更簡單。
它均衡的性能（中等硬度、良好的機械加工性和適當的韌性）使 P20 成為不需要極強耐熱或耐磨性的中型到大型模座和組件的絕佳選擇。
P20 通常用於塑膠射出模具型腔、型芯插件、鋁或鋅壓鑄模具以及尺寸精度和易於加工的模具結構。
雖然它不適合高溫或高磨蝕性條件，但它在通用工具中表現可靠，在成本、可製造性和機械性能之間實現了實用的平衡。
M7 是一種鉬基高速鋼 (HSS) 系列的高速工具鋼。與應用更廣泛的 M2 相比，M7 含有更多的碳和釩，使其具有更高的熱硬度和更佳的刃口保持性。這使得它成為兼具耐熱性和耐磨性的高性能切削刀具的理想選擇。
即使在極熱的溫度下它也能保持硬度，適合進行高速加工而不會導致工具磨損過快。
當您需要比 M2 更好的性能，但又不想增加成本或承受 M42 等富鈷鋼的脆性時，M7 是個不錯的選擇。M7 常見用途包括麻花鑽、立銑刀、拉刀、鉸刀、沖頭以及需要高抗壓強度和耐用性的冷作模具。
與 HSS 系列的其他成員一樣，M7 在硬度和韌性之間實現了良好的平衡，因此工具可以承受切削力和偶爾的衝擊而不會發生損壞。
材料效率: 零件可以列印成近淨形狀，大幅減少原材料的使用。
縮短交期: 可直接快速列印工裝組件。
多種材料應用: Meltio 的多材料功能允許將工具鋼與其他金屬結合。
提高設計彈性: 可以將共形冷卻流道或插入件的客製化幾何形狀等複雜特徵直接列印至零件中。
按需提供工具和維修件: 公司內無需庫存備件，而是可以在需要時列印和修理工具組件。
優越的材料性能:列印零件經過後處理後，可以達到或超過傳統製造工具鋼的機械性能。
憑藉這些優勢，Meltio 的積層製造將徹底改變工具鋼製造業，使製造過程更有效率、更具成本效益。
W-LMD 技術生產的零件具有卓越的微觀結構，密度高達 99.998%，超越了鑄件的性能，可與鍛造件相媲美。
列印品質優良的高性能工具鋼的能力為尋求更短交貨時間、材料效率和設計自由度的製造商開闢了新的可能性。
無論您是使用 H11 增強零件，使用 H12 列印耐熱模具，還是使用 P20 優化模具鑲件，Meltio 的技術都能讓您充分發揮這些合金的潛力。隨著我們不斷測試和驗證更多材料，我們的目標是為各行各業提供積層解決方案，在不影響強度、耐用性和靈活性的情況下，提供實際性能和成本節約。
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