一种铜合金及其应用的制作方法

1.本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种3d打印制备模具用的铜合金及其应用。


背景技术：

2.注塑模具是当代制造业中不可或缺的特殊基础工业装备。在电子、汽车、仪器、家电和通讯等产品中，60-80％的零部件都要依靠模具成型。而模具制造工艺将直接影响到使用效益，特别是其中的模具冷却效率及均匀性等对模具寿命、生产效率和产品质量影响重大。
3.传统的家电注塑件模具是采用特殊钢材或铝材作为膜材制得的。其中不锈钢(如p20模具钢)具有拉伸强度(1200-2000mpa)和硬度高、使用寿命较长的优点，但导热率过低(20w/m*k)，导致在对模具进行加热或冷却处理时处理时间较长，进而拉长整个注塑周期，降低了注塑产能。而铝材虽具有优异的导热率(70-150w/m*k)，但强度较低(300-500mpa)，难以满足某些对挤压强度要求较高的模具的使用要求。
4.近年来，金属3d打印技术已开始得到更多的实际应用，如模具制造领域。3d打印技术制造模具的步骤为：以金属粉末为原料，通过激光热熔的方式一层一层将粉末熔融在基座表面，逐层的实现特殊形状的模具制件。然而铝材制得的金属粉末易与空气中氧气发生反应产生爆炸，存在生产安全问题，不适合3d打印工艺。而随着注塑件工艺的发展，对模具的导热性越来越高，不锈钢因热导率较低、模具换热速度较慢而难以满足实际生产需求。
5.因此，如何突破现有材料的限制，满足金属3d打印工艺及模具后续处理要求，成为3d打印技术在模具制备应用中的关键技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的第一方面提供一种铜合金材料，其兼具较高的热导率、拉伸强度、屈服强度及硬度，且可作为金属粉末用于金属3d打印模具工艺中。
7.本发明提供的铜合金为cu-ni-si系铜合金，以重量百分比计，其成分为：ni 1.8-3.0wt％，si 0.5-0.8wt％，cr 0.5-0.8wt％，余量为铜及不可避免的杂质。
8.众所周知，铜的热导率极高(397w/m*k)，但质地较软，并不适合模材，难以保证模具的力学性能。为此，现有技术提出选用铜镍合金作为基体，利用陶瓷增强相起到弥散强化的作用，同时作为形核剂增加形核以细化晶粒，从而提高铜模具刚度、硬度和耐磨性，但该方法导致热导率相对较低。此外，还有研究表明通过在cu-ni-si系铜合金中添加ce和cr阻碍合金晶粒长大，从而细化晶粒，提高合金时效后的抗拉强度、屈服强度及塑性，但该方法会导致硬度降低。
9.在经过深入研究后，本发明提出选择铜镍硅合金作为基体，通过控制ni、si与cr在合金中的含量范围及彼此之间的含量匹配关系，可在不显著降低铜镍硅合金的热导率的前提下，显著提高铜模材的拉伸强度、屈服强度及硬度。本发明所述的铜合金材料可制成金属
粉末用于3d打印模具工艺，且由其制得的模具在进行冷却或加热处理时处理时间较短，大大提高了模具的生产效率；同时所得模具又能够满足注塑件生产时对模具的挤压强度要求，延长了模具的使用寿命，节约了注塑件制备成本，取得了预料不到的技术效果。
10.试验表明，本发明所得铜合金的热导率均值约为160w/m*k，拉伸强度的均值约为597mpa，屈服强度的均值约为550mpa，硬度的均值约为207mpa；而常规铜镍硅合金(cr含量0-0.5％)的热导率均值为161w/m*k，拉伸强度的均值为382mpa，屈服强度的均值约为269mpa，硬度的均值为141mpa。比较可知，本发明所得铜合金的热导率与原有铜镍硅合金无明显差异，但拉伸强度、屈服强度和硬度得到显著提升，解决了上述技术问题。
11.为了进一步提高铜合金的综合性能，本技术对合金各组分的用量关系进一步研究。
12.根据本发明的一些实施例，所述cr的含量控制为0.6-0.8％。研究表明，在ni、si含量控制在上述范围的前提下，通过提高cr含量有利于进一步提高铜合金的拉伸强度和屈服强度，且不实质影响铜合金的热导率。
13.根据本发明的一些实施例，控制所述cr与ni的质量比为(0.2-0.3)：1。研究表明，在ni、si含量控制在上述范围的前提下，控制cr与ni的质量比在此范围内有利于进一步提高铜合金的拉伸强度和屈服强度，且不实质影响铜合金的热导率。
14.根据本发明的一些实施例，控制所述cr与si的质量比为(0.8-1.2)：1。研究表明，在ni、si含量控制在上述范围的前提下，控制cr与si的质量比在此范围内有利于进一步提高铜合金的拉伸强度和屈服强度，且不实质影响铜合金的热导率。
15.根据本发明的一些实施例，控制所述si与ni的质量比为(0.2-0.35)：1。研究表明，在ni、cr含量控制在上述范围的前提下，控制si与ni的质量比在此范围内可较大程度的保持铜合金的热导率。
16.根据本发明的一些实施例，所述ni的含量为2.0-2.5％，控制所述cr、si与ni的质量比(0.25-0.3)：(0.25-0.35)：1。研究表明，通过控制cr、si与ni的质量比在此范围内可显著提高铜合金的综合性能。
17.本发明的第二方面提供一种铜合金粉末，其由上述铜合金制得。所述铜合金粉末不仅具有良好的热导率，而且还具有优异的拉伸强度、屈服强度和硬度，可满足金属3d打印模具技术对模材的要求。
18.所述铜合金粉末可通过本领域常规合金粉末的制备工艺制得，如气雾化制粉法。
19.本发明还对所述铜合金粉末的粒度进行研究。研究表明，所述铜合金粉末的粒度控制在15-53μm，有助于熔融粉末均匀地逐层固定在基座表面，获得致密地、特定形状的模具件。
20.优选地，控制所述铜合金粉末中氧含量不超过100ppm，可使所得模具表面无裂纹产生，同时提高模具强度。
21.本发明第三方面提供一种注塑模具及其镶件，其使用上述铜合金制得或使用铜合金粉末通过金属3d打印模具工艺制得。
22.本发明所得注塑模具及其镶件具有优异的导热性，其加热或冷却处理时间较短，大大提高了注塑效率及注塑产能；而且所得模具还具有较高的拉伸强度、屈服强度和硬度，满足注塑件生产时对模具的挤压强度要求，大大延长了模具的使用寿命。本发明所得注塑
模具及其镶件可用于电子、汽车、仪器、家电和通讯等产品的零部件的模具成型工艺中，特别适用于家电类，以满足家电类注塑模具、吸塑模具中集热区域的散热要求。
23.本发明所述注塑模具及其镶件是通过金属3d打印模具工艺获得的，控制所述金属3d打印模具工艺的打印密度在8.80-8.90g/cm3范围，以确保所得模具在具有较高的热导率的同时还具有较高的拉伸强度、屈服强度及硬度。
24.本发明的有益效果下：
25.本发明选择cu-ni-si系铜合金作为金属3d打印模具工艺的基础合金材料，并在此基础上通过添加cr、调整ni、si和cr在合金中含量及彼此之间比例匹配关系，在保证所得铜合金保持良好热导率的同时显著提高其拉伸强度、屈服强度和硬度。
26.采用本发明所述的铜合金制备注塑模具及其镶件时，由于其良好的导热性，可显著缩短模具加热或冷却处理的时间，提高注塑产能；同时由于其具有较高的拉伸强度、屈服强度和硬度，可满足注塑件生产时对模具的挤压强度要求，延长了模具使用寿命，节约生产成本。此外，采用本发明所述的铜合金粉末用于金属3d打印模具工艺时，工艺更安全，不会发生爆炸等危险事故。
具体实施方式
27.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
28.实施例1
29.本实施例提供一种铜合金，以重量百分比计，其成分为：ni 2.4wt％，si 0.6wt％，cr 0.6wt％，余量为铜及不可避免的杂质。
30.实施例2
31.本实施例提供一种铜合金，以重量百分比计，其成分为：ni 2.8wt％，si 0.5wt％，cr 0.8wt％，余量为铜及不可避免的杂质。
32.实施例3
33.本实施例提供一种铜合金，以重量百分比计，其成分为：ni 2.0wt％，si 0.8wt％，cr 0.5wt％，余量为铜及不可避免的杂质。
34.对比例1
35.本对比例提供一种的常规钢材：p20模具钢，为市售产品。
36.对比例2
37.目前市售铜镍硅合金成分为：5％～30％ni、0.1％～3％si，余量为铜和其他元素和杂质；其中镍和硅形成ni2si化合物，镍与硅的质量比为4：1。
38.本对比例提供一种铜镍硅合金，以重量百分比计，其成分为：ni 5.0wt％，si 0.8wt％，cr 0.02wt％，余量为铜及不可避免的杂质。
39.效果验证
40.1、对实施例1-3及对比例1-2所得铜合金的性能进行测试，测试方法采用本领域常用检测方法。结果如下。
41.表1铜合金性能测试结果
[0042][0043]
结果显示，相比对比例2的常规铜镍硅合金，实施例1-3所得铜合金仍旧保持较高的热导率，但拉伸强度、屈伸强度及硬度均得到显著提高，因此可替代模具钢，作为对模具强度要求不较高的金属3d打印模具工艺的模材。
[0044]
对比例3
[0045]
本对比例提供一种铜合金，与实施例1的区别仅在于ni的含量过高，为3.5％。
[0046]
结果显示：所得铜合金的强度得到显著提高，但热导率显著降低，不适用作模具材料。
[0047]
对比例4
[0048]
本对比例提供一种铜合金，与实施例1的区别仅在于cr的含量过高，为1.0％。
[0049]
结果显示：所得铜合金的强度得到显著提高，但热导率显著降低，不适用作模具材料。
[0050]
对比例5
[0051]
本对比例提供一种铜合金，与实施例1的区别仅在于si的含量过高，为1.0％。
[0052]
结果显示：所得铜合金的强度得到显著提高，但热导率显著降低，不适用作模具材料。
[0053]
实施例4
[0054]
本实施例提供一种铜合金粉末，其通过下述方法制得：
[0055]
以实施例1-3所得铜合金为原料，采用常规气雾化制粉法制得铜合金粉末；所述铜合金粉末的粒度为15-53μm，控制所述铜合金粉末中氧含量不超过100ppm。
[0056]
实施例5
[0057]
本实施例提供一种利用金属3d打印模具工艺制得的注塑模具，其采用实施例4所得铜合金粉末为模材；并控制打印密度为8.80-8.90g/cm3。
[0058]
所得注塑模具兼具较高的热导率、拉伸强度、屈服强度及硬度，其表面无裂纹产生。
[0059]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。