CN108179295A - 一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属模具制备相关技术领域，并公开了一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法，其包括：建立模具三维几何模型，然后将该三维几何模型输入至3D打印设备中，同时生成二维切片轮廓的扫描模型；将铜基粉末和陶瓷增强相粉末混合均匀；对混合粉末进行干燥处理，然后3D打印获得成型模具，并执行退火和分离处理；将成型模具执行固溶处理、淬火处理和时效处理，从而获得所需的随形冷却模具铜产品。通过本发明，可显著提高陶瓷增强相在铜基体中的均匀分布特性，同时起到弥散强化的作用，此外这些陶瓷相也可作为形核剂来增加形核以细化晶粒，从而提高铜质模具刚度、硬度和耐磨性等。

Description

一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法
技术领域
本发明属于金属模具制备相关技术领域，更具体地，涉及一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法。
背景技术
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。模具制造工艺直接影响使用效益，其中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。随形冷却流道相较于直孔水道构成的传统冷却系统，其形状均匀贴近型腔表面，可极大地提升冷却效率和冷却均匀性，但是目前传统机加工与电火花加工无法制造。
更具体而言，由于冷却流道的部署和创建的限制，难以有效冷却具有深槽和薄壁的模具。目前一些研究人员已致力于将传统的模具材料转向高热传导材料领域。在模具材料中，铜的热导率极高，是H13热导率的几十倍，极具模具制造潜力。但由于铜质地较软，难以保证模具的刚性和持久性，极大限制了铜在高端模具中的应用，因此有必要对该材料进行增强。
现有技术中已经提出了一些铜基合金的增强方法。例如，CN105200265A公开了一种TiB2增强的铸造青铜合金以及制造该合金的方法，其中披露了向铜合金熔体中加入TiB2颗粒，并采用冶炼法来制备复合材料；又如，CN105256169A中公开了一种高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料及其制备方法，其中披露向铜合金中加入一定比例的纳米碳化硅，并经搅拌、熔炼、铸造等步骤获得复合材料。
然而，进一步的研究表明，上述现有铜基合金增强方法仍然具备以下的不足或缺陷：首先，在冶炼或熔炼处理的实际过程中，不仅材料利用率偏低，而且还存在组织和成分偏析等问题，特别是陶瓷相分布往往并不均匀，导致会显著降低增强效果；其次，现有方案中对陶瓷相对铜基的作用机理研究尚有不足，同时存在处理工艺复杂、效率偏低以及所获得的复合材料在刚度、硬度和耐磨性方面有待提高等问题。相应地，本领域亟需对此作出进一步的改进，以便更好地符合现代化铜基模具制造生产的更高质量和效率需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法，其中通过对陶瓷相与铜材料复合过程中的作用机理进行更深入的研究，并针对性重新设计整个工艺路线及关键工艺条件，相应不仅可充分利用陶瓷增强相的形核质点作用及激光加工的快速冷却效应来细化晶粒，而且较多的实际测试表明，可显著提高陶瓷增强相在铜基体中的均匀分布特性，同时起到弥散强化的作用，进一步提高增强效果，因而尤其适用于各类高质量、高效率制备铜质随形冷却流道模具的应用场合。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)针对待加工的随形冷却流道模具建立对应的三维几何模型，然后将该三维几何模型输入至3D打印设备中，同时生成二维切片轮廓的扫描模型；
(b)将质量比为10：1～99：1的纯铜或铜合金粉末和陶瓷增强相粉末相混合，然后在惰性气体保护下，通过球磨的方式使两者充分混合均匀；
(c)将通过步骤(b)处理后的混合粉末放到真空烘箱中进行干燥处理，然后将此混合粉末放入所述3D打印设备中，并根据所述扫描模型在基板上逐层制造，直至获得成型模具；
(d)将所获得的成型模具与基板一同取出，并在真空室内进行去应力退火处理，然后采用线切割工艺将成型模具与基板分离；
(e)将分离后的成型模具放在真空室内于760℃～810℃的温度下保温1h～2h完成固溶处理，然后对成型模具进行淬火处理，以此方式得到过饱和固溶体；接着，在320℃～380℃的温度下保温1h～3h完成时效处理，以此方式重新析出颗粒细小且分布均匀的强化相，从而获得所需的随形冷却模具铜产品。
通过以上构思，在对陶瓷相与铜材料复合过程中的作用机理进行更深入的研究基础上，一方面，所加入的陶瓷增强相可以降低激光在纯铜或铜合金粉末表面的反射，进一步提高激光吸收率，确保纯铜或铜合金粉末3D打印的可加工性和精确性；另一方面，3D打印层层堆积的制造特点反过来显著提高了陶瓷增强相在铜基体中的均匀分布特征，起到弥散强化的作用。此外，激光加工的快速冷却以及陶瓷相的形核质点作用在本发明中得到了很好的配合作用，进一步细化晶粒，使得所制造的随形冷却模具铜与现有产品相比在刚度、硬度和耐磨性等方面均有明显的提升。
作为进一步优选地，所述的纯铜或铜合金粉末优选呈现球形或近球形的粉末，并且其粉末粒径为15μm～55μm，含氧量均低于1000ppm。
作为进一步优选地，所述陶瓷增强相粉末优选以下物质的一种或多种组合：TiC、TiN、SiC、WC和TiB2，并且它的纯度为99.9％以上，粉末粒径优选为50nm～1μm。
作为进一步优选地，所述铜合金粉末优选为铍铜粉末、镍铜粉末或者铝铜合金粉末。
作为进一步优选地，在步骤(c)中，对所述3D打印的工艺参数优选设计如下：激光器选用光纤激光器，波长为1070±10nm，光斑直径0.1mm～0.15mm；激光功率为200W～300W，扫描速度600mm/s～900mm/s，扫描间距0.06mm～0.08mm，铺粉厚度0.02mm～0.05mm。
作为进一步优选地，在步骤(c)中，在执行3D打印之前，优选对基板进行预热处理，以降低加工过程中产生的热应力。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、本发明通过对陶瓷相与铜材料复合过程中的作用机理进行更深入的研究，并对整个工艺路线及关键工艺条件重新进行了设计，相应可获得复杂结构的纯铜或铜合金随形冷却流道模具，并且具有较高的成型精度，同时显著缩短了模具制造周期，节省制造成本；
2、本发明不仅加入了陶瓷增强相，而且对其与3D打印逐层激光熔化过程中的反应机理进行了针对性的设计，其中陶瓷增强相能够以降低激光在纯铜或铜合金粉末表面的反射，提高激光吸收率，而激光熔化逐层堆积的过程反过来实现了陶瓷增强相在铜基体上更为均匀的分布，起到很好的弥散强化作用；
3、此外，本发明还对3D打印成型后的具体处理操作进行了研究和改进，相应可同时利用激光加工的快速冷却以及陶瓷相的形核质点作用，显著提高晶粒的细化，从而提高铜质模具刚度、硬度和耐磨性等。
附图说明
图1是按照本发明的增强型随形冷却模具铜的快速制造方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的增强型随形冷却模具铜的快速制造方法的工艺流程图。如图1中所示，该方法主要包括以下的操作步骤：
首先，是3D打印扫描模型的建立步骤。
针对待加工的随形冷却流道模具建立对应的三维几何模型，然后将该三维几何模型输入至3D打印设备中，同时生成二维切片轮廓的扫描模型。
更具体地，例如可在计算机上建立具有随形冷却流道模具的三维几何模型，然后将所述模具三维模型转成STL格式并导入到3D打印设备中，切片软件自动将三维模型离散为若干二维切片，生成二维切片轮廓的扫描模型。
接着，是铜基粉末和陶瓷增强相粉末的混合步骤。
将质量比为10：1～99：1的纯铜或铜合金粉末和陶瓷增强相粉末混合，然后在惰性气体保护下，通过球磨的方式使两者充分混合均匀。
更具体地，可将上述配比范围内的纯铜或铜合金粉末和陶瓷增强相粉末混合，然后在譬如氮气的惰性气体保护下，采用球磨机进行球磨混合；使纯铜或铜合金粉末和陶瓷增强相粉末充分混合均匀，由此提高后续模具成形中陶瓷相在铜基体中的弥散分布程度；此外，上述配比的设计，实际测试表明可以实现陶瓷相在纯铜或铜合金粉末中最大程度的弥散分布，从而实现最好的强化效果。
接着，是3D打印获得成型模具、应力退火及分离等步骤。
具体而言，可将上述处理后的混合粉末放到真空烘箱中进行干燥处理，然后将此混合粉末放入所述3D打印设备中，并根据所述扫描模型在基板上逐层制造，直至获得成型模具。然后，将所获得的成型模具与基板一同取出，并在真空室内进行去应力退火处理，由此有效促使微裂纹愈合，消除结构缺陷，然后采用线切割工艺将成型模具与基板分离。
最后，是专门设计的后处理步骤。
将分离后的成型模具放在真空室内于760℃～810℃的温度下保温1h～2h完成固溶处理，然后对成型模具进行淬火处理，以此方式得到过饱和固溶体；接着，在320℃～380℃的温度下保温1h～3h完成时效处理，以此方式重新析出颗粒细小且分布均匀的强化相，从而获得所需的随形冷却模具铜产品。
更具体地，通过以上针对性设计的固溶处理和淬火处理，可以得到过饱和固溶体，为时效处理做好组织准备；与此同时，通过后续配合的时效处理，可以重新析出颗粒细小、分布均匀强化相，从而在铜中实现陶瓷相弥散强化和析出物强化的协同增强作用。
实施例1
首先，建立模具的三维模型，然后将该模型并进行分层切片处理，导入3D打印设备中。
接着，称取纯铜粉末2.0Kg，其中纯铜粉末为球形或近球形，粉末粒径分布在15μm～50μm之间，氧含量低于1000ppm；称取0.2Kg纯度在99.9％以上的TiN粉末，粉末粒径分布在50nm～1μm。在惰性气体中通过球磨机进行机械研磨。
接着，将基板水平固定在成型缸中，将混合粉末放到真空烘箱中干燥6h，然后送入激光选区熔化设备的送料装置中，再通入氩气保护气，并对基板进行预热处理。
接着，激光源为Yb光纤激光，波长为1070±10nm，光斑直径为0.13mm；激光功率200W，扫描速度650mm/s，扫描间距0.06mm，铺粉厚度0.03mm。在氩气保护下，根据加工模型，对纯铜和TiN混合粉末进行激光三维扫描成型。待制件冷却后，清除表面浮粉，得到与CAD模型一致形状的模具。
接着，将得到的成型模具连同基板一并取出，并对成型模具和基板进行去应力退火处理；去应力退火处理的退火温度为200℃，退火时间为2h。采用线切割工艺将成型模具与基板分离。
最后，将分离得到的模具，在真空炉中进行780℃固溶处理1h，淬火处理，再在340℃时效处理2h，得到表面质量较好、刚度、硬度和耐磨性较高的随形冷却流道纯铜模具。
实施例2
首先，建立模具的三维模型，然后将该模型进行分层切片处理，导入3D打印设备中。
接着，称取铍青铜合金粉末2.2Kg，其中纯铜粉末为球形或近球形，粉末粒径分布在15μm～45μm之间，氧含量低于1000ppm；称取0.1Kg纯度在99.95％以上的TiC粉末，粉末粒径分布在50nm～1μm。在惰性气体中通过球磨机进行机械研磨。
接着，将基板水平固定在成型缸中，将混合粉末放到真空烘箱中干燥6h，然后送入激光选区熔化设备的送料装置中，再通入氩气保护气，并对基板进行预热处理。
接着，激光源为Yb光纤激光，波长为1070±10nm，光斑直径为0.13mm；激光功率250W，扫描速度750mm/s，扫描间距0.07mm，铺粉厚度0.04mm。在氩气保护下，根据加工模型，对纯铜和TiC混合粉末进行激光三维扫描成型。待制件冷却后，清除表面浮粉，得到与CAD模型一致形状的模具。
接着，将得到的成型模具连同基板一并取出，并对成型模具和基板进行去应力退火处理；去应力退火处理的退火温度为180℃，退火时间为2.5h。采用线切割工艺将经成型模具与基板分离。
最后，将分离得到的模具，在真空炉里进行790℃固溶处理1.5h，淬火处理，再在350℃时效处理2.5h，得到表面质量较好、刚度、硬度和耐磨性较高的随形冷却流道铍青铜模具。
实施例3
首先，建立模具的三维模型，然后进行分层切片处理，导入3D打印设备中。
接着，称取锡青铜合金粉末19.8Kg，其中纯铜粉末为球形或近球形，分末粒径分布在20μm～50μm之间，氧含量低于1000ppm；称取0.2Kg纯度在99.99％以上的TiB2粉末，粉末粒径分布在50nm～1μm。在惰性气体中通过球磨机进行机械研磨。
接着，将基板水平固定在成型缸中，将混合粉末放到真空烘箱中干燥6h，然后送入激光选区熔化设备的送料装置中，再通入氩气保护气，并对基板进行预热处理。
接着，激光源为Yb光纤激光，波长为1070±10nm，光斑直径为0.15mm。激光功率300W，扫描速度850mm/s，扫描间距0.08mm，铺粉厚度0.05mm。在氩气保护下，根据CAD模型，对纯铜和TiB2混合粉末进行激光三维扫描成型。待制件冷却后，清除表面浮粉，得到与CAD模型一致形状的模具。
接着，将得到的成型模具连同基板一并取出，并对成型模具和基板进行去应力退火处理；去应力退火处理的退火温度为220℃，退火时间为3h。采用线切割工艺将成型模具与基板分离。
最后，将分离得到的模具，在真空炉里进行800℃固溶处理2h，淬火处理，再在360℃时效处理1.5h，得到表面质量较好、刚度、硬度和耐磨性较高的随形冷却流道纯锡青铜模具。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)针对待加工的随形冷却流道模具建立对应的三维几何模型，然后将该三维几何模型输入至3D打印设备中，同时生成二维切片轮廓的扫描模型；
(b)将质量比为10：1～99：1的纯铜或铜合金粉末和陶瓷增强相粉末混合，然后在惰性气体保护下，通过球磨的方式使两者充分混合均匀；
(c)将通过步骤(b)处理后的混合粉末放到真空烘箱中进行干燥处理，然后将此混合粉末放入所述3D打印设备中，并根据所述扫描模型在基板上逐层制造，直至获得成型模具；
(d)将所获得的成型模具与基板一同取出，并在真空室内进行去应力退火处理，然后采用线切割工艺将成型模具与基板分离；
(e)将分离后的成型模具放在真空室内于760℃～810℃的温度下保温1h～2h完成固溶处理，然后对成型模具进行淬火处理，以此方式得到过饱和固溶体；接着，在320℃～380℃的温度下保温1h～3h完成时效处理，以此方式重新析出颗粒细小且分布均匀的强化相，从而获得所需的随形冷却模具铜产品。
2.如权利要求1所述的一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法，其特征在于，所述的纯铜或铜合金粉末优选呈现球形或近球形的粉末，并且其粉末粒径为15μm～55μm，含氧量均低于1000ppm。
3.如权利要求1或2所述的一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法，其特征在于，所述陶瓷增强相粉末优选以下物质的一种或多种组合：TiC、TiN、SiC、WC和TiB2，并且它的纯度为99.9％以上，粉末粒径优选为50nm～1μm。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法，其特征在于，所述铜合金粉末优选为铍铜粉末、镍铜粉末或者铝铜合金粉末。
5.如权利要求1-4任意一项所述的一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法，其特征在于，在步骤(c)中，对所述3D打印的工艺参数优选设计如下：激光器选用光纤激光器，波长为1070±10nm，光斑直径0.1mm～0.15mm；激光功率为200W～300W，扫描速度600mm/s～900mm/s，扫描间距0.06mm～0.08mm，铺粉厚度0.02mm～0.05mm。
6.如权利要求1-5任意一项所述的一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法，其特征在于，在步骤(c)中，在执行3D打印之前，优选对基板进行预热处理，以降低加工过程中产生的热应力。
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