[发明专利]一种增强型随形冷却模具铜的快速制造方法

说明书

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。

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；