[发明专利]一种铜合金及其应用

说明书

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种铜合金及其应用。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。本发明通过在Cu‑Ni‑Si系铜合金中添加Cr，并控制Ni、Si及Cr之间含量匹配关系，使所得铜合金在保持较高热导率的同时，其拉伸强度、屈服强度及硬度得到显著提升，且可作为模材金属粉末用于金属3D打印模具工艺中。采用本发明所述的铜合金制备注塑模具，可显著缩短模具加热或冷却处理的时间，提高模具生产效率，而且满足了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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。