CN109207791B - 一种Cu基微晶合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Cu基微晶合金及其制备方法。以质量百分比计，本发明的Cu基微晶合金含有锰20‑30％，铝0.01‑10％，镍5‑10％，钛0.3‑1.5％，锆0‑1.5％，硅0.05‑2％和铜45‑74.64％。本发明提供的Cu基微晶合金在降低原材料成本的同时，具有良好的综合机械性能，具有较高的强度和硬度，并具有较高的断裂韧性，没有屈服现象；并且，该Cu基微晶合金熔点较低，具有良好的铸造性能；此外，相比一般Cu基微晶合金，该Cu基微晶合金表面较为光亮，色泽度好，有利于产品后期表观处理。

Description

一种Cu基微晶合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种Cu基微晶合金及其制备方法。

背景技术

非晶合金是一种新型合金材料，其内部结构中原子长程无序、短程有序排列，其XRD图谱为漫散的馒头峰而并无尖锐的峰出现。非晶合金中不存在晶体材料的晶界及位错等缺陷，并且表现出高强度、高硬度以及优异的耐腐蚀性。Zr基非晶合金表面的自润滑性使其具有极高的表观质量，在材料变形过程当中只发生弹性变形，表现为脆性断裂，并且Zr基非晶合金可实现一次成型，具有更大的设计自由度。但Zr基非晶合金存在如下缺点：首先，非晶合金在制备过程中对原材料纯度要求较高，并且非晶合金原材料中的Zr以及其他稀土元素都显著增加了原材料成本，并极大限制了其应用范围；其次，由于非晶合金没有晶体结构，不存在晶界及位错等特征，使得非晶合金的脆性较大、韧性降低、断裂延伸率较小；最后，非晶合金熔点较高，增加了熔炼难度。

Cu基微晶是一种结晶度很好，但存在大量纳米级别的晶粒，因而其XRD图谱除了会显示出尖锐的峰外还会出现宽而弥散的馒头峰。Cu基微晶合金的出现解决了现有非晶合金的脆性大、成本高的问题，并且保留了非晶合金原有的高强性能，显著增加了材料的韧性并且明显降低了产品成本。但由于Cu基微晶合金中晶体结构的存在，相对于非晶合金，Cu基微晶合金的强度较差，硬度偏低。此外，由于其较低的屈服强度，Cu基微晶合金在变形过程中塑性变形较大，其所制备出的产品质软并且容易变形。并且，和非晶合金一样，Cu基微晶合金熔点也偏高，增加了熔炼难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能介于Zr基非晶合金和现有Cu基微晶合金之间、兼具两者优点的Cu基微晶合金，该Cu基微晶合金在满足合金产品力学性能要求的同时降低了原材料成本及制备问题，并增加了合金的断裂韧性，改善了色泽度。

根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种Cu基微晶合金，以该Cu基微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，该Cu基微晶合金含有以下元素：

根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种Cu基微晶合金，以Cu基该微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，该Cu基微晶合金含有以下元素：

根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种Cu基微晶合金的制备方法，该方法包括将Cu基微晶合金原料先后进行熔炼和铸造，其中，所述Cu基微晶合金原料的组成使得得到的Cu基微晶合金为本发明所述的Cu基微晶合金。

本发明提供的Cu基微晶合金在降低原材料成本的同时，具有良好的综合机械性能，具有较高的强度和硬度，成型性好，并具有较高的断裂韧性，没有屈服现象；并且，该Cu基微晶合金熔点较低，具有良好的铸造性能；此外，相比一般Cu基微晶合金，该Cu基微晶合金表面较为光亮，色泽度好，有利于产品后期表观处理。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

根据本发明的Cu基微晶合金，以该Cu基微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，该Cu基微晶合金含有以下元素：

本发明的Cu基微晶合金含有锰元素(Mn)。锰元素的主要作用是提高和强化合金的硬度、强度、韧性和耐磨性。根据本发明的Cu基微晶合金，以Cu基微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，锰元素的含量为20-30％，优选为23-28％。

本发明的Cu基微晶合金含有铝元素(Al)。Al和Cu在非晶形成过程中可以形成Al₂Cu相，存在于大部分非晶或非晶加晶体相的合金中。根据本发明的Cu基微晶合金，以Cu基微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，铝元素的含量为0.01-10％，优选为3-8％。

本发明的Cu基微晶合金含有镍元素(Ni)。镍在提高合金强度的同时，又可保持合金良好的塑性和韧性，并对其耐腐蚀性有一定的提升作用。根据本发明的Cu基微晶合金，以Cu基微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，镍元素的含量为5-10％，优选为8-10％。

本发明的Cu基微晶合金含有钛元素(Ti)。钛的加入不仅改善了合金的流动性和切削性，还提高了合金的抗裂性。根据本发明的Cu基微晶合金，以Cu基微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，钛元素的含量为0.3-1.5％，优选为0.5-0.8％。

本发明的Cu基微晶合金含有锆元素(Zr)和硅元素(Si)。锆元素的添加增加了合金的硬度和弹性应变。硅元素使合金晶粒更细化，馒头峰明显粗化，并且使合金在拉伸过程中无屈服即直接断裂。同时添加锆元素和硅元素使得合金整体熔点降低、抗拉强度增加，并且色泽度较好。根据本发明的Cu基微晶合金，以Cu基微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，锆元素的含量为0-1.5％，优选为1.2-1.5％，硅元素的含量为0.05-2％，优选为0.1-1.5％。

根据本发明的Cu基微晶合金的一个优选实例中，以该Cu基微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，该Cu基微晶合金含有以下元素：

可以采用常用的各种方法来制备本发明的Cu基微晶合金。具体地，可以将Cu基微晶合金原料先后进行熔炼和铸造，其中，所述Cu基微晶合金原料的组成使得得到的Cu基微晶合金为本发明的Cu基微晶合金。具体地，所述Cu基微晶合金原料的纯度高于99.5％，优选高于99.9％。

以下结合实施例详细说明本发明，但不因此限定本发明的范围。

以下实施例和对比例中所有样品均按照GB/T 4340.4-2009，采用型号为HVS-10Z的数字式维氏硬度计进行维氏硬度的测试。

按照GBT 228.1-2010，采用型号为CMT5105的微机控制电子万能(拉力)试验机进行拉伸性能(屈服强度、抗拉强度和弹性应变)测试。

以下实施例和对比例中，通过将熔炼、浇铸后的Cu基微晶合金压铸到不同结构的模具中，并目测得到的样品，按照以下标准评价成型性：

优异：材料充型饱满，复杂细小结构处成型完整，渣包口充型饱满；

良好：材料充型饱满，复杂细小结构处成型完整，渣包口无法充型饱满；

普通：材料充型完整，但不适合细小且复杂结构成型；

差：材料成型不完整；

无法成型：材料碎裂。

实施例1-11用于说明本发明。

实施例1

根据表1中的合金组成分别计算、称量Mn(纯度为99.5％)、Al(纯度为99.9％)，Ni(纯度99.95％)、Ti(纯度99.9％)、Zr(纯度99.97％)、Si(纯度99.9％)、Cu(纯度99.95％)。

将合金原材料投入真空熔炼炉中，将真空熔炼炉抽真空到5Pa以下，通入氩气，将炉体在25kW下预热3分钟，再在50kW下加热至1050℃，保温5分钟左右进行浇铸。然后在压铸机中进行压铸，压铸温度为980℃；压力圈数为2Q；保温时间5s；一次压射起点150mm、二次压射起点为195mm，从而得到本发明的Cu基微晶合金的压铸体。

测定制备的Cu基微晶合金的硬度、屈服强度、抗拉强度以及弹性应变，结果在表2中列出。

实施例2-11

采用与实施例1相同的方法制备Cu基微晶合金的压铸体，不同的是，按照表1的组成配制Cu基微晶合金原料。

测定制备的Cu基微晶合金的硬度、屈服强度、抗拉强度以及弹性应变，结果在表2中列出。

对比例1-6

采用与实施例1相同的方法制备Cu基微晶合金的压铸体，不同的是，按照表1的组成配制Cu基微晶合金原料。

测定制备的Cu基微晶合金的硬度、屈服强度、抗拉强度以及弹性应变，结果在表2中列出。

表1

注：表1中各配比均以质量百分比计，另外，余量为铜及不可避免的杂质。

表2

注：表2中“-”符号表示所测试的Cu基微晶合金没有屈服现象。

表2的结果显示，根据本发明的Cu基微晶合金具有良好的综合机械性能，无屈服现象，在成型良好的条件下硬度、抗拉强度、弹性应变均较高。

对比例1为现有的Cu基微晶合金，将实施例1与对比例1比较可以看出，现有的Cu基微晶合金，其有屈服现象，并且硬度、强度和弹性应变均较低。

将实施例1与对比例2进行比较可以看出，当Cu基微晶合金中钛元素含量过高时，Cu基微晶合金材料硬度和强度降低，成型性变差。

将实施例1与对比例3进行比较可以看出，当Cu基微晶合金中锆元素含量过高时，Cu基微晶合金材料质脆，晶化现象严重，产生屈服且材料成型性较差。

将实施例3与对比例4和对比例5进行比较可以看出，当Cu基微晶合金中没有硅元素或硅元素含量过低时，Cu基微晶合金硬度及抗拉强度降低，材料出现屈服，质软且易变形。

将实施例3与对比例6进行比较可以看出，当Cu基微晶合金中硅元素含量过高时，Cu基微晶合金硬度及抗拉强度增加，但材料抗热震性变差，无法成型。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种压铸Cu基微晶合金，以该Cu基微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，该Cu基微晶合金含有以下元素：

2.一种压铸Cu基微晶合金，以Cu基该微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，该Cu基微晶合金含有以下元素：

3.根据权利要求1或2所述的Cu基微晶合金，其中，以该Cu基微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，该Cu基微晶合金中Al的含量为3-8％。

4.根据权利要求1或2所述的Cu基微晶合金，其中，以该Cu基微晶合金的总量为基准，以质量百分比计，该Cu基微晶合金中Ni的含量为8-10％。

5.一种Cu基微晶合金的制备方法，该方法包括将Cu基微晶合金原料先后进行熔炼和铸造，其中，所述Cu基微晶合金原料的组成使得得到的Cu基微晶合金为权利要求1-4中任意一项所述的Cu基微晶合金。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述Cu基微晶合金原料的纯度高于99.5％。