CN109881039B - 一种高强度铜钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种高强度铜钛合金及其制备方法，合金包括组分及其质量百分比为：Cu粉：51～54％，TiH2粉：46～49％。制法过程为：按高强度铜钛合金的成分配比，将Cu粉和TiH2粉混合均匀成混合料；在压力为35～100MPa，保压10～30min条件下，压制得合金生坯后，脱模进行烧结，在惰性气体气氛下以5～10℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1085～1150℃，烧结间10～60min后冷却出炉，制得高强度铜钛合金。该方法制备的铜钛合金具有极高强度，保持高硬度同时具有一定韧性，同时还具有良好热导率。且采用原料易得，混料时间短。通过对烧结温度、升温速率和保温时间的精确控制，使制备出来的合金不仅成分符合要求而且性能有保证。

Description

一种高强度铜钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种高强度铜钛合金及其制备方法。
背景技术
从二十世纪三十年代开始，人们开始研究铜钛合金，发现了多种铜钛金属间化合物，铜钛合金虽然开始研究的比较早，但是一直没有得到人们足够的重视。目前对于铜钛合金的研究大多集中在富含铜的区域，该区域为只有部分钛溶解在铜中，并且随着温度的变化钛的溶解度变化较大，很容易来进行时效强化。研究发现，时效硬化的铜钛合金(1～6wt.％Ti)的力学和物理性能可与铜铍合金相媲美。而铜铍合金虽然具有优异的物理性能和力学性能，但是铍具有一定的毒性，在使用过程中会危害到人体健康，因此研究铜钛合金成为有毒铜铍合金的替代品变得十分有意义。
同时对铜和钛扩散形成的反应层的显微硬度测试表明，金属间化合物的硬度远高于纯铜或纯钛金属基体的硬度，因此金属间化合物可以作为某些材料的增强相。如在铜基氮化硼砂轮中，添加钛元素作为活性元素与氮化硼参与反应生成氮化钛和硼化钛，建立起了金属基体与氮化硼磨料之间的化学连接，增强了基体对于氮化硼的把持力，可以有效防止氮化硼磨料的脱落而造成砂轮失效。同时铜和钛也反应生成金属间化合物，作为增强相可以显著提高铜基体的强度，提高砂轮的使用寿命。但是以前人们研究制备铜钛合金基本都是用纯铜粉和纯钛粉。一方面纯钛粉比较容易被氧化，不太好保存。第二：这样如果作为砂轮基体使用的话，可能由于金属间化合物没有一定的空隙，会导致热量不能快速的从工件中导出，从而烧坏工件。所以本实验提供一种既能够提供活性金属Ti，同时还可以提供一定孔隙率的原料TiH2粉体，这样既能够满足性能的要求还具有优良的散热性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种高强度铜钛合金及其制备方法，该合金是一种强度很高的合金，同时具有一定的韧性，其具体的技术方案如下：
一种高强度铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：51～54％，TiH2粉：46～49％。
所述的高强度铜钛合金的显微硬度为400～580HV，冲击韧性为15～22J/cm2。
所述的高强度铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)物料混合：按高强度铜钛合金的成分配比，将Cu粉和TiH2粉混合均匀，形成混合料；
(2)成型：将混合料进行压制成型，压力为35～100MPa，保压10～30min，制得合金生坯；
(3)烧结：
(3-1)将合金生坯进行烧结，以5～10℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1085～1150℃，烧结时间10～60min，其中，所述的烧结操作在惰性气体气氛下进行；
(3-2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高强度铜钛合金。
所述的步骤(1)中，Cu粉和TiH2粉的粒径范围均为45～60μm。
所述的步骤(1)中，Cu粉和TiH2粉的混合时间为0.5～2h。
所述的步骤(2)中，压制成型在室温下进行，过程为：将混合料均匀投入模具内，按设定参数进行压制成型。
所述的步骤(2)中，采用液压机进行压制成型。
所述的步骤(2)中，使用钢制模具脱模。
所述的步骤(3-1)中，惰性气体为氩气，亦可采用其他能够隔绝空气的气体，目的在于使烧结过程在无氧环境下进行。
所述的步骤(3-2)中，制备的铜钛合金包括CuTi和CuTi2相，所述的铜钛合金组织成分均匀，CuTi和CuTi2相互交错包裹，能够形成交互支撑。硬度测试表明，制得的铜钛合金不仅具有很高的硬度同时还有一定的脆性，合金化合物性能符合理论预期。
本发明的铜钛合金制备过程中：TiH2首先分解提供活性金属Ti，然后Ti和Cu反生反应，中间通过一系列的相变发生，最终生成目标合金相，具体最终反应式如下：TiH2＝Ti+H2和2Cu+3Ti＝CuTi2+CuTi。
本发明的一种高强度铜钛合金，与现有的铜钛合金相比，有益效果为：
(1)本发明的铜钛合金具有极高的强度，保持高硬度同时还具有一定韧性以及良好的热导率。
(2)本发明提供的制备方法，原料易得且成本低，混料时间短。通过对烧结温度、升温速率和保温时间的精确控制，使制备出来的合金不仅成分符合要求而且性能有保证。
附图说明
图1为实施例3制备的高强度铜钛合金中CuTi合金相金相显微形貌图；
图2为实施例3制备的高强度铜钛合金中CuTi合金相进行显微硬度实验后的金相显微形貌图；
图3为实施例3制备的高强度铜钛合金中CuTi2合金相金相显微形貌图；
图4为实施例3制备的高强度铜钛合金中CuTi2合金相进行显微硬度实验后的金相显微形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
一种高强度铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：51％，TiH2粉：49％。
上述的高强度铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：按一种高强度铜钛合金的成分配比，将粒径范围均为45μm的Cu粉和TiH2粉混合均匀，混合时间为1h，制得混合料A；
步骤2，成型：将混合料A均匀投入模具内，冷压成型，压力为35MPa，保压30min，制得合金生坯；
步骤3，脱模：将压制后的合金生坯脱模；
步骤4，烧结：(1)将合金生坯，在惰性气体气氛下烧结，以5℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1085℃，烧结时间60min；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高强度铜钛合金，其显微硬度为400HV，冲击韧性为22J/cm2，该铜钛合金包括CuTi和CuTi2相，组织成分均匀，CuTi和CuTi2相互交错包裹，能够形成交互支撑。
实施例2
一种高强度铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：52％，TiH2粉：48％。
上述的高强度铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：按一种高强度铜钛合金的成分配比，将粒径范围均为60μm的Cu粉和TiH2粉混合均匀，混合时间为1h，制得混合料A；
步骤2，成型：将混合料A均匀投入模具内，冷压成型，压力为100MPa，保压10min，制得合金生坯；
步骤3，脱模：将压制后的合金生坯脱模；
步骤4，烧结：(1)将合金生坯，在惰性气体气氛下烧结，以7℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1150℃，烧结时间10min；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高强度铜钛合金，其显微硬度为450HV，冲击韧性为20J/cm2，该铜钛合金包括CuTi和CuTi2相，组织成分均匀，CuTi和CuTi2相互交错包裹，能够形成交互支撑。
实施例3
一种高强度铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：53％，TiH2粉：47％。
上述的高强度铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：按一种高强度铜钛合金的成分配比，将粒径范围均为50μm的Cu粉和TiH2粉混合均匀，混合时间为1h，制得混合料A；
步骤2，成型：将混合料A均匀投入模具内，冷压成型，压力为50MPa，保压25min，制得合金生坯；
步骤3，脱模：将压制后的合金生坯脱模；
步骤4，烧结：
(1)将合金生坯，在惰性气体气氛下烧结，以10℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1100℃，烧结时间30min；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高强度铜钛合金，该铜钛合金包括CuTi和CuTi2相，组织成分均匀，CuTi和CuTi2相互交错包裹，能够形成交互支撑，合金中CuTi合金相金相显微形貌图如图1所示，CuTi2合金相金相显微形貌图如图3所示，对该铜钛合金进行硬度试验后，CuTi合金相进行显微硬度实验后的金相显微形貌图如图2所示；CuTi合金相进行显微硬度实验后的金相显微形貌图如图4所示，经测试，该高强度铜钛合金显微硬度为580HV，冲击韧性为15J/cm2。
实施例4
一种高强度铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：54％，TiH2粉：46％。
上述的高强度铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：按一种高强度铜钛合金的成分配比，将粒径范围均为45μm的Cu粉和TiH2粉混合均匀，混合时间为1h，制得混合料A；
步骤2，成型：将混合料A均匀投入模具内，冷压成型，压力为75MPa，保压15min，制得合金生坯；
步骤3，脱模：将压制后的合金生坯脱模；
步骤4，烧结：
(1)将合金生坯，在惰性气体气氛下烧结，以10℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1125℃，烧结时间20min；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高强度铜钛合金，其显微硬度为500HV，冲击韧性为18J/cm2，该铜钛合金包括CuTi和CuTi2相，组织成分均匀，CuTi和CuTi2相互交错包裹，能够形成交互支撑。
实施例5
一种高强度铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：52.5％，TiH2粉：47.5％；Cu粉和TiH2粉质量百分比之和为100％。
上述的高强度铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：按一种高强度铜钛合金的成分配比，将粒径范围均为50μm的Cu粉和TiH2粉混合均匀，混合时间为1h，制得混合料A；
步骤2，成型：将混合料A均匀投入模具内，冷压成型，压力为50MPa，保压25min，制得合金生坯；
步骤3，脱模：将压制后的合金生坯脱模；
步骤4，烧结：
(1)将合金生坯，在惰性气体气氛下烧结，以10℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1100℃，烧结时间40min；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高强度铜钛合金，其显微硬度为550HV，冲击韧性为16J/cm2，该铜钛合金包括CuTi和CuTi2相，组织成分均匀，CuTi和CuTi2相互交错包裹，能够形成交互支撑。

Claims (8)

1.一种高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的高强度铜钛合金包括组分及其质量百分比为：Cu粉：51～54%，TiH2粉：46～49%；
所述的制备方法包括如下步骤：
(1)物料混合：按高强度铜钛合金的成分配比，将Cu粉和TiH2粉混合均匀，形成混合料；
(2)成型：将混合料进行压制成型，压力为35～100MPa，保压10～30min，制得合金生坯；
(3)烧结：
(3-1)将合金生坯进行烧结，以5～10℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1085～1150℃，烧结时间10～60min，其中，所述的烧结操作在惰性气体气氛下进行；
(3-2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高强度铜钛合金。
2.根据权利要求1所述的高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，Cu粉和TiH2粉的粒径范围均为45～60μm。
3.根据权利要求1所述的高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，Cu粉和TiH2粉的混合时间为0.5~2h。
4.根据权利要求1所述的高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，压制成型在室温下进行，过程为：将混合料均匀投入模具内，按设定参数进行压制成型。
5.根据权利要求1所述的高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(3-1)中，惰性气体为氩气，目的在于使烧结过程在无氧环境下进行。
6.根据权利要求1所述的高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(3-1)中，烧结过程中发生反应如下：
TiH2=Ti+H2；
2Cu+ 3Ti = CuTi2 + CuTi。
7.根据权利要求1所述的高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3-2)中，制备的高强度铜钛合金包括CuTi和CuTi2相，所述的高强度铜钛合金组织成分均匀，CuTi和CuTi2相互交错包裹，形成交互支撑。
8.根据权利要求1所述的高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3-2)中，制备的高强度铜钛合金的显微硬度为400～580HV，冲击韧性为15～22J/cm2。
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