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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