CN109930024A - 一种高强韧铜钛合金及其制备方法 - Google Patents

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本发明的一种高强韧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：60～63％，Ti粉：37～40％。制法为：按配比，将Cu粉和Ti粉混合均匀得混合料后，进行压制成型，压力为35～100MPa，保压10～30min，制得合金生坯后，在惰性气体气氛下烧结，以5～10℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1085～1150℃，烧结10～60min后，冷却出炉，制得高强韧铜钛合金。该方法制备的高强韧铜钛合金具有极高的强度及出色韧性，同时还具有良好的脆性与热导率。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

一种高强韧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，具体涉及一种高强韧铜钛合金及其制备方法。
背景技术
铜是生活中常见的金属，具有优异的导电导热性和延展耐蚀性，广泛应用于电气、电子、建筑、国防等领域。但是铜的强度很低，因此单独使用比较受限。考虑向铜中加入其它合金元素可以改善铜的力学性能，使得铜在保持有较高电导率的同时也能具有较高的强度。最常见的是Be、Ti等合金，虽然铜铍合金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人体健康。因此研究铜钛合金代替铜铍具有十分重要的现实意义。
虽然目前人们对铜和钛的研究比较多，但是对于单一的Cu4Ti3的研究还是极少。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)的力学和物理性能能得到极大的提高可与其它硬质合金相媲美。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。但铜钛通过扩散形成的反应层组织之间不均匀，不能够制备单一的铜钛金属间化合物，因此本方法研究思路是按原子比4:3的配比提供原料制备单一成分的Cu4Ti3金属间化合物，使其具有较高的硬度同时还具有出色的韧性。这样制备的金属间化合物不仅可以代替一些合金相如钛铝合金提高韧性，还可以代替一些陶瓷材料提高强度。同时优良的导电导热性可以作为输电线路使用，出色的耐腐蚀性可以作为结构性的防腐材料在恶劣的工作条件或者海洋找中长时间使用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种高强韧铜钛合金及其制备方法，该合金具有较高强度、出色的韧性和良好的脆性，其具体的技术方案如下：
一种高强韧铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：60～63％，Ti粉：37～40％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％。
所述的高强韧铜钛合金的显微硬度为350～400HV，冲击韧性为30～50J/cm2。
本发明的一种高强韧铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)混料：按一种高强韧铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉混合均匀，制得混合料；
(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)脱模：将压制后的合金生坯脱模；
(4)烧结：
(1)将合金生坯，在惰性气体气氛下烧结，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；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高强韧铜钛合金。
所述的步骤(1)中，Cu粉和Ti粉的粒径范围均为45～60μm。
所述的步骤(1)中，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，均匀投入模具内，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(3)中，使用钢制模具脱模。
所述的步骤(4-1)中，惰性气体为氩气，目的在于使烧结过程在无氧气氛下进行。
所述的步骤(4-2)中，制备的高强韧铜钛合金主要物相为Cu4Ti3相，合金组织均匀符合预期，在凝固过程中没有偏析，经硬度测试，其硬度超过一般钢铁的硬度，达到硬质合金的标准，同时在压痕周围由于位错塞积出现一些纹路，因此其还具有出色的韧性。
本发明的方法制备过程中，Ti和Cu反生反应，最终生成目标合金相。具体反应式如下：
Cu+Ti＝Cu4Ti3
本发明的一种高强韧铜钛合金及其制备方法，与现有的铜钛合金相比，有益效果为：
(1)本发明的高强韧铜钛合金具有极高的强度，保持高硬度和出色韧性的同时和具有良好的脆性，同时还具有良好的热导率。
(2)本发明提供的制备方法，原料来源容易且成本低，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4制备的高强韧铜钛合金金相显微形貌图；
图2为实施例4制备的高强韧铜钛合金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
一种高强韧铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：60％，Ti粉：40％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％。
上述的高强韧铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：按一种高强韧铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉混合均匀，混合时间为1h，制得混合料A，所述的Cu粉和Ti粉的粒径范围均为45μm；
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，制得高强韧铜钛合金，该合金主要物相为Cu4Ti3相，合金组织均匀符合预期，在凝固过程中没有偏析，对该合金进行硬度测试，其显微硬度为350HV，达到硬质合金的标准，同时在Cu4Ti3相旁边出现一些由于位错塞积形成的纹路，因此其还具有出色的韧性，冲击韧性为50J/cm2。
实施例2
一种高强韧铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：61％，Ti粉：39％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％。
上述的高强韧铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：按一种高强韧铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉混合均匀，混合时间为1h，制得混合料A，所述的Cu粉和Ti粉的粒径范围均为45μm；
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10℃/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，制得高强韧铜钛合金，该合金主要物相为Cu4Ti3相，合金组织均匀符合预期，在凝固过程中没有偏析，对该合金进行硬度测试，其显微硬度为370HV，达到硬质合金的标准，同时在Cu4Ti3相旁边出现一些由于位错塞积形成的纹路，因此其还具有出色的韧性，冲击韧性为35J/cm2。
实施例3
一种高强韧铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：62％，Ti粉：38％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％。
上述的高强韧铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：按一种高强韧铜钛合金的成分配比，将粒径范围均为60μm的Cu粉和Ti粉混合均匀，混合时间为2h，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70MPa，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6℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1125℃，烧结时间30min；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高强韧铜钛合金，该合金主要物相为Cu4Ti3相，合金组织均匀符合预期，在凝固过程中没有偏析，对该合金进行硬度测试，其显微硬度为380HV，达到硬质合金的标准，同时在Cu4Ti3相旁边出现一些由于位错塞积形成的纹路，因此其还具有出色的韧性，冲击韧性为40J/cm2。
实施例4
一种高强韧铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：63％，Ti粉：37％。
上述的高强韧铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：按一种高强韧铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉混合均匀，混合时间为1h，制得混合料A，所述的Cu粉和Ti粉的粒径范围均为50μm；
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20min，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，制得高强韧铜钛合金，其金相显微形貌图如图1所示，该合金主要物相为Cu4Ti3相，合金组织均匀符合预期，在凝固过程中没有偏析，对该合金进行硬度测试，其显微硬度实验后的金相显微形貌图如图2所示，显微硬度为400HV，达到硬质合金的标准，同时在Cu4Ti3相旁边出现一些由于位错塞积形成的纹路，因此其还具有出色的韧性，冲击韧性为30J/cm2。

Claims (9)

1.一种高强韧铜钛合金，其特征在于，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：60～63％，Ti粉：37～40％；Cu粉和Ti粉质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的高强韧铜钛合金，其特征在于，所述的高强韧铜钛合金的显微硬度为350～400HV，冲击韧性为30～50J/cm2。
3.权利要求1所述的高强韧铜钛合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)混料：按一种高强韧铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉混合均匀，制得混合料；
(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)脱模：将压制后的合金生坯脱模；
(4)烧结：
(1)将合金生坯，在惰性气体气氛下烧结，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；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高强韧铜钛合金。
4.根据权利要求3所述的高强韧铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，Cu粉和Ti粉的粒径范围均为45～60μm。
5.根据权利要求3所述的高强韧铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，混合时间为0.5～2h。
6.根据权利要求3所述的高强韧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。
7.根据权利要求3所述的高强韧铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤(4-1)中，惰性气体为氩气，目的在于使烧结过程在无氧气氛下进行。
8.根据权利要求3所述的高强韧铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤(4-2)中，烧结过程中，Ti和Cu反生反应，具体反应式如下：
Cu+Ti＝Cu4Ti3。
9.根据权利要求3所述的高强韧铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤(4-2)中，制备的高强韧铜钛合金物相为Cu4Ti3相，在凝固过程中无偏析，经硬度测试同时，在压痕周围出现由于位错塞积形成的纹路。
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