CN109971988B - 一种超高强度铜钛合金及其制备方法 - Google Patents

一种超高强度铜钛合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种超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：55～58％，Ti粉：42～45％。制法为：按超高强度铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉混合均匀，制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；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10～60min后冷却出炉，制得超高强度铜钛合金。该方法制备的铜钛合金具有极高强度，同时还具有一定的韧性以及良好的热导率，原料来源易得混料时间短。通过对烧结温度、升温速率和保温时间的精确控制，制得合金不仅成分符合要求且性能有保证。

Description

一种超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，具体涉及一种超高强度铜钛合金及其制备方法。
背景技术
铜是生活中常见的金属，具有良好的导电性、导热性、延展性和耐蚀性，广泛应用于电气、电子、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在中国有色金属材料的消费中仅次于铝。铜的强度很低，因此考虑向铜中加入其它和金元素来改善铜的力学性能。铜可与很多金属形成合金，最常见的铜合金有青铜（Cu-Sn合金），黄铜（Cu-Zn合金）和白铜（Cu-Ni合金）三大类。此外，铜还能够和Be、Cr、Zr、Fe、Nb、Ag、Ti等形成合金，某些合金元素的加入能够明显改善Cu的力学性能，使得铜在保持有较高导热性和电导率的同时也能具有较高的强度。
钛是二十世纪中期发展起来的金属，因其具有优良的耐腐蚀性、生物相容性和优异的力学性能，被誉为“21世纪最有发展前景的金属材料”，钛合金广泛应用于航空航天、军工、汽车、医疗器械等高端制造领域。钛能够和很多金属形成合金，目前应用最广泛的为Ti-Al合金。虽然目前人们对铜和钛的研究都比较多，但是对于Cu-Ti合金却缺乏深入的了解。目前专门研究CuTi这一种的金属间化合物很少，因此采用了原子比为1:1的原料配比，希望得到纯的CuTi金属间化合物。不仅保持良好的导热性能和导电性能，用于电缆、变压器线圈或者导电片、高强度弹簧、电触点、集成电路封装中的引线框架和隔膜等。由于金属间化合物的硬度远高于纯铜或纯钛金属基体的硬度，因此还可以作为某些材料的增强相，不仅能够有超高的硬度同时也有良好的韧性。铜和钛两者都具有出色的耐腐蚀能力，因此还可以作为海洋耐腐蚀结构材料和耐腐蚀涂层材料。因此为了解决上述问题，开发一种同时具有超高强度还具有良好韧性的铜钛合金成为当务之急。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种超高强度铜钛合金及其制备方法，该合金具有高强度，同时具有一定的韧性，其具体的技术方案如下：
一种超高强度铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：55～58%，Ti粉：42～45%。
所述的超高强度铜钛合金的显微硬度为270～320HV，冲击韧性为20～30J/cm2。
所述的超高强度铜钛合金及其制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：按超高强度铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉混合均匀，制得混合料A；
步骤2，成型：将混合料A进行压制成型，压力为35～100MPa，保压10～30min，制得合金生坯；
步骤3，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，制得超高强度铜钛合金。
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，具体将混合料A 均匀投入模具内，进行压制成型，所述的压制成型采用液压机进行。
所述的步骤2中，使用钢制模具脱模。
所述的步骤3(1)中，通过添加惰性气体使烧结过程在无氧气氛下进行，所述的惰性气体为氩气。
所述的步骤3(2)中，通过金相显微镜观察超高强度铜钛合金组织均匀，成分符合预期，对合金相进行硬度试验，发现实验结果满足预期并且超过绝大多数钢铁的硬度，同时合金相的周围出现挤压形成的纹路，说明具有良好的韧性。
本发明制备的铜钛合金过程中发生反应如下：Cu+ Ti = CuTi。
本发明的一种超高强度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)本发明的铜钛合金具有极高的强度，保持高硬度的同时还具有一定的韧性以及良好的热导率。
(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3制备的超高强度铜钛合金金相显微形貌图；
图2为实施例3制备的超高强度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
一种超高强度铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：55%，Ti粉：45%。
上述的超高强度铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：
按超高强度铜钛合金的成分配比，将粒径范围均为45μm的Cu粉和Ti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，制得超高强度铜钛合金，组织均匀，且合金相的周围出现挤压形成的纹路，对合金相进行硬度和韧性试验，其显微硬度为270HV，冲击韧性为27J/cm2。
实施例2
一种超高强度铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：56%，Ti粉：44%。
上述的超高强度铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：
按超高强度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1100℃，烧结时间60min；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得超高强度铜钛合金，组织均匀，对合金相进行硬度试验，其显微硬度为300HV，同时合金相的周围出现挤压形成的纹路，冲击韧性为25J/cm2。
实施例3
一种超高强度铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：57%，Ti粉：43%。
上述的超高强度铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：
按超高强度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60μm；
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，制得超高强度铜钛合金，所述的超高强度铜钛合金金相显微形貌图如图1所示，通过金相显微镜观察超高强度铜钛合金组织均匀，成分符合预期，对合金相进行硬度试验，显微硬度实验后的金相显微形貌图如图2所示，其显微硬度为320HV，满足预期并且超过绝大多数钢铁的硬度，同时合金相的周围出现挤压形成的纹路，说明具有良好的韧性，具体冲击韧性为30J/cm2。
实施例4
一种超高强度铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：58%，Ti粉：42%。
上述的超高强度铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：
按超高强度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60μm；
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8℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1150℃，烧结30min；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得超高强度铜钛合金，组织均匀，且合金相的周围出现挤压形成的纹路，对合金相进行硬度和韧性试验，其中显微硬度为270HV，冲击韧性为20J/cm2。

Claims (7)

1.一种超高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的超高强度铜钛合金由以下质量百分含量的组分组成：Cu粉：55～58%，Ti粉：42～45%；
所述的制备方法包括如下步骤：
步骤1，混料：按超高强度铜钛合金的成分配比，将Cu粉和Ti粉混合均匀，制得混合料A；
步骤2，成型：将混合料A进行压制成型，压力为35～100MPa，保压10～30min，制得合金生坯；
步骤3，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，制得超高强度铜钛合金。
2.根据权利要求1所述的超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Ti粉的粒径范围均为45～60μm。
3.根据权利要求1所述的超高强度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。
4.根据权利要求1所述的超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，具体将混合料A 均匀投入模具内，进行压制成型，所述的压制成型采用液压机进行。
5.根据权利要求1所述的超高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(1)中，通过添加惰性气体使烧结过程在无氧气氛下进行，所述的惰性气体为氩气。
6.根据权利要求1所述的超高强度铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(1)中，烧结过程中发生反应如下：Cu+Ti=CuTi。
7.根据权利要求1所述的超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，制备的超高强度铜钛合金的显微硬度为270～320HV，冲击韧性为20～30J/cm2。
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