CN109971995B - 一种高硬脆铜钛合金及其制备方法 - Google Patents

一种高硬脆铜钛合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种高硬脆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：40～50％，Ti粉：50～60％。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，制得高硬脆铜钛合金。该方法制备的铜钛合金具有极高的硬度，同时还具有良好的脆性及热导率；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，制得合金不仅成分符合要求且具有良好性能。

Description

一种高硬脆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，具体涉及一种高硬脆铜钛合金及其制备方法。
背景技术
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，不同配比的铜钛合金具有不同的性能，因此用途也就不一样，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。由于人们对单一的Cu2Ti合金的研究比较少，所以本实验采用Cu、Ti原子配比为2:1的原料配比，制备单一性质的Cu2Ti合金。传统的镍基等合金只是比较硬，没有一定的脆性。典型陶瓷材料的断裂韧性比较低大约5MPa·m1/2，而TiAl相的断裂韧性为275MPa·m1/2，虽然比较高但是硬度比较低。所以为了开发一种类似于硬质合金的铜钛合金性能介于陶瓷材料和TiAl材料之间已经成为当务之急。而且相关资料表明，铜和钛两者都是优良的耐海洋腐蚀材料，把钛锭放置于海底几十年再取出来依然光亮，因此我们有理由相信，铜钛金属间化合物也有着优良的耐海洋腐蚀的性能，可能能够作为海洋工作条件下的耐腐蚀涂层或者结构材料。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种高硬脆铜钛合金及其制备方法，该方法制备的合金具有高强度与良好的脆性，其具体的技术方案如下：
一种高硬脆铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：40～50％，Ti粉：50～60％。
所述的高硬脆铜钛合金显微硬度为670～800HV，断裂韧性为14～23MPa·m1/2。
所述的一种高硬脆铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)混料：按配比，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)烧结：
(3-1)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；
(3-2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高硬脆铜钛合金。
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)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，所述的压制成型采用液压机进行。
所述的步骤(2)中，压制成型过程为：将混合料均匀投入钢制模具内，在相应参数下进行压制成型。
所述的步骤(3)中，将合金生坯脱模后进行烧结。
所述的步骤3(4-1)中，惰性气体为氩气，所述的惰性气体气氛目的在于使烧结过程在无氧气氛下进行。
所述的步骤3(3-2)中，制备的铜钛合金主要物相为CuTi2相，且晶粒大小分布均匀，无明显偏析。
本发明的制备方法过程中，Ti和Cu反生反应，最终生成目标合金相。具体反应式如下：
Cu+2Ti＝CuTi2
本发明的一种高硬脆铜钛合金，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硬度，保持高硬度的同时还具有良好的脆性，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制备的高硬脆铜钛合金金相显微形貌图；
图2为实施例4制备的高硬脆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
一种高硬脆铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：40％，Ti粉：60％。
上述的高硬脆铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：
按高硬脆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，制得高硬脆铜钛合金，主要物相为CuTi2相，且晶粒大小分布均匀，无明显偏析，对合金相进行硬度试验，经测试，该合金显微硬度为800HV，断裂韧性为17MPa·m1/2。
实施例2
一种高硬脆铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：45％，Ti粉：55％。
上述的高硬脆铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：
按高硬脆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1150℃，烧结时间60min；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高硬脆铜钛合金，主要物相为CuTi2相，且晶粒大小分布均匀，无明显偏析，对合金相进行硬度试验，经测试，该合金显微硬度为730HV，断裂韧性为19MPa·m1/2。
实施例3
一种高硬脆铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：50％，Ti粉：50％。
上述的高硬脆铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：
按高硬脆铜钛合金的成分配比，将粒径范围均为50μm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7℃/min的升温速率，从室温升温至烧结温度1085℃，烧结时间10min；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高硬脆铜钛合金，主要物相为CuTi2相，且晶粒大小分布均匀，无明显偏析，对合金相进行硬度试验，经测试，该合金显微硬度为670HV，断裂韧性为14MPa·m1/2。
实施例4
一种高硬脆铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：48％，Ti粉：52％。
上述的高硬脆铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，混料：
按高硬脆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40min；
(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高硬脆铜钛合金，所述的高硬脆铜钛合金金相显微形貌图如图1所示，主要物相为CuTi2相，且晶粒大小分布均匀，无明显偏析，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，经测试，该合金显微硬度为750HV，断裂韧性为23MPa·m1/2。

Claims (7)

1.一种高硬脆铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的高硬脆铜钛合金由以下质量百分含量的组分组成：Cu粉：40～50%，Ti粉：50～60%；
所述的制备方法包括如下步骤：
(1)混料：按配比，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)烧结：
(3-1)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；
(3-2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得高硬脆铜钛合金。
2.根据权利要求1所述的高硬脆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所述的高硬脆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所述的高硬脆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，所述的压制成型采用液压机进行。
5.根据权利要求1所述的高硬脆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，所述的惰性气体气氛目的在于使烧结过程在无氧气氛下进行。
6.根据权利要求1所述的高硬脆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，Ti和Cu反生反应，生成目标合金相，具体反应式如下：Cu+ 2Ti = CuTi2。
7.根据权利要求1所述的高硬脆铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)(3-2)中，制备的高硬脆铜钛合金显微硬度为670～800HV，断裂韧性为14～23 MPa·m1/2。
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