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