CN111621667A - 一种铜钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铜钛合金制备技术领域。为了获得具有强度塑形优良且具有一定导电性能的铜钛合金，本发明公开了一种铜钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：步骤S1，采用铝热反应制备获得铜钛合金铸锭；步骤S2，对步骤S1中获得的铜钛合金铸锭进行轧制处理，其中轧制压下量为40％～80％；步骤S3，对步骤S2中完成轧制处理的铜钛合金进行固溶处理，其中固溶温度为860℃，保温时间为1h，并且完成固溶处理后进行淬火处理。步骤S4，对步骤S3中完成固溶处理的铜钛合金进行时效处理。采用本发明的方法不仅可以获得具有更高强度、塑形和导电性能的高钛含量铜钛合金，而且可以降低制造成本，提高生产效率。

Description

一种铜钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铜钛合金技术领域，具体涉及一种铜钛合金及其制备方法。
背景技术
铜钛合金是一种具有高强、高弹、高导等优异性能的新型合金，其物理性能与铜铍合金相媲美。铜铍合金作为时效硬化合金的典型代表，虽然本身是无毒的，但是在加工过程中铍元素具有毒性，容易挥发排出有毒气体，对人体健康有着巨大威胁。因此，铜钛合金可以作为铜铍合金的完美替代合金，在电子电器、弹性元器件等方面具有很好的发展前途的新型时效硬化合金。
目前，铜钛合金的制备方法主要是，非真空熔炼和真空感应熔炼。非真空熔炼技术成本低，但是在熔炼过程中熔体与空气直接接触，极易氧化且合金成分难以控制，容易产生杂质，合金元素损耗较大，生产效率低下。真空感应熔炼可以通过高真空度避免与空气的直接接触，但由此对炉体本身的密封性就有了很高的要求，而且真空感应熔炼过程难以对化学成分、元素含量进行测定，由此对原材料的纯度要求高，所需技术要求也比较高，而且真空熔炼过程，一般是随炉冷却，冷却过程较缓慢，使得铸锭的晶粒尺寸较大，制备的合金在后续的加工硬化过程中易出现裂纹，导致合金板有较低的带材成品率，同时由于真空熔炼时的不连续操作，使得操作时步骤繁琐，难以精密控制，由此真空熔炼的成本大，很难大规模连续化生产，只能小规模生产，生产效率也比较低下。
此外，在当前的铜钛合金研究中发现，当铜钛合金中钛含量高于5wt.％时，几乎就没有了导电性而且其延伸率也会极低，由此导致当前铜钛合金中钛含量主要集中在1wt.％～5wt.％，使得铜钛合金的强度和塑性受到制约，无法作为高强度、高弹性且具有一定导电性能的元件进行推广使用。
发明内容
为了获得具有强度塑形性能优良且具有一定导电性能的铜钛合金，本发明提出了一种铜钛合金。该铜钛合金中钛含量为10wt.％，铜含量为90wt.％。
同时，公开了一种铜钛合金的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S1，采用铝热反应制备获得铜钛合金铸锭，其中，按质量百分比计，铝热反应的原料包括钛粉末10％以及铜粉末90％；
步骤S2，对步骤S1中获得的铜钛合金铸锭进行轧制处理，其中轧制压下量为80％；
步骤S3，对步骤S2中完成轧制处理的铜钛合金进行固溶处理，其中固溶温度为860℃，保温时间为1h，并且完成固溶处理后进行淬火处理。
步骤S4，对步骤S3中完成固溶处理的铜钛合金进行时效处理。
优选的，在所述步骤S1中，采用铝热反应制备获得铜钛合金铸锭的具体过程为：
步骤S11，秤取反应原料，按质量百分比计，反应原料包括钛粉末10％以及铜粉末90％；
步骤S12，对反应原料进行混合处理,并对混合后的反应原料进行加压处理，获得圆饼状胚体；
步骤S13，首先将坯体放入燃烧合成反应釜内，并在坯体上表面放置引燃剂；其次向反应釜内充入1MPa氩气，保持5min后排出气体；待反应釜内温度加热至180℃时再次排出反应釜内残余的气体；然后再次向反应釜内充入氩气，使反应釜内压强上升至4Mpa；待反应釜内温度升至280℃时，在反应釜内发生铝热反应；最后待铝热反应完成并冷却至室温后，获得块状铜钛合金铸锭。
进一步优选的，在所述步骤13中，将胚体置于石墨坩埚后再整体放入燃烧合成反应釜内。
优选的，在所述步骤S2中，选用二辊轧机进行轧制，并且轧制速度为0.2～0.6m/min，每次压下量控制为0.02mm。
进一步优选的，在进行轧制之前，预先将轧辊表面清理干净并且均匀涂抹润滑油。
优选的，在所述步骤S3中，对完成固溶处理后的铜钛合金进行冷水淬火处理。
优选的，在所述步骤S4中，进行时效处理的温度为450℃，升温速率为8℃/min，保温时间为1h～4h。
进一步优选的，在所述步骤S2中，对步骤S1中获得的铜钛合金铸锭进行轧制压下量为80％的轧制处理；在所述步骤S4中，对步骤S3中完成固溶处理的铜钛合金进行保温时间为1h的时效处理。
进一步优选的，在所述步骤S3和所述步骤S4中，分别采用真空管式高温烧结炉进行铜钛合金的固溶处理和时效处理。
采用本发明的方法，通过采用制备成本低的铝热反应制备获得铜钛合金铸锭，再依次经过机械轧制处理、固溶处理和时效处理之后，即可以获得低成本且具有高强度、高塑形和一定导电性能钛含量为10wt.％的铜钛合金，从而解决现有技术中无法制备获得高钛含量的铜钛合金问题，达到铜钛合金对强度、塑性和导电性能的综合性能要求，实现了作为高强度、高弹性导电元件材质的推广使用要求。
附图说明
图1为实施例1中制备钛含量为10wt.％铜钛合金的流程示意图；
图2为实施例1中制备获得铜钛合金铸锭的扫描电镜图；
图3为图2中谱图2处对应的EDS图；
图4为图2中谱图3处对应的EDS图；
图5为实施例1中制备获得铜钛合金局部放大3000倍的扫描照片；
图6为实施例1中制备获得铜钛合金进行扫面分析的EDS面扫结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。
实施例1
结合图1所示，制备钛含量为10wt.％铜钛合金的具体过程如下：
步骤S1，采用铝热反应制备获得铜钛合金铸锭。
首先，按质量百分比计，用精度为1mg的电子天平精确称取粒度尺寸为200目，纯度不小于99.9％的钛粉末10％和铜粉末90％，形成混合粉料。
接着，将称好的粉料放入QM-1SP4行星式球磨机中，以180r/min的球磨速度进行混合研磨8h，其中磨球材质为Al2O3，球料比为1:2，并且每隔1h改变球磨机的转向，以防止球磨过程中物料发生结块现象。球磨结束后，用细筛网筛出球磨后的物料并装入不锈钢模具中，在压力机上用60MPa的压力进行压制，形成φ85的坯体。
然后，将压好的坯体放入反应炉中的石墨坩埚内，将质量为3.6g左右的薄片状引燃剂放在块状坯体表面，并在引燃剂上铺一层薄薄的物料，防止充气时吹散表面的引燃剂。反应炉封盖后在室温下用1MPa氩气吹扫反应炉，当反应炉加热至180℃时再次排出炉内残余空气并通入氩气至4MPa，当反应炉内温度达到280℃左右时引燃剂引发物料间的反应，反应物料在氩气保护环境下进行燃烧合成直至反应结束，待反应产物随炉冷却至室温后，放出炉内气体，开启炉盖，取出石墨坩埚底材，手工除去铸锭周围的副产物Al2O3，即可获得铜钛合金铸锭。
其中，在本实施例中，选用石墨材质的坩埚进行铜钛合金的铝热反应，可以有效避免采用常规铜坩埚制备铜钛合金形成的粘连现象，提高对铜钛合金的铝热反应制备效果，保证铜钛合金的质量。
步骤S2，对步骤S1中获得的铜钛合金铸锭进行轧制处理，其中轧制压下量为80％。
首先，利用铣床对获得的铜钛合金铸锭进行上下表面的铣平处理，并借助数控线切割机将其切成长10mm×20mm×2mm的长条状。然后，在室温下使用二辊轧机进行反复轧制处理，将轧制压下量控制为80％。
优选的，在本实施例中，选用轧辊直径为180mm，轧辊辊面长度为300mm，最大轧制压力为420KN的二辊轧机进行轧制，并且轧制速度控制在0.2～0.6m/min，轧制每道次压下量为0.02mm，以保证对铜钛合金铸锭的轧制效果和质量。
此外，在进行轧制之前，预先对轧辊表面进行清理处理干净，并且在轧辊表面均匀涂抹一层润滑油，由此减小铜钛合金收到轧辊轧制过程中产生的变形抗力，进一步提高对铜钛合金的轧制质量和效果。
步骤S3，对步骤S2中完成轧制处理的铜钛合金进行固溶处理，其中固溶温度为860℃，保温时间为1h，并且完成固溶处理后进行冷水淬火处理。
步骤S4，对步骤S3中完成固溶处理的铜钛合金进行时效处理，从而获得标记为Cu-10wt.％Ti-1的铜钛合金。其中，时效处理的温度设定为450℃，升温速率为8℃/min，保温时间为1h。
其中，在本实施例的步骤S3和步骤S4中，分别采用真空管式高温烧结炉进行铜钛合金的固溶处理和时效处理，以避免热处理过程中铜钛合金的表面发生氧化反应生成氧化膜，从而提高对铜钛合金的保护，保证最终所获得铜钛合金的质量。
另外，在对步骤S1中获得的铜钛合金铸锭进行轧制处理前，预先对其进行上下表面的打磨光滑处理，清除其表面的杂质，可以保证后续轧制处理的有效性。与此同时，通过线切割的方式将整块圆柱形的铜钛合金铸锭切割为长条状结构，可以便于后续进行轧制处理的操作以及对轧制变形量的准确控制。
实施例2
采用与实施例1相同的方法进行铜钛合金的制备，其区别仅在于，在步骤S4中，对铜钛合金进行时效处理的保温时间为2h，获得标记为Cu-10wt.％Ti-2的铜钛合金。
实施例3
采用与实施例1相同的方法进行铜钛合金的制备，其区别仅在于，在步骤S4中，对铜钛合金进行时效处理的保温时间为4h，获得标记为Cu-10wt.％Ti-4的铜钛合金。
对比例1
采用与实施例1相同的方法进行铜钛合金的制备，其区别仅在于，完成步骤S2中的轧制处理后取消步骤S3和步骤S4的处理，获得标记为Cu-10wt.％Ti-0的铜钛合金。
对比例2
采用与实施例1相同的方法进行铜钛合金的制备，其区别仅在于，在步骤S1中，制备铜钛合金的混合粉末中钛粉末质量百分比为4.5％，铜粉末质量百分比为95.5％，获得标记为Cu-4.5wt.％Ti-1的铜钛合金。
接下来，对实施例1中由步骤S1获得的铜钛合金铸锭进行组织结构检测分析，获得如图2所示的扫描电镜图，如图3所示图1中谱图2处对应的EDS图，如图4所示图2中谱图3处对应的EDS图，如图5所示对局部进行3000倍放大的扫描照片以及如图6所示的EDS面扫结果图。
根据图2所示的扫描电镜图以及图3和图4所示的EDS图可知，合金基体组织呈灰黑色，上面出现了断断续续的黑色析出，通过扫描电镜的EDS分析得知，基体组织组成元素大部分为Cu，Ti含量较少，Al含量较高。而黑色析出处的除了Cu之外，Ti含量比较高，而且Cu和Ti的含量比值大概为3.5：1，推测该组织应为Cu4Ti与Cu3Ti。在腐蚀过程中，由于Ti的添加生成的第二相比基体铜耐腐蚀性能差，故析出相表层被腐蚀掉。进一步，为了确定铸态合金组织中各组元的分布状况，对合金进行了面扫分析，结合图5和图6所示可以看到，基体大部分为Cu元素，Al元素无偏析现象，均匀分布于Cu基体中，而Ti元素富集于析出相，进一步验证了前面所述现象，即通过实施例1的制备方法获得了有效的铜钛合金。
再接下来，在室温环境中，对实施例1以及对比例1至对比例4中获得铜钛合金分别进行性能检测分析，包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度和导电率，获得如表1所示数据。
表1
测试对象 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％ 硬度/HV 导电率
实施例1 427.9 319.2 48.9 131.8 8.9
实施例2 404.1 296.3 46.7 132.6 9.0
实施例3 408.7 301.8 36 113.4 9.2
对比例1 745.4 540.6 5.5 195.1 8.3
对比例2 285.4 179.2 35 98.3 19.0
根据表1所示，与对比例2获得钛含量为4.5wt.％的铜钛合金的性能相比较，采用实施例1方法制获得钛含量为10wt.％的铜钛合金，在保持依然具有8.9％IACS导电率的情况下，抗拉强度、屈服强度、硬度和延伸率均得到大幅度提升，其中抗拉强度获得了50％的性能提升，屈服强度获得了78％的性能提升，硬度获得了34％的性能提升，延伸率获得了39.7％的性能提升。因此，相较于常规钛含量为4.5wt.％的铜钛合金，通过采用实施例1方法制备获得的钛含量为10wt.％的铜钛合金，在保证具有一定导电率的情况下，其抗拉强度、屈服强度、硬度和延伸率均得到了大幅度的提升，满足了铜钛合金对强度、塑性和导电性能的综合性能要求，实现了作为具备高强度、高弹性导电元件材质的推广和使用要求。
根据表1所示，相较于对比例1轧制后获得的钛含量为10wt.％的铜钛合金，通过实施例1方法经过轧制、固溶和失效处理制获得钛含量为10wt.％的铜钛合金，在其抗拉强度、屈服强度和硬度出现回落的情况下，延伸率和导电率获得了提升，尤其是延伸率获得789％的提升，使铜钛合金的塑性获得了质的改变，实现了铜钛合金作为高强度、高弹性导电元件材质的可行性。因此，采用铝热反应制备获得铜钛合金铸锭后，需要再依次经过轧制、固溶和时效处理，从而达到对铜钛合金延伸率的本质提升，改善和平衡整个铜钛合金的性能，满足其作为高弹性件材质的使用要求。
根据表1所示，相较于实施例2和实施例3中所获得铜钛合金的性能，采用实施例1方法制备获得的铜钛合金，在其导电率维持在9％IACS左右且变化不超过3％的情况下，其抗拉强度、屈服强度、硬度和延伸率均获得了有效的平衡和改善，而且其整个制备时间缩短，降低制备成本，获得更高的制备效率，达到了制备和使用性能的最佳匹配效果，使其可以更加经济有效的作为高强度、高弹性导电元件材质进行使用和推广。

Claims (10)

1.一种铜钛合金，其特征在于，该铜钛合金中钛含量为10wt.％，铜含量为90wt.％。
2.一种铜钛合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1，采用铝热反应制备获得铜钛合金铸锭，其中，按质量百分比计，铝热反应的原料包括钛粉末10％以及铜粉末90％；
步骤S2，对步骤S1中获得的铜钛合金铸锭进行轧制处理，其中轧制压下量为80％；
步骤S3，对步骤S2中完成轧制处理的铜钛合金进行固溶处理，其中固溶温度为860℃，保温时间为1h，并且完成固溶处理后进行淬火处理。
步骤S4，对步骤S3中完成固溶处理的铜钛合金进行时效处理。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采用铝热反应制备获得铜钛合金铸锭的具体过程为：
步骤S11，秤取反应原料，按质量百分比计，反应原料包括钛粉末10％以及铜粉末90％；
步骤S12，对反应原料进行混合处理,并对混合后的反应原料进行加压处理，获得圆饼状胚体；
步骤S13，首先将坯体放入燃烧合成反应釜内，并在坯体上表面放置引燃剂；其次向反应釜内充入1MPa氩气，保持5min后排出气体；待反应釜内温度加热至180℃时再次排出反应釜内残余的气体；然后再次向反应釜内充入氩气，使反应釜内压强上升至4Mpa；待反应釜内温度升至280℃时，在反应釜内发生铝热反应；最后待铝热反应完成并冷却至室温后，获得块状铜钛合金铸锭。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤13中，将胚体置于石墨坩埚后再整体放入燃烧合成反应釜内。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，选用二辊轧机进行轧制，并且轧制速度为0.2～0.6m/min，每次压下量控制为0.02mm。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在进行轧制之前，预先将轧辊表面清理干净并且均匀涂抹润滑油。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对完成固溶处理后的铜钛合金进行冷水淬火处理。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，进行时效处理的温度为450℃，升温速率为8℃/min，保温时间为1h～4h。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对步骤S1中获得的铜钛合金铸锭进行轧制压下量为80％的轧制处理；在所述步骤S4中，对步骤S3中完成固溶处理的铜钛合金进行保温时间为1h的时效处理。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3和所述步骤S4中，分别采用真空管式高温烧结炉进行铜钛合金的固溶处理和时效处理。
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