JP2022091701A - 共晶組織を含有する銅チタン合金及びその調製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】共晶組織を含有する銅チタン合金及びその調製方法を提供する。【解決手段】銅チタン合金は、質量百分率でＣｕ粉４０％～５５％、Ｔｉ粉４５％～６０％を調製してなり、Ｃｕ粉及びＴｉ粉の質量百分率の和は１００％である。調製するとき、合金の成分に基づいて混合物材料を形成した後、高温真空炉により８～１０℃／ｍｉｎの速度で室温から１０００～１１００℃まで昇温し、３０～４０ｍｉｎ保温し、その後９００～９１０℃で３０～４０ｍｉｎ保温する。高温真空炉を室温まで冷却してから取り出し、共晶組織を含有する銅チタン合金を得る。該方法のプロセスは簡単で、得られた共晶組織はＣｕＴｉ及びＣｕＴｉ２の２種の金属間化合物からなり、比較的高い室温破壊靭性を有し、３０～３７ＭＰａ・ｍ１／２に達する。【選択図】なし

Description

本発明は冶金の技術分野に属し、具体的に共晶組織を含有する銅チタン合金及びその調製方法に関する。

銅は銀に次ぐ導電率を有する金属であるだけでなく、価格がより低いが、純銅の力学的性質は比較的劣る。チタン及びその合金は比強度が高い、耐熱性及び耐食性が好ましいなどの優れた性能により、現代の航空宇宙工業において不可欠な構造材料とされている。一般的に、通常、合金化、熱処理、大変形などの方法を採用して合金の力学的性質を高める。銅チタン合金の生産過程において有毒物質は生成されず、グリーン環境保護であり、セラミック間及びセラミック－金属間をろう接するろう接材として用いることができる。構造材料として、比較的高い強度、硬度及び弾性、並びに良好な耐熱性、耐疲労性、耐食性などを有し、生体材料としては、生体適合性が良好で、抗菌作用を示すこともできる。耐荷重部位の構造材は、疲労強度が重要な指標であり、材料の抗疲労性能を高めるのは、部品の耐用年数を高めるのに特に重要である。一般的に、材料の引張強度が高いほど、その疲労強度も高い。チタン含量が６．１ａｔ％より低い銅チタン合金は時効強化型合金に属し、熱処理の方式でＣｕ_４Ｔｉ相を制御することにより、さらに合金の総合的性質を制御することができ、該成分範囲内の合金は比較的良好な力学的性質を有する。しかし、このとき合金の主要相の組成はチタン原子が銅マトリックス中に固溶し、電子散乱が増加し、合金の導電率が明らかに低下する。

従来の銅チタン合金の研究では、大部分が銅の固溶体及びチタンの固溶体の研究に集中しており、銅チタンを形成する金属間化合物についての研究は相対的に少ない。金属間化合物の金属原子が相互に結合するとき、金属結合、イオン結合及び共有結合を形成することができ、長距離秩序の特性を示す。正にその独特な結合特性により、金属間化合物は融点が高く、密度が低く、優れた抗酸化、抗腐食などの性質を有する。銅チタン合金のすべての金属間化合物のうち、ＣｕＴｉ及びＣｕＴｉ_２はろう接材料のせん断強度を高めることができ、ＣｕＴｉは強い機械的性質を有し、ＣｕＴｉ_２は比較的高い硬度を有することが、関連研究で明らかにされている。周知のように、微細構造が合金性能を決定し、合金の各種微細構造のうち、共晶組織は平衡状態に近い組織であり、共晶点に達する温度に耐えることができ、良好な超合金の代替品である。通常、共晶組織は非常に小さな組織構造を有し、共晶組織内部の各相は互いに入り組んでネットワーク構造を構成する。この種の材料は優れた力学的性質を示し、さらにその他の優れた特性を多く有し、（１）良好な流動性を有し、鋳造の欠点を減少させる。（２）微細構造を制御することができる。（３）良好な抗高温クリープ性能を有するなどである。

以上の記載から考えて、室温組織がＣｕＴｉ及びＣｕＴｉ_２である銅チタン合金を基にして、２つの相の含量、寸法、微細形態などを制御することにより得られる合金を調製するか、又はより優れた総合的性質を有する銅チタン合金を得る。

本発明の目的は、上記既存技術に存在する不足を克服し、共晶組織を含有する銅チタン合金及びその調製方法を提供することである。該合金は、２種の金属間化合物により形成される共晶組織を含む合金である。本発明は銅粉及びチタン粉から共晶組織を含む銅チタン合金を調製し、最も高い加熱温度は１１００℃である。銅粉の融点は約１０８６℃、チタン粉の融点は約１６７０℃であるため、本発明の係る合金は、固（チタン粉）液（銅）拡散の方式により、ＣｕＴｉ相及びＣｕＴｉ_２相を含有する共晶組織を形成する。銅粉が液体状態にすべて溶解するとき、チタン粉は液体状態の銅に包まれ、同時にＣｕＴｉ及びＣｕＴｉ_２が交互に成長する格子状の共晶組織を形成し、反応方程式はＬ→ＣｕＴｉ＋ＣｕＴｉ_２である。本発明では、２種の純金属粉末を原料として採用し、高温下で２種の粉末が十分に拡散することを保証することができる。このほか、原料すべてが必要な２種の金属であり、余計な不純物、気泡などが生成することはなく、保温時間は３０ｍｉｎであり、固液拡散を完了して核生成するのに十分な時間を有することができる。上記をまとめると、この種の方法で調製した共晶合金組織の成分は均等で、原料利用率は高く、気泡などの欠点が少なく、総合的性質が優れている。特に優れた室温破壊靭性を有し、室温破壊靭性は３０～３７ＭＰａ・ｍ^１／２である。

上記目的を実現するため、本発明は以下の技術案を採用する。
共晶組織を含有する銅チタン合金は、質量百分率でＣｕ粉４０．０％～５５％、Ｔｉ粉４５％～６０％を調製してなり、Ｃｕ粉及びＴｉ粉の質量百分率の和は１００％である。

前記Ｃｕ粉の粒度は３００メッシュであり、Ｔｉ粉の粒度は２５０メッシュである。

前記共晶組織を含有する銅チタン合金の室温破壊靭性は、３０～３７ＭＰａ・ｍ^１／２である。

前記銅チタン合金の室温組織は、ＣｕＴｉ及びＣｕＴｉ_２の２種の金属間化合物からなる共晶組織である。

前記共晶組織を含有する銅チタン合金の調整方法は、以下の工程を含む。
工程１、材料を混合する。
銅チタン合金の成分比率に基づいて、Ｃｕ粉及びＴｉ粉を３次元混合機で１時間混合し、混合物Ａを得る。
工程２、製錬を準備する。
混合物Ａを直径４０ｍｍ、高さ５０ｍｍのジルコニアるつぼに入れ、ジルコニアるつぼを高温真空炉に入れて製錬する。炉内の真空度は１．０×１０^－３Ｐａである。
工程３、製錬する。
８～１０℃／ｍｉｎの速度で、室温から１０００～１１００℃まで昇温し、３０～４０ｍｉｎ保温し、その後９００～９１０℃で３０～４０ｍｉｎ保温する。高温真空炉を室温まで冷却してから取り出し、共晶組織を含有する銅チタン合金を得る。

本発明の銅チタン合金を既存の銅チタン合金と比較すると、以下の有益な効果を有する。
（１）本発明で調製した銅チタン合金は比較的高い室温破壊靭性を有し、総合的性質が優れている。
（２）本発明は、固液拡散により形成した銅チタン２元共晶合金である。調製過程の操作は簡単で、加熱温度は低く、コストを節約する。
（３）本発明の銅チタン合金は室温で共晶組織を有し、共晶組織はＣｕＴｉ及びＣｕＴｉ_２の２種の金属間化合物からなる。

図１は、本発明の実施例１で調製した銅チタン合金の室温ＳＥＭ図である。 図２は、本発明の実施例２で調製した銅チタン合金の室温ＳＥＭ図である。 図３は、本発明の実施例３で調製した銅チタン合金の室温ＳＥＭ図である。 図４は、本発明の比較例１－１で調製した銅チタン合金の室温ＳＥＭ図である。 図５は、本発明の比較例３－２で調製した銅チタン合金の室温ＳＥＭ図である。 図６は、本発明の比較例３－３で調製した銅チタン合金の室温ＳＥＭ図である。

以下、具体的な実施例を組み合わせて、本発明についてさらに説明を行う。しかし、本発明はこれらの実例に制限されない。

銅チタン合金について、銅チタン合金は質量百分率でＣｕ粉５２．５％、Ｔｉ粉４７．５％を調製してなり、Ｃｕ粉及びＴｉ粉の質量百分率の和は１００％である。

前記Ｃｕ粉は３００メッシュであり、Ｔｉ粉は２５０メッシュである。

前記銅チタン合金の室温組織は、２種の銅チタン金属間化合物からなる亜共晶合金であり、室温破壊靭性は３２ＭＰａ・ｍ^１／２である。

上記銅チタン合金の調製方法は、以下の工程を含む。
工程１、材料を混合する。
銅チタン合金の成分比率に基づいて、Ｃｕ粉及びＴｉ粉を３次元混合機で均一に混合する。混合時間は１時間で、混合物Ａを得る。
工程２、製錬を準備する。
４０ｇの混合物Ａを直径４０ｍｍ、高さ５０ｍｍのジルコニアるつぼに入れ、ジルコニアるつぼを高温真空炉に入れて製錬する。炉内の真空度は１．０×１０^－３Ｐａである。
工程３、製錬する。
室温から開始し、１０℃／ｍｉｎの速度で１１００℃まで昇温して、３０ｍｉｎ保温し、その後９１０℃で３０ｍｉｎ保温する。高温真空炉を室温まで冷却してから取り出し、共晶組織を含有する銅チタン合金を得る。室温ＳＥＭ図は図１に示す通りであり、ＣｕＴｉ及びＣｕＴｉ_２が相互に混ざり合って形成された共晶組織を確認できる。

比較例１－１
実施例１との違いは、調製プロセスにおいて「１１００℃で３０ｍｉｎ保温する」を「１１５０℃で６０ｍｉｎ保温する」に調整したことである。調製した銅チタン合金の室温ＳＥＭ図は図４に示す通りであり、多角形のＣｕＴｉ_２結晶粒がＣｕＴｉ相中に分散し、相互に混ざり合った共晶組織が出現していないことが確認できる。検査の結果、調製した銅チタン合金の室温破壊靭性は２０ＭＰａ・ｍ^１／２である。

比較例１－２
実施例１との違いは、合金成分を「Ｃｕ粉５７％、Ｔｉ粉４３％」に調整したことである。室温組織は、ＣｕＴｉ、ＣｕＴｉ_２及びＣｕ_４Ｔｉ_３からなる銅チタン合金である。検査の結果、調製した銅チタン合金の室温破壊靭性は２７ＭＰａ・ｍ^１／２である。

銅チタン合金について、銅チタン合金は質量百分率でＣｕ粉５０．０％、Ｔｉ粉５０．０％を調製してなり、Ｃｕ粉及びＴｉ粉の質量百分率の和は１００％である。

前記Ｃｕ粉は３００メッシュであり、Ｔｉ粉は２５０メッシュである。

前記銅チタン合金の室温組織は、２種の銅チタン金属間化合物からなる共晶合金であり、室温破壊靭性は３７ＭＰａ・ｍ^１／２である。

上記銅チタン合金の調製方法は、以下の工程を含む。
工程１、材料を混合する。
銅チタン合金の成分比率に基づいて、Ｃｕ粉及びＴｉ粉を３次元混合機で均一に混合する。混合時間は１時間で、混合物Ａを得る。
工程２、製錬を準備する。
４０ｇの混合物Ａを直径４０ｍｍ、高さ５０ｍｍのジルコニアるつぼに入れ、ジルコニアるつぼを高温真空炉に入れて製錬する。炉内の真空度は１．０×１０^－３Ｐａである。
工程３、製錬する。
室温から開始し、１０℃／ｍｉｎの速度で１１００℃まで昇温して、３０ｍｉｎ保温し、その後９１０℃で３０ｍｉｎ保温する。高温真空炉を室温まで冷却してから取り出し、共晶組織を含有する銅チタン合金を得る。室温ＳＥＭ図は図２に示す通りであり、極めて小さなＣｕＴｉ及びＣｕＴｉ_２の２相が相互に混ざり合って形成する典型的な室温共晶組織の形態が確認できる。

比較例２－１
実施例２との違いは、調製プロセスにおいて「１１００℃で３０ｍｉｎ保温する」を「１１５０℃で６０ｍｉｎ保温する」に調整したことである。調製した銅チタン合金の室温ＳＥＭ図は図５に示す通りであり、ＣｕＴｉ_２結晶粒が大きく、相互に混ざり合った典型的な共晶組織の微細形態がないことが確認できる。検査の結果、調製した銅チタン合金の室温破壊靭性は２４ＭＰａ・ｍ^１／２である。

銅チタン合金について、銅チタン合金は質量百分率でＣｕ粉４５．０％、Ｔｉ粉５５．０％を調製してなり、Ｃｕ粉及びＴｉ粉の質量百分率の和は１００％である。

前記Ｃｕ粉は３００メッシュであり、Ｔｉ粉は２５０メッシュである。

前記銅チタン合金の室温組織は、２種の銅チタン金属間化合物からなる過共晶合金であり、室温破壊靭性は３０ＭＰａ・ｍ^１／２である。

上記銅チタン合金の調製方法は、以下の工程を含む。
工程１、材料を混合する。
銅チタン合金の成分比率に基づいて、Ｃｕ粉及びＴｉ粉を３次元混合機で均一に混合する。混合時間は１時間で、混合物Ａを得る。
工程２、製錬を準備する。
４０ｇの混合物Ａを直径４０ｍｍ、高さ５０ｍｍのジルコニアるつぼに入れ、ジルコニアるつぼを高温真空炉に入れて製錬する。炉内の真空度は１．０×１０^－３Ｐａである。
工程３、製錬する。
室温から開始し、１０℃／ｍｉｎの速度で１１００℃まで昇温して、３０ｍｉｎ保温し、その後９１０℃で３０ｍｉｎ保温する。高温真空炉を室温まで冷却してから取り出し、共晶組織を含有する銅チタン合金を得る。室温ＳＥＭ図は図３に示す通りであり、室温組織はＣｕＴｉ及びＣｕＴｉ_２が相互に包み、混ざり合って形成する共晶組織であることが確認できる。

比較例３－１
実施例３との違いは、調製プロセスにおいて「１１００℃で３０ｍｉｎ保温する」を「１１５０℃で６０ｍｉｎ保温する」に調整したことである。得られた銅チタン合金ＣｕＴｉ_２結晶粒の寸法は不均一であり、典型的な共晶組織は生成されず、共晶組織はほとんど出現しない。検査の結果、調製した銅チタン合金の室温破壊靭性は２２ＭＰａ・ｍ^１／２である。

比較例３－２
実施例３との違いは、調製プロセスにおいて「１１００℃で３０ｍｉｎ保温する」を「１１００℃で２０ｍｉｎ保温する」に調整したことである。調製した銅チタン合金の室温ＳＥＭ図は図５に示す通りであり、溶解していないＴｉを有し、得られた合金の室温組織はＣｕＴｉ、ＣｕＴｉ_２及びαＴｉを含有する３相合金であることが確認できる。検査の結果、調製した銅チタン合金の室温破壊靭性は２３ＭＰａ・ｍ^１／２である。

比較例３－３
実施例３との違いは、調製プロセスにおいて「１１００℃で３０ｍｉｎ保温し、９１０℃で３０ｍｉｎ保温する」を「１１００℃で６０ｍｉｎ保温する」に調整したことである。調製した銅チタン合金の室温ＳＥＭ図は図６に示す通りであり、共晶組織を得ることができないことが確認できる。検査の結果、調製した銅チタン合金の室温破壊靭性は２５ＭＰａ・ｍ^１／２である。

比較例３－４
実施例３との違いは、合金成分を「Ｃｕ粉３９％、Ｔｉ粉６１％」に調整したことである。第２相を含有するチタン合金を得ることがあり、実施例の方法で得られるのは鋳造状態の室温組織であり、αＴｉ及び第２相のＣｕＴｉ_２である。検査の結果、調製した製品はチタン合金であり、室温破壊靭性は２６ＭＰａ・ｍ^１／２である。

Claims (5)

1. 質量百分率でＣｕ粉４０％～５５％、Ｔｉ粉４５％～６０．０％を調製してなり、Ｃｕ粉及びＴｉ粉の質量百分率の和が１００％であることを特徴とする、共晶組織を含有する銅チタン合金。
2. 前記Ｃｕ粉の粒度が３００メッシュであり、Ｔｉ粉の粒度が２５０メッシュであることを特徴とする、請求項１に記載の共晶組織を含有する銅チタン合金。
3. 室温破壊靭性が３０～３７ＭＰａ・ｍ^１／２であることを特徴とする、請求項１に記載の共晶組織を含有する銅チタン合金。
4. 室温組織が、ＣｕＴｉ及びＣｕＴｉ_２の２種の金属間化合物からなる共晶組織であることを特徴とする、請求項１に記載の共晶組織を含有する銅チタン合金。
5. 工程１、材料を混合する工程、
   銅チタン合金の成分比率がＣｕ粉４０％～５５％、Ｔｉ粉４５％～６０．０％、Ｃｕ粉及びＴｉ粉の質量百分率の和が１００％であり、Ｃｕ粉及びＴｉ粉を均一に混合し、混合物を得る工程、
   工程２、製錬を準備する工程であって、混合物を高温真空炉に入れて製錬し、炉内の真空度は１．０×１０^－３Ｐａである、工程、
   工程３、製錬する工程であって、８～１０℃／ｍｉｎの速度で、室温から１０００～１１００℃まで昇温し、３０～４０ｍｉｎ保温し、その後９００～９１０℃で３０～４０ｍｉｎ保温し、高温真空炉を室温まで冷却してから取り出し、共晶組織を含有する銅チタン合金を得る、工程、
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載の共晶組織を含有する銅チタン合金の調製方法。

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