CN109852840A - 一种铜钛合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种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：64～66％，TiH₂粉：34～36％。制法为：按铜钛合金的成分配比，将Cu粉和TiH₂粉混合均匀，制得混合料后，进行压制成型，成型压力为35～100MPa，保压时间为10～30min，制得合金生坯，在惰性气体气氛下进行烧结，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后，冷却出炉，制得铜钛合金。该方法制备的铜钛合金具有极高的硬度和韧性，同时还具有良好的脆性与热导率。且原料易得，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，使制备出来的合金不仅成分符合要求而且性能有保证。

Description

一种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，具体涉及一种铜钛合金及其制备方法。

背景技术

从二十世纪三十年代开始，人们开始研究铜钛合金，发现了多种铜钛金属间化合物，铜钛合金虽然开始研究的比较早，但是一直没有得到人们足够的重视。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，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。如在铜基氮化硼砂轮中，添加钛元素作为活性元素与氮化硼参与反应生成氮化钛和硼化钛，建立起了金属基体与氮化硼磨料之间的化学连接，增强了基体对于氮化硼的把持力，可以有效防止氮化硼磨料的脱落而造成砂轮失效。同时铜和钛也反应生成金属间化合物，作为增强相可以显著提高铜基体的强度，提高砂轮的使用寿命。由于导电性良好可以作为电缆、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使用。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。然而，几乎没有专门对于中间区域的铜钛合金进行研究，在这一领域的研究几乎还处于空白。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种铜钛合金及其制备方法，该合金是一种硬度很高的合金，同时具有出色的韧性和良好的脆性，其具体的技术方案如下：

一种铜钛合金包括组分及其质量百分比为：Cu粉：64～66％，TiH₂粉：34～36％。

所述的一种铜钛合金的显微硬度为450～500HV，冲击韧性为28～45J/cm²，断裂韧性为5～11MPa·m^1/2。

所述的铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，物料混合：按铜钛合金的成分配比，将Cu粉和TiH₂粉混合均匀，制得混合料；

步骤2，成型与脱模：

将混合料进行压制成型，制得合金生坯，其中，所述的成型压力为35～100MPa，保压时间为10～30min；

步骤3，烧结：

(1)将合金生坯进行烧结，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，其中：所述的烧结操作在惰性气体气氛下进行；

(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得铜钛合金。

所述的步骤1中，Cu粉和TiH₂粉的粒径范围均为45～60μm。

所述的步骤1中，物料混合时间为0.5～2h。

所述的步骤2中，压制成型在室温下进行，过程为：将混合料均匀投入模具内，在相应参数下进行压制成型。

所述的步骤2中，采用液压机进行压制成型。

所述的步骤2中，使用钢制模具脱模。

所述的步骤3(1)中，惰性气体气氛目的在于隔绝空气，使烧结过程在无氧条件下进行，所述的惰性气体为氩气。

所述的步骤3(2)中，制备的铜钛合金包括Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃相，成分组织均匀，Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃组织相互包裹，并且分布比较均匀，硬度测试表明不仅具有极高的硬度同时兼具出色的韧性和良好的断裂性能。

本发明的铜钛合金的制备过程中，TiH₂首先分解提供活性金属Ti，然后Ti和Cu反生反应，中间通过一系列的相变发生，最终生成目标合金相，具体最终反应式如下：

TiH₂＝Ti+H₂和7Cu+5Ti＝Cu₃Ti₂+Cu₄Ti₃

本发明的一种铜钛合金，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，保持高硬度和出色韧性的同时还具有良好的脆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制备的铜钛合金中Cu₄Ti₃合金相金相显微形貌图；

图2为实施例3制备的铜钛合金中Cu₄Ti₃合金相进行显微硬度实验后的金相显微形貌图；

图3为实施例3制备的铜钛合金中Cu₃Ti₂合金相金相显微形貌图；

图4为实施例3制备的铜钛合金中Cu₃Ti₂合金相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

一种铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：64％，TiH₂粉：36％；Cu粉和TiH₂粉质量百分比之和为100％。

上述的铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，混料：按铜钛合金的成分配比，将粒径范围均为45μm的Cu粉和TiH₂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1085℃，烧结时间60min；

(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得铜钛合金，该铜钛合金包括Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃相，成分组织均匀，Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃组织相互包裹，并且分布比较均匀，经测试，其显微硬度为450HV，冲击韧性为45J/cm²，断裂韧性为5MPa·m^1/2。

实施例2

一种铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：65％，TiH₂粉：35％。

上述的铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，混料：

按铜钛合金的成分配比，将Cu粉和TiH₂粉混合均匀，混合时间为1h，制得混合料A，所述的Cu粉和TiH₂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10min；

(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得铜钛合金，包括Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃相，成分组织均匀，Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃组织相互包裹，并且分布比较均匀，经测试，其显微硬度为460HV，冲击韧性为40J/cm²，断裂韧性为6MPa·m^1/2。

实施例3

一种铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：66％，TiH₂粉：36％。

上述的铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，混料：

按铜钛合金的成分配比，将Cu粉和TiH₂粉混合均匀，混合时间为1h，制得混合料A，所述的Cu粉和TiH₂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40min；

(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得铜钛合金，该铜钛合金包括Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃相，Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃组织相互包裹，且分布比较均匀，合金中Cu₄Ti₃合金相金相显微形貌图如图1所示，Cu₃Ti₂合金相金相显微形貌图如图3所示，对该铜钛合金进行硬度试验后，Cu₄Ti₃合金相进行显微硬度实验后的金相显微形貌图如图2所示，Cu₃Ti₂合金相进行显微硬度实验后的金相显微形貌图如图4所示，经测试，其显微硬度为500HV，冲击韧性为28J/cm²，断裂韧性为11MPa·m^1/2。

实施例4

一种铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：64.5％，TiH₂粉：35.5％。

上述的铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，混料：

按铜钛合金的成分配比，将粒径范围均为40μm的Cu粉和TiH₂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1125℃，烧结时间25min；

(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得铜钛合金，包括Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃相，成分组织均匀，Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃组织相互包裹，并且分布比较均匀，经测试，其显微硬度为470HV，冲击韧性为35J/cm²，断裂韧性为8MPa·m^1/2。

实施例5

一种铜钛合金，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：65.5％，TiH₂粉：34.5％。

上述的铜钛合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，混料：

按铜钛合金的成分配比，将Cu粉和TiH₂粉混合均匀，混合时间为1h，制得混合料A，所述的Cu粉和TiH₂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50MPa，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，制得铜钛合金，包括Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃相，成分组织均匀，Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃组织相互包裹，并且分布比较均匀，经测试，其显微硬度为490HV，冲击韧性为30J/cm²，断裂韧性为10MPa·m^1/2。

Claims (8)

1.一种铜钛合金，其特征在于，包括组分及其质量百分比为：Cu粉：64～66％，TiH₂粉：34～36％。

2.根据权利要求1所述的铜钛合金，其特征在于，所述的一种铜钛合金的显微硬度为450～500HV，冲击韧性为28～45J/cm²，断裂韧性为5～11MPa·m^1/2。

3.权利要求1所述的铜钛合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，物料混合：按铜钛合金的成分配比，将Cu粉和TiH₂粉混合均匀，制得混合料；

步骤2，成型与脱模：

将混合料进行压制成型，制得合金生坯，其中，所述的成型压力为35～100MPa，保压时间为10～30min；

步骤3，烧结：

(1)将合金生坯进行烧结，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，其中：所述的烧结操作在惰性气体气氛下进行；

(2)烧结后冷却至≤40℃出炉，制得铜钛合金。

4.根据权利要求3所述的铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，Cu粉和TiH₂粉的粒径范围均为45～60μm。

5.根据权利要求3所述的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，过程为：将混合料均匀投入模具内，在相应参数下进行压制成型。

6.根据权利要求3所述的铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(1)中，惰性气体气氛目的在于隔绝空气，使烧结过程在无氧条件下进行，所述的惰性气体为氩气。

7.根据权利要求3所述的铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(1)中，烧结过程中先后发生如下反应：

TiH₂＝Ti+H₂；

7Cu+5Ti＝Cu₃Ti₂+Cu₄Ti₃。

8.根据权利要求3所述的铜钛合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(2)中，制备的铜钛合金包括Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃相，成分组织均匀，Cu₃Ti₂和Cu₄Ti₃组织相互包裹。