CN104372196B - 一种原位反应生成TiC弥散强化Cu合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原位反应生成TiC弥散强化Cu合金的方法。具体如下：(1)将铜粉、钛粉和碳粉按比例称取，混合均匀后用压片机将混合粉末压制成预制块；(2)将电解铜和步骤(1)获得的预制块放入真空感应熔炼炉中，抽真空后加热熔化电解铜，待温度达到1350～1450℃时把预制块投入到熔体之中，保温后进行降温浇铸，自然冷却，得到平均粒径为0.5～1μm、含量1～2wt%的TiC弥散强化铜基合金。经测试含1%TiC的铸态显微硬度为92.8HV，导电率为76.5%IACS。本发明制备工艺简单，原位生成的TiC颗粒呈微团聚状均匀分布，颗粒细小且与基体结合良好，钛和碳反应完全，无杂质相的生成，材料性能较好。

Description

一种原位反应生成 TiC 弥散强化 Cu 合金的方法

技术领域

本发明涉及一种原位反应生成TiC弥散强化Cu合金的方法，属于有色合金加工技术领域。

背景技术

铜合金是一类具有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，被广泛用作电气化铁路接触线材料。接触线也称电车线，作为电气化铁路弓网关系中的重要介质，其作用就是确保列车高速运行时能够持续不断地从牵引供电***中得到电能，它在正常工作中需承受冲击、震荡、高温、严寒、腐蚀、摩擦和极大的张力，因此其综合性能（强度、导电性、耐蚀性、耐磨性等）直接影响机车的受流稳定性及安全性。随着电气化铁路的高速发展，列车的运行速度越来越快，因此对电气化铁路接触线材料的性能要求也越来越高。目前常用的铜合金接触线材有：铜银、铜锡、铜镁和铜铬锆。铜银、铜锡和铜镁属于固溶强化型铜合金，这类合金强度高，但固溶原子对电子的散射作用强，因此合金的导电性比较低。铜铬锆属于析出强化型铜合金，这类合金可以兼顾高强度和高导电性，但需要固溶和时效等热处理手段，这无疑加剧了工艺的复杂性，提高了生产成本，因此极大的制约了其应用。导电理论指出，第二相对电子的散射作用比固溶原子引起的点阵畸变对电子的散射作用弱的多，因此第二相不会明显降低铜基体的导电性，从而达到高强度和高导电性的较好结合。那么，如何既能避免固溶、时效等热处理手段，又能在铜基中生成第二相，值得进一步的研究。

采用原位反应合成（复合）法，可在铜基体中直接生成第二相颗粒，无需固溶、时效等热处理手段，即能达到增强效果，近年来已越来越受到重视。在原位反应复合过程中，常引入的第二相颗粒有SiC、WC、TiN、TiB₂、Al₂O₃、TiC等。其中TiC颗粒具有熔点和硬度高、耐磨性好等特性，同其它增强颗粒相比，所导致的金属导电率和热导率下降量较小，因而可望获得高强度、高硬度、高导电率及高软化温度等特性，TiC弥散强化Cu合金必将成为未来研究的热点之一。原位反应复合材料法主要包括：机械合金化法、自蔓延高温合成法、热压烧结法、内氧化法和接触反应法。接触反应法即熔炼法，相较于前四种方法，该方法工艺简单，成本较低，易于规模化生产。通过热压烧结法、自蔓延高温合成法和机械合金法在铜基体中原位生成TiC颗粒已比较成熟，但利用熔炼法，使得钛粉和碳粉直接原位反应制备TiC弥散强化Cu合金的研究还未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的原位制备铜基复合材料设备昂贵、操作复杂、原料价格较高等缺点，又避免了析出强化所需的固溶、时效等热处理手段。提供一种原位反应生成TiC弥散强化Cu合金的方法，采用真空熔炼技术，利用铜熔体的热量，使得预制块中的钛粉和碳粉直接原位生成超细TiC增强颗粒相，以此制备TiC弥散强化Cu合金。

技术方案：

一种原位反应生成TiC弥散强化Cu合金的方法，包括如下步骤：

第1步、取铜粉、钛粉和碳粉，用球磨机进行球磨，再压制成预制块；

第2步、将铜和第1步所得的预制块放入真空感应熔炼炉中，抽真空，加热熔化铜；再将预制块投入到铜熔体中，保温，再降温后浇铸，冷却，即得TiC弥散强化Cu合金。

所述的第1步中，铜粉的重量：钛粉与碳粉的重量之和为（1.1～1.3）：1；钛粉：碳粉的摩尔比为（1.8～2.2）：1。

所述的第1步中，铜粉颗粒尺寸＜45μm，纯度＞99.9%；钛粉颗粒尺寸为45～75μm，纯度＞99.9%；碳粉颗粒尺寸＜45μm，纯度＞99.9% 。

所述的第1步中，压制的压力为25～35MPa。

所述的第2步中，加热熔化铜中，待温度达到1350～1450℃时把预制块投入到熔体当之中。

所述的第2步中，保温时间15～20min。

所述的第2步中，浇铸温度为1250～1300℃。

所述的TiC弥散强化Cu合金的中TiC的平均粒径0.5～1μm、含量1～2wt%。

有益效果

(1) 采用熔炼技术，直接原位生成颗粒增强相，无需固溶、时效等热处理手段，工艺简单，成本较低，易于规模化生产；

(2) 通过熔炼工艺，钛和碳反应完全，无杂质相的生成，原位生成的TiC颗粒分布较为均匀，颗粒细小并与基体结合良好，且材料性能较好，经测试含1%TiC(重量百分比)的铸态显微硬度为92.8HV，导电率为76.5%IACS；

(3) 1350～1450℃的反应温度保证了反应的充分进行，1250～1300℃的浇铸温度既避免了浇铸温度过高，TiC颗粒大量团聚，又避免了浇铸温度过低，熔体来不及补缩，产生气孔；

(4) 预制块中合理的颗粒粒径选择和原料配比，既保证了钛粉和碳粉的充分反应，又不会使过量钛元素对导电性产生较大影响。

附图说明

图1 铸态Cu合金（含1wt%TiC）的扫描电镜图，观察倍数较低

图2铸态Cu合金（含1wt%TiC）的扫描电镜图，观察倍数较高

图3 铸态Cu合金（含1wt%TiC）的XRD图谱

图4铸态Cu合金（含1.8wt%TiC）的金相组织图

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细说明。但本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

以范围形式表达的值应当以灵活的方式理解为不仅包括明确列举出的作为范围限值的数值，而且还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子区间，犹如每个数值和子区间被明确列举出。例如，“大约0.1%至约5%”的浓度范围应当理解为不仅包括明确列举出的约0.1%至约5%的浓度，还包括有所指范围内的单个浓度（如，1%、2%、3%和4%）和子区间（例如，0.1%至0.5%、1%至2.2%、3.3%至4.4%）。

本发明主要是采用先将铜粉、钛粉和碳粉按一定比例球磨之后，再压制成预制块，预制块中的铜粉、钛粉和碳粉的配比对最终TiC的生成情况十分关键，本发明得到了一个原料配比范围，不在这个范围之内的话，有两种不良后果，一是很难原位生成TiC增强颗粒，二是制备的TiC弥散强化Cu合金的导电性很低。在优选的实施方式中，铜粉：(钛粉+碳粉)重量比=1.1～1.3：1，其中钛粉：碳粉摩尔比=1.8～2.2：1。另外，预制块只是经过球磨，是冷压过程，目的就是使粉末成为块体，不至于分散，这个过程不存在任何反应，只进行冷压的目的就是使粉末成为块体，不至于分散，如果粉末不是以块体的形式投入熔体中，那么分散的粉末就会被熔体烧蚀掉。

接下来，再将铜进行加热熔化，这里采用的铜可以是电解铜，熔化之后，再加入预制块并保温，即可实现Ti和C的原位反应，生成TiC。该步骤中，先使铜熔化，再加入预制块，其目的是利用熔体的温度直接使Ti和C原位反应生成TiC颗粒，相对于同时加热，其优点在于减少原料的烧蚀尤其是钛元素的烧蚀，以此保证Ti和C的充分反应。该步骤中，加热使铜熔化的温度最优是达到1350～1450℃，在这个温度范围的原因在于：温度过低不利于TiC的生成，温度过高则会导致较高的能耗，其中经过大量试验最优选择1400℃，而且该温度是Ti和C的直接反应温度点，低于这个温度，反应很难进行)。另外，该步骤中真空熔炼，而没有采用大气熔炼，原因在于：一是铜在高温下很容易氧化，若是采用大气熔炼，会在铜熔体的表面生成一层很厚的氧化层，这样预制块就不能再加入到熔体之中，若是采用石墨钟罩把预制块压入熔体中，实际操作中会发现熔体温度会立即下降，进而凝固，十分不利于Ti和C的直接反应；二是采用真空熔炼，可以减弱钛粉的烧蚀和避免杂质的混入，有利于导电性。

在生成TiC之后，需要进行浇铸，浇铸温度优选为1250～1300℃，本发明的浇铸温度既避免了浇铸温度过高，TiC颗粒大量团聚，又避免了浇铸温度过低，熔体来不及补缩，产生气孔。

实施例 1

制备含1wt%TiC 的弥散强化Cu合金。以铜粉(45μm,99.9%)、钛粉(75μm,99.9%)、碳粉(45μm,99.9%)和T2电解铜为原料，先将三种粉末按铜粉：(钛粉+碳粉)重量比=1.2：1(其中钛粉：碳粉摩尔比=2：1)准确称取，共计118.8g，利用星式球磨机把称取的粉末混合均匀(其中转速为120r/min，时间为15h)，随后用压片机将混合粉末压制成Φ8mm的预制块，压力为30MPa；然后将2.88kg的T2电解铜和前面制得的预制块放入真空感应炉中(其中电解铜放在坩埚里，预制块放在料斗里)，抽真空后加热熔化电解铜，待温度达到1400℃时把预制块投入到熔体当之中，保温20min后进行降温浇铸，浇铸温度为1280℃，自然冷却，最终得到TiC平均粒径为0.5～1μm、含量约1wt%的弥散强化Cu 合金（见图1、2和3）。经测试铸态显微硬度为92.8HV，导电率为76.5%IACS。

实施例 2

制备含1.8wt%TiC 的弥散强化Cu合金。以铜粉(45μm,99.9%)、钛粉(45μm,99.9%)、碳粉(45μm,99.9%)和T2电解铜为原料，先将三种粉末按铜粉：(钛粉+碳粉)重量比=1.3：1(其中钛粉：碳粉摩尔比=1.8：1)准确称取，共计203.7g，利用星式球磨机把称取的粉末混合均匀(其中转速为120r/min，时间为15h)，随后用压片机将混合粉末压制成Φ8mm的预制块，压力为30MPa；然后将2.77kg的T2电解铜和前面制得的预制块放入真空感应炉中(其中电解铜放在坩埚里，预制块放在料斗里)，抽真空后加热熔化电解铜，待温度达到1450℃时把预制块投入到熔体当之中，保温15min后进行降温浇铸，浇铸温度为1250℃，自然冷却，最终得到TiC平均粒径＜1μm、含量约1.8wt%的弥散强化Cu 合金（见图4），经测试铸态合金合金显微硬度为104.6HV，抗拉强度为347.4MPa，导电率为61.3%IACS。

对照例 1

本对照例用于说明熔体温度的影响（熔体温度由1400℃变为1250℃）。以制备理论含量1wt%TiC 的弥散强化Cu合金为例。以铜粉(45μm,99.9%)、钛粉(45μm,99.9%)、碳粉(75μm,99.9%)和T2电解铜为原料，先将三种粉末按铜粉：(钛粉+碳粉)重量比=1.2：1(其中钛粉：碳粉摩尔比=1.5：1)准确称取，共计118.8g，利用星式球磨机把称取的粉末混合均匀(其中转速为120r/min，时间为15h)，随后用压片机将混合粉末压制成Φ8mm的预制块，压力为30MPa；然后将2.88kg的T2电解铜和前面制得的预制块放入真空感应炉中(其中电解铜放在坩埚里，预制块放在料斗里)，抽真空后加热熔化电解铜，待温度达到1250℃时把预制块投入到熔体当之中，保温20min后进行降温浇铸，浇铸温度为1280℃，自然冷却，最终得到理论含量约1wt%的TiC弥散强化Cu 合金。经测试铸态显微硬度为82.5HV，导电率为55.8%IACS。

对照例 2

本对照例用于说明铜、钛和碳比例的影响，将本发明技术方案中钛粉：碳粉摩尔比为1.8～2.2：1变为钛粉：碳粉摩尔比为1.5：1。仍以制备理论含量1wt%TiC 的弥散强化Cu合金。以铜粉(45μm,99.9%)、钛粉(45μm,99.9%)、碳粉(45μm,99.9%)和T2电解铜为原料，先将三种粉末按铜粉：(钛粉+碳粉)重量比=1.2：1(其中钛粉：碳粉摩尔比=1.5：1)准确称取，共计96.6g，利用星式球磨机把称取的粉末混合均匀(其中转速为120r/min，时间为15h)，随后用压片机将混合粉末压制成Φ8mm的预制块，压力为30MPa；然后将2.9kg的T2电解铜和前面制得的预制块放入真空感应炉中(其中电解铜放在坩埚里，预制块放在料斗里)，抽真空后加热熔化电解铜，待温度达到1400℃时把预制块投入到熔体当之中，保温20min后进行降温浇铸，浇铸温度为1250℃，自然冷却，最终得到理论含量约1wt%的TiC弥散强化Cu 合金。经测试铸态显微硬度为74.4.HV，导电率为59.8.%IACS。

Claims (6)

1.一种原位反应生成TiC弥散强化Cu合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第1步、取铜粉、钛粉和碳粉，用球磨机进行球磨，再压制成预制块；

第2步、将铜和第1步所得的预制块放入真空感应熔炼炉中，抽真空，加热熔化铜；再将预制块投入到铜熔体中，保温，再降温后浇铸，冷却，即得TiC弥散强化Cu合金；

所述的第1步中，铜粉的重量：钛粉与碳粉的重量之和为1.1～1.3：1；其中钛粉：碳粉摩尔比为1.8～2.2：1；

所述的第2步中，加热熔化铜中，待温度达到1350～1450℃时把预制块投入到熔体当之中。

2.根据权利要求1所述的原位反应生成TiC弥散强化Cu合金的方法，其特征在于：所述的第1步中，铜粉颗粒尺寸＜45μm，纯度＞99.9%；钛粉颗粒尺寸为45～75μm，纯度＞99.9%；碳粉颗粒尺寸＜45μm，纯度＞99.9% 。

3.根据权利要求1所述的原位反应生成TiC弥散强化Cu合金的方法，其特征在于：所述的第1步中，压制的压力为25～35MPa。

4.根据权利要求1所述的原位反应生成TiC弥散强化Cu合金的方法，其特征在于：所述的第2步中，保温时间15～20min。

5.根据权利要求1所述的原位反应生成TiC弥散强化Cu合金的方法，其特征在于：所述的第2步中，浇铸温度为1250～1300℃。

6.根据权利要求1所述的原位反应生成TiC弥散强化Cu合金的方法，其特征在于：所述的TiC弥散强化Cu合金的中TiC的平均粒径0.5～1μm、含量1～2wt%。