CN110157946B - 一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种Cu‑Ni‑Sn‑TiCx铜基复合材料及其制备方法，涉及铜基复合材料技术领域，包括0.5～6.3wt％TiCx的增强体颗粒和基体铜合金，所述基体铜合金组成的质量比为：4.0～15.5wt％Ni、2.5～8.5wt％Sn、Fe≤0.3wt％、Zn≤0.2wt％、Mn≤0.15wt％、Nb≤0.08wt％、Pb≤0.02wt％，杂质总含量≤0.5wt％，余量为Cu；所述制备方法：1.将配比好的Ti2SnC和Ti3SnC2粉体经过超声波清洗经晾干，与铜粉共同放入球磨罐球磨后获得混合均匀的铜粉体材料；2.将铜粉体材料经过冷压—SPS烧结—高温保温处理制备中间体材料；3.将纯铜、纯镍在真空炉中进行感应熔炼，熔化后按配比加入纯锡和中间体材料，浇铸制备TiCx/Cu‑Ni‑Sn复合材料铸锭坯料；4.对铸锭坯进行高温长时间均匀化处理，通过固溶时效处理调整强度、韧性、摩擦磨损、抗应力松弛和导电导热性能等性能。

Description

一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铜基复合材料技术领域，尤其涉一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
粉末冶金制备的材料具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，陶瓷颗粒增强金属基复合材料因具有良好的性能而应用广泛，但是陶瓷颗粒与金属熔体之间显著的物理化学性质差异导致了两者之间较差的润湿性，造成了铸造法制备组织性能均匀的金属基复合材料的极大困难，因此，本发明提出一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料及其制备方法。
发明说明
针对上述问题，本发明提出了一种强度高、韧性高、抗应力松弛和高耐磨性的铜基复合材料及其制备方法，所述复合材料按质量比由0.5～6.3wt％TiCx和基体铜合金组成，即一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料及其制备方法。
本发明可通过以下方案来实现：
一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料，含有如下质量比的成分：0.5～6.3wt％TiCx、4.0～15.5wt％Ni、2.5～8.5wt％Sn、Fe≤0.3wt％、Zn≤0.2wt％、Mn≤0.15wt％、Nb≤0.08wt％、Pb≤0.02wt％，杂质总含量≤0.5wt％，余量为Cu。
进一步优化，所述基体铜合金含有如下质量比的成分3wt％TiCx，10wt％Ni、7wt％Sn、Fe≤0.2wt％、Zn≤0.15wt％、Mn≤0.10wt％、Nb≤0.08wt％、Pb≤0.02wt％、杂质≤0.4wt％、余量为Cu。
进一步优化，包括以下步骤：
步骤一：
将配好比例的Ti2SnC和Ti3SnC2粉体经过超声波清洗经晾干后，与铜粉共同放入真空球磨罐中，用真空泵抽真空至1×10-2帕后通入氩气，通过球磨获得混合均匀的粉体材料；
步骤二：
将步骤一所得混合均匀的粉体材料经过冷压—SPS烧结—高温保温处理，获得非计量比TiCx/Cu-Sn中间体材料；
步骤三：
将纯铜、纯镍按配比置于真空感应熔炼炉中，充分熔化后按配比加入纯锡和TiCx/Cu-Sn中间体材料，加大功率升高温度保温一段时间后，然后降温浇铸制备TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料；
步骤四：
对步骤三得到的TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料首先进行高温长时间均匀化处理，进行热锻、固溶、室温水淬和铣面后再进行冷轧加工。
进一步优化，所述步骤一中Ti2SnC和Ti3SnC2的质量比介于3:1和2:1之间，所述Ti2SnC和Ti3SnC2所含锡元素与中间体中所含铜元素的质量比不大于0.15:1。
进一步优化，所述Ti3SnC2粉体粒度40-60微米之间，Ti2SnC粉体粒度10-20微米之间，球磨球料比为2:1，球磨转速为150～300转/分钟，球磨时间为15-28小时。
进一步优化，所述步骤二中SPS烧结温度为850-900摄氏度，烧结压力范围为20-35兆帕，烧结时间为7-9分钟。
进一步优化，所述步骤二中，SPS烧结后的高温保温处理的保温温度范围为900-975℃之间，保温时间为1-6h，保温温度越低，保温时间越长。
进一步优化，所述步骤三中的真空熔炼过程中，采用高纯石墨作为坩埚，熔炼真空度1.5×10-2帕,达到真空度后通入高纯氩气作为熔炼保护气氛；加料顺序为纯铜和纯镍先熔化，熔化后温度达到1300-1400摄氏度，保温5-10分钟，加入锡和中间体材料，升温到1340-1450摄氏度，保温20-30分钟,促进中间体材料的稀释熔化，降温至1200-1300摄氏度进行铁模浇铸制备TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料。
进一步优化，所述步骤四中高温均匀化的温度范围为800-900摄氏度，时间为20-40小时，始锻温度和终锻温度范围为650-800摄氏度，保温时间为1-2小时，锻造比介于1.2-1.6之间，热锻重复次数3-6次，固溶温度范围820-920摄氏度，室温水淬，经过铣面之后，再进行5-10道次冷轧加工，冷轧总变形量70-90％，然后进行时效，时效温度范围300-450摄氏度，时效时间范围1-4小时。
本发明的有益效果：
1.本发明中将混合粉体进行冷压制坯和真空烧结处理，这一工序可以促进锡原子脱嵌扩散及Ti2SnC和Ti3SnC2的结构溃散，原位形成Ti2C和Ti3C2两种TiCx相，TiCx相不但具有陶瓷的诸多性质，而且由于其本身不满足化学计量比，造成其结构中可以稳定保存大量的空位，与金属熔体之间的润湿性显著优于计量比陶瓷，例如在1200℃以上，TiC0.5与铜之间的润湿角度可以达到0度，达到完全润湿，这为用简单的铸造法制备外加颗粒分布均匀的增强金属基复合材料提供了基础。
2.本发明中采用SPS方法制备Ti2SnC+Ti3SnC2/Cu坯料，一方面利用这种方法的低温快速烧结节省了制备时间和制备过程的能量消耗，另一方面避免了颗粒与基体的界面反应，使得Ti2SnC、Ti3SnC2两种颗粒的分解完全发生在后续的高温保温过程中，减少了分解反应的影响因素。
3.本发明通过对Ti2SnC和Ti3SnC2的粒度和比例控制，实现了对产物中Ti2C和Ti3C2的控制，以此调控制备材料组织中润湿性良好小尺寸Ti2C颗粒被凝固长大的基体晶界吞并而分布在晶内，大尺寸Ti2C和Ti3C2由于无法被晶界吞并而分布在晶界，形成了从纳米到微米级别双尺度上的组织调控。
4.本发明中TiCx属于非计量比陶瓷颗粒，不但具有良好的强度、低摩擦系数和高耐磨性，与铜熔体之间还具有良好的润湿性，适合在金属基复合材料领域推广。
因此，本发明提供一种TiCx增强Cu-Ni-Sn复合材料，所述复合材料按质量比由0.5～6.3wt％TiCx和基体铜合金组成，是一种强度高、韧性高、抗应力松弛和高耐磨性的铜基复合材料及其制备方法。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例一
一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料，含有如下质量比的成分：0.5wt％TiCx，4.0wt％Ni、2.5wt％Sn、0.05wt％Fe、0.05wt％Zn、0.010wt％Mn、0.02wt％Nb、0.005wt％Pb，杂质总含量≤0.5wt％，余量为Cu。
步骤一：
将比例为3:1的粉体粒度为10微米的Ti2SnC和粉体粒度为40微米的Ti3SnC2经过超声波清洗经晾干后，与铜粉共同放入真空球磨罐中，所含的铜元素与Ti2SnC和Ti3SnC2所含锡元素质量比为1:0.10，用真空泵抽真空至1×10-2帕后通入氩气，通过球磨转速150转/分钟，球磨时间15小时后获得混合均匀的粉体材料；
步骤二：
将步骤一所得混合均匀的铜粉体材料先经过冷压，然后需要850摄氏度的SPS烧结7分钟，烧结压力范围为20兆帕，样品取出空冷后再进行保温处理，保温制度为900℃下保温6h，获得非计量比TiCx/Cu-Sn中间体材料；
步骤三：
将纯铜、纯镍按配比置于，高纯石墨作为坩埚，熔炼真空度1.5×10-2帕的真空感应熔炼炉中,达到真空度后通入高纯氩气作为熔炼保护气氛，充分熔化加纯铜和纯镍先熔化，熔化后温度达到1300摄氏度，并保温5分钟，然后加入锡和中间体材料，保温到1340摄氏度，并保温20分钟,充分促进中间体材料的稀释熔化，降温至1200摄氏度进行铁模浇铸制备TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料。
步骤四：
对步骤三得到的TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料首先进行800摄氏度的高温均匀化处理，时间为40小时，均匀化处理之后取出准备热锻，始锻温度和终锻温度为650和800摄氏度，保温时间为2小时，锻造比1.6，热锻重复次数6次后进行固溶，固溶温度在920摄氏度，然后进行室温水淬，再经过铣面之后，再进行10道次冷轧加工，冷轧总变形量90％，然后进行时效，时效温度范围450摄氏度，时效时间范围1小时。
材料的性能：抗拉强度1060MPa、延伸率22％，冲击韧性ft-1b(CVN测试)40-45，干摩擦系数1.01,平均磨损体积0.23×10-7mm3/mm。
实施例二
一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料，含有如下质量比的成分：3.0wt％TiCx，10wt％Ni、7wt％Sn、Fe≤0.2wt％、Zn≤0.15wt％、Mn≤0.10wt％、Nb≤0.08wt％、Pb≤0.02wt％、杂质≤0.4wt％、余量为Cu。
步骤一：
将比例为3:1的粉体粒度为15微米的Ti2SnC和粉体粒度为50微米的Ti3SnC2经过超声波清洗经晾干后，与铜粉共同放入真空球磨罐中，所含的铜元素与Ti2SnC和Ti3SnC22所含锡元素质量比为1:0.13，用真空泵抽真空至1×10-2帕后通入氩气，通过球磨转速200转/分钟，球磨时间20小时后获得混合均匀的铜粉体材料；
步骤二：
将步骤一所得混合均匀的铜粉体材料先经过冷压，然后需要850-900摄氏度的SPS烧结8分钟，烧结压力范围为30兆帕，样品取出空冷后再进行保温处理，保温制度为935℃下保温3h，获得非计量比TiCx/Cu-Sn中间体材料；
步骤三：
将纯铜、纯镍按配比置于高纯石墨作为坩埚，熔炼真空度1.5×10-2帕的真空感应熔炼炉中,达到真空度后通入高纯氩气作为熔炼保护气氛，充分熔化加纯铜和纯镍先熔化，熔化后温度达到1350摄氏度，并保温8分钟，然后加入锡和中间体材料，保温温到1400摄氏度，并保温25分钟,充分促进中间体材料的稀释熔化，降温至1250摄氏度进行铁模浇铸制备TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料。
步骤四：
对步骤三得到的TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料首先进行850摄氏度的高温均匀化处理，时间为30小时，均匀化处理之后取出准备热锻，始锻温度和终锻温度为650和800摄氏度，保温时间为1.5小时，锻造比介于1.40，热锻重复次数4次后进行固溶，固溶温度在880摄氏度，然后进行室温水淬，再经过铣面之后，再进行7道次冷轧加工，冷轧总变形量80％，然后进行时效，时效温度范围380摄氏度，时效时间范围2.5小时。
材料的性能：抗拉强度1190MPa、延伸率18％，冲击韧性ft-1b(CVN测试)44-49，干摩擦系数0.83,平均磨损体积0.15×10-7mm3/mm。
实施例三
一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料，含有如下质量比的成分：6.3wt％TiCx，15.5wt％Ni、8.5wt％Sn、0.3wt％Fe、0.2wt％Zn、0.1wt％Mn、0.08wt％Nb、0.02wt％Pb，杂质总含量≤0.5wt％，余量为Cu。
步骤一：
将比例为3:1的粉体粒度为20微米的Ti2SnC和粉体粒度为60微米的Ti3SnC2经过超声波清洗经晾干后，与铜粉共同放入真空球磨罐中，铜粉中所含的铜元素与Ti2SnC和Ti3SnC22所含锡元素质量比为1:0.15，用真空泵抽真空至1×10-2帕后通入氩气，通过球磨转速150～300转/分钟，球磨时间15-28小时后获得混合均匀的铜粉体材料；
步骤二：
将步骤一所得混合均匀的铜粉体材料先经过冷压，然后需要850-900摄氏度的SPS烧结9分钟，烧结压力范围为35兆帕，样品取出空冷后再进行保温处理，保温制度为975℃下保温1h，获得非计量比TiCx/Cu-Sn中间体材料；
步骤三：
将纯铜、纯镍按配比置于高纯石墨作为坩埚，熔炼真空度1.5×10-2帕的真空感应熔炼炉中,达到真空度后通入高纯氩气作为熔炼保护气氛，充分熔化加纯铜和纯镍先熔化，熔化后温度达到1400摄氏度，并保温10分钟，然后加入锡和中间体材料，保温温到1450摄氏度，并保温30分钟,充分促进中间体材料的稀释熔化，降温至1200-1300摄氏度进行铁模浇铸制备TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料；
步骤四：
对步骤三得到的TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料首先进行900摄氏度的高温均匀化处理，时间为20小时，均匀化处理之后取出准备热锻，始锻温度和终锻温度为650和800摄氏度，保温时间为2小时，锻造比1.2，热锻重复次数3次后进行固溶，固溶温度在820摄氏度，然后进行室温水淬，再经过铣面之后，再进行5道次冷轧加工，冷轧总变形量70％，然后进行时效，时效温度范围300摄氏度，时效时间范围4小时。
根据以上三组实施例可以得出结论，Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料的质量比的成分为：0.5～6.3wt％TiCx，4.0～15.5wt％Ni、2.5～8.5wt％Sn、Fe≤0.3wt％、Zn≤0.2wt％、Mn≤0.15wt％、Nb≤0.08wt％、Pb≤0.02wt％，杂质总含量≤0.5wt％，余量为Cu，在步骤一中Ti3SnC2粉体粒度在40-60微米之间，Ti2SnC粉体粒度在10-20微米之间，两者的质量比介于1:2和1:3之间，Ti2SnC和Ti3SnC2所含锡元素与铜粉中所含铜元素的质量比最高小于等于0.15:1。
材料的性能：抗拉强度1210MPa、延伸率15％，冲击韧性ft-1b(CVN测试)47-53，干摩擦系数0.87,平均磨损体积0.16×10-7mm3/mm。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (6)

1.一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料，由0.5～6.3wt％TiCx和基体铜合金组成，所述基体铜合金组成的质量比成分为：4.0～15.5wt％Ni、2.5～8.5wt％Sn、Fe≤0.3wt％、Zn≤0.2wt％、Mn≤0.15wt％、Nb≤0.08wt％、Pb≤0.02wt％，杂质总含量≤0.5wt％，余量为Cu；所述制备方法包括以下步骤：
步骤一：
将配好比例的Ti2SnC和Ti3SnC2粉体经过超声波清洗经晾干后，与铜粉共同放入真空球磨罐中，用真空泵抽真空至1×10-2帕后通入氩气，通过球磨获得混合均匀的粉体材料；
步骤二：
将步骤一所得混合均匀的铜粉体材料经过冷压—SPS烧结—高温保温处理，获得非计量比TiCx/Cu-Sn中间体材料；
步骤三：
将纯铜、纯镍按配比置于真空感应熔炼炉中，充分熔化后按配比加入纯锡和TiCx/Cu-Sn中间体材料，升高温度保温一段时间后，然后降温浇铸制备TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料；
步骤四：
对步骤三得到的TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料进行高温长时间均匀化处理，进行热锻、固溶、室温水淬和铣面后再进行冷轧加工；
所述步骤一中Ti2SnC和Ti3SnC2的质量比介于3:1和2:1之间，所述Ti2SnC和Ti3SnC2所含锡元素与中间体中铜元素的质量比不大于0.15:1；
所述步骤二中SPS烧结温度为850-900摄氏度，烧结压力范围为20-35兆帕，烧结时间为7-9分钟。
2.根据权利要求1所述的一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料的制备方法，其成分特征在于，所述Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料，包括3wt％TiCx和基体铜合金，所述基体铜合金组成的质量比成分为：10wt％Ni、7wt％Sn、Fe≤0.2wt％、Zn≤0.15wt％、Mn≤0.10wt％、Nb≤0.08wt％、Pb≤0.02wt％、杂质≤0.4wt％、余量为Cu。
3.根据权利要求1所述的一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述Ti3SnC2粉体粒度40-60微米之间，Ti2SnC粉体粒度10-20微米之间，球磨球料比为2:1，球磨转速为150～300转/分钟，球磨时间为15-28小时。
4.根据权利要求1所述的一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中SPS烧结后的高温保温处理的保温，范围为900-975℃之间，时间介于1-6h，保温温度越高，保温时间越短。
5.根据权利要求1所述的一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的真空熔炼过程中，采用高纯石墨作为坩埚，熔炼真空度1.5×10-2帕,达到真空度后通入高纯氩气作为熔炼保护气氛；加料顺序为纯铜和纯镍先熔化，升高温度达到1300-1400摄氏度，并保温5-10分钟，然后加入锡和中间体材料，保温到1340-1450摄氏度，并保温20-30分钟,充分促进中间体材料的稀释熔化，降温至1200-1300摄氏度进行铁模浇铸制备TiCx/Cu-Ni-Sn复合材料铸锭坯料。
6.根据权利要求1所述的一种Cu-Ni-Sn-TiCx铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤四中高温均匀化的温度范围为800-900摄氏度，时间为20-40小时，始锻温度和终锻温度范围为650-800摄氏度，保温时间为1-2小时，锻造比介于1.2-1.6之间，热锻重复次数3-6次，固溶温度范围820-920摄氏度，室温水淬，经过铣面之后，再进行5-10道次冷轧加工，冷轧总变形量70-90％，然后进行时效，时效温度范围300-450摄氏度，时效时间范围1-4小时。
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