一种高强韧耐磨高熵铜合金制造技术

本发明专利技术涉及一种高强韧耐磨高熵铜合金，其特征在于：该合金采用熔炼方法或粉末冶金方法制成，其成分为(CuMnNi)1‑xMx；所述Cu、Mn、Ni三种元素的含量接近等原子比，其原子比为0.7~1.3；所述M是指Zn、Sn、Al、Pb、Be和P元素中的一种或几种；所述x为M的质量百分数，其取值范围为0~45%。本发明专利技术具有优异的强度、硬度、塑性、韧性和耐磨性，从而克服了常规耐磨铜合金在其耐磨性和塑韧性之间难以达到综合平衡的矛盾，是重载、高温和强冲击等苛刻工况中应用的齿轮、蜗轮、蜗杆、轴瓦、导轨和轴套等耐磨零部件的最佳候选材料，在矿山冶金、航空航天、汽车、能源和装备制造等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧耐磨高熵铜合金
本专利技术涉及合金
，尤其涉及一种高强韧耐磨高熵铜合金。
技术介绍
铜及其合金是工业领域中应用最为广泛的金属材料之一，其中耐磨黄铜和耐磨青铜是最为常用的两类耐磨铜合金，主要用于制造齿轮、蜗轮、蜗杆、轴瓦、导轨和轴套等耐磨零部件。耐磨黄铜是在铜锌合金的基础上通过添加少量的Mn、Al、Fe、Co、Ti、Sn、Ni、Pb和Si等元素，一方面通过固溶强化作用，提高其中α固溶体相的强度和硬度，另一方面通过扩大β相区，增加合金中高强度的β有序固溶体相的相对含量，此外，这些合金元素能够在合金中形成弥散分布的金属间化合物硬质耐磨相，这三者的共同作用使合金具有良好的耐磨性。常用的耐磨青铜主要有锡青铜、铍青铜和铝青铜等。耐磨青铜的设计思路通常是通过调控成分和热处理工艺，使合金中形成大量的β相、δ相和γ2相等有序相或金属间化合物，并降低其中α固溶体相的相对含量，从而使合金具有高硬度、高强度和优异的耐磨性。但无论是耐磨黄铜还是耐磨青铜，为了获得良好的耐磨性，其显微组织中必须含有大量的有序相或金属间化合物，而有序相或金属间化合物的存在恶化了材料的塑性和韧性，使其在重载或强冲击等工况下容易发生破碎、断裂等灾难性的后果。此外，这种以单一的Cu元素为基体，通过添加少量的其他合金元素获得的耐磨铜合金高温强度欠佳，使其在相对较高的环境温度（如500℃以上）下难以适用。因此，在常规合金设计理念的指导下，已经很难再获得兼具良好强度、硬度、塑性和韧性的耐磨铜合金，开发新型的高强韧耐磨铜合金成为目前工业领域迫切的需要。高熵合金的概念最早由我国台湾科学家叶钧蔚教授于1995年首次提出，通常是指多种接近等原子比的金属（或非金属元素）混合而成的一种新型合金，其通常由简单的无序固溶体相组成。由于多种金属元素混合后产生的高熵效应抑制了脆性金属间化合物的形成，使得高熵合金具有优异的强度、塑性、韧性和耐磨性，以及优异的高温力学性能。但目前尚无有关高熵铜合金的相关报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种性能优异的高强韧耐磨高熵铜合金。为解决上述问题，本专利技术所述的一种高强韧耐磨高熵铜合金，其特征在于：该合金采用熔炼方法或粉末冶金方法制成，其成分为(CuMnNi)1-xMx；所述Cu、Mn、Ni三种元素的含量接近等原子比，其原子比为0.7~1.3；所述M是指Zn、Sn、Al、Pb、Be和P元素中的一种或几种；所述x为M的质量百分数，其取值范围为0~45%。该合金主要由面心立方（FCC）结构的α固溶体相、体心立方（BCC）结构的β固溶体相、有序相或金属间化合物组成。所述熔炼方法是指电弧熔炼、感应熔炼、电子束熔炼和激光熔覆中的任意一种。所述粉末冶金方法是指无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结、微波烧结和感应烧结中的任意一种。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术首次将高熵合金的设计理念引入到了耐磨铜合金中，通过多种金属元素等原子比的成分设计获得较高的混合熵，抑制脆性的有序相或金属间化合物的形成，使得高强韧的无序α型高熵固溶体相得以稳定并成为合金的主相，从而获得兼具良好强度、塑性、韧性和耐磨性的新型高熵铜合金。2、本专利技术中Cu、Mn和Ni元素按照近似等原子比设计，这种设计策略能够保证合金中形成单相的α高熵固溶体。由于Mn和Ni元素在Cu中可以无限固溶，但三种元素之间的原子尺寸差较大，大量的Mn和Ni元素固溶于Cu中的α固溶体相后造成其晶格严重畸变，从而赋予其具有优异的强度和硬度，但对其塑性和韧性的影响较小。然后通过添加少量的Zn、Sn、Al、Pb、Be和P元素，在其中形成少量的有序相或金属间化合物，从而进一步改善其强度、硬度和耐磨性。3、本专利技术公开的高强韧耐磨高熵铜合金主要由大量的α高熵固溶体相或β高熵固溶体相组成，其中含有少量的有序相或金属间化合物（β′相、δ相、γ1相、γ2相、Cu3Zn相、Cu9Zn相、Cu5Sn相、Cu3Sn相、Cu3Al相、MnNi2Sn相、Ni3Al相、Ni3Mn相、Cu9Al4相、Cu2MnAl相、CuBe2相、Cu3P相和CuP2相等）。合金显微组织中高强韧的α高熵固溶体相或β高熵固溶体相相互连接形成合金的基体，而有序相或金属间化合物等硬质耐磨相呈不连续的质点均匀分布于高熵固溶体基体上，使其具有优异的强度、硬度、塑性、韧性和耐磨性，从而克服了常规耐磨铜合金在其耐磨性和塑韧性之间难以达到综合平衡的矛盾。4、本专利技术公开的高熵铜合金的强韧性和耐磨性远优于常规耐磨黄铜和耐磨青铜，是重载、高温和强冲击等苛刻工况中应用的齿轮、蜗轮、蜗杆、轴瓦、导轨和轴套等耐磨零部件的最佳候选材料，在矿山冶金、航空航天、汽车、能源和装备制造等领域具有广泛的应用前景。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1为采用电弧熔炼方法制备的成分为(CuMnNi)70Zn30的高熵铜合金的X射线衍射（XRD）谱图。图2为采用电弧熔炼方法制备的成分为(CuMnNi)70Zn30的高熵铜合金显微组织的扫描电子显微镜（SEM）二次电子像。图3为采用粉末冶金方法制备的成分为(CuMnNi)85Sn15的高熵铜合金的XRD谱图。图4为采用粉末冶金方法制备的成分为(CuMnNi)85Sn15的高熵铜合金的SEM背散射电子像。具体实施方式实施例1一种高强韧耐磨高熵铜合金，该合金采用非自耗真空电弧熔炼方法制成，其成分为(CuMnNi)70Zn30；Cu、Mn、Ni三种元素的含量接近等原子比，即其原子比为Cu：Mn：Ni=1.1：0.9：1.0。该合金制备方法如下：⑴选用Cu、Mn、Ni和Zn块体材料作为原料，按照质量百分比量取Cu、Mn、Ni和Zn块体原料，将原料表面打磨，去除氧化皮等杂质，然后装入无水乙醇中，超声清洗10min，清洗干净表面的杂质后，吹干待用。⑵将清洗干净的块体原料装入非自耗电弧熔炼炉的水冷铜坩埚中，抽真空至10-3Pa以下，然后充入高纯氩气至炉内压力为10~20Pa，再抽真空至10-3Pa以下，如此反复三次，确保炉内的杂质气体被完全排除，最后充入高纯氩气使炉内的压力在10~20Pa。⑶将熔炼电流调至10~60A，熔炼电压调至5~30V，然后起弧熔炼，为保证成分均匀，至少熔炼5遍，每次熔炼完成后将合金锭翻转，然后在进行下一遍熔炼。⑷熔炼完成后取出合金样品，去除表面的杂质，获得(CuMnNi)70Zn30高熵铜合金样品。将获得的高熵铜合金样品经切割、打磨和抛光后，应用X射线衍射仪分析其物相组成，其结果如图1所示，可见合金中只含有呈FCC结构的α相和少量的Cu3Zn型的有序相。应用SEM分析了其显微组织，图2给出了(CuMnNi)70Zn30高熵铜合金显微组织的典型背散射电子像，其中呈黑色弥散状分布的物相为Cu3Zn型有序相，而白色基体相为FCC型的高熵固溶体相。采用维氏硬度计和万能材料试验机测试了(CuMnNi)70Zn30高熵铜合金的硬度、屈服强度、抗压强度和断裂韧性等力学性能，其结果如表1所示。可见合金的屈服强度和断裂韧性远优于常规铜合金，具有优异的强韧性。表1(CuMnNi)70Zn30高熵铜合金的力学性能应用HT-1000型高温摩擦磨损试验机测试了(CuMnNi)70Zn30高熵铜合金在干摩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强韧耐磨高熵铜合金，其特征在于：该合金采用熔炼方法或粉末冶金方法制成，其成分为(CuMnNi)1‑xMx；所述Cu、Mn、Ni三种元素的含量接近等原子比，其原子比为0.7~1.3；所述M是指Zn、Sn、Al、Pb、Be和P元素中的一种或几种；所述x为M的质量百分数，其取值范围为0~45%。

【技术特征摘要】
1.一种高强韧耐磨高熵铜合金，其特征在于：该合金采用熔炼方法或粉末冶金方法制成，其成分为(CuMnNi)1-xMx；所述Cu、Mn、Ni三种元素的含量接近等原子比，其原子比为0.7~1.3；所述M是指Zn、Sn、Al、Pb、Be和P元素中的一种或几种；所述x为M的质量百分数，其取值范围为0~45%。2.如权利要求1所述一种高强韧耐磨高熵铜合金，其特征在于：该...

【专利技术属性】
技术研发人员：张爱军，孟军虎，韩杰胜，苏博，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62