一种高强度碳化钛铜基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种铜基合金复合材料及其制备方法，特别是涉及一种用于核电栗体 的高强度碳化钛铜基复合材料。
【背景技术】
[0002] 铸造方法按照国标GB/T 1176-2013的标准国标铜合金ZCuSn10Zn2是一种较常用 的锡青铜材料，其具有铸造性能、耐蚀性、耐磨性和可切削性能好，铸件致密性较高，气密性 较好的优点；因此主要用于制造在中等及较高负荷（15MPa)和小滑动速度（3m/s)下工作的 重要管配件，以及阀门、旋塞、栗体、齿轮、叶轮和蜗轮等。由于其强度及相应的硬度较低，其 在核电栗体配件中使用年限较短（5年左右），由此带来了较大的更换成本。为了进一步提 高该材料在核电栗体部件中的应用年限，在保证其原有耐蚀性和可切削性能的同时提高其 强度与硬度是必须的。
[0003] 纳米碳化钛是一种碳化钛的纳米材料，恪点高，导热性能好，硬度大，化学稳定好， 不水解，高温抗氧化性好。纳米碳化钛是一种高纯度碳化钛粉末，是由二氧化钛与炭黑在通 氢气的碳管炉或调频真空炉内于1600°C -1800°C高温下反应制得。由于纳米碳化钛硬度 大，具有良好的力学性能，因此它是硬质合金生产的重要原料，可用于制造耐磨材料、切削 刀具材料、机械零件等，还可制作熔炼锡、铅、镉、锌等金属的坩埚。
[0004] 综上，利用纳米碳化钛的高硬度和力学性能良好的优点，克服了铜合金ZCuSn10Zn 2强度和硬度性能较低的缺点，将纳米碳化钛与铜合金ZCuSn1QZn2制备成复合材料在保证铜 合金ZCuSnwZn2原有耐腐蚀性能和可切削性能的同时提高其强度和硬度，从而使得该高强 度碳化钛铜基复合材料能够应用于核电栗体部件。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，通过改进纳米碳化钛和铜合金ZCuSnwZn2之间体积配比以及 制备条件，提供一种有效提高铜合金ZCuSn1 Jn2强度和硬度的用于核电栗体的高强度碳化 钛铜基复合材料及其制备方法。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明所提供的技术方案是：
[0007] -种用于核电栗体的高强度碳化钛铜基复合材料，由如下体积百分比的组分组 成：纳米碳化钛 3. 5-6. 5%，铜合金 ZCuSn10Zn2 93. 5-96. 5%。
[0008] 优选地，本发明的用于核电栗体的高强度碳化钛铜基复合材料，由如下体积百分 比的组分组成：纳米碳化钛3. 5%，铜合金ZCuSnwZn2 96. 5%。
[0009] 优选地，本发明的用于核电栗体的高强度碳化钛铜基复合材料，由如下体积百分 比的组分组成：纳米碳化钛5 %，铜合金ZCuSnwZn2 95 %。
[0010] 优选地，本发明的用于核电栗体的高强度碳化钛铜基复合材料，由如下体积百分 比的组分组成：纳米碳化钛6. 5%，铜合金ZCuSn10Zn2 93. 5%。
[0011] 进一步地，所述铜合金ZCuSn10Zn2*如下质量百分比的组分组成：锡锭 9. 0-11. 0%，锌I. 0-3. 0%，铅锭彡I. 5%，镍彡2. 0%，杂质彡I. 5%，其余为铜。
[0012] 进一步地，所述纳米碳化钛的粒径为100-300 μ m。
[0013] 本发明提供一种用于核电栗体的高强度碳化钛铜基复合材料的制备方法，具有以 下步骤：
[0014] 1)制备铜合金ZCuSnltiZn2，将电解铜、锡锭、锌、铅锭、镍按照上述的重量比例放入 电炉中熔炼，熔炼中铜合金液体体积小于电炉体积的90% ;熔炼温度为1050-1150°C，时间 为 5-6h ;
[0015] 2)使用斯派克直读光谱仪对制备的铜合金ZCuSn1QZrv液体进行成分检测，以确定 其化学组成在上述的范围之内；
[0016] 3)将纳米碳化钛按体积百分比为3. 5-6. 5%放入上述铜合金ZCuSn10Zrv液体的表 面，开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉 温度至 1200-1250°C并保持 45-50min :
[0017] 4)将制作完成的高强度碳化钛铜基复合材料在电炉中进行保温，时间为 40-45min ;之后采用连续铸造的方式将此高强度碳化钛铜基复合材料铸造成型，铸造温度 为 1200-125(TC ;
[0018] 5)将铸造成型之后的高强度碳化钛铜基复合材料进行表面车加工处理，并按照出 厂标准包装。
[0019] 进一步地，步骤3中，所述纳米碳化钛的体积百分比为3. 5%。
[0020] 进一步地，步骤3中，所述纳米碳化钛的体积百分比为5%。
[0021] 进一步地，步骤3中，所述纳米碳化钛的体积百分比为6. 5%。
[0022] 采用上述技术方案，本发明的有益效果有：
[0023] 1.本发明将高纯度纳米碳化钛材料通过上述技术手段均匀分布在铜合金 ZCuSnwZn2材料中，利用纳米级碳化钛硬度高，强度大，化学稳定好，不水解，高温抗氧化性 好的性能，弥补了铜合金ZCuSn1(]Zn2#料的强度低和硬度低等缺点，在保证原有耐腐蚀性能 和可切削性能的同时提高其强度和硬度，进一步延长使用寿命。
[0024] 2.本发明所得到的用于核电栗体的高强度碳化钛铜基复合材料，通过改变纳米碳 化钛和铜合金ZCuSnwZnd^体积比，能有效的提高最终铜基合金复合材料的强度和硬度。高 强度碳化钛铜基复合材料制造的部件的载荷由15MPa提高至40MPa，使用寿命由5年提高至 8年左右，从而使得该高强度碳化钛铜基复合材料能够应用于核电栗体部件。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明的用于核电栗体的高强度碳化钛铜基复合材料的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0026] 以下结合附图及实施例对本发明提供的用于核电栗体的高强度碳化钛铜基复合 材料及其制备方法作进一步说明，但并非限制本发明的应用范围。
[0027] 实施例1
[0028] 本发明实施例1的用于核电栗体的高强度碳化钛铜基复合材料，由如下体积百分 比的组分组成：纳米碳化钛3. 5 %，铜合金ZCuSn10Zn2 96. 5 %，其中铜合金ZCuSn10Zn2由如 下质量百分比的组分组成：锡锭9. 0-11. O %，锌I. 0-3. O %，铅锭彡I. 5 %，镍彡2. O %，杂质 < 1. 5%，其余为铜；纳米碳化钛的粒径为100-300 μ m。
[0029] 本发明实施例1的用于核电栗体的高强度碳化钛铜基复合材料的制备方法，具有 以下步骤（如图1所示）：
[0030] 1)制备铜合金ZCuSnltiZn2，将电解铜、锡锭、锌、铅锭、镍按照上述的重量比例放入 电炉中熔炼，熔炼中铜合金液体体积小于电炉体积的90% ;熔炼温度为1050°C，时间为5h ;
[0031] 2)使用斯派克直读光谱仪对制备的铜合金ZCuSn1QZrv液体进行成分检测，以确定 其化学组成在上述的要求范围之内；
[0032] 3)将纳米碳化钛按体积百分比为3. 5%放入上述铜合金ZCuSn1QZrv液体的表面， 开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉温 度至1200°C并保持45min ;
[0033] 4)将制作完成的高强度碳化钛铜基复合材料在电炉中进行保温，时间为40min ; 之后采用连续铸造的方式将此高强度碳化钛铜基复合材料铸造成型，铸造温度为1200°C ;
[0034] 5)将铸造成型之后的高强度碳化钛铜基复合材料进行表面车加工处理，并按照出 厂标准包装。
[0035] 实施例2
[0036] 本发明实施例2的用于核电栗体的高强度碳化钛铜基复合材料，由如下体积百 分比的组分组成：纳米碳化钛5%，铜合金ZCuSnltJZn2 95%，其中铜合金ZCuSn10Zn2由如下 质量百分比的组分组成：锡锭9. 0-11.0%，锌1.0-3. 0%，铅锭彡1.5%，镍彡2.0%，杂质 < 1. 5%，其余为铜；纳米碳化钛的