連續鑄造Cu－Al－Ni形狀記憶合金絲的方法
2023-10-27 04:42:32 2
專利名稱：連續鑄造Cu－Al－Ni形狀記憶合金絲的方法
技術領域：
本發明屬於形狀記憶合金型材的製造工藝，具體涉及一種連續鑄造Cu-Al-Ni形狀記憶合金絲的方法。
背景技術：
銅基形狀記憶合金一般以絲材、片材、箔材等形式加以應用。目前其製造工藝都是採用熔鑄成錠，再經拉拔、擠壓或壓延等塑性加工方法。這種方法製得的產品只能得到無方向性的多晶組織。由於銅基合金晶體的彈性各向異性係數高達13，使多晶組織中相鄰晶粒在變形時的應變量不一致，在晶界上形成很大的應力集中，導致沿晶界斷裂，材料表現為脆性。Cu-Al-Ni由於晶粒粗大，應力集中現象更加嚴重。為了提高記憶合金的韌性，研究了各種方法細化晶粒，包括添加合金元素法、粉末冶金法、快速凝固方法、孕育處理法等。但研究結果顯示細化晶粒雖然可使抗拉強度提高，但對提高塑性性能及記憶性能的作用甚微。所以，儘管銅基記憶合金已研究了30多年，仍未能得到實際應用。
日本的本保元次郎在《銅と銅合金》2002年第41卷第1期「OCC プロヤスにょつて得らゎたCu-Al-Ni合金線の形狀記憶·超彈性效果」一文中，用加熱鑄型式連續鑄造法(OCC法)製取了具有柱狀晶組織的Cu-Al-Ni合金絲。這種組織在受到軸向載荷時，各晶粒的變形一致，消除了因變形不一致而在晶界產生應力集中以及由此引起的脆性，使記憶合金絲具有優異的機械性能和記憶性能。此外，這種方法還能直接鑄出所需形狀、尺寸的記憶合金絲，免除塑性加工的困難。但其工藝的思路是用提高鑄型溫度的方法來提高鑄件凝固前沿的溫度梯度，縮短固液兩相區的長度，從而減小鑄件與鑄型因摩擦而產生熱裂紋的機會。所以儘管其合金的液相線溫度僅為1056℃，鑄型溫度也設定為1085℃，致使連鑄速度最大僅為250mm/min。在這一速度下凝固，會析出硬而脆的γ2相，一方面降低了基體的鋁含量，使相變點不穩定；另一方面降低合金的機械性能。為消除γ2相，需經1000℃保溫1h的固溶處理。而固溶處理又導致晶粒長大，性能惡化。
為解決已有技術以上的不足，特提出本發明的解決方案。
發明內容
本發明分析了常用的Cu-Al-Ni合金的液相線溫度約為1060℃，因此可以降低鑄型的加熱溫度，從而提高連鑄速度，使凝固界面移出到鑄型之外。鑄型之外合金絲的形狀則靠合金液的表面張力維持。這樣可提高鑄件的冷卻速度，阻止γ2相的析出。同時，由於凝固界面移出到鑄型之外，鑄件不與鑄型接觸、摩擦，避免鑄件產生熱裂，從而獲得光潔的表面。
下面詳細敘述本發明的實施方案。
本發明所述的連續鑄造Cu-Al-Ni形狀記憶合金絲的方法，是將鑄型加熱至1070～1080℃，合金液從鑄型一端連續供給，其壓頭保持為5～10mm，從鑄型的另一端連續拉出合金絲並在鑄型出口處設置冷卻裝置冷卻合金絲。上述鑄型出口4～15mm處設置冷卻裝置冷卻合金絲。上述連鑄速度從100mm/min到480mm/min。當上述連鑄速度超過250mm/min時，γ2相消失。當上述連鑄速度小於250mm/min時，需經過850～900℃保溫10min～20min固溶處理後，γ2消除。
根據合金絲的直徑大小，將合金絲成形用的鑄型加熱到1070～1080℃。由於常用的Cu-Al-Ni合金的液相線溫度均低於1065℃，因此合金液在鑄型內不發生凝固。從鑄型的一端連續輸入合金液，其壓頭保持為5～10mm。壓頭過高則合金絲的直徑變大。在鑄型的另一端連續拉出合金絲，並在鑄型前4～15mm處設置一可移動的冷卻裝置，對合金絲噴水冷卻。由於冷卻裝置的冷卻作用，合金絲凝固時產生的熱量沿合金絲軸向向冷卻位置傳輸，而合金絲則沿軸向定向凝固，獲得有若干個晶粒沿軸向平行排列的柱狀晶組織。這種組織受軸向載荷時，各晶粒經受一致的變形，消除了因變形不一致而在晶界產生的應力集中以及由此引起的脆性，使記憶合金絲獲得優異的機械性能和記憶性能。在上述鑄型的加熱溫度範圍、合金絲的冷卻位置範圍和壓頭範圍下，連鑄速度可從100mm/min到480mm/min，使合金絲的凝固界面移至鑄型之外。合金絲的形狀靠合金液的表面張力維持。當表面張力與合金液壓頭平衡時，合金絲就維持在一定的尺寸。壓頭加大，合金絲的尺寸就變大。當連鑄速度超過250mm/min時，γ2相消失。
圖1是本發明的連續鑄造方法示意圖其中1合金液2加熱器3鑄型4熱電偶5凝固界面6冷卻裝置7合金絲8引杆具體實施方式
本發明在圖1中更清楚地說明。
鑄型3的型腔具有與記憶合金絲一致的截面形狀。它由加熱器2加熱，加熱溫度由熱電偶4控制，一般設定在1070～1080℃。合金液1從鑄型3的左端流入型腔並維持一定的壓頭。引杆8從鑄型3的右端插入，將合金液引出。在鑄型出口前方用冷卻水6直接噴在合金絲7上，使合金絲凝固產生的熱量沿合金絲7的軸向傳出，因而使合金絲7沿軸向凝固。拉拔機構將已凝固的合金絲7連續拉出鑄型3。調整連鑄速度使合金絲7的凝固界面5保持在鑄型之外。這種定向凝固方式可以使晶粒沿合金絲7的軸向生長，獲得柱狀晶組織。
實施例1含Al 13.22wt％，Ni 3.95wt％，餘為銅的Cu-Al-Ni合金以108mm/min的速度，鑄造成直徑為1mm的絲。壓頭設定為10mm，鑄型溫度設定為1075℃，冷卻距離13mm。鑄態組織中有大量γ2相，合金絲很脆。需經過900℃保溫20min固溶處理後，γ2消除。金相檢驗表明為柱狀晶組織。合金絲表面曲折，不平直。拉伸試驗顯示抗拉強度為910MPa，延伸率為18％。在4％的固定應變下，反覆拉伸、加熱使其恢復原長度，直至發生疲勞斷裂。斷裂時最高的拉伸次數為38560次。加熱後的回覆率在整個拉伸試驗過程均為100％。充分說明用本發明生產的記憶合金絲具有優異的機械性能、記憶性能和疲勞性能。
實施例2含Al 13.95wt％，Ni 3.95wt％，餘為銅的Cu-Al-Ni合金以240mm/min的速度鑄造成直徑為1.5mm的絲。壓頭設定為5mm，鑄型溫度設定為1070℃，冷卻距離8mm。鑄態組織中有少量γ2。鑄態下彎曲有殘餘變形，加熱後殘餘變形消失。經過850℃保溫10min固溶處理後，γ2消除，金相檢驗表明為柱狀晶組織，合金絲具有完全的超彈性。這表明析出γ2相會改變合金的相變點。鑄態下疲勞彎曲斷裂次數為16000次，固溶處理後疲勞彎曲斷裂次數為14000次。這說明固溶處理使性能下降。
實施例3含Al 13.95wt％，Ni 3.95wt％，餘為銅的Cu-Al-Ni合金以360mm/min的速度鑄造成直徑為1.5mm的絲。壓頭設定為5mm，鑄型溫度設定為1070℃，冷卻距離6mm。鑄態組織中沒有γ2相。鑄態下合金絲就有完全的超彈性。金相檢驗表明為柱狀晶組織。鑄態下疲勞彎曲斷裂次數為20000次。
實施例4含Al 13.95wt％，Ni 3.95wt％，餘為銅的Cu-Al-Ni合金以480mm/min的速度鑄造成直徑為1.5mm的絲。壓頭設定為5mm，鑄型溫度設定為1070℃，冷卻距離4mm。鑄態組織中沒有γ2相。鑄態下合金絲就有完全的超彈性。金相檢驗表明為排列不整齊的柱狀晶組織。鑄態下疲勞彎曲斷裂次數為7000次。
權利要求
1.一種連續鑄造Cu-Al-Ni形狀記憶合金絲的方法，其特徵在於將鑄型加熱至1070～1080℃，合金液從鑄型一端連續供給，其壓頭保持為5～10mm，從鑄型的另一端連續拉出合金絲並在鑄型出口處設置冷卻裝置冷卻合金絲。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於上述鑄型出口4～15mm處設置冷卻裝置冷卻合金絲。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於上述連鑄速度從100mm/min到480mm/min。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於當上述連鑄速度超過250mm/min時，γ2相消失。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於當上述連鑄速度小於250mm/min時，需經過850～900℃保溫10min～20min固溶處理後，γ2消除。
全文摘要
本發明公開了一種連續鑄造Cu－A1－Ni形狀記憶合金絲的方法，該方法是將鑄型加熱至1070～1080℃，使合金在鑄型內保持液態，從鑄型的一端連續供給合金液，並維持5～10mm的壓頭，在鑄型的另一端連續地拉出合金絲並在鑄型前的4～15mmm噴水冷卻合金絲，使合金絲沿絲的軸向定向凝固，從而獲得沿絲的軸向排列的柱狀晶組織；本發明的優點是柱狀晶組織可以大大地提高記憶合金的機械性能和記憶性能，可以直接獲得所需的形狀和尺寸。
文檔編號B22D11/11GK1718316SQ20051003572
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月8日 優先權日2005年7月8日
發明者黎沃光, 餘業球, 蔡蓮淑, 陳先朝, 賀春華, 劉可如 申請人:廣東工業大學