專利名稱：連續(xù)鑄造Cu－Al－Ni形狀記憶合金絲的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于形狀記憶合金型材的制造工藝，具體涉及一種連續(xù)鑄造Cu-Al-Ni形狀記憶合金絲的方法。
背景技術(shù)：
銅基形狀記憶合金一般以絲材、片材、箔材等形式加以應用。目前其制造工藝都是采用熔鑄成錠，再經(jīng)拉拔、擠壓或壓延等塑性加工方法。這種方法制得的產(chǎn)品只能得到無方向性的多晶組織。由于銅基合金晶體的彈性各向異性系數(shù)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(xiàn)為脆性。Cu-Al-Ni由于晶粒粗大，應力集中現(xiàn)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(jié)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，盡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合金缐の形狀記憶·超彈性效果”一文中，用加熱鑄型式連續(xù)鑄造法(OCC法)制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(chǎn)生應力集中以及由此引起的脆性，使記憶合金絲具有優(yōu)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(qū)的長度，從而減小鑄件與鑄型因摩擦而產(chǎn)生熱裂紋的機會。所以盡管其合金的液相線溫度僅為1056℃，鑄型溫度也設(shè)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(wěn)定；另一方面降低合金的機械性能。為消除γ2相，需經(jīng)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(shù)以上的不足，特提出本發(fā)明的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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，由于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(chǎn)生熱裂，從而獲得光潔的表面。
下面詳細敘述本發(fā)明的實施方案。
本發(fā)明所述的連續(xù)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(xù)供給，其壓頭保持為5～10mm，從鑄型的另一端連續(xù)拉出合金絲并在鑄型出口處設(shè)置冷卻裝置冷卻合金絲。上述鑄型出口4～15mm處設(shè)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。當上述連鑄速度小于250mm/min時，需經(jīng)過850～900℃保溫10min～20min固溶處理后，γ2消除。
根據(jù)合金絲的直徑大小，將合金絲成形用的鑄型加熱到1070～1080℃。由于常用的Cu-Al-Ni合金的液相線溫度均低于1065℃，因此合金液在鑄型內(nèi)不發(fā)生凝固。從鑄型的一端連續(xù)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(xù)拉出合金絲，并在鑄型前4～15mm處設(shè)置一可移動的冷卻裝置，對合金絲噴水冷卻。由于冷卻裝置的冷卻作用，合金絲凝固時產(chǎn)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(jīng)受一致的變形，消除了因變形不一致而在晶界產(chǎn)生的應力集中以及由此引起的脆性，使記憶合金絲獲得優(yōu)異的機械性能和記憶性能。在上述鑄型的加熱溫度范圍、合金絲的冷卻位置范圍和壓頭范圍下，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(fā)明的連續(xù)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引桿具體實施方式
本發(fā)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(shè)定在1070～1080℃。合金液1從鑄型3的左端流入型腔并維持一定的壓頭。引桿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(chǎn)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(gòu)將已凝固的合金絲7連續(xù)拉出鑄型3。調(diào)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％，余為銅的Cu-Al-Ni合金以108mm/min的速度，鑄造成直徑為1mm的絲。壓頭設(shè)定為10mm，鑄型溫度設(shè)定為1075℃，冷卻距離13mm。鑄態(tài)組織中有大量γ2相，合金絲很脆。需經(jīng)過900℃保溫20min固溶處理后，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，反復拉伸、加熱使其恢復原長度，直至發(fā)生疲勞斷裂。斷裂時最高的拉伸次數(shù)為38560次。加熱后的回復率在整個拉伸試驗過程均為100％。充分說明用本發(fā)明生產(chǎn)的記憶合金絲具有優(yōu)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％，余為銅的Cu-Al-Ni合金以240mm/min的速度鑄造成直徑為1.5mm的絲。壓頭設(shè)定為5mm，鑄型溫度設(shè)定為1070℃，冷卻距離8mm。鑄態(tài)組織中有少量γ2。鑄態(tài)下彎曲有殘余變形，加熱后殘余變形消失。經(jīng)過850℃保溫10min固溶處理后，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(tài)下疲勞彎曲斷裂次數(shù)為16000次，固溶處理后疲勞彎曲斷裂次數(shù)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％，余為銅的Cu-Al-Ni合金以360mm/min的速度鑄造成直徑為1.5mm的絲。壓頭設(shè)定為5mm，鑄型溫度設(shè)定為1070℃，冷卻距離6mm。鑄態(tài)組織中沒有γ2相。鑄態(tài)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(tài)下疲勞彎曲斷裂次數(shù)為20000次。
實施例4含Al 13.95wt％，Ni 3.95wt％，余為銅的Cu-Al-Ni合金以480mm/min的速度鑄造成直徑為1.5mm的絲。壓頭設(shè)定為5mm，鑄型溫度設(shè)定為1070℃，冷卻距離4mm。鑄態(tài)組織中沒有γ2相。鑄態(tài)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(tài)下疲勞彎曲斷裂次數(shù)為7000次。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)鑄造Cu-Al-Ni形狀記憶合金絲的方法，其特征在于將鑄型加熱至1070～1080℃，合金液從鑄型一端連續(xù)供給，其壓頭保持為5～10mm，從鑄型的另一端連續(xù)拉出合金絲并在鑄型出口處設(shè)置冷卻裝置冷卻合金絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述鑄型出口4～15mm處設(shè)置冷卻裝置冷卻合金絲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述連鑄速度從100mm/min到480mm/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于當上述連鑄速度超過250mm/min時，γ2相消失。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于當上述連鑄速度小于250mm/min時，需經(jīng)過850～900℃保溫10min～20min固溶處理后，γ2消除。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種連續(xù)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(nèi)保持液態(tài)，從鑄型的一端連續(xù)供給合金液，并維持5～10mm的壓頭，在鑄型的另一端連續(xù)地拉出合金絲并在鑄型前的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(fā)明的優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者黎沃光, 余業(yè)球, 蔡蓮淑, 陳先朝, 賀春華, 劉可如 申請人:廣東工業(yè)大學