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PTC機柜加熱器

CuAlNi形狀記憶合金的熱型連鑄

發布日期:2022-04-27 點擊率:151

摘 要:用熱型連鑄法終形制造直徑1.5 mm的CuAlNi合金絲。當鑄型溫度設定為1110 ℃時,可以拉鑄出表面光潔、具有定向凝固組織的合金絲。拉鑄速度50 mm/min時,晶粒數較少,晶界平直;拉鑄速度80 mm/min時,晶粒數較多,晶界較曲折。試樣經1000 ℃固溶處理后的一次抗拉強度達502 MPa,伸長率14.4%;熱型連鑄法制取銅基形狀記憶合金,既可免除塑性加工的困難,又可獲得定向凝固組織,提高合金性能,具有巨大的優越性。
關鍵詞:熱型連鑄 單晶 形狀記憶合金 CuAlNi

銅基形狀記憶合金由于較好的性能和低廉的價格,是非常重要的實用記憶合金。但銅基形狀記憶合金有兩個突出的缺點:塑性較低,加工很困難;疲勞壽命低。其原因是由于銅基形狀記憶合金的各向彈性系數相差很大,如CuAlNi的彈性各向異性因子為13,而TiNi只有2。這導致合金變形時,在晶界處形成應力集中,引起晶間斷裂[1]。

熱型連鑄法是將定向凝固與連續鑄造巧妙結合起來的新工藝[2]。該工藝用加熱的鑄型代替普通連鑄中的結晶器。普通連鑄由于鑄件在結晶器壁上凝固,鑄件與器壁的摩擦力非常大。對于細小件,往往會造成拉斷。熱型連鑄法消除了鑄件與鑄型的摩擦力,因此可以鑄出細小的鑄件,實現終形連鑄。用這個工藝有可能直接拉鑄出所需形狀、尺寸的形狀記憶合金絲、帶,而免除塑性加工困難;同時可以獲得單晶或定向凝固組織,改善合金的性能。筆者用這一工藝已制取了直徑1~8 mm的單晶銅絲(桿)[3]以及其他合金絲[4,5]。

1 試驗過程

試驗用水平式熱型連鑄設備如圖1所示。將配好的Cu,Ni料加入石墨坩堝內熔化,并用氮氣保護。將爐溫升至1 300 ℃,以加速Ni的熔化。爐料化清后爐溫降至1 200 ℃,再加入Al,Al化清后,用脫水氯化鋅除氣、精煉。再加入適量的玻璃和硼砂覆蓋液面,以免吸氣及氧化。鑄型溫度達到1 080 ℃時,壓下液面控制棒,使液面升高,流入鑄型。開動拉拔輥,將引錠棒緩慢拉出,把鑄件帶出鑄型。同時開啟冷卻水對鑄件冷卻,實現連續鑄造。


圖1 熱型連鑄設備簡圖
1.熱電偶2.液面控制棒3.液面探測器4.加熱器5.鑄型6.引錠棒
7.拉拔輥 8.鑄件 9.冷卻水 10.熱電偶 11.水平流道 12.坩堝

2 試驗結果及討論

2.1 合金的化學成分

合金的化學成分(質量分數),Al為13.57%,Ni為4.26%,余量為Cu。

2.2 具有凝固溫度范圍合金的凝固特點

純金屬具有確定的凝固溫度,因此有清晰的液、固兩相界面,即凝固界面。在固相區,金屬完全凝固,沒有液相,有較高的強度。盡管固相與型腔有摩擦力,由于固相強度較高而不易產生拉裂,但可能在鑄件表面造成拉痕。通過調整工藝參數,使凝固界面移向鑄型出口,減小鑄件與鑄型的摩擦力,就能獲得表面光潔的鑄件。

在熱型連鑄的鑄型中,鑄型的型腔內形成由型外向型內的正溫度梯度;在鑄型出口處達到固相線溫度Ts;型外則是完全凝固的鑄件,受冷卻水冷卻,溫度急劇下降。在鑄型內形成沿軸向的兩相區,如圖2中的SL1,SL2。固相的形態和比例與合金的凝固特性有關,可呈分散狀,即為糊狀凝固;也可呈枝晶狀,即為層狀凝固。固相的形態和比例直接影響兩相區的高溫強度及其與鑄型的摩擦力。固相的含量從液相區到固相區逐漸增多,鑄件與鑄型的摩擦力也逐漸增大。當摩擦力超過鑄件高溫強度,鑄件就會被拉裂。如果金屬液不能及時填充進去,該處就不能彌合而形成裂紋,即產生熱裂。兩相區的長度越大,產生熱裂的可能性就越大。


圖2 TL,TS及GL對兩相區長度的影響

從圖2可以看出,兩相區的長度除了與合金本身的性質,即TL與TS有關外,還與凝固前沿的液相溫度GL有關。當溫度為G1時,兩相區的長度為SL1。當溫度梯度為G2時,兩相區的長度為SL2。顯然,GL越大兩相區的長度越小,其鑄造性能就越接近純金屬。這一點已為錫鉛合金的測試結果所證實[4]。熱型連鑄具有凝固溫度范圍的合金時,調整工藝參數的依據和目的就在于盡可能縮短兩相區,并使其移向鑄型出口。

2.3 連鑄工藝參數的確定

CuAlNi合金具有較寬的凝固溫度范圍。用DTA差熱分析儀測定,TL=1 101 ℃,TS=1 071 ℃,凝固溫度范圍為40 ℃。在試驗中,拉鑄直徑1.5 mm的絲。將冷卻距離固定在距鑄型出口25 mm處。拉鑄速度設定為50 mm/min。逐漸提高鑄型溫度,考察鑄型溫度對拉鑄性能的影響。

拉鑄絲的表面質量與鑄型溫度有關。當鑄型溫度為1 080 ℃時,鑄件表面出現嚴重的鋸齒狀熱裂紋。此時的溫度在凝固溫度范圍之內。型腔內有相當長的一段是兩相區,與鑄型的摩擦力增加,導致熱裂。逐次將鑄型溫度升高5 ℃,裂紋逐漸減輕。1 100 ℃時,裂紋消失,但鑄件表面仍有縱向拉痕。這表明兩相區已大大縮短,摩擦力已減小到不足以使鑄件拉裂,但仍可以在鑄件表面劃出拉痕。1 110 ℃時,鑄件表面光潔,拉痕消失。這表明凝固區間縮短,并且向鑄型出口移動。鑄件與鑄型的摩擦力已大大減少。

將鑄型溫度固定在1 110 ℃。逐漸提高拉鑄速度,同時縮短冷卻距離,使鑄件表面保持光潔,鑄件不出現扭曲,實際上是保持凝固界面在一定的位置。當拉鑄速度達80 mm/min時,冷卻距離縮短到19 mm。由于設備的原因,冷卻距離不能再縮短,所以拉鑄速度只試驗到80 mm/min。進一步縮短冷卻距離還可以提高拉速。

2.4 鑄態組織

拉鑄速度50 mm/min時的鑄態組織如圖3。圖中黑色小點是γ2相,它沿凝固方向有序地排列。根據CuAlNi合金相圖[1],在共析溫度(本試驗用DTA測定約610 ℃)以下,β相分解為α+γ2相。γ2相是脆性相。拉鑄速度越慢,鑄件的冷卻速度也越慢,析出的γ2相就越多,鑄件就越脆。拉鑄過程中發現:拉鑄起動階段的拉速為30 mm/min左右,所得鑄件很脆,一彎即斷。


圖3 拉鑄速度 50 mm/min時析出的γ2相 ×150

為便于觀察晶界,將試樣加熱至1 000 ℃保溫10 min后,淬入冰水中作固溶處理。γ2相消失后,可清晰顯示晶界,如圖4所示。可見拉速慢時晶粒數較少,晶界也較平直。


圖4 拉速 50 mm/min 試樣固溶處理后的組織 ×24

拉鑄速度為80 mm/min時的鑄態組織如圖5示。此時γ2相已消失,組織為單一的β相。晶界清晰可見。晶內出現一系列孿晶線。試樣變形次數越多,孿晶線越密。與圖4相比,由于拉速快,晶體生長速度大,晶粒較多,晶界比較曲折。鑄件柔軟,彎曲后加熱至200 ℃左右,即可伸直,已具有形狀記憶效應。此時的組織為粗大的馬氏體,見圖6所示。


圖5 拉速80 mm/min鑄態試樣的組織 ×150


圖6 加熱至200 ℃時的粗大馬氏體組織 ×24

與拉鑄純金屬相比,拉鑄合金較難獲得單晶。以拉鑄純銅為例,拉鑄直徑1.5 mm的銅絲,鑄型溫度設定為1 100 ℃,拉鑄速度高達120 mm/min,仍可獲得單晶組織[3]。而拉鑄同樣直徑的CuAlNi,鑄型溫度設定很接近,拉速僅為50 mm/min,仍存在幾個晶粒。這可能與凝固界面的穩定性有關。在正溫度梯度下,純金屬的凝固界面是穩定的平界面,任何超出界面的凸起都會重熔,因此不易發生枝狀生長。而合金凝固時存在溶質原子再分配及擴散的問題,容易形成成分過冷,使界面不穩定,導致枝狀生長。為獲得單晶CuAlNi,還要對拉鑄工藝參數作進一步的研究。

2.5 力學性能

將固溶處理后的試樣作一次拉伸試驗及反復拉伸試驗。作反復拉伸試驗時,用位移控制法將應變量固定為4%。卸載后測量殘余變形,如有,則將合金絲加熱,使其回復。如此反復拉伸,直至斷裂。結果列于表1及表2。

表1 一次拉伸試驗結果

抗拉強度
MPa
伸 長 率
%
彈性應變
%
塑性應變
%
塑變后的彈性應變
%
50214.4284.4


表2 反復拉伸試驗結果

拉力/N原始長度
mm
拉伸長度
mm
卸載后長度*
mm
斷裂次數
150100.0104.0100706


*注:前26次拉伸后有殘余變形,卸載后測得的長度為101mm左右。26次拉伸后,試樣無殘余變形,卸載后長度為100 mm+0.1~0.2mm


將此結果與文獻[1]提供的數據比較。文獻中CuAlNi多晶反復變形的斷裂次數僅9次,單晶在4%應變下斷裂次數490次。而熱型連鑄絲材的斷裂次數高達706次,比單晶的提高44%。可見減少晶界確實可以有效地提高合金的性能。

3 結 論

(1) 熱型連鑄法能制造所需形狀、尺寸的形狀記憶合金絲材,解決合金加工性能差的困難,是制造形狀記憶合金非常有效的方法。
(2) 對于具有寬凝固溫度范圍的CuAlNi合金,熱型連鑄法可以獲得定向凝固組織。進一步研究合金的凝固特性并選擇合適的連鑄工藝參數,有可能獲得單晶組織。
(3) 具有定向凝固組織的合金,由于減輕了晶界對力學性能的有害影響,顯示出優異的力學性能,抗拉強度可達502 MPa,伸長率14.4%,4%應變的反復拉伸疲勞斷裂次數高達706次,比單晶490次提高44%。

作者簡介:余業球,男,1969年出生,工程師,廣東工業大學機械系,廣州五山(510643)
作者單位:余業球(廣東工業大學)
黎沃光(廣東工業大學)
陳先朝(廣東工業大學)
王德芳(廣東工業大學)

參考文獻:
[1]舟久保.熙康編.千東范澤.形狀記憶合金.北京:機械工業出版社,1992.
[2]黎沃光.熱型連續鑄造法的原理及應用.鑄造,1996(12):39~44
[3]黎沃光,賀春華,余業球等.熱型連鑄工藝與單晶銅的制取.全國鑄造學會鑄造工藝及造型材料專業委員會編.第六屆全國鑄造工藝及造型材料學術年會論文集.洛陽,1999
[4]黎沃光,余業球,王德芳.錫鉛合金的熱型連鑄.鑄造技術,1997(5):42~44
[5]賀春華,黎沃光.熱型連鑄法制備ZLAlCu10合金的組織與性能.熱加工工藝,1999(3):16~18(en

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