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当CuAlNi形状记忆合金的热型连铸

发布时间:2021-09-10 19:49:45 阅读: 来源:钢格栅板厂家

CuAlNi形状记忆合金的热型连铸

摘 要:用热型连铸法终形制造直径1.5 mm的CuAlNi合金丝。当铸型温度设定为1110 ℃时,可以拉铸出表面光洁、具有定向凝固组织的合金丝。拉铸速度50 mm/min时,晶粒数较少,晶界平直;拉铸速度80 mm/min时,晶粒数较多,晶界较曲折。试样经1000 ℃固溶处理后的一次抗拉强度达502 MPa,伸长率14.4%;热型连铸法制取铜基形状记忆合金,既可免除塑性加工的困难,又可获得定向凝固组织,提高合金性能,具有巨大的优越性。

关键词:热型连铸 单晶 形状记忆合金 CuAlNi

铜基形状记忆合金由于较好的性能和低廉的价格,是非常重要的实用记忆合金。但铜基形状记忆合金有两个突出的缺点:塑性较低,加工很困难;疲劳寿命低。其原因是由于铜基形状记忆合金的各向弹性系数相差很大,如CuAlNi的弹性各向异性因子为13,而TiNi只有2。这导致合金变形时,在晶界处形成应力集中,引起晶间断裂[1]。

热型连铸法是将定向凝固与连续铸造巧妙结合起来的新工艺[2]。该工艺用加热的铸型代替普通连铸中的结晶器。普通连铸由于铸件在结晶器壁上凝固,铸件与器壁的摩擦力非常大。对于细小件,往往会造成拉断。热型连铸法消除了铸件与铸型的摩擦力,因此可以铸出细小的铸件,实现终形连铸。用这个工艺有可能直接拉铸出所需形状、尺寸的形状记忆合金丝、带,而免除塑性加工困难;同时可以获得单晶或定向凝固组织,改善合金的性能。笔者用这一工艺已制取了直径1~8 mm的单晶铜丝(杆)[3]以及其他合金丝[4,5]。

1 试验过程

试验用水平式热型连铸设备如图1所示。将配好的Cu,Ni料加入石墨坩埚内熔化,并用氮气保护。将炉温升至1 300 ℃,以加速Ni的熔化。炉料化清后炉温降至1 200 ℃,再加入Al,Al化清后,用脱水氯化锌除气再修正到50mm、精炼。再加入适量的玻璃和硼砂覆盖液面,以免吸气及氧化。铸型温度达到1 080 ℃时,压下液面控制棒,使液面升高,流入铸型。开动拉拔辊,将引锭棒缓慢拉出,把铸件带出铸型。同时开启冷却水对铸件冷却,实现连续铸造。

图1 热型连铸设备简图

1.热电偶2.液面控制棒3.液面探测器4.加热器5.铸型6.引锭棒

7.拉拔辊 8.铸件 9.冷却水 10.热电偶 11.水平流道 12.坩埚

2 试验结果及讨论

2.1 合金的化学成分

合金的化学成分(质量分数),Al为13.57%,Ni为4.26%,余量为Cu。

2.2 具有凝固温度范围合金的凝固特点

纯金属具有确定的凝固温度,因此有清晰的液、固两相界面,即凝固界面。在固相区,金属完全凝固,没有液相,有较高的强度。尽管固相与型腔有摩擦力,由于固相强度较高而不易产生拉裂,但可能在铸件表面造成拉痕。通过调整工艺参数,使凝固界面移向铸型出口,减小铸件与铸型的摩擦力,就能获得表面光洁的铸件。

在热型连铸的铸型中,铸型的型腔内形成由型外向根本能够判定它的通频带很窄或采样速率很低型内的正温度梯度;在铸型出口处达到固相线温度Ts;型外则是完全凝固的铸件,受冷却水冷却,温度急剧下降。在铸型内形成沿轴向的两相区,如图2中的SL1,SL2。固相的形态和比例与合金的凝固特性有关,可呈分散状,即为糊状凝固;也可呈枝晶状,即为层状凝固。固相的形态和比例直接影响两相区的高温强度及其与铸型的摩擦力。固相的含量从液相区到固相区逐渐增多,铸件与铸型的摩擦力也逐渐增大。当摩擦力超过铸件高温强度,铸件就会被拉裂。如果金属液不能及时填充进去,该处就不能弥合而形成裂纹,即产生热裂。两相区的长度越大,产生热裂的可能性就越大。

图2 TL,TS及GL对两相区长度的影响

从图2可以看出,两相区的长度除了与合金本身的性质,即TL与TS有关外,还与凝固前沿的液相温度GL有关。当温度为G1时,两相区的长度为SL1。当温度梯度为G2时,两相区的长度为SL2。显然,GL越大两相区的长度越小,其铸造性能就越接近纯金属。这一点已为锡铅合金的测试结果所证实[4]。热型连铸具有凝固温度范围的合金时,调整工艺参数的依据和目的就在于尽可能缩短两相区,并使其移向铸型出口。

2.3 连铸工艺参数的确定

CuAlNi合金具有较宽的凝固温度范围。用DTA差热分析仪测定,TL=1 101 ℃,TS=1 071 ℃,凝固温度范围为40 ℃。在试验中,拉铸直径1.5 mm的丝。将冷却距离固定在距铸型出口25 mm处。拉铸速度设定为50 mm/min。逐渐提高铸型温度,考察铸型温度对拉铸性能的影响。

拉铸丝的表面质量与铸型温度有关。当铸型温度为1 080 ℃时,铸件表面出现严重的锯齿状热裂纹。此时的温度在凝固温度范围之内。型腔内有相当长的一段是两相区,与铸型的摩擦力增加,导致热裂。逐次将铸型温度升高5 ℃,裂纹逐渐减轻。1 100 ℃时,裂纹消失,但铸件表面仍有纵向拉痕。这表明两相区已大大缩短,摩擦力已减小到不足以使铸件拉裂,但也已广泛利用于我国的航空航天领域仍可以在铸件表面划出拉痕。1 110 ℃时,铸件表面光洁,拉痕消失。这表明凝固区间缩短,并且向铸型出口移动。铸件与铸型的摩擦力已大大减少。

将铸型温度固定在1 110 ℃。逐渐提高拉铸速度,同时缩短冷却距离,使铸件表面保持光洁,铸件不出现扭曲,实际上是保持凝固界面在一定的位置。当拉铸速度达80 mm/min时,冷却距离缩短到19 mm。由于设备的原因,冷却距离不能再缩短,所以拉铸速度只试验到80 mm/min。进一步缩短冷却距离还可以提高拉速。

2.4 铸态组织

拉铸速度50 mm/min时的铸态组织如图3。图中黑色小点是γ2相,它沿凝固方向有序地排列。根据CuAlNi合金相图[1],在共析温度(本试验用DTA测定约610 ℃)以下,β相分解为α+γ2相。γ2相是脆性相。拉铸速度越慢,铸件的冷却速度也越慢,析出的γ2相就越多,铸件就越脆。拉铸过程中发现:拉铸起动阶段的拉速为30 mm/min左右,所得铸件很脆,一弯即断。

图3 拉铸速度 50 mm/min时析出的γ2相 ×150

为便于观察晶界,将试样加热至1 000 ℃保温10 min后,淬入冰水中作固溶处理。γ2相消失后,可清晰显示晶界,如图4所示。可见拉速慢时晶粒数较少,晶界也较平直。

图4 拉速 50 mm/min 试样固溶处理后的组织 ×24

拉铸速度为80 mm/min时的铸态组织如图5示。此时γ2相已消失,组织为单一的β相。晶界清晰可见。晶内出现一系列孪晶线。试样变形次数越多,孪晶线越密。与图4相比,由于拉速快,晶2014年沥青基碳纤维市场为153亿日元(约8亿元)体生长速度大,晶粒较多,晶界比较曲折。铸件柔软,弯曲后加热至200 ℃左右,即可伸直,已具有形状记忆效应。此时的组织为粗大的马氏体,见图6所示。

图5 拉速80 mm/min铸态试样的组织 ×150

图6 加热至200 ℃时的粗大马氏体组织 ×24

与拉铸纯金属相比,拉铸合金较难获得单晶。以拉铸纯铜为例,拉铸直径1.5 mm的铜丝,铸型温度设定为1 100 ℃,拉铸速度高达120 mm/min,仍可获得单晶组织[3]。而拉铸同样直径的CuAlNi,铸型温度设定很接近,拉速仅为50 mm/min,仍存在几个晶粒。这可能与凝固界面的稳定性有关。在正温度梯度下,纯金属的凝固界面是稳定的平界面,任何超出界面的凸起都会重熔,因此不易发生枝状生长。而合金凝固时存在溶质原子再分配及扩散的问题,容易形成成分过冷,使界面不稳定,导致枝状生长。为获得单晶CuAlNi,还要对拉铸工艺参数作进一步的研究。

2.5 力学性能

将固溶处理后的试样作一次拉伸试验及反复拉伸试验。作反复拉伸试验时,用位移控制法将应变量固定为4%。卸载后测量残余变形,如有,则将合金丝加热,使其回复。如此反复拉伸,直至断裂。结果列于表1及表2。表1 一次拉伸试验结果

抗拉强度

MPa伸 长 率

%弹性应变

%塑性应变

%塑变后的弹性应变

%50214.4284.4

表2 反复拉伸试验结果

拉力/N原始长度

mm拉伸长度

mm卸载后长度*

mm断裂次数150100.0104.

*注:前26次拉伸后有残余变形,卸载后测得的长度为101mm左右。26次拉伸后,试样无残余变形,卸载后长度为100 mm+0.1~0.2mm

将此结果与文献[1]提供的数据比较。文献中CuAlNi多晶反复变形的断裂次数仅9次,单晶在4%应变下断裂次数490次。而热型连铸丝材的断裂次数高达706次,比单晶的提高44%。可见减少晶界确实可以有效地提高合金的性能。

3 结 论

(1) 热型连铸法能制造所需形状、尺寸的形状记忆合金丝材,解决合金加工性能差的困难,是制造形状记忆合金非常有效的方法。

(2) 对于具有宽凝固温度范围的CuAlNi合金,热型连铸法可以获得定向凝固组织。进一步研究合金的凝固特性并选择合适的连铸工艺参数,有可能获得单晶组织。

(3) 具有定向凝固组织的合金,由于减轻了晶界对力学性能的有害影响,显示出优异的力学性能,抗拉强度可达502 MPa,伸长率14.4%,4%应变的反复拉伸疲劳断裂次数高达706次,比单晶490次提高44%。

作者简介:余业球,男,1969年出生,工程师,广东工业大学机械系,广州五山(510643)

作者单位:余业球(广东工业大学)

黎沃光(广东工业大学)

陈先朝(广东工业大学)

王德芳(广东工业大学)

参考文献:

[1]舟久保.熙康编.千东范泽.形状记忆合金.北京:机械工业出版社,1992.

[2]黎沃光.热型连续铸造法的原理及应用.铸造,1996(12):39~44

[3]黎沃光,贺春华,余业球等.热型连铸工艺与单晶铜的制取.全国铸造学会铸造工艺及造型材料专业委员会编.第六届全国铸造工艺及造型材料学术年会论文集.洛阳,1999

[4]黎沃光,余业球,王德芳.锡铅合金的热型连铸.铸造技术,1997(5):42~44

[5]贺春华,黎沃光.热型连铸法制备ZLAlCu10合金的组织与性能.热加工工艺,1999(3):16~18(end)

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