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时间:2018-11-26
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1、CuAlNi形状记忆合金的热型连铸余业球黎沃光陈先朝王德芳摘 要:用热型连铸法终形制造直径1.5mm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50mm/min时,晶粒数较少,晶界平直;拉铸速度80mm/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502MPa,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
2、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
3、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1~8mm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1300℃,以加速Ni的熔化。炉料化清后炉温降至1200℃,再加入Al,Al化清后,用脱水氯化锌除气、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1080℃时,压下液面控制棒,使液面升高,流入铸型。开动拉拔辊,将
4、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
5、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
6、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
7、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=1101℃,TS=1071℃,凝固温度范围为40℃。在试验中,拉铸直径1.5mm的丝。将冷却距离固定在距铸型出口25mm处。拉铸速度设定为50mm/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1080℃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。1100℃时,裂纹消失,但铸件表面仍有纵向拉痕。
8、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,但仍可以在铸件表面划出拉痕。1110℃时,铸件表面光
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