cualni 形狀記憶合金的熱型連鑄

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1、CuAlNi形狀記憶合金的熱型連鑄余業(yè)球黎沃光陳先朝王德芳摘　要：用熱型連鑄法終形制造直徑1.5mm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50mm/min時，晶粒數較少，晶界平直；拉鑄速度80mm/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502MPa，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(yōu)越性。關鍵詞：熱型連鑄　單晶　形狀記憶合金　C

2、uAlNi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(xù)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

3、了鑄件與鑄型的摩擦力，因此可以鑄出細小的鑄件，實現(xiàn)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1～8mm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1300℃，以加速Ni的熔化。爐料化清后爐溫降至1200℃，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

4、，以免吸氣及氧化。鑄型溫度達到1080℃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(xiàn)連續(xù)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

5、界面，即凝固界面。在固相區(qū)，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(qū)，如圖2中的SL1，SL2。固相的形態(tài)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

6、凝固。固相的形態(tài)和比例直接影響兩相區(qū)的高溫強度及其與鑄型的摩擦力。固相的含量從液相區(qū)到固相區(qū)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(qū)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(qū)長度的影響從圖2可以看出，兩相區(qū)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(qū)的長度為SL1。當溫度梯度為G2時，兩相區(qū)的長度為SL2。顯然，GL越大兩相區(qū)

7、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(qū)，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=1101℃,TS=1071℃，凝固溫度范圍為40℃。在試驗中，拉鑄直徑1.5mm的絲。將冷卻距離固定在距鑄型出口25mm處。拉鑄速度設定為50mm/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

8、為1080℃時，鑄件表面出現(xiàn)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(qū)，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。1100℃時，裂紋消失，但鑄件表面仍有縱向拉痕。這表明兩相區(qū)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。1110℃時，鑄件表面光