专利名称：连续铸造Cu－Al－Ni形状记忆合金丝的方法
技术领域：
本发明属于形状记忆合金型材的制造工艺，具体涉及一种连续铸造Cu-Al-Ni形状记忆合金丝的方法。
背景技术：
铜基形状记忆合金一般以丝材、片材、箔材等形式加以应用。目前其制造工艺都是采用熔铸成锭，再经拉拔、挤压或压延等塑性加工方法。这种方法制得的产品只能得到无方向性的多晶组织。由于铜基合金晶体的弹性各向异性系数高达13，使多晶组织中相邻晶粒在变形时的应变量不一致，在晶界上形成很大的应力集中，导致沿晶界断裂，材料表现为脆性。Cu-Al-Ni由于晶粒粗大，应力集中现象更加严重。为了提高记忆合金的韧性，研究了各种方法细化晶粒，包括添加合金元素法、粉末冶金法、快速凝固方法、孕育处理法等。但研究结果显示细化晶粒虽然可使抗拉强度提高，但对提高塑性性能及记忆性能的作用甚微。所以，尽管铜基记忆合金已研究了30多年，仍未能得到实际应用。
日本的本保元次郎在《铜と铜合金》2002年第41卷第1期“OCC プロヤスにょつて得らゎたCu-Al-Ni合金缐の形状记忆·超弹性效果”一文中，用加热铸型式连续铸造法(OCC法)制取了具有柱状晶组织的Cu-Al-Ni合金丝。这种组织在受到轴向载荷时，各晶粒的变形一致，消除了因变形不一致而在晶界产生应力集中以及由此引起的脆性，使记忆合金丝具有优异的机械性能和记忆性能。此外，这种方法还能直接铸出所需形状、尺寸的记忆合金丝，免除塑性加工的困难。但其工艺的思路是用提高铸型温度的方法来提高铸件凝固前沿的温度梯度，缩短固液两相区的长度，从而减小铸件与铸型因摩擦而产生热裂纹的机会。所以尽管其合金的液相线温度仅为1056℃，铸型温度也设定为1085℃，致使连铸速度最大仅为250mm/min。在这一速度下凝固，会析出硬而脆的γ2相，一方面降低了基体的铝含量，使相变点不稳定；另一方面降低合金的机械性能。为消除γ2相，需经1000℃保温1h的固溶处理。而固溶处理又导致晶粒长大，性能恶化。
为解决已有技术以上的不足，特提出本发明的解决方案。
发明内容
本发明分析了常用的Cu-Al-Ni合金的液相线温度约为1060℃，因此可以降低铸型的加热温度，从而提高连铸速度，使凝固界面移出到铸型之外。铸型之外合金丝的形状则靠合金液的表面张力维持。这样可提高铸件的冷却速度，阻止γ2相的析出。同时，由于凝固界面移出到铸型之外，铸件不与铸型接触、摩擦，避免铸件产生热裂，从而获得光洁的表面。
下面详细叙述本发明的实施方案。
本发明所述的连续铸造Cu-Al-Ni形状记忆合金丝的方法，是将铸型加热至1070～1080℃，合金液从铸型一端连续供给，其压头保持为5～10mm，从铸型的另一端连续拉出合金丝并在铸型出口处设置冷却装置冷却合金丝。上述铸型出口4～15mm处设置冷却装置冷却合金丝。上述连铸速度从100mm/min到480mm/min。当上述连铸速度超过250mm/min时，γ2相消失。当上述连铸速度小于250mm/min时，需经过850～900℃保温10min～20min固溶处理后，γ2消除。
根据合金丝的直径大小，将合金丝成形用的铸型加热到1070～1080℃。由于常用的Cu-Al-Ni合金的液相线温度均低于1065℃，因此合金液在铸型内不发生凝固。从铸型的一端连续输入合金液，其压头保持为5～10mm。压头过高则合金丝的直径变大。在铸型的另一端连续拉出合金丝，并在铸型前4～15mm处设置一可移动的冷却装置，对合金丝喷水冷却。由于冷却装置的冷却作用，合金丝凝固时产生的热量沿合金丝轴向向冷却位置传输，而合金丝则沿轴向定向凝固，获得有若干个晶粒沿轴向平行排列的柱状晶组织。这种组织受轴向载荷时，各晶粒经受一致的变形，消除了因变形不一致而在晶界产生的应力集中以及由此引起的脆性，使记忆合金丝获得优异的机械性能和记忆性能。在上述铸型的加热温度范围、合金丝的冷却位置范围和压头范围下，连铸速度可从100mm/min到480mm/min，使合金丝的凝固界面移至铸型之外。合金丝的形状靠合金液的表面张力维持。当表面张力与合金液压头平衡时，合金丝就维持在一定的尺寸。压头加大，合金丝的尺寸就变大。当连铸速度超过250mm/min时，γ2相消失。
图1是本发明的连续铸造方法示意图其中1合金液2加热器3铸型4热电偶5凝固界面6冷却装置7合金丝8引杆具体实施方式
本发明在图1中更清楚地说明。
铸型3的型腔具有与记忆合金丝一致的截面形状。它由加热器2加热，加热温度由热电偶4控制，一般设定在1070～1080℃。合金液1从铸型3的左端流入型腔并维持一定的压头。引杆8从铸型3的右端插入，将合金液引出。在铸型出口前方用冷却水6直接喷在合金丝7上，使合金丝凝固产生的热量沿合金丝7的轴向传出，因而使合金丝7沿轴向凝固。拉拔机构将已凝固的合金丝7连续拉出铸型3。调整连铸速度使合金丝7的凝固界面5保持在铸型之外。这种定向凝固方式可以使晶粒沿合金丝7的轴向生长，获得柱状晶组织。
实施例1含Al 13.22wt％，Ni 3.95wt％，余为铜的Cu-Al-Ni合金以108mm/min的速度，铸造成直径为1mm的丝。压头设定为10mm，铸型温度设定为1075℃，冷却距离13mm。铸态组织中有大量γ2相，合金丝很脆。需经过900℃保温20min固溶处理后，γ2消除。金相检验表明为柱状晶组织。合金丝表面曲折，不平直。拉伸试验显示抗拉强度为910MPa，延伸率为18％。在4％的固定应变下，反复拉伸、加热使其恢复原长度，直至发生疲劳断裂。断裂时最高的拉伸次数为38560次。加热后的回复率在整个拉伸试验过程均为100％。充分说明用本发明生产的记忆合金丝具有优异的机械性能、记忆性能和疲劳性能。
实施例2含Al 13.95wt％，Ni 3.95wt％，余为铜的Cu-Al-Ni合金以240mm/min的速度铸造成直径为1.5mm的丝。压头设定为5mm，铸型温度设定为1070℃，冷却距离8mm。铸态组织中有少量γ2。铸态下弯曲有残余变形，加热后残余变形消失。经过850℃保温10min固溶处理后，γ2消除，金相检验表明为柱状晶组织，合金丝具有完全的超弹性。这表明析出γ2相会改变合金的相变点。铸态下疲劳弯曲断裂次数为16000次，固溶处理后疲劳弯曲断裂次数为14000次。这说明固溶处理使性能下降。
实施例3含Al 13.95wt％，Ni 3.95wt％，余为铜的Cu-Al-Ni合金以360mm/min的速度铸造成直径为1.5mm的丝。压头设定为5mm，铸型温度设定为1070℃，冷却距离6mm。铸态组织中没有γ2相。铸态下合金丝就有完全的超弹性。金相检验表明为柱状晶组织。铸态下疲劳弯曲断裂次数为20000次。
实施例4含Al 13.95wt％，Ni 3.95wt％，余为铜的Cu-Al-Ni合金以480mm/min的速度铸造成直径为1.5mm的丝。压头设定为5mm，铸型温度设定为1070℃，冷却距离4mm。铸态组织中没有γ2相。铸态下合金丝就有完全的超弹性。金相检验表明为排列不整齐的柱状晶组织。铸态下疲劳弯曲断裂次数为7000次。
权利要求
1.一种连续铸造Cu-Al-Ni形状记忆合金丝的方法，其特征在于将铸型加热至1070～1080℃，合金液从铸型一端连续供给，其压头保持为5～10mm，从铸型的另一端连续拉出合金丝并在铸型出口处设置冷却装置冷却合金丝。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述铸型出口4～15mm处设置冷却装置冷却合金丝。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述连铸速度从100mm/min到480mm/min。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于当上述连铸速度超过250mm/min时，γ2相消失。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于当上述连铸速度小于250mm/min时，需经过850～900℃保温10min～20min固溶处理后，γ2消除。
全文摘要
本发明公开了一种连续铸造Cu－A1－Ni形状记忆合金丝的方法，该方法是将铸型加热至1070～1080℃，使合金在铸型内保持液态，从铸型的一端连续供给合金液，并维持5～10mm的压头，在铸型的另一端连续地拉出合金丝并在铸型前的4～15mmm喷水冷却合金丝，使合金丝沿丝的轴向定向凝固，从而获得沿丝的轴向排列的柱状晶组织；本发明的优点是柱状晶组织可以大大地提高记忆合金的机械性能和记忆性能，可以直接获得所需的形状和尺寸。
文档编号B22D11/11GK1718316SQ20051003572
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月8日 优先权日2005年7月8日
发明者黎沃光, 余业球, 蔡莲淑, 陈先朝, 贺春华, 刘可如 申请人:广东工业大学