一种形状记忆合金微丝加工工艺的制作方法

本发明属于合金材料的技术领域，涉及一种形状记忆合金微丝加工工艺。

背景技术：

形状记忆合金是一种集位移感知和驱动于一体的智能材料，在航天航空、微电子、生物医用及机器人等领域具有广泛的应用。形状记忆合金作为智能驱动元件应用，根据不同的应用场景，可以选择主要形式包括丝材、薄膜或弹簧。其中，主动式驱动器件中多使用形状记忆合金丝材作为执行元件，相对弹簧而言，丝材具有更高的响应频率、能率和使用寿命。因此，形状记忆合金丝材加工工艺对于元件寿命至关重要。

随着形状记忆合金驱动元件在微电子领域的推广，市场对形状记忆合金微丝，尤其是直径低于100微米材料需求不断增长。而形状记忆合金微丝的比表面积相对更大，表面质量控制对于微丝元件的品质起到关键作用，目前常规的拉拔制备技术无法满足微丝制备质量控制要求。存在几个问题：1)按照常规工艺，表面氧化现象非常严重，同时使用石墨或乳液润滑剂导致的残留问题不易解决；2)丝材表面机械抛光处理后，润滑效果变差，拉拔过程容易发生断丝现象；3)如果使用化学法抛光，丝材表面会出现大量孔洞。因此，亟需提出新的技术手段解决形状记忆合金微丝的制备。

目前使用最成熟的形状记忆合金材料是镍钛形状记忆合金，镍钛形状记忆合金的丝材加工方式包括以下典型步骤：1)熔炼、铸锭，高温锻打，热轧盘圆，得到直径5～8mm的粗线材；2)使用热拉拔，将形状记忆合金丝材降至3mm左右；3)冷拉拔和退火处理交替进行，直至0.5mm左右的直径；4)矫直处理和热机械训练，确保丝材的性能符合驱动元件的要求。但是，镍钛形状记忆合金驱动元件丝材的表面往往存在大量缺陷，包括氧化、润滑液与丝材反应物等，严重影响丝材的寿命。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种形状记忆合金微丝加工工艺，将表面结构控制和退火、冷拉拔相结合的技术路线，通过退火过程中的等离子环境气氛和退火温度、时间的精确控制，获得兼具润滑性、致密性的优异表面结构，最终获得性能优异的形状记忆合金微丝特别是镍钛形状记忆合金微丝材料。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种形状记忆合金微丝加工工艺，将形状记忆合金丝材进行多次冷拉拔，相邻二次冷拉拔之间进行退火处理，以提供所需的形状记忆合金微丝。

优选地，所述形状记忆合金丝材选用的形状记忆合金为镍钛基形状记忆合金。

优选地，所述形状记忆合金丝材的初始直径所述形状记忆合金丝材的初始直径为常规细丝的直径。

优选地，所述冷拉拔采用的模具为金刚石拉丝模具。

优选地，所述冷拉拔的减面率为4～15％。所述冷拉拔随着丝材直径的降低，减面率也逐步降低。所述减面率是指丝材冷拉拔变形的变形量，用于说明通过拉丝模具进行拉丝后，出口端丝材面积相比进口处丝材面积降低量，其数值过小则效率低下，数值过高则容易发生断丝现象。通过冷拉拔的减面率及丝材的目标尺寸，可以获得冷拉拔的具体次数。

更优选地，当所述形状记忆合金丝材的直径≥0.1mm时，所述冷拉拔的减面率为10-15％；当所述形状记忆合金丝材的直径为≤0.1mm时，所述冷拉拔的减面率为5-7％。

优选地，所述退火处理在等离子气氛下进行。

更优选地，所述等离子气氛条件为：气氛：为甲烷和氩气的混合气体，所述甲烷与氩气的体积比为1：1～7；真空度：10^-4～10^-1pa；气压：10～300pa。

进一步优选地，所述等离子气氛条件为：气氛：为甲烷和氩气的混合气体，所述甲烷与氩气的体积比为1：2～6；真空度：10^-3～10^-1pa；气压：50～200pa。

更优选地，所述等离子气氛形成的电场条件为：电流：0.5～3.0a；电压：50～200v。进一步优选地，所述等离子气氛形成的电场条件为：电流：0.8～2.0a；电压：60～150v。在此条件下，甲烷分解，碳原子在形状记忆合金特别是镍钛形状记忆合金表面形成纳米吸附层，这种纳米尺度的石墨结构碳层也可称为石墨烯层，润滑性极佳，同时不会在丝材表面形成堆积，不会影响形状记忆合金微丝特别是镍钛形状记忆合金微丝的整体力学性能和疲劳性能。

优选地，所述退火处理的退火温度为500～800℃。更优选地，所述退火处理的退火温度为550～700℃。

优选地，所述退火处理的退火时间为1～6分钟。更优选地，所述退火处理的退火时间为2～5分钟。所述退火时间可用于核算出管式退火炉长度和丝材的运行速度。

优选地，所述退火处理的退火张力为15～50mpa。更优选地，所述退火处理的退火张力为10～60mpa。

优选地，所述退火处理在管式退火炉中进行。

更优选地，所述管式退火炉为纵向管式退火炉。所述纵向管式退火炉可避免横向拉拔过程的丝材下垂现象。

更优选地，所述退火处理在管式退火炉中的运行速度为0.1～2m/min。进一步优选地，所述退火处理在管式退火炉中的运行速度为0.4～1m/min。

优选地，所述形状记忆合金微丝的直径为0.02～0.1mm。

优选地，所述形状记忆合金微丝还要依次进行矫直、表面清洁。

更优选地，所述矫直的处理条件为：温度：300～500℃；张力：20～70mpa；经过退火炉的速度：1～6m/min。

进一步优选地，所述矫直的处理条件为：温度：400～480℃；张力：30～60mpa；经过退火炉的速度：2～5m/min。

更优选地，所述表面清洁在等离子气氛中进行，等离子气氛为氢气和氩气的混合气体，所述氢气与氩气的体积比为1：2～12，等离子气氛的气压为50～600pa。进一步优选地，所述氢气与氩气的体积比为1：4～10，等离子气氛的气压为100～500pa。

所述表面清洁工艺使形状记忆合金特别是镍钛形状记忆合金表面残余的石墨层被清理干净，形状记忆合金微丝表面质量进一步改善，满足智能驱动元件的力学和疲劳需求。

如上所述，本发明提供的一种形状记忆合金微丝加工工艺，将表面结构控制和退火、冷拉拔相结合的技术路线，通过等离子气氛下的退火技术，即通过退火过程中的等离子环境气氛和退火温度、时间的精确控制，获得兼具润滑性、致密性的优异表面结构即纳米级石墨润滑层，最终获得性能优异的形状记忆合金微丝特别是镍钛形状记忆合金微丝材料。该种材料的粗糙度9级以上，疲劳性能达到30万次以上，能够满足智能驱动元件的力学和疲劳需求。通过本发明工艺获得的形状记忆合金微丝的性能参数符合智能驱动元件的国际标准，且易于产业化推广，具有重要战略价值。

附图说明

图1显示为镍钛形状记忆合金微丝的表面形貌对比示意图a、b、c，其中，图1a为本发明中形状记忆合金微丝加工工艺指标的微丝；图1b为电化学抛光法制备的微丝；图1c为传统拉拔法制备的微丝。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

选取镍钛基形状记忆合金的丝材作为初始丝材，其初始直径为200微米。将该丝材采用金刚石拉丝模具进行多次冷拉拔。在冷拉拔过程中，当该丝材的直径≥100微米时，冷拉拔的减面率为11％，随着多次冷拉拔使丝材直径的降低至100微米以下，冷拉拔的减面率降低至6％。在相邻二次冷拉拔之间进行退火处理，退火处理在等离子气氛下的纵向管式退火炉内进行，纵向管式退火炉的长度为2m，退火温度为600℃，退火时间为2分钟，丝材在管中的运行速度为1m/min，退火过程中张力设定在30mpa。等离子气氛中，先预抽至真空度为5*10^-2pa，然后通入甲烷和氩气的混合气体，体积比设定为1：5，保持气压稳定在100pa。当等离子气氛中温度和气压稳定后，开始通电形成离子化气氛环境，设置电流为1.5安培，电压为100伏特，在此工艺下，甲烷分解，镍钛表面形成纳米尺度吸附的石墨结构碳层，确保丝材在拉拔过程中的润滑且不会堆积。上述工艺中冷拉拔按照6％的压缩比多次进行，丝材直径连续下降，能够获得目标尺寸。最后，获得的镍钛基形状记忆合金微丝的直径为30微米。

再将获得的镍钛基形状记忆合金微丝进行矫直和表面清洁。矫直的处理条件中，温度为450℃，张力为40mpa，按3m/min的速度经过管式退火炉。表面清洁使用等离子清洗方式清理丝材的表面，等离子气氛为氢气和氩气的混合气体，体积比为1：5，气压为300pa，确保残余的石墨层被清理干净，形状记忆合金微丝表面质量优异。获得光滑表面的微丝样品1#，表面形貌见图1a。测试其表面粗糙度、力学性能和疲劳性能参数，结果数据见表1。

实施例2

选取镍钛基形状记忆合金的丝材作为初始丝材，其初始直径为200微米。将该丝材采用金刚石拉丝模具进行多次冷拉拔。在冷拉拔过程中，当该丝材的直径≥100微米时，冷拉拔的减面率为13％，随着多次冷拉拔使丝材直径的降低至100微米以下，冷拉拔的减面率降低至7％。在相邻二次冷拉拔之间进行退火处理，退火处理在等离子气氛下的纵向管式退火炉内进行，纵向管式退火炉的长度为2m，退火温度为650℃，退火时间为4分钟，丝材在管中的运行速度为0.5m/min，退火过程中张力设定在45mpa。等离子气氛中，先预抽至真空度为3*10^-2pa，然后通入甲烷和氩气的混合气体，体积比设定为1：4，保持气压稳定在120pa。当等离子气氛中温度和气压稳定后，开始通电形成离子化气氛环境，设置电流为1.0安培，电压为80伏特，在此工艺下，甲烷分解，镍钛表面形成纳米尺度吸附的石墨结构碳层，确保丝材在拉拔过程中的润滑且不会堆积。上述工艺中冷拉拔按照7％的压缩比多次进行，丝材直径连续下降，能够获得目标尺寸。最后，获得的镍钛形状记忆合金微丝的直径为25微米。

再将获得的镍钛基形状记忆合金微丝进行矫直和表面清洁。矫直的处理条件中，温度为500℃，张力为60mpa，按3m/min的速度经过管式退火炉。表面清洁使用等离子清洗方式清理丝材的表面，等离子气氛为氢气和氩气的混合气体，体积比为1：4，气压为200pa，确保残余的石墨层被清理干净，形状记忆合金微丝表面质量优异。获得光滑表面的微丝样品2#。测试其表面粗糙度、力学性能和疲劳性能参数，结果数据见表1。

实施例3

选取镍钛基形状记忆合金的丝材作为初始丝材，其初始直径为200微米。将该丝材采用金刚石拉丝模具进行多次冷拉拔。在冷拉拔过程中，当该丝材的直径≥100微米时，冷拉拔的减面率为10％，随着多次冷拉拔使丝材直径的降低至100微米以下，冷拉拔的减面率降低至5％。在相邻二次冷拉拔之间进行退火处理，退火处理在等离子气氛下的纵向管式退火炉内进行，纵向管式退火炉的长度为2m，退火温度为700℃，退火时间为2分钟，丝材在管中的运行速度为1m/min，退火过程中张力设定在30mpa。等离子气氛中，先预抽至真空度为2*10^-2pa，然后通入甲烷和氩气的混合气体，体积比设定为1：2，保持气压稳定在60pa。当等离子气氛中温度和气压稳定后，开始通电形成离子化气氛环境，设置电流为0.8安培，电压为60伏特，在此工艺下，甲烷分解，镍钛表面形成纳米尺度吸附的石墨结构碳层，确保丝材在拉拔过程中的润滑且不会堆积。上述工艺中冷拉拔按照5％的压缩比多次进行，丝材直径连续下降，能够获得目标尺寸。最后，获得的镍钛形状记忆合金微丝的直径为30微米。

再将获得的镍钛基形状记忆合金微丝进行矫直和表面清洁。矫直的处理条件中，温度为400℃，张力为60mpa，按2m/min的速度经过管式退火炉。表面清洁使用等离子清洗方式清理丝材的表面，等离子气氛为氢气和氩气的混合气体，体积比为1：10，气压为500pa，确保残余的石墨层被清理干净，形状记忆合金微丝表面质量优异。获得光滑表面的微丝样品3#，测试其表面粗糙度、力学性能和疲劳性能参数，结果数据见表1。

实施例4

选取镍钛基形状记忆合金的丝材作为初始丝材，其初始直径为200微米。将该丝材采用金刚石拉丝模具进行多次冷拉拔。在冷拉拔过程中，当该丝材的直径≥100微米时，冷拉拔的减面率为15％，随着多次冷拉拔使丝材直径的降低至100微米以下，冷拉拔的减面率降低至6％。在相邻二次冷拉拔之间进行退火处理，退火处理在等离子气氛下的纵向管式退火炉内进行，纵向管式退火炉的长度为2m，退火温度为550℃，退火时间为5分钟，丝材在管中的运行速度为0.4m/min，退火过程中张力设定在50mpa。等离子气氛中，先预抽至真空度为5*10^-2pa，然后通入甲烷和氩气的混合气体，体积比设定为1：5，保持气压稳定在180pa。当等离子气氛中温度和气压稳定后，开始通电形成离子化气氛环境，设置电流为2.0安培，电压为150伏特，在此工艺下，甲烷分解，镍钛表面形成纳米尺度吸附的石墨结构碳层，确保丝材在拉拔过程中的润滑且不会堆积。上述工艺中冷拉拔按照6％的压缩比多次进行，丝材直径连续下降，能够获得目标尺寸。最后，获得的镍钛形状记忆合金微丝的直径为30微米。

再将获得的镍钛形状记忆合金微丝进行矫直和表面清洁。矫直的处理条件中，温度为480℃，张力为30mpa，按5m/min的速度经过管式退火炉。表面清洁使用等离子清洗方式清理丝材的表面，等离子气氛为氢气和氩气的混合气体，体积比为1：10，气压为500pa，确保残余的石墨层被清理干净，形状记忆合金微丝表面质量优异。获得光滑表面的微丝样品4#，测试其表面粗糙度、力学性能和疲劳性能参数，结果数据见表1。

实施例5

由于微丝表面粗糙度越低，疲劳性能越优异，滞后越小，因此微丝表面粗糙度是决定微丝性能的关键因素，通常通过表面光洁度反应微丝的质量水平。采用电化学抛光法制备微丝，获得的微丝样品的表面形貌见图1b。采用传统拉拔法制备的微丝，获得的微丝样品的表面形貌见图1c。将实施例1中获得的样品1#的表面形貌图1a，与上述两者比较可知，本发明制备的微丝的表面粗糙度最低，即表面最光洁，反映本发明加工工艺制备的微丝的质量水平最佳。

实施例6

将实施例1-4中获得的样品1#-4#，与采用传统冷拉拔和氩气保护退火工艺制备的微丝样品，分别进行表面粗糙度、力学性能和疲劳性能参数的测试，具体数据见下表1。

表1

由表1可知，根据本发明实际测得的ra数值，本发明获得的形状记忆合金微丝的粗糙度达到9级以上，远远超过传统工艺制备的形状记忆合金微丝。粗糙度的改善，大幅度提高了形状记忆合金微丝的力学性能和疲劳性能，尤其是疲劳参数这一项，本发明专利制备的微丝均达到30万次以上，该性能符合国际标准，完全满足智能驱动元件材料的需求。

可见，形状记忆合金微丝的加工工艺和质量控制，关键在于表层结构的精确控制技术；本质上，传统技术下的合金表面与润滑碳层不兼容，工艺过程中必须保留一定的氧化层作为中间层，确保拉拔过程的顺利进行，因此拉拔至微丝尺度下，表面效应凸显，氧化层与润滑层均不易控制。而本发明则提出了等离子法，使用化学气象沉积技术将纳米级的石墨层直接吸附在镍钛合金表面，在起到优异润滑作用的前提下，避免了氧化层和传统润滑层的堆积。因此，最后获得的形状记忆合金微丝性能优异，且该工艺符合产业化大规模生产的要求，有望获得广泛推广应用。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。