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.DOC

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1.5 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、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