摘 要：用熱型連鑄法終形制造直徑1.5 mm的CuAlNi合金絲。當(dāng)鑄型溫度設(shè)定為1110 ℃時(shí)，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50 mm/min時(shí)，晶粒數(shù)較少，晶界平直；拉鑄速度80 mm/min時(shí)，晶粒數(shù)較多，晶界較曲折。試樣經(jīng)1000 ℃固溶處理后的一次抗拉強(qiáng)度達(dá)502 MPa，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(guān)鍵詞：熱型連鑄 單晶 形狀記憶合金 CuAlNi
銅基形狀記憶合金由于較好的性能和低廉的價(jià)格，是非常重要的實(shí)用記憶合金。但銅基形狀記憶合金有兩個(gè)突出的缺點(diǎn)：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(shù)相差很大，如CuAlNi的彈性各向異性因子為13，而TiNi只有2。這導(dǎo)致合金變形時(shí)，在晶界處形成應(yīng)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(jié)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(jié)晶器。普通連鑄由于鑄件在結(jié)晶器壁上凝固，鑄件與器壁的摩擦力非常大。對(duì)于細(xì)小件，往往會(huì)造成拉斷。熱型連鑄法消除了鑄件與鑄型的摩擦力，因此可以鑄出細(xì)小的鑄件，實(shí)現(xiàn)終形連鑄。用這個(gè)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(shí)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1～8 mm的單晶銅絲(桿)［3］以及其他合金絲［4,5］。
1 試驗(yàn)過程
試驗(yàn)用水平式熱型連鑄設(shè)備如圖1所示。將配好的Cu，Ni料加入石墨坩堝內(nèi)熔化，并用氮?dú)獗Ｗo(hù)。將爐溫升至1 300 ℃，以加速Ni的熔化。爐料化清后爐溫降至1 200 ℃，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，以免吸氣及氧化。鑄型溫度達(dá)到1 080 ℃時(shí)，壓下液面控制棒，使液面升高，流入鑄型。開動(dòng)拉拔輥，將引錠棒緩慢拉出，把鑄件帶出鑄型。同時(shí)開啟冷卻水對(duì)鑄件冷卻，實(shí)現(xiàn)連續(xù)鑄造。
圖1 熱型連鑄設(shè)備簡(jiǎn)圖
1.熱電偶2.液面控制棒3.液面探測(cè)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(yàn)結(jié)果及討論
2.1 合金的化學(xué)成分
合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，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(diǎn)
純金屬具有確定的凝固溫度，因此有清晰的液、固兩相界面，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(qiáng)度。盡管固相與型腔有摩擦力，由于固相強(qiáng)度較高而不易產(chǎn)生拉裂，但可能在鑄件表面造成拉痕。通過調(diào)整工藝參數(shù)，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(nèi)形成由型外向型內(nèi)的正溫度梯度；在鑄型出口處達(dá)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(nèi)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(guān)，可呈分散狀，即為糊狀凝固；也可呈枝晶狀，即為層狀凝固。固相的形態(tài)和比例直接影響兩相區(qū)的高溫強(qiáng)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(dāng)摩擦力超過鑄件高溫強(qiáng)度，鑄件就會(huì)被拉裂。如果金屬液不能及時(shí)填充進(jìn)去，該處就不能彌合而形成裂紋，即產(chǎn)生熱裂。兩相區(qū)的長度越大，產(chǎn)生熱裂的可能性就越大。
圖2 TL，TS及GL對(duì)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(zhì)，即TL與TS有關(guān)外，還與凝固前沿的液相溫度GL有關(guān)。當(dāng)溫度為G1時(shí)，兩相區(qū)的長度為SL1。當(dāng)溫度梯度為G2時(shí)，兩相區(qū)的長度為SL2。顯然，GL越大兩相區(qū)的長度越小，其鑄造性能就越接近純金屬。這一點(diǎn)已為錫鉛合金的測(cè)試結(jié)果所證實(shí)［4］。熱型連鑄具有凝固溫度范圍的合金時(shí)，調(diào)整工藝參數(shù)的依據(jù)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(shù)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(cè)定，TL=1 101 ℃,TS=1 071 ℃，凝固溫度范圍為40 ℃。在試驗(yàn)中，拉鑄直徑1.5 mm的絲。將冷卻距離固定在距鑄型出口25 mm處。拉鑄速度設(shè)定為50 mm/min。逐漸提高鑄型溫度，考察鑄型溫度對(duì)拉鑄性能的影響。
拉鑄絲的表面質(zhì)量與鑄型溫度有關(guān)。當(dāng)鑄型溫度為1 080 ℃時(shí)，鑄件表面出現(xiàn)嚴(yán)重的鋸齒狀熱裂紋。此時(shí)的溫度在凝固溫度范圍之內(nèi)。型腔內(nèi)有相當(dāng)長的一段是兩相區(qū)，與鑄型的摩擦力增加，導(dǎo)致熱裂。逐次將鑄型溫度升高5 ℃，裂紋逐漸減輕。1 100 ℃時(shí)，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。1 110 ℃時(shí)，鑄件表面光潔，拉痕消失。這表明凝固區(qū)間縮短，并且向鑄型出口移動(dòng)。鑄件與鑄型的摩擦力已大大減少。
將鑄型溫度固定在1 110 ℃。逐漸提高拉鑄速度，同時(shí)縮短冷卻距離，使鑄件表面保持光潔，鑄件不出現(xiàn)扭曲，實(shí)際上是保持凝固界面在一定的位置。當(dāng)拉鑄速度達(dá)80 mm/min時(shí)，冷卻距離縮短到19 mm。由于設(shè)備的原因，冷卻距離不能再縮短，所以拉鑄速度只試驗(yàn)到80 mm/min。進(jìn)一步縮短冷卻距離還可以提高拉速。
2.4 鑄態(tài)組織
拉鑄速度50 mm/min時(shí)的鑄態(tài)組織如圖3。圖中黑色小點(diǎn)是γ2相，它沿凝固方向有序地排列。根據(jù)CuAlNi合金相圖［1］，在共析溫度(本試驗(yàn)用DTA測(cè)定約610 ℃)以下，β相分解為α+γ2相。γ2相是脆性相。拉鑄速度越慢，鑄件的冷卻速度也越慢，析出的γ2相就越多，鑄件就越脆。拉鑄過程中發(fā)現(xiàn)：拉鑄起動(dòng)階段的拉速為30 mm/min左右，所得鑄件很脆，一彎即斷。
圖3 拉鑄速度 50 mm/min時(shí)析出的γ2相 ×150
為便于觀察晶界，將試樣加熱至1 000 ℃保溫10 min后，淬入冰水中作固溶處理。γ2相消失后，可清晰顯示晶界，如圖4所示?？梢娎俾龝r(shí)晶粒數(shù)較少，晶界也較平直。
圖4 拉速 50 mm/min 試樣固溶處理后的組織 ×24
拉鑄速度為80 mm/min時(shí)的鑄態(tài)組織如圖5示。此時(shí)γ2相已消失，組織為單一的β相。晶界清晰可見。晶內(nèi)出現(xiàn)一系列孿晶線。試樣變形次數(shù)越多，孿晶線越密。與圖4相比，由于拉速快，晶體生長速度大，晶粒較多，晶界比較曲折。鑄件柔軟，彎曲后加熱至200 ℃左右，即可伸直，已具有形狀記憶效應(yīng)。此時(shí)的組織為粗大的馬氏體，見圖6所示。
圖5 拉速80 mm/min鑄態(tài)試樣的組織 ×150
圖6 加熱至200 ℃時(shí)的粗大馬氏體組織 ×24
與拉鑄純金屬相比，拉鑄合金較難獲得單晶。以拉鑄純銅為例，拉鑄直徑1.5 mm的銅絲，鑄型溫度設(shè)定為1 100 ℃，拉鑄速度高達(dá)120 mm/min，仍可獲得單晶組織［3］。而拉鑄同樣直徑的CuAlNi，鑄型溫度設(shè)定很接近，拉速僅為50 mm/min，仍存在幾個(gè)晶粒。這可能與凝固界面的穩(wěn)定性有關(guān)。在正溫度梯度下，純金屬的凝固界面是穩(wěn)定的平界面，任何超出界面的凸起都會(huì)重熔，因此不易發(fā)生枝狀生長。而合金凝固時(shí)存在溶質(zhì)原子再分配及擴(kuò)散的問題，容易形成成分過冷，使界面不穩(wěn)定，導(dǎo)致枝狀生長。為獲得單晶CuAlNi，還要對(duì)拉鑄工藝參數(shù)作進(jìn)一步的研究。
2.5 力學(xué)性能
將固溶處理后的試樣作一次拉伸試驗(yàn)及反復(fù)拉伸試驗(yàn)。作反復(fù)拉伸試驗(yàn)時(shí)，用位移控制法將應(yīng)變量固定為4%。卸載后測(cè)量殘余變形，如有，則將合金絲加熱，使其回復(fù)。如此反復(fù)拉伸，直至斷裂。結(jié)果列于表1及表2。
表1 一次拉伸試驗(yàn)結(jié)果
抗拉強(qiáng)度
MPa | 伸 長 率
% | 彈性應(yīng)變
% | 塑性應(yīng)變
% | 塑變后的彈性應(yīng)變
% |
| 502 | 14.4 | 2 | 8 | 4.4 |
表2 反復(fù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果
| 拉力/N | 原始長度
mm | 拉伸長度
mm | 卸載后長度*
mm | 斷裂次數(shù) |
| 150 | 100.0 | 104.0 | 100 | 706 |
*注：前26次拉伸后有殘余變形，卸載后測(cè)得的長度為101mm左右。26次拉伸后，試樣無殘余變形，卸載后長度為100 mm+0.1～0.2mm
將此結(jié)果與文獻(xiàn)［1］提供的數(shù)據(jù)比較。文獻(xiàn)中CuAlNi多晶反復(fù)變形的斷裂次數(shù)僅9次，單晶在4%應(yīng)變下斷裂次數(shù)490次。而熱型連鑄絲材的斷裂次數(shù)高達(dá)706次，比單晶的提高44%。可見減少晶界確實(shí)可以有效地提高合金的性能。
3 結(jié) 論
(1) 熱型連鑄法能制造所需形狀、尺寸的形狀記憶合金絲材，解決合金加工性能差的困難，是制造形狀記憶合金非常有效的方法。
(2) 對(duì)于具有寬凝固溫度范圍的CuAlNi合金，熱型連鑄法可以獲得定向凝固組織。進(jìn)一步研究合金的凝固特性并選擇合適的連鑄工藝參數(shù)，有可能獲得單晶組織。
(3) 具有定向凝固組織的合金，由于減輕了晶界對(duì)力學(xué)性能的有害影響，顯示出優(yōu)異的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度可達(dá)502 MPa，伸長率14.4%，4%應(yīng)變的反復(fù)拉伸疲勞斷裂次數(shù)高達(dá)706次，比單晶490次提高44%。
作者簡(jiǎn)介：余業(yè)球，男，1969年出生，工程師，廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)械系，廣州五山(510643)
作者單位：余業(yè)球(廣東工業(yè)大學(xué))
黎沃光(廣東工業(yè)大學(xué))
陳先朝(廣東工業(yè)大學(xué))
王德芳(廣東工業(yè)大學(xué))
參考文獻(xiàn)：
［1］舟久保.熙康編.千東范澤.形狀記憶合金.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.
［2］黎沃光.熱型連續(xù)鑄造法的原理及應(yīng)用.鑄造,1996(12):39～44
［3］黎沃光,賀春華,余業(yè)球等.熱型連鑄工藝與單晶銅的制取.全國鑄造學(xué)會(huì)鑄造工藝及造型材料專業(yè)委員會(huì)編.第六屆全國鑄造工藝及造型材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.洛陽，1999
［4］黎沃光,余業(yè)球,王德芳.錫鉛合金的熱型連鑄.鑄造技術(shù),1997(5):42～44
［5］賀春華,黎沃光.熱型連鑄法制備ZLAlCu10合金的組織與性能.熱加工工藝,1999(3):16～18(en
