CN102021360A - 一种具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金，由43％Ni，1.8％Mn，0.1％Fe，0.3％Si，余量为Cu组成。其制备方法是，熔炼前，将各组份材料用HCl水溶液清洗；将坩埚高温烘焙；然后，将Cu、Ni加入坩埚中，于1350～1420℃真空熔炼后，得Cu、Ni合金熔体；再在1550～1600℃精炼后，降温至1420～1450℃，向Cu、Ni合金熔体中加入Fe，Si，并在氩气保护气氛下加入Mn；最后，浇注到钢制锭模中，自然冷却，即得到本发明具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金。本发明组分配比合理、加工制造容易、适用于制备桥梁疲劳寿命计敏感栅、具有电阻疲劳累积功能，适于工业化生产，可作为桥梁等大型建筑物疲劳寿命检测用疲劳寿命计的传感器元件材料。

Description

一种具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及由铜、镍、锰、铁等元素制成的具有电阻疲劳累积性能的铜镍系精密电阻合金。

技术背景

国外1966年出现了报道疲劳寿命计的研究的文章，立即引起了极大的关注。Darrell R.Harting在文中重点介绍了电阻随疲劳历程自动累积——这一疲劳寿命计的固有特性。Darrell R.Harting通过大量的实验，测定了疲劳寿命计的电阻累积性能曲线，并得到了电阻累积响应与疲劳次数、疲劳应变幅之间的函数关系(如式1所示)。

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=K({\mathrm{\ϵ}}_r-{\mathrm{\ϵ}}_0)N^h---\left(1\right)$

式中：

——疲劳寿命计的电阻变化率；

K、h——常数；

ε_r——疲劳应变幅值；

ε₀——使得疲劳寿命计的电阻率发生变化的应变门槛值，在它以下的应变的作用不会使电阻改变；

N——循环次数。

1972年，Robert.S.Horne和Oscar.L.Freyre的研究显示：Cu-Ni合金箔材在450～550℃左右退火时，起初合金中溶质原子的排列金相平衡是随机分布的，当以一定速度退火至200℃时，合金中便有Ni原子积聚体形成，当合金成分中Ni元素在30～70％之间增加时，将会使所形成的Ni原子集聚体增大，合金材料的电阻值下降。但是在交变应变作用时，由于冷作硬化等作用，使Ni原子集聚体不断分解，Ni原子集聚体的分解增大了合金材料的电阻率，使合金材料的电阻值增加。这个增加的电阻值在温度低于150℃下不会消失，这就是Cu-Ni合金的电阻累积现象。

美国波音公司首先研制成功S-N疲劳寿命计并应用于航空航天结构的疲劳监测，1976年美国微测量公司曾在其产品目录中出现过S-N疲劳寿命计的介绍，但是对于疲劳寿命计中的关键技术极端保密，能见到的也只是一页纸类似于产品介绍的东西。

在我们国内，上世纪80年代后期，由南京航空航天大学、629所、上海有色金属研究所、航天工业部702所等单位合作研制了箔式疲劳寿命计，由于此种传感器主要应用于国内军事、航空航天等敏感领域，其合金组分、熔炼方法、压力加工工艺和热处理制度等完整制备过程无从知晓。

国外疲劳寿命计应用的康铜材料的最佳成分为43％Ni-55％Cu、2％Mn及少量的C、Si、Co等，国内开发的航空航天疲劳寿命计的合金成分约为：43％Cu，55％Ni，2％Mn以及少量C、S、Si。

总之，现有的疲劳寿命传感元件是考虑专用于航空航天领域特定的使用对象，而该对象在结构材料、构造形式、工作特性上与桥梁结构存在显著差异。目前土木工程领域的疲劳寿命计应用研究尚处于初级阶段，大部分工作集中在对现有疲劳寿命计的电阻变化性能测试、讨论用电阻变化特性表征结构疲劳累积方法的研究。因此，研制一种新型的、基于桥梁疲劳寿命计的、适用于桥梁关键构件疲劳累积损伤监测的技术与装备具有重大理论价值与实践意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种组分配比合理、加工制造容易、适用于制备桥梁疲劳寿命计敏感栅、具有电阻疲劳累积功能的精密电阻合金及其制备方法。

本发明一种具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金，各组分的重量百分比为：43％Ni，1.8％Mn，0.1％Fe，0.3％Si，余量为Cu。

本发明一种具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金的制备方法，包括下述步骤：

第一步：材料、设备前处理

熔炼前，将Ni，Mn，Fe，Si，Cu用30％HCl水溶液清洗后，再用10％HCl水溶液清洗，待用；将坩埚在900～1000℃烘焙1～1.5小时，去除坩埚中吸附的气体及水分；

第二步：熔炼

将Cu、Ni加入坩埚中，置于真空炉中，抽真空至5×10^-2～5×10^-3托，以18～22℃/分钟的速度加热至1350～1420℃，保温20～30分钟，得到Cu、Ni合金熔体；

第三步：精炼

将真空炉的真空度抽至5×10^-3托以上，并尽可能保持较高水平，以18～22℃/分钟的加热速度将第二步所得Cu、Ni合金熔体加热至1550～1600℃，保温20～30分钟后以5～10℃/分钟的速度降温至1420～1450℃，此时，向Cu、Ni合金熔体中加入Fe，Si，搅拌并保温10～20分钟后，继续搅拌并在氩气保护气氛下加入Mn；

第四步：浇铸

将第三步精炼后的Ni，Mn，Fe，Si，Cu合金熔体在1370～1420℃浇注到钢制锭模中，自然冷却，即得到本发明具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金。

本发明的合金主要由铜镍合金及其它微量元素构成。其中，镍原子以杆状和片状的集聚形态存在于基体中，由高电导率的铜元素构成低阻抗特性。当交变应变作用后，位错通过集聚体并使其分离，元素排列的变化使电阻率上升，产生不可恢复的电阻累积。特别是采用Ni含量为43％的Cu-Ni系合金作为主要成分，并加入其它微量元素，例如有利于Ni原子集聚体生成的Fe元素的加入，使本发明具有较大的电阻累积量和较低电阻累积应变门槛值；其次是能使Cu-Ni合金的电阻温度系数产生剧烈变化的过渡族金属Mn、Co和能显著影响Cu-Ni合金的电阻温度系数的Si的加入，使本发明的电阻温度系数较小，从而受外界温度的影响较小；能显著细化Cu-Ni合金晶粒的Zr元素的加入，Mn和Si还能提高合金的耐热性，因Mn可改善冶炼过程中的脱氧、脱硫效果，而Si对细化晶粒，使合金组织均匀有明显作用，这些使本发明具有较优异的疲劳寿命。同时，由于本发明采用材料、设备前处理后进行真空熔炼及超高真空精炼，搅拌并在保护气氛下加入锰元素，可以有效保证合金成分的均匀化；严格控制浇铸温度，可以减少或杜绝铸件中心缩孔、拉裂、内部疏松表面质量缺陷的发生。本发明制备的合金具有以下优点：

1、具有高的电阻累积能力。

2、具有高的电阻率ρ，且电阻分散率小。

3、电阻温度系数α绝对值小且可调，可调幅度较大。桥梁结构的构成材料林林总总，其材料特性各不相同，通过调整精密合金电阻温度系数α，可制作出适用不同桥梁材料、具有温度自补偿功能的疲劳寿命计。

4、疲劳强度和弹性应变极限大。

5、耐腐蚀，抗氧化性能好。

6、焊接性能好，易熔焊和电焊；引线的热电势小。

7、加工性能好，易于制成箔材。

综上所述，本发明组分配比合理、加工制造容易、适用于制备桥梁疲劳寿命计敏感栅、具有电阻疲劳累积功能，适于工业化生产，可作为桥梁关键构件疲劳寿命检测用疲劳寿命计的传感器元件材料。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。

实施例1

制备组分的重量百分比为：43％Ni，1.8％Mn，0.1％Fe，0.3％Si，余量为Cu的具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金

(1)材料设备前处理

在熔炼之前，将Ni，Mn，Fe，Si，Cu用30％HCl水溶液清洗，再用10％HCl水溶液清洗。坩埚在1000℃下烘焙一小时，以去除坩埚中吸附的气体及水分。

(2)装料

坩埚烘焙后，应尽快装料。如果时间拖长，坩埚吸气增多。有时感应圈、炉壳等水冷表面甚至会出现水蒸气凝结，从而延长抽空时间，也就是延长了冶炼时间，而且温度降低，对坩埚寿命不利。

炉料的料块应符合尺寸要求，才能保证合理布料。装料时，Cu、Ni一次性加入坩埚中，并做到“下紧上松”，“梯形装料”，即坩埚底尽量装的紧密，上部要装松些，这样可以防止炉料“架桥”现象发生。其它微量元素如Fe等装在加料器中等精炼期加入。蒸气压很大的元素Mn，为保证其回收，装入加料器中，在出料前不久通入氩气，在氩气保护的条件下加入。

(3)熔化

加热前先将炉体抽真空至5×10^-3，以消除由于真空系统、坩埚表面和炉料所残留的气体对冶炼过程的影响。

以18～22℃/分钟的速度加热至1350～1420℃，保温20～30分钟，得到Cu、Ni合金熔体；

熔化期开始，熔池很浅，新的金属液面不断裸露在真空下，非常有利于气体、有害杂质和非金属杂质的排除。此时，严格控制加热速度及保温温度，可以保证炉料充分预热而不使其局部过热，炉料能充分去气而不产生喷溅。熔炼期温度应维持在1350～1420℃，如果熔化期温度过高，熔化速度过快，由于熔料中气体未充分排除干净，在熔化过程中会造成合金液的大量喷溅。而且熔化期去气不彻底，则精炼期真空度较低，影响精密合金的精炼效果。

(4)精炼

将真空炉的真空度抽至5×10^-3托以上，并尽可能保持较高水平，以18～22℃/分钟的加热速度将第二步所得Cu、Ni合金熔体加热至1550～1600℃，保温20～30分钟后以5～10℃/分钟的速度降温至1420～1450℃，此时，向Cu、Ni合金熔体中加入Fe，Si，搅拌并保温10～20分钟后，继续搅拌并在氩气保护气氛下加入Mn；

具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金在精炼期完成脱气、去除有害杂质，进一步净化合金、调整合金成分并使之均匀化即完成合金化过程。

精炼期温度、真空度及在真空下保持时间是该合金真空熔炼最重要的两个参数。精炼期，精密合金采用短时高温(1550～1600℃)、高真空精炼法。尽可能把真空度保持在较高水平，真空度的的提高，有利于熔池内反应、气体和杂质的去除。

精炼末期降低炉内温度至1420～1450℃，将加料盒中微量元素Fe、Si加入。。加料速度应当均匀缓慢，以免造成喷溅。加完后，应当进行一定时间的搅拌，以加速其熔解和使之分布均匀。

Mn属于高温下易挥发元素。在熔炼条件下，Mn具有很高的蒸气压，在真空炉内，Mn急剧地自熔液中挥发溢出。为避免Mn的挥发对精密合金化学成分的影响，在精炼末期，向炉内通入氩气，在氩气的保护下将Mn加入。加入后搅拌，使合金液体的温度和成分进一步均匀化。

(5)出料浇注

精炼结束后，将熔炼好的精密合金浇注到钢制锭模中。锭模的内外表面都应清洁无锈，每次使用前应清刷干净，浇注漏斗应对准浇道中心，严防浇注过程中发生跑钢事故。浇注温度维持在1370～1420℃，温度过高极易冲模，使合金报废，并产生严重的中心缩孔和拉裂现象，注温过低会使合金内部疏松严重，合金锭表面质量不良。

Claims (2)

1.一种具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金，各组分的重量百分比为：43％Ni，1.8％Mn，0.1％Fe，0.3％Si，余量为Cu。

2.制备如权利要求1所述一种具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金的方法，包括下述步骤：

第一步：材料、设备前处理

熔炼前，将Ni，Mn，Fe，Si，Cu用30％HCl水溶液清洗后，再用10％HCl水溶液清洗，待用；将坩埚在900～1000℃烘焙1～1.5小时，去除坩埚中吸附的气体及水分；

第二步：熔炼

将Cu、Ni加入坩埚中，置于真空炉中，抽真空至5×10^-2～5×10^-3托，以18～22℃/分钟的速度加热至1350～1420℃，保温20～30分钟，得到Cu、Ni合金熔体；

第三步：精炼

将真空炉的真空度抽至5×10^-3托以上，以18～22℃℃/分钟的加热速度将第二步所得Cu、Ni合金熔体加热至1550～1600℃，保温20～30分钟后以18～22℃/分钟的速度降温至1420～1450℃，此时，向Cu、Ni合金熔体中加入Fe，Si，搅拌并保温10～20分钟后，继续搅拌并在氩气保护气氛下加入Mn；

第四步：浇铸

将第三步精炼后的Ni，Mn，Fe，Si，Cu合金熔体在1370～1420℃浇注到钢制锭模中，自然冷却，即得到本发明具有电阻疲劳累积性能的精密电阻合金。