CN102094138A

CN102094138A - 一种镍钛钙基形状记忆合金

Info

Publication number: CN102094138A
Application number: CN2009102194231A
Authority: CN
Inventors: 曹继敏; 牛中杰; 王建淦; 雷亚军; 杨宏进; 肖松涛; 熊全明; 毛江虹
Original assignee: XI'AN SAITE METAL MATERIAL DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: XI'AN SAITE METAL MATERIAL DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明涉及一种镍钛钙形状记忆合金及以镍钛钙为主组元并添加少量其他元素的多元形状记忆合金的组分构成及其制备方法。该型合金的主组元为镍、钛、钙，其他为少量添加元素和不可避免的杂质。主组元组成为(重量百分比)：镍54.5％-57.0％，钙0.1％-10.0％，剩余为钛；添加元素为铬、钴、钒、铌、铁等元素，添加量0.1％-1.0％，用于调节合金的性能；杂质含量：碳≤0.05％，氧+氮≤0.05％，氢≤0.005％。该型合金具有比强度高、弹性好、塑性和韧性优良、冷加工性良好、弹性模量低、生物相容性好的特点。该型合金材料用来制作眼镜架、文胸托架、牙齿矫形丝、矫形棒、接骨板、导引丝、根管锉、温控弹簧、阻尼器、管接头、各种弹性元器件或记忆件等。

Description

一种镍钛钙基形状记忆合金

技术领域

本发明涉及一种镍钛钙形状记忆合金及以镍钛钙为主组元并添加少量其他元素的多元形状记忆合金的组分构成及其制备方法。

背景技术

镍钛合金是一种近等原子比的金属间化合物，不同温度下合金具有不同的晶体结构，高温相为体心立方CsCl型B2结构，其硬度和刚度较高；低温马氏体为B19′单斜型结构，硬度低，并且随温度变化合金发生

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相变。镍钛合金高温相具有优良的耐磨、耐腐蚀性，低温相具有优良的阻尼性，在相变区域具有奇特的形状记忆效应和超弹性。

镍钛形状记忆合金不仅是一种新型金属功能材料，同时还具有优良的生物相容性，是一种较理想的医用生物材料。随着材料技术开发、应用开发的不断深入，镍钛记忆合金的应用已遍及电子、机械、宇航、能源、运输、建筑、家电、医疗卫生及生活日用品等各个领域。

钙是自然界存在最普遍的元素之一，也是人体必需的元素。金属钙在工业上用途很有限，作为还原剂，用来制备其他金属；用作脱水剂，制造无水酒精；在石油工业上，用作脱硫剂，在冶金工业上，用它去氧或去硫。

添加钙进入镍钛合金通过化合形成镍钛钙合金，具有比普通近等原子比镍钛合金更优越的特点。镍钛钙合金比强度、塑性、韧性、生物相容性均优于近等原子比镍钛合金，其力学性能Rm≥850Mpa、Rp0.2≥100Mpa(马氏体态)、Rp0.2≥400Mpa(奥氏体态)、A≥15％，并且其弹性模量(60～70Gpa)低于近等原子比镍钛合金(70～98Gpa)，较之人体骨骼更接近，植入人体后更适合骨质生长。镍钛钙合金作为超弹性材料，能够在室温保持超弹性状态，变形抗力适中，室温拉伸应变量ε_t达到5％时，卸载后残余应变量ε_r≤0.05％；室温拉伸应变量ε_t达到8％时，卸载后残余应变量ε_r≤0.1％，是一种理想的生物材料。添加少量其他元素的多元镍钛钙基合金，具有低温超弹功能，在低温0～40℃时其应力不随变形量的增加而增加，可恢复变形量大，也是一种优良的低温功能材料。

镍钛钙合金用钙代替镍钛合金中的钛，降低了相变温度。当钙的添加量处于较低范围0.1wt.％～10.0wt.％(质量百分数)时，镍钛钙合金在冷热循环过程中发生一步马氏体相变，即

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随着钙不断替代钛组元，合金的奥氏体开始(As)和结束(Af)温度和马氏体开始(Ms)和结束(Mf)温度均有明显降低，其恢复应力σ≥550Mpa、完全恢复应变ε≥6％，且钙元素完全固溶于钛镍化合物中，钙元素的添加有助于改善合金的加工性能，降低了加工硬化，从而提高了合金的冷加工性能；而当钙含量超过10wt.％时，随着钙含量的增加，钙元素不能完全固溶于钛镍化合物，在基体中将析出脆性第二相，这种相在加工过程中容易脆裂而成为裂纹扩展源，最终导致合金的脆断；同时第二相的析出也将恶化形状记忆性能。

镍钛钙及其合金中的添加元素以及杂质元素的微小差异将很明显地引起其记忆性能及力学性能的变化。添加少量铬、钴、钒、铁等元素，随着第四组元添加量的增加，马氏体相变温度呈近似直线下降，能够实现低温超弹功能和低温形状记忆效应。

发明内容

发明该型合金的特征在于合金的主组元为镍、钛、钙，其他为少量添加元素和不可避免的杂质。主组元组成为(重量百分比)：镍54.5％-57.0％，钙0.1％-10.0％，剩余为钛；添加元素为铬、钴、钒、铌、铁等元素，添加量0.1％-1.0％，用于调节合金的性能；杂质含量：碳≤0.05％，氧+氮≤0.05％，氢≤0.005％。

发明该型合金的目的是根据添加钙进入镍钛合金中化合形成镍钛钙合金，产生性能优于普通近等原子比镍钛合金的功能材料，扩大形状记忆合金的材料构成和丰富产品的应用品种，提供具有比强度高、弹性好、塑性和韧性优良、冷加工性和冷成型性良好、弹性模量低、生物相容性好的镍钛钙三元形状记忆合金材料；根据添加元素和添加量的不同，提供镍钛钙基多元形状记忆合金材料，产生不同的记忆和超弹特性，以此制作相应的应用产品。镍钛钙基形状记忆合金材料应用于生活用品、生物医用和工程领域，用来制作眼镜架、文胸托架、牙齿矫形丝、矫形棒、接骨板、导引丝、根管锉、温控弹簧、阻尼器、管接头、各种弹性元器件或记忆件等。

附图说明

附图是镍钛钙基形状记忆合金的加工制备流程图

具体实施方式

该型合金的制备方法：

1、熔铸：按照镍钛钙基合金的配比比例称取原料，选取钛、镍、钙及所需添加的少量铬、钒、铌、铁等金属制备电极，进行真空中频感应熔炼、浇注铸锭。

2、锻造：铸锭均匀化处理和扒皮后，在800～850℃锻造成方坯或条坯。

3、轧制：方坯或条坯在800～850℃进行热轧以及后续冷轧，轧制或穿孔成线坯、板坯或管坯。

4、后续处理：线坯经机加、磨削产出成品棒材或经热拉拔产出成品丝材，板坯经机加、抛光、剪切产出成品板材，管坯经机加或热拉拔产出成品管材。

实施例1：

采用0级海绵钛、1级电解镍和工业纯钙为原料，按名义成分Ti-55.8Ni-1.0Ca(重量百分比)进行配比，其中海绵钛压制成Φ30mm电极块，电解镍板卷制成Φ130mm镍筒。将海绵钛电极块和工业钙粒加入镍筒中，均匀分布、压实，制备成感应熔炼用电极。电极在真空中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼结束后浇注成铸锭。铸锭经均匀化处理和扒皮后，使用空气锤在800～850℃锻造成□50mm条坯，在800～850℃进行热轧成Φ8.5mm线坯。线坯经机加、磨削产出成品规格棒材，成为矫形棒、阻尼器、大型弹性元器件或标准件等最终产品的半成品坯料棒材；经580～800℃热拉拔产出Φ0.8～Φ4mm成品规格丝材或辊模拉拔冷拉成Φ0.2～Φ0.8mm成品规格丝材，成为眼镜架、牙齿矫形丝、导引丝、根管锉、温控弹簧、小型弹性元器件或记忆件等最终产品的半成品坯料丝材。

实施例2：

采用0级海绵钛、1级电解镍和工业纯钙为原料，按名义成分Ti-55.7Ni-0.5Ca(重量百分比)进行配比，其中海绵钛压制成Φ30mm电极块，电解镍板卷制成Φ130mm镍筒。将海绵钛电极块和工业钙粒加入镍筒中，均匀分布、压实，制备成感应熔炼用电极。电极在真空中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼结束后浇注成铸锭。铸锭经均匀化处理和扒皮后，使用空气锤在800～850℃锻造成□150mm方坯，在800～850℃进行热轧成δ0.8～δ3mm板坯。板坯经机加、抛光、剪切后产出成品规格板材，成为接骨板、髌骨爪、弹性板等最终产品的半成品坯料板材。

实施例3：

采用0级海绵钛、1级电解镍、工业纯钙和添加金属铬为原料，按名义成分Ti-55.7Ni-0.8Ca-0.4Cr(重量百分比)进行配比，其中海绵钛压制成Φ30mm电极块，电解镍板卷制成Φ130mm镍筒。将海绵钛电极块、工业钙粒、纯铬片加入镍筒中，均匀分布、压实，制备成感应熔炼用电极。电极在真空中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼结束后浇注成铸锭。铸锭经均匀化处理和扒皮后，使用空气锤在800～850℃锻造成□50mm条坯，在800～850℃进行热轧成Φ8.5mm线坯。线坯经580～800℃热拉拔产出Φ0.8～Φ4mm成品规格丝材或辊模拉拔冷拉成Φ0.2～Φ0.8mm成品规格丝材，成为眼镜架、文胸托架、低温温控弹簧、低温弹性元器件和记忆件等最终产品的半成品坯料丝材。

实施例4：

采用0级海绵钛、1级电解镍、工业纯钙和添加金属铁为原料，按名义成分Ti-50Ni-2.5Ca-3.5Fe(重量百分比)进行配比，其中海绵钛压制成Φ30mm电极块，电解镍板卷制成Φ130mm镍筒。将海绵钛电极块、工业钙粒、纯铁块加入镍筒中，均匀分布、压实，制备成感应熔炼用电极。电极在真空中频感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼结束后浇注成铸锭。铸锭经均匀化处理和扒皮后，使用空气锤在800～850℃锻造成□50mm条坯，在800～850℃进行热轧成Φ8～Φ25mm棒坯。棒坯经850～880℃热穿孔、热轧制产出管坯，管坯经机加、抛光、剪切后产出Φ0.5～Φ22mm成品规格管材，成为管接头、低温热激活导管、低温密封记忆环、低温元器件等最终产品的半成品坯料管材。

Claims

1.一种镍钛钙基形状记忆合金，其特征在于合金的主组元为镍、钛、钙，其他为少量添加元素和不可避免的杂质。主组元组成为(重量百分比)：镍54.5％-57.0％，钙0.1％-10.0％，剩余为钛；添加元素为铬、钴、钒、铌、铁等元素，添加量0.1％-1.0％，用于调节合金的性能；杂质含量：碳≤0.05％，氧+氮≤0.05％，氢≤0.005％。

2.根据权利要求1所述的一种镍钛钙基形状记忆合金，其特征在于：镍钛钙三元形状记忆合金及以镍钛钙为主组元的添加少量其他元素的多元形状记忆合金可以根据合金的性能不同制作相应的产品。

3.根据权利要求1所述的一种镍钛钙基形状记忆合金，其特征在于：比强度高、弹性好、塑性和韧性优良、冷加工性和冷成型性良好、弹性模量低、生物相容性好，根据添加元素及添加量的不同，能够产生不同的记忆和超弹特性。

4.根据权利要求1所述的一种镍钛钙基形状记忆合金，其特征在于：该型合金材料应用于生活用品、生物医用和工程领域，用来制作眼镜架、文胸托架、牙齿矫形丝、矫形棒、接骨板、导引丝、根管锉、温控弹簧、阻尼器、管接头、各种弹性元器件或记忆件等。