CN103276240A

CN103276240A - 一种提高热疲劳性能的铜锌铝形状记忆合金

Info

Publication number: CN103276240A
Application number: CN2013102233321A
Authority: CN
Inventors: 李晓薇; 王文华; 司松海; 刘光磊; 杨嵩
Original assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Current assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2013-09-04

Abstract

一种提高热疲劳性能的铜锌铝形状记忆合金，属于铜基形状记忆合金制备技术领域，其特征为：以电解铜、0号锌锭、A00号铝锭、1号电解镍、复合稀土变质剂、余量是Cu的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入预热过的电解铜、电解镍、铝锭，后加入锌锭和复合稀土变质剂，熔炼过程中要加入少量硼砂覆盖，升温至1280℃-1300℃，浇注成直径为φ80×150mm的铸锭。退火处理是加热到820℃保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840℃保温半小时后锻打成45×45mm的棒材。然后进行两级时效的热处理，最后对其进行热疲劳性能测试。

Description

一种提高热疲劳性能的铜锌铝形状记忆合金

技术领域

本发明属于铜基形状记忆合金制备技术领域，特指一种提高热疲劳性能的铜锌铝形状记忆合金。

背景技术

形状记忆合金无论在生产工艺，还是在材料及元件的应用上都在不断的开拓和发展，迅速应用到国防、汽车、机械、能源、交通及生物学等领域。Cu基形状记忆合金是国内外过去二十多年来积极研究和开发的新型功能材料之一，目前已在Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Sn、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Be、Cu-Sn-Si、Cu-Zn-Ga等数十种铜基合金发现有良好的形状记忆效应；在铜基形状记忆合金中研究最多并已得到应用的是Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni合金。铜锌铝形状记忆合金作为铜基记忆合金中最具有实用价值的合金之一，具有生产工艺简单，成本低廉（价格仅为Ni-Ti系合金的十分之一），有良好的记忆性能（仅次于Ni-Ti系合金），其相变点可以在-100℃～300℃范围内调节，应用前景非常广阔。作为一种实用性材料，铜锌铝形状记忆合金倍受关注的问题是合金双程记忆性能的衰减现象、热循环对形状记忆效应的影响、热弹性马氏体稳定化等严重影响了该合金在冷热环境下的使用性能，极大的限制了其应用范围，要想扩大应用范围需要解决的主要问题是提高塑性，改善形状记忆效应对热循环和反复变形的稳定性等问题，因此，研究和开发新型热疲劳性能优异的铜锌铝形状记忆合金具有重大意义。

本发明开发出一种提高热疲劳性能的铜锌铝形状记忆合金。

发明内容

本发明开发出一种提高热疲劳性能的铜锌铝形状记忆合金，其特征为：以电解铜、0号锌锭、A00号铝锭、1号电解镍、复合稀土变质剂（其中：Nd 10～15wt％、La 10～15 wt％、Y 8～12wt％、Ce 8～12wt％、Tb 5～8 wt％、Gd 5～8 wt％、Pr+Sc+Eu+Ho+Er+Tm+Lu为10～20wt%，Zr 3～6wt%、Ti 2～5wt%、B 2～5wt%，余为铜。）为原料。成分按Zn25-25.5 wt %、Al3.5-4 wt %、Ni0.8-1.0 wt %、复合稀土变质剂0.2-1.0 wt %、余量是Cu的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入预热过的电解铜、电解镍、铝锭，后加入锌锭和复合稀土变质剂，熔炼过程中要加入少量硼砂覆盖，加入量为金属液的0.15 wt %。待材料全部熔化后，升温至1280℃-1300℃，浇注成直径为φ80×150mm的铸锭。退火处理是加热到820℃保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840℃保温半小时后锻打成45×45mm的棒材。最后进行两级时效的热处理，即820-840℃保温1小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100℃沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50℃水中保温0.5小时后取出空冷至室温。该方法制备的铜锌铝形状记忆合金的热疲劳性能得到显著提高。

上述成分可优化为Zn25.25 wt %、Al3.75 wt %、Ni0.9 wt %、复合稀土变质剂0.7 wt %。

通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40 mm 、宽10 mm 、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20℃至400℃之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温准确，水温20℃（流动自来水）。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为15s，直至预定循环次数。每循环设定次数，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度。

附图说明

图1 热疲劳试样尺寸（单位mm）

图2 CuZnAl形状记忆合金在20℃-400℃的热疲劳性能

从图2中可以看出，试样标记为2和3的热疲劳性能较好。特别是试样标记为3的热疲劳性能更好一些。

具体实施方式

实施例1

以电解铜、0号锌锭、A00号铝锭、1号电解镍、复合稀土变质剂（其中：Nd 10～15wt％、La 10～15 wt％、Y 8～12wt％、Ce 8～12wt％、Tb 5～8 wt％、Gd 5～8 wt％、Pr+Sc+Eu+Ho+Er+Tm+Lu为10～20wt%，Zr 3～6wt%、Ti 2～5wt%、B 2～5wt%，余为铜。）为原料。成分按Zn25wt %、Al3.5wt %、Ni0.8wt %、复合稀土变质剂0.2wt %、余量是Cu的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入预热过的电解铜、电解镍、铝锭，后加入锌锭和复合稀土变质剂，熔炼过程中要加入少量硼砂覆盖，加入量为金属液的0.15 wt %。待材料全部熔化后，升温至1280℃-1300℃，浇注成直径为φ80×150mm的铸锭。退火处理是加热到820℃保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840℃保温半小时后锻打成45×45mm的棒材。最后进行两级时效的热处理，即820-840℃保温1小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100℃沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50℃水中保温0.5小时后取出空冷至室温。通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40 mm 、宽10 mm 、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20℃至400℃之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温准确，水温20℃（流动自来水）。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为15s，直至预定循环次数。每循环设定次数，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，试样标记为1，热疲劳性能见图2。

实施例2

以电解铜、0号锌锭、A00号铝锭、1号电解镍、复合稀土变质剂（其中：Nd 10～15wt％、La 10～15 wt％、Y 8～12wt％、Ce 8～12wt％、Tb 5～8 wt％、Gd 5～8 wt％、Pr+Sc+Eu+Ho+Er+Tm+Lu为10～20wt%，Zr 3～6wt%、Ti 2～5wt%、B 2～5wt%，余为铜。）为原料。成分按Zn25.5 wt %、Al4 wt %、Ni1.0 wt %、复合稀土变质剂1.0 wt %、余量是Cu的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入预热过的电解铜、电解镍、铝锭，后加入锌锭和复合稀土变质剂，熔炼过程中要加入少量硼砂覆盖，加入量为金属液的0.15 wt %。待材料全部熔化后，升温至1280℃-1300℃，浇注成直径为φ80×150mm的铸锭。退火处理是加热到820℃保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840℃保温半小时后锻打成45×45mm的棒材。最后进行两级时效的热处理，即820-840℃保温1小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100℃沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50℃水中保温0.5小时后取出空冷至室温。通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40 mm 、宽10 mm 、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20℃至400℃之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温准确，水温20℃（流动自来水）。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为15s，直至预定循环次数。每循环设定次数，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，试样标记为2，热疲劳性能见图2。

实施例3

以电解铜、0号锌锭、A00号铝锭、1号电解镍、复合稀土变质剂（其中：Nd 10～15wt％、La 10～15 wt％、Y 8～12wt％、Ce 8～12wt％、Tb 5～8 wt％、Gd 5～8 wt％、Pr+Sc+Eu+Ho+Er+Tm+Lu为10～20wt%，Ni 3～6wt%、Ti 2～5wt%、B 2～5wt%，余为铜。）为原料。成分按Zn25.25 wt %、Al3.75wt %、Ni0.9 wt %、复合稀土变质剂0.7 wt %、余量是Cu的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼。熔炼工艺为：先加入预热过的电解铜、电解镍、铝锭，后加入锌锭和复合稀土变质剂，熔炼过程中要加入少量硼砂覆盖，加入量为金属液的0.15 wt %。待材料全部熔化后，升温至1280℃-1300℃，浇注成直径为φ80×150mm的铸锭。退火处理是加热到820℃保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840℃保温半小时后锻打成45×45mm的棒材。最后进行两级时效的热处理，即820-840℃保温1小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100℃沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50℃水中保温0.5小时后取出空冷至室温。通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40 mm 、宽10 mm 、高5mm，试样顶部带有V型缺口，如图1所示。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20℃至400℃之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温准确，水温20℃（流动自来水）。快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为15s，直至预定循环次数。每循环设定次数，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，试样标记为3，热疲劳性能见图2。

Claims

1.一种提高热疲劳性能的铜锌铝形状记忆合金，其特征为：以电解铜、0号锌锭、A00号铝锭、1号电解镍、复合稀土变质剂（其中：Nd 10～15wt％、La 10～15 wt％、Y 8～12wt％、Ce 8～12wt％、Tb 5～8 wt％、Gd 5～8 wt％、Pr+Sc+Eu+Ho+Er+Tm+Lu为10～20wt%，Zr 3～6wt%、Ti 2～5wt%、B 2～5wt%，余为铜）为原料；成分按Zn25-25.5 wt %、Al3.5-4 wt %、Ni0.8-1.0 wt %、复合稀土变质剂0.2-1.0 wt %、余量是Cu的比例称重后在中频感应熔炼炉中熔炼；熔炼工艺为：先加入预热过的电解铜、电解镍、铝锭，后加入锌锭和复合稀土变质剂，熔炼过程中要加入少量硼砂覆盖，加入量为金属液的0.15 wt %；待材料全部熔化后，升温至1280℃-1300℃，浇注成直径为φ80×150mm的铸锭；退火处理是加热到820℃保温24小时后随炉冷却，然后车削去除表面2-3mm的脱锌层，再将铸锭在840℃保温半小时后锻打成45×45mm的棒材；最后进行两级时效的热处理，即820-840℃保温1小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100℃沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50℃水中保温0.5小时后取出空冷至室温；通过线切割加工出热疲劳试样，热疲劳试样尺寸为长40 mm 、宽10 mm 、高5mm，试样顶部带有V型缺口；采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成；采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在室温20℃至400℃之间进行加热与冷却的热循环，采用计数器进行自动计数，调整并保持炉温准确，水温20℃（流动自来水）；快速加热试样，加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为120s，入水冷却时间为15s，直至预定循环次数；每循环设定次数，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度。

2.根据权利要求1所述一种提高热疲劳性能的铜锌铝形状记忆合金，成分可优化为Zn25.25 wt %、Al3.75 wt %、Ni0.9 wt %、复合稀土变质剂0.7 wt %时，在室温20℃至400℃下进行冷热循环时热疲劳性能最好。

3.根据权利要求1和2所述一种提高热疲劳性能的铜锌铝形状记忆合金，成分为Zn25.25 wt %、Al3.75 wt %、Ni0.9 wt %、复合稀土变质剂0.7 wt %时，进行两级时效的热处理，即820-840℃保温1小时淬入室温机油中，然后在预先准备好的100℃沸水中保温0.5小时后取出空冷至室温，再在50℃水中保温0.5小时后取出空冷至室温，在室温20℃至400℃下进行冷热循环时热疲劳性能最好。