CN110918840B

CN110918840B - 一种无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法

Info

Publication number: CN110918840B
Application number: CN201911232091.0A
Authority: CN
Inventors: 郝世杰; 杜宝鹏; 李仲瀚; 崔立山
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2039-12-05
Also published as: CN110918840A

Abstract

本发明公开了一种无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，包括如下步骤：1)冷拔处理：对NiTi记忆合金丝进行冷拔处理；2)缠绕成簧：将步骤1)冷拔处理后的NiTi记忆合金丝绕制成弹簧；3)定型热处理：将步骤2)绕制成的弹簧在无约束状态下进行定型热处理，得到NiTi记忆合金弹簧。本发明的方法制备形状记忆合金弹簧不需要使用定型模具，且能够制备具有复杂结构的记忆合金弹簧。

Description

一种无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法

技术领域

本发明涉及智能器件制造技术领域。更具体地，涉及一种无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法。

背景技术

形状记忆合金弹簧可用作驱动、缓冲、减震、储能等功能结构元件，具有广泛的应用前景。但是，现有形状记忆合金弹簧的制备方法较为复杂，制备效率较低，且制备的弹簧结构单一，无法满足特殊领域对复杂结构形状记忆合金弹簧的应用要求。

制备形状记忆合金弹簧的常用方法：首先将形状记忆合金丝缠绕在螺纹模具上进行固定，然后将缠绕记忆合金丝的螺纹模具放入高温炉中进行定型处理，随后将螺纹模具从高温炉中取出进行水冷或空冷，最后将形状记忆合金弹簧从螺纹模具上取下，获得形状记忆合金弹簧器件。采用这种方法制备形状记忆合金弹簧必须使用定型模具，且形状记忆合金弹簧的形状和尺寸均受到定型模具形状和尺寸的限制。采用这种方法制备形状记忆合金弹簧的效率较低，结构形状单一，难以满足应用需求。

因此，本发明提供了一种无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，解决了上述问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，以解决现有技术中形状记忆合金弹簧制备效率低，制得的结构形状单一等问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，包括如下步骤：

1)冷拔处理：对NiTi记忆合金丝进行冷拔处理；

2)缠绕成簧：将步骤1)冷拔处理后的NiTi记忆合金丝绕制成弹簧；

3)定型热处理：将步骤2)绕制成的弹簧在无约束状态下进行定型热处理，得到NiTi记忆合金弹簧。

本发明提供的方法先对NiTi记忆合金丝进行冷拔处理，冷变形保证丝中的位错密度，使其在之后的定型处理及热处理中不发生逆相变；绕制成弹簧后再进行定型热处理，由于在之前的加工过程中已经发生冷变形，进而热处理可以实现无模具定形，而且不发生逆相变，最终得到具有形状记忆特性的螺旋弹簧；该方法不需要使用定型模具，且能够制备具有复杂结构的记忆合金弹簧，使用这种方法制备的形状记忆合金弹簧可用于热控或电控驱动元件等技术领域。

与普通弹簧的制备方法相比，由于普通弹簧依靠弹性变形实现驱动，其制备是绕簧机直接使其丝材产生了塑性变形，再后续热处理，这与记忆合金弹簧的马氏体相的自适应马氏体再取向变形不同(自适应马氏体的取向变形应变量可达6％～7％)，本发明提供的记忆合金弹簧的制备，由于记忆合金弹簧利用热控或电控实现驱动，其在大变形量的丝材中确保极高的位错密度，而致使其不会从马氏体逆相变为奥氏体相；因此本发明提供的制备方法在绕簧机上仅仅只是将丝材缠绕即可以保持螺旋线弹簧状，当热处理时无需有束缚模具即可以完成制备；该无需束缚的方法有区别于现有记忆合金弹簧制备方法的束缚模具束缚弹簧形状制备。

优选地，步骤1)中所述NiTi记忆合金丝的化学成分为NiTi合金或NiTi-X合金，其中，X表示Nb、Cu、Fe和Ag中的一种或多种元素。

优选地，按原子百分数计，所述NiTi合金中Ni元素含量为48at％～52at％，余量为Ti元素。

优选地，所述NiTi-X合金中，Ti元素与Ni元素的原子比为0.8:1.2～1.2:0.8，X元素的原子百分数小于20at％；进一步地，所述Ti元素与Ni元素的原子比为0.9:1～1.1:1。

优选地，步骤1)中所述NiTi记忆合金丝的丝材直径为0.1毫米～3毫米，其截面为圆形或多边形；进一步地，在本发明中某些具体实施方式中，例如，所述丝材直径为0.1毫米～0.6毫米、0.1毫米～0.8毫米、0.1毫米～1.0毫米、0.1毫米～1.5毫米、0.6毫米～0.8毫米、0.6毫米～1.0毫米、0.6毫米～1.5毫米、0.6毫米～3毫米、0.8毫米～1.0毫米、0.8毫米～1.5毫米、0.8毫米～3毫米、1.0毫米～1.5毫米、1.0毫米～3毫米、1.5毫米～3毫米等。

优选地，步骤1)中所述NiTi记忆合金丝为NiTi合金锭或NiTi-X合金锭经热锻和热拔制得，其中所述热锻的温度为850℃～900℃，所述热拔温度为300℃～500℃。

优选地，步骤1)中所述NiTi记忆合金丝的丝材初始状态为退火态或热拔态。

优选地，步骤1)中所述冷拔处理后NiTi记忆合金丝的冷拔变形量为10％～60％。应当理解的是，所述冷拔变形量为起始截面积与最终截面积之差除以起始截面积。

优选地，步骤2)中所述缠绕成簧的过程在有芯或无芯弹簧制作机中进行，进一步地，所述冷拔处理后的NiTi记忆合金丝在有芯或无芯弹簧制作机中的成形模具上绕制成弹簧。

优选地，步骤3)中所述定型热处理的过程具体包括：将绕制成的弹簧在无约束状态下于定型温度为300℃～600℃条件下保温2～60分钟后进行水冷或空冷，得到NiTi记忆合金弹簧；进一步地，在本发明中某些具体实施方式中，例如，所述定型温度为300℃～420℃、300℃～450℃、300℃～500℃、420℃～450℃、420℃～500℃、420℃～600℃、450℃～500℃、450℃～600℃、500℃～600℃等；其中，无约束态为弹簧的热处理定型状态，该状态下无需使用定型模具；采用定型温度为300℃～450℃，制备出的记忆合金弹簧可以提供较高的恢复力，采用定型温度为450℃～600℃可以提供较大的恢复应变。

优选地，步骤3)中所述定型热处理的过程在马弗炉中进行。

另外，如无特殊说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。

本发明的有益效果如下：

本发明的方法制备形状记忆合金弹簧不需要使用定型模具，且能够制备具有复杂结构的记忆合金弹簧。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例1中制备NiTi记忆合金弹簧的流程示意图。

图2示出本发明实施例1～4制得的NiTi记忆合金弹簧经500℃定型处理后施加10N外载荷的回复应变与温度的变化曲线图。

图3示出本发明实施例1～4制得的NiTi记忆合金弹簧经500℃定型处理后施加10N外载荷的回复应变与丝材直径的关系曲线图。

图4示出本发明实施例4～8制得的NiTi记忆合金弹簧经500℃定型处理后施加20N外载荷的回复应变与温度的变化曲线图。

图5示出本发明实施例4～8制得的NiTi记忆合金弹簧经500℃定型处理后分别施加20N和30N外载荷的回复应变与弹簧内径的关系曲线图。

图6示出本发明实施例4～8制得的NiTi记忆合金弹簧经500℃定型处理后施加30N外载荷的回复应变与温度的变化曲线图。

图7示出本发明实施例4和实施例7制得的NiTi记忆合金弹簧经500℃定型处理后分别施加10N、20N和30N外载荷的回复应变与外载荷的变化曲线图。

图8示出本发明实施例7制得的NiTi记忆合金弹簧在通电加热情况下的疲劳性能测试结果曲线图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明中，制备方法如无特殊说明则均为常规方法；所用的原料如无特别说明均可从公开的商业途径获得。

实施例1

本实施例提供了一种无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：

1)冷拔处理：

选取直径为0.6mm圆形截面的NiTi记忆合金丝，该NiTi记忆合金丝的化学成分为NiTi合金，其中Ni元素的原子百分数为50.8at％，余量为Ti；该NiTi记忆合金丝为NiTi合金锭经850℃热锻和500℃热拔制得；

对该NiTi记忆合金丝截取合适长度进行40％冷变形量的冷拔处理；

2)缠绕成簧：采用内芯绕簧机将步骤1)冷拔处理后的NiTi记忆合金丝绕制成内径为5mm且有效圈数n＝6的弹簧；

3)定型热处理：将步骤2)绕制成的弹簧放入500℃的马弗炉中在无约束状态下保温20分钟，空冷，得到NiTi记忆合金弹簧。

实施例2

1)冷拔处理：

选取直径为0.8mm圆形截面的NiTi记忆合金丝，该NiTi记忆合金丝的化学成分为NiTi合金，其中Ni元素的原子百分数为50.8at％，余量为Ti；该NiTi记忆合金丝为NiTi合金锭经850℃热锻和500℃热拔制得；

实施例3

1)冷拔处理：

选取直径为1.0mm圆形截面的NiTi记忆合金丝，该NiTi记忆合金丝的化学成分为NiTi合金，其中Ni元素的原子百分数为50.8at％，余量为Ti；该NiTi记忆合金丝为NiTi合金锭经850℃热锻和500℃热拔制得；

实施例4

1)冷拔处理：

选取直径为1.5mm圆形截面的NiTi记忆合金丝，该NiTi记忆合金丝的化学成分为NiTi合金，其中Ni元素的原子百分数为50.8at％，余量为Ti；该NiTi记忆合金丝为NiTi合金锭经850℃热锻和500℃热拔制得；

测试例1

本测试例提供了一种NiTi记忆合金弹簧回复应变的测试方法，包括如下步骤：

i)首先将NiTi记忆合金弹簧分别在500℃定型处理20min；

ii)将定型处理后的NiTi记忆合金弹簧均冷却到马氏体技术温度(M_f)以下，此时NiTi记忆合金弹簧的初始状态为马氏体；

iii)室温下在电子万能试验机上将NiTi记忆合金弹簧拉伸至变形量260％，施加10N的恒定载荷，在外载荷的作用下，使NiTi记忆合金弹簧达到力平衡状态，记录此时NiTi记忆合金弹簧的长度；

iv)加温箱，升温至200℃，记录升温过程中驱动位移随温度变化的关系；

v)实验结束，去除温箱，记录此时NiTi记忆合金弹簧的长度，并根据NiTi记忆合金弹簧的驱动位移求得NiTi记忆合金弹簧的回复应变，绘制NiTi记忆合金弹簧回复应变随温度变化的关系曲线。

采用该测试方法对实施例1～实施例4制得的NiTi记忆合金弹簧进行回复应变测试，测得的回复应变与温度的变化曲线如图2所示，测得的回复应变与丝材直径的变化曲线如图3所示。

从图2和图3可以看出，当给弹簧施加10N的载荷时，在回复过程的初始阶段，回复应变增加缓慢；继续加热，弹簧快速回复，回复应变快速增大，至回复的终止阶段，驱动速率变慢，回复应变几乎不再增加。

马氏体态的记忆合金，在外力作用下变形，对其进行加热，当温度超过马氏体逆相变的起始温度时，记忆合金内部发生由马氏体向奥氏体的转变。此时若材料处于自由态，则形状快速消失并恢复原始形状；若材料处于约束态，在加热过程中，约束会阻止变形回复。加热回复的初始段，只有少量的马氏体达到相变温度开始相变；随着加热时间增加，弹簧中绝大部分的马氏体相迅速转变为奥氏体，使回复速度迅速增加；继续加热，NiTi记忆合金弹簧中少部分尚未转化的马氏体相继续转变为母相，相变量较小。

将图2中的四条曲线进行对比，可以看出，当弹簧内径一定时，相同载荷下，弹簧丝材的直径越大，NiTi记忆合金弹簧的回复应变越高，丝材直径为1.5mm的弹簧回复应变约是丝材直径为0.6mm弹簧的3倍。因此，采用丝材直径为1.5mm的弹簧，驱动效果更好。

实施例5

1)冷拔处理：

2)缠绕成簧：采用内芯绕簧机将步骤1)冷拔处理后的NiTi记忆合金丝绕制成内径为3.5mm且有效圈数n＝6的弹簧；

实施例6

1)冷拔处理：

2)缠绕成簧：采用内芯绕簧机将步骤1)冷拔处理后的NiTi记忆合金丝绕制成内径为4mm且有效圈数n＝6的弹簧；

实施例7

1)冷拔处理：

2)缠绕成簧：采用内芯绕簧机将步骤1)冷拔处理后的NiTi记忆合金丝绕制成内径为4.5mm且有效圈数n＝6的弹簧；

实施例8

1)冷拔处理：

2)缠绕成簧：采用内芯绕簧机将步骤1)冷拔处理后的NiTi记忆合金丝绕制成内径为6mm且有效圈数n＝6的弹簧；

测试例2

本测试例提供了一种NiTi记忆合金弹簧回复应变的测试方法，步骤同测试例1，不同之处仅在于：步骤iii)中施加的恒定载荷为20N。

采用该测试方法对实施例4～实施例8制得的NiTi记忆合金弹簧进行回复应变测试，测得的回复应变与温度的变化曲线如图4所示，测得的回复应变与弹簧内径的变化曲线如图5所示。

测试例3

本测试例提供了一种NiTi记忆合金弹簧回复应变的测试方法，步骤同测试例1，不同之处仅在于：步骤iii)中施加的恒定载荷为30N。

采用该测试方法对实施例4～实施例8制得的NiTi记忆合金弹簧进行回复应变测试，测得的回复应变与温度的变化曲线如图6所示，测得的回复应变与弹簧内径的变化曲线如图5所示。

从图4～图6可以看出，经过500℃定型处理后，对弹簧施加一定的外载荷，当弹簧丝直径相同时，随弹簧内径的增大，NiTi记忆合金弹簧的回复应变先增大后减小。由SMA弹簧外载荷P与弹簧直径D和弹簧丝直径d的关系可知，弹簧丝直径相同时，弹簧直径越大，所能承受的外载荷越小。因此，当弹簧直径大于等于4.5mm时，对其施加20N的载荷，已达到弹簧的承受载荷，因此弹簧直径越大，回复应变越低；当弹簧直径小于4.5mm时，其所能承受的外载荷较大，即使对其施加30N的载荷也未达到弹簧的承受载荷，此时弹簧的回复应变取决于弹簧的工作行程，弹簧直径越大，则弹簧的工作行程越长，回复应变越高。可以看出弹簧内径为4.5mm时，NiTi记忆合金弹簧的回复应变达到最大值，详细数值如表1所示。

由表1可知，经500℃定型处理后，当外加载荷为20N时，内径为4.5mm和5mm的弹簧回复应变几乎相等且达到最大值。

表1 NiTi记忆合金弹簧回复应变

为得到性能最优的形状记忆弹簧，分别采用测试例1～测试例3中的测试方法对经500℃定型处理后的本发明实施例7制得的4.5mm内径的弹簧和实施例4制得的5mm内径的弹簧做了进一步的对比实验，实验结果如图7所示。由图7可知，随着外加载荷的增大，不同内径的弹簧展现的回复应变均呈线性降低，但弹簧内径不同，回复应变降低的速率明显不同。其中，对于内径为4.5mm的弹簧，回复应变的下降速率为0.725％/N，而内径为5mm的弹簧，回复应变的下降速率为1.15％/N。显然，随着外加载荷的增大，内径为5mm的弹簧回复应变的下降速率明显高于内径为4.5mm的弹簧。另外，当外载荷小于等于30N时，弹簧的回复应变均在150％以上。

测试例4

本测试例提供了一种NiTi记忆合金弹簧在通电加热情况下的疲劳性能测试方法，包括如下步骤：采用恒流源对500℃定型处理20min后的NiTi记忆合金弹簧进行加热升温，所用的加热电流为9A；将NiTi记忆合金弹簧在恒负载(悬挂1Kg砝码)下重复进行展开-收缩实验20次，记录每一次弹簧收拢所用的时间。

采用该测试例的方法对实施例7制得的NiTi记忆合金弹簧进行测试，结果如图8所示。从图8可以看出，随着循环次数的增加，弹簧回复所用的时间先增大后减小，最后趋于稳定，弹簧在第12次循环后，达到稳定状态。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)冷拔处理：对NiTi记忆合金丝进行冷拔处理；

3)定型热处理：将步骤2)绕制成的弹簧在无约束状态下进行定型热处理，得到NiTi记忆合金弹簧；

其中，步骤2)中所述缠绕成簧的过程在无芯弹簧制作机中进行。

2.根据权利要求1所述的无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，其特征在于，步骤1)中所述NiTi记忆合金丝的化学成分为NiTi合金或NiTi-X合金，其中，X表示Nb、Cu、Fe和Ag中的一种或多种元素。

3.根据权利要求2所述的无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，其特征在于，按原子百分数计，所述NiTi合金中Ni元素含量为48at％～52at％，余量为Ti元素。

4.根据权利要求2所述的无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，其特征在于，所述NiTi-X合金中，Ti元素与Ni元素的原子比为0.8:1.2～1.2:0.8，X元素的原子百分数小于20at％。

5.根据权利要求1～4任一项所述的无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，其特征在于，步骤1)中所述NiTi记忆合金丝的丝材直径为0.1毫米～3毫米，其截面为圆形或多边形。

6.根据权利要求5所述的无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，其特征在于，步骤1)中所述NiTi记忆合金丝的丝材初始状态为退火态或热拔态。

7.根据权利要求6所述的无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，其特征在于，步骤1)中所述NiTi记忆合金丝为NiTi合金锭或NiTi-X合金锭经热锻和热拔制得。

8.根据权利要求7所述的无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，其特征在于，所述热锻的温度为850℃～900℃，所述热拔温度为300℃～500℃。

9.根据权利要求1所述的无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，其特征在于，步骤1)中所述冷拔处理后NiTi记忆合金丝的冷拔变形量为10％～60％。

10.根据权利要求1所述的无定型模具制备NiTi记忆合金弹簧的方法，其特征在于，步骤3)中所述定型热处理的过程具体包括：将绕制成的弹簧在无约束状态下于定型温度为300℃～600℃条件下保温2～60分钟后进行水冷或空冷，得到NiTi记忆合金弹簧。