CN112058934B - 一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，包括以下步骤：1)将形状记忆合金丝材的两端固定后，作为应力加载段，分别施加预应力；2)再对形状记忆合金丝材的两端施加拉伸应力，使丝材从两侧向外拉伸变形，形成延伸变形段，然后对丝材进行电脉冲加热后停电冷却；3)重复步骤2)后，再进行拉伸处理，以提供所需形状的穿模尖头。本发明提供的一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，通过脉冲电加热和拉伸应力控制结合，提高了常规热拉法制备穿模尖头的长度，值得行业推广。
Description
技术领域
本发明属于合金材料领域，涉及一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺。
背景技术
自20世纪80年代以来，形状记忆合金被用于各种商用机器人系统，替代部分电动或液压马达等传统驱动方式，应用领域包括微创手术和结肠镜检查，微型驱动器和夹具，水下机器人，假肢，自重构机器人，自动机器人，管内机器人和并联机械手等。在微型驱动器中使用形状记忆合金材料有许多优点，比如单位质量输出功优异、轻量化、静音驱动、结构简单等。
目前形状记忆合金作为驱动元件材料的最主要使用形式是弹簧和丝材。特别在微型化方向，丝材逐步替代弹簧成为主流驱动元件。形状记忆合金丝材，尤其是微米级丝材的加工制备是该工业领域的关键步骤。形状记忆合金微丝通常是通过连续冷拔并结合真空退火工艺来实现的。每一道拉拔工艺过程包括：尖头成型、模具穿丝、装载和拉拔。其中，尖头成型技术对于拉拔工艺的效率优化非常重要，其关键在于尖头形状的控制。
传统金属丝材拉拔过程中的尖头成型工艺包括化学腐蚀法和热拉延伸法两种。化学腐蚀法涉及强酸溶液的配制，特别是针对钛合金而言，需要使用氢氟酸，对环保防护方面的要求极高。热拉延伸法是指在设定恒应力下，通过电加热软化丝材，直至拉断，自然形成尖头。但是在处理微米级细丝时，这种方面无法实现尖头形状的控制，问题在于：1)材料热拉法形成的尖头形貌取决于泊松比，即长径比是恒定的，细丝直径过小，尖头长度也短，无法穿过拉丝模具；2)电加热模式下，丝材失去加工硬化机制，导致局部温度升高，熔断过程加速，尖头径向长度更短。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，基于形状记忆合金特殊的相变和超大拉伸应变相耦合的特点，提出一种冷热交替式延伸技术，通过脉冲电加热和拉应力控制结合，大幅度提高尖头的长径比，适合于微米级形状记忆合金丝材拉拔预处理中的尖头加工。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，包括以下步骤：
1)将形状记忆合金丝材的两端固定后，作为应力加载段，分别施加预应力；
2)再对形状记忆合金丝材的两端施加拉伸应力，使丝材从两侧向外拉伸变形，形成延伸变形段，然后对丝材进行电脉冲加热后停电冷却；
3)重复步骤2)后，再进行拉伸处理，以提供所需形状的穿模尖头。
优选地，步骤1)中，所述形状记忆合金为镍钛形状记忆合金。
优选地，步骤1)中，所述形状记忆合金丝材选取为丝材头部段。
优选地，步骤1)中，所述形状记忆合金丝材的两端采用夹头加持固定。所述夹头为专用于固定丝材的金属夹头。
优选地，步骤1)中，所述应力加载段的长度为3-20cm。
优选地，步骤1)中，所述预应力的应力值为30～80MPa。
优选地，步骤2)中，所述丝材从两侧向外拉伸变形的延伸量，为所述丝材拉伸变形达到断裂时的延伸量的70～90％。从而确保丝材进入马氏体塑性变形区。所述丝材拉伸变形达到断裂时的延伸量为所述丝材的断裂延伸率，所述断裂延伸率为40-60％。
优选地，步骤2)中，所述延伸变形段的延伸量为应力加载段的长度的35-60％。更优选地，所述延伸变形段的延伸量为应力加载段的长度的40-50％。所述延伸变形段的延伸量是指形状记忆合金丝材的两端的总延伸量。具体来说，所述延伸变形段会形成0.4-1％的弹性变形区、7-9％的马氏体相变/马氏体变体迁动变形区、25～50％的马氏体塑性变形区。更优选为所述延伸变形段会形成0.5％的弹性变形区、8％的马氏体相变/马氏体变体迁动变形区、30～50％的马氏体塑性变形区。
优选地，步骤2)中，所述丝材进行电脉冲加热在拉伸应力保持不变的情况下进行。
优选地，步骤2)中，所述丝材进行电脉冲加热是通过电路外加电脉冲进行加热。
优选地，步骤2)中，所述电脉冲加热的电流强度(Im)由0升至50～800mA，电流提高速率为5～100mA/min。所述电脉冲加热的电流强度与丝材的直径相关，随着丝材直径的降低，电流强度Im和电流提高速率也相应降低。
优选地，步骤2)中，所述电脉冲加热的加热温度在位错熔解的临界温度以上。从而使加热区域发生马氏体至母相逆相变，被拉伸延长部分永久定型，丝材线径变细。具体来说，所述位错熔解的临界温度为300～500℃。
优选地，步骤2)中，所述停电冷却使丝材降温并松弛，保持母相或多变体马氏体相的结构。所述母相为丝材在高温时的晶体结构。所述多变体马氏体相为丝材在低温时的晶体结构。
优选地，步骤3)中，每次重复所述步骤2)使丝材直径降低8～14％。根据泊松比所得。每次重复步骤2)进行交替式延伸可以使丝材直径持续降低，直至某些不可控制缺陷引起局部断裂。
优选地，步骤3)中，所述步骤2)的重复次数为至少2次。对于形状记忆合金丝材的拉拔压缩比而言，2次以上所述步骤2)的交替式延伸工序即可达到穿过模具的需求。
优选地，步骤3)中，所述拉伸处理的预应力为30～80MPa。
优选地，步骤3)中，所述拉伸处理在室温下进行。
优选地，步骤3)中，所述拉伸处理直至拉断为止。所述拉伸处理的拉伸部分为变形强化态细丝，硬度显著高于普通丝材，断口处即为尖头顶部，断口至原丝整段均为尖头部分，可以很方便穿过拉丝模具。
本发明第二方面提供一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头，由上述工艺制得。
优选地，所述穿模尖头的长度≥2cm。
如上所述，本发明提供的一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，基于形状记忆合金特殊的相变和超大拉伸应变相耦合的特点，即形状记忆合金丝材室温下呈现的超大塑性和高温下去位错&逆相变结构演化两大特点，提出一种冷热交替式延伸技术，通过脉冲电加热和拉伸应力控制结合，大幅度提高尖头的长径比，提高了常规热拉法制备穿模尖头的长度，解决了形状记忆合金微丝拉拔的关键工艺难题，适合于微米级形状记忆合金丝材拉拔预处理中的尖头加工。
(2)本发明提供的一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，工艺方式简洁，避免了化学腐蚀法制备穿模要求的长距离尖头所带来的环保难题。与传统热拉法相比，本发明技术的变形过程在室温中进行，避免了传统尖头热拉伸制备方式过程中的拉伸硬化被抑制的现象，确保整根丝材均匀变形，从而大幅度提高了永久变形的延长度，值得行业推广。
(3)本发明提供的一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，通过慢速加热方式可以确保位错消除动力学过程相对缓慢，再结晶过程与逆相变耦合度良好，确保丝材在升温过程中不会断裂。
(4)本发明提供的一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，获得的尖头长度可达到2cm以上，与常规热拉伸制备尖头工艺相比大幅度提高；尤其在100微米级别以下的丝材拉拔工艺前处理时，尖头长度可提高100倍以上。
附图说明
图1显示为本发明的一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺中交替式延伸方法的结构示意图。
图2显示为本发明的一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺中拉伸处理后的穿模尖头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
选用镍钛形状记忆合金丝材头部段，其丝材直径D为100微米，如图1所示，将其两端采用金属夹头加持固定后，作为应力加载段，分别施加预应力35MPa，应力加载段的长度为10cm。然后，再对形状记忆合金丝材的两端施加拉伸应力，使丝材从两侧向外拉伸变形，形成延伸变形段，延伸变形段在丝材两端的总延伸量为应力加载段的45％，即14.5cm处，停止加载，并固定位移。接着，在保持拉伸应力不变的情况下，再通电对丝材进行电脉冲加热，对延伸变形段的电流加载段为3cm，按50mA/min的电流提高速率从0mA加载至250mA，监控侧得丝材温度为327度。停止通电，丝材温度降至室温，获得松弛态母相或多变体马氏体结构的第一阶段延伸后细丝。
继续进行第二轮交替延伸工序，保持对形状记忆合金丝材的两端施加拉伸应力，使丝材从两侧向外拉伸变形，形成延伸变形段，延伸变形段在丝材两端的总延伸量为应力加载段的40％，即14cm处，停止加载，并固定位移。接着，在保持拉伸应力不变的情况下，再通电对丝材进行电脉冲加热，对延伸变形段的电流加载段为3cm，按50mA/min的电流提高速率从0mA加载至220mA，监控侧得丝材温度为327度。停止通电，丝材温度降至室温，获得松弛态母相或多变体马氏体结构的第二阶段延伸后细丝。
将第二阶段延伸后细丝在室温下进行拉伸，直至拉断为止，具体结构如图2所示。断口至未变形原丝整段均被延伸变细，离尖头1cm处，测得直径为82微米，非常便于拉丝模具的穿孔处理。
实施例2
选用镍钛形状记忆合金丝材头部段，其丝材直径D为80微米，如图1所示，将其两端采用金属夹头加持固定后，作为应力加载段，分别施加预应力50MPa，应力加载段的长度为8cm。然后，再对形状记忆合金丝材的两端施加拉伸应力，使丝材从两侧向外拉伸变形，形成延伸变形段，延伸变形段在丝材两端的总延伸量为应力加载段的45％，停止加载，并固定位移。接着，在保持拉伸应力不变的情况下，再通电对丝材进行电脉冲加热，对延伸变形段的电流加载段为2.6cm，按35mA/min的电流提高速率从0mA加载至170mA，监控侧得丝材温度为341度。停止通电，丝材温度降至室温，获得松弛态母相或多变体马氏体结构的第一阶段延伸后细丝。
继续进行第二轮交替延伸工序，保持对形状记忆合金丝材的两端施加拉伸应力，使丝材从两侧向外拉伸变形，形成延伸变形段，延伸变形段在丝材两端的总延伸量为应力加载段的40％，停止加载，并固定位移。接着，在保持拉伸应力不变的情况下，再通电对丝材进行电脉冲加热，对延伸变形段的电流加载段为2.6cm，按35mA/min的电流提高速率从0mA加载至160mA，监控侧得丝材温度为341度。停止通电，丝材温度降至室温，获得松弛态母相或多变体马氏体结构的第二阶段延伸后细丝。
将第二阶段延伸后细丝在室温下进行拉伸，直至拉断为止，具体结构如图2所示。断口至未变形原丝整段均被延伸变细，离尖头1cm处，测得直径为66微米，在通常7％减面率的形状记忆合金丝材拉拔工艺过程中，满足拉丝模具的穿孔处理需求。
实施例3
选用镍钛形状记忆合金丝材头部段，其丝材直径为50微米，如图1所示，将其两端采用金属夹头加持固定后，作为应力加载段，分别施加预应力30MPa，应力加载段的长度为6cm。然后，再对形状记忆合金丝材的两端施加拉伸应力，使丝材从两侧向外拉伸变形，形成延伸变形段，延伸变形段在丝材两端的总延伸量为应力加载段的50％，停止加载，并固定位移。接着，在保持拉伸应力不变的情况下，再通电对丝材进行电脉冲加热，对延伸变形段的电流加载段为2cm，按20mA/min的电流提高速率从0mA加载至100mA，监控侧得丝材温度为339度。停止通电，丝材温度降至室温，获得松弛态母相或多变体马氏体结构的第一阶段延伸后细丝。
继续进行第二轮交替延伸工序，保持对形状记忆合金丝材的两端施加拉伸应力，使丝材从两侧向外拉伸变形，形成延伸变形段，延伸变形段在丝材两端的总延伸量为应力加载段的45％，停止加载，并固定位移。接着，在保持拉伸应力不变的情况下，再通电对丝材进行电脉冲加热，对延伸变形段的电流加载段为2cm，按35mA/min的电流提高速率从0mA加载至90mA，监控侧得丝材温度为339度。停止通电，丝材温度降至室温，获得松弛态母相或多变体马氏体结构的第二阶段延伸后细丝。
将第二阶段延伸后细丝在室温下进行拉伸，直至拉断为止，具体结构如图2所示。断口至未变形原丝整段均被延伸变细，离尖头1cm处，测得直径为41微米，满足拉丝模具的穿孔处理需求。
实施例4
选用镍钛形状记忆合金丝材头部段，其丝材直径为30微米，如图1所示，将其两端采用金属夹头加持固定后，作为应力加载段，分别施加预应力40MPa，应力加载段的长度为3cm。然后，再对形状记忆合金丝材的两端施加拉伸应力，使丝材从两侧向外拉伸变形，形成延伸变形段，延伸变形段在丝材两端的总延伸变形段的延伸量为应力加载段的50％，停止加载，并固定位移。接着，在保持拉伸应力不变的情况下，再通电对丝材进行电脉冲加热，对延伸变形段的电流加载段为2cm，按15mA/min的电流提高速率从0mA加载至80mA，监控侧得丝材温度为309度。停止通电，丝材温度降至室温，获得松弛态母相或多变体马氏体结构的第一阶段延伸后细丝。
继续进行第二轮交替延伸工序，保持对形状记忆合金丝材的两端施加拉伸应力，使丝材从两侧向外拉伸变形，形成延伸变形段，延伸变形段在丝材两端的总延伸量为应力加载段的45％，停止加载，并固定位移。接着，在保持拉伸应力不变的情况下，再通电对丝材进行电脉冲加热，对延伸变形段的电流加载段为2cm，按15mA/min的电流提高速率从0mA加载至70mA，监控侧得丝材温度为309度。停止通电，丝材温度降至室温，获得松弛态母相或多变体马氏体结构的第二阶段延伸后细丝。
将第二阶段延伸后细丝在室温下进行拉伸，直至拉断为止，具体结构如图2所示。断口至未变形原丝整段均被延伸变细，离尖头0.5cm处，测得直径为26微米，满足拉丝模具的穿孔处理需求。
通过实施例1-4可知，本发明提出的交替式延伸工艺可以有效的使形状记忆合金微丝获得永久拉伸变形，大幅度降低形状记忆合金丝材的直径，从而满足拉拔工艺过程前端的拉丝模具穿丝工艺需求。
与常规热拉伸制备尖头工艺相比，尖头长度可达到2cm以上，尖头长度提高100倍以上。
本发明提出的尖头加工技术特别适合使用在形状记忆合金微丝(指直径在100微米以下)加工领域，与传统的腐蚀方法或热拉拔法相比，不产生酸/碱废液，没有环保压力，长径比大幅度提高；且操作简单，适合大范围推广。
综上，本发明工艺利用了形状记忆合金丝材室温下呈现的超大塑性和高温下去位错&逆相变结构演化两大特点，工艺方式简洁，特别适用于形状记忆合金微丝的拉拔工艺。与传统热拉法相比，本发明技术的变形过程在室温中进行，避免了传统尖头热拉伸制备方式过程中的拉伸硬化被抑制的现象，确保整根丝材均匀变形，从而大幅度提高了永久变形的延长度。慢速加热方式可以确保位错消除动力学过程相对缓慢，再结晶过程与逆相变耦合度良好，确保丝材在升温过程中不会断裂。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，包括以下步骤：
1)将形状记忆合金丝材的两端固定后，作为应力加载段，分别施加预应力；
2)再对形状记忆合金丝材的两端施加拉伸应力，使丝材从两侧向外拉伸变形，形成延伸变形段，然后对丝材进行电脉冲加热后停电冷却；
3)重复步骤2)后，再进行拉伸处理，以提供所需形状的穿模尖头；
步骤1)中，所述形状记忆合金为镍钛形状记忆合金；
步骤1)中，所述应力加载段的长度为3-20cm；所述预应力的应力值为30～80MPa；
步骤2)中，所述延伸变形段的延伸量为应力加载段的长度的40-60％；
步骤2)中，所述电脉冲加热的电流强度由0升至50～800mA，电流提高速率为5～100mA/min；
步骤2)中，所述电脉冲加热的加热温度在位错熔解的临界温度以上。
2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，其特征在于，步骤3)中，每次重复所述步骤2)使丝材直径降低8～14％。
3.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，其特征在于，步骤3)中，所述步骤2)的重复次数为至少2次。
4.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头制备工艺，其特征在于，步骤3)中，所述拉伸处理的预应力为30～80MPa。
5.一种形状记忆合金拉丝过程中穿模尖头，由根据权利要求1-4任一所述的制备工艺制得。
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