摘 要：用熱型連鑄法終形制造直徑1.5 mm的CuAlNi合金絲。當鑄型溫度設定為1110 ℃時，可以拉鑄出表面光潔、具有定向凝固組織的合金絲。拉鑄速度50 mm/min時，晶粒數較少，晶界平直；拉鑄速度80 mm/min時，晶粒數較多，晶界較曲折。試樣經1000 ℃固溶處理后的一次抗拉強度達502 MPa，伸長率14.4%；熱型連鑄法制取銅基形狀記憶合金，既可免除塑性加工的困難，又可獲得定向凝固組織，提高合金性能，具有巨大的優(yōu)越性。
關鍵詞：熱型連鑄 單晶 形狀記憶合金 CuAlNi
銅基形狀記憶合金由于較好的性能和低廉的價格，是非常重要的實用記憶合金。但銅基形狀記憶合金有兩個突出的缺點：塑性較低，加工很困難；疲勞壽命低。其原因是由于銅基形狀記憶合金的各向彈性系數相差很大，如CuAlNi的彈性各向異性因子為13，而TiNi只有2。這導致合金變形時，在晶界處形成應力集中，引起晶間斷裂［1］。
熱型連鑄法是將定向凝固與連續(xù)鑄造巧妙結合起來的新工藝［2］。該工藝用加熱的鑄型代替普通連鑄中的結晶器。普通連鑄由于鑄件在結晶器壁上凝固，鑄件與器壁的摩擦力非常大。對于細小件，往往會造成拉斷。熱型連鑄法消除了鑄件與鑄型的摩擦力，因此可以鑄出細小的鑄件，實現(xiàn)終形連鑄。用這個工藝有可能直接拉鑄出所需形狀、尺寸的形狀記憶合金絲、帶，而免除塑性加工困難；同時可以獲得單晶或定向凝固組織，改善合金的性能。筆者用這一工藝已制取了直徑1～8 mm的單晶銅絲(桿)［3］以及其他合金絲［4,5］。
1 試驗過程
試驗用水平式熱型連鑄設備如圖1所示。將配好的Cu，Ni料加入石墨坩堝內熔化，并用氮氣保護。將爐溫升至1 300 ℃，以加速Ni的熔化。爐料化清后爐溫降至1 200 ℃，再加入Al，Al化清后，用脫水氯化鋅除氣、精煉。再加入適量的玻璃和硼砂覆蓋液面，以免吸氣及氧化。鑄型溫度達到1 080 ℃時，壓下液面控制棒，使液面升高，流入鑄型。開動拉拔輥，將引錠棒緩慢拉出，把鑄件帶出鑄型。同時開啟冷卻水對鑄件冷卻，實現(xiàn)連續(xù)鑄造。
圖1 熱型連鑄設備簡圖
1.熱電偶2.液面控制棒3.液面探測器4.加熱器5.鑄型6.引錠棒
7.拉拔輥 8.鑄件 9.冷卻水 10.熱電偶 11.水平流道 12.坩堝
2 試驗結果及討論
2.1 合金的化學成分
合金的化學成分(質量分數)，Al為13.57%，Ni為4.26%，余量為Cu。
2.2 具有凝固溫度范圍合金的凝固特點
純金屬具有確定的凝固溫度，因此有清晰的液、固兩相界面，即凝固界面。在固相區(qū)，金屬完全凝固，沒有液相，有較高的強度。盡管固相與型腔有摩擦力，由于固相強度較高而不易產生拉裂，但可能在鑄件表面造成拉痕。通過調整工藝參數，使凝固界面移向鑄型出口，減小鑄件與鑄型的摩擦力，就能獲得表面光潔的鑄件。
在熱型連鑄的鑄型中，鑄型的型腔內形成由型外向型內的正溫度梯度；在鑄型出口處達到固相線溫度Ts；型外則是完全凝固的鑄件，受冷卻水冷卻，溫度急劇下降。在鑄型內形成沿軸向的兩相區(qū)，如圖2中的SL1，SL2。固相的形態(tài)和比例與合金的凝固特性有關，可呈分散狀，即為糊狀凝固；也可呈枝晶狀，即為層狀凝固。固相的形態(tài)和比例直接影響兩相區(qū)的高溫強度及其與鑄型的摩擦力。固相的含量從液相區(qū)到固相區(qū)逐漸增多，鑄件與鑄型的摩擦力也逐漸增大。當摩擦力超過鑄件高溫強度，鑄件就會被拉裂。如果金屬液不能及時填充進去，該處就不能彌合而形成裂紋，即產生熱裂。兩相區(qū)的長度越大，產生熱裂的可能性就越大。
圖2 TL，TS及GL對兩相區(qū)長度的影響
從圖2可以看出，兩相區(qū)的長度除了與合金本身的性質，即TL與TS有關外，還與凝固前沿的液相溫度GL有關。當溫度為G1時，兩相區(qū)的長度為SL1。當溫度梯度為G2時，兩相區(qū)的長度為SL2。顯然，GL越大兩相區(qū)的長度越小，其鑄造性能就越接近純金屬。這一點已為錫鉛合金的測試結果所證實［4］。熱型連鑄具有凝固溫度范圍的合金時，調整工藝參數的依據和目的就在于盡可能縮短兩相區(qū)，并使其移向鑄型出口。
2.3 連鑄工藝參數的確定
CuAlNi合金具有較寬的凝固溫度范圍。用DTA差熱分析儀測定，TL=1 101 ℃,TS=1 071 ℃，凝固溫度范圍為40 ℃。在試驗中，拉鑄直徑1.5 mm的絲。將冷卻距離固定在距鑄型出口25 mm處。拉鑄速度設定為50 mm/min。逐漸提高鑄型溫度，考察鑄型溫度對拉鑄性能的影響。
拉鑄絲的表面質量與鑄型溫度有關。當鑄型溫度為1 080 ℃時，鑄件表面出現(xiàn)嚴重的鋸齒狀熱裂紋。此時的溫度在凝固溫度范圍之內。型腔內有相當長的一段是兩相區(qū)，與鑄型的摩擦力增加，導致熱裂。逐次將鑄型溫度升高5 ℃，裂紋逐漸減輕。1 100 ℃時，裂紋消失，但鑄件表面仍有縱向拉痕。這表明兩相區(qū)已大大縮短，摩擦力已減小到不足以使鑄件拉裂，但仍可以在鑄件表面劃出拉痕。1 110 ℃時，鑄件表面光潔，拉痕消失。這表明凝固區(qū)間縮短，并且向鑄型出口移動。鑄件與鑄型的摩擦力已大大減少。
將鑄型溫度固定在1 110 ℃。逐漸提高拉鑄速度，同時縮短冷卻距離，使鑄件表面保持光潔，鑄件不出現(xiàn)扭曲，實際上是保持凝固界面在一定的位置。當拉鑄速度達80 mm/min時，冷卻距離縮短到19 mm。由于設備的原因，冷卻距離不能再縮短，所以拉鑄速度只試驗到80 mm/min。進一步縮短冷卻距離還可以提高拉速。
2.4 鑄態(tài)組織
拉鑄速度50 mm/min時的鑄態(tài)組織如圖3。圖中黑色小點是γ2相，它沿凝固方向有序地排列。根據CuAlNi合金相圖［1］，在共析溫度(本試驗用DTA測定約610 ℃)以下，β相分解為α+γ2相。γ2相是脆性相。拉鑄速度越慢，鑄件的冷卻速度也越慢，析出的γ2相就越多，鑄件就越脆。拉鑄過程中發(fā)現(xiàn)：拉鑄起動階段的拉速為30 mm/min左右，所得鑄件很脆，一彎即斷。
圖3 拉鑄速度 50 mm/min時析出的γ2相 ×150
為便于觀察晶界，將試樣加熱至1 000 ℃保溫10 min后，淬入冰水中作固溶處理。γ2相消失后，可清晰顯示晶界，如圖4所示。可見拉速慢時晶粒數較少，晶界也較平直。
圖4 拉速 50 mm/min 試樣固溶處理后的組織 ×24
拉鑄速度為80 mm/min時的鑄態(tài)組織如圖5示。此時γ2相已消失，組織為單一的β相。晶界清晰可見。晶內出現(xiàn)一系列孿晶線。試樣變形次數越多，孿晶線越密。與圖4相比，由于拉速快，晶體生長速度大，晶粒較多，晶界比較曲折。鑄件柔軟，彎曲后加熱至200 ℃左右，即可伸直，已具有形狀記憶效應。此時的組織為粗大的馬氏體，見圖6所示。
圖5 拉速80 mm/min鑄態(tài)試樣的組織 ×150
圖6 加熱至200 ℃時的粗大馬氏體組織 ×24
與拉鑄純金屬相比，拉鑄合金較難獲得單晶。以拉鑄純銅為例，拉鑄直徑1.5 mm的銅絲，鑄型溫度設定為1 100 ℃，拉鑄速度高達120 mm/min，仍可獲得單晶組織［3］。而拉鑄同樣直徑的CuAlNi，鑄型溫度設定很接近，拉速僅為50 mm/min，仍存在幾個晶粒。這可能與凝固界面的穩(wěn)定性有關。在正溫度梯度下，純金屬的凝固界面是穩(wěn)定的平界面，任何超出界面的凸起都會重熔，因此不易發(fā)生枝狀生長。而合金凝固時存在溶質原子再分配及擴散的問題，容易形成成分過冷，使界面不穩(wěn)定，導致枝狀生長。為獲得單晶CuAlNi，還要對拉鑄工藝參數作進一步的研究。
2.5 力學性能
將固溶處理后的試樣作一次拉伸試驗及反復拉伸試驗。作反復拉伸試驗時，用位移控制法將應變量固定為4%。卸載后測量殘余變形，如有，則將合金絲加熱，使其回復。如此反復拉伸，直至斷裂。結果列于表1及表2。
表1 一次拉伸試驗結果
抗拉強度
MPa | 伸 長 率
% | 彈性應變
% | 塑性應變
% | 塑變后的彈性應變
% |
| 502 | 14.4 | 2 | 8 | 4.4 |
表2 反復拉伸試驗結果
| 拉力/N | 原始長度
mm | 拉伸長度
mm | 卸載后長度*
mm | 斷裂次數 |
| 150 | 100.0 | 104.0 | 100 | 706 |
*注：前26次拉伸后有殘余變形，卸載后測得的長度為101mm左右。26次拉伸后，試樣無殘余變形，卸載后長度為100 mm+0.1～0.2mm
將此結果與文獻［1］提供的數據比較。文獻中CuAlNi多晶反復變形的斷裂次數僅9次，單晶在4%應變下斷裂次數490次。而熱型連鑄絲材的斷裂次數高達706次，比單晶的提高44%。可見減少晶界確實可以有效地提高合金的性能。
3 結 論
(1) 熱型連鑄法能制造所需形狀、尺寸的形狀記憶合金絲材，解決合金加工性能差的困難，是制造形狀記憶合金非常有效的方法。
(2) 對于具有寬凝固溫度范圍的CuAlNi合金，熱型連鑄法可以獲得定向凝固組織。進一步研究合金的凝固特性并選擇合適的連鑄工藝參數，有可能獲得單晶組織。
(3) 具有定向凝固組織的合金，由于減輕了晶界對力學性能的有害影響，顯示出優(yōu)異的力學性能，抗拉強度可達502 MPa，伸長率14.4%，4%應變的反復拉伸疲勞斷裂次數高達706次，比單晶490次提高44%。
作者簡介：余業(yè)球，男，1969年出生，工程師，廣東工業(yè)大學機械系，廣州五山(510643)
作者單位：余業(yè)球(廣東工業(yè)大學)
黎沃光(廣東工業(yè)大學)
陳先朝(廣東工業(yè)大學)
王德芳(廣東工業(yè)大學)
參考文獻：
［1］舟久保.熙康編.千東范澤.形狀記憶合金.北京:機械工業(yè)出版社，1992.
［2］黎沃光.熱型連續(xù)鑄造法的原理及應用.鑄造,1996(12):39～44
［3］黎沃光,賀春華,余業(yè)球等.熱型連鑄工藝與單晶銅的制取.全國鑄造學會鑄造工藝及造型材料專業(yè)委員會編.第六屆全國鑄造工藝及造型材料學術年會論文集.洛陽，1999
［4］黎沃光,余業(yè)球,王德芳.錫鉛合金的熱型連鑄.鑄造技術,1997(5):42～44
［5］賀春華,黎沃光.熱型連鑄法制備ZLAlCu10合金的組織與性能.熱加工工藝,1999(3):16～18(en
