一种消除形状记忆合金弹簧局部超弹性的方法

2014-09-27党富科陈义安罗洪艳

机械工程材料 2014年6期

高翾，党富科，陈义安，罗洪艳

（1.重庆大学生物工程学院，重庆 400030;2.重庆医用设备厂，重庆 400064）

0 引言

具有热弹性马氏体（M）相变的钛镍合金除具有良好的形状记忆效应（SME）外，还具有超弹性（SE）［1－2］。超弹性也称为力学记忆效应，是指处于母相（A或R相）状态的形状记忆合金（SMA）受到应力作用时发生应力诱发马氏体相变，产生恒应力、大应变的变形，当外力去除后自发发生逆马氏体相变、应变恢复的特性［3］。具有形状记忆特性和超弹性的钛镍合金弹簧是一种有效的主动控制构件，在医疗器械、建筑等工程中有广泛的应用前景［4］。在使用钛镍合金弹簧时，经常要对其端部进行适当的变形加工以便于安装，但钛镍合金具有超弹性，在室温条件下无法对形状记忆合金弹簧的端部进行机械加工。

研究表明，钛镍合金的相变和形变特性主要受合金成分［5］、加入的第三种元素［6］、热处理工艺［7］等的影响。在不改变合金成分的前提下，热处理温度对钛镍合金的超弹性能有显著的影响［8］。在高于其再结晶温度下控制保温时间进行适当退火处理后，其超弹性变差［8－9］。因此，可采用热处理的方式消除钛镍合金弹簧的局部超弹性。在应用于工业生产时，传统局部加热方式主要有明火加热、电热器加热和高频加热。通过分析发现，钛镍合金对温度比较敏感，而明火加热不能准确控制温度;高频加热时热处理影响的面积比较大，不能仅对1～2匝弹簧进行局部热处理，影响弹簧整体性能。为此，作者自行设计了一套用于钛镍合金弹簧局部热处理的试验装置。采用电加热的方式，选择硅碳棒作为加热装置，通过控制电流大小来控制硅碳棒的温度，将热处理温度控制在需要的温度范围，对钛镍合金弹簧进行局部热处理，并测试了钛镍合金弹簧局部热处理前后硬度变化，观察了其局部热处理前后的显微组织。

图1 局部热处理试验装置Fig.1 Local heat treatment experimental device

1 局部热处理装置

设计的钛镍合金弹簧局部热处理试验装置由加热模块、控制模块、弹簧固定模块和监测模块组成，整体装置如图1所示。加热模块包括等直径GD14/140/100硅碳棒和支架;控制模块包括 SP-TBSM-14000型变压器和宇电719P温控器;弹簧固定模块为自制弹簧固定装置;监测模块包括K型热电偶、PICO TC-08型数据记录仪和PC机。

该试验装置中的硅碳棒额定电压为40 V，温控器直接输出电压为0～220 V，需要用变压器转化为0～40 V的交流电，以满足为硅碳棒供电的要求，利用温控器控制硅碳棒的温度。弹簧固定装置的基体为铝合金散热片，根据弹簧外圆的大小在其表面加工若干相应尺寸凹槽，两侧正对其端口位置分别安装了1块薄刀片作为挡板，高度与散热片表面持平（见图2）。待处理的钛镍合金弹簧置于固定装置的凹形槽中，将弹簧两端卡在固定装置的两片挡板上，根据加工需要，露出适当的匝数。调整固定硅碳棒支架的高度，将硅碳棒加热部对准弹簧端部，并与弹簧端部接触。其中一根热电偶与温控器连接，另外两根热电偶和数据记录仪用于测量，采集目标热处理部位（即弹簧端部）、主体最高温部位（即弹簧与挡板接触处）的温度，便于对整个装置的热处理过程进行监控和分析。

图2 热处理试验装置局部图Fig.2 Localmap of heat treatment experimental device

2 试样制备与试验方法

试验用超弹性钛镍合金弹簧（丝径0.3 mm，弹簧直径2 mm，长度65 mm，匝数217），用西安赛特公司提供的丝材冷绕，在500℃的热处理炉中保温10 min定型获得。根据文献［8，10］报道，在600～650℃的温度范围内，根据合金丝直径的不同，控制保温时间进行退火处理，热处理后形状记忆合金丝的超弹性较差。因此，钛镍合金弹簧局部热处理的温度设置为 800，750，700，650，600 ℃，通过装置的监测模块采集整个热处理过程的温度数据，判断弹簧端部的实测温度与设定温度之间的差异。其中，在800，750，700℃三个温度下，控制保温时间分别为0，15，30 s，在650，600 ℃两个温度下，由于在30 s内无法消除弹簧的局部超弹性，将保温时间适当延长，控制保温时间分别为0，15，30，60 s。试验中钛镍合金弹簧试样的局部热处理目标部位均为端部1匝线圈。采用HX-1000TM型硬度仪，在4.9 N载荷下测试所有试样局部热处理试验前后的硬度。在弹簧上取金相试样，用HF、HNO3、H2O体积比为1∶4∶5腐蚀剂腐蚀后，采用蔡司Axiovert A1型光学显微镜观察局部热处理前后的显微组织。

3 试验结果与讨论

3.1 弹簧不同部位温度的变化

由图3可见，在局部热处理过程中，钛镍合金弹簧端部、弹簧与挡板接触处的温度均在2～3 s内迅速升温达到预设值，然后保持相对稳定。由图4可见，弹簧端部实测温度与预设温度相差较小，在同一预设温度下，其最高温度上下浮动小于5℃;同时，弹簧与挡板接触处的温度远低于端部温度，说明弹簧固定装置在一定程度上起到了对弹簧主体的保护作用。

图3 不同工艺热处理过程中弹簧不同部位的温度变化Fig.3 Variation of temperature for different parts of the spring in different heat treatment processes

图4 弹簧端部、弹簧与挡板接触处最高温度随保温时间变化曲线Fig.4 Highest temperature vs holding time for the end of spring（a）and the interface of spring and baffle-board

3.2 弹簧不同部位的显微硬度

由表1可以看到，热处理前弹簧的平均硬度为470.02 HV;经650℃及以下温度热处理后，与热处理前的相比弹簧端部的硬度变化温度极小，最大差异值仅为4.76 HV;而经700℃及以上温度热处理后，弹簧端部硬度的降低幅度在150 HV以上，但弹簧与挡板接触处的硬度几乎保持不变。由于合金显微硬度与其显微组织、基体中合金元素的含量及析出相的分布有关［11］，因此硬度的明显降低可作为钛镍合金弹簧超弹性消失的表征，说明热处理温度达到700℃以上时，弹簧的超弹性在极短时间内受到破坏，为了进一步验证这一结果，需观察试样的显微组织。

表1 弹簧热处理前后不同部位的硬度Tab.1 Hardnesses of different parts of the spring before and after heat treatment HV

3.3 弹簧的显微组织

由图5可以看出，热处理前合金的组织呈纤维状，局部热处理后合金端部的组织均呈等轴状。根据文献［1］报道，钛镍合金在拉拔过程中，晶体会发生转动，使晶体中任意取向的各晶粒取向逐渐调整至与拉拔方向一致，晶粒沿拉拔方向被拉长而呈长条或扁平状，故该合金的原始组织呈纤维状，在热处理过程中合金组织发生了回复与再结晶，再结晶完成后得到的细小、无畸变等轴晶粒互相吞并长大，最后形成粗大且不均匀的等轴状组织。又根据文献［9］报道，合金组织呈纤维状时，晶粒取向对诱发马氏体相变的临界应力的影响较小，残余应变较小，不会产生永久性形变;合金组织呈等轴状时，母相的屈服强度会显著下降，应力诱发马氏体相变时，容易发生塑性变形，产生永久性残余应变。由此可见，弹簧端部产生了塑性变形，消除了超弹性，而弹簧主体的超弹性未受局部热处理的影响。

图5 不同工艺处理前后弹簧端部的显微组织Fig.5 Microstructure of the spring end before and after different heat treatments:（a）before heat treatment;（b）after 800℃×0 s heat treatment;（c）750℃×15 s heat treatment and（d）700℃×30 s heat treatment

研究表明，利用电加热的方法可以精确控制局部热处理温度，当热处理温度达到700℃以上时，可以在极短的保温时间内消除弹簧的局部超弹性。在此过程中，弹簧主体最高温度远低于端部的温度，显微硬度没有发生明显变化，并没有影响到弹簧工作部位的超弹性。而热处理温度为600℃和650℃时，热处理前后弹簧端部和主体最高温部位的显微硬度均未发生明显变化，其端部的超弹性没有发生明显改变。