一種消除形狀記憶合金彈簧局部超彈性的方法

高 翾，黨富科，陳義安，羅洪艷

（1.重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400030;2.重慶醫(yī)用設(shè)備廠，重慶 400064）

0 引言

具有熱彈性馬氏體（M）相變的鈦鎳合金除具有良好的形狀記憶效應(yīng)（SME）外，還具有超彈性（SE）［1－2］。超彈性也稱為力學(xué)記憶效應(yīng)，是指處于母相（A或R相）狀態(tài)的形狀記憶合金（SMA）受到應(yīng)力作用時(shí)發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，產(chǎn)生恒應(yīng)力、大應(yīng)變的變形，當(dāng)外力去除后自發(fā)發(fā)生逆馬氏體相變、應(yīng)變恢復(fù)的特性［3］。具有形狀記憶特性和超彈性的鈦鎳合金彈簧是一種有效的主動(dòng)控制構(gòu)件，在醫(yī)療器械、建筑等工程中有廣泛的應(yīng)用前景［4］。在使用鈦鎳合金彈簧時(shí)，經(jīng)常要對(duì)其端部進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃渭庸ひ员阌诎惭b，但鈦鎳合金具有超彈性，在室溫條件下無(wú)法對(duì)形狀記憶合金彈簧的端部進(jìn)行機(jī)械加工。

研究表明，鈦鎳合金的相變和形變特性主要受合金成分［5］、加入的第三種元素［6］、熱處理工藝［7］等的影響。在不改變合金成分的前提下，熱處理溫度對(duì)鈦鎳合金的超彈性能有顯著的影響［8］。在高于其再結(jié)晶溫度下控制保溫時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)退火處理后，其超彈性變差［8－9］。因此，可采用熱處理的方式消除鈦鎳合金彈簧的局部超彈性。在應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，傳統(tǒng)局部加熱方式主要有明火加熱、電熱器加熱和高頻加熱。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，鈦鎳合金對(duì)溫度比較敏感，而明火加熱不能準(zhǔn)確控制溫度;高頻加熱時(shí)熱處理影響的面積比較大，不能僅對(duì)1～2匝彈簧進(jìn)行局部熱處理，影響彈簧整體性能。為此，作者自行設(shè)計(jì)了一套用于鈦鎳合金彈簧局部熱處理的試驗(yàn)裝置。采用電加熱的方式，選擇硅碳棒作為加熱裝置，通過(guò)控制電流大小來(lái)控制硅碳棒的溫度，將熱處理溫度控制在需要的溫度范圍，對(duì)鈦鎳合金彈簧進(jìn)行局部熱處理，并測(cè)試了鈦鎳合金彈簧局部熱處理前后硬度變化，觀察了其局部熱處理前后的顯微組織。

圖1 局部熱處理試驗(yàn)裝置Fig.1 Local heat treatment experimental device

1 局部熱處理裝置

設(shè)計(jì)的鈦鎳合金彈簧局部熱處理試驗(yàn)裝置由加熱模塊、控制模塊、彈簧固定模塊和監(jiān)測(cè)模塊組成，整體裝置如圖1所示。加熱模塊包括等直徑GD14/140/100硅碳棒和支架;控制模塊包括 SP-TBSM-14000型變壓器和宇電719P溫控器;彈簧固定模塊為自制彈簧固定裝置;監(jiān)測(cè)模塊包括K型熱電偶、PICO TC-08型數(shù)據(jù)記錄儀和PC機(jī)。

該試驗(yàn)裝置中的硅碳棒額定電壓為40 V，溫控器直接輸出電壓為0～220 V，需要用變壓器轉(zhuǎn)化為0～40 V的交流電，以滿足為硅碳棒供電的要求，利用溫控器控制硅碳棒的溫度。彈簧固定裝置的基體為鋁合金散熱片，根據(jù)彈簧外圓的大小在其表面加工若干相應(yīng)尺寸凹槽，兩側(cè)正對(duì)其端口位置分別安裝了1塊薄刀片作為擋板，高度與散熱片表面持平（見圖2）。待處理的鈦鎳合金彈簧置于固定裝置的凹形槽中，將彈簧兩端卡在固定裝置的兩片擋板上，根據(jù)加工需要，露出適當(dāng)?shù)脑褦?shù)。調(diào)整固定硅碳棒支架的高度，將硅碳棒加熱部對(duì)準(zhǔn)彈簧端部，并與彈簧端部接觸。其中一根熱電偶與溫控器連接，另外兩根熱電偶和數(shù)據(jù)記錄儀用于測(cè)量，采集目標(biāo)熱處理部位（即彈簧端部）、主體最高溫部位（即彈簧與擋板接觸處）的溫度，便于對(duì)整個(gè)裝置的熱處理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和分析。

圖2 熱處理試驗(yàn)裝置局部圖Fig.2 Localmap of heat treatment experimental device

2 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用超彈性鈦鎳合金彈簧（絲徑0.3 mm，彈簧直徑2 mm，長(zhǎng)度65 mm，匝數(shù)217），用西安賽特公司提供的絲材冷繞，在500℃的熱處理爐中保溫10 min定型獲得。根據(jù)文獻(xiàn)［8，10］報(bào)道，在600～650℃的溫度范圍內(nèi)，根據(jù)合金絲直徑的不同，控制保溫時(shí)間進(jìn)行退火處理，熱處理后形狀記憶合金絲的超彈性較差。因此，鈦鎳合金彈簧局部熱處理的溫度設(shè)置為 800，750，700，650，600 ℃，通過(guò)裝置的監(jiān)測(cè)模塊采集整個(gè)熱處理過(guò)程的溫度數(shù)據(jù)，判斷彈簧端部的實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度之間的差異。其中，在800，750，700℃三個(gè)溫度下，控制保溫時(shí)間分別為0，15，30 s，在650，600 ℃兩個(gè)溫度下，由于在30 s內(nèi)無(wú)法消除彈簧的局部超彈性，將保溫時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，控制保溫時(shí)間分別為0，15，30，60 s。試驗(yàn)中鈦鎳合金彈簧試樣的局部熱處理目標(biāo)部位均為端部1匝線圈。采用HX-1000TM型硬度儀，在4.9 N載荷下測(cè)試所有試樣局部熱處理試驗(yàn)前后的硬度。在彈簧上取金相試樣，用HF、HNO3、H2O體積比為1∶4∶5腐蝕劑腐蝕后，采用蔡司Axiovert A1型光學(xué)顯微鏡觀察局部熱處理前后的顯微組織。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 彈簧不同部位溫度的變化

由圖3可見，在局部熱處理過(guò)程中，鈦鎳合金彈簧端部、彈簧與擋板接觸處的溫度均在2～3 s內(nèi)迅速升溫達(dá)到預(yù)設(shè)值，然后保持相對(duì)穩(wěn)定。由圖4可見，彈簧端部實(shí)測(cè)溫度與預(yù)設(shè)溫度相差較小，在同一預(yù)設(shè)溫度下，其最高溫度上下浮動(dòng)小于5℃;同時(shí)，彈簧與擋板接觸處的溫度遠(yuǎn)低于端部溫度，說(shuō)明彈簧固定裝置在一定程度上起到了對(duì)彈簧主體的保護(hù)作用。

圖3 不同工藝熱處理過(guò)程中彈簧不同部位的溫度變化Fig.3 Variation of temperature for different parts of the spring in different heat treatment processes

圖4 彈簧端部、彈簧與擋板接觸處最高溫度隨保溫時(shí)間變化曲線Fig.4 Highest temperature vs holding time for the end of spring（a）and the interface of spring and baffle-board

3.2 彈簧不同部位的顯微硬度

由表1可以看到，熱處理前彈簧的平均硬度為470.02 HV;經(jīng)650℃及以下溫度熱處理后，與熱處理前的相比彈簧端部的硬度變化溫度極小，最大差異值僅為4.76 HV;而經(jīng)700℃及以上溫度熱處理后，彈簧端部硬度的降低幅度在150 HV以上，但彈簧與擋板接觸處的硬度幾乎保持不變。由于合金顯微硬度與其顯微組織、基體中合金元素的含量及析出相的分布有關(guān)［11］，因此硬度的明顯降低可作為鈦鎳合金彈簧超彈性消失的表征，說(shuō)明熱處理溫度達(dá)到700℃以上時(shí)，彈簧的超彈性在極短時(shí)間內(nèi)受到破壞，為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)果，需觀察試樣的顯微組織。

表1 彈簧熱處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 彈簧的顯微組織

由圖5可以看出，熱處理前合金的組織呈纖維狀，局部熱處理后合金端部的組織均呈等軸狀。根據(jù)文獻(xiàn)［1］報(bào)道，鈦鎳合金在拉拔過(guò)程中，晶體會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使晶體中任意取向的各晶粒取向逐漸調(diào)整至與拉拔方向一致，晶粒沿拉拔方向被拉長(zhǎng)而呈長(zhǎng)條或扁平狀，故該合金的原始組織呈纖維狀，在熱處理過(guò)程中合金組織發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶，再結(jié)晶完成后得到的細(xì)小、無(wú)畸變等軸晶粒互相吞并長(zhǎng)大，最后形成粗大且不均勻的等軸狀組織。又根據(jù)文獻(xiàn)［9］報(bào)道，合金組織呈纖維狀時(shí)，晶粒取向?qū)φT發(fā)馬氏體相變的臨界應(yīng)力的影響較小，殘余應(yīng)變較小，不會(huì)產(chǎn)生永久性形變;合金組織呈等軸狀時(shí)，母相的屈服強(qiáng)度會(huì)顯著下降，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變時(shí)，容易發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生永久性殘余應(yīng)變。由此可見，彈簧端部產(chǎn)生了塑性變形，消除了超彈性，而彈簧主體的超彈性未受局部熱處理的影響。

圖5 不同工藝處理前后彈簧端部的顯微組織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，利用電加熱的方法可以精確控制局部熱處理溫度，當(dāng)熱處理溫度達(dá)到700℃以上時(shí)，可以在極短的保溫時(shí)間內(nèi)消除彈簧的局部超彈性。在此過(guò)程中，彈簧主體最高溫度遠(yuǎn)低于端部的溫度，顯微硬度沒有發(fā)生明顯變化，并沒有影響到彈簧工作部位的超彈性。而熱處理溫度為600℃和650℃時(shí)，熱處理前后彈簧端部和主體最高溫部位的顯微硬度均未發(fā)生明顯變化，其端部的超彈性沒有發(fā)生明顯改變。

3 結(jié)論

（1）利用硅碳棒作為電加熱裝置對(duì)鈦鎳合金彈簧進(jìn)行局部熱處理的方法，可以迅速將彈簧目標(biāo)部位溫度升至預(yù)設(shè)值，并且目標(biāo)部位實(shí)測(cè)溫度與預(yù)設(shè)溫度相差較小，在同一預(yù)設(shè)溫度下，彈簧試樣目標(biāo)部位最高溫度上下浮動(dòng)小于5℃。

（2）熱處理溫度在700℃及以上溫度時(shí)，可以在不影響彈簧工作部位超彈性的前提下，在極短的時(shí)間內(nèi)消除鈦鎳合金彈簧目標(biāo)部位的超彈性。

（3）退火溫度是消除鈦鎳合金彈簧局部超彈性的主要因素，而保溫時(shí)間對(duì)消除其局超彈性影響不大。

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