一种具有弹热效应的镍钛合金螺旋弹簧的制备方法技术

一种具有弹热效应的镍钛合金螺旋弹簧的制备方法，属于弹簧的技术领域。本发明专利技术针对目前缺乏具有高弹热性能的镍钛合金弹簧制备技术的问题。本发明专利技术方法：一、将镍钛合金铸锭热挤压成棒材；二、然后拉拔成纤维；三、将纤维紧密缠绕在不锈钢材质的芯棒上，密封于石英管中；四、然后加热至1000℃‑1120℃，保温2h‑5h，快速降温，取出，在450℃‑500℃，保温0.5h‑1h，空冷，取出芯棒，得到弹簧体；五、对弹簧体施加载荷，再卸载到零应力；六、重复步骤五的操作至少29次，即得到所述的镍钛合金螺旋弹簧。本发明专利技术弹簧可作为结构和功能一体化元件，广泛应用于感温驱动元件、阻尼减震、蓄能材料、生物医用等工程领域。

A Method of Preparing Nickel-Titanium Alloy Spiral Springs with Elasto-thermal Effect

The invention relates to a preparation method of nickel-titanium alloy helical spring with elastic-thermal effect, belonging to the technical field of spring. The invention aims at the problem of lacking the preparation technology of nickel-titanium alloy spring with high elastic-thermal performance at present. The method of the invention comprises the following steps: 1. extruding nickel-titanium alloy ingots into bars by hot extrusion; 2. drawing into fibers; 3. wrapping the fibers tightly around stainless steel mandrels and sealing them in quartz tubes; 4. heating them to 1000 1120, holding them for 2h 5;5h, quickly cooling them out, holding them at 450 500 C, holding them for 0.5h_1;1;1h, air-cooling them and taking out the mandrels to obtain spring bodies; The spring body is loaded and then unloaded to zero stress. Sixth, the nickel-titanium alloy helical spring is obtained by repeating the operation of step 5 at least 29 times. The spring of the invention can be used as an integrated component of structure and function, and is widely used in engineering fields such as temperature sensing driving element, damping and shock absorption, energy storage material, biomedical, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种具有弹热效应的镍钛合金螺旋弹簧的制备方法
本专利技术属于弹簧的
；具体涉及一种具有弹热效应的镍钛合金螺旋弹簧的制备方法。
技术介绍
当前制冷设备广泛采用气体压缩方式制冷。而固体制冷是利用材料在应力场、磁场或电场等外场作用下的热效应来制冷的。与传统气体压缩制冷技术相比，固体制冷具有能源转化效率高、器件体积小以及环境友好等优点。利用形状记忆合金在快速施加或去除外力、磁场或电场时，马氏体相变过程产生的绝热温度变化，可以制成高效制冷设备。镍钛合金具有力学性能优良、性能稳定、与环境(包括生物组织)相容性好等优点，已成为应用最广泛的记忆合金之一。另外镍钛合金应用于制冷领域时，熵变大、工作温度范围宽且循环稳定性好，是目前重点开发的固体制冷材料之一，受到广泛重视。镍钛合金的弹热性能是指在快速卸载过程中合金温度降低、对周围环境产生制冷作用的能力。温度降低幅度、制冷温度窗口、制冷能力稳定性以及材料与循环介质热交换能力等是优化弹热性能需要考虑的问题，从材料的显微组织和相变过程优化方法研究较多，但结构优化方面的工作还很少。比如为了提高材料与循环介质换热能力，需要减小材料尺寸，比如制备成颗粒或丝材，但颗粒和丝材难以直接用于制冷设备。
技术实现思路
本专利技术针对目前缺乏具有高弹热性能的镍钛合金弹簧制备技术的问题，提供了一种具有弹热效应的镍钛合金螺旋弹簧的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术中一种具有弹热效应的镍钛合金螺旋弹簧的制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、将镍钛合金铸锭热挤压成棒材；步骤二、然后将棒材拉拔成纤维；步骤三、将步骤二处理后的纤维紧密缠绕在陶瓷芯棒上，密封于石英管中；步骤四、然后加热至1000℃-1120℃，保温2h-5h，快速降温，取出芯棒及缠绕在芯棒上的纤维，在450℃-500℃，保温0.5h-1h，空冷，将弹簧从芯棒上取出得到弹簧体；步骤五、对弹簧体施加载荷，再卸载到零应力；步骤六、重复步骤五的操作至少29次，即得到所述的镍钛合金螺旋弹簧。进一步地限定，步骤一所述镍钛合金铸锭是以纯镍和纯钛为原料，采用电弧熔炼真空吸铸法制成直径为30mm-100mm、长度60mm-100mm的圆柱形的铸锭，铸锭中镍含量为50％-50.5％(原子百分比)。进一步地限定，步骤一所述热挤压是通过下述步骤完成的：步骤①、铸锭表面用酒精清洗后干燥处理，然后涂覆0.5mm～1mm厚的玻璃润滑剂，所述玻璃润滑剂的使用温度为900℃-1100℃且玻璃固体物质粉末的粒度<5μm，涂覆后放入140℃-150℃的通风烘干箱中烘干0.5小时；步骤②、将石墨粉与润滑油按体积比1:1搅拌均匀，然后涂覆在挤压套筒内表面和挤压模具锥模内表面，在挤压套筒外放置圆环电阻炉，将挤压套筒、挤压模具锥模加热到500-600℃后保温0.5～1h；步骤③、将步骤①处理后的铸锭放入电阻炉中预热，以20～30℃/分钟的加热速率，加热至1050～1150℃，保温0.5～1h；步骤④、将步骤③预热后的铸锭放入挤压套筒中按挤压比为(9～16):1和挤压速率为15～25mm/s进行热挤压，铸锭从电阻炉中取出到完成挤压时间要小于10s，再用砂纸打磨(去除表面的玻璃润滑剂)，得到表面光滑无裂纹的棒材。在将镍钛合金铸锭加工成合金棒过程中，挤压前的高温处理促使合金成分均匀化，挤压后可获得细小等轴组织，提高了合金的塑性和韧性，保证在后续室温拉拔加工过程中不易断裂；通过在铸锭外表面涂覆高温玻璃润滑剂、在模具内表面涂覆石墨油剂，降低了材料与模具在挤压过程中的摩擦力，既保证了棒材光滑的表面状态，又减小了模具的损伤，提高了模具使用寿命，并且成本低。进一步地限定，步骤一所述棒材直径为5.2mm-15mm。进一步地限定，步骤二中，棒材的直径5.2≤d<15mm时，拉拔速度控制在2-5mm/s；棒材的直径为2.7≤d<5.2mm时，拉拔速度控制在5-10mm/s；棒材的直径为0.05≤d<2.7mm时，拉拔速度控制在10-20mm/s；待累积变形量达到40％～50％、90％～100％、140％～150％、190％～200％、240％～250％、290％～300％、350％～360％、450％～460％、530％～540％、610％～620％、680％～690％、760％～770％、820％～830％、900％～910％、950％～960％、1030％～1040或1110％～1120％时，退火后空冷；其中，所述退火温度为450-550℃，退火时间为10-30min。所述拉拔是将棒材一端加工到稍小于拉拔模具内孔尺寸后从内孔穿过，将棒材全部拉拔出模具后棒材直径与拉拔模具的内径一致，采用系列内径不断减小的拉拔模具，可以将大直径棒材制备成小直径纤维。进一步地限定，步骤二所述纤维的直径为0.05-0.35mm。进一步地限定，步骤三所述芯棒的直径Ф＝0.5mm-5.0mm，芯棒用于缠绕镍钛合金纤维，缠绕过程中纤维在芯棒轴向排列紧密。采用一根纤维紧密缠绕可得到螺距与纤维直径一致的弹簧，采用两根及多根纤维紧密缠绕，然后将每一根纤维对应的弹簧分开，可以得到不同螺距的弹簧，缠绕后将纤维两端固定在陶瓷棒上。进一步地限定，步骤四中快速降温是将石英管取出后迅速将石英管的一端放入室温下的水中并将其底部夹碎，促使水在真空作用下迅速吸入石英管内，使管内缠绕在芯棒表面的纤维快速降温到室温水的温度。步骤四镍钛合金纤维1000℃-1120℃，保温2h-5h高温处理后，晶粒生长到与纤维直径相同，沿纤维轴线方向排列成竹节晶粒形态。这种竹节晶粒有利于减小相变阻力、相变滞后，增大超弹性平台应变量。450℃-500℃，保温0.5h-1h低温时效处理后，生成弥散细小的析出相，提高了纤维的屈服强度、超弹性循环稳定性和弹热性能稳定性。进一步地限定，步骤五中载荷为30MPa-70MPa，加载速率为0.6MPa/s-1.0MPa/s，使弹簧伸长量达到120％-300％，再以加载速率相同的速率将弹簧体卸载到零应力，经过该超弹性训练处理后，弹簧体具有更好的超弹性循环稳定性和弹热性能稳定性。进一步地限定，步骤六中重复步骤五的操作29～49次。本专利技术方法先室温拉拔制备镍钛合金微米纤维，然后将纤维绕制成弹簧，最后进行高温晶粒长大热处理和低温时效热处理以及超弹性训练，获得具有良好弹热性能的镍钛弹簧。与镍钛合金块体材料相比，镍钛弹簧弹热制冷过程中，需要的外加应力小、产生的温度变化大；具有很大的比表面积、有利于热量传输；工作过程所受的剪切力更容易诱发马氏体相变；此外，本专利技术弹簧可作为结构和功能一体化元件，广泛应用于感温驱动元件、阻尼减震、蓄能材料、生物医用等工程领域。本专利技术提出将镍钛合金微米直径的丝材制备成弹簧，既保持丝材大的比表面积、又可直接应用于制冷设备。本专利技术方法将微米纤维绕制成弹簧，绕制力小、制造成本低廉、适用于批量生产；本专利技术获得的微米纤维直径小、表面积与体积比值大，有利于与周围介质热交换；本专利技术方法获得的弹簧中的纤维晶粒呈竹节状，晶界对马氏体相变的制约小、相变滞后小；本专利技术可制造不同间距的弹簧，作为弹热构件，可在拉伸和压缩载荷下工作；经本专利技术方法训练后的弹簧超弹性与弹热性能稳定性好，可长期使用。附图说明图1为室温拉拔后直径0.3m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有弹热效应的镍钛合金螺旋弹簧的制备方法，其特征在于所述制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、将镍钛合金铸锭热挤压成棒材；步骤二、然后将棒材拉拔成纤维；步骤三、将步骤二处理后的纤维紧密缠绕在不锈钢材质的芯棒上，密封于石英管中；步骤四、然后加热至1000℃‑1120℃，保温2h‑5h，快速降温，取出芯棒及缠绕在芯棒上的纤维，在450℃‑500℃，保温0.5h‑1h，空冷，将弹簧从芯棒上取出得到弹簧体；步骤五、对弹簧体施加载荷，再卸载到零应力；步骤六、重复步骤五的操作至少29次，即得到所述的镍钛合金螺旋弹簧。

【技术特征摘要】
1.一种具有弹热效应的镍钛合金螺旋弹簧的制备方法，其特征在于所述制备方法是按下述步骤进行的：步骤一、将镍钛合金铸锭热挤压成棒材；步骤二、然后将棒材拉拔成纤维；步骤三、将步骤二处理后的纤维紧密缠绕在不锈钢材质的芯棒上，密封于石英管中；步骤四、然后加热至1000℃-1120℃，保温2h-5h，快速降温，取出芯棒及缠绕在芯棒上的纤维，在450℃-500℃，保温0.5h-1h，空冷，将弹簧从芯棒上取出得到弹簧体；步骤五、对弹簧体施加载荷，再卸载到零应力；步骤六、重复步骤五的操作至少29次，即得到所述的镍钛合金螺旋弹簧。2.根据权利要求1所述一种具有弹热效应的镍钛合金螺旋弹簧的制备方法，其特征在于步骤一所述镍钛合金铸锭是以镍含量50％-50.5％(原子百分比)的Ti-Ni合金为原料，采用电弧熔炼真空吸铸法制成直径为30mm-100mm、长度60mm-100mm的圆柱形的铸锭。3.根据权利要求2所述一种具有弹热效应的镍钛合金螺旋弹簧的制备方法，其特征在于步骤一所述热挤压是通过下述步骤完成的：步骤①、铸锭表面用酒精清洗后干燥处理，然后涂覆0.5mm～1mm厚的玻璃润滑剂，所述玻璃润滑剂的使用温度为900℃-1100℃且玻璃固体物质粉末的粒度<5μm，涂覆后放入140℃-150℃的通风烘干箱中烘干0.5小时；步骤②、将石墨粉与润滑油按体积比1:1搅拌均匀，然后涂覆在挤压套筒内表面和挤压模具锥模内表面，在挤压套筒外放置圆环电阻炉，将挤压套筒、挤压模具锥模加热到500-600℃后保温0.5～1h；步骤③、将步骤①处理后的铸锭放入电阻炉中预热，以20～30℃/分钟的加热速率，加热至1050～1150℃，保温0.5～1h；步骤④、将步骤③预热后的铸锭放入挤压套筒中按挤压比为(9～16):1和挤压速率为15～25mm/s进行热挤压，再用砂纸打磨(去除表面的玻璃润滑剂)，得到表面光滑无裂纹的棒材；铸锭从电阻炉中取出到完成挤压时间要小于10s。4.根据权利要求1、2或3所述一种具有弹热效应的镍钛合金螺旋弹簧的制备方法，其特征在于步骤一所述棒材直径为5.2mm-15mm。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冠华，
申请(专利权)人：张冠华，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23