專利名稱：具有反常記憶效應(yīng)鈦鎳彈簧及制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有反常記憶效應(yīng)這種新性能的鈦鎳合金彈簧及制備方法。
形狀記憶合金是七十年代以來開發(fā)的一種新型功能材料，目前已在航天、醫(yī)療及日常生活用品等各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中鈦鎳合金是開發(fā)最成熟的記憶合金材料，鈦鎳合金彈簧是使用最廣泛的一種記憶合金元件。
形狀記憶合金是熱彈性馬氏體材料。鈦鎳記憶合金其高溫母相是奧氏體相，低溫為馬氏體相，相變過程受力和溫度的制約。在不受外力的自由狀態(tài)，對鈦鎳合金加熱升溫，在記為Aa的溫度奧氏體開始出現(xiàn)，隨溫度繼續(xù)升高，馬氏體所占體積越來越少，奧氏體越來越多，至馬氏體相全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相的溫度，通常記為Af。相反，從高溫降溫過程中，在馬氏體開始出現(xiàn)的溫度為Ma，隨溫度不斷降低，奧氏體體積越來越少，馬氏體越來越多，在奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度，通常記為Mf。
形狀記憶合金可以顯示超彈性和形狀記憶效應(yīng)，這里的記憶效應(yīng)是指單向記憶效應(yīng)。如對伸長彈簧受熱升溫到Af以上(不受外力)，彈簧可回復(fù)其在高溫母相的軸向長度，即使降低溫度彈簧長度也不改變。
人們還制備了具有雙向記憶效應(yīng)的鈦鎳彈簧，即當(dāng)彈簧升溫至Af以上，彈簧回復(fù)其在母相的長度，當(dāng)彈簧降溫至Mf以下時(shí)，又可自發(fā)地不需用外力便自動縮短其軸向長度，即隨著升溫、降溫，可分別顯示其在奧氏體和馬氏體態(tài)的不同長度。
本發(fā)明目的在于，提供一種具有完全不同于上述記憶效應(yīng)的反常記憶效應(yīng)的鈦鎳彈簧及其制備方法。
本發(fā)明所稱″反常記憶效應(yīng)″是指當(dāng)鈦鎳彈簧升溫至Af以上時(shí)，彈簧回復(fù)其在高溫奧氏體相的軸向長度，當(dāng)彈簧降溫至Mf溫度以下時(shí)，彈簧的長度并不象具有單向記憶效應(yīng)那樣不變，也不是象具有雙向記憶效應(yīng)那樣自發(fā)地縮短，而是反常地自發(fā)地伸長，這種反常地伸長，在液氮溫度77K時(shí)也能觀察到。這種反常的記憶效應(yīng)行為迄今為止國內(nèi)外未見報(bào)導(dǎo)。
本發(fā)明方法用相對伸長改變ε(％)表征鈦鎳彈簧的記憶效應(yīng)ε＝(Lo-LN)/Lo其中Lo是在Af溫度以上彈簧熱回復(fù)后的長度，LN是在低于Mf溫度的彈簧長度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，在鈦鎳彈簧的雙向和反常記憶效應(yīng)中，Lo沒有發(fā)現(xiàn)改變，據(jù)上述公式可得出ε＝0表示鈦鎳彈簧具有單向記憶效應(yīng)；ε＞0表示彈簧具有雙向記憶效應(yīng)；ε＜0表示彈簧具有反常記憶效應(yīng)。
下面詳細(xì)敘述本發(fā)明方法。
1.設(shè)計(jì)彈簧參數(shù)，加工彈簧模彈簧的參數(shù)主要有(1)彈性系數(shù)D/d，其中D為彈簧平均圈徑大小，d為鈦鎳線徑。
(2)彈簧工作圈數(shù)和總?cè)?shù)。
(3)彈簧節(jié)距大小。
據(jù)此加工彈簧模。
2.熱處理將鈦鎳(TiNi)絲材繞到彈簧模上，兩端固定在彈簧模上，然后進(jìn)行熱處理，對富鎳的鈦鎳合金線，其組成范圍為Ti-(50-52)at％Ni首先固溶處理，700℃--850℃，保溫0.5-2小時(shí)，接著室溫水淬或空冷；再進(jìn)行時(shí)效處理在350℃-600℃，保溫0.5-2小時(shí)，接著室溫水淬或空冷。
3.訓(xùn)練處理將鈦鎳(TiNi)彈簧從彈簧模上取下，把鈦鎳彈簧放入高于Af的熱水中，待彈簧完全熱回復(fù)后，在鈦鎳彈簧兩端用力沿軸向壓縮鈦鎳彈簧至最短，保持其壓縮狀態(tài)，把鈦鎳彈簧移入低于Mf溫度的冷水中。待彈簧完全變軟時(shí)把外力撤除，將鈦鎳彈簧再次放入溫度高于Af的熱水中，彈簧完全熱回復(fù)伸長后在彈簧兩端用力沿軸向壓縮至最短，保持其最短狀態(tài)，移入低于Mf溫度的冷水中，如此循環(huán)訓(xùn)練20-30次，便可得到具有反常記憶行為的鈦鎳彈簧。
反常記憶效應(yīng)給形狀記憶合金相變理論提出了新課題，將對材料科學(xué)理論的發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。本發(fā)明具有反常記憶效應(yīng)的鈦鎳彈簧及其制備，將拓寬形狀記憶合金的應(yīng)用范圍，在工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域都將有廣闊的應(yīng)用前景。
實(shí)施例所用鈦鎳線的名義化學(xué)組成為Ti-50.86at％Ni，線徑φ0.7毫米。
彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)彈性系數(shù)D/d＝10；工作圈數(shù)是5，總?cè)?shù)是7，彈簧節(jié)距5毫米，據(jù)此制做模具，再進(jìn)行固溶處理700℃，保溫1小時(shí)后空冷，時(shí)效處理500℃，保溫1小時(shí)后爐冷至350℃空冷。
經(jīng)上述熱處理后的鈦鎳彈簧已初步具有反常記憶行為ε＝-8％，再進(jìn)行訓(xùn)練處理把鈦鎳彈簧放入高于Af溫度的熱水中，在鈦鎳彈簧兩端用力沿軸向壓縮鈦鎳彈簧至最短，保持其壓縮狀態(tài)，并將其放入低于Mf溫度的冷水中，如此反復(fù)訓(xùn)練15次后，鈦鎳彈簧的反常記憶效應(yīng)ε＝-33％。
權(quán)利要求
1.一種具有反常記憶效應(yīng)鈦鎳彈簧的制備方法，其特征在于a.加工彈簧模根據(jù)彈性系數(shù)，鈦鎳彈簧平均圈徑大小，鈦鎳線徑，鈦鎳彈簧的工作圈數(shù)，總?cè)?shù)，以及彈簧節(jié)距；b.熱處理是將鈦鎳線纏繞到彈簧模上，將鈦鎳線的兩端固定，對富鎳的鈦鎳合金線Ti-(50-52)at％Ni，先固溶處理，700℃-850℃，保溫0.5-2小時(shí)，接著室溫水淬或空冷；再進(jìn)行時(shí)效處理，350℃-600℃，保溫0.5-2小時(shí)，接著室溫水淬或空冷；c.訓(xùn)練處理是將鈦鎳彈簧從彈簧模上取下放入高于Af溫度的熱水中，待彈簧完全熱回復(fù)后，在鈦鎳彈簧兩端用力沿軸向壓縮彈簧至最短，保持其壓縮狀態(tài)，將其移入低于Mf溫度的冷水中，至彈簧完全變軟撤除外力，反復(fù)訓(xùn)練20-30次，便獲得具有反常記憶效應(yīng)的鈦鎳彈簧。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于制備名義化學(xué)組成為Ti-50.86at％Ni，根據(jù)線徑中φ0.7毫米，設(shè)計(jì)彈簧參數(shù)彈性系數(shù)D/d＝10，工作圈數(shù)5，總?cè)?shù)7，彈簧節(jié)距5毫米，制作模具，再將鈦鎳線繞在模具上，進(jìn)行固溶處理，700℃，保溫1小時(shí)后空冷，再進(jìn)行時(shí)效處理，500℃，保溫1小時(shí)后爐冷至350℃，再空冷，此時(shí)的鈦鎳彈簧已具有反常記憶行為，ε＝-8％，對其再進(jìn)行訓(xùn)練，將其放入高于Af溫度的熱水中，在其兩端用力沿軸向壓縮至最短，保持其壓縮狀態(tài)，將其放入低于Mf溫度的冷水中，如此反復(fù)訓(xùn)練15次，即得到鈦鎳彈簧的反常記憶效應(yīng)ε＝-33％
3.如權(quán)利要求1、2方法制備的鈦鎳彈簧，其特征在于，當(dāng)鈦鎳彈簧升溫至Af以上時(shí)，彈簧回復(fù)在高溫奧氏體相的軸向長度，當(dāng)鈦鎳彈簧降溫至Mf溫度以下時(shí)，彈簧的長度反而自動地伸長。
全文摘要
本發(fā)明方法涉及具有反常記憶效應(yīng)這種新性能的鈦鎳合金彈簧及制備方法,先設(shè)計(jì)彈簧參數(shù),加工彈簧模,將鈦鎳線繞到模具上,對其進(jìn)行固容處理和時(shí)效處理,再對其進(jìn)行訓(xùn)練處理,反復(fù)訓(xùn)練20—30次,即得到具有反常記憶行為的鈦鎳彈簧。本發(fā)明方法制備的有反常記憶效應(yīng)的彈簧,給形狀記憶合金相變理論提出了新課題,也拓寬了形狀記憶合金的應(yīng)用范圍,制備的反常記憶彈簧有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號F16F1/06GK1170834SQ9611702
公開日1998年1月21日 申請日期1996年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月16日
發(fā)明者顏世春 申請人:中國科學(xué)院固體物理研究所