Cu基形状记忆合金多股热型连铸工艺与设备的研究

摘要

近年来，形状记忆合金因为其优良的力学性能、形状记忆效应、超弹性和阻尼等特性，应用范围越来越广。其中Cu基记忆合金由于其生产成本低，加工性能较好等特点越来越受关注，有在工业上扩大生产应用的巨大潜力。最近通过热型连铸法已能制备具有定向凝固单晶或柱状晶组织的形状记忆合金丝材。用这种新型工艺可以终型铸造出所需形状尺寸且具有光滑无缺陷表面的合金丝材，而且所制造出的丝材具有接近单晶的力学性能。但目前对于Cu基形状记忆合金，仅限于试验室的单股水平连铸试验，设备简陋，工艺控制较困难，生产效率非常低。本课题以单股水平热型连铸工艺为基础，通过研究Cu基形状记忆合金多股水平热型连铸工艺的特点，研究开发一整套适应工业化生产的水平多股热型连铸设备及工艺控制系统，并对其进行装配调试。 控制固-液界面的位置是热型连铸成功的关键。热型连铸中冷却距离、铸型温度、连铸速度共同决定了固液界面的位置。另外拉铸的平稳性会影响超弹性合金丝的表面质量；熔液压头影响合金丝的直径大小和拉铸的连续性。通过计算并根据生产实际确定并协调调整铸型温度、连铸速度、压头大小、冷却位置。 合金经熔炉熔化后加入保温炉并通过温度探测和控制系统保温。保温坩锅的容积应能保证熔液温度的稳定及生产的可连续性。铸型并排开有10个型孔，并通过绕成方形的感应线圈加热。熔液的压头由浮子液位探测和电机．螺杆自动控制系统控制。 冷却托丝机构用于冷却高温熔体以形成单向高温度梯度而实现定向凝固。同时也可以起到承托作用而增加拉丝的平稳性。每股丝冷却水的位置能够灵活调节。 拉铸牵引方式、速度、运动的平稳等都直接影响热型连铸件的质量，牵引机通过同步皮带和齿轮传动，能对各股丝的拉速实现低速无级调节，运动过程平稳。通过编码器加PLC控制装置测量各股拉速。 在Cu-A1-Be拉铸调试试验中拉出的产品外表较为平直光滑，没有明显的竹节状缺陷，具有非常好的超弹性、冷加工性能和耐疲劳性能，可见只要掌控好工艺参数，完全能拉出满意的形状记忆合金。 但在调试中也发现一些问题：感应炉容易过流；拉拔牵引机齿轮存在轻微跳动；一股泄漏时会影响其它股的正常拉铸；皮带容易磨损，调节张紧轮麻烦，更换皮带困难；人工浇料操作较麻烦。有待进一步的调试与改进，相信该设备能促进记忆合金工业化生产的早日实现，最终为社会创造可观的经济效益。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2记忆合金简介

1.3记忆合金应用概述

1.4铜基形状记忆合金概述

1.5热型连铸工艺

1.5.1热型连铸技术的原理

1.5.2热型连铸的应用

1.5.3热型连铸件的性能

1.5.4热型连铸在现代制造技术中的优势

1.6热型连铸装置

1.6.1熔炼部分

1.6.2液面控制部分

1.6.3测温系统

1.6.4氮气保护系统

1.6.5导流部分

1.6.6铸型部分

1.6.7引锭部分

1.6.8冷却部分

1.7课题的提出及本文的研究内容

1.7.1目前连铸中存在的问题

1.7.2本课题的研究内容

第二章多股热型连铸工艺的研究

2.1热型连铸主要影响因素

2.1.1温度场对固液界面的影响

2.1.2拉铸速度对热型连铸的影响

2.1.3拉铸平稳性对热型连铸的影响

2.1.4冷却距离、温度梯度和两相区位置的关系

2.1.5熔液压头对热型连铸的影响

2.1.6冷却水流对多股热型连铸的影响

2.2多股热型连铸工艺的总体方案

2.3多股热型连铸工艺参数的设定

2.3.1凝固前沿固液界面位置的确定

2.3.2保温炉温度、铸型温度的确定

2.3.3拉铸速度的确定

2.3.4液态金属压头的确定

2.3.5冷却水位置及冷却水流量的确定

第三章加热炉装置及其控制系统的研究与设计

3.1熔炉与保温炉在多股连铸中的功能及工艺要求

3.2加热炉装置及其控制系统的设计方案

3.3高频感应加热设备

3.4熔炉与保温炉

3.5铸型部分

3.6坩锅与金属液的防氧化

3.7温度控制系统

3.8液位控制系统

3.8.1液位控制方式

3.8.2液位控制系统结构设计

3.8.3液位控制棒速度的计算

第四章冷却托丝装置的设计

4.1冷却系统在多股连铸中的重要作用

4.2冷却装置结构的设计要求

4.3装置的结构设计

4.3.1底座升降调节部分

4.3.2中间调位装置

4.3.3托丝冷却机构

第五章拉丝牵引机的设计

5.1牵引机在多股连铸工艺中的设计要求

5.2拉丝牵引装置的设计

5.3电机传动系统

5.3.1带减速箱调速电机

5.4同步皮带轮和齿轮传动

5.5双辊牵引

5.6压紧装置

5.7测速装置

5.7.1测速传感器原理及选择

5.7.2测速系统的设计

5.7.3测速装置调试

第六章多股热型连铸设备调试结果及分析

6.1总装置设备实物图

6.2热型连铸10股Cu-Al-Be形状记忆合金丝试验

6.3调试结果分析

6.3.1连铸出的产品质量

6.3.2试验中发现的问题

6.4应用前景及展望

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢