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TiNi 形状记忆合金真空感应熔炼工艺的研究王建淦，牛中杰，毛江虹，曹继敏，杨宏进，杨华斌(西安赛特金属材料开发有 TiNi 形状记忆合金真空感应熔炼工艺的研究 王建淦，牛中杰，毛江虹，曹继敏，杨宏进，杨华斌 (西安赛特金属材料开发有限公司，陕西 西安 710016) 摘 要：采用真空感应加石墨坩埚的熔炼工艺，研究熔炼时间、坩埚内径和铸锭质量对 TiNi 合金的化学成分均匀性和 杂质 C、O 含量的影响。结果表明：杂质含量随熔炼时间和熔液比接触反应面积（A/V 比）的增加而增加，其中对 C 含 量的影响程度远大于对 O 含量的影响；同等条件下，A/V 之比与坩埚内径、铸锭质量有密切的关系。10~20 kg 铸锭采 用 10 min+15 min 的熔炼时间和内径为 160 mm 的坩埚能够熔炼出杂质量较低、成分均匀的合金。 关键词：TiNi；熔炼工艺；真空感应；形状记忆合金 中图法分类号：TG139 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2011)06-1115-05 形状记忆合金拥有众多诸如超弹性、力学特性、 记忆效应、生物兼容性和耐蚀性等优异的性能，而这 些优良的性能都强烈依赖于铸锭的好坏，比如，杂质 C 会影响合金的记忆性能和相变温度，杂质 O 会强烈 恶化合金的力学和加工性能。目前应用最广泛的近等 原子比 TiNi 记忆合金对化学成分非常敏感，成分控制 不好将最终影响产品的整体稳定性[1,2]。因此，如何获 得优质的铸锭是国内亟待解决的问题。 对上述要求最为严格的当属医用记忆合金，其化 学成分和 C、O 含量必须符合 ASTM F 2063-05 标准， 其中 C、O 含量都必须控制在 0.05%（质量分数，下 同）的范围内[3]。工业使用的真空感应炉能够很好的 控制化学成分的均匀性，研究人员利用真空感应熔炼 来控制杂质已做了不少工作，主要有坩埚的选择、渗 C 反应的理论分析等[4-8]。本实验将使用中频真空感应 炉+石墨坩埚来熔炼合金，通过调整熔炼工艺和坩埚尺 寸，研究 C、O 杂质含量的可控性和化学成分的均匀性。 熔化时间与精炼时间（见表 1）。根据感应炉的装炉量， 按照设定的工艺分别熔炼 5，15 和 20 kg 的铸锭。此 外，为了考察坩埚内径对杂质含量的影响，根据感应 线圈的固定尺寸分别使用内径为 140，160 的 180 mm 的石墨坩埚进行熔炼。浇注完毕后，从铸锭冒口、中 段、尾段分别取样，按照相关标准进行 Ni、C、O 等 元素的化学成分分析[4]。由于冒口是杂质聚集偏析之 处，因此，C、O 含量值为中段和尾段成分分析结果 的平均值。 2 结 果 2.1 熔炼时间对 C、O 杂质含量的影响 使用石墨坩埚真空感应熔炼 TiNi 记忆合金时，在 熔炼过程中不可避免地会混入 C 和 O 等杂质元素，这 就需要严格控制熔炼时间和设备功率等工艺参数。其 中熔炼时间包括熔化时间和精炼时间，在本试验中熔 化期最高温度控制在 1600~1700 ℃，精炼期温度控制 在 1350~1450 ℃。表 1 为在不同的熔炼时间下的 C、 O 含量值。由表 1 可见，熔炼时间越长，C、O 含量 值越大，主要体现在精炼时间的不同。图 1 为精炼时 间对 C、O 含量的影响，从图中可看到随着精炼时间 的增长，C、O 含量不断升高，其中 C 含量的增加幅 度大于 O 的增加幅度，在 20 min 的精炼时间 C 含量 就已超出 0.05%标准范围；而 O 含量虽略有升高，但 仍在标准 ωO0.05%的范围之内。从铸锭各部分 Ni 含 量的分析可知，1# 铸锭的化学成分均匀性较差，将 1 实 验 采用中频感应炉+石墨坩埚熔炼 TiNi 近等原子比 合金，本试验所有铸锭的名义配料成分相同，其中 Ni 的质量分数均为 55.67%。工业生产使用的中频感应炉 的真空度为 1×10-2 Pa，熔炼过程中使用惰性气体氩气 作为保护气氛，石墨坩埚内径为 160 mm，试验铸锭熔 炼之前用相同成分的母合金对坩埚进行洗锅；每次装 炉量均为 10 kg，熔炼期间严格按照设定的工艺来控制 收稿日期：2010-06-23 基金项目：陕西省重大科技创新项目(2005ZKC(二)03-01) 作者简介：王建淦，男，1985 年生，硕士，助理工程师，西安赛特金属材料开发有限公司，陕西 西安 710016，电话：0298832， HYPERLINK mailto:jegonwon@ E-mail: jegonwon@ ·1116·稀有金属材料与工程第 40 卷表 1 不同熔炼时间下的 Ni、C、O 含量值Table 1 Contents of Ni, C and O at different smelting ti