專利名稱：一種具有電阻疲勞累積性能的精密電阻合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由銅、鎳、錳、鐵等元素制成的具有電阻疲勞累積性能的銅鎳系精 密電阻合金。技術(shù)背景
國外1966年出現(xiàn)了報道疲勞壽命計的研究的文章，立即引起了極大的關(guān)注。 Darrell R.Harting在文中重點介紹了電阻隨疲勞歷程自動累積——這一疲勞壽命計的固有 特性。Darrell KHarting通過大量的實驗，測定了疲勞壽命計的電阻累積性能曲線，并得 到了電阻累積響應(yīng)與疲勞次數(shù)、疲勞應(yīng)變幅之間的函數(shù)關(guān)系(如式1所示)。AD
，= K(sr-s())Nh(1)RAD
式中；——疲勞壽命計的電阻變化率；K
K、h——常數(shù)；
ε r——疲勞應(yīng)變幅值；
ε 0—使得疲勞壽命計的電阻率發(fā)生變化的應(yīng)變門檻值，在它以下的應(yīng)變的作 用不會使電阻改變；
N——循環(huán)次數(shù)。
1972 年，Robert.S.Horne 和 Oscar.L.Freyre 的研究顯示Cu_Ni 合金箔材在 450 550°C左右退火時，起初合金中溶質(zhì)原子的排列金相平衡是隨機分布的，當以一定速度退 火至200°C時，合金中便有Ni原子積聚體形成，當合金成分中Ni元素在30 70%之間 增加時，將會使所形成的Ni原子集聚體增大，合金材料的電阻值下降。但是在交變應(yīng)變 作用時，由于冷作硬化等作用，使Ni原子集聚體不斷分解，Ni原子集聚體的分解增大了 合金材料的電阻率，使合金材料的電阻值增加。這個增加的電阻值在溫度低于150°C下不 會消失，這就是Cu-Ni合金的電阻累積現(xiàn)象。
美國波音公司首先研制成功S-N疲勞壽命計并應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)的疲勞監(jiān) 測，1976年美國微測量公司曾在其產(chǎn)品目錄中出現(xiàn)過S-N疲勞壽命計的介紹，但是對于 疲勞壽命計中的關(guān)鍵技術(shù)極端保密，能見到的也只是一頁紙類似于產(chǎn)品介紹的東西。
在我們國內(nèi)，上世紀80年代后期，由南京航空航天大學、6 所、上海有色金 屬研究所、航天工業(yè)部702所等單位合作研制了箔式疲勞壽命計，由于此種傳感器主要 應(yīng)用于國內(nèi)軍事、航空航天等敏感領(lǐng)域，其合金組分、熔煉方法、壓力加工工藝和熱處 理制度等完整制備過程無從知曉。
國外疲勞壽命計應(yīng)用的康銅材料的最佳成分為43% Ni-55% Cu、2% Mn及少量 的C、Si、Co等，國內(nèi)開發(fā)的航空航天疲勞壽命計的合金成分約為43% Cu，55% Ni, 2% Mn以及少量C、S、Si。
總之，現(xiàn)有的疲勞壽命傳感元件是考慮專用于航空航天領(lǐng)域特定的使用對象， 而該對象在結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)造形式、工作特性上與橋梁結(jié)構(gòu)存在顯著差異。目前土木工程領(lǐng)域的疲勞壽命計應(yīng)用研究尚處于初級階段，大部分工作集中在對現(xiàn)有疲勞壽命計的電 阻變化性能測試、討論用電阻變化特性表征結(jié)構(gòu)疲勞累積方法的研究。因此，研制一種 新型的、基于橋梁疲勞壽命計的、適用于橋梁關(guān)鍵構(gòu)件疲勞累積損傷監(jiān)測的技術(shù)與裝備 具有重大理論價值與實踐意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種組分配比合理、加工制造容易、適用于制備橋梁疲勞 壽命計敏感柵、具有電阻疲勞累積功能的精密電阻合金及其制備方法。
本發(fā)明一種具有電阻疲勞累積性能的精密電阻合金，各組分的重量百分比為 43% Ni, 1.8% Mn, 0.1% Fe, 0.3% Si,余量為 Cu。
本發(fā)明一種具有電阻疲勞累積性能的精密電阻合金的制備方法，包括下述步 驟
第一步材料、設(shè)備前處理
熔煉前，將Ni，Mn, Fe，Si，Cu用30% HCl水溶液清洗后，再用10% HCl水溶液清洗，待用；將坩堝在900 1000°C烘焙1 1.5小時，去除坩堝中吸附的氣體及水 分；
第二步熔煉
將Cu、Ni加入坩堝中，置于真空爐中，抽真空至5X10—2 5X10—3托，以18 22°C /分鐘的速度加熱至1350 1420°C，保溫20 30分鐘，得到Cu、Ni合金熔體；
第三步精煉
將真空爐的真空度抽至5X10—3托以上，并盡可能保持較高水平，以18 22°C/ 分鐘的加熱速度將第二步所得Cu、Ni合金熔體加熱至1550 1600°C，保溫20 30分 鐘后以5 10°C /分鐘的速度降溫至1420 1450°C，此時，向Cu、Ni合金熔體中加入 Fe, Si，攪拌并保溫10 20分鐘后，繼續(xù)攪拌并在氬氣保護氣氛下加入Mn ；
第四步澆鑄
將第三步精煉后的Ni，Mn, Fe，Si，Cu合金熔體在1370 1420°C澆注到鋼制 錠模中，自然冷卻，即得到本發(fā)明具有電阻疲勞累積性能的精密電阻合金。
本發(fā)明的合金主要由銅鎳合金及其它微量元素構(gòu)成。其中，鎳原子以桿狀和片 狀的集聚形態(tài)存在于基體中，由高電導(dǎo)率的銅元素構(gòu)成低阻抗特性。當交變應(yīng)變作用 后，位錯通過集聚體并使其分離，元素排列的變化使電阻率上升，產(chǎn)生不可恢復(fù)的電阻 累積。特別是采用Ni含量為43%的Cu-Ni系合金作為主要成分，并加入其它微量元素， 例如有利于Ni原子集聚體生成的Fe元素的加入，使本發(fā)明具有較大的電阻累積量和較低 電阻累積應(yīng)變門檻值；其次是能使Cu-Ni合金的電阻溫度系數(shù)產(chǎn)生劇烈變化的過渡族金 屬Mn、Co和能顯著影響Cu-Ni合金的電阻溫度系數(shù)的Si的加入，使本發(fā)明的電阻溫度 系數(shù)較小，從而受外界溫度的影響較??；能顯著細化Cu-Ni合金晶粒的&元素的加入， Mn和Si還能提高合金的耐熱性，因Mn可改善冶煉過程中的脫氧、脫硫效果，而別對細 化晶粒，使合金組織均勻有明顯作用，這些使本發(fā)明具有較優(yōu)異的疲勞壽命。同時，由 于本發(fā)明采用材料、設(shè)備前處理后進行真空熔煉及超高真空精煉，攪拌并在保護氣氛下 加入錳元素，可以有效保證合金成分的均勻化；嚴格控制澆鑄溫度，可以減少或杜絕鑄件中心縮孔、拉裂、內(nèi)部疏松表面質(zhì)量缺陷的發(fā)生。本發(fā)明制備的合金具有以下優(yōu)點
1、具有高的電阻累積能力。
2、具有高的電阻率P，且電阻分散率小。
3、電阻溫度系數(shù)α絕對值小且可調(diào)，可調(diào)幅度較大。橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)成材料林 林總總，其材料特性各不相同，通過調(diào)整精密合金電阻溫度系數(shù)α，可制作出適用不同 橋梁材料、具有溫度自補償功能的疲勞壽命計。
4、疲勞強度和彈性應(yīng)變極限大。
5、耐腐蝕，抗氧化性能好。
6、焊接性能好，易熔焊和電焊；引線的熱電勢小。
7、加工性能好，易于制成箔材。
綜上所述，本發(fā)明組分配比合理、加工制造容易、適用于制備橋梁疲勞壽命計 敏感柵、具有電阻疲勞累積功能，適于工業(yè)化生產(chǎn)，可作為橋梁關(guān)鍵構(gòu)件疲勞壽命檢測 用疲勞壽命計的傳感器元件材料。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式
，對本發(fā)明做進一步詳細說明。
實施例1
制備組分的重量百分比為43%Ni，1.8% Mn, 0.1% Fe, 0.3% Si,余量為Cu的具有電阻疲勞累積性能的精密電阻合金
(1)材料設(shè)備前處理
在熔煉之前，將Ni，Mn, Fe，Si，Cu用30% HCl水溶液清洗，再用10% HCl水溶液清洗。坩堝在1000°c下烘焙一小時，以去除坩堝中吸附的氣體及水分。
(2)裝料
坩堝烘焙后，應(yīng)盡快裝料。如果時間拖長，坩堝吸氣增多。有時感應(yīng)圈、爐殼 等水冷表面甚至會出現(xiàn)水蒸氣凝結(jié)，從而延長抽空時間，也就是延長了冶煉時間，而且 溫度降低，對坩堝壽命不利。
爐料的料塊應(yīng)符合尺寸要求，才能保證合理布料。裝料時，Cu、Ni —次性加 入坩堝中，并做到“下緊上松”，“梯形裝料”，即坩堝底盡量裝的緊密，上部要裝松 些，這樣可以防止爐料“架橋”現(xiàn)象發(fā)生。其它微量元素如Fe等裝在加料器中等精煉期 加入。蒸氣壓很大的元素Mn，為保證其回收，裝入加料器中，在出料前不久通入氬氣， 在氬氣保護的條件下加入。
(3)熔化
加熱前先將爐體抽真空至5X10—3，以消除由于真空系統(tǒng)、坩堝表面和爐料所殘 留的氣體對冶煉過程的影響。
以18 22°C/分鐘的速度加熱至1350 1420°C，保溫20 30分鐘，得到Cu、 Ni合金熔體；
熔化期開始，熔池很淺，新的金屬液面不斷裸露在真空下，非常有利于氣體、 有害雜質(zhì)和非金屬雜質(zhì)的排除。此時，嚴格控制加熱速度及保溫溫度，可以保證爐料充 分預(yù)熱而不使其局部過熱，爐料能充分去氣而不產(chǎn)生噴濺。熔煉期溫度應(yīng)維持在1350 1420如果熔化期溫度過高，熔化速度過快，由于熔料中氣體未充分排除干凈，在熔 化過程中會造成合金液的大量噴濺。而且熔化期去氣不徹底，則精煉期真空度較低，影 響精密合金的精煉效果。
(4)精煉
將真空爐的真空度抽至5X10—3托以上，并盡可能保持較高水平，以18 22°C/ 分鐘的加熱速度將第二步所得Cu、Ni合金熔體加熱至1550 1600°C，保溫20 30分 鐘后以5 10°C /分鐘的速度降溫至1420 1450°C，此時，向Cu、Ni合金熔體中加入 Fe, Si，攪拌并保溫10 20分鐘后，繼續(xù)攪拌并在氬氣保護氣氛下加入Mn ；
具有電阻疲勞累積性能的精密電阻合金在精煉期完成脫氣、去除有害雜質(zhì)，進 一步凈化合金、調(diào)整合金成分并使之均勻化即完成合金化過程。
精煉期溫度、真空度及在真空下保持時間是該合金真空熔煉最重要的兩個參 數(shù)。精煉期，精密合金采用短時高溫(1550 1600°C)、高真空精煉法。盡可能把真空 度保持在較高水平，真空度的的提高，有利于熔池內(nèi)反應(yīng)、氣體和雜質(zhì)的去除。
精煉末期降低爐內(nèi)溫度至1420 1450°C，將加料盒中微量元素Fe、Si加入。。 加料速度應(yīng)當均勻緩慢，以免造成噴濺。加完后，應(yīng)當進行一定時間的攪拌，以加速其 熔解和使之分布均勻。
Mn屬于高溫下易揮發(fā)元素。在熔煉條件下，Mn具有很高的蒸氣壓，在真空爐 內(nèi)，Mn急劇地自熔液中揮發(fā)溢出。為避免Mn的揮發(fā)對精密合金化學成分的影響，在精 煉末期，向爐內(nèi)通入氬氣，在氬氣的保護下將Mn加入。加入后攪拌，使合金液體的溫 度和成分進一步均勻化。
(5)出料澆注
精煉結(jié)束后，將熔煉好的精密合金澆注到鋼制錠模中。錠模的內(nèi)外表面都應(yīng)清 潔無銹，每次使用前應(yīng)清刷干凈，澆注漏斗應(yīng)對準澆道中心，嚴防澆注過程中發(fā)生跑鋼 事故。澆注溫度維持在1370 1420°C，溫度過高極易沖模，使合金報廢，并產(chǎn)生嚴重的 中心縮孔和拉裂現(xiàn)象，注溫過低會使合金內(nèi)部疏松嚴重，合金錠表面質(zhì)量不良。
權(quán)利要求
1.一種具有電阻疲勞累積性能的精密電阻合金，各組分的重量百分比為43% Ni， 1.8% Mn, 0.1% Fe, 0.3% Si,余量為 Cu。
2.制備如權(quán)利要求1所述一種具有電阻疲勞累積性能的精密電阻合金的方法，包括下 述步驟第一步材料、設(shè)備前處理熔煉前，將Ni，Mn, Fe，Si，Cu用30% HCl水溶液清洗后，再用10% HCl水溶液清洗，待用；將坩堝在900 1000°C烘焙1 1.5小時，去除坩堝中吸附的氣體及水分；第二步熔煉將Cu、Ni加入坩堝中，置于真空爐中，抽真空至5X10_2 5X10_3托，以18 22°C /分鐘的速度加熱至1350 1420°C，保溫20 30分鐘，得到Cu、Ni合金熔體； 第三步精煉將真空爐的真空度抽至5X 10_3托以上，以18 22°C V /分鐘的加熱速度將第二步 所得Cu、Ni合金熔體加熱至1550 1600°C，保溫20 30分鐘后以18 22°C /分鐘的 速度降溫至1420 1450°C，此時，向Cu、Ni合金熔體中加入Fe，Si，攪拌并保溫10 20分鐘后，繼續(xù)攪拌并在氬氣保護氣氛下加入Mn ； 第四步澆鑄將第三步精煉后的Ni，Mn, Fe, Si，Cu合金熔體在1370 1420°C澆注到鋼制錠模 中，自然冷卻，即得到本發(fā)明具有電阻疲勞累積性能的精密電阻合金。
全文摘要
一種具有電阻疲勞累積性能的精密電阻合金，由43％Ni，1.8％Mn，0.1％Fe，0.3％Si，余量為Cu組成。其制備方法是，熔煉前，將各組份材料用HCl水溶液清洗；將坩堝高溫烘焙；然后，將Cu、Ni加入坩堝中，于1350～1420℃真空熔煉后，得Cu、Ni合金熔體；再在1550～1600℃精煉后，降溫至1420～1450℃，向Cu、Ni合金熔體中加入Fe，Si，并在氬氣保護氣氛下加入Mn；最后，澆注到鋼制錠模中，自然冷卻，即得到本發(fā)明具有電阻疲勞累積性能的精密電阻合金。本發(fā)明組分配比合理、加工制造容易、適用于制備橋梁疲勞壽命計敏感柵、具有電阻疲勞累積功能，適于工業(yè)化生產(chǎn)，可作為橋梁等大型建筑物疲勞壽命檢測用疲勞壽命計的傳感器元件材料。
文檔編號C22C9/06GK102021360SQ20101061253
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者任偉新, 肖丹 申請人:中南大學