專利名稱：一種高錳鐵基形狀記憶合金的制作方法
技術領域：
本發明屬于記憶合金領域，特指一種高錳鐵基形狀記憶合金。
背景技術：
鐵基形狀記憶合金是繼鎳鈦形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金之后開發的第3代形狀記憶合金材料。相對于Ni-Ti基與Cu基記憶合金，Fe基形狀記憶合金以其原料成本低廉、易于加工制造、便于常溫貯運、力學性能優異等特點，已在石油、機械、化工等行業得到廣泛應用，成為目前的研究熱點。鐵基形狀記憶合金主要包括Fe-Mn-Co-Ti系、Fe-Pt系、Fe-Pd系、Fe-Mn-Si系、Fe-Ni-C系。其中Fe-Mn-Si系合金有較好的形狀記憶效應和良好的加工性能被認為最有前途。Fe-Mn-Si系合金近十年來的研究,雖已取得顯著進展,研制出多種成分的合金，可以用于管接頭等一次性形狀記憶零件，但仍是一種不夠成熟的材料。近年來研究結果發現此類合金能達到的完全回復應變均小于2% (回復率大于90%)。若預應變大于2%，隨預應變量增大，回復后殘留應變率增大，普遍存在著形狀記憶不完全性。所以目前的主要目標，仍是合金成分的優化設計，盡可能提高形狀記憶回復率。本發明旨在通過研究合金成分對鐵基形狀記憶合金的影響而指導其在生產方面的應用。本發明開發出一種聞猛鐵基形狀記憶合金。
發明內容
本發明開發出一種高錳鐵基形狀記憶合金，其特征為Mn 25wt%, Si 3 5wt%，Ni 5wt%, C O. lwt%，復合稀土添加劑O. 4 1.0 wt%，其余為Fe。復合稀土添加劑成分為Ce 18 27wt%、Tb 8 14wt%、Y 4 8wt%、Pr 3 6wt%、La + Sc + Eu +Gd + Nd+Ho +Er +Tm +Lu為10 20wt%，Zr 2 6wt%、Ti 2 5wt%，余為鐵。合金配制后在中頻感應電爐中進行熔化，當合金液溫度達到156(Tl580°C時，保溫靜置3 4分鐘，當合金液溫度為153(Tl550°C時，扒渣后澆注成Φ80Χ150πιπι的鑄錠。將澆注好的鑄錠，放入箱式電阻爐中進行退火，目的是消除在鑄造冷卻過程中由于各處冷卻條件不均造成的內應力，避免在后續的熱加工過程中開裂，退火溫度為1080°C 1120°C，時間為24h，退火后進行鑄件的鍛打，鍛打溫度為100(Γ800 ，鍛打成IOmmX 80mmX 90mm，然后將進行線切割，切割成ImmX IOmmX 90mm的試樣。將切割好的試樣采用彎曲變形法測定其形狀記憶回復率，得到如圖I所示的結果。合金元素Mn在鋼中的作用是使Y區擴展，與Y-Fe形成無限固溶體，與α-Fe形成有限固溶體。當錳含量達到25%時，合金組織中有少量的堆疊層錯和ε馬氏體存在，這些堆疊層錯和ε馬氏體片可以作為應力誘發馬氏體相變的形核中心，省卻了層錯堆疊這一步驟，外加應力起的作用是使已經存在的堆疊層錯和ε馬氏體的生長，所以只需要很小的應力就能產生相當多的應力誘發ε馬氏體。而且，由于預存ε馬氏體和層錯是分散分布的，他們之間的碰撞很少，在不產生交割的情況下生長的可能性相當大。所以應力誘發馬氏體的逆轉變ε — Y更加容易和徹底。因此合金具有良好的形狀記憶回復率。
元素Si在鐵基形狀記憶合金中起著重要作用，這是因為，元素Si的多少直接關系到該系合金的層錯能的大小。眾所周知，鐵基形狀記憶合金是低層錯能合金，把存在晶體內部的層錯缺陷作為應力誘發馬氏體相變形核的中心，是形狀記憶效應的前提，所以層錯能越低，誘發相變所需的應力就越小，形狀記憶回復率也就越好。圖I為高錳鐵基形狀記憶合金中含Si量分別為3%、4%、5%的3#、4#、24#合金在不同的應變量下的形狀記憶回復率。從圖I可以看出隨Si量的增加，合金形狀記憶回復率明顯提高。另外，還要考慮Si對Fe-Mn-Si-Ni-C機械性能的影響，Fe-Mn-Si-Ni-C形狀記憶合金在Si含量不高于5%時，塑性很好，在鍛打以后無任何缺陷，超過這一界限，在鍛打過程中合金會出現裂紋，且隨Si含量的增加而明顯惡化。在含5. 5%Si的合金中，有鑄錠出現裂紋，并深入鍛打后形成的薄板中央15mm處，這主要是由于Si含量的提高， 在合金中產生Fe3Si金屬間化合物，加工性能急劇惡化，限制了其開發應用。Si能提高母相奧氏體的屈服強度，同時強烈降低奧氏體的層錯能，在Fe-Mn-Si-Ni-C形狀記憶合金中考慮其綜合性能，Si含量應該控制在3°/Γ5%之間。本發明中，化學元素Ni的含量不變，保持在5%。這主要考慮到Ni元素的加入有利于合金的加工性能。Ni元素對合金記憶效應的影響與Mn類似，也是擴展Y奧氏體區的元素,使Ms下降。Ni含量為5%時，記憶性能最好，此時誘發Y — ε相變所需的應力最小。由于本發明采用的是低碳鋼做原料，在普通感應爐中進行非真空熔煉，所以在配料過程中采用的是普通低碳鋼，熔煉后的鐵基形狀記憶合金含O. 10%左右的碳，這是因為含O. 10 Wt %(的合金形狀記憶回復率最好。可見Fe-Mn-Si-Ni-C合金的碳含量有一個臨界點，當碳含量小于此臨界值的時候，形狀記憶回復率隨含碳量的增加而增加，高于此臨界值時形狀記憶回復率將變小。加入復合稀土添加劑對合金的形狀記憶回復率來說有顯著的提高。基體的強化使得初始變形時的永久不可恢復滑移減小，這有利于提高形狀記憶回復率。加入復合稀土添加劑后合金的層錯幾率比沒有加入復合稀土添加劑的合金大得多，在應變誘發馬氏體過程中有更多的形核中心和更小的應變驅動力，所以更易形成可回復的馬氏體。
圖I含Si量分別為3%、4%、5%的合金在不同的應變量下的形狀記憶回復率。
具體實施例方式實施例I :
配制合金Mn 25wt%, Si 3wt%, Ni 5wt%, C O. 10wt%，復合稀土添加劑O. 6wt%，其余為Fe。合金配制后在中頻感應電爐中進行熔化，當合金液溫度達到156(T158(TC時，保溫靜置3 4分鐘，當合金液溫度為153(Tl550°C時，扒渣后澆注成Φ80 X 150mm的鑄錠。將澆注好的鑄錠，放入箱式電阻爐中進行退火，目的是消除在鑄造冷卻過程中由于各處冷卻條件不均造成的內應力，避免在后續的熱加工過程中開裂，退火溫度為1080°C 1120°C，時間為24h，退火后進行鑄件的鍛打，鍛打溫度為100(Γ800 ，鍛打成IOmmX80mmX90mm，然后將進行線切割，切割成ImmX IOmmX90mm的試樣。將切割好的試樣采用彎曲變形法測定其形狀記憶效應，如圖I所示，從圖I看出，形狀記憶回復率為55°/Γ45%之間。
實施例2:
配制合金 Mn 25wt%, Si 4wt%, Ni 5wt%, C O. 10wt%,復合稀土添加劑 O. 6wt%,其余為Fe。將澆注好的鑄錠，放入箱式電阻爐中進行退火，目的是消除在鑄造冷卻過程中由于各處冷卻條件不均造成的內應力，避免在后續的熱加工過程中開裂，退火溫度為10800C 1120°C，時間為24h，退火后進行鑄件的鍛打，鍛打溫度為100(Γ800 ，鍛打成IOmmX 80mmX 90mm,然后將進行線切害I],切割成ImmX IOmmX 90mm的試樣。將切割好的試樣采用彎曲變形法測定其形狀記憶效應，如圖I所示，從圖I看出，形狀記憶回復率為669Γ55%之間。實施例3:
配制合金Mn 25wt%, Si 5wt%, Ni 5wt%, C O. 10wt%，復合稀土添加劑O. 6wt%，其余為Fe。合金配制后在中頻感應電爐中進行熔化，當合金液溫度達到156(T158(TC時，保溫靜置3 4分鐘，當合金液溫度為153(Tl550°C時，扒渣后澆注成Φ80 X 150mm的鑄錠。將澆注好的鑄錠，放入箱式電阻爐中進行退火，目的是消除在鑄造冷卻過程中由于各處冷卻條件不均 造成的內應力，避免在后續的熱加工過程中開裂，退火溫度為1080°C 1120°C，時間為24h，退火后進行鑄件的鍛打，鍛打溫度為100(Γ800 ，鍛打成IOmmX80mmX90mm，然后將進行線切割，切割成ImmX IOmmX90mm的試樣。將切割好的試樣采用彎曲變形法測定其形狀記憶效應，如圖I所示，從圖I看出，形狀記憶回復率為67°/Γ55%之間。
權利要求
1.一種高錳鐵基形狀記憶合金，其特征為Mn 25wt%, Si 3 5wt%，Ni 5wt%, C O. lwt%,復合稀土添加劑0. Γ1.0 wt%，其余為Fe ;復合稀土添加劑成分為Ce 18 27wt%、Tb8 14wt%、Y 4 8wt%、Pr 3 6wt%、La + Sc + Eu +Gd + Nd +Ho +Er +Tm +Lu 為 10 20wt%, Zr 2 6wt%、Ti 2 5wt%，余為鐵；合金配制后在中頻感應電爐中進行熔化，當合金液溫度達到156(Tl580°C時，保溫靜置3 4分鐘，當合金液溫度為153(Tl550°C時，扒渣后澆注成Φ80Χ150πιπι的鑄錠；將澆注好的鑄錠，放入箱式電阻爐中進行退火，目的是消除在鑄造冷卻過程中由于各處冷卻條件不均造成的內應力，避免在后續的熱加工過程中開裂，退火溫度為1080°C 1120°C，時間為24h，退火后進行鑄件的鍛打，鍛打溫度為100(Γ800 ，鍛打成IOmmX 80mmX 90mm,然后將進行線切割,切割成ImmX IOmmX 90mm的試樣；將切割好的試樣采用彎曲變形法測定其形狀記憶回復率。
2.根據權利要求I所述一種高錳鐵基形狀記憶合金，Mn25wt%, Si 5wt%, Ni 5wt%, C，0.10wt%,復合稀土添加劑O. 6 wt%，其余為Fe，應變量為3%時，合金的形狀記憶回復率最高，形狀記憶回復率為67%。
全文摘要
一種高錳鐵基形狀記憶合金，屬于記憶合金領域。其特征為Mn25wt%，Si3~5wt%，Ni5wt%，C0.1wt%，復合稀土添加劑0.4~1.0wt%，其余為Fe。合金配制后在中頻感應電爐中進行熔化，當合金液溫度為1530~1550℃時，扒渣后澆注成Φ80×150mm的鑄錠。將澆注好的鑄錠，放入箱式電阻爐中進行退火，退火溫度為1080℃~1120℃，時間為24h，退火后進行鑄件的鍛打，鍛打溫度為1000~800℃，鍛打成10mm×80mm×90mm，然后將進行線切割，切割成1mm×10mm×90mm的試樣。將切割好的試樣采用彎曲變形法測定其形狀記憶回復率。
文檔編號C22C38/08GK102796951SQ201210331068
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者李曉薇, 劉光磊, 張志敏, 司松海, 趙羅根 申請人:鎮江憶諾唯記憶合金有限公司