CN101463445B - 一种NiCoMnSn高温形状记忆合金及其制备方法 - Google Patents

一种NiCoMnSn高温形状记忆合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种NiCoMnSn高温形状记忆合金及其制备方法。按照Ni43Co7Mn50-XSnX的原子百分比称取Ni、Co和Sn，其中X＝7～10；将第一步中称取的Ni、Co、Mn和Sn原料放入非自耗真空电弧炉内，抽取真空使得背底真空度达到2×10-2～5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成NiCoMnSn钮扣状铸锭；利用真空吸铸装置制备直径10mm的棒状铸锭，得到Ni43Co7Mn50-XSnX高温形状记忆合金。本发明制备NiCoMnSn合金马氏体相变温度在120～300℃，原料合金元素相对低廉，制备方法简单，成分均匀，无需后续热处理。形状记忆效应最大可达3.8％，热循环稳定性高，是一种具有应用前景的新型高温形状记忆合金。

Description

一种NiCoMnSn高温形状记忆合金及其制备方法
(一)技术领域
本发明涉及一种形状记忆合金，本发明也涉及一种形状记忆合金的制备方法。具体地说是一种NiCoMnSn形状记忆合金及其制备方法。
(二)背景技术
变磁性形状记忆合金(Metamagnetic shape memory alloys)是近年来在铁磁性形状记忆合金基础上发展起来的一种新型记忆材料，它通过在外磁场的作用下发生反铁磁性的马氏体向铁磁性的母相转变从而产生大的可逆应变，不仅具有快的响应速度和较大的可逆应变量，而且还克服了NiMnGa等铁磁性形状记忆合金输出驱动力小的缺点，从而使得变磁性形状记忆合金既可用作温度和磁场传感器，也有望在驱动器领域得到广泛应用。目前，变磁性形状记忆材料主要包括NiMnIn、NiCoMnIn和NiCoMnSn等，前两者的磁场诱发形状记忆效应较好，但是其中包含的In属于贵重金属，使得成本较高。而关于NiCoMnSn合金系虽有一些相关报道，但是马氏体相变温度都不超过100℃，限制了这种合金在高温领域的潜在应用。比如，2006年日本的R.Kainuma等人在Applied Physics Letters上发表的文章“Metamagnetic shape memory effect in a Heusler-typeNi43Co7Mn39Sn11polycrystalline alloy”中研究了化学式为Ni43Co7Mn39Sn11的合金，在7特斯拉的外加磁场下产生大约1％的磁场诱发形状记忆效应，但是该合金的马氏体相变温度只有40℃左右。此外，R.Kainuma在熔炼完这种合金后还需要经过真空条件下720小时的长时间均匀化热处理，才能最终获得成分均匀，性能满足要求的样品，导致制备工艺复杂，同时成本进一步提高。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种原料相对低廉，制备方法简单，成分均匀，热循环稳定性高，具有应用前景的一种NiCoMnSn高温形状记忆合金及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的NiCoMnSn高温形状记忆合金的学式为Ni43Co7Mn50-XSnX，其中X＝7～10。其具体组分为Ni43Co7Mn41Sn9或者Ni43Co7Mn43Sn7。
本发明的NiCoMnSn高温形状记忆合金的制备方法为：
(1)按照Ni43Co7Mn50-XSnX的原子百分比称取纯度为99.9％的镍(Ni)、纯度为99.9％的钴(Co)、纯度为99.9％的锰(Mn)和纯度为99.9％的锡(Sn)，其中X＝7～10；
(2)将第一步中称取的Ni、Co、Mn和Sn原料放入非自耗真空电弧炉内，抽取真空使得背底真空度达到2×10-2～5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成NiCoMnSn钮扣状铸锭；
(3)利用真空吸铸装置制备直径10mm的棒状铸锭，得到镍钴锰锡高温形状记忆合金。
本发明的镍钴锰锡高温形状记忆合金，其马氏体相变温度在120～300℃；室温下屈服强度540MPa～650MPa，压缩变形率为12～16％，形状记忆效应最大可达3.8％。
本发明的优点在于所制备的高温形状记忆合金由NiCoMnSn四种合金元素组成，这几种合金元素相对低廉，通过改变Mn和Sn含量可以使马氏体相变温度在较大范围内进行调整，制备方法简单，成分均匀。与日本的R.Kainuma等人所采用技术相比，马氏体相变温度大大提高，无需后续热处理，制备成本低，形状记忆效应最大可达3.8％，热循环稳定性高，是一种具有应用前景的新型高温形状记忆合金。
(四)附图说明
图1为Ni43Co7Mn41Sn9合金的DSC曲线图。
图2为Ni43Co7Mn43Sn7合金的DSC曲线图。
图3是Ni43Co7Mn41Sn9合金室温下的压缩应力-应变曲线图。
图4是Ni43Co7Mn41Sn9合金室温下的压缩实验结果曲线图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
本发明的镍钴锰锡高温形状记忆合金，其化学式为Ni43Co7Mn50-XSnX，其中X＝7～10。
本发明的镍钴锰锡高温形状记忆合金制备方法和具体步骤如下：
(1)按照Ni43Co7Mn50-XSnX的原子百分比称取纯度为99.9％的镍(Ni)、纯度为99.9％的钴(Co)、纯度为99.9％的锰(Mn)和纯度为99.9％的锡(Sn)，其中X＝7～10；
(2)将第一步中称取的镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)和锡(Sn)原料放入非自耗真空电弧炉内，抽取真空使得背底真空度达到2×10-2～5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成NiCoMnSn钮扣状铸锭；
(3)利用真空吸铸装置制备直径10mm的棒状铸锭，得到镍钴锰锡高温形状记忆合金。
采用电火花切割方法，在上述制得的镍钴锰锡高温形状记忆合金中切取尺寸为2×2×3的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹，在Perkin-Elmer Diamond DSC上测试其相变行为；在上述制得的镍钴锰锡高温形状记忆合金中切取尺寸为4×4×6的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹，作为力学测试样品，在Instron-3365型电子万能试验机上进行压缩测试，压缩应变速率为0.02mm/min，温度为室温；将样品压缩到不同预应变后卸去载荷，加热样品到马氏体逆相变温度以上，待冷却到室温后测量其长度，计算出形状回复应变，取其最大值为形状记忆效应。
本发明所制备的高温形状记忆合金由NiCoMnSn四种合金元素组成，这几种合金元素相对低廉，通过改变Mn和Sn含量可以使马氏体相变温度在较大范围内进行调整，制备方法简单，成分均匀，只需短时间后续热处理。形状记忆效应最大可达3.8％，热循环稳定性高，是一种具有应用前景的新型高温形状记忆合金。
实施例1：制备Ni43Co7Mn41Sn9合金
(1)按照Ni43Co7Mn41Sn9的原子百分比称取纯度为99.9％的镍(Ni)、纯度为99.9％的钴(Co)、纯度为99.9％的锰(Mn)和纯度为99.9％的锡(Sn)；
(2)将第一步中称取的镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)和锡(Sn)原料放入非自耗真空电弧炉内，抽取真空使得背底真空度达到2×10-2～5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成Ni43Co7Mn41Sn9钮扣状铸锭；
(3)利用真空吸铸装置制备直径10mm的棒状铸锭，得到Ni43Co7Mn41Sn9高温形状记忆合金。
采用电火花切割方法，在上述制得的镍钴锰锡高温形状记忆合金中切取尺寸为2×2×3的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹，在Perkin-Elmer Diamond DSC上测试其相变行为，获得的DSC曲线图如图2所示，样品的马氏体相变温度为198℃。
实施例2：制备Ni43Co7Mn43Sn7合金
(1)按照Ni43Co7Mn43Sn7的原子百分比称取纯度为99.9％的镍(Ni)、纯度为99.9％的钴(Co)、纯度为99.9％的锰(Mn)和纯度为99.9％的锡(Sn)；
(2)将第一步中称取的镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)和锡(Sn)原料放入非自耗真空电弧炉内，抽取真空使得背底真空度达到2×10-2～5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成Ni43Co7Mn43Sn7钮扣状铸锭；
(3)利用真空吸铸装置制备直径10mm的棒状铸锭，得到Ni43Co7Mn43Sn7高温形状记忆合金。
采用电火花切割方法，在上述制得的镍钴锰锡高温形状记忆合金中切取尺寸为2×2×3的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹，在Perkin-Elmer Diamond DSC上测试其相变行为，获得的DSC曲线图如图1所示，样品的马氏体相变温度为270℃；在上述制得的镍钴锰锡高温形状记忆合金中切取尺寸为4×4×6的长方体，用砂纸磨去表面的切割痕迹，作为力学测试样品，在Instron-3365型电子万能试验机上进行压缩测试，压缩应变速率为0.02mm/min，温度为室温，得到如图3所示的压缩应力-应变曲线图，压缩屈服强度为708MPa，最大变形量16％；将样品压缩到不同预应变后卸去载荷，加热样品到马氏体逆相变温度以上，待冷却到室温后测量其长度，计算出形状回复应变，发现在预应变为11.6％时其形状记忆效应最大，为3.8％，如图4所示。

Claims (3)

1.一种NiCoMnSn高温形状记忆合金，其特征是：其化学式为Ni43Co7Mn41Sn9。
2.一种NiCoMnSn高温形状记忆合金，其特征是：其化学式为Ni43Co7Mn43Sn7。
3.一种权利要求1的NiCoMnSn高温形状记忆合金的制备方法，其特征是：
(1)按照Ni43Co7Mn41Sn9的原子百分比称取纯度为99.9％的Ni、纯度为99.9％的Co、纯度为99.9％的Mn和纯度为99.9％的Sn；
(2)将第一步中称取的Ni、Co、Mn和Sn原料放入非自耗真空电弧炉内，抽取真空使得背底真空度达到2×10-2～5×10-3Pa，然后充高纯氩气至500Pa，利用高温电弧将原料熔炼成NiCoMnSn钮扣状铸锭；
(3)利用真空吸铸装置制备直径10mm的棒状铸锭，得到镍钴锰锡高温形状记忆合金。
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