CN102796951B

CN102796951B - 一种高锰铁基形状记忆合金

Info

Publication number: CN102796951B
Application number: CN 201210331068
Authority: CN
Inventors: 李晓薇; 刘光磊; 张志敏; 司松海; 赵罗根
Original assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Current assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: CN102796951A

Abstract

一种高锰铁基形状记忆合金，属于记忆合金领域。其特征为：Mn25wt%，Si3~5wt%，Ni5wt%，C0.1wt%，复合稀土添加剂0.4~1.0wt%，其余为Fe。合金配制后在中频感应电炉中进行熔化，当合金液温度为1530~1550℃时，扒渣后浇注成Φ80×150mm的铸锭。将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行退火，退火温度为1080℃~1120℃，时间为24h，退火后进行铸件的锻打，锻打温度为1000~800℃，锻打成10mm×80mm×90mm，然后将进行线切割，切割成1mm×10mm×90mm的试样。将切割好的试样采用弯曲变形法测定其形状记忆回复率。

Description

一种高锰铁基形状记忆合金

技术领域

本发明属于记忆合金领域，特指一种高锰铁基形状记忆合金。

背景技术

铁基形状记忆合金是继镍钛形状记忆合金、铜基形状记忆合金之后开发的第3代形状记忆合金材料。相对于Ni-Ti基与Cu基记忆合金，Fe基形状记忆合金以其原料成本低廉、易于加工制造、便于常温贮运、力学性能优异等特点，已在石油、机械、化工等行业得到广泛应用，成为目前的研究热点。铁基形状记忆合金主要包括Fe-Mn-Co-Ti系、Fe-Pt系、 Fe-Pd系、Fe-Mn-Si系、Fe-Ni-C系。其中Fe-Mn-Si系合金有较好的形状记忆效应和良好的加工性能被认为最有前途。Fe-Mn-Si系合金近十年来的研究，虽已取得显著进展，研制出多种成分的合金，可以用于管接头等一次性形状记忆零件，但仍是一种不够成熟的材料。近年来研究结果发现此类合金能达到的完全回复应变均小于2％(回复率大于90％)。若预应变大于2％，随预应变量增大，回复后残留应变率增大，普遍存在着形状记忆不完全性。所以目前的主要目标，仍是合金成分的优化设计，尽可能提高形状记忆回复率。本发明旨在通过研究合金成分对铁基形状记忆合金的影响而指导其在生产方面的应用。本发明开发出一种高锰铁基形状记忆合金。

发明内容

本发明开发出一种高锰铁基形状记忆合金，其特征为：Mn 25wt%，Si 3~5wt%，Ni 5wt%，C 0.1wt%，复合稀土添加剂0.4~1.0 wt%，其余为Fe。复合稀土添加剂成分为：Ce 18～27wt％、Tb 8～14wt％、Y 4～8wt％、Pr 3～6wt％、La + Sc + Eu +Gd + Nd +Ho +Er +Tm +Lu为10～20wt%，Zr 2～6wt%、Ti 2～5wt%，余为铁。合金配制后在中频感应电炉中进行熔化，当合金液温度达到1560~1580℃时，保温静置3~4分钟，当合金液温度为1530~1550℃时，扒渣后浇注成Φ80×150mm的铸锭。将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行退火，目的是消除在铸造冷却过程中由于各处冷却条件不均造成的内应力，避免在后续的热加工过程中开裂，退火温度为1080℃~1120℃，时间为24h，退火后进行铸件的锻打，锻打温度为1000~800℃，锻打成10mm×80mm×90mm，然后将进行线切割，切割成1mm×10mm×90mm的试样。将切割好的试样采用弯曲变形法测定其形状记忆回复率，得到如图1所示的结果。

合金元素Mn在钢中的作用是使γ区扩展，与γ-Fe形成无限固溶体，与α-Fe形成有限固溶体。当锰含量达到25%时，合金组织中有少量的堆叠层错和ε马氏体存在，这些堆叠层错和ε马氏体片可以作为应力诱发马氏体相变的形核中心，省却了层错堆叠这一步骤，外加应力起的作用是使已经存在的堆叠层错和ε马氏体的生长，所以只需要很小的应力就能产生相当多的应力诱发ε马氏体。而且，由于预存ε马氏体和层错是分散分布的，他们之间的碰撞很少，在不产生交割的情况下生长的可能性相当大。所以应力诱发马氏体的逆转变ε→γ更加容易和彻底。因此合金具有良好的形状记忆回复率。

元素Si在铁基形状记忆合金中起着重要作用，这是因为，元素Si的多少直接关系到该系合金的层错能的大小。众所周知，铁基形状记忆合金是低层错能合金，把存在晶体内部的层错缺陷作为应力诱发马氏体相变形核的中心，是形状记忆效应的前提，所以层错能越低，诱发相变所需的应力就越小，形状记忆回复率也就越好。

图1为高锰铁基形状记忆合金中含Si量分别为3%、4%、5%的3#、4#、24#合金在不同的应变量下的形状记忆回复率。从图1可以看出随Si量的增加，合金形状记忆回复率明显提高。另外，还要考虑Si对Fe-Mn-Si-Ni-C机械性能的影响，Fe-Mn-Si-Ni-C形状记忆合金在Si含量不高于5%时，塑性很好，在锻打以后无任何缺陷，超过这一界限，在锻打过程中合金会出现裂纹，且随Si含量的增加而明显恶化。在含5.5%Si的合金中，有铸锭出现裂纹，并深入锻打后形成的薄板中央15mm处，这主要是由于Si含量的提高，在合金中产生Fe₃Si金属间化合物，加工性能急剧恶化，限制了其开发应用。Si能提高母相奥氏体的屈服强度，同时强烈降低奥氏体的层错能，在Fe-Mn-Si-Ni-C形状记忆合金中考虑其综合性能，Si含量应该控制在3%~5%之间。

本发明中，化学元素Ni的含量不变，保持在5%。这主要考虑到Ni元素的加入有利于合金的加工性能。Ni元素对合金记忆效应的影响与Mn类似，也是扩展γ奥氏体区的元素，使Ms下降。Ni含量为5%时，记忆性能最好，此时诱发γ→ε相变所需的应力最小。

由于本发明采用的是低碳钢做原料，在普通感应炉中进行非真空熔炼，所以在配料过程中采用的是普通低碳钢，熔炼后的铁基形状记忆合金含0.10%左右的碳，这是因为含0.10 wt %C的合金形状记忆回复率最好。可见Fe-Mn-Si-Ni-C合金的碳含量有一个临界点，当碳含量小于此临界值的时候，形状记忆回复率随含碳量的增加而增加，高于此临界值时形状记忆回复率将变小。

加入复合稀土添加剂对合金的形状记忆回复率来说有显著的提高。基体的强化使得初始变形时的永久不可恢复滑移减小，这有利于提高形状记忆回复率。加入复合稀土添加剂后合金的层错几率比没有加入复合稀土添加剂的合金大得多，在应变诱发马氏体过程中有更多的形核中心和更小的应变驱动力，所以更易形成可回复的马氏体。

附图说明

图1含Si量分别为3%、4%、5%的合金在不同的应变量下的形状记忆回复率。

具体实施方式

实施例1：

配制合金Mn 25wt%，Si 3wt%，Ni 5wt%，C 0.10wt%，复合稀土添加剂0.6wt%，其余为Fe。合金配制后在中频感应电炉中进行熔化，当合金液温度达到1560~1580℃时，保温静置3~4分钟，当合金液温度为1530~1550℃时，扒渣后浇注成Φ80×150mm的铸锭。将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行退火，目的是消除在铸造冷却过程中由于各处冷却条件不均造成的内应力，避免在后续的热加工过程中开裂，退火温度为1080℃~1120℃，时间为24h，退火后进行铸件的锻打，锻打温度为1000~800℃，锻打成10mm×80mm×90mm，然后将进行线切割，切割成1mm×10mm×90mm的试样。将切割好的试样采用弯曲变形法测定其形状记忆效应，如图1所示，从图1看出，形状记忆回复率为55%~45%之间。

实施例2：

配制合金Mn 25wt%，Si 4wt%，Ni 5wt%，C 0.10wt%，复合稀土添加剂0.6wt%，其余为Fe。将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行退火，目的是消除在铸造冷却过程中由于各处冷却条件不均造成的内应力，避免在后续的热加工过程中开裂，退火温度为1080℃~1120℃，时间为24h，退火后进行铸件的锻打，锻打温度为1000~800℃，锻打成10mm×80mm×90mm，然后将进行线切割，切割成1mm×10mm×90mm的试样。将切割好的试样采用弯曲变形法测定其形状记忆效应，如图1所示，从图1看出，形状记忆回复率为66%~55%之间。

实施例3：

配制合金Mn 25wt%，Si 5wt%，Ni 5wt%，C 0.10wt%，复合稀土添加剂0.6wt%，其余为Fe。合金配制后在中频感应电炉中进行熔化，当合金液温度达到1560~1580℃时，保温静置3~4分钟，当合金液温度为1530~1550℃时，扒渣后浇注成Φ80×150mm的铸锭。将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行退火，目的是消除在铸造冷却过程中由于各处冷却条件不均造成的内应力，避免在后续的热加工过程中开裂，退火温度为1080℃~1120℃，时间为24h，退火后进行铸件的锻打，锻打温度为1000~800℃，锻打成10mm×80mm×90mm，然后将进行线切割，切割成1mm×10mm×90mm的试样。将切割好的试样采用弯曲变形法测定其形状记忆效应，如图1所示，从图1看出，形状记忆回复率为67%~55%之间。

Claims

1.一种高锰铁基形状记忆合金，其特征为：Mn 25wt%，Si 3~5wt%，Ni 5wt%，C 0.1wt%，复合稀土添加剂0.4~1.0 wt%，其余为Fe；复合稀土添加剂成分为：Ce 18～27wt％、Tb 8～14wt％、Y 4～8wt％、Pr 3～6wt％、La + Sc + Eu +Gd + Nd +Ho +Er +Tm +Lu为10～20wt%，Zr 2～6wt%、Ti 2～5wt%，余为铁；合金配制后在中频感应电炉中进行熔化，当合金液温度达到1560~1580℃时，保温静置3~4分钟，当合金液温度为1530~1550℃时，扒渣后浇注成Φ80×150mm的铸锭；将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行退火，目的是消除在铸造冷却过程中由于各处冷却条件不均造成的内应力，避免在后续的热加工过程中开裂，退火温度为1080℃~1120℃，时间为24h，退火后进行铸件的锻打，锻打温度为1000~800℃，锻打成10mm×80mm×90mm，然后将进行线切割，切割成1mm×10mm×90mm的试样；将切割好的试样采用弯曲变形法测定其形状记忆回复率。

2.根据权利要求1所述一种高锰铁基形状记忆合金，Mn 25wt%，Si 5wt%，Ni 5wt%，C 0.10wt%，复合稀土添加剂0.6 wt%，其余为Fe，应变量为3%时，合金的形状记忆回复率最高，形状记忆回复率为67%。