CN103233159B - 多晶铁基形状记忆超弹性合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多晶铁基形状记忆超弹性合金及其制备方法。该合金按原子百分数含有如下组分：25-30%的Ni，10-13%的Al，0.8-1%的Ta和55-65%Fe，以及一些不可避免的杂质。制备方法中包括固溶处理和时效处理。该发明的多晶铁基超弹性合金具有可恢复形变量较大、超弹性好、强度高、硬度大及可加工性好等特点。
Description
技术领域
本发明是关于铁基形状记忆合金，更具体而言，涉及一种多晶的具有超弹性和高强度的铁基形状记忆合金。
背景技术
作为潜在的固态驱动器材料，形状记忆合金（SMAs）具有很高的能量密度，并且对电力设备要求较低，常用于航空、航天、机械、电子、交通能源、医疗等领域。形状记忆合金一般都呈现出较好的形状记忆效应和超弹性（也叫伪弹性），对于非铁基的合金有Ni-Ti合金、Ni-Al合金、Cu-Zn-Al合金以及Cu-Al-Ni合金等，铁基的合金有Fe-Ni-Co-Ti合金、Fe-Mn-Si合金、Fe-Ni-C合金以及Fe-Ni-Cr合金等。Ti-Ni合金拥有很好的形状记忆效应和较高的超弹性，常用于医用导管、眼镜架等方面，但Ti-Ni合金的加工性能差、强度较低和高成本限制了它的应用，另外Ti-Ni合金的超弹性还不是很高，其超弹性应变在8%左右，还不能很好地满足如阻尼材料、传感器材料等对超弹性要求较高的材料领域。其他的非铁基材料要么超弹性比较小，要么强度不高，因此几乎没有实际应用的例子。
铁基合金具有原材料成本低、易于成型加工等优点。如果铁基形状记忆合金能获得很好的形状记忆效应和超弹性，那它就能有望应用到各种不同的领域，而取代非铁基形状记忆合金。然而，一般的铁基形状记忆合金的超弹性较差，可恢复应变在2-5%左右，其中仍有很多未解决的问题。例如，Fe-Ni-Co-Ti合金在应力诱发转变的过程中具有超弹性，但是它们的马氏体相变起始点很低只有200K。 Fe-Ni-C合金的超弹性较差，在回复变形的时候会产生碳化物。Fe-Mn-Si合金虽然具有较好的形状记忆效应，但是它的冷加工性能和抗腐蚀性能差，也没有表现出超弹性。 JP 2000-17395 A 公开了一种Fe-Ni-Si形状记忆合金，此合金由15-35%的Ni，1.5-10%的Si和Fe组成，其中包含不可避免的杂质。JP 2003-268501A 公开了一种Fe-Ni-Al形状记忆合金，此合金由15-40%的Ni，1.5-10%的Al和Fe组成，然而，这些形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性都不是很理想，还有待改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是：提出一种超弹性优良的多晶铁基形状记忆合金。
本发明所要解决的第二个技术问题是：提出一种超弹性优良的多晶铁基形状记忆合金的制备方法。
为了解决第一个技术问题，本发明提出一种超弹性优良的多晶铁基形状记忆合金，其按原子百分数含有如下组分：25-30%的Ni，10-13%的Al，0.8-1%的Ta和55-65%Fe，以及一些不可避免的杂质。
为了解决第二个技术问题，本发明提出了一种制备上述多晶铁基形状记忆超弹性合金的方法，该制备方法包括了固溶处理和时效处理工艺。
作为本发明的优选方案，固溶温度在1250-1300℃的范围内，固溶时间在20-40min，冷却速度要大于200℃/s。冷却速度越大越好，常用水淬。通过进行特定温度的固溶处理，使合金母相具有面心立方结构。
作为本发明的优选方案，时效处理工艺的温度在550-650℃范围，时效处理的时间在50-65小时。时效温度对改善和稳定合金的超弹性的影响较大。合理的时效时间能够有效的促进沉淀相的析出，强化合金面心立方结构母相基体。时效时间太短得不到很好的超弹性，时效时间太长将会降低合金的延展性，不利于加工。
本发明的有益效果如下：
本发明对各合金元素进行了合理的成分配比，能使合金母相具有面心立方结构，能够很好的产生马氏体相变，能促使合金母相中析出有序的沉淀析出相，增加合金的强度，改善合金的超弹性，还能有效的增加合金的延展性，有助于形成沉淀析出相，起到沉淀强化的作用。同时通过合理的固溶时效处理来提高奥氏体母相的强度，降低应力诱发马氏体相变的临界应力和减少不可恢复性形变，从而得到具有超弹性和强度的多晶铁基形状记忆合金。可恢复形变性能是衡量合金超弹性的重要指标，本发明的多晶铁基形状记忆合金的可恢复形变大于现有的Ni-Ti等形状记忆合金，是一种价格低廉、易于加工、性能良好的多晶铁基形状记忆超弹性合金。
附图说明
图1是 合金600℃下时效时，时效时间对合金最大抗压强度和
可恢复形变的影响。
图2是合金在不同温度下时效60h时，时效温度对合金最大抗压强度和可恢复形变的影响。
具体实施方式
实施例一
多晶铁基形状记忆合金样品的元素配比如表1（原子百分比，at.%）。
表1合金各样品的元素配比
| 成分 | Fe | Ni | Al | Ta |
| 含量/at.% | 59.5 | 28 | 11.5 | 1 |
在氩气保护气氛中，采用水冷铜坩埚，真空非自耗电弧炉熔炼成纽扣状铸锭，反复熔炼4 次，铸锭质量约60g。将熔炼好的试样在1000℃下热轧成厚度为4mm的薄板。将合金在温度为1150℃下固溶30min，水淬后冷轧至3mm薄板。将合金在1300℃下固溶30min后水淬。将合金600℃下时效60h后空冷，去除氧化层。采用线切割从时效后的合金中切取2mm×2mm×4mm的试样，检测其各项技术性能。制备好的合金具有如下技术性能：合金的抗压强度达到1306Mpa，合金的可恢复形变达到14.9%，合金的硬度达到554HV。这些性能比Ni-Ti等形状记忆合金优良许多。图1是合金600℃下时效时，时效时间对合金最大抗压强度和可恢复形变的影响。
实施例二
多晶铁基形状记忆合金样品的元素配比还如表1（原子百分比，at.%）。
在氩气保护气氛中，采用水冷铜坩埚，真空非自耗电弧炉熔炼成纽扣状铸锭，反复熔炼4 次，铸锭质量约60g。将熔炼好的试样在1000℃下热轧成厚度为4mm的薄板。将合金在温度为1150℃下固溶30min，水淬后冷轧至3mm薄板。将合金在1300℃下固溶30min后水淬。将合金650℃下时效60h后空冷，去除氧化层。采用线切割从时效后的合金中切取2mm×2mm×4mm的试样，检测其各项技术性能。制备好的合金具有如下技术性能：合金的抗压强度达到1900Mpa，合金的可恢复形变达到22.4%，合金的硬度达到542HV。这些性能比Ni-Ti等形状记忆合金优良许多。图2是合金在不同温度下时效60h时，时效温度对合金最大抗压强度和可恢复形变的影响。
Claims (4)
1.一种多晶铁基形状记忆超弹性合金，按原子百分数含有如下组分：25-30%的Ni，10-13%的Al，0.8-1%的Ta和55-65%Fe，以及一些不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的多晶铁基形状记忆超弹性合金的制备方法，包括采用固溶工艺和时效处理工艺。
3.根据权利要求2所述的多晶铁基形状记忆超弹性合金的制备方法，其特征在于：所述固溶工艺的温度在1250-1300℃，固溶时间20-40min，冷却速度大于200℃/s。
4.根据权利要求2所述的多晶铁基形状记忆超弹性合金的制备方法，其特征在于：所述时效处理工艺的温度在550-650℃，时效处理工艺的时间在50-65小时。
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