CN105908051B - 一种高超弹性NiMnSnCo合金微丝的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的是一种采用玻璃包覆法制备的NiMnSnCo高超弹性合金微丝，其成分公式如下：Ni1‑x‑y‑zMnxSnyCoz，其中x＝0.3～0.5，y＝0.1～0.2，z＝0.05～0.2。本发明采用玻璃包覆法制备高超弹性NiMnSnCo合金微丝，此种制备方法一方面能改善合金的脆性；另一方面具有极快速(600‑900℃/s)的冷却方式可以减小晶粒尺寸，并在一定程度上能提升其塑性，从而可以使微丝获得较为优异的形状记忆效应及超弹性。目前，对传感器及驱动器微型化、智能化的要求越来越高，所以制备出具有低成本且较高超弹性的形状记忆合金微丝也势在必行。本发明所制备的NiMnSnCo合金微丝因具有高的超弹性及优良的综合性能，具有广泛的应用前景。

Description

一种高超弹性NiMnSnCo合金微丝的制备方法
技术领域
本发明属于金属智能材料领域，具体涉及一种高超弹性镍钴锰锡合金微丝的制备。
背景技术
NiMnSn(Co)合金是一种新型的多功能材料，被广泛应用于驱动器、传感器和磁制冷领域。NiMnSn(Co)合金作为磁致形状记忆合金的一个重要分支，能够在磁场下诱发马氏体逆相变，具有良好的磁热效应和磁诱发形状记忆效应。目前，对该合金的马氏体相变、微观组织、磁性能等已有较多报道，但对该合金的超弹性性能研究较少，其原因在于其固有的脆性已经成为实际生产及应用的主要障碍。
利用玻璃包覆法制备的NiMnSn(Co)合金微丝，由于其具有独特的微观组织，通常表现出较普通块体材料更加优异的性能。相对于普通块体合金，该合金微丝制备工艺简单，其制备方式具有极快的冷却速度；该制备方法可以降低合金有序度、减小晶粒尺寸和提高延伸率，从而使微丝获得优异的形状记忆效应及超弹性，具有更优良的综合性能。
目前在NiMnSn(Co)体系中文献报道的多晶块体的最大压缩超弹性仅为3％，严重限制了其在工业上的应用。此外，微型化功能器件低成本、小尺寸和高响应速度的发展趋势，也给形状记忆合金微丝的发展带来了更大的契机。
发明内容
本发明采用玻璃包覆法制备高超弹性NiMnSn(Co)合金微丝，此种制备方法一方面能改善合金的脆性；另一方面具有极快速(600-900℃/s)的冷却方式可以减小晶粒尺寸，并在一定程度上能提升其塑性，从而可以使微丝获得较为优异的形状记忆效应及超弹性。
一种高超弹性NiMnSnCo合金微丝的制备方法，其特征在于通过玻璃包覆法制备NiMnSnCo高超弹性合金微丝，合金微丝组成成分范围为Ni1-x-y-zMnxSnyCoz，其中x＝0.3～0.5，y＝0.1～0.2，z＝0.05～0.2。
本发明通过玻璃包覆法制备的NiMnSnCo高超弹性合金微丝，其特点在于：所用单质原材料Ni、Mn、Sn和Co的纯度应大于99.99wt.％。
上述NiMnSn(Co)高超弹性合金微丝的制备过程如下：
步骤一、母合金的制备
将所需要的Ni，Mn，Sn，Co按照上述合金的原子百分比逐一进行称取，质量精确到千分位，然后在高纯氩气保护环境下用高真空电弧炉进行熔炼，为了充分保证合金成分的均匀性，合金应反复熔炼4次以上，且应保证中间两次熔炼过程中配合电磁搅拌。熔炼完成后，称取母合金锭质量，质量偏差1％以内的合金锭才可用来进行下一步生产。这主要是为了尽量减小Mn元素的挥发对合金成分造成的影响。
步骤二、合金锭的吸铸
将步骤一制得的母合金纽扣铸锭重新熔化，利用高真空电弧炉自带的吸铸装置，将母合金吸铸成直径为5mm的圆棒。
步骤三、切割制丝样品
将步骤二获得的圆棒用低速金刚石圆锯切割成高度为5-6mm的圆柱。
步骤四、制备合金微丝
制备丝材使用的设备是玻璃包覆拉丝机。将步骤三制备的小圆柱放入高硼硅玻璃管底部，启动电源将小圆柱感应熔化，玻璃管底部软化后，用预先制备好的带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部引出带有包覆玻璃的合金丝。
在上述合金成分范围内，利用玻璃包覆法均能制备出具有优良力学性能的高超弹性NiMnSn(Co)合金微丝。
上述NiMnSn(Co)高超弹性合金微丝制备及测试采用的设备是：
上述NiMnSn(Co)合金微丝制备采用的拉丝设备是玻璃包覆拉丝机，玻璃包覆拉丝机公开号：CN102127720A。
上述NiMnSn(Co)合金微丝力学性能测试在电子万能材料试验机上进行，所用型号为：Instron5966。
本发明所提供的高超弹性NiMnSnCo合金微丝其优点体现在：
(1)本发明的NiMnSnCo合金微丝相对于块体具有高的超弹性，且为拉伸超弹性，而块体不具有此特性；同时本发明实现了制备性能优异的NiMnSnCo高超弹性合金微丝，拓宽了微丝的体系，有助于微丝在微型传感器及驱动器等领域的更广泛应用。
(2)本发明的高超弹性NiMnSnCo合金微丝的生产工艺简单易操作，成本 相对较低。合金丝圆整度高、表面质量好、尺寸均匀，长度最高可达200cm。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明微丝作进一步说明。
图1为NiMnSnCo合金微丝SEM图像；
图2为实例1制备的Ni44.5Mn39.5Sn10.5Co5.5合金微丝的应力应变曲线，试样标距为15mm，加载速率为0.48mm/min；
图3为实例2制备的Ni42Mn39.5Sn10.5Co8合金微丝的应力应变曲线，试样标距为15mm，加载速率为0.48mm/min；
具体实施方式
下面结合具体实例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过实例说明，本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
实例1
Ni44.5Mn39.5Sn10.5Co5.5高超弹性合金微丝的制备
步骤一、精密称取各种成分元素
根据合金Ni44.5Mn39.5Sn10.5Co5.5的原子百分比，计算出各元素的质量，在电子天平上进行精密称量。
步骤二、制备母合金锭
将步骤一称量好的合金原料放入高真空非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至2×10- 3Pa，充入保护性高纯氩气，氩气压力为0.05-0.07MPa，调节电流为30-100A，对原料进行熔炼，为了保证合金成分均匀，合金应反复熔炼4次以上，且保证中间两次熔炼中配合电磁搅拌，然后随炉冷却即可得到Ni44.5Mn39.5Sn10.5Co5.5母合金锭。
步骤三、吸铸合金Ni44.5Mn39.5Sn10.5Co5.5棒材
根据所要制备的棒材尺寸，剪取约12-14g母合金，将母合金表面的氧化皮去除干净后，放入具有快速凝固吸铸功能的真空非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至2×10-3Pa，充入保护性高纯氩气，氩气压力为0.05-0.07MPa，起弧后迅速加大电流熔化母合金并快速吸入Ф5mm的铜模具中，冷却后取出，即制得Ni44.5Mn39.5Sn10.5Co5.5棒材。
步骤四、切割制丝样品
为便于步骤五制备丝材，将步骤三中制备的Ф5mm圆棒用低速精密金刚石圆锯切割成高为5-6mm的小圆柱。
步骤五、制备丝材
制备丝材使用的设备是玻璃包覆拉丝机。将步骤四制备的小圆柱放入高硼硅玻璃管底部，启动电源将小圆柱感应熔化，玻璃管底部软化后，用预先制备好的带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部引出带有包覆玻璃的合金丝。
图2所示为该合金丝拉伸过程中的应力应变曲线，由图可以看出该合金的可回复应变为6％，表明该合金丝具有很大的超弹性。
实例2
Ni42Mn39.5Sn10.5Co8高超弹性合金微丝的制备
步骤一、精密称取各种成分元素
根据合金Ni42Mn39.5Sn10.5Co8的原子百分比，计算出各元素的质量，在电子天平上进行精密称量。
步骤二、制备母合金锭
将步骤一称量好的合金原料放入高真空非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至2×10- 3Pa，充入保护性高纯氩气，氩气压力为0.05-0.07MPa，调节电流为30-100A，对原料进行熔炼，为了保证合金成分均匀，合金应反复熔炼4次以上，且保证中间两次熔炼中配合电磁搅拌，然后随炉冷却即可得到Ni42Mn39.5Sn10.5Co8母合金锭。
步骤三、吸铸合金Ni42Mn39.5Sn10.5Co8棒材
根据所要制备的棒材尺寸，剪取约12-14g母合金，将母合金表面的氧化皮去除干净后，放入具有快速凝固吸铸功能的真空非自耗电弧熔炼炉中，抽真空至2×10-3Pa，充入保护性高纯氩气，氩气压力为0.05-0.07MPa，起弧后迅速加大电流熔化母合金并快速吸入Ф5mm的铜模具中，冷却后即制得Ni42Mn39.5Sn10.5Co8棒材。
步骤四、切割
为便于步骤五制备丝材，将步骤三中制备的Ф5mm圆棒用低速精密金刚石圆锯切割成高为5-6mm的小圆柱。
步骤五、制备丝材
制备丝材使用的设备是玻璃包覆拉丝机。将步骤四制备的小圆柱放入高硼硅玻璃管底部，启动电源将小圆柱感应熔化，玻璃管底部软化后，用预先制备好的带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部引出带有包覆玻璃的合金丝。
图3所示为该合金丝拉伸过程中的应力应变曲线，由图可以看出该合金的可回复应变为5.5％，表明该合金丝具有很大的超弹性。
综上所述，NiMnSn(Co)合金微丝具有高超弹性，且微丝表面质量、圆整度高。上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高超弹性NiMnSnCo合金微丝的制备方法，其特征在于通过玻璃包覆法制备NiMnSnCo高超弹性合金微丝，合金微丝组成成分范围为Ni1-x-y-zMnxSnyCoz，其中x=0.395~0.5，y=0.1~0.105，z=0.05~0.2；
所用单质原材料Ni、Mn、Sn和Co的纯度要求大于99.99wt.%。
2.根据权利要求1所述高超弹性NiMnSnCo合金微丝的制备方法，其特征在于制备过程包括以下步骤：
步骤一、母合金的制备
将所需要的Ni，Mn，Sn，Co按照上述合金的原子百分比逐一进行称取，质量精确到千分位，然后在高纯氩气保护环境下用高真空电弧炉进行熔炼，为了充分保证合金成分的均匀性，合金应反复熔炼4次以上，且应保证中间两次熔炼过程中配合电磁搅拌；熔炼完成后，称取母合金锭质量，质量偏差1%以内的合金锭才能用来进行下一步生产；
步骤二、合金锭的吸铸
将步骤一制得的母合金锭重新熔化，利用高真空电弧炉自带的吸铸装置，将母合金吸铸成直径为5mm的圆棒；
步骤三、切割制丝样品
将步骤二获得的圆棒用低速金刚石圆锯切割成高度为5-6mm的圆柱；
步骤四、制备合金微丝
制备丝材使用的设备是玻璃包覆拉丝机，将步骤三制备的小圆柱放入高硼硅玻璃管底部，启动电源将小圆柱感应熔化，玻璃管底部软化后，用预先制备好的带尖端的玻璃棒从软化的玻璃管底部引出带有包覆玻璃的合金丝。
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