CN108359827B - 多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法 - Google Patents

多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁性形状记忆合金领域，具体公开了一种多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法，包括以下步骤：分别称取Mn粉、Ni粉和造孔剂CO(NH2)2，将其混合均匀后装入压制模具中，双向压制，生坯从模具中取出，放入刚玉舟中，其中，生坯与刚玉舟的底部保留足够空隙，再一起放入管式电阻炉中，惰性气氛保护下，经程序升温烧结最后从炉中取出，并快速淬入水中即制得。该合金兼具块体合金的尺寸较大和薄膜合金的性能优异等优点，且通过调节孔隙率可有效调节合金的形状记忆性能，工艺简单，成分均匀，孔隙率和孔隙结构可控。

Description

多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法
技术领域
本发明属于磁性形状记忆合金技术领域，特别涉及一种多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法。
背景技术
磁性形状记忆合金具有磁致应变大、磁热效应显著和响应快等优点，在磁驱动器、磁制冷器等领域有广泛的应用市场，其中，Mn基反铁磁合金作为高阻尼材料已有实际应用，但作为形状记忆合金，Mn基合金还存在磁致应变小，恢复率低，相变温度调控困难等不足。目前，形状记忆合金薄膜作为一种新型驱动器材料，具有输出应力和位移大，可磁控，容易加工等优点，在微机械和微电机等领域受到可普遍关注，但目前的Ti-Ni-Pd和Ti-Ni-Pt等合金薄膜的性能虽好，但其价格昂贵，因此，目前形状记忆合金薄膜的应用受到了一定程度的限制。
专利号为CN104561918B“一种MnFeCu三元反铁磁形状记忆合金薄膜的制备方法”，其利用磁控溅射的方法制备Mn基三元反铁磁形状记忆合金薄膜，但在样品厚度方向上尺寸有限。
发明内容
为了解决Mn基块体合金形状记忆性能较差，以及Mn基薄膜合金尺寸有限的问题，本发明提供了一种多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法，同时该方法具有工艺简单，成分均匀，孔隙率和孔隙结构可控的优点。
本发明的技术方案如下：
一种多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别称取Mn粉、Ni粉和造孔剂CO(NH2)2，将其混合均匀后装入压制模具中，先单向加压至45～55MPa，保压4～6min，再反向加压至45～55MPa，保压4～6min，生坯从模具中取出；
(2)放入刚玉舟中，其中，生坯与刚玉舟的底部保留足够空隙，再一起放入管式电阻炉中，惰性气氛保护，从室温用200～220min升温至295～305℃，保温25～35min，之后用55～65min升温至795～805℃，保温25～35min，然后用55～65min升温至1000～1100℃，保温烧结240～360min，最后从炉中取出并快速淬入水中，制得奥氏体结构为FCC的多孔MnNi合金。
在本发明多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法中，涉及元素粉末混合烧结和造孔剂造孔过程，其中，元素粉末混合烧结过程涉及将元素粉末经配料、混合、压制成型及烧结等步骤，该过程具有工艺简单、损耗小、成分控制容易和成分均匀等优点，固相烧结的烧结温度低于所有组分的熔点，液相烧结的烧结温度低于主要组分的熔点，但高于次要组分的熔点。在烧结温度下，原子迁移速度快，金属颗粒之间由机械啮合转变为冶金结合，不同元素颗粒之间进行合金化，最终形成具有一定形状和强度的成分均匀的合金；且随着合金含量的增加，合金的熔点降低，因此烧结温度也要相应降低，随着烧结时间的增加，颗粒间的结合更充分，材料的强度随之增加。
造孔剂造孔过程涉及将造孔剂与金属粉末均匀混合，压制成型，造孔剂均匀分布于生坯中。在升温热处理过程中，室温下呈固态的造孔剂有机物依次发生液化和汽化，从生坯中排出，从而在高温烧结前形成多孔生坯，多孔结构在烧结的过程中不会湮灭，而会保留到最终的材料中，且烧结后的多孔材料与压制成型后的密实生坯的几何形状相同，孔隙率可由配料时造孔剂的体积分数控制，孔径的形状和大小由造孔剂的形状和大小控制。
优选的，所述的多孔MnNi合金的Ni含量为10～20at.％，通过合金成分各金属粉末的含量计算得到配料时Mn粉、Ni粉的加入量。
且，优选的，所述的多孔MnNi合金的孔隙率为41～55％，通过孔隙率计算得到配料时造孔剂CO(NH2)2的加入量，及孔径的形状和大小通过造孔剂的形状和大小控制。
优选为，步骤(2)中所涉及到的各阶段升温程序均为匀速升温。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
一、本发明的一种多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法，所需设备简单，制备工艺简单，成本低，因此有效降低了Mn基形状记忆合金的制备难度和成本；
二、本发明的一种多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法，制备得到的合金兼具块体合金的尺寸较大和薄膜合金的性能优异的优点，且通过调节孔隙率可有效调节合金的形状记忆性能。
附图说明
图1为实施例4制备的多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的三维形貌图；
图2为实施例4制备的多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的孔隙形貌扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
(1)称取17.50g锰粉、2.08g镍粉和2.37g尿素，将三种粉末混合均匀；
(2)模具内部呈圆柱状，其内径为25mm，在模具内表面均匀涂抹脱模剂硬脂酸锌，将步骤(1)得到的混合粉末倒入模具中，单向压制至50MPa应力，保压5min，再反向压制至50MPa应力，并保压5min，接着将压制成型的圆柱状生坯从模具中取出；
(3)将步骤(2)得到的生坯放入刚玉舟中，生坯与刚玉舟底部保留足够空隙，一起放入管式电阻炉中，通入氩气进行惰性气氛保护；
(4)设置管式炉的温度控制程序为：室温～300℃的时间为210min，300℃保温30min，300～800℃的时间为60min，800℃保温30min，800～1100℃的时间为60min，1100℃保温240min；程序结束后，快速将刚玉舟从管式炉中取出，并放入水中淬火，制得合金成分为Mn-10at.％Ni，孔隙率为43％的多孔MnNi反铁磁形状记忆合金，其中，实际孔隙率采用多孔合金密度与块体合金密度之比得到，多孔合金密度通过测试试样的质量体积比得到，计算中块体材料的密度取为7.36g/cm3。
实施例2
(1)称取17.50g锰粉、3.30g镍粉和2.52g尿素，将三种粉末混合均匀；
(2)模具内部呈圆柱状，其内径为25mm，在模具内表面均匀涂抹脱模剂硬脂酸锌，将步骤(1)得到的混合粉末倒入模具中，单向压制至50MPa应力，保压5min，再反向压制至50MPa应力，并保压5min，接着将压制成型的圆柱状生坯从模具中取出；
(3)将步骤(2)得到的生坯放入刚玉舟中，生坯与刚玉舟底部保留足够空隙，一起放入管式电阻炉中，通入氩气进行惰性气氛保护；
(4)设置管式炉的温度控制程序为：室温～300℃的时间为210min，300℃保温30min，300～800℃的时间为60min，800℃保温30min，800～1100℃的时间为60min，1050℃保温300min；程序结束后，快速将刚玉舟从管式炉中取出，并放入水中淬火，制得合金成分为Mn-15at.％Ni，孔隙率为50％的多孔MnNi反铁磁形状记忆合金，其中，实际孔隙率采用多孔合金密度与块体合金密度之比得到，多孔合金密度通过测试试样的质量体积比得到，计算中块体材料的密度取为7.36g/cm3。
实施例3
(1)称取17.50g锰粉、4.67g镍粉和2.68g尿素，将三种粉末混合均匀；
(2)模具内部呈圆柱状，其内径为25mm，在模具内表面均匀涂抹脱模剂硬脂酸锌，将步骤(1)得到的混合粉末倒入模具中，单向压制至50MPa应力，保压5min，再反向压制至50MPa应力，并保压5min，接着将压制成型的圆柱状生坯从模具中取出；
(3)将步骤(2)得到的生坯放入刚玉舟中，生坯与刚玉舟底部保留足够空隙，一起放入管式电阻炉中，通入氩气进行惰性气氛保护；
(4)设置管式炉的温度控制程序为：室温～300℃的时间为210min，300℃保温30min，300～800℃的时间为60min，800℃保温30min，800～1100℃的时间为60min，1000℃保温360min；程序结束后，快速将刚玉舟从管式炉中取出，并放入水中淬火，制得合金成分为Mn-20at.％Ni，孔隙率为41％的多孔MnNi反铁磁形状记忆合金，其中，实际孔隙率采用多孔合金密度与块体合金密度之比得到，多孔合金密度通过测试试样的质量体积比得到，计算中块体材料的密度取为7.36g/cm3。
实施例4
(1)称取17.50g锰粉、2.80g镍粉和2.46g尿素，将三种粉末混合均匀；
(2)模具内部呈圆柱状，其内径为25mm，在模具内表面均匀涂抹脱模剂硬脂酸锌，将步骤(1)得到的混合粉末倒入模具中，单向压制至50MPa应力，保压5min，再反向压制至50MPa应力，并保压5min，接着将压制成型的圆柱状生坯从模具中取出；
(3)将步骤(2)得到的生坯放入刚玉舟中，生坯与刚玉舟底部保留足够空隙，一起放入管式电阻炉中，通入氩气进行惰性气氛保护；
(4)设置管式炉的温度控制程序为：室温～300℃的时间为210min，300℃保温30min，300～800℃的时间为60min，800℃保温30min，800～1100℃的时间为60min，1100℃保温270min；程序结束后，快速将刚玉舟从管式炉中取出，并放入水中淬火，制得合金成分为Mn-13at.％Ni，孔隙率为44％的多孔MnNi反铁磁形状记忆合金，其三维形貌如图1所示，采用扫描电子显微镜(SEM)得到的表面形貌如图2所示，其中，实际孔隙率采用多孔合金密度与块体合金密度之比得到，多孔合金密度通过测试试样的质量体积比得到，计算中块体材料的密度取为7.36g/cm3。
实施例5
(1)称取17.50g锰粉、2.45g镍粉和2.45g尿素，将三种粉末混合均匀；
(2)模具内部呈圆柱状，其内径为25mm，在模具内表面均匀涂抹脱模剂硬脂酸锌，将步骤(1)得到的混合粉末倒入模具中，单向压制至50MPa应力，保压5min，再反向压制至50MPa应力，并保压5min，接着将压制成型的圆柱状生坯从模具中取出；
(3)将步骤(2)得到的生坯放入刚玉舟中，生坯与刚玉舟底部保留足够空隙，一起放入管式电阻炉中，通入氩气进行惰性气氛保护；
(4)设置管式炉的温度控制程序为：室温～300℃的时间为210min，300℃保温30min，300～800℃的时间为60min，800℃保温30min，800～1100℃的时间为60min，1050℃保温360min；程序结束后，快速将刚玉舟从管式炉中取出，并放入水中淬火，制得合金成分为Mn-11.6at.％Ni，孔隙率为55％的多孔MnNi反铁磁形状记忆合金，其中，实际孔隙率采用多孔合金密度与块体合金密度之比得到，多孔合金密度通过测试试样的质量体积比得到，计算中块体材料的密度取为7.36g/cm3。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）分别称取Mn粉、Ni粉和造孔剂CO(NH2 )2 ，将其混合均匀后装入压制模具中，先单向加压至45 ~ 55MPa，保压4 ~ 6min，再反向加压至45 ~ 55MPa，保压4 ~ 6min，生坯从模具中取出；
（2）放入刚玉舟中，其中，生坯与刚玉舟的底部保留足够空隙，再一起放入管式电阻炉中，惰性气氛保护，从室温用200 ~ 220min升温至295 ~ 305℃ ，保温25 ~ 35min，之后用55 ~ 65min升温至795 ~ 805℃ ，保温25 ~ 35min，然后用55 ~ 65min升温至1000 ~ 1100℃ ，保温烧结240 ~ 360min，最后从炉中取出并快速淬入水中，制得多孔MnNi合金；
所述的多孔MnNi合金的Ni含量为10~20 at.%。
2.根据权利要求1所述的多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法，其特征在于，所述的多孔MnNi合金的孔隙率为41 ~ 55 %。
3.根据权利要求1所述的多孔MnNi反铁磁形状记忆合金的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所涉及的各阶段升温程序均为匀速升温。
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