CN108486488A - 一种低Mn含量的Fe基形状记忆合金及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低Mn含量的Fe基形状记忆合金及制备方法，其组分及各组分的重量份分别为：纯铁56‑74份金属锰20‑30份金属硅5‑7份金属镍1‑6份金属钛0‑1份。首先按配比称量原料，采用真空非自耗电弧炉熔炼，抽真空后，向真空室内充惰性气体，将原料熔炼成圆锭；将圆锭切割成小块试样；然后打磨；最后超声清洗后分装在石英管内，采用单辊旋淬法制备出光滑连续的薄带。在断裂伸长率以及抗拉强度都具有较优秀的性能且具有良好的记忆性能。总体成本相对较低，适合普及推广使用；且制备时间短，耗能低。
Description
技术领域
本发明涉及结构材料以及复合材料技术领域，特别是低Mn含量的Fe基形状记忆合金及制备方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
拥有记忆效应的功能材料有许多种类，而形状记忆合金是人们最早发现的一种，自从科学家们于20世纪60年代在镍钛合金中发现这种效应以来，这类材料已经引发了许多人对它们进行研究。最近几年，伴随着现代科学技术的迅猛进步，形状记忆合金也逐渐地展露头角，目前国内外开发出的形状记忆合金已达几十种。目前已经被投入在实际生产应用中的主要有Ni-Ti系、Cu系、Fe系这几种类型。
Fe基记忆合金中的Fe-Mn-Si系合金的价格不高，并且容易加工成需要尺寸及形状，具有广阔的应用前景。但是Fe-Mn-Si系合金的记忆效应不高，加工以及成型性能较差，并且在比较低的温度下会发生应力松弛，这些缺点阻碍了它在实际生产中应用。可通过一系列手段，例如：合金化，固溶处理，快速凝固，时效处理，热机械循环训练，来提高其记忆效应，拓宽它们的应用范畴。
发明内容
本发明的目的是为了解决Fe基形状记忆合金记忆效应不高，加工以及成型性能较差，并且在比较低的温度下会发生应力松弛的问题，而提供一种低Mn含量的Fe基形状记忆合金，调节合金组分达到提高合金性能的目的。本发明的另一目的是提供上述低Mn含量的Fe基形状记忆合金的制备方法。
本发明的技术方案为：一种低Mn含量的Fe基形状记忆合金，其特征在于其组分及各组分的重量份分别为：纯铁56-74份金属锰20-30份金属硅5-7份金属镍1-6份金属钛0-1份。
优选上述原料均为纯度大于99％的单质。
优选所述的金属铁单质确保马氏体开始温度为室温；硅金属单质提高诱发马氏体相变的可逆性，同时减小含碳比例；锰金属提高奥氏体的屈服强度，与应力诱发马氏体临界差值；镍金属改善抗腐蚀性能；钛金属提高记忆性能。
本发明还提供了一种制备上述低Mn含量的Fe基形状记忆合金的方法，其具体步骤为：
(1)Fe基记忆合金原料的准备
按质量份，纯铁65-75份 金属锰20-30份 金属硅4-8份 金属镍1-6份 金属钛 0-1份。
(2)Fe基记忆合金的制备及成型
首先配比称量原料，采用真空非自耗电弧炉熔炼，将真空室抽真空后，向真空室内充惰性气体做为保护气体，为保证合金成分均匀，每个试样熔炼一次后都将其翻面再次熔炼，如此重复熔炼后，将原料熔炼成均匀、光滑、具有金属光泽的圆锭；用切割机将熔炼好的圆锭切割成若干尺寸小块试样；然后用千叶砂轮将试样表面因切割而引起的高温氧化层打磨；最后采用有机溶液超声清洗去除试样表面的油污等杂质；将处理好的小块试样分装在石英管内，采用单辊旋淬法制备出光滑连续的薄带。
优选将真空室抽至4.0×10-3至6.0×10-3Pa。优选向真空室内充入的惰性气体为Ar。优选熔炼次数为3-5次。
优选上述的单辊旋淬法工艺条件为：控制喷铸气压为0.03-0.05MPa，转速为1300-1500rad/min。
有益效果：
与现有技术相比，采用本发明的技术方案所得到的低Mn含量的Fe基形状记忆合金可以达到工业使用指标。具体包含如下优点：
(1)在断裂伸长率以及抗拉强度都具有较优秀的性能且具有良好的记忆性能。
本发明方案中制备的合金薄带成分均匀，表面不会出现许多类似圆形的凹坑，进一步提高断裂伸长率、抗拉强度以及记忆性能。
(2)成本低廉，节能环保
本发明采用的均为较为廉价的金属，总体成本相对较低，适合普及推广使用。且时间短，耗能低。
具体实施方式
首先按实验设计配比称量原料，采用真空非自耗电弧炉熔炼，将真空室抽至4.0×10-3至6.0×10-3Pa至后，向真空室内充惰性气体Ar做为保护气体；为保证合金成分均匀，每个试样熔炼一次后都将其翻面再次熔炼，如此重复熔炼3-5次，将原料熔炼成均匀、光滑、具有金属光泽的圆锭；用切割机将熔炼好的圆锭切割成若干尺寸小块试样；然后用千叶砂轮将试样表面因切割而引起的高温氧化层打磨掉；最后采用有机溶液超声清洗去除试样表面的油污等杂质；将处理好的小块试样分装在石英管内，采用单辊旋淬法，控制喷铸气压为0.03-0.05MPa，转速为1300-1500rad/min。即制备出光滑连续的薄带。
确定合金的断裂伸长率以及抗拉强度，合金的拉伸实验在拉伸试验机上进行实验，实验温度为室温，拉伸速率为0.5mm/min，由于试样较薄，为了防止机器夹头直接夹断试样，并为了保证使样品固定的足够牢固，在两端夹头处均垫有两片1mm厚的铜片。合金记忆性能测量，试样的最终尺寸为5.0mm(W)×80mm(L)，试样标距为35mm记为L0。测量时首先将试样通过拉伸变形的方式加载至预定的预变形量，拉伸变形过程中的温度为室温，拉伸过程中的横梁位移速率为
0.5mm/min，拉伸变形后试样标距的长度记为L1然后将变形后的试样至于873K下保温10min，使试样充分回复，回复后试样标距的长度记为L2。试样的预变形量和形状回复率由公式2-2、2-3计算得到。
测量性能具体见表1，表2。
实施例1：
选取成分为，按质量份计，纯铁66份，金属锰30份，金属硅6份，金属镍1份，金属钛1份。采用真空非自耗电弧炉熔炼，将真空室抽至4.0×10-3Pa至后，向真空室内充惰性气体Ar做为保护气体，为保证合金成分均匀，每个试样熔炼一次后都将其翻面再次熔炼，如此重复熔炼5次，将原料熔炼成均匀、光滑、具有金属光泽的圆锭；用切割机将熔炼好的圆锭切割成若干尺寸(3*3*5mm)小块试样；然后用千叶砂轮将试样表面因切割而引起的高温氧化层打磨掉；最后采用丙酮超声清洗去除试样表面的油污等杂质；将处理好的小块试样分装在石英管内，采用单辊旋淬法，控制喷铸气压为0.04MPa，转速为1400rad/min。制备Fe基记忆合金薄带。测量Fe基记忆合金的断裂伸长率以及抗拉强度和记忆效应，合金各项性能指标见表1，表2。
实施例2：
选取成分为，按质量份计，纯铁68份，金属锰28份，金属硅5份，金属镍1份，金属钛0份。采用真空非自耗电弧炉熔炼，将真空室抽至4.0×10-3Pa至后，向真空室内充惰性气体Ar做为保护气体，为保证合金成分均匀，每个试样熔炼一次后都将其翻面再次熔炼，如此重复熔炼4次，将原料熔炼成均匀、光滑、具有金属光泽的圆锭；用切割机将熔炼好的圆锭切割成若干尺寸(3*3*5mm)小块试样；然后用千叶砂轮将试样表面因切割而引起的高温氧化层打磨掉；最后采用丙酮超声清洗去除试样表面的油污等杂质；将处理好的小块试样分装在石英管内，采用单辊旋淬法，控制喷铸气压为0.05MPa，转速为1300rad/min。制备Fe基记忆合金薄带。测量Fe基记忆合金的断裂伸长率以及抗拉强度和记忆效应，合金各项性能指标见表1，表2。
实施例3：
选取成分为，按质量份计，纯铁70份，金属锰26份，金属硅6份，金属镍2份，金属钛0份。采用真空非自耗电弧炉熔炼，将真空室抽至5.0×10-3Pa至后，向真空室内充惰性气体Ar做为保护气体，为保证合金成分均匀，每个试样熔炼一次后都将其翻面再次熔炼，如此重复熔炼3次，将原料熔炼成均匀、光滑、具有金属光泽的圆锭；用切割机将熔炼好的圆锭切割成若干尺寸(3*3*5mm)小块试样；然后用千叶砂轮将试样表面因切割而引起的高温氧化层打磨掉；最后采用丙酮超声清洗去除试样表面的油污等杂质；将处理好的小块试样分装在石英管内，采用单辊旋淬法，控制喷铸气压为0.03MPa，转速为1500rad/min。制备Fe基记忆合金薄带。测量Fe基记忆合金的断裂伸长率以及抗拉强度和记忆效应，合金各项性能指标见表1，表2。
实施例4：
选取成分为，按质量份计，纯铁72份，金属锰24份，金属硅5份，金属镍4份，金属钛0份。采用真空非自耗电弧炉熔炼，将真空室抽至4.0×10-3Pa至后，向真空室内充惰性气体Ar做为保护气体，为保证合金成分均匀，每个试样熔炼一次后都将其翻面再次熔炼，如此重复熔炼4次，将原料熔炼成均匀、光滑、具有金属光泽的圆锭；用切割机将熔炼好的圆锭切割成若干尺寸(3*3*5mm)小块试样；然后用千叶砂轮将试样表面因切割而引起的高温氧化层打磨掉；最后采用丙酮超声清洗去除试样表面的油污等杂质；将处理好的小块试样分装在石英管内，采用单辊旋淬法，控制喷铸气压为0.04MPa，转速为1400rad/min。制备Fe基记忆合金薄带。测量Fe基记忆合金的断裂伸长率以及抗拉强度和记忆效应，合金各项性能指标见表1，表2。
实施例5：
选取成分为，按质量份计，纯铁74份，金属锰22份，金属硅6份，金属镍6份，金属钛0份。采用真空非自耗电弧炉熔炼，将真空室抽至4.0×10-3Pa至后，向真空室内充惰性气体Ar做为保护气体，为保证合金成分均匀，每个试样熔炼一次后都将其翻面再次熔炼，如此重复熔炼4次，将原料熔炼成均匀、光滑、具有金属光泽的圆锭；用切割机将熔炼好的圆锭切割成若干尺寸(3*3*5mm)小块试样；然后用千叶砂轮将试样表面因切割而引起的高温氧化层打磨掉；最后采用丙酮超声清洗去除试样表面的油污等杂质；将处理好的小块试样分装在石英管内，采用单辊旋淬法，控制喷铸气压为0.04MPa，转速为1400rad/min。制备Fe基记忆合金薄带。测量Fe基记忆合金的断裂伸长率以及抗拉强度和记忆效应，合金各项性能指标见表1，表2。
进行性能测试，相关参数测试结果：
表1合金的断裂伸长率以及抗拉强度
表2合金在不同预变形量条件下的形状恢复率
由上表可知：
实施例成品在断裂伸长率以及抗拉强度都具有较优秀的性能，同时都具有较好的记忆性能。且实施例5的断后伸长率达到4.17％，实施例1的抗拉强度达到262.41/MPa。实施例5在4％得预变形量下，形状回复率达到1.97％。
满足工业生产需求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种低Mn含量的Fe基形状记忆合金，其特征在于其组分及各组分的重量份分别为：纯铁56-74份 金属锰20-30份 金属硅5-7份 金属镍1-6份 金属钛0-1份。
2.一种制备如权利要求所述的低Mn含量的Fe基形状记忆合金的方法，其具体步骤为：
(1)Fe基记忆合金原料的准备
按质量份，纯铁65-75份 金属锰20-30份 金属硅4-8份 金属镍1-6份 金属钛0-1份；
(2)Fe基记忆合金的制备及成型
首先配比称量原料，采用真空非自耗电弧炉熔炼，将真空室抽真空后，向真空室内充惰性气体作为保护气体，将原料熔炼成圆锭；用切割机将熔炼好的圆锭切割成小块试样；然后打磨，最后超声清洗；将处理好的小块试样分装在石英管内，采用单辊旋淬法制备出光滑连续的薄带。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将真空室抽至4.0×10-3至6.0×10-3Pa。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于向真空室内充入的惰性气体为Ar。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于熔炼次数为3-5次。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于单辊旋淬法工艺条件为：控制喷铸气压为0.03-0.05MPa，转速为1300-1500rad/min。
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| CN201810241451.2A Pending CN108486488A (zh) | 2018-03-22 | 2018-03-22 | 一种低Mn含量的Fe基形状记忆合金及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108486488A (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2030501A1 (fr) * | 1989-11-22 | 1991-05-23 | Marc Mantel | Alliage inoxydable a memoire de forme et procede d'elaboration d'un tel alliage |
-
2018
- 2018-03-22 CN CN201810241451.2A patent/CN108486488A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2030501A1 (fr) * | 1989-11-22 | 1991-05-23 | Marc Mantel | Alliage inoxydable a memoire de forme et procede d'elaboration d'un tel alliage |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈伟等: "单辊旋淬法制备含Ｔｉ的Ｆｅ基形状记忆合金的组织与性能", 《功能材料》 * |
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