CN113637921A - 一种Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种Fe‑Ni‑Co‑Al‑Mo超弹性合金及其制备方法，该超弹性合金的表达式为FeaNibCocAldMoe，合金表达式中a,b,c,d,e分别表示各对应主元的原子百分比含量，且满足以下条件：a为40～60，b为28～40，c为10～20，d为10～16，e为1～10，a+b+c+d+e＝100。该合金的制备方法中包括熔炼、轧制、固溶和时效处理。本发明的超弹性合金通过调整每种主元素的含量、热处理方式和时间来调控析出相的大小和体积分数，以获得优良的超弹性。本发明的超弹性合金可回复应变量可达1.5％，展现出良好的超弹性。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有超弹性的Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金及其制备方法，属于铁基超弹性合金材料技术领域。
背景技术
超弹性合金在航空航天材料、船舶减震材料和嵌入式外科医学材料等方面有着重要的应用。目前发展较为成熟的超弹性合金主要有Cu基、Ti基和Fe基超弹性合金。其中Cu基和 Ti基超弹性合金已经拥有几十年丰富的发展历程，而相对于性能和成本都更加优异的Fe基超弹性合金则是从本世纪开始被研究人员发现并加以研究。铁基超弹性合金，如FeMnAl基和 FeNiCoAl基超弹性合金，相对于传统的NiTi基超弹性合金有着成本低、机械性能优异、加工性能良好等优点，引起了广泛的研究关注。因此铁基形状记忆合金已经有相当一部分应用于生活实际中，并且众学者还在致力于将新开发的铁基记忆合金投入生产应用中。Fe基合金的超弹性实验当中，一般超弹性都不佳，因为一般Fe基合金中的马氏体转变通常为非热弹性马氏体转变，而要获得好的超弹性性能，热弹性马氏体相变是不可或缺的条件。2010年，Tanaka 等报道出Fe-28Ni-17Co-11.5Al-2.5Ta-0.05B(at％)形状记忆合金具有热弹性马氏体相变，并且具有高超弹性应变、高硬度、高强度、高阻尼性能和良好的冷加工性能，其最大可回复应变高达13.5％。根据铁基超弹性合金的发展历程，可以看出，业界努力通过调控成分或优化工艺得到热弹性马氏体相变而致力于得到大的室温超弹性应变。与Fe-Ni-Co-Al-Ta-B超弹性合金不同的是，通过在Fe-Ni-Co-Al系合金中添加Mo来促进纳米析出相的形成，从而在合理的热处理工艺下获得热弹性马氏体相变，进而在合金工作过程当中通过应力诱发马氏体相变实现超弹性。
公开号CN 103509988 A的发明专利申请公开了一种具有超弹性的多晶Fe-Ni-Co-Al-Nb-B 形状记忆合金及其制备方法。该合金的原子百分含量为：Fe 30～50％、Ni 28～40％、Co 10～30％、 Al 8～15％、Nb 1～4％和B 0.1～3％。该发明得到的形状记忆合金最大可回复应变量可达10.5％，具有优良的超弹性。本发明在成分上与该发明不同，并且没有添加抑制β相析出的B元素。本发明依靠元素Mo为析出相促进元素，显著提高了FeNiCoAl基合金的超弹性，也让其强度、塑性和可加工性能有所改善。
公开号CN 103233159 A的发明专利申请公开了一种多晶铁基形状记忆超弹性合金及其制备方法。该合金的原子百分含量为：Fe 55～65％、Ni 25～30％、Al 10～13％、Ta0.8～1％以及一些不可避免的杂质。该发明的多晶铁基超弹性合金具有可回复应变量大、超弹性好、强度高及可加工性好等特点。本发明在合金成分上与该合金不同，除了最少量元素为Mo外还添加了 Co元素，使合金能够析出大量纳米相形成强化，使马氏体相变变成热弹性马氏体相变，从而实现超弹性。
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铁基超弹性合金的成分设计。
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铁基超弹性合金的制备方法。
为了解决第一个技术问题，本发明提出一种超弹性优良的铁基超弹性合金，成分为 FeaNibCocAldMoe，合金表达式中a,b,c,d,e分别表示各对应主元的原子百分比含量，且满足以下条件：a为40～60，b为28～40，c为10～20，d为10～16，e为1～10，a+b+c+d+e＝100。
为了解决第二个技术问题，本发明提出了一种制备上述铁基超弹性合金的方法，该制备方法包括熔炼、轧制、固溶和时效处理工艺。
上述Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金的制备方法，其特征在于该方法包含一下制备工艺：
(1)选取工业上使用的纯金属原料金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属钼，按照原子百分比含量Fe 40～60％、Ni 28～40％、Co 10～20％、Al 10～16％、Mo 1～10％进行配料，熔炼成型过程在真空或惰性气体保护中进行。熔炼过程当中需要将金属溶液充分混合以保证成分足够均匀。
(2)将铸件加热到900～1300℃保温1～3h来使铸件均匀化，然后在900～1300℃下进行 0％～70％小变形量的热轧，待冷却至室温后进行≥90％大变形量的冷轧。
(3)轧制后的材料在800～1300℃下固溶处理0～20h,待冷却到室温后再在500～700℃时效处理0.5～100h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
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，能够很好的产生热弹性马氏体相变，能促使合金母相中析出有序的沉淀析出相，增加合金的强度和超弹性，还能有效的改善合金延展性。通过合理的轧制过程来获得强织构来增加合金的强度和超弹性。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回复形变，从而得到具有超弹性和高强度的铁基超弹性合金。
附图说明
图1是本发明的Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金时效5h后在室温下加载-卸载的应力-应变曲线；
图2是本发明的Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金时效5h后利用光学显微镜观察到的显微组织。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1
选取工业上使用的纯金属原料金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属钼，按照原子百分比含量Fe 41.5％、Ni 28％、Co 17％、Al 11.5％、Mo 2％进行配料，采用真空非自耗电弧炉在氩气保护下进行熔炼，熔炼过程中利用磁搅拌技术使金属溶液混合均匀，熔炼过程中将合金反复熔炼5次，最后进行吸铸成柱状件。将铸件加热到1200℃均匀化2h后水冷，在室温下从20mm热轧至2mm。将轧制后的试样600℃时效5h后水冷。
本实例中制得的多晶Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金在室温下加载-卸载所得的应力-应变曲线见附图1。从附图1所示的应力-应变曲线当中可以看出，该成分的多晶Fe-Ni-Co-Al-Mo 超弹性合金在室温下具有1.5％的可回复应变量。
本发明公开一种Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金及其制备方法，该超弹性合金的表达式为 FeaNibCocAldMoe，合金表达式中a,b,c,d,e分别表示各对应主元的原子百分比含量，且满足以下条件：a为40～60，b为28～40，c为10～20，d为10～16，e为1～10，a+b+c+d+e＝100。该合金的制备方法中包括熔炼、轧制、固溶和时效处理。本发明的超弹性合金通过调整每种主元素的含量、热处理方式和时间来调控析出相的大小和体积分数，以获得优良的超弹性。本发明的超弹性合金可回复应变量可达1.5％，展现出良好的超弹性。
Claims (5)
1.一种Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金，其特征在于，该超弹性合金的表达式为FeaNibCocAldMoe，合金表达式中a,b,c,d,e分别表示各对应主元的原子百分比含量，且满足以下条件：a为40～60，b为28～40，c为10～20，d为10～16，e为1～10，a+b+c+d+e＝100，该合金的制备方法中包括熔炼、轧制、固溶和时效处理。
2.一种权利要求1所述的Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照超弹性合金中各元素的原子百分比，选取金属铁、金属镍、金属钴、金属铝、金属钼经熔炼成合金铸件；
(2)热轧和冷轧；
(3)热处理。
3.根据权利要求2所述的Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述熔炼成型过程在真空或惰性气体保护中进行，熔炼过程当中需要将金属溶液充分混合以保证成分足够均匀。
4.根据权利要求2所述的Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的轧制条件为：将铸件加热到900～1300℃保温1～3h使铸件均匀化，然后在900～1300℃下进行0％～70％小变形量的热轧，待冷却至室温后进行≥80％大变形量的冷轧。
5.根据权利要求2所述的Fe-Ni-Co-Al-Mo超弹性合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述热处理的工艺为：在800～1300℃下固溶处理0～20h,待到室温后，再在500～700℃时效处理0.5～100h。
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