CN1752257A

CN1752257A - 一种微米晶铁基形状记忆合金块材的制备方法

Info

Publication number: CN1752257A
Application number: CN 200510021804
Authority: CN
Inventors: 李宁; 张伟; 文玉华; 黄姝珂
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2005-10-08
Filing date: 2005-10-08
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2025-10-08
Also published as: CN100343406C

Abstract

本发明公开了一种微米晶铁基形状记忆合金块材及其制备方法。采用通道转角为90～120°的等通道转角挤压工艺，将铁基形状记忆合金坯料在100℃～500℃进行等通道转角挤压，挤压可进行多道次。挤压后的坯料经500℃～900℃退火，最终获得力学性能和形状记忆效应良好的微米晶铁基形状记忆合金块材。本方法制备的微米晶铁基形状记忆合金块材，与该合金固溶态相比，晶粒尺寸由约100μm细化至0.2～5μm，屈服强度提高了2～3倍。可回复应变量达到8.0％，室温回复应力达到550MPa，是固溶态的2～3倍。每次挤压后试样尺寸不变，可重复挤压多道次。不需要昂贵的特殊设备，所以成本较低。

Description

一种微米晶铁基形状记忆合金块材的制备方法

技术领域

本发明涉及形状记忆合金领域，具体涉及一种微米晶铁基形状记忆合金块材的制备方法。用该方法制备的微米晶铁基形状记忆合金具有屈服强度、形状回复率、可回复应变量和回复应力高，制造工艺简单和成本低的优点。可在驱动机构，管接头等紧固连接元件及传感元件等领域获得应用。

背景技术

形状记忆效应是指变形后的某种材料受热超过一定温度时能全部或部分恢复到原来未变形的形状。具有这种效应的合金称为形状记忆合金，它是一种集感知和驱动于一体的新型功能材料。铁基形状记忆合金不仅价格便宜、强度高、加工容易、而且相变点高、热滞大，在一次性连接紧固元件，特别是管接头中有着广泛的应用前景。就形状记忆合金的性能而言，影响管接头连接工艺和性能的因素有两个：(1)无约束状态下形状记忆合金(shape memory alloy，简称SMA)的可恢复变形量大小。它直接影响到对被接管和管接头尺寸精度的要求，大的可回复变形量增加工艺裕度，简化连接工艺；(2)约束状态下SMA加热后产生的恢复应力的大小。它直接影响到连接后的密封性和抗拉拔性的好坏。目前铁基SMA除可回复变形量仅为4％外，还存在回复应力小(约300MPa)和应力松弛的问题，因此并未获得广泛应用。要获得好的SME应：

(1)提高奥氏体基体的屈服强度σs与应力诱发γ→ε马氏体相变临界应力σt之间的差值Δσ。Δσ越高，表明应力诱发γ→ε马氏体相变越容易发生，塑性变形越不容易引入，因而SME越好；

(2)使应力诱发ε马氏体以薄片状的形态均匀分布于奥氏体基体中，且不同位向之间的马氏体尽量不发生穿越约束下要获得高的回复应力，应满足：

(1)无约束下有好的SME；

(2)合金基体的屈服强度足够高。约束加热及冷却恢复过程中产生的回复应力如果大于基体的屈服强度，基体将产生塑性变形，导致回复应力的松弛。

(3)应力诱发γ→ε马氏体相变的最高温度M_d低于使用温度，避免由于回复应力诱发γ→ε马氏体相变而导致的应力松弛。

研究结果表明提高铁基SMA基体的屈服强度对合金回复应力的提高比提高合金SME(shape memory effect，简称SME)的作用要显著的多。因此要想在提高可回复变形量的同时，又能显著提高回复应力，最佳的途径是显著提高基体的屈服强度σs，增大其与应力诱发γ→ε马氏体相变临界应力σt之间的差值Δσ。合金化和时效等强化方法虽可达到一定的效果，但不显著。

根据Hall-Patch公式可知，晶粒细化是提高合金强度的一种有效方法。目前可通过快速凝固、喷射沉积、机械合金化和形变热处理等方法来获得超细晶粒材料。研究者通过快淬的方法在铁基形状记忆合金中获得了1.5μm～5μm的超细晶粒薄膜，合金在弯曲变形10％时获得了5％的可回复变形量，是目前铁基形状记忆合金在不经过其他训练处理所能达到的最好水平。TEM观察表明晶粒细化后，应力诱发γ→ε马氏体以单一位向的变体均匀分布在基体中，这正是其具有较高SME的原因。可是通过快淬的方法只能获得二维的小块样，难以获得实际应用。但该研究结果指明晶粒细化能显著提高铁基SMA的性能。喷射沉积和机械合金化的方法也可得到超细晶粒，但这样制备三维大块材料时存在大量微孔隙和杂质。通过大变形加退火的形变热处理也可获得超细晶粒，但除存在对变形前材料的体积有较大要求和不能反复变形的缺点外，对设备的要求也高，成本贵。

最近发展的等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing，简称ECAP)技术能明显细化多晶材料的晶粒，获得超细晶结构(亚微米或纳米级)材料。ECAP技术是利用两个相交的等截面积通道组成的挤压模具，使块状材料以纯剪切方式实现大塑性变形的金属成形工艺(见附图1)。在挤压过程中，与模具中的通道紧密配合且与模壁润滑良好的试样在压力P的作用下，在通过两通道的交叉处时经受近似理想的纯剪切变形。目前该技术已在Ti-Al合金、Al-Mg合金、Al-Cu合金，低碳钢和铁素体不锈钢等中获得了0.1μm～1μm的超细晶粒，并用该技术成功地加工了航天工业和汽车工业用高强度钛合金螺纹。该技术能采用现有的常规设备，低成本大量的制备细晶铁基形状记忆合金块材。但目前国内外都还没有用ECAP技术加工微米晶铁基SMA的研究报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种微米晶铁基形状记忆合金块材的制备方法。该方法可使合金获得较高的可回复应变和回复应力，并提高其力学性能。

本发明提供的微米晶铁基形状记忆合金块材，其特征在于化学成分14～30％，Si4～6％，Cr5～12％，Ni4～6％，C0.01～0.2％(均为质量百分比)，余量为铁，奥氏体晶粒为微米细晶，平均晶粒尺寸0.2～5μm。与现有铁基形状记忆合金和制备方法相比，本发明具有如下优点：

1)获得块状微米晶铁基形状记忆合金，可回复应变量达到8％，屈服强度达到660Mpa，回复应力达到550Mpa。

2)首次将等通道转角挤压工艺(ECAP)应用于铁基形状记忆合金，坯料在等通道中挤压时，转角处受近似纯剪切应力作用，尺寸不变，可重复挤压多次。不需要昂贵的特殊设备，所以成本较低。

3)挤压后在500℃～900℃退火，获得平均晶粒尺寸大小在0.2～5μm之间的块状铁基形状记忆合金。

附图说明

图1为本发明采用等通道转角挤压模具示意图；

图2为本发明实施例1挤压态铁基形状记忆合金金相图及其电子衍射花样；

图3为本发明实施例1退火后微米晶铁基形状记忆合金金相图；

图4为本发明实施例1中固溶态铁基形状记忆合金金相图；

图5为本发明实施例2退火后微米晶铁基形状记忆合金金相图；

具体实施方式

下面给出实施例，以对本发明作进一步说明。值得指出的是，给出的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明保护范围。

实施例1

根据设计的成分配方Mn30％，Si6％，Cr5％，Ni3％(余量为铁，均为质量百分比)，采用电解锰、结晶硅、电解铬、电解镍和电工纯铁为原料，在感应电炉中熔炼获得铸锭，将铸锭在～1100℃，保温20小时均匀化退火。铸锭热锻成直径15mm棒材，始锻温度1100℃。棒材在1100℃固溶处理30分钟后，机加工成直径12mm，长85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。将坯料表面包裹0.2mm厚石墨纸，放入转角为120°的模具中加热至300℃，保温10分钟后挤压，挤压两道次。挤压后坯料在600℃退火30分钟，即获得微米晶铁基形状记忆合金。本实施例制备的铁基形状记忆合金平均晶粒尺寸约5μm，可回复应变达到6.5％，回复应力460Mpa。与该合金固溶态晶粒尺寸约100μm，可回复应变2.2％，回复应力175MPa相比，性能显著提高。

实施例2

根据设计的成分配方Mn为18％，Si为5％，Cr为8％，Ni为4％(余量为铁，均为质量百分比)配备好，采用电解锰、结晶硅、电解铬、电解镍和电工纯铁为原料，在感应电炉中熔炼获得铸锭，将铸锭在～1150℃，保温20小时均匀化退火。铸锭热锻成直径15mm棒材，始锻温度1150℃。棒材在1100℃固溶处理30分钟后，机加工成直径12mm，长85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。将坯料表面包裹0.2mm厚石墨纸，放入转角90°的模具中加热至300℃，保温10分钟后挤压，挤压两道次。挤压后坯料在600℃退火30分钟，即获得微米晶铁基形状记忆合金。本实施例制备的铁基形状记忆合金平均晶粒尺寸约2μm，可回复应变达到8.5％，回复应力470Mpa。与该合金固溶态晶粒尺寸约100μm，可回复应变4.5％，回复应力210MPa相比，性能显著提高。

实施例3

根据设计的成分配方Mn为15％，Si为4％，Cr为12％，Ni为6％，C为0.2％(余量为铁，均为质量百分比)配备好，采用电解锰、结晶硅、电解铬、电解镍和电工纯铁为原料，在感应电炉中熔炼获得铸锭，将铸锭在～1150℃，保温20小时均匀化退火。铸锭热锻成直径15mm棒材，始锻温度1100℃。棒材在1100℃固溶处理30分钟后，机加工成直径12mm，长85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。将坯料表面包裹0.2mm厚石墨纸，放入转角120°的模具中加热至500℃，保温10分钟后挤压，挤压两道次。挤压后坯料在500℃退火30分钟，即获得微米晶铁基形状记忆合金。本实施例制备的铁基形状记忆合金平均晶粒尺寸约2.5μm，可回复应变达到7.5％，回复应力490Mpa。与该合金固溶态晶粒尺寸约100μm，可回复应变4.0％，回复应力260MPa相比，性能显著提高。

实施例4

根据设计的成分配方Mn为18％，Si为5％，Cr为8％，Ni为4％(余量为铁，均为质量百分比)配备好，采用电解锰、结晶硅、电解铬、电解镍和电工纯铁为原料，在感应电炉中熔炼获得铸锭，将铸锭在～1150℃，保温20小时均匀化退火。铸锭热锻成直径15mm棒材，始锻温度1100℃。棒材在1100℃固溶处理30分钟后，机加工成直径12mm，长85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。将坯料表面包裹0.2mm厚石墨纸，放入转角120°的模具中加热至300℃，保温10分钟后挤压，挤压5道次。挤压后坯料在900℃退火30分钟，即获得微米晶铁基形状记忆合金。本实施例制备的铁基形状记忆合金平均晶粒尺寸约3.0μm，可回复应变达到6.0％，回复应力430Mpa。与该合金固溶态晶粒尺寸约100μm，可回复应变4.5％，回复应力210MPa相比，性能显著提高。

实施例5

根据设计的成分配方Mn为18％，Si为5％，Cr为8％，Ni为4％(余量为铁，均为质量百分比)配备好，采用电解锰、结晶硅、电解铬、电解镍和电工纯铁为原料，在感应电炉中熔炼获得铸锭，将铸锭在～1150℃，保温20小时均匀化退火。铸锭热锻成直径15mm棒材，始锻温度1100℃。棒材在1100℃固溶处理30分钟后，机加工成直径12mm，长85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。将坯料表面包裹0.2mm厚石墨纸，放入转角90°的模具中加热至300℃，保温10分钟后挤压，挤压8道次。挤压后坯料在700℃退火30分钟，即获得微米晶铁基形状记忆合金。本实施例制备的铁基形状记忆合金平均晶粒尺寸0.2μm，可回复应变达到8.0％，回复应力550Mpa。与该合金固溶态晶粒尺寸约100μm，可回复应变4.5％，回复应力210MPa相比，性能显著提高。

实施例6

根据设计的成分配方Mn为14％，Si为4％，Cr为12％，Ni为8％(余量为铁，均为质量百分比)配备好，采用电解锰、结晶硅、电解铬、电解镍和电工纯铁为原料，在感应电炉中熔炼获得铸锭，将铸锭在～1150℃，保温20小时均匀化退火。铸锭热锻成直径15mm棒材，始锻温度1100℃。棒材在1100℃固溶处理30分钟后，机加工成直径12mm，长85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。将坯料表面包裹0.2mm厚石墨纸，放入转角110°的模具中加热至100℃，保温10分钟后挤压，挤压三道次。挤压后坯料在600℃退火30分钟，即获得微米晶铁基形状记忆合金。本实施例制备的铁基形状记忆合金平均晶粒尺寸2μm，可回复应变达到7.5％，回复应力540Mpa。与该合金固溶态晶粒尺寸约100μm，可回复应变3.5％，回复应力200MPa相比，性能显著提高。

Claims

1、一种微米晶铁基形状记忆合金的制备方法，其特征在于该合金含有Fe、Mn、Si等元素，并包含Cr、Ni、C等元素中的一种或多种，其特征在于化学成分Mn10～35％，Si3～7％，Cr0～12％，Ni0～8％，C0.01～0.2％(均为质量百分比)，余量为铁，奥氏体晶粒为微米细晶，平均晶粒尺寸大小0.2～5μm。

2、一种权利要求1所述铁基形状记忆合金的制备方法，其特征在于将锻造开坯的型材进行不同温度下的等通道转角挤压，挤压可重复进行多道次，挤压后的合金经不同温度退火，最终获得力学性能和形状记忆效应良好的微米晶铁基形状记忆合金块材。

3、根据权利要求1所述的微米晶铁基形状记忆合金块材，其特征在于该合金的化学成分Mn14～30％，Si4～6％，Cr5～12％，Ni4～6％，C0.01～0.2％(均为质量百分比)，余量为铁。

4、根据权利要求1和2所述的微米晶铁基形状记忆合金块材的制备方法，其特征在于奥氏体晶粒为微米细晶，平均晶粒尺寸大小0.2～5μm。

5、根据权利要求2所述的形状记忆合金块材的制备方法，其特征在于等通道挤压模具的转角为90～120°，挤压温度为100℃～500℃。

6、根据权利要求2和5所述一种微米晶铁基形状记忆合金块材的制备方法，其特征在退火温度为500℃～900℃。