專利名稱：一種大電流脈沖快速處理鐵基形狀記憶合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形狀記憶合金領(lǐng)域，具體涉及一種大電流脈沖快速處理鐵基形狀記憶合金的方法。用該方法制備的鐵基形狀記憶合金具有高的形狀回復(fù)率和可回復(fù)變形量，具有制造工藝簡單、成本低、處理時間短的優(yōu)點?？稍隍?qū)動機構(gòu)，管接頭等緊固連接元件及傳感元件等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
背景技術(shù)：
形狀記憶效應(yīng)是指變形后的某種材料受熱超過一定溫度時能全部或部分恢復(fù)到原來未變形的形狀。具有這種效應(yīng)的合金稱為形狀記憶合金，它是一種集感知和驅(qū)動于一體的新型功能材料。鐵基形狀記憶合金不僅價格便宜、強度高、加工容易、而且相變點高、熱滯大，在一次性連接緊固元件，特別是管接頭中有著廣泛的應(yīng)用前景。就形狀記憶合金的性能而言，影響管接頭連接工藝和性能的因素有兩個(1)無約束狀態(tài)下形狀記憶合金的可恢復(fù)變形量太小。它對被接管和管接頭加工精度有很高的要求，給工程應(yīng)用造成了很大的困難。而大的可回復(fù)變形量，可降低加工精度要求、增加工藝裕度、簡化連接工藝；(2)約束狀態(tài)下形狀記憶合金加熱后產(chǎn)生的恢復(fù)應(yīng)力的大小。它直接影響到連接后的密封性和抗拉拔性的好壞。目前鐵基形狀記憶合金除可回復(fù)變形量僅為2.5％外，還存在回復(fù)應(yīng)力小(約100MPa)和應(yīng)力松弛的問題。因此該材料并未獲得廣泛應(yīng)用。
目前國內(nèi)外提高鐵基形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)的方法主要有以下幾種(1)合金化處理這種方法主要是利用Mn、Si、Cr、Ni、RE改變合金的Ms、As、Af以及母相的層錯能，提高母相的強度以及降低應(yīng)力誘發(fā)γ→ε馬氏體相變臨界應(yīng)力來促進應(yīng)力誘發(fā)γ→ε馬氏體轉(zhuǎn)變及其逆相變。這種方法可以使鐵基形狀記憶合金的形狀可回復(fù)變形量達3.2％。從工程應(yīng)用的角度看，其形狀可回復(fù)率偏低。并且考慮到合金的使用溫度、合金使用性能的要求以及其價格等因素，其加入量應(yīng)在一定范圍之內(nèi)。
(2)熱-機械循環(huán)訓(xùn)練“熱-機械循環(huán)訓(xùn)練”指變形加中間退火的反復(fù)過程，是提高Fe-Mn-Si系合金形狀記憶效應(yīng)的有效方法之一。它是隨著“熱-機械循環(huán)訓(xùn)練”次數(shù)的增加，合金的形狀恢復(fù)率呈上升趨勢，到達一定訓(xùn)練次數(shù)后，形狀恢復(fù)率達到一較高的穩(wěn)定值。此種方法由于工藝過程煩瑣，要不斷進行形變與中間退火，從工程應(yīng)用的角度來看實施起來比較困難。并且對于有些合金本身具有較好的形狀記憶效應(yīng)，訓(xùn)練的作用就不太顯著。
(3)析出強化在形狀記憶合金基體中彌散析出第二相粒子，可以強化基體，在外力的作用下，可以抑制不可逆的塑性變形的發(fā)生，使合金的變形盡量由應(yīng)力誘發(fā)ε馬氏體來承擔(dān)，從而提高合金的形狀記憶效應(yīng)。通過向Fe-Mn-Si基合金添加少量Nb和C可以大大改進其形狀記憶效應(yīng)，通過時效析出NbC析出物即可獲得良好的形狀恢復(fù)性能。但通過固溶時效處理促使第二相NbC粒子析出一般所用的時間較長，往往會影響生產(chǎn)效率的提高。
電脈沖處理技術(shù)是材料領(lǐng)域新興的處理工藝。國內(nèi)外學(xué)者分別采用外電場介入的方法，研究在外電場作用下，金屬缺陷的自修復(fù)、對金屬回復(fù)再結(jié)晶的影響、對微裂紋的抑制、對金屬超塑性的影響等方面的工作，取得了很多研究成果。但使用大電流脈沖快速處理鐵基形狀記憶合金的研究還鮮有人報道，特別是使用大電流脈沖作用于變形處理的鐵基形狀記憶合金，促進第二相快速析出，從而提高了合金形狀記憶效應(yīng)還未見報道。本發(fā)明通過使用自制的RC充放電脈沖電源設(shè)備，處理了鐵基形狀記憶合金，在60秒以內(nèi)的時間實現(xiàn)了第二相快速析出，使合金的形狀恢復(fù)率得到極大提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大電流脈沖快速處理鐵基形狀記憶合金的制備方法。該方法可使合金獲得高的形狀回復(fù)率和可回復(fù)變形量，并且工藝方法簡單，對材料的形狀限制小，工程應(yīng)用方便，電流脈沖處理時間短，能顯著提高效率。
本發(fā)明可提供絲狀、塊狀、棒狀、管狀等形狀的鐵基形狀記憶合金，其特征在于化學(xué)成分Mn14～30％，Si3～7％，Cr7～12％，Ni4～6％，C0.01～0.2％，Nb0.1～2％(均為質(zhì)量百分比)，余量為鐵。與現(xiàn)有鐵基形狀記憶合金的制備方法相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)本發(fā)明是利用大電流脈沖快速處理鐵基形狀記憶合金塊體材料，其處理的每一個脈沖能量可調(diào)，電學(xué)參數(shù)中電容為10～10000μF，電壓為1～600v，脈沖頻率0.5～500Hz。因此，可以通過靈活地控制脈沖電流密度、脈寬、脈沖頻率和脈沖次數(shù)，分別對不同成分和不同形狀的鐵基形狀記憶合金部件進行處理，從而大大改善了處理的效果，縮短了處理的時間，提高了生產(chǎn)效率。
2)本發(fā)明中的大電流脈沖在快速處理鐵基形狀記憶合金材料時，對材料不僅有熱效應(yīng)的作用，同時還有電和磁效應(yīng)。與常規(guī)熱處理方法相比，在這些效應(yīng)綜合作用下，鐵基形狀記憶合金材料的形狀恢復(fù)率和可回復(fù)變形量，有了較大幅度的提高。
3)通過利用大電流脈沖快速處理此類合金材料，促進第二相的析出來提高合金的形狀回復(fù)率和可回復(fù)變形量。此方法簡化了鐵基形狀記憶合金的處理工藝，縮短了處理的時間，并且不需要昂貴的特殊設(shè)備，成本較低。


圖1為預(yù)拉伸5％在熱處理爐中800℃時效30分鐘的鐵基形狀記憶合金的金相組織；圖2為本發(fā)明實施例1大電流脈沖快速作用于預(yù)拉伸5％的鐵基形狀記憶合金后的金相組織；具體實施方式
下面給出實施例，以對本發(fā)明作進一步說明。值得指出的是，給出的實施例不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容對本發(fā)明作出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整仍應(yīng)屬于本發(fā)明保護范圍。
實施例1根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn30％，Si3％，Cr7％，Ni4％，C0.2％，Nb2％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)，采用工業(yè)純鐵、金屬錳、金屬硅、金屬鉻、電解鎳、石墨、鈮鐵為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉、然后澆注獲得鑄錠，鑄錠尺寸為φ78×160mm，重5.5Kg。為了消除鑄錠的成分不均勻性，鑄錠先經(jīng)～1100℃均勻化退火15小時，車掉表面氧化皮后，在始鍛溫度1100℃下熱鍛成Φ15mm的圓棒。仍在始鍛溫度1100℃下經(jīng)3次旋錘成Φ3.5mm的絲材。Φ3.5mm的絲材經(jīng)8道冷拉(中間退火工藝為1273K×10min)成Φ1.5mm的絲材。剪取140mm長的絲材20根，然后裝在直管內(nèi)在1100℃下保溫30分鐘后，淬入冷水中，制得定形后的絲材以備用。將定形后的絲材預(yù)拉伸5％，再裝夾在RC充放電脈沖電源設(shè)備的兩極，調(diào)整電容C＝4000μF，脈沖頻率f＝1Hz，電壓U＝300V。讓脈沖電流作用于絲材上，電流脈沖作用10秒鐘后測絲材獲得了的形狀恢復(fù)率為78％(彎曲變形量為5％時)，比沒有經(jīng)過電流脈沖處理的形變絲材的50％，提高了56％，可回復(fù)變形量為3.9％。與在熱處理爐中800℃時效30分鐘的形變絲材的形狀恢復(fù)率71.2％(彎曲變形量為5％時)相比，有一定程度的提高，且電流脈沖處理時間很短，只有10秒鐘。
實施例2根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn為14％，Si為5％，Cr為12％，Ni為6％，C為0.01％，Nb為0.1％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)配備好，采用工業(yè)純鐵、金屬錳、金屬硅、金屬鉻、電解鎳、石墨為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉、然后澆注獲得鑄錠，鑄錠尺寸為φ78×155mm，重5.4Kg。為了消除鑄錠的成分不均勻性，鑄錠先經(jīng)～1100℃均勻化退火15小時，車掉表面氧化皮后，在始鍛溫度1100℃下熱鍛成Φ15mm的圓棒。仍在始鍛溫度1100℃下經(jīng)3次旋錘成Φ3.5mm的絲材。Φ3.5mm的絲材經(jīng)8道冷拉(中間退火工藝為1273K×10min)成Φ1.5mm的絲材。剪取140mm長的絲材20根，然后裝在直管內(nèi)在1100℃下保溫30分鐘后，淬入冷水中，制得定形后的絲材以備用。將定形后的絲材預(yù)拉伸15％，再裝夾在RC充放電脈沖電源設(shè)備的兩極，調(diào)整電容C＝10000μF，脈沖頻率f＝500Hz，電壓U＝1V。讓脈沖電流作用于絲材上，電流脈沖作用9秒鐘后的絲材獲得的形狀恢復(fù)率82％(彎曲變形量為5％時)，比沒有經(jīng)過電流脈沖處理的形變絲材的52％，提高了58％，可回復(fù)變形量為4.1％。
實施例3根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn為17％，Si為7％，Cr為8％，Ni為5％，C為0.1％，Nb為1％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)配備好，采用工業(yè)純鐵、金屬錳、金屬硅、金屬鉻、電解鎳、石墨、鈮鐵為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉、然后澆注獲得鑄錠，鑄錠尺寸為φ78×165mm，重5.6Kg。為了消除鑄錠的成分不均勻性，鑄錠先經(jīng)～1100℃均勻化退火15小時，車掉表面氧化皮后，在始鍛溫度1100℃下熱鍛成Φ15mm的圓棒。仍在始鍛溫度1100℃下經(jīng)3次旋錘成Φ3.5mm的絲材。Φ3.5mm的絲材經(jīng)8道冷拉(中間退火工藝為1273K×10min)成Φ1.5mm的絲材。剪取140mm長的絲材20根，然后裝在直管內(nèi)在1100℃下保溫30分鐘后，淬入冷水中，制得定形后的絲材以備用。將定形后的絲材預(yù)拉伸10％，再裝夾在RC充放電脈沖電源設(shè)備的兩極，調(diào)整電容C＝5000μF，脈沖頻率f＝0.5Hz，電壓U＝600V。讓脈沖電流作用于絲材上，電流脈沖作用10秒鐘后絲材獲得的形狀恢復(fù)率85％(彎曲變形量為5％時)，比沒有經(jīng)過電流脈沖處理的形變絲材的46.6％，提高了82.4％，可回復(fù)變形量為4.25％。
實施例4根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn為18％，Si為6％，Cr為10％，Ni為5％，C為0.05％，Nb為0.5％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)配備好，采用工業(yè)純鐵、金屬錳、金屬硅、金屬鉻、電解鎳、石墨、鈮鐵為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉、然后澆注獲得鑄錠，鑄錠尺寸為φ78×160mm，重5.5Kg。為了消除鑄錠的成分不均勻性，鑄錠先經(jīng)～1100℃均勻化退火15小時，車掉表面氧化皮后，在始鍛溫度1100℃下熱鍛成Φ15mm的圓棒。仍在始鍛溫度1100℃下經(jīng)3次旋錘成Φ3.5mm的絲材。Φ3.5mm的絲材經(jīng)8道冷拉(中間退火工藝為1273K×10min)成Φ1.5mm的絲材。剪取140mm長的絲材20根，然后裝在直管內(nèi)在1100℃下保溫30分鐘后，淬入冷水中，制得定形后的絲材以備用。將定形后的絲材預(yù)拉伸1％，再裝夾在RC充放電脈沖電源設(shè)備的兩極，調(diào)整電容C＝10μF，脈沖頻率f＝400Hz，電壓U＝600V。讓脈沖電流作用于絲材上，電流脈沖作用8秒鐘后絲材獲得的形狀恢復(fù)率70％(彎曲變形量為5％時)，比沒有經(jīng)過電流脈沖處理的形變絲材的48％，提高了46％，可回復(fù)變形量為3.5％。
實施例5根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn為17％，Si為6％，Cr為10％，Ni為5％，C為0.1％，Nb為1％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)配備好，采用工業(yè)純鐵、金屬錳、金屬硅、金屬鉻、電解鎳、石墨、鈮鐵為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉、然后澆注獲得鑄錠，鑄錠尺寸為φ78×160mm，重5.5Kg。為了消除鑄錠的成分不均勻性，鑄錠先經(jīng)～1100℃均勻化退火15小時，車掉表面氧化皮后，在始鍛溫度1100℃下熱鍛成Φ15mm的圓棒。仍在始鍛溫度1100℃下經(jīng)3次旋錘成Φ3.5mm的絲材。Φ3.5mm的絲材經(jīng)8道冷拉(中間退火工藝為1273K×10min)成Φ1.5mm的絲材。剪取140mm長的絲材20根，然后裝在直管內(nèi)在1100℃下保溫30分鐘后，淬入冷水中，制得定形后的絲材以備用。將定形后的絲材預(yù)拉伸10％，再裝夾在RC充放電脈沖電源設(shè)備的兩極，調(diào)整電容C＝5000μF，脈沖頻率f＝1Hz，電壓U＝300V。讓脈沖電流作用于絲材上，電流脈沖作用10秒鐘后絲材獲得的形狀恢復(fù)率85％(彎曲變形量為5％時)，比沒有經(jīng)過電流脈沖處理的形變絲材的47％，提高了81％，可回復(fù)變形量為4.25％。
實施例6根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn22％，Si4％，Cr6％，Ni5％，C0.05％，Nb0.6％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)，采用工業(yè)純鐵、金屬錳、金屬硅、金屬鉻、電解鎳、石墨、鈮鐵為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉、然后澆注獲得鑄錠，鑄錠尺寸為φ78×156mm，重5.4Kg。為了消除鑄錠的成分不均勻性，鑄錠先經(jīng)～1100℃均勻化退火15小時，車掉表面氧化皮后，在始鍛溫度1100℃下熱鍛成Φ15mm的圓棒。仍在始鍛溫度1100℃下經(jīng)3次旋錘成Φ3.5mm的絲材。Φ3.5mm的絲材經(jīng)8道冷拉(中間退火工藝為1273K×10min)成Ф1.5mm的絲材。剪取140mm長的絲材20根，然后裝在直管內(nèi)在1100℃下保溫30分鐘后，淬入冷水中，制得定形后的絲材以備用。將定形后的絲材預(yù)拉伸5％，再裝夾在RC充放電脈沖電源設(shè)備的兩極，調(diào)整電容C＝4000μF，脈沖頻率f＝5Hz，電壓U＝200V。讓脈沖電流作用于絲材上，電流脈沖作用6秒鐘后測絲材獲得了的形狀恢復(fù)率為76％(彎曲變形量為5％時)，比沒有經(jīng)過電流脈沖處理的形變絲材的48％，提高了58％，可回復(fù)變形量為3.8％。
權(quán)利要求
1.一種大電流脈沖快速處理鐵基形狀記憶合金的方法，其特征在于所處理合金的化學(xué)成分為Mn14～30％，Si3～7％，Cr7～12％，Ni4～6％，C0.01～0.2％，Nb0.1～2％(均為質(zhì)量百分比)，余量為鐵，將該合金預(yù)變形后通過大電流脈沖處理，作用時間在60秒鐘之內(nèi)即可促進第二相快速析出，從而顯著提高材料的形狀記憶效應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述大電流脈沖快速處理鐵基形狀記憶合金的一種方法，其特征在于經(jīng)60秒鐘的電流脈沖處理時間后，通過合金中析出一定量的NbC第二相，使形狀回復(fù)率由40％提高到80％以上(彎曲預(yù)變形量為5％時)，可回復(fù)變形量可達4.0％以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述大電流脈沖快速處理鐵基形狀記憶合金的一種方法，其特征在于此鐵基形狀記憶合金經(jīng)預(yù)變形(1％～15％)后，再進行大電流脈沖快速處理，從而顯著提高此鐵基形狀記憶合金的形狀回復(fù)率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述大電流脈沖快速處理鐵基形狀記憶合金的一種方法，其特征在于所用RC充放電脈沖電源設(shè)備的每個脈沖能量可調(diào)，電學(xué)參數(shù)中電容為10～10000μF，電壓為50～600V，脈沖頻率0.5～500Hz，脈沖電流密度1000～10000A/mm2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大電流脈沖快速處理鐵基形狀記憶合金的方法。通過使用自制的RC充放電脈沖設(shè)備產(chǎn)生大電流脈沖，處理了鐵基形狀記憶合金。在60秒以內(nèi)的時間實現(xiàn)了第二相快速析出，使合金的形狀恢復(fù)率得到很大提高。采用RC充放電脈沖電源設(shè)備，通過調(diào)節(jié)電容量(10～10000μF)，電壓值(50～600V)，脈沖頻率(0.5～500Hz)，可以控制脈沖的電流密度、脈寬、脈沖頻率和脈沖次數(shù)，在60s鐘以內(nèi)促使形變鐵基形狀記憶合金第二相的大量析出，使形狀恢復(fù)率由47％提高到80％以上(彎曲變形量為5％時)，可回復(fù)變形量提高到4.0％以上，處理時間比常規(guī)熱處理爐中800℃時效30分鐘大大縮短。本發(fā)明處理設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，處理工藝新穎、效率高、具有廣闊的工程應(yīng)用前景，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧霞庸し椒ā?br> 文檔編號C22C30/00GK101092679SQ20071004956
公開日2007年12月26日 申請日期2007年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者李寧, 楊世洲, 文玉華, 劉文博, 張偉 申請人:四川大學(xué)