專利名稱：稀土鐵基高溫形狀記憶合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形狀記憶合金，尤其是一種能用于250℃以上高溫動(dòng)作傳感器的稀土鐵基高溫形狀記憶合金，屬于冶金專業(yè)中的形狀記憶合金領(lǐng)域。
在現(xiàn)有技術(shù)的鐵基形狀記憶合金中，含有以Mn、Si、和Fe等主要合金元素，通常都以其使用場(chǎng)合和要求的不同來(lái)確定選用的元素成分，主要用于管接頭和緊固件，經(jīng)專利文獻(xiàn)檢索尚未發(fā)現(xiàn)有添加稀土制作成能用于250℃以上溫度動(dòng)作的鐵基形狀記憶合金。如中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?2100414.1低鎳鉻、鐵錳硅系形狀記憶合金，其合金的組分為(wt％)，Mn22～28 Si2.5～5 C0.02～0.06 Ni1～3.5Cr0.8～4，Ni和Cr的總量2.3～5。該專利申請(qǐng)文件中記載了“用于緊固件和溫度傳感元件”。
又如中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?1111423.8鐵基稀土記憶合金，則提出不含Ni，Cr，但含有Al的鐵基稀土形狀記憶合金，其成分范圍為(wt％)，Mn15～35Si0.2～6.5 Cr0.5～3 Al0.2～8 C＜0.9以及稀土元素La，Ce，Pr，Pm......等一種或兩種以上，含量為0.008～0.09。
上述技術(shù)中，專利申請(qǐng)?zhí)枮?2100414.1技術(shù)雖然能用于溫度傳感元件，但使用溫度較低，Af僅為小于等于140℃，不適用于高溫動(dòng)作；專利申請(qǐng)?zhí)枮?1111423.8技術(shù)主要應(yīng)用于管接頭，而未能作用感溫元件。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種可用于250℃以上高溫動(dòng)作應(yīng)用領(lǐng)域的稀土鐵基高溫形狀記憶合金。
本發(fā)明的技術(shù)方案和實(shí)施方式如下FeMnSi基合金形狀記憶效應(yīng)主要是通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變fcc(γ奧氏體)→hcp(ε馬氏體)，由不全位錯(cuò)的增殖和移動(dòng)，產(chǎn)生形狀變形。當(dāng)加熱時(shí)，不全位錯(cuò)逆向運(yùn)動(dòng)，馬氏體逆轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，從而使變形過(guò)的材料回復(fù)至原先的形狀。要提高這類形狀記憶效應(yīng)的關(guān)鍵是1)降低奧氏體的層錯(cuò)能，使不全位錯(cuò)容易移動(dòng)；2)強(qiáng)化奧氏體，使全位錯(cuò)不易移動(dòng)，從而避免不可恢復(fù)的永久變形；3)避免尼爾溫度TN(反鐵磁相相變溫度)高于ε馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms。
因此，所設(shè)定的合金元素范圍理由為Mn是最基本的合金元素，它具有fcc→hcp相變，并擴(kuò)大鐵中奧氏體相的范圍，降低Ms點(diǎn)，使合金在室溫下呈奧氏體狀態(tài)，以提供應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的基體。同時(shí)，Mn具有固溶強(qiáng)化奧氏體的作用，故其含量不得低于15wt％(低于此含量，易形成α’馬氏體，而不是ε馬氏體)，但Mn含量過(guò)高，將導(dǎo)致加工性能惡化，同時(shí)TN溫度升高，損害形狀記憶效應(yīng)，故Mn含量不宜高于35wt％。
Si，降低奧氏體層錯(cuò)能，并降低TN點(diǎn)。促進(jìn)應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，提高M(jìn)s點(diǎn)。同時(shí)Si也起到固溶強(qiáng)化作用，因此Si含量不應(yīng)低于2wt％，但當(dāng)Si含量大于8wt％時(shí)，冷熱加工性能急劇惡化。Si與Mn的含量需合理匹配選用，即確定了Mn后，在Si的選用范圍內(nèi)確定相應(yīng)的Si值，以調(diào)節(jié)恰當(dāng)?shù)南嘧儨囟?，這對(duì)改善形狀記憶效應(yīng)十分重要(參見(jiàn)下表1)。
Cr，改善抗氧化性能，同時(shí)也有固溶強(qiáng)化作用，但Cr提高層錯(cuò)能，縮小γ相區(qū)。含量過(guò)高，易形成σ相，導(dǎo)致脆性。本發(fā)明要求不在于大幅度提高抗腐蝕性能，而是在大氣條件下有足夠的耐蝕性。因此，Cr含量上限宜為8wt％。
稀土元素的加入，能凈化晶界，細(xì)化奧氏體晶粒，有利于母相的強(qiáng)化；同時(shí)它降低層錯(cuò)能，有利于ε馬氏體的應(yīng)力誘發(fā)，提高相變溫度；以上作用不但改善熱加工性能，同時(shí)也有利于提高形狀回復(fù)溫度和形狀記憶效應(yīng)，控制含量為0.05～0.5wt％。
因此，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，達(dá)到本發(fā)明的效果，本發(fā)明的配方組分為(wt％)
Mn15～35 Si2～8 Cr2～8稀土0.05～0.3(鈰、鑭或混合稀土)，余量為Fe，Mn確定后，根據(jù)所確定的Mn值，在Si的選用范圍內(nèi)確定相應(yīng)的Si值。
其熔煉和加工工藝如下采用真空或非真空中頻感應(yīng)電爐熔煉，鑄錠經(jīng)1000～1250℃均勻化處理6～8小時(shí)，800～1200℃熱加工(包括熱鍛、熱軋、熱擠或熱拉絲)，之后經(jīng)冷加工或冷變形制成所要求形狀的驅(qū)動(dòng)元件，再經(jīng)500～1000℃定型處理即可，使用時(shí)在室溫先使之變形，當(dāng)加熱到Af點(diǎn)以上溫度，即可自動(dòng)回復(fù)至定形時(shí)的形狀。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，不經(jīng)訓(xùn)練，單次形狀記憶回復(fù)率達(dá)60％以上，加工性能良好，Af溫度大于250℃，成本明顯低于其他含Ni形狀記憶合金。
以下進(jìn)一步結(jié)合實(shí)例(參見(jiàn)表1)進(jìn)行描述采用真空感應(yīng)熔煉得到合金鑄錠，鑄錠經(jīng)1100℃保溫8小時(shí)爐冷進(jìn)行均勻化處理，經(jīng)熱鍛和熱軋成φ8.5mm棒材，再經(jīng)旋鍛和熱拉成φ2mm絲材，截取150mm長(zhǎng)的拉伸試樣，經(jīng)700～1000℃淬火，然后在室溫拉伸，預(yù)變形量為2.7～3％，再經(jīng)600℃加熱，測(cè)定其形狀記憶效應(yīng)，也列入表1中。◇表示形狀回復(fù)率大于75％，○表示形狀回復(fù)率大于60％。表中還列比了加工性能，◆表示加工性能優(yōu)良，●表示加工性能良好。
表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分，形狀記憶效應(yīng)和加工性能
把7號(hào)合金制成拉簧，(線徑d＝2mm，彈簧內(nèi)徑D內(nèi)＝8mm，有效圈數(shù)n＝8)1).在20℃恒溫下，拉伸速率為5.0mm/min。測(cè)定其負(fù)荷—變形特性曲線。當(dāng)彈簧伸長(zhǎng)至27.3mm，負(fù)荷達(dá)110N后卸載，殘余伸長(zhǎng)量為15.6mm。
2)在保持伸長(zhǎng)量15.6mm的條件下加熱，測(cè)量彈簧形狀回復(fù)過(guò)程中的負(fù)荷---溫度特性曲線(加熱速率7℃/min)，結(jié)果表明當(dāng)溫度至280℃時(shí)，彈簧產(chǎn)生的回復(fù)力達(dá)59N。加熱至320℃時(shí)，負(fù)荷達(dá)60N后不再增加。該合金制成的彈簧，已試用于防火閥門(mén)(要求280℃動(dòng)作)，效果較現(xiàn)有的不銹鋼型形狀記憶彈簧好得多，后者動(dòng)作溫度不到200℃，且形狀記憶效應(yīng)經(jīng)熱循環(huán)后容易衰退。
權(quán)利要求
1.一種稀土鐵基高溫形狀記憶合金，含有以Mn、Si和Fe等主要合金元素，其特征在于配方組分為(wt％)Mn15～35 Si2～8 Cr2～8稀土0.05～0.3(鈰、鑭或混合稀土)，余量為Fe，當(dāng)Mn先確定后，根據(jù)所確定的Mn值，在Si的選用范圍內(nèi)確定相應(yīng)的Si值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種稀土鐵基高溫形狀記憶合金，其特征還在于其熔煉和加工工藝如下采用真空或非真空中頻感應(yīng)電爐熔煉，鑄錠經(jīng)1000～1250℃均勻化處理6～8小時(shí)，800～1200℃熱加工(包括熱鍛、熱軋、熱擠或熱拉絲)，之后經(jīng)冷加工或冷變形制成所要求形狀的驅(qū)動(dòng)元件，再經(jīng)500～1000℃定型處理即可，使用時(shí)在室溫先使之變形，當(dāng)加熱到Af點(diǎn)以上溫度，即可自動(dòng)回復(fù)至定形時(shí)的形狀。
全文摘要
本發(fā)明是一種稀土鐵基高溫形狀記憶合金,含有以Mn、Si和Fe等主要合金元素,配方組合為(wt%):Mn:15～35、Si:2～8、Cr:2～8、稀土0.05～0.3(鈰、鑭或混合稀土),余量為Fe,當(dāng)Mn先確定后,根據(jù)所確定的Mn值,在Si的選用范圍內(nèi)確定相應(yīng)的Si值。本發(fā)明形狀記憶效應(yīng)達(dá)60%以上,機(jī)械加工性能良好,成本明顯低于其他含Ni形狀記憶合金。
文檔編號(hào)C22C38/38GK1249356SQ9911693
公開(kāi)日2000年4月5日 申請(qǐng)日期1999年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月30日
發(fā)明者江伯鴻, 漆璿 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)