專利名稱：一種微米晶鐵基形狀記憶合金塊材的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形狀記憶合金領(lǐng)域，具體涉及一種微米晶鐵基形狀記憶合金塊材的制備方法。用該方法制備的微米晶鐵基形狀記憶合金具有屈服強(qiáng)度、形狀回復(fù)率、可回復(fù)應(yīng)變量和回復(fù)應(yīng)力高，制造工藝簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)?？稍隍?qū)動機(jī)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(qiáng)度高、加工容易、而且相變點(diǎn)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(shape memory alloy，簡稱SMA)的可恢復(fù)變形量大小。它直接影響到對被接管和管接頭尺寸精度的要求，大的可回復(fù)變形量增加工藝裕度，簡化連接工藝；(2)約束狀態(tài)下SMA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SMA除可回復(fù)變形量僅為4％外，還存在回復(fù)應(yīng)力小(約300MPa)和應(yīng)力松弛的問題，因此并未獲得廣泛應(yīng)用。要獲得好的SME應(yīng)(1)提高奧氏體基體的屈服強(qiáng)度σs與應(yīng)力誘發(fā)γ→ε馬氏體相變臨界應(yīng)力σt之間的差值Δσ。Δσ越高，表明應(yīng)力誘發(fā)γ→ε馬氏體相變越容易發(fā)生，塑性變形越不容易引入，因而SME越好；(2)使應(yīng)力誘發(fā)ε馬氏體以薄片狀的形態(tài)均勻分布于奧氏體基體中，且不同位向之間的馬氏體盡量不發(fā)生穿越約束下要獲得高的回復(fù)應(yīng)力，應(yīng)滿足(1)無約束下有好的SME；(2)合金基體的屈服強(qiáng)度足夠高。約束加熱及冷卻恢復(fù)過程中產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力如果大于基體的屈服強(qiáng)度，基體將產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致回復(fù)應(yīng)力的松弛。
(3)應(yīng)力誘發(fā)γ→ε馬氏體相變的最高溫度Md低于使用溫度，避免由于回復(fù)應(yīng)力誘發(fā)γ→ε馬氏體相變而導(dǎo)致的應(yīng)力松弛。
研究結(jié)果表明提高鐵基SMA基體的屈服強(qiáng)度對合金回復(fù)應(yīng)力的提高比提高合金SME(shape memory effect，簡稱SME)的作用要顯著的多。因此要想在提高可回復(fù)變形量的同時，又能顯著提高回復(fù)應(yīng)力，最佳的途徑是顯著提高基體的屈服強(qiáng)度σs，增大其與應(yīng)力誘發(fā)γ→ε馬氏體相變臨界應(yīng)力σt之間的差值Δσ。合金化和時效等強(qiáng)化方法雖可達(dá)到一定的效果，但不顯著。
根據(jù)Hall-Patch公式可知，晶粒細(xì)化是提高合金強(qiáng)度的一種有效方法。目前可通過快速凝固、噴射沉積、機(jī)械合金化和形變熱處理等方法來獲得超細(xì)晶粒材料。研究者通過快淬的方法在鐵基形狀記憶合金中獲得了1.5μm～5μm的超細(xì)晶粒薄膜，合金在彎曲變形10％時獲得了5％的可回復(fù)變形量，是目前鐵基形狀記憶合金在不經(jīng)過其他訓(xùn)練處理所能達(dá)到的最好水平。TEM觀察表明晶粒細(xì)化后，應(yīng)力誘發(fā)γ→ε馬氏體以單一位向的變體均勻分布在基體中，這正是其具有較高SME的原因?？墒峭ㄟ^快淬的方法只能獲得二維的小塊樣，難以獲得實際應(yīng)用。但該研究結(jié)果指明晶粒細(xì)化能顯著提高鐵基SMA的性能。噴射沉積和機(jī)械合金化的方法也可得到超細(xì)晶粒，但這樣制備三維大塊材料時存在大量微孔隙和雜質(zhì)。通過大變形加退火的形變熱處理也可獲得超細(xì)晶粒，但除存在對變形前材料的體積有較大要求和不能反復(fù)變形的缺點(diǎn)外，對設(shè)備的要求也高，成本貴。
最近發(fā)展的等通道轉(zhuǎn)角擠壓(Equal Channel Angular Pressing，簡稱ECAP)技術(shù)能明顯細(xì)化多晶材料的晶粒，獲得超細(xì)晶結(jié)構(gòu)(亞微米或納米級)材料。ECAP技術(shù)是利用兩個相交的等截面積通道組成的擠壓模具，使塊狀材料以純剪切方式實現(xiàn)大塑性變形的金屬成形工藝(見附圖1)。在擠壓過程中，與模具中的通道緊密配合且與模壁潤滑良好的試樣在壓力P的作用下，在通過兩通道的交叉處時經(jīng)受近似理想的純剪切變形。目前該技術(shù)已在Ti-Al合金、Al-Mg合金、Al-Cu合金，低碳鋼和鐵素體不銹鋼等中獲得了0.1μm～1μm的超細(xì)晶粒，并用該技術(shù)成功地加工了航天工業(yè)和汽車工業(yè)用高強(qiáng)度鈦合金螺紋。該技術(shù)能采用現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)備，低成本大量的制備細(xì)晶鐵基形狀記憶合金塊材。但目前國內(nèi)外都還沒有用ECAP技術(shù)加工微米晶鐵基SMA的研究報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微米晶鐵基形狀記憶合金塊材的制備方法。該方法可使合金獲得較高的可回復(fù)應(yīng)變和回復(fù)應(yīng)力，并提高其力學(xué)性能。
本發(fā)明提供的微米晶鐵基形狀記憶合金塊材，其特征在于化學(xué)成分14～30％，Si4～6％，Cr5～12％，Ni4～6％，C0.01～0.2％(均為質(zhì)量百分比)，余量為鐵，奧氏體晶粒為微米細(xì)晶，平均晶粒尺寸0.2～5μm。與現(xiàn)有鐵基形狀記憶合金和制備方法相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1)獲得塊狀微米晶鐵基形狀記憶合金，可回復(fù)應(yīng)變量達(dá)到8％，屈服強(qiáng)度達(dá)到660Mpa，回復(fù)應(yīng)力達(dá)到550Mpa。
2)首次將等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝(ECAP)應(yīng)用于鐵基形狀記憶合金，坯料在等通道中擠壓時，轉(zhuǎn)角處受近似純剪切應(yīng)力作用，尺寸不變，可重復(fù)擠壓多次。不需要昂貴的特殊設(shè)備，所以成本較低。
3)擠壓后在500℃～900℃退火，獲得平均晶粒尺寸大小在0.2～5μm之間的塊狀鐵基形狀記憶合金。


圖1為本發(fā)明采用等通道轉(zhuǎn)角擠壓模具示意圖；圖2為本發(fā)明實施例1擠壓態(tài)鐵基形狀記憶合金金相圖及其電子衍射花樣；圖3為本發(fā)明實施例1退火后微米晶鐵基形狀記憶合金金相圖；圖4為本發(fā)明實施例1中固溶態(tài)鐵基形狀記憶合金金相圖；圖5為本發(fā)明實施例2退火后微米晶鐵基形狀記憶合金金相圖；具體實施方式
下面給出實施例，以對本發(fā)明作進(jìn)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(hù)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(jìn)和調(diào)整仍應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。
實施例1根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn30％，Si6％，Cr5％，Ni3％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)，采用電解錳、結(jié)晶硅、電解鉻、電解鎳和電工純鐵為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉獲得鑄錠，將鑄錠在～1100℃，保溫20小時均勻化退火。鑄錠熱鍛成直徑15mm棒材，始鍛溫度1100℃。棒材在1100℃固溶處理30分鐘后，機(jī)加工成直徑12mm，長85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。將坯料表面包裹0.2mm厚石墨紙，放入轉(zhuǎn)角為120°的模具中加熱至300℃，保溫10分鐘后擠壓，擠壓兩道次。擠壓后坯料在600℃退火30分鐘，即獲得微米晶鐵基形狀記憶合金。本實施例制備的鐵基形狀記憶合金平均晶粒尺寸約5μm，可回復(fù)應(yīng)變達(dá)到6.5％，回復(fù)應(yīng)力460Mpa。與該合金固溶態(tài)晶粒尺寸約100μm，可回復(fù)應(yīng)變2.2％，回復(fù)應(yīng)力175MPa相比，性能顯著提高。
實施例2
根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn為18％，Si為5％，Cr為8％，Ni為4％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)配備好，采用電解錳、結(jié)晶硅、電解鉻、電解鎳和電工純鐵為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉獲得鑄錠，將鑄錠在～1150℃，保溫20小時均勻化退火。鑄錠熱鍛成直徑15mm棒材，始鍛溫度1150℃。棒材在1100℃固溶處理30分鐘后，機(jī)加工成直徑12mm，長85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。將坯料表面包裹0.2mm厚石墨紙，放入轉(zhuǎn)角90°的模具中加熱至300℃，保溫10分鐘后擠壓，擠壓兩道次。擠壓后坯料在600℃退火30分鐘，即獲得微米晶鐵基形狀記憶合金。本實施例制備的鐵基形狀記憶合金平均晶粒尺寸約2μm，可回復(fù)應(yīng)變達(dá)到8.5％，回復(fù)應(yīng)力470Mpa。與該合金固溶態(tài)晶粒尺寸約100μm，可回復(fù)應(yīng)變4.5％，回復(fù)應(yīng)力210MPa相比，性能顯著提高。
實施例3根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn為15％，Si為4％，Cr為12％，Ni為6％，C為0.2％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)配備好，采用電解錳、結(jié)晶硅、電解鉻、電解鎳和電工純鐵為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉獲得鑄錠，將鑄錠在～1150℃，保溫20小時均勻化退火。鑄錠熱鍛成直徑15mm棒材，始鍛溫度1100℃。棒材在1100℃固溶處理30分鐘后，機(jī)加工成直徑12mm，長85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。將坯料表面包裹0.2mm厚石墨紙，放入轉(zhuǎn)角120°的模具中加熱至500℃，保溫10分鐘后擠壓，擠壓兩道次。擠壓后坯料在500℃退火30分鐘，即獲得微米晶鐵基形狀記憶合金。本實施例制備的鐵基形狀記憶合金平均晶粒尺寸約2.5μm，可回復(fù)應(yīng)變達(dá)到7.5％，回復(fù)應(yīng)力490Mpa。與該合金固溶態(tài)晶粒尺寸約100μm，可回復(fù)應(yīng)變4.0％，回復(fù)應(yīng)力260MPa相比，性能顯著提高。
實施例4根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn為18％，Si為5％，Cr為8％，Ni為4％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)配備好，采用電解錳、結(jié)晶硅、電解鉻、電解鎳和電工純鐵為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉獲得鑄錠，將鑄錠在～1150℃，保溫20小時均勻化退火。鑄錠熱鍛成直徑15mm棒材，始鍛溫度1100℃。棒材在1100℃固溶處理30分鐘后，機(jī)加工成直徑12mm，長85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。將坯料表面包裹0.2mm厚石墨紙，放入轉(zhuǎn)角120°的模具中加熱至300℃，保溫10分鐘后擠壓，擠壓5道次。擠壓后坯料在900℃退火30分鐘，即獲得微米晶鐵基形狀記憶合金。本實施例制備的鐵基形狀記憶合金平均晶粒尺寸約3.0μm，可回復(fù)應(yīng)變達(dá)到6.0％，回復(fù)應(yīng)力430Mpa。與該合金固溶態(tài)晶粒尺寸約100μm，可回復(fù)應(yīng)變4.5％，回復(fù)應(yīng)力210MPa相比，性能顯著提高。
實施例5根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn為18％，Si為5％，Cr為8％，Ni為4％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)配備好，采用電解錳、結(jié)晶硅、電解鉻、電解鎳和電工純鐵為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉獲得鑄錠，將鑄錠在～1150℃，保溫20小時均勻化退火。鑄錠熱鍛成直徑15mm棒材，始鍛溫度1100℃。棒材在1100℃固溶處理30分鐘后，機(jī)加工成直徑12mm，長85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。將坯料表面包裹0.2mm厚石墨紙，放入轉(zhuǎn)角90°的模具中加熱至300℃，保溫10分鐘后擠壓，擠壓8道次。擠壓后坯料在700℃退火30分鐘，即獲得微米晶鐵基形狀記憶合金。本實施例制備的鐵基形狀記憶合金平均晶粒尺寸0.2μm，可回復(fù)應(yīng)變達(dá)到8.0％，回復(fù)應(yīng)力550Mpa。與該合金固溶態(tài)晶粒尺寸約100μm，可回復(fù)應(yīng)變4.5％，回復(fù)應(yīng)力210MPa相比，性能顯著提高。
實施例6根據(jù)設(shè)計的成分配方Mn為14％，Si為4％，Cr為12％，Ni為8％(余量為鐵，均為質(zhì)量百分比)配備好，采用電解錳、結(jié)晶硅、電解鉻、電解鎳和電工純鐵為原料，在感應(yīng)電爐中熔煉獲得鑄錠，將鑄錠在～1150℃，保溫20小時均勻化退火。鑄錠熱鍛成直徑15mm棒材，始鍛溫度1100℃。棒材在1100℃固溶處理30分鐘后，機(jī)加工成直徑12mm，長85mm的坯料，表面加工粗糙度不低于Ra＝1.25～2.5μm。將坯料表面包裹0.2mm厚石墨紙，放入轉(zhuǎn)角110°的模具中加熱至100℃，保溫10分鐘后擠壓，擠壓三道次。擠壓后坯料在600℃退火30分鐘，即獲得微米晶鐵基形狀記憶合金。本實施例制備的鐵基形狀記憶合金平均晶粒尺寸2μm，可回復(fù)應(yīng)變達(dá)到7.5％，回復(fù)應(yīng)力540Mpa。與該合金固溶態(tài)晶粒尺寸約100μm，可回復(fù)應(yīng)變3.5％，回復(fù)應(yīng)力200MPa相比，性能顯著提高。
權(quán)利要求
1.一種微米晶鐵基形狀記憶合金的制備方法，其特征在于該合金含有Fe、Mn、Si等元素，并包含Cr、Ni、C等元素中的一種或多種，其特征在于化學(xué)成分Mn10～35％，Si3～7％，Cr0～12％，Ni0～8％，C0.01～0.2％(均為質(zhì)量百分比)，余量為鐵，奧氏體晶粒為微米細(xì)晶，平均晶粒尺寸大小0.2～5μm。
2.一種權(quán)利要求1所述鐵基形狀記憶合金的制備方法，其特征在于將鍛造開坯的型材進(jìn)行不同溫度下的等通道轉(zhuǎn)角擠壓，擠壓可重復(fù)進(jìn)行多道次，擠壓后的合金經(jīng)不同溫度退火，最終獲得力學(xué)性能和形狀記憶效應(yīng)良好的微米晶鐵基形狀記憶合金塊材。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微米晶鐵基形狀記憶合金塊材，其特征在于該合金的化學(xué)成分Mn14～30％，Si4～6％，Cr5～12％，Ni4～6％，C0.01～0.2％(均為質(zhì)量百分比)，余量為鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的微米晶鐵基形狀記憶合金塊材的制備方法，其特征在于奧氏體晶粒為微米細(xì)晶，平均晶粒尺寸大小0.2～5μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的形狀記憶合金塊材的制備方法，其特征在于等通道擠壓模具的轉(zhuǎn)角為90～120°，擠壓溫度為100℃～500℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求2和5所述一種微米晶鐵基形狀記憶合金塊材的制備方法，其特征在退火溫度為500℃～900℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微米晶鐵基形狀記憶合金塊材及其制備方法。采用通道轉(zhuǎn)角為90～120°的等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝，將鐵基形狀記憶合金坯料在100℃～500℃進(jìn)行等通道轉(zhuǎn)角擠壓，擠壓可進(jìn)行多道次。擠壓后的坯料經(jīng)500℃～900℃退火，最終獲得力學(xué)性能和形狀記憶效應(yīng)良好的微米晶鐵基形狀記憶合金塊材。本方法制備的微米晶鐵基形狀記憶合金塊材，與該合金固溶態(tài)相比，晶粒尺寸由約100μm細(xì)化至0.2～5μm，屈服強(qiáng)度提高了2～3倍?？苫貜?fù)應(yīng)變量達(dá)到8.0％，室溫回復(fù)應(yīng)力達(dá)到550MPa，是固溶態(tài)的2～3倍。每次擠壓后試樣尺寸不變，可重復(fù)擠壓多道次。不需要昂貴的特殊設(shè)備，所以成本較低。
文檔編號C21D8/00GK1752257SQ20051002180
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月8日
發(fā)明者李寧, 張偉, 文玉華, 黃姝珂 申請人:四川大學(xué)