專利名稱：稀土鐵基高溫形狀記憶合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種形狀記憶合金，尤其是一種能用于250℃以上高溫動作傳感器的稀土鐵基高溫形狀記憶合金，屬于冶金專業中的形狀記憶合金領域。
在現有技術的鐵基形狀記憶合金中，含有以Mn、Si、和Fe等主要合金元素，通常都以其使用場合和要求的不同來確定選用的元素成分，主要用于管接頭和緊固件，經專利文獻檢索尚未發現有添加稀土制作成能用于250℃以上溫度動作的鐵基形狀記憶合金。如中國專利申請號為92100414.1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。該專利申請文件中記載了“用于緊固件和溫度傳感元件”。
又如中國專利申請號為91111423.8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。
上述技術中，專利申請號為92100414.1技術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℃，不適用于高溫動作；專利申請號為91111423.8技術主要應用于管接頭，而未能作用感溫元件。
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種可用于250℃以上高溫動作應用領域的稀土鐵基高溫形狀記憶合金。
本發明的技術方案和實施方式如下FeMnSi基合金形狀記憶效應主要是通過應力誘發馬氏體相變fcc(γ奧氏體)→hcp(ε馬氏體)，由不全位錯的增殖和移動，產生形狀變形。當加熱時，不全位錯逆向運動，馬氏體逆轉變為奧氏體，從而使變形過的材料回復至原先的形狀。要提高這類形狀記憶效應的關鍵是1)降低奧氏體的層錯能，使不全位錯容易移動；2)強化奧氏體，使全位錯不易移動，從而避免不可恢復的永久變形；3)避免尼爾溫度TN(反鐵磁相相變溫度)高于ε馬氏體轉變溫度Ms。
因此，所設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，并擴大鐵中奧氏體相的范圍，降低Ms點，使合金在室溫下呈奧氏體狀態，以提供應力誘發馬氏體的基體。同時，Mn具有固溶強化奧氏體的作用，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含量過高，將導致加工性能惡化，同時TN溫度升高，損害形狀記憶效應，故Mn含量不宜高于35wt％。
Si，降低奧氏體層錯能，并降低TN點。促進應力誘發馬氏體相變，提高Ms點。同時Si也起到固溶強化作用，因此Si含量不應低于2wt％，但當Si含量大于8wt％時，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的選用范圍內確定相應的Si值，以調節恰當的相變溫度，這對改善形狀記憶效應十分重要(參見下表1)。
Cr，改善抗氧化性能，同時也有固溶強化作用，但Cr提高層錯能，縮小γ相區。含量過高，易形成σ相，導致脆性。本發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，細化奧氏體晶粒，有利于母相的強化；同時它降低層錯能，有利于ε馬氏體的應力誘發，提高相變溫度；以上作用不但改善熱加工性能，同時也有利于提高形狀回復溫度和形狀記憶效應，控制含量為0.05～0.5wt％。
因此，為了實現本發明的目的，達到本發明的效果，本發明的配方組分為(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，根據所確定的Mn值，在Si的選用范圍內確定相應的Si值。
其熔煉和加工工藝如下采用真空或非真空中頻感應電爐熔煉，鑄錠經1000～1250℃均勻化處理6～8小時，800～1200℃熱加工(包括熱鍛、熱軋、熱擠或熱拉絲)，之后經冷加工或冷變形制成所要求形狀的驅動元件，再經500～1000℃定型處理即可，使用時在室溫先使之變形，當加熱到Af點以上溫度，即可自動回復至定形時的形狀。
本發明具有實質性特點和顯著進步，不經訓練，單次形狀記憶回復率達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。
以下進一步結合實例(參見表1)進行描述采用真空感應熔煉得到合金鑄錠，鑄錠經1100℃保溫8小時爐冷進行均勻化處理，經熱鍛和熱軋成φ8.5mm棒材，再經旋鍛和熱拉成φ2mm絲材，截取150mm長的拉伸試樣，經700～1000℃淬火，然后在室溫拉伸，預變形量為2.7～3％，再經600℃加熱，測定其形狀記憶效應，也列入表1中。◇表示形狀回復率大于75％，○表示形狀回復率大于60％。表中還列比了加工性能，◆表示加工性能優良，●表示加工性能良好。
表1 試驗合金的化學成分，形狀記憶效應和加工性能
把7號合金制成拉簧，(線徑d＝2mm，彈簧內徑D內＝8mm，有效圈數n＝8)1).在20℃恒溫下，拉伸速率為5.0mm/min。測定其負荷—變形特性曲線。當彈簧伸長至27.3mm，負荷達110N后卸載，殘余伸長量為15.6mm。
2)在保持伸長量15.6mm的條件下加熱，測量彈簧形狀回復過程中的負荷---溫度特性曲線(加熱速率7℃/min)，結果表明當溫度至280℃時，彈簧產生的回復力達59N。加熱至320℃時，負荷達60N后不再增加。該合金制成的彈簧，已試用于防火閥門(要求280℃動作)，效果較現有的不銹鋼型形狀記憶彈簧好得多，后者動作溫度不到200℃，且形狀記憶效應經熱循環后容易衰退。
權利要求
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Mn先確定后，根據所確定的Mn值，在Si的選用范圍內確定相應的Si值。
2.根據權利要求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電爐熔煉，鑄錠經1000～1250℃均勻化處理6～8小時，800～1200℃熱加工(包括熱鍛、熱軋、熱擠或熱拉絲)，之后經冷加工或冷變形制成所要求形狀的驅動元件，再經500～1000℃定型處理即可，使用時在室溫先使之變形，當加熱到Af點以上溫度，即可自動回復至定形時的形狀。
全文摘要
本發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Mn先確定后,根據所確定的Mn值,在Si的選用范圍內確定相應的Si值。本發明形狀記憶效應達60%以上,機械加工性能良好,成本明顯低于其他含Ni形狀記憶合金。
文檔編號C22C38/38GK1249356SQ9911693
公開日2000年4月5日 申請日期1999年9月30日 優先權日1999年9月30日
發明者江伯鴻, 漆璿 申請人:上海交通大學