专利名称：一种大电流脉冲快速处理铁基形状记忆合金的方法
技术领域：
本发明涉及形状记忆合金领域，具体涉及一种大电流脉冲快速处理铁基形状记忆合金的方法。用该方法制备的铁基形状记忆合金具有高的形状回复率和可回复变形量，具有制造工艺简单、成本低、处理时间短的优点。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的可恢复变形量太小。它对被接管和管接头加工精度有很高的要求，给工程应用造成了很大的困难。而大的可回复变形量，可降低加工精度要求、增加工艺裕度、简化连接工艺；(2)约束状态下形状记忆合金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。目前铁基形状记忆合金除可回复变形量仅为2.5％外，还存在回复应力小(约100MPa)和应力松弛的问题。因此该材料并未获得广泛应用。
目前国内外提高铁基形状记忆合金形状记忆效应的方法主要有以下几种(1)合金化处理这种方法主要是利用Mn、Si、Cr、Ni、RE改变合金的Ms、As、Af以及母相的层错能，提高母相的强度以及降低应力诱发γ→ε马氏体相变临界应力来促进应力诱发γ→ε马氏体转变及其逆相变。这种方法可以使铁基形状记忆合金的形状可回复变形量达3.2％。从工程应用的角度看，其形状可回复率偏低。并且考虑到合金的使用温度、合金使用性能的要求以及其价格等因素，其加入量应在一定范围之内。
(2)热-机械循环训练“热-机械循环训练”指变形加中间退火的反复过程，是提高Fe-Mn-Si系合金形状记忆效应的有效方法之一。它是随着“热-机械循环训练”次数的增加，合金的形状恢复率呈上升趋势，到达一定训练次数后，形状恢复率达到一较高的稳定值。此种方法由于工艺过程烦琐，要不断进行形变与中间退火，从工程应用的角度来看实施起来比较困难。并且对于有些合金本身具有较好的形状记忆效应，训练的作用就不太显著。
(3)析出强化在形状记忆合金基体中弥散析出第二相粒子，可以强化基体，在外力的作用下，可以抑制不可逆的塑性变形的发生，使合金的变形尽量由应力诱发ε马氏体来承担，从而提高合金的形状记忆效应。通过向Fe-Mn-Si基合金添加少量Nb和C可以大大改进其形状记忆效应，通过时效析出NbC析出物即可获得良好的形状恢复性能。但通过固溶时效处理促使第二相NbC粒子析出一般所用的时间较长，往往会影响生产效率的提高。
电脉冲处理技术是材料领域新兴的处理工艺。国内外学者分别采用外电场介入的方法，研究在外电场作用下，金属缺陷的自修复、对金属回复再结晶的影响、对微裂纹的抑制、对金属超塑性的影响等方面的工作，取得了很多研究成果。但使用大电流脉冲快速处理铁基形状记忆合金的研究还鲜有人报道，特别是使用大电流脉冲作用于变形处理的铁基形状记忆合金，促进第二相快速析出，从而提高了合金形状记忆效应还未见报道。本发明通过使用自制的RC充放电脉冲电源设备，处理了铁基形状记忆合金，在60秒以内的时间实现了第二相快速析出，使合金的形状恢复率得到极大提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种大电流脉冲快速处理铁基形状记忆合金的制备方法。该方法可使合金获得高的形状回复率和可回复变形量，并且工艺方法简单，对材料的形状限制小，工程应用方便，电流脉冲处理时间短，能显著提高效率。
本发明可提供丝状、块状、棒状、管状等形状的铁基形状记忆合金，其特征在于化学成分Mn14～30％，Si3～7％，Cr7～12％，Ni4～6％，C0.01～0.2％，Nb0.1～2％(均为质量百分比)，余量为铁。与现有铁基形状记忆合金的制备方法相比，本发明具有如下优点1)本发明是利用大电流脉冲快速处理铁基形状记忆合金块体材料，其处理的每一个脉冲能量可调，电学参数中电容为10～10000μF，电压为1～600v，脉冲频率0.5～500Hz。因此，可以通过灵活地控制脉冲电流密度、脉宽、脉冲频率和脉冲次数，分别对不同成分和不同形状的铁基形状记忆合金部件进行处理，从而大大改善了处理的效果，缩短了处理的时间，提高了生产效率。
2)本发明中的大电流脉冲在快速处理铁基形状记忆合金材料时，对材料不仅有热效应的作用，同时还有电和磁效应。与常规热处理方法相比，在这些效应综合作用下，铁基形状记忆合金材料的形状恢复率和可回复变形量，有了较大幅度的提高。
3)通过利用大电流脉冲快速处理此类合金材料，促进第二相的析出来提高合金的形状回复率和可回复变形量。此方法简化了铁基形状记忆合金的处理工艺，缩短了处理的时间，并且不需要昂贵的特殊设备，成本较低。
图1为预拉伸5％在热处理炉中800℃时效30分钟的铁基形状记忆合金的金相组织；图2为本发明实施例1大电流脉冲快速作用于预拉伸5％的铁基形状记忆合金后的金相组织；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％，Si3％，Cr7％，Ni4％，C0.2％，Nb2％(余量为铁，均为质量百分比)，采用工业纯铁、金属锰、金属硅、金属铬、电解镍、石墨、铌铁为原料，在感应电炉中熔炼、然后浇注获得铸锭，铸锭尺寸为φ78×160mm，重5.5Kg。为了消除铸锭的成分不均匀性，铸锭先经～1100℃均匀化退火15小时，车掉表面氧化皮后，在始锻温度1100℃下热锻成Φ15mm的圆棒。仍在始锻温度1100℃下经3次旋锤成Φ3.5mm的丝材。Φ3.5mm的丝材经8道冷拉(中间退火工艺为1273K×10min)成Φ1.5mm的丝材。剪取140mm长的丝材20根，然后装在直管内在1100℃下保温30分钟后，淬入冷水中，制得定形后的丝材以备用。将定形后的丝材预拉伸5％，再装夹在RC充放电脉冲电源设备的两极，调整电容C＝4000μF，脉冲频率f＝1Hz，电压U＝300V。让脉冲电流作用于丝材上，电流脉冲作用10秒钟后测丝材获得了的形状恢复率为78％(弯曲变形量为5％时)，比没有经过电流脉冲处理的形变丝材的50％，提高了56％，可回复变形量为3.9％。与在热处理炉中800℃时效30分钟的形变丝材的形状恢复率71.2％(弯曲变形量为5％时)相比，有一定程度的提高，且电流脉冲处理时间很短，只有10秒钟。
实施例2根据设计的成分配方Mn为14％，Si为5％，Cr为12％，Ni为6％，C为0.01％，Nb为0.1％(余量为铁，均为质量百分比)配备好，采用工业纯铁、金属锰、金属硅、金属铬、电解镍、石墨为原料，在感应电炉中熔炼、然后浇注获得铸锭，铸锭尺寸为φ78×155mm，重5.4Kg。为了消除铸锭的成分不均匀性，铸锭先经～1100℃均匀化退火15小时，车掉表面氧化皮后，在始锻温度1100℃下热锻成Φ15mm的圆棒。仍在始锻温度1100℃下经3次旋锤成Φ3.5mm的丝材。Φ3.5mm的丝材经8道冷拉(中间退火工艺为1273K×10min)成Φ1.5mm的丝材。剪取140mm长的丝材20根，然后装在直管内在1100℃下保温30分钟后，淬入冷水中，制得定形后的丝材以备用。将定形后的丝材预拉伸15％，再装夹在RC充放电脉冲电源设备的两极，调整电容C＝10000μF，脉冲频率f＝500Hz，电压U＝1V。让脉冲电流作用于丝材上，电流脉冲作用9秒钟后的丝材获得的形状恢复率82％(弯曲变形量为5％时)，比没有经过电流脉冲处理的形变丝材的52％，提高了58％，可回复变形量为4.1％。
实施例3根据设计的成分配方Mn为17％，Si为7％，Cr为8％，Ni为5％，C为0.1％，Nb为1％(余量为铁，均为质量百分比)配备好，采用工业纯铁、金属锰、金属硅、金属铬、电解镍、石墨、铌铁为原料，在感应电炉中熔炼、然后浇注获得铸锭，铸锭尺寸为φ78×165mm，重5.6Kg。为了消除铸锭的成分不均匀性，铸锭先经～1100℃均匀化退火15小时，车掉表面氧化皮后，在始锻温度1100℃下热锻成Φ15mm的圆棒。仍在始锻温度1100℃下经3次旋锤成Φ3.5mm的丝材。Φ3.5mm的丝材经8道冷拉(中间退火工艺为1273K×10min)成Φ1.5mm的丝材。剪取140mm长的丝材20根，然后装在直管内在1100℃下保温30分钟后，淬入冷水中，制得定形后的丝材以备用。将定形后的丝材预拉伸10％，再装夹在RC充放电脉冲电源设备的两极，调整电容C＝5000μF，脉冲频率f＝0.5Hz，电压U＝600V。让脉冲电流作用于丝材上，电流脉冲作用10秒钟后丝材获得的形状恢复率85％(弯曲变形量为5％时)，比没有经过电流脉冲处理的形变丝材的46.6％，提高了82.4％，可回复变形量为4.25％。
实施例4根据设计的成分配方Mn为18％，Si为6％，Cr为10％，Ni为5％，C为0.05％，Nb为0.5％(余量为铁，均为质量百分比)配备好，采用工业纯铁、金属锰、金属硅、金属铬、电解镍、石墨、铌铁为原料，在感应电炉中熔炼、然后浇注获得铸锭，铸锭尺寸为φ78×160mm，重5.5Kg。为了消除铸锭的成分不均匀性，铸锭先经～1100℃均匀化退火15小时，车掉表面氧化皮后，在始锻温度1100℃下热锻成Φ15mm的圆棒。仍在始锻温度1100℃下经3次旋锤成Φ3.5mm的丝材。Φ3.5mm的丝材经8道冷拉(中间退火工艺为1273K×10min)成Φ1.5mm的丝材。剪取140mm长的丝材20根，然后装在直管内在1100℃下保温30分钟后，淬入冷水中，制得定形后的丝材以备用。将定形后的丝材预拉伸1％，再装夹在RC充放电脉冲电源设备的两极，调整电容C＝10μF，脉冲频率f＝400Hz，电压U＝600V。让脉冲电流作用于丝材上，电流脉冲作用8秒钟后丝材获得的形状恢复率70％(弯曲变形量为5％时)，比没有经过电流脉冲处理的形变丝材的48％，提高了46％，可回复变形量为3.5％。
实施例5根据设计的成分配方Mn为17％，Si为6％，Cr为10％，Ni为5％，C为0.1％，Nb为1％(余量为铁，均为质量百分比)配备好，采用工业纯铁、金属锰、金属硅、金属铬、电解镍、石墨、铌铁为原料，在感应电炉中熔炼、然后浇注获得铸锭，铸锭尺寸为φ78×160mm，重5.5Kg。为了消除铸锭的成分不均匀性，铸锭先经～1100℃均匀化退火15小时，车掉表面氧化皮后，在始锻温度1100℃下热锻成Φ15mm的圆棒。仍在始锻温度1100℃下经3次旋锤成Φ3.5mm的丝材。Φ3.5mm的丝材经8道冷拉(中间退火工艺为1273K×10min)成Φ1.5mm的丝材。剪取140mm长的丝材20根，然后装在直管内在1100℃下保温30分钟后，淬入冷水中，制得定形后的丝材以备用。将定形后的丝材预拉伸10％，再装夹在RC充放电脉冲电源设备的两极，调整电容C＝5000μF，脉冲频率f＝1Hz，电压U＝300V。让脉冲电流作用于丝材上，电流脉冲作用10秒钟后丝材获得的形状恢复率85％(弯曲变形量为5％时)，比没有经过电流脉冲处理的形变丝材的47％，提高了81％，可回复变形量为4.25％。
实施例6根据设计的成分配方Mn22％，Si4％，Cr6％，Ni5％，C0.05％，Nb0.6％(余量为铁，均为质量百分比)，采用工业纯铁、金属锰、金属硅、金属铬、电解镍、石墨、铌铁为原料，在感应电炉中熔炼、然后浇注获得铸锭，铸锭尺寸为φ78×156mm，重5.4Kg。为了消除铸锭的成分不均匀性，铸锭先经～1100℃均匀化退火15小时，车掉表面氧化皮后，在始锻温度1100℃下热锻成Φ15mm的圆棒。仍在始锻温度1100℃下经3次旋锤成Φ3.5mm的丝材。Φ3.5mm的丝材经8道冷拉(中间退火工艺为1273K×10min)成Ф1.5mm的丝材。剪取140mm长的丝材20根，然后装在直管内在1100℃下保温30分钟后，淬入冷水中，制得定形后的丝材以备用。将定形后的丝材预拉伸5％，再装夹在RC充放电脉冲电源设备的两极，调整电容C＝4000μF，脉冲频率f＝5Hz，电压U＝200V。让脉冲电流作用于丝材上，电流脉冲作用6秒钟后测丝材获得了的形状恢复率为76％(弯曲变形量为5％时)，比没有经过电流脉冲处理的形变丝材的48％，提高了58％，可回复变形量为3.8％。
权利要求
1.一种大电流脉冲快速处理铁基形状记忆合金的方法，其特征在于所处理合金的化学成分为Mn14～30％，Si3～7％，Cr7～12％，Ni4～6％，C0.01～0.2％，Nb0.1～2％(均为质量百分比)，余量为铁，将该合金预变形后通过大电流脉冲处理，作用时间在60秒钟之内即可促进第二相快速析出，从而显著提高材料的形状记忆效应。
2.根据权利要求1所述大电流脉冲快速处理铁基形状记忆合金的一种方法，其特征在于经60秒钟的电流脉冲处理时间后，通过合金中析出一定量的NbC第二相，使形状回复率由40％提高到80％以上(弯曲预变形量为5％时)，可回复变形量可达4.0％以上。
3.根据权利要求1所述大电流脉冲快速处理铁基形状记忆合金的一种方法，其特征在于此铁基形状记忆合金经预变形(1％～15％)后，再进行大电流脉冲快速处理，从而显著提高此铁基形状记忆合金的形状回复率。
4.根据权利要求1所述大电流脉冲快速处理铁基形状记忆合金的一种方法，其特征在于所用RC充放电脉冲电源设备的每个脉冲能量可调，电学参数中电容为10～10000μF，电压为50～600V，脉冲频率0.5～500Hz，脉冲电流密度1000～10000A/mm2。
全文摘要
本发明公开了一种大电流脉冲快速处理铁基形状记忆合金的方法。通过使用自制的RC充放电脉冲设备产生大电流脉冲，处理了铁基形状记忆合金。在60秒以内的时间实现了第二相快速析出，使合金的形状恢复率得到很大提高。采用RC充放电脉冲电源设备，通过调节电容量(10～10000μF)，电压值(50～600V)，脉冲频率(0.5～500Hz)，可以控制脉冲的电流密度、脉宽、脉冲频率和脉冲次数，在60s钟以内促使形变铁基形状记忆合金第二相的大量析出，使形状恢复率由47％提高到80％以上(弯曲变形量为5％时)，可回复变形量提高到4.0％以上，处理时间比常规热处理炉中800℃时效30分钟大大缩短。本发明处理设备结构简单，维修方便，处理工艺新颖、效率高、具有广阔的工程应用前景，是一种很有发展潜力的材料加工方法。
文档编号C22C30/00GK101092679SQ20071004956
公开日2007年12月26日 申请日期2007年7月20日 优先权日2007年7月20日
发明者李宁, 杨世洲, 文玉华, 刘文博, 张伟 申请人:四川大学