专利名称：：具有室温薄片马氏体组织的铁镍钴钛合金及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种热处理
技术领域：
的合金及其制备方法，具体地说，涉及的是一种具有室温薄片马氏体组织的铁镍钴钛合金及其制备方法。
背景技术：
：铁磁形状记忆合金因其较大的输出功率和极快的响应频率而受到广泛的关注。目前，人们对Ni2MnGa和FePd等磁控形状记忆合金都已经展开深入的研究，并得到不错的效果。但是这些合金一方面含有贵重稀有金属元素，如Ga、Pd，熔炼也存在大的难度，比如Mn元素易于在熔炼中挥发，成分难以控制。另外，Ni2MnGa合金脆性较大，不易加工，影响实际使用。Fe-Ni-Co-Ti合金被认为是极具潜质的一种磁控形状记忆合金，一方面Fe-Ni-Co-Ti合金在一定状态下以完全孪晶结构的薄片马氏体形式存在，且孪晶界面可迁动，满足磁控形状记忆效应的结构需求；另一方面Fe-Ni-Co-Ti合金的饱和磁化强度是Ni2MnGa的三倍，这意味着其理论输出功率也可达到Ni2MnGa的三倍；此外，Fe_Ni-Co-Ti合金的熔炼难度较小，加工方便，且相对便宜很多。Fe-Ni-Co-Ti的形状记忆效应是通过孪晶结构的薄片马氏体实现的，因此，开发Fe-Ni-Co-Ti磁控形状记忆合金的关键是获得室温下存在的完全孪晶结构的薄片马氏体组织，只有在这种结构状态下，磁控形状记忆效应才可能在Fe-Ni-Co-Ti合金中实现。但是，Fe-M-Co-Ti合金的马氏体形态受到四种元素成分、热处理的影响，工艺控制条件比较苛刻。所以，通过成分设计和热处理手段的调整，获得室温薄片马氏体组织具有非常现实的必要性。经对现有技术的文献检索发现，R.Hayashi等在《SensorsandActuators》(传感器与驱动器)(2000年81期第219—223页)上发表的"MagneticandmechanicalpropertiesofFeNiCoTimagneticshapememoryalloy'，(铁镇钴钛磁控形状记忆合金的磁性能和机械性能研究)，该文中提出(铁镍钴钛合金由于其孪晶的薄片马氏体结构和极高的饱和磁化强度，因此具有成为磁控形状记忆合金的潜力，并且具有低成本、易加工的优势，成为镍锰镓磁控形状记忆合金的替代品)，该文章通过相图入手，选择3种不同的成分进行研究分析，测得铁镍钴钛合金具有3倍于镍锰镓的饱和磁化强度，并得到了各种合金成分对合金磁性能的影响的结论。由于该研究对铁镍钴钛合金成分设计和热处理工艺研究不够深入，无法对合金的马氏体相形态做到很好的控制，没有得到室温下存在的孪晶结构的薄片马氏体，因此并没有获得预期的磁控形状记忆效应。
发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有室温薄片马氏体组织的铁镍钴钛合金及其制备方法，可以得到足够多的在室温下存在的薄片马氏体组织，改善温控形状记忆效应，同时具有潜在磁控形状记忆效应的能力。本发明是通过以下技术方案实现的本发明所涉及的具有室温薄片马氏体组织的合金，包含的组分及其重量百分比为Ni:29.0531.88%，Co:1020%,Ti:3.764.94%，余量为Fe。本发明所涉及的具有室温薄片马氏体组织的合金的制备方法，包括加工处理和时效处理两个步骤①加工工艺合金铸造后，于1000120(TC左右均匀化处理530小时；9001100。C锻造成板材。在1100120(TC热处理30分钟，再结晶处理，水淬。②时效处理时效温度为50(TC650。C，时效时间随合金成分变化选取不同的值，通过测定随时效时间变化、马氏体相变温度和逆相变开始温度的变化来确定；当逆相变开始温度接近室温时，马氏体在室温下保持住，具有最多量的薄片马氏体。所述的合金铸造，具体为选取99.9%纯铁，99.9%纯镍，99.9%纯钴，99.9%纯钛，按照重量百分比配料，在惰性气体保护下，熔炼获得块状合金材料。本发明提供了具有室温薄片马氏体组织的合金成分范围和热处理工艺。铁基合金的马氏体形貌取决于马氏体相变的温度和合金基体自身的强度，归结于马氏体相变时基体的强度。当基体强度低于某一临界值，合金马氏体相变以位错的形式开动，则马氏体为位错结构的板条马氏体和透镜状马氏体，当马氏体相变时基体强度足够高，使位错难以开动，则相变以孪晶的形式开动，形成完全孪晶结构的薄片状马氏体。因此，马氏体相变温度越低，基体强度越高，越有助于薄片马氏体的形成。合金的成分对Fe-Ni-Co-Ti合金马氏体形貌起决定性作用，马氏体相变温度对Ni元素非常敏感，Ni元素过低，相变温度偏高，形成透镜状马氏体，而Ni含量过高，马氏体相变温度过低，使马氏体无法保存至室温。Co对合金起到因瓦作用，降低马氏体相变过程中的体积变化，有利于薄片马氏体的形成。此外，Co改善合金的磁性能，有利于增强磁控形状记忆效应。热处理则在一定程度影响马氏体相变和形貌。在时效过程中，通过析出Ni3Ti沉淀强化基体，同时Ni、Ti元素从基体中析出，使合金的马氏体相变温度升高；基体的增强也会一定程度降低马氏体相变温度；因此，进行合金的成分的优化，并通过热处理工艺控制沉淀析出过程，在增强基体强度的同时，调整好马氏体相变温度和逆相变开始温度，可最大化得到室温下的薄片马氏体组织。本发明通过实验分析，以获得室温下薄片马氏体为目的，优化了Fe-Ni-Co-Ti合金的成分，为开发Fe-Ni-Co-Ti磁控形状记忆效应提供了依据。热处理过程尤其是时效工艺对马氏体形貌起到至关重要的作用，沉淀相变控制在55(TC65(TC为宜，过高温度沉淀相变不会发生，或者仅仅在晶界处析出，反而降低合金机械性能；过低时效温度，合金元素扩散过于缓慢，热处理时间太长，不利于控制成本。时效时间与马氏体相变转变温度和逆相变开始温度有对应的关系，随时效时间的增加，相变温度总体呈升高趋势。通过测定相变温度，当得到逆相变温度接近室温时，其对应的时效温度和时间即可作为获取室温薄片马氏体的时效工艺参数。本发明通过研究各合金元素以及时效时间对马氏体相变的影响，进行成分设计和热处理工艺的优化，得到室温下几乎完全孪晶的薄片马氏体结构，马氏体含量占基体的50%以上，使磁控形状记忆效应在的Fe-Ni-Co-Ti合金中实现成为可能。图l获得薄片马氏体时效时间与合金Ni含量的关系示意图。图2为铁镍钴钛合金金相照片；其中(a)为铁镍钴钛合金薄片马氏体结构光学金相照片；(b)为铁镍钴钛合金马氏体孪晶结构照片。图3为本发明实施例效果其中(a)、(b)、(C)和(d)分别为三个实施例的金相照片。具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，FeNiCoTi合金的时效时间主要与Ni含量有关。Ni含量越高，到32%左右时，需要的时效时间越长，通过时效时间延长，使马氏体转变温度提高到-10(TC左右，但是过长的时效时间容易使马氏体向透镜状转化。因此，时效时间在90分钟为宜。当Ni含量比较低，29%左右时，其马氏体转变温度己经比较高，因此较少的时效时间就足以把马氏体转变温度调整到位，因此，时效时间取10分钟为宜。另外，Co可以促进沉淀的析出，縮短时效的时间，因此，Co含量越高，时效时间越短。马氏体转变温度是控制马氏体形态，获得薄片马氏体的关键。而马氏体转变温度取决于Ni含量和时效时间。Ni含量越高，马氏体转变温度越低，而时效时间越长，马氏体转变温度越高。因此，Ni含量高了，就需要更长的时效时间将马氏体转变温度压低，而Ni含量低了，时效时间就短一点。总之，通过成分和时效，把马氏体温度压在一定的范围(-100'C-5(TC)。逆转变温度尽量接近室温，从而使薄片马氏体能够尽量多的保留下来。实施例成分Ni:29.0531.88%，Co:1020%，Ti:3.764.94%，其余为Fe;铸造工艺选取99.9%纯铁，99.9%纯镍，99.9%纯钴，99.9%纯钛，按照重量百分比配料，在氩气保护下，进行真空电弧熔炼或者感应熔炼，获得块状合金材料。加工工艺合金铸造后，于1000120(TC左右均匀化处理530小时；900IIO(TC锻造成板材。在1100120(TC热处理30分钟，再结晶处理，水淬。时效工艺时效温度为500°C650°C，时效时间随合金成分变化选取不同的值，通过测定随时效时间变化，马氏体相变温度和逆相变开始温度的变化来确定；当逆相变开始温度接近室温时，马氏体在室温下保持住，具有最多量的薄片马氏体。如图2所示，图2(a)是铁镍钴钛合金薄片马氏体结构光学金相照片，表明通过本发明介绍的工艺过程，可以在室温下获得大量的薄片状马氏体；图2(b)是铁镍钴钛合金马氏体孪晶结构照片，清晰的表明获得的薄片状马氏体是孪晶结构，具备实现磁控形状记忆效应的结构条件。设计三种成分的FeNiCoTi合金，在氩气保护下进行电弧熔炼。合金样品先在115(TC左右均匀化处理20小时后冷却，接着于90(TC锻造成板材，然后在IIOO'C热处理30分钟，水淬。三种合金的成分和时效工艺如表1所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>如图3所示，从金相照片可知，三种成分合金通过合适的时效工艺均具有室温下存在的薄片马氏体组织。其中实施例2合金中马氏体量最多。研究表明随着Ni含量的降低，当低于29%时，会出现透镜状马氏体，而当狙％高于32%时，马氏体转变温度过低，使马氏体量减少。权利要求1、一种具有室温薄片马氏体组织的铁镍钴钛合金，其特征在于，包含的组分及其重量百分比为Ni29～33％，Co10～20％，Ti3～5％，其余为Fe。2、一种如根据权利要求1所述的具有室温薄片马氏体组织的铁镍钴钛合金的制备方法，其特征在于，包括步骤为-①合金铸造后，于1000120(TC左右均匀化处理530小时；9001100°C锻造成板材，在1100120(TC热处理30分钟，再结晶处理，水淬；②时效温度为50(TC65(TC，当逆相变开始温度接近室温时，马氏体在室温下保持住，获得最多量的薄片马氏体。3、如根据权利要求2所述的具有室温薄片马氏体组织的铁镍钴钛合金的制备方法，其特征是，所述的合金铸造，具体为选取99.9%纯铁，99.9%纯镍，9%纯钴，99.9%纯钛，按照重量百分比配料，在惰性气体保护下，熔炼获得块状合金材料。全文摘要本发明涉及一种热处理
技术领域：
的具有室温薄片马氏体组织的铁镍钴钛合金及其制备方法，所述合金包含的组分及其重量百分比为Ni29～33％，Co10～20％，Ti3～5％，其余为Fe。本发明提出了Fe-Ni-Co-Ti铁磁形状记忆合金获得薄片马氏体组织的成分范围和时效工艺。通过成分和热处理工艺的优化，可以得到足够多的在室温下存在的薄片马氏体组织，改善温控形状记忆效应，同时具有潜在磁控形状记忆效应的能力。文档编号C21D1/18GK101560630SQ20091004777公开日2009年10月21日申请日期2009年3月19日优先权日2009年3月19日发明者洪丁,金学军,金明江,顾一嘉,高一鹏申请人:上海交通大学