专利名称：稀土铁基高温形状记忆合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种形状记忆合金，尤其是一种能用于250℃以上高温动作传感器的稀土铁基高温形状记忆合金，属于冶金专业中的形状记忆合金领域。
在现有技术的铁基形状记忆合金中，含有以Mn、Si、和Fe等主要合金元素，通常都以其使用场合和要求的不同来确定选用的元素成分，主要用于管接头和紧固件，经专利文献检索尚未发现有添加稀土制作成能用于250℃以上温度动作的铁基形状记忆合金。如中国专利申请号为92100414.1低镍铬、铁锰硅系形状记忆合金，其合金的组分为(wt％)，Mn22～28 Si2.5～5 C0.02～0.06 Ni1～3.5Cr0.8～4，Ni和Cr的总量2.3～5。该专利申请文件中记载了“用于紧固件和温度传感元件”。
又如中国专利申请号为91111423.8铁基稀土记忆合金，则提出不含Ni，Cr，但含有Al的铁基稀土形状记忆合金，其成分范围为(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......等一种或两种以上，含量为0.008～0.09。
上述技术中，专利申请号为92100414.1技术虽然能用于温度传感元件，但使用温度较低，Af仅为小于等于140℃，不适用于高温动作；专利申请号为91111423.8技术主要应用于管接头，而未能作用感温元件。
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种可用于250℃以上高温动作应用领域的稀土铁基高温形状记忆合金。
本发明的技术方案和实施方式如下FeMnSi基合金形状记忆效应主要是通过应力诱发马氏体相变fcc(γ奥氏体)→hcp(ε马氏体)，由不全位错的增殖和移动，产生形状变形。当加热时，不全位错逆向运动，马氏体逆转变为奥氏体，从而使变形过的材料回复至原先的形状。要提高这类形状记忆效应的关键是1)降低奥氏体的层错能，使不全位错容易移动；2)强化奥氏体，使全位错不易移动，从而避免不可恢复的永久变形；3)避免尼尔温度TN(反铁磁相相变温度)高于ε马氏体转变温度Ms。
因此，所设定的合金元素范围理由为Mn是最基本的合金元素，它具有fcc→hcp相变，并扩大铁中奥氏体相的范围，降低Ms点，使合金在室温下呈奥氏体状态，以提供应力诱发马氏体的基体。同时，Mn具有固溶强化奥氏体的作用，故其含量不得低于15wt％(低于此含量，易形成α’马氏体，而不是ε马氏体)，但Mn含量过高，将导致加工性能恶化，同时TN温度升高，损害形状记忆效应，故Mn含量不宜高于35wt％。
Si，降低奥氏体层错能，并降低TN点。促进应力诱发马氏体相变，提高Ms点。同时Si也起到固溶强化作用，因此Si含量不应低于2wt％，但当Si含量大于8wt％时，冷热加工性能急剧恶化。Si与Mn的含量需合理匹配选用，即确定了Mn后，在Si的选用范围内确定相应的Si值，以调节恰当的相变温度，这对改善形状记忆效应十分重要(参见下表1)。
Cr，改善抗氧化性能，同时也有固溶强化作用，但Cr提高层错能，缩小γ相区。含量过高，易形成σ相，导致脆性。本发明要求不在于大幅度提高抗腐蚀性能，而是在大气条件下有足够的耐蚀性。因此，Cr含量上限宜为8wt％。
稀土元素的加入，能净化晶界，细化奥氏体晶粒，有利于母相的强化；同时它降低层错能，有利于ε马氏体的应力诱发，提高相变温度；以上作用不但改善热加工性能，同时也有利于提高形状回复温度和形状记忆效应，控制含量为0.05～0.5wt％。
因此，为了实现本发明的目的，达到本发明的效果，本发明的配方组分为(wt％)
Mn15～35 Si2～8 Cr2～8稀土0.05～0.3(铈、镧或混合稀土)，余量为Fe，Mn确定后，根据所确定的Mn值，在Si的选用范围内确定相应的Si值。
其熔炼和加工工艺如下采用真空或非真空中频感应电炉熔炼，铸锭经1000～1250℃均匀化处理6～8小时，800～1200℃热加工(包括热锻、热轧、热挤或热拉丝)，之后经冷加工或冷变形制成所要求形状的驱动元件，再经500～1000℃定型处理即可，使用时在室温先使之变形，当加热到Af点以上温度，即可自动回复至定形时的形状。
本发明具有实质性特点和显著进步，不经训练，单次形状记忆回复率达60％以上，加工性能良好，Af温度大于250℃，成本明显低于其他含Ni形状记忆合金。
以下进一步结合实例(参见表1)进行描述采用真空感应熔炼得到合金铸锭，铸锭经1100℃保温8小时炉冷进行均匀化处理，经热锻和热轧成φ8.5mm棒材，再经旋锻和热拉成φ2mm丝材，截取150mm长的拉伸试样，经700～1000℃淬火，然后在室温拉伸，预变形量为2.7～3％，再经600℃加热，测定其形状记忆效应，也列入表1中。◇表示形状回复率大于75％，○表示形状回复率大于60％。表中还列比了加工性能，◆表示加工性能优良，●表示加工性能良好。
表1 试验合金的化学成分，形状记忆效应和加工性能
把7号合金制成拉簧，(线径d＝2mm，弹簧内径D内＝8mm，有效圈数n＝8)1).在20℃恒温下，拉伸速率为5.0mm/min。测定其负荷—变形特性曲线。当弹簧伸长至27.3mm，负荷达110N后卸载，残余伸长量为15.6mm。
2)在保持伸长量15.6mm的条件下加热，测量弹簧形状回复过程中的负荷---温度特性曲线(加热速率7℃/min)，结果表明当温度至280℃时，弹簧产生的回复力达59N。加热至320℃时，负荷达60N后不再增加。该合金制成的弹簧，已试用于防火阀门(要求280℃动作)，效果较现有的不锈钢型形状记忆弹簧好得多，后者动作温度不到200℃，且形状记忆效应经热循环后容易衰退。
权利要求
1.一种稀土铁基高温形状记忆合金，含有以Mn、Si和Fe等主要合金元素，其特征在于配方组分为(wt％)Mn15～35 Si2～8 Cr2～8稀土0.05～0.3(铈、镧或混合稀土)，余量为Fe，当Mn先确定后，根据所确定的Mn值，在Si的选用范围内确定相应的Si值。
2.根据权利要求1所述的这种稀土铁基高温形状记忆合金，其特征还在于其熔炼和加工工艺如下采用真空或非真空中频感应电炉熔炼，铸锭经1000～1250℃均匀化处理6～8小时，800～1200℃热加工(包括热锻、热轧、热挤或热拉丝)，之后经冷加工或冷变形制成所要求形状的驱动元件，再经500～1000℃定型处理即可，使用时在室温先使之变形，当加热到Af点以上温度，即可自动回复至定形时的形状。
全文摘要
本发明是一种稀土铁基高温形状记忆合金,含有以Mn、Si和Fe等主要合金元素,配方组合为(wt%):Mn:15～35、Si:2～8、Cr:2～8、稀土0.05～0.3(铈、镧或混合稀土),余量为Fe,当Mn先确定后,根据所确定的Mn值,在Si的选用范围内确定相应的Si值。本发明形状记忆效应达60%以上,机械加工性能良好,成本明显低于其他含Ni形状记忆合金。
文档编号C22C38/38GK1249356SQ9911693
公开日2000年4月5日 申请日期1999年9月30日 优先权日1999年9月30日
发明者江伯鸿, 漆璿 申请人:上海交通大学