專利名稱：含N的Fe－Mn－Si－Cr基形狀記憶合金的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種形狀記憶合金的制備方法，特別是一種含N的Fe-Mn-Si-Cr基形狀記憶合金的制備方法。屬于冶金技術領域。
背景技術：
自發(fā)現(xiàn)Fe-Mn-Si基合金的形狀記憶效應(Shape memory effect，SME)以來，圍繞這種合金進行了廣泛的研究。一般認為影響SME的主要因素包括層錯能、母相強化、單變體。獲得盡可能多的單變體是提高SME的重要條件。Fe-Mn-Si基合金的層錯能很低，容易自協(xié)調形成多種變體，導致宏觀應變很小，所以往往通過熱機械訓練來得到更多的單變體以提高SME。因為γ→ε相變是借助于層錯產生和重疊來完成的，較低的層錯能有利于馬氏體的形成，有助于提高SME。強化母相，是為了提高合金的屈服強度σ0.2，減少全位錯滑移，顯然是提高SME的一個重要途徑。目前的強化方法主要是合金化和細化晶粒。合金化的作用是復雜的，一方面可影響母相的強度，同時層錯能也有變化。在Fe-Mn-Si基合金中加入間隙原子C或N對記憶效應有明顯的改善作用，是一種非常有效的合金化方法。在強化效果上，C或N都能顯著提高合金的屈服強度σ0.2，相比C合金化，在Fe-Mn-Si基合金中加入N要困難得多，但C的加入會大大惡化Fe-Mn-Si基合金的抗腐蝕性能，N則有利于提高抗腐蝕性能。所以若能解決N的合金化問題，則含N的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金將更具有應用前景。
經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，Jiang等在《Scripta Materialia》(材料快報)的1996年第34卷第1473~1441頁上發(fā)表的“The effect of nitrogen on shape memoryeffect in Fe-Mn-Si alloys”(氮對Fe-Mn-Si合金形狀記憶效應的影響)公開了一種含N的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的制備方法。該方法是利用真空熔煉爐得到含N0.047wt％的Fe-30.0Mn-6.0Si形狀記憶合金，其中N是通過加Si3N4來引入的，這將增加合金的熔煉成本。在Fe-Mn-Si基形狀記憶合金中，元素Si可大大降低了合金的層錯能，有助于提高SME，所以合金設計時往往在Fe-Mn合金中加入大約6％wt％Si，該方法很難控制合金中的成分，特別是獲得含N比較高的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種含N的Fe-Mn-Si-Cr基形狀記憶合金的制備方法，使合金中N元素更容易加入、N含量更容易控制，并降低了合金的制備成本，工藝方法簡單。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，采用熔煉材料分批加入，分階段熔煉，具體為先在感應爐的真空條件下加入和熔煉難揮發(fā)的的金屬，然后在氮氣保護下加入和熔煉易揮發(fā)的金屬，再通過加入含高N的冶煉材料，最后在氮氣保護下進行澆注和凝固。
以下對本發(fā)明作進一步的說明所述的熔煉材料分批加入，是指在感應爐的坩堝內中先加入難揮發(fā)物質的純鐵、純硅、純鉻，然后加入易揮發(fā)性物質的純錳，從分料倉依次加入，最后從感應爐上的分料倉依次加入含高N的冶煉材料。
所述的分階段進行熔煉，具體為(1)先在真空狀態(tài)下熔煉難揮發(fā)的純鐵、純硅、純鉻；(2)完全熔化后充入氮氣至一個大氣壓，并保持此大氣壓到熔煉結束；(3)在氮氣份下，依次加入易揮發(fā)的工業(yè)純錳；(4)從感應爐的窗口檢測到易揮發(fā)的工業(yè)純錳完全熔化后，立刻加入含高N的冶煉材料；(5)從感應爐的窗口檢測到含高N的冶煉材料完全熔化后，立刻進行澆注；(6)澆注和凝固都必須在此氮氣氛下進行。
所述的熔煉，在感應爐頂部的分料倉密封，滿足氣體保護的要求。
所述的含高N的冶煉材料，其成分的重量百分比分別為N1~7％，Cr50~70％，Si0.5~1.5％，余量為Fe。
所加入的純錳在熔煉時易揮發(fā)，在此類熔煉條件下，多加入1％的錳以保證所需的合金成份。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明一個突出的特點是熔煉材料分批加入，熔煉分階段進行。Fe-Mn-Si-Cr基合金中的N通過一種價格低廉的含高N的冶煉材料來加入。熔煉工藝更簡單、合金中氮含量更易于控制、合金制備成本也顯著降低了。這些特點將可明顯加快此類合金的工業(yè)應用。
具體實施例方式
結合本發(fā)明內容提供以下實施例實施例一目的制備Fe-25Mn-6Si-5Cr-0.09N(重量百分比)形狀記憶合金。
材料采用工業(yè)純錳、純鐵、純鉻、純硅以及含高N的冶煉材料。
制備過程先將工業(yè)純鐵、純鉻、純硅先放置在感應爐的坩堝中，抽真空到0.01atm，并保持此真空條件加熱熔煉；等到坩堝中的爐料完全熔化后充入氮氣到1atm，此后的熔煉一直保持此大氣壓；然后加入工業(yè)純錳，考慮到錳是一種易揮發(fā)的物質，所以在熔煉時應當多加入1％的工業(yè)純錳以保證所需的合金成份；從感應爐的窗口觀察到錳完全熔化后，立即加入含高N的冶煉材料；這種含高N的冶煉材料所含成份的重量百分比為，N~1％，Cr~50％，Si~0.5％，余量為Fe；等這些爐料完全熔化后，立刻進行澆注和凝固。
結果分析取樣分析各合金成分重量百分比分別為Mn~24.8％，Si~6.0％，Cr~5.3％，N~0.090％。結果表明通過這種方法制備的含N的Fe-Mn-Si-Cr基形狀記憶合金，各合金元素的成分控制非常理想。
實施例二目的制備Fe-25Mn-6Si-5Cr-0.10N(重量百分比)形狀記憶合金。
材料采用工業(yè)純錳、純鐵、純鉻、純硅以及含高N的冶煉材料。
制備過程先將工業(yè)純鐵、純鉻、純硅先放置在感應爐的坩堝中，抽真空到0.01atm，并保持此真空條件加熱熔煉；等到坩堝中的爐料完全熔化后充入氮氣到1atm，此后的熔煉一直保持此大氣壓；然后加入工業(yè)純錳，考慮到錳是一種易揮發(fā)的物質，所以在熔煉時應當多加入1％的工業(yè)純錳以保證所需的合金成份；從感應爐的窗口觀察到錳完全熔化后，立即加入含高N的冶煉材料；這種含高N的冶煉材料所含成份的重量百分比為，N~4％，Cr~60％，Si~1.0％，余量為Fe；等這些爐料完全熔化后，立刻進行澆注和凝固。
結果分析取樣分析各合金成分重量百分比分別為Mn~25.2％，Si~6.1％，Cr~5.5％，N~0.098％。結果表明通過這種方法制備的含N的Fe-Mn-Si-Cr基形狀記憶合金，各合金元素的成分控制非常理想。
實施例三目的制備Fe-20Mn-6Si-5Cr-0.18N(重量百分比)形狀記憶合金。
材料采用工業(yè)純錳、純鐵、純鉻、純硅以及含高N的冶煉材料。
制備過程先將工業(yè)純鐵、純鉻、純硅先放置在感應爐的坩堝中，抽真空到0.01atm，并保持此真空條件加熱熔煉；等到坩堝中的爐料完全熔化后充入氮氣到1atm，此后的熔煉一直保持此大氣壓；然后加入工業(yè)純錳，考慮到錳是一種易揮發(fā)的物質，所以在熔煉時應當多加入1％的工業(yè)純錳以保證所需的合金成份；從感應爐的窗口觀察到錳完全熔化后，立即加入含高N的冶煉材料；這種含高N的冶煉材料所含成份的重量百分比為，N~7％，Cr~70％，Si~1.5％，余量為Fe；等這些爐料完全熔化后，立刻進行澆注和凝固。
結果分析取樣分析各合金成分重量百分比分別為Mn~19.2％，Si~5.5％，Cr~5.5％，N~0.15％。結果表明通過這種方法制備的含N的Fe-Mn-Si-Cr基形狀記憶合金，各合金元素的成分控制非常理想。
權利要求
1.一種含N的Fe-Mn-Si-Cr基形狀記憶合金的制備方法，其特征在于，采用熔煉材料分批加入，分階段熔煉，具體為先在感應爐的真空條件下加入和熔煉難揮發(fā)的的金屬，然后在氮氣保護下加入和熔煉易揮發(fā)的金屬，再通過加入含高N的冶煉材料，最后在氮氣保護下進行澆注和凝固。
2.根據(jù)權利要求1所述的含N的Fe-Mn-Si-Cr基形狀記憶合金的制備方法，其特征是，所述的熔煉材料分批加入，是指在感應爐的坩堝內中先加入難揮發(fā)物質的純鐵、純硅、純鉻，然后加入易揮發(fā)性物質的純錳，從分料倉依次加入，最后從感應爐上的分料倉依次加入含高N的冶煉材料。
3.根據(jù)權利要求1所述的含N的Fe-Mn-Si-Cr基形狀記憶合金的制備方法，其特征是，所述的分階段進行熔煉，具體為(1)先在真空狀態(tài)下熔煉難揮發(fā)的純鐵、純硅、純鉻；(2)完全熔化后充入氮氣至一個大氣壓，并保持此大氣壓到熔煉結束；(3)在氮氣份下，依次加入易揮發(fā)的工業(yè)純錳；(4)從感應爐的窗口檢測到易揮發(fā)的工業(yè)純錳完全熔化后，立刻加入含高N的冶煉材料；(5)從感應爐的窗口檢測到含高N的冶煉材料完全熔化后，立刻進行澆注；(6)澆注和凝固都必須在此氮氣氛下進行。
4.根據(jù)權利要求1或者2或者3所述的含N的Fe-Mn-Si-Cr基形狀記憶合金的制備方法，其特征是，所述的熔煉，在感應爐頂部的分料倉密封，滿足氣體保護的要求。
5.根據(jù)權利要求1或者2或者3所述的含N的Fe-Mn-Si-Cr基形狀記憶合金的制備方法，其特征是，所述的含高N的冶煉材料，N 1~7％，Cr 50~70％，Si 0.5~1.5％，余量為Fe。
6.根據(jù)權利要求1或者2或者3所述的含N的Fe-Mn-Si-Cr基形狀記憶合金的制備方法，其特征是，所加入的純錳在熔煉時易揮發(fā)，在此類熔煉條件下，多加入1％的錳以保證所需的合金成份。
全文摘要
一種含N的Fe－Mn－Si－Cr基形狀記憶合金的制備方法，屬于冶金技術領域。本發(fā)明采用熔煉材料分批加入，分階段熔煉，具體為先在感應爐的真空條件下加入和熔煉難揮發(fā)的金屬，然后在氮氣保護下加入和熔煉易揮發(fā)的金屬，再通過加入含高N的冶煉材料，最后在氮氣保護下進行澆注和凝固。本發(fā)明使合金中的N元素更容易加入、N含量更容易控制，并降低了合金的制備成本，工藝方法簡單。
文檔編號C22C38/00GK1644735SQ200510023450
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月20日 優(yōu)先權日2005年1月20日
發(fā)明者萬見峰, 陳世樸, 徐祖耀 申請人:上海交通大學