[发明专利]一种优异记忆恢复特性的铁基形状记忆合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，更加具体地说，涉及一种含VN的Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金及其制备方法。

背景技术

铁基形状记忆合金是一种由温度控制的对形状有记忆效应的合金。适用在机械、化工、建筑、桥梁、通讯、航空等领域的各种管线连接、电缆线路接合、板的铆接及用作其他部件。铁基形状记忆合金主要通过成分及工艺控制，使其在预期条件下产生马氏体相变及其逆相变并由此产生记忆效应，其形状记忆回复率、回复力和回复温度是形状记忆合金在工业应用中重要的性能指标。现常用铁基形状记忆合金主要成分为Fe-Mn-Si系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni系的形状记忆合金。现又有含VC、NbC等粒子析出的新成分铁基形状记忆合金出现。在这些常用合金中，已经获得了较高的形状记忆回复率，基本满足了部分工程应用条件，但大部分合金的形状记忆回复力较低且所需回复温度较高，如部分含NbC铁基形状记忆合金的形状记忆回复力在200–300MPa，而回复温度却需要500℃，这大大限制了铁基形状记忆合金的工程应用。

要提高合金的形状记忆性能，主要是使变形更多的由可逆性较好的应力诱发γ→ε转变来实现，即增大基体滑移变形的临界应力（提高基体强度）与降低应力诱发γ→ε转变的阻力。考虑合金其它性能（如耐蚀性、加工性等）的前提下，制定合金成分，使合金Ms点略低于使用温度，既保证合金组织为奥氏体又使诱发γ→ε转变的热力学阻力较低。合适的合金成分主要为：Mn：10-25% Si：2-10% Cr：5-15% Ni：2-10% C：0-0.2%。除合金成分外，生产工艺的改进也大幅提高合金记忆性能，如通过热机械训练可大幅提高合金的形状回复率。但热机械训练工艺复杂，成本高，复杂形状合金的训练困难，不利于工程应用。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术存在的问题，提供一种含氮化钒（VN）的Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金，该合金记忆性能大幅提高，且通过优化合金成分和热处理工艺的优化解决以往Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金回复力低及存在低温应力松弛的问题。

本发明目的通过下述技术方案予以实现：

一种优异记忆恢复特性的铁基形状记忆合金及其制备方法，具体方案如下：

一种含有氮化钒的Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金，化学组成（重量百分比%）如下：

Mn：5-30%，优选10—30%

Si：2-10％，优选2—6%

Cr：5-15%

Ni：2-10%

N：大于零小于等于1%

V：大于零小于等于4%

C：大于零小于等于0.2%

Fe为余量

上述合金的化学组成中钒和氮的原子比为大于等于1，且小于等于1.2—1.5，即钒的原子数略为过量，以使元素氮尽量能够全部析出，略微剩余的钒能够固熔在固体中，所说合金中析出氮化钒的重量百分比为0.1-2%。

在制备过程中，按照下述步骤进行：

（1）按照上述元素的化学计量，将合金元素在感应炉中直接冶炼，温度1500—1600度，精炼10—20min，然后随炉冷却至室温20—25℃，可选用纯金属作为合金元素，也可选择电解锰，电解镍、钒铁合金、铁氮合金，其他为纯金属。

（2）将步骤（1）中随炉冷却的产物加热至1000℃-1200℃均匀化处理6-8小时，然后随炉冷却至室温20-25℃。

（3）将经过步骤（2）处理的产物加热到700-800℃时效1-4h,优选2-4h，以使氮化钒析出，然后随炉冷却至室温20-25℃。

本发明上述合金在700-800℃的范围内进行时效处理前进行小于15%预应变，可提高形状回复率。

本发明提供一种含有氮化钒的Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金，沉淀析出氮化钒（VN）颗粒可以强化基体，抑制位错滑移产生的塑性变形，促使变形更多的由马氏体相变来实现，提高形状记忆回复率及回复力。由于VN颗粒对基体的强化作用，基体将不易发生滑移变形，保证合金在从回复温度冷却至室温时无应力松弛发生，获得较高的回复力。同时VN沉底粒子会在周围产生应力场，促进层错的生成，可以为马氏体相变提供形核位置，促进变形时γ→ε转变。而在形状回复过程即γ→ε逆转变时，VN粒子会在ε马氏体片尖端产生促使片层回复的应力。本发明通过氮化钒的加入，大幅提高合金记忆性能。当氮化钒含量小于0.1%时，不能得到本发明效果；另外，当氮化钒含量大于2.05%时，对本发明效果起不到进一步提高作用，同时造成切削加工性能下降，不可取。