含N的Fe－Mn－Si－Cr基形状记忆合金的制备方法

摘要

一种含N的Fe－Mn－Si－Cr基形状记忆合金的制备方法，属于冶金技术领域。本发明采用熔炼材料分批加入，分阶段熔炼，具体为：先在感应炉的真空条件下加入和熔炼难挥发的金属，然后在氮气保护下加入和熔炼易挥发的金属，再通过加入含高N的冶炼材料，最后在氮气保护下进行浇注和凝固。本发明使合金中的N元素更容易加入、N含量更容易控制，并降低了合金的制备成本，工艺方法简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种形状记忆合金的制备方法，特别是一种含N的Fe-Mn-Si-Cr基形状记忆合金的制备方法。属于冶金技术领域。

背景技术

自发现Fe-Mn-Si基合金的形状记忆效应(Shape memory effect，SME)以来，围绕这种合金进行了广泛的研究。一般认为影响SME的主要因素包括：层错能、母相强化、单变体。获得尽可能多的单变体是提高SME的重要条件。Fe-Mn-Si基合金的层错能很低，容易自协调形成多种变体，导致宏观应变很小，所以往往通过热机械训练来得到更多的单变体以提高SME。因为γ→ε相变是借助于层错产生和重叠来完成的，较低的层错能有利于马氏体的形成，有助于提高SME。强化母相，是为了提高合金的屈服强度σ_0.2，减少全位错滑移，显然是提高SME的一个重要途径。目前的强化方法主要是合金化和细化晶粒。合金化的作用是复杂的，一方面可影响母相的强度，同时层错能也有变化。在Fe-Mn-Si基合金中加入间隙原子C或N对记忆效应有明显的改善作用，是一种非常有效的合金化方法。在强化效果上，C或N都能显著提高合金的屈服强度σ_0.2，相比C合金化，在Fe-Mn-Si基合金中加入N要困难得多，但C的加入会大大恶化Fe-Mn-Si基合金的抗腐蚀性能，N则有利于提高抗腐蚀性能。所以若能解决N的合金化问题，则含N的Fe-Mn-Si基形状记忆合金将更具有应用前景。

经对现有技术文献的检索发现，Jiang等在《Scripta Materialia》(材料快报)的1996年第34卷第1473~1441页上发表的“The effect of nitrogen on shape memoryeffect in Fe-Mn-Si alloys”(氮对Fe-Mn-Si合金形状记忆效应的影响)公开了一种含N的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的制备方法。该方法是利用真空熔炼炉得到含N0.047wt％的Fe-30.0Mn-6.0Si形状记忆合金，其中N是通过加Si₃N₄来引入的，这将增加合金的熔炼成本。在Fe-Mn-Si基形状记忆合金中，元素Si可大大降低了合金的层错能，有助于提高SME，所以合金设计时往往在Fe-Mn合金中加入大约6％wt％Si，该方法很难控制合金中的成分，特别是获得含N比较高的Fe-Mn-Si基形状记忆合金。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种含N的Fe-Mn-Si-Cr基形状记忆合金的制备方法，使合金中N元素更容易加入、N含量更容易控制，并降低了合金的制备成本，工艺方法简单。

本发明是通过以下技术方案实现的，采用熔炼材料分批加入，分阶段熔炼，具体为：先在感应炉的真空条件下加入和熔炼难挥发的的金属，然后在氮气保护下加入和熔炼易挥发的金属，再通过加入含高N的冶炼材料，最后在氮气保护下进行浇注和凝固。

以下对本发明作进一步的说明：

所述的熔炼材料分批加入，是指：

在感应炉的坩埚内中先加入难挥发物质的纯铁、纯硅、纯铬，然后加入易挥发性物质的纯锰，从分料仓依次加入，最后从感应炉上的分料仓依次加入含高N的冶炼材料。

所述的分阶段进行熔炼，具体为：

(1)先在真空状态下熔炼难挥发的纯铁、纯硅、纯铬；

(2)完全熔化后充入氮气至一个大气压，并保持此大气压到熔炼结束；

(3)在氮气份下，依次加入易挥发的工业纯锰；

(4)从感应炉的窗口检测到易挥发的工业纯锰完全熔化后，立刻加入含高N的冶炼材料；

(5)从感应炉的窗口检测到含高N的冶炼材料完全熔化后，立刻进行浇注；

(6)浇注和凝固都必须在此氮气氛下进行。

所述的熔炼，在感应炉顶部的分料仓密封，满足气体保护的要求。

所述的含高N的冶炼材料，其成分的重量百分比分别为：N1~7％，Cr50~70％，Si0.5~1.5％，余量为Fe。

所加入的纯锰在熔炼时易挥发，在此类熔炼条件下，多加入1％的锰以保证所需的合金成份。

与现有技术相比，本发明一个突出的特点是熔炼材料分批加入，熔炼分阶段进行。Fe-Mn-Si-Cr基合金中的N通过一种价格低廉的含高N的冶炼材料来加入。熔炼工艺更简单、合金中氮含量更易于控制、合金制备成本也显著降低了。这些特点将可明显加快此类合金的工业应用。

具体实施方式

结合本发明内容提供以下实施例：

实施例一

目的：制备Fe-25Mn-6Si-5Cr-0.09N(重量百分比)形状记忆合金。

材料：采用工业纯锰、纯铁、纯铬、纯硅以及含高N的冶炼材料。

制备过程：先将工业纯铁、纯铬、纯硅先放置在感应炉的坩埚中，抽真空到0.01atm，并保持此真空条件加热熔炼；等到坩埚中的炉料完全熔化后充入氮气到1atm，此后的熔炼一直保持此大气压；然后加入工业纯锰，考虑到锰是一种易挥发的物质，所以在熔炼时应当多加入1％的工业纯锰以保证所需的合金成份；从感应炉的窗口观察到锰完全熔化后，立即加入含高N的冶炼材料；这种含高N的冶炼材料所含成份的重量百分比为，N~1％，Cr~50％，Si~0.5％，余量为Fe；等这些炉料完全熔化后，立刻进行浇注和凝固。

结果分析：取样分析各合金成分重量百分比分别为Mn~24.8％，Si~6.0％，Cr~5.3％，N~0.090％。结果表明通过这种方法制备的含N的Fe-Mn-Si-Cr基形状记忆合金，各合金元素的成分控制非常理想。

实施例二

目的：制备Fe-25Mn-6Si-5Cr-0.10N(重量百分比)形状记忆合金。

材料：采用工业纯锰、纯铁、纯铬、纯硅以及含高N的冶炼材料。

制备过程：先将工业纯铁、纯铬、纯硅先放置在感应炉的坩埚中，抽真空到0.01atm，并保持此真空条件加热熔炼；等到坩埚中的炉料完全熔化后充入氮气到1atm，此后的熔炼一直保持此大气压；然后加入工业纯锰，考虑到锰是一种易挥发的物质，所以在熔炼时应当多加入1％的工业纯锰以保证所需的合金成份；从感应炉的窗口观察到锰完全熔化后，立即加入含高N的冶炼材料；这种含高N的冶炼材料所含成份的重量百分比为，N~4％，Cr~60％，Si~1.0％，余量为Fe；等这些炉料完全熔化后，立刻进行浇注和凝固。

结果分析：取样分析各合金成分重量百分比分别为Mn~25.2％，Si~6.1％，Cr~5.5％，N~0.098％。结果表明通过这种方法制备的含N的Fe-Mn-Si-Cr基形状记忆合金，各合金元素的成分控制非常理想。

实施例三

目的：制备Fe-20Mn-6Si-5Cr-0.18N(重量百分比)形状记忆合金。

材料：采用工业纯锰、纯铁、纯铬、纯硅以及含高N的冶炼材料。

制备过程：先将工业纯铁、纯铬、纯硅先放置在感应炉的坩埚中，抽真空到0.01atm，并保持此真空条件加热熔炼；等到坩埚中的炉料完全熔化后充入氮气到1atm，此后的熔炼一直保持此大气压；然后加入工业纯锰，考虑到锰是一种易挥发的物质，所以在熔炼时应当多加入1％的工业纯锰以保证所需的合金成份；从感应炉的窗口观察到锰完全熔化后，立即加入含高N的冶炼材料；这种含高N的冶炼材料所含成份的重量百分比为，N~7％，Cr~70％，Si~1.5％，余量为Fe；等这些炉料完全熔化后，立刻进行浇注和凝固。

结果分析：取样分析各合金成分重量百分比分别为Mn~19.2％，Si~5.5％，Cr~5.5％，N~0.15％。结果表明通过这种方法制备的含N的Fe-Mn-Si-Cr基形状记忆合金，各合金元素的成分控制非常理想。