一种薄带连铸制备Fe-Mn-Si-Cr-Ni形状记忆合金的方法

一种薄带连铸制备fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金的方法
技术领域
1.本发明属于钢铁材料技术领域，具体涉及一种薄带连铸制备fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金的方法。


背景技术：

2.形状记忆合金是我国重大需求的关键新材料之一，因其具有独特的记忆特性，已经广泛应用于建筑、机电、医疗、机器人和航空航天等领域。目前形状记忆合金研究的热点主要有三大类：分别是ni基、cu基和fe基形状记忆合金。其中ti-ni基形状记忆合金因其具有优异的形状记忆效应获得了广泛的应用。然而，由于其存在冷加工性能差和成本高等问题，致使在某些领域的应用受到了限制，而fe-mn-si基形状记忆合金因其成本低，同时兼顾结构材料和功能材料的优点，被视为最具发展潜力和规模化应用前景的形状记忆合金，并且在某些应用领域有望替代ti-ni基形状记忆合金，由此受到人们的重点关注。
3.但是，目前fe-mn-si基合金的形状记忆效应(sme)较低，因此大力开发fe-mn-si基合金，寻找最佳的制备方法来提高其形状记忆效应来替代昂贵的ti-ni基形状记忆合金，可以实现节约资源、降低成本和大规模工业化生产。目前制备fe-mn-si基形状记忆合金多采用传统熔炼铸造工艺，虽然方法简单，但由于si元素是fe-mn-si基形状记忆合金的重要元素，si元素可降低tn和奥氏体的层错能，可明显提高合金的形状记忆效应，但是si含量过高会引起合金脆性增加，严重影响成材率，造成资源的浪费。薄带连铸技术则能够很好的避免此类问题的发生，降低资源浪费，降低成本。此外，由于薄带连铸技术用液态金属直接生产薄带，属于近终成形的方法，具有超快的冷却速度(～104℃/s)，有效实现组织细化和抑制成分偏析。因此通过薄带连铸技术来制备的fe-mn-si记忆合金，有望同时获得优异的形状记忆效应和良好的成形性。
4.为了提高fe-mn-si基形状记忆合金的耐蚀性，在fe-mn-si基的基础上加入cr元素，同时为了平衡组织，加入ni元素，成为fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金。然而，目前采用薄带连铸的方法制备fe-mn-si基形状记忆合金的研究还未有报道。可以通过薄带连铸的方法有效解决传统制备工艺下fe-mn-si形状记忆合金高脆性问题，同时可以通过细化晶粒，均匀组织，进而提高形状记忆效应。为此，通过薄带连铸制备fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金显得尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种通过薄带连铸制备fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金的方法，解决现有合金成分设计和冶炼等方面存在的一些问题，并且辅以后续合适的工艺，在保证fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金良好力学性能和耐蚀性能的前提下，将奥氏体晶粒尺寸细化，并实现在高si的条件下仍然具有较好的热成形性能。该方法是一种利用薄带连铸技术制备高热塑性、高记忆效应的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种通过薄带连铸制备fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金，包括组分及质量百分比为：c0.001～0.08％，si5～8％，mn13～18％，p≤0.02％，s≤0.01％，ni2～4％，cr13～16％，余量为fe及不可避免的杂质。
8.所述的薄带连铸制备fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金的方法，包括以下步骤：
9.(1)按照设定的成分选择原料进行熔炼，然后把熔炼得到的钢水浇铸到中间包，中间包的钢水流入到熔池中，钢水会随着结晶辊转动，最终形成铸带。然后将铸带水冷至室温，可以得到140～250mm厚的铸带；
10.(2)将铸带进行热轧实验，热轧温度为900～1000℃，终止轧温度为850～950℃；
11.(3)将热轧后的铸带进行(700～1000℃)
×
(30～180min)的时效处理，时效处理后进行3～8％弯曲预变形实验；
12.(4)将弯曲后的试样加热至600～800℃，保温5～10min后，测量试样的形状回复率；
13.(5)通过薄带连铸制备具有优良热塑性、优异的形状记忆效应的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金。
14.所述的步骤(2)中，铸带进行热轧实验，主要是为了控制奥氏体晶粒尺寸以及奥氏体的组织形态。
15.所述的步骤(3)中时效处理主要是为了调整组织中热诱发马氏体的数量以及促进c和cr元素的偏聚，进而强化母相基体，促进应力诱发马氏体的逆相变，进而提高合金的形状记忆效应。
16.本发明的成分控制的设计原理为：
17.为了得到优异的形状记忆效应，在成分设计时必须考虑以下几点：(1)反铁磁转变温度tn应该低于马氏体开始转变温度点ms，tn较低会促进γ
→
ε-马氏体转变，同时促进其逆相变，进而提高合金的形状记忆效应；(2)母相奥氏体应保证层错能较低，ms应接近室温，这样合金中的奥氏体在室温下变形时，应力诱发ε-马氏体相变更容易发生。相反，如果层错能较高，奥氏体在变形时会诱发α'-马氏体转变，显著降低合金的形状记忆效应。
18.一般来说，si可以降低钢的tn温度和奥氏体的层错能，cr元素可以降低tn点温度，降低奥氏体的层错能，因此，在成分设计时应使合金元素之间合理的搭配。同时通过添加cr元素，可以在合金表面形成cr2o3，显著提高形状记忆合金的耐点蚀性能。ni元素是奥氏体形成元素，扩大奥氏体相区，是保证形状记忆合金母相是奥氏体。
19.本发明薄带连铸制备的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金，室温拉伸抗拉强度为750～1000mpa，屈服强度为500～700mpa，延伸率为35～45％，600℃下的形状回复率为55～75％。
20.与现有的技术相比，本发明的有益效果：
21.(1)改善fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金由于高si所引起的脆性问题。属于短流程工艺，简化生产流程，无脆性问题，节约成本；
22.(2)通过薄带连铸技术制备的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金，由于冷却过程中属于亚快速凝固，显著细化组织，可以通过细晶强化奥氏体母相，而且大量的晶界可以阻碍各个取向的应力马氏体的生长，减少它们相互交错的几率，从而获得力学性能和形状记忆效
应优异的形状记忆合金；
23.(3)本发明得到的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金钢板除具有优良的力学性能和良好的耐蚀性，具有良好的形状记忆效应。
附图说明
24.图1为本发明实施例1的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金制备方法中的薄带连铸的装置的示意图；
25.其中，1-钢包，2-中间包，3-水口，4-缓冲装置，5-铸辊，6-保温罩，7-夹送辊，8-水冷装置，9-热轧机架。
26.图2为本发明实施例1通过薄带连铸制备的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金的铸带。
27.图3为本发明实施例1fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金测量形状记忆效应的示意图。
具体实施方式
28.下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
29.实施例1
30.(1)本发明fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金薄带，成分按照质量百分比为：c0.001％，si5％，mn13％，ni2％，cr13％，余量为fe及不可避免的杂质；
31.(2)按照设定的成分选择原料进行熔炼，然后把熔炼得到的钢水浇铸到中间包；
32.(3)进行薄带连铸。中间包的钢水流入到熔池中，钢水会随着结晶辊转动，最终形成铸带。然后将铸带水冷至室温；
33.(4)将铸带进行热轧实验，热轧温度为950℃，终止轧温度为900℃。将铸带进行700℃
×
150min的时效处理，时效处理后进行6％的弯曲预变形实验；
34.(5)将弯曲后的试样加热至600℃，保温5min后，测量试样的形状回复率；
35.(6)本实施案例通过薄带连铸制备的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金具有优良的热塑性、优异的形状记忆效应和力学性能。室温抗拉强度为780mpa，屈服强度为510mpa，断后延伸率为45％，形状回复率为55％。
36.实施例2
37.(1)本发明fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金薄带，成分按照质量百分比为：c0.08％，si3.5％，mn16％，ni6％，cr17％，余量为fe及不可避免的杂质；
38.(2)按照设定的成分选择原料进行熔炼，然后把熔炼得到的钢水浇铸到中间包；
39.(3)进行薄带连铸。中间包的钢水流入到熔池中，钢水会随着结晶辊转动，最终形成铸带。然后将铸带水冷至室温；
40.(4)将铸带进行热轧实验，热轧温度为900，终止轧温度为850。将铸带进行800℃
×
120min的时效处理，时效处理后进行7％的弯曲预变形实验；
41.(5)将弯曲后的试样加热至600℃，保温5min后，测量试样的形状回复率；
42.(6)本实施案例通过薄带连铸制备的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金具有优良的热塑性、优异的形状记忆效应和力学性能。室温抗拉强度为820mpa，屈服强度为535mpa，断后延伸率为43％，形状回复率为78％。
43.实施例3
44.(1)本发明fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金薄带，成分按照质量百分比为：c0.05％，si5％，mn13％，ni4％，cr15％，余量为fe及不可避免的杂质；
45.(2)按照设定的成分选择原料进行熔炼，然后把熔炼得到的钢水浇铸到中间包；
46.(3)进行薄带连铸。中间包的钢水流入到熔池中，钢水会随着结晶辊转动，最终形成铸带。然后将铸带水冷至室温；
47.(4)将铸带进行热轧实验，热轧温度为1000℃，终止轧温度为950℃。将铸带进行90℃
×
60min的时效处理，时效处理后进行8％的弯曲预变形实验；
48.(5)将弯曲后的试样加热至700℃，保温8min后，测量试样的形状回复率；
49.(6)本实施案例通过薄带连铸制备的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金具有优良的热塑性、优异的形状记忆效应和力学性能。室温抗拉强度为950mpa，屈服强度为675mpa，断后延伸率为38％，形状回复率为85％。

技术特征：
1.一种通过薄带连铸制备fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金，包括组分及质量百分比为：c0.001～0.08％，si5～8％，mn13～18％，p≤0.02％，s≤0.01％，ni2～4％，cr13～16％，余量为fe及不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金，其特征在于，所述的薄带连铸制备fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金，室温拉伸抗拉强度为750～1000mpa，屈服强度为500～800mpa，延伸率为35～45％，形状回复率为55～90％。3.所述的薄带连铸制备fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金的方法，包括以下步骤：(1)按照设定的成分选择原料进行熔炼，然后把熔炼得到的钢水浇铸到中间包，中间包的钢水流入到熔池中，钢水会随着结晶辊转动，最终形成铸带。然后将铸带进行水冷至室温，可以得到140～250mm厚的铸带；(2)将铸带进行热轧实验，热轧温度为900～1000℃，终止轧温度为850～950℃；(3)将热轧后的铸带进行(700～1000℃)
×
(30～180min)的时效处理，时效处理后进行3～8％弯曲预变形实验；(4)将弯曲后的试样加热至600～800℃，保温5～10min后，测量试样的形状回复率；(5)通过薄带连铸制备具有优良热塑性、优异的形状记忆效应的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金。4.根据权利要求3所述的步骤(1)，通过薄带连铸技术制备的fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金，改善fe-mn-si-cr-ni形状记忆合金由于高si所引起的脆性问题。属于短流程工艺，简化生产流程，无脆性问题，节约成本，同时，由于冷却过程中属于亚快速凝固，显著细化组织，从而获得力学性能和形状记忆效应优异的形状记忆合金。5.根据权利要求3所述的步骤(2)中，铸带进行热轧实验，主要是为了控制奥氏体晶粒尺寸以及奥氏体的组织形态。6.根据权利要求3所述的步骤(3)中时效处理主要是为了调整组织中热诱发马氏体的数量以及促进c和cr元素的偏聚，进而强化母相基体，促进应力诱发马氏体的逆相变，进而提高合金的形状记忆效应。

技术总结
本发明属于冶金技术领域，涉及一种薄带连铸制备Fe-Mn-Si-Cr-Ni形状记忆合金的方法。合金包括组分及质量百分比为：C0.001～0.08％，Si5～8％，Mn13～18％，P≤0.02％，S≤0.01％，Ni2～4％，Cr13～16％，余量为Fe及不可避免的杂质。制备过程为：按照设定的成分进行熔炼，然后把熔炼得到的钢水浇铸到中间包，然后进入薄带连铸机形成铸带。随后进行热轧+时效处理，并测量处理后试样的形状回复率。本发明提供一种薄带连铸制备Fe-Mn-Si-Cr-Ni形状记忆合金的方法，利用薄带连铸技术，改善Fe-Mn-Si-Cr-Ni形状记忆合金由于高Si所引起的脆性问题，同时在凝固过程中实现晶粒细化，不仅强化奥氏体母相，而且大量的晶界可以阻碍各个取向的应力马氏体的生长，减少它们相互交错的几率，从而获得力学性能和形状记忆效应优异的形状记忆合金。金。


技术研发人员：潘明明 张钧 令国亨 武子涵
受保护的技术使用者：沈阳大学
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/8/31