CN114807783B - 一种用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及记忆合金技术领域，具体为一种用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金的制备方法，包括步骤(1)铸锭：合金配制后在高频感应电炉中进行熔化，当合金温度达到1500℃时，扒渣后浇注成铸锭；(2)退火：将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行均匀化退火，退火温度为1200℃，时间为1h；(3)成型：退火后的铸件进行轧制成圆棒状，并在800℃热挤出制成管状试样，随后对试样进行热机械处理。通过本发明方法可以得到一种具有良好形状记忆效果的形状记忆合金，且制成的形状记忆合金可用作连接部件，用于连接各种管道，且使用记忆合金连接管道不用焊接连接，避免了焊缝延迟断裂和应力腐蚀问题。

Description

一种用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金及 制备方法

技术领域

本发明涉及记忆合金技术领域，具体为一种用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金的制备方法。

背景技术

形状记忆材料是近几十年来发展起来的一种新型功能材料，这种材料拥有独特的形状记忆效应。Fe基记忆合金是在Ti-Ni记忆合金、Cu基记忆合金之后开发的第三代形状记忆材料，相较于前两者，Fe基记忆合金以其原料成本低廉、易于加工制造、便于常温运输、力学性能优异等特点，已在石油机械化工等行业得到泛应用，成为目前的研究热点。铁基形状记忆合金主要包括Fe-Mn-Co-Ti系、Fe-Pt系Fe-Pd系、Fe-Mn-Si系、Fe-Ni-C系。其中Fe-Mn-Si系合金有较好的形状记忆效应和良好的加工性能，被认为最有前途。Fe-Mn-Si系合金近十年来的研究量，虽然已取得最著进展，研制出多种成分的合金，可以用于管接头等一次性形状记忆零件，但仍是一种不够成熟的材料。近年来研究结果发现此类合金能达到的完全回复应变均小于2％。若预应变大于2％，随预应变量増大，回复后残留应变率増大，普遍存在着形状记忆不完全性。所以目前的主要目标，仍是合金成分的优化设计，尽可能提高形状记忆回复率。本发明旨在通过研究合金成分对铁基形状记忆合金的影响而指导其在生产方面的应用。

为了解决上述问题，本案由此而生。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金的制备方法，解决了上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

1.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金的制备方法，铁基形状记忆合金包括Mn、Si、Ni、Cr、Al、稀土添加剂、铁，其元素的质量百分比为：

优选的，所述稀土添加剂为Nb 0.2％，Y 0.1％，Ce 0.1％，Tb 0.1％。

用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)铸锭：合金配制后在高频感应电炉中进行熔化，当合金温度达到1500℃时，扒渣后浇注成铸锭；

(2)退火：将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行均匀化退火，退火温度为1200℃，时间为1h；

(3)成型：退火后的铸件进行轧制成圆棒状，并在800℃热挤出制成管状试样，随后对试样进行热机械处理。最后对制成的试样使用扩孔法测定其形状记忆回复率。

进一步的铁基形状记忆合金的制备方法中热机械处理方法具体为：在常温下对试样进行扩孔，使其周长增长4％～5％，去除载荷后在600℃进行退火处理，处理时间为10min，随后快速冷却至室温，重复次数为2～4次，加工成管接头。

最后加工而成的管接头，在常温下扩管至要求直径，并切割成要求长度。在连接管道时无须对管道进行任何加工，只须对管道接头处加热至80℃至90℃间，安装过程中可使用电阻对管道接头进行均匀加热，即可完成管道连接。

由于本发明合金具有形状记忆效应，可以在加热回复的过程中发生马氏体相变逆转变过程，从而在宏观上起到收缩形状的功能，可用于管接头连接管道。

下面对涉及使用的合金作用说明，如下：

1、合金中Mn元素的作用：当Mn的含量过低(<25％)时，合金的bcc结构过于稳定，无法满足马氏体再取向和马氏体逆转变过程。当Mn的含量过高(>42％)时，γ相过于稳定，同样也不利于马氏体的转变过程。因此合金中Mn元素的含量为24～32％。

2、合金中Si元素的作用：Si的作用主要有三个，一是降低γ相的反铁磁态的转变温度：二是强化γ相使合金形变时不易产生永久性滑移，从而提高合金形状记忆效应；三是降低γ相层错能，有利于马氏体转变。当Si的含量大于6％时，会降低合金的机械性能，因此合金中的Si元素的含量为5％左右。

3、合金中Cr、Ni元素的作用：Fe-Mn-Si记忆合金虽然拥有较高的形状记忆效应，但其加工和成型能力较差。通过加入Cr可以有效的改善其加工性能和耐蚀性能。Cr的加入可降低Neel温度TN,对合金的形状记忆效应无不良影响,同时Cr的加入降低了合金的Ms点,因此,加Cr后要适当降低Mn的含量,以便把Ms点维持在室温附近,但当w(Cr)超过7％时,容易生成脆性λ相,使合金的塑性下降。为了抑制λ相的生成,需向合金中同时加入Ni进行合理搭配。这样,一方面能保持甚至提高合金的形状记忆效应,一方面能使合金的耐蚀性能和加工性能得到很大程度的改善。

4、合金中Al元素的作用：铝在钢中起到的作用主要是：(1)炼钢时的脱氧剂、细化晶粒、抑制低碳钢时效，提高钢在低温下的韧性；(2)提高钢的抗氧化性，改善钢的性能，提高钢的耐蚀性。其效果在1％左右达到饱和；(3)改变合金As点。

5、合金中稀土元素的作用：加入复合稀土添加剂对合金形状记忆回复率来说有显著提高。基体的强化使得初始变形时的永久不可恢复滑移减小，这有利于提高形状记忆回复率。加入复合稀土添加剂后合金的层错几率比没有加入复合稀土添加剂的合金大的多，在应变诱发马氏体过程中有更多的形核中心和更小的应变驱动力，所以更易形成可恢复的马氏体。

(三)有益效果

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具备以下优点：本发明一种用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金的制备方法，通过这种方法，可以得到一种具有良好形状记忆效果的形状记忆合金，且制成的形状记忆合金可用作连接部件，用于连接各种管道，且使用记忆合金连接管道不用焊接连接，避免了焊缝延迟断裂和应力腐蚀问题。

附图说明

图1为本发明管道连接头的结构的立体剖视结构示意图。

图2实施例1合金基体照片

图3实施例1光学显微镜下的金相组织结构图

图4实施例1 X射线衍射图谱

图5实施例1使用差示扫描量热仪测定合金的相变温度点

具体实施方式

本发明核心公开了一种用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金配方和制备方法：将包含Mn、Si、Ni、Cr、Al、稀土添加剂、铁的合金按一定质量百分比配制后，在高频感应电炉中进行熔化，达到1500℃时，扒渣后浇注成铸锭。将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行均匀化退火，退火后的铸件进行锻造并在800℃热轧制成管状试样，随后对试样进行热机械处理，最后对制成的试样使用扩孔法测定其形状记忆回复率。本发明在通过退火处理后，还对合金进行特殊的热机械循环处理，以提高合金的形状记忆效应。独特的调整了合金中的元素配方，使记忆合金管接头可以在设定温度下进行相变，从而不用焊接即可用于连接各种管道，且避免了焊缝延迟断裂和应力腐蚀问题。

下面通过具体实施例对本发明技术方案原理作进一步详细阐述。

实施例1：

配制合金Mn28wt％,Si6wt％,Ni3wt％，Cr7wt％,Al1wt％,稀土元素Nb0.2wt％,Y0.1wt％,Ce0.1wt％,Tb0.1wt％,其余为铁。合金配制后在高频感应电炉中进行熔化，当合金温度达到1500℃时，扒渣后浇注成铸锭。将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行均匀化退火，退火温度为1200℃，时间为1h。退火后的铸件进行锻造并在800℃热轧制成管状试样，随后对试样进行热机械处理。

处理得到的记忆合金管接头在应变为5％时，回复率可达60％。

实施例2：

配制合金Mn24wt％,Si3wt％,Ni4wt％，Cr9wt％,Al1wt％,稀土元素,Y0.1wt％,Tb0.1wt％,其余为铁。合金配制后在高频感应电炉中进行熔化，当合金温度达到1500℃时，扒渣后浇注成铸锭。将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行均匀化退火，退火温度为1200℃，时间为1h。退火后的铸件进行锻造并在800℃热轧制成管状试样，随后对试样进行热机械处理。进一步的铁基形状记忆合金的制备方法中热机械处理方法具体为：在常温下对试样进行扩孔，使其周长增长4％～5％，去除载荷后在600℃进行退火处理，处理时间为10min，随后快速冷却至室温，重复次数为2～4次，加工成管接头。

处理得到的记忆合金管接头在应变为5％时，回复率可达52％。

实施例3：

配制合金Mn32wt％,Si6wt％,Ni5wt％，Cr5wt％,Al1wt％,稀土元素Nb0.2wt％,Y0.1wt％,Ce0.1wt％,Tb0.1wt％,其余为铁。合金配制后在高频感应电炉中进行熔化，当合金温度达到1500℃时，扒渣后浇注成铸锭。将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行均匀化退火，退火温度为1200℃，时间为1h。退火后的铸件进行锻造并在800℃热轧制成管状试样，随后对试样进行热机械处理。进一步的铁基形状记忆合金的制备方法中热机械处理方法具体为：在常温下对试样进行扩孔，使其周长增长4％～5％，去除载荷后在600℃进行退火处理，处理时间为10min，随后快速冷却至室温，重复次数为2～4次，加工成管接头。

处理得到的记忆合金管接头在应变为5％时，回复率可达53％。

表1试验合金的成分、记忆性能、力学性能

创新点及机理分析&实验数据分析：

一、创新点

1、成分设计：本发明技术方案在成份上创新性的同时添加了一定量的合金元素和稀土元素，合金元素能够改善Fe-Mn-Si合金不良的加工性能，稀土元素则可以极大的提高记忆合金的记忆性能。

通过合理的设计合金组分，提高了合金的形状记忆效应。Cr、Ni元素可以改善合金的形状记忆效应，还有耐腐蚀性和加工性能。Al元素用于降低合金的相变温度点。添加稀土元素可以显著提高合金的形状记忆回复率。

2、热机械训练：本发明技术方案在针对管道接头的热处理工艺上做了创新，使用扩孔法在特定条件下对制得管接头进行热机械处理，可以改善Fe基记忆合金的形状记忆性能。

记忆合金管接头采用了特殊的热机械训练处理工艺，采用以下参数下的热机械训练，可以有效地提高合金的形状记忆效应，具体应用流程如下：

1)在常温下对试样进行扩孔(在荷载下)，使其沿径向的周长增长4％～5％。

2)去除载荷后，在电阻炉中对合金管接头进行退火处理，退火处理参数：退火温度为600℃，保温时间为10min，送样方式为到温进炉。保温时间结束后，将合金管接头样品取出，冷却至室温。该流程重复次数为4次后，合金管接头获得最高的回复率。其中，训练过程的温度，处理时间和训练次数为必要技术特征。

3、相变温度点的确定：本发明技术方案针对合金管道最终的安装回复做出了创新，合金管接头可以在100℃左右(80-100℃)发生相变，在如此较低的温度下即可完成管接头的安装。

二、实验相关数据

1、实施例1合金基体的制备，形成铸锭的尺寸为Φ90m×90mm，重18KG，见图2所示。

2、组织结构的确定

(1)热机械训练过程中的实施例1光学显微镜下的金相组织结构图，可以观察到明显的ε马氏体生成，如图3所示：横穿整个晶粒的板条状线条即为ε马氏体相。ε马氏体相随温度的升高和降低，可以发生向奥氏体γ母相的转变和逆转变，是合金形状记忆的基础和关键。

(2)如图4所示的XRD图谱中可以观察到三个主要的γ母相峰与一个ε马氏体峰，证实合金基体中存在ε马氏体，即合金在热机械训练过程中生成了ε马氏体，发生了γ→ε马氏体转变。

解释：训练前合金基体为奥氏体母相，不存在ε马氏体相。

3、相变温度点的确定，使用差示扫描量热仪测定合金的相变温度点，约为100℃，实施例1测试***出图，如图5所示。

4、回复率的测定方法：

形状记忆合金管接头的形状记忆效应采用相对应变回复率f_sme和绝对应变回复量ε_a来表示。相对应变回复率f_sme、绝对应变回复量ε_a和预变形量ε_p的计算表达式如下：

f_sme＝[(D₁-D₂)/(D₁-D₀)]×100％

ε_a＝D₁-D₂

ε_p＝(D₁-D₀)/D₀×100％

式中：D₀——管接头扩孔前内径

D₁——管接头扩孔后内径

D₂——管接头热处理退火后内径

5、各个实施例中部分相关实验数据：

实施例1中记忆合金管接头在应变为5％时，回复率随着训练次数的变化

实施例2中记忆合金管接头在应变为5％时，回复率随着训练次数的变化

实施例3中记忆合金管接头在应变为5％时，回复率随着训练次数的变化

以上所述依据实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项使用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其保护的范围。

Claims (3)

1.一种用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金，其特征在于：

铁基形状记忆合金包括Mn、Si、Ni、Cr、Al、稀土添加剂、铁，其元素的质量百分比为：

其余为铁；

制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)铸锭：合金配制后在高频感应电炉中进行熔化，当合金温度达到1500℃时，扒渣后浇注成铸锭；

(2)退火：将浇注好的铸锭，放入箱式电阻炉中进行均匀化退火，退火温度为1200℃，时间为1h；

(3)成型：退火后的铸件进行轧制成圆棒状，并在800℃热挤出制成管状试样，随后对试样进行热机械处理；

所述热机械处理方法具体为：在20度常温下对试样进行扩孔，使其周长增长4％～5％，去除载荷后在600℃进行退火处理，处理时间为10min，随后快速冷却至25度室温；重复上述扩孔、退火、冷却过程，次数为2～4次，加工成管接头。

2.根据权利要求1所述的一种用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金的应用方法，其特征在于：所述管接头的安装方法如下：将管接头在20度常温下扩管至要求直径，并切割成要求长度，对管道接头处加热至80℃～90℃，安装过程中使用电阻对管道接头进行均匀加热，完成管道连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于特定温度下的不锈钢管接头的铁基形状记忆合金的应用方法，其特征在于：所述管接头的特定工作温度即回复温度在80℃-100℃。

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