專利名稱：形狀記憶合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于含有碳化鈮的形狀記憶合金及其制造方法。更具體地說，本發(fā)明是關(guān)于含有碳化鈮、不經(jīng)過訓(xùn)練即可充分顯示出良好的形狀記憶作用的Fe-Mn-Si系的新的形狀記憶合金及其制造方法。
形狀記憶合金在操作機(jī)構(gòu)、連接器機(jī)構(gòu)、開關(guān)機(jī)構(gòu)等各種技術(shù)領(lǐng)域中作為利用其形狀回復(fù)性的功能材料而受到關(guān)注，其應(yīng)用范圍正在逐步拓展。
對(duì)于這種形狀記憶合金，以往曾經(jīng)探討過各種不同組成的合金，其中之一是以Fe、Mn和Si為主要組成成分的Fe-Mn-Si系(還包括Fe-Mn-Si-Cr系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni系)的形狀記憶合金，這種合金是由我國研制開發(fā)的。
該Fe-Mn-Si系形狀記憶合金在我國一面世就引起人們的關(guān)注。
但是，遺憾的是，這種Fe-Mn-Si系合金目前還沒有達(dá)到實(shí)用的程度。其主要原因是，這種合金如果不進(jìn)行被稱為訓(xùn)練的特殊加工熱處理就不能充分顯示形狀記憶的效果。所謂訓(xùn)練，是指在室溫下施加2-3％的變形，然后在逆相變點(diǎn)以上的600℃附近反復(fù)進(jìn)行多次加熱處理。
因此，以往的Fe-Mn-Si系形狀記憶合金由于必須進(jìn)行上述繁瑣而帶來很大負(fù)擔(dān)的訓(xùn)練，難以達(dá)到實(shí)用程度。
因此，本發(fā)明的目的是，提供可以解決上述以往的Fe-Mu-Si系形狀記憶合金的問題，即使不進(jìn)行訓(xùn)練這一特殊處理也能充分產(chǎn)生良好的形狀記憶效果的、得到改進(jìn)的新的Fe-Mn-Si系形狀記憶合金。
本發(fā)明的第1方面提供了一種含有碳化鈮的形狀記憶合金，該形狀記憶合金是至少含有Fe、Mn和Si作為主要組成成分的Fe-Mn-Si系形狀記憶合金，其特征在于，在其組織中含有碳化鈮。
另外，本發(fā)明的第2方面提供了上述形狀記憶合金，其中，含有Cr或Cr和Ni作為主要組成成分。本發(fā)明的第3方面提供了上述的形狀記憶合金，其中，碳化鈮的體積比率是0.1-1.5％。本發(fā)明的第4方面提供了上述的形狀記憶合金，其中，在合金的組成中鈮與碳的比例為Nb/C(原子比)≥1。
此外，本發(fā)明的第5方面提供了含有碳化鈮的形狀記憶合金的制造方法，該方法是上述第1-4中任一項(xiàng)所述的本發(fā)明形狀記憶合金的制造方法，其特征在于，將添加鈮和碳而熔煉成的合金在1000-1300℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行均勻化熱處理，然后在400-1000℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理，使碳化鈮析出。
發(fā)明的實(shí)施方案本發(fā)明具有上述技術(shù)特征，下面說明本發(fā)明的實(shí)施方案。
優(yōu)選的是，本發(fā)明的形狀記憶合金是含有Fe、Mn和Si作為主要組成成分，另外根據(jù)需要還含有Cr或Cr和Ni作為主要成分的Fe-Mn-Si系形狀記憶合金，其特征在于，該合金的組織中含有碳化鈮。由于合金的組織中含有碳化鈮，本發(fā)明的形狀記憶合金不需要象以往那樣進(jìn)行繁瑣且工作量很大的被稱為訓(xùn)練的特殊處理就可以顯示出良好的形狀記憶效果。
只在合金的組成中含有鈮(Nb)和碳(C)，并不能獲得本發(fā)明的效果，而碳化鈮的存在、即在母相(奧氏體)中以析出物的形式存在是不可缺少的。
在結(jié)晶的組織中，以體積比率計(jì)算，應(yīng)含有0.1-1.5％的碳化鈮，最好是含有0.3-1.0％碳化鈮。
碳化鈮的體積百分率低于0.1％時(shí)，不能預(yù)期得到本發(fā)明的效果，即免除訓(xùn)練工序；反之，超過1.5％時(shí)，合金的切削加工性能低下，從實(shí)用的角度考慮是不可取的。
形狀記憶合金的化學(xué)組成(重量％)一般如下。
<Fe-Mn-Si>
Mn:15～40Si:3～15Fe余量<Fe-Mn-Si-Cr>
Mn:5～40Si:3～15Cr:1～20Fe余量<Fe-Mn-Si-Cr-Ni>
Mn:5～40Si:3～15
Cr:1-20Ni:0.1～20Fe余量此外還有Cu:≤3Mo:≤2Al:≤10Co:≤30N:≤5000(ppm)當(dāng)然，允許混入不可避免的雜質(zhì)。
在這些化學(xué)組成中，組織中含有碳化鈮的本發(fā)明形狀記憶合金，化學(xué)組成(重量％)例如可以是Nb:0.1-1.5C:0.01-0.2不過，如上所述，無論在什么情況下，由鈮和碳構(gòu)成的碳化鈮如上所述其體積比率最好在0.1-1.5％，另外，鈮與碳的原子比(Nb/C)在1以上，優(yōu)選的是1.0-1.2。
上述本發(fā)明的含有碳化鈮的Fe-Mn-Si系形狀記憶合金可以采用下述方法制造，即，使用規(guī)定的元素原料并添加微量的鈮和碳進(jìn)行熔煉，然后在1000-1300℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行均勻化熱處理，接著在400-1000℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理，使碳化鈮時(shí)效析出。
優(yōu)選的是，均勻化熱處理在1150-1250℃的溫度下進(jìn)行5-20小時(shí)，另外，時(shí)效處理例如在700-900℃下進(jìn)行0.5-5小時(shí)。
下面舉出實(shí)施例更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
實(shí)施例1通過熔煉制造下列3種化學(xué)組成(重量％)的合金。
①Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.47Nb-0.06C②Fe-15Mn-5Si-9Cr-5Ni-0.47Nb-0.06C③Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-0.47Nb-0.06C對(duì)于這3種合金①②③，在1200℃溫度下均勻化處理10小時(shí)，然后在800℃時(shí)效處理2小時(shí)。
在經(jīng)過時(shí)效處理后的合金①②③中都發(fā)現(xiàn)有碳化鈮存在，其體積百分率約為0.5％。


圖1是對(duì)于時(shí)效處理后的合金①顯示碳化鈮析出物存在的電子顯微鏡照片。照片中的約20nm大小的黑色調(diào)部分是析出物。圖2(A)是證明這一結(jié)果的電子衍射圖象，箭頭所示的具有弱強(qiáng)度的衍射斑點(diǎn)是由碳化鈮形成的。圖2(B)表示衍射圖象的原理圖。
另外，為了進(jìn)行比較，通過熔煉制造Fe-28Mn-6Si-5Cr合金(合金④)，只進(jìn)行與上述同樣的均勻化處理。這種不合有鈮和碳的合金④，當(dāng)然完全沒有發(fā)現(xiàn)碳化鈮的存在。
對(duì)于上述時(shí)效處理后的合金①②③和用于比較的合金④，通過彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)它們的形狀記憶效果。試驗(yàn)使用的試片是板狀體，厚0.6mm，尺寸為4mm×30mm。
圖3為試驗(yàn)結(jié)果，該圖中示出彎曲應(yīng)變?yōu)?％和6％時(shí)的形狀記憶回復(fù)率。合金①②③的回復(fù)率都在60％以上，特別是合金①獲得了90％以上的回復(fù)率。
另一方面，比較合金④只得到40％的回復(fù)率。改變組織，對(duì)各種比較合金進(jìn)行試驗(yàn)，最大只得到50％的回復(fù)率。
實(shí)施例2與實(shí)施例1同樣制造下述本發(fā)明的合金①Fe-28Mn-6Si-5Cr-NbC(NbC體積百分率0.5％)②Fe-15Mn-5Si-9Cr-5Ni-NbC(NbC體積百分率0.5％)另外，制備用于比較的合金④Fe-28Mn-6Si-5Cr對(duì)這些合金①、②、④，使用與實(shí)施例1同樣形狀的試片，通過拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)形狀記憶效果。圖4示出試驗(yàn)結(jié)果，橫軸表示拉伸應(yīng)變，縱軸表示形狀回復(fù)率。
結(jié)果表明，本發(fā)明的合金①和②顯示出良好的形狀回復(fù)效果。
另外，圖5是將形狀回復(fù)應(yīng)力對(duì)形狀回復(fù)應(yīng)變繪制的圖。表示預(yù)應(yīng)變?yōu)?-5％的情況。圖5中，橫軸表示應(yīng)變，縱軸表示發(fā)生該應(yīng)變后形狀回復(fù)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力(回復(fù)力)。另外，符號(hào)A-E表示下列情況。
A預(yù)應(yīng)變2.1％的合金①B預(yù)應(yīng)變4.1％的合金①C預(yù)應(yīng)變5.5％的合金①D預(yù)應(yīng)變5.0％的合金②E預(yù)應(yīng)變3.1％的合金④(比較例)由圖5可以看出，與以往的比較例合金④相比，本發(fā)明的合金①和②可以得到大得多的回復(fù)率。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，不需要進(jìn)行以往的被稱為訓(xùn)練的復(fù)雜加工熱處理，只要進(jìn)行時(shí)效熱處理就可以容易地顯示出形狀記憶效果。與需要訓(xùn)練處理的以往的合金不同，可以適用于任意形狀的合金零件。例如可以用作連接部件(自來水管、煤氣管、石油輸送管道等)，不需要通過焊接連接，可以避免由于焊接而產(chǎn)生的焊接部位強(qiáng)度降低和發(fā)生腐蝕等問題。
圖1是表示實(shí)施例1的本發(fā)明的合金的組織的電子顯微鏡照片。
圖2A和B是對(duì)應(yīng)于圖1表示碳化鈮存在的電子衍射照片和原理圖。
圖3是表示彎曲試驗(yàn)結(jié)果的圖。
圖4是表示拉伸試驗(yàn)結(jié)果的圖。
圖5是通過與形狀回復(fù)應(yīng)變的關(guān)系表示形狀回復(fù)應(yīng)力的圖。
權(quán)利要求
1．含有碳化鈮的形狀記憶合金，該形狀記憶合金是至少含有Fe、Mn和Si作為主要組成成分的Fe-Mn-Si系形狀記憶合金，其特征在于在其組織中含有碳化鈮。
2．權(quán)利要求1所述的形狀記憶合金，其中還含有Cr或Cr和Ni作為主要組成成分。
3．權(quán)利要求1或2所述的形狀記憶合金，其中以組織的體積比率計(jì)算，碳化鈮的含量是0.1-1.5％。
4．權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的形狀記憶合金，其中在合金的組成中鈮與碳的比例為Nb/C(原子比)≥1。
5．含有碳化鈮的形狀記憶合金的制造方法，該方法是上述權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的形狀記憶合金的制造方法，其特征在于將添加鈮和碳而熔煉成的合金在1000-1300℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行均勻化熱處理，然后在400-1000℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)效處理，使碳化鈮析出。
全文摘要
本發(fā)明提供了不需要進(jìn)行被稱為訓(xùn)練的特殊處理就可以容易地顯示出良好的形狀記憶效果的、改進(jìn)的新的Fe－Mn－Si系形狀記憶合金，該合金至少含有Fe、Mn和Si作為主要組成成分，其組織中含有碳化鈮。
文檔編號(hào)C22C38/38GK1317595SQ0111624
公開日2001年10月17日 申請(qǐng)日期2001年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月9日
發(fā)明者菊池武丕兒, 梶原節(jié)夫, 劉道志, 小川一行, 新谷紀(jì)雄 申請(qǐng)人:文部科學(xué)省金屬材料技術(shù)研究所長代表的日本國