CN1058531C

CN1058531C - β黄铜形状记忆合金及其制备方法

Info

Publication number: CN1058531C
Application number: CN97110133A
Authority: CN
Inventors: 周建培; 黄煜民
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 1997-05-08
Filing date: 1997-05-08
Publication date: 2000-11-15
Anticipated expiration: 2017-05-08
Also published as: CN1167162A

Abstract

本发明涉及一种β黄铜形状记忆合金及其制备方法，它的组成按重量百分比计的各组份含量为59.00～79.00%Cu、18.00～32.00%Zn、2.00～8.00%Al、0.01～10.00%Mn、0.01～0.2%P、0.01～1.00%混合稀土元素以及下列各元素中选加一种，0.01～2.00%Si、0.10～2.80%Fe、0.01～3.00%Ti、0.01～0.10%B、1.00～5.00%Ni。本法将Cu-P中间合金及混合稀土用铝薄包紧，用施加外力的方法，将它送至熔融状态下的合金底部。本法制备的合金不但具有良好形状记忆效应和超弹性效应，使用寿命长，而且晶粒尺寸小，强度高，从而明显改善了加工性能，有实际推广价值。

Description

β黄铜形状记忆合金及其制备方法

本发明涉及一种铜基形状记忆合金及其制备方法。

目前，文献报导的形状记忆合金种类繁多，但至今具有实用价值的还只是Ni-Ti系和Cu-Zn系两大类。尤其是Ni-Ti系类记忆合金，人们研究比较多，它的记忆性能、耐蚀性能好，但是成本高。Cu-Zn系类记忆合金，易于成型加工，成本仅为Ni-Ti系合金的1/10左右，因此，近年来为人们广泛研究。日本专利昭63-28974公开了一种Cu-Zn系类形状记忆合金，与普通Cu-Zn系类记忆合金相比，加工性能得到改善，但是形状记忆性能、使用寿命并未得到提高。

本发明的目的在于克服背景技术的不足之处，从提高Cu-Zn记忆合金记忆性能及使用寿命入手，并研究了细化晶粒、净化杂质、消除热裂，提供一种冷、热机械加工性能好，能进入实际使用的β黄铜形状记忆合金及其制备方法。

本发明的目的是通过如下措施来达到：

一种β黄铜形状记忆合金，它的组成按重量百分比计的各组份含量为：59.00～79.00％Cu、18.00～32.00％Zn、2.00～8.00％Al、0.01～10.00％Mn、0.01～0.2％P、0.01～1.00％混合稀土元素以及下列各元素中选加一种：0.01～2.00％Si、0.10～2.80％Fe、0.01～3.00％Ti、0.01～0.10％B、1.00～5.00％Ni。

混合稀土具体是指：按混合稀土总重量为100％计，其中Ce为50.00～85.00％，La、Nd和Pr的总和为15.00～50.00％。

一种β黄铜形状记忆合金的制备方法，首先是除磷P和混合稀土元素之外的其它组份，按重量百分比计的各组份含量投料熔融，再选用Cu-P中间合金的形式加入P，并将Cu-P中间合金和混合稀土用铝箔包紧，然后采用施加外力的方法，将铝箔包送至熔融状态下的合金底部，搅拌再熔炼，即得Cu-Zn-Al-Mn-P的β黄铜形状记忆合金。

本发明与背景技术相比有如下优点：

1、Cu-Zn-Al-Mn-P的β黄铜形状记忆合金，与现有技术的Cu-Zn-Al合金相比，记忆性能和使用寿命均有显著的提高。按本发明所指定的范围，将Mn熔入基体中，能提高临界应力σ^P-M，即提高抗塑性变形的最小应力，意味着推迟和减少位错增殖，位错缠结的机会，而位错数目的增加及位错缠结是降低记忆性能的主要原因。另外，加入Mn后能减少新相与母相间原子结合能的差距，即减少动作记忆时的阻力，因而记忆性能得到大大的改善，使用寿命提高了40％。

在传统工艺中，P作为脱氧，但本发明作为合金元素，按本发明的指定的范围和加入方法，将P熔入合金基体后，有如下作用：

(1)P能使基体的晶体结构的堆垛层错能大大降低，这意味着相变阻力减少，从而增加形状记忆效应，在与Mn综合作用下，形状记忆性能比Cu-Zn-Al提高了20％。

(2)P的加入提高了Cu-Zn-Al的再结晶温度(即性能变化的界限温度)，Cu-Zn-Al的工作温度在100℃以下，而Cu-Zn-Al-Mn-P的工作温度高达150℃左右，大大扩大了其使用温度范围。

(3)P的加入强化固熔体，改善其机械性能尤其是弹性极限。当Cu-Zn-Al-Mn-P作弹性材料使用时，其弹性指标如弹性回复量大、疲劳寿命长。与通常的弹性材料磷青铜QSn6.5-0.1比较弹性回复量高65％，疲劳寿命高出1倍，Cu-Zn-Al-Mn-P低成本，性能比传统的弹性材料优越，从而大大扩大形状记忆合金的使用领域。

(4)P的加入净化铜合金。

Cu-Zn-Al合金经常出现“季裂”现象即在潮湿空气中放置时会自动开裂的现象，主要原因是合金中存在杂质，尤其是氧，在晶界间产生腐蚀而开裂。P的加入大大减少氧的存在，故本发明的合金Cu-Zn-Al-Mn-P可以避免此现象的发生。

2、利用稀土元素化学性质活泼的特性，在Cu-Zn-Al-Mn-P铜基形状记忆合金熔炼过程中与有害元素形成高熔点金属间化合物，消除了晶界上的有害杂质，减少热轧加工时边部开裂的倾向，大大改善该合金的冷、热加工性能。

3、随稀土加入量的增加，合金中金属间化合物粒子数量增加，对位错运动的阻力增大，合金被强化的程度增加，因此合金的强度增加。

4、以高熔点的金属间化合物粒子作为结晶核心，在凝固结晶时形成数目众多的细小晶粒，经过这一变质处理后的合金，在以后的加热过程中，晶粒虽有长大的倾向，但金属间化合物粒子阻碍晶界迁移，从而大大细化了晶粒。

5、采用施加外力法将Cu-P中间合金及混合稀土铝箔包放入熔融状的合金中，避免了自由加入磷及混合稀土时易氧化、易烧损的缺点，提高了加入的效果。

6、一般认为铜基合金中的铝Al含量必须小于2％，这是因为铝Al含量超过一定量时，铜基合金变脆，加工性能差，特别是冷加工极其困难。但本法制备的β黄铜形状记忆合金，铝不但是个不可缺少的重要组份，而且含量要增大至2.00～8.00％。加入混合稀土可大大提高了加工性能，可以加工难度高的线材和板材，例如：可拉细丝直径可达φ0.20mm，冷轧可达δ0.10～0.20mm，从而扩大其应用范围。例如可以绕制成0.01～0.10克的微型弹簧或者其他形状记忆元件，为机器实现微型化奠定了基础。

将通过如下实施例对本发明作进一步的详述：

实施例1：

一种重量百分比含量为71.49％Cu、20.00％Zn、6.50％Al、0.80％Mn、0.01％P、1.10％Fe和0.10％混合稀土(RE)的β黄铜形状记忆合金。它的制备步骤如下：

1、备含P(磷)含量为14％的CU-P中间合金待用；

2、配制Ce含量为70％和La、Nd、Pr的含量为30％的总重量为100％计的混合稀土待用；

3、将占合金总重量的71.49％Cu、20.00％Zn、6.50％Al、0.80％Mn和1.10％Fe放入熔炼炉中熔融；

4、称取步骤1的占合金总重量为0.01％P及步骤2约占合金总重量为0.10％的混合稀土，混合用铝箔包紧，然后采用施加外力的方法，即用夹具将混合铝箔包送至熔融状态下的液体合金底部.稍加搅拌熔炼即制备成动作温度为25～32℃的71.49％Cu-20.00％Zn-6.50％Al-0.80％Mn-0.01％P-1.10％Fe-0.10％RE的β黄铜形状记忆合金。可以加工成各种线材、板材，拉丝直径可达φ0.20mm，冷轧可达δ0.10～0.20mm。

可以制造线径0.20～5.00mm、弹簧中径2～50mm、弹簧高度2～100mm各种规格的单程、双程形状记忆弹簧(热胀冷缩或热缩冷胀)，厚度为0.10～5mm片状单程、双程记忆元件，改变Zn、Al等元素含量可获得动作温度20～80℃的上述元件。

实施例2：

一种重量百分比含量为71.54％Cu、24.10％Zn、4.10％Al、0.2％Mn、0.02％P0.02％B和0.02％混合稀土(RE)的β黄铜形状记忆合金动作温度为80～90℃。它的制备步骤与实施例1相同。

可以制造各种弹性元件如弹簧、各种形状发条及女士用的文胸丝、眼镜框架、玩具等，各种尺寸规格管接头及紧固件。对Zn、Al等元素含量略加调整，可获得动作温度-40～20℃的上述元件。

实施例3：

一种重量百分比含量为66.70％Cu、28.70％Zn、2.50％Al、1.20％Mn、0.1％P0.20％Ti和0.60％混合稀土(RE)的β黄铜形状记忆合金动作温度为0～10℃。它的制备步骤和实施例1相同。

对Zn、Al等元素含量略加调整，可变得80～150℃高温动作的各种规格弹簧、记忆弹簧及片状元件。

Claims

1、一种β黄铜形状记忆合金，其特征在于它的组成按重量百分比计的各组份含量为：59.00～79.00％Cu、18.00～32.00％Zn、2.00～8.00％Al、0.01～10.00％Mn、0.01～0.2％P、下列各元素中选加一种：0.01～2.00％Si、0.10～2.80％Fe、0.01～3.00％Ti、0.01～0.10％B、1.00～5.00％Ni以及0.01～1.00％混合稀土元素，混合稀土元素是指，按混合稀土总重量为100％计，其中Ce为50.00～85.00％，La、Nd和Pr的总和为15.00～50.00％。

2、一种β黄铜形状记忆合金的制备方法，其特征在于：首先按下列各组份的重量百分比含量投料熔融59.00～79.00％Cu、18.00～32.00％Zn、2.00～8.00％Al、0.01～10.00Mn和下列各元素中选加一种：0.01～2.00％Si、0.10～2.80％Fe、0.01～3.00％Ti、0.01～0.10％B、1.00～5.00％Ni；再将0.01～0.2％P及0.01～1.00的混合稀土混合均匀用铝箔包紧，然后采用施加外力的方法，将混合铝箔包送至熔融状态下的合金底部，搅拌再熔炼，得β黄铜形状记忆合金。

3、根据权利要求2所述的一种β黄铜形状记忆合金，其特征在于，选用Cu-P中间合金的形式加P。