CN1274853C - 添加Nb、C的Fe－Mn－Si系形状记忆合金的加工热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供不实施所谓的训练的特殊处理，显示形状记忆特性的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金。添加了Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金，其中，Nb和C的原子比Nb/C为1以上，在奥氏体状态下500～800℃的温度范围进行10～30%的轧制加工后，在400～1000℃的温度范围进行1分～2小时加热的时效处理。

Description

添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法
技术领域
本发明涉及添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法。更详细地说，本发明涉及不经训练(training)也能显示良好形状记忆合金的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金更加提高形状记忆特性的、添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法。
背景技术
Fe-Mn-Si系形状记忆合金是1980年代初在日本被发明的，该合金不能广泛普及的最大原因是该合金不经所谓的训练的特殊加工处理就不会显示充分的形状记忆合金效果。训练是指在室温实施2～3％的变形后，反复数次进行所谓的在逆变态点以上的600℃附近加热处理。在最近，我们发现通过在Fe-Mn-Si系形状记忆合金中少量添加Nb和C元素，适当地进行时效加热处理，析出微细的NbC碳化物，就可以不经训练也能显示良好形状记忆效果，并提出了发明申请(特愿2000-32478)。还有，提出了添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金在奥氏体(austenite)状态加工后，进行时效能够得到更优异的形状记忆特性的新发明申请(特愿2001-296901)。在本发明中是对先前的发明进行进一步改善的。即，通过添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的轧制(rolling)率进行各种变化，探索最良好的部分来提高轧制效率。
发明内容
本申请的发明者们为提高在先申请的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的形状记忆特性，进行反复研究的结果发现：在400～1000℃的温度范围进行1分～2小时加热的时效处理，使NbC析出之前，对于溶制后的合金在奥氏体状态下500～800℃的温度范围进行10～30％的轧制加工，得到在所有的变形量都提高了形状恢复率和形状恢复力。即，本发明第一提供添加了Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金在奥氏体状态下500～800℃的温度范围进行10～30％的轧制加工后，在400～1000℃的温度范围进行1分～2小时加热的时效处理为特征的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法；第二提供在上述方法中，Fe-Mn-Si系形状记忆合金作为合金成分具有15～40重量％的Mn，3～15重量％的Si，0.1～1.5重量％的Nb，以及0.01～0.2重量％的C，余量为Fe和不可避免的杂质，Nb和C的原子比Nb/C为1以上的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法；第三提供Fe-Mn-Si系形状记忆合金作为合金成分具有5～40重量％的Mn，3～15重量％的Si，1～20重量％的Cr，0.1～1.5重量％的Nb，以及0.01～0.2重量％的C，余量为Fe和不可避免的杂质，Nb和C的原子比Nb/C为1以上的第1记载的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法；还有，第四提供添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金作为合金成分具有5～40重量％的Mn，3～15重量％的Si，1～20重量％的Cr，0.1～20重量％的Ni，0.1～1.5重量％的Nb，以及0.01～0.2重量％的C，余量为Fe和不可避免的杂质，Nb和C的原子比Nb/C为1以上的第1记载的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法；第五提供Nb和C的原子比Nb/C为1.0～2.0的第2～4中任一项记载的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法；第六提供Fe-Mn-Si系形状记忆合金的作为杂质成分含有3重量％以下的Cu，2重量％以下的Mo，10重量％以下Al，30重量％以下的Co，或者5000ppm以下的N的至少一种或者以上的第2～5中任一项记载的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法。
附图说明
图1是表示比较形状恢复率的图。
图2是表示比较形状恢复力的图。
具体实施方式
本发明通过特定轧制率10～30％使形状记忆特性显著提高，本发明中使用的形状记忆合金材料是使用以下的化学组成(重量％)的材料。
<Fe-Mn-Si>
Mn：15～40
Si：3～15
Nb：0.1～1.5
C：0.01～0.2
Fe：余量
<Fe-Mn-Si-Cr>
Mn：5～40
Si：3～15
Cr：1～20
Nb：0.1～1.5
C：0.01～0.2
Fe：余量
<Fe-Mn-Si-Cr-Ni>
Mn：5～40
Si：3～15
Cr：1～20
Ni：0.1～20
Nb：0.1～1.5
C：0.01～0.2
Fe：余量
在上述的任一种合金中，都有必要使Nb和C的原子比Nb/C为1以上，优选1.0～1.2。作为杂质可以考虑：
Cu：≤3
Mo：≤2
Al：≤10
Co：≤30
N：≤5000(ppm)等。当然，本发明的任何一种方法中都允许不可避免的杂质的混入。
本发明的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法中，如前所述，添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金在奥氏体状态下500～800℃的温度范围进行10～30％的轧制加工后，在400～1000℃的温度范围进行1分～2小时加热的时效处理。400～1000℃的温度范围进行1分～2小时加热的时效处理，使NbC析出之前，对于溶制后的合金在奥氏体状态下500～800℃的温度范围进行10～30％的轧制加工(所谓的高温加工)，得到在所有的变形量都提高了形状恢复率。实用必要的变形量约为4％，但本发明在比这个数值还要大的变形量也显示出十分良好的形状恢复率，使作为实用合金使用成为可能。还有，与此相伴，形状恢复力也增大。形状恢复力是实用上一个重要的形状记忆特征。
本发明的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法中，前述时效处理之前进行的轧制加工时的温度范围控制在500～800℃，是由于低于500℃的温度时应力导致马氏体(martensite)产生，如果温度超过800℃引起动的再结晶，于形状记忆特征不利。
还有，从本发明的效果明确可知，通过使本发明的轧制加工率控制在10～30％，如图1以及图2所示，与进行5次训练的合金具有同等程度的形状恢复率和更大的形状恢复力。
本发明的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法中，前述轧制加工后进行的时效处理的温度范围比原来的申请的温度范围设定的低，这是因为时效处理前的轧制加工导致母相歪斜的蓄积。
实施例
根据图1以及图2进一步详细说明本发明。首先，通过对本发明的Fe-28Mn-6Si-5Cr、添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金在奥氏体状态下500～800℃的温度范围进行10～30％的轧制加工后，在400～1000℃的温度范围进行1分～2小时加热的时效处理，形状记忆性的改善与否展示如下。
图1是表示仅实施时效的情况(0％轧制)与在600℃以6％、14％、20％轧制后实施时效的情况的形状恢复率不同的图。时效都是在800℃进行10分钟。为了比较，表示出不添加Nb、C的Fe-28Mn-6Si-5Cr系形状记忆合金在退火原样状态下的资料与进行5次训练的试样的结果。横轴是在室温由拉伸变形所致的变形量，纵轴的恢复率是试样在600℃加热情况下伸长的形状恢复率。加热到400℃的情况也得到与此几乎相同的形状恢复率。所用试样片的形状为厚0.6mm，宽1～4mm，长(gauge length)15mm。从图可知，14％、20％轧制后的试样的形状恢复率几乎具有与进行5次训练的不添加NbC的的合金同样程度。
从图1看在先申请(特愿2001-296901)中例举的实施例6％轧制的情况，在歪斜大的范围时与经训练的试样相比稍差。认为实用时必要的变形量约4％。在这个变形中也显示95％的形状恢复率，很肯定地意味着6％的轧制作为实用合金都是可以使用的。要在不添加Nb、C的通常的Fe-Mn-Si系形状记忆合金得到与此同等的形状恢复率，至少需要5次的训练。形状恢复力是实用上一个重要的形状记忆特性，图2是表示比较14％，20％轧制后进行时效的试样的形状恢复力与仅进行时效的情况和6％轧制后进行时效的情况。横轴的恢复歪斜表示试样由于加热至开始显示恢复力时允许的歪斜。例如，可以用在管的接合部使用情况的允许的管和接合材料(形状记忆合金)的间隙程度相对于直径的比率(％)所表示的同样解释。恢复歪斜为0时的恢复力是指在室温拉伸变形后的原样状态固定两端，加热至逆变态温度以上(400℃)，再次降到室温时的应力，还有，恢复歪斜例如3％时的恢复力是指歪斜恢复3％后固定两端测定产生的应力。室温时提供的初期歪斜为4％～6％。试样片的形状与得到图1结果使用的一样。从图可知，与轧制率0％(仅进行时效的情况)、轧制率6％时相比，高轧制率(14％、20％)的情况时的形状恢复力急剧增大。
需要特别说明的是，显示出比进行训练的不添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金更大的恢复力。还有令人注目的是在恢复歪斜也显示出很高的形状恢复力。
如上所述，本发明与在先申请相比，通过限定轧制率为10～30％，可知形状记忆特性得到显著改良。
发明的效果
如上详细所述，通过本发明，不必像以往那样实施所谓的训练的复杂热加工处理，仅高温轧制和随后的时效热处理，就可以容易、显著地提高形状记忆特性。与现有需要训练处理的合金不同，可以适用各种形状的合金部件等。例如，作为接合材料(水管、煤气管、石油传输管等)使用，不需要通过焊接的接合，可以避免焊接时产生的焊接部弱化、腐蚀的危险。

Claims (6)

1.添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法，其特征在于，添加了Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金，其中，Nb和C的原子比Nb/C为1以上，在奥氏体状态下500～800℃的温度范围进行10～30％的轧制加工后，在400～1000℃的温度范围进行加热的时效处理。
2.权利要求1记载的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法，Fe-Mn-Si系形状记忆合金作为合金成分具有15～40重量％的Mn，3～15重量％的Si，0.1～1.5重量％的Nb，以及0.01～0.2重量％的C，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.权利要求1记载的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法，Fe-Mn-Si系形状记忆合金作为合金成分具有5～40重量％的Mn，3～15重量％的Si，1～20重量％的Cr，0.1～1.5重量％的Nb，以及0.01～0.2重量％的C，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.权利要求1记载的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法，Fe-Mn-Si系形状记忆合金作为合金成分具有5～40重量％的Mn，3～15重量％的Si，1～20重量％的Cr，0.1～20重量％的Ni，0.1～1.5重量％的Nb，以及0.01～0.2重量％的C，余量为Fe和不可避免的杂质。
5.权利要求1～4中任一项记载的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法，Nb和C的原子比Nb/C为1.0～2.0。
6.权利要求1～4中任一项记载的添加Nb、C的Fe-Mn-Si系形状记忆合金的加工热处理方法，Fe-Mn-Si系形状记忆合金的作为杂质成分含有3重量％以下的Cu，2重量％以下的Mo，10重量％以下Al，30重量％以下的Co，或者5000ppm以下的N的至少一种或者以上。
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