CN1317595A - 形状记忆合金 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了不需要进行被称为训练的特殊处理就可以容易地显示出良好的形状记忆效果的、改进的新的Fe-Mn-Si系形状记忆合金,该合金至少含有Fe、Mn和Si作为主要组成成分,其组织中含有碳化铌。
Description
本发明是关于含有碳化铌的形状记忆合金及其制造方法。更具体地说,本发明是关于含有碳化铌、不经过训练即可充分显示出良好的形状记忆作用的Fe-Mn-Si系的新的形状记忆合金及其制造方法。
形状记忆合金在操作机构、连接器机构、开关机构等各种技术领域中作为利用其形状回复性的功能材料而受到关注,其应用范围正在逐步拓展。
对于这种形状记忆合金,以往曾经探讨过各种不同组成的合金,其中之一是以Fe、Mn和Si为主要组成成分的Fe-Mn-Si系(还包括Fe-Mn-Si-Cr系、Fe-Mn-Si-Cr-Ni系)的形状记忆合金,这种合金是由我国研制开发的。
该Fe-Mn-Si系形状记忆合金在我国一面世就引起人们的关注。
但是,遗憾的是,这种Fe-Mn-Si系合金目前还没有达到实用的程度。其主要原因是,这种合金如果不进行被称为训练的特殊加工热处理就不能充分显示形状记忆的效果。所谓训练,是指在室温下施加2-3%的变形,然后在逆相变点以上的600℃附近反复进行多次加热处理。
因此,以往的Fe-Mn-Si系形状记忆合金由于必须进行上述繁琐而带来很大负担的训练,难以达到实用程度。
因此,本发明的目的是,提供可以解决上述以往的Fe-Mu-Si系形状记忆合金的问题,即使不进行训练这一特殊处理也能充分产生良好的形状记忆效果的、得到改进的新的Fe-Mn-Si系形状记忆合金。
本发明的第1方面提供了一种含有碳化铌的形状记忆合金,该形状记忆合金是至少含有Fe、Mn和Si作为主要组成成分的Fe-Mn-Si系形状记忆合金,其特征在于,在其组织中含有碳化铌。
另外,本发明的第2方面提供了上述形状记忆合金,其中,含有Cr或Cr和Ni作为主要组成成分。本发明的第3方面提供了上述的形状记忆合金,其中,碳化铌的体积比率是0.1-1.5%。本发明的第4方面提供了上述的形状记忆合金,其中,在合金的组成中铌与碳的比例为Nb/C(原子比)≥1。
此外,本发明的第5方面提供了含有碳化铌的形状记忆合金的制造方法,该方法是上述第1-4中任一项所述的本发明形状记忆合金的制造方法,其特征在于,将添加铌和碳而熔炼成的合金在1000-1300℃的温度范围内进行均匀化热处理,然后在400-1000℃的温度范围内进行时效处理,使碳化铌析出。
发明的实施方案
本发明具有上述技术特征,下面说明本发明的实施方案。
优选的是,本发明的形状记忆合金是含有Fe、Mn和Si作为主要组成成分,另外根据需要还含有Cr或Cr和Ni作为主要成分的Fe-Mn-Si系形状记忆合金,其特征在于,该合金的组织中含有碳化铌。由于合金的组织中含有碳化铌,本发明的形状记忆合金不需要象以往那样进行繁琐且工作量很大的被称为训练的特殊处理就可以显示出良好的形状记忆效果。
只在合金的组成中含有铌(Nb)和碳(C),并不能获得本发明的效果,而碳化铌的存在、即在母相(奥氏体)中以析出物的形式存在是不可缺少的。
在结晶的组织中,以体积比率计算,应含有0.1-1.5%的碳化铌,最好是含有0.3-1.0%碳化铌。
碳化铌的体积百分率低于0.1%时,不能预期得到本发明的效果,即免除训练工序;反之,超过1.5%时,合金的切削加工性能低下,从实用的角度考虑是不可取的。
形状记忆合金的化学组成(重量%)一般如下。
<Fe-Mn-Si>
Mn:15~40
Si:3~15
Fe:余量
<Fe-Mn-Si-Cr>
Mn:5~40
Si:3~15
Cr:1~20
Fe:余量
<Fe-Mn-Si-Cr-Ni>
Mn:5~40
Si:3~15
Cr:1-20
Ni:0.1~20
Fe:余量
此外还有
Cu:≤3
Mo:≤2
Al:≤10
Co:≤30
N:≤5000(ppm)当然,允许混入不可避免的杂质。
在这些化学组成中,组织中含有碳化铌的本发明形状记忆合金,化学组成(重量%)例如可以是
Nb:0.1-1.5
C:0.01-0.2不过,如上所述,无论在什么情况下,由铌和碳构成的碳化铌如上所述其体积比率最好在0.1-1.5%,另外,铌与碳的原子比(Nb/C)在1以上,优选的是1.0-1.2。
上述本发明的含有碳化铌的Fe-Mn-Si系形状记忆合金可以采用下述方法制造,即,使用规定的元素原料并添加微量的铌和碳进行熔炼,然后在1000-1300℃的温度范围内进行均匀化热处理,接着在400-1000℃的温度范围内进行时效处理,使碳化铌时效析出。
优选的是,均匀化热处理在1150-1250℃的温度下进行5-20小时,另外,时效处理例如在700-900℃下进行0.5-5小时。
下面举出实施例更详细地说明本发明。
实施例1
通过熔炼制造下列3种化学组成(重量%)的合金。
①Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.47Nb-0.06C
②Fe-15Mn-5Si-9Cr-5Ni-0.47Nb-0.06C
③Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni-0.47Nb-0.06C
对于这3种合金①②③,在1200℃温度下均匀化处理10小时,然后在800℃时效处理2小时。
在经过时效处理后的合金①②③中都发现有碳化铌存在,其体积百分率约为0.5%。
图1是对于时效处理后的合金①显示碳化铌析出物存在的电子显微镜照片。照片中的约20nm大小的黑色调部分是析出物。图2(A)是证明这一结果的电子衍射图象,箭头所示的具有弱强度的衍射斑点是由碳化铌形成的。图2(B)表示衍射图象的原理图。
另外,为了进行比较,通过熔炼制造Fe-28Mn-6Si-5Cr合金(合金④),只进行与上述同样的均匀化处理。这种不合有铌和碳的合金④,当然完全没有发现碳化铌的存在。
对于上述时效处理后的合金①②③和用于比较的合金④,通过弯曲试验评价它们的形状记忆效果。试验使用的试片是板状体,厚0.6mm,尺寸为4mm×30mm。
图3为试验结果,该图中示出弯曲应变为4%和6%时的形状记忆回复率。合金①②③的回复率都在60%以上,特别是合金①获得了90%以上的回复率。
另一方面,比较合金④只得到40%的回复率。改变组织,对各种比较合金进行试验,最大只得到50%的回复率。
实施例2
与实施例1同样制造下述本发明的合金:
①Fe-28Mn-6Si-5Cr-NbC
(NbC体积百分率0.5%)
②Fe-15Mn-5Si-9Cr-5Ni-NbC
(NbC体积百分率0.5%)
另外,制备用于比较的合金:
④Fe-28Mn-6Si-5Cr
对这些合金①、②、④,使用与实施例1同样形状的试片,通过拉伸试验评价形状记忆效果。图4示出试验结果,横轴表示拉伸应变,纵轴表示形状回复率。
结果表明,本发明的合金①和②显示出良好的形状回复效果。
另外,图5是将形状回复应力对形状回复应变绘制的图。表示预应变为2-5%的情况。图5中,横轴表示应变,纵轴表示发生该应变后形状回复时产生的应力(回复力)。另外,符号A-E表示下列情况。
A:预应变2.1%的合金①
B:预应变4.1%的合金①
C:预应变5.5%的合金①
D:预应变5.0%的合金②
E:预应变3.1%的合金④(比较例)
由图5可以看出,与以往的比较例合金④相比,本发明的合金①和②可以得到大得多的回复率。
如上所述,根据本发明,不需要进行以往的被称为训练的复杂加工热处理,只要进行时效热处理就可以容易地显示出形状记忆效果。与需要训练处理的以往的合金不同,可以适用于任意形状的合金零件。例如可以用作连接部件(自来水管、煤气管、石油输送管道等),不需要通过焊接连接,可以避免由于焊接而产生的焊接部位强度降低和发生腐蚀等问题。
图1是表示实施例1的本发明的合金的组织的电子显微镜照片。
图2A和B是对应于图1表示碳化铌存在的电子衍射照片和原理图。
图3是表示弯曲试验结果的图。
图4是表示拉伸试验结果的图。
图5是通过与形状回复应变的关系表示形状回复应力的图。
Claims (5)
1.含有碳化铌的形状记忆合金,该形状记忆合金是至少含有Fe、Mn和Si作为主要组成成分的Fe-Mn-Si系形状记忆合金,其特征在于在其组织中含有碳化铌。
2.权利要求1所述的形状记忆合金,其中还含有Cr或Cr和Ni作为主要组成成分。
3.权利要求1或2所述的形状记忆合金,其中以组织的体积比率计算,碳化铌的含量是0.1-1.5%。
4.权利要求1-3中任一项所述的形状记忆合金,其中在合金的组成中铌与碳的比例为Nb/C(原子比)≥1。
5.含有碳化铌的形状记忆合金的制造方法,该方法是上述权利要求1-4中任一项所述的形状记忆合金的制造方法,其特征在于将添加铌和碳而熔炼成的合金在1000-1300℃的温度范围内进行均匀化热处理,然后在400-1000℃的温度范围内进行时效处理,使碳化铌析出。
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