專利名稱：添加Nb、C的Fe－Mn－Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法。更特別地，本發(fā)明涉及這樣一種添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，該合金不經(jīng)受所謂的鍛煉就顯示令人滿意的形狀記憶效應(yīng)，提供改善的性能。
背景技術(shù)：
提出并發(fā)明Fe-Mn-Si基形狀記憶合金已經(jīng)很長時間了。然而，不幸的是，F(xiàn)e-Mn-Si系的合金目前處于這樣一種局面，即該合金仍然沒有被充分使用，而且還沒有被付諸實踐。主要的原因是該合金不經(jīng)受稱為鍛煉的專門熱機械處理就不能顯示令人滿意的形狀記憶效應(yīng)。
本文中，鍛煉指的是重復以下處理若干次以提高形狀記憶效應(yīng)的工藝程序。該處理由以下步驟組成在室溫下使合金形變2-3％，然后將其加熱至高于該合金逆轉(zhuǎn)變溫度(reverse transformationtemperature)的約600℃。
上述麻煩的鍛煉是現(xiàn)有技術(shù)不可或缺的，本發(fā)明的發(fā)明人進行了認真的研究，目的是開發(fā)一種具有簡單過程的處理方法，特別是不需要鍛煉。結(jié)果是，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了以下事實，即如果將少量的Nb元素和C元素用于特定的形狀記憶合金，即Fe-Mn-Si基形狀記憶合金，并對該合金進行合適的老化熱處理以在該合金的結(jié)構(gòu)中生成細小的NbC碳化物，則獲得充分令人滿意的形狀記憶效應(yīng)而不經(jīng)受麻煩的、稱為鍛煉的處理，并因此先申請了專利申請(見專利文件1)。本發(fā)明人也對添加Nb、C的合金的熱機械處理進行了研究，他們發(fā)現(xiàn)了以下事實，即500-800℃下的預形變和隨后的老化處理導致進一步提高的形狀記憶效應(yīng)，因此也就此申請了專利申請(見專利文件2、專利文件3)。
專利文件1；日本專利未審公開JP 2001-226747專利文件2；日本專利未審公開JP 2001-296901
專利文件3；日本專利未審公開JP 2002-79295我們認為，在上述在先申請中提出的發(fā)明推動了形狀記憶合金技術(shù)的驚人進步，有助于將來使形狀記憶合金付諸實踐并大大有助于工業(yè)的發(fā)展。然而，在提出的發(fā)明中仍有一些方面有待提高。至于后兩個在先申請(專利文件2，專利文件3)，在這些申請中提出的發(fā)明非常有意義，因為實現(xiàn)了十分容易的處理方法以及進一步提高的合金形狀記憶性能。另外，要承認，形狀記憶性能因此顯著提高，從而顯著提高實用程度。也就是說，這些申請的發(fā)明的成果和作用十分顯著。然而，仍然有一個問題，即處理方法需要在500-800℃的高溫下進行熱處理，而這在大多數(shù)情況下造成困難。不可否認，這點使記形合金難以付諸實用。
發(fā)明公開本發(fā)明的目的是基本解決上述問題。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)進行了認真的研究，目的是開發(fā)并確保即使在低溫下形變，規(guī)定組分的形狀記憶合金也具有良好的形狀記憶性能。結(jié)果是，他們發(fā)現(xiàn)，即使在室溫下形變也可以充分確保令人滿意的形狀記憶性能從而實現(xiàn)上述目的。
即，他們發(fā)現(xiàn)了以下令人驚訝的事實，即可以僅僅通過施加包括使添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金在室溫下形變的基本操作，然后對該形變的合金進行老化熱處理以使NbC碳化物析出而開發(fā)合金的優(yōu)異形狀記憶性能。簡言之，通過本發(fā)明達到了上述目的。
在上述知識的基礎(chǔ)上制造了本發(fā)明，并獲得成功。解決這些問題的解決方法是下面的(1)-(7)。
(1)一種添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，包括在室溫下，使添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金形變5-40％的形變率，并對該形變合金進行老化處理以使NbC碳化物析出。
(2)根據(jù)上述(1)的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金包含作為合金組分的Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％以及鐵和不可避免的雜質(zhì)余量，其中Nb與C之間的原子比Nb/C為1或更大。
(3)根據(jù)上述(1)的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金包含作為合金組分的Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Cr1-20重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％和鐵以及不可避免的雜質(zhì)余量，其中Nb與C之間的原子比Nb/C為1或更大。
(4)根據(jù)上述(1)的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金包含作為合金組分的Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Cr1-20重量％、Ni0.1-20重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％以及鐵和不可避免的雜質(zhì)余量，其中Nb與C之間的原子比Nb/C為1或更大。
(5)根據(jù)上述(2)-(4)中任一項的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中將Nb與C之間的原子比設(shè)置為1.0-1.2。
(6)根據(jù)上述(2)-(5)中任一項的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金含作為雜質(zhì)的Cu3重量％或更少、Mo2重量％或更少、Al10重量％或更少、Co30重量％或更少和/或N5000ppm或更少。
(7)根據(jù)上述(1)-(6)中任一項的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中老化處理的條件是溫度400-1000℃，老化時間1分鐘-2小時。
發(fā)明效果作為添加Nb、C的具有規(guī)定組分的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，通常，通過鍛煉進行老化前的工藝處理(processingtreatment)?；蛘?，在在先申請的發(fā)明中，在500-800℃的溫度下進行老化前的工藝處理。然而，根據(jù)本發(fā)明，通過將加工比(processingratio)設(shè)置在規(guī)定范圍內(nèi)而不用高溫，即在室溫下就可以成功地進行老化處理前的工藝處理。
必須清楚地理解與現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明作為基礎(chǔ)的在先申請的發(fā)明相比的本發(fā)明的技術(shù)意義，因為它們之間有顯而易見的差別。即，根據(jù)本發(fā)明，通過規(guī)定的合金組分、在室溫下規(guī)定的形變率和將老化條件設(shè)置為某個范圍的組合而首次實現(xiàn)形狀記憶性能的顯著提高。包括室溫下形變，然后進行老化的一般熱機械處理令人驚訝的是，可以獲得與經(jīng)受鍛煉的樣品的形狀恢復率相同的形狀恢復率，另外，可以獲得的形狀恢復應(yīng)力明顯大于經(jīng)受鍛煉的樣品的形狀恢復應(yīng)力。隨著本發(fā)明的開發(fā)，預計在許多領(lǐng)域中，使用形狀記形合金將朝實用加速。
附圖簡述

圖1是說明取決于本發(fā)明添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理的初始形變量與形狀恢復率之間關(guān)系的圖；和圖2是說明取決于本發(fā)明添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理的恢復形狀應(yīng)變與形狀恢復應(yīng)力之間關(guān)系的圖。
實施本發(fā)明的最佳方式將室溫下形變率規(guī)定為5-40％的原因出于以下事實，即低于5％的形變比不能有效地促使形狀記憶性能提高，而超過40％的形變比使樣品太硬，因此在經(jīng)受老化處理后極難使樣品形變。
正如在在先申請中規(guī)定的，受到本發(fā)明添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理的合金具有以下化學組成，1)Mn15％-40重量％、Si3-15重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01-0.2重量％以及Fe和不可避免的雜質(zhì)余量，其中Nb與C之間的原子比Nb/C為1或更大；2)添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金具有以下組成，Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Cr1-20重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％以及鐵和不可避免的雜質(zhì)余量，其中Nb與C之間的原子比Nb/C為1或更大；具有以下組成，Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Cr1-20重量％、Ni0.1-20重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01-0.2重量％以及Fe和不可避免的雜質(zhì)余量，其中Nb與C之間的原子比Nb/C為1或更大。
在任何一種添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金中，合金中Nb與C之間的原子比Nb/C優(yōu)選為1.0-1.2。
而且，經(jīng)受本發(fā)明Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法的合金允許含作為雜質(zhì)的、以下成分中的一種或多種3重量％或更少的Cu、2重量％或更少的Mo、10重量％或更少的Al、30重量％或更少的Co和5000ppm或更少的N。
發(fā)明的實施方案在下文中、將在圖1和圖2的基礎(chǔ)上具體描述本發(fā)明。應(yīng)該指出的是，附圖中所示的實施例是為了公開以幫助容易地理解本發(fā)明，而非限制本發(fā)明的范圍。
實施例首先，通過熔融制備本發(fā)明添加Nb、C的Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.53Nb-0.06C合金(重量％)。如何通過在室溫下軋制，然后在400-1000℃下對其進行老化處理1分鐘-2小時提高形狀記憶性能說明如下。
圖1的圖說明了只進行老化(0％軋制)的情況和在室溫下軋制10％、20％和30％后進行老化的情況之間形狀恢復率的差異。在所有情況下，老化處理都在800℃下進行10分鐘。為了對比，說明了僅通過退火制備的、未添加Nb、C的Fe-28Mn-6Si-5Cr合金樣品和在經(jīng)受5次鍛煉后制備的該合金樣品的結(jié)果。橫坐標顯示了室溫下由拉伸形變造成的初始應(yīng)變(％)，縱座標是當將樣品加熱至600℃時應(yīng)變的恢復率。當加熱至400℃時，也獲得大約相同的形狀恢復率。試驗中使用的樣品是厚度為0.6毫米、寬度為1-4毫米、長度(測量長度(gage length))為15毫米的試件。
正如從此圖中知道的，軋制10％的樣品具有的形狀記憶恢復率幾乎等于或稍低于受到5次鍛煉、未添加Nb、C的合金的形狀記憶恢復率。實際上，認為必要的初始應(yīng)變?yōu)榧s4％。在此應(yīng)變下顯示的約90％的形狀記憶恢復率強烈暗示，可以使用它作為實用的合金。為了獲得與未添加Nb、C的常規(guī)Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的樣品相同的形狀恢復率，至少5次鍛煉是必需的。正如由此理解的，本發(fā)明顯示了使用簡單方法獲得的形狀記憶性能。
具有20％的更高軋制率的樣品的形狀記憶恢復率幾乎等于或稍高于沒有軋制(只老化)的情況的形狀記憶恢復率。然而，具有30％的更高軋制率的樣品的形狀記憶恢復率低于只在具有大初始應(yīng)變的范圍下進行老化的情況的形狀記憶恢復率。
另一方面，關(guān)于對實用來說是一種重要形狀記憶性能的形狀恢復應(yīng)力，在軋制20％和30％后老化的樣品的形狀恢復應(yīng)力明顯提高。圖2的圖說明了與只進行老化(0％軋制)的情況和在軋制10％后進行老化的情況相比，這些樣品的形狀恢復應(yīng)力的提高程度?？v坐標上的恢復應(yīng)變?yōu)榱銜r的恢復應(yīng)力指的是當在室溫下使樣品拉伸形變，然后在樣品兩端被固定而沒有任何恢復的狀態(tài)下加熱至逆轉(zhuǎn)變溫度或更高，并再恢復至室溫時產(chǎn)生的應(yīng)力。例如，2％的恢復應(yīng)變下的恢復應(yīng)力指的是在應(yīng)變恢復2％后，樣品兩端被固定的情況下產(chǎn)生的應(yīng)力。在室溫下給定初始應(yīng)變?yōu)?-6％下進行試驗。
使用的試件與用于獲得圖1所示結(jié)果的試件相同。拿使用形狀記憶合金作為連接(coupling)的情況舉例，解釋圖2中橫坐標上的恢復應(yīng)變。其等于管子與連接部分(形狀記憶合金)之間的間隙(clearance)與直徑的比率(％)。在高的軋制比范圍下觀察到形狀恢復應(yīng)力顯著增加當室溫下軋制比為20-30％時，在0％的恢復應(yīng)變下獲得310MPa的形狀恢復應(yīng)力，對于相同的軋制比，甚至在2％的恢復應(yīng)變下也獲得200MPa的形狀恢復應(yīng)力。還發(fā)現(xiàn)，甚至在軋制比為10％的情況下也獲得與經(jīng)受鍛煉的情況相同的形狀恢復應(yīng)力。
即，正如從此圖(圖2)的結(jié)果中知道的，與軋制比為0％和軋制比為10％的情況相比，在高軋制比(20％，30％)的情況下觀察到形狀恢復應(yīng)力顯著增加。為了對比，圖2說明了沒有添加Nb、C的樣品和經(jīng)受5次鍛煉的樣品的形狀恢復應(yīng)力。根據(jù)此圖，似乎這些樣品的恢復應(yīng)力比本發(fā)明樣品的恢復應(yīng)力小得多。
如上所述，通過發(fā)現(xiàn)以下事實創(chuàng)造了本發(fā)明，即如果形變率在規(guī)定范圍中，則在老化處理前，對添加Nb、C的具有規(guī)定組分的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的形變處理可以成功地在室溫下進行。因為與需要伴有麻煩操作的鍛煉的常規(guī)情況和仍然需要500-800℃下的高溫形變的在先申請的發(fā)明相比有顯而易見的優(yōu)點，所以必須清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)意義。
即，根據(jù)本發(fā)明，通過規(guī)定的合金組分、在室溫下規(guī)定的形變率和將老化條件設(shè)置為某個范圍的組合而首次實現(xiàn)形狀記憶性能的顯著提高。通過包括室溫下的形變，然后進行老化的一般熱機械處理，令人驚訝的是，可以獲得與經(jīng)受鍛煉的樣品的形狀恢復率相同的形狀恢復率，另外，可以獲得的形狀恢復應(yīng)力明顯大于經(jīng)受鍛煉的樣品的形狀恢復應(yīng)力。無論如何，本發(fā)明的意義都是重要的?？梢允褂帽景l(fā)明的形狀記憶合金作為許多應(yīng)用的緊固(tightening)材料，例如用于緊固水管、緊固油管等，其將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益效應(yīng)。
應(yīng)該指出的是，作為上述緊固材料的應(yīng)用僅僅是例子，本發(fā)明不限于這種應(yīng)用。隨著本發(fā)明的開發(fā)，預計在許多領(lǐng)域中，形狀記憶合金記形合金將實際用于各種場合。
工業(yè)實用性本發(fā)明為添加Nb、C的具有規(guī)定組分的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法提供老化前的簡單工藝處理。常規(guī)上，在老化前通過鍛煉進行工藝處理?；蛘撸谠谙壬暾埖陌l(fā)明中，在老化之前，在500-800℃的溫度下進行工藝處理。然而，根據(jù)本發(fā)明，如果使用特定范圍內(nèi)的處理比，則在老化處理之前，不用高溫，即在室溫下就可以成功地進行工藝處理。
必須清楚地理解與現(xiàn)有技術(shù)和在先申請的發(fā)明相比的本發(fā)明的技術(shù)意義，因為它們之間有顯而易見的差別。即，根據(jù)本發(fā)明，通過規(guī)定的合金組分、在室溫下規(guī)定的形變率和將老化條件設(shè)置為某個范圍的組合而首次實現(xiàn)形狀記憶性能的顯著提高。
必須清楚地理解與現(xiàn)有技術(shù)和在先申請的發(fā)明相比的本發(fā)明的技術(shù)意義，因為它們之間有顯而易見的差別。即，根據(jù)本發(fā)明，通過規(guī)定的合金組分、在室溫下規(guī)定的形變率和將老化條件設(shè)置為某個范圍的組合而首次實現(xiàn)形狀記憶性能的顯著提高。令人驚訝的是，通過包括室溫下形變，然后進行老化的一般熱機械處理可以獲得與經(jīng)受鍛煉的樣品的形狀恢復率相同的形狀恢復率，另外，可以獲得的形狀恢復應(yīng)力明顯大于經(jīng)受鍛煉的樣品的形狀恢復應(yīng)力。隨著本發(fā)明的開發(fā)，預計在許多領(lǐng)域中，使用形狀記形合金將朝實用加速。
權(quán)利要求
1.一種添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其包括在室溫下，使該添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金形變5-40％的形變率，和對該形變合金進行老化熱處理以使NbC碳化物析出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中該添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金包含作為合金組分的Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％以及鐵和不可避免的雜質(zhì)余量，其中Nb與C之間的原子比Nb/C為1或更大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中該添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金包含作為合金組分的Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Cr1-20重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％以及鐵和不可避免的雜質(zhì)余量，其中Nb與C之間的原子比Nb/C為1或更大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中該添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金包含作為合金組分的Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Cr1-20重量％、Ni0.1-20重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％以及鐵和不可避免的雜質(zhì)余量，其中Nb與C之間的原子比Nb/C為1或更大。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中Nb與C之間的原子比設(shè)置為1.0-1.2。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中該添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金含作為雜質(zhì)的Cu3重量％或更少、Mo2重量％或更少、Al10重量％或更少、Co30重量％或更少和/或N5000ppm或更少。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形狀記憶合金的熱機械處理方法，其中老化處理的條件是溫度400-1000℃，老化時間1分鐘-2小時。
全文摘要
本發(fā)明為添加Nb、C的具有規(guī)定組分的Fe－Mn－Si基形狀記憶合金的形變處理方法提供在老化前的簡單形變。在在先申請的發(fā)明中，在500－800℃的溫度下進行這種老化前的形變處理。然而，根據(jù)本發(fā)明，如果該形變率在特定范圍內(nèi)，則不在高溫下而在室溫下就可以成功地進行老化處理前的形變處理。必須清楚地理解與現(xiàn)有技術(shù)和在先申請的發(fā)明相比的本發(fā)明的技術(shù)意義，因為本發(fā)明可以在室溫下處理，而其它的需要高溫下的麻煩處理，因此它們之間有顯著差別。即，根據(jù)本發(fā)明，通過規(guī)定的合金組分、在室溫下規(guī)定的形變率和將老化條件設(shè)置為某個范圍的組合而首次實現(xiàn)形狀記憶性能的顯著提高。隨著本發(fā)明的開發(fā)，預計在許多領(lǐng)域中，使用形狀記形合金朝實用加速。
文檔編號C22F1/00GK1692163SQ20038010056
公開日2005年11月2日 申請日期2003年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月18日
發(fā)明者菊池武丕兒, 梶原節(jié)夫, A·巴魯, 小川一行, 新谷紀雄 申請人:獨立行政法人物質(zhì),材料研究機構(gòu)