專利名稱：β黃銅形狀記憶合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅基形狀記憶合金及其制備方法。
目前，文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的形狀記憶合金種類繁多，但至今具有實(shí)用價(jià)值的還只是Ni-Ti系和Cu-Zn系兩大類。尤其是Ni-Ti系類記憶合金，人們研究比較多，它的記憶性能、耐蝕性能好，但是成本高。Cu-Zn系類記憶合金，易于成型加工，成本僅為Ni-Ti系合金的1/10左右，因此，近年來為人們廣泛研究。日本專利昭63-28974公開了一種Cu-Zn系類形狀記憶合金，與普通Cu-Zn系類記憶合金相比，加工性能得到改善，但是形狀記憶性能、使用壽命并未得到提高。
本發(fā)明的目的在于克服背景技術(shù)的不足之處，從提高Cu-Zn記憶合金記憶性能及使用壽命入手，并研究了細(xì)化晶粒、凈化雜質(zhì)、消除熱裂，提供一種冷、熱機(jī)械加工性能好，能進(jìn)入實(shí)際使用的β黃銅形狀記憶合金及其制備方法。
本發(fā)明的目的是通過如下措施來達(dá)到一種β黃銅形狀記憶合金，它的組成按重量百分比計(jì)的各組份含量為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選加一種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。
混合稀土具體是指按混合稀土總重量為100％計(jì)，其中Ce為50.00～85.00％，La、Nd和Pr的總和為15.00～50.00％。
一種β黃銅形狀記憶合金的制備方法，首先是除磷P和混合稀土元素之外的其它組份，按重量百分比計(jì)的各組份含量投料熔融，再選用Cu-P中間合金的形式加入P，并將Cu-P中間合金和混合稀土用鋁箔包緊，然后采用施加外力的方法，將鋁箔包送至熔融狀態(tài)下的合金底部，攪拌再熔煉，即得Cu-Zn-Al-Mn-P的β黃銅形狀記憶合金。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)1、Cu-Zn-Al-Mn-P的β黃銅形狀記憶合金，與現(xiàn)有技術(shù)的Cu-Zn-Al合金相比，記憶性能和使用壽命均有顯著的提高。按本發(fā)明所指定的范圍，將Mn熔入基體中，能提高臨界應(yīng)力σP-M，即提高抗塑性變形的最小應(yīng)力，意味著推遲和減少位錯(cuò)增殖，位錯(cuò)纏結(jié)的機(jī)會(huì)，而位錯(cuò)數(shù)目的增加及位錯(cuò)纏結(jié)是降低記憶性能的主要原因。另外，加入Mn后能減少新相與母相間原子結(jié)合能的差距，即減少動(dòng)作記憶時(shí)的阻力，因而記憶性能得到大大的改善，使用壽命提高了40％。
在傳統(tǒng)工藝中，P作為脫氧，但本發(fā)明作為合金元素，按本發(fā)明的指定的范圍和加入方法，將P熔入合金基體后，有如下作用(1)P能使基體的晶體結(jié)構(gòu)的堆垛層錯(cuò)能大大降低，這意味著相變阻力減少，從而增加形狀記憶效應(yīng)，在與Mn綜合作用下，形狀記憶性能比Cu-Zn-Al提高了20％。
(2)P的加入提高了Cu-Zn-Al的再結(jié)晶溫度(即性能變化的界限溫度)，Cu-Zn-Al的工作溫度在100℃以下，而Cu-Zn-Al-Mn-P的工作溫度高達(dá)150℃左右，大大擴(kuò)大了其使用溫度范圍。
(3)P的加入強(qiáng)化固熔體，改善其機(jī)械性能尤其是彈性極限。當(dāng)Cu-Zn-Al-Mn-P作彈性材料使用時(shí)，其彈性指標(biāo)如彈性回復(fù)量大、疲勞壽命長。與通常的彈性材料磷青銅QSn6.5-0.1比較彈性回復(fù)量高65％，疲勞壽命高出1倍，Cu-Zn-Al-Mn-P低成本，性能比傳統(tǒng)的彈性材料優(yōu)越，從而大大擴(kuò)大形狀記憶合金的使用領(lǐng)域。
(4)P的加入凈化銅合金。
Cu-Zn-Al合金經(jīng)常出現(xiàn)“季裂”現(xiàn)象即在潮濕空氣中放置時(shí)會(huì)自動(dòng)開裂的現(xiàn)象，主要原因是合金中存在雜質(zhì)，尤其是氧，在晶界間產(chǎn)生腐蝕而開裂。P的加入大大減少氧的存在，故本發(fā)明的合金Cu-Zn-Al-Mn-P可以避免此現(xiàn)象的發(fā)生。
2、利用稀土元素化學(xué)性質(zhì)活潑的特性，在Cu-Zn-Al-Mn-P銅基形狀記憶合金熔煉過程中與有害元素形成高熔點(diǎn)金屬間化合物，消除了晶界上的有害雜質(zhì)，減少熱軋加工時(shí)邊部開裂的傾向，大大改善該合金的冷、熱加工性能。
3、隨稀土加入量的增加，合金中金屬間化合物粒子數(shù)量增加，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，合金被強(qiáng)化的程度增加，因此合金的強(qiáng)度增加。
4、以高熔點(diǎn)的金屬間化合物粒子作為結(jié)晶核心，在凝固結(jié)晶時(shí)形成數(shù)目眾多的細(xì)小晶粒，經(jīng)過這一變質(zhì)處理后的合金，在以后的加熱過程中，晶粒雖有長大的傾向，但金屬間化合物粒子阻礙晶界遷移，從而大大細(xì)化了晶粒。
5、采用施加外力法將Cu-P中間合金及混合稀土鋁箔包放入熔融狀的合金中，避免了自由加入磷及混合稀土?xí)r易氧化、易燒損的缺點(diǎn)，提高了加入的效果。
6、一般認(rèn)為銅基合金中的鋁Al含量必須小于2％，這是因?yàn)殇XAl含量超過一定量時(shí)，銅基合金變脆，加工性能差，特別是冷加工極其困難。但本法制備的β黃銅形狀記憶合金，鋁不但是個(gè)不可缺少的重要組份，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，可以加工難度高的線材和板材，例如可拉細(xì)絲直徑可達(dá)φ0.20mm，冷軋可達(dá)δ0.10～0.20mm，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。例如可以繞制成0.01～0.10克的微型彈簧或者其他形狀記憶元件，為機(jī)器實(shí)現(xiàn)微型化奠定了基礎(chǔ)。
將通過如下實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述實(shí)施例1一種重量百分比含量為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黃銅形狀記憶合金。它的制備步驟如下1、備含P(磷)含量為14％的Cu-P中間合金待用；2、配制Ce含量為70％和La、Nd、Pr的含量為30％的總重量為100％計(jì)的混合稀土待用；3、將占合金總重量的71.49％Cu、20.00％Zu、6.50％Al、0.80％Mn和1.10％Fe放入熔煉爐中熔融；4、稱取步驟1的占合金總重量為0.01％P及步驟2約占合金總重量為0.10％的混合稀土，混合用鋁箔包緊，然后采用施加外力的方法，即用夾具將混合鋁箔包送至熔融狀態(tài)下的液體合金底部，稍加攪拌熔煉即制備成動(dòng)作溫度為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黃銅形狀記憶合金?？梢约庸こ筛鞣N線材、板材，拉絲直徑可達(dá)φ0.20mm，冷軋可達(dá)δ0.10～0.20mm。
可以制造線徑0.20～5.00mm、彈簧中徑2～50mm、彈簧高度2～100mm各種規(guī)格的單程、雙程形狀記憶彈簧(熱脹冷縮或熱縮冷脹)，厚度為0.10～5mm片狀單程、雙程記憶元件，改變Zn、Al等元素含量可獲得動(dòng)作溫度20～80℃的上述元件。
實(shí)施例2一種重量百分比含量為71.51％Cu、24.10％Zn、4.10％Al、0.2％Mn、0.02％P0.02％8和0.02％混合稀土(RE)的β黃銅形狀記憶合金動(dòng)作溫度為80～90℃。它的制備步驟與實(shí)施例1相同。
可以制造各種彈性元件如彈簧、各種形狀發(fā)條及女士用的文胸絲、眼鏡框架、玩具等，各種尺寸規(guī)格管接頭及緊固件。對Zn、Al等元素含量略加調(diào)整，可獲得動(dòng)作溫度-40～20℃的上述元件。
實(shí)施例3一種重量百分比含量為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黃銅形狀記憶合金動(dòng)作溫度為0～10℃。它的制備步驟和實(shí)施例1相同。
對Zn、Al等元素含量略加調(diào)整，可變得80～150℃高溫動(dòng)作的各種規(guī)格彈簧、記憶彈簧及片狀元件。
權(quán)利要求
1.一種β黃銅形狀記憶合金，其特征在于它的組成按重量百分比計(jì)的各組份含量為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選加一種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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種β黃銅形狀記憶合金，其特征在于，它的組成中的混合稀土元素是指，接混合稀土總重量為100％計(jì)，其中Ce為50.00～85.00％，La、Md和Pr的總和為15.00～50.00％。
3.一種β黃銅形狀記憶合金的制備方法，其特征在于首先按下列各組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、0.01～10.00％Mn和下列各元素中選加一種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；再將0.01～0.2％P及0.01～1.00％的混合稀土混合均勻用鋁箔包緊，然后采用施加外力的方法，將混合鋁箔包送至熔融狀態(tài)下的合金底部，攪拌再熔煉，得β黃銅形狀記憶合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種β黃銅形狀記憶合金，其特征在于，選用Cu-P中間合金的形式加P。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種β黃銅形狀記憶合金及其制備方法，它的組成按重量百分比計(jì)的各組分含量為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選加一種，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。本法將Cu-P中間合金及混合稀土用鋁薄包緊，用施加外力的方法，將它送至熔融狀態(tài)下的合金底部。本法制備的合金不但具有良好形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，使用壽命長，而且晶粒尺寸小，強(qiáng)度高，從而明顯改善了加工性能，有實(shí)際推廣價(jià)值。
文檔編號(hào)C22C9/04GK1167162SQ9711013
公開日1997年12月10日 申請日期1997年5月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月8日
發(fā)明者周建培, 黃煜民 申請人:華南理工大學(xué)