专利名称：添加Nb、C的Fe－Mn－Si基形状记忆合金的热机械处理方法
技术领域：
本发明涉及一种添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法。更特别地，本发明涉及这样一种添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，该合金不经受所谓的锻炼就显示令人满意的形状记忆效应，提供改善的性能。
背景技术：
提出并发明Fe-Mn-Si基形状记忆合金已经很长时间了。然而，不幸的是，Fe-Mn-Si系的合金目前处于这样一种局面，即该合金仍然没有被充分使用，而且还没有被付诸实践。主要的原因是该合金不经受称为锻炼的专门热机械处理就不能显示令人满意的形状记忆效应。
本文中，锻炼指的是重复以下处理若干次以提高形状记忆效应的工艺程序。该处理由以下步骤组成在室温下使合金形变2-3％，然后将其加热至高于该合金逆转变温度(reverse transformationtemperature)的约600℃。
上述麻烦的锻炼是现有技术不可或缺的，本发明的发明人进行了认真的研究，目的是开发一种具有简单过程的处理方法，特别是不需要锻炼。结果是，本发明人发现了以下事实，即如果将少量的Nb元素和C元素用于特定的形状记忆合金，即Fe-Mn-Si基形状记忆合金，并对该合金进行合适的老化热处理以在该合金的结构中生成细小的NbC碳化物，则获得充分令人满意的形状记忆效应而不经受麻烦的、称为锻炼的处理，并因此先申请了专利申请(见专利文件1)。本发明人也对添加Nb、C的合金的热机械处理进行了研究，他们发现了以下事实，即500-800℃下的预形变和随后的老化处理导致进一步提高的形状记忆效应，因此也就此申请了专利申请(见专利文件2、专利文件3)。
专利文件1；日本专利未审公开JP 2001-226747专利文件2；日本专利未审公开JP 2001-296901
专利文件3；日本专利未审公开JP 2002-79295我们认为，在上述在先申请中提出的发明推动了形状记忆合金技术的惊人进步，有助于将来使形状记忆合金付诸实践并大大有助于工业的发展。然而，在提出的发明中仍有一些方面有待提高。至于后两个在先申请(专利文件2，专利文件3)，在这些申请中提出的发明非常有意义，因为实现了十分容易的处理方法以及进一步提高的合金形状记忆性能。另外，要承认，形状记忆性能因此显著提高，从而显著提高实用程度。也就是说，这些申请的发明的成果和作用十分显著。然而，仍然有一个问题，即处理方法需要在500-800℃的高温下进行热处理，而这在大多数情况下造成困难。不可否认，这点使记形合金难以付诸实用。
发明公开本发明的目的是基本解决上述问题。
本发明的发明人已经进行了认真的研究，目的是开发并确保即使在低温下形变，规定组分的形状记忆合金也具有良好的形状记忆性能。结果是，他们发现，即使在室温下形变也可以充分确保令人满意的形状记忆性能从而实现上述目的。
即，他们发现了以下令人惊讶的事实，即可以仅仅通过施加包括使添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金在室温下形变的基本操作，然后对该形变的合金进行老化热处理以使NbC碳化物析出而开发合金的优异形状记忆性能。简言之，通过本发明达到了上述目的。
在上述知识的基础上制造了本发明，并获得成功。解决这些问题的解决方法是下面的(1)-(7)。
(1)一种添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，包括在室温下，使添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金形变5-40％的形变率，并对该形变合金进行老化处理以使NbC碳化物析出。
(2)根据上述(1)的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金包含作为合金组分的Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％以及铁和不可避免的杂质余量，其中Nb与C之间的原子比Nb/C为1或更大。
(3)根据上述(1)的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金包含作为合金组分的Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Cr1-20重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％和铁以及不可避免的杂质余量，其中Nb与C之间的原子比Nb/C为1或更大。
(4)根据上述(1)的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金包含作为合金组分的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％以及铁和不可避免的杂质余量，其中Nb与C之间的原子比Nb/C为1或更大。
(5)根据上述(2)-(4)中任一项的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中将Nb与C之间的原子比设置为1.0-1.2。
(6)根据上述(2)-(5)中任一项的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金含作为杂质的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)根据上述(1)-(6)中任一项的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中老化处理的条件是温度400-1000℃，老化时间1分钟-2小时。
发明效果作为添加Nb、C的具有规定组分的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，通常，通过锻炼进行老化前的工艺处理(processingtreatment)。或者，在在先申请的发明中，在500-800℃的温度下进行老化前的工艺处理。然而，根据本发明，通过将加工比(processingratio)设置在规定范围内而不用高温，即在室温下就可以成功地进行老化处理前的工艺处理。
必须清楚地理解与现有技术和本发明作为基础的在先申请的发明相比的本发明的技术意义，因为它们之间有显而易见的差别。即，根据本发明，通过规定的合金组分、在室温下规定的形变率和将老化条件设置为某个范围的组合而首次实现形状记忆性能的显著提高。包括室温下形变，然后进行老化的一般热机械处理令人惊讶的是，可以获得与经受锻炼的样品的形状恢复率相同的形状恢复率，另外，可以获得的形状恢复应力明显大于经受锻炼的样品的形状恢复应力。随着本发明的开发，预计在许多领域中，使用形状记形合金将朝实用加速。
附图简述
图1是说明取决于本发明添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理的初始形变量与形状恢复率之间关系的图；和图2是说明取决于本发明添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理的恢复形状应变与形状恢复应力之间关系的图。
实施本发明的最佳方式将室温下形变率规定为5-40％的原因出于以下事实，即低于5％的形变比不能有效地促使形状记忆性能提高，而超过40％的形变比使样品太硬，因此在经受老化处理后极难使样品形变。
正如在在先申请中规定的，受到本发明添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理的合金具有以下化学组成，1)Mn15％-40重量％、Si3-15重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01-0.2重量％以及Fe和不可避免的杂质余量，其中Nb与C之间的原子比Nb/C为1或更大；2)添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金具有以下组成，Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Cr1-20重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％以及铁和不可避免的杂质余量，其中Nb与C之间的原子比Nb/C为1或更大；具有以下组成，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和不可避免的杂质余量，其中Nb与C之间的原子比Nb/C为1或更大。
在任何一种添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金中，合金中Nb与C之间的原子比Nb/C优选为1.0-1.2。
而且，经受本发明Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法的合金允许含作为杂质的、以下成分中的一种或多种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。
发明的实施方案在下文中、将在图1和图2的基础上具体描述本发明。应该指出的是，附图中所示的实施例是为了公开以帮助容易地理解本发明，而非限制本发明的范围。
实施例首先，通过熔融制备本发明添加Nb、C的Fe-28Mn-6Si-5Cr-0.53Nb-0.06C合金(重量％)。如何通过在室温下轧制，然后在400-1000℃下对其进行老化处理1分钟-2小时提高形状记忆性能说明如下。
图1的图说明了只进行老化(0％轧制)的情况和在室温下轧制10％、20％和30％后进行老化的情况之间形状恢复率的差异。在所有情况下，老化处理都在800℃下进行10分钟。为了对比，说明了仅通过退火制备的、未添加Nb、C的Fe-28Mn-6Si-5Cr合金样品和在经受5次锻炼后制备的该合金样品的结果。横坐标显示了室温下由拉伸形变造成的初始应变(％)，纵座标是当将样品加热至600℃时应变的恢复率。当加热至400℃时，也获得大约相同的形状恢复率。试验中使用的样品是厚度为0.6毫米、宽度为1-4毫米、长度(测量长度(gage length))为15毫米的试件。
正如从此图中知道的，轧制10％的样品具有的形状记忆恢复率几乎等于或稍低于受到5次锻炼、未添加Nb、C的合金的形状记忆恢复率。实际上，认为必要的初始应变为约4％。在此应变下显示的约90％的形状记忆恢复率强烈暗示，可以使用它作为实用的合金。为了获得与未添加Nb、C的常规Fe-Mn-Si基形状记忆合金的样品相同的形状恢复率，至少5次锻炼是必需的。正如由此理解的，本发明显示了使用简单方法获得的形状记忆性能。
具有20％的更高轧制率的样品的形状记忆恢复率几乎等于或稍高于没有轧制(只老化)的情况的形状记忆恢复率。然而，具有30％的更高轧制率的样品的形状记忆恢复率低于只在具有大初始应变的范围下进行老化的情况的形状记忆恢复率。
另一方面，关于对实用来说是一种重要形状记忆性能的形状恢复应力，在轧制20％和30％后老化的样品的形状恢复应力明显提高。图2的图说明了与只进行老化(0％轧制)的情况和在轧制10％后进行老化的情况相比，这些样品的形状恢复应力的提高程度。纵坐标上的恢复应变为零时的恢复应力指的是当在室温下使样品拉伸形变，然后在样品两端被固定而没有任何恢复的状态下加热至逆转变温度或更高，并再恢复至室温时产生的应力。例如，2％的恢复应变下的恢复应力指的是在应变恢复2％后，样品两端被固定的情况下产生的应力。在室温下给定初始应变为4-6％下进行试验。
使用的试件与用于获得图1所示结果的试件相同。拿使用形状记忆合金作为连接(coupling)的情况举例，解释图2中横坐标上的恢复应变。其等于管子与连接部分(形状记忆合金)之间的间隙(clearance)与直径的比率(％)。在高的轧制比范围下观察到形状恢复应力显著增加当室温下轧制比为20-30％时，在0％的恢复应变下获得310MPa的形状恢复应力，对于相同的轧制比，甚至在2％的恢复应变下也获得200MPa的形状恢复应力。还发现，甚至在轧制比为10％的情况下也获得与经受锻炼的情况相同的形状恢复应力。
即，正如从此图(图2)的结果中知道的，与轧制比为0％和轧制比为10％的情况相比，在高轧制比(20％，30％)的情况下观察到形状恢复应力显著增加。为了对比，图2说明了没有添加Nb、C的样品和经受5次锻炼的样品的形状恢复应力。根据此图，似乎这些样品的恢复应力比本发明样品的恢复应力小得多。
如上所述，通过发现以下事实创造了本发明，即如果形变率在规定范围中，则在老化处理前，对添加Nb、C的具有规定组分的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的形变处理可以成功地在室温下进行。因为与需要伴有麻烦操作的锻炼的常规情况和仍然需要500-800℃下的高温形变的在先申请的发明相比有显而易见的优点，所以必须清楚地理解本发明的技术意义。
即，根据本发明，通过规定的合金组分、在室温下规定的形变率和将老化条件设置为某个范围的组合而首次实现形状记忆性能的显著提高。通过包括室温下的形变，然后进行老化的一般热机械处理，令人惊讶的是，可以获得与经受锻炼的样品的形状恢复率相同的形状恢复率，另外，可以获得的形状恢复应力明显大于经受锻炼的样品的形状恢复应力。无论如何，本发明的意义都是重要的。可以使用本发明的形状记忆合金作为许多应用的紧固(tightening)材料，例如用于紧固水管、紧固油管等，其将产生巨大的经济效益效应。
应该指出的是，作为上述紧固材料的应用仅仅是例子，本发明不限于这种应用。随着本发明的开发，预计在许多领域中，形状记忆合金记形合金将实际用于各种场合。
工业实用性本发明为添加Nb、C的具有规定组分的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法提供老化前的简单工艺处理。常规上，在老化前通过锻炼进行工艺处理。或者，在在先申请的发明中，在老化之前，在500-800℃的温度下进行工艺处理。然而，根据本发明，如果使用特定范围内的处理比，则在老化处理之前，不用高温，即在室温下就可以成功地进行工艺处理。
必须清楚地理解与现有技术和在先申请的发明相比的本发明的技术意义，因为它们之间有显而易见的差别。即，根据本发明，通过规定的合金组分、在室温下规定的形变率和将老化条件设置为某个范围的组合而首次实现形状记忆性能的显著提高。
必须清楚地理解与现有技术和在先申请的发明相比的本发明的技术意义，因为它们之间有显而易见的差别。即，根据本发明，通过规定的合金组分、在室温下规定的形变率和将老化条件设置为某个范围的组合而首次实现形状记忆性能的显著提高。令人惊讶的是，通过包括室温下形变，然后进行老化的一般热机械处理可以获得与经受锻炼的样品的形状恢复率相同的形状恢复率，另外，可以获得的形状恢复应力明显大于经受锻炼的样品的形状恢复应力。随着本发明的开发，预计在许多领域中，使用形状记形合金将朝实用加速。
权利要求
1.一种添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其包括在室温下，使该添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金形变5-40％的形变率，和对该形变合金进行老化热处理以使NbC碳化物析出。
2.根据权利要求1的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中该添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金包含作为合金组分的Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％以及铁和不可避免的杂质余量，其中Nb与C之间的原子比Nb/C为1或更大。
3.根据权利要求1的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中该添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金包含作为合金组分的Mn15-40重量％、Si3-15重量％、Cr1-20重量％、Nb0.1-1.5重量％、C0.01％-0.2重量％以及铁和不可避免的杂质余量，其中Nb与C之间的原子比Nb/C为1或更大。
4.根据权利要求1的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中该添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金包含作为合金组分的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％以及铁和不可避免的杂质余量，其中Nb与C之间的原子比Nb/C为1或更大。
5.根据权利要求2-4中任一项的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中Nb与C之间的原子比设置为1.0-1.2。
6.根据权利要求2-5中任一项的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中该添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金含作为杂质的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.根据权利要求1-6中任一项的添加Nb、C的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的热机械处理方法，其中老化处理的条件是温度400-1000℃，老化时间1分钟-2小时。
全文摘要
本发明为添加Nb、C的具有规定组分的Fe－Mn－Si基形状记忆合金的形变处理方法提供在老化前的简单形变。在在先申请的发明中，在500－800℃的温度下进行这种老化前的形变处理。然而，根据本发明，如果该形变率在特定范围内，则不在高温下而在室温下就可以成功地进行老化处理前的形变处理。必须清楚地理解与现有技术和在先申请的发明相比的本发明的技术意义，因为本发明可以在室温下处理，而其它的需要高温下的麻烦处理，因此它们之间有显著差别。即，根据本发明，通过规定的合金组分、在室温下规定的形变率和将老化条件设置为某个范围的组合而首次实现形状记忆性能的显著提高。随着本发明的开发，预计在许多领域中，使用形状记形合金朝实用加速。
文档编号C22F1/00GK1692163SQ20038010056
公开日2005年11月2日 申请日期2003年12月17日 优先权日2002年12月18日
发明者菊池武丕儿, 梶原节夫, A·巴鲁, 小川一行, 新谷纪雄 申请人:独立行政法人物质,材料研究机构