專利名稱：生產磁活性形狀記憶金屬合金的方法
技術領域：
本發明涉及一種通過鑄造并應用定向固化以生產包括鎳、錳和鎵的形狀記憶金屬合金的方法，這樣，形狀記憶金屬合金的晶體結構獲得大的晶體并以所需方式定向。
磁活性或磁控金屬是這樣一種材料，由該材料制備的物體以受控的方式恢復原先的形狀——它們可通過外部可調節磁場的作用發生盤繞、伸展和彎曲。記憶金屬的特性如在芬蘭專利101563中得到了描述。這種轉變是基于由磁場產生的材料微觀結構的重新定向的。轉變的基礎是成孿晶的馬氏體微觀結構，其定向從而可以進行控制。馬氏體結構直接通過鑄造技術和/或熱處理實現。此外，為了使轉變能夠發生，材料必須是硬磁性，在這種情形中晶格的磁性矢量決不能比晶體更容易轉動。因此內磁場強烈地保持以給定的晶格取向，并且當內磁場轉動時，晶格與它一起轉動。
從磁活性記憶金屬觀點來看，重要的量是馬氏體和奧氏體相形成反應的溫度，相開始形成(Ms和As)和相形成結束(Mf和Af)的溫度。另外，從磁活性記憶金屬觀點來看的一個重要量是居里溫度Tc。對具有鐵磁性的材料，居里溫度是一個低于材料產生自發磁化但高于材料為順磁性的溫度。借助于這些量，從其它量中限定出所述材料或合金的使用溫度。使用溫度低于居里溫度(材料必須是鐵磁性的)并低于馬氏體反應起始溫度(材料必須也是馬氏體的)。從材件使用的觀點看，所述溫度盡可能高是有利的，這樣磁活性記憶金屬的適用范圍才足夠寬，并允許如由于氣候條件或在使用期間設備加熱的情況。
作為包括鎳、錳和鎵在內的記憶金屬，其一般形式在以下說明書中被稱作NiMnGa，冷卻下來時，當在溫度范圍Ms→Mf內冷卻時，奧氏體結構開始變成馬氏體，并且以相反方向分別加熱時，就產生奧氏體的As→Af。在NiMnGa系統內，產生不同的相，即各種立方和正方相形式的順磁性和鐵磁性。在晶體結構和轉變溫度之間有聯系。轉變溫度低于70℃的合金具有調制的5-層(5M)的正方結構。7-層斜方晶系的(7M)結構在溫度范圍70℃-Tc內是可能的。超過居里溫度時，結構是非-調制的正方(T)馬氏體。
專利申請EP866142涉及NiMnGa合金，特別涉及化學式Ni2+xMn1-xGa的上述合金，其中參數x(以摩爾計)選自范圍0.10＜＝x＜＝0.30。具有這些成分時，馬氏體轉變的完成溫度可以選自-20℃和70℃之間的理想溫度，然而居里溫度可以選自60℃和85℃之間的理想溫度。在合金的記憶金屬特征中，馬氏體的轉變Ms→Mf與反向轉變As→Af有關。在該EP專利申請中描述的NiMnGa合金的典型特征是反向轉變處于借助于外部磁場獲得的馬氏體相內，并因此恢復記憶性。EP專利申請866142中描述了制造NiMnGa合金是如何進行如下處理的通過混合合金組分生產NiMnGa合金鑄錠，用氬弧方法熔煉混合物并澆鑄成鑄錠。然后，將鑄錠研磨成NiMnGa合金粉。粉末過篩至低于250目的顆粒尺寸，然后進一步壓制成直徑為5mm的棒。在800℃溫度下燒結該壓制棒48小時。對獲得的合金，限定出反向轉變的完成溫度Af和居里溫度Tc。因此，根據EP專利申請866142生產合金時，例如記憶金屬特性中合金的晶體結構或晶體結構的效果沒有作任何考慮。此外，在根據EP專利申請866142的方法中，使用了粉末冶金方法，這使得生產困難并因此增加了制造費用。
本發明的目的是消除一些現有技術中的缺陷并實現一種改善的方法，其以更可靠地操作生產包括鎳、錳和鎵的磁活性形狀記憶金屬合金，這樣對于合金，獲得對記憶金屬特性有利的晶體結構，并且例如避免粉末冶金步驟。本發明的主要新穎特征表現在所附權利要求書中。
應用本發明的方法，通過鑄造來制備包括鎳、錳和鎵的磁活性形狀記憶金屬合金，其中合金的各種成分含量可以變化，使得鎳含量在45-60原子％的范圍內，錳含量在15-35原子％范圍內且鎵含量在15-30原子％范圍內。首先，該方法中采用的各成分在受控氣氛和壓力下熔化并澆鑄，以基本避免合金成分的揮發，并有利于使得澆鑄物體成分均勻化。通過澆鑄獲得的理想金屬合金借助于低于金屬合金平衡相圖中液相溫度下的定向固化來固化，其溫度在1050-1200℃的范圍內，更有利的是1120-1170℃，在這種情形下金屬合金的晶體結構變為定向織構，這對于使磁活性記憶金屬伸展最大化是重要的。
根據本發明，為了產生金屬合金，裝載包括在合金中的鎳、錳和鎵，優選作為Ni-Mn和/或Ni-Ga主合金，為保證精度采用純金屬。主合金更有利地這樣生產，使得最低部材料為具有最低熔化溫度(30℃)的鎵，放置在其上方的是錳(1246℃)和最頂端的是鎳(1455℃)。主合金的熔化優選在溫度1500℃感應進行，其中保持在該溫度下熔化約1小時以使合金均勻，隨后冷卻和破碎成適合坩鍋的片狀。適當的金屬合金，NiMnGa，更有利地是這樣生產，使得在底部最低放置精密金屬(precision metal)，在其上方放置主合金或合金。熔化優選在溫度1300℃感應進行，其中熔化物保持在該溫度下約1小時以使合金均勻化。金屬合金NiMnGa的鑄造在約1180℃溫度下進行，定向固化時的爐溫優選大約1130℃。揮發性成分如錳和鎵的蒸發通過調整爐內真空在20-200mbar范圍內來控制。
在根據本發明的上述方法中獲得的鑄件在800-1000℃溫度范圍內在保護氣體氛圍下均勻化，在該溫度區域中包括在鎳-錳-鎵合金內的所謂Heusler相的穩定區域優選地大。所使用的保護氣體可以優選如氬氣、氮氣或其組合。
在根據本發明的方法中獲得的鑄件的固化，有利地是在低于金屬合金液相溫度10-100℃處進行。鑄件的固化速率為0.1-50mm/min，優選為1-20mm/min。在固化過程中，基本上在標準條件下使用溫度梯度爐是有利的，在該爐中熱量基本上從鑄型的長度方向傳導。因此，固化溫度以基本均勻的方式變化，并且受固化金屬合金所獲得的晶體結構為定向的織構結構。由于定向固化，獲得了強烈各向異性的鑄件，這是因為機械地不牢固晶界是沿著鑄件的長度方向設置的。因此，例如鑄件的強度性能在不同方向上是不同的。
對于根據本發明方法制備的金屬合金，測量了馬氏體和奧氏體反應的起始溫度(Ms，As)和完成溫度(Mf，Af)，以及居里溫度(Tc)。測量結果表示在下表中
從表中可以看出，金屬合金的居里溫度顯著高于室溫，這意味著制造的金屬合金在室溫下是鐵磁性的。對于表中列出的部分合金，馬氏體反應轉變溫度和奧氏體反應溫度接近室溫。這樣，馬氏體反應基本上在室溫下發生，所述合金就是所謂的室溫合金。通過調整組分和結構，獲得了所謂的高溫合金，其中轉變溫度處于50-80℃范圍內，可操作區域范圍從低溫直到該轉變溫度。表中列出的大多數合金屬于所述高溫合金。
根據本發明方法制備的合金也進行了確定伸展和彎曲的實驗。最好的是，室溫下測量的伸展對于正方晶系5M結構為6％，對于斜方晶系7M結構為10％。
權利要求
1.一種生產磁活性形狀記憶金屬合金的方法，所述金屬合金包括鎳、錳和鎵，其特征在于在該方法中，將金屬合金的不同成分熔化，并將溶化物在熔化溫度下基本均勻化，然后澆鑄所獲得的金屬合金，并且澆鑄的金屬合金在低于所述金屬合金液相溫度10-100℃的溫度下進行定向固化。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于在包括鎳、錳和鎵的金屬合金生產過程中，所使用的錳和鎵首先熔化成鎳-錳和/或鎳-鎵主合金，然后冷卻和破碎，并且其特征在于在所述主合金中加入精密金屬以制備合適的金屬合金。
3.根據權利要求1或2方法，其特征在于合適的金屬合金的熔化是在約1300℃溫度下進行。
4.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于合適的金屬合金的均勻化是通過將合金保持在熔化溫度下約1小時進行的。
5.根據上述任一權利要求的方法，其特征在于合適的金屬合金的制造步驟是在惰性氣氛下進行的。
6.根據上述任一權利要求的方法，其特征在于為了防止揮發性成分即錳和鎵的蒸發，生產合適的金屬合金中所使用的爐子內的真空度在20-200mbar的范圍內調整。
7.根據上述任一權利要求的方法，其特征在于固化速率處于0.1-50mm/min的范圍內。
8.根據權利要求7的方法，其特征在于固化速率處于1-20mm/min的范圍內。
9.根據上述任一權利要求的方法，其特征在于鑄型在800-1000℃的溫度范圍內均勻化。
10.根據上述任一權利要求的方法，其特征在于金屬合金中的鎳含量為45-60原子％。
11.根據上述任一權利要求的方法，其特征在于金屬合金中的錳含量為15-35原子％。
12.根據上述任一權利要求的方法，其特征在于金屬合金中的鎵含量為15-30原子％。
全文摘要
本發明涉及一種生產磁活性形狀記憶金屬合金的方法，所述金屬合金包括鎳、錳和鎵。在該方法中，將金屬合金的不同成分熔化，并將溶化物在熔化溫度下基本均勻化；然后澆鑄獲得的金屬合金，并且澆鑄的金屬合金在低于所述金屬合金液相溫度10－100℃的溫度下進行定向固化。
文檔編號C30B21/00GK1812858SQ03826713
公開日2006年8月2日 申請日期2003年7月3日 優先權日2003年7月3日
發明者T·索爾蒂, J·耶爾維, P·塔斯基寧 申請人:奧托昆普技術公司