Феромагнітний сплав на основі міді з ефектом пам’яті форми

Феромагнітний сплав на основі МІДІ З ефеїсгом пам'яті форми, що містить марганець, алюміній, який відрізняється тим, що він додатково містить залізо, молібден, хром і самарій у наступному відношенні ХІМІЧНИХ складових, мас % Марганець 6,0-24,5 АЛЮМІНІЙ 6,0-14,6 Залізо Молібден Хром Самарій Мідь 1,8-13,5 1,5-2,8 0,8-1,7 0,1 -1,5 решта початкове положення при охолодженні нижче температури початку прямого мартенситного перетворення (МП), в мікроструктурі сплаву з'являються тонкі, ледве вбачаємі при оптичному збільшенні, канали руйнування сплаву Встановлено, що такі канали виникають в місцях концентрації напруг, а також в окремих неблагоприємно орієнтованих зернах при напругах вище границі витривалості Так, в зразках з підвищеним вмістом ванадію (0,5%) при деформації крученням на 1,5 2,0% після 25 - ЗО теплозмін в інтервалі температур 25 - 400°С у МІСЦІ спрямованого навантаження з'являється мережа тонких каналів Ці канали починають розповсюджуватися по границям зерен при термоциклюванні під навантаженням в інтервалі температур 50 - 400°С В наслідок цього, після 240 260 теплозмін через інтервали прямого (Мп - Мк) і зворотного (Ап - Ак) мартенситних перетворень, в умовах постійної дії вузла спрямованого навантаження, відбувається руйнування сплаву по сформованій мережі тріщин Найбільш близьким по технічній суті до заявленого винаходу є сплав Гейслера на основі МІДІ /Heusler F , Verhanl deut, phys Ges , 5, 219, 1903, Heusler F, Zs angew Chem , 17, 260, 1904/, що містить (% мас) МАРГАНЕЦЬ 6,0-18,7% АЛЮМІНІЙ 6,0-15,0% МІДЬ ОСНОВА Сплав - прототип при визначеному відношенні О ю 0 0 ю ю 54585 ХІМІЧНИХ компонентів має ефект пам'яті форми, нестійкий до дії ЗОВНІШНІХ напружень і підвищеної температури, наприклад, при складі Си - 12%АІ 10%Mn (% мас) При відносно невеликій амплітуді напруг (2 - Зкг/мм2) викривається малоциклова втомленість, яка розвивається в процесі деформації сплаву під дією магнітного моменту, прикладеного до рухомої частини зразка Це пов'язано з магнітопружною релаксацією, яка становить собою явище, аналогічне термопружному ефекту Накладення магнітного поля на зразок, феромагнітного матеріалу викликає зміну його розмірів - магнітострикцію В той же час, прикладене напруження, пов'язане з деформацією, викликає зміну стану намагнічування зразка, в наслідок чого виникає поверхневий струм, магнітне поле якого перешкоджає ЗМІНІ магнітного потоку у зразку Ці струми дифундують углиб зразка, вирівнюючи магнітний потік Таке переміщення і являється тим релаксаційним процесом, яке у проміжній області частот викликає максимум внутрішнього тертя у ВІДПОВІДНОСТІ з теорією релаксаційних явищ Тому основною причиною зниження магнітних властивостей являються втрата енергії, які зв'язані з магнітними ефектами, як і затухання від теплової релаксації, що необхідна урахувати при створенні нових феромагнітних сплавів Підвищення температури при випробуваннях на втому до 400°С викликає зниження опору сплаву під час дії знакозмінних навантажень і помітну деградацію феромагнітних властивостей Значні структурні зміни полягають в розпаді р - фази при старінні, а також значному зниженню внутрішньої енергії при переходах через пряме і зворотне мартенситні перетворення і точку Кюрі Так, у зазначеному сплаві деформація в області температур 300 - 400°С відповідає максимуму границі витривалості, положення якої обумовлено частотою циклічного навантаження Свідоцтвом ТОГО Є те, що із збільшенням частоти деформації спостерігається інтенсивне зростання пошкоджень від втомленості, які виявляються на поверхніх прошарках сплаву Це пов'язано з наявністю дефектів на поверхні, їх розмірами, формою і розподілом, а також зростанням рівня залишкових напружень, обумовлених появою розтягуючих напружень, які форсують відкриття тріщин втомленості по межі між зернами Підбір режимів термомеханічної обробки для означеного сплаву не припиняє одночасного зниження МІЦНОСТІ та пластичності, не підвищує опір втомленості матеріалу під час теплової деформації Максимальне число стабільних циклів "нагрівання - охолодження" для означеного сплаву не перевищує величини 0,6 103 теплозмін Тому використовувати цей сплав у конструкціях, що вимагають багатократної стабільності відтворення заданих термомеханічних та магнітних властивостей, не можна із - за низької надійності і ДОВГОВІЧНОСТІ, виготовлених із цього сплаву тче Технічною задачею винаходу є створення феромагнітного сплаву на основі МІДІ, відтворюючого стійкий ефект пам'яті форми, у якого за рахунок введення нових ХІМІЧНИХ елементів збільшиться число стабільних циклів деформації з постійно високим рівнем магнітних властивостей і ВІДПОВІДНОЮ точкою Кюрі в області температур - 196°С + 400°С Поставлена технічна задача вирішується за рахунок того, що у феромагнітний сплав на основі МІДІ з ефектом пам'яті форми, що містить марганець і алюміній введеш залізо, молібден, хром і самарій при наступному співвідношенні цих компонентів (% мас) МАРГАНЕЦЬ 6,0 - 24,5% АЛЮМІНІЙ 6,0-14,6% ЗАЛІЗО 1,8-13,5% МОЛІБДЕН 1,5-2,8% ХРОМ 0,8-1,7% САМАРІЙ 0,1 -1,5% МІДЬ ОСНОВА Введення в сплав заліза в межах 1,8 - 13,5% (% мас) стабілізує ефект пам'яті форми для робочих температур - 196°С + 400°С, а також звужує гистерезис мартенситного перетворення до 15°С, причому магнітна проникливість (ц) сплаву збільшується в середньому на 10 - 15% відносно сплаву - прототипу Виконання сплаву з вмістом заліза менш ніж 1,8% викликає послаблення зв'язку між сусідніми субзернами в структурі сплаву, що викликає передчасне розповсюдження мережі тріщин (в умовах спрямованої дії навантаження) при термоциклуванні через температурю інтервали прямого і зворотного мартенситних перетворень Введення в сплав заліза більш ніж 13,5% в поєднанні з іншими ХІМІЧНИМИ елементами викликає появу у матриці сплаву крихких нерозчинних карбідних сполук, суттєво знижуючих МІЦНІСТЬ сплаву Введення в сплав молібдени в межах 1,5 2,8% (%мас) підвищує відношення границі текучості до границі МІЦНОСТІ при термоциклуванні з великим ступенем деформації зразків, знижує відпальну крихкість і підвищує опір повзучості Магнітні властивості сплаву в зазначених межах характеризуються високою початковою магнітною проникливістю і підвищеним електричним опором Виконання сплаву з вмістом молібдену менш ніж 1,5% підвищує його крихкість в аустенітному стані і повзучість мартенситної фази, а більш ніж 2,8% - знижує границю МІЦНОСТІ при незначних значеннях деформації, що викликає передчасне руйнування сплаву, наприклад, на етапах його термомеханічної обробки Введення в сплав хрому в межах 0,8 - 1,7% (% мас) сприяє підвищенню СТІЙКОСТІ р - фази, стабілізації точки Кюрі при положенні цієї точки в області температур вище кінця зворотного мартенситного перетворення (Ак), зокрема, при температурах вище 100°С Окрім того, указаний компонент забезпечує сплаву високу корозійну СТІЙКІСТЬ і оптимальну пружність в аустенітному стані (ЗО - 40кг/мм2), що дозволяє усунути залишкову деформацію при постійно прикладених ЗОВНІШНІХ напругах і діючої температури Виконання сплаву з вмістом хрому менш ніж 0,8% суттєво знижує теплову СТІЙКІСТЬ сплаву і виключає можливість керування точкою Кюрі при виготовленні сплаву, а більш ніж 1,7% - веде до зниження магнітної проникливості і коерцетивної сили, причому намагніченість сплаву помітно знижується після введення хрому більш ніж 1,68% Введення в сплав самарія в межах 0,1 - 1,5% (% мас) суттєво підвищує магнітні властивості 54585 сплаву в середньому на 30 - 35% відносно вже наданих йому властивостей, що зв'язано з перетворенням ромбоедричної кристалічної ґратки в ОЦК ([З - фазу) при температурах нижче кінця прямого мартенситного перетворення (Мк) Виконання сплаву з вмістом самарія більш ніж 1,5% не веде до помітного підвищення магнітних властивостей, а менш ніж 0,1% - зовсім не викликає підвищення магнітних властивостей Порівняльний аналіз запропонованого науково-технічного рішення з відомим сплавом показав, що пропонуємий склад сплаву і співвідношення ХІМІЧНИХ елементів в ньому відрізняється від відомого тим, що введеш нові ХІМІЧНІ компоненти Fe, Mo, Cr, Sm, які забезпечили підвищення числа стабільних циклів теплової деформації в 6 - 7 разів (при умові 100% відновлення вихідної геометричної форми при нагріванні вище температури Ак), а також підвищення коерцитивної сили у 4 - 5 разів для виготовлених тче Аналіз відомих науково - технічних рішень показав, що деякі ХІМІЧНІ елементи введені в запропонований сплав ВІДОМІ, наприклад, Al, Mn, Fe (авт свід СРСР №1803447 С22С9/01, 23 03 93, Бюл №11) Але введення цих елементів не забезпечує сплавам необхідний мінімум феромагнітних властивостей і стійкої теплової деформації при термоциклуванні через інтервали температур прямого і зворотного мартенситних перетворень Для експериментальної оцінки властивостей запропонованого сплаву було підготовлено 20 сумішей інгредієнтів, 13 із яких відтворили оптимальні результати (див таблицю, сплави №2 14) При виготовлені сплавів у якості присадок застосовували три лігатурні з'єднання ХІМІЧНО ЧИСТИХ металів, Fe - Mo - Cr, Си - Sm, Al - Mn, що дозволило при проведенні плавок знизити вміст окисних включень і усунути ліквацію після розливки Кожну плавку проводили в індукційній печі в атмосфері ХІМІЧНО чистого аргону Після виплавки в мікроструктурі сплавів не виявлено газової пористості, оскільки при високих температурах була підсилена дегазуюча дія модифікаторів Із одержаних відливок вирізували зразки розмірами 0,6 х 6,0 х 40мм Кожен із зразків, після попередньої термомеханічної обробки, піддавали резистометричним та ділатометричним дослідженням, з метою визначення критичних температур мартенситних перетворень (МП, Мк, Ап, Ак) та ВІДПОВІДНИХ ТОЧОК Кюрі (Є) При фазових перетвореннях, тобто при проходженні процесів упорядкування і розпорядкування, хід залежності електричного опору від температури суттєво відхиляється від звичайного, що дозволяє надійно установити зміну фазових процесів і температурні інтервали їх проходження Методом крутильних ватів визначено магнітні властивості і ступінь відновлення геометричної форми після попередньої деформації зразків закручуванням нижче температури початку прямого мартенситного перетворення (Мп) і наступного нагрівання ви ще температури початку зворотного мартенситного перетворення (Ап) Основною частиною таких вапв являється крутильний важіль, який підвішено на тонкому дроті (нитці підвісу) Дослідний зразок кріпили на одному КІНЦІ важеля і розташовували між полюсами постійного магніту Пондеромоторна сила, діюча на зразок зі сторони неоднорідного магнітного поля, створює момент кручення нитки підвісу, до якого прикріплено горизонтальне плече Відхилення важеля фіксувалося автоматично записуючою системою, жорстко зв'язаною з системою крутильних вапв Основні результати досліджень приведені у таблиці Аналіз результатів досліджень свідчить, що запропонований сплав у заявлених межах (див таблицю, спл №2 14) після попередньої деформації закручуванням на 1,5% нижче температури початку прямого мартенситного перетворення (Мп) і наступного нагріву вище температури кінця зворотного мартенситного перетворення (Ак) повністю відновлює початкову форму на 100% (оптимальний результат) в межах (1,1 - 5,3) 103 циклів в інтервалі температур - 196°0 + 500°С, причому стабільність відтворення максимальної величини коерцитивної сили (Не = 25,6 81,4 ерстед) і точки Кюрі (Є = - 97 + 420°С) зафіксовано при одному і тому ж значенні магнітної індукції (В = 11200 11500 гаус) у ВІДПОВІДНИХ інтервалах температур 188°С + 376°С та - 162°С + 457°С В той же час, зразки сплаву - прототипу (див таблицю, спл №16 20) мають в 4 - 5 раз нижче коерцетивну силу (Не = 2,5 22,4 ерстед) та в 5 - 7 раз нижче число стабільних циклів ((0,2 0,7) 103), що підтверджує необхідність введення в сплав вище означених компонентів, суттєво підвищуючих стабільність заданих термомеханічних і магнітних властивостей запропонованих сплавів Таким чином, тільки у заявлених межах ХІМІЧНІ елементи забезпечують одержання феромагнітного сплаву на основі МІДІ З ефектом пам'яті форми, стабільно відтворюючого задані властивості, у якого за рахунок формування специфічної структури одночасно забезпечується стійка зміна геометричної форми в інтервалі температур - 196°С + 400°С і при цьому зберігаються достатньо високі магнітні властивості, а саме, магнітна проникність і коерцитивна сила Використання запропонованого сплаву приведе до суттєвої економії дорого коштуючих і дорогоцінних матеріалів, витрачаємих при виготовленні електронних регуляторів температури При цьому, суттєво підвищиться їх надійність роботи, особливо при низьких температурах, а також знизиться трудоемність при виготовленні Промислове виробництво зазначеного сплаву може бути здійснено на металургійних заводах, що спеціалізуються на випуску кольорових сплавів Для цього необхідно застосувати стандартне технологічне обладнання з деякими змінами в технологічному ланцюгу 54585 Таблиця Мп АІ Fe Mo Сг Sm Си °С °С Коер сила , Не ерстед 1 25 0 58 137 14 18 16 осн 457 46 4 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 24 5 23 0 21 2 198 180 165 152 138 125 11 0 95 78 60 58 60 75 80 90 102 107 11 2 11 8 120 122 127 130 146 150 135 124 11 6 103 92 84 75 64 55 46 32 25 18 16 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 28 ЗО 17 16 15 14 13 12 11 10 10 10 09 09 08 07 81 4 76 3 71 2 53 6 63 2 61 9 59 7 50 1 31 4 30 2 25 6 1163 95 8 56 0 1 1 1 6 20 26 28 31 33 35 38 42 44 49 53 16 17 18 19 20 187 145 106 92 60 60 80 124 130 150 1 5 осн 386 420 1 4 осн 264 315 1 3 осн 243 291 1 2 осн 210 272 1 1 осн 165 216 1 0 осн 112 173 09 осн 46 95 08 осн 8 65 07 осн -27 46 06 осн -45 27 05 осн -70 -15 03 осн -145 -82 01 осн -188 -97 0 08 осн -162 СПЛАВ - ПРОТОТИП осн 280 осн 110 147 осн 80 245 осн -140 60 осн -185 22 4 180 11 4 181 26 03 07 02 Точка ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ, %мас Точка Мн № спл Є Число стаб цикл п 103 Примітка Механіч руйнування зразка Оптимальні результати Відсутній ЭПФ Відсутній ЭПФ Механічне руйнування зразків Відсутній ЭПФ Значеннямагнітної індукції (В) у всіх приведених випадках постійна, в межах 11200 - 11500 гаус Підписано до друку 03 04 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24