Сплав на основі заліза з ефектом пам’яті форми

Сплав на основі заліза з ефектом пам'яті форми, який містить марганець, кремній, азот, вуглець, хром, нікель, кобальт, який відрізняється тим що він додатково вміщує мідь, ванадій, ніобій, молібден, рідкоземельні елементи у слідуючому співвідношенні компонентів в (ваг. %): марганець 5,0-40 кремній 0,1-8,0 29209 хрому від 5,0 до 20 кремнію від 2,0 до 8,0 і як найменше одного з групи елементів: марганцю від 0,1 до 14,8 нікелю від 0,1 до 20,0 кобальту від 0,1 до 30,0 міді від 0,1 до 3,0 азоту від 0,001 до 0,3 залізо решта. де Ni+0,5Mn+0,4Co+0,06Cu+0,002N>0,67(Cr+ +1,2Si)-3. Однак вищезгадані сплави мають недостатню міцність і в'язкість та досить погану оброблюваність, за рахунок низького вмісту хрому, марганцю та відсутності вуглецю. Окрім цього, у цих сплавів досить невисокий покажчик такої важливої характеристики для сплавів з ефектом пам'яті форми, як зворотне напруження (напруження, яке виникає за рахунок зворотного e®g фазового перетворення). Корозійна стійкість сплавів теж недостатня. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого винаходу є сплав з ефектом пам'яті форми на основі заліза (Японія з. 63-216948 від 9.09.1989, MKB C22C38/04 ), що складається з (ваг. %): марганцю від 15 до 30 азоту від 0,03 до 0,30 хрому менше 15 нікелю менше 15 кремнію менше 6 кобальту менше 6 або вуглецю менше 0,5 алюмінію менше 0,5 залізо решта. Недоліками цього сплаву є недостатній ступінь відновлення форми (50-70%), а також невисокі механічні властивості (межа плинності до 600 МРа, відносне подовження до 20%). Це обумовлено тим, що в запропонованих сплавах присутні або кремній, або вуглець, а необхідна їх спільна наявність. Окрім цього, відсутні такі важливі легуючі елементи, як мідь, ванадій, ніобій, молібден, рідкоземельні елементи та не вказані необхідні співвідношення між компонентами сплавів, що не дозволяє досягти оптимального рівня властивостей. До того ж цей сплав з вищезгаданих причин має досить низькі корозійну та окалиностійкість. Все це зумовило необхідність створення сплаву на основі заліза, який поєднує в собі такі важливі властивості, як висока ступінь відновлення форми, міцність, в'язкість, корозійна та окалиностійкість. Завдання вирішується тим, що сплав на основі заліза з ефектом пам'яті форми містить: марганець, кремній, азот, вуглець, хром, нікель, кобальт, причому він додатково вміщує мідь, ванадій, ніобій, молібден, рідкоземельні елементи при співвідношенні компонентів (ваг. %): марганець від 5 до 40 кремній від 0,1 до 8,0 азот від 0,01 до 0,8 вуглець від 0,01 до 0,8 хром від 0,1 до 20,0 нікель від 0,1 до 20,0 кобальт від 0,1 до 20,0 мідь від 0,1 до 3,0 ванадій від 0,1 до 1,0 ніобій від 0,1 до 1,0 молібден від 0,1 до 3,0 рідкоземельні елементи (Скандій, або Ітрій, або Ланвід 0,0005 до тан, або Церій...) 0,02% залізо решта при співвідношенні вмісту вуглецю до азоту: 0,61,0 і при загальному співвідношенні між усіма компонентами сплаву: Ni+Co+0,5Mn+0,3Cu+20N+25C> >0,3(Cr+2Si+5V+1,5Nb+1,5Mo). Запропонований сплав відрізняється від відомого сплаву на основі заліза з ефектом пам'яті форми одночасним додатком кремнію, азоту та вуглецю при чітко визначеному співвідношенні вуглецю та азоту. Додаткове легування сплаву кремнієм призводить до зменшення енергії дефекту пакування аустеніту і підвищує його межу плинності, що позитивно позначається на властивостях пам'яті форми. Окрім цього, додатки кремнію підвищують корозійну та окалиностійкість матеріалу. Проте при підвищенні вмісту кремнію більше 8% ваг. знижується пластичність сплаву та погіршується його оброблюваність у гарячому та холодному стані. Тому вміст кремнію обмежено 8% ваг. Додатки азоту призводять до зміцнення аустеніту та мартенситу, знижують енергію дефекту пакування аустеніту і сприяють формуванню повністю аустенітного стану сплаву у відпаленому стані. Часткове упорядкування атомів азоту у твердому розчині призводить до більш гомогенного розподілення інших легуючих елементів за рахунок їх взаємодії, що має позитивний вплив на властивості пам'яті форми. Наявність азоту в сплавах підвищує їх корозійну стійкість та запобігає формуванню крихкої s-фази в сплавах на основі заліза, які вміщують марганець, кремній та хром. При додаванні азоту до сплаву менше 0,01% ваг. усі вищезгадані ефекти дуже незначні, а при вмісті азоту більше 0,8% ваг. формування нітридів призводить до крихкості та погіршення властивостей пам'яті форми. Вуглець є аустенітоформуючим елементом і додається до сплавів з метою створення перед їх деформацією чисто аустенітної структури. Крім того, він зміцнює як аустеніт, так і мартенсит, що також позитивно впливає на властивості пам'яті форми, Проте, коли вміст вуглецю перевищує 0,8% ваг., за рахунок виділення карбідів різко знижується в'язкість сплавів та погіршуються їх характеристики пам'яті форми. Дуже важливою для отримання необхідних властивостей є одночасна наявність в сплавах вуглецю та азоту у вказаному співвідношенні (C/N= =0,6-1,0). У цьому випадку за рахунок упорядкування елементів втілення забезпечується більша стабільність твердого розчину, його гомогенність відносно легуючих елементів заміщення, стійкість до виділення карбідів та нітридів при термічній обробці. Крім того, внаслідок вищезгаданого легування поліпшується когерентність міжфазних границь і, як результат, їх рухомість. Все це призводить до поліпшення властивостей пам'яті форми сплавів. Опріч цього таке легування дозволяє суттєво підвищити корозійну стійкість та механічні властивості матеріалів. При цьому, вплив вуглецю 2 29209 та азоту на властивості сплавів при сумісному легуванні є більш ніж адитивним. Вибір співвідношення С/М=0,6-1,0 зумовлений тим, що в разі його невиконання можливе виділення з твердого розчину або карбідів, або нітридів, внаслідок чого погіршуються властивості пам'яті форми і інші характеристики сплавів. Марганець додається до сплавів як аустенітоформуючий, а також як елемент, що підвищує розчинність домішок втілення в сплавах, які в свою чергу є аустенітофрмуючими, і, таким чином, забезпечує аустенітний стан сплаву до деформування. Коли вміст марганцю в сплаві становить менше 5% ваг., це стає неможливим, що катастрофічно впливає на ефект пам'яті форми. При вмісті марганцю більше 40% ваг. різко зменшується корозійна стійкість сплавів. Мета легування хромом полягає в зменшенні енергії дефекту пакування аустеніту та поліпшенні корозійної стійкості сплавів. При вмісті хрому менше 0,1% ваг. вони не можуть бути досягнуті. В разі, якщо вміст хрому перевищує 20% ваг. можливо формування d-фериту при кристалізації сплавів і, як наслідок цього, виникнення пористості. Окрім цього, при термічній обробці можуть з'явитися крихкі виділення s-фази. Нікель є дуже сильним аустенітоутворюючим елементом і додається з метою створення аустенітної материнської фази, а також для поліпшення корозійної та окалиностійкості сплавів. Бажаний ефект не досягається при вмісті нікелю менше 0,1 % ваг. Якщо вміст нікелю перебільшує 20% ваг. температура мартенситного перетворення стає дуже низькою, що запобігає формуванню мартенситу при деформуванні сплавів. Додатки кобальту також сприяють утворенню материнської аустенітної фази і, окрім цього, покращують гарячу оброблюваність сплавів. При вмісті кобальту менше 0,1 % ваг. позитивним ефектом можна нехтувати. Легування сплавів кобальтом більше 20% ваг. не дає позитивного ефекту. Легування міддю має на меті створення умов для формування аустенітної структури сплавів та поліпшення їх корозійної стійкості. Позитивний ефект спостерігається тільки при вмісті міді 0,1% ваг. З іншого боку, оскільки мідь підвищує енергію дефекту пакування, при наявності її в сплаві більше 3% ваг. стає неможливим утворення мартенситу при деформуванні. Молібден зменшує енергію дефекту пакування аустеніту і, таким чином, сприяє формуванню мартенситу при деформуванні, а також покращує окалиностійкість сплавів. При вмісті його менше 0,1% ваг. позитивний ефект відсутній, а в разі вмісту більше 3% ваг. погіршуються гаряча оброблюваність та властивості пам'яті форми сплавів. Ванадій та ніобій додаються для підвищення границі плинності сплавів та покращення розчинності елементів втілення в рідкій фазі сплавів. Одночасно їх наявність в сплавах дозволяє регулювати вміст азоту та вуглецю в твердому розчині методами термічної обробки. При вмісті їх менше 0,1% ваг. позитивний ефект відсутній, а в разі наявності в сплаві більше 1% ваг. різко падають оброблюваність та властивості пам'яті форми. Введення рідкоземельних елементів до сплавів має на меті звільнення твердого розчину від залишків кисню та запобігання формуванню граничних виділень, поліпшуючи таким чином корозійну стійкість. При вмісті їх менше 0,0005% ваг. позитивний ефект не спостерігається, а при перебільшенні вмісту 0,02% ваг. різко знижуються оброблюваність та механічні властивості сплавів. Як вже зазначалось, дуже важливим для високого ступеня відновлення форми є наявність повністю аустенітної структури сплавів перед деформуванням. Для цього, крім вищезгаданих меж легуючих елементів, має бути виконане співвідношення: Ni+Co+0,5Mn+0,3Cu+20N+25C> >0,3(Cr+2Si+5V+1,5Nb+1,5Mo). Сплави, хімічний склад яких наведений в табл. 1, були виплавлені у високочастотній індукційній печі у суміші газів азоту та аргону при їх різному парціальному тиску. Зливки прокатувалися при температурі 1273-1373 К на прутки діаметром 5 мм. Далі методом холодного волочіння були отримані зразки діаметром 1-3 мм для подальших досліджень. Були досліджені механічні властивості пам'яті форми, корозійна та окалиностійкість, покажчики яких надано в табл. 2. Властивості відновлення форми вимірювалися шляхом іспитів на розтягнення зразків діаметром 3,0 мм і робочою довжиною 30 мм. Зразки були деформовані на 5% при кімнатній температурі, а після цього нагріті вище температури зворотного мартенситного перетворення. Ступінь відновлення форми оцінювалася за формулою: L - Lk × 100, ступінь відновлення форми %= 1 Lk - L0 де L0 - початкова довжина зразка; L1 - довжина зразка після деформування; Lk - довжина зразка після нагріву. Критерії оцінки властивостей пам'яті форми були такі: 1 - ступінь відновлення форми 70-100%; 2 - ступінь відновлення форми 30-70%; 3 - ступінь відновлення форми