Спосіб виготовлення циліндричних пружинних силових елементів з титано-нікелевого сплаву всп-1

Реферат: Спосіб виготовлення циліндричних пружинних силових елементів з титано-нікелевих сплавів з ефектом пам'яті форми включає навивання дроту з мінімально можливим індексом с=D0/d і кутом підіймання витка, загартування, відпалювання при проміжних температурах і термосилове циклування шляхом пригніченої деформації через температурні інтервали прямого і зворотного мартенситного перетворення. Дріт зі сплаву ВСП-1 діаметром d, навитий у вигляді спіралі з діаметром 2d і кроком навивки 4d на спеціальні пристрої і жорстко зафіксований у цьому стані, нагрівається в електропечі до температури 420 °C за 1 годину, витримується при цій температурі 1 годину та охолоджується з темпом 0,013 °C/с. Кількість циклів термосилового циклування максимально деформованих циліндричних пружинних силових елементів та жорстко зафіксований у цьому стані складає не менше 100. UA 97924 U (54) СПОСІБ ВИГОТОВЛЕННЯ ЦИЛІНДРИЧНИХ ПРУЖИННИХ СИЛОВИХ ЕЛЕМЕНТІВ З ТИТАНОНІКЕЛЕВОГО СПЛАВУ ВСП-1 UA 97924 U UA 97924 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів виготовлення виробів зі сплавів з ефектом пам'яті форми (ЕПФ), зокрема до способів виготовлення циліндричних пружинних силових елементів з титано-нікелевого сплаву ВСП-1, і може бути використаний для створення термосилових приводів робочих органів термостатичної арматури теплових систем. Відомий спосіб виготовлення виробів зі сплавів на основі нікеліду титану (див. патент США № 4304613, М. кл. C22F1/10, 08.12.1981), відповідно до якого для підвищення параметрів ЕПФ структуру сплаву після загартування подрібнюють шляхом холодного деформування й відпалювання при проміжних температурах 500…600 °C, а для одержання заданого орієнтування структури проводиться термосилове циклування (ТСЦ). ТСЦ здійснюється шляхом охолодження виробу до температури нижче температури перетворення, прикладання навантаження, що забезпечує деформацію 5…8 %, нагрівання під навантаженням до температури вище температури перетворення, охолодження під навантаженням до температури нижче температури перетворення і багаторазове повторення всього циклу. Недоліком такого способу є обмежені технологічні можливості та експлуатаційні властивості, зокрема низька циклічна довговічність матеріалу виробу і ступінь оборотності деформації через недостатнє фазове і деформаційне наклепування, неможливість реалізації зворотного ефекту пам'яті форми через недостатнє текстурування мартенситної фази з кристалографічним напрямом у бік прикладеного навантаження, відсутність технологічних методів забезпечення бажаних характеристик матеріалів, які обробляються (наприклад, збільшення чи зменшення сили збудження і відновлюваної деформації, чи збільшення різниці сил при низькій і високій температурах). Прототипом корисної моделі є спосіб виготовлення виробів зі сплавів з ефектом пам'яті форми за патентом України на корисну модель № 59790А, МПК 7 C22F1/00, Бюл. № 4, 2003. Відповідно до цього способу виготовлення циліндричних пружинних силових елементів з титано-нікелевих сплавів з ефектом пам'яті форми включає навивання дроту з мінімальним індексом с=D0/d і кутом підіймання витка, загартування, відпалювання при проміжних температурах і термосилове циклування шляхом пригніченої деформації через температурні інтервали прямого і зворотного мартенситного перетворення. Основним недоліком прототипу є те, що спосіб, який пропонується, не враховує вплив хімічного складу матеріалу та геометричних параметрів термосилових елементів, на режими термічної і термомеханічної обробки при їх виготовленні. Тому з використанням цього способу практично неможливо виготовити циліндричні пружинні силові елементи з конкретного титанонікелевого сплаву, які розвивають необхідне зусилля з мінімальною інерційністю при відновленні пам'яті форми, мають зворотний ефект пам'яті форми при охолодженні до температури нижче температури прямого фазового перетворення та мають мінімальні габарити. Задачею корисної моделі є створення способу виготовлення циліндричних силових пружинних елементів з титано-нікелевого сплаву ВСП-1 з ефектом пам'яті форми, які розвивають максимальне зусилля при відновленні пам'яті форми, з мінімальною інерційністю, мають двосторонній оборотний ефект пам'яті форми та мають мінімальні габарити. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб виготовлення циліндричних пружинних силових елементів з титано-нікелевого сплаву ВСП-1 з ЕПФ включає навивання дроту діаметром d у вигляді спіралі з діаметром навивки 2d і кроком 4d на спеціальні пристрої і жорстке фіксування у цьому стані, нагрівання в електропечі до температури 420 °C за 1 годину, витримку при цій температурі протягом 1 години, охолодження з темпом 0,013 °C/с і термосилове циклування максимально деформованих пружинних силових елементів та жорстко зафіксованих у цьому стані з кількістю циклів не менше 100. Досягненню поставленої задачі сприяє також те, що циліндричні пружинні силові елементи для термостатичної арматури теплових систем доцільно виконувати з кількістю витків від 4 до 12. Аналіз літературних джерел показав, що нікелід титану є кращою основою для створення конструкційних сплавів з термомеханічною пам'яттю форми. Титано-нікелеві сплави мають високий рівень термомеханічних та механічних властивостей, мають високу хімічну стійкість. Сплави на основі нікеліду титану поряд з високими термомеханічними характеристиками мають великий запас пластичності. Це дозволяє шляхом раціонального легування підвищити термічну стабільність сплавів і цілеспрямовано змінювати їх властивості (в тому числі температури та температурні інтервали прямого і зворотного фазового перетворення). Титано-нікелевий сплав ВСІ І-1 має температурний інтервал при прямому фазовому перетворенні: початок Ми=60…80 °C; кінець Мк=30…50 °C. При зворотному фазовому перетворенні: початок Ап=80…90 °C; кінець Ак=85…115 °C. Такий температурний інтервал 1 UA 97924 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 цілком допустимий для термостатичної арматури теплових систем. Експериментальні дослідження впливу темпів нагріву і охолодження, термосилового циклування на формування деформаційно-силових характеристик циліндричних пружинних силових елементів з титано-3 нікелевого сплаву ВСП-1 з діаметром дроту 2·10 м дозволили розробити спосіб їх виготовлення. Оптимізація даних експериментів дозволяє рекомендувати наступні режими термообробки -3 зразків (дріт навитий у вигляді спіралі на спеціальний пристрій з діаметром 4·10 м та кроком -3 -3 навивки від 5·10 до 8·10 м) в печі: нагрів до температури 420 °C за 1 годину; витримка при цій температурі 1 годину. Оптимальним є темп охолодження зразків (охолодження з піччю) 0,013 °C/с. Збільшення темпу охолодження до 66,7 °C/с (охолодження в воді) призводить до збільшення зусилля, яке необхідне для наведення деформації в мартенситному стані, на 40 %. Максимальне корисне зусилля, яке розвивається пружинними елементами при реалізації ефекту пам'яті форми, знижується на 14 %. Термосилове циклування здійснюється шляхом максимально можливої деформації (до зіткнення витків) циліндричних пружинних силових елементів з ЕПФ, жорсткій фіксації в цьому стані та теплозмінах через температурний інтервал мартенситних перетворень. Кількість циклів ТСЦ залежить від хімічного складу сплаву з ЕПФ, з якого виготовляються циліндричні пружинні елементи, а на деформаційно-силові характеристики елементів істотно впливають їх геометричні характеристики (особливо крок навивки). Експериментально встановлено, що стабілізація деформаційно-силових характеристик -3 -3 пружинних елементів зі сплаву ВСП-1 (діаметр дроту d=2·10 м, кроки навивки від 5·10 до -3 8·10 м) наступає при 100 циклах. ТСЦ практично не впливає на величину максимальних корисних зусиль, які розвивають -3 елементи з кроками навивки (5…6)·10 м. -3 Для елементів з кроком навивки (7…8)·10 м ТСЦ дозволяє: - зменшити зусилля, яке необхідно для стиснення пружин в холодному стані (t=25 °C), на 60 %; - збільшити максимальне корисне зусилля на 10…20 %; - сформувати зворотний ефект пам'яті форми, при якому висота пружинного елемента довільно змінюється вбік попередньої деформації наведення при охолодженні. З точки зору генерації максимального корисного зусилля оптимальним є пружинний силовий -3 елемент з кроком навивки 8·10 м (4d), який пройшов не менше 100 циклів ТСЦ. Аналіз показав, що кількість витків пружинного силового елемента не впливає на максимальне корисне зусилля. Збільшення кількості витків впливає тільки на максимальне переміщення. Для термостатичної трубопровідної арматури теплових систем (конденсатовідвідники, регулятори температури, змішувачі) з точки зору забезпечення необхідного робочого ходу доцільно виготовляти пружинні силові елементи з кількістю витків від 4 до 12. Дослідження показали, що інерційність пружинних силових елементів дуже низька. Час відновлення пам'яті форми елементів при температурі t=100 °C (t>Ап) не перевищує 1 с. Крок навивки та кількість витків силових елементів не впливають на їх інерційність. Спосіб виготовлення циліндричних пружинних силових елементів з титано-нікелевого сплаву ВСП-1, що пропонується, в порівнянні з прототипом враховує вплив хімічного складу матеріалу та геометричних характеристик термосилових елементів на оптимальні режими термічної та термомеханічної обробки при їх виготовленні. Це дозволяє створити циліндричні пружинні силові елементи з оптимальним кроком, які розвивають максимальне зусилля при відновленні пам'яті форми з мінімальною інерційністю, мають зворотний ефект пам'яті форми при температурах нижче температури прямого фазового перетворення та мають мінімальні габарити. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Спосіб виготовлення циліндричних пружинних силових елементів з титано-нікелевих сплавів з ефектом пам'яті форми, що включає навивання дроту з мінімально можливим індексом с=D0/d і кутом підіймання витка, загартування, відпалювання при проміжних температурах і термосилове циклування шляхом пригніченої деформації через температурні інтервали прямого і зворотного мартенситного перетворення, який відрізняється тим, що дріт зі сплаву ВСП-1 діаметром d, навитий у вигляді спіралі з діаметром 2d і кроком навивки 4d на спеціальні пристрої і жорстко зафіксований у цьому стані, нагрівається в електропечі до температури 2 UA 97924 U 5 420 °C за 1 годину, витримується при цій температурі 1 годину та охолоджується з темпом 0,013 °C/с, а кількість циклів термосилового циклування максимально деформованих циліндричних пружинних силових елементів та жорстко зафіксований у цьому стані складає не менше 100. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що циліндричні пружинні силові елементи для термостатичної арматури теплових систем виготовляються з кількістю витків від 4 до 12. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3