Сплав на основі міді з ефектом пам’яті форми

Сплав на основі міді з ефектом пам’яті форми, що містить алюміній, марганець, який відрізняється тим, що додатково містить кобальт при наступному співвідношенні компонентів, % ваг.: алюміній 13,2-16,5 кобальт 4,1-8,5 марганець 4,2-8,0 мідь решта. Корисна модель відноситься до металургії, а саме, до прецизійних сплавів на основі міді з ефектом пам'яті форми для виготовлення на їх основі термочутливих з'єднувальних елементів, наприклад, термочутливих заклепок для механічного з'єднування деталей конструкцій, і може бути широко застосована у машинобудуванні та приладобудуванні у якості матеріалу для виготовлення термочутливих муфт для з'єднування трубопроводів, до яких пред'являють вимоги щодо високої механічної щільності затиснення та хімічної стійкості. Відомо сплав на основі міді з ефектом пам'яті форми [Авт. свід. SU №1735416 А1, МПК4 С22С9/01, 23.05.92. Бюл.№19], що містить алюміній, кобальт, титан, цирконій, гафній, бор, мідь при наступному співвідношенні компонентів, % ваг.: алюміній 9,0-11,0 кобальт 0,5-6,0 титан 0,5-6,0 цирконій 0,3-0,8 гафній 0,2-0,6 бор 0,015-0,1 мідь решта Основним недоліком сплаву є низькі механічні властивості, а саме: висока границя фазової теку чості ( трішніх чості ф при прямому мартенситному перетво ренні (ПМП) в межах ф =45 50МРа, що зумовф лює зниження фазової пластичності ( пмп ) при ПМП до максимальної величини пластичної деформації ( ф пмп )max=1,5%. Під границею фазової теку ф ) слід розуміти граничну сукупність внумікроскопічних реактивних напруг R Mn Mk початкова границя реактивних напруг ревищує 100 Rn Ak не пе 110МРа. Процес релаксації діючих R An Ak внутрішніх мікроскопічних напруг ( micro ) та поява залишкової деформації ( ) в умовах постійної дії зовнішнього навантаження веде до зниження початкової границі реактивних напруг сплаву до рівня R Ak =80 реактивних напруг ( сукупність ( R An Ak micro R Ak внутрішніх 90МРа. Під границею ) слід розуміти граничну мікроскопічних напруг ) в сплаві з пам’яттю, що генеруються при нагріванні його в інтервал температур ЗМП у зневоленому стані при примусовому обмеженні відновлювальної деформації геометричної форми ( An Ak ). Механічна нестабільність сплаву, а саме, виникнення залишкової деформації ( ) є результатом релаксації пружних напруг в процесі утво (11) ходження зворотного (Ап Ак) мартенситного перетворення (ЗМП). При температурі кінця (Ак) ЗМП 14165 ), що ініціюються під час про UA Rn Ak (19) тивних напруг ( (13) ф ( пмп )max при охолодженні в інтервалі температур прямого мартенситного перетворення (Мп Мк). Сплав також має низьку початкову границю реак U ( micro ) сплаву з пам’яттю, що протидіють його максимальній пластичній деформації 3 14165 4 рення у сплаві ряду перехідних фаз під час генемартенситного перетворення при температурі кінрації внутрішніх реактивних напруг, що мають інші ця Ак ЗМП, в умовах постійної дії зовнішнього накристалічні грати чим вихідний кристал. Максимавантаження і температури (200°С) протягом ф 200 C =0,5 1,0 годин, знижується до границі реальна фазова пластичність сплаву ( )max в пмп основному залежить від вмісту в сплаві певних хімічних складових та температури деформації по відношенню до температури рівноваги фаз. Із збільшенням у сплаві легуючих елементів зростає механічний опір пластичної течії матеріалу при прямому мартенситному перетворенні, оскільки дрібнозерниста структура, що утворюється після легування, сприяє підвищенню загальної міцності сплаву. Окрім цього, із зростанням температури ЗМП вище Ак у сплаві під впливом зовнішнього навантаженням відбувається зростання розміру зерен, що веде до перерозподілу реактивних мікроскопічних напруг ( R An Ak micro ), розтріскуванню і руйнуванню сплаву у зневоленому стані під час спроб відновлення початкової форми. Причому найбільш крупні зерна у сплаві утворюються після відносно незначної попередньої деформації на 0,5 0,7%. Ця деформація є критична для вказаного сплаву щодо набуття сплавом стабільної зміни внутрішніх реактивних напруг ( R Ak .) при його термоциклуванні через інтервали температур МП. Низькі механічні властивості сплаву суттєво погіршують якість виробленої із сплаву механічної заклепки, який за відносно короткий час =1,2 3,0год. в зневоленому стані при тем200 C пературі 200°С знижує на 20 ницю реактивних напруг ( Rn Ak 25% початкову гра) при радіальному затисненні з'єднуваних деталей, а також знижує надійність довгострокового збереження щільності деталей. Через низькі термомеханічні властивості заклепки мають недостатню надійність роботи, що обумовлено розвитком у вказаному сплаві релаксаційних процесів при технологічному циклуванні через інтервали прямого (Мп Мк) та зворотного (Ап Ак) мартенситних перетворень у процесі виготовлення заклепок. Відомо сплав на основі міді з ефектом пам'яті форми [Авт. свід. SU №1624039 А1, МПК5 С22С9/01, 30.01.91. Бюл.№4], що містить, алюміній, марганець, кобальт, бор у наступному співвідношенні хімічних елементів (% ваг.): алюміній 12,0-13,0 марганець 2,5-4,0 кобальт 0,7-1,0 бор 0,03-0,2 мідь решта Основним недоліком цього сплаву є те, що він має відносно низькі механічні властивості, а саме: ф високу фазову границю текучості при ПМП ( )в межах 35 40МРа, що знижує фазову пластичф ність ( пмп ) при ПМП до максимально можливої величини фазової пластичної деформації ( ф пмп )max=2,5 3,0%. Окрім цього, низька початко ва границя реактивної напруги Rn Ak =120 130МРа, що генерується під час проходження зворотного ктивної напруги R Ak =100 110МРа. Це зумовлено релаксацією внутрішніх напруг та появою залишкової деформації ( ) в умовах постійної дії зовнішнього навантаження і температури. Виконані із вказаного сплаву термочутливі заклепки, а також з'єднувальні муфти мають низьку надійність з'єднання деталей. Окрім цього, пластична деформація сплаву в процесі виготовлення заклепок приводить до деформаційного зміцнення ділянок деформації, що викликає зростання опору пластичній деформації ( ф пмп ), У зв'язку із зростанням ф границі фазової текучості ( ). В результаті загальний ступінь пластичної деформації знижується при ПМП на 1,5 2,0%, а залишкова деформація ( ) після нагрівання вище температури Ак підвищується на 0,5 1,0%. З підвищенням рівня внутрішніх реактивних мікроскопічних напруг до R An Ak ( micro )max, при нагріванні вище температури Ак у сплаві утворюється нерівномірна крупнозерниста структура, що зумовлює підвищення крихкості сплаву. В результаті нестабільності механічних властивостей сплаву знижується надійність радіального розширення рухомих частин заклепки, а також герметичність стиснення з'єднуваних деталей з утворенням зазорів між ними. Найбільш близьким за сутністю до заявленої корисної моделі є сплав Гейслера з ефектом пам'яті на основі міді [Heusler F., Verhanl. deut, phys. Ges., 5, 219, 1903; Heusler F., Zs. angew. Chem., 17, 260, 1904], що містить, марганець, алюміній, мідь у наступному співвідношенні хімічних елементів, % ваг.: марганець 6,0-18,7 алюміній 6,0-15,0 мідь решта. Основним недоліком сплаву-прототипу є те, що він має відносно низькі механічні властивості, а саме: відносно високу границю фазової текучості ф при ПМП =30 35МРа, що викликає зниження фазової пластичності при ПМП до ф пмп =4,5 5,0%. Низька початкова границя реак Rn =140 150МРа, що генеруютьAk ся під час проходження зворотного (Ап Ак) мартенситного перетворення при температурі кінця (Ак) ЗМП та їх низька стабільність відтворення R =130 135МРа після 200 C =0,5 годин ви200 тримки сплаву в зневоленому стані при температурі 200°С, після попередньої пластичної дефорф мації на пмп =4,5 5,0%, є наслідком утворення проміжних фаз після введення у розплав надлишкової маси Мn, що чинить опір відновленню початкової форми при ЗМП. Механічні з'єднувальні заклепки та термочутливі муфти, виконані із тивних напруг 5 14165 6 вказаного сплаву, мають низьку надійність защемф ниці фазової текучості ( ) при прямому мартенлення деталей. Це обумовлено розвитком у сплаві ситному перетворенні (Мп Мк) та одночасне підрелаксаційних процесів під час технологічного ф циклування заготовки через інтервали прямого вищення фазової пластичності ( пмп ) при прямо(Мп Мк) та зворотного (Ап Ак) мартенситних пему мартенситному перетворенні. Концентрація у ретворень. Утворення залишкової деформації сплаві кобальту менш ніж 4,1(% ваг.) не забезпе( ) в матеріалі заклепки, а також нестабільна ф деформація є результатом утворення у сплаві чує зниження границі фазової текучості ( ) при ряду перехідних фаз під час генерації внутрішніх ф прямому мартенситному перетворенні - ( ) та R An Ak реактивних мікроскопічних напруг ( ), в не забезпечує відповідного підвищення фазової micro результаті якої сплав періодично знижує свої меф пластичності ( пмп ) при прямому (Мп Мк) марханічні властивості при проходженні через інтертенситному перетворенні. Концентрація у сплаві вали температур новоутворених перехідних фаз кобальту більше ніж 8,5(% ваг.) приводить до підМП, що мають інші кристалічні грати чим вихідний вищення крихкості сплаву в інтервалі температур кристал. При цьому, фазова пластичність сплаву R An Ak ф ( пмп ) знаходиться у сильній залежності від темАп Ак ( ) і зниження стабільності відmicro ператури деформації і рівня внутрішніх реактивних творення реактивних напруг ( R ), щоініціюютьR An Ak Ak мікроскопічних напруг ( ) по відношенся під час проходження зворотного (Ап Ак) марmicro тенситного перетворення. ню до температури рівноваги фаз. При нагріванні Концентрація у сплаві Аl в межах 13,2 16,5(% сплаву вище температури Ак, в умовах дії максиваг.) в поєднанні з Co підвищує інтервал темпераR ) , яка генерумальної реактивної напруги ( тур існування -фази, забезпечує оптимальну Ak max пластичність сплаву і, при цьому, протидіє релакється під впливом зовнішнього навантаження, має сації пружних напруг при нагріванні сплаву у знемісце зростання розміру зерен, що веде до переволеному стані вище температури кінця (Ак) зворозподілу реактивних мікроскопічних напруг і руйротного мартенситного перетворення. нуванню сплаву під час виготовлення термочутлиКонцентрація у сплаві Аl менше ніж 13,2(% ваг.) не вих елементів. надає сплаву оптимального підвищення пластичТехнічною задачею корисної моделі є підвиності між початком і кінцем прямого мартенситного щення механічних властивостей сплаву, а саме: перетворення, підвищує опір деформації сплаву, а забезпечення низької границі фазової текучості більше ніж -16,5(% ваг.) зумовлює підвищення ф при прямому мартенситному перетворенні - ( ), крихкості та зниження стабільності відновлення підвищення фазової пластичності при прямому реактивних напруг ( R )max та появу руйнівних ф Ak мартенситному перетворенні ( пмп ), підвищення напруг після нагрівання сплаву у зневоленому стані вище температури Ак. границі та стабільності реактивних напруг ( R ), Ak Порівняльний аналіз хімічних складових защо генеруються під час ( ) проходження зворотпропонованого сплаву з відомим сплавомного (Ап Ак) мартенситного перетворення, шляпрототипом показав, що запропонований склад хом введення у сплав визначеного співвідношення сплаву і співвідношення хімічних елементів в ньоскладових хімічних елементів, що поряд із алюміму відрізняються від відомого тим, що у сплав нієм (Аl) та марганцем (Мn) дозволить сформувати введено хімічний компонент Co, причому введений специфічну структуру сплаву, яка зможе протидіяу сплав відомий хімічний компонент АІ має інші ти процесам релаксації реактивних мікроскопічних межі, що відсутні у сплаві-прототипі. Це дозволило отримати позитивний ефект при створенні запроR An Ak напруг ( ) та підвищити фазову пласпонованого сплаву, підтримуючого одночасно дві micro основні функції, а саме, функцію накопичувача ф тичність сплаву ( пмп ) і, при цьому, забезпечить максимальної пластичної деформації при прямому мартенситному перетворенні та функцію генерависоку надійність роботи сплаву у якості механічтора максимальних реактивних напруг при темпеного з'єднувального елемента. ратурах зворотного мартенситного перетворення, Поставлена технічна задача вирішується за що стабільно перетворює відносно значну пластирахунок того, що сплав на основі міді з ефектом чну деформацію в стабільні за величиною реактипам'яті форми, що містить алюміній, марганець вні зусилля. Причому позитивний ефект також пододатково введено кобальт при наступному співлягає у суттєвому поліпшенні механічних відношенні хімічних компонентів, % ваг.: властивостей сплаву, а саме, у збільшенні в 2 2,5 алюміній 13,2-16,5 рази силових характеристик та відсутності залишкобальт 4,1-8,5 кової деформації при довгостроковому викорисмарганець 4,2-8,0 танні сплаву в механічних з'єднувальних елеменмідь решта. тах. При цьому, одержаний позитивний результат Концентрація у сплаві кобальту (Со) в межах нового сплаву підкріплено широкими можливостя4,1 8,5(% ваг.) забезпечує сплаву зниження грами його використання у якості матеріалу для ме 7 14165 8 ханічного з'єднання. Із цього можна зробити виф а мінімальна: - пмп =6,0% (сплав №19, табл.1). сновок, що заявлене науково-технічне рішення: Максимальна границя реактивної напруги кінця "Сплав мідь-алюміній-кобальт-марганець з пам'яттю форми" відповідає критеріям "суттєві відміннозворотного (Ак) МП становить: - R =230МРа Ak сті" та "новизна". Для експериментальної оцінки властивостей (сплав №9, табл.1), а мінімальна - R =160МРа Ak запропонованого сплаву було підготовлено 26 (сплав №19, табл.1). Після витримки сплавів в суміші інгредієнтів, 18 із яких відтворили оптимальні результати (таблиця 1, сплави: №2...19). При R =240 деформованому (зневоленому) стані Ak виготовленні сплавів у якості присадок застосовугодин при 200°С максимальна границя реактивної вали два лігатурні з'єднання хімічно чистих металів: АІ-Со та Cu-Mn, що дозволило при проведенні Rn = R =230МРа напруги не змінюється: 200 Ak плавок знизити вміст окисних включень і усунути (сплав №9, табл.1), а також не змінюється і мініліквацію після зливу розплаву. Кожну плавку проводили в індукційній печі в атмосфері хімічно чисмальне її значення: Rn = R =160МРа (сплав 200 Ak того аргону. Після виплавки в мікроструктурі сплавів не виявлено газової пористості, оскільки при №19, табл.1). Відхилення від визначеного хімічновисоких температурах була підсилена дегазуюча го складу сплаву (сплави №1, 20 - табл.1) приводія модифікаторів. Кожен із отриманих зразків дить до руйнівних процесів. Таким чином, тільки в сплавів, після попередньої термомеханічної оброзаявлених межах запропонований сплав має висобки, піддавали резистометричним та дилатометкі механічні властивості. ричним дослідженням з метою визначення критичПорівняльний аналіз термомеханічних властиних температур мартенситних перетворень (Мп, востей запропонованого сплаву і сплаву прототипу Мк, Ап, Ак). При фазових перетвореннях, в умовах свідчить (сплави №2 19 та сплави-прототипи течії процесів упорядкування і розупорядкування, №21 24, таблиця 1), що завдяки введенню у хід залежності електричного опору від температусплав Co в межах від 4,1 до 8,5(% ваг.) та АI в мери суттєво відхиляється від звичайного, що дозвожах від 13,2 до 16,5(% ваг.) при відповідному вмісляє надійно установити зміну фазових процесів і ті Мn в межах від 4,2 до 8,0(% ваг.) усуваються температурні інтервали їх течії. Методом трьох основні недоліки сплаву-прототипу (сплави точкового згину визначали ступінь відновлення №21 24, таблиця 1), а саме, суттєво поліпшуютьгеометричної форми після попередньої деформася механічні властивості запропонованого сплаву з ції зразків нижче температури початку прямого пам'яттю, а саме: мартенситного перетворення (Мп) і наступного - знижується в 2 2,5 раз границя фазової тенагрівання вище температури початку зворотного кучості при прямому мартенситному перетворенні мартенситного перетворення (Ап). Із одержаних ф (ПМП) =11,2МРа; відливок методом високотемпературної екструзії з наступним волочінням отримували дослідні зразки - підвищується в 2 2,5 рази фазова пластичу вигляді дроту o 0,35 1000,0мм. Дослідні зразки ф ність при ПМП - пмп =8,5%; сплавів, виконані у вигляді дроту, піддавали меха- підвищується в 2 рази границя реактивних нічним дослідженням шляхом розтягу дроту при температурах Мп Мк з одночасним контролем напруг ( R ), що генерується під час проходженAk реактивних напруг при відновленні довжини дроту ня зворотного (Ап Ак) мартенситного перетворенпри нагріванні в інтервал температур Ап Ак. Виня (ЗМП) і при температурі кінця (Ак) ЗМП; готовлення експериментальних зразків термочут- відтворюється на 100% величина реактивних ливих заклепок із одержаних сплавів проводили на лабораторному обладнанні Інституту металофізинапруг ( R ) після технологічних витримках сплаAk ки ім. Г.В.Курдюмова НАН України. Аналіз результатів свідчить, що у запропонову у зневоленому стані, а саме: після R =240 Ak ваному сплаві оптимальний позитивний ефект годин витримки при 200°С максимальна реактивна досягається у заявлених межах (таблиця 1, сплави напруга стабільна і при температурі кінця зворот№2...19), а саме: при вмісті у сплаві Co в межах від ного мартенситного перетворення Ак становить: 4,1 до 8,5(% ваг.) та А1 в межах від 13,2 до 16,5(% ваг.) при відповідному вмісті Мn в межах від 4,2 до Rn = R =230МРа; 200 Ak 8,0(% ваг.) критичні точки мартенситного перетво- усувається вплив релаксації на діючі внутрірення змінюються, відповідно, в межах від: шні напруги без утворення залишкової деформації Мп=95°С; Мк=67°С; Ап=97°С; Ак=133°С (сплав №2, табл.1) до Мп=35°С; Мк=12°С; Ап=55°С; ( ) в умовах зростаючого навантаження після Ак=86°С (сплав №19, табл.1). Мінімальна границя витримки 200 C =240год. сплаву, а саме, початкофазової текучості при прямому мартенситному ва реактивна напруга не змінюється: ф перетворенні складає: =11,2МРа (сплав №9, Rn = R =230МРа. 200 Ak ф табл.1), а максимальна: =20,4МРа (сплав Таким чином, завдяки підвищенню термомеханічних властивостей сплаву виготовлені з нього №19, табл.1). Максимальна фазова пластичність термочутливі з'єднувальні елементи, мають високу ф ПМП становить: - пмп =8,5% (сплав №9, табл.1), надійність роботи, що зумовлено, по-перше, відсу 9 14165 10 тністю у запропонованому сплаві релаксаційних R An Ak роскопічних напруг ( ) і запобігає руйпроцесів, які не виникають при технологічному micro зневолені елементів в інтервалі зворотного нування сплаву у процесі виготовлення з'єднува(Ап Ак) мартенситного перетворення. По-друге, льних термочутливих елементів. усувається залишкова деформація сплаву і, поЗапропонований прецизійний сплав Cu-Al-Coтретє, забезпечується стабільна деформація, що є Mn з пам'яттю форми може бути широко застосорезультатом введення до сплаву Со (кобальту), АI ваний у приладобудуванні. Широке використання (алюмінію) та Мn (марганцю) у визначеному співзапропонованого сплаву приведе до суттєвої ековідношенні, в результаті чого сплав стабільно відномії коштів за рахунок здешевлення конструкцій, творює свої термомеханічні властивості при проспрощення технологій виготовлення термочутлиходженні через інтервали температур МП. При вих вузлів в умовах забезпечення високої надійноф сті роботи сплаву. цьому фазова пластичність сплаву пмп ) не знаПромислове виробництво зазначеного прециходиться у сильній залежності від температури зійного сплаву може бути здійснено на металурдеформації по відношенню до температури рівногійних заводах, що спеціалізуються на випуску ваги фаз. При нагріванні сплаву вище температупрецизійних кольорових металів. Для цього необри Ак, в умовах максимальної дії реактивних нахідно застосувати стандартне технологічне обладнання із незначними змінами в технологічному пруг ( R )max, що генеруються під тиском Ak ланцюгу промислового виробництва. зовнішнього навантаження, відсутній процес росту зерен, що протидіє перерозподілу реактивних мікТаблиця 1 № спл. Хімічні елементи сплаву (%ваг.): Al Co Mn Сu 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 13,0 13,2 13,4 13,6 13,8 14,0 14,2 14,4 14,6 14,8 15,0 15,2 15,4 15,6 15,8 16,0 16/2 16,4 16,5 16,8 4,0 4,1 4,3 4,5 4,7 5,0 5,3 5,5 5,8 6,0 6,2 6,5 6,8 7,2 7,5 7,8 8,1 8,3 8,5 8,7 8,2 8,0 7,8 7,5 7,3 7,0 6,8 6,5 6,2 6,0 5,8 5,6 5,4 5,2 5,0 4,8 4,6 4,4 4,2 4,0 решта решта решта решта решта решта решта решта решта решта решта решта решта решта решта решта решта решта решта решта Початкова Граграниця ниця ФареакКритичні темпефазової зова тивної ратури теку- пластич- напруги мартенситного печості ність кінця ретворення – прямого прямого (Ак) звоМП (°С): МП МП (%): рот(МРа): ного МП (МРа): Rn ф ф Мп Мк Aп Ак пмп Ak 6 7 8 9 10 11 12 6 7 8 9 10 11 12 Запропонований сплав 95 67 97 133 22,6 6,5 90 65 95 130 16,5 6,7 180 88 62 93 128 15,4 6,9 187 85 58 90 125 15,2 7,3 192 82 55 88 122 14,8 7,5 200 78 52 86 120 14,5 7,8 208 75 50 84 118 13,6 8,0 215 72 47 82 115 12,3 8,3 220 68 45 78 112 11,2 8,5 230 65 42 76 110 12,4 8,2 218 62 38 73 108 13,6 8,0 216 57 35 70 105 14,5 7,7 210 55 32 68 103 15,4 7,5 205 52 28 65 100 15,7 7,3 190 48 25 64 98 16,5 7,0 185 45 22 62 95 17,4 6,5 180 42 18 60 92 18,8 6,4 177 38 15 57 98 19,7 6,3 170 35 12 55 86 20,4 6,0 160 30 10 53 84 25,7 5,7 Границя Час реактив. витнапруги римки (Ак) реактив. Результат після напруги механічних витпри римки властивостей 200°С, виготовлених при (годин): сплавів 200°С (МРа): R Ak 13 13 R 200 14 14 0,5 240 240 240 240 240 240 240 240 240 240 240 240 240 240 240 240 240 240 0,5 180 187 192 200 208 215 220 230 218 216 210 205 190 185 180 177 170 160 15 Руйнування Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Оптимальний Руйнування 11 1 2 3 4 21(1) 22(2) 23(3) 24(4) 11,2 10,8 10,6 10,2 6,0 7,0 8,0 9,0 14165 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Сплав-прототип (сплави Гейслера в дужках... № 1,2,3,4) решта 72 46 83 103 30 5,0 140 0,5 решта 77 42 88 122 35 4,9 145 0,5 решта 86 37 97 138 32 4,8 0,5 решта 97 34 112 155 30 4,5 0,5 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Підписне 12 Продовження таблиці 1 14 15 130 135 Незадовільно Незадовільно Руйнування Руйнування Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601