Способ изготовления термочувствительных элементов из сплавов системы медь - алюминий

 

Изобретение относится к термической обработке металлов и может быть использовано при изготовлении термочувствительных элементов из монокристаллов сплава системы медь - алюминий для пусковых, защитных, релейных и измерительных устройств в электротехнике. Цель изобретения - повышение цветового контраста, работоспособности за счет сохранения рельефочувствительности и упрощение способа. Изобретенный способ включает закалку из/ -области, формирование в аустенитном состоянии поверхностным наклепом маркировочных знаков заданной формы и размеров на грани плотнейшей упаковки монокристалла (III), перевод сплава в мартенситное состояние с последующим нагревом в аустенитную область лазерным лучом в режиме оплавления. Предлагаемый способ обеспечивает работу элементов в течение нескольких тысяч термоциклов. сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

IsI>s С 22 F 1/08, 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4732413/02 (22) 2-2.08,89 (46) 30.05,92. Бюл. ¹ 20 (71) Институт металлофизики АН УССР (72) В.И.Бондарь, В.Е.Данильченко, Ю.Н,Коваль и il.Ì.Íåãàíîâ (53) 621.785.79(088.8) (56) Заявка Японии № 61 — 19747, кл. С 22 С 9/00, В 41 M 5/26, 1986.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1656891, кл, С 22 Г 1/08, 1989.

Авторское свидетельство СССР

¹ 606894, кл, С 22 F 1/00, 1977, (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ МЕДЬ-АЛЮМИНИЙ (57) Изобретение относится к термической обработке металлов и может быть использоИзобретение относится к термической обработке металлов и может быть использовано в научном приборостроении при изготовлении термочувствительных элементов для пусковых, защитных релейных и измерительных устройств, Известен способ изготовления термочувствительных элементов для передачи информации путем контроля изменения цвета поверхности сплава медь — алюминий, который появляется в результате нагрева поверхности лазерным лучом.

Недостатком известного способа является отсутствие возможности совмещения в одном элементе двух традиционных элементов — термочувствительного и обеспечивающего механическое перемещение эа счет восстановления формы (эффекта памяти формы). Это не позволяет эффективно

„„SU ÄÄ 1737014А1 вано при изготовлении термочувствительных элементов из монокристаллов сплава системы медь — алюминий для пусковых, защитных, релейных и измерительных уст. ройств в электротехнике, Цель изобретения— повышение цветового контраста, работоспособности за счет сохранения рельефочувствительности и упрощение способа, Изобретенный способ включает закалку изб-области, формирование в аустенитном состоянии поверхностным наклепом маркировочных знаков заданной формы и размеров на грани плотнейшей упаковки монокристалла (III), перевод сплава в мар тенситное состояние с последующим нагревом в аустенитную область лазерным лучом в режиме оплавления. Предлагаемый способ обеспечивает работу элементов в течение нескольких тысяч термоциклов.. микроминитюаризировать различные пусковые, защитные, измерительные устройства, Кроме того, способ не обеспечивает рельефочувствительного сигнала и является сложным для реализации вследствие применения тонкопленочных элементов, Известен также способ изготовления термочувствительных элементов из сплавов, обладающих эффектом памяти формы, заключающийся в том, что сплав закаливают из P -îáëàñòè, деформируют в области упругих напряжений, фиксируют. иэделия в деформированном состоянии и подвергают отпуску при 150 — 300 С в течение 5 — 180 мин.

Недостатком известного способа является отсутствие возможности безконтактной передачи температурочувствительного сигнала от элемента, снижающее его технико-экономические показатели и функцио1737014 нальные возможности, Элементы, изготовленные известным способом и изменяющие исходную форму при нагреве, не могут быть использованы в устройствах, где недопустимы механические перемещения. В ряде ус- 5 тройств звуковые сигналы, возникающие при восстановлении формы температурочувствительных элементов, создают неконтролируемые и нескомпенсированные помехи в электрических цепях. 10

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ изготовления термочувствительных элементов из сплавов системы медь — алюминий, включающий закалку иэ /3-области, 15 деформацию, формирование маркировочных знаков заданной формы и размеров в аустенитной области, перевод сплава в мартенситное состояние с последующим нагревом в аустенитную область лазерным лучом 20 в режиме оплавления.

Однако известный способ сло>кен в реализации, так как требует применения специальной машины растяжения и охла>кдения заготовки в эаневоленном состоянии 25 до температуры ниже точки конца мартенситного превращения, а также дополнительной операции очистки поверхности при низких температурах. Кроме того, для повышения стабильности элементов, изготов- ЗО ленных по известному способу, возникает необходимость в термоциклировании в области упругих напряжений, что дополнительно усло>княет способ. Известный способ не обеспечивает высокого цветового 35 контрас а на поверхности элементов.

Цель изобретения — noBblLuOHMB цветового контраста, работоспособности за счет сохранения рельефочувствительности и упрощения способа. Положительный эффект 40 от использования изобретения достигается за счет простоты его осуществления и обеспечения более высокой работоспособности элементов и устойчивого цветового сигнала.

Поставленная цель достигаетс тем, что согласно способу изготовления термочувствительных элементов из сплавов системы медь — алюминий, включающему закалку из/3-области, деформацию. форми- 50 рование маркировочных знаков заданной формы и размеров в аустенитной области, перевод сплава в мартенситное состояние с последующим нагревом в аустенитную область лазерным лучом в режиме оплавле- 55 ния, маркировочные знаки формируют сразу после закалки из/>-области поверхностным наклепом на грани плотнейшей упаковки(III)монокристалла сплава.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Элементы выполняют иэ закаленного сплава на основе системы медь — алюминий, например, Cu-Al-Ni или Cu-Al-Mn. Сплав гомогенизируют при 900-1000 С. Закалку сплава производят из области температур стабильной бета-фазы, например, 900 С.

При комнатной температуре после закалки такой сплав находится в однофазном состоянии и имеет ГЦК решетку. Проводят поверхностный наклеп части различных граней монокристалла, например, обкаткой роликом. Наклепанные участки играют роль маркировочных знаков. С этой целью они могут выполняться в виде цифр, букв, различных знаков и других символов, удобных для считывания информации. При поверхностном наклепе не превышают предел прочности, близкой к пределу упругости. Это требование связано с высокой хрупкостью сплава и невозможностью его пластической деформации растяжением, кручением, изгибом, Поскольку деформация наклепа производится только части одной грани монокристалла и. кроме то о, поверхностно, îíà не может существенным образом изменить механические и другие характеристики всего элемента, Сплав охлаждают ниже температуры начала мартенситного превращения, например, до температуры жидкого азота, При этой температуре наклепанные участки облучают лазерным лучом, Облучение сплава, охлажденного до низких температур, необходимо для достижения высокой скорости авTîзакалки нагретых лазерныM лучом уча стков монокристалла.

Воэможность формирования температурочувствиTåëьного сигнала основана на явлении изменения селективности отражения видимого света сплавов системы медь— алюминий при мартенситном переходе. В

/3 -состоянии поверхность сплава отражает видимый свет преимущественного в желтой области спектра, а в мартенситном состоянии — s красной области. Разница цвета поверхности сплава в указанных состояниях оказывается достаточной для фиксирования их по видимому спектру, например, с помощью спектрометра или визуально.

Один температурочувствительный элемент может формировать сигнал о достижении температур начала M„M„прямого мартенситного превращения (при охлаждении) и начала А и конца А, обратного мартенситного превращения (при последующем нагреве). Например, для сплава

82,4 Cu — 13, 4 А! — 4,2 NI указанные температурные точки мартенситных пере1737014

55 ходов равны Мя = 160 С, Ан = 175ОС, Ак = -110 С.

При лазерном облучении происходит нагрев поверхности сплава в область существования стабильной Р -фазы с последующей автоэакалкой нагоетого слоя скоростью охлаждения — 10 -10 град/с.

Высокая скорость охлаждения вызывает внутренние (закалочные) напряжения в поверхностном слое сплава, уровень которых определяет понижение температуры Мн.

Изменение электросопротивления монокристаллических образцов сплава Cu-Al-Ni показало. что Мн прямого мартенситного перехода в облучен ном образце понизилась на 8 С, а A!1 — на 6 С. Вследствие этого в поверхностных слоях облученных участков мартенситный переход начинался при более низкой температуре и они имели исходный желтый цвет, в то время как остальные необлученные участки, претерпевшие мартенситное превращение, изменили цвет на красный. По возникновени1о цветового контраста можно зафиксировать температуру Мн. При дальнейшем охлаждении облученные участки претерпевали мартенситное превращение и по исчезновению цветового контраста можно было фиксировать температуру Мк. Последующий нагрев мартенситных образцов приводил к возникновению контраста при начале обратного мартенситного превращения, а затем исчезновению его при завершении обратного превращения. Это позволяло фиксировать температуры А„и Ак.

Многократные охлаждения и нагревы образцов с участками, облученными лазерным лучом, показали, что температуры начала и конца прямых и обратных мартенситных переходов в дальнейшем(по сравнению с первым циклом мартеHGMTHblx переходов) практически не изменялись, Кривые изменения электросопротивления таких образцов после первого и сотого циклов охлаждения и нагрева практически совпали, а цветовой контраст не изменился.

Указанная закономерность связана с термоупругим характером мартенситных переходов, когда кооперативные сдвиги в кристаллических решетках происходили в одних и тех же кристаллографических системах при прямых и обратных переходах и не вносили изменений в структурное состо. яние высокотемпературной бета-фазы. способных изменить ее свободную энергию, а значит Мн и Ак. Это показывает, что ресурс работы температурочувствительного элемента, изготовленного предлагаемым способом, практически не ограничен.

Были проведены эксперименты по определению режимов лазерной обработки монокристаллических образцов, обеспечивающих максимальный цветовой контраст при мартенситных переходах. Экспериментально установлено, что контраст уси-. ливался при поверхностном наклепе монокристалла. Были наклепы и облучены лазерным пучком различные кристаллографические грани монокристалла сплава CuAl-Nl. Исследовали грани (111), (100), (110), а также грани с большим миллеровскими индексами (произвольная вырезка).

Максимальный цветовой контраст наблюдали при облучении грани (tlat) монокристалла, являющейся плоскостью плотнейшей упаковки в ГЦК структуре. Он усиливался при облучении той же грани монокристалла при охлаждении его ниже М,1 путем помещения в пары жидкого азота.

Усиление контраста пîзвол>1pò повысить точность измерения температурочувствительного сигнала и более надежную его безконтактную передачу.

Облучение импульсным лазерным лучом в среде аргона проводили на установке

"Квант — 18М" при частоте 0,3-0,8 Гц с энергией луча от 2 до 82 Дж. Предварительно поверхность монокристалла сплавз с

82,4 / Cu — 13,4 / Al — 4.2-Ni протрав,1ивали для удаления окислов. Эффект возникновения различного селективного отражения облученных и исходных участков сплава наблюдали начиная с энергии лу«а 8 Дж.

При этом сплав в результате облучения нагревался до 900-1000 С. т.е. область/3-фазы. Микроструктурные исследования показали, что зона теплового действия была равна 0,12 мм. Облучение при более низких энергиях луча не приводило к возникновению цветового контраста при охлаждении сплава в интервале мартенситного перехода. Цветовой контраст мало изменялся при повышении энергии луча. Гомогенизация сплава в / -области перед облучением лазерным лучом (3-10 ч) обеспечивала устойчивый цветовой контраст и равномерный однородный цвет как исходных, так и облученных участков граней Mонокристалла, По сравнению с известным использование температурочувствительных элементов, изготовленных предложенным способом. обеспечивает безконтактную передачу температурочувствительного сигнала. повышает надежность пусковых. релейных и измерительных устройств. Отсутствие механических перемещений при эксплуатации элементов упрощает их использование и позволяет повысить степень минитюаризации

1737014

Составитель В.Данильченко

Редактор M,Íåäîëóæåíêî Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Л,Палий

Заказ 1870 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 приборов. Один элемент может формировать сигнал о четырех температурных точках, что приводит к расширению функциональных возможностей элементов и устройств в целом. При соответствующем выборе химического состава сплава Cu-Ai можно изготовить элементы, чувствительные к различным температурам в интерва.ле от отрицательных температур до комнатной. Использование маркировочных знаков позволяет обеспечить цифровую индикацию и дистанционное управление устройствами, содержащими температурочувствительные элементы, Формула изобретения

Способ изготовления термочувствительных элементов из сплавов системы медь — алюминий, преимущественно из монокристаллов, включающий закалку из / области, деформацию, формирование маркировочных знаков заданной формы и

5 размеров в аустенитной области. перевод сплава в мартенситное состояние с последующим нагревом в аустенитную область лазерным лучом в режиме оплавления, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения

10 цветового контраста, работоспособности за счет сохранения рельефочувствительности и упрощения способа, маркировочные знаки формируют сразу после закалки из/3-области поверхностным наклепом на грани

15 плотнейшей упаковки (ill) монокристалла сплава.