Способ изготовления пружины из сплава с эффектом памяти формы и пружина, изготовленная данным способом

Изобретение относится к способам изготовления упругих элементов из сплавов на основе никелида титана, обладающих эффектом памяти формы, и может быть использовано для изготовления термочувствительных элементов в различных отраслях техники, например термоэлемента для сигнально-пусковых устройств противопожарных установок. Способ изготовления пружины из сплава с эффектом памяти формы включает формообразование заготовки из никелида титана, нагретой предварительно до температуры выше температуры рекристаллизации никелида титана. Способ позволяет использовать проволоку с различным содержанием Ti и Ni в соответствии с требуемой температурой формовосстановления пружин от 30 до 110°С. Нагрев проволоки осуществляют до температуры 500-600°С, предпочтительно до температуры 530-570°С, прямым пропусканием электрического тока через проволоку. Также осуществляют последующую термическую обработку в виде отжига и/или закалки на воздухе, и/или закалки в воде, и/или старения. Изготовленная данным способом пружина, используемая в качестве термоэлемента для сигнально-пусковых устройств, обладает максимально возможными силовыми свойствами. 2 н. и 8 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам изготовления упругих элементов из сплавов на основе никелида титана, обладающих эффектом памяти формы, и может быть использовано для изготовления термочувствительных элементов в различных отраслях техники, например термоэлемента для сигнально-пусковых устройств противопожарных установок.

Известен способ изготовления упругого элемента, описанный в патенте на автономный тепловой пускатель [RU 2098157 C1, 1986], в котором заготовка из материала, обладающего эффектом памяти формы, например из никелида титана, изготавливается по форме, названой "формой при срабатывании", затем производится деформация заготовки протяжкой через калибровочное отверстие для придания "дежурной" формы, при нагреве до температуры срабатывания, например 72°C, происходит восстановление по форме заготовки с усилиями около 80% от усилий текучести. Число циклов подобного формоизменения практически не ограничено, что дает возможность 100% гарантии работоспособности предохранителя.

Недостатком таких термоэлементов является низкая механическая прочность, возможность ложных срабатываний устройств при случайном воздействии. Термоэлемент изготавливается из массивного прутка или пластины методом электроэрозионной резки, что приводит к большому количеству отходов производства, значительным материальным и энергетическим затратам.

Известен способ изготовления пружины из сплава с эффектом памяти формы, описанный в патенте [JP 61106740, 1986], в котором получают Ti-Ni сплав, способный к произвольному изменению его формы при нагревании и охлаждении. Ti-Ni сплав, в котором Ni в избытке и TiNi и TiNi₃ фазы в твердом растворе, нагревают, закаливают и старят при определенных условиях. Последовательность операций: Ti-Ni сплав, содержащий Ni в избытке и TiNi и TiNi₃ фазы в твердом растворе, преобразовывали в проволоку, и эту проволоку формировали в плотно сжатую пружину. Эту пружину нагревали в пределах 550-1100°C и закаливали с ограничителем перемещения. После того как ограничение удалено, растянутую пружину старили при ≤550°C в ограниченном состоянии. Ограничение удаляли. Пружина приобретает нужное состояние. Таким образом, сплав приобретает способность изменять форму при нагреве и охлаждении.

В этом способе изготовления пружина с плотно сжатыми витками подвергается многоступенчатой термообработке с применением специальной оснастки для ограничения перемещения. Изготовление пружин при такой технологии поштучное, требует значительных затрат времени на нагрев и охлаждение.

Известен способ изготовления упругих элементов из сплавов на основе никелида титана [SU 875876 A1, 1996], обладающих эффектом памяти формы, заключающийся в формообразовании деталей при температуре существования фазы TiNi-III и последующий отжиг при температуре на 10-200°C выше температуры фазового превращения TiNi-II TiNi-I, причем во время нагрева перемещение детали ограничено втулкой и торцевыми крышками.

Недостаток этого способа в том, что для получения силовых пружин используют проволоку или прутки большого диаметра, которая при нагреве развивает значительные усилия, поэтому ограничительные втулки и торцевые крышки выполняются массивными, а потому нагреваются при отжиге и остывают после деформирования медленно. В итоге - низкая производительность при изготовлении пружин и большие затраты на изготовление оснастки для навивки пружин разного диаметра.

Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего изготавливать термоэлементы в виде пружин с максимально возможными силовыми свойствами.

Дополнительным преимуществом является возможность изготовления значительного числа пружин за короткое время.

Поставленная задача решается тем, что как и в известном, в предлагаемом способе изготовления пружины из сплава с эффектом памяти формы заготовку из никелида титана подвергают формообразованию.

Новым является то, что осуществляют формообразование заготовки, нагретой до температуры выше температуры рекристаллизации Ti-Ni.

Кроме того, в качестве заготовки используют проволоку с различным содержанием Ti и Ni, в соответствии с требуемой температурой формовосстановления пружин от 30 до 110°C.

Кроме того, в качестве заготовки используют проволоку диаметром от 0,1 до 6 мм.

Кроме того, нагрев проволоки осуществляют до температуры 500-600°C, предпочтительно до температуры 530-570°C.

Кроме того, нагрев проволоки осуществляют прямым пропусканием электрического тока через проволоку.

Кроме того, осуществляют последующую термическую обработку.

Кроме того, в качестве последующей термической обработки осуществляют отжиг и/или закалку на воздухе, и/или закалку в воде, и/или старение.

Кроме того, после формообразования при необходимости осуществляют нарезку пружин заданной длины.

Поставленная задача решается также тем, что пружина, используемая в качестве термоэлемента для сигнально-пусковых устройств, выполнена из проволоки на основе никелида титана с эффектом памяти формы с различным содержанием Ti и Ni, в соответствии с требуемой температурой формовосстановления пружин от 30 до 110°C и изготовлена способом, описанным выше.

Кроме того, пружина выполнена из проволоки круглого, овального или прямоугольного сечения.

Для пусковых устройств пожарных установок необходимы упругие элементы с максимально возможными силовыми свойствами. Как правило, их выполняют в форме пружин.

К функциональным свойствам пружин из материала с памятью формы относят:

- рабочий ход, который задается при изготовлении пружины оправкой с винтовым пазом и равен разнице длины пружины в «горячем» и «холодном» состоянии;

- развиваемое усилие при восстановлении формы, приблизительно равное 20-30 кг/мм² (зависит от степени деформации, рабочего хода, диаметра проволоки, диаметра пружины и химического состава материала проволоки);

- температура начала восстановления формы (зависит от химического состава материала проволоки и от вида термообработки на сплавах нестехиометрического состава 50,3 ат.%<Ni<49,3 ат.%).

Такие пружины изготавливают, как правило, из проволоки с большим диаметром. Их достаточно сложно навивать на оправку малого диаметра. Поэтому в предлагаемом изобретении перед формообразованием осуществляют предварительный нагрев до температуры рекристаллизации, тем самым увеличивая пластичность проволоки. Пластическое деформирование при навивке пружин при таких температурах не приводит к деформационному наклепу сплава, следовательно, не проявляется эффект обратимой памяти формы, поэтому не происходит изменение геометрических размеров пружины при последующем термоциклировании. Дополнительно готовые пружины подвергают последующей термической обработке, например отжигу при температуре 600-700°C, закалке от 700°C, а затем старению при температуре от 250 до 550°C, от 3-х часов до 15 минут, причем большее время выдержки применяют для более низкой температуры.

В технике часто требуются силовые термоэлементы из сплавов с памятью формы в виде пружин различной формы и назначения. Предлагаемый способ позволяет изготавливать пружины с различным шагом и диаметром из проволоки различного диаметра (от 0,1 до 6 мм) и сечения, как плотно сжатые пружины растяжения, так и пружины сжатия с плотно сжатыми крайними витками и переменным шагом навивки. Предлагаемый способ позволяет навивать пружины из проволоки с круглым, овальным и прямоугольным сечением.

Способ позволяет также получать сверхэластичные пружины, у которых эффект памяти формы наблюдается при отрицательных температурах, а сверхэластичность при комнатной температуре.

Предлагаемый способ не трудоемок и позволяет изготавливать значительное число пружин за короткое время, так как пружины изготавливаются не отдельно каждая, а проволока необходимой длины для изготовления нужного количества пружин навивается на оправку.

Способ осуществляли следующим образом.

Пример 1

Изготавливали термоэлемент для сигнально-пускового устройства противопожарных установок в виде винтовой пружины с температурой восстановления формы 70-75°C и развиваемым усилием 80 Н при рабочем ходе 10 мм. С этой целью проволочную заготовку из сплава ТН-1 с содержанием Ti 50 ат.% и Ni 50 ат.% с диаметром 2 мм сначала нагревали до температуры 550°C прямым пропусканием электрического тока, например через разделительный трансформатор, а затем навивали на оправку с винтовым пазом длиной 200 мм, с заданным диаметром 6 мм и шагом 4,5 м. Навитую после снятия с оправки пружину разрезали в холодном состоянии на короткие пружины с четырьмя витками длиной 17 мм, шлифовали торцы, а затем подвергали термической обработке для задания необходимых функциональных свойств. Готовые пружины отжигали при температуре 600°C в течение 30 минут с последующим охлаждением на воздухе.

Пример 2

Изготавливали термоэлемент для сигнально-пускового устройства противопожарных установок в виде винтовой пружины с температурой восстановления формы 93°C и развиваемым усилием 80 Н при рабочем ходе 10 мм. С этой целью проволочную заготовку из сплава ТН-1 с содержанием Ti>50,5 ат.% диаметром 2 мм сначала нагревали до температуры 500°C прямым пропусканием электрического тока, например через разделительный трансформатор, а затем навивали на оправку с винтовым пазом длиной 200 мм, с заданным диаметром 6 мм и шагом 4,5 м. Навитую после снятия с оправки пружину разрезали в холодном состоянии на короткие пружины с пятью витками длиной 21 мм, шлифовали торцы, а затем подвергали термической обработке для задания необходимых функциональных свойств. Готовые пружины отжигали при температуре 600°C в течение 30 минут с последующим охлаждением на воздухе.

Пример 3

Изготавливали термоэлемент для сигнально-пускового устройства противопожарных установок в виде винтовой пружины с температурой восстановления формы 110°C и развиваемым усилием 60 Н при рабочем ходе 10 мм. С этой целью проволочную заготовку из сплава ТН-1 с содержанием Ti≥50,5 ат.% диаметром 2 мм сначала нагревали до температуры 550°C прямым пропусканием электрического тока, например через разделительный трансформатор, а затем навивали на оправку с винтовым пазом длиной 200 мм, с заданным диаметром 6 мм и шагом 4,5 м. Навитую после снятия с оправки пружину разрезали в холодном состоянии на короткие пружины с пятью витками длиной 21 мм, шлифовали торцы, а затем подвергали термической обработке для задания необходимых функциональных свойств. Готовые пружины отжигали при температуре выше 650°C в течение 30 минут с последующей закалкой в воде.

Пример 4

Изготавливали термоэлемент для сигнально-пускового устройства противопожарных установок в виде винтовой пружины с температурой восстановления формы 30°C и развиваемым усилием 60 Н при рабочем ходе 25 мм. С этой целью проволочную заготовку из сплава ТН-1 с содержанием Ti<49,2 ат.% диаметром 1,8 мм сначала нагревали до температуры 570°C прямым пропусканием электрического тока, например через разделительный трансформатор, а затем навивали на оправку с винтовым пазом длиной 80 мм, с заданным диаметром 7 мм и шагом 6 мм. Причем крайние витки выполнялись поджатыми. Навитую после снятия с оправки пружину подвергали термической обработке для задания необходимых функциональных свойств. С этой целью пружину выдерживали в печи от 250 до 550°C, от 3-х часов до 15 минут, причем большее время выдержки применяют для более низкой температуры.

1. Способ изготовления пружины из сплава с эффектом памяти формы, в котором заготовку из никелида титана подвергают формообразованию, отличающийся тем, что осуществляют формообразование заготовки, нагретой до температуры выше температуры рекристаллизации никелида титана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве заготовки используют проволоку с различным содержанием Ti и Ni в соответствии с требуемой температурой формовосстановления пружин от 30 до 110°С.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве заготовки используют проволоку диаметром от 0,1 до 6 мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев проволоки осуществляют до температуры 500-600°С, предпочтительно до температуры 530-570°С.

5. Способ по п.1 или 4, отличающийся тем, что нагрев проволоки осуществляют прямым пропусканием электрического тока через проволоку.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют последующую термическую обработку.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве последующей термической обработки проводят отжиг и/или закалку на воздухе, и/или закалку в воде, и/или старение.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что после формообразования, при необходимости, осуществляют нарезку пружин заданной длины.

9. Пружина, выполненная из проволоки на основе никелида титана с эффектом памяти формы с различным содержанием Ti и Ni в соответствии с требуемой температурой формовосстановления пружин от 30 до 110°С, изготовленная способом по любому из пп.1-8.

10. Пружина по п.9, отличающаяся тем, что она выполнена из проволоки круглого, овального или прямоугольного сечения.