Способ получения пружины из никелида титана

Изобретение относится к металлургии, а именно к пружинам из никелида титана, и может быть использовано для управления деформационными свойствами обратимого формоизменения, такими как угловое (поворотное) и осевое (поступательное) перемещение витой пружины. Способ получения пружины из никелида титана характеризуется тем, что проволоку из никелида титана наматывают на металлический цилиндрический стержень плотно виток к витку при температуре 18-40°C, жестко закрепляют концы проволоки на стержне. Проволоку со стержнем помещают в камеру муфельной печи и отжигают при температуре 500-520°C в течение 60 мин, затем проволоку медленно охлаждают вместе с печью до температуры 18-23°C с получением пружины, которую термоциклируют под осевой нагрузкой в интервале температур 90-24°C, начиная процесс при 90°C. Получают устойчивый эффект обратимого формоизменения при последующем термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под действием растягивающих усилий в последовательности охлаждение, нагревание, проявляющегося как по угловому, так и по осевому перемещению. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к металлургии и может найти применение в энергетическом машиностроении и приборостроении, в медицине, для управления деформационными свойствами обратимого формоизменения, такими как угловое (поворотное) и осевое (поступательное) перемещение витой пружины.

Известны несколько способов обработки полуфабрикатов для материалов с термоупругими мартенситными превращениями (ТМП), которые позволяют инициировать величины обратимого формоизменения (ОФИ) по двум взаимно ортогональным деформациям осевой - ε и сдвиговой деформации - γ.

Первый способ - это термоциклирование материалов через интервалы мартенситных переходов в условиях одновременного действия нормальных (при растяжении) и касательных (при кручении) напряжений сплошных цилиндрических образцов с диаметром и длиной рабочей части соответственно 4 и 33 мм. [И.Н. Андронов, В.А. Лихачев, М.Ю. Рогачевская. Эффекты памяти формы у сплава TiNiCu при сложном напряженном состоянии. «Известия высших учебных заведений», Физика. 1989. №2. С. 117-119]. Анализируя данные первого способа обработки материалов с ТМП, можно сделать вывод, что в результате термомеханической обработки путем термоциклирования через интервалы мартенситных переходов под нагрузкой возникает ОФИ цилиндрических образцов по осевой и сдвиговой составляющим деформации ε и γ соответственно.

Второй способ заключается в изотермическом деформировании материала в мартенситном состоянии в последовательном ортогональном направлении (по осевой и сдвиговой составляющим деформации) с последующим отогревом материала через интервал мартенситного перехода в свободном состоянии [И.Н. Андронов, Ю.Б. Какулия. Эффект памяти формы при сложных траекториях нагружения. II Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы фундаментальных наук». М., МВТУ им. Н.Э. Баумана, 24-28 января 1994, 11 (1) Секция С. С. 16-18]. Во втором способе подобный результат достигается после предварительного ортогонального нагружения в пространстве ε-γ. При последующем отогреве в свободном состоянии образца с ТМП через интервал обратного мартенситного превращения наблюдается заметная обратимая деформация, проявляемая в виде ее возврата по осевой и сдвиговой составляющим.

Недостатком 1 и 2 способов является то, что все опыты осуществляли на сплошных цилиндрических образцах с длиной и диаметром рабочей части образца соответственно 33 и 4 мм, что не позволяет эти результаты распространить на другие полуфабрикаты из материалов с ТМП, например проволоку или пружину.

Третьим способом-прототипом является способ изготовления пружины из сплава с эффектом памяти формы, и пружина, изготовленная данным способом, включает в себя формообразование пружины при температуре выше температуры рекристаллизации [Патент №2309192, C22F 1/10, C22F 1/18, опубл. 27.10.2007. Бюл. №30].

Недостатком прототипа является то, что изготовленные по прототипу пружины способны функционировать лишь в осевом направлении (10-25 мм), что существенно ограничивает функционально-механические возможности пружины как исполнительного элемента сложного функционального назначения.

Задачей изобретения является создание способа получения пружины из никелида титана с целью формирования пружины, обладающей способностью к последующим обратимым возвратно вращательно-поступательным перемещениям при термоциклировании через интервалы мартенситных переходом под действием растягивающей силы.

Техническим результатом изобретения является получение устойчивого эффекта обратимого формоизменения при последующем термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под действием растягивающих усилий в последовательности охлаждение→нагревание→охлаждение, проявляющегося как по угловому (0-290°), так и по осевому перемещению (0-890 мм).

Поставленная задача решается тем, что, как и в известном прототипе, в предлагаемом способе, включающем формообразование, в котором проволоку из сплава никелида титана нагревают выше температуры рекристаллизации титана, новым является то, что перед высокотемпературным формообразованием проволоку наматывают на металлический цилиндрический стержень, плотно виток к витку, при температуре 18-40°C, при этом концы проволоки жестко закрепляют на стержне, затем проволоку вместе со стержнем помещают в камеру муфельной печи и отжигают при температуре 500-520°C в течение 60 минут, далее проволоку медленно охлаждают вместе с печью до 18-23°C и полученную таким образом пружину термоциклируют под осевой нагрузкой в интервале температур 90-24°C, начиная процесс при 90°C.

Кроме того, в качестве оправки используют цилиндрический стержень без пазов.

Кроме того, намотку проволоки осуществляют при постоянной силе натяжения 350-400 Н.

Изобретение поясняется графическим материалом: на Фиг. 1 представлено силовое устройство для намотки проволоки; на Фиг. 2 приведены соответствующие температурные зависимости для примера 1; на Фиг. 3 приведены температурные зависимости для примера 2. В таблице 1 и 2 приведены соответственно опытные значения угловых и осевых перемещений.

Способ осуществляет получение пружины из никелида титана путем предварительной намотки проволоки диаметром 1-3 мм. При этом намотку осуществляют на металлический стержень диаметром 12-35 мм, плотно (виток к витку) при постоянном натяжении проволоки 350-400 Н при температуре 18-40°C с помощью силового устройства. При этом концы проволоки жестко закрепляют на стержне, затем полученную пружину вместе со стержнем помещают в камеру печи и отжигают при температуре 500-520°C в течение 60 мин, после чего медленно охлаждают вместе с печью до комнатной температуры.

Кроме того, полученная в результате вышеприведенной ТМО пружина растяжения из никелида титана с диаметром D₀=d₀+d и индексом С=(d₀+d)/d, 7≤С≤20 обладает деформационными характеристиками устойчивого эффекта обратимого формоизменения при последующем термоциклировании через интервалы мартенситных переходов под действием растягивающих усилий 0-5 Н при теплосменах охлаждение→нагревание→охлаждение, проявляющегося как по угловому перемещению φ, так и по осевому перемещению пружины δ, а в терминах максимальных деформаций во внешнем волокне проволоки соответственно по осевой ε и по сдвиговой γ деформациям. Названные деформации определяют по формулам (1) и (2)

$$\gamma =\frac{d\cdot arctg\left(\frac{d+\delta /n}{\pi (D-d)}\right)-d\cdot arctg\left(\frac{d}{\pi (D-d)}\right)}{2\pi (D-d)},(1)$$

$$\epsilon =\frac{(D-d)d}{{(D-d)}^2+{\left(\frac{d+\delta /n}{\pi }\right)}^2}-\frac{(D_0-d)d}{{(D_0-d)}^2+{\left(\frac{d}{\pi }\right)}^2},(2)$$

где D - текущий диаметр пружины, n - число витков пружины. При этом угловые перемещения при охлаждении начинаются при более высоких температурах на 10-14°C, нежели осевые. Касательные и нормальные напряжения, возникающие во внешних волокнах пространственного стержня, оценивают по формулам (3) и (4)

$$\tau =\frac{8P(D-d)}{\pi d^3\sqrt{1+{\left(\frac{d+\delta /n}{\pi (D-d)}\right)}^2}},(3)$$

$$\sigma =\frac{16P(D-d)\left(\frac{d+\delta /n}{\pi (D-d)}\right)}{\pi d^3\sqrt{1+{\left(\frac{d+\delta /n}{\pi (D-d)}\right)}^2}}.(4)$$

Пример 1

Для проведения испытаний была отобрана пружина, полученная в ходе проведенной термомеханической обработки (ТМО) по приведенной выше схеме с диаметром 16 мм из никелида титана (ТН-1). Для данного материала температуры мартенситных переходов составляют М_н=323 К, М_к=303 К, А_н=328 К, А_к=348 К. Пружину нагружают осевой силой при t=90° в первом опыте Р₁=1,5 Н, после чего охлаждают до t=24°, а потом нагревают до исходной температуры.

Пример 2

Для проведения испытаний была отобрана пружина, полученная в ходе проведенной ТМО по приведенной выше схеме с диаметром 16 мм из ТН-1. Для данного материала температуры мартенситных переходов составляют М_н=323 К, М_к=303 К, А_н=328 К, А_к=348 К. Пружину нагружают осевой силой при t=90° во втором опыте Р₂=2,5 Н, после чего охлаждают до t=24°, а потом нагревают до исходной температуры.

1. Способ получения пружины из никелида титана, характеризующийся тем, что проволоку из никелида титана наматывают на металлический цилиндрический стержень плотно виток к витку при температуре 18-40°C, жестко закрепляют концы проволоки на стержне, помещают проволоку со стержнем в камеру муфельной печи и отжигают при температуре 500-520°C в течение 60 мин, затем проволоку медленно охлаждают вместе с печью до температуры 18-23°C с получением пружины, которую термоциклируют под осевой нагрузкой в интервале температур 90-24°C, начиная процесс при 90°C.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что намотку проволоки осуществляют при постоянной силе натяжения 350-400 Н.