способ получения прутков и способ получения проволоки из сплавов системы никель-титан с эффектом памяти формы и способ получения этих сплавов

Формула изобретения

1. Способ получения прутков из сплавов системы никель-титан с эффектом памяти формы, согласно которому создают сплав с эффектом памяти формы, изготавливают из сплава прессованием или поперечно-винтовой прокаткой полуфабрикаты в виде прутков, нагревают их до температуры 450 - 950^oC и изготавливают из полуфабрикатов прутки ротационной ковкой.

2. Способ по п.1, согласно которому при изготовлении полуфабрикатов получают из сплава слитковые заготовки, нагревают их в индукционной печи до температуры 800 - 1020^oC и прессуют с переходами, число которых выбирают исходя из первоначального диаметра заготовки.

3. Способ по п.1, согласно которому при изготовлении полуфабрикатов получают из сплава слитковые заготовки, нагревают их в электропечи до температуры 750 - 1000^oC и прокатывают со степенью деформации 5 - 25% с промежуточными подогревами между проходами до нужного размера.

4. Способ получения проволоки из сплавов системы никель-титан с эффектом памяти формы, согласно которому изготавливают прутки по способу по пп.1 - 3 и изготавливают из них проволоку теплым или холодным волочением.

5. Способ по п.4, согласно которому при изготовлении проволоки теплым волочением проволочные заготовки предварительно нагревают газовыми горелками до температуры 200 - 650^oC, а скорость волочения регулируют в интервале 0,01 - 0,7 м/с в зависимости от диаметра и химического состава проволоки.

6. Способ по п.5, согласно которому волочение проволочных заготовок с диаметром 4,0 - 2,5 мм ведут с шагом 0,3 - 0,15 мм.

7. Способ по п.5 или 6, согласно которому волочение проволочных заготовок с диаметром 2,5 - 1,5 мм ведут с шагом 0,25 - 0,10 мм.

8. Способ по любому из пп.5 - 7, согласно которому волочение проволочных заготовок с диаметром 1,5 - 0,4 мм ведут с шагом 0,20 - 0,05 мм.

9. Способ по любому из пп.5 - 8, согласно которому волочение проволочных заготовок с диаметром 0,4 - 0,1 мм ведут с шагом 0,15 - 0,01 мм.

10. Способ получения сплава системы никель-титан с эффектом памяти формы, согласно которому изготавливают шихту из исходного сырья, развешивают ее с обеспечением соотношения титана и никеля, соответствующего требуемому химическому составу сплава, первоначально обкладывают стенки и дно тигля из высокопрочного графита никелевыми пластинами из состава шихты, закладывают остальную шихту внутрь тигля, расплавляют ее в вакуумной индукционной печи, выдерживают расплав и разливают его в вакууме в стальные, чугунные или графитовые изложницы.

11. Способ по п.10, согласно которому расплав шихты в вакуумной индукционной печи осуществляют при вакууме 10^-2 - 10^-4 мм рт.ст., а выдержку расплава осуществляют в течение 1 - 30 мин.

12. Способ по п.10 или 11, согласно которому разлив расплава осуществляют в вакууме при температуре 1250 - 1580^oC.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике производства тонких прутков и проволоки, обладающих эффектом памяти формы и сверхупругостью из сплавов системы никель-титан с памятью формы, имеющих широкую область применения, в том числе для выполнения пружин и рессор транспортных средств, а также другого оборудования и изделий.

Сплавы системы никель-титан, соответствующие области существования интерметаллида Ni-Ti стехиометрического состава (от 46 до 58 весовых процентов никеля, остальное преимущественно титан), а также тройные сплавы, описываемые формулами Ti Ni_xCo_1-x и Ti Ni_xFe_1-x, где x - коэффициент, изменяющийся от 0 до 1, обладают, кроме эффекта "памяти" формы, уникальным комплексом физических и механических свойств и находят все более широкое применение в различных областях техники. В качестве дополнительных компонентов в сплавах системы Ni-Ti могут также быть использованы - Cu, Al, Mo, Va, Si, C.

Известен способ получения проволоки из сплавов с памятью формы на основе никеля и титана, предусматривающий, в частности, обработку сплава с "памятью" формы со стадиями холодной обработки и низкотемпературного отжига без повторного сжатия (EP 0143580 A1, C 22 F 1/00, 05.06.1985).

Хотя известный способ и исключает деформацию изделия в перпендикулярном направлении, качество проволоки остается невысоким.

Наиболее близким к предложенному является способ получения проволоки из сплавов с памятью формы на основе никеля (55%) и титана (45%), базирующийся на изменении физической структуры сплава и заключающийся в первоначальной термической обработке (при температуре 480-520^oC) и закалке полуфабриката, заключительной механической обработке проволочной заготовки (FR 2758338 A1, 17.07.1998).

Недостаток указанного способа связан с низкой технологичностью производства. Кроме того, температура фазового превращения не в полной мере отвечает требованиям к конечному продукту или полуфабрикату.

Задачей изобретения является повышение технических параметров вырабатываемых тонких прутков и проволоки и технологичности производственного процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения прутков из сплавов системы никель-титан создают сплав с эффектом "памяти" формы, изготавливают из сплава прессованием или поперечно-винтовой прокаткой полуфабрикаты в виде прутков и изготавливают из полуфабрикатов прутки ротационной ковкой. Решению поставленной задачи способствуют частные существенные признаки изобретения.

При изготовлении полуфабрикатов получают из сплава слитковые заготовки, нагревают их в индукционной печи до температуры 800-1020^oC и прессуют с переходами, число которых выбирают, исходя из первоначального диаметра заготовки.

При изготовлении полуфабрикатов получают из сплава слитковые заготовки, нагревают их в электропечи до температуры 750-1000^oC и прокатывают со степенью деформации 5-25% с промежуточными подогревами между проходами до нужного размера.

Перед ротационной ковкой полуфабрикаты предварительно нагревают до температуры 450-750^oC.

Поставленная задача решается также тем, что в способе получения проволоки из сплавов системы никель-титан изготавливают прутки по описанному выше заявленному способу и изготавливают из них проволоку тепловым или холодным волочением.

При изготовлении проволоки тепловым волочением проволочные заготовки предварительно нагревают газовыми горелками до температуры 200-650^oC, а скорость волочения регулируют в интервале 0,01-0,7 м/сек в зависимости от диаметра и химического состава проволоки.

Волочение проволочных заготовок с диаметром 4,0-2,5 мм ведут с шагом 0,3-0,15 мм.

Волочение проволочных заготовок с диаметром 2,5-1,5 мм ведут с шагом 0,25-0,10 мм.

Волочение проволочных заготовок с диаметром 1,5-0,4 мм ведут с шагом 0,20- 0,05 мм.

Волочение проволочных заготовок с диаметром 0,4-0,1 мм ведут с шагом 0,15- 0,01 мм.

Поставленная задача решается также тем, что способ получения сплава системы никель-титан с эффектом "памяти" формы заключается в том, что изготавливают шихту из исходного сырья, развешивают ее с обеспечением соотношения титана и никеля, соответствующего требуемому химическому составу сплава, первоначально обкладывают стенки и дно тигля из высокопрочного графита никелевыми пластинами из состава шихты, закладывают остальную шихту внутрь тигля, расплавляют ее в вакуумной индукционной печи, выдерживают расплав и разливают его в вакууме в стальные, чугунные или графитовые изложницы.

Целесообразно расплав шихты в вакуумной индукционной печи осуществлять при вакууме 10^-2-10^-4 мм рт.ст., а выдержку расплава осуществлять в течение времени от 1 до 30 мин. Кроме того, разлив расплава осуществляют при температуре 1250-1580^oC.

При реализации предложенных способов в качестве исходного сырья для производства слитков (шихты) используются:

- титан губчатый марки ТГ-100, ТГ-110 по ГОСТ 17746-79;

- листы из титана марки ВТ 1-00; ВТ 1-0 по ГОСТ 22178-76 (или обрезь листовая, отрезанная не газовой сваркой);

- йодидный титан;

- никель первичный марки НО; HI y; H1 по ГОСТ 849-70.

Развес шихты производится на электронных прецизионных весах с дискретностью взвешивания 0,1 грамма, что позволяет точно попасть в расчетный химический состав при соблюдении остальных технологических режимов.

При укладке шихты в тигель используется метод первоначальной обкладки стенок и дна тигля никелевыми пластинами (никелевые катоды, порубленные на гильотинных ножницах) и закладки остальной шихты внутрь этой никелевой корзины.

Плавку начинают в вакууме 10^-2-10^-4 мм рт.ст. После расплавления всей шихты расплав выдерживают до начала разливки 1-30 мин. Разливку производят в вакууме при температуре 1250-1580^oC в стальные, чугунные или графитовые изложницы (могут использоваться как разъемные, так и неразъемные изложницы).

Все вышеперечисленное при условии соблюдения высокой технологической дисциплины позволяет получить при однократном переплаве металл высокого качества с точки зрения макроструктуры слитков и содержания газов. Отклонения полученного содержания никеля от расчетного колеблются в пределах 0,1%. Величина науглероживания металла при плавке составляет 0,02-0,05%. Содержание азота в сплаве не превышает 0,01%. Содержание водорода в сплаве не превышает 0,008%. Содержание кислорода в сплаве не превышает 0,15%.

Данные характеристики слитков обеспечивают получение сплавов с температурой фазового превращения, отвечающей определенным свойствам конечного продукта или полуфабриката.

Полуфабрикаты (прутки) из сплавов системы никель-титан диаметром 20-50 мм получают прессованием предварительно деформированной заготовки диаметром 85-200 мм. Заготовку получают из слитка путем отрезки литника на отрезном станке и обточки поверхности слитка на токарном станке до снятия всех поверхностных дефектов (газовой пористости, поверхностных трещин и т.п.)

Заготовку нагревают в электропечах или индукционных печах до температуры 800-1020^oC. Перед нагревом заготовку обмазывают смазкой (стеклографит, тальк и т. п.). Прессование осуществляют в 2-4 перехода в зависимости от первоначального диаметра заготовки. На первом переходе вытяжка не превышает 3, а на последнем может достигать 30. Скорость прессования не превышает 35 мм/сек.

Прутки могут быть получены также методом ПВП (поперечно-винтовой прокатки). Поперечно-винтовая прокатка позволяет получить прутки диаметром 8-160 мм непосредственно из слитка. У слитка отрезается литник, а сам слиток обтачивается до удаления поверхностных дефектов. При прокатке осуществляют

- нагрев слитка в электропечи до температуры 750-1000^oC;

- прокатку слитка со степенью деформации 5-25% с промежуточными подогревами между проходами до нужного размера.

Преимуществами метода ПВП являются

- простота оборудования;

- отсутствие дополнительного инструмента;

- низкое энергопотребление;

- простота в обслуживании.

Для получения тонких полуфабрикатов из сплавов системы никель-титан прессованные или катаные прутки диаметром 20 мм после обточки подвергают деформации на 3-х - 4-х ротационно-ковочных машинах разной мощности для получения проволочной заготовки или тонкого прутка.

Прутки диаметром 19-8 мм получают на ротационно-ковочной машине большой мощности. Заготовку нагревают в электропечи или газовой печи до температуры 700- 950^oC, после чего осуществляют ковку в 5-7 переходов до нужного размера. Между переходами производят промежуточный нагрев заготовки.

Прутки диаметром 8-4 мм получают на ротационно-ковочных машинах средней мощности. Заготовка нагревается "на проход" (непосредственно во время подачи заготовки в ротационно-ковочную машину) в трубчатой газовой печи или в трубчатой электрической печи, установленной перед ротационно-ковочной машиной, до температуры 650-900^oC. Ковку осуществляют в 3-5 переходов до нужного размера.

Прутки диаметром 4-1,8 мм получают на ротационно-ковочной машине малой мощности. Заготовка нагревается "на проход" в трубчатой газовой или в трубчатой электрической печи до температуры 450-750^oC. Ковку осуществляют в 3-5 переходов до нужного размера.

Полученные прутки являются не только промежуточной заготовкой для волочения, но и готовым видом полуфабриката - тонким прутком. Качество поверхности обеспечивают применением специального инструмента (финишные бойки имеют более длинную рабочую поверхность, в отличие от рабочих бойков) и шлифованием прутков на бесцентрово-шлифовальном станке.

Проволоку из сплавов системы никель-титан диаметром 4,0-0,1 мм получают из промежуточной заготовки методом волочения на линии из 2-3 волочильных станов. При использовании метода холодного волочения используют промежуточный отжиг при температурах 550-750^oC.

В качестве смазки при холодном волочении используют графит марки КЛЗ с добавками 1,0-3% мыльного порошка. При теплом волочении используют "аквадаг" (коллоидный раствор графита в воде).

При теплом волочении нагрев проволоки перед волокой осуществляют с помощью газовых горелок до температур 200-650^oC. Волочение с диаметра 4,0 до 2,5 мм ведут с шагом 0,3-0,15 мм; с диаметра 2,5 до 1,5 мм - с шагом 0,25-0,10 мм; с диаметра 1,5 до 0,4 мм - с шагом 0,20-0,05 мм; с диаметра 0,4 до 0,1 мм - с шагом 0,15- 0,01 мм. Скорость волочения в зависимости от диаметра и химического состава проволоки регулируют в пределах 0,01-0,7 м/сек.

Соблюдение требований по технологии получения проволоки из сплавов никель-титан обеспечивает высокий уровень ее служебных свойств - степень восстановления формы (95-98%), сверхупругость или эффект памяти формы при температурах от -150^oC до +150^oC, коррозионную стойкость, износостойкость, биосовместимость, демпфирующие и механические свойства. Выбор химического состава исходного слитка и последующее соблюдение определенного порядка технологических операций, чередование теплого и холодного волочения на конечном этапе позволяет получить проволоку, максимально приближенную по свойствам к конечному изделию, а в ряде случаев являющуюся таковым.

Предлагаемый способ получения сплавов системы никель-титан в вакуумных индукционных печах с тиглями из высокоплотного графита имеет ряд преимуществ по сравнению с вакуумно-дуговой и гарнисажной видами плавки, а именно:

- облегчена подготовка исходных материалов к плавке;

- количество и химический состав сливаемого металла соответствует количеству и химическому составу шихтовых материалов;

- индукционное перемешивание расплава обеспечивает однородную структуру слитка;

- отсутствует перегрев расплава, расплав имеет контролируемую температуру;

- облегчено введение в расплав модификаторов и раскислителей.