RU2591933C1 - Сплав с высокотемпературным эффектом памяти формы - Google Patents
Сплав с высокотемпературным эффектом памяти формы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2591933C1 RU2591933C1 RU2015113479/02A RU2015113479A RU2591933C1 RU 2591933 C1 RU2591933 C1 RU 2591933C1 RU 2015113479/02 A RU2015113479/02 A RU 2015113479/02A RU 2015113479 A RU2015113479 A RU 2015113479A RU 2591933 C1 RU2591933 C1 RU 2591933C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloys
- alloy
- temperature
- shape memory
- dysprosium
- Prior art date
Links
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе железа, обладающим высокотемпературным эффектом памяти формы, и может быть использовано для изготовления высокотемпературных термочувствительных элементов изделий, применяемых в авиационной и атомной промышленности. Сплав содержит 8-13 мас.% никеля, 0,0005-0,0200 мас.% диспрозия, не более 0,007 мас.% кислорода, остальное - железо. Сплав обладает высокой пластичностью, проявляет эффект памяти формы в области температур 658-740°С, степень восстановления формы 62-71%. 3 табл., 3 пр.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе железа, обладающим высокотемпературным эффектом памяти формы, которые могут быть использованы для изготовления изделий для авиационной и атомной промышленности.
Эффект памяти формы (ЭПФ) связан с обратимым температурозависимым мартенситным превращением сплавов: изменение формы при образовании мартенсита в процессе охлаждения или охлаждения и нагружения образца сплава (прямое мартенситное превращение) восстанавливается при нагревании и образовании аустенитной формы сплава (обратное мартенситное превращение). Температура прямого и обратного мартенситного превращения зависит от состава сплава и его термомеханической обработки. Температурный интервал между началом (As) и концом (Af) обратного мартенситного превращения соответствует температурному интервалу восстановления формы сплава, деформированного в мартенситном состоянии, то есть температурному интервалу проявления эффекта памяти формы.
В сплавах с ЭПФ тепловая энергия непосредственно преобразуется в механическую, что позволяет создать простые и надежные устройства. Так, сплавы с ЭПФ применяют в качестве термочувствительных элементов датчиков температуры и различных исполнительных механизмов. Специфическое применение сплавов с ЭПФ определяется величиной эффекта памяти формы и температурным интервалом его проявления.
Среди известных сплавов с памятью формы довольно мало сплавов с началом обратного мартенситного превращения выше 200°С, тем более - выше 600°С, но потребность в сплавах с высокотемпературным эффектом памяти формы существует.
Среди наиболее широко применяемых сплавов с ЭПФ - титано-никелевых - известны сплавы с высокотемпературным ЭПФ: сплавы с палладием, проявляющие ЭПФ при температурах до 336°С (US 4865663), с платиной, проявляющие ЭПФ в температурном интервале фазового перехода 100-400°С (US 7501032).
Среди сплавов с наиболее высокотемпературным ЭПФ следует указать циркониевые сплавы ZrRh (Ms=480°С, Mf=350°С, As=570°С, Af=680°С, степень восстановления формы 100%) и ZrIr (Ms=740°С, Mf=710°С, As=880°С, Af=940°С, степень восстановления 70-75% при скорости нагрева около 100°С/сек), указанные в публикации Ю.Н. Коваля «Особенности релаксационных процессов при мартенситном превращении» (Успехи физики металлов, 2006, т. 6, с. 169-196), сплав Zr19,98Ni30,18Co с температурами обратного мартенситного перехода As=490°С и Af=570°С (Phase transformations and shape memory effects in alloy of Zr-Ni-Co system. T. Kosorukova, G. Firstov, TY. Koval et al. Materials Science Forum, 2013, v. 738-739, p. 123-127). Исследование циркониевых сплавов показало их высокую хрупкость, что осложняет их обработку.
Наиболее перспективны обладающие ЭПФ сплавы на основе железа как доступные и эффективные. Обычные стали обладают высокой стойкостью к коррозии, достаточно легко обрабатываются, но, как отмечают многие исследователи, обладают недостаточно выраженным ЭПФ: степень восстановления формы недостаточно высока и величина обратимой деформации (0,5-1,5%) часто недостаточна для практического применения.
Известен ряд сплавов систем Fe-Ni и Fe-Mn с улучшенными характеристиками ЭПФ, например Fe(15-40)Ni(1,5-10)Al (JP 3907177), Fe(15-35)Ni(1,5-10)Si (JP 2000017395), Fe(25-35)Ni(13-25)Co(2-8)Al(1-20)X (US 8083990), Fe-Mn-Si (JP H09176729), но температурная область проявления ЭПФ у этих сплавов ниже 200°С или не указана.
Высокотемпературный ЭПФ возможен у железо-марганцевых сплавов: степень восстановления формы составляла более 70%. при нагревании до 500°С образца железо-марганцевой стали, содержащего (мас.%) 4,68Si, 13,10Cr, 4,80Ni, 0,20N и 0,0005-0,02 мас.% редкоземельных металлов (например, Se, Y, La, Се). Присутствие в сплаве редкоземельных элементов позволяет улучшить антикоррозионную стойкость стали, предотвращая осаждение элементов на границе зерен.
Высокотемпературный ЭПФ (400-450°С) отмечают у нержавеющей стали по патентной заявке US 20130160900. Сталь содержит редкоземельные элементы La и Се (предпочтительно в количестве 0,5-1,0 мас.%. и 0,10-0,50 мас.% соответственно), а также железо, марганец, кремний, хром, никель. Система легирования сплава на основе железа обеспечивает увеличение ЭПФ, увеличение коррозионной стойкости, улучшение обрабатываемости сплавов.
Описано влияние легирования самарием сплавов железа с 30,29-31,32 ат.% никеля: в литых сплавах, содержащих 0,41-1,59 ат.% самария, наблюдалось измельчение зерна, незначительный сдвиг обратного мартенситного превращения в область высоких температур (As=415°С, Af=510°С для сплава Fe68,43Ni29,9Sm1,59) и увеличение степени восстановления формы до 30% (Ю.Н. Коваль, С.А. Пономарева, и др. Характеристики сплавов Fe-Ni-Sm в литом состоянии. Журнал технической физики, 2015 г., т. 85, вып. 4, с. 37-41).
Не выявлена информация об ЭПФ железо-никелевых сплавов с содержанием железа ниже 20 мас %. Однако при исследовании сплавов Fe с 20-33 мас.%. Ni было установлено, что при содержании никеля 20-25% температура начала прямого мартенситного превращения выше 100°С, а обратное мартенситное превращение начинается при температуре выше 450°С и эта температура снижается при увеличении содержания никеля, тогда как степень восстановления изгиба пластинчатых образцов при обратном мартенситном превращении возрастает с 10% (20% Ni) до 35% (33% Ni), оставаясь низкой для практического применения таких сплавов (В.И. Коломыцев, И.А. Лободнюк, Л.Г. Хандрос. Украинский физический журнал, 1979, Т. 24, №3, с. 60-64, прототип).
Получение экономически эффективного (относительно недорогого, технологичного) сплава с эффектом памяти формы в интервале температур около 650-750°С является технической задачей, на решение которой направлено изобретение.
Предлагаемый сплав с высокотемпературным эффектом памяти формы включает железо и никель и отличается тем, что дополнительно содержит диспрозий при следующем соотношении компонентов (мас.%):
никель | 8-13 |
диспрозий | 0,0005-0,0200 |
железо | остальное |
причем содержание кислорода в сплаве не превышает 0,007 мас.%.
Сплавы указанного состава позволяют получить материал с эффектом памяти формы, характеризующимся степенью восстановления формы выше 60%, предпочтительно выше 70%, в интервале температур 650-750°С. Вследствие низкого содержания кислорода сплавы обладают высокой пластичностью, легко обрабатываются.
Снижение содержания примеси кислорода в сплаве обусловлено микролегированием редкоземельным элементом - диспрозием. При растворении в металле с высокой концентрацией кислорода редкоземельного металла происходит его окисление, образующиеся оксиды редкоземельного элемента в процессе плавки всплывают на поверхность расплава в виде шлака. Химический анализ литого сплава, полученного в процессе вакуумной плавки или в среде инертного газа, показывает снижение содержания диспрозия по сравнению с расчетным составом шихты. Количество диспрозия в шихте, необходимое для получения рафинированного сплава с содержанием диспрозия 0,0005-0,0200 мас.%, зависит от содержания кислорода в шихтовом материале. При использовании в качестве сырья железа с содержанием кислорода не более 0,03 мас.%. введение в сплав около 0,03 мас.% диспрозия обеспечивает требуемое содержание кислорода при соответствующем снижении доли диспрозия в литом сплаве ниже 0,02 мас.%. Помимо раскисляющего, диспрозий оказывает и модифицирующее действие: на сплавах, легированных диспрозием, отмечается уменьшение микрозерна в среднем на 1,5 балла по сравнению с металлом без диспрозия, что положительно сказывается на технологичности сплава. Ниже приведены примеры получения сплавов с высокотемпературным эффектом памяти формы и результаты исследования их свойств.
Пример 1. Получение образцов сплава с высокотемпературным ЭПФ
Железо-никелевые сплавы получают в вакуумной индукционной печи в тиглях на основе периклаза. В качестве шихтовых материалов используют железо АРМКО Тип 1 (содержание кислорода 0,03 мас %), электролитический никель марки H1У и диспрозий металлический марки ДиМ1. Выплавку сплавов проводят в следующем режиме: основные компоненты Fe и Ni загружают в тигель на воздухе, после чего печь вакуумируют до остаточного давления не более 0,66 Па, плавку ведут на максимальной мощности до расплавления металла, расплав дегазируют при температуре 1550°С. Диспрозий добавляют в расплав, сплав перемешивают и разливают в графитовые изложницы с утепляющей графитовой надставкой при температуре 1530-1560°С.
Химический анализ сплавов проводили с использованием атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно-связанной плазмой Varian 730 ES. Содержание кислорода в сплавах определяли с использованием газового анализатора LECO TS600. Химический состав образцов сплавов 1-4, включающих диспрозий, а также расчетное и фактическое содержание диспрозия в сплаве приведены в таблице 1. Сплав 5 не содержит диспрозия и обогащен кислородом. Очевидно, микролегирование сплава диспрозием в заявленных количествах позволяет снизить содержание кислорода в 4-6 раз, до уровня 0,007% масс. и ниже.
Пример 2. Определение механических характеристик сплавов
Для исследования механических характеристик и ЭПФ сплавов были получены деформированные образцы. Из полученных слитков методом горячего прессования на гидравлическом прессе «Блисс» при удельном усилии прессования 1085-1663 МПа были получены прутки диаметром 25 мм. После отжига при температуре 1100°С и закалки в воду прутки разрезали и изготавливали стандартные образцы для определения механических свойств, а также цилиндрические образцы диаметром 6 мм, длиной 10 мм для определения температур мартенситного превращения и степени восстановления формы.
Проведена оценка механических свойств выплавленных сплавов на основе железа с ЭП: прочности, текучести и пластичности сплавов. Характеристики сплавов 2, 4 и 5 представлены в таблице 2.
Данные таблицы 2 позволяют сделать вывод, что микролегированные образцы с высокотемпературным ЭПФ обладают необходимыми прочностными характеристиками и повышенной пластичностью.
Пример 3. Определение характеристик ЭПФ сплавов
Испытания для определения температур мартенситных переходов в полученных сплавах и степени восстановления формы проводили на закалочно-деформационном дилатометре DIL805A/D. Исследования проводили по следующей схеме: образец помещали в дилатометр при комнатной температуре, нагревали в условиях внешней нагрузки, не превышающей 4 МПа, с постоянной скоростью 4°С/сек до температур на 50-100°С выше конца обратного мартенситного превращения (800-1000°С), затем охлаждали с такой же скоростью до температур 100-300°С. По дилатометрическим кривым определяли температуры и дилатометрические эффекты прямого (Ms, Mf, ДЭ1) и обратного (As, Af, ДЭ2) мартенситных превращений. Степень восстановления формы определяли как отношение дилатометрического эффекта обратного мартенситного превращения к дилатометрическому эффекту прямого мартенситного превращения: К=(ДЭ2/ДЭ1)×100%. Данные дилатометрических испытаний приведены в таблице 3.
Характеристики предлагаемых сплавов, приведенные таблице 3, свидетельствуют о проявлении ЭПФ в интервале температур 658-740°С и достаточно высокой степени восстановления формы (62-71%). Достаточно высокие пластические прочностные характеристики новых сплавов позволяют их использовать для изготовления высокотемпературных термочувствительных и исполнительных элементов различных механизмов.
Claims (1)
- Сплав с высокотемпературным эффектом памяти формы, содержащий железо и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит диспрозий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
никель 8-13 диспрозий 0,0005-0,0200 железо остальное
причем содержание кислорода в сплаве не превышает 0,007 мас.%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015113479/02A RU2591933C1 (ru) | 2015-04-13 | 2015-04-13 | Сплав с высокотемпературным эффектом памяти формы |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015113479/02A RU2591933C1 (ru) | 2015-04-13 | 2015-04-13 | Сплав с высокотемпературным эффектом памяти формы |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2591933C1 true RU2591933C1 (ru) | 2016-07-20 |
Family
ID=56412761
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015113479/02A RU2591933C1 (ru) | 2015-04-13 | 2015-04-13 | Сплав с высокотемпературным эффектом памяти формы |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2591933C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2169786C2 (ru) * | 1995-07-11 | 2001-06-27 | Кари Мартти Уллакко | Азотсодержащие сплавы на основе железа, обладающие свойствами демпфирования и эффектом памяти формы |
RU2393370C2 (ru) * | 2008-08-04 | 2010-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | Способ закрепления на валу сопрягаемых цилиндрических деталей |
US20130160900A1 (en) * | 2011-12-22 | 2013-06-27 | Airbus Engineering Centre India | SHAPE MEMORY STAINLESS STEELS WITH RARE EARTH ELEMENTS Ce AND La |
-
2015
- 2015-04-13 RU RU2015113479/02A patent/RU2591933C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2169786C2 (ru) * | 1995-07-11 | 2001-06-27 | Кари Мартти Уллакко | Азотсодержащие сплавы на основе железа, обладающие свойствами демпфирования и эффектом памяти формы |
RU2393370C2 (ru) * | 2008-08-04 | 2010-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | Способ закрепления на валу сопрягаемых цилиндрических деталей |
US20130160900A1 (en) * | 2011-12-22 | 2013-06-27 | Airbus Engineering Centre India | SHAPE MEMORY STAINLESS STEELS WITH RARE EARTH ELEMENTS Ce AND La |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2696513C2 (ru) | Мартенситно-ферритная нержавеющая сталь, изготовленный продукт и способы их применения | |
Ganesan et al. | Influence of nitrogen on tensile properties of 316LN SS | |
CN108779538B (zh) | 高强度Fe-Cr-Ni-Al多相不锈钢及其制造方法 | |
JP6115691B1 (ja) | 鋼板およびほうろう製品 | |
CN111826550B (zh) | 一种中等强度耐硝酸腐蚀钛合金 | |
RU2610657C1 (ru) | Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него | |
CN103725972A (zh) | 低碳多元高电阻电热合金及其制备方法 | |
JP5988065B2 (ja) | 高強度非磁性オーステナイト系ステンレス鋼材 | |
US20150206632A1 (en) | Soft magnetic iron-cobalt-based alloy and method for the production of a soft magnetic iron-cobalt-based alloy | |
Ganesan et al. | Creep strengthening of low carbon grade type 316LN stainless steel by nitrogen | |
JP2012177170A (ja) | 高強度非磁性オーステナイト系ステンレス鋼材及びその製造方法 | |
JP2021011635A (ja) | 高マンガン第3世代先進高張力鋼 | |
RU2591933C1 (ru) | Сплав с высокотемпературным эффектом памяти формы | |
RU2584315C1 (ru) | Конструкционная криогенная аустенитная высокопрочная коррозионно-стойкая, в том числе в биоактивных средах, свариваемая сталь и способ ее обработки | |
RU2657741C1 (ru) | Конструкционная криогенная аустенитная высокопрочная коррозионно-стойкая свариваемая сталь и способ ее обработки | |
JP2013163834A (ja) | オーステナイト系ステンレス鋼製携帯型電子機器外装部材およびその製造方法 | |
KR20230100735A (ko) | 오스테나이트계 스테인리스 강 | |
KR102649801B1 (ko) | 새로운 듀플렉스 스테인리스 강 | |
JP4772703B2 (ja) | 磁気特性に優れた電磁軟鉄製部品並びに電磁軟鉄製部品用棒線材及びその製造方法 | |
JP4465490B2 (ja) | 析出硬化型フェライト系耐熱鋼 | |
FI127450B (en) | Martensitic stainless steel and process for its manufacture | |
JP2664499B2 (ja) | クリープ破断特性のすぐれたNi―Crオーステナイト系ステンレス鋼 | |
JP2000248340A (ja) | 析出硬化型マルテンサイト系鉄基耐熱合金 | |
RU2652935C1 (ru) | Конструкционная литейная и деформируемая микролегированная азотом аустенитная теплостойкая криогенная сталь с высокой удельной прочностью и способ ее обработки | |
RU2375492C1 (ru) | Коррозионностойкая аустенитная сталь |