SU1737014A1

SU1737014A1 - Method of manufacturing heat sensitive elements from copper-aluminium system alloys

Info

Publication number: SU1737014A1
Application number: SU894732413A
Authority: SU
Inventors: Владимир Иосифович Бондарь; Виталий Ефимович Данильченко; Юрий Николаевич Коваль; Леонид Михайлович Неганов
Original assignee: Институт металлофизики АН УССР
Priority date: 1989-08-22
Filing date: 1989-08-22
Publication date: 1992-05-30

Abstract

Изобретение относитс к термической обработке металлов и может быть использовано при изготовлении термочувствительных элементов из монокристаллов сплава системы медь - алюминий дл пусковых, защитных, релейных и измерительных устройств в электротехнике. Цель изобретени - повышение цветового контраста, работоспособности за счет сохранени рельефо- чувствительности и упрощение способа. Изобретенный способ включает закалку из/ -области, формирование в аустенитном состо нии поверхностным наклепом маркировочных знаков заданной формы и размеров на грани плотнейшей упаковки монокристалла (III), перевод сплава в мар- тенситное состо ние с последующим нагревом в аустенитную область лазерным лучом в режиме оплавлени . Предлагаемый способ обеспечивает работу элементов в течение нескольких тыс ч термоциклов. слThe invention relates to heat treatment of metals and can be used in the manufacture of temperature-sensitive elements from single crystals of an alloy of copper-aluminum system for starting, protective, relay and measuring devices in electrical engineering. The purpose of the invention is to increase the color contrast, performance by maintaining the relief sensitivity and simplifying the method. The invented method includes quenching from the / region, forming in the austenitic state with surface hardening marks of a given shape and size on the verge of the closest packaging of a single crystal (III), converting the alloy to the martensitic state and subsequently heating to the austenitic region with a laser beam . The proposed method ensures the operation of elements for several thousand h of thermal cycles. cl

Description

Изобретение относитс к термической обработке металлов и может быть использовано в научном приборостроении при изготовлении термочувствительных элементов дл пусковых, защитных релейных и измерительных устройств.The invention relates to the heat treatment of metals and can be used in scientific instrumentation in the manufacture of temperature-sensitive elements for starting, protective relay and measuring devices.

Известен способ изготовлени термочувствительных элементов дл передачи информации путем контрол изменени цвета поверхности сплава медь - алюминий, который по вл етс в результате нагрева поверхности лазерным лучом.A known method of manufacturing temperature-sensitive elements for transmitting information by controlling the color change of the copper-aluminum alloy surface, which occurs as a result of the surface heating with a laser beam.

Недостатком известного способа вл етс отсутствие возможности совмещени в одном элементе двух традиционных элементов -термочувствительного и обеспечивающего механическое перемещение за счет восстановлени формы (эффекта пам ти формы). Это не позвол ет эффективноThe disadvantage of the known method is the absence of the possibility of combining in the same element two traditional elements - heat-sensitive and providing mechanical movement due to the restoration of the shape (shape memory effect). It does not allow effective

микроминитюаризировать различные пусковые , защитные, измерительные устройства . Кроме того, способ не обеспечивает рельефочувствительного сигнала и вл етс сложным дл реализации вследствие применени тонкопленочных элементов.Microminiating various starting, protective, measuring devices. In addition, the method does not provide a relief-sensitive signal and is difficult to implement due to the use of thin-film elements.

Известен также способ изготовлени термочувствительных элементов из сплавов , обладающих эффектом пам ти формы, заключающийс в том, что сплав закаливают из {3 -области, деформируют в области упругих напр жений, фиксируют издели в деформированном состо нии и подвергают отпуску при 150-300°С в течение 5-180 мин.There is also known a method of manufacturing temperature-sensitive elements from alloys having a shape memory effect, which consists in hardening the alloy from the {3-area, deforming in the area of elastic stresses, fixing the product in the deformed state and subjecting to tempering at 150-300 ° C within 5-180 minutes

Недостатком известного способа вл етс отсутствие возможности безконтакт- ной передачи температурочувствительного сигнала от элемента, снижающее его технико-экономические показатели и функциоXJThe disadvantage of this method is the lack of contactless transfer of the temperature-sensitive signal from the element, reducing its technical and economic indicators and functionality.

ы х|s x |

ОABOUT

4four

нальные возможности. Элементы, изготовленные известным способом и измен ющие исходную форму при нагреве, не могут быть использованы в устройствах, где недопустимы механические перемещени . В р де устройств звуковые сигналы, возникающие при восстановлении формы температуро- чувствительных элементов, создают неконтролируемые и нескомпенсированные помехи в электрических цеп х.Opportunities Elements made in a known manner and that change their original shape during heating cannot be used in devices where mechanical movements are unacceptable. In a number of devices, sound signals arising from the restoration of the shape of temperature-sensitive elements create uncontrolled and uncompensated interference in electrical circuits.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению вл етс способ изготовлени термочувствительных элементов из сплавов системы медь - алюминий , включающий закалку из /9-области, деформацию, формирование маркировочных знаков заданной формы и размеров в аустенитной области, перевод сплава в мар- тенситное состо ние с последующим нагревом в аустенитную область лазерным лучом в режиме оплавлени .The closest in technical essence to the proposed solution is a method of manufacturing thermosensitive elements from copper-aluminum system alloys, including quenching from the / 9-region, deformation, forming marking marks of a given shape and size in the austenitic region, transferring the alloy to martensitic state followed by heating to the austenitic region with a laser beam in the flashing mode.

Однако известный способ сложен в реализации , так как требует применени специальной машины раст жени и охлаждени заготовки в заневоленном состо нии до температуры ниже точки конца мартен- ситного превращени , а также дополнительной операции очистки поверхности при низких температурах. Кроме того, дл повышени стабильности элементов, изготовленных по известному способу, возникает необходимость в термоциклировании в области упругих напр жений, что дополнительно усложн ет способ. Известный способ не обеспечивает высокого цветового контраста на поверхности элементовHowever, the known method is difficult to implement, since it requires the use of a special machine for stretching and cooling the billet in a poorly bent state to a temperature below the end point of the martensitic transformation, as well as an additional surface cleaning operation at low temperatures. In addition, in order to increase the stability of elements manufactured by a known method, there is a need for thermal cycling in the field of elastic stresses, which further complicates the method. The known method does not provide a high color contrast on the surface of the elements.

Цель изобретени - повышение цветового контраста, работоспособности за счет сохранени рельефочувствительности и упрощени способа. Положительный эффект от использовани изобретени достигаетс за счет простоты его осуществлени и обеспечени более высокой работоспособности элементов и устойчивого цветового сигнала.The purpose of the invention is to increase color contrast, workability by maintaining the relief sensitivity and simplifying the method. The positive effect from the use of the invention is achieved due to the simplicity of its implementation and ensuring a higher efficiency of the elements and a stable color signal.

Поставленна цель достигаетс тем, что согласно способу изготовлени термочувствительных элементов из сплавов системы медь - алюминий, включающему закалку из/ -области, деформацию, формирование маркировочных знаков заданной формы и размеров в аустенитной области, перевод сплава в мартенситное состо ние с последующим нагревом в аустенитную область лазерным лучом в режиме оплавлени , маркировочные знаки формируют сразу после закалки из/ -области поверхностным наклепом на грани плотнейшей упаковки (111) монокристалла сплаваThe goal is achieved by the method of manufacturing thermosensitive elements from copper-aluminum alloys, including quenching from the / -region, deformation, formation of marking marks of a given shape and size in the austenitic region, transfer of the alloy to the martensitic state, followed by heating to the austenitic region by the laser beam in the flashing mode, the markings form immediately after quenching from the / -region by surface hardening on the edge of the closest packing (111) of the alloy single crystal

Изобретение осуществл етс следующим образом.The invention is as follows.

Элементы выполн ют из закаленного сплава на основе системы медь - алюминий.The elements are made of a hardened copper-aluminum alloy.

например, Cu-AI-Ni или Cu-AI-Mn. Сплав гомогенизируют при 900-1000°С. Закалку сплава производ т из области температур стабильной бета-фазы, например, 900°С. При комнатной температуре после закалкиfor example, Cu-AI-Ni or Cu-AI-Mn. The alloy is homogenized at 900-1000 ° C. The alloy is hardened from the temperature range of a stable beta phase, for example, 900 ° C. At room temperature after quenching

0 такой сплав находитс в однофазном состо нии и имеет ГЦК решетку. Провод т поверхностный наклеп части различных граней монокристалла, например, обкаткой роликом Наклепанные участки играют роль мар5 кировочных знаков. С этой целью они могут выполн тьс в виде цифр, букв, различных знаков и других символов, удобных дл считывани информации. При поверхностном наклепе не превышают предел прочности,0 such an alloy is in the single phase state and has an fcc lattice. The surface hardening of parts of different faces of a single crystal is carried out, for example, by running with a roller. The riveted areas play the role of markers. For this purpose, they can be executed in the form of numbers, letters, various characters and other symbols convenient for reading information. When the surface work hardening does not exceed the tensile strength

0 близкой к пределу упругости. Это требование св зано с высокой хрупкостью сплава и невозможностью его пластической деформации раст жением, кручением, изгибом. Поскольку деформаци наклепа произво5 дитс только части одной грани монокристалла и. кроме того, поверхностно, она не может существенным образом изменить механические и другие характеристики всего элемента.0 close to the limit of elasticity. This requirement is associated with the high brittleness of the alloy and the impossibility of its plastic deformation by stretching, twisting, bending. Since the work hardening deformation is produced only parts of one face of a single crystal and. Moreover, superficially, it cannot significantly change the mechanical and other characteristics of the entire element.

0Сплав охлаждают ниже температуры0 The alloy is cooled below the temperature.

начала мартенситного превращени , например , до температуры жидкого азота. При этой температуре наклепанные участки облучают лазерным лучом. Облучение сплава,onset of martensitic transformation, e.g., to liquid nitrogen temperature. At this temperature, the hardened areas are irradiated with a laser beam. Alloy irradiation

5 охлажденного до низких температур, необходимо дл достижени высокой скорости автозакалки нагретых лазерным лучом участков монокристалла.5 cooled to low temperatures, it is necessary to achieve a high auto-hardening speed of the single-crystal regions heated by the laser beam.

Возможность формировани темпера0 турочувствительного сигнала основана на влении изменени селективности отражени видимого света сплавов системы медь - алюминий при мартенситном переходе. В / -состо нии поверхность сплава отражаетThe possibility of forming a temperature-sensitive signal is based on the phenomenon of a change in the selectivity of the reflection of visible light of the copper-aluminum system alloys at the martensitic transition. In / -the state of the alloy surface reflects

5 видимый свет преимущественного в желтой области спектра, а в мартенситном состо нии - в красной области. Разница цвета поверхности сплава в указанных состо ни х оказываетс достаточной дл фиксирова0 ни их по видимому спектру, например, с5, the visible light is preferential in the yellow region of the spectrum, and in the martensitic state in the red region. The difference in the color of the alloy surface in the indicated states is sufficient to fix them in the visible spectrum, for example, with

помощью спектрометра или визуально.using a spectrometer or visually.

Один температурочувствительный элементOne temperature sensing element

может формировать сигнал о достиженииcan generate a signal of achievement

температур начала Мн и конца М пр могоtemperatures of the beginning of Mn and the end of M

5 мартенситного превращени (при охлаждении ) и начала Ан и конца Ак обратного мартенситного превращени (при последующем нагреве) Например, дл сплава 82.4% Си - 13. 4%AI - 4.2%NI указанные температурные точки мартенситных переходов равны Мн 160°С, Ан 175°С, АК -110°С.5 martensitic transformations (with cooling) and the beginning of An and the end Ak of reverse martensitic transformations (with subsequent heating). For example, for an alloy of 82.4% Cu — 13. 4% AI — 4.2% NI, the indicated temperature points of martensitic transitions are Mn 160 ° C, An 175 ° C, AK -110 ° C.

При лазерном облучении происходит нагрев поверхности сплава в область существовани стабильной / -фазы с после- дующей автозакалкой нагретого сло скоростью охлаждени - 10 -10 град/с. Высока скорость охлаждени вызывает внутренние (закалочные) напр жени в поверхностном слое сплава, уровень которых определ ет понижение температуры Мн. Изменение электросопротивлени монокристаллических образцов сплава Cu-AI-Ni показало, что Мн пр мого мартенситного перехода в облученном образце понизилась на 8°С, а АН - на 6°С. Вследствие этого в поверхностных сло х облученных участков мартенситный переход начиналс при более низкой температуре и они имели исходный желтый цвет, в то врем как остальные необлученные участки, претерпевшие мар- тенситное превращение, изменили цвет на красный. По возникновению цветового контраста можно зафиксировать температуру Мн. При дальнейшем охлаждении облученные участки претерпевали мартен- ситное превращение и по исчезновению цветового контраста можно было фиксировать температуру Мк. Последующий нагрев мартенситных образцов приводил к возник- новению контраста при начале обратного мартенситного превращени , а затем исчезновению его при завершении обратного превращени . Это позвол ло фиксировать температуры Ам и Ак. During laser irradiation, the surface of the alloy is heated to the region of the existence of a stable / -phase with a subsequent auto-hardening of the heated layer with a cooling rate of 10 -10 deg / s. The high cooling rate causes internal (quenching) stresses in the surface layer of the alloy, the level of which determines the decrease in temperature Mn. The change in the electrical resistance of single-crystal samples of the Cu-AI-Ni alloy showed that the Mn of the direct martensitic transition in the irradiated sample decreased by 8 ° C, and the AN by 6 ° C. As a result, in the surface layers of the irradiated areas, the martensitic transition began at a lower temperature and they had the original yellow color, while the remaining non-irradiated areas that underwent martensitic transformation changed color to red. By the occurrence of color contrast, you can fix the temperature of Mn. Upon further cooling, the irradiated regions underwent martensitic transformation, and by the disappearance of the color contrast, it was possible to fix the temperature Mk. Subsequent heating of the martensitic samples led to the appearance of contrast at the beginning of the reverse martensitic transformation, and then to its disappearance at the end of the reverse transformation. This made it possible to fix the temperatures Am and Ak.

Многократные охлаждени и нагревы образцов с участками, облученными лазерным лучом, показали, что температуры начала и конца пр мых и обратных мартен- ситных переходов в дальнейшем{по сравне- нию с первым циклом мартенситных переходов) практически не измен лись. Кривые изменени электросопротивлени таких образцов после первого и сотого циклов охлаждени и нагрева практически сов- пали, а цветовой контраст не изменилс .Repeated cooling and heating of samples with areas irradiated with a laser beam showed that the temperatures of the beginning and end of the forward and reverse martensitic transitions later (as compared with the first cycle of martensitic transitions) practically did not change. The curves of changes in the electrical resistance of such samples after the first and hundredth cycles of cooling and heating almost coincided, and the color contrast did not change.

Указанна закономерность св зана с термоупругим характером мартенситных переходов, когда кооперативные сдвиги в кристаллических решетках происходили в одних и тех же кристаллографических системах при пр мых и обратных переходах и не вносили изменений в структурное состо ние высокотемпературной бета-фазы, спо- собных изменить ее свободную энергию, а значит Мн и Ак. Это показывает, что ресурс работы температурочувствительного элемента , изготовленного предлагаемым способом , практически не ограничен.This pattern is associated with the thermoelastic nature of martensitic transitions, when cooperative shifts in crystal lattices occurred in the same crystallographic systems with forward and reverse transitions and did not introduce changes in the structural state of the high-temperature beta phase capable of changing its free energy. , which means Mn and Ak. This shows that the service life of the temperature-sensitive element made by the proposed method is practically unlimited.

Были проведены эксперименты по определению режимов лазерной обработки монокристаллических образцов, обеспечивающих максимальный цветовой контраст при мартенситных переходах. Экспериментально установлено, что контраст уси-. ливалс при поверхностном наклепе монокристалла. Были наклепы и облучены лазерным пучком различные кристаллографические грани монокристалла сплава Си- A1-NI. Исследовали грани (111), (100), (110), а также грани с большим миллеровскими индексами (произвольна вырезка).Experiments were carried out to determine the laser processing modes for single-crystal samples that provide the maximum color contrast at martensitic transitions. It was established experimentally that the contrast is usi. at the surface hardening of a single crystal. Various crystallographic faces of a single crystal of the Cu-A1-NI alloy were hardened and irradiated with a laser beam. Investigated the faces (111), (100), (110), as well as faces with large Miller indices (arbitrary clipping).

Максимальный цветовой контраст наблюдали при облучении грани (И1) монокристалла , вл ющейс плоскостью плотнейшей упаковки в ГЦК структуре. Он усиливалс при облучении той же грани монокристалла при охлаждении его ниже Мн путем помещени в пары жидкого азота. Усиление контраста позвол ет повысить точность измерени темпера гурочувстви- телыюго сигнала и более надежную его без- контактную передачу.Maximum color contrast was observed when the single crystal face (I1) was irradiated, which is the plane of the closest packing in the fcc structure. It was amplified by irradiating the same face of a single crystal while cooling it below Mn by placing liquid nitrogen in vapors. Enhancing the contrast makes it possible to increase the accuracy of measuring the temperature sensitivity of the body signal and its more reliable contact-free transmission.

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 сплава с 82,4% Си - 13,4%А - 4.2-Ni протравливали дл удалени окислов. Эффект возникнове ни различного селективного отражени об- пученных и исходных участков сплава наблюдали начина с энергии луча 8 Дж. При этом сплав в результате облучени нагревалс до 900-1000°С. т.е. область/ -фазы . Микроструктурные исследовани показали, что зона теплового действи была равна 0,12 мм. Облучение при более низких энерги х луча не приводило к возникновению цветового контраста при охлаждении сплава в интервале мартенситного перехода . Цветовой контраст мало измен лс при повышении энергии луча. Гомогенизаци сплава в ft -области перед облучением лазерным лучом (3-10 ч) обеспечивала устойчивый цветовой контраст и равномерный однородный цвет как исходных, так и облученных участков граней монокристалла.Irradiation with a pulsed laser beam in argon was carried out on a Kvant-18M installation at a frequency of 0.3–0.8 Hz with a beam energy from 2 to 82 J. Previously, the surface of a single crystal of the alloy with 82.4% Cu — 13.4% A — 4.2 -Ni was pickled to remove oxides. The effect of the occurrence of various selective reflections of the exposed and initial sections of the alloy was observed starting from a beam energy of 8 J. The alloy was heated to 900-1000 ° C as a result of irradiation. those. area / -phase. Microstructural studies showed that the heat-affected zone was 0.12 mm. Irradiation at lower beam energies did not lead to the appearance of color contrast when the alloy was cooled in the martensitic transition range. The color contrast did not change much with increasing beam energy. Homogenization of the alloy in the ft region before irradiation with a laser beam (3–10 h) ensured a steady color contrast and a uniform uniform color of both the initial and irradiated portions of the single crystal faces.

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 позвол ет повысить степень минитюаризацииIn comparison with the known use of temperature-sensitive elements made by the proposed method, it provides a contactless transfer of a temperature-sensitive signal, increases the reliability of starting, relay and measuring devices. The absence of mechanical movements during the operation of the elements simplifies their use and allows to increase the degree of minimization

Claims

devices, One element can generate a signal about four temperature points, which leads to an expansion of the functionality of elements and devices in general. With an appropriate choice of the chemical composition of the Cu-AI alloy, it is possible to manufacture elements that are sensitive to different temperatures in the range from negative to room temperatures. The use of marks allows digital display and remote control of devices containing temperature-sensitive elements. The invention The method of manufacturing temperature-sensitive elements of the system alloys

five

copper - aluminum, mainly from single crystals, including hardening from the region, deformation, formation of marking marks of a given shape and size in the austenitic region, transfer of the alloy to the martensitic state, followed by heating to the austenitic region by a laser beam in the melting mode, characterized in that in order to increase - color contrast, performance by maintaining relief sensitivity and simplifying the method, the marks are formed immediately after quenching from the / -region with surface hardening on the edge nor the closest packing (III) of the single crystal alloy.