Проблемы машиностроения и надежности машин, 2020, № 1, стр. 91-95

Целью термической обработки является повышение механических свойств металла. Термическая обработка является конечной операцией технологического процесса при переработке материалов для обеспечения необходимых физико-механических и эксплуатационных характеристик для сплава заготовки.

Сплавы на основе титана и никеля обладают термоупругими мартенситными превращениями, такими как эффектом памяти формы и сверхупругостью [1].

В зависимости от условий эксплуатации, проявляемые эффекты способны выполнять “целенаправленную работу”. Сгруппируем применение таких материалов по условиям их использования: в условиях технологического применения – эффект памяти формы в деталях из сплавов за пределами температур эксплуатации; в эксплуатационных условиях – эффект памяти формы в деталях из сплавов при рабочих температурах; в условиях изменения параметров эксплуатации (температур, напряжений или их сочетаний), приводящих к эффекту памяти формы [2].

При использовании материала в определенных условиях, необходимо применять сплав, у которого критические точки мартенситных превращений будут соответствовать эффекту памяти формы, сверхупругости или комбинации этих эффектов. Например, генерируемые внутренние напряжения (напряжения термомеханического возврата) в сплаве при фазовых превращениях устанавливаются исходя из условия однократного или многократного использования эффекта памяти формы и/или сверхупругости.

Для получения физико-механических характеристик, при которых проявляется эффект памяти применяется термическая и термомеханическая обработка материалов.

Из-за особенностей сплава титан-никель можно выделить типовые группы термомеханической обработки:

1. На эффект памяти формы – формирование, закрепление вида и конфигурации заготовки, которую должна иметь готовая деталь в процессе ее эксплуатации. Структура материала приобретает стабильное расположение кристаллов при температурах выше 400°С. Например, при изготовлении пружины из проволоки. Если конфигурация заготовок совпадает с формой полуфабриката и проходит пластическая деформация материала в процессе производства полуфабрикатов, то при таких температурах термическая обработка на память формы не проводится. Например, для прессованных и горячекатаных прутков, труб, листов и т.п., которые имеют память прямолинейной формы.

2. На получение “односторонней памяти”. Эффект памяти формы может проявляться за пределами температур эксплуатации, при этом деталь принудительно деформируется в охлажденном состоянии и восстанавливает свои первоначальные размеры при нагреве.

3. На обратимое изменение формы. Эффект заключается в “самопроизвольной” деформации материала при прямом превращении (при охлаждении) и при обратном (нагреве) – восстановление исходной формы. Данный эффект проявляется многократно при циклах охлаждение-нагрев. Это явление, в соответствии с современной терминологией, принято обозначать как ОЭПФ или ОЭЗФ. Самопроизвольная деформация при охлаждении обусловлена наличием мартенситного сдвига в необходимом направлении. Наведение мартенситного сдвига инициируется изменением температур в области мартенситного превращения с приложением внешних воздействий на материал в аустенитном или мартенситном состоянии, а также при термоциклировании за счет фазового наклепа. Величина наведенного мартенситного сдвига и его стабильность зависят от очередности и видов мартенситного превращения, происходящих в материале. Высокий предел прочности (σ_в) и текучести (σ_т) аустенитной фазы и напряжений термомеханического возврата (σ_R) при восстановлении деформации мартенситной неупругости наблюдается при формировании субструктуры ячеистого типа с повышенной плотностью дефектов в предварительно упрочненных сплавах. Упрочнение материала осуществляется методами деформационного и фазового наклепа, а также дисперсионного твердения. После термической обработки при температурах 500–600°С генерируемые реактивные напряжения повышаются примерно в 2.5 раза, что приводит к восстановлению первоначальной формы.

4. На формирование двустороннего эффекта памяти формы (ДЭПФ). Деталь при охлаждении самопроизвольно деформируется в одном, затем в противоположных направлениях, а при нагреве та же деформация осуществляется в обратном порядке [3].

5. На корректировку температур мартенситного превращения в малых пределах. Корректировку температур мартенситного превращения в малых пределах можно осуществлять за счет изменения соотношений компонентов в матрице TiNi, растворяя или коагулируя интерметаллиды (Ti₂Ni или TiNi₃) из сплава титан-никель, которые прецизионно корректируют соотношение компонентов в матрице TiNi. Интервалы мартенситного превращения, температуры деформации детали в области мартенситной неупругости и восстановление этой деформации при нагреве зависят от свойств матрицы.

Зависимости температур фазового превращения сплава нитинола от атомарного состава Тi и Ni представлены в табл. 1, в которой приводятся характеристические температуры фазового превращения сплавов на основе соединения титан–никель (нитинол) с добавками железа, обладающего Эффектом памяти формы в зависимости от атомарного содержания в сплаве Ti и Ni и включения Fe.

На рис. 1 представлена часть диаграммы равновесия системы TiNi, в интервале температур 700–1400°С.

Рис. 1.

Диаграмма состояния сплавов на основе титана и никеля. Заштрихованная область – область существования TiNi.

Область гомогенности соединения TiNi довольно узкая и при температурах ниже 700°С не превышает 3%. При более высоких температурах (800–1000°С) растворимость значительно повышается, что позволяет иметь расплав с повышенным содержанием компонентов. При резком охлаждении (закалке), излишки растворенных компонентов выделяются в виде фаз Ti₂Ni или TiNi₃, в зависимости от обогащенности компонента, стабилизируя состав матрицы. Отклонение соотношения компонентов титан-никель от расчетного на 0.1% в матрице приводит к изменению температур мартенситного превращения примерно на 15°С. Меняя, при соответствующих режимах закалки и “старения”, количества вторичных фаз (Ti₂Ni и TiNi₃), удается с большой точностью регулировать состав матрицы, и, следовательно, устанавливать требуемые температуры мартенситного превращения. Сплавы с содержанием Ni более 50.5% (или дополнительно легированных Fe, Cu, Co) нагреваются до 800°С с последующим “старением” при 400–500°С [6], что является эффективным способом плавного регулирования температур мартенситных превращений в пределах 10–50°С, связанных с процессами выделения при закалке и обратного растворения вторичных фаз при “старении” [4].

6. Повышения термомеханических характеристик. Для конкретной партии материала физико-механические и термомеханические характеристики являются определяющими. Если интервалы температур мартенситного превращения M_s–M_f, по техническим условиям поставки и результаты контроля, соответствуют необходимым температурам эксплуатации деталей, то для снятия внутренних напряжений осуществляют термическую обработку [5].

Методика технологии применения термомеханической обработки сплавов на основе титана и никеля. При изготовлении эллипсовидного кольца из листовой заготовки в статье предложены и использованы технологические приемы, которые позволяют инициировать память формы для детали, отличающейся по форме от полуфабриката. Для этого прямолинейная заготовка при температуре ниже температуры конца мартенситного превращения М_f-деформируется и устанавливается в специальное приспособление и жестко фиксируется. В процессе термической обработки, при нагреве выше температуры начала аустенитного превращения А_s, заготовка стремится принять прямолинейную форму, но она заневолена специальным приспособлением, что препятствует процессу восстановления первоначальной формы и происходит пластическая деформация. Чтобы зафиксировать форму детали температуру нагрева необходимо поддерживать в пределах 450–500°С в течение 20–30 мин. Специальное приспособление для фиксации должно быть достаточно жестким, чтобы воспринимать генерируемые напряжения термомеханического возврата, возникающие в материале заготовки и не допускать каких-либо перемещений.

Внутренние напряжения, получаемые в процессе производства, при температурах ниже 400°С влияют на линейные размеры полуфабрикатов.

При изготовлении деталей из холоднокатаных листов необходимо стабилизировать внутренние напряжения. Холоднокатаные листы способны “разбухать” в пределах 4%, а прутки и проволока укорачиваться или удлиняться в зависимости от вида деформации. Для этого используется термическая обработка. Процесс формирования заданной формы состоит из деформации материала в мартенситном состоянии, жестком его фиксировании, нагреве в заневоленом состоянии до температур 450–500°С, охлаждении до нормальных температур и освобождения от приспособления. При такой температуре время выдержки определяется соотношением: 10 мин/1 мм максимального сечения заготовки.

Нагрев заготовок для деталей, конфигурация которых формируется механической обработкой по всем поверхностям детали, можно производить в открытой печи. При этом припуск под обработку детали должен составлять не менее 0.5 мм. Для деталей, у которых некоторые поверхности после термической обработки не подвергаются механической обработке, нагрев осуществляется в атмосфере в соответствии с требованиями, предъявляемыми к титановым сплавам (вакуум или аргон).

Выводы. Термомеханическая обработка для сплавов на основе Ti и Ni с эффектом памяти формы имеет ряд особенностей по сравнению с другими материалами. Для того, чтобы получить деталь с заданной формой и требуемыми характеристиками необходимо детально изучить особенности термомеханической обработки. В статье были предложены виды термомеханической обработки сплавов на основе Ti и Ni, их особенности и условия работы. Предложены технологии применения термообработки для деталей из сплава с эффектом памяти формы в зависимости от предварительной обработки и вида заготовки (полуфабрикатов).