Сплав на основе меди с эффектом памяти формы

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам с эффектом памяти формы. Цель изобретения - поэышение термической стабильности при 600° С и циклической прочности. Сплав содержит, мас.%: алюминий 9-11; кобальт 0,5-6; титан 0,5-6; цирконий 0,3-0,8; гафний 0,2-0,6; бор 0,015-0,1; медь остальное. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 22 С 9/01

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4745361/02 (22) 01.09.89 (46) 23.05.92. Бюл. ¹ 19 (71) Институт металлофизики АН УССР (72) Л.М.Неганов и Ю.Н.Коваль (53) 669.35 71(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1662119, кл. С 22 С 9/01, 18.04.90.

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам сплавов, из которых изготавливают термочувствительные элементы (ТЧЭ) для газоразрядных источников света (ГРИС), Известно сплавы на основе системы никель — титан, из которых изготавливают ТЧЭ дл я ра злич н ых зле ктротехн ических устройств.

Однако полученные ТЧЭ имеют относительно низкую температуру мартенситного превращения, а также обладают низкой термической устойчивостью при длительном функционировании в устройствах. Уже. на этапе сборки некоторых устройств, например на стадии запайки внешней колбы двухэлектродной ГРИС типа ДНаТ-400, имеет место сильное изменение параметров мартенситного превращения ТЧЭ, что зачастую приводит к отказам зажигания при первых часах работы изделия. Попытки улучшить термомеханические свойства ТЧЭ путем

„„ 42;„, 1 735416 А1 (54) СПЛАВ НА ОСНОВЕ МЕДИ С ЭФФЕК ТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам с эффектом памяти формы. Цель изобретения — повышение термической стабильности при 600 С и циклической прочности. Сплав содержит, мас.0 : алюминий 9 — 11; кобальт 0,5 — 6; титан 0,5 — 6; цирконий 0,3 — 0,8; гафний 0,2 — 0,6; бор

0,015 — 0,1; медь остальное. 1 табл. введения в технологический процесс вспомогательных операций не приводят к ожидаемым результатам, а лишь вызывают удорожание технологии производства ТЧЭ.

Попытки повысить термостойкость и циклопрочность сплавов путем введения в систему никель — титан упрочняющих химических элементов приводят к тому, что даже при очень тщательном перемешивании сплава в процессе плавки во всех случаях обнаруживается сильная ликвация из-за плохой растворимости титана с другими компонентами. Это приводит к сильному разбросу свойств ТЧЭ в изделиях, К существенным недостаткам следует отнести также сложности воспроизводства заданного состава сплава и экспрессного определения критических температур прямого и обратного мартенситных превращений по ходу плавки из-за проведения ее в защитной среде, а также трудностей, связанных с механической обработкой сплава по причине

1735416 плохой податливости при резании и вырубке.

Известен также сплав на основе меди, содержащий алюминий, марганец, кобальт, иттрий и бериллий, при следующем соотно- 5 шении компонентов, мас. :

Алюминий 12,8 — 13,7

Марганец 3,8-5,0

Кобальт 0,2-0,3

Иттрий 0,15 — 0,25 10

Бериллий 0,005 — 0,15

Медь Остальное

Однако полученный сплав после изготовления из него ТЧЭ имеет склонность к образованию остаточной деформации, ко- 15 торая не снимается нагревом выше температуры конца обратного мартенситного превращения. Особенно сильно этот недостаток проявляется при небольших деформациях выше точки Мя. Кроме этого, сплав можно использовать в основном лишь для 20 отрицательных температур. Это связано с тем, что введенные в состав сплава иттрий и бериллий после повышения области рабочих температур вызывают резкое упрочнение матрицы сплава, повышая ее хрупкость 25 и ограничивая при этом подвижность по границам зерен. В результате сплав приобретает весьма огрубленную структуру при наличии сравнительно высокой химической неоднородности во всем объеме слитка, 30

Известен также сплав на основе меди, содержащий, мас, ;

Алюминий 13,0-13,3

Марганец 3,4 3,6

Кобальт 0,5 — 0,6 35

Железо 0,2-0,3

Иттрий 0,07 — 0,12

Медь Остальное

Однако указанные содержание и соотношение компонентов не позволяют повы- 40 сить температуру мартенситного превращения, что существенно увеличивает время повторного зажигания ГРИС (после кратковременного включения источника напряжения питания), поскольку изготовлен- 45 ные из этого сплава ТЧЭ располагаются вблизи горелки (источника теплового и светового излучения) внутри откачан ной герметичной колбы, где топливообменные процессы между элементами конструкции 50 затруднены. В связи с этим используемый сплав обеспечивает перезажигание ГРИС после 50 — 55-минутной паузы охлаждения

ТЧЭ в интервал температур ниже точки прямого мартенситного превращения, что не 55 может удовлетворить известные технические требования по времени перезажигания ГРИС, Кроме этого, указанное соотношение компонентов сплава приводит к быстрому распаду высокотемпературной P фазы после 300 — 400 ч работы при

250 — 300 С. При этом в 3 — 5 раз уменьшается амплитуда перемещения подвижного конца, в 1,5-2 раза снижается энергия импульса напряжения зажигания ГРИС из-за снижения скорости перемещения подвижного контакта, увеличивается ширина гистерезиса срабатывания. Это приводит к отказу ГРИС.

Известен также сплав на основе меди, содержащий алюминий, марганец, железо, никель, ванадий, кремний и бор при следующем соотношении компонентов, мас. /:

Алюминий 9,5 — 12,2

Марганец 0,01 — 2,8

Железо 0,2-0,5

Никель 0,01 — 2,8

Ванадий 0,03-0,5

Бор 0,01 — 0,015

Кремний 0,01 — 0,2

Медь Остальное

Предложенный сплав имеет также относительно низкую термостойкость и циклическую прочность при работе в ГРИС, Уже после 3500 ч работы в лампе типа ДНаТ-400 имеет место аномальное изменение параметров мартенситного превращения в ТЧЭ.

При этом в 2 — 3 раза увеличивается исходная ширина гистерезиса мартенситного превращения, в 3 — 6 раз (в зависимости от химического состава сплава) снижается амплитуда перемещения подвижного контакта, в 2 — 4 раза уменьшаются усилия, развиваемые ма-. териалом при изменении и восстановлении исходной формы. Это приводит к преждевременному отказу зажигания ГРИС, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является сплав на основе меди, содержащий алюминий и кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.,;

Алюминий 9,5 — 12,2

Марганец 0,01 — 2,8

Железо 0,2 — 0,5

Никель 0,01 — 2,8

Ванадий 0,03 — 0,5

Кремний 0,01 — 0,2

Медь Остальное

Однако указанный сплав и соотношение его компонентов не обеспечивают достаточную термическую стабильность при

600 С и циклическую прочность, Цель изобретения — повышение термической стабильности при 600 С и циклической прочности, Поставленная цель достигается тем, что сплав дополнительно содержит титан, цирконий, гафний и кобальт при следующем соотношении компонентов, мас. :

1735416

10

20

50

Алюминий

Кобальт

Титан

Цирконий

Гафний

Бор

9 — 11

0,5-6,0

0,5-6,0

0,30,8

0,2 — 0,6

0,015 — 0;1

Остальное

Медь

Алюминий 9 — 11

Кобальт 0,5-6,0

Титан 0,5-6,0

Цирконий 0,3-0,8

Гафний 0,2 — 0,6

Бор 0,015 — 0,1

Медь Остальное

Содержание в сплаве титана в пределах

0,5 — 6,0 мас., обеспечивает повышение сопротивления полэучести, придает дополнительную коррозионную стойкость и высокую термоциклическую прочность ТЧЭ в условиях многократных включений ГРИС.

Уменьшение содержания титана в сплаве менее 0,5 мас. вызывает резкое снижение сопротивления ползучести сплава и его циклической выносливости, а увеличение содержания титана более 6 мас. приводит к образованию плохо растворимых микрообластей в объеме сплава, перенасыщенных карбидообразующими включениями, что приводит к появлению большого числа центров зарождения трещин.

Содержание в сплаве циркония в пределах 0,3 — 0,8 мас, повышает прочность и одновременно пластичность сплава, увеличивает радиационную устойчивость сплава, а также повышает термическую стойкость сплава. Введение циркония менее 0,3 мас, ведет к резкому снижению термической стойкости сплава, а введение циркония более 0,8 мас. приводит к повышению хрупкости сплава после сравнительно небольшой его деформации (до 0,8 ).

Содержание в сплаве гафния в пределах 0,2 — 0,6 мас. повышает жаропрочность сплава, улучшает технологию выплавки, поскольку цирконий и гафний в природе существуют вместе. По химическим свойствам гафний похож на цирконий вследствие почти одинаковых размеров ионов и полного сходства электронной структуры. Однако химическая BKTNBHocTb гафния несколько меньше, чем у циркония. Поэтому оба элемента дополняют друг друга в сплаве, обеспечивая при этом высокую жаропрочность при оптимальных параметрах упругопластических свойств материала. Однако уменьшение содержания гафния в сплаве менее 0,2 мас.; заметно снижает его жаропрочность, а увеличение более 0,6 мас. приводит к образованию в сплаве массивов, состоящих из тугоплавких включений, центры которых вызывают разрушение сплава в

"роцессе его термоциклирования.

Введение в сплав 5ора в пределах 0,0150,1 позволяет обеспечить мелкозернистость структуры сплава. Уменьшение бора в сплаве менее 0,015 повышает хрупкость, а увеличение более 0,1 приводит к образованию нерастворимых соединений, ухудшающих свойства ТЧЭ.

Выполнение сплавов в указанных пределах обеспечивает стабильность обратимого формоизменения ТЧЭ в течение 6 тыс,ч работы ГРИС s интервале температур 20-600 С.

Для экспериментальной проверки состава сплава было подготовлено 15 смесей ингредиентов, 10 иэ которых показали оптимальные результаты. В качестве присадок применяли лигатурные смеси химически чистых металлов медь — титан — цирконий— гафний, что позволило снизить содержание в сплаве оксидных включений, защитить сплав при плавке и разливке, уменьшить гаэонасыщение, поскольку окислы титана, циркония и гафния способны создавать тугоплавкие соединения, нерастворимые при достаточно высоких температурах, Литые образцы сплавов резали на пластинки размерами 0,3 х 2,5 х 30 мм, каждой из которых придавали обратимую память формы согласно известному способу изготовления термочувствительного элемента, Изготовленные ТЧЭ монтировали внутри внешних колб ламп типа ДНаТ-400 и после их запайки на стандартной автоматической линии подвергали контрольным испытаниям на время безотказной работы и количество вкл ючени й. При этом регистрировались: точки фазовых переходов, энергия импульса напряжения зажигания, количество теплосмен через интервал температур мартенситного превращения и время наработки на отказ ГРИС, Результаты испытаний ГРИС, содержащий предлагаемые сплавы, представлены в таблице.

Анализ результатов контрольных испытаний показывает, что сплавы предложенного состава имеют термическую стабильность работы в 2 раза выше при 600 С, а также в

2 — 3 раза более высокую циклическую прочность по сравнению со сплавом-прототипом.

Формула изобретения

Сплав на основе меди с эффектом памяти формы включающий алюминий и бор, о тл ича ющи йся тем,что,с целью повышения термической стабильности при 600 С и циклической прочности, он дополнительно содержит кобальт, титан, цирконий и гафний при следующем соотношении компонентов, мас. :

1735416

m

m 0 э л и

<1 и>

Ф а и IO

0. O и J

0. Е и ю с

z c

tO

Ф

»

c v

<с а

Ф С

Е»

0 Е и

3 и Ф о а

4l

z

Ф э л а

1 г

I 1

1 3

1 1 I сол т <чсила) гч

0 Л- 0 0»«0 — m т г т лтеет<ч

o o м «О т с»л о о о с:

-т <г э «4

-\ и -т

o <.4 о (ч а а м о л с>

-лв.0 л л<лла — a д -т -т е .» т (л -т <ч еооооооо

О и «4 О) < !Л М

-т <ч Mtnmof мм

С

-э -. -» Т > 0 о гз

-4

<Ч о а ео о c)

О а

) -.э

<и гл

<ч гч

О С>

«4..г

Г С 3 (4 о а

0»

МM о о

0 сэ с а.т о о

О -т

-т а! ь=;. (и о оо !

О: с>ао .»»ао а 1)оаоoоооо

° л 0 0 г (! Т 4 Т - 0 О с О ) О О О а Π— — — aс;с — o »со-т ос!

Л IA Г \ <Ч М.т ln I

1

0

Ф e) с

<С. <1

Ф

Е L» г

С, о с аз и

» и

3.с с»

z (1 и

Ф 0 х !и

Z 0 х с с 1 !!

1 1 И

0 Э» С

z Z» с

З Cl u Cl Ф

0 а Л С >-! L» 1 Ф Ф Х и !

С < Оаь С С . О О О O О О С. сэ О и с) О О а о о О< OOOO DOC. е 0 »3.» (ч — г <ч f ем 0<» 0 Оco-т 0)<чco tn ае лслан>еее(лл <4 (ч (ч:4 (4 !

<

lA н

1! Iи

z э а а

Ф Л

Ф

Сl

0 Ф

1 Ф С х и

4l >.

1 Б

Ф с s

0 х

1 X И

> »

1»

I

I

l

>. !

О О МЧ) ЕО (Ч 0СЗ<Ч вЂ”.—

<л м и) т е т

1

Н>ЕЛ(Ч О О 1 и мсом С (1-т м т м

1

1

1

1 ФЕ

С>

let

-Т

1 (4 1

Г4 I

> t

1 1 (1

1 1

1 1!

I 1

I х

1 1>

ОС< ЛС)40f М.ТОЕЛО4 0<0

Г 0 СГ!<Ч 1.(.! <З 0 СЗ 0>Г СЛ >О м т -т-т-э м-т-т мм(ч >. мм-т м(4 г м — RMr!с.tс:л(-т пса лc ..з 4>со

f «4Ã вЂ” 0400 0<С« IAf т»Г

-т. -т л-т- -" IR .f г: т-> т м-т M э

1 т.

CO ! и

1 и с >С

\ 1

:1

\

\ I

1 1

Н)

1 1 и

Е

1: I I 1 1 1

1 I 1 "! 1

1 1

1 1

1 1 1 1 1

О (Ч OOСЧ <1(3

ОООООО!

1 (>!л м а о .О 1 а o o" o o" a

1

Q Of0(OO» Q

1 о с> < <ч <ч о

1

Г (Ч<Ч "<3

13111>С»=ОС> (л м

<Э, „D

1 (3" (» C C

1 1 ! ! I 1 с -г -г

I I I I I СЭ (= < 4

1 оос»

O>

<ч «4 «4!

OаО !

1 а ь" ь

1 1 1 1

1

1 1

1 гэ н) - г -т а о а

» О <3 сз г 0 (.э с

o" a" сз о> а

О О С> с>" о" ь

Г о он

R i (» с (= (>

0 -г «..и <ч .с .т,о <ч из! гз

1

1 1 1 1 1

1

1 !

1 1 1 1 1 1 1

1 ! !

1 (» а f .О О О е

О

m л «о «4 сэ \ гч с> <ч — <Л = — Л вЂ” 0 (з о аь сз

"o -a а -е -in

СЛ (Л Л 4> (<» л

С

1ti

1„

1 ( -> е .>

С. с

55!

1 ! !

1

1

1

1 1

1 %

lt

1 S ll

O с z

I1 l 1

I 1. 1 и

I Ф 1

1 ! 1

3 $1

;:. н

„O

Iх c=

fC Е

2

Сl

4>

1 1 т 0 с

;> с

Ф

С

1l 1

1 Ф

» I г

j

Г> ! !

С

rO

С;

»

1 н

1

1

1 1

1

1 !

1 Г ! с

\ с 0».с(.>г) — си-т ом

° 0 ri (»с 0 лс(т

-э -т е -т -т е а—

<чO.«: >сиги тл > о — а э>1-. 0 0 c

-т —.r .т !л т tn tn-т -т н) м.». н\.тл (маем л г.!еоо

l0 iI 1.4Cl I 0ЛООЗ I .Г(э м .т ° т г т- ем-т<0-т r. J т

1 I I I I OOOOOOD

О Ь С> О Q О О D O О О

О Ь Э Q D C> O O» O I I 1 I 1

m tn > м л .С> а л — с

О Q D C> C» D Q O D » Ñ I I 1 I 1

О ОеОQIR«»лма .» M C) 0 0 Q a M Q C 0

0 « ) 0 Сз Ю 0 4» 0 4) а 0 1 а

0

z

0

Сэ

° I и!

C 1I и z з:

» Э 1

0 В

3- л

Ф 0

O I

u m

О 0.

I

I

\

1 с> о

IR

-J

1

l о о (О Си м <ч !

1 с! о .т (ч м ч !

1 о сэ с0 л м <ч