Биметаллическая композиция и элемент из нее
Владельцы патента RU 2335401:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого (RU)
Изобретение относится к материалам с памятью формы, а именно к биметаллическим композициям и элементам из них, и может найти применение в радиотехнике, приборостроении, например, в электрических реле, регуляторах, термореле, в элементах термоклапанов. Биметаллическая композиция содержит слой из материала с эффектом памяти формы и второй слой из материала с упругими свойствами. Причем второй слой выполнен из материала, коэффициент объемного расширения которого меньше, чем у материала с эффектом памяти формы. Биметаллический элемент выполнен из указанной композиции. Технический результат - увеличение степени формовосстановления биметалла при высоких деформирующих нагрузках и исключение дополнительных упругих контрэлементов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к материалам с памятью формы и может найти применение во всех областях техники, где используются биметаллы на основе латуни: в электрических реле, регуляторах, термореле, в элементах термоклапанов и т.п.
Известны биметаллы на основе меди, в которых два слоя материала имеют различные коэффициенты объемного расширения и поэтому различное объемное или линейное расширение при нагревании, что обеспечивает перемещение элемента в пространстве (см. Оцупа К., Симидзе К., Судзуки К. "Сплавы с эффектом памяти формы", перевод с японского, М., Металлургия, 1990 г., 150 с.).
Недостатком в работе биметаллов является зависимость точности перемещения элемента в пространстве от точности изготовления каждого слоя биметалла по толщине. Даже незначительное отклонение толщины каждого слоя или общей толщины биметаллической ленты даст при нагревании различное объемное приращение, а следовательно, и отклонения от заданного рабочего положения в пространстве.
Материалы с памятью формы также позволяют обеспечивать нужное положение элемента при определенной температуре, однако изменение температуры не позволяет вернуть элемент в исходное положение. Для этого силовые элементы из материала с памятью формы работают в паре с упругими элементами: контрпружинами, упругими пластинами, лепестками и т.п.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является материал с эффектом памяти формы с модифицированной поверхностью, состоящий из основы, выполненной из никелида титана и модифицированного поверхностного слоя, образованного облучением низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком (см. RU №2259415, С22С 14/00, 2005 г.). Однако степень формовосстановления этого материала при высоких деформирующих нагрузках недостаточно большая.
Задачей изобретения является увеличение степени формовосстановления биметалла при высоких деформирующих нагрузках и исключение дополнительных упругих контрэлементов.
Для решения данной задачи предложена биметаллическая композиция, у которой один слой выполнен из материала с памятью формы, а другой слой из материала с высокими упругими свойствами. Активные элементы из такой биметаллической композиции будут осуществлять рабочее перемещение при нагреве за счет реактивных усилий, развивающихся в слое из материала с памятью формы. А возврат в исходное положение на этапе охлаждения будет происходить в результате постоянно действующих сил во втором слое при одновременной релаксации напряжения в первом слое из сплава с эффектом памяти формы.
Такому элементу при работе не требуются дополнительные контрэлементы. В этом заключается новизна предлагаемого технического решения.
Аналогичный технический результат может быть получен, если второй слой такой биметаллической композиции будет иметь коэффициент объемного расширения меньше, чем материал с памятью формы. Рабочее положение элемента в пространстве в этом случае будет обеспечиваться вышеописанными мартенситными превращениями, но разница в коэффициентах объемного расширения материалов в слоях приведет к образованию внутренних напряжений в слое с меньшим коэффициентом объемного расширения. За счет работы этих сил снижение температуры позволит обеспечить возврат элемента в исходное положение.
Для пояснения изобретения предложен чертеж, на котором представлено изображение слоев биметаллической композиции, где 1 - слой материала с памятью формы, 2 - слой материала, обеспечивающего упругие свойства, или материал с коэффициентом объемного расширения, меньшим, чем у материала первого слоя.
Предложенное изобретение осуществляется следующим образом. Изготовленный биметаллический элемент тренируют термоциклированием, например, для осуществления поворота на определенный угол. При этом для придания упругих свойств второму слою биметаллический элемент подвергают термообработке, как всякую "пружинную" сталь. Термоциклирование биметаллического элемента не оказывает влияния на полученные в результате термообработки упругие свойства второго слоя.
Элемент из исходного положения I при повышении температуры до температуры обратного мартенситного перехода за счет преобразований в слое из материала с памятью формы перемещается в положение II, преодолевая упругие силы во втором слое. Снижение температуры до температуры начала мартенситного превращения приводит к тому, что первый слой начинает терять упругость за счет эффекта пластичности превращения, и упругие силы второго слоя возвращают элемент в положение I.
В случае использования в качестве второго слоя материала с меньшим коэффициентом объемного расширения возврат потерявшего упругость первого слоя будет осуществлен за счет линейного сокращения второго слоя.
Предлагаемая биметаллическая композиция лишена недостатка известных биметаллов и позволит в производстве элементов автоматики обойтись без жестких технологических требований.
1. Биметаллическая композиция, содержащая слой из материала с эффектом памяти формы и второй слой из материала с упругими свойствами, отличающаяся тем, что второй слой выполнен из материала, коэффициент объемного расширения которого меньше, чем у материала с эффектом памяти формы.
2. Биметаллический элемент, выполненный из композиции, содержащей слой из материала с эффектом памяти формы и второй слой из материала с упругими свойствами, отличающийся тем, что второй слой выполнен из материала, коэффициент объемного расширения которого меньше, чем у материала с эффектом памяти формы.
