RU2367713C2 - Processing method of ultra-fine-grained alloys with effect of shape memory - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: for improvement of functional properties of alloys with simultaneous increase of labour productivity and energy conservation of its manufacturing alloy is subject to annealing for removal of strains and plastic deformation multiple-pass with providing of total veritable degree of deformation e≥1. Deformation is implemented at temperature lower the temperature of martensite transformation of steel and combined with influence of pulse current of density 10-1000 A/mm², of frequency 100-10000 Hz and pulse duration 10-1000 microseconds. Direction of deformation at each pass is changed to opposite, and after deformation it is implemented heating of alloy by means of passing of unidirectional pulse current.

EFFECT: effective receiving of nano-structural and ultra-fine-grained semi-finished products in the form of wire, sheet, strip and foil of thin and super-thin section with keeping or increasing of service properties.

4 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к электропластической формообразующей обработке ультрамелкозернистых сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ) на основе интерметаллического соединения TiNi с целью значительного повышения их деформационной способности и служебных свойств и может быть использовано в металлургии, машиностроении и медицине. Особенно привлекательно его использование в медицинских приборах и устройствах для травматологии, ортопедии, стоматологии, минимально-инвазивной хирургии и в других хирургических устройствах в виде имплантатов и инструментов.The invention relates to electroplastic shaping processing of ultrafine alloys with shape memory effect (EPF) based on the TiNi intermetallic compound in order to significantly increase their deformation ability and service properties and can be used in metallurgy, mechanical engineering and medicine. Its use in medical devices and devices for traumatology, orthopedics, dentistry, minimally invasive surgery and other surgical devices in the form of implants and instruments is especially attractive.

Известны способы термомеханической обработки сплавов титан-никель с эффектом памяти формы для улучшения их механических и функциональных свойств. Например, способ выявления эффектов запоминания формы в сплавах на основе титана мартенситного и переходного классов (патент РФ №2115760, МПК С22F 1/18, 20.07.1998 г.) включает закалку, пластическую деформацию и нагрев.Known methods for thermomechanical processing of titanium-nickel alloys with a shape memory effect to improve their mechanical and functional properties. For example, a method for detecting the effects of shape memory in alloys based on titanium of martensitic and transitional classes (RF patent No. 21115760, IPC C22F 1/18, 07/20/1998) includes hardening, plastic deformation and heating.

Известен также способ изготовления сверхупругого сплава никель-титан с эффектом памяти формы (JP 6065741, МПК С22F 1/10, опубл. 24.08.94 г, ИСМ, вып.48, №10/97), согласно которому сплав, содержащий 50-51 ат.% никеля, остальное - титан, подвергают отжигу, холодной деформации со степенью деформирования 15-60%, а затем фиксируют определенную форму сплава и нагревают его до 175-600°С.There is also known a method of manufacturing a superelastic nickel-titanium alloy with a shape memory effect (JP 6065741, IPC C22F 1/10, publ. 24.08.94 g, ISM, issue 48, No. 10/97), according to which the alloy containing 50-51 at.% nickel, the rest is titanium, subjected to annealing, cold deformation with a degree of deformation of 15-60%, and then a certain shape of the alloy is fixed and heated to 175-600 ° C.

Известен также способ получения сплавов TiNi методом теплого равноканального углового прессования при температурах 400-450°С, который позволяет создать ультрамелкозернистую структуру с размером зерен 250-500 нм в прутках диаметром от 8 мм и выше (Патент РФ №2266973, опубл. в Бюллетене №36, 27.12.2005).There is also known a method for producing TiNi alloys by the method of warm equal-channel angular pressing at temperatures of 400-450 ° C, which allows you to create an ultrafine-grained structure with grain sizes of 250-500 nm in rods with a diameter of 8 mm and above (RF Patent No. 2266973, published in Bulletin No. 36, 12/27/2005).

Недостатками известных способов является использование малых и средних степеней деформации, необходимость проведения промежуточных отжигов и невозможность формообразования изделий тонкого сечения из-за низкой деформационной способности упрочненных или ультрамелкозернистых сплавов.The disadvantages of the known methods is the use of small and medium degrees of deformation, the need for intermediate annealing and the inability to form products of thin section due to the low deformation ability of hardened or ultrafine alloys.

Известно, что технологическая пластичность при обработке металлов давлением может быть значительно улучшена при использовании электропластического эффекта - введении в зону деформации электрического тока. Например, в монокристаллах чистых металлов (Zn, Ni, Ti) и крупнозернистых сплавах конструкционного назначения (сталь, сплавы на основе W) пластическая деформация в сочетании с током позволяет повысить технологическую пластичность на 50-100% (Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов, в 2-х томах, т.1. - М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004). Известен способ обработки металлов давлением, в котором деформация осуществляется совместно с электрическим током (заявка №2005127525, дата публикации 10.04.2007). Данный способ ограничен металлическими крупнозернистыми материалами, в которых тепловое действие тока не имеет существенного влияния на структурную стабильность деформируемого материала. Однако в ультрамелкозернистых сплавах с эффектом памяти формы влияние возможного нагрева при пропускании тока на функциональные и механические свойства может быть значительным вследствие их низкой термической стабильности, связанной с высокой плотностью дислокации и границ зерен в структуре.It is known that technological plasticity in metal forming can be significantly improved by using the electroplastic effect — by introducing an electric current into the deformation zone. For example, in single crystals of pure metals (Zn, Ni, Ti) and coarse-grained structural alloys (steel, W-based alloys), plastic deformation in combination with current can increase technological plasticity by 50-100% (Troitsky O.A., Baranov Yu. .V., Avraamov Yu.S., Shlyapin AD Physical foundations and technologies for processing modern materials, in 2 volumes, vol. 1. - M.-Izhevsk: Institute of Computer Research, 2004). A known method of processing metals by pressure, in which the deformation is carried out in conjunction with electric current (application No. 2005127525, publication date 10.04.2007). This method is limited to metallic coarse-grained materials, in which the thermal effect of the current does not have a significant effect on the structural stability of the deformable material. However, in ultrafine-grained alloys with a shape memory effect, the influence of possible heating during current transmission on the functional and mechanical properties can be significant due to their low thermal stability associated with a high dislocation density and grain boundaries in the structure.

В качестве прототипа выбран способ получения сверхупругого титан-никелевого сплава с эффектом памяти формы (JP 58161753, МПК С22F 1/10, опубл. 26.09.1983 г.), включающий предварительную закалку крупнозернистого сплава, последующую холодную деформацию прокаткой со степенью инженерной деформации ≥20% (или истинной деформацией е=0.2) и отжиг при температуре 250-550°С.As a prototype, a method for producing a superelastic titanium-nickel alloy with a shape memory effect (JP 58161753, IPC С22F 1/10, publ. 09/26/1983) was selected, including preliminary hardening of a coarse-grained alloy, subsequent cold deformation by rolling with a degree of engineering deformation ≥20 % (or true strain e = 0.2) and annealing at a temperature of 250-550 ° C.

Недостатками способа являются использование исходно крупнозернистых сплавов, относительно низкие степени деформации (е<1), слабое диспергирование структуры, необходимость проведения длительных промежуточных отжигов при многоходовой прокатке, не позволяющие достигать высоких эксплуатационных свойств, производительности и энергосбережения. Способ не позволяет совместить операции прокатки и отжига.The disadvantages of the method are the use of initially coarse-grained alloys, relatively low degrees of deformation (e <1), poor dispersion of the structure, the need for lengthy intermediate annealing during multi-pass rolling, which do not allow to achieve high performance, productivity and energy saving. The method does not allow to combine rolling and annealing operations.

Задача изобретения - формообразование тонких и супертонких полуфабрикатов в виде листа, проволоки, полосы (толщиной менее 1.0 мм) из объемных ультрамелкозернистых сплавов TiNi с эффектом памяти формы с одновременным сохранением или улучшением функциональных свойств за счет повышения деформационной способности и дополнительного структурного измельчения деформируемого материала.The objective of the invention is the shaping of thin and superthin semi-finished products in the form of a sheet, wire, strip (less than 1.0 mm thick) from bulk ultrafine-grained TiNi alloys with a shape memory effect while maintaining or improving functional properties by increasing the deformation ability and additional structural grinding of the deformable material.

Поставленная задача достигается следующим способом. Ультрамелкозернистый сплав TiNi с эффектом памяти формы в отожженном состоянии при комнатной температуре подвергают деформации с истинной степенью деформации е>1, которая в отличие от прототипа сопровождается введением в зону деформации электроимпульсного тока, причем на каждом этапе деформации параметры тока варьируются в зависимости от режимов деформации.The task is achieved in the following way. An ultrafine-grained TiNi alloy with a shape memory effect in the annealed state at room temperature is subjected to deformation with a true degree of deformation e> 1, which, unlike the prototype, is accompanied by the introduction of an electric pulse current, and at each stage of deformation, the current parameters vary depending on the deformation modes.

Кроме того, рекомендуется:In addition, it is recommended:

- менять направление деформации при каждом шаге;- change the direction of deformation at each step;

- осуществлять нагрев сплава электроимпульсным током после деформации;- carry out heating of the alloy by electric pulse current after deformation;

- использовать однополярный ток.- use unipolar current.

Предложенный способ обеспечивает получение полуфабрикатов тонкого сечения из ультрамелкозернистых сплавов с эффектом памяти формы при многоходовой прокатке с повышенной деформационной способностью е>1 без разрушения и промежуточных отжигов, получение однородной наноструктуры с размером зерен <100 нм за счет электростимулирования пластической деформации. Способ позволяет управлять параметрами наноструктуры и обеспечивать комплекс высоких механических и функциональных свойств в широком диапазоне, совмещать термическую и деформационную обработку в одном технологическом цикле.The proposed method provides for the preparation of thin-section semi-finished products from ultrafine-grained alloys with a shape memory effect during multi-pass rolling with increased deformation ability e> 1 without fracture and intermediate annealing, and obtaining a homogeneous nanostructure with grain size <100 nm due to electrical stimulation of plastic deformation. The method allows you to control the parameters of the nanostructure and to provide a set of high mechanical and functional properties in a wide range, to combine thermal and deformation processing in one technological cycle.

Таким образом, предложенная совокупность признаков способа позволяет получить новый эффект, приводящий к формообразованию изделий тонкого сечения со значительным улучшением физико-механических, функциональных свойств обрабатываемого материала, а также повышения производительности и снижения энергозатрат. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию «Изобретательский уровень».Thus, the proposed combination of features of the method allows to obtain a new effect, leading to the shaping of products of thin section with a significant improvement in the physicomechanical, functional properties of the processed material, as well as increasing productivity and reducing energy costs. This allows us to conclude that the claimed invention meets the criterion of "Inventive step".

Способ осуществляют следующим образом. Исходную заготовку, в частности, полосу из сплава титан-никель в ультрамелкозернистом состоянии после термической обработки для снятия напряжений подвергают многоходовой электропластической деформации. Например, помещают ее в клеть прокатного стана с генератором импульсного тока и осуществляют многократную прокатку с током с целью накопления высокой истинной степени деформации (е≥1) при температуре не выше температуры прямого мартенситного превращения для получения сечения толщиной менее 1 мм и формирования однородной наноструктуры. Количество проходов (накопленная истинная степень деформации) определяется исходной и конечной толщиной заготовки, а также требуемыми параметрами структуры для достижения тех или иных свойств.The method is as follows. The initial billet, in particular, a strip of titanium-nickel alloy in an ultrafine-grained state after heat treatment to relieve stresses, is subjected to multi-way electroplastic deformation. For example, they place it in a mill stand with a pulsed current generator and carry out repeated rolling with current in order to accumulate a high true degree of deformation (e≥1) at a temperature not higher than the direct martensitic transformation temperature to obtain a section with a thickness of less than 1 mm and the formation of a homogeneous nanostructure. The number of passes (the accumulated true degree of deformation) is determined by the initial and final thickness of the workpiece, as well as the required structure parameters to achieve certain properties.

Электропластическая прокатка при температурах выше комнатной может приводить к деградации ультрамелкозернистой структуры из-за ее низкой термической стабильности и происходящего при этом интенсивного роста зерен и снижения прочности.Electroplastic rolling at temperatures above room temperature can lead to degradation of the ultrafine-grained structure due to its low thermal stability and the resulting intensive grain growth and reduced strength.

Для повышения технологической пластичности и формирования определенного типа микроструктуры с целью достижения одновременно высокой прочности и пластичности заготовки используется импульсной ток плотностью 10-1000 А/мм², частотой 100-10000 Гц, длительностью 10-1000 мкс.To increase technological ductility and the formation of a certain type of microstructure in order to achieve both high strength and ductility of the workpiece, a pulsed current with a density of 10-1000 A / mm ² , a frequency of 100-10000 Hz, and a duration of 10-1000 μs is used.

Электропластический эффект импульсного тока снижается при температурах выше комнатной, плотности тока ниже 10 А/мм², длительности импульса менее 10 мкс и более 1000 мкс.The electroplastic effect of the pulsed current decreases at temperatures above room temperature, current density below 10 A / mm ² , pulse duration less than 10 μs and more than 1000 μs.

Все состояния сплавов, полученные методом электропластической прокатки, характеризуются более высокими служебными свойствами по сравнению со свойствами прототипа. Исходя из конкретных требований к материалу, варьируя режимы пластической деформации и импульсного тока, можно получить состояния, имеющие различное сочетание свойств - деформируемости, прочности, обратимой деформации, температуры проявления эффекта памяти формы.All states of alloys obtained by electroplastic rolling are characterized by higher service properties compared with the properties of the prototype. Based on the specific requirements for the material, varying the modes of plastic deformation and pulse current, it is possible to obtain states with a different combination of properties — deformability, strength, reversible deformation, temperature of the manifestation of the shape memory effect.

Возможно осуществление дополнительного этапа для наведения в сплаве эффекта памяти формы, заключающегося в нагреве деформированной заготовки импульсным током. Такая обработка необходима для медицинских сплавов, в которых используется многократный эффект памяти формы.It is possible to carry out an additional step for inducing the shape memory effect in the alloy, which consists in heating the deformed workpiece with a pulsed current. Such processing is necessary for medical alloys that use the multiple shape memory effect.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

Исходным материалом является ультрамелкозернистая полоса сечением 2×6 мм и длиной 200 мм сплава Ti_49.3 Ni_50.7, полученная методом интенсивной пластической деформации, например равноканальным угловым прессованием прутка и последующей его разрезкой. Предварительно отожженную для снятия внутренних напряжений полосу подвергают многоходовой прокатке с током при температуре около 0°С, скорости 60 мм/с со сменой направления в двухвалковом стане с единичным обжатием по сечению 10% до конечной толщины 0.2 мм, в результате чего достигается накопленная истинная степень деформации е>2.3. Параметры импульсного тока, вводимого в зону деформации, регулируются генератором и составляют: плотность тока 100 А/мм², частота и длительность импульсов 1000 Гц и 80 мкс соответственно.The starting material is an ultrafine-grained strip with a section of 2 × 6 mm and a length of 200 mm of the Ti _49.3 Ni _50.7 alloy obtained by the method of intensive plastic deformation, for example, by equal-channel angular pressing of a bar and its subsequent cutting. The strip preliminarily annealed to relieve internal stresses is subjected to multi-way rolling with current at a temperature of about 0 ° C, a speed of 60 mm / s with a change of direction in a two-roll mill with a single compression over a cross section of 10% to a final thickness of 0.2 mm, resulting in an accumulated true degree deformations e> 2.3. The parameters of the pulsed current introduced into the deformation zone are regulated by the generator and are: current density 100 A / mm ² , pulse frequency and duration 1000 Hz and 80 μs, respectively.

На последнем этапе деформированную заготовку подвергали нагреву импульсным током при плотности тока 200 А/мм².At the last stage, the deformed workpiece was subjected to heating by a pulsed current at a current density of 200 A / mm ² .

Структурные состояния, режимы обработки, результаты механических испытаний и определения функциональных свойств полученной заготовки приведены в таблице. Для сравнения приведены данные заготовки, обработанной по способу-прототипу (режим 2).Structural states, processing modes, results of mechanical tests and determination of the functional properties of the obtained workpiece are given in the table. For comparison, the data of the workpiece processed by the prototype method (mode 2).

Как показывают полученные результаты, прокатка с током (режимы 3 и 4) позволяет в несколько раз повысить степень максимальной деформации е без разрушения, уменьшить размер зерен на три порядка и повысить прочность (σ_B, σ_0,2), реактивное напряжение σ_r ^max, максимальную обратимую деформацию ε_r ^max и сохранить достаточную пластичность (δ) по сравнению с прототипом (режим 2). При этом температура обратного мартенситного превращения A_f близка к температуре человеческого тела, что обеспечивает применимость сплава для медицинских целей.As the results show, rolling with current (modes 3 and 4) allows several times to increase the degree of maximum deformation e without fracture, reduce grain size by three orders of magnitude and increase strength (σ _B , σ _0.2 ), reactive stress σ _r ^max , the maximum reversible deformation ε _r ^max and maintain sufficient ductility (δ) compared with the prototype (mode 2). The temperature of the reverse martensitic transformation A _f is close to the temperature of the human body, which ensures the applicability of the alloy for medical purposes.

Совместное действие импульсного тока и пластической деформации приводит к дополнительному повышению предела текучести сплава при сохранении заметного для практических целей запаса пластичности. Импульсный нагрев позволяет улучшить функциональные свойства (режим 5).The combined action of the pulsed current and plastic deformation leads to an additional increase in the yield strength of the alloy while maintaining a ductility margin noticeable for practical purposes. Pulse heating improves the functional properties (mode 5).

Таким образом, предложенный способ обработки ультрамелкозернистых сплавов позволяет получать полуфабрикат тонкого сечения без промежуточных отжигов, уменьшить размер зерен в структуре до нанодиапазона, за счет чего существенноThus, the proposed method for processing ultrafine-grained alloys allows to obtain a semi-finished product of thin section without intermediate annealing, to reduce the grain size in the structure to the nanoscale, due to which

повысить механические и функциональные свойства обрабатываемого материала и использовать его в ответственных технических конструкциях и устройствах, в том числе в медицине;to increase the mechanical and functional properties of the processed material and use it in critical technical structures and devices, including medicine;

уменьшить размер зерен в структуре до нанодиапазона, за счет чего существенно повысить механические и функциональные свойства обрабатываемого материала и использовать его в ответственных технических конструкциях и устройствах, в том числе в медицине.reduce the grain size in the structure to the nanoscale, due to which it is possible to significantly increase the mechanical and functional properties of the processed material and use it in critical technical structures and devices, including medicine.

Claims (4)

1. Способ обработки титан-никелевого ультрамелкозернистого сплава с эффектом памяти формы, включающий пластическую деформацию сплава в несколько проходов с обеспечением суммарной истинной степени деформации е≥1, отличающийся тем, что перед пластической деформацией осуществляют отжиг для снятия напряжений, а пластическую деформацию осуществляют при температуре ниже температуры мартенситного превращения сплава и совмещают с воздействием импульсного электрического тока плотностью 10-1000 А/мм², частотой 100-10000 Гц и длительностью импульса 10-1000 мкс.1. A method of processing a titanium-nickel ultrafine alloy with a shape memory effect, including plastic deformation of the alloy in several passes with a total true degree of deformation e≥1, characterized in that annealing is performed before stress deformation to relieve stresses, and plastic deformation is carried out at a temperature below the martensitic transformation temperature of the alloy and is combined with exposure to a pulsed electric current density of 10-1000 a / mm ^2, frequency of 100-10,000 Hz, and pulse duration 10-1000 ms. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластическую деформацию осуществляют с изменением направления деформации на каждом проходе на противоположное.2. The method according to claim 1, characterized in that the plastic deformation is carried out with a change in the direction of deformation in each passage to the opposite. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после пластической деформации осуществляют нагрев сплава пропусканием импульсного тока.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that after plastic deformation, the alloy is heated by passing a pulse current. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют однополярный импульсный ток. 4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that they use a unipolar surge current.