Технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана
Представлены результаты исследований по получению способом магнитоуправляемой электрошлаковой плавки сплавов с эффектом памяти формы на основе никелида титана, и их последующей термомеханической обработки. Presented are the results of investigations for producing memory-shaped alloys on titanium nic...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96544 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана / И.В. Протоковилов, И.А. Скиба, Д.А. Петров // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 17-20. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859494609489494016 |
|---|---|
| author | Протоковилов, И.В. Скиба, И.А. Петров, Д.А. |
| author_facet | Протоковилов, И.В. Скиба, И.А. Петров, Д.А. |
| citation_txt | Технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана / И.В. Протоковилов, И.А. Скиба, Д.А. Петров // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 17-20. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Представлены результаты исследований по получению способом магнитоуправляемой электрошлаковой плавки сплавов с эффектом памяти формы на основе никелида титана, и их последующей термомеханической обработки.
Presented are the results of investigations for producing memory-shaped alloys on titanium nickelide base by the method of magnetically-controlled electroslag melting and their subsequent thermomechanical treatment.
|
| first_indexed | 2025-11-24T21:17:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.56.001.3
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
МАГНИТОУПРАВЛЯЕМОЙ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ
ПЛАВКИ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
НИКЕЛИДА ТИТАНА
И. В. Протоковилов, И. А. Скиба, Д. А. Петров
Представлены результаты исследований по получению способом магнитоуправляемой электрошлаковой плавки
сплавов с эффектом памяти формы на основе никелида титана, и их последующей термомеханической обработки.
Presented are the results of investigations for producing memory-shaped alloys on titanium nickelide base by the method
of magnetically-controlled electroslag melting and their subsequent thermomechanical treatment.
Ключ е вы е с л о в а : магнитоуправляемая электрошла-
ковая плавка; никелид титана; слиток; термомеханическая
обработка; деформация; проволока
Сплавы на основе никелида титана (Ti—53,5…57,0
Ni мас. %) являются функциональными материала-
ми, характеризующимся уникальными свойства-
ми – эффектом памяти формы и сверхупру-
гостью, – которые в сочетании с высокими значе-
ниями прочности и коррозионной стойкости, низ-
ким уровнем плотности, высокой биологической
совместимостью и низким модулем упругости обус-
ловливают эффективность его использования при
изготовлении медицинских инструментов и имплан-
татов, термочувствительных датчиков, различных
термомеханических устройств, соединительных
муфт и пр. [1—3].
Производство никелида титана сопряжено с
проблемой обеспечения строго заданного состава
металла, а также химической и структурной одно-
родности. Это вызвано тем, что комплекс его рабо-
чих характеристик, прежде всего температуры на-
чала и конца восстановления формы, определяемые
температурами прямого и обратного мартенситного
превращений фазы В2, существенно зависит от хи-
мического и фазового состава сплава. Для большин-
ства изделий значения температуры восстановления
формы должны соблюдаться с точностью до ±10 °С, а
в некоторых случаях, например для термочувстви-
тельных датчиков и изделий медицинского назна-
чения, – до ±1 °С [2].
Таким образом, к сплавам на основе TiNi
предъявляются высокие требования к точности сос-
тава (погрешность до 0,2…0,3 %) и их химической
однородности, что в свою очередь диктует необхо-
димость применения сложного многоступенчатого
технологического процесса для получения никели-
да титана. При этом произведенные слитки и полу-
фабрикаты подвергают полному тестированию и от-
бирают только небольшую часть от партии с требу-
емыми характеристиками, что, как следствие, ска-
зывается на цене готового металла (свыше 800 дол.
США за кг) [2].
© И. В. ПРОТОКОВИЛОВ, И. А. СКИБА, Д. А. ПЕТРОВ, 2012
Рис.1. Внешний вид установки для МЭП титановых сплавов
17
В настоящее время для производства сплавов на
основе никелида титана используют преимущест-
венно способы вакуумно-дугового переплава с рас-
ходуемым и нерасходуемым электродами [2, 4] или
индукционной плавки в графитовом или холодном
тигле [5—7]. Для повышения гомогенности металла
применяют многоразовый переплав (в некоторых
случаях до трех, четырех раз). Исследуются воз-
можности получения слитков никелида титана спо-
собом электронно-лучевой плавки с промежуточной
емкостью [8].
Несмотря на интенсивные работы по выплавке
сплавов системы TiNi задача обеспечения химической
и структурной однородности при их производстве ос-
тается чрезвычайно актуальной. Очевидно, что для
гарантированного воспроизведения
заданных характеристик никелида
титана необходимо использование
дополнительных средств воздейс-
твия на однородность металла.
Цель настоящей работы заклю-
чалась в исследовании процесса
выплавки слитков никелида тита-
на способом магнитоуправляемой
электрошлаковой плавки (МЭП)
[9, 10] и их последующей термоме-
ханической обработки для получе-
ния полуфабрикатов в виде плас-
тин и проволоки.
Основным отличительным приз-
наком процесса МЭП является
электромагнитное воздействие на
металлургическую ванну, что поз-
воляет получать сплавы с химичес-
кой однородностью металла и мел-
козернистой структурой [9, 10].
Процесс МЭП осуществляется
в электрошлаковой печи камерного
типа в контролируемой атмосфере
инертного газа, что сводит к мини-
муму взаимодействие металла с ат-
мосферными газами (рис. 1). Плав-
ку выполняют в медном водоох-
лаждаемом кристаллизаторе. При
этом наличие шлакового гарниса-
жа между жидкометаллической
ванной и стенкой кристаллизатора
минимизирует контакт расплава с
материалом кристаллизатора, а
также возможность загрязнения
выплавляемого металла. При электрошлаковом
процессе отсутствует испарение легирующих ком-
понентов, в результате чего создаются предпосылки
для точного «попадания» в заданный химический
состав сплава. Указанные особенности процесса
МЭП обусловливают перспективность его примене-
ния для получения слитков никелида титана.
Способом МЭП выплавляли слитки никелида
титана Ti—55Ni (мас. %) диаметрами 60, 80 и 100 мм.
Исходными компонентами служили титан губчатый
ТГ-90 (фракция —30 +10 мм) и никель полуфабри-
катный НП-2 в виде обрези фольги толщиной 0,3 мм.
Расходуемые электроды изготовляли способом
прессования исходных компонентов в трубу из спла-
Т а б л и ц а 1 . Параметры процесса МЭП никелида титана
№ переплава Тип электрода
Диаметр, мм
Uпл, В Iпл, А
Продолжительность
действия магнитного поля, с В, Тл
электрода слитка импульса паузы
1 Прессованный 38 62 30 1200 — — —
2 Литой 62 84 34 4000 1 10 0,14
2 » 62 100 36 4200 2 10 0,25
Рис. 2. Регистрограммы режимов МЭП никелида титана при первом (а) и втором (б)
переплавах
18
ва ВТ1 диаметром 38 мм,
длиной 800 мм. С помощью
обечайки из титановой тру-
бы обеспечивали дополни-
тельную прочность и элект-
ропроводность расходуемо-
го электрода. Для наведения
шлаковой ванны использо-
вали безкислородный флюс
АН-Т4. Полученные слитки
подвергали повторному пе-
реплаву, что связано с осо-
бенностями плавления прес-
сованного электрода, харак-
теризующегося существен-
ными колебаниями тока
плавки (рис. 2, а).
Задача электромагнит-
ного воздействия при повторном переплаве заклю-
чалась в гомогенизации химического состава метал-
ла и измельчении его кристаллической структуры
посредством импульсного воздействия продольным
магнитным полем. В данном случае в металлурги-
ческой ванне создаются азимутальные (вокруг оси
симметрии) течения расплава и электромагнитная
вибрация, усиленная гидродинамическими ударами
при включении импульсов магнитного поля [9-10].
Режимы плавки представлены в табл. 1 и на рис. 2.
Внешний вид и макроструктура продольного сече-
ния слитка второго переплава показаны на рис. 3.
Слиток характеризуется высоким качеством фор-
мирования боковой поверхности, отсутствием де-
фектов и трещин (рис. 3, а). При анализе макрос-
труктуры продольного сечения слитка включения
различного характера не обнаружены, структура ме-
талла является плотной и однородной (рис. 3, б).
Химический состав металла приведен в табл. 2.
Отклонение содержания титана и никеля по сече-
нию слитка не превышало 0,2 % и сопоставимо с
точностью проводимых анализов. Повышенное со-
держание в сплаве алюминия вызвано его наличием
в титановой трубе, используемой при прессовании
расходуемых электродов (0,62 мас. %).
Следующий этап работы состоял в оценке спо-
собности слитков никелида титана, полученных с
использованием технологии МЭП, подвергаться
термомеханической обработке. Предварительную
деформацию литого металла осуществляли спосо-
бом горячей прокатки в герметичном конверте при
температуре 850 °С. Процесс осуществляли в нес-
колько этапов с получением пластин толщиной 30,
14, 5 и 0,8 мм (рис. 4). Процесс прокатки проходил
стабильно. На поверхности пластин трещин, над-
рывов и других грубых дефектов не обнаружено,
что свидетельствует о хорошем металлургическом
качестве слитков и технологической пластичности
металла.
Из пластины толщиной 14 мм вырезали образцы
диаметром 8 и 10 мм, длиной 220 мм с целью пос-
ледующего изготовления проволоки.
Прокатку образцов осуществляли при комнат-
ной температуре в квадратных ручьях двухвалко-
вого прокатного стана. Для предотвращения обра-
зования дефектов на поверхности и внутри прутков
при обработке реализовали следующую деформа-
ционную схему: суммарная деформация между от-
жигами достигала от 40 на первых этапах прокатки
до 75 % на последних этапах обработки. Единичное
обжатие выбирали с учетом удельной поверхности
образцов, т.е. по мере увеличения общей степени
Т а б л и ц а 2 . Химический состав никелида титана,
полученного по технологии МЭП
Место анализа
Массовая доля элементов, %
Ti Ni Al O N H
Слиток. верх 44,8 54,7 0,17 Не определяли
Слиток, середина 44,9 54,6 0,16 0,09 0,016 0,002
Слиток, низ 44,7 54,8 0,18 Не определяли
Проволока 44,1 55,7 — »
Рис. 3. Внешний вид (а) и продольное сечение (б) слитка Ti—55Ni (мас. %) диаметром 100 мм
Рис. 4. Пластины сплава Ti—55Ni (мас. %) толщиной 14, 5 и 0,8 мм,
полученные способом горячей прокатки в герметичном конверте
19
деформации оно увеличивалось от 10 до 17 % за
проход. Данный режим позволил осуществить хо-
лодную деформацию заготовки из никелида титана
без дефектообразования, что свидетельствует о вы-
сокой степени гомогенности исходного материала,
а также получить проволоку квадратного сечения
1,2 1,2 мм, готовую к дальнейшему переделу (рис. 5).
Промежуточный отжиг выполняли в проходной
печи при температуре 560…580 °С со скоростью
нагрева от 10 (вначале прокатки) до 50 °С/с (на
последних стадиях деформации) без выдержки, с
охлаждением на воздухе.
Химический анализ полученной проволоки по-
казал некоторое снижение массовой доли титана в
металле (табл. 2), вызванное его угаром в процессе
многочисленных отжигов. Этот факт необходимо
учитывать для корректировки химического состава
металла при выплавке слитков.
Предварительные исследования свойств полу-
ченной проволоки показали наличие у металла эф-
фекта памяти формы. Температура начала восста-
новления формы проволоки, деформированной при
комнатной температуре, составляла около 84 °С,
что хорошо согласуется с литературными данными
для указанного сплава.
Таким образом, проведенные исследования по-
казали возможность получения способом МЭП из
исходных некомпактных шихтовых компонентов
слитков никелида титана требуемого химического
состава с хорошим формированием боковой повер-
хности, плотной однородной макроструктурой, без
трещин, пор, включений и прочих дефектов. Отра-
ботаны режимы деформации металла, получены по-
луфабрикаты в виде пластин и проволоки. Процесс
деформации проходил стабильно, что свидетельствует
о хорошей технологической пластичности металла.
Результаты проведенных работ показали перс-
пективность дальнейших исследований в области
МЭП никелидов титана, которые целесообразно
направить на определение оптимальных теплофи-
зических режимов выплавки слитков, разработку ре-
жимов их термомеханической обработки и всесто-
роннее исследование свойств полученного металла.
1. Хачин В. Н., Пушин В. Г., Кондратьев В. В. Никелид
титана: Структура и свойства. – М.: Наука, 1992. – 160 с.
2. Технология производства полуфабрикатов из сплава ТН1
на основе никелида титана с регламентированной структу-
рой и термомеханическими свойствами / А. А. Ильин,
И. С. Полькин, М. Ю. Коллеров и др. // Материалы
междунар. конф. «Ti-2007 в СНГ» (Ялта, 15—18 апр.
2007 г.). – Киев, 2007. – С. 214—221.
3. Применение титана и материалов на его основе в медицине /
А. А. Ильин, В. Н. Карпов, А. М. Мамонов, М. Ю. Колле-
ров // Материалы междунар. конф. «Ti-2006 в СНГ»
(Суздаль, 21—24 мая 2006). – Киев, 2006. – С. 234—237.
4. Методы выплавки сплавов системы никель—титан, восста-
навливающих первоначальную форму после пластической
деформации, и их служебные характеристики: Обзор па-
тентов / В. М. Ермаков, Б. Д. Николаев, Н. Н. Перева-
лов, Ю. А. Гранаткин // Электросталеплав. произ-во: Эк-
спресс-информ. – М: ЦНИИЧМ, 1976. – Вып. 3. – 8 с.
5. Выплавка сложнолегированных сплавов титана и интер-
металлидов в индукционной печи с холодным тиглем /
А. В. Александров, Е. А. Афонин, С. А. Дело и др. //
Материалы междунар. конф. «Ti-2010 в СНГ» (Екатерин-
бург, 16—19 мая 2010 г.). – Екатеринбург, 2010. –
С. 14—19.
6. Микроструктура и фазовый состав слитков никелида тита-
на, полученных в установке с холодным тиглем / А. И. Лот-
ков, С. Ю. Заводчиков, В. А. Котрехов и др. // Мате-
риалы междунар. конф. «Ti-2011 в СНГ» (Львов, 25—28
апр. 2011 г.). – Львов, 2011. – С. 223—233.
7. High quality vacuum induction melting of small quantities
of NiTi shape memory alloys in graphite crucibles / Frenzel J.
et al. // J. Aloys and Compounds. – 2004. – V. 385. –
P. 214—223.
8. Березос В. А., Тригуб Н. П. Получение сплавов с эффек-
том памяти формы на основе титана способом электронно-
лучевой плавки с промежуточной емкостью // Современ.
электрометаллургия. – 2011. – № 4. – С. 6—8.
9. Компан Я. Ю., Протоковилов И. В., Назарчук А. Т.
Магнитоуправляемая электрошлаковая плавка титановых
сплавов с дискретными воздействиями магнитных по-
лей // Материалы междунар. конф. «Ti-2008 в СНГ»
(Санкт-Петербург, 18—21 мая 2008 г.). – СПб, 2008. –
С. 96—99.
10. Компан Я. Ю., Протоковилов И. В., Назарчук А. Т.
Мелкозернистые слитки многокомпонентных титановых
сплавов // Теория и практика металлургии. – 2008. –
№ 2. – С. 35—40.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
Ин-т металлофизики им. Г. В. Курдюмова
НАН Украины, Киев
Поступила 27.03.2012
Рис. 5. Проволока сплава Ti—55Ni (мас. %) сечением 1,2 1,2 мм,
полученная с помощью холодной прокатки
20
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96544 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-24T21:17:47Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Протоковилов, И.В. Скиба, И.А. Петров, Д.А. 2016-03-18T10:28:56Z 2016-03-18T10:28:56Z 2012 Технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана / И.В. Протоковилов, И.А. Скиба, Д.А. Петров // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 17-20. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96544 669.187.56.001.3 Представлены результаты исследований по получению способом магнитоуправляемой электрошлаковой плавки сплавов с эффектом памяти формы на основе никелида титана, и их последующей термомеханической обработки. Presented are the results of investigations for producing memory-shaped alloys on titanium nickelide base by the method of magnetically-controlled electroslag melting and their subsequent thermomechanical treatment. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электрошлаковая технология Технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана Technological aspects of magnetically-controlled electroslag melting and thermomechanical treatment of titanium nickelide Article published earlier |
| spellingShingle | Технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана Протоковилов, И.В. Скиба, И.А. Петров, Д.А. Электрошлаковая технология |
| title | Технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана |
| title_alt | Technological aspects of magnetically-controlled electroslag melting and thermomechanical treatment of titanium nickelide |
| title_full | Технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана |
| title_fullStr | Технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана |
| title_full_unstemmed | Технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана |
| title_short | Технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана |
| title_sort | технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки и термомеханической обработки никелида титана |
| topic | Электрошлаковая технология |
| topic_facet | Электрошлаковая технология |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96544 |
| work_keys_str_mv | AT protokoviloviv tehnologičeskieaspektymagnitoupravlâemoiélektrošlakovoiplavkiitermomehaničeskoiobrabotkinikelidatitana AT skibaia tehnologičeskieaspektymagnitoupravlâemoiélektrošlakovoiplavkiitermomehaničeskoiobrabotkinikelidatitana AT petrovda tehnologičeskieaspektymagnitoupravlâemoiélektrošlakovoiplavkiitermomehaničeskoiobrabotkinikelidatitana AT protokoviloviv technologicalaspectsofmagneticallycontrolledelectroslagmeltingandthermomechanicaltreatmentoftitaniumnickelide AT skibaia technologicalaspectsofmagneticallycontrolledelectroslagmeltingandthermomechanicaltreatmentoftitaniumnickelide AT petrovda technologicalaspectsofmagneticallycontrolledelectroslagmeltingandthermomechanicaltreatmentoftitaniumnickelide |