Способ получения бесшовных труб из сплавов с памятью формы на основе никелида титана Российский патент 2024 года по МПК C22F1/18 B21B3/00 B23P15/22 

Изобретение относится к металлургическому производству, конкретно к получению бесшовных труб широкого сортамента из сплавов с памятью формы (СПФ) на основе никелида титана (TiNi) и может быть использовано для производства трубных заготовок СПФ TiNi, используемых для изготовления различных изделий технического и медицинского назначения (соединительных втулок для аэрокосмического применения, сердечно-сосудистых стентов и др.).

В настоящее время получение качественных бесшовных труб из никелида титана является сложной технологической задачей (до настоящего времени не решенной на территории Российской Федерации), ввиду ограниченной технологической пластичности никелида титана и отсутствием разработанных режимов деформационно-термической обработки полых заготовок. Для получения труб малого диаметра из СПФ TiNi в основном используют операцию волочения исходной полой трубной заготовки (гильзы), которую получают методом глубокого сверления (Adler P. et al. Effects of tube processing on the fatigue life of nitinol // Shape Memory and Superelasticity, 2018, v. 4, p. 197-217. ISSN 2199-3858). К альтернативным способам получения труб из СПФ Ti-Ni относятся применение прессования, в частности равноканального углового прессования (РКУП) (Патент США № 10,960,448 В1, МПК В21/С 23/12 C22/F 1/18, 2021 г.) или аддитивных технологий, в частности селективного лазерного плавления (Safaei K. et al. Torsional beha vior and microstructure characterization of additively manufactured NiTi shape memory alloy tubes. Engineering Structures, 2021, V. 226, p. 111383. ISSN 1873-7323).

Однако, в ближайшей перспективе получение длинномерных труб СПФ Ti-Ni с высоким качеством поверхности методами аддитивного производства является недостижимой задачей, ввиду ограниченного размера получаемых заготовок, сложности получения равномерного химического состава сплава, а также высокой стоимостью производственного процесса.

Использование прессования и в частности РКУП также имеет ряд недостатков, связанных с ограниченным размером исходной заготовки, необходимостью использования сложного оборудования, малой производительности технологического процесса и высоких затрат энергии.

Следует также учитывать, что выбранная технологическая схема, в особенности, используемые температурно-деформационные режимы обработки, напрямую влияют на конечный уровень эксплуатационных характеристик трубы. В большинстве работ, посвященных исследованию труб из никелида титана в качестве основного инструмента, позволяющего влиять на комплекс свойств, рассматривают только процесс последеформационной термической обработки, а технологические операции получения трубы и их влияние на структуру и свойства не учитываются. При этом хорошо известно, что применение специальных режимов термомеханической обработки позволяет добиться формирования в СПФ TiNi ультрамелкозернистой структуры и заметно повысить свойства.

Также известен целый ряд способов производства бесшовных труб из титана и его сплавов (Патент РФ № 2583566, МПК C22F 1/18 В21В 3/00 В21В 21/00, 2014 г.; Патент РФ № 2661125, МПК C22F 1/18 В21В 3/00 B21J 5/00, 2017 г.; Патент РФ № 2778319, МПК C22F 1/18 В21В 3/00 В21В 21/00 B21J 5/00, 2021 г.).

К недостаткам данных способов в первую очередь следует отнести ограниченную применимость к сплавам никелида титана из-за высоких прочностных свойств и особенностей структурно-фазового состояния при деформации, а также использование операции прессования для производства гильзы, что ограничивает как длину исходной заготовки, ввиду необходимости использования прессового оборудования, так и диаметр из-за высоких затрат энергии и стоимости оборудования.

Техническим результатом изобретения является получение качественных бесшовных труб из сплавов на основе никелида титана диаметром 10-70 мм и толщиной стенки 1,5-20 мм, обладающих заданными механическими и функциональными свойствами.

Технический результат достигается тем, что гильзу СПФ TiNi получают из исходного прутка с помощью формирования сквозного отверстия диаметром 1-5 мм с применением электроэрозионной супердрели на первом этапе и вырезания сквозного отверстия по двум контурам на станке электроэрозионной резки на втором этапе для получения гильзы и прутка из СПФ TiNi диаметром не менее 0,7 от диаметра формируемого отверстия, последующую раскатку гильзы на стане винтовой прокатки с относительной степенью деформации за проход не более 25% в температурном диапазоне 600-1000°С на подогреваемой оправке из инструментальной штамповой стали или без оправки для проведения операции редуцирования (уменьшения внутреннего диаметра трубы) с целью получения трубных заготовок с различной толщиной стенки и внутренним диаметром, а также заданными механическими и функциональными свойствами.

Сущность заявленного способа заключается в том, что изготовление гильзы проводят в два этапа с применением двух станков электроэрозионной резки по заранее подготовленному эскизу раскроя исходного прутка СПФ TiNi, что позволяет повысить коэффициент использования металла и соблюсти соосность получаемой гильзы. Использование данных технологический операция для получения гильзы позволяет повысить качество готовой трубной заготовки и снизить риск разрушения гильзы при винтовой раскатки из-за неравномерности деформации. В результате из исходного прутка получается гильза под последующую винтовую раскатку, а также пруток диаметром не менее 0,7 от диаметра полученного в исходном прутке отверстия, который можно использовать в качестве заготовки для получения различных полуфабрикатов СПФ TiNi методом обработки металлов давлением (прокатка, ротационная ковка и т.п.) или в качестве заготовки под вырезку гильзы для получения труб меньшего диаметра.

Раскатку полученной гильзы проводят в температурном интервале 600-1000°С на станах винтовой прокатки с ограниченной деформацией за проход (относительная степень деформации не более 25%) во избежание образования дефектов и разрушения заготовки СПФ TiNi. Температурный диапазон проведения деформации выбран исходя из возможности регулирования прочностных и функциональных свойств СПФ TiNi. Раскатка при температуре деформации ниже 600°С может привести к разрушению гильзы СПФ TiNi из-за понижения технологической пластичности материала, а также к увеличению затраченной энергии и повышенному износу оборудования. Прокатка при более высоких температурах нецелесообразна из-за повышения потерь металла при нагреве, связанного с окислением и ростом структурных элементов, который приводит к ухудшению пластичности и снижению конечных свойств.

В качестве оправки используется пруток из инструментальной штамповой стали, которая обеспечивает требуемую жесткость для формирования качественной внутренней поверхности трубы без потери формы. Перед проведением прокатки оправку подогревают до температуры 150-200°С для снижения температурного градиента между оправкой и гильзой СПФ TiNi для снижения риска захолаживания внутренний стенки гильзы и ее разрушения. Для изменения внутреннего диаметра гильзы применяется операция редуцирования, при которой раскатка гильзы осуществлялся без оправки.

Результаты апробации заявленного способа приведены в виде конкретного примера.

Пример №1

Гильзу получали из исходного прутка эквиатомного никелида титана с содержанием никеля 50,0 ат. % диаметром 40 мм и длиной 250 мм методом электроэрозионной резки с использованием двух станков. На первом этапе с использованием электроэрозионной супердрели SC 703 с медным электродом диаметром 2,4 мм и длиной 400 мм в заготовке никелида титана было вырезано сквозное отверстие диаметром 3 мм. После этого полученную заготовку устанавливали на высокоточный электроэрозионный станок SCT32-ST, работающий с использованием молибденовой проволоки диметром 0,16 мм, где происходила вырезка гильзы при резке по двум контурам. В результате была получена гильза из никелида титана с внешним диаметром 40,0 мм и толщиной стенки 10,0 мм и пруток диаметром 14,5 мм, который можно использовать для получения различных полуфабрикатов методом обработки давлением или в качестве заготовки под вырезку гильзы для получения труб меньшего диаметра.

На следующем этапе проводили раскатку полученной гильзы из никелида титана эквиатомного состава с внешним диаметром 40 мм и толщиной стенки 10 мм на трехвалковом стане винтовой прокатки СВП 70. Деформацию проводили при температуре 900°С. Охлаждение трубной заготовки после каждого акта деформации проводили на воздухе. В качестве оправки использовали пруток из нержавеющей стали марки 4Х5МФС диаметром 18,5 мм, который предварительно подогревали в печи до температуры 150-200°С. В качестве смазки для оправки использовали хозяйственное мыло. В результате проведении раскатки были получены трубные заготовки с различным диаметром и толщиной стенки - внешний диаметр/толщина стенки/длина в мм: 35,7/8,8/340, 33,0/6,4/325, 28,0/5,3/400, 25,5/3,3/258, а также 24,0/5,0/140 после операции редуцирования при раскатке без оправки.

Исследование механических и функциональных свойств полученных заготовок показало, что все они обладают требуемой твердостью 210^±20 ед. HV и температурным интервалов восстановления формы (75^±3-95^±3°С), которые остаются стабильными для всех полученных размеров трубных заготовок.

Исходя из представленного примера можно заключить, что благодаря заявленному способу удалось получить качественные трубные заготовки СПФ TiNi различного сортамента.

Технико-экономический эффект заявленного способа состоит в обеспечении возможности получения полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана, а именно качественных бесшовных труб широкого сортамента с заданными механическими и функционалами свойствами. Использование данных полуфабрикатов позволит значительно расширить сферу применения сплавов TiNi за счет создания новых устройств, действующих на основе эффекта памяти формы и используемых для изготовления различных изделий технического и медицинского назначения.

Изобретение относится к металлургическому производству, конкретно к получению бесшовных труб широкого сортамента из сплавов с памятью формы (СПФ) на основе никелида титана (TiNi), и может быть использовано для производства трубных заготовок СПФ TiNi, используемых для изготовления различных изделий технического и медицинского назначения (соединительных втулок для аэрокосмического применения, сердечно-сосудистых стентов и др.). Способ получения трубных заготовок из сплавов на основе никелида титана диаметром 10-70 мм и толщиной стенки 1,5-20 мм заключается в том, что гильзу СПФ TiNi получают из исходного прутка с помощью формирования сквозного отверстия диаметром 1-5 мм с применением электроэрозионной супердрели на первом этапе и вырезания сквозного отверстия по двум контурам на станке электроэрозионной резки на втором этапе, последующую раскатку гильзы на стане винтовой прокатки с относительной степенью деформации за проход не более 25% в температурном диапазоне 600-1000°С на подогреваемой оправке из инструментальной штамповой стали или без оправки для проведения операции редуцирования. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения качественных бесшовных труб широкого сортамента из сплавов на основе никелида титана, которые могут быть использованы в качестве полуфабрикатов для изготовления устройств, действующих на основе эффекта памяти формы и используемых в различных областях техники и медицины. 1 пр.

Способ получения бесшовных труб из сплавов с памятью формы на основе никелида титана диаметром 10-70 мм и толщиной стенки 1,5-20 мм, включающий изготовление гильзы из исходного прутка с помощью формирования сквозного отверстия диаметром 1-5 мм с применением электроэрозионной супердрели на первом этапе и вырезания сквозного отверстия по двум контурам на станке электроэрозионной резки на втором этапе, последующую раскатку гильзы на стане винтовой прокатки с относительной степенью деформации за проход не более 25% в температурном диапазоне 600-1000°С в зависимости от требуемого комплекса механических и функциональных свойств на подогреваемой оправке из инструментальной штамповой стали или без оправки для проведения операции редуцирования.