Сплав титана и никеля практически в равных пропорциях (45% и 55%) принято называть нитинолом или никелидом титана. Данному сплаву присущи такие свойства, как память первоначальной формы и сверхупругость.

Нитинол

Нитинол

Эффект памяти первоначальной формы нитинола выражается в способности при повышении температуры воздействия до порога фазового превращения восстанавливать деформированный профиль в исходное состояние, которое было придано нитинолу при определенной температуре.

Схема эффекта памяти

Схема эффекта памяти

Сверхупругость проявляется во время перехода при нагревании из одного структурного внутреннего состояния в другое. При достижении значения фазового превращения сплав как пружина принимает первоначальный вид.

Нитинол свое название получил путем сложения названий материалов (Ni – никель и Ti – титан) и лаборатории, где он был впервые получен (nol — Naval Ordnance Laboratory). Это произошло это в 1959 году.

Свойства нитинола

Физические свойства:

  • плотность нитинола – 6450 кг/м3;
  • плавление при температуре – 1300°С;
  • расширение при нагревании – 6,6·10-6;
  • тепловая проводимость – 18 Вт/м·град.;
  • упругость (модуль) – 40000 Па;
  • сверхупругость – выше стали в 20 раз;
  • сопротивление электротехническое – 76 Ом;
  • пластичность – высокая.

Нитинол – сплав, обладающий такими технологическими свойствами, как:

  • высокая коррозионностойкость;
  • высокая прочность;
  • запоминание исходного состояния;
  • восстановление до исходного состояния до 1 000 000 раз;
  • гашение вибраций;
  • допустимая деформация – 8%;
  • допустимое растяжение – до 12%;
  • внутреннее напряжение при восстановлении – 800 МПа;
  • предел прочности– 1000 МПа;
  • демпфирование – выше чугуна.

Из-за своих свойств нитинол плохо обрабатывается в холодном состоянии. Высокое значение упругости увеличивает силу трения и вызывает повышенный износ при контакте сплава с валами прокатных станов или штампов. При обработке резанием требуются высокотвердые материалы. Низкая теплопроводность препятствует отводу тепла от заготовки.

Сплав нитинол хорошо поддается обработке абразивными материалами – шлифованием, а также электроэрозионной и термической обработке. Резка из листового материала производится абразивным или лазерным способом.

К термической обработке предъявляются особые требования по причине того, что за счет нее производится регулирование температурного диапазона внутренних фазовых изменений. За образование обогащенных никелем фаз отвечает температура и продолжительность выдержки. При снижении количества молекул никеля в матрице повышается температурный предел фазовых изменений.

Способы придания соответствующих качеств нитинолу сочетают в себе холодную и термическую виды обработки. Этим же способом производится регулирование основных свойств нитинола.

Характеристика основного назначения нитинола (восстановление первоначальной формы) подразделяется на следующие типы:

  • Свободное восстановление. Измененная форма при низкой температуре восстанавливается при нагревании.
  • Принудительное восстановление. Процессы, протекающие внутри сплава аналогичны первому типу, но восстановление происходит при его умышленном подавлении. При этом возникают значительные внутренние напряжения.
  • Пружинные. При восстановлении изделия из нитинола происходит динамическое перемещение им другого предмета.

Производство нитинола осложнено тем, что трудно выдержать необходимые пропорции материалов, а при плавлении титан легко взаимодействует с кислородом, углеродом и азотом. При взаимодействии молекулы титана покидают кристаллическую решетку, и снижается температурный предел фазовых изменений.

Для производства нитинола в настоящих условиях широко используются такие методы плавления как:

  • вакуумно-дуговой;
  • вакуумно-индукционный.

Плавка вакуумно-дуговым методом осуществляется в среде вакуума, за счет образования дуги при пропускании электрического тока через сырье и плиту. Тигелем служит медная форма, оснащенная водяным охлаждением, которая препятствует проникновению сторонних элементов в расплав.

Плавка вакуумно-индукционным методом осуществляется за счет изменения (индукции) электрических полей, при этом происходит нагрев сырья. Процесс протекает под вакуумом. Тигель для данного плавления изготавливается из чистого углерода, поэтому в сплаве содержание углерода повышено.

В лабораторных условиях не доказано преимущество одного метода плавки над другим.

Также применяются и другие методы плавки:

  • плазменно-дуговая;
  • электронно-лучевая;
  • гарнисажная индукционная;
  • термо-вакуумическое осаждение.

Эффект памяти

Эффект памяти формы нитинола стал возможен благодаря изменению кристаллической решетки во время полиморфного превращения из фазы аустенита в фазу мартенсита.

Схема фазовых изменений нитинола

Схема фазовых изменений нитинола

Нагретый сплав имеет исходную фазу – аустенит. При понижении температуры сплава исходная фаза самопроизвольно переходит в дочернюю фазу – мартенсит. Процесс обратимый, поэтому при нагревании холодного нитинола фазовое превращение протекает в обратной последовательности. К тому же скорость превращения занимает доли секунды.

Температурные интервалы между началом и концом фазовых изменений выражены точками Ан, Ак для аустенита и Мн, Мк для мартенсита. Температурный диапазон составляет порядка 30°С.

Температурные интервалы

Температурные интервалы

Обладают эффектом памяти формы и другие сплавы, созданные на основе нитинола. При введении в него химических элементов как Fe, Mn, Cr, V, Ko температурный диапазон мартенситного превращения опускается до значения -190°С. Напротив Zn, No, Ta увеличивают данное значение почти до 100°С.

Применение

Благодаря своим уникальным качествам нитинол получил практическое применение во многих сферах нашей жизни:

  • Космическая и авиационная отрасли:
    1. антенны для искусственных спутников;
    2. плотные соединения (муфты), работающие в вакууме при низких температурах;
  • соединения авиационных элементов;
  • Системы безопасности:
    1. предохранители;
    2. тепловые датчики пожарной сигнализации;
  • автоматическое открывание рам для теплиц;
  1. регулятор температуры;
  2. бойлеры;
  • Роботизация (5 степеней подвижности одного узла);
  • Автомобильная отрасль:
    1. датчик температуры охлаждающей жидкости;
    2. включение противотуманок;
  • Нефтедобывающая отрасль (автоматизированное управление);
  • Медицина:
    1. сетки;
    2. нити;
  • костные импланты;
  1. штифты;
  2. фиксаторы;
  3. приспособления для реабилитации;
  • Мода;
  • Ювелирные украшения.

Самописцы в качестве привода используют нитинол. При подаче напряжения, когда изменяются контролируемые параметры, нитиноловая проволока нагревается. Происходит изменение длины проволоки, и перо с чернилами перемещается по диаграмме.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 
Порекомендуйте эту статью:
Оцените статью:
Очень плохоПлохоСреднеХорошоотлично (голосов: 8, в среднем: 4,88 из 5)
Загрузка...
 
 
Наверх!

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Подпишитесь на нашу рассылку! Будьте в курсе новинок, современных трендов, технологий!