DE2516749C3

DE2516749C3 - Verfahren zum Herstellen von Metallkörpern mit wiederholt reversiblem Gestaltwechselvermögen

Info

Publication number: DE2516749C3
Application number: DE2516749A
Authority: DE
Inventors: Kazuyuki Itami Hyogo Enami
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: Osaka University NUC
Priority date: 1974-05-04
Filing date: 1975-04-16
Publication date: 1981-04-23
Also published as: US4019925A; FR2279857B1; JPS50148222A; DD117487A5; CA1059797A; FR2279857A1; DE2516749B2; JPS53925B2; DE2516749A1; GB1499404A; NL7505339A; CH615698A5

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Körpern aus Nickel-Aluminium-Legierungen mit dauerhaft reversiblem Gestaltwechselvermögen.

Es ist bekannt, daß bestimmte Gefüge gewisser Legierungs-Typen eine durch Temperatureinwirkung ausgelöste Gestaltrückverformung zeigen. Gemeint ist die Eigenschaft, daß Gegenstände, die aus solchen Legierungen bestehen und nach einer vorausgegangenen Wärmebehandlung anschließend innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches verformt worden sind, ihre ursprüngliche Gestalt wiedererlangen, wenn die betreffenden Gefüge bis über eine bestimmte Temperaturschwelle erwärmt werden. Es ist auch bekannt, daß diese Erscheinung im Zusammenhang mit einer Phasenumwandlung von einer bei niedrigerer Temperatur beständigen Phase in eine bei höherer Temperatur beständige Phase auftritt, und daß man diese Eigenschaft bei Legierungen findet, die eine Phase aus einer intermetallischen Verbindung von der Art des ß-Messings bilden. Solche Legierungen können beispielsweise bestehen aus Ni-Ti, Au-Cd, vi Ag-Cd, Cu-Zn und Cu-Al, sowie aus Systemen auf Eisenbasis wie Fe-Ni oder Fe-Cr-Ni, z. B. aus der Legierung für rostfreien 188-Stahl (18 Gew.-% Cr und 8 Gew.-<7r Ni). Dieses Verhalten, das bekannte Körper aufweisen können, ist jedoch nicht reversibel -,-> und auch nicht hctcrotrop, d. h. wenn eine ursprüngliche Verformung durch Erwärmen auf eine bestimmte Temperatur einmal rückgängig gemacht worden ist, kann der Gegenstand durch anschließendes Abkühlen den verformten Zustand nicht wieder einnehmen, bo Deshalb ist es nach dem bekannten Verfahren unmöglich, den Gestaltwechsel wiederholt stattfinden zu lassen.

Außerdem ist das Gestaltänderungsvermögen bei den bekannten Metallkörpern auch unvollkommen, d. h. der Ausgangszustand wird nicht wieder vollständig erreicht, so daß die Verwertung solcher Gegenstände nur auf einige wenige technische Anwendun-

gen beschränkt ist.

Beispielsweise sind bereits aus der US-PS 3 802 930 und der US-PS 3783037 Verfahren zum Herstellen von Gegenständen mit dauerhaft reversiblem Gestaltwechselvermögen bekanntgeworden, bei denen auf Gegenstände aus U-, Mn-Cu-, oder Ni-Ti-Legierungen, bzw. auf Gegenstände aus intermetallischen Cu-Verbindungen Verformungsbeanspruchungen (im Falle der erstgenannten Patentschrift in der Hochtemperaturphase) ausgeübt werden, um eine Rückverformungskraft zu induzieren, die jedoch relativ schwach ist.

In Metallurgical Transaction 2 (1971), 1487-1590 ist auch bereits eine Ni-Al-Legierung beschrieben, die aber nur ein irreversibles Gestaltwechselvermögen aufweist.

Der Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Körpern mit wiederholt reversiblem Gestaltwechselvermögen vorzuschlagen.

Unter »dauerhaft reversiblem Gesiaitwechseivermögen« (repeatedly reversible shape memory effect), im folgenden mit der englischen Abkürzung RSM bezeichnet, soll in diesem Zusammenhang die Eigenschaft verstanden werden, daß ein Gegenstand aus irgendeiner Legierung durch abwechselndes Abkühlen und Erwärmen immer wieder, sei es vollständig oder auch unvollständig, in reversibler Weise aus einer durch einmalige Verformung oder plastische Dehnung erzeugten Gestalt in seine Ausgangsgestalt zurückgebracht werden kann und umgekehrt.

Solche Körper werden erfindungsgemäß erhalten, wenn man Einkristalle aus Nickel-Aluminium-Legierungen mit einer der ^-Struktur des Messings (CuZn, kubisch raumzentriert gemäß CsCl-Typ) entsprechenden Phase aus martensitischem Gefüge einer besonderen Behandlung unterwirft. Derartige zur Erzielung der RSM-Eigenschaften geeigneten Legierungen werden im folgenden als RSM-Legierungen bezeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zu seiner Durchführung geeigneten Legierungen werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Spannungs-Dehnungs-Diagramm einer RSM-Legierungin vollständig martensitischem Gefügezustand,

Fig. 2 ein Schema für die Erprobung der RSM-Eigenschaft eines Gegenstandes gemäß Ausführungs-Beispiel 1.

In der weiteren Beschreibung werden noch folgende Bezeichnungen für bestimmte Temperaturniveaus bzw. Umwandlungspunkte verwendet:
Md-Punkt = höchste Temperatur, bei der der durch Abschreckung erhaltene metastabile Zustand einer Hochtempcratur-Ausgangsphase durch Verformung noch in Martensit übergeht;

Ms-Punkt = Temperatur, bei der sich Martensit-Gefügt; von selbst zu bilden beginnt. Mf-Punkt = Temperatur, bei der das gesamte

Gefüge in Martensit umgewandelt ist; As-Punkt = Temperatur, bei der sich beim Erwärmen die Hochtemperatur-Phase selbst auszubilden beginnt;

Af-Punkt = Temperatur, bei der das gesamte Gefüge reversibel in die Hochtemperatür-Phase umgewandelt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Körpern mit RSM-Eigenschaften ist dadurch gekennzeichnet, daß man einen Einkristall aus der bestimmten Legierung bei einer Temperatur unterhalb des Md-Punktes einer mechanischen Verformung aussetzt, deren Stärke so bemessen ist, daß die erste Streckgrenze des Martensits bis über die erste plastische Fließzone hinaus überschritten wird, die Beanspruchung aber unterhalb der Grenze bleibt, bei der eine starke bleibende Dehnung durch Gleiten einsetzt, d. h. dk Beanspruchung soll zwischen den Punkten A und B in Fig. 1 liegen.

Durch Erwärmen des verformten Einkristalls über den As-Punkt oder den Af-Punkt hinaus nimmt der Kristall ganz oder teilweise wieder seinen vor der Verformung bestandenen Ausgangszustand ein. Wird der Einkristall wieder unter den Ms-Punkt oder den Mf-Punkt abgekühlt, wandelt er sich wieder in den martensitischen Zustand um und kehrt dabei ganz in die durch die ursprüngliche Verformung erhaltene Gestalt zurück. So können Metallkörper mit RSM-Eigenschaften durch abwechselndes Abkühlen und Erwärmen wiederholt ihre Gestalt zwischen einem Ausgangszustand und einem verformten Zustand wechseln. Die erforderliche Verformung kann jede Art von bleibender Verformung einschließen, wie etwa Biegen, Verdrehen, Zug- oder Druckanwendung, Auswalzen, Ziehen oder Gesenkschmieden.

Wenn die Verformung nur so groß ist, daß gerade die erste Streckgrenze erreicht wird, wird die Ausgangsgestalt nach der Verformung nur einmal wieder erreicht, und ein dauerhaftes Gestaltwechseivermögen (RSM) stellt sich nicht ein. Wenn andererseits der größte Teil der plastischen Verformung auf einer Gleitverformung beruht (im Bereich jenseits des Punktes B in Fig. 1), wird die Ausgangsgestalt nicht wiedererlangt, so daß auch in diesem Fall keine RSM-Eigenschaft entsteht.

Wenn erfindungsgemäß eine Legierung mit intermetallischer Phase von der Art des /J-Messings (RSM-Legierung) im martensitischen Zustand verformt wird, erfolgt die erste plastische Verformung nicht wie bei gewöhnlichen Legierungen durch Gleiten. Die Verformung geschieht auf zwei Arten: erstens durch Zwillingsbildung in der martensitischen Phase und zweitens durch Bildung einer neuen Martensit-Phase. Für die zweite Art der Verformung bestehen wiederum zwei Varianten. Einmal kann durch die spannungsv< rursachte Martensitumwandlung ein im Aufbau vom Ausgangsgefügt· unterschiedlicher Martensit entstehen, zum anderen kann ein Martensit entstehen, der sich zwar nicht von dem Ausgangsgefüge unterscheidet, aber in anderer Richtung orientiert ist.

Die Erfindung betrifft Ni-Al-Legierungen aus 61 bis 65 At.-^ Nickel. Rest Aluminium. d<e neben anderen metallurgischen Vorteilen ausgezeichnete RSM-Eigenschaftcn besitzen. Zusammensetzung, Eigenschaften und Herstellung dieser Legierungen werden im folgenden beschrieben.

hm bevorzugtes Verarbeiiungsverfahren zur Herstellung dieser Legierungen besteht aus folgenden Verfahrensschritten:

a) Schmelzen der Ausgangsmaterialien in der angegebenen Zusammensetzung im Vakuum oder unter einem geeigneten Schutzgas (z. B. Argon) und langsames Erstarrenlassen der Schmelze.

b) Homogenisieren des aus der Schmelze erhaltenen Rohblockes zur Ausbildung eines grobkörnigen Gefüges oder einesEinkristalles in der ß'-Phase (Ausgangsphase höherei Temperatur);

c) Abschrecken des Einkristalls oder eines Teils des grobkörnigen Gefüges von einer Temperatur oberhalb 1000° C, aber unterhalb der Solidus-

temperatur der Legierung (in Wasser).
Vorteilhaft läßt man die Schmelze im Schmelztiegel selbst langsam erstarren und homogenisiert den Legieningsblock durch eine Wärmebehandlung bei etwa ι» 1100 bis 1400° C während einiger Tage.

Mit der angegebenen Verfahrensweise erhält man ein grobkörniges Gefüge oder Einkristalle.

Ein Einkristall aus der erfindungsgemäß behandelten Al-Ni-Legierung zeigt einen äußerst ausgeprägten η RSM-Effekt von hoher Genauigkeit und besitzt nebenbei hervorragende Werkstoffeigenschaften in bezug auf Lebensdauer, Zähigkeit und insbesondere Bearbeitbarkeit.

Es gibt aber auch noch andere Möglichkeiten zum :o Erzeugen von grobkörnigem Gefüge oder Einkristallen unter Einschluß einer Homogenisierungsbehandlung. Eine solche Verfahrensvariante besteht darin, daß man das Ausgangsmaterial in einer geeigneten Atmosphäre (z. B. Argon) erschmilzt, durch gerichtete Erstarrung nach der Methode von Bridgeman et. al. aus der Schmelze ein grobkristallines Gefüge oder Einkristalle züchtet, und einen Teil dieses grobkristallinen Gefüges oder einen Einkristall im Zustand der Ausgangsphase, d. h. der bei höherer Temperatur vorherrschenden ß'-Phase, einer Wärmebehandlung bei über 1000ⁿ C, aber unterhalb der Solidustemperatur der Legierung unterwirft und dann in Wasser abkühlt.

Wenn diese Legierungen nach Umwandlung in die Martensitphase als Folge der Wasserkühlung oder einer auf die Wasserkühlung folgenden Abkühlung auf noch tiefere Temperaturen einer Verformung bis über die erste plastische Fließzone hinaus unterworfen werden, weist das Gefüge hervorragende RSM-Ei- w genschaften auf.

Bei sprödem Gefüge hat sich eine zweistufige Verformung als vorteilhaft erwiesen, die aus einer Vorverformung durch Walzen und einer anders gearteten Endverformung, wie Biegen, Verdrehen od. dgl. besteht, wodurch man ebenfalls gute RSM-Eigenschaften erzielt. Allgemein soll die Vorverformung in einer anderen Richtung als die Endverformung verlaufen, wobei die durch die Vorverformung erzeugte Dehnung vorzugzsweise unter 5% liegt.
Mit einer Veränderung der Zusammensetzung der Legierung ändern sich auch der Ms-Punkt und der Af-Punkt. Beispielsweise liegt für eine Legierung aus 61 At.-Vc Nickel und 39 At.-% Aluminium der Ms-Punkt bei - 200° C und der Af-Punkt bei - 180° C, während die entsprechenden Werte bei einer Legierung mit 65 At.-^f Nickel 300° C bzw. 320° C betragen. In diesem Zusammensetzungsbereich ändern sich der Ms- und der Af-Punkt geradlinig mit dem Atom-%-Gehalt an Nickel. Auf diese Weise hat man es in bo dei Hand, durch geeigneie Auswahl der Legieiungszusammensetzung den Temperaturbereich festzulegen, in dem der RSM-Gestaltwechsel vor sich gehen . soll. Mit Legierungen aus 61 bis 65 At.-% Nickel und dem Rest Al können die RSM-Eigenschaften in einem b5 Temperaturbereich von - 200° C bis + 300° C nutzbar gemacht werden.

Das Phänomen der erfindungsgemäßen RSM-Eigenschaft findet in der Technik nicht nur eine breite

Anwendung, wie etwa für viele temperaturabhängige Schaltvorgänge, sondern hat auch den Vorteil, daß es für lange Zeit beständig ist und ein stabiles Verhalten zeigt, da es gegen Korrosions- und Temperatureinflüsse unempfindlich ist.

Die beschriebenen Ni-Al-Legierungcn besitzen gegenüber bekanrtiten martensitischen Legierungsgefügen vom ^-Messing-Typ eine höhere Härte und demzufolge überlegene RSM-Eigenschaften, so daß sie für alle möglichen technischen Anwendungen, insbesondere auch in der Feinmechanik geeignet sind.

Den erfindungsgemäßen RSM-Legierungen können zur Beeinflussung der Legierungseigenschaften andere Elemente zugemischt werden, solange die Martensitumwandlung nicht beeinträchtigt wird.

Wie aus der bisherigen Beschreibung hervorgeht, sind die erfindungsgemäß behandelten Körper mit RSM-Eigenschaften von außerordentlicher technischer Bedeutung. Als Temperaturfühlerz. B. kann ein solcher Fühler immer wieder benutzt werden, wobei sich der reversible Wechsel zwischen einer Ausgangsgestalt und einem verformten Zustand äußerst genau wiederholt.

Da weiterhin die Ms (Mf)- und As (Af)-Punkte der erfindungsgemäßen Legierungsgefüge von äußeren Krafteinwirkungen, wie z. B. Druck, abhängig sind, können die betreffenden Legierungen auch für druckempfindliche Bauteile eingesetzt werden.

Beim Einbau in eine Schaltvorrichtung kann ein erfindungsgemäß behandelter Körper die Funktion eines temperaturerregten Schaltkontaktes übernehmen. Ferner können mit irgendeiner beliebigen Vorrichtung, die entweder elektrisch, magnetisch oder optisch die Gestalt (Länge, Dicke, Auslenkwinkel od. dgl.) eines Teils mit RSM-Eigenschaften abtastet, z. B. mit einem Differentialtransformator, einem Kondensator, magnetischen Geber oder auch Lichtzeiger. Temperatur und Druckimpulse übertragen werden, wenn dafür ein erfindungsgemäß behandelter Körper verwendet wird.

Die RSM-Legierungen besitzen eine hohe chemische Beständigkeit z. B. gegenüber oxidierenden Atmosphären oder Säuren, so daß chemische Anlagen ein erfolgversprechendes Einsatzgebiet für ihre Verwendung darstellen.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert.

Ausführungsbeispiel

Verwendet wurde eine Al-Ni-Legierung mit 63,2 AX.-^f Nickel und Aluminium als Rest. Der Ms-Punkt Jag bei + 50° C, der Af-Punkt bei +70° C.

Eine Legierung der angegebenen Zusammensetzung wurde durch Erschmelzen im Vakuum hergestellt und anschließend langsam abgekühlt. Nach dem Abkühlen wurde der Metallblock durch eine Wärmebehandlung bei etwa 1300° C während einer Dauer von drei Tagen homogenisiert, wodurch ein grobkörniges Gefüge entstand, aus dem ein Einkristall von etwa 3 bis 5 cm Durchmesser entnommen wurde.

Ein aus dem Einkristall herausgearbeitetes Plätt

chen von 0,3 mm Dicke wurde durch Abschrecken von 1250° Cin Wasser in martensitisches Gefüge umgewandelt. Durch Kaltwalzen bei Raumtemperatur mit etwa 3% Vorstreckung und anschließendes Biegen mit 24 mm Biegeradius wurde ein Plättchen mit RSM-Eigenschaften erhalten. Beim Erwärmen über den Af-Punkt nahm das Plättchen wieder vollständig seine Ausgangsgestalt ein (100% Rückverformung). Beim folgenden Abkühlen unter den Af-Punkt kehrte das Plättchen wieder in seine gebogene Gestalt mit einem Krümmungsradius von 24 mm zurück. Bei weiteren Aufheiz- und Abkühl-Zyklen stellte sich der gebogene Zustand immer wieder voll ein. Fig. 2 veranschaulicht diesen Vorgang.

Fig. 2(1) zeigt ein Plättchen, das durch Abschrekken des Gefüges von einer Temperatur von 1300° C in Eiswasser in den martensitischen Zustand umgewandelt und dann durch Walzen bei Raumtemperatur um 7>^c/( gestreckt wurde. Das Plättchen wurde, wie in Fig. 2 (1) dargestellt, gebogen und an einem Ende eingespannt.

In Fig. 2 (2) ist angedeutet, wie das Plättchen nach Erwärmen mit einem Gasfeuerzeug (über den Af-Punkt) wieder seine ebene Ausgangsgestalt angenommen hat.

Fig. 2 (3) veranschaulicht, daß das Plättchen beim Abkühlen in Luft auf Raumtemperatur wieder in seine gebogene Gestalt zurückkehrte.

Die in den Fig. 2 (2) und 2 (3) gezeigten Zustände können durch ein wiederholtes Anheben und Absenken der Temperatur wechselweise immer wieder hergestellt werden.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es nicht zulässig, daß das Ausmaß der Vorstreckung durch

Walzen 5% überschreitet. Zum Erzielen der RSM-Eigenschaften bei anschließender Biegeverformung sollte die Anfangsdehnung durch Walzen sogar unter 3% bleiben.

Bei Anwendung einer Druckverformung wurden die gleichen RSM-Eigenschaften erzielt. Das erforderliche Verformungs-Ausmaß muß auch bei Druckverformung den Punkt A in Fig. 1 überschreiten. Der genau erforderliche Betrag ändert sich möglicherweise mit der Kristallorientierung, der Probeabmessung und der Zusammensetzung. Im Falle einer 4x4x7 mm großen Probe aus einer Legierung mit 64 At.-°tc Nickel und Aluminium als Rest betrug die notwendige Verformung etwa 5%. Bei Verformungen unterhalb dieser Grenze nimmt der RSM-Effekt ab oder bleibt fast ganz aus.

Die im Beispiel verwendete Legierung wird im allgemeinen als spröde angesehen; es konnte aber nachgewiesen werden, daß diese Sprödigkeit hauptsächlich auf dem Vorhandensein der Korngrenzen aus der Ausgangsphase (Phase höherer Temperatur) beruht und dementsprechend bei Verwendung von Einkristallen aus der Ausgangsphase eine ausgezeichnete Bearbeitbarkeit erreicht wird. Daher sollten zur Herstellung von Gegenständen mit RSM-Eigenschaften

bo aus einer Ni-Al-Legierung stets Einkristalle aus der Ausgangsphase verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Metallkörpern mit wiederholt reversiblem Gestaltwechselvermögen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einkristall aus einer martensitischen Ni-Al-Legierung vom Typ des /J-Messings, die aus 61 bis 65 At.-% Nickel und im übrigen aus Aluminium besteht, bei einer Temperatur unterhalb des Md-Punktes einer Verformungsbeanspruchung unterworfen wird, welche die erste Streckgrenze des Martensitkristalls aus dieser Legierung bis über die erste plastische Fließzone überschreitet, jedoch unterhalb derjenigen Grenze bleibt, bei der starke bleibende Dehnung durch Gleiten einsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Verformungsbeanspruchung aus einer Vorverformung und einer Endverformung besteht, die in unterschiedlichen Richtungen ausgeübt werden, und daß diese Vorverformung weniger als 5% beträgt.

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