DE3326890C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Legierungen mit Formgedächtnis (Shape-Memory-Legierungen) auf Kupferbasis, die hohe Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsbruch sowie hohe Duktilität besitzen und die insbesondere hohe Deformierbarkeit in der Martensitphase zeigen.

Der Form-Erinnerungseffekt (Shape-Memory-Effekt) von Legierungen mit Formgedächtnis (Shape-Memory-Legierungen) ist auf den Übergang aus der bei hohen Temperaturen vorliegenden β-Phase in die thermoelastische Martensitphase bei niederen Temperaturen zurückzuführen. Dieser Effekt ist entweder irreversibel oder reversibel. Anwendungszwecke, bei denen der irreversible Formgedächtnis-Effekt ausgenutzt wird, finden sich bei Anschlußteilen und Kupplungen und zu Anwendungszwecken unter Ausnutzung der reversiblen Effekts gehören Fenster- Öffnungsvorrichtungen, Ventilschalter, thermisch gesteuerte Wasser-Sprinkler und Sicherheitsschalter sowie thermisch angetriebene Vorrichtungen, wie Wärme­ kraftmaschinen.

Typische Formgedächtnis-Legierungen, die industriell für die vorstehend erwähnten Anwendungszwecke angewendet werden können, sind Cu-Zn-Al-Legierungen, die im wesentlichen aus 10 bis 45 Gew.-% Zn und 1 bis 10 Gew.-% Al und zum restlichen Anteil aus Cu und zufälligen Verunreinigungen bestehen. Jedoch sind diese Formgedächtnis- Legierungen auf Kupferbasis nicht sehr verläßlich, weil sie niedere Duktilität sowohl bei hohen Temperaturen (β-Phase) als auch bei niederen Temperaturen (Martensit-Phase) besitzen und daher zum Ermüdungsbruch neigen. Die geringe Duktilität der Martensitphase führt dazu, daß diese Phase geringe Deformierbarkeit besitzt. Der Formgedächtnis-Effekt von Form­ gedächtnis-Legierungen besteht jedoch in einer Deformation in der Martensitphase bei niederen Temperaturen und in der Rückkehr in die ursprüngliche Gestalt in der β-Phase bei erhöhten Temperaturen; daher hängt das Verhalten von Formgedächtnis-Legierungen weitgehend von der Deformierbarkeit der Martensitphase ab. Wenn die Deformierbarkeit der Martensitphase gering ist, wird die Wiederherstellung der ursprünglichen Gestalt verringert und die gewünschte Arbeitsleistung ist nicht erzielbar. Diese Gesetzmäßigkeit stellt einen begrenzenden Faktor bei der Gestaltung von industriellen Vorrichtungen dar, in denen Formgedächtnis-Legierungen auf Kupferbasis angewendet werden.

Eine lötbare Formgedächtnis-Legierung, die 0,5 bis 4 Gew.-% Nickel, 6 bis 15 Gew.-% Aluminium, 1 bis 25 Gew.-% Zink und 65 bis 85 Gew.-% Kupfer enthält, wobei die Summe von Aluminium und Zink größer als 15 und kleiner als 31 Gew.-% ist, beschreibt EP-A 00 09 266. Es findet sich jedoch kein Hinweis auf eine erhöhte Deformierbarkeit, verbesserte Ermüdungsbruchfestigkeit oder Duktilität.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die üblichen Kupferlegierungen mit Formgedächtnis in der Weise zu verbessern, daß sie erhöhte Duktilität und Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsbruch sowie erhöhte Deformierbarkeit der Martensitphase aufweisen (diese Eigenschaft wird nachstehend der Einfachheit halber nur als "Deformierbarkeit" bezeichnet). Im Verlauf der zu diesem Zweck durchgeführten Untersuchungen wurde gefunden, daß diese Aufgabe unter Verwendung von Legierungen auf Kupferbasis, denen zusätzlich Titan und mindestens eines der Elemente Eisen, Nickel und Kobalt zugesetzt ist, gelöst werden kann. Auf diese Weise wird eine Struktur ausgebildet, in der die Körner einer intermetallischen Verbindung, die hauptsächlich aus Ti-(Fe, Ni und Co) besteht, gleichförmig in der Matrix verteilt sind. Diese intermetallische Verbindung ist thermisch sehr stabil und bildet keine feste Lösung in der Matrix, selbst wenn die Legierung auf hohe Temperaturen wie 900°C erhitzt wird. Darüber hinaus bleibt der Phasenübergang der Legierung selbst dann stabil, wenn diese variierenden Bedingungen des Erhitzens und der Bearbeitung unterworfen wird. Diese Legierung zeigt daher erhöhte Deformierbarkeit und gewährleistet gleichzeitig verbesserte Ermüdungsbruchfestigkeit aufgrund des Vorliegens der intermetallischen Verbindung.

Eine gewöhnliche Kupfer-Zink-Legierung, deren mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit durch die Zugabe von Titan und mindestens eines der Elemente Nickel oder Aluminium verbessert wurde, ist in US-PS 37 03 367 beschrieben. Die Patentschrift gibt jedoch keinen Hinweis auf ein Formgedächtnis oder eine erhöhte Deformierbarkeit der Legierung.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Formgedächtnis-Legierung auf der Basis von Kupfer mit Zink und Aluminium, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus 10 bis 45 Gew.-% Zink, 1 bis 10 Gew.-% Aluminium, 0,05 bis 2 Gew.-% Titan, 0,05 bis 2 Gew.-% Kobalt und Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen besteht.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung einer Legierung aus 10 bis 45 Gew.-% Zink, 1 bis 10 Gew.-% Aluminium, 0,05 bis 2 Gew.-% Titan, 0,05 bis 2 Gew.-% Eisen, Nickel und/oder Kobalt sowie Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen als Formgedächtnis-Legierung.

Die kritische Bedeutung des Anteils jeder Komponente der erfindungsgemäßen Legierung wird wie folgt erläutert:

(a) Zn und Al
Diese Elemente sind zum Erzielen des Formgedächtnis-Effekts notwendig. Dieser Effekt wird nicht erreicht, wenn der Zinkgehalt weniger als 10% und der Aluminiumgehalt weniger als 1% beträgt. Aluminium ist außerdem wirksam zur Regelung der Deformation der Martensitphase und zur Verhinderung des Zinkverlustes bei erhöhten Temperaturen. Dies ist ein anderer Grund dafür, daß Aluminium in einer Menge von 1 Gew.-% oder darüber vorhanden sein muß. Wenn in der Legierung mehr als 45% Zink und mehr als 10% Aluminium enthalten sind, wird diese spröde. Die Gehalte an Zink und Aluminium sind daher in den Bereichen von 10 bis 45 Gew.-% Zn und 1 bis 10 Gew.-% Al festgelegt.

(b) Titan verbindet sich mit Kobalt unter Bildung einer intermetallischen Verbindung mit den primären Komponenten Ti, Co. Die Körner dieser intermetallischen Verbindung sind gleichförmig in der Legierungsmatrix dispergiert. Außerdem ist diese intermetallische Verbindung thermisch stabil. Die Legierung wird daher mit verbesserter Duktilität, Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsbruch und Deformierbarkeit ausgestattet. Wenn der Gehalt jedes der Elemente Titan oder Kobalt weniger als 0,05 Gew.-% beträgt, ist die Menge der kristallisierenden intermetallischen Verbindung nicht ausreichend, um deren Vorteile zum Tragen zu bringen. Wenn der Gehalt jedes der Elemente Titan oder des Kobalts 2% überschreitet, wird eine zu große Menge der intermetallischen Verbindung gebildet und die Duktilität der Martensitphase vermindert. Gemäß der Erfindung ist daher der Gehalt jedes der Elemente Titan und Kobalt auf den Bereich von 0,05 bis 2 Gew.-% festgelegt.

Das Gesagte trifft ebenfalls auf die erfindungsgemäße Verwendung der in Anspruch 1 beschriebenen Legierung zu, wobei sich Titan mit mindestens einem der Elemente Eisen, Nickel oder Kobalt unter Bildung einer intermetallischen Verbindung mit den primären Komponenten Ti-(Fe, Ni, Co) verbindet.

Die Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Beispielen genauer erläutert.

Beispiel

17 Legierungsproben und 3 Vergleichsproben der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung wurden durch Schmelzen an der Luft in einem Hochfrequenz-Induktionsofen aus einem Gemisch aus Elektrolytkupfer, Elektrolytzink, Aluminium einer Reinheit von 99,99%, reinem Titan, einer Cu-Fe-Grundlegierung (30% Fe), Elektrolytnickel und Elektrolytcobalt hergestellt. Diese Legierung wurde zu einem Barren vergossen, der zur Ausbildung von zwei Platten, wovon eine eine Dicke von 15 mm und die andere eine Dicke von 1 mm hatte, heiß geschmiedet und heiß gewalzt wurde. Jede Platte wurde eine Stunde bei 600 bis 900°C gehalten und mit Wasser abgeschreckt.

Aus jeder Platte mit einer Dicke von 15 mm wurden zylindrische Prüfkörper mit einem Durchmesser von 4,5 mm hergestellt und diese bei Raumtemperatur dem Verwindungs- Biege-Ermüdungstest (rotary bending fatigue test) bei Raumtemperatur unterworfen. Jeder Prüfkörper hatte bei Raumtemperatur die β-Struktur. Aus jeder der 1 mm dicken Platten wurden Prüfkörper mit einer Breite von 3 mm, einer Länge von 300 mm und einer Dicke von 1 mm hergestellt.

Nach dem Abkühlen dieser Prüfkörper zur Überführung in die Martensitphase wurden die Prüfkörper einem Biegetest um 180° unterworfen, wobei Rundstäbe mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet wurden. Bei dem Verwindungs- Biege-Ermüdungstest wurde die Zeitfestigkeit für 10⁶ Biegungen und die Anzahl der Biegungen, welchen die Prüfkörper bei einer Belastung von 88.29 N/mm² unterworfen wurden, bis sie brachen, gemessen. Bei dem 180°-Biegetest wurde der Durchmesser des dünnsten Stabes gemessen, um den jeder Prüfkörper über sich selbst abgebogen werden konnte, ohne daß Risse auftragen. Die Ergebnisse der beiden Tests sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1 zeigt, daß die erfindungsgemäß verwendeten Legierungsproben 1 bis 12, 15 bis 17 ebenso wie die erfindungsgemäßen Legierungsproben 13, 14 hohe Duktilität, hohe Beständigkeit gegen Ermüdungsbruch und gute Deformierbarkeit haben. Die Vergleichsproben Nr. 1 bis 3, die keines der Elemente Ti, Fe, Ni oder Co enthielten, waren jedoch im Hinblick auf diese Eigenschaften den Proben Nr. 1 bis 17 unterlegen.

Es ist demnach klar ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Kupferlegierung gemäß Anspruch 2 mit Formgedächtnis, welche derart verbesserte Eigenschaften besitzt, bei der industriellen Anwendung hohe Verläßlichkeit zeigt. Dies gilt gleichermaßen für die Verwendung einer Legierung aus Kupfer, Zink, Aluminium, Titan, Eisen, Nickel und/oder Kobalt mit zufälligen Verunreinigungen als Formgedächtnis-Legierung gemäß Anspruch 1.

Claims (2)

1. Verwendung einer Legierung aus
10 bis 45 Gew.-% Zink,
1 bis 10 Gew.-% Aluminium,
0,05 bis 2 Gew.-% Titan,
0,05 bis 2 Gew.-% Eisen, Nickel und/oder Kobalt sowie
Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen
als Formgedächtnis-Legierung.

2. Formgedächtnis-Legierung auf der Basis von Kupfer mit Zink und Aluminium, gekennzeichnet dadurch, daß sie aus
10 bis 45 Gew.-% Zink,
1 bis 10 Gew.-% Aluminium,
0,05 bis 2 Gew.-% Titan,
0,05 bis 2 Gew.-% Kobalt sowie
Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen
besteht.