EP0062365A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer Titanlegierung sowie Bauteil und Verwendung des Bauteils - Google Patents

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EP0062365A1
EP0062365A1 EP82200313A EP82200313A EP0062365A1 EP 0062365 A1 EP0062365 A1 EP 0062365A1 EP 82200313 A EP82200313 A EP 82200313A EP 82200313 A EP82200313 A EP 82200313A EP 0062365 A1 EP0062365 A1 EP 0062365A1
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EP
European Patent Office
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temperature
phase
titanium
deformation
alloy
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EP82200313A
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EP0062365B1 (de
Inventor
Joachim Dr. Albrecht
Thomas Dr. Duerig
Dag Richter
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Publication date
Application filed by BBC Brown Boveri AG Switzerland filed Critical BBC Brown Boveri AG Switzerland
Publication of EP0062365A1 publication Critical patent/EP0062365A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0062365B1 publication Critical patent/EP0062365B1/de
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/006—Resulting in heat recoverable alloys with a memory effect

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component from a titanium alloy according to the preamble of claim 1, and a component according to the preamble of claim 11 and the use of a component according to the preamble of claim 18.
  • Ni / Ti e.g. Buehler, WJ Cross, WB: 55 Nitinol, unique wire alloy with a memory. Wire J. 2 (1969), p. 41 - 49
  • Ni / Ti / Cu the copper-rich or nickel-rich alloys of the ⁇ -brass type based on Cu / Zn / Al, Cu / Al, Cu / Al / Ni with Ni / Al
  • a shape memory effect has also been discovered and described in a superconducting titanium alloy containing 35% niobium (see Baker, C .: The shape memory effect in a titanium 35 wt% niobium alloy. Metal Sci. J. 5 (1971), p. 92 -100).
  • Memory alloys based on Ni / Ti have a temperature M S of martensitic conversion of theoretically at most 80 ° C (practically usually not above 50 ° C), which is too low for many applications, especially in the field of electrical thermal switches.
  • such alloys are expensive, especially if one also takes into account the expensive manufacture of components.
  • the copper alloys belonging to the ⁇ -brass type such as Cu / Al / Ni have a tensile strength which is too low for many practical applications with a maximum of 600 MPa.
  • their M S temperature is heavily dependent on the accuracy of the composition - in particular on the aluminum content - which makes their reproducibility difficult. Because it is the aluminum that, due to its high vapor pressure, causes losses that are difficult to control and thus deviations from the melting of the alloys Setpoint analysis leads.
  • the invention has for its object to provide a manufacturing method for a component made of a titanium alloy and a component and its use, which makes use of the martensitic conversion for the purpose of achieving a memory effect. There is also the task of characterizing the memory effect in its various manifestations in more detail and demonstrating its usability in technology.
  • FIG. 1 shows a section of a schematic, subsumed phase diagram of a binary titanium alloy. It is the titanium page. The ordinate represents the temperature scale and at the same time corresponds to 100% Ti, ie 0% alloying element. The alloy element X is plotted on the abscissa in percent (for example% by weight). The solid curves divide the diagram into the ⁇ -, ( ⁇ + ⁇ ) - and ⁇ -phase area. Two further curves M S and M d , drawn in dashed lines, are related to the phase transition (martensite formation) occurring during quenching from the ⁇ region and are explained in more detail below. You meet the 0 ° C isotherm (abscissa) in points A and B.
  • FIG. 2 shows a diagram in which the course of the recoverable strain r (%) as a function of the primary permanent strain ⁇ (%) is shown as curve a for a titanium alloy.
  • line b for ideal recovery (100%) is drawn as a 45 ° straight line.
  • a S is the temperature at the start of the transformation of the martensite (low temperature phase) into the high temperature phase.
  • a F represents the corresponding temperature for the end of this phase transition.
  • the arrows indicate the direction of the deformation / temperature loop.
  • the dashed line denotes the pure thermal shrinkage of the workpiece after cooling to room temperature.
  • the diagram has a fundamental character and applies qualitatively to all mechanically unstable ⁇ -titanium alloys.
  • Fig. 6 and Fig. 7 each show a test rod for tensile and. Torsion samples in the length and diameter dimensions, which need no further explanation. Accordingly, the torsion tests were carried out on hollow cylindrical test bars.
  • an electrical switch is shown schematically in section, which uses coil springs as components.
  • 1 is a housing in which a support 2 is fastened, which supports the bearing 3 for the contact lever 4.
  • 5 each represent a fixed and 6 each a movable contact.
  • the contact lever 4 is held by the springs 7 and 8 in a previously selectable rest position. This can be the location shown (both contact points open) or another location (one contact point closed).
  • 7 is a coil spring made of a memory alloy. It can be designed both as a compression spring and as a tension spring with or without tension.
  • 8 is a common coil spring, which can again act as a tension or compression spring with or without preload. Depending on the intended version of 7 and 8 and the combination of these springs used, 8 counteracts the memory effect of 7 (return or counter spring) or supports it (auxiliary spring).
  • 9 shows a schematic perspective illustration of an electrical switch using a torsion bar.
  • 9 is a base plate on which a torsion bar 10 made of memory alloy is attached at right angles.
  • the latter in turn carries the switching arm 11 at its end, the mobility (pivoting range) of which is indicated by a double arrow.
  • It has a movable contact 6 at its end, which faces a fixed contact 5 which is fastened in the holder 12.
  • 10 to 13 show the process sequence in the production of a fixed and a releasable connection.
  • 14 each represents a pipe to be connected in longitudinal section.
  • 13 is a sleeve made of a memory alloy, the inside diameter of which, in the initial state, is undersized compared to the outside pipe diameter.
  • 15 shows the sleeve during the expansion process by means of a ball 16.
  • FIG. 17 shows the sleeve after the shrinking process (one-way memory effect) above the pipes 14. This corresponds to the state of a firm pipe connection.
  • Fig. 13 shows the state after loosening (if necessary) the same connection.
  • 18 is the the sleeve is loosened again after the expansion process due to the isothermal memory effect.
  • 19 represents a disk made of a memory alloy provided with a groove 20.
  • 21 is a hollow body made of ceramic material which engages in the groove 19 in a vacuum-tight manner.
  • the disc 22 provided with a conical backward rotation 23 is made of a memory alloy.
  • the hollow body 24 to be connected, made of metal, plastic or ceramic material, is indicated by dashed lines before assembly.
  • 25 represents a disk made of a memory alloy, which is offset on both sides and each has a cylindrical undercut 23. The ends of the hollow bodies 24 can, as indicated, have different shapes. In the present case, the disc 25 serves both as a connecting element and as a partition.
  • 26 is a stepped hollow body made of memory alloy, which has the back turns 23 and a central opening 27.
  • the hollow bodies 24 to be connected can be of different diameters and of course of different materials.
  • the titanium alloys there are those that show memory effects after a suitable thermal and thermomechanical pretreatment.
  • the range of composition of these alloys is relatively narrow.
  • the first condition is that they contain at least partially the body-centered / 3-phase in the stable initial state at room temperature. Pure ⁇ alloys thus fail.
  • a further limitation in the composition is that the alloys must belong to the class of mechanically unstable / 3-titanium alloys (in the sense of this invention), which are basically defined as follows:
  • Alloy characterized by the property that its body-centered cubic ⁇ phase can be at least partially converted into the stress-induced martensitic ⁇ "phase by applying a permanent deformation.
  • this can be determined by first subjecting the beta titanium alloy to a thin sheet with a maximum thickness of 1 mm, which is then subjected to solution annealing above the ⁇ transition temperature and then within a cooling time of at most 10 seconds to go through the difference between solution annealing temperature and 100 ° C in ice water is deterred. After quenching, the material must have a maximum of 10% by volume of thermally induced martensite.
  • the alloy is characterized in that the ⁇ -phase is converted into martensite ( ⁇ ") during subsequent mechanical deformation.
  • the maximum temperature at which mechanically induced martensite ( ⁇ ") can be determined after this deformation is defined as A M d .
  • M S represents the temperature at which martensite begins to form.
  • M d has already been defined in more detail above. For the alloys in question at room temperature, there is therefore the condition that their composition must fall approximately in the range between A and B (intersection of the M S and M d line with the O O C isotherms).
  • At least one should quench from a temperature corresponding to the isothermal CD, since the above condition can no longer be met when quenching lower temperatures. This is indicated by the dash-dotted vertical on the left with an arrow. In the latter case, however, one then loses a small proportion of material indicated by the lever law, which converts into the stable ⁇ phase on the transition via the ⁇ conversion line and is lost for the memory effect. However, the conditions for the subsequent formation of martensite are still optimal for the remaining portion of the ⁇ phase.
  • stable ⁇ -titanium alloys are suitable for all alloy elements which have a stabilizing effect on the cubic, body-centered ⁇ phase.
  • alloy elements which have a stabilizing effect on the cubic, body-centered ⁇ phase.
  • These are V, Al, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Mo, Zr, Nb, Sn, Cu, which can be used both individually and in combination.
  • certain concentration limits can be specified which satisfy the above conditions, which can be derived from the thermodynamic equilibria.
  • Titanium alloys belonging to the binary type are particularly suitable and, in addition to titanium, also 14 to 20% by weight vanadium or 4 to 6% by weight iron or 6.5 to 9% by weight manganese or 13 to 19% by weight Contain molybdenum.
  • Further preferred alloys are those of the ternary type and, in addition to titanium, also 13 to 19% by weight vanadium plus 0.2 to 6% by weight aluminum or 4 to 6% by weight iron plus 0.2 to 6% by weight .-% aluminum or 1.5 to 2.3 wt .-% iron plus 10 to 14 wt .-% vanadium.
  • alloys which belong to the quaternary type and, in addition to titanium, also contain 9 to 11% by weight of vanadium plus 1.6 to 2.2% by weight of iron plus 2 to 4% by weight of aluminum.
  • the mechanically unstable / 3-titanium alloys defined and characterized above show three shape memory effects depending on the thermomechanical or mechanical pretreatment and depending on the temperature range. If tension is exerted on such an alloy by tension, pressure, shear or a combination of at least two of these operations in such a way that a primary permanent deformation is generated, the prerequisites for the setting of a memory effect are given.
  • tension is exerted on such an alloy by tension, pressure, shear or a combination of at least two of these operations in such a way that a primary permanent deformation is generated, the prerequisites for the setting of a memory effect are given.
  • the component By heating the component to a temperature above A S following the deformation, the one-way effect is initially established (see FIG. 3). With further heating up to AF , the effect that exists in a deformation opposite to the original direction of deformation has ended.
  • a S and A F give the temperature of the beginning or ending reconversion of the martensite into the high temperature phase.
  • the component undergoes a deformation which runs in the opposite direction to that of the one-way effect, and is therefore aligned with the originally applied permanent deformation.
  • this deformation with temperature takes place continuously and practically without hysteresis: the behavior of the material is therefore more similar to that of a bimetal.
  • the curve is not linear but slightly curved, so that it appears concave towards the temperature axis.
  • a S which has already been described in general terms above, is intended to be procedural in terms of this invention African size can be defined more precisely.
  • a S is to be understood as the temperature at which 1/100 of the previously applied primary permanent mechanical deformation is reduced.
  • a 90 which is characteristic of the memory effects, is to be introduced. This is to be understood as the temperature at which the structure of the component still contains a maximum of 10 vol.% Martensite after previous deformation and subsequent heating.
  • the workpiece must be heated to a temperature above A S after primary deformation.
  • the workpiece In the case of the isothermal effect, the workpiece must be heated to a temperature at which the stable ⁇ phase separates, and it must be kept at this temperature until at least 1 % by volume of the original phase has entered the ⁇ - Have converted phase.
  • the two-way effect If the two-way effect is to be used, the workpiece must be heated to a temperature above A 90 after primary deformation and then cooled to a temperature below A S.
  • the aforementioned conditions are the minimum conditions in order to achieve the said memory effects at all.
  • the optimal one-way effect is only obtained after heating to a temperature around A F.
  • the two-way effect can be achieved by heating to a temperature between A S and A F , the structure consisting partly of the aC "phase and partly of the ⁇ phase.
  • Beta titanium alloys are generally made by double-arc melting with an consumable electrode.
  • the starting material is titanium sponge and corresponding master alloys.
  • the melting process takes place under vacuum or protective gas with a low hydrogen partial pressure.
  • To produce a component the components are mixed, melted and cast, and the workpiece obtained in this way is thermoformed and subjected to solution annealing in the temperature range at least in part of the stable / 3 phase.
  • the workpiece is then quenched to room temperature and subjected to mechanical deformation and further thermal treatment.
  • Samples were made from the material in the delivery state, namely tensile samples according to FIG. 6, and hollow torsion samples according to FIG. 7.
  • the samples were in the area of the ⁇ phase 850 0 C solution annealed for 60 minutes and then quenched in moving water to room temperature.
  • the heat treatment was either carried out in a vacuum oven or the samples were placed in an airtightly sealed quartz glass ampoule filled with protective gas. The glass ampoule breaks immediately when immersed in the quenching medium (water), thus allowing rapid quenching. Both during heat treatment under vacuum and when using the protective gas-filled ampoule, the samples were additionally wrapped loosely in zirconium foil in order to bind residual oxygen due to its high affinity for zirconium.
  • Example II Tensile and torsion specimens were produced from the same material and according to the same method as given in Example I.
  • a tensile test was stressed at room temperature to produce a permanent set of 3.7%.
  • the sample initially showed a one-way effect, i.e. shrinkage occurred in the longitudinal axis (qualitatively similar to Fig. 3).
  • After cooling to room temperature there was an expansion in the longitudinal direction.
  • the sample was then cyclically heated and cooled a few times. The corresponding expansion or contraction between room temperature and approx. 340 ° C was 0.4% (two-way effect).
  • a torsion bar (see FIG. 7) was produced from Til0V2Fe3Al according to Example I.
  • Example I tensile specimens were machined from Til0V2Fe3Al and deformed as described therein and heated to 300 c 0th As expected, the one-way effect occurred in the form of a corresponding shrinkage in the longitudinal direction of the rod. The samples were then heated to a temperature of 400 to 450 ° C. and held at this temperature for 100 minutes. The test bars extended in the longitudinal direction from the values which were in the order of magnitude of 1 to 2%, depending on the primary deformation applied. This irreversible isothermal effect, which runs counter to the one-way effect, is shown qualitatively in FIG. 5. Elongation values from to rel. 50% (based on the primary permanent set applied) can be achieved.
  • a wire was produced from the material according to Example I and after the pretreatment specified there, and a coil spring 7 was wound therefrom. This spring was then subjected to a treatment according to Example II or III in order to bring about the two-way effect in such a way that the spring 7, which is in the idle state at room temperature under a slight compressive preload, contracts gradually as the temperature rises.
  • the spring 7 made of memory alloy was assembled in an electrical switch according to FIG. 8 together with an ordinary compression spring 8. The current is passed through the spring 8. In the normal state, it causes no heating, so that the latter is practically at room temperature and is in equilibrium with the counter spring 8.
  • a torsion bar according to FIG. 7 was produced from the material according to Example I and after the pretreatment specified there. The latter was treated further in accordance with Example II or III in order to produce the two-way effect.
  • the prepared torsion bar 10 was now provided with a switching arm 11 and mounted on the base plate 9. All other components of the electrical switch result from the description of FIG. 9.
  • the torsion bar 10 can be directly flowed through by the current (direct heating) or tightly enclosed by an insulated heating coil (indirect heating).
  • the trigger mechanism is basically the same as that given in Example I.
  • the counter spring is omitted here. This construction is characterized by great simplicity.
  • the trigger temperature can be set within wide limits by suitable selection of the switch geometry (length of the switching arm and swivel range etc.).
  • a hollow cylindrical sleeve 13 of 20.25 mm inside and 26.25 mm outside diameter with 30 mm axial length was produced from Til0V2Fe3Al. It served to two pipes 14 (metal, plastic, ceramic material) of 20.6 mm To connect outside diameter.
  • the sleeve 13 was pretreated according to Example I (solution annealing, quenching). Thereupon it was expanded by means of a polished steel ball 16 of 21 mm in diameter by axially pushing it through (see arrow in FIG. 11) to an inner diameter of 2.0.79 mm. Now the pipes 14 were inserted axially symmetrically into the sleeve and the whole thing was heated to a temperature at A F (in the present case approx. 260 ° C.).
  • the heating of the sleeve 13 made of titanium alloy can be accomplished in a simple manner in any workshop and also outdoors or at the assembly site by means of a blowtorch, welding torch, etc., whereby simple means (tarnishing colors, temperature chalks etc.) are sufficient for temperature monitoring.
  • the shrunk-on sleeve 17 (FIG. 12) is brought to a temperature of approx. AF plus 100 to 150 ° C., the irreversible isothermal memory effect occurring and the sleeve expanding (18 in FIG. 13). In this state, the tubes 14 can be pulled out of the sleeve 18. Should If the latter are used again, the process must be repeated from the beginning: solution annealing, quenching, pre-forming etc.
  • the component can optionally have at least one of the effects described above, for example the shape of a simple or offset leaf spring or the shape of any torsion bar and that of a cylindrical or conical coil spring.
  • connection or termination elements e.g. Hollow bodies
  • the components made of memory alloy can have a wide variety of shapes, of which FIGS. 14 to 17 show only a selection.
  • the component can have the shape of a simple or stepped cylindrical, square, hexagonal or octagonal hollow body.
  • the component can be designed as a solid or perforated cylindrical or polygonal disc provided with a bead on one or both sides.
  • the components made of mechanically unstable j.9 titanium alloy can be used, for example, as temperature-dependent triggering elements in electrical switches, as temperature sensors in general, as fixed or detachable connecting sleeves for pipes and rods, and as fixed or detachable seals (disk or socket shape) for ceramic components.
  • Beta titanium alloys are also characterized by good hot and cold formability and machinability.
  • Til0V2Fe3Al there is also a commercially available alloy, which means significant economic advantages over previous conventional memory alloys based on another alloy.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer mechanisch instabilen β-Titanlegierung, welches 3 voneinander verschiedene Formgedächtniseffekte zeigt: Einen Einwegeffekt, einen nahezu hysteresisfreien aber in einem weiten Temperaturbereich der Phasenumwandlung kontinuierlich ablaufenden Zweiwegeffekt (ähnlich Bimetall) und einen irreversiblen isothermen Effekt. Ausnutzung der Effekte in thermischen Auslöseelementen (elektrische Schalter) sowie in festen oder lösbaren Verbindungselementen für Bauelemente.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer Titanlegierung nach der Gattung des Anspruchs 1, sowie eines Bauteils nach der Gattung des Anspruchs 11 und der Verwendung eines Bauteils nach der Gattung des Anspruchs 18.
  • Es ist seit längerer Zeit bekannt, dass gewisse Legierungen einen sog. Gedächtniseffekt zeigen, d.h. eine Art Formerinnerungsvermögen besitzen. Unter ihnen haben vornehmlich zwei Hauptgruppen technische Bedeutung erlangt. Zur ersten gehören die Legierungen auf der Basis von Ni/Ti (z.B. Buehler, W.J. Cross, W.B.: 55 Nitinol, unique wire alloy with a memory. Wire J. 2 (1969), p. 41 - 49) oder Ni/Ti/Cu, zur zweiten die kupferreichen oder nickelreichen Legierungen des β-Messing-Typs auf der Basis von Cu/Zn/Al, Cu/Al, Cu/Al/Ni mit Ni/Al (z.B. US-PS 3 783 037 und US-PS 4 019 925). Ein Formgedächtniseffekt ist ausserdem in einer 35 % Niob enthaltenden supraleitenden Titanlegierung entdeckt und beschrieben worden (siehe Baker, C.: The shape memory effect in a titanium 35 wt-% niobium alloy. Metal Sci. J. 5 (1971), p. 92-100).
  • Allen diesen Legierungen ist gemeinsam, dass sie nicht einer Gruppe der allgemein verfügbaren klassischen Werkstoffe angehören und in der Regel nach mehr oder weniger aufwendigen Verfahren speziell hergestellt werden mü3sen. Letzteres gilt insbesondere für pulvermetallurgisch herzustellende Legierungen. Ausserdem ist den bis jetzt technisch angewendeten Gedächtnislegierungen gemeinsam, dass sie fast ausnahmslos verhältnismässig spröde sind. Der Mangel an Duktilität setzt sowohl ihrer Verarbeitbarkeit wie ihrer Verwendung engere Grenzen oder bedingt entsprechende, das Fertigprodukt verteuernde zusätzliche Verfahrensschritte. Die gebräuchlichen Legierungen.zeigen für den Zweiwegeffekt eine mehr oder weniger grosse Hysteresis beim Durchlaufen einer Temperatur/Weg-Schleife. Diese Hysteresis - vor allem wenn sie beträchtliche Werte erreicht - ist nicht für alle Anwendungsfälle erwünscht.
  • Gedächtnislegierungen auf der Basis von Ni/Ti weisen eine Temperatur MS der martensitischen Umwandlung von theoretisch höchstens 80°C (praktisch meist nicht über 50°C) auf, welche für viele Anwendungen, vor allem im Gebiet elektrischer Thermoschalter, zu tief ist. Ausserdem sind solche Legierungen kostspielig, besonders wenn man noch die verteuernde Bauteilherstellung mitberücksichtigt.
  • Die dem β-Messingtyp angehörenden Kupferlegierungen wie z.B. Cu/Al/Ni weisen mit höchstens 600 MPa für viele praktische Anwendungen zu niedrige Zugfestigkeit auf. Zudem ist deren MS-Temperatur stark von der Genauigkeit der Zusammensetzung - insbesondere vom Aluminiumgehalt - abhängig, was deren Reproduzierbarkeit erschwert. Denn es ist ja gerade das Aluminium, welches entsprechend seinem hohen Dampfdruck beim Erschmelzen der Legierungen zu schwer kontrollierbaren Verlusten und damit Abweichungen von der Sollwert-Analyse führt.
  • Es besteht daher ein Bedürfnis, das Gebiet der Anwendbarkeit der Gedächtniseffekte durch neue Auswahl bisher nicht in Betracht gezogener Legierungen sowie geeigneter materialspezifischer Verfahren und entsprechende Herstellung von Bauteilen zu erweitern.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für ein Bauteil aus einer Titanlegierung sowie ein Bauteil und dessen Verwendung anzugeben, das von der Ausnutzung der martensitischen Umwandlung zwecks Erzielung eines Gedächtniseffektes Gebrauch macht. Es besteht ferner die Aufgabe, den Gedächtniseffekt in seinen verschiedenen Erscheinungsform näher zu charakterisieren und seine Nutzbarmachung in der Technik aufzuzeigen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche l, 11 und 18 gelöst.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.
  • Dabei zeigt:
    • Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem schematischen Phasendiagramm einer binären Titanlegierung,
    • Fig. 2 den Verlauf der rückgewinnbaren Dehnung in Funktion der aufgebrachten bleibenden Dehnung für eine Titanlegierung,
    • Fig. 3 den Verlauf der Formänderung über der Temperatur für den Einweg-Effekt,
    • Fig. 4 den Verlauf der Formänderung über der Temperatur für den Zweiweg-Effekt,
    • Fig. 5 den Verlauf der Formänderung über der Temperatur für den isothermen Effekt,
    • Fig. 6 die Abmessungen eines Probestabes für Zugproben,
    • Fig. 7 die Abmessungen eines Probestabes für Torsionsproben,
    • Fig. 8 die schematische Schnitt-Darstellung eines elektrischen Schalters mit Schraubenfedern,
    • Fig. 9 die schematische perspektivische Darstellung eines elektrischen Schalters mit einem Torsionsstab,
    • Fig. 10 den Längsschnitt durch eine Schrumpfverbindung in der Ausgangslage,
    • Fig. 11 den Längsschnitt durch eine Schrumpfverbindung im Moment des Aufweitens,
    • Fig. 12 den Längsschnitt durch eine Schrumpfverbindung nach dem Zusammenbau,
    • Fig. 13 den Längsschnitt durch eine Schrumpfverbindung nach dem Lösen,
    • Fig. 14 den Längsschnitt durch eine Keramikdichtung,
    • Fig. 15 den Längsschnitt durch einen Hohlkörperabschluss vor dem Zusammenbau,
    • Fig. 16 den Längsschnitt durch eine Hohlkörperverbindung mit Trennwand vor dem Zusammenbau,
    • Fig. 17 den Längsschnitt durch eine Hohlkörperverbindung mit verschiedenen Durchmessern.
  • In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem schematischen, supponierten Phasendiagramm einer binären Titanlegierung dargestellt. Es handelt sich um die Titanseite. Die Ordinate stellt die Temperaturskala dar und entspricht gleichzeitig 100 % Ti, d.h. 0 % Legierungselement. Auf der Abszisse ist das Legierungselement X in Prozenten (beispielsweise Gew.-%) aufgetragen. Die ausgezogenen Kurven unterteilen das Diagramm in das α-, (α+β)- und β-Phasengebiet. Zwei weitere, gestrichelt gezeichnete Kurven MS und Md stehen im Zusammenhang mit der beim Abschrecken aus dem β-Gebiet eintretenden Phasenumwandung (Martensitbildung) und werden weiter unten näher erläutert. Sie treffen die 0°C-Isotherme (Abszisse) in den Punkten A resp. B. Errichtet man in B eine Senkrechte, so trifft sie die β-Umwandlungslinie in G. Die durch 0 gezogene Isotherme schneidet die in A errichtete Senkrechte im Punkt D. Durch CD wird nach oben das Gebiet abgegrenzt, aus welchem die Titanlegierung abgeschreckt werden muss, um den gewünschten für die Gedächtniseffekte erforderlichen Gefügezustand (sog. "mechanisch instabile β-Titanlegierung") zu erhalten.
  • Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in welchem der Verlauf der rückgewinnbaren Dehnung r (%) in Funktion der primär aufgebrachten bleibenden Dehnung ε (%) als Kurve a für eine Titanlegierung dargestellt ist. Vergleichsweise ist die Linie b für ideale Rückgewinnung (100 %) als 45°-Gerade eingezeichnet. Man stellt fest, dass bis zu bleibenden Dehnungen von über 2 % beide Linien praktisch zusammenfallen, dass die maximale rückgewinnbare Dehnung ca. 3 % beträgt, und dass eine bleibende primäre Verformung von über 6 % keinen Gedächtniseffekt mehr zeitigt. Das Diagramm hat selbstverständlich grundsätzlichen Charakter und die Zahlenwerte sind für verschiedene Legierungen verschieden. Im vorliegenden Fall gilt es numerisch für eine Titanlegierung mit ca. 10 Gew.-% Vanadium, 2 Gew.-% Eisen und 3 Gew.-% Aluminium (Ti 10 V2 Fe 3 Al).
  • Fig. 3 stellt ein Diagramm des Verlaufs der Formänderung über die Temperatur für den Einwegeffekt einer β-Titanlegierung (im vorliegenden Fall TilOV2Fe3Al) dar. AS ist die Temperatur des Beginns der Rückumwandlung des Martensits (Tieftemperaturphase) in die Hochtemperaturphase. AF stellt die entsprechende Temperatur für das Ende dieser Phasenumwandlung dar. Im vorliegenden Fall einer Verformung durch Zug, wobei eine bleibende Dehnung von 2,39 % aufgebracht wurde, beträgt der rückgewinnbare Anteil A EI = l,94 %. Die Pfeile geben den Richtungssinn der Verformungs/Temperatur-Schleife an. Die gestrichelte Linie bezeichnet die reine thermische Schrumpfung des Werkstückes nach Abkühlung auf Raumtemperatur. Das Diagramm hat grundsätzlichen Charakter und gilt qualitativ für alle mechanisch instabilen β-Titanlegierungen.
  • In Fig. 4 ist der Verlauf der Formänderung über der Temperatur für eine Titanlegierung aufgezeichnet, die den Zweiwegeffekt zeigt. Die ursprüngliche bleibende Verformung durch Zug betrug hier εo = 3,7 %, war also höher als für die Induzierung des Einwegeffektes. Die kontinuierlich mit der Temperatur verlaufende reversible Dehnung ΔεIII = 0,4 % zeigt praktisch keine Hysteresis. Der Mechanismus ist von demjenigen der bekannten Ni/Ti-Legierungen verschieden. Das Material verhält sich grundsätzlich ähnlich wie ein Bimetallstreifen. Der Verlauf der Kurve ist im besagten Temperaturintervall zwischen Raumtemperatur und ca. 3000C leicht nach oben gekrümmt (konkav gegen die Temperaturachse hin). Ueber die Grundsätzlichkeit gilt das unter Fig. 3 Gesagte.
  • Fig. 5 zeigt den Verlauf der Formänderung über der Temperatur für den irreversiblen isothermen Effekt der Legierung Til0V2Fe3Al. Nach einer primären Verformung durch Zug (bleibende Dehnung ε= 2,39 %) wurde zunächst der Einwegeffekt von A bis AF durchlaufen, was die übliche Schrumpfung von ΔεI = 1,94 % zur Folge hatte. Nach einer weiteren Erwärmung des Materials (im vorliegenden Fall auf ca. 400°C) stellt sich der in umgekehrter Richtung verlaufende isotherme Gedächtniseffekt ein, was hier gleichbedeutend mit einer Ausdehnung von ΔεII = 0,9 % ist. Auch hier gilt das unter Fig. 3 Gesagte.
  • Fig. 6 und Fig. 7 zeigen je einen Probestab für Zug- resp. Torsionsproben in den Längen- und Durchmesserabmessungen, was keinen weiteren Erklärungen bedarf. Demgemäss wurden die Torsionsversuche an hohlzylindrischen Probestäben durchgeführt.
  • In Fig. 8 ist ein elektrischer Schalter schematisch im Schnitt dargestellt, welche Schraubenfedern als Bauelemente verwendet. 1 ist ein Gehäuse, in welchem eine Stütze 2 befestigt ist, die das Lager 3 für den Kontakthebel 4 trägt. 5 stellen je einen festen und 6 je einen beweglichen Kontakt dar. Der Kontakthebel 4 wird durch die Federn 7 und 8 in einer zuvor wählbaren Ruhelage gehalten. Dies kann die eingezeichnete Lage (beide Kontaktstellen offen) oder auch eine andere Lage (eine Kontaktstelle geschlossen) sein. 7 ist eine Schraubenfeder aus einer Gedächtnislegierung. Sie kann sowohl als Druck- wie als Zugfeder mit oder ohne Verspannung ausgebildet sein. 8 ist eine gewöhnliche Schraubenfeder, welche wieder als Zug- oder Druckfeder mit oder ohne Vorspannung wirken kann. Je nach der vorgesehenen Ausführung von 7 und 8 und der zur Anwendung kommenden Kombination dieser Federn wirkt 8 dem Gedächtniseffekt von 7 entgegen (Rückstell- oder Gegenfeder) oder unterstützt ihn (Hilfsfeder).
  • Fig. 9 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines elektrischen Schalters unter Verwendung eines Torsionsstabes. 9 ist eine Grundplatte auf welcher rechtwinklig ein aus Gedächtnislegierung bestehender Torsionsstab 10 befestigt ist. Letzterer wiederum trägt an seinem Ende den Schaltarm 11, dessen Beweglichkeit (Schwenkbereich) durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Er besitzt an seinem Ende einen beweglichen Kontakt 6, der einem festen Kontakt 5 gegenübersteht, welcher im Halter 12 befestigt ist.
  • Die Fig. 10 bis 13 zeigen den Verfahrensablauf bei der Herstellung einer festen wie einer lösbaren Verbindung. 14 stellt je ein zu verbindendes Rohr im Längsschnitt dar. 13 ist eine Muffe aus einer Gedächtnislegierung, deren Innendurchmesser im Ausgangszustand vor dem Aufweiten gegenüber dem Rohraussendurchmesser Untermass besitzt. 15 zeigt die Muffe während des Aufweitprozesses mittels einer Kugel 16. 17 stellt die Muffe nach dem Schrumpfprozess (Einweg-Gedächtniseffekt) über den Rohren 14 dar. Dies entspricht dem Zustand einer festen Rohrverbindung. In Fig. 13 ist der Zustand nach dem Lösen (falls erforderlich) der gleichen Verbindung dargestellt. 18 ist die durch den isothermen Gedächtniseffekt wieder gelockerte Muffe nach dem Ausdehnungsprozess.
  • Die Fig. 14 bis 17 zeigen Ausführungsbeispiele von Dichtungen, Hohlkörperabschlüssen und Hohlkörperverbindungen. 19 stellt eine mit einer Nut 20 versehene Scheibe aus einer Gedächtnislegierung dar. 21 ist ein Hohlkörper aus Keramikmaterial, welcher in die Nut 19 vakuumdicht eingreift. Die mit einer konischen Hinterdrehung 23 versehene Scheibe 22 besteht aus einer Gedächtnislegierung. Der zu verbindende Hohlkörper 24 aus Metall, Kunststoff oder Keramikmaterial ist gestrichelt vor dem Zusammenbau angedeutet. 25 stellt eine beidseitig abgesetzte Scheibe aus einer Gedächtnislegierung dar, welche je eine zylindrische Hinterdrehung 23 aufweist. Die Enden der Hohlkörper 24 können, wie angedeutet, verschiedene Formen haben. In dem vorliegenden Fall dient die Scheibe 25 sowohl als Verbindungselement wie als Trennwand. 26 ist ein abgesetzter Hohlkörper aus Gedächtnislegierung, welcher die Hinterdrehungen 23 sowie eine zentrale Oeffnung 27 aufweist. Die zu verbindenden Hohlkörper 24 können verschiedenen Durchmessersund selbstverständlich verschiedenen Materials sein.
  • Unter den Titanlegierungen gibt es solche, die nach einer geeigneten thermischen und thermomechanischen Vorbehandlung Gedächtniseffekte zeigen. Der Zusammensetzungsbereich dieser Legierungen ist verhältnismässig eng begrenzt. Bedingung ist zunächst, dass sie im stabilen Ausgangszustand bei Raumtemperatur mindestens teilweise die kubisch-raumzentrierte /3-Phase enthalten. Reine α-Legierungen fallen somit aus. Das gleiche gilt für reine β-Legierungen bei Raumtemperatur, da ja in jenem Gebiet keine Phasenumwandlung mehr stattfindet ( β-Phase stabil bis Raumtemperatur herunter). Praktisch müssen daher die Legierungen im Ausgangszustand bei Raumtemperatur in den heterogenen (α+β)-Phasenraum hineinfallen. Eine weitere Einschränkung in der Zusammensetzung besteht nun darin, dass die Legierungen der Klasse der mechanisch instabilen /3-Titanlegierungen (im Sinne dieser Erfindung) angehören müssen, welche grundsätzlich folgendermassen definiert sind:
  • Legierung, gekennzeichnet durch die Eigenschaft, dass ihre kubisch-raumzentrierte β-Phase durch Aufbringen einer bleibenden Verformung mindestens teilweise in die spannungsinduzierte martensitische α "-Phase umgewandelt werden kann.
  • Praktisch kann dies dadurch festgestellt werden, dass von der β-Titanlegierung ein dünnes Blech von maximal 1 mm Dicke zunächst einer Lösungsglühung oberhalb der β-Umwandlungstemperatur unterworfen und hierauf innerhalb von höchstens 10 sec Abkühlungszeit zum Durchlaufen der Differenz zwischen Lösungsglühtemperatur und 100°C in Eiswasser abgeschreckt wird. Nach dem Abschrecken darf das Material höchstens 10 Vol.-% thermisch induzierten Martensit aufweisen.
  • Weiterhin ist die Legierung dadurch gekennzeichnet, dass sich bei anschliessender mechanischer Verformung die β-Phase in Martensit (α") umwandelt. Die maximale Temperatur, bei der nach dieser Verformung mechanisch induzierter Martensit (α") feststellbar ist, wird alsA Md definiert.
  • Im schematischen, supponierten Phasendiagramm Fig. 1 ist der Verlauf der MS- und Md-Linie über der Temperatur eingezeichnet. MS stellt dabei die Temperatur der beginnenden Martensitbildung dar. Md wurde schon oben näher definiert. Für die praktisch in Betracht fallenden Legierungen bei Raumtemperatur ergibt sich daher die Bedingung, dass ihre Zusammensetzung ungefähr in den Bereich zwischen A und B (Schnittpunkt der MS- und Md-Linie mit der OOC-Isothermen) fallen muss. Um die gewünschten Gedächtniseffekte voll zu erreichen, ist es wünschenswert, bei der nachfolgenden primären bleibenden Verformung möglichst viel spannungsinduzierten Martensit zu erzeugen. Dies wird dadurch erreicht, dass man das Bauteil zuvor aus einem Gebiet oberhalb der β-Umwandlungslinie abschreckt, wie dies durch die rechts verlaufende strichpunktierte Vertikale mit Pfeil angedeutet ist. Mindestens aber sollte man aus einer der Isothermen CD entsprechenden Temperatur abschrecken, da beim Abschrecken von tiefer liegenden Temperaturen obige Bedingung nicht mehr erfüllt werden kann. Dies ist durch die links liegende strichpunktierte Vertikale mit Pfeil angedeutet. Im letzteren Fall verliert man dann allerdings einen durch das Hebelgesetz angezeigten kleinen Anteil an Material, das sich beim Uebergang über die β-Umwandlungslinie in die stabile α-Phase umwandelt und für den Gedächtniseffekt verloren geht. Für den restlichen Anteil an β-Phase sind jedoch die Bedingungen für die nachfolgende Martensitbildung immer noch optimal.
  • Nach der erfindungsgemässen Definition der mechanisch instabilen β-Titanlegierung eignen sich prinzipiell alle Legierungselemente welche stabilisierend auf die kubisch-raumzentrierte β -Phase wirken. Diese sind V, Al, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Mo, Zr, Nb, Sn, Cu, welche sowohl einzeln als auch in Kombination verwendet werden können. Für diese Elemente lassen sich gewisse Konzentrationsgrenzen angeben, welche den obigen Bedingungen genügen, die sich aus' den thermodynamischen Gleichgewichten herleiten lassen. Demzufolge ist es möglich, die Legierungszusammensetzung mit Hilfe empirisch ermittelter Zusammenhänge durch eine quadratische Näherung mathematisch auszudrücken. Es muss die Bedingung erfüllt sein, dass die in Atomprozenten ausgedrückten Konzentrationsgrenzen der Legierungselemente der Titanlegierung der Formel
    Figure imgb0001
    genügen, wobei Xi die Konzentration des jeweiligen Elements in Atomprozent bedeutet und die Koeffizienten Ai und B1 dem jeweiligen Element gemäss nachfolgender Tabelle zugeordnet .sind:
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
  • Besonders geeignet sind Titanlegierungen, die dem binären Typus angehören und neben Titan noch 14 bis 20 Gew.-% Vanadium oder 4 bis 6 Gew.-% Eisen oder 6,5 bis 9 Gew.-% Mangan oder 13 bis 19 Gew.-% Molybdän enthalten.
  • Weitere bevorzugte Legierungen sind solche, die dem ternären Typus angehören und neben Titan noch 13 bis 19 Gew.-% Vanadium plus 0,2 bis 6 Gew.-% Aluminium oder 4 bis 6 Gew.-% Eisen plus 0,2 bis 6 Gew.-% Aluminium oder 1,5 bis 2,3 Gew.-% Eisen plus 10 bis 14 Gew.-% Vanadium enthalten.
  • Ferner gibt es eine Gruppe von Legierungen, die dem quaternären Typus angehören und neben Titan noch 9 bis 11 Gew.-% Vanadium plus 1,6 bis 2,2 Gew.-% Eisen plus 2 bis 4 Gew.-% Aluminium enthalten.
  • Die oben definierten und näher gekennzeichneten mechanisch instabilen /3-Titanlegierungen (im Sinne dieser Erfindung) zeigen drei Formgedächtniseffekte je nach thermomechanischer oder mechanischer Vorbehandlung und je nach Temperaturbereich. Wird auf eine derartige Legierung eine Spannung durch Zug, Druck, Scherung oder eine Kombination von mindestens zwei dieser Operationen derart ausgeübt, dass eine primäre bleibende Verformung erzeugt wird, so sind die Voraussetzungen für die Einstellung eines Gedächtniseffekts gegeben. Durch eine an die Verformung anschliessende Erwärmung des Bauteils auf eine Temperatur oberhalb AS stellt sich zunächst der Einweg-Effekt ein (siehe Fig. 3). Bei weiterer Erwärmung bis AF ist der Effekt, der in einer der ursprünglichen Verformungsrichtung entgegengesetzten Verformung besteht, beendet. AS und AF geben also die Temperatur der beginnenden bzw. beendeten Rückumwandlung des Martensits in die Hochtemperaturphase an. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gedächtnislegierungen liegen bei mechanisch instabilen β-Titanlegierungen An und AF verhältnismässig hoch (im Gebiet oberhalb 100°C), was ein neues Verwendungsgebiet erschliesst. Wird das Bauteil von einer Temperatur in der Nähe von AF auf Raumtemperatur abgekühlt, so bleibt die durch den Einwegeffekt erzielte Verformung bestehen. Auf diese Weise lassen sich z.B. feste Verbindungen von Bauelementen verwirklichen. Wird die primäre bleibende Verformung über ein gewisses Mass hinaus erhöht, so stellt sich nach darauffolgender Erwärmung zunächst wieder der Einwegeffekt beim Durchlaufen der Strecke zwischen AS und AF ein. Wird nun noch etwas über AF hinaus erwärmt, so befindet sich das Material nun im Zustand, wo es einen Zweiwegeffekt zeigt (siehe Fig. 4). Bei der Abkühlung aus einem Temperaturbereich von ca. 300 bis 350°C herunter auf Raumtemperatur erleidet das Bauteil eine Verformung, welche in entgegengesetzter Richtung zu derjenigen des Einwegeffekts verläuft, somit der ursprünglich aufgebrachten bleibenden Verformung gleichgerichtet ist. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Gedächtnislegierungen des Ni/Ti- und β-Messingtyps erfolgt diese Verformung mit der Temperatur kontinuierlich und praktisch hysteresisfrei: Das Verhalten des Materials hat also eher Aehnlichkeit mit demjenigen eines Bimetalls. Im vorliegenden Fall von Til0V2Fe3Al ist die Kurve nicht linear sondern leicht gekrümmt, so dass sie gegen die Temperaturachse hin konkav erscheint. Wird ein in üblicher Weise für den Einwegeffekt vorbehandeltes Material wesentlich über AF hinaus erwärmt und auf der erreichten Temperatur gehalten, so kann ein dritter Effekt, der isotherme Gedächtniseffekt beobachtet werden (siehe Fig. 5). Dabei verformt sich das Bauteil in einem zum Einwegeffekt gegenläufigen Sinne. Im Falle der obenerwähnten Titanlegierung wurde dieser Effekt bei ca. 400°C ausgelöst. Er ist irreversibel und auf die Umwandlung der martensitischen α"-Phase in die stabile α-Phase zurückzuführen. Das Gefüge besteht dann im wesentlichen aus den stabilen Phasen.α und β . Dieser Effekt kann z.B. zur Konstruktion einer lösbaren Schrumpfverbindung herangezogen werden.
  • Bei der Herstellung des Bauteils aus der Titanlegierung ist es notwendig, das Werkstück aus dem oben angegebenen Temperaturgebiet - vorzugsweise oberhalb der β-Umwandlungslinie - mit einer Geschwindigkeit abzukühlen, welche einerseits hoch genug ist, um die mechanisch instabile β-Phase zu erhalten und andererseits die Bildung jeglicher neuen Phase ausser der athermalen ω -Phase zu unterdrücken. Als weitere Bedingung kommt hinzu, dass höchstens die Bildung von maximal 10 Vol.-% durch Abschrecken thermisch induzierten Martensits zugelassen sein soll. Es geht also darum, den β-Gefügezustand durch Abschrecken möglichst rein bis zur Raumtemperatur herunter zu verschleppen. Der Idealfall stellt 100 % mechanisch instabile /3-Phase dar. Der Martensit soll sich ja erst nachher, durch Aufbringen einer Verformung, d.h. spannungsinduziert bilden. Was die athermale ω -Phase betrifft, so lässt sich deren Bildung oftmals nicht ganz vermeiden. Für die Stabilität des Gedächtniseffektes sind allfällige (ω-Ausscheidungen jedenfalls unerwünscht. Die obere Grenze der sinnvollen bleibenden Verformung zur Induzierung des Martensits ergibt sich aus der Tatsache, dass bei grösseren Verformungen das Plateau der rückgewinnbaren Dehnung erschöpft ist (siehe Fig. 2, wo diese Grenze für Til0V2Fe3Al bei ca. 6 % liegt). Im Folgenden soll die Temperatur AS' welche bereits oben allgemein beschrieben worden ist, im Sinne dieser Erfindung als verfahrenstechnische Grösse genauer definiert werden. Unter AS soll jene Temperatur verstanden werden, bei welcher 1/100 der zuvor aufgebrachten, primären bleibenden mechanischen Verformung zurückgebildet ist. Als weitere, für die Gedächtniseffekte charakteristische Grösse soll A90 eingeführt werden. Darunter soll jene Temperatur verstanden werden, bei welcher das Gefüge des Bauteils nach vorangegangener Verformung und darauffolgender Erwärmung noch maximal 10 Vol.-% Martensit enthält.
  • Soll der Einwegeffekt erzielt werden, so ist das Werkstück nach erfolgter primärer Verformung auf eine Temperatur oberhalb AS zu erhitzen. Im Falle des isothermen Effektes muss das Werkstück auf eine Temperatur erhitzt werden, bei welcher sich die stabile α-Phase ausscheidet, und es ist auf dieser Temperatur so lange zu halten, bis sich mindestens 1 Vol.-% der ursprünglichen Phase in die α -Phase umgewandelt haben. Soll der Zweiwegeffekt ausgenutzt werden, so ist das Werkstück nach erfolgter primärer Verformung auf eine Temperatur oberhalb A90 zu erhitzen und nachher auf eine solche unterhalb AS abzukühlen. Die vorgenannten Bedingungen sind die Minimalbedingungen, um die besagten Gedächtniseffekte überhaupt zu erzielen. Den optimalen Einwegeffekt erhält man jedoch erst nach einem Erhitzen auf eine um AF liegende Temperatur. Für den isothermen Effekt ist im allgemeinen eine Erhitzung auf eine mindestens 500C über dem AF-Punkt liegende Temperatur notwendig. Der Zweiwegeffekt kann durch Erhitzen auf eine zwischen AS und AF liegende Temperatur erreicht werden, wobei das Gefüge teilweise aus der aC "-Phase, teilweise aus der β-Phase besteht.
    • Ausführungsbeispiel I:
  • β-Titanlegierungen werden im allgemeinen durch doppeltes Lichtbogenschmelzen mit verzehrbarer Elektrode hergestellt. Ausgangsmaterial sind Titanschwamm und entsprechende Vorlegierungen. Der Schmelzprozess erfolgt unter Vakuum oder Schutzgas mit niedrigem Wasserstoff-Partialdruck. Zur Herstellung eines Bauteils werden die Komponenten gemischt, erschmolzen und gegossen und das auf diese Weise erhaltene Werkstück warmverformt und einer Lösungsglühung im Temperaturgebiet mindestens der teilweisen Existenz der stabilen /3-Phase unterworfen. Daraufhin wird das Werkstück auf Raumtemperatur abgeschreckt und einer mechanischen Verformung sowie einer weiteren thermischen Behandlung unterzogen.
  • Im vorliegenden Fall wurde von Halbzeug in Form eines zylindrischen Schmiedestückes von 254 mm Durchmesser und einem Gewicht von 130 Kg ausgegangen. Die Titanlegierung entsprach der Bezeichnung Ti-10V-2Fe-3Al und hatte folgende tatsächliche.Zusammensetzung:
    Figure imgb0004
  • Aus dem Material im Anlieferungszustand wurden Proben angefertigt, und zwar Zugproben gemäss Fig. 6, sowie hohle Torsionsproben gemäss Fig. 7.
  • Um einen eindeutigen reproduzierbaren Ausgangszustand einzustellen, wurden die Proben im Gebiet der β-Phase bei 8500C während 60 Minuten lösungsgeglüht und anschliessend in bewegtes Wasser auf Raumtemperatur abgeschreckt. Um Oxydation während der Lösungsglühung auszuschliessen, wurde die Wärmebehandlung entweder in einem Vakuumofen durchgeführt, oder die Proben wurden in eine luftdicht versiegelte, mit Schutzgas gefüllte Quarzglasampulle gegeben. Die Glasampulle zerbricht unmittelbar beim Eintauchen in das Abschreckmedium (Wasser) und erlaubt so ein schnelles Abschrecken. Sowohl bei der Wärmebehandlung unter Vakuum als auch bei Verwendung der schutzgasgefüllten Ampulle wurden die Proben zusätzlich lose in Zirkonfolie eingewickelt, um restlichen Sauerstoff durch dessen hohe Affinität zu Zirkon abzubinden.
  • Um den Einwegeffekt zu erhalten, wurden Zugproben bei Raumtemperatur mit einer Dehngeschwindigkeit £ = 0,0007 sec-1 verformt. Proben, die bis zu 3 % bleibend verformt wurden, kehrten praktisch vollständig zu ihrer ursprünglichen Länge (vor der Verformung) zurück, nachdem sie in einem Salzbad auf 3000C aufgeheizt und für 60 sec bei dieser Temperatur gehalten wurden. Proben, die mehr als 3 % verformt wurden, zeigten zwar ebenfalls einen Einweg- effekt, kehrten aber nicht mehr vollständig in ihre Ausgangsform zurück. Bei Verformungen von mehr als 7 % war kein Gedächtniseffekt mehr messbar (siehe Fig. 2). Bei einer primären Verformung unter Anwendung von Druck statt Zug konnten die gleichen Phänomene mit den selben Ergebnissen festgestellt werden.
  • Der an einem Zugstab gemessene Einwegeffekt ist schematisch in Fig. 3 darges tellt. Aehnliche Ergebnisse erhält man mit Torsionsstäben oder bei der Umkehrung der Verformung (Druckbelastung).
    • Ausführunsbeisiel II:
  • Aus dem gleichen Material und nach dem gleichen Verfahren wie unter Beispiel I angegeben wurden Zug- und Torsionsproben hergestellt. Eine Zugprobe wurde bei Raumtemperatur derart beansprucht, dass eine bleibende Verformung von 3,7 % erzeugt wurde. Beim Aufheizen zeigte die Probe zunächst einen Einwegeffekt, d.h.es trat eine Schrumpfung in der Längsachse ein(qualitativ ähnlich Fig. 3). Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur zeigte sich eine Ausdehnung in der Längsrichtung. Die Probe wurde nun einige Male zyklisch aufgeheizt und abgekühlt. Die entsprechende Dehnung bzw. Kontraktion zwischen Raumtemperatur und ca. 340°C betrug 0,4 % (Zweiwegeffekt).
    • Ausführun sbeispiel III:
  • Aus Til0V2Fe3Al wurde gemäss Beispiel I ein Torsionsstab (siehe Fig. 7) gefertigt. Der Stab wurde bei Raumtemperatur um 1,16 rad (entsprechend ε =5,8 %) verdrillt. Nach Wegnahme der Last federte er auf einen Drallwert von 0,774 rad (entsprechend ε= 3,87 %) bleibender Verformung zurück. Beim Aufheizen auf 3200C ging die Verformung auf 0,61 rad (entsprechend E= 3,05 %) zurück. Beim anschliessenden Abkühlen auf Raumtemperatur nahm die Verformung um 0,098 rad (entsprechend ε= 0,49 %) zu. Ein nochmaliges Aufheizen auf 3000C verminderte die Verformung wieder um 0,082 rad (entsprechend ε= = 0,41 %). Nach 5 Erwärmungs/Abkühlungs-Zyklen zwischen Raumtemperatur und 320°C ergab sich eine Verformungsdifferenz um 0,078 rad (entsprechend ε= 0,39 %). Dieser Torsions-Zweiwegeffekt entspricht qualitativ (nicht genau numerisch) ebenfalls dem in Fig. 4 dargestellten Phänomen.
    • Ausführunsbeispiel IV:
  • Gemäss Beispiel I wurden Zugproben aus Til0V2Fe3Al herausgearbeitet und wie dort beschrieben verformt und auf 3000c aufgeheizt. Dabei stellte sich erwartungsgemäss der Einwegeffekt in Form einer entsprechenden Schrumpfung in der Längsrichtung des Stabes ein. Anschliessend wurden die Proben auf eine Temperatur von 400 bis 450°C aufgeheizt und auf dieser Temperatur während 100 min gehalten. Dabei dehnten sich die Probestäbe in Längsrichtung vom Werte aus, die in der Grössenordnung von 1 bis 2 % lagen, je nach aufgebrachter primärer Verformung. Dieser, dem Einwegeffekt entgegenlaufende irreversible isotherme Effekt ist qualitativ in Fig. 5 dargestellt. Es können dabei Werte der Dehnung von bis rel. 50 % (bezogen auf die primär aufgebrachte bleibende Verformung) erreicht werden.
    • Ausführungsbeispiel V:
  • Siehe Fig. 8.
  • Aus dem Material gemäss Beispiel I und nach der dort angegebenen Vorbehandlung wurde ein Draht hergestellt und daraus eine Schraubenfeder 7 gewunden. Hierauf wurde diese Feder einer Behandlung gemäss Beispiel II bzw. III unterworfen, um den Zweiwegeffekt dergestalt herbeizuführen, dass sich die im Ruhezustand bei Raumtemperatur unter einer geringen Druckvorspannung befindliche Feder 7 bei Temperaturerhöhung sukzessive zusammenzieht. Die Feder 7 aus Gedächtnislegierung wurde in einen elektrischen Schalter gemäss Fig. 8 zusammen mit einer gewöhnlichen Druckfeder 8 zusammengebaut. Der Strom wird über die Feder 8 geleitet. Im Normalzustand bewirkt er keine Erwärmung, so dass sich letztere praktisch auf Raumtemperatur befindet und mit der Gegenfeder 8 im Gleichgewicht ist. Bei Ueberstrom verkürzt sich zufolge Erwärmung die Feder 7 und entlastet dadurch die Gegenfeder 8, so dass die oberen Kontakte 5/6 schliessen und z.B. dadurch einen Hauptschalter zur Unterbrechung des Stromkreises auslösen. Selbstverständlich sind auch alle umgekehrten Kombinationen von 7 und 8 ausführbar, wie unter Fig. 8 beschrieben ist.
    • Ausführungsbeispiel-VI:
  • Siehe Fig. 9.
  • Aus dem Material gemäss Beispiel I und nach der dort angegebenen Vorbehandlung wurde ein Torsionsstab nach Fig. 7 hergestellt. Letzterer wurde gemäss Beispiel II bzw. III weiterbehandelt, um den Zweiwegeffekt zu erzeugen. Der vorbereitete Torsionsstab 10 wurde nun mit einem Schaltarm 11 versehen und auf die Grundplatte 9 montiert. Alle weiteren Bauelemente des elektrischen Schalters ergeben sich aus der Beschreibung der Fig. 9. Der Torsionsstab 10 kann dabei direkt vom Strom durchflossen sein (direkte Heizung) oder von einem isolierten Heizwendel dicht umschlossen sein (indirekte Heizung). Der Auslösemechanismus ist prinzipiell der gleiche wie unter Beispiel I angegeben. Die Gegenfeder kommt hier in Wegfall. Diese Konstruktion zeichnet sich durch grosse Einfachheit aus. Durch geeignete Wahl der Geometrie des Schalters (Länge des Schaltarms und Schwenkbereich etc.) kann die Auslösetemperatur in weiten Grenzen eingestellt werden.
    • Ausführungsbeispiel VII:
  • Siehe Fig. 10 bis 13.
  • Aus Til0V2Fe3Al wurde eine hohlzylindrische Muffe 13 von 20,25 mm Innen- und 26,25 mm Aussendurchmesser bei 30 mm axialer Länge hergestellt. Sie diente dazu, um zwei Rohre 14 (Metall, Kunststoff, Keramikmaterial) von 20,6 mm Aussendurchmesser zu verbinden. Die Muffe 13 wurde gemäss Beispiel I vorbehandelt (Lösungsglühen, Abschrecken). Hierauf wurde sie mittels einer polierten Stahlkugel 16 von 21 mm Durchmesser durch axiales Hindurchdrücken (siehe Pfeil in Fig. 11) auf einen Innendurchmesser von 2.0,79 mm aufgeweitet. Nun wurden die Rohre 14 symmetrisch axial in die Muffe eingeschoben und das Ganze auf eine bei AF liegende Temperatur (im vorliegenden Fall ca. 260°C) aufgeheizt. Durch das in Erscheinungtreten des Einwegeffektes wurde eine dichte feste Schrumpfverbindung der Rohre 14 erzielt, die auch bei Abkühlung auf Raumtemperatur erhalten bleibt, da sich die Muffe höchstens noch geringfügig weiter zusammenzieht. Der Vorteil dieser Verbindung unter Verwendung eines Bauelements aus einer mechanisch instabilen β-Titanlegierung liegt darin, dass dieses bei Raumtemperatur vorverformt werden kann, da die Temperaturen AS und AF verhältnismässig hoch liegen. Dies ist beispielsweise bei Legierungen auf Ni/Ti-Basis nicht der Fall. Da muss bei Temperaturen weit unterhalb der Raumtemperatur vorverformt werden, wozu spezielle Kühlmittel und entsprechende Apparaturen erforderlich sind. Demgegenüber kann die Erwärmung der Muffe 13 aus Titanlegierung in einfacher Weise in jeder Werkstatt und auch im Freien oder am Montageplatz mittels Lötlampe, Schweissbrenner etc. bewerkstelligt werden, wobei zur Temperaturüberwachung einfache Mittel (Anlauffarben, Temperaturkreiden etc.) genügen.
  • Soll die Verbindung wieder gelöst werden, so kann hiezu der isotherme Effekt herangezogen werden. Dabei wird die aufgeschrumpfte Muffe 17 (Fig. 12) auf eine Temperatur von ca. AF plus 100 bis 150°C gebracht, wobei sich der irreversible isotherme Gedächtniseffekt einstellt und sich die Muffe ausdehnt (18 in Fig. 13). In diesem Zustand können die Rohre 14 aus der Muffe 18 herausgezogen werden. Soll letztere wieder Verwendung finden, so muss der Prozess von Anfang an wiederholt werden: Lösungsglühen, Abschrecken, Vorverformen etc.
  • Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens und die Verwendung der danach hergestellten Bauteile ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Das Bauteil kann unter wahlweiser Ausnutzung mindestens eines der oben beschriebenen Effekte beispielsweise die Form einer einfachen oder abgesetzten Blattfeder oder die Form eines beliebigen Torsionsstabes sowie diejenige einer zylindrischen oder konischen Schraubenfeder aufweisen. Als Verbindungs- bzw. Abschlusselemente z.B. Hohlkörper können die Bauteile aus Gedächtnislegierung die verschiedensten Formen aufweisen, wovon die Fig. 14 bis 17 nur eine Auswahl zeigen. Insbesondere kann das Bauteil die Form eines einfachen oder abgesetzten zylindrischen, vierkantigen, sechskantigen oder achtkantigen Hohlkörper aufweisen. Ferner kann das Bauteil als eine mit einem Randwulst versehene einseitig oder zweiseitig abgesetzte volle oder gelochte zylindrische oder polygonale Scheibe ausgeführt werden.
  • Die Bauteile aus mechanisch instabiler j.9-Titanlegierung können beispielsweise als temperaturabhängige Auslöseelemente in elektrischen Schaltern, als Temperaturfühler allgemein, als feste oder lösbare Verbindungsmuffen für Rohre und Stangen sowie als feste oder lösbare Dichtungen (Scheiben- oder Muffenform) für keramische Bauelemente Verwendung finden.
  • Mit dem erfindungsgemässen Verfahren und den danach hergestellten Bauteilen wird dank der Erzielung von drei verschiedenen Gedächtniseffekten das Werkstoffangebot sowie der Verwendungsbereich der Gedächtnislegierungen bedeutend erweitert. Dies gilt insbesondere für Anwendungen oberhalb Raumtemperatur (speziell von 100°C an aufwärts), wo es eine technologische Lücke zu schliessen gibt. β-Titanlegierungen zeichnen sich ausserdem durch gute Warm- wie Kaltverformbarkeit und Zerspanbarkeit aus. Im Falle von Til0V2Fe3Al liegt überdies eine kommerziell erhältliche Legierung vor, was wesentliche wirtschaftliche Vorteile gegenüber bisherigen herkömmlichen Gedächtnislegierungen auf anderer Legierungsbasis bedeutet.

Claims (20)

  1. l. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einer Titanlegierung, welche im stabilen Ausgangszustand bei Raumtemperatur mindestens teilweise die kubisch-raumzentrierte Phase enthält, wobei die Komponenten gemischt, erschmolzen und gegossen werden und das auf diese Weise erhaltene Werkstück warmverformt und einer Lösungsglühung im Temperaturgebiet mindestens der teilweisen Existenz der stabilen β-Phase unterworfen und anschliessend auf Raumtemperatur abgeschreckt wird und hierauf einer mechanischen Verformung sowie einer weiteren thermischen Behandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung in ihrer metallurgischen Zusammensetzung der Klasse der mechanisch instabilen β-Titanlegierungen angehört, welche dadurch definiert sind, dass ihre kubisch-raumzentrierte β-Phase durch Aufbringen einer bleibenden Verformung mindestens teilweise in die spannungsinduzierte martensitische α"-Phase umgewandelt werden kann, und dass das Werkstück mit einer Geschwindigkeit, welche hoch genug ist, um die mechanisch instabile β-Phase zu erhalten und die Bildung jeglicher neuen Phase ausser der athermalen ω-Phase sowie von maximal 10 Vol.-% durch Abschreckung thermisch induzierten Martensits zu unterdrücken, aus dem Temperaturgebiet oberhalb der β-Umwandlung oder oberhalb einer Temperatur, welche hoch genug ist, wenigstens teilweise die Bildung einer ihrerseits instabilen /-9-Phase zu bewirken, auf eine Temperatur abgeschreckt wird, bei welcher die β-Phase mechanisch instabil ist, und dass die mechanische Verformung in der Anwendung von Zug, Druck, Scherung oder einer Kombination von mindestens zwei dieser Operationen im Temperaturbereich, in dem die β-Phase mechanisch instabil ist, besteht, derart, dass eine bleibende Verformung von bis zu maximal 7 % erzeugt wird und dass die weitere thermische Behandlung mindestens in einer Erwärmung besteht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere thermische Behandlung in einer Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb AS besteht, wobei AS jene Temperatur ist, bei welcher 1/100 der zuvor aufgebrachten bleibenden mechanischen Verformung zurückgebildet ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere thermische Behandlung in einer Erwärmung auf eine Temperatur besteht, welche hoch genug ist, um die oC-Phase zur Ausscheidung zu bringen, sowie in einem Halten auf dieser Temperatur so lange, bis mindestens 1 Vol.-% der ursprünglichen Phase in die α-Phase umgewandelt sind.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere thermische Behandlung in einer Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb A90 und einer nachfolgenden Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb AS besteht, wobei A90 jene Temperatur ist, bei welcher das Gefüge maximal 10 Vol.-% Martensit enthält, und wobei AS jene Temperatur ist, bei welcher 1/100 der zuvor aufgebrachten bleibenden mechanischen Verformung zurückgebildet ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanlegierung mindestens eines der Elemente V, Al, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Mo, Zr, Nb, Sn, Cu enthält.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in Atomprozenten ausgedrückten Konzentrationsgrenzen der Legierungselemente der Titanlegierung der Formel
    Figure imgb0005
    genügen, wobei Xi die Konzentration des jeweiligen Elements in Atomprozent bedeutet und die Koeffizienten Ai und Bi dem jeweiligen Element gemäss nachfolgender Tabelle zugeordnet sind:
    Figure imgb0006
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanlegierung dem binären Typus angehört und neben Titan noch 14 bis 20 Gew.-% Vanadium oder 4 bis 6 Gew.-% Eisen oder 6,5 bis 9 Gew.-% Mangan oder 13 bis 19 Gew.-% Molybdän enthält.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanlegierung dem ternären Typus angehört und neben Titan noch 13 bis 19 Gew.-% Vanadium plus 0,2 bis 6 Gew.-% Aluminium oder 4 bis 6 Gew.-% Eisen plus 0,2 bis 6 Gew.-% Aluminium oder 15, bis 2,3 Gew.-% Eisen plus 10 bis 14 Gew.-% Vanadium enthält.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanlegierung dem quaternären Typus angehört und neben Titan noch 9 bis 11 Gew.-% Vanadium plus 1,6 bis 2,2 Gew.-% Eisen plus 2 bis 4 Gew.-% Aluminium enthält.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanlegierung aus 10 Gew.-% Vanadium, 2 Gew.-% Eisen, 3 Gew.-% Aluminium, Rest Titan besteht.
  11. 11. Bauteil aus einer Titanlegierung, welche im Ausgangszustand bei Raumtemperatur aus einem (α+β )-Gefüge besteht, durch Lösungsglühung oberhalb der β-Umwandlungstemperaturen und darauffolgendem Abschrecken in einem metastabilen Gefügezustand vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung in ihrer metallurgischen Zusammensetzung der Klasse der mechanisch instabilen β-Titanlegierungen angehört, welche folgendermassen definiert ist:
    - Legierung, welche nach einem Lösungsglühen oberhalb der β-Umwandlungstemperatur und nachfolgendem Abschrecken in Eiswasser mit einer Abkühlzeit von höchstens 10 sec für das Durchlaufen des Temperaturgefälles zwischen der β-Umwandlungstemperatur und einer Temperatur von 100°C und nach darauffolgender mechanischer Verformung
    mindestens teilweise in die spannungsinduzierte martensitische Phase übergeführt werden kann, und dass das Bauteil nach dem Abschrecken durch Aufbringen einer bleibenden Verformung von maximal 7 % durch Zug, Druck, Scherung oder eine Kombination dieser Verformungszustände im Zustand spannungsinduzierten Martensits in Form des α"-Gefüges vorliegt und einen Gedächtniseffekt aufweist.
  12. 12. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es nach Erhitzen auf eine dem AF-Punkt entsprechende Temperatur in Form von β-Gefüge vorliegt und einen Einweg-Gedächtniseffekt zeigt, wobei AF diejenige Temperatur bezeichnet, bei welcher die Rückumwandlung des Martensits in die Hochtemperaturphase zu 99 % abgeschlossen ist.
  13. 13. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es nach Erhitzen auf eine zwischen dem AS- und dem AF-Punkt liegende Temperatur teilweise in Form von α"-Gefüge und teilweise in Form von β-Gefüge vorliegt und einen kontinuierlichen Zweiweg-Gedächtniseffekt zeigt, wobei AS diejenige Temperatur bezeichnet, bei der 1/100 der zuvor aufgebrachten bleibenden mechanischen Verformung zurückgebildet ist und AF diejenige Temperatur bezeichnet, bei der die Rückumwandlung des Martensits in die Hochtemperaturphase zu 99 % abgeschlossen ist.
  14. 14. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es nach Erhitzen auf eine mindestens 500C oberhalb des AF-Punktes liegende Temperatur und entsprechendem Halten auf dieser Temperatur teilweise in Form von β-Gefüge und teilweise in Form von α-Gefüge vorliegt und einen irreversiblen isothermen Gedächtniseffekt zeigt, wobei AF diejenige Temperatur bezeichnet, bei der die Rückumwandlung des Martensits in die Hochtemperaturphase zu 99 % abgeschlossen ist.
  15. 15. Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es die Form einer einfachen oder abgesetzten Blattfeder oder die Form eines Torsionsstabes oder die Form einer zylindrischen oder konischen Schraubenfeder aufweist.
  16. 16. Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es die Form eines einfachen oder abgesetzten zylindrischen, vierkantigen, sechskantigen oder achtkantigen Hohlkörpers aufweist.
  17. 17. Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es die Form einer mit einem Randwulst versehenen einseitig oder zweiseitig abgesetzten vollen oder gelochten zylindrischen oder polygonalen Scheibe aufweist.
  18. 18. Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 12 oder 13 als temperaturabhängiges Auslöseelement in einem elektrischen Schalter.
  19. 19. Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 12 oder 13 oder 12 und 14 als feste oder lösbare Verbindungsmuffe von Rohren und Stangen.
  20. 20. Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 12 oder 13 als feste oder lösbare scheiben- oder muffenförmige Dichtung für keramische Bauelemente.
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