WO2009043327A1 - Damping elements, and production and use thereof - Google Patents

Damping elements, and production and use thereof Download PDF

Info

Publication number
WO2009043327A1
WO2009043327A1 PCT/DE2008/001575 DE2008001575W WO2009043327A1 WO 2009043327 A1 WO2009043327 A1 WO 2009043327A1 DE 2008001575 W DE2008001575 W DE 2008001575W WO 2009043327 A1 WO2009043327 A1 WO 2009043327A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
niti
damping element
damping
alloy
porous
Prior art date
Application number
PCT/DE2008/001575
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Manuel Köhl
Martin Bram
Hans Peter Buchkremer
Detlev STÖVER
Original Assignee
Forschungszentrum Julich Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Julich Gmbh filed Critical Forschungszentrum Julich Gmbh
Publication of WO2009043327A1 publication Critical patent/WO2009043327A1/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/22—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces for producing castings from a slip
    • B22F3/225—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces for producing castings from a slip by injection molding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0433—Nickel- or cobalt-based alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2224/00—Materials; Material properties
    • F16F2224/02—Materials; Material properties solids
    • F16F2224/0258—Shape-memory metals, e.g. Ni-Ti alloys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2224/00—Materials; Material properties
    • F16F2224/02—Materials; Material properties solids
    • F16F2224/0266—Materials; Material properties solids porosity

Definitions

  • the invention relates to a damping element and the production and use thereof.
  • Rubber-metal compounds are particularly suitable for vibration damping elements, especially for vibration protection and structure-borne sound insulation. Often also spring and damping elements are used made of an elastomer.
  • metal foams have been found to be particularly suitable for energy absorption applications that exploit the high strength of foamed metals combined with the highly nonlinear deformation behavior caused by the porous structure.
  • metal foams based on Al, Zn, Ti and Mg for damping applications is reported. That
  • Metal foams for this type of use are not yet so well known, among other things, that in the past, the available manufacturing processes were complex and therefore expensive, were consistently difficult to control, and thus led to only moderately reproducible results.
  • melting and powder metallurgy methods are available today which remove these restrictions, in particular powder metallurgical processes for the simple production of foamed metals based on aluminum and aluminum alloys [1].
  • shape memory alloys is also considered, which have pseudoelasticity and thus damping properties in a certain temperature range.
  • Shape memory alloys are able to perform reversible deformations during the transition from the austenitic state to the martensitic state. This transition takes place at the so-called transition temperature or the transition voltage. In the second case one speaks of a stress-induced, reversible phase transformation, the so-called pseudoelasticity.
  • the shape memory effect can occur in metallic alloys or in plastics.
  • a commonly used FGL today is NITINOI, a nickel-titanium alloy (Nickel Titan-Narval Ordnance Lab).
  • the damping capacity of NiTi elements for cutting tools is particularly advantageous.
  • NiTi damping By using NiTi damping, the quality of the component can be improved and the tool life can be extended, in particular when using long cantilevered tools by means of a vibration reduction.
  • Long cantilevered tools come z. B. for internal longitudinal turning used.
  • the advantage of a damping element made of NiTi lies in the high damping capacity of this material, due to the reversible voltage-induced phase transformation (martensite austenite) with simultaneously high rigidity of the clamping element.
  • porous NiTi having elastic properties is disclosed, for example, in [2].
  • the production takes place via a HIP process in which the starting material has pores filled with argon.
  • the total porosity is limited at pore sizes by 21 +/- 5 microns to a maximum of 16 vol .-%.
  • the shape memory alloy has a closed porosity.
  • the invention has for its object to provide a damping element with high defined damping properties available and to provide a suitable method for producing such damping elements.
  • the damping properties of shape memory alloys can be increased or selectively controlled by a multiple if they have a defined pore size.
  • pore size is meant not only the pure pore size, but also the relationship with the total porosity and also the pore shape. All of the aforementioned properties can now be adjusted in a targeted and controlled manner according to the invention via a method of production using the placeholder method.
  • porous NiTi Although various methods for the production of porous NiTi are known in principle, and the idea of using porous NiTi as a damping material is not new in itself. However, it has hitherto not been known to manufacture a damping material with defined properties specifically via the production of porous NiTi, in particular concrete damping elements via the production method of Metal Injection Molding (MIM) combined with the placeholder method (PH) near net shape and with defined properties .
  • MIM Metal Injection Molding
  • PH Metal Injection Molding
  • the porosity of the NiTi alloy according to the invention can be advantageously set by the Platzhalter- method (PH) between 10 and 80%, preferably between 30 and 70%.
  • the pore size is adjustable in the range of 10 .mu.m to 1 mm, in particular in the range between 100 and 500 .mu.m.
  • the combination of total porosity and pore size then results in the required damping behavior of the shape memory elements required for the respective fields of application.
  • the determination of the total porosity as well as the pore size can contribute.
  • the mean pore size itself has only a minor influence on the mechanical properties and thus on the energy absorption capacity of the material.
  • pore size and alignment specifications often result.
  • pore sizes in the range of 100 to 500 microns are regularly important to allow the ingrowth of the body's own material.
  • the inventive method for producing a damping element made of a NiTi alloy has the following advantages.
  • a relatively free shaping of the damping element is possible via the MIM method.
  • a variation of the composition of the shape memory alloy in the form of NiTi-X with X at least one element of the group zirconium, hafnium, neodymium, copper, platinum or palladium can be carried out.
  • the ternary or even quaternary alloys advantageously make it possible to adapt to the desired area of use for these porous damping elements.
  • zirconium, hafnium, palladium, platinum and neodymium generally result in an increase in the phase transition temperature, the addition of neodymium regularly forms a broader hysteresis, and copper has been found to be advantageous over fatigue properties.
  • FIG. 1 Stress-compression curves of two characteristic materials from [1]
  • FIG. 2a Stress-compression curve of an embodiment of the invention in the initial region
  • FIG. 2b absorbed energy as a function of the compression for an embodiment of the invention in the initial region
  • Figure 3b absorbed energy as a function of voltage for an embodiment of the invention
  • Exemplary embodiment Production of a NiTi printing cylinder
  • the absorbed energy for a given compression corresponds to the area under the stress-strain curve, respectively.
  • the absorbed energy in material a is higher than in material b. If an even higher compression is achieved, then material b absorbs more energy due to its higher plateau value.
  • FIG. 2 a shows the initial region of the reversible stress-compression behavior of 50% by volume of porous NiTi at room temperature as a first exemplary embodiment of the invention.
  • the reversible region in which the occurring changes in shape due to the pseudo-elasticity are completely reversible, extends to about 4 vol .-% compression.
  • the associated energy absorption is shown in FIG. 2b.
  • the maximum absorbed energy in the reversible region is about 2.7 MJ / m 3 .
  • FIGS. 3a and 3b The stress-strain curve for a 50% by volume porous NiTi sample at room temperature and the energy absorbed therefrom are shown in FIGS. 3a and 3b. From this embodiment, it is apparent what high energies can be absorbed as a function of the voltage by a damping element according to the invention.
  • the samples with a 50 vol .-% porosity show a maximum absorbed energy of about 160 MJ / m 3 at a tension of 600 MPa, or a compression of 40%.
  • Table 1 shows the damping material according to the invention of porous NiTi compared with conventional damping materials made of metal foams from the prior art. The material, the previous heat treatment, the density then present and the energy absorption achieved are entered as characteristic values.
  • the damping elements result from a porous NiTi shape memory alloy.
  • the higher deformation which occurs in this case advantageously allows a load-controlled application at even lower voltages.
  • Higher densities are then present at lower porosities, but higher energies are absorbed at a given compression, so that such a Embodiment of the damping material according to the invention, in particular for strain-controlled applications, is interesting.
  • the addition of at least one third alloying element from the group of zirconium, hafnium, neodymium, platinum, palladium or copper can also advantageously the phase transition temperature of the material mainly present as a high-temperature shape memory alloy can be varied, and thus the range of application of these alloys as damping elements.
  • Suitable areas of use for damping elements according to the invention with defined damping properties are, in particular, the storage of engine blocks or the storage of vibrating machines.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

The invention relates to the production of a porous damping element based on a NiTi shape memory alloy. The damping element is produced in a near net-shaped manner by means of a metal injection molding (MIM) process. The porosity and the damping property of the damping element can be specifically adjusted by using an adequate amount of a spacer. The produced damping element comprising a porous NiTi shape memory alloy that has a porosity ranging from 10 to 80 percent by volume, especially 30 to 70 percent by volume, can be made of pure NiTi or a ternary or quaternary NiTi-X alloy. The disclosed method for producing a damping element from a NiTi alloy particularly has the following advantages: - the damping effect is obtained by means of pseudo-elasticity, i.e. a maximum compression of 8 percent is reversible, whereas conventional porous aluminum, titanium, or magnesium structures undergo plastic deformation; - the damping element can be shaped in a relatively free manner by means of the MIM process; and - the composition of the shape memory alloy can be varied in the form of NiTi-X, X being at least one element from the group comprising zirconium, hafnium, neodymium, copper, platinum, or palladium, thus allowing the properties to be specifically adjusted to a specific functional range.

Description

B e s c h r e i b u n g Dämpfungselemente sowie Herstellung und Verwendung S e c tio n Damping elements as well as manufacture and use
Die Erfindung betrifft ein Dämpfungselement sowie die Herstellung und Verwendung desselben.The invention relates to a damping element and the production and use thereof.
Stand der Technik Federelemente zur elastischen Lagerung, Schwingungsisolierung und Geräuschdämmung sind aus der Literatur als Dämpfungselemente bekannt. Insbesondere Puffer in zylindrischer, konischer, taillierter oder balliger Form, Anschlagpuffer und Parabelpuffer werden bereits kommerziell hergestellt.PRIOR ART Spring elements for elastic mounting, vibration isolation and noise insulation are known from the literature as damping elements. In particular, buffers in cylindrical, conical, waisted or spherical shape, bump stopper and parabolic buffer are already being produced commercially.
Als Material für Dämpfungselemente haben sich u. a. Gummi-Metall-Verbindungen als besonders geeignet für schwingungsdämpfende Elemente, insbesondere für den Vibrationsschutz und zur Körperschallisolierung herausgestellt. Häufig werden auch Feder- und Dämpfungselemente aus einem Elastomer eingesetzt.As a material for damping elements have u. a. Rubber-metal compounds are particularly suitable for vibration damping elements, especially for vibration protection and structure-borne sound insulation. Often also spring and damping elements are used made of an elastomer.
Ferner haben sich Metallschäume als besonders geeignet für Energieabsorptionsanwendungen herausgestellt, die die große Festigkeit geschäumter Metalle kombiniert mit dem von der porösen Struktur verursachten, stark nichtlinearen Verformungsverhalten ausnutzen. Insbesondere wird über den Einsatz von Metallschäumen auf Basis von AI, Zn, Ti und Mg für Dämpfungsanwendungen berichtet. DassFurther, metal foams have been found to be particularly suitable for energy absorption applications that exploit the high strength of foamed metals combined with the highly nonlinear deformation behavior caused by the porous structure. In particular, the use of metal foams based on Al, Zn, Ti and Mg for damping applications is reported. That
Metallschäume für diese Art der Verwendung bislang noch nicht so bekannt sind, liegt unter anderem daran, dass in der Vergangenheit die dafür zur Verfügung stehenden Herstellungsverfahren aufwendig und damit teuer waren, durchweg schwierig zu kontrollieren waren, und somit zu nur mäßig reproduzierbaren Ergebnissen führten. Durch Weiter- bzw. Neuentwicklung von Verfahren in den letzten 10 Jahren stehen heute jedoch schmelz- und pulvermetallurgische Methoden zur Verfügung, die diese Einschränkungen aufheben, darunter insbesondere pulvermetallurgische Verfahren zur einfachen Herstellung geschäumter Metalle auf der Basis von Aluminium und Aluminiumlegierungen [1]. Neuerdings wird auch über den Einsatz so genannter Formgedächtnislegierungen nachgedacht, die in einem bestimmten Temperaturbereich Pseudoelastizität und somit Dämpfungseigenschaften aufweisen.Metal foams for this type of use are not yet so well known, among other things, that in the past, the available manufacturing processes were complex and therefore expensive, were consistently difficult to control, and thus led to only moderately reproducible results. However, by further development of new processes in the last 10 years, melting and powder metallurgy methods are available today which remove these restrictions, in particular powder metallurgical processes for the simple production of foamed metals based on aluminum and aluminum alloys [1]. Recently, the use of so-called shape memory alloys is also considered, which have pseudoelasticity and thus damping properties in a certain temperature range.
Formgedächtnislegierungen (FGL) sind in der Lage beim Übergang vom austeniti- schen Zustand in den martensitischen Zustand reversible Verformungen durchzuführen. Dieser Übergang erfolgt bei der so genannten Übergangstemperatur oder der Übergangsspannung. Im zweiten Fall spricht man dann von einer spannungsindu- zierten, reversiblen Phasenumwandlung, der so genannten Pseudoelastizität. Der Formgedächtniseffekt kann bei metallischen Legierungen oder auch bei Kunststoffen auftreten. Eine heutzutage häufig verwendete FGL ist NITINOI, eine Nickel-Titan- Legierung (Nickel Titan-Narval Ordnance Lab).Shape memory alloys (SMA) are able to perform reversible deformations during the transition from the austenitic state to the martensitic state. This transition takes place at the so-called transition temperature or the transition voltage. In the second case one speaks of a stress-induced, reversible phase transformation, the so-called pseudoelasticity. The shape memory effect can occur in metallic alloys or in plastics. A commonly used FGL today is NITINOI, a nickel-titanium alloy (Nickel Titan-Narval Ordnance Lab).
Es hat sich herausgestellt, dass das Dämpfungsvermögen von NiTi-Elementen für Zerspanwerkzeuge von besonderem Vorteil ist. Durch die NiTi-Dämpfung kann insbesondere bei Verwendung lang auskragender Werkzeuge durch eine Schwingungsreduzierung sowohl die Bauteilqualität verbessert, als auch die Werkzeugstandzeit verlängert werden. Lang auskragende Werkzeuge kommen z. B. beim Innen-Längs- Drehen zum Einsatz. Der Vorteil eines Dämpfungselements aus NiTi liegt in dem hohen Dämpfungsvermögen dieses Werkstoffs, bedingt durch die reversible span- nungsinduzierte Phasenumwandlung (Martensit - Austenit) bei gleichzeitig hoher Steifigkeit des Spannelements.It has been found that the damping capacity of NiTi elements for cutting tools is particularly advantageous. By using NiTi damping, the quality of the component can be improved and the tool life can be extended, in particular when using long cantilevered tools by means of a vibration reduction. Long cantilevered tools come z. B. for internal longitudinal turning used. The advantage of a damping element made of NiTi lies in the high damping capacity of this material, due to the reversible voltage-induced phase transformation (martensite austenite) with simultaneously high rigidity of the clamping element.
Die Herstellung von porösem NiTi mit elastischen Eigenschaften wird beispielsweise in [2] offenbart. Die Herstellung erfolgt über einen HIP Prozess, bei dem das Ausgangsmaterial mit Argon gefüllte Poren aufweist. Die Gesamtporosität ist bei Porengrößen um 21 +/- 5 μm auf maximal 16 Vol.-% limitiert. Die Formgedächtnislegierung weist eine geschlossene Porosität auf.The production of porous NiTi having elastic properties is disclosed, for example, in [2]. The production takes place via a HIP process in which the starting material has pores filled with argon. The total porosity is limited at pore sizes by 21 +/- 5 microns to a maximum of 16 vol .-%. The shape memory alloy has a closed porosity.
Die prinzipielle Herstellung poröser Bauteile, insbesondere aus einer Formgedächtnislegierung durch das Metal Injection Molding (MIM) in Kombination mit der Platz- ,The principle production of porous components, in particular of a shape memory alloy by the Metal Injection Molding (MIM) in combination with the space .
OO
haltermethode mit z. B. NaCI als Platzhalter zur endkonturnahen Herstellung, ist aus DE 10248 888 bekannt.holder method with z. B. NaCl as a placeholder for near-net shape production, is known from DE 10248 888.
Aufgabe und LösungTask and solution
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dämpfungselement mit hohen definierten Dämpfungseigenschaften zur Verfügung zu stellen sowie ein geeignetes Verfahren zur Herstellung solcher Dämpfungselemente zu schaffen.The invention has for its object to provide a damping element with high defined damping properties available and to provide a suitable method for producing such damping elements.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Dämpfungselements gemäß Hauptanspruch sowie einem Dämpfungselement gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des Systems ergeben sich aus den jeweils rückbezogenen Ansprüchen.The objects of the invention are achieved by a method for producing a damping element according to the main claim and a damping element according to the independent claim. Advantageous embodiments of the method and of the system emerge from the respectively dependent claims.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, dass die Dämpfungseigenschaften von Formgedächtnislegierungen um ein Vielfaches gesteigert bzw. gezielt gesteuert werden können, wenn diese eine definierte Porengröße aufweisen. Unter Porengrö- ße ist dabei nicht nur die reine Porengröße, sondern auch der Zusammenhang mit der Gesamtporosität und auch der Porenform zu verstehen. Alle vorgenannten Eigenschaften können nunmehr erfindungsgemäß über ein Verfahren der Herstellung unter Einsatz der Platzhaltermethode gezielt und gesteuert eingestellt werden.In the context of the invention, it has been found that the damping properties of shape memory alloys can be increased or selectively controlled by a multiple if they have a defined pore size. By pore size is meant not only the pure pore size, but also the relationship with the total porosity and also the pore shape. All of the aforementioned properties can now be adjusted in a targeted and controlled manner according to the invention via a method of production using the placeholder method.
Dabei sind zwar verschiedene Methoden zur Herstellung von porösem NiTi prinzipiell bekannt, und auch der Gedanke, poröses NiTi als Dämpfungsmaterial einzusetzen, ist an sich nicht neu. Jedoch war es bislang nicht bekannt, ein Dämpfungsmaterial mit definierten Eigenschaften gezielt über die Herstellung von porösem NiTi, insbe- sondere konkrete Dämpfungselemente über das Herstellungsverfahren des Metal Injection Molding (MIM) kombiniert mit der Platzhalter-Methode (PH) endkonturnah und mit definierten Eigenschaften herzustellen. Die Porosität der erfindungsgemäßen NiTi-Legierung kann durch die Platzhalter- Methode (PH) vorteilhaft zwischen 10 und 80 %, bevorzugt zwischen 30 und 70 % eingestellt werden. Ebenso ist die Porengröße einstellbar im Bereich von 10 μm bis 1 mm, insbesondere im Bereich zwischen 100 und 500 μm. Aus der Kombination von Gesamtporosität und Porengröße ergibt sich dann das für die jeweiligen Einsatzbereiche erforderliche und gewünschte Dämpfungsverhalten der Formgedächtniselemente.Although various methods for the production of porous NiTi are known in principle, and the idea of using porous NiTi as a damping material is not new in itself. However, it has hitherto not been known to manufacture a damping material with defined properties specifically via the production of porous NiTi, in particular concrete damping elements via the production method of Metal Injection Molding (MIM) combined with the placeholder method (PH) near net shape and with defined properties , The porosity of the NiTi alloy according to the invention can be advantageously set by the Platzhalter- method (PH) between 10 and 80%, preferably between 30 and 70%. Likewise, the pore size is adjustable in the range of 10 .mu.m to 1 mm, in particular in the range between 100 and 500 .mu.m. The combination of total porosity and pore size then results in the required damping behavior of the shape memory elements required for the respective fields of application.
Zur gezielten Einstellung dieser Eigenschaften können insbesondere die Festlegung der Gesamtporosität, als auch die der Porengröße beitragen. Je höher die Gesamtporosität gewählt wird, desto geringer wird die Dichte des Materials. Bei einer vorgegebenen Spannung kann dabei umso mehr Energie absorbiert werden, je höher die Gesamtporosität gewählt wird, was besonders für lastkontrollierte Anwendungen entscheidend ist. Auf der anderen Seite kann bei einer vorgegebenen Stauchung um so mehr Energie absorbiert werden, je geringer die Gesamtporosität gewählt, und damit je dichter das Material ist. Dies ist insbesondere bei dehnungskontrollierten Anwendungen wichtig.For the specific adjustment of these properties, in particular the determination of the total porosity as well as the pore size can contribute. The higher the total porosity, the lower the density of the material. At a given voltage, the higher the total porosity, the more energy can be absorbed, which is particularly crucial for load-controlled applications. On the other hand, the smaller the total porosity, and thus the denser the material, the more energy can be absorbed at a given compression. This is especially important in strain-controlled applications.
Die mittlere Porengröße selbst hat auf die mechanischen Eigenschaften und damit auf das Energieabsorptionsvermögen des Materials nur einen geringen Einfluss.The mean pore size itself has only a minor influence on the mechanical properties and thus on the energy absorption capacity of the material.
Jedoch ergeben sich häufig auf Grund der beabsichtigten Anwendung Vorgaben für die Porengröße und Ausrichtung. So können z. B. sphärische oder zylindrische Formen der Poren mit oder ohne Vorzugsrichtung erwünscht sein. Bei einer Anwendung als Implantat sind beispielsweise regelmäßig Porengrößen im Bereich von 100 bis 500 μm wichtig, um das Einwachsen von körpereigenem Material zu ermöglichen.However, due to the intended application, pore size and alignment specifications often result. So z. B. spherical or cylindrical shapes of the pores with or without preferred direction be desired. When used as an implant, for example, pore sizes in the range of 100 to 500 microns are regularly important to allow the ingrowth of the body's own material.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Dämpfungselements aus einer NiTi-Legierung weist folgende Vorteile auf.The inventive method for producing a damping element made of a NiTi alloy has the following advantages.
- Die Dämpfung erfolgt über die Pseudoelastizität. Dies bedeutet, dass eine Stau- chung bis maximal 8 % reversibel verläuft. Konventionelle, poröse Strukturen aus- The damping takes place via the pseudo elasticity. This means that a stowage up to a maximum of 8% is reversible. Conventional, porous structures made
Aluminium, Titan oder Magnesium verformen sich demgegenüber plastisch.In contrast, aluminum, titanium or magnesium deform plastically.
- Ferner ist über das MIM-Verfahren eine relativ freie Formgebung für das Dämpfungselement möglich. - Zudem kann eine Variation der Zusammensetzung der Formgedächtnislegierung in Form von NiTi-X mit X wenigstens einem Element der Gruppe Zirkonium, Hafnium, Neodym, Kupfer, Platin oder Palladium erfolgen.- Furthermore, a relatively free shaping of the damping element is possible via the MIM method. - In addition, a variation of the composition of the shape memory alloy in the form of NiTi-X with X at least one element of the group zirconium, hafnium, neodymium, copper, platinum or palladium can be carried out.
Die ternären oder auch quatemären Legierungen ermöglichen vorteilhaft eine Anpassung an den gewünschten Einsatzbereich für diese porösen Dämpfungselemente. So führen beispielsweise Zirkonium, Hafnium, Palladium, Platin und Neodym in der Regel zu einer Erhöhung der Phasenumwandlungstemperatur, bei dem Zusatz von Neodym bildet sich regelmäßig eine breitere Hysterese aus und Kupfer hat sich als vorteilhaft gegenüber Ermüdungseigenschaften gezeigt.The ternary or even quaternary alloys advantageously make it possible to adapt to the desired area of use for these porous damping elements. For example, zirconium, hafnium, palladium, platinum and neodymium generally result in an increase in the phase transition temperature, the addition of neodymium regularly forms a broader hysteresis, and copper has been found to be advantageous over fatigue properties.
Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren sowie einer Tabelle näher erläutert, ohne dass dies zu einer Einschränkung des Schutzbereichs führt. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments and figures as well as a table, without this leading to a restriction of the protected area. Show it:
Figur 1 : Spannungs-Stauchungs-Kurven von zwei Kennmaterialien aus [1] Figur 2a: Spannungs-Stauchungs-Kurve eines Ausführungsbeispiels der Erfindung im Anfangsbereich Figur 2b: Absorbierte Energie in Abhängigkeit der Stauchung für ein Ausfüh- rungsbeispiels der Erfindung im AnfangsbereichFIG. 1: Stress-compression curves of two characteristic materials from [1] FIG. 2a: Stress-compression curve of an embodiment of the invention in the initial region FIG. 2b: absorbed energy as a function of the compression for an embodiment of the invention in the initial region
Figur 3a: Spannungs-Stauchungs-Kurve eines Ausführungsbeispiels der ErfindungFigure 3a: Stress-strain curve of an embodiment of the invention
Figur 3b: Absorbierte Energie in Abhängigkeit der Spannung für ein Ausführungsbeispiels der ErfindungFigure 3b: absorbed energy as a function of voltage for an embodiment of the invention
Ausführungsbeispiel: Herstellung eines NiTi DruckzylindersExemplary embodiment: Production of a NiTi printing cylinder
Mit Hilfe des Metal Injection Molding (MIM)-Verfahrens werden sechs poröse Zylinder mit folgender Geometrie hergestellt: Durchmesser 5,44 ± 0,02 mm, Höhe 8,01 ± 0,02 mm. Als Material wird NiTi eingesetzt. Mit Hilfe der Platzhaltermethode wird über NaCI als Platzhalter eine Porosität von ca. 50 Vol.-% erzeugt, wobei Porengrößen zwischen 355 μm und 500 μm vorliegen. Die Bestimmung der Porosität erfolgte über eine Dichtebestimmung und eine Bildanalyse und ergab bei 10 identisch hergestellten Proben eine Porosität von 49,1 ± 0,8 Vol.-%. Die Charakterisierung von Dämpfungseigenschaften erfolgt üblicherweise über ein Spannungs-Stauchungs-Diagramm, wie es in den Figuren 1 , 2a und 3a zu sehen ist. Während in Figur 1 die Eigenschaften zweier Kennmaterialien aus [1] aufgetragen sind, zeigt Figur 2 den Anfangsbereich der reversiblen Stauchung mit den pseudoelastischen Eigenschaften eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und Figur 3 das Verhalten desselben Materials im gesamten Bereich bis zum Bruch des Materials.Using the Metal Injection Molding (MIM) process, six porous cylinders are produced with the following geometry: diameter 5.44 ± 0.02 mm, height 8.01 ± 0.02 mm. The material used is NiTi. With the help of the placeholder method, a porosity of about 50% by volume is produced via NaCl as a spacer, with pore sizes between 355 μm and 500 μm. The determination of the porosity was carried out by means of a density determination and an image analysis and showed a porosity of 49.1 ± 0.8% by volume for 10 identically prepared samples. The characterization of damping characteristics usually takes place via a voltage-compression diagram, as can be seen in FIGS. 1, 2a and 3a. While in FIG. 1 the characteristics of two characteristic materials from [1] are plotted, FIG. 2 shows the initial region of the reversible compression with the pseudoelastic properties of an embodiment of the invention and FIG. 3 the behavior of the same material in the entire region until the material breaks.
Die absorbierte Energie für eine gegebene Stauchung entspricht jeweils der Fläche unter der Spannungs-Stauchungskurve. In Figur 1 ist bei Stauchungen unter ca. 15 Vol.-% die absorbierte Energie bei Material a höher als bei Material b. Wird eine noch höhere Stauchung erreicht, absorbiert nunmehr Material b mehr Energie aufgrund seines höheren Plateauwertes.The absorbed energy for a given compression corresponds to the area under the stress-strain curve, respectively. In FIG. 1, for compressions below about 15% by volume, the absorbed energy in material a is higher than in material b. If an even higher compression is achieved, then material b absorbs more energy due to its higher plateau value.
Je höher das Niveau des Plateaus ist (σQ in Figur 1), und je schneller dies erreicht wird, umso größer ist die verzehrte Energie aufgrund der Deformation ε. Ein schnelles Ansteigen der Spannungs-Stauchungskurve wird durch ein großes Druckmodul E0 ermöglicht. Bei Metallschäumen sinkt nach dem Erreichen der Druckfestigkeit σo die Spannung in der Regel leicht ab und erreicht die Größe der Quetschfestigkeit σQ.The higher the level of the plateau (σ Q in Figure 1), and the faster this is achieved, the greater the energy consumed due to the deformation ε. A rapid increase in the voltage-upset curve is made possible by a large pressure module E 0 . For metal foams, after the compressive strength σo has been reached, the stress generally decreases slightly and reaches the size of the crush strength σQ.
In der Figur 2a ist der Anfangsbereich des reversiblen Spannungs-Stauchungsver- haltens von 50 Vol.-% porösem NiTi bei Raumtemperatur als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der reversible Bereich, bei dem die auftretenden Formänderungen auf Grund der Pseudoelastizität vollständig reversibel verlaufen, reicht bis ca. 4 Vol.-% Stauchung. Die dazugehörige Energieabsorption ist der Figur 2b zu entnehmen. Die im reversiblen Bereich maximal absorbierte Energie beträgt ca. 2,7 MJ/m3.FIG. 2 a shows the initial region of the reversible stress-compression behavior of 50% by volume of porous NiTi at room temperature as a first exemplary embodiment of the invention. The reversible region, in which the occurring changes in shape due to the pseudo-elasticity are completely reversible, extends to about 4 vol .-% compression. The associated energy absorption is shown in FIG. 2b. The maximum absorbed energy in the reversible region is about 2.7 MJ / m 3 .
Die Spannungs-Stauchungskurve für eine 50 Vol.-% poröse NiTi-Probe bei Raumtemperatur und die daraus ermittelte absorbierte Energie sind in der Figur 3a und 3b zu sehen. Aus diesem Ausführungsbeispiel wird ersichtlich, welch hohe Energien in Abhängigkeit von der Spannung durch ein erfindungsgemäßes Dämpfungselement absorbiert werden können. Die Proben mit einer 50 Vol.-%igen Porosität zeigen eine maximale absorbierte Energie von ca. 160 MJ/m3 bei einer Spannung von 600 MPa, bzw. einer Stauchung von 40 %. Zum Vergleich sind in der Tabelle 1 dem erfindungsgemäßen Dämpfungsmaterial aus porösem NiTi übliche Dämpfungsmaterialien aus Metallschäumen aus dem Stand der Technik gegenübergestellt. Dabei sind das Material, die vorangegangene Wärmebehandlung, die dann vorliegende Dichte und die dabei erzielte Energieabsorption als Kennwerte eingetragen.The stress-strain curve for a 50% by volume porous NiTi sample at room temperature and the energy absorbed therefrom are shown in FIGS. 3a and 3b. From this embodiment, it is apparent what high energies can be absorbed as a function of the voltage by a damping element according to the invention. The samples with a 50 vol .-% porosity show a maximum absorbed energy of about 160 MJ / m 3 at a tension of 600 MPa, or a compression of 40%. For comparison, Table 1 shows the damping material according to the invention of porous NiTi compared with conventional damping materials made of metal foams from the prior art. The material, the previous heat treatment, the density then present and the energy absorption achieved are entered as characteristic values.
Tabelle 1 : EnergieabsorptionTable 1: Energy absorption
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0001
Ferner ergeben sich folgende prinzipielle Vorteile der Dämpfungselemente aus einer porösen NiTi-Formgedächtnislegierung. Je höher die vorgegebene Porosität, umso geringer wird die Dichte und umso höher fallen die absorbierten Energien bei einer vorgegebenen Stauchung aus. Dabei ermöglicht die hierbei auftretende höhere Deformation bei schon geringeren Spannungen vorteilhaft eine lastkontrollierte Anwendung. Bei geringeren Porositäten liegen dann zwar höhere Dichten vor, jedoch werden bei vorgegebener Stauchung höhere Energien absorbiert, so dass eine solche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dämpfungsmaterials, insbesondere für deh- nungskontrollierte Anwendungen, interessant ist.Furthermore, the following principal advantages of the damping elements result from a porous NiTi shape memory alloy. The higher the given porosity, the lower the density becomes and the higher the absorbed energies fall out at a given compression. In this case, the higher deformation which occurs in this case advantageously allows a load-controlled application at even lower voltages. Higher densities are then present at lower porosities, but higher energies are absorbed at a given compression, so that such a Embodiment of the damping material according to the invention, in particular for strain-controlled applications, is interesting.
Durch den Zusatz wenigstens eines dritten Legierungselementes aus der Gruppe von Zirkonium, Hafnium, Neodym, Platin, Palladium oder Kupfer kann zudem vorteilhaft die Phasenumwandlungstemperatur des hauptsächlich als Hochtemperatur- Formgedächtnislegierung vorliegenden Materials variiert werden, und somit auch der Einsatzbereich dieser Legierungen als Dämpfungselemente. Geeignete Einsatzbereiche für erfindungsgemäß hergestellte Dämpfungselemente mit definierten Dämp- fungseigenschaften sind insbesondere die Lagerung von Motorblöcken oder die Lagerung von vibrierenden Maschinen.The addition of at least one third alloying element from the group of zirconium, hafnium, neodymium, platinum, palladium or copper can also advantageously the phase transition temperature of the material mainly present as a high-temperature shape memory alloy can be varied, and thus the range of application of these alloys as damping elements. Suitable areas of use for damping elements according to the invention with defined damping properties are, in particular, the storage of engine blocks or the storage of vibrating machines.
In der Anmeldung zitierte Literatur:Literature quoted in the application:
[1] J. Banhart, J. Baumeister, in „Das Verformungsverhalten geschäumter Metalle",[1] J. Banhart, J. Baumeister, in "The Deformation Behavior of Foamed Metals,"
Metall, 51. Jahrgang, Nr. 1-2 (1997) Seite 25 ff..Metal, 51st Year, No. 1-2 (1997) page 25 et seq.
[2] Christian Greiner, Scott M. Oppenheimer, David C. Dunand, in „High strenght low stiffness, porous NiTi with superelastic properties", Acta Biomaterialia 1 (2005) 705-716. Christian Greiner, Scott M. Oppenheimer, David C. Dunand, in High Strength, Low Stiffness, porous NiTi with Superelastic Properties, Acta Biomaterialia 1 (2005) 705-716.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Herstellung eines porösen Dämpfungselements auf Basis einer NiTi- Formgedächtnis-Iegierung, mit den Schritten - das Dämpfungselement wird endkonturnah über das Verfahren des Metal1. Production of a porous damping element based on a NiTi shape memory alloy, with the steps - the damping element is near net shape over the process of metal
Injection Moldings hergestellt,Injection Moldings made,
- die Porosität und die Dämpfungseigenschaft des Dämpfungselements werden dabei durch Verwendung eines Platzhalters in entsprechender Menge eingestellt. - The porosity and the damping property of the damping element are adjusted by using a placeholder in an appropriate amount.
2. Herstellung nach Anspruch 1 , bei dem eine Porosität zwischen 10 und 80 Vol.-%, insbesondere zwischen 30 und 70 Vol.-%, eingestellt wird.2. Preparation according to claim 1, wherein a porosity between 10 and 80 vol .-%, in particular between 30 and 70 vol .-%, is set.
3. Herstellung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Legierung NiTi-X eingesetzt wird, mit X = wenigstens einem Element aus der Gruppe Zirkonium, Hafnium, Platin, Palladium, Neodym oder Kupfer. 3. Preparation according to claim 1 or 2, wherein an alloy NiTi-X is used, where X = at least one element from the group of zirconium, hafnium, platinum, palladium, neodymium or copper.
4. Dämpfungselement umfassend eine poröse NiTi-Formgedächtnislegierung.4. damping element comprising a porous NiTi shape memory alloy.
5. Dämpfungselement nach Anspruch 4, mit einer Porosität zwischen 10 und 80 Vol.-%, insbesondere zwischen 30 und 70 Vol.-%.5. Damping element according to claim 4, with a porosity between 10 and 80 vol .-%, in particular between 30 and 70 vol .-%.
6. Dämpfungselement nach Anspruch 4 oder 5 aus einer NiTi-X, mit X = wenigstens einem Element aus der Gruppe Zirkonium, Hafnium, Platin, Palladium, Ne- odym oder Kupfer.6. Damping element according to claim 4 or 5 of a NiTi-X, with X = at least one element from the group zirconium, hafnium, platinum, palladium, neodymium or copper.
7. Verwendung einer porösen NiTi-Legierung als Dämpfungselement.7. Use of a porous NiTi alloy as a damping element.
8. Verwendung nach Anspruch 1 , bei dem eine poröse NiTi-Legierung mit einer Porosität zwischen 10 und 80 Vol.-% eingesetzt wird, insbesondere zwischen 30 und 70 Vol.-%. 8. Use according to claim 1, wherein a porous NiTi alloy having a porosity between 10 and 80 vol .-% is used, in particular between 30 and 70 vol .-%.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die NiTi-Legierung als Legierung NiTi-X eingesetzt wird, mit X = wenigstens einem Element aus der Gruppe Zirkonium, Hafnium, Platin, Palladium, Neodym oder Kupfer.9. Use according to one of claims 1 to 2, wherein the NiTi alloy is used as the alloy NiTi-X, with X = at least one element from the group of zirconium, hafnium, platinum, palladium, neodymium or copper.
10. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Dämpfungselement endkonturnah über Metal Injection Molding hergestellt wird. 10. Use according to one of claims 1 to 3, wherein the damping element is produced close to the final contour via metal injection molding.
PCT/DE2008/001575 2007-10-04 2008-09-24 Damping elements, and production and use thereof WO2009043327A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007047522A DE102007047522A1 (en) 2007-10-04 2007-10-04 Damping elements as well as manufacture and use
DE102007047522.7 2007-10-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009043327A1 true WO2009043327A1 (en) 2009-04-09

Family

ID=40332875

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2008/001575 WO2009043327A1 (en) 2007-10-04 2008-09-24 Damping elements, and production and use thereof

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102007047522A1 (en)
WO (1) WO2009043327A1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE488611T1 (en) 2006-09-06 2010-12-15 Cook Inc NICKEL-TITANIUM ALLOY WITH RARE EARTH ELEMENT
GB2495772B (en) 2011-10-21 2014-02-12 Univ Limerick Method of forming a sintered nickel-titanium-rare earth (Ni-Ti-RE) alloy
WO2013109846A1 (en) 2012-01-18 2013-07-25 Cook Medical Technologies Llc Mixture of powders for preparing a sintered nickel-titanium-rare earth metal (ni-ti-re) alloy

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10248888B4 (en) * 2002-10-18 2005-01-27 Forschungszentrum Jülich GmbH Process for the production of near net shape, metallic and / or ceramic components
WO2006029174A2 (en) * 2004-09-08 2006-03-16 University Of Washington Energy absorbent material
US20070123976A1 (en) * 2005-09-23 2007-05-31 Bin Yuan Pseudoelastic porous shape memory materials for biomedical and engineering applications

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1666273A1 (en) * 1988-07-29 1991-07-30 Институт сверхтвердых материалов АН УССР Method of producing structural material

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10248888B4 (en) * 2002-10-18 2005-01-27 Forschungszentrum Jülich GmbH Process for the production of near net shape, metallic and / or ceramic components
WO2006029174A2 (en) * 2004-09-08 2006-03-16 University Of Washington Energy absorbent material
US20070123976A1 (en) * 2005-09-23 2007-05-31 Bin Yuan Pseudoelastic porous shape memory materials for biomedical and engineering applications

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S.M.SOLONIN; I.F.MARTYNOVA; V.V.SEMIDA; N.V.GONCHARUK: "Assessment of damping capacity of porous titanium nickelide under forced oscillation conditions", POWDER METALLURGY AND METAL CERAMICS, vol. 33, no. 1-2, 7 December 2004 (2004-12-07), pages 82 - 84, XP002514676 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102007047522A1 (en) 2009-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3314031B1 (en) High strength and easily reformable almg tape and method for producing the same
DE60030246T2 (en) TITANIUM ALLOY AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
DE2516749C3 (en) Process for the production of metal bodies with repeatedly reversible shape change capability
DE102015103422B3 (en) Process for producing a heavy-duty component of an alpha + gamma titanium aluminide alloy for piston engines and gas turbines, in particular aircraft engines
DE102016118729A1 (en) A new high-pressure injection molding process for aluminum alloys for high temperature and corrosive environments
DE102009027019B4 (en) Implant of intermetallic titanium-aluminide alloys
DE2223114B2 (en) Heat treatment process for a nickel-iron based alloy
DE60302108T2 (en) Precipitation-hardened cobalt-nickel alloy with good heat resistance and associated production method
DE102005035709A1 (en) Copper alloy with high damping capacity and process for its preparation
DE102008046803A1 (en) Aluminum alloy, useful to produce cast component and for casting components of car, comprises silicon, manganese, magnesium, copper and iron, and aluminum and production related impurities
DE102020116868A1 (en) Nickel-cobalt alloy powder and method of manufacturing the powder
EP1017867B1 (en) Aluminium based alloy and method for subjecting it to heat treatment
DE102017109614B4 (en) Process for solution annealing a casting
WO2009043327A1 (en) Damping elements, and production and use thereof
DE102010046772A1 (en) Spring steel useful in coil spring, comprises tempered martensite, silicon, carbon, manganese, chromium, nickel, molybdenum and vanadium
EP1589122B1 (en) Coating containing NiAl beta Phases
DE60219693T2 (en) DESIGN-HARDENABLE AUSTENITIC STEEL
DE112020003615T5 (en) PROCESSES FOR MIXED TREATMENT OF MAGNESIUM ALLOYS (VARIANTS)
DE19935935A1 (en) Hard fabric replacement material used e.g. as bone joint is produced from a titanium alloy containing zirconium
DE19915277A1 (en) Magnesium alloy used e.g. in the manufacture of a wheel rim contains traces of cadmium, copper, iron, nickel and lanthanum and yttrium
WO2005037468A2 (en) Oxygen-enriched refractive metal alloy for use in medicine
EP1945827A1 (en) Cold-workable ti alloy
DE102011118295A1 (en) Producing an aluminum foam body, comprises providing a microporous body made of aluminum alloy reinforced with hard material particles, and melting the microporous body and then treating a melt under vacuum by acting upon with vibrations
KR101708285B1 (en) Metal composite material including an aligned precipitation and method of manufacturing the metal composite material
AT411269B (en) ALUMINUM-SILICON ALLOYS WITH IMPROVED MECHANICAL PROPERTIES

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08836311

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08836311

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1