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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines wärmerückstellbaren Gegenstandes aus einem Memory-Metall.
Seit vielen Jahren wurden schon beträchtliche Anstrengungen unternommen, einfache und zuverlässige
Einrichtungen zur Verbindung der Anschlussenden von Rohren und Leitungen zu schaffen. Die Verbindung zwi- sehen den beidenRohren sollte fähig sein, mechanische oder chemische Beanspruchungen, gegen welche das
Rohr selbstwiderstandsfähig ist, auszuhalten, ohne jedoch zu kostspielig und schwierig anzubringen, zu re- parieren oder zu ersetzen sein.
Aus der franz. Patentschrift Nr. 1. 469. 479 und aus der österr. Patentschrift Nr. 190755 sind Rohrkupp- lungen für Rohrleitungen aus thermoplastischem Werkstoff bekanntgeworden, die aus Kunstharzen bestehen, welche erholungsfähig sind, d. h. ihre ursprüngliche Gestalt nach einer Warmverformung annehmen, wenn sie neuerlich erwärmt werden. Die Anwendbarkeit solcher Rohrkupplungen ist jedoch auf sehr niedere Drük- ke beschränkt, wiewohl die Wärmeerholung eine beträchtliche ist.
Aus der Schweizer Patentschrift Nr. 122 652 sind metallische Kupplungsteile bekannt, die innen mit
Zahnreihen versehen sind ; solche Kupplungsteile wurden bisher jedoch nur mit den üblichen Expansions- und
Kontraktionserscheinungen verarbeitet.
Aus den Schweizer PatentschriftenNr. 350843 und Nr. 424400 und aus der österr. Patentschrift Nr. 194665 sind weiterhin Verbindungs-und Anschlussstücke für Kunststoffrohre bekannt, die aus Metall oder Kunststoff bestehen und in ihrem Inneren mit Ringrippen von sägezahnartigem Profil versehen sind.
Aus der österr. Patentschrift Nr. 201373 ist ein Verfahren zum Verbinden von Kunststoffrohren bekannt, bei dem eine mit Vertiefungen versehene Metallhülse ober den Schmelzpunkt des Kunststoffes erwärmt und die Rohrenden dann in die Hülse eingeschoben werden, wo der Kunststoff schmilzt und die Vertiefungen der
Hülse ausfüllt und darin erhärtet.
Ein nicht zum Stand der Technik gehörender Vorschlag (österr. Patentschrift Nr. 328806) betrifft ein rohrförmiges Verbindungselement, das aus einem erholungsfähigen Material besteht, welches beim Erhitzen wieder seine ursprüngliche Gestalt annimmt.
Solche Verbindungselemente aus einem wärmeerholbaren Material sind besonders nützlich in der Luft- fahrt, in hydraulischen Leitungen von Flugzeugen ; sie werden hergestellt durch ein Aufweiten des rohrför- migen Elementes, wenn sich das erholungsfähige Material unterhalb seiner Übergangstemperatur befindet, und durch Halten des aufgeweichten Elementes unterhalb dieser Temperatur, z. B. durch Lagern in flüssi- gem Stickstoff oder durch Instellunghalten oberhalb der Übergangstemperatur auf einem Kern entsprechen- der Grösse. Bei der Verwendung wird das Verbindungselement in seiner niedrigtemperierten, expandierten
Form auf die zu verbindenden Teile gebracht, z.
B. hydraulische Leitungen, und wird dann erwärmt oder erwärmen gelassen auf oberhalb der Übergangstemperatur des erholungsfähigen Metalls, worauf es auf seine ursprüngliche Gestalt schrumpft und fest und dicht an den zu verbindenden Teilen anliegt.
Unter den metallischen Materialien (Memory-Metallen), welche hiefür verwendet werden können, sind z. B. die Legierungen, welche in den USA-Patentschriften Nr. 3,012, 882 und Nr. 3, 174, 851, in der österr.
Patentschrift Nr. 276790 und in der belgischen Patentschrift Nr. 703649 aufgezeigt sind. Wie aus diesen Druckschriften hervorgeht, durchlaufen diese Legierungen eine Umwandlung bei einer bestimmten Temperatur, welche im Falle der Gold-Kadmium- und Silber-Gold-Kadmium-Verbindungen, wie sie in der USA-Patentschrift Nr. 3,012, 882 beschrieben sind, einfach als Phasenwechsel bezeichnet ist. Die andern Patentschriften beschreiben den Übergang, welcher in den erläuterten Legierungen stattfindet, als einen zwischen austenitischem (oder Hochtemperatur-) und martensitischem (Niedertemperatur-) Gefüge des Materials.
Die Übergangstemperatur des erholungsfähigen Materials kann auch durch einen Temperaturbereich gebildet werden, wobei-da eine Hysterese normalerweise auftritt-der genaue Temperaturwert, bei dem der Übergang erfolgt, abhängig davon ist, ob die Temperatur des Gegenstandes erhöht oder gesenkt wird. Ferner ist die Übergangstemperatur eine Funktion der Spannung, die auf das Material einwirkt, wobei diese Temperatur mit zunehmender Spannung steigt.
Die Erfindung bezieht sich auf eine weitere Verformung eines nach der österr. Patentschrift Nr. 328806 erhältlichen Gegenstandes bzw. auf einen wärmerückstellbaren Gegenstand aus einem Memory-Metall, dergestalt, dass er seine ursprüngliche Gestalt nicht zur Gänze wieder erreichen kann, so dass ein kleiner Betrag einer sekundären oder nichtthermisch rückbildbaren Verformung dem Gegenstand aufgeprägt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass man a) den Gegenstand in seiner ursprünglichen Zustandsform in an sich bekannter Weise herstellt, b) den Gegenstand aus dieser Zustandsform bei einer Temperatur unterhalb der Übergangstemperatur des Memory-Metalls verformt, um ihm eine durch Wärmerückstellung auslosbare Spannung zu verleihen und ihn in den Stand zu versetzen, die ursprüngliche Zustandsform wiederanzunehmen, und e) den Gegenstand ober-oder unterhalb der Übergangstemperatur sekundär weiter verformt, um ihm eine durch Wärme nicht rückstellbare Restverformung zu verleihen, so dass der Gegenstand ausserstande ist, seine ursprüngliche Zustandsformwiedervollständig einzunehmen, wobei gewünschtenfalls die Stufen (b) und
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eineDurch geeignete Auswahl des Materials,
aus welchem der Dorn oder der Halter hergestellt ist, oder durch seine Form kann das totale Rückbildungsvermögen, d. h. das elastische und das thermische Rückbildungsvermögen des Gegenstandes auf eine Grösse gebracht werden, dass es dasjenige erreicht, welches ursprünglich durch das Aufweiten eingebracht wurde.
Der Bereich, um welchen der Gegenstand rückbildbar ist, kann z. B. durch Herstellung des Dorns oder Halters aus einem Material mit wesentlicher Elastizität vergrössert werden. In einem derartigen Falle muss die Elastizitätsgrenze des Gegenstandes vergrössert werden, ehe die bleibende Deformation in ihm eintritt. Für diesen Zweck könnte der Halter aus dem gleichen Material wie der Gegenstand oder aus einem andern Material mit wesentlich grösserer Elastizität, z. B. aus Berylliumkupfer, hergestellt sein.
Anderseits kann der Halter aus einem Material hergestellt sein, welches einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. In diesem Falle zieht sich der Durchmesser des Halters bei Erhöhung der Temperatur zusammen, wodurch dem Gegenstand gestattet wird, sich im grösseren Ausmass rückzubil-
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den, als wenn der Durchmesser des Halters konstant verbleiben würde. Für das gleiche Ergebnis könnte der Halter auch in Form einer zylindrischen Feder gleich einem üblichen eingerollten Zapfen, die sich bei Rückbildung des Gegenstandes auf ihr verkleinert, hergestellt sein. Andere weitere Methoden, um den Halter mit einer ausreichenden Elastizität für die geschilderten Zwecke zu versehen, ergeben sich für den Fachmann von selbst und sind von der Erfindung mit umfasst.
Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens liegt in der Herstellung von rohrförmi- gen Verbindungselementen nach der österr. Patentschrift Nr. 328806, insbesondere zur Verwendung bei den hydraulischen Leitungen von Luftfahrzeugen.
Gegenwärtig benötigen Flugzeuge hydraulische Einrichtungen, welche bei Temperaturen zwischen ungefähr -55 und 1250C arbeiten müssen, aber es wird angestrebt, Einrichtungen zu schaffen, welche innerhalb eines Temperaturbereiches von unterhalb -750C und über 250 C arbeiten können, wobei einige spezielle Einrichtungen, z. B. im Bereich der Motoren, fähig sein sollen, Temperaturen von über 5000C zu widerstehen. Aus klaren Gründen muss daher ein durch Wärme rückbildbares metallisches Material zur Verwendung in hydraulischen Leitungsverbindungen in diesem Falle eine Übergangstemperatur besitzen, die etwas unterhalb-750C liegt.
Flüssiger Stickstoff, dessen Siedepunkt bei-196 C liegt, bietet sich als verwendbares Mittel zur Kühlung von Gegenständen bis zu seinem Siedepunkt an. Temperaturen niedriger als -1960C können jedoch mittels anderer verflüssigter Gase erhalten werden. Stickstoff jedoch bietet den Vorteil, dass er leicht erhältlich und weitgehend ungefährlich ist.
Bevorzugte Metalle zur erfindungsgemässen Anwendung unter diesen Voraussetzungen sind daher solche, welche eine Übergangstemperatur im Bereich zwischen -196und-750C aufweisen. Zusätzlich zu den erfor- derlichen Eigenschaften ergibt sich auch der Vorteil, dass sich ein derartiges Metall bei einer normalen Verwendungstemperatur in seiner austenitischen Form befindet, in welcher es grössere Festigkeit aufweist.
Unter den für die Erfindung besonders geeigneten Metallen sollen beispielsweise folgende Legierungen erwähnt werden, bei welchen die Prozentangaben atomare Prozente und ungefähre Grössen darstellen.
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Nr. <SEP> 1 <SEP> Titan <SEP> 50% <SEP> Nickel <SEP> 47% <SEP> Eisen <SEP> 3%
<tb> Nr. <SEP> 2 <SEP> Titan <SEP> 49, <SEP> 25% <SEP> Nickel <SEP> 50% <SEP> Aluminium <SEP> 0, <SEP> 75%
<tb> bis <SEP> 49, <SEP> 00% <SEP> 1, <SEP> 00%
<tb> Nr. <SEP> 3 <SEP> Titan <SEP> 48,5% <SEP> Nickel <SEP> 51, <SEP> 5%
<tb> Nr. <SEP> 4 <SEP> Titan <SEP> 50% <SEP> Nickel <SEP> 48% <SEP> Mangan <SEP> 2%
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Diese Legierungen haben sämtliche eine Übergangstemperatur innerhalb des gewünschten Bereiches. Die Legierungen können zufällige Unreinheiten enthalten, da diese nicht die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Materials ungünstig beeinflussen oder die Übergangstemperatur in einem derartigen Ausmass verändern, dass der Gegenstand für seinen beabsichtigten Verwendungszweck unbrauchbar wird.
Diese Titan-Nickel-Legierungen, gleich, ob sie für eine hydraulische Kupplung oder für einen andern Verwendungszweck bestimmt sind, können auf irgendeine der üblichen Verfahrensweisen bei der Herstellung von Titan-Legierungen erzeugt und ausgeformt werden, entweder aus den Elementen, aus welchen sie bestehen, oder aus Legierungen oder Verbindungen der Bestandteile in andern Zusammensetzungen. Innerhalb dieser Verfahren sind als Beispiel abtragendes und nicht abtragendes Lichtbogenschmelzen, Induktionschmelzen im Vakuum in Graphitschmelztiegeln, Elektronenstrahl-Schmelzen, metallurgische Pulver-Verfahren und Zonenschmelzen.
Die sich ergebenden Legierungen können leicht in geeignete Rohlinge für die Endherstellung der Gegenstände durch z. B. Heissverformung, Giessen, Heissauspressen, Heisswalzen oder Heissschmieden oder bis zu einem geringeren Grad auch durch Kaltverformung umgeformt werden. Was auch immer für eine Formungsmethode angewendet wird, so sind die Legierungen in gewünschtem Ausmass entspannt, so dass die Wiedererlangbarkeit der äusseren Form im sich ergebenden Gegenstand gewährleistet ist.
In einem beispielhaften Anwendungsfall wird ein Rohr aus einem metallischen Material der beschriebenen Art radial aufgeweitet, d. h. es wird bei einer Temperatur unterhalb der Übergangstemperatur des Materials z. B. durch Hindurchtreiben eines Dornes mit einem grösseren Durchmesser als der ursprüngliche innere Durchmesser des Rohres umfangmässig gestreckt. Das Ausmass an Aufweitung ist gross genug, so dass sowohl die thermische Rückbildung (Wärmeerholung) als auch die sekundäre Verformung stattfindet. Das Rohr wird dann bis über die Übergangstemperatur (Umwandlungspunkt) erwärmt, während es sich durch den Dorn oder einenHalter mit ungefähr dem gleichen Durchmesser im aufgeweiteten Zustand befindet.
Das Rohr wird sich auf den Dorn oder den Halter festsetzen, da es sich zurückformen und radial auf seine ursprüngli-
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che Form zusammenziehen will.
Im geeigneten Zeitpunkt wird das Rohr wieder gekühlt bis unterhalb der Übergangstemperatur. Wenn das Rohr die Übergangstemperatur erreicht, tritt eine spontane Aufweitung ein, wobei der innere Durchmes- ser des Rohres zunimmt, was dazu führt, dass das Rohr leicht vom Dorn oder Halter entfernbar ist. Solange die Temperatur des Rohres unterhalb der Übergangstemperatur gehalten wird, wird es seinen neuen inneren
Durchmesser beibehalten, was ermöglicht, den aus diesem Rohr gebildeten Kupplungsteil in Stellung über die zu verbindenden Rohre od. dgl. zu bringen. Letztere müssen jedoch einen äusseren Durchmesser aufwei- sen, welcher geringer ist als der aufgeweitete Durchmesser des Kupplungsteiles und etwas grösser als der ursprüngliche innere Durchmesser des Kupplungsteiles.
Nachdem der Kupplungsteil auf die Gegenstände aufgebracht ist, wird die Verbindung bis oberhalb der Übergangstemperatur des Metalls des Kupplungsteiles erwärmt. Der Kupplungsteil schrumpft, da er sich in der Wärme rückverformt und auf seine ursprüngliche wärmestabile Form zusammenzieht, bis er die Ob- jekte fest umfasst und am weiteren Zusammenziehen gehindert wird. Da die Rückbildungskräfte gross sind, er- zeugt der Kupplungsteil einen ausserordentlich dichten Sitz auf den Objekten, solange die Verbindung auf einer Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur gehalten wird.
Der Widerstand, welchen die Objekte auf den Kupplungsteil erzeugen und der ein vollständiges Rückbilden in den ursprünglichen Zustand des letzteren verhindert, erzeugt weitere sekundäre Verformungsspannungen auf das Kupplungsteilmaterial, und wenn der Kupplungsteil wieder auf die Übergangstemperatur gekühlt wird, wird er sich spontan ausweiten, wodurch die Gegenstände aus dem Kupplungsteil entfernt werden können.
Wiewohl die Erfindung an Hand ihrer Anwendung für die nach der österr. Patentschrift Nr. 328806 ausgebildeten Gegenstände erläutert wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf alle Arten von wärmerückstellbaren Gegenständen aus Memory-Metallen anwendbar.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines wärmerückstellbaren Gegenstandes aus einem Memory-Metall, dadurch gekennzeichnet, dass man a) den Gegenstand in seiner ursprünglichen Zustandsform in an sich bekannter Weise herstellt, b) den Gegenstand aus dieser Zustandsform bei einer Temperatur unterhalb der Übergangstemperatur des Memory-Metalls verformt, um ihm eine durch Wärmerückstellung auslösbare Spannung zu verleihen und ihn in den Stand zu versetzen, die ursprüngliche Zustandsform wiederanzunehmen, und c) den Gegenstand ober- oder unterhalb der Übergangstemperatur sekundär weiter verformt, um ihm eine durch Wärme nicht rückstellbare Restverformung zu verleihen, so dass der Gegenstand ausserstande ist, seine ursprüngliche Zustandsform wieder vollständig einzunehmen, wobei gewünschtenfalls die Stufen (b)
und (c) in einem einzigen Schritt unterhalb der Übergangstemperatur ausgeführt werden.