CH536362A

CH536362A - Metall- oder Halbleiterlegierung mit kleinen Temperaturkoeffizienten der Elastizität

Info

Publication number: CH536362A
Application number: CH81467A
Authority: CH
Inventors: Nat Steinemann Samuel Dr Sc; Peter Martin Dr Prof
Original assignee: Straumann Inst Ag
Priority date: 1966-04-22
Filing date: 1966-04-22
Publication date: 1973-04-30
Also published as: DE1558514A1; DE1558514B2; NL6705412A; US3974001A; GB1175883A; DE1558514C3; FR1521737A; CH551032A; CH587766A4

Description


  
 



   Für die Herstellung von Schwing- oder Federelementen mit einem Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls, der positiv, null oder nur sehr wenig negativ also grösser als   -10-4      Grad¯l,    ist, werden heute unter anderem die sogenannten reversiblen Fe-Ni-Legierungen verwendet, die dank der Temperaturabhängigkeit ihrer Sättigungsmagnetostriktion unterhalb des Curie-Punktes eine Anomalie im Temperaturverlauf des E-Moduls aufweisen, die es ermöglicht, den an sich negativen thermoelastischen Koeffizienten über bestimmte Temperaturintervaile sehr klein, und zwar nach Wunsch positiv oder negativ zu halten.

  Schwingelemente aus solchen Materialien sind jedoch   magnetfeldempfindlich.    Es ist des weitern bekannt, dass auch Nicht-Ferromagnetika Elastizitätsanomalien aufweisen, deren Ursprung zum Beispiel in der Bildung einer Überstruktur oder einer reversiblen Martensitumwandlung liegt. Diese Anomalien erstrecken sich jedoch immer nur über einen engen Temperaturbereich und hören insbesondere bei gewissen Temperaturen auf: diese Umwandlungstemperaturen sind analog zur Curie-Temperatur der   Ferromagnetika.    Eine Übersicht über die genützten Vorgänge gibt die Abhandlung von R. Straumann. F. Straumann und G.



  Krüger in  Scientia Electrica , vol. 4, Heft 2, 1958.



   Die bisher bekannten Materialien haben gewisse Nachteile, wie starke Abhängigkeit von der Verarbeitung (Kaltverformung, Wärmebehandlung) und von Magnetfeldern, und sie sind zudem oftmals wenig korrosionsbeständig, schwer verarbeitbar oder weisen hohe mechanische Verluste auf, etc.



   Solche Nachteile lassen sich nun mit der vorliegenden Erfindung umgehen, die eine Metall- und Halbleiterlegierung betrifft, welche insbesondere für Schwing- oder Federelemente, mit Ausnahme solcher für die   Zeitmesstechnik    geeignet ist und Temperaturkoeffizienten der elastischen Modulen hat, die grösser als   -10-4      Grad¯    sind.

  Diese Legierung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie paramagnetisch ist einerseits eine hohe Zustandsdichte der Elektronen   im      (EF),    welche entweder bei Raumtemperatur an einer magnetischen Atomsuszeptibilität X von mehr als 50   10-6    emE/g-atom oder bei tiefen Temperaturen an einer spezifischen Elektronenwärme y von mehr als   5      i0-    cal g-atom   T    2 erkennbar ist, und andererseits einen nichtpositiven Temperaturkoeffizienten dTN   (Ep)    dieser Zustandsdichte, der an einem nichtpositiven Tempera    turkoeffizienten dT    der   magnetischen    Suszeptibilität erkennbar ist, aufweist.

  Ein   Temperaturkoeffizient    der Zustandsdichte ist hiebei formell eingeführt: die Zustandsdichte selbst ist nicht temperaturabhängig, aber die kinetische Energie der Elektronen hat eine temperaturabhängige Verteilung, welche unmittelbar auf   EF    und mittelbar auf die Zustandsdichte Einfluss nimmt.



   Aus Schwingelementen aus solchen Legierungen lassen sich elektromechanische Filter fertigen. Federelemente mit einem sd kleinen   thermoelastischen    Koeffizienten werden zur Kraftmessung benützt: Sie werden also in Waagen, Nivelliergeräten,   elelctrischen      l,1essinstrumenten    und ähnlichen Geräten verwendet.

  Anderweitige Bauelemente, für die ein kleiner   Temperaturfoefflzient    des E-Moduls erforderlich ist, sind Bauteile, die in einem sehr weiten Temperaturbereich, zum Beispiel über mehrere 100 Grad, mechanisch sehr stark   beanspmch-i    werden und deren Elastizitätsmodul sich mit der Temperatur sozusagen nicht ändern darf, damit nicht bei Temperaturänderungen   und    gleichzeitig äusseren   Beanspru-1    chungen beim Durchlaufen eines gewissen Temperaturbereiches Resonanzschwingungen auftreten können, die   zurt    Zerstörung des Bauelementes führen, was zum Beispiel bei Turbinen und Raketen wichtig ist.



   Generell zu beachten, dass die mechanische Beanspruchung in den genannten Schwingelementen und anderen Bauteilen verschiedener Art sein kann; entweder ist hierbei die Kompensation für den Elastizitätsmodul, Schubmodul oder Kompressionsmodul einzeln oder sogar gemischt vorzunehmen.



   Das elastische Verhalten des festen Körpers ist durch drei Anteile bestimmt, nämlich dem Anteil aus der Wechselwirkung   lon-Ion,    dem Anteil aus der Wechselwirkung Ion-Elektronen und dem Anteil aus der Wechselwirkung der freien Elektronen unter sich. Dieser letzte Anteil ist von etwa 100    K    an meist temperaturunabhängig, klein oder nur in der Poissonzahl und den   Einkristallmodulen    bemerkbar. In der Elektronenstruktur des Festkörpers kann unter gewissen Bedingungen eine hohe Zustandsdichte N (EF) vorliegen, wobei die Bandenstruktur gegenüber der Fermi-Energie so liegen kann, dass ein    Temperaturkoeffizient dieser Zustandsdichte d N (elf) dT    positiv oder negativ ausfallen kann.

  Für das elastische Verhalten der erfindungsgemässen Legierungen, die durch hohe Zustandsdichte der freien Elektronen und negativen Temperaturkoeffizienten dieser Zustandsdichte gekennzeichnet sind, ist nun das dynamische Verhalten der freien Elektronen verantwortlich. Diese Festkörper tragen keine permanente Magnetisierung, und ihr Verhalten ist nicht unmittelbar von Gefüge und Kristallstruktur abhängig.



   Die Zustandsdichte der Elektronen N (EF) und der    Temperaturkoeffizient dieser Zustandsdichte d N (Ep) dT    lassen sich aus der paramagnetischen Suszeptibilität   X    und deren Temperaturverhalten bestimmen, da die folgende Beziehung gilt:
EMI1.1     
 daraus ergibt sich
EMI1.2     
    In diesen Formeln ist,uo das Bohr-Magneton und J die Aus-    tauschkonstante zwischen den Elektronen, für welche meist   1      J N(EF) < 1    2
N(EF) hängt auch mit der Supraleitungssprungtemperatur und der spezifischen Wärme bei tiefen Temperaturen (Elektronenwärme) zusammen.

 

   In der beiliegenden Zeichnung zeigen die Figur 1 die paramagnetische Atomsuszeptibilität bei Raumtempratur, die Figur 2 die spezifischen Wärmen oder Elektronenwärmen (gemessen bei der Temperatur des flüssigen Heliums), die Figur 3 die Temperaturkoeffizienten der Suszeptibilität (als logarithmische Ableitung), die Figur 4 die günstigen Zonen der Elektronenkonzentration und zwar jeweilen der 3., 4. und 5. Periode des.



      periodischen Systems als Funktion der Elektronenkonzentration welche als das Verhältnis der mittleren Anzahl von Elektronen a    ausserhalb abgeschlossener Schalen, also den für die Bindung massgebenden Elektronen, zu der Anzahl Atome bekannt ist;  die Fig. 5 das Verhalten der paramagnetischen Suszeptibilität der Metalle aus der Gruppe V B und deren Legierungen untereinander und die Fig. 6 das Verhalten des Temperaturkoeffizienten der magnetischen Suszeptibilität als logarithmische Ableitung in Bezug auf die Legierungen der Fig. 5.



   Es berechnen sich also bei einer binären Legierung aus den Elementen 1 und 2, von denen jedes aus irgend einer Gruppe und irgend einer Periode des periodischen Systems stammen kann, mit den Gewichtsprozenten   g1    und g2, den Atomgewichten A, und A2 und der Anzahl   v1    und v2 von Elektronen ausserhalb abgeschlossener Schalen (Valenzen) die Atomprozente al und a2 zu
EMI2.1     
 und die Elektronenkonzentration zu e/a = 1/100 (V1 . a1 + V2a2)
Bei einer Legierung von 20 Gewichtsprozent V und 80
Gewichtsprozent Ti ist demnach die Elektronen konzentration
2/a = 4,79;

   bei einer Legierung von 80 Gewichtsprozent Ti und    e   
20 Gewichtsprozent Cr ist a = 4,37, und bei einer Legierung mit 50 Gewichtsprozent V und 50 Gewichtsprozent Nb ist e    = 5,0.    a
Wie man insbesondere aus den Figuren 1 bzw. 2 der
Zeichnung ersehen kann, sind die Suszeptibilitäten X und die spezifischen Elektronenwärmen y bei den Legierungen im
Bereich e/a = 5 hoch: Es bestehen also hohe Zustandsdichten.



   Für diese Legierungen ist der Temperaturkoeffizient von negativ, so dass alle Bedingungen für das Auftreten der verlangten kleinen Temperaturkoeffizienten des E-Moduls erfüllt sind. Andere Fälle gleichlaufenden Verhaltens sind zum Beispiel Palladium- und Platin-Legierungen, für welche e/a ¯    10.    Die beiden   Beispiele zeig  n,    dass eine Unabhängigkeit von der Kristallstruktur vorliegt: Die   kubisch      raumzentrierten    Nb
Legierungen wie auch die kubisch   flächenzentrierten    Pd
Legierungen haben beide deine   Temfperaturkffnffwffizienten    des
Elastizitätsmoduls.



   Aus   den-Figuren 1 b    4 ist ersichtlich, dass   sich    anhand der    1e   
Elektronenkonzentration   r    - feststellen lässt, ob es sich um eine   Legierung    handelt, die die gewünschte Eigenschaft des   Temperaturverhaltens der    Elastizitätsmodulen aufweist oder nicht. Die Legierung   muss    eine globale Elektronenkonzentra   tion e/a oder mindestens eine Elektronenkonzentration e/a    ihrer überwiegenden Phase in einem der   folgenden   Bereiche   haben:   2,5-3,7;   4,1-5      6, 1-7,8; und   9,2-10,5.

  In diesen verschiedenen Bereichen der Legierungszusammensetzung sind die   Temperaturkoeffizieaten    der   Elastizität    klein, null oder positiv; die Elastizitätsmoduln   jedoch    sind unterschiedlich und sind zum Beispiel für das Elastizitätsmodul E grob von der   Grössenordnung 5000 kg/mm2 für e = a 2,5-3,7,    15 000 kg/mm2 für e/a   =   4,1-5,7, 40 000 kg/mm2 für - =    6,1-7,8 und 15 000 kg/mm2 für ab = 9,2-10,5. Die a    erfindungsgemässen Legierungen lassen sich an den Verwendungszweck auch in dieser Beziehung anpassen.



   Diese verlangte Elektronenkonzentration kann sich natürlich auch in Legierungen ergeben, deren Einzelelemente Elektronenkonzentrationen aufweisen, die den gestellten Bedingungen selbst nicht genügen.



   Die Figur S zeigt das Verhalten der paramagnetischen Suszeptibilität der Metalle alls der Gruppe   VB    und deren Legierungen untereinander e/a ist-konstant, da die Elemente innerhalb einer Gruppe des periodischen Systems dieselbe Anzahl äusserer Elektronen haben. Die Figur 6 zeigt das Verhalten des Temperaturkoeffizienten der magnetischen Suszeptibilität,   also 1      dW    . Das gewünschte Elastizitäts   X als 1    verhalten kommt auch in solchen Legierungen zustande, die aus
Elementen verschiedener Periode, aber gleicher Gruppe  (insbesondere IIIB, VB oder der letzten   Kolonne    der Gruppe VIII) gebildet sind.



   Die nachfolgende Zusammenstellung zeigt Legierungsbei spiele mit einem   e    das innerhalb der vorgenannten Grenzen   
1e liegt und solche mit einem a X welches ausserhalb der    vorgenannten Grenzen liegt. Die ersten sind für die weitgehend temperaturunabhängigen Schwing-, Feder- und Bauelemente verwendbar, die anderen nicht.
EMI2.2     


<tb>

 

  Gewicht <SEP> %
<tb> 75 <SEP> Nb <SEP>    1 <SEP> 4,6    <SEP> verwendbar
<tb> 25 <SEP> Ti
<tb> 80 <SEP> V <SEP>    4,79    <SEP> verwendbar
<tb> 20 <SEP> Ti
<tb> i67 <SEP> Mo <SEP> 5,0 <SEP> verwendbar
<tb> i33 <SEP> Ti
<tb>  <SEP> 50 <SEP> Nb <SEP> 5,0 <SEP> verwendbar
<tb>   so    <SEP> V
<tb>  <SEP>    j <SEP> 5,4 <SEP> Ti    <SEP> 
<tb>  <SEP> 10,8 <SEP> Mo <SEP>    j5,0 <SEP>    verwendbar
<tb> 83,8 <SEP> Nb
<tb>  <SEP> 80 <SEP> Mo <SEP> 5,8 <SEP> nicht <SEP> verwendbar
<tb>  <SEP> 20 <SEP> Nb
<tb>  <SEP>    41,3 <SEP> Co    <SEP> 
<tb>  <SEP> -13,7 <SEP> Fe <SEP> 6,37 <SEP> verwendbar
<tb>  <SEP> 45 <SEP> Ti
<tb>  <SEP> 60 <SEP> Ag <SEP> 10,6 <SEP> nicht <SEP> verwendbar
<tb>  <SEP> 40 <SEP> Pd
<tb>

Claims

PATENTANSPRUCH Metall- oder Halbleiterlegierung insbesondere zur Herstellung von Schwing- und Federelementen, mit Ausnahme solcher für Zeitmessgeräte mit einem Temperaturkoeffizienten der elastischen Modulen, der grösser als -10-4 Grad- ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie paramagnetisch ist, einerseits eine hohe Zustandsdichte der Elektronen N (EF), welche entweder bei Raumtemperatur an einer magnetischen Atomsuszeptibilität X von mehr als 50 10-6 emE/g-atom oder bei tiefen Temperaturen an einer spezifischen Wärme y (Elektronenwärme) von mehr als 5 10-4ical g-atom 2 erkennbar ist, und andererseits einen nichtpositiven Temperaturkoeffizienten fdN(EF) dT dieser Zustandsdichte,

der an einem nichtpositiven Tempera turkoeffizienten X der magnetischen Suszeptibilität dT erkennbar ist, aufweist.

456 UNTERANSPRÜCHE 1. Legierung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet dass ihre Elektronenkonzentration im dass ihre - im Bereiche von 2,3-3,7 liegt. a 2. Legierung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Elektronen-8 konzentration e im Bereiche von 4,1-5,7 liegt. a 3. Legierung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, e1 dass ihre Elektronenkonzentration au im Bereiche von 6,1-7,8 liegt.

4. Legierung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Elektronenkonzentration e im Bereich von 9,2-10,5 liegt.

5. Legierung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Hauptkomponente ein Element der Gruppe III B oder V B oder der letzten Kolonne der Gruppe VIII des periodischen Systems ist.

6. Legierung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Hauptkomponente aus Elementen verschiedener Perioden aus einer der Gruppen III B, V B oder der letzten Kolonne der Gruppe VIII besteht.

7. Legierung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Hauptkomponente eine seltene Erde oder ein Element der Actinidengruppe ist.

8. Legierung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mindestens zwei Legierungskomponenten besteht, von denen wenigstens bei einer die Elektronenkonzentration ausserhalb der folgenden Bereiche liegt: 2,3-3,7 4,1-5,7 6,1-7,8 9,2-10,5.