DE102010032689A1

DE102010032689A1 - Magnetisches Formgedächtnislegierungsmaterial

Info

Publication number: DE102010032689A1
Application number: DE102010032689A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Laufenberg; Emmanouel Dr. Pagounis
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2011-06-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Formgedächtnislegierungsmaterial mit einer Curietemperatur (T_C) sowie einer Phasenübergangstemperatur (T_A) von einer martensitischen in eine austenitische Phase, aufweisend Ni, Mn, Ga sowie mindestens Co in der Zusammensetzung
Ni_aMn_bGa_cCo_dFe_eCu_f, wobei a, b, c, d, e und f in Atom-% angegeben sind und die Bedingungen

44 ≤ a ≤ 51;
19 ≤ b ≤ 30;
18 ≤ c ≤ 24;
0,1 ≤ d ≤ 15;
0 ≤ e ≤ 14,9;
0 ≤ f ≤ 14,9;
d + e + f ≤ 15;
a + b + c + d + e + f = 100;

erfüllen, und wobei d so eingestellt ist, dass die Curietemperatur sowie die Phasenübergangstemperatur oberhalb von 65°C liegen und dass ein aus dem Material hergestellter und zur Erzielung einer magnetfeldinduzierten Dehnung behandelter Körper bei einer Magnetfeldbeaufschlagung mit höchstens 2 T bei einer Temperatur oberhalb von 65°C eine freie magnetfeldinduzierte Dehnung von > 0,1% aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetisches Formgedächtnislegierungsmaterial, ein aus einem solchen Formgedächtnislegierungsmaterial hergestelltes Aktorenelement sowie eine Verwendung eines solchen Materials bzw. eines solchen Aktorenelementes.
Aus dem Stand der Technik sind Materialien, die als Reaktion auf eine Beaufschlagung mit einem Magnetfeld ihre Form ändern, seit längerer Zeit bekannt. Derartige Materialien werden typischerweise als magnetoplastische Materialien, als MSMA (Magnetic Shape Memory Alloys) oder aber als FSMA (Ferromagnetic Shape Memory Alloys) bezeichnet; für den Zweck der vorliegenden Offenbarung soll der Begriff „magnetische Formgedächtnislegierung” bzw. „magnetisches Formgedächtnislegierungsmaterial” als Begriff für ein Legierungsmaterial verwendet werden, welches bei Beaufschlagung mit einem Magnetfeld in zumindest einer Richtung eine Längen- und/oder Formänderung durchführt.
Aus dem Stand der Technik sind diesbezüglich verschiedene Legierungen bekannt, welche in der Art einer (ferro-)magnetischen Formgedächtnislegierung, induziert durch ein äußeres magnetisches Feld, Dehnungen im Bereich einiger Prozent (bezogen auf eine Abmessung eines jeweiligen Körpers aus dem Formgedächtnislegierungsmaterial) zeigen.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass FePd-Legierungen, ferner NiMnGa-Legierungen und auch NiFeGa-Legierungen ein derartiges magnetfeldinduziertes Dehnungsverhalten zeigen.
Allerdings ist die Einsatztemperatur sowie damit die technische Verwendbarkeit derartiger Legierungen begrenzt durch die sogenannte Curietemperatur (T_C), ab der das Material nicht mehr ferromagnetisch ist, sowie begrenzt durch die sogenannte Phasenumwandlungstemperatur, bei der die Umwandlung einer martensitischen Phase des Materials in eine austenitische Phase stattfindet. Oberhalb jeder dieser Temperaturgrenzen tritt der beabsichtigte und etwa für Stellglieder ausgenutzte magnetfeldinduzierte Dehnungseffekt nicht mehr auf, so dass die niedrigere dieser beiden Temperaturen die Einsatzgrenze für ein jeweiliges Material bzw. eine daraus realisierte Anwendung beschreibt.
Bei bekannten magnetischen Formgedächtnismaterialen liegt die niedrigere der beiden Temperaturen T_C und T_A typisch bei Werten von bis zu 65°C, so dass insbesondere der industrielle Einsatz bzw. eine besonders wünschenswerte Anwendbarkeit derartiger Materialien im Zusammenhang mit Aktoren im Kraftfahrzeugbereich ausscheidet; so würden etwa die im Motorraum eines Kraftfahrzeugs herrschenden Betriebstemperaturen regelmäßig diese Temperaturgrenze übersteigen, so dass ein zuverlässiger Aktorenbetrieb mit Hilfe der magnetischen Formgedächtnislegierungsmaterialien nicht mehr gewährleistet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein (ferro-)magnetisches Formgedächtnislegierungsmaterial zu schaffen, welches eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Curietemperatur sowie erhöhte Phasenübergangstemperatur aufweist, dabei gleichzeitig hohe magnetfeldinduzierte Dehnungseigenschaften besitzt und sich somit insbesondere für Anwendungen in Umgebungen eignet, in denen höhere Temperaturen, insbesondere Temperaturen oberhalb von 65°C, weiter bevorzugt Temperaturen oberhalb von 80°C und noch weiter bevorzugt Temperaturen von oberhalb von 100°C, herrschen. Ferner ist ein Aktorenelement basierend auf einem solchen Formgedächtnislegierungsmaterial zu schaffen, und es ist eine Verwendung für ein solches Aktorenelement sowie für ein solches Formgedächtnislegierungsmaterial zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch das magnetische Formgedächtnislegierungsmaterial mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, das Formgedächtniselement Aktorelement) nach dem unabhängigen Patentanspruch 15 sowie die Verwendung nach dem Patentanspruch 16 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise besitzt das erfindungsgemäße, eine magnetfeldinduzierte Dehnung zeigende Formgedächtnislegierungsmaterial eine Basis bestehend aus NiMnGa mit den durch die Parameter a, b, c gemäß Hauptanspruch spezifizierten Anteilsbereichen in Atom-%. Zusätzlich weist das erfindungsgemäße Legierungsmaterial zumindest Co auf, wobei das Co auch in Kombination mit Fe und/oder Cu vorliegen kann, gemäß den im Hauptanspruch mit den Parametern d, e, f vorgegebenen Anteilsbereichen in Atom-%, wobei die Basis bestehend aus NiMnGa einen Anteil (in Atom-%) von zumindest 85% aufweist, und wobei in der Praxis typischerweise auftretende Verunreinigungen mit sonstigen Elementen in den Anteilszusammensetzungen unberücksichtigt gelassen wurden.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise hat sich nämlich herausgestellt, dass ein (begrenzter, d. h. unter 15% liegender) Anteil von Kobalt an der Formgedächtnislegierung sich günstig auf eine hohe Curietemperatur sowie Phasenübergangstemperatur auswirken kann. Der erfindungsgemäßen Weiterbildung haben sich gar Kobalt-Anteile (in Atom-%) von ≤ 6% an der Gesamtlegierung, noch weiter bevorzugt ≤ 3% an der Gesamtlegierung, als besonders günstig und vorteilhaft herausgestellt, wobei besonders gute Ergebnisse erzielt wurden, wenn Kobalt entweder ohne Fe und ohne Cu in der Legierung auftrat, oder lediglich in Kombination mit Fe in der Legierung in Verbindung mit der anspruchsgemäß vorgegebenen NiMnGa-Basis vorhanden war. Auch ist es bevorzugt, Fe und/oder Cu in Anteilen ≤ 12,5%, bevorzugt ≤ 10%, weiter bevorzugt ≤ 7,5%, und dann ≤ 5%, und ≤ 2,5% zu variierten.
In der Praxis ließ sich so eine Curietemperatur sowie eine Phasenübergangstemperatur des erfindungsgemäßen ferromagnetischen Formgedächtnislegierungsmaterials realisieren, welche oberhalb von 65°C lag, wobei besonders günstige Kombinationen oberhalb von 80°C, oberhalb von 100°C oder sogar oberhalb von 120°C lagen, so dass diesbezüglich ein Einsatz in Hochtemperaturumgebungen erstmals mittels einer auf magnetischen Formgedächtnislegierungen basierenden Aktorik machbar und sinnvoll erscheint.
Darüber hinaus ließ sich im Rahmen der Erfindung vorteilhaft beobachten, dass gemäß der Erfindung hergestellte Formgedächtnislegierungsmaterialien prozentuale Dehnungen (bezogen auf ein Ausgangsmaß entlang mindestens einer Dimension ohne Magnetfeldbeaufschlagung) im Bereich zwischen 0,1% und mehr als 6% unbelastet ermöglichten (freie magnetfeldinduzierte Dehnung), wobei dieses Dehnungsverhalten in der erwarteten Weise temperaturabhängig ist und insbesondere auch oberhalb kritischer Temperaturen von 65°C bzw. 80°C die genannten Mindestdehnungen erreicht. Auch lassen sich vergleichbare magnetfeldinduzierte Dehnungen bei den genannten Temperaturen unter mechanischer Vorspannung, typischerweise > 0,1 MPa, bevorzugt > 0,5 MPa, weiter bevorzugt ≥ 2 MPa, erreichen.
Voraussetzung für die Beobachtung dieser magnetfeldinduzierten Dehnung ist eine geeignete Behandlung des hergestellten Materials, bestehend zunächst aus einer Wärmebehandlung oberhalb von 700°C zwecks makroskopischer chemischer Homogenisierung und/oder zur Beeinflussung der chemischen Ordnung auf interatomarer Längenskala. Gegebenenfalls kann ein magnetomechanisches und/oder thermomechanisches Training folgen, das in einer wiederholten Kraftbeaufschlagung in Kombination mit einer Magnetfeldbeaufschlagung und/oder einer Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb der jeweiligen Übergangstemperatur besteht.
Damit eignet sich die vorliegende Erfindung in besonders günstiger Weise zum Herstellen eines Aktorenelementes, welches als (magnetisches) Stellglied durch geeignete Kombination mit einem Magnetfelderzeuger, etwa einer Spuleneinheit, zu vielfältigen Steilzwecken im Kraftfahrzeug-, in industriellen- und anderen Bereichen eingesetzt werden kann, wobei insbesondere, wie oben erwähnt, die günstigen Temperatureigenschaften einen Einsatz oberhalb von 65°C, bevorzugt oberhalb von 80°C, 100°C und weiter bevorzugt oberhalb von 120°C ermöglichen.
Dabei ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Herstellen von Aktorenelementen als mono- oder polykristallinen Körper (wobei die Realisierung als einkristallines oder gerichtet erstarrtes magnetisches Formgedächtnismaterial bevorzugt ist) beschränkt, vielmehr ist es von der Erfindung umfasst und in der Weiterbildung möglich, einen geschäumten Körper, ein Pulver, eine (Dünn-)Filmschicht, ein Band oder auf andere Weise das Material, etwa in Verbindung mit anderen Materialien als Verbundstoff, herzustellen.
Im Ergebnis lässt sich durch die vorliegende Erfindung in überraschender, gleichwohl einfacher Weise die Temperaturgrenze herkömmlicher magnetischer Formgedächtnislegierungsmaterialien signifikant nach oben erhöhen, so dass erfindungsgemäß realisierte Formgedächtnislegierungsmaterialien bzw. damit realisierte Aktoren neue Stellanwendungen, insbesondere in Hochtemperaturumgebungen, eröffnen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie der genannten Rezepte und Verfahrensanwendungen, bei welchen die jeweiligen, für die Elemente angegebenen Bestandteilswerte auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung mit anderen Elementen als Höchstwerte offenbart gelten sollen.
Beispiel 1:
Ein Formgedächtnismaterial Ni_49,4Mn_27,6Ga_20,9Co_2,0 d. h. a = 49,4; b = 27,6; c = 20,9; d = 2,0; e = 0; f = 0 im Sinne des Hauptanspruchs, wurde aus elementaren Ausgangsmaterialien durch Abwiegen zunächst als Mischung erstellt und dann durch Induktionsschmelzen aufgeschmolzen.
Mit Hilfe des sogenannten Bridgman-Verfahrens (siehe etwa D. L. Schlagel, Y. L. Wu, W. Zhang, T. A. Lograsso: Chemical segregation during bulk single crystal preparation of Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloys, Journal of Crystal Growth, vol. 312 (2000) Seiten 77–85 oder A. J. Elliott, T. M. Pollock: Thermal analysis of the Bridgman and Liquid-Metal-Cooled directional solidification investment casting processes, Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 38 (2007), Seiten 871–882, beide Quellen gelten im Hinblick auf die darin beschriebenen Vorgehensweisen zur Kristallherstellung als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen) wurde ein einkristalliner Körper hergestellt. Dieser Körper wurde zwecks chemischer Homogenisierung bei einer Temperatur oberhalb von 700°C wärmebehandelt. Anschließend wurde ein quaderförmiges Formgedächtniselement mittels Drahterodieren aus diesem Körper geschnitten. Die magnetfeldinduzierte Formänderung dieses Elements wurde anschließend bei verschiedenen Temperaturen untersucht. Dazu wurden die geometrischen Abmessungen des Quaders vor und nach der Beaufschlagung mit einem Magnetfeld ermittelt und daraus die relative Längenänderung des quaderförmigen Elements bei verschiedenen Temperaturen bestimmt.
Das Element zeigte eine magnetfeldinduzierte freie Dehnung von > 1,0% bei allen gemessenen Temperaturen zwischen 25°C und 102°C. Die Curie-Temperatur T_C lag bei 107-°C, die Phasenübergangstemperatur T_A bei 112-°C.
Beispiel 2:

Weitere Formgedächtnismaterialien gemäß folgender Tabelle wurden analog zum Vorgehen gemäß Beispiel 1 hergestellt und wiesen die angegebenen Temperatureigenschaften auf:

Ni (atom-%)	Mn (atom-%)	Ga (atom-%)	Co (atom-%)	Fe (atom-%)	Cu (atom-%)	T_C (°C)	T_A (°C)
47,4	25,8	21,6	5,1	0,0	0,0	136	103
48,7	27,8	19,4	2,0	2,1	0,0	129	136
48,2	27,1	20,7	2,9	1,1	0,0	127	107

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. L. Schlagel, Y. L. Wu, W. Zhang, T. A. Lograsso: Chemical segregation during bulk single crystal preparation of Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloys, Journal of Crystal Growth, vol. 312 (2000) Seiten 77–85 [0019]
A. J. Elliott, T. M. Pollock: Thermal analysis of the Bridgman and Liquid-Metal-Cooled directional solidification investment casting processes, Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 38 (2007), Seiten 871–882 [0019]

Claims

Magnetisches Formgedächtnislegierungsmaterial mit einer Curietemperatur (T_C) sowie einer Phasenübergangstemperatur (T_A) von einer martensitischen in eine austenitische Phase, aufweisend Ni, Mn, Ga sowie mindestens Co in der Zusammensetzung Ni_aMn_bGa_cCo_dFe_eCu_f, wobei a, b, c, d, e und f in Atom-% angegeben sind und die Bedingungen 44 ≤ a ≤ 51; 19 ≤ b ≤ 30; 18 ≤ c ≤ 24; 0,1 ≤ d ≤ 15; 0 ≤ e ≤ 14,9; 0 ≤ f ≤ 14,9; d + e + f ≤ 15; a + b + c + d + e + f = 100; erfüllen, und wobei d so eingestellt ist, dass die Curietemperatur sowie die Phasenübergangstemperatur oberhalb von 65°C liegen und dass ein aus dem Material hergestellter und zur Erzielung einer magnetfeldinduzierten Dehnung behandelter Körper bei einer Magnetfeldbeaufschlagung mit höchstens 2 T bei einer Temperatur oberhalb von 65°C eine freie magnetfeldinduzierte Dehnung von > 0,1% aufweist.
Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass d ≤ 10, bevorzugt d ≤ 6, weiter bevorzugt d ≤ 5,1, noch weiter bevorzugt d ≤ 3 und noch weiter bevorzugt d ≤ 2,1 eingestellt ist.
Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass e ≤ 10, bevorzugt e ≤ 7,5, weiter bevorzugt e ≤ 5, noch weiter bevorzugt e ≤ 2,1, noch weiter bevorzugt e ≤ 1,1 eingestellt ist.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass f ≤ 10, bevorzugt f ≤ 7,5, weiter bevorzugt f ≤ 2, noch weiter bevorzugt f ≤ 2,5 eingestellt ist.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 45 ≤ a ≤ 50 und 21 ≤ b ≤ 30 und 19 ≤ c ≤ 40 eingestellt ist, bevorzugt 46 ≤ a ≤ 49 und 23 ≤ b ≤ 30 und 20 ≤ c ≤ 24.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass d + e + f ≤ 6 gilt.
Material nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass d + e + f ≤ 3, bevorzugt 0,5 ≤ d + e + f ≤ 3, gilt.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass d so eingestellt ist, dass die Curietemperatur und die Phasenübergangstemperatur von der martensitischen in die austenitische Phase jeweils oberhalb von 80°C, bevorzugt oberhalb von 100°C und noch weiter bevorzugt oberhalb von 120°C liegen.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass d so eingestellt ist, dass die Curietemperatur höher als die Phasenübergangstemperatur ist, bevorzugt um mindestens 10 K höher, weiter bevorzugt um mindestens 20 K höher.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass d so eingestellt ist, dass ein aus dem Material hergestellter Körper bei einer Magnetfeldbeaufschlagung mit höchstens 2 T bei einer Temperatur oberhalb von 80°C, bevorzugt oberhalb von 100°C und noch weiter bevorzugt oberhalb von 120°C eine freie magnetfeldinduzierte Dehnung von > 0,1%, bevorzugt > 1%, weiter bevorzugt > 3% und noch weiter bevorzugt > 6% aufweist.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass d so eingestellt ist, dass ein aus dem Material hergestellter Körper bei einer Magnetfeldbeaufschlagung von höchstens 2 T bei einer Temperatur oberhalb von 65°C, bevorzugt oberhalb von 80°C, weiter bevorzugt oberhalb von 100°C und noch weiter bevorzugt oberhalb von 120°C eine magnetfeldinduzierte Dehnung von > 0,1%, bevorzugt > 1%, weiter bevorzugt > 3% und noch weiter bevorzugt > 6% unter einer Vorspannung von mindestens 0,05 MPa und bevorzugt unter einer Vorspannung von mindestens 2 MPa aufweist.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Material als einkristallines Material, insbesondere unter Verwendung eines Bridgman-Verfahrens, hergestellt ist.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein oligokristallines, polykristallines oder amorphes Material ist.
Material nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Material in Form eines Verbundmaterials, eines Pulvers, einer Dünnschichtstruktur, eines Bandes, von Fasern oder von Schäumen vorliegt.
Formgedächtniselement, hergestellt aus dem Material nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Verwendung als Aktorelement in einem Aktor und/oder als Sensorelement in einem Sensor.
Verwendung eines Formgedächtniselements nach Anspruch 15 zum Realisieren einer Stell- und/oder Sensorvorrichtung für die Fahrzeugtechnik, für die Industrie- oder Medizintechnik und/oder die Messtechnik.