DE102018119296A1

DE102018119296A1 - Inline Vorrecken von Formgedächtnislegierungen, insbesondere Flachstahl

Info

Publication number: DE102018119296A1
Application number: DE102018119296.7A
Authority: DE
Inventors: Felix Weyand; Juline Kämmerer; Sabine Fischer-Will
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2020-02-13
Also published as: WO2020030358A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Bearbeiten einer Formgedächtnislegierung (FGL), mit den Schritten: Bereitstellen (102) oder Herstellen eines Langprodukts (1) aus der Formgedächtnislegierung; Vorrecken (106) des Langprodukts (1) zum Einbringen einer vordefinierten Verformung; wobei das Vorrecken (106) umfasst: kontinuierliches plastisches Kaltverformen (108) des Langprodukts (1). Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung eines Walzgerüsts (2) sowie ein vorgerecktes Langprodukt (8).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Formgedächtnislegierung (FGL), mit den Schritten: Bereitstellen oder Herstellen eines Langprodukts aus der Formgedächtnislegierung; und Vorrecken des Langprodukts zum Einbringen einer vordefinierten Verformung. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Dressier-Walzgerüsts, sowie ein vorgerecktes Langprodukt.
Formgedächtnislegierungen sind Legierungen, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können. Nach einer vorangegangenen plastischen Verformung können diese Legierungen durch Überschreiten derAs-Temperatur (T_As)in ihre alte Form (programmierte Form) gebracht werden, was als Einweg-Effekt bezeichnet wird. Ferner existieren Legierungen, die bei zwei unterschiedlichen Temperaturen ihre Form erinnern. Solche weisen dann einen sog. Zweiweg-Effekt auf. Des Weiteren können Formgedächtnislegierungen ein pseudoelastisches Verhalten zeigen, das durch eine reversible spannungsinduzierte martensitische Umwandlung charakterisiert ist.
Das thermische, chemische und mechanische Verhalten wird dabei maßgeblich durch die Legierungszusammensetzung und die Mikrostruktur bestimmt.
Bislang werden größtenteils auf Nickel und Titan basierende Formgedächtnislegierungen verwendet. Sie zeigen hervorragende Eigenschaften hinsichtlich Reversibilität, Zyklenzahl und Umwandlungstemperaturen. Durch die hohen Kosten der Ni-Ti-Legierungen und die begrenzte Umformbarkeit sind die Anwendungsgebiete begrenzt und kommen nur dort infrage, wo beispielsweise kleinere Mengen des Materials erforderlich sind.
Durch die Verwendung von eisenbasierten Formgedächtnislegierungen, wie Fe-Mn-Si-Legierungen, können deutlich geringere Kosten erreicht werden, als bei Ni-Ti-Legierungen, jedoch weisen eisenbasierten Formgedächtnislegierungen in der Regel eine geringe Zyklenzahl, und eine stark abnehmende Rückverformung bei steigenden Vordehnungen auf. Ein weiterer Vorteil der eisenbasierten Legierungen im Gegensatz zu Ni-Ti-Legierungen besteht bei der verbleibenden Rückstellspannung, die die eisenbasierten Legierungen für Anwendungen im Bauingenieurbereich sehr interessant macht.
Aus der EP 1 123 983 A1 ist eine Fe-basierte Legierung bekannt, die neben Mangan, Silizium und Chrom geringe Mengen der Elemente Niob und Kohlenstoff aufweist. Die offenbarte Zusammensetzung weist hierbei eine Rückstellspannung von maximal 160 MPa auf.
In der EP 1 574 587 A1 wird ein in Bezug auf die Elemente gleiches Fe-basiertes Legierungssystem offenbart mit Werten für die Rückstellspannung von maximal 320 MPa.
Ein anderes Eisen-basiertes Legierungssystem bestehend aus Eisen, Mangen, Silizium, Chrom, Nickel sowie den Elementen Vanadium und Kohlenstoff mit Werten für die Rückstellspannung von maximal 470 MPa wird in der EP 2 141 251 A1 offenbart.
Ferner ist aus WO 2014/146733 A1 eine Formgedächtnislegierung bekannt, die neben den Pflichtbestandteilen der Formgedächtnislegierung, der Legierungsbestandteile Mn, Si, Cr, Ni sowie eines der Elemente einer Gruppe 1 (N, C, B) und eines der Elemente einer Gruppe 2 (Ti, Nb, W, V, Zr) zusätzlich die Elemente P, S, Mo, Cu, AI, Mg, 0, Ca oder Co optional enthalten kann, welche bis zu den in WO 2014/146733 A1 angegebenen Werten vorteilhafte Wirkungen entfalten können. Diese Legierung eignet sich besonders als Flachprodukt, beispielsweise in Form eines Bandes und/oder Bleches und als Langprodukt, beispielsweise in Form eines Drahtes, als Bramme, Knüppel oder dergleichen.
Bei einem sogenannten Programmieren eines Halbzeugs aus Formgedächtnismaterial ist es erforderlich, eine bestimmte Verformung einzubringen, in die das Halbzeug zurückkehrt, wenn es aktiviert wird. Bei stückigem Material (Tafeln) ist es bekannt, dieses zunächst mittels Warmwalzen zu bearbeiten, abzukühlen und dann separat einzuspannen und zu recken, um die Programmierung einzubringen. Im Rahmen dervorliegenden Anmeldung wird unter „Programmierung“ die Kombination von Warm- und Kaltumformen verstanden, um die Form zu programmieren, in das entsprechende Halbzeug oder Bauteil nach Aktivierung zurückkehren kann. Entscheidend beim Recken ist die definierte Verformung des Materials, um eine ausreichende Änderung im Gefüge zu erzielen. Bei dem bekannten Prozess werden dazu Tafeln an den kurzen Seiten eingespannt, eine Zugkraft aufgebracht, sodass das Material insgesamt gelängt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Prozess anzugeben, mit dem bei kurzen Zykluszeiten die Verarbeitung von Langprodukt möglich ist, und gleichzeitig eine Programmierung des Formgedächtnismaterials durchgeführt werden kann.
Die Erfindung löst die Aufgabe in einem ersten Aspekt bei einem Verfahren zum Bearbeiten einer Formgedächtnislegierung der eingangs genannten Art dadurch, dass das Vorrecken umfasst: kontinuierliches plastisches Kaltverformen des Langprodukts.
Der Begriff „kontinuierlich“ bezieht sich hierauf den Prozess des Kaltverformens. Hierunter sollen insbesondere alle Prozesse verstanden werden, bei denen das Langprodukt nach und nach kaltverformt wird, ohne dass es erforderlich ist, dieses zunächst in einzelne Stücke abzulängen. Dennoch ist dieser Prozess auch bei stückigem Material, wie Tafeln, möglich. Insofern bezieht sich der Begriff „kontinuierlich“ auf ein inkrementelles Kaltverformen. Als Langprodukt werden insbesondere Endlosprodukte, wie Bänder, Bleche, Coils und dergleichen eingesetzt. Auch ist es möglich, profilierte Materialien, beispielsweise mit einem H-, T-, oder sonstigem Profil zu verarbeiten.
Der Begriff des „Reckens“ oder „Voreckens“ kann sowohl eine Verformung in einer Ebene, als auch eine dreidimensionale Verformung umfassen.
Als Formgedächtnislegierung kann jede geeignete Formgedächtnislegierung, vorzugsweise eisenbasiert, verwendet werden, die einen Einweg- oder Zweiwegeffekt aufweist.
Indem das Langprodukt kontinuierlich plastisch kaltverformt wird, kann ein kontinuierlicher, wirtschaftlicher Prozess erreicht werden, der sich für jegliche Art Langprodukt eignet und sich auch in der Großindustrie wirtschaftlich einsetzen lässt. Auf diese weisen lassen sich Halbzeuge und Halbfertig- oder Fertigprodukte für eine Vielzahl an Anwendungen erzeugen. So können Halbfertigprodukte für die Bau- und Anlagenbauindustrie erzeugt werden, wie beispielsweise für Brücken, Hochregallager, Pipelines, Gebäude, Schienenfahrzeuge, auskragende Baustrukturen wie Balkons, Vorsprünge und Simse, Tore, Kranwagen und anderen Kranstrukturen und dergleichen.
Das Langprodukt wird im Rahmen des Verfahrens bereitgestellt oder hergestellt. Es liegt vorzugsweise in bereits programmierter Form und mit austenitischem Gefüge vor. Ziel der Bearbeitung ist es, dem Langprodukt eine andere Form zu geben, insbesondere eine gelängte Form, sodass es in der Anwendung dazu eingesetzt werden kann, eine Zugkraft auszuüben, wenn es aktiviert wird.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des kontinuierlichen plastischen Kaltverformens: Kaltwalzen des Langprodukts. Ein Walzprozess ist ein besonders geeigneter Prozess, um ein kontinuierliches plastisches Kaltverformen des Langprodukts zu bewirken. Handelt es sich bei dem Langprodukt um ein Band, wie beispielsweise ein Flachstahlprodukt, lässt sich Walzen auf besonders vorteilhafte Weise nutzen, um die Kaltverformung in das Langprodukt einzubringen, um dieses vorzurecken und so zu bearbeiten. Ein Walzprozess ist sehr variabel und kann mit einem Walzgerüst auf verschiedene Walzspalte eingestellt werden. Allerdings sind in der Breite des Langprodukts bedingt durch die Bauweise des Walzgerüsts Grenzen gesetzt. Ein breiteres Blech erfordert entsprechend höhere Walzkräfte.
Besonders bevorzugt ist hierbei, dass das Kaltwalzen des Langprodukts ein Dressieren des Langprodukts umfasst. Es ist beim Bearbeiten nicht erforderlich, dass besonders große Umformgrade erzielt werden, vielmehr ist das Einbringen einer definierten Verformung wichtig. Daher eignet sich Dressieren besonders, um diesen Zweck zu erreichen.
Es hat sich gezeigt, dass hierbei insbesondere ein Kaltwalzen mittels zweier gegenläufiger Walzen vorteilhaft eingesetzt werden kann. Je nach Durchführung des Prozesses können diese Walzen zusätzlich gekühlt sein, um einen Wärmeeintrag in das Material beim Verformen möglichst gering zu halten, insbesondere unterhalb der Schalttemperatur der Formgedächtnislegierung.
Besonders vorteilhaft umfasst der Schritt des kontinuierlichen plastischen Kaltverformens, Einbringen eines vorbestimmten Profils in das Langprodukt. Hierbei ist grundsätzlich jede Art von Profil denkbar, wie insbesondere T-Profil, U-Profil, H-Profil, O-Profil, I-Profil und dergleichen. Auch das Walzen zu Rundprodukten ist denkbar und kann bevorzugt sein. Der Fokus der Erfindung liegt allerdings insbesondere auf bandförmigem Material, wie insbesondere Flachstahl mit Formgedächtniseigenschaften, da sich dieses Produkt als Halbfertigprodukt besonders gut weiterverarbeiten lässt.
Insbesondere beim Einbringen von Profilen ist allerdings darauf zu achten, dass eine Umformung weder zu groß, noch zu klein ist, um eine ausreichende Gefügeänderung hervorzurufen.
Weiter ist bevorzugt, dass das kontinuierliche plastische Kaltverformen umfasst: Einbringen einer vorbestimmten Rauhheit in das Langprodukt. Bevorzugt ist hierbei, dass eine möglichst hohe Rauheit eingestellt wird. Vorzugsweise wird eine Rauheit (Ra-Wert) in einem Bereich von 1 µm bis 10 µm eingestellt, weiter bevorzugt 2 µm bis 8 µm, 2 µm bis 7 µm, 2 µm bis 5 µm, besonders bevorzugt 4 µm bis 5 µm. In diesem Fall weisen die Walzen, sofern Walzen eingesetzt werden, vorzugsweise ebenfalls eine Rauheit auf, die bis zu Ra 13 µm oder mehr beträgt.
Durch Einstellen einer Rauheit lässt sich die spezifische Oberfläche des Langprodukts vergrößern. Hierdurch kann eine Kontaktfläche zwischen dem Langprodukt und einem eventuellen Klebstoff erhöht werden, sofern das Langprodukt nach dem Vorrecken mit einem Klebeschritt verarbeitet wird. Auf diese Weise kann beispielsweise die wirkende Kraft pro Oberfläche verringert werden. Ferner kann auf diese Weise auch eine mechanische Adhäsion erhöht werden. Die Theorie der mechanischen Adhäsion bezieht sich auf eine Verklammerung eines Klebstoffs in mikroskopisch kleinen Poren und Vertiefungen des Langprodukts, weswegen eine höhere Rauheit auch eine gesteigerte mechanische Adhäsion bewirkt. Dies ist besonders dann bevorzugt, wenn das Langprodukt in Betonbauten eingesetzt wird, oder mittels eines Klebstoffs an anderen Produkten, wie beispielsweise Pipelines befestigt werden soll.
Vorzugsweise ist die Dehnung ε des Langprodukts beim Vorrecken größer als eine elastische und pseudoelastische Dehnung des Formgedächtnismaterials. Wichtig beim Vorrecken ist, dass tatsächlich eine plastische Verformung stattfindet, sodass die elastische und pseudoelastische Dehnung überschritten werden müssen. Werden in dem Prozess verschiedene Dehnungen in das Material eingebracht, beispielsweise aufgrund eines Profils, ist die minimale Dehnung ε_min größer als die pseudoelastische Dehnung. Insgesamt muss die Dehnung aber unterhalb der Bruchdehnung liegen, um ein Zerstören des Materials zu verhindern.
Vorzugsweise ist die Dehnung ε des Langprodukts beim Vorrecken geringer als A, At, und/oder Ag, gemessen nach DIN EN ISO 6892-1, Stand 2017-02. Vorzugsweise beträgt die Dehnung ε wenigstens etwa 6% Ag und/oder höchstens etwa 65% Ag. Vorzugsweise liegt die Dehnung ε in einem Bereich von 17-25% Ag. Werden in den Prozess verschiedene Dehnungen eingebracht, beispielsweise aufgrund eines Profils, ist die maximale Dehnung geringer als A. Hierdurch wird eine Überlastung des Materials vermieden.
Bevorzugte Werte für die Dehnung des Langprodukts beim Vorrecken liegen vorzugsweise in einem Bereich von 1 % bis 10 %, vorzugsweise 2 bis 8 %, 3 bis 7 %, 4 bis 6 %, bevorzugt in etwa 5 %. Auch andere Bereiche können bevorzugt sein, beispielsweise 2 bis 5 %, oder 5 bis 9 %, je nachdem welche Formgedächtnislegierung verwendet wird. Zu beachten ist ferner, dass sich weitere Verfahrensschritte anschließen können, wie insbesondere Längs- und/oder Querteilen, (Um-)Haspeln, Abtafeln, Beschichten, bzw. Oberflächenveredelung, Blechumformung, Trennen, Fügen, Ändern von Stoffeigenschaften. Auch diese Schritte können Einfluss auf die Dehnung haben, sodass dies mitberücksichtigt werden sollte.
Vorzugsweise wird die Dehnung ε des Langprodukts beim Vorrecken so eingestellt, dass eine auf das Formgedächtnismaterial bezogene maximale Rückstellspannung, und/oder maximale Rückstellbewegung erhalten wird. Je nachdem zu welchem Einsatzzweck das Langprodukt dient, ist entweder eine maximale Rückstellspannung oder maximale Rückstellbewegung bevorzugt. Es kann auch ein Optimum aus beiden gefunden werden, wenn dies für den jeweiligen Anwendungsfall bevorzugt ist. Die Dehnung ε beträgt bei im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eingesetzten Formgedächtnislegierungen vorzugsweise in etwa 5 %, bzw. befindet sich in den oben genannten Bereichen.
Besonders bevorzugt ist die Formgedächtnislegierung eine Eisen-Formgedächtnislegierung (Fe-FGL) und wird in einem austenitischen Zustand bereitgestellt. In einer bevorzugten Variante ist die Eisenformgedächtnislegierung ein FeMnSi-System. Diese eignen sich besonders als Formgedächtnislegierungen und haben gezeigt, dass sie gute Rückstelleigenschaften aufweisen und hohe Zykluszahlen erreichen können. Der Schritt des Vorreckens wird dann vorzugsweise so ausgeführt, dass eine Umwandlung in Martensit stattfindet. Durch eine anschließende Erhitzung lässt sich dann eine Rückkehr in den austenitischen Zustand erreichen.
In einer Variante besteht die Formgedächtnislegierung aus einer Legierung mit folgenden Legierungsbestandteilen in Gew.-%:

25,0% - 32,0% Mn. 3,0% - 8,0% Si, 3,0% - 10,0% Cr, 0,1% - 4,0% Ni, P ≤ 0,1%, S ≤ 0,1%, Mo ≤ 0,5%, Cu ≤ 0,5%, Al ≤ 5,0%, Mg, ≤ 5,0%, O ≤ 0,1%, Ca ≤ 0,1%, Co ≤ 0,5%,
wobei mindestens ein Element einer Gruppe 1 von Elementen vorhanden ist, wobei die Gruppe 1 aus den Elementen N, C, B mit folgenden Gehalten
N ≤ 0,1%, C ≤ 0,1%, B ≤ 0,1% besteht und für die Summe der Legierungsbestandteile der Gruppe 1 gilt: $\sum_{G r u p p e 1} N, C,10 \times B \geq 0,005 %,$
und
mindestens ein Element einer Gruppe 2 von Elementen vorhanden ist, die Gruppe 2 aus den Elementen Ti, Nb, W, V, Zr mit folgenden Gehalten Ti ≤ 1,5%, Nb ≤ 1,5%, W ≤ 1,5%, V ≤ 1,5%, Zr ≤ 1,5% besteht und für die Summe der Legierungsbestandteile der Gruppe 2 gilt: $\sum_{G r u p p e 2} T i, N b, W, V, Z \geq 0,1 %,$
und
für das Verhältnis der Summe der Legierungsbestandteile der Gruppe 1 und der Gruppe 2, jeweils in Atom-% gilt: $0,5 \leq \frac{\sum_{G r u p p e 2}}{\sum_{G r u p p e 1}} \leq 2,0$
mit Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.

Eine solche Legierung ist in WO 2014/146733 A1 der hiesigen Anmelderin beschrieben, deren Offenbarungsgehalt vollständig durch Referenz hierin mit einbezogen wird. Es hat sich herausgestellt, dass sich dieses Material besonders eignet, um Langprodukte herzustellen. Die den Formgedächtniseffekt beeinflussenden Ausscheidungen, deren Bildung durch das Verhältnis der beiden Elementgruppen, Gruppe 1 und Gruppe 2, zueinander beeinflusst wird, zeigen einen deutlichen, positiven Einfluss auf den Formgedächtniseffekt, sofern die Summe der Bestandteile der Elemente der Gruppe 2 in At.-% der Legierung im Verhältnis zu der Summe der Legierungsbestandteile der Gruppe 1 in At.-% im Bereich von 0,5 bis 0,2 liegt. Hierdurch wird ein gezieltes stöchiometrisches Verhältnis der Elemente der Gruppe 1 zu den Elementen der Gruppe 2 eingestellt. Es wurde festgestellt, dass gerade bei diesem Verhältnis der Legierungsbestandteile der Gruppe 2 zu der Gruppe 1 die Ausscheidungsbildung besonders günstig ist und den Formgedächtniseffekt unterstützt. Ist das angegebene Verhältnis beispielsweise kleiner als 0,5, können die Ausscheidungselemente in Form von N, C und/oder B nicht abgebunden werden und der Formgedächtniseffekt wird reduziert, da die Elemente der Gruppe 1 in gelöster Form im Gefüge vorliegen.
Alternativ hierzu besteht die Formgedächtnislegierung aus 25 - 30 Mn, 4 - 8 Si, 3 - 7 Cr, 0,5 - 1 V, 0,1 - 0,5 % C, und Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
Eine solche Legierung ist in der (noch nicht veröffentlichten) Anmeldung PCT/EP 2017/063322 der hiesigen Anmelderin beschrieben, deren Inhalt vollständig durch Referenz hierin miteinbezogen wird. Eine derartige Formgedächtnislegierung hat eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Rückstellspannung. Diese beträgt für das Legierungssystem vorzugsweise mindestens 500 MPa, bevorzugt mindestens 600 MPa. Es hat sich herausgestellt, dass diese Legierung bei einer Vordehnung von 1 bis 10 % eine nahezu konstante Rückstellspannung aufweist. Ferner hat sie eine hervorragende Reversibilität der Phasenumwandlung. Vorzugsweise liegen die Elemente Vanadium und Kohlenstoff in der Formgedächtnislegierung in Form von Vanadiumcarbid-Nanopartikeln vor. VC-Nanopartikel weisen eine geringe Atomradiendifferenz auf, sodass sie sich sehr gut in kubisch-Flächenzentrierte Gitter einfügen. Vorzugsweise nehmen die VC-Nanopartikel in der Formgedächtnislegierung ein Volumen im Bereich von 0,1 bis 3 Vol.-% ein. Hierdurch kann die Bildung von Stapelfehlern optimiert werden. VC-Nanopartikel haben dabei vorzugsweise eine Größe im Bereich von 2 bis 50 nm, mehr bevorzugt 10 bis 50 nm. Die Phasenumwandlungstemperaturen dieser Formgedächtnislegierung T_MS und T_AS liegen vorzugsweise im Bereich von 0 °C bis 450 °C, mehr bevorzugt im Bereich von 120 °C bis 370 °C. Für weitere Details, insbesondere den Herstellungsprozess dieser Legierung wird auf PCT/EP 2017/063322 verwiesen.
Weiterhin ist bevorzugt, dass das kontinuierliche plastische Kaltverformen des Langprodukts bei einer Temperatur T ausgeführt wird, die unterhalb einer Bearbeitungsobergrenze T_Md der Formgedächtnislegierung liegt. Diese Obergrenze ist die physikalische Obergrenze. Weiterhin ist bevorzugt, dass das plastische Kaltverformen des Langprodukts bei einer Temperatur T ausgeführt wird, die unterhalb der Schalttemperatur T_As, T_AF liegt. In der Regel hat eine Formgedächtnislegierung einen Schaltbereich, der zwischen einer Austenit-Starttemperatur T_As und einer Austenit-Finish-Temperatur T_AF liegt. Bevorzugt findet die plastische Kaltverformung knapp oberhalb einer Martensit-Starttemperatur T_MS statt. Als physikalische Untergrenze, unterhalb der eine Bearbeitung nicht sinnvoll ist, ist die Martensit-Finish-Temperatur zu nennen T_MF.
Ein Abstand T_x (in Prozent) von der physikalischen Obergrenze T_Md liegt vorzugsweise in einem Bereich von: $T x = \frac{T_{M d} - T_{Ms}}{T_{M d}} und T x = \frac{T_{M d} - T_{A s}}{T_{M d}}$
Weiterhin ist bevorzugt, dass das kontinuierliche plastische Kaltverformen des Langprodukts bei einer Temperatur ausgeführt wird, die oberhalb der Martensit-Finish-Temperatur T_MF des Formgedächtnismaterials liegt.
Die Martensit-Starttemperatur T_Ms ist die Temperatur, ab der sich ungewollte thermisch induzierter Martensit bilden würde, sodass es vorteilhaft ist, die Kaltverformung oberhalb dieser Temperatur durchzuführen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Langprodukt ein Flachprodukt, vorzugsweise in Form eines Bandes und/oder Bleches als Langprodukt ist, oder in Form eines Drahts, als Bramme oder Knüppel vorliegt.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Dressierwalzgerüsts zum Ausführen des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Es soll verstanden werden, dass der erste Aspekt der Erfindung und der zweite Aspekt der Erfindung gleiche und ähnliche Unteraspekte haben, wie sie insbesondere in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt sind. Insofern wird für bevorzugte Ausgestaltungen und deren Vorteile der Verwendung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung auf die bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vollumfänglich verwiesen.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Verwendung des Dressierwalzgerüsts umfasst dieses wenigstens zwei gekühlte, gegenläufig angetriebene Dressierwalzen. Ferner ist das Dressierwalzgerüst so ausgebildet, dass es den mechanischen Eigenschaften von Fe-FGL angepasst ist. Diese haben in der Regel Zugfestigkeiten von ca. 1000 MPa, wodurch hohe Walzkräfte hervorgerufen werden.
In einem dritten Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein vorgerecktes Langprodukt aus einem Formgedächtnismaterial, erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der vorstehend bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr sind die Zeichnungen, wenn dies zur Erläuterung dienlich ist, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus den Zeichnungen unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, den Zeichnungen und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:

1 einen beispielhaften Ablauf des Verfahrens zum Bearbeiten eines Formgedächtnismaterials gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Walzgerüsts; und
3 fünf verschiedene Profile des Langprodukts.

Ein Verfahren 100 zum Bearbeiten einer Formgedächtnislegierung FGL weist gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vier Schritte auf. Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt Bereitstellen 102 oder Herstellen eines Langprodukts 1 (vgl. 2) aus der Formgedächtnislegierung. Unter Bereitstellen wird verstanden, dass das Material beispielsweise in Form eines Coils bereitgestellt wird. Herstellen kann Schritte wie Legieren, Gießen, Wärmebehandeln und dergleichen umfassen. In beiden Fällen liegt das Material vorzugsweise in austenitischem Zustand und bereits programmiert vor.
Anschließend erfolgt dann der Schritt 104 in einem zweiten Schritt 104 wird dann das Walzgerüst (vgl. 2) eingestellt und der Grad der Umformung definiert. Es ist wichtig, dass die Dehnung ε bei Durchführung des Prozesses oberhalb der elastischen und der pseudoelastischen Dehnung liegen. Im Schritt 106 erfolgt dann schließlich das Vorrecken zum Einbringen einer vordefinierten Verformung, die in Schritt 104 ermittelt wurde. Das Vorrecken 106 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein kontinuierliches plastisches Kaltverformen 108 des Langprodukts 1. Konkret umfasst das kontinuierliche plastische Kaltverformen 108 ein Kaltwalzen des Langprodukt 1 und insbesondere ein Dressieren des Langprodukts 1. Dies bedeutet, dass das Langprodukt 1 beispielsweise in Form eines Coils, oder auch in Form von stückigem Material (Tafel) in den Schritten 102 und 104 bereitgestellt und vorbereitet wird und dann im Schritt 106 und 108 kontinuierlich umgeformt wird. Ein kontinuierliches Umformen in diesem Sinne ist insbesondere ein Umformen, wie es beim Walzen ausgeführt wird, nämlich eine inkrementelle Umformung entlang einer Längsrichtung des Materials. Nicht umfasst sein soll eine stoßartige und sequenzielle Umformung, wie beim Tiefziehen (in einem oder mehreren Hüben). Besonders bevorzugt wird beim kontinuierlichen plastischen Kaltverformen ein kontinuierlicher Prozess ausgeführt, insbesondere wenn das Langmaterial 1 in Form eines Coils bereitgestellt wird.
In Schritt 110 schließlich, wird das nun kaltverformte Langprodukt nachbehandelt. Hier kommen insbesondere Schritte wie Längs- und/oder Querteilen, (Um-)Haspeln, Abtafeln, Beschichten/Oberflächenveredelung, Blechumformung, Trennen, Fügen, Stoffeigenschaftenverändem infrage.
2 zeigt ein Walzgerüst 2, welches gemäß der vorliegenden Offenbarung für das plastische kontinuierliche Kaltverformen des Langprodukts 1 verwendet wird. Das Walzgerüst 2 umfasst eine Walzenanordnung 4 mit einer ersten Walze 6a und einer zweiten Walze 6b. Die ersten und zweiten Walzen 6a und 6b sind gegenläufig drehend, wie durch die Pfeile in den Walzen 6a, 6b angezeigt. Der Walzspalt S ist so bemessen, dass eine ausreichende Umformung des Langprodukts 1 erfolgt. Insbesondere soll eine Umformung mit einer Dehnung ε in einem Bereich von etwa 5 % erreicht werden, wobei hierbei gelten soll, dass die Dehnung ε wenigstens größer ist als die elastische und pseudoelastische Dehnung ε_{pseu-doleastisch+elastisch} und maximal soll die Dehnung kleiner sein als A, gemessen nach DIN EN ISO 6892-1 (2017-02).
Es hat sich herausgestellt, dass bei einer Dehnung ε von etwa 5 % eine optimale Rückstellkraft und eine optimale Rückstellspannung erreicht werden können, wenn eine eisenbasierte Formgedächtnislegierung, insbesondere basierend auf dem FeMnSi-System verwendet wird.
Die ersten und zweiten Walzen 6a, 6b können dabei gekühlt sein, um zu erreichen, dass die Temperatur beim Kaltwalzen nicht die Austenit-Starttemperatur T_As überschreitet, und insbesondere vorteilhaft knapp oberhalb der Martensit-Starttemperatur (T_MS) liegt.
Durch das kontinuierliche plastische Kaltverformen 106 des Langprodukts 1 wird ein vorgerecktes Langprodukt 8 erhalten, das dann anschließend in Schritt 110 nachbehandelt werden kann.
3 zeigt nun fünf verschiedene Profile, die während des Kaltverformens eingebracht werden können. Die Profile 10 bis 18 in 3 sind nur schematisch dargestellt und sollen keine Größenverhältnisse angeben. Das Profil 10 und das Profil 16 sind identisch, nur um 90° verdreht. Beide Profile 10, 16 zeigen Doppel-T-Träger. Profil 12 ist ein U-Profil und Profil 14 ein O-Profil. Das Profil 18 zeigt einen Rundstab, der ebenfalls beim Kaltverformen hergestellt werden kann.
Die Profile 10 bis 18 können auch nacheinander eingebracht werden, oder Mischformen aus diesen.
Beispiel 1
Zunächst wurden in einem Herstellungsschritt zwei Legierungen bestehend aus 28 Gew.-% Mn, 6 Gew.-% Si, 5 Gew.-% Cr, 0,76 Gew.-% V, 0,18 Gew.-% C, und Rest Eisen sowie unvermeidbaren Verunreinigungen in einem Induktionsofen geschmolzen und in einer Kupferkokille in Form gegossen. Für die Legierung 1 wurde eine Elementmischung verwendet, die mit Schrott legiert wurde. Für die Legierung 2 wurde eine Reinstelementmischung bestehend aus einem Eisenträger auf Basis von Armco-Eisen und definierten Legierungszugaben mit spezifischen Reinheitsgraden von Mangan 99,9 %; Silizium 75 %; Chrom 99,5 %; Vanadium 71,1 % und schwefelarmer Kohle (< 10 ppm Schwefel) verwendet. Der Gussblock beider Legierungen wurde anschließend auf Dicken im Bereich von 1 - 6 mm warmgewalzt.
Das so erhaltene Langprodukt 2 wurde mittels zweier gegenläufiger, gekühlter Dressierwalzen in einem Bereich von 5 % vorverformt, um das vorgereckte Langprodukt 8 zu erhalten. Bei Legierung 1 ergab sich bei einer Aktivierungstemperatur von ca. 400°C eine Rückstellspannung in einem Bereich von 500-770 MPa, bei Legierung 2 entsprechend bei einer Aktivierungstemperatur von ca. 400°C eine Rückstellspannung in einem Bereich 530-799 MPa.
Beispiel 2
Zunächst wurden in einem Herstellungsschritt zwei Legierungen bestehend aus 59,84 Gew.-% Fe, 26,2 Gew.-%Mn, 6,9 Gew.-% Si, 4,2 Gew.-% Cr, 1,25 Gew.-%Ni, 0,45 Gew.-% Nb, 0,019 Gew.-% Ti, 0,01 Gew.-% W, 0,013 Gew.-% N, 0,07 Gew.-% C, 0,009 Gew.-% B, 0,002 Gew.-% P, 0,002 Gew.-% S, 0,015 Gew.-% O, 0,023 Gew.-% Cu, 0,56 Gew.-% AI, 0,21 Gew.-% Mg, 0,02 Gew.-% Co, 2,95 Gew.-% Cr-Ni und 0,7 Atom% Gruppe 2 / Gruppe 1, wie oben beschrieben.
Wiederum wurde für eine Legierung 1 eine Elementmischung verwendet, die mit Schrott legiert wurde. Für eine Legierung 2 wurde eine Reinstelementmischung verwendet.
Der Gussblock beider Legierungen wurde anschließend auf Dicken im Bereich von 1 - 6 mm warmgewalzt.
Das so erhaltene Langprodukt 2 wurde mittels zweier gegenläufiger, gekühlter Dressierwalzen in einem Bereich von 5 % vorverformt, um das vorgereckte Langprodukt 8 zu erhalten. Bei Legierung 1 ergab sich bei einer Aktivierungstemperatur von ca. 400°C eine Rückstellspannung in einem Bereich von 350 MPa bis 680 MPa, und bei Legierung 2 entsprechend bei einer Aktivierungstemperatur von ca. 400°C eine Rückstellspannung in einem Bereich 400-650 MPa.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1123983 A1 [0006]
EP 1574587 A1 [0007]
EP 2141251 A1 [0008]
WO 2014/146733 A1 [0009, 0031]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 6892-1 [0026]

Claims

Verfahren (100) zum Bearbeiten einer Formgedächtnislegierung (FGL), mit den Schritten: - Bereitstellen (102) oder Herstellen eines Langprodukts (1) aus der Formgedächtnislegierung; - Vorrecken (106) des Langprodukts (1) zum Einbringen einer vordefinierten Verformung; wobei das Vorrecken (106) umfasst: - kontinuierliches plastisches Kaltverformen (108) des Langprodukts (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des kontinuierlichen plastischen Kaltverformens (108) umfasst: Kaltwalzen des Langprodukts (1).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kaltwalzen des Langprodukts (1) umfasst: Dressieren des Langprodukts (1).
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Kaltwalzen des Langprodukts (1) mittels wenigstens zweier gegenläufiger Walzen (6a, 6b) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt des kontinuierlichen plastischen Kaltverformens (108) umfasst: Einbringen eines vorbestimmten Profils in das Langprodukt (1).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt des kontinuierlichen plastischen Kaltverformens (108) umfasst: Einbringen einer vorbestimmten Rauheit in das Langprodukt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Dehnung ε des Langprodukts (1) beim Vorrecken (106) größer ist als eine elastische und pseudoelastische Dehnung (ε_{pseudoleastisch+elastisch}) des Formgedächtnismaterials.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Dehnung ε des Langprodukts (1) beim Vorrecken (106) in einem Bereich von 1% bis 10% ist, vorzugsweise etwa 5% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Dehnung ε des Langprodukts (1) beim Vorrecken (106) so gewählt ist (ε_OptRS), dass eine auf das Formgedächtnismaterial maximale Rückstellspannung erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Dehnung ε des Langprodukts (1) beim Vorrecken (106) so gewählt ist (ε_OptFGE), dass eine auf das Formgedächtnismaterial maximale Rückstellbewegung erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Formgedächtnislegierung eine Eisen-Formgedächtnislegierung (Fe-FGL) ist und in einem austenitischen Zustand bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Formgedächtnismaterial eine Eisen-Formgedächtnislegierung (Fe-FGL) ein Fe-Mn-Si-System ist und in einem austenitischen Zustand bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Formgedächtnislegierung (Fe-FGL) aus einer Legierung mit folgenden Legierungsbestandteilen in Gewichtsprozent bestehend: 25,0% - 32,0% Mn. 3,0% - 8,0% Si, 3,0% - 10,0% Cr, 0,1% - 4,0% Ni, P ≤ 0,1%, S ≤ 0,1%, Mo ≤ 0,5%, Cu ≤ 0,5%, Al ≤ 5,0%, Mg, ≤ 5,0%, O ≤ 0,1%, Ca ≤ 0,1%, Co ≤ 0,5%, wobei mindestens ein Element einer Gruppe 1 von Elementen vorhanden ist, wobei die Gruppe 1 aus den Elementen N, C, B mit folgenden Gehalten N ≤ 0,1%, C ≤ 0,1%, B ≤ 0,1% besteht und für die Summe der Legierungsbestandteile der Gruppe 1 gilt: $\sum_{G r u p p e 1} N, C,10 \times B \geq 0,005 %,$
und mindestens ein Element einer Gruppe 2 von Elementen vorhanden ist, die Gruppe 2 aus den Elementen Ti, Nb, W, V, Zr mit folgenden Gehalten Ti ≤ 1,5%, Nb ≤ 1,5%, W ≤ 1,5%, V ≤ 1,5%, Zr ≤ 1,5% besteht und für die Summe der Legierungsbestandteile der Gruppe 2 gilt: $\sum_{G r u p p e 2} T i, N b, W, V, Z r \geq 0,1 %,$
und für das Verhältnis der Summe der Legierungsbestandteile der Gruppe 1 und der Gruppe 2, jeweils in Atom-% gilt: $0,5 \leq \frac{\sum_{G r u p p e 2}}{\sum_{G r u p p e 1}} \leq 2,0$
mit Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Formgedächtnislegierung (Fe-FGL) aus (in Gew.-%): - 25 - 30 Mn, - 4 - 8 Si, - 3 - 7 Cr, - 0,5 - 1 V, - 0,1 - 0,5 % C, und - Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen, besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das kontinuierliche plastische Kaltverformen (108) des Langprodukts (1) bei einer Temperatur (T) ausgeführt wird, die unterhalb einer Bearbeitungsobergrenze (T_Md) der Formgedächtnislegierung liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das kontinuierliche plastische Kaltverformen (108) des Langprodukts (1) bei einer Temperatur (T) ausgeführt wird, die oberhalb einer Martensitstarttemperatur (T_MS) der Formgedächtnislegierung liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Langprodukt (1) vorzugsweise ein Flachprodukt, vorzugsweise in Form eines Bandes und/oder Bleches als Langprodukt ist, oder in Form eines Drahtes, als Bramme oder Knüppel vorliegt.
Verwendung eines Dressier-Walzgerüsts (2) zum Ausführen des Verfahrens (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verwendung nach Anspruch 18, wobei das Dressier-Walzgerüst (2) wenigstens zwei gekühlte, gegenläufig angetriebene Dressierwalzen (6a, 6b) aufweist.
Vorgerecktes Langprodukt (8) aus einem Formgedächtnismaterial, erhältlich durch ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 17.