DE102019121698A1

DE102019121698A1 - Mehrlagenverbund und Verfahren zur Herstellung eines Mehrlagenverbunds

Info

Publication number: DE102019121698A1
Application number: DE102019121698.2A
Authority: DE
Inventors: Jens-Ulrik Becker; Sabine Fischer-Will; Felix Weyand; Vanessa Wolske
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2021-05-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mehrlagenverbund (4), aufweisend wenigstens eine erste metallische Funktionslage (1) aus einem Formgedächtniswerkstoff und eine zweite metallische Funktionslage (2, 3). Die erste metallische Funktionslage (1) und die zweite metallische Funktionslage (2, 3) sind miteinander verbunden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrlagenverbunds (4) und eine Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrlagenverbund, ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrlagenverbunds sowie eine Verwendung.
Aus der Praxis ist bekannt, durch Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in einem Mehrlagenverbund Materialien mit kombinierten und in manchen Fällen sogar neuartigen Eigenschaften bereitzustellen. Beispielsweise ist aus der EP 18 722 028 bekannt, durch Kombination einer Lage eines harten Stahls mit einer Lage eines weichen Stahls ein Material bereitzustellen, das eine hohe Festigkeit und eine gute Duktilität aufweist.
Es besteht der Wunsch, das Spektrum der erreichbaren Materialeigenschaften von Mehrlagenverbünden zu erweitern. Hierin besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Mehrlagenverbund mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie mit einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
Erfindungsgemäß ist ein Mehrlagenverbund vorgesehen, der wenigstens eine erste metallische Funktionslage und eine zweite metallische Funktionslage aufweist, die miteinander verbunden sind. Die erste metallische Funktionslage besteht aus einem Formgedächtniswerkstoff.
Der Begriff der metallischen Funktionslage bezeichnet ganz allgemein eine Funktionslage aus einem Material mit metallischen Eigenschaften, worunter insbesondere eine Funktionslage aus einem Metall, aus einer überwiegend Metall aufweisenden Legierung oder aus einem Stahl gemeint sein kann.
Die erste metallische Funktionslage ist erfindungsgemäß aus einem Formgedächtniswerkstoff hergestellt.
Metallische Formgedächtnislegierungen sind aus der Literatur und aus der Praxis bekannt und lassen sich in nickelbasierte, kupferbasierte und eisenbasierte Formgedächtnislegierungen klassieren. Formgedächtnislegierungen sind metallische Werkstoffe, die durch einen Formgedächtniseffekt und eine Pseudoelastizität charakterisiert sind. Ein auftretender Formgedächtniseffekt ist gekennzeichnet durch eine reversibel erfolgende und diffusionslose Phasenumwandlung zwischen einer Hochtemperaturphase, die als Austenit bezeichnet wird, und einer Niedertemperaturphase, die als Martensit bezeichnet wird. Der Formgedächtniseffekt kann beispielsweise dahingehend genutzt werden, dass eine durch Verformen herbeigeführte Formänderung und/oder Längenänderung eines Bauteils aus einer Formgedächtnislegierung durch Erwärmen des Bauteils auf eine Temperatur oberhalb der sogenannten Austenit-Finish-Temperatur zurückgebildet oder zumindest weitgehend zurückgebildet werden kann. Dieser Vorgang wird als Einwegeffekt bezeichnet. Dem Fachmann ist außerdem ein Zweiwegeffekt bekannt.
Bevorzugt ist zusätzlich zu der ersten metallischen Funktionslage und der zweiten metallischen Funktionslage eine dritte metallische Funktionslage vorhanden, die mit der ersten metallischen Funktionslage verbunden ist, so dass die erste Funktionslage als Kernlage zwischen der zweiten Funktionslage und dritten Funktionslage angeordnet ist.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist ein Dreilagenverbund, welcher die aus dem Formgedächtniswerkstoff bestehende Kernlage aufweist, wobei jede der Grenzflächen der aus dem Formgedächtniswerkstoff bestehenden ersten Funktionslage mit jeweils einer der zweiten und der dritten Funktionslage verbunden ist. Die zweite Funktionslage fungiert also als erste Decklage und die dritte Funktionslage fungiert als zweite Decklage.
Besonders bevorzugt besteht wenigstens eine der beiden an die erste Funktionslage angrenzenden zweiten und dritten Funktionslage aus einem Stahl. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sowohl die zweite Funktionslage als auch die dritte Funktionslage aus einem Stahl bestehen, bevorzugt aus demselben Stahl. Alternativ können aber auch unterschiedliche Stahlsorten für die zweite und die dritte Funktionslage vorgesehen sein. Auch können für die zweite Funktionslage und die dritte Funktionslage je nach Anwendungszweck gleiche Lagendicken oder voneinander abweichende Lagendicken vorgesehen sein.
Mit einer dieser Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Mehrlagenverbunds wird erreicht, dass aufgrund des außergewöhnlichen Verhaltens eines Formgedächtniswerkstoffes bereitgestellte Eigenschaften mit Eigenschaften von Stahl oder von mehreren Stählen kombiniert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine der zweiten und/oder dritten Funktionslage als nichtrostender Stahl, oder als gut umformbarer Stahl, beispielsweise ein Stahl mit der Werkstoffkennnummer 1.0312, oder als Verschleißstahl ausgebildet ist.
Die Begriffe des nichtrostenden Stahls, des gut umformbaren Stahls und des Verschleißstahls sind dem Fachmann bekannt, sodass er auf Basis dieser Begriffe eine Auswahl entsprechender Stähle treffen kann. Der Begriff des Verschleißstahls ist synonym mit dem Begriff des verschleißfesten Stahls.
Als nichtrostender Stahl kann insbesondere einer der nichtrostenden Stähle gemäß DIN EN 10088-1:2014-12 vorgesehen sein, beispielsweise ein Stahl mit der Werkstoffkennnummer 1.4404.
Als Verschleißstahl kann beispielsweise einer der Stähle mit einer der Werkstoffkennnummern 1.8705, 1.8714, 1.8720, 1.8721 und 1.8735 vorgesehen sein.
Die Ausführung einer der zweiten und/oder dritten Funktionslage als nichtrostender Stahl bewirkt, dass der im Allgemeinen nicht besonders gut korrosionsbeständige Formgedächtniswerkstoff der ersten Funktionslage einen Schutz gegen Korrosion erhält.
Die Kombination eines Formgedächtniswerkstoffes mit einem gut umformbaren Stahl oder mit einem Verschleißstahl bewirkt in vorteilhafter Weise, dass die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften des gut umformbaren Stahls oder Verschleißstahls mit den Eigenschaften des Formgedächtniswerkstoffes kombiniert werden.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die metallischen Funktionslagen mittels Walzplattierens der Funktionslagen unlösbar miteinander verbunden worden sind. Das Walzplattieren bietet insbesondere den Vorteil, dass es außer den Ausgangsmaterialien, also den einzelnen Funktionslagen, keiner weiteren Materialien bedarf, insbesondere sind keine Klebstoffe erfoderlich.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Formgedächtniswerkstoff der ersten Funktionslage ein eisenbasierter Formgedächtniswerkstoff, kurz: Fe-FGL, ist.
Die eisenbasierte Formgedächtnislegierung kann insbesondere aus den folgenden Elementen bestehen:

Mn: 15-35 Gew.-%,
Si: 3-8 Gew.-%,
bis zu 46,045 Gew.-% optionale Bestandteile, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.

Bevorzugt ist eine weitere Bedingung, dass Eisen dasjenige Element mit dem höchsten Gewichtsanteil an der Formgedächtnislegierung ist.
Der Mangangehalt von 15 Gew.-% bis 35 Gew.-% dient zur Stabilisierung des Austenits im Gefüge und hat insbesondere Einfluss auf das Schaltverhalten der Formgedächtnislegierung. Unterhalb eines Mn-Gehalts von 15 Gew.-% wird vermehrt Ferrit gebildet, der sich nachteilig auf den Formgedächtniseffekt auswirkt. Erhöht man den Mn-Gehalt oberhalb von 35 Gew.-%, hat dies nachteilige Auswirkungen auf die Martensitbildung.
Silizium dient der Sicherstellung der Reversibilität der Phasenumwandlung von Martensit in Austenit. Unterhalb von 3 Gew.-% bewirkt Si eine Reduzierung des Formgedächtniseffekts. Oberhalb von 8 Gew.-% kann eine Versprödung des Materials beobachtet werden. Zudem findet bei Si-Gehalten oberhalb von 8 Gew.-% die vermehrte Ausbildung der ungünstigen ferritischen Gefügebestandteile statt.
Besonders bevorzugt setzen sich die optionalen Bestandteile aus folgenden Elementen zusammen:

Cr: ≤ 15 Gew.-%,
Ni: ≤ 10 Gew.-%,
P: ≤ 0,1 Gew.-%,
S: ≤ 0,1 Gew.-%,
Mo: ≤ 1 Gew.-%,
Cu: ≤ 0,5 Gew.-%,
Al: ≤ 5,0 Gew.-%,
Mg: ≤ 5,0 Gew.-%,
O: ≤ 0,1 Gew.-%,
Ca: ≤ 0,1 Gew.-%,
Co: ≤ 0,5 Gew.-%,
Ti: ≤ 1,5 Gew.-%,
Nb: ≤ 1,5 Gew.-%,
W: ≤ 1,5 Gew.-%,
V: ≤ 1,5 Gew.-%,
Zr: ≤ 1,5 Gew.-%,
C: ≤ 0,5 Gew.-%,
N: ≤ 0,5 Gew.-%,
B: ≤ 0,01 Gew.-%,
As: ≤ 0,02 Gew.-%,
Se: ≤ 0,1 Gew.-%,
Summe aller Elemente aus den Seltenerdmetallen: ≤ 0,01 Gew.-%
H: ≤ 0,005.

Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens 0,0005 Gew.-% Seltenerdmetalle und/oder wenigstens 0,001 Gew.-% Se vorliegen.
Um eine zumindest rudimentäre Korrosionsbeständigkeit sicherzustellen, enthält die Formgedächtnislegierung optional Cr, besonders bevorzugt in Gehalten von mindestens 3 Gew.-% Cr. Eine Steigerung des Cr-Gehaltes auf oberhalb von 15 Gew.-% begünstigt wiederum die Ferritbildung, welche sich, wie bereits ausgeführt, negativ auf den Formgedächtniseffekt auswirkt.
Das optionale Legierungselement Nickel dient zur Stabilisierung des austenitischen Gefüges und verbessert zudem die Umformbarkeit des Materials. Ein Ni-Gehalt von weniger als 0,1 Gew.-% hat keinen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften des Materials, weswegen dieser Wert als bevorzugte Untergrenze angegeben wird. Gehalte von über 10 Gew.-% zeigen keine positive Wirkung auf die Materialeigenschaften und werden daher aus Kostengründen vermieden. Zudem besteht bei Ni-Gehalten oberhalb von 8 Gew.-% die Gefahr, dass der Austenit so stark stabilisiert wird, dass die für den Formgedächtniseffekt erforderliche martensitische Phasenumwandlung erschwert wird und bei einer Vorverformung nicht mehr in ausreichendem Maße stattfindet, weswegen Gehalte von maximal 8 Gew.-% bevorzugt eingesetzt werden. Gehalte oberhalb von 6,5 Gew.-% Ni können zu einer zu geringen Schalttemperatur führen, wodurch das Risiko einer versehentlichen Überschreitung der Schalttemperatur im späteren Bauteileinsatz steigt, weswegen Gehalte von maximal 6,5 Gew.-% besonders bevorzugt eingesetzt werden.
Die übrigen genannten Elemente sind mit ihren jeweiligen Obergrenzen derart gewählt, dass nachteilige Auswirkungen auf Oxidationsbeständigkeit und/oder Festigkeit ein toleriertes Maß nicht überschreiten.
Bei den genannten eisenbasierten Formgedächtnislegierungen basiert das Verhalten, welches den Formgedächtniseffekt herbeiführt, auf einer Umwandlung zwischen einem Epsilon-Martensit als Niedertemperaturphase und dem Gamma-Austenit als Hochtemperaturphase. Die Hochtemperaturphase, in welcher Fe-FGL stabil vorliegt, weist eine kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur auf, welche durch mittels mechanischer Einwirkung hervorgerufener Verformung in ein hexagonal dichtest gepacktes (hdp) martensitisches Kristallgitter umklappt. Eine reversibel verlaufende Phasentransformation aus dem Epsilon-Martensit zu der Hochtemperaturphase Gamma-Austenit erfolgt beginnend mit der sogenannten Austenit-Start-Temperatur und ist bei Erreichen der Austenit-Finish-Temperatur, welche oberhalb der Austenit-Start-Temperatur liegt, beendet, so dass die zur Herbeiführung der martensitischen Umklapptransformation vorgenommene Verformung wieder rückgängig gemacht ist. Die genauen Temperaturen, Austenit-Start-Temperatur und Austenit-Finish-Temperatur, sowie die durch die beschriebenen Einwegeffekte herbeiführte Rückumwandlungsdehnung sind für das jeweils konkret vorliegende Material charakteristisch. Die Rückumwandlungsdehnung liegt typischerweise in einem einstelligen Prozentbereich bezogen auf die im verformten Zustand vorliegende Form und kann bis zu etwa 8% relativer Formänderung betragen. Der Begriff der relativen Formänderung ist beispielsweise bei einem Bauteil mit sehr hohem Aspektverhältnis, das also deutlich länger als breit oder hoch ist, dahingehend aufzufassen dass 8% relative Längenänderung bezogen auf die Länge des verformten Bauteils herbeigeführt werden können, wenn die Formänderung eine reine Längenänderung ist beziehungsweise näherungsweise als eine solche betrachtet werden kann.
Ein besonders vorteilhaftes Verhalten hinsichtlich mechanischer Festigkeit haben die mit den beschriebenen Überlegungen befassten Entwickler beobachtet, wenn die erste Funktionslage in ihrer austenitischen Hochtemperaturphase vorliegt und dabei über die Grenzflächen mit den angrenzenden Funktionslagen Druckeigenspannungen auf die angrenzenden Funktionslagen ausübt. Eine derartige Konfiguration des Mehrlagenverbunds konnte von den Entwicklern erreicht werden, indem die erste Funktionslage nach dem Verbinden mit der zweiten und/oder der dritten Funktionslage, bevorzugt zu einem Dreilagenverbund, in einem ersten Schritt eine verformungsinduzierte Austenit-Martensitumwandlung und in einem anschließenden zweiten Schritt eine temperaturinduzierte Martensit-Austenitumwandlung vollzogen hat. Durch eine derartige Behandlung des Mehrlagenverbunds wird nämlich erreicht, dass infolge der zweiten Umwandlung die erste Funktionslage phasenumwandlungsbedingte Druckeigenspannungen auf die zweite und/oder, bevorzugt und, die dritte Funktionslage an der jeweiligen gemeinsamen Grenzfläche mit der ersten Funktionslage ausübt.
Die Erfinder haben in begleitenden, weiter unten erläuterten, Experimenten gefunden, dass ein entsprechend vorliegender Mehrlagenverbund insbesondere eine erhöhte Streckgrenze aufweist als ein Mehrlagenverbund, welcher keine phasenumwandlungsbedingten Druckeigenspannungen auf die zweite und/oder die dritte Funktionslage an der jeweiligen gemeinsamen Grenzfläche mit der ersten Funktionslage aufweist. Die Erfinder führen aus diesem Grund die erhöhte Festigkeit auf die vorliegenden Druckeigenspannungen zurück. Es ist an dieser Stelle wichtig herauszustellen, dass die erhöhte Festigkeit höher ist als die Festigkeit die durch die Festigkeiten der beteiligten Ausgangsmaterialien, also die Werkstoffe der einzelnen Funktionslagen, erwartet werden können.
Der positive Einfluss von Druckeigenspannungen auf die Festigkeit ist nicht zuletzt konsistent mit den nachfolgend erläuterten Überlegungen.
Der Anteil der Dicken der ersten Funktionslage, der zweiten Funktionslage sowie gegebenenfalls der dritten oder weiterer Funktionslagen, ist besonders bevorzugt derart bemessen, dass die erste Funktionslage dicker ist als die zweite Funktionslage und/oder die erste Funktionslage dicker ist als die dritte Funktionslage und bevorzugt ein Dickenverhältnis der Dicke d1 der ersten Funktionslage zu der Dicke d2 der zweiten Funktionslage, also ein Verhältnis d1:d2, zwischen den Werten 4:3 und 24 liegt. Alternativ oder zusätzlich kann gegebenenfalls vorgesehen sein, dass ein Dickenverhältnis der Dicke d1 der ersten Funktionslage zu der Dicke d3 der Dickenfunktionslage ein Dickenverhältnis 4:3 ≤ d1:d3 ≤ 24 aufweist. In einem Fall, in welchem der Mehrlagenverbund als Dreilagenverbund ausgebildet ist, gilt bevorzugt, dass d2 = d3 ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der in dem Mehrlagenverbund bereitgestellte Anteil von Fe-FGL-Lagen zu dem Anteil an Stahllagen nach der Maßgabe gewählt, dass für das Verhältnis der Summe d_FGL aller Dicken aller Fe-FGL-Lagen zu der Summe d_Stahl aller Dicken aller Stahllagen zutrifft, dass d_FGL/d_Stahl ≤ Re2/RS1, wobei
Re2: Quetschgrenze des Stahls, und
RS1: durch Fe-FGL ausgeübte Rückstellspannung.
Dies bedeutet beispielsweise für einen dreilagigen Mehrlagenverbund mit einer Kernlage aus Fe-FGL und zwei als Decklagen ausgebildeten Stahllagen, wobei beide Decklagen die gleiche Dicke aufweisen, dass die Bedingung zu erfüllen ist, gemäß welcher für das Verhältnis der Dicke d1 der ersten Funktionslage zu der Dicke d2 der zweiten Funktionslage gilt, dass d1/d2 ≤ 2 x Re2/RS1 ist, wobei
Re2: Quetschgrenze der zweiten Funktionslage und
RS1: durch die erste Funktionslage ausgeübte Rückstellspannung.
Analog gilt, soweit vorhanden: $d1/d 3 \leq 2 \times Re3/RS1,$
wobei d3: Dicke der dritten Funktionslage und
Re3: Quetschgrenze der dritten Funktionslage und
RS1: durch die erste Funktionslage ausgeübte Rückstellspannung.
Die genannten Bedinungen für die Verhältnisse von Lagendicken gelten jeweils unter der Maßgabe, dass:

i) dass die Gesamtheit der Lagen senkrecht zylindrisch sind, also insbesondere alle Grenzflächen und die Außenflächen die selben lateralen Abmessungen aufweisen,
ii) dass alle Stahllagen dieselbe Quetschgrenze aufweisen,
iii) alle Fe-FGL-Schichten die selbe Rückstellspannung haben.

Im Rahmen der gesamten Beschreibung beziehen sich die Dicken auf die Dicken im fertiggestellten Mehrlagenverbund mit Ausnahme auf die unten zur Beschreibung der Beispiele angegebenen Ausgangsbleche.
Ein gemäß diesen Überlegungen ausgebildeter Mehrlagenverbund ist also auf eine vorgegebene Weise dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicken der Decklagen bestimmt ist durch das Verhältnis der Quetschgrenze der Decklage zu der Rückstellspannung, die von der ersten Funktionslage auf die Decklage beziehungsweise Decklagen ausgeübt wird.
Die Begriffe der Streckgrenze und der Quetschgrenze sind entsprechend der DIN ISO 6892-1 mit Stand 2017-02 gewählt. Die Erfinder haben die obigen Anweisungen auf Basis der vereinfachenden Annahme gefunden, dass zwischen 0,2% und 0,6% der Rückstellung eines Formgedächtniselements die zur Rückstellung erforderliche Rückstellspannung als näherungsweise konstant angenommen werden kann. Diese Annahme ist im Rahmen der experimentell erreichbaren Genauigkeiten ohne Einfluss auf die Umsetzung der Erfindung. Außerdem wurde vereinfachend angenommen, dass eine von der Formgedächtnislage auf eine Decklage ausgeübte Kraft sowohl in der gesamten Fläche der Grenzfläche als auch über die Gesamtdicke der Decklage hin konstant ist. Auch diese Annahme ist im Rahmen der experimentell erreichbaren Genauigkeiten ohne Einfluss auf die erfolgreiche Umsetzung der Erfindung. Bei Einhaltung der angegebenen Lagendickenverhältnisse werden also stets Mehrlagenverbünde mit den gewünschten vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere der erhöhten Festigkeit, erhalten.
Die oben gefundene Formel ist die mathematische Umsetzung der Überlegung, dass die vorzunehmenden Druckspannungen durch die Quetschgrenze der Decklage beziehungsweise Decklagen, beispielsweise der zweiten Funktionslage, begrenzt sein sollen, insoweit, dass die Dicke der ersten metallischen Funktionslage mit dem vergleichsweise kostenintensiv herzustellenden Formgedächtniswerkstoff nicht weiter erhöht wird als bis zu einer Dicke, bis zu welcher eine weiter erhöhte Dicke keinen zusätzlichen Einfluss auf die Festigkeit des Mehrlagenverbunds mehr aufweist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass einerseits das gewünschte Ziel der hohen Festigkeit des Mehrlagenverbunds erreicht wird, gleichzeitig andererseits der erforderliche Einsatz des kostenintensiven Formgedächtniswerkstoffs gering bleibt.
Die Gesamtdicke des Mehrlagenverbunds kann beispielsweise zu einem Wert zwischen 0,5 bis 20 mm gewählt sein. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zwischen 40 % und 95 % der Gesamtdicke durch die erste metallische Funktionslage, welche den Formgedächtniseffekt bereitstellt, eingenommen wird. Besonders bevorzugt ist, dass eine ungerade Anzahl an Lagen vorliegt, dass der Formgedächtniswerkstoff durch die mittlere der vorhandenen Lagen bereitgestellt wird, und dass die Dicke der Lagen ausgehend von der mittleren Lage symmetrisch angeordnet gewählt ist.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrlagenverbunds. Insbesondere betrifft der weitere Gedanke der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrlagenverbunds einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen oder ihrer Weiterbildungen, das bedeutet insbesondere, dass einzelne Merkmale, welche diese charakterisieren, auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu dessen Weiterbildung vorgesehen sein können sollen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

A) Bereitstellen einer ersten metallischen Funktionslage aus einem Formgedächtniswerkstoff sowie zumindest einer zweiten metallischen Funktionslage;
B) Verbinden der Funktionslagen zu einem unlösbaren Mehrlagenverbund. Für das Verbinden kann beispielsweise ein Walzplattieren der Funktionslagen mit einer dem Fachmann bekannten Vorgehensweise gewählt werden.
C) Umformen des Mehrlagenverbunds zur Herbeiführung einer Phasenumwandlung in dem Formgedächtniswerkstoff von seiner Hochtemperaturphase in seine martensitische Niedertemperaturphase. Die Herbeiführung der Phasenumwandlung kann dabei in einem Teil des Volumens des Formgedächtniswerkstoffs oder in dem gesamten Volumen des Formgedächtniswerkstoffs erfolgen, je nachdem, welche Weise des Umformens gewählt wird. Bevorzugt ist das Umformen ein Zugdehnen des Mehrlagenverbunds, das heißt eine Änderung der Längserstreckung in eine in der Ebene des Mehrlagenverbunds liegenden Richtung. Dadurch, dass der Mehrlagenverbund einem Umformen unterzogen wird, bewirkt die mit dem Umformen einhergehende Formänderung der Formgedächtnislegierung eine Umwandlung von der Hochtemperaturphase in die Martensitphase; bei einem der bevorzugt zu verwendenden, oben genannten, Werkstoffe handelt es sich um eine Umwandlung von Gamma-Austenit in kubisch-flächenzentriertem Kristallgitter in einen Epsilon-Martensit, welcher in hexagonal dichtest gepacktem Kristallgitter vorliegt.

Das nach der Phasenumwandlung vorhandene Formgedächtnis der ersten Funktionslage kann aufgrund der Verbindung der ersten Funktionslage mit der vergleichsweise starren zweiten und bevorzugt zusätzlich dritten Funktionslage nicht in eine Rückumformung umgewandelt werden. Die Neigung der ersten Funktionslage, die Rückumformung vornehmen zu können, führt aufgrund der Hemmung der Rückumformung im Mehrlagenverbund zu einem gezielt herbeigeführten Anstieg von Eigenspannungen in dem Mehrlagenverbund und insbesondere an den Grenzflächen der ersten Funktionslage mit der zweiten Funktionslage und gegebenenfalls der dritten Funktionslage. Diese Eigenspannungen bleiben zumindest in einem Temperaturbereich zwischen der Martensit-Start-Temperatur und der Austenit-Start-Temperatur des ausgewählten Formgedächtniswerkstoffs bestehen und führen, wie die Entwickler zeigen konnten, zu einer Verbesserung bestimmter mechanischer Eigenschaften des Mehrlagenverbunds gegenüber der Einzellagen, insbesondere zu einer Erhöhung der Streckgrenze gegenüber einem ohne die Schritte C) und D) hergestellten Mehrlagenverbund.
Der Schritt D) wird bevorzugt oberhalb der Austenit-Start-Temperatur, besonders bevorzugt oberhalb der Austenit-Finish-Temperatur, des Formgedächtniswerkstoffs durchgeführt.
Mit den erfindungsgemäß hergestellten Mehrlagenverbünden und auch ihren Weiterbildungen sowie mit den Produkten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Materialien mit einer vorteilhaften Eigenschaftskombination bereitgestellt. Die bereitgestellten Materialien weisen nämlich die spezifischen Vorteile der Formgedächtnislegierungen auf, nämlich insbesondere eine Fähigkeit zur Aufnahme sehr großer Kräfte ohne auffallende Ermüdung, ein großes spezifischen Arbeitsvermögen, pseudoelastisches Verhalten und dergleichen. Diese Vorteile gehen in neuartiger Weise mit zusätzlichen Funktionalitäten einher, nämlich beispielsweise mit einem Korrosionsschutz und/oder mit höheren Streckgrenzen und Festigkeiten. Durch das in einer Weiterbildung herbeiführte behandeln von Grenzflächen des Mehrlagenverbundes, nämlich durch in der beschriebenen Weise vorgenommenes Umformen und Glühen, kann aufgrund der gezielt beeinflussten Grenzflächen und den resultierenden Eigenspannungen in dem Mehrlagenverbund eine gegenüber nicht nachbehandelten Mehrlagenverbünden erhöhte Streckgrenze und Festigkeit erreicht werden.
Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften, insbesondere mit Hinblick auf die Aufnahme von einwirkenden Kräften, ist insbesondere vorgesehen, einen erfindungsgemäßen Mehrlagenverbund, einen seiner Weiterbildungen oder einen mit erfindungsgemäß oder gemäß Weiterbildung durchgeführtem Verfahren bereitgestellten Mehrlagenverbund für die Herstellung eines Bauteils zu verwenden, welches als schwingungsbelastete Maschinenkomponente verwendet wird. In derartigen Komponenten entfaltet der Mehrlagenverbund seine spezifischen Vorteile unter anderem aus dem Grund, dass als Folge der Druckeigenspannungen einem Risswachstum entgegengewirkt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1: einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Mehrlagenverbund;
2: ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm für ein Ausführungsbeispiel eines Mehrlagenverbunds.

Zum Nachweis der erfindungsgemäßen Überlegungen wurden Proben hergestellt, von denen nachfolgend einige beschrieben sind:

Alle Beispiele sind gemäß den in 1 dargestellten grundlegendem Aufbau aufgebaut: Eine Kernlage 1 ist als Formgedächtniswerkstoff verwendet, als Decklagen ist jeweils ein Stahl verwendet, wobei die Decklage 2 und die Decklage 3 in der speziellen Ausführung der Beispiele 1 bis 3 jeweils gleich dick sind. Kernlage 1 und Decklagen 2, 3 stellen eine Möglichkeit dar, einen erfindungsgemäßen Mehrlagenverbund 4 bereitzustellen.

Beispiel 1
Ein Mehrlagenverbund, der dreilagig ausgebildet ist und neben einer Kernlage eine erste Decklage und eine zweite Decklage aufweist, wurde unter folgenden Rahmenbedingungen hergestellt:

Kernlage aus Ausgangsblech mit Dicke 90 mm, Breite 150 mm, Länge 200 mm;
Erste Decklage und zweite Decklage aus Ausgangsblech mit Dicke 25 mm, Breite 150 mm, Länge 150 mm.

Die Ausgangsbleche werden aufeinander bei einer Temperatur von 1.150 Grad Celsius im Ofen vorgewärmt und bei einer Temperatur von 850 Grad Celsius bis 950 Grad Celsius gewalzt und dadurch walzplattiert. Die Dicke des mehrlagigen Materials (Mehrlagenverbund) beträgt nach dem Walzen 5 mm. 60 % der Dicke des Mehrlagenverbunds wird von der Kernlage eingenommen.
Es wurden zunächst Zugversuche an einer unvorbehandelten Probe gemäß Beispiel 1 durchgeführt (gemäß DIN EN ISO 6892-1, Stand: 2017-02).
Eine identische Probe wurde folgendermaßen für eine Festigkeitserhöhung vorbehandelt:

Dehnung um 5 % (gemäß DIN EN ISO 6892-1, Stand: 2017-02), in diesem Fall als Längenänderung entlang einer Längserstreckung der Probe, Entlasten auf 0 MPa, Einpacken der Probe in Glühfolie, Glühen für 10 Minuten bei 400 Grad Celsius in Ofenatmosphäre, das heißt: keine besondere Einstellung der Atmosphäre, Abkühlen an Luft, Durchführen von Zugversuchen wie oben.

In 2 sind die aus den oben erwähnten Zugversuchen ermittelten Spannungs-Dehnungs-Kurven gezeigt. Es handelt sich um gemäß gemäß DIN EN ISO 6892-1, Stand: 2017-02 an einer Probe gemäß Beispiel 1 im unvorbehandeltem Zustand, also unmittelbar nach dem Walzen, und im für die Festigkeitserhöhung vorbehandelten Zustand ermittelte Spannungs-Dehnungs-Kurven. Wie zu erkennen ist, führte das Dehnen des Mehrlagenverbunds um 5 % als Verfahrenschritt des Umformens des Mehrlagenverbunds zur Herbeiführung einer Phasenumwandlung in dem Formgedächtniswerkstoff von seiner Hochtemperaturphase in seine martensitische Niedertemperaturphase mit nachfolgendem Glühen für 10 Minuten bei 400 Grad Celsius in Ofenatmosphäre, und nachfolgende Abkühlen an Luft als Ausführungsform eines Verfahrensschritts des Glühens des Mehrlagenverbunds in nicht durch externe Krafteinwirkung vorgespanntem Zustand zur Herbeiführung einer Phasenumwandlung in dem Formgedächtniswerkstoff von seiner Niedertemperaturphase in seine Hochtemperaturphase zu einer Veränderung der Spannungs-Dehnungs-Kurven.
Wie der in 2 dargestellten Gegenüberstellung der Spannungs-Dehnungskurven zu entnehmen ist, ist durch das Umformen und das nachfolgend vorgenommene Glühen des Mehrlagenverbunds im spannungsfreien Zustand eine Phasenumwandlung in dem Formgedächtniswerkstoff von seiner Niedertemperaturphase in seine Hochtemperaturphase erreicht worden, die unter anderem zu einer erhöhten Streckgrenze geführt hat. Aus diesem Ergebnis kann auf eine durch die Behandlung der Probe herbeigeführte Festigkeitserhöhung geschlossen werden.
Beispiel 2
Ein Mehrlagenverbund, der dreilagig ausgebildet ist und neben einer Kernlage eine erste Decklage und eine zweite Decklage aufweist, wurde unter folgenden Rahmenbedingungen hergestellt:

Kernlage aus Ausgangsblech mit Dicke 90 mm, Breite 150 mm, Länge 200 mm;
Decklagen aus Ausgangsblech mit Dicke 25 mm, Breite 150 mm, Länge 150 mm.

Die drei Lagen wurden bei einer Temperatur von 1.150 Grad Celsius im Ofen vorgewärmt und bei einer Temperatur von 850 Grad Celsius bis 950 Grad Celsius gewalzt und dadurch walzplattiert. Die Dicke des mehrlagigen Materials (Mehrlagenverbund) beträgt nach dem Walzen 2 mm. 60 % der Dicke des Mehrlagenverbunds wird von der Kernlage eingenommen.
Bei dem Mehrlagenverbund des Beispiels 2 wurde wie bei dem Mehrlagenverbund des Beispiels 1 eine Erhöhung der Streckgrenze beobachtet.
Beispiel 3
Ein Mehrlagenverbund, der dreilagig ausgebildet ist und neben einer Kernlage eine erste Decklage und eine zweite Decklage aufweist, wurde unter folgenden Rahmenbedingungen hergestellt:

Kernlage aus Ausgangsblech mit Dicke 120 mm, Breite 150 mm, Länge 200 mm;
Decklagen aus Ausgangsblech mit Dicke 15 mm, Breite 150 mm, Länge 150 mm.

Die drei Lagen wurden bei einer Temperatur von 1.200 Grad Celsius im Ofen vorgewärmt und bei einer Temperatur von 850 Grad Celsius bis 950 Grad Celsius gewalzt und dadurch walzplattiert. Die Dicke des mehrlagigen Materials (Mehrlagenverbund) nach dem Walzen beträgt 3 mm. 80 % der Dicke des Mehrlagenverbunds wird von der Kernlage eingenommen.
Bei dem Mehrlagenverbund des Beispiels 3 wurde wie bei dem Mehrlagenverbund des Beispiels 1 eine Erhöhung der Streckgrenze beobachtet.
Für die Versuchen der Beispiele 1, 2 und 3 ausgewählte Werkstoffe
Als Kernlage wurde in Beispiel 1, in Beispiel 2 und in Beispiel 3 ein Fe-FGL verwendet mit den nachfolgenden Bestandteilen (in Gew.-%, Rest: nicht nachweisbare Elemente und Fe) :

C: 0,055
Si: 6,00
Mn: 2 8,00
P: ≤ 0,0200
S: ≤ 0,0050
Cr: 5,000
Cu: ≤ 0,100
N: ≤ 0,0300
Ni: 0,500
Nb: 0,500
V: 0,050

Die Decklagen des Beispiels 1 bestehen aus einem Verschleißstahl mit folgender Elementanalyse (Werkstoffkennnummer 1.8714):

C Si Mn P S Al Cr Mo N Ni

min 0,13 0,15 1,10 0,07 0,4

max 0,15 0,3 1,25 0,015 0,005 0,1 0,5 0,05 0,006 0,12

Nb Ti B Ca

0,021 0,008 0,0018 0,0007

0,028 0, 01 0,0030 0,003

Alle Angaben in Gew.-%, Rest zu 100 Gew.-% ist neben nicht nachweisbaren Verunreinigungen Fe.
Die Decklagen des Beispiels 2 bestehen aus einem gut umformbaren Stahl mit folgender Elementanalyse (Werkstoffkennnummer 1.0312):

C Si Mn P S

min 0,3 0,17

max 0,028 0,03 0,3 0,015 0,008

Al Cr Mo N Ni Nb Ti B Ca

0,001

0,002 0,035 0,005 0,0035 0,025 0,001 0,001 0,0030 0,004

Alle Angaben in Gew.-%, Rest zu 100 Gew.-% ist neben nicht nachweisbaren Verunreinigungen Fe.
Die Decklagen des Beispiels 3 bestehen aus einem nichtrostenden Stahl mit folgender Elementanalyse (Werkstoffkennnummer 1.4404):

C Si Mn P S Al Cr Mo N Ni

min 0,3 0, 8 0, 01 16,5 2,3 10,01

max 0,03 0,5 1,2 0,035 0, 006 0,025 16,9 2,5 0, 06 10,2

Nb Ti B

0,003

0,05 0,012 0,005

Alle Angaben in Gew.-%, Rest zu 100 Gew.-% ist neben nicht nachweisbaren Verunreinigungen Fe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 18722028 [0002]

Claims

Mehrlagenverbund (4), aufweisend wenigstens eine erste metallische Funktionslage (1) aus einem Formgedächtniswerkstoff und eine zweite metallische Funktionslage (2, 3), wobei die erste metallische Funktionslage (1) und die zweite metallische Funktionslage (2, 3) miteinander verbunden sind.
Mehrlagenverbund (4) nach Anspruch 1, wobei eine dritte metallische Funktionslage (3) vorhanden ist, die mit der ersten metallischen Funktionslage (1) verbunden ist, sodass die erste Funktionslage (1) als Kernlage zwischen der zweiten Funktionslage (2) und dritten Funktionslage (3) angeordnet ist.
Mehrlagenverbund (4) nach Anspruch 1, wobei der Mehrlagenverbund (4) dreilagig ausgebildet ist und neben der Kernlage (1) die zweite Funktionslage als erste Decklage (2) und die dritte Funktionslage als zweite Decklage (3) aufweisen.
Mehrlagenverbund (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Funktionslage (2) und/oder die dritte Funktionslage (3) aus Stahl besteht beziehungsweise bestehen.
Mehrlagenverbund (4) nach Anspruch 4, wobei die zweite Funktionslage (2) und/oder die dritte Funktionslage (3) ein nichtrostender Stahl ist, oder ein gut umformbarer Stahl ist, oder ein Verschleißstahl ist.
Mehrlagenverbund (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die metallischen Funktionslagen (1, 2, 3) mittels Walzplattierens der Funktionslagen (1, 2, 3) unlösbar miteinander verbunden sind.
Mehrlagenverbund (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formgedächtniswerkstoff der ersten Funktionslage (1) ein eisenbasierter Formgedächtniswerkstoff, kurz: Fe-FGL, ist.
Mehrlagenverbund (4) nach Anspruch 7, wobei der Fe-FGL-Werkstoff besteht aus: Mn: 15-35 Gew.-%, Si: 3-8 Gew.-%, bis zu 46,045 Gew.-% optionale Bestandteile, Rest Fe und unverme idbare Verun reinigungen
Mehrlagenverbund (4) nach Anspruch 8, wobei sich die optionalen Bestandteile zusammensetzen nach der Vorschrift Cr: ≤ 15 Gew.-%, Ni: ≤ 10 Gew.-%, P: ≤ 0,1 Gew.-%, S: ≤ 0,1 Gew.-%, Mo: ≤ 1 Gew.-%, Cu: ≤ 0,5 Gew.-%, Al: ≤ 5,0 Gew.-%, Mg: ≤ 5,0 Gew.-%, O: ≤ 0,1 Gew.-%, Ca: ≤ 0,1 Gew.-%, Co: ≤ 0,5 Gew.-%, Ti: ≤ 1,5 Gew.-%, Nb: ≤ 1,5 Gew.-%, W: ≤ 1,5 Gew.-%, V: ≤ 1,5 Gew.-%, Zr: ≤ 1,5 Gew.-%, C: ≤ 0,5 Gew.-%, N: ≤ 0,5 Gew.-%, B: ≤ 0,01 Gew.-%, As: ≤ 0,02 Gew.-%, Se ≤ 0,1 Gew.-%, Summe aller Elemente aus den Seltenerdmetallen: ≤ 0,01 Gew.-%, H: ≤ 0,005 Gew.-%.
Mehrlagenverbund (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Funktionslage (1) in ihrer austenitischen Hochtemperaturphase vorliegt und Druckeigenspannungen auf die angrenzenden Funktionslagen ausübt.
Mehrlagenverbund (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Funktionslage (1) nach dem Verbinden mit der zweiten und/oder der dritten Funktionslage eine verformungsinduzierte Austenit-Martensit-Umwandlung und anschließend eine temperaturinduzierte Martensit-AustenitUmwandlung vollzogen hat zur Herbeiführung von phasenumwandlungsbedingten Druckeigenspannungen auf die zweite und/oder die dritte Funktionslage an der jeweiligen gemeinsamen Grenzfläche mit der ersten Funktionslage (1).
Mehrlagenverbund (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Funktionslage (1) dicker ist als die zweite Funktionslage (2) und/oder die erste Funktionslage (1) dicker ist als die dritte Funktionslage (3), bevorzugt mit einem Dickenverhältnis der Dicke d1 der ersten Funktionslage (1) zu der Dicke d2 der zweiten Funktionslage (2) von 4:3 ≤ d1:d2 ≤ 24 und/oder mit einem Dickenverhältnis der Dicke d1 der ersten Funktionslage (1) zu der Dicke d3 der dritten Funktionslage (3) von 4:3 ≤ d1:d3 ≤ 24.
Mehrlagenverbund (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Verhältnis der Summe d_FGL aller Dicken aller Fe-FGL-Lagen zu der Summe d_Stahl aller Dicken aller Stahllagen gilt, dass d_FGL/d_stahl ≤ Re2/RS1, wobei Re2: Quetschgrenze des Stahls, und RS1: durch Fe-FGL ausgeübte Rückstellspannung.
Verfahren zur Herstellung eines Mehrlagenverbunds (4) insbesondere eines Mehrlagenverbunds (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend die folgenden Schritte: A) Bereitstellen einer ersten metallischen Funktionslage (1) aus einem Formgedächtniswerkstoff und einer zweiten metallischen Funktionslage (2, 3); B) Verbinden der Funktionslagen (1, 2, 3) zu einem unlösbaren Mehrlagenverbund (4); C) Umformen des Mehrlagenverbunds (4) zur Herbeiführung einer Phasenumwandlung in dem Formgedächtniswerkstoff (1) von seiner Hochtemperaturphase in seine martensitische Niedertemperaturphase; D) Glühen des Mehrlagenverbunds (4) in nicht durch externe Krafteinwirkung vorgespanntem Zustand zur Herbeiführung einer Phasenumwandlung in dem Formgedächtniswerkstoff von seiner Niedertemperaturphase in seine Hochtemperaturphase.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Glühen bei einer Temperatur oberhalb der Austenit-Start-Temperatur, bevorzugt oberhalb der Austenit-Finish-Temperatur, des Formgedächtniswerkstoffs durchgeführt wird.
Verwendung eines - aus einem Mehrlagenverbund (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellten Bauteils oder - aus einem Mehrlagenverbund (4), hergestellt mit einem Verfahren nach Anspruch 14 oder nach Anspruch 15 hergestellten Bauteils als schwingungsbelastete Maschinenkomponente.