DE1558513C3 - Verfahren zur Herstellung von Bauelementen mit einem weitgehend temperaturunabhängigen Temperaturkoeffizienten der elastischen Modulen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Bauelementen mit einem weitgehend temperaturunabhängigen Temperaturkoeffizienten der elastischen ModulenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauelementen mit einem Temperaturkoeffizienten
der elastischen Modulen, der zwischen —10"4 Grad"1
und 10~4 Grad"1 liegt.
Es ist bekannt, für die Herstellung von Schwing- und Federelementen mit einem sehr kleinen Temperaturkoeffizienten
des Elastizitätsmoduls sogenannte reversible Fe-Ni-Legierungen zu verwenden, die auf Grund
der Temperaturabhängigkeit ihrer Magnetostriktion unterhalb des Curie-Punktes eine Anomalie im Temperaturverlauf
des Elastizitätsmoduls aufweisen, die es ermöglicht, den an sich negativen, thermoelastischen
it; Koeffizienten innerhalb bestimmter Temperaturintervalle
sehr klein, und zwar nach Wunsch positiv oder negativ zu halten. So ist beispielsweise aus der
schweizerischen Patentschrift 352 696 eine thermokompensierende Feder aus einer aushärtbaren Ni-Fe-Mo-Legierung
mit Be bekannt. Einer der Nachteile derartiger Legierungen liegt jedoch darin, daß das
elastische Verhalten mehr oder weniger stark magnetfeldabhängig ist, so daß der bei gewissen Präzisionsbauteilen
zu fordernde kleine Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls durch magnetische Einflüsse in
unzulässiger Weise verändert wird. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß zur Einstellung des gewünschten
kleinen Wertes des Temperaturkoeffizienten komplizierte technologische Prozesse bei der Herstellung
der Legierung notwendig sind, da z. B. eine exakte Kaltverformung und Wärmebehandlung erforderlich
ist.
Es ist weiterhin bekannt, daß auch Nicht-Ferromagnetika Elastizitäts-Anomalien aufweisen, deren Ursprung z. B. in der Bildung einer Uberstruktur oder einer reversiblen Martensitumwandlung liegt. Diese Anomalien erstrecken sich jedoch immer nur auf einen engen Temperaturbereich und hören insbesondere bei gewissen Temperaturen auf, die analog zur Curie-Temperatur der Ferromagnetika sind. Ein anderer Nachteil der bekannten Stoffe ist darin zu sehen, daß diese in der Regel wenig korrosionsbeständig und schwer verarbeitbar sind.
Es ist weiterhin bekannt, daß auch Nicht-Ferromagnetika Elastizitäts-Anomalien aufweisen, deren Ursprung z. B. in der Bildung einer Uberstruktur oder einer reversiblen Martensitumwandlung liegt. Diese Anomalien erstrecken sich jedoch immer nur auf einen engen Temperaturbereich und hören insbesondere bei gewissen Temperaturen auf, die analog zur Curie-Temperatur der Ferromagnetika sind. Ein anderer Nachteil der bekannten Stoffe ist darin zu sehen, daß diese in der Regel wenig korrosionsbeständig und schwer verarbeitbar sind.
Aus der deutschen Auslegeschrift 1 154 949 ist eine thermokompensierte Feder aus einem amagnetischen,
metallischen Werkstoff mit kubisch flächenzentriertem bzw. raumzentriertem Kristallgitter bekannt. Die
Einkristalle des bekannten Werkstoffs weisen eine ausgeprägte Anisotropie des thermoelastischen Koeffizienten
auf, und sie bilden eine Textur mit Minimalwerten des thermoelastischen Koeffizienten in der
Ziehrichtung bzw. in der Walzrichtung des Federbandes. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß in
Abhängigkeit von der zu erwartenden bestimmungsgemäßen Beanspruchung die Textur nach Stärke und
Lage auf bestimmte Werte eingestellt werden muß.
Hiervon ausgehend wird beim eingangs dargestellen Verfahren die Erfindung darin gesehen, daß
in Legierungen aus den Ubergangselementen der ersten, zweiten und dritten großen Perioden und/oder
der Seltenen Erdmetalle und/oder der Actinidenreihe ohne jede Spinordnung die einen
negativen Temperaturkoeffizienten der atomaren magnetischen Suszeptibilität - -^ψ und bei Raumtemperatur
eine atomare paramagnetische Suszeptibilität χ > 50 · 10~6 emE/gAtom aufweisen, ausgenommen
binäre Niob-Zirkonium-Legierungen mit einem Zirkoniumgehalt von 15 bis 35% in stark kaltgewalztem
und anschließend wärmebehandeltem Zustand eine Textur erzeugt wird, wobei bei kubisch
kristallisierenden Legierungen eine Textur eingestellt wird, die einem Wert der gemittelten Produktsumme
der Richtungskosinusse zwischen Beanspruchungsrichtung und Achsen der Kristallite Φ
> 0,2 bzw. Φ < 0,2 entspricht, während bei hexagonal kristallisierenden
Legierungen eine Textur eingestellt wird,
die durch einen Wert der gemittelten Produktsumme der Richtungskosinusse zwischen Beanspruchungsrichtung und Achsen der Kristallite Φ
< 0,25 bzw. Φ > 0,25 bestimmt ist, und daß das Bauelement entsprechend
der Textur aus der erstarrten und texturierten Schmelze herausgearbeitet wird. Die Behandlung
der ausgenommenen Legierungen ist im älteren deutschen Patent 1 291 906 geschützt.
Die einzelnen Legierungskomponenten werden bevorzugt so ausgewählt, daß die globale Elektronenkonzentration
in einem der folgenden Bereiche liegt: 2,3 bis 3,7, 4,1 bis 5,7, 6,1 bis 7,8, 9,2 bis 10,5.
Die Textur kann durch eine Warm- und/oder Kaltverformung erzeugt werden.
Es ist von Vorteil, wenn die Textur durch Ziehen und/oder Walzen oder Glühen erzeugt wird.
Es kann zur Erzielung guter mechanischer Festigkeit auch zweckmäßig sein, daß mittels einer Wärmebehandlung
durch Zerfall von Legierungen der Ubergangselemente untereinander eine Härtung bewirkt
wird.
An die Stelle des geforderten Wertes der atomaren, paramagnetischen Suszeptibilität kann in bekannter
Weise bei tieferen Temperaturen der Meßwert der spezifischen Wärme γ (Elektronenwärme) treten, der
cal
größer als 5 · 10"
sein soll. Innerhalb An Hand eines Ausführungsbeispiels wird für eine
binäre Legierung nachfolgend gezeigt, wie sich in sehr einfacher Art und Weise die einzelnen Legierungskomponenten
des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmen lassen.
Die beiden Elemente 1 und 2 der binären Legierung, die aus irgendeiner Gruppe oder Periode des
periodischen Systems stammen können, sollen die Gewichtsprozente Of1 und g2, die Atomgewichte A1
und A2 und die Anzahl D1 und V2 von Elektronen
außerhalb abgeschlossener Schalen (Valenzen) aufweisen. Dann berechnen sich die Atomprozente Ci1
und a2 zu
gAtom· 0C
der für die atomare Suszeptibilität bzw. für die spezifische Wärme festgelegten Grenze ist jjine hohe
effektive Zustandsdichte der Elektronen N(EF) vorhanden.
In der Zeichnung sind einige Meßdaten der atomaren Suszeptibilität, der Elektronenwärme und des
Temperaturkoeffizienten der Suszeptibilität dargestellt, wodurch es bei der Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens möglich ist, in sehr einfacher Art
und Weise über die Elektronenkonzentration - die
einzelnen Legierungskomponenten nach Art und Menge zu bestimmen.
Es zeigt
Fig. 1 eine graphische Darstellung der paramagnetischen
atomaren Suszeptibilität bei Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Elektronenkonzentration-,
F i g. 2 eine graphische Darstellung des Temperaturkoeffizienten der paramagnetischen atomaren Suszeptibilität
in Abhängigkeit von der Elektronenkonzentration -,
a'
Fig. 3 die günstigsten Zonen der Elektronenkonzentrationen
-,
Fig. 4 die Kristallstrukturen und Phasengrenzen
in Abhängigkeit von der Elektronenkonzentration und der Temperatur, wobei unter hohen Temperaturen
solche im Bereich von über 500° C verstanden werden.
Die graphischen Darstellungen in den F i g. 1 bis 4 beziehen sich auf die Ubergangselemente und deren
Legierungen der dritten bis fünften Periode des periodischen Systems, Legierungen zwischen Elementen
aus gleicher Kolonne über verschiedener Periode zeigen gleichmäßigen Verlauf von Suszeptibilität und
deren Temperaturkoeffizient, z. B. fällt χ von V gegen
1 dv
Nb und Ta ab und - -τψ ist für Nb am stärksten
x άΤ
negativ.
negativ.
O1 =
100 4-
Ax
A1
Q1 =
und die Elektronenkonzentration zu
e, _ V1Q1 + V2Ci2
a~ 100
In allgemeiner Form berechnen sich demzufolge bei einer Legierung aus n-Elementen mit den Gewichtsprozenten
gh den Atomgewichten A{ und der
Anzahl V1 von Elektronen außerhalb abgeschlossener
Schalen (Valenzen) die Atomprozente a; zu
100 -§-
Α
Α
St
A1
und die Elektronenkonzentration ^ zu
e
a
löö
Bei einer Legierung von 80 Gewichtsprozent V und 20 Gewichtsprozent Ti ist demzufolge die Elektronenkonzentration
- = 4,79, bei einer Legierung von 46 Gewichtsprozent Ti und 52 Gewichtsprozent Nb ist - = 4,37, und bei einer Legierung von
50 Gewichtsprozent V und 50 Gewichtsprozent Nb ist e- = 5,0.
Wie aus den F i g. 1 und 2 der Zeichnung zu entnehmen ist, liegen innerhalb eines gewissen Bereiches,
z. B. um den Wert - = 5, die Werte für die atomare,
paramagnetische Suszeptibilität χ bzw. für den Temperaturkoeffizient
von χ in den erfindungsgemäß hergestellten Legierungen angegebenen Grenzen. Die
cal
Elektronenwärmen betragen 10 unc*
Elektronenwärmen betragen 10 unc*
mehr. Die aus den vorgenannten Gewichtsprozenten bestehenden Legierungen weisen somit die gewünschte
Temperaturunabhängigkeit der elastischen Modulen auf. Weitere Beispiele sind Palladium- und Platin-
Legierungen, bei denen - ungefähr gleich 10 ist. Es
liegt somit Unabhängigkeit von der Kristallstruktur entsprechend F i g. 4 vor. Sowohl die kubischraumzentrierten
Nb-Legierungen als auch die kubischflächenzentrierten Pd-Legierungen weisen jeweils
den geforderten kleinen Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls auf.
Wie den F i g. 1 bis 3 und den vorstehenden Darlegungen
zu entnehmen ist, läßt sich mittels der ge-
eigneten Bereiche der Elektronenkonzentrationen -
in sehr einfacher Weise der prozentuale Gehalt der einzelnen Komponenten und Bestandteile der erfindungsgemäßen
Legierungen angeben, die den genannten Bedingungen — Größe der atomaren, paramagnetischen
Suszeptibilität bzw. der Elektronenwärme, negativer Temperaturkoeffizient der atomaren Suszeptibilität
— genügen und das gewünschte Temperaturverhalten der elastischen Modulen aufweisen.
In den genannten Bereifen der Elektronenkonzentration - von 2,5 bis 3,7, 4,1 bis 5,7, 6,1 bis 7,8,
9,2 bis 10,5 liegen die Temperaturkoeffizienten der elastischen Modulen, wie gefordert, zwischen
-10"4 Grad"1 und ICT4 Grad"1.
Nachfolgend sind einige Beispiele erfindungsgemäß hergestellter Legierungen aufgeführt,- die jeweils in
anisotropem Zustand vorliegen sollen.
und deren Temperaturkoeffizienten eingehalten werden,
wobei die globale Elektronenkonzentration - oder
die
Gewichtsprozent |
: e
a |
75 Nb 25 Ti |
} 4,6 |
80 V 20 Ti |
J 4,79 |
80 Nb 20 Zr |
} 4,8 |
67 Mo 33 Ti |
} 5,0 |
50 Nb 50 V |
} 5,0 |
5,4 Ti 10,8 Mo 83,8 Nb |
5,0 |
95 Nd 5 Pr |
} 3,0 |
41,3 Co 13,7 Fe 45 Ti |
6,37 |
95 Pd 5 Rh |
} 9,95 |
Es können somit in sehr einfacher Weise und gezielt Legierungen hergestellt werden, die der genannten ForderunghinsichtlichdesTemperaturverhaltensderelasti-
schen Modulen genügen und überdies aus völlig verschiedenen, frei wählbaren Elementen bestehen können.
Es ist lediglich darauf zu achten, daß die geforderten Werte der paramagnetischen, atomaren Suszeptibilität
Elektronenkonzentration -
des überwiegenden
Bestandteiles der Legierung innerhalb der genannten1-'
Bereiche liegt und daß eine bestimmte Textur eingestellt wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Von besonderer Bedeutung ist, daß es nicht nur möglich ist, eine weitgehende Temperaturunabhängig-
keit der elastischen Modulen zu erreichen, sondern daß auch gezielt entweder ein sehr kleiner negativer
oder positiver Wert des Temperaturkoeffizienten eingestellt werden kann, was z. B. dann von Interesse ist,
wenn in einem Schwingsystem eine Temperaturab-
hängigkeit eines Bauelementes durch ein anderes Bauelement, das z. B. aus einer erfindungsgemäß hergestellten
Legierung besteht, kompensiert werden soll, so daß das gesamte Schwingsystem völlig temperaturunabhängig
ist. Eine derartige Beeinflussung des
Temperaturkoeffizienten mit der Maßgabe der Erzielung eines kleinen negativen oder eines kleinen
positiven Wertes gelingt durch geringe Änderung der
Elektronenkonzentration - innerhalb der angegebenen Bereiche. a vN,
Auf Grund der Tatsache, daß die erfindungsgemäß hergestellten Legierungen aus völlig verschiedenen
Elementen bestehen können, solange nur die aufgezeigten Bedingungen eingehalten werden, ist es möglieh,
außer der geforderten Temperaturunabhängigkeit der elastischen Modulen auch noch weitere Forderungen
wie gute Bearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Warmfestigkeit usw. zu berücksichtigen;.·.
Es ist darauf zu achten, daß abhängig von der zu erwartenden, bestimmungsgemäßen Beanspruchung des betreffenden Bauteils die Textur nach Stärke und Lage auf bestimmte Werte eingestellt wird, was entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren schon bei der Herstellung der Legierung durch eine geeignete Warm- und/oder Kaltverformung sowie gegebenenfalls durch eine Glühbehandlung erreicht wird. Maßgeblich ist hierbei zur Festlegung der Textur die gemittelte Produktsumme Φ der einzelnen Richtungs-cos der Winkel zwischen Beanspruchungsrichtung und den Hauptachsen der Kristallite des vielkristallinen Bauteils. Für kubische Materialien ergibt sich Φ = I2JJi2 + Jn2JI2, worin 1, mund η die Richtungs-cos der Winkel zwischen Meß- oder Beanspruchungsrichtung und den Hauptachsen der kubischen Kristallite sind. Für hexagonalkristallisierende Stoffe ist Φ = 0, wobei 0 der Richtungs-cos des Winkels zwischen Meß- oder Beanspruchungsrichtung und der hexagonalen Achse ist. Für den im vorstehenden erwähnten isotropen Stoff ist Φ — 0,2. Bei kubisch kristallisierenden Stoffen gilt für die gewünschte Temperaturuna,bhängigkeit des Elastizitätsmoduls E bzw. des Schubmoduls G (Beanspruchungsachse = Torsionsachse) Φ ;> 0,2 bzw. Φ < 0,2. Bei hexagonalen Stoffen gilt für die gewünschte Temperaturunabhängigkeit des Elastizitätsmoduls E bzw. des Schubmoduls G Φ < 0,25 bzw. Φ > 0,25. Die vorgenannten Grenzen für den Wert von Φ müssen eingehalten werden, da andernfalls das gewünschte Temperaturverhalten der elastischen Modulen nicht erreicht wird. Der einzustellende Wert von Φ kann in sehr einfacher und an sich bekannter Weise röntgenographisch ermittelt und kontrolliert werden. Zur Erzielung der gegenüber der Beanspruchung erforderlichen Textur kann eine be-
Es ist darauf zu achten, daß abhängig von der zu erwartenden, bestimmungsgemäßen Beanspruchung des betreffenden Bauteils die Textur nach Stärke und Lage auf bestimmte Werte eingestellt wird, was entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren schon bei der Herstellung der Legierung durch eine geeignete Warm- und/oder Kaltverformung sowie gegebenenfalls durch eine Glühbehandlung erreicht wird. Maßgeblich ist hierbei zur Festlegung der Textur die gemittelte Produktsumme Φ der einzelnen Richtungs-cos der Winkel zwischen Beanspruchungsrichtung und den Hauptachsen der Kristallite des vielkristallinen Bauteils. Für kubische Materialien ergibt sich Φ = I2JJi2 + Jn2JI2, worin 1, mund η die Richtungs-cos der Winkel zwischen Meß- oder Beanspruchungsrichtung und den Hauptachsen der kubischen Kristallite sind. Für hexagonalkristallisierende Stoffe ist Φ = 0, wobei 0 der Richtungs-cos des Winkels zwischen Meß- oder Beanspruchungsrichtung und der hexagonalen Achse ist. Für den im vorstehenden erwähnten isotropen Stoff ist Φ — 0,2. Bei kubisch kristallisierenden Stoffen gilt für die gewünschte Temperaturuna,bhängigkeit des Elastizitätsmoduls E bzw. des Schubmoduls G (Beanspruchungsachse = Torsionsachse) Φ ;> 0,2 bzw. Φ < 0,2. Bei hexagonalen Stoffen gilt für die gewünschte Temperaturunabhängigkeit des Elastizitätsmoduls E bzw. des Schubmoduls G Φ < 0,25 bzw. Φ > 0,25. Die vorgenannten Grenzen für den Wert von Φ müssen eingehalten werden, da andernfalls das gewünschte Temperaturverhalten der elastischen Modulen nicht erreicht wird. Der einzustellende Wert von Φ kann in sehr einfacher und an sich bekannter Weise röntgenographisch ermittelt und kontrolliert werden. Zur Erzielung der gegenüber der Beanspruchung erforderlichen Textur kann eine be-
liebige Warm- und/oder Kaltverformung oder Rekristallisationsglühung
dienen. Die Bauteile können auch aus texturiertem Halbzeug herausgeschnitten werden, wobei deren Beanspruchungsrichtung dann
den vorstehenden Bedingungen entsprechend gelegt wird.
Wenn die erfindungsgemäß hergestellten Legierungen für Bauteile verwendet werden sollen, welche auch
hohe mechanische Festigkeit erfordern, so können Legierungen innerhalb der genannten ^ -Werte verwendet
sein, welche durch geeignete Wärmebehandlung eine Härtung durch Ausscheidung oder Gefugezerfall
aufweisen. Die globale Elektronenkonzentration oder Zusammensetzung des überwiegenden Gefügebestandteils
bleibt innerhalb der Grenzen. Die Ausscheidungswärmebehandlung kann dabei auch nach der Texturbildung vorgenommen sein.
In den erfindungsgemäß hergestellten Legierungen können Zugaben in kleineren Mengen, d. h. in der
Größenordnung bis zu 1%, von Elementen mit einer Ordnungszahl kleiner als 9 Relaxationsvorgänge hervorrufen,
welche in engeren Temperaturbereichen in der Größenordnung von 1000C ebenfalls zur Kompensation
der Elastizitätsmodulen herangezogen werden können.
Besonders vorteilhafte Anwendungsformen für die erfindungsgemäß hergestellten '=>
Legierungen sind mechanische Schwingsysteme von Uhren, elektromechanischen Filtern, Waagen, Niveliergeräten, elektrischen
Meßgeräten sowie Stimmgabeln usw. Weiterhin sind zu erwähnen Bauteile aller Art, die in einem sehr weiten
Temperaturbereich, z. B. über mehrere 100°C, mechanisch
sehr stark beansprucht werden und deren Elastizitätsmodul sich mit der Temperatur praktisch nicht
ändern darf, damit nicht bei Temperaturänderungen und gleichzeitigen äußeren Beanspruchungen beim
Durchlaufen eines gewissen Temperaturbereichs Resonanzschwingungen auftreten können, die zur Zerstörung
des Bauteils führen, was z. B. bei Turbinen und Raketen zu beachten ist. Die mechanische Beanspruchung
in den Bauteilen kann dabei unterschiedlich sein, da es keinerlei Schwierigkeit bereitet, den
Elastizitätsmodul, den Schubmodul oder den Kompressionsmodul einzeln oder gemischt temperaturunabhängig
zu halten.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
309535/152
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von Bauelementen mit einem Temperaturkoeffizienten der elastischen
Modulen, der zwischen —10~4 Grad"1 und
10~4 Grad"1 liegt, dadurch gekennzeichnet, daß in Legierungen aus den Ubergangselementen
der ersten, zweiten und dritten großen Perioden und/oder der Seltenen Erdmetalle
und/oder der Actinidenreihe ohne jede Spinordnung, die einen negativen Temperaturkoeffizienten
1 dy der atomaren magnetischen Suszeptibilität - -^ψ
und bei Raumtemperatur eine atomare paramagnetische Suszeptibilität χ
> 50 · 10~6 emE/gAtom aufweisen, ausgenommen binäre Niob-Zirkonium-Legierungen
mit einem Zirkoniumgehalt von 15 bis 35% in stark kaltgewalztem und anschließend
wärmebehandeltem Zustand, eine Textur erzeugt wird, wobei in kubisch kristallisierenden Legierungen
eine Textur eingestellt wird, die einem Wert der gemittelten Produktsumme der Richtungskosinusse
zwischen Beanspruchungsrichtung und Achsen der Kristallite Φ > 0,2 bzw. Φ
< 0,2 entspricht, während bei hexagonal kristallisierenden Legierungen eine Textur eingestellt wird, die
durch einen Wert der gemittelten Produktsumme der Richtungskosinusse zwischen Beanspruchungsrichtung und Achsen der Kristallite Φ
< 0,25 bzw. Φ > 0,25 bestimmt ist und daß das Bauelement entsprechend der Textur aus der texturierten Legierung
herausgearbeitet wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Legierungskomponenten
so ausgewählt werden, daß die globale Elektronenkonzentration in einem der folgenden
Bereiche liegt: 2,5 bis 3,7, 4,1 bis 5,7, 6,1 bis 7,8, 9,2 bis 10,5.
3. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Textur
durch Warm- und/oder Kaltverformung erzeugt wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Textur
durch Ziehen und/oder Walzen oder Glühen erzeugt wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels
einer Wärmebehandlung eine Härtung durch Gefügezerfall der Legierungen der Ubergangsmetalle
bewirkt wird.
6. Verfahren gemäß einem, der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung
bis zu 1% von Elementen der Ordnungszahl kleiner als 9 enthält.
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---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EGA | New person/name/address of the applicant | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |