DE1558514A1 - Verwendung einer metallischen,paramagnetischen Legierung zur Herstellung von Bauelementen mit weitgehend temperaturunabhaengigen,elastischen Modulen - Google Patents

Verwendung einer metallischen,paramagnetischen Legierung zur Herstellung von Bauelementen mit weitgehend temperaturunabhaengigen,elastischen Modulen

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DE1558514A1 DE19671558514 DE1558514A DE1558514A1 DE 1558514 A1 DE1558514 A1 DE 1558514A1 DE 19671558514 DE19671558514 DE 19671558514 DE 1558514 A DE1558514 A DE 1558514A DE 1558514 A1 DE1558514 A1 DE 1558514A1
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Description

■η ill Eiipl.-Phys, GERHARD LIEDL · 8 München 22, Steinsdorfstraße 22
Telefon TfIUJ Fernschreiber 05/5130*
Fall 96 C 2952
..Institut Dr.Ing. Reinhard STRAUMANN' AG, Waidenburg / Schweiz
Verwendung einer metallischen,, paramagnetischen Legierung zur Herstellung
. ' >· ■*■■ , t;
von Bauelementen mit weitgehend temperaturunabhängigen, elastischen Modulen
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer metallischen, paramagnetischen Legierung zur Herstellung von Bauelementen mit weitgehend temperaturunabhängigen, elastischen Modulen. ·■>-,,
109886/0330
Es ist bekannt, für die Herstellung von Schwing- und Feder elementen mit einem sehr kleinen Temperatur koeffizienten des Elastizitätsmodules sogenannte reversible Fe-Ni-Legierungen zu verwenden, die aufgrund der Temperaturabhängigkeit ihrer Magnetostriktion unterhalb des Curiepunktes eine Anomalie im Temperaturverlauf des Elastizitätsmodules aufweisen, die es ermöglicht, den an sich negativen, thermoelastischen Koeffizienten innerhalb bestimmter Temperaturintervalle sehr klein, und zwar n£ch Wunsch positiv oder negativ zu halten. 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 Elastizitätsmodules 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-Ferromagnetic Elastizitäts-Anomalien aufweisen, deren Ursprung z.B. in der Bildung einer Überstruktur 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
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Curie-Temperatur der Ferromagnetika sind. Ein anderer NachteÜ der bekannten Stoffe ist darin zu sehen, daß diese in der Regel wenig korrosionsbeständig und schwer verarbeitbar sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik und der eingangs genannten Problemstellung ist es nun Aufgabe der Erfindung, eine Legierung in Vorschlag zu bringen, durch die die vorgenannten Mängel der bekannten Legierungen und Stoffe vermieden werden und die zur Verwendung für Bauteile mit weitgehend temperaturunabhängigen, elastischen Modulen geeignet ist. Die zu dem genannten Zweck erfindungsgemäß in Anwendung kommende metallische, paramagnetische Legierung weist eine atomare Suszeptibilität χ >50 χ 10"6 emE/g-atom bei Raumtemperatur und einen negativen Temperaturkoeffizienten -Mr- auf. Eine erfindungsgemäße Legierung, deren Tem-
-4-1 peraturkoeffizient der elastischen Modulen zwischen -10 Grad und 10"4 Grad'1 liegt, wird bevorzugt zur Herstellung von Schwingfedern und temperaturunabhängigen Schwingsystemen benutzt.
Es ist von Vorteil, wenn die globale Elektronenkonzentration oder die Elektronenkonzentration des überwiegenden Gefügebestandteiles (Phase) in einem der folgenden Bereiche liegt: 2,3-3,7; 4,1-5,7; 6,1-7,8; 9, 2-10,5.
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Die überwiegende Komponente der Legierung besteht zweckmäßigerweise aus einem Element der Gruppe lila oder Va oder VHa oder der letzten Kolonne der Gruppe VIII des periodischen Systems oder aus einem Element der seltenen Erden oder der Aktinidengruppe.
Die überwiegende Komponente der Legierung kann aus Elementen verschiedener Perioden des periodischen Systems bestehen.
Die gewünschte Temperaturunabhängigkeit der elastischen Modulen innerhalb der angegebenen Grenzen ist nach den der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnissen und Versuchen dann gegeben, wenn die Legierung metallisch und paramagnetisch ist, einen Wert der atomaren Suszeptibilität X> 50 χ 10 emE/g-atom bei Raumtemperatur und einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Anstelle des geforderten Wertes der atomaren Suszeptibilität, der für Raumtemperatur gilt, kann bei tieferen Temperaturen der Meßwert der spezifischen Wärme γ (Elektronenwärme)
-4 cal
von mehr als 5 χ 10 treten. Bei dieser für die atomare
ν 0C · g-atom
Suszeptibilität bzw. für die spezifische Wärme festgelegten Grenze ist eine hohe effektive Zustandsdichte der Elektronen TT(Ep) vorhanden.
Ih der Zeichnung sind einige Meßdaten der atomaren Suszeptibilität, der Elektronenwärme und des Temperaturkoeffizienten der Suszeptibilität dar-
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gestellt, wodurch es möglich ist, in sehr einfacher Art und Weise über
e
die Elektronenkonzentration die Zusammensetzung der erfindungsge- f
mäßen Legierungen zu bestimmen.
Es zeigen: ,..,...■
Fig. 1 eine graphische Darstellung der paramagnetischen, atomaren Suszeptibilität X bei Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Elektronenkonzentration -~-;
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Elektronenwärme γ , gemessen bei der Temperatur des flüssigen Heliums, in Abhängigkeit von
der Elektronenkonzentration ;
a '
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Temperatur koeffizienten der paramagnetischen, atomaren Suszeptibilität in Abhängigkeit von der
Elektronenkonzentration —— j
Fig. 4 die günstigsten Zonen der Elektronenkonzentrationen -§- ·
Die graphischen Darstellungen in den Fig. 1 bis 4 beziehen sich auf die Über gangs elemente und deren binäre Legierungen der dritten bis fünften Periode des periodischen Systems. In den graphischen Darstellungen -
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gemäß Fig. 5 und 6 sind Werte der atomaren, paramagnetischen Suszeptibilität sowie deren Temperaturkoeffizienten für die Elemente Vanadium, Niob und Tantal und deren Legierungen untereinander aufgetragen.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird für eine binäre Legierung nachfolgend gezeigt, wie sich in sehr einfacher Art und Weise die Bestandteile einer erfindungsgemäßen Legierung berechnen lassen.
Die beiden Elemente 1 und 2 der binären Legierung, die aus irgendeiner Gruppe oder Periode des periodischen Systeme stammen können, sollen die Gew. % g. und g«, die Atomgewichte A- und A„ und die Anzahl v~ und ν» von Elektronen außerhalb abgeschlossener Schalen (Valenzen) aufweisen. Dann berechnen sich die Atomprozente a- und a« zu
gi g2
100 -T^ 100 -J-
al = * a2 = 2
gl + g2 gl + g2
-χ— -τ— -τ— "T—
Äl Ä2 1 2
und die Elektronenkonzentration zu
β = V1R1 + v2a2
100
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In allgemeiner Form berechnen sich demzufolge bei einer Legierung aus η-Elementen mit den Gew. % g., den Atomgewichten A. und der Anzahl v. !von Elektronen außerhalb abgeschlossener Schalen (Valenzen) die
Atomprozente a. zu — 100 h
—κ—
Ai
a. η
Γ"1 ·
1
und die Elektronenkonzentration —- zu
η 1 V" a
Bei einer Legierung von 80 Gew. % V und 20 Gew. % Ti ist demzufolge die Elektronenkonzentration -§- = 4,79, bei einer Legierung von 80 GewT % Ti und 20 Gew. % Cr ist -^- =4,37 und bei einer Legierung von 50 Gew, %
a .
V und 50 Gew.% Nb ist -ξ- =5,0.
Wie aus den Fig. 1 und 2 der Zeichnung zu entnehmen, liegen innerhalb
e "'
eines gewissen Bereiches, z. B. um den Wert -— = 5, die Werte für
die atomare, paramagnetische Suszeptibilität X bzw. für die Elektronen-
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wärme Y , sowie für den Temperaturkoeffizient von X in den für die erfindungsgemäßen Legierungen angegebenen Grenzen. Die aus den vorgenannten Gew. % bestehenden Legierungen weisen somit die gewünschte Temperaturunabhängigkeit der elastischen Modulen auf. Weitere Beispiele sind Palladium- und Platin-Legierungen, bei denen -f- ungefähr gleich 10 ist.
el
Es liegt somit Unabhängigkeit von der Kristallstruktur vor. Sowohl die kubischraumzentrierten Nb-Legierungen als auch die kubischflächenzentrierten Pd-Legierungen weisen jeweils den geforderten kleinen Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmodules auf.
Wie den Fig. 1 bis 4 und den vorstehenden Darlegungen zu entnehmen ist, läßt sich durch Nennen von Bereichen der Elektronenkonzentration -—- 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 Bereichen der Elektronenkonzentration -§- von 2,5-3, 7; 4,1-5,7; 6,1-7,8; 9,2-10,5 liegen die Temperaturkoeffizienten der elasti-
-4 -1 -4 -1
sehen Modulen, wie gefordert, zwischen -10 Grad und 10 Grad ..
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Nachfolgend sind einige Beispiele von verschiedenen Legierungen aufgeführt, bei denen jeweils angegeben ist, ob die Legierungen im erfindungsgemäßen Sinn verwendbar sind oder nicht, was sich sehr einfach durch, eine Bestimmung der Größe der atomaren, paramagnetischen Suszeptibilität und deren Temperaturkoeffizienten feststellen läßt.
Gew.% -I-
75 Nb) 4,6 verwendbar
25 Tr
J jj?> 4,77 verwendbar
2Q TiI 4'79 verwendbar
33 ^] 5,0 verwendbar
en Ϊ^γ 5,0 verwendbar
50 V j
5,4 Ti Ί
10,8 Mo \ 5,0 verwendbar
83,8 Nb/
J^j 5,8 nicht verwendbar ,
41,3 Co")
13,7 Fe ν-. 6, 37 verwendbar
45 Ti;
^] 9,95 verwendbar
40 pi ^ ■ ^0' ^ nicnt verwendbar·
109886/03 3 0
Es können somit erfindungsgemäß in sehr einfacher Weise und gezielt Legierungen gebildet werden, die der genannten Forderung hinsichtlich des Temperaturverhaltens der elastischen 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 und deren Temperaturkoeffizienten eingehalten werden, wobei die globale Elektronenkonzentration —- oder die Elektronenkonzentration -^- des überwiegenden Gefügebestandteiles
SL
der Legierung innerhalb der genannten Bereiche liegt.
Von besonderer Bedeutung ist, daß es nicht nur möglich ist, eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit 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 Temperaturabhängigkeit eines Bauteiles durch ein anderes Bauteil, das z.B. aus einer erfindungsgemäß hergestellten Legierung besteht, kompensiert werden soll, so daß das gesamte Schwingsystem völlig temperatur unabhängig ist. Eine derartige Beeinflussung des Temperaturkoeffizienten mit der Maßgabe der Erzielung eines kleinen negativen oder eines kleinen positiven
ng aer rueKironenKonzenirauun -innerhalb der angegebenen Bereiche.
Wertes gelingt durch geringe Änderung der Elektronenkonzentration
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Aufgrund der Tatsache, daß die erfindungsgemäßen Legierungen aus völlig verschiedenen Elementen bestehen können, solange nur die aufgezeigten . Bedingungen eingehalten werden, ist es möglich, außer der geforderten Temperaturunabhängigkeit der elastischen Modulen auch noch weitere Forderungen, wie gute Bearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Warmfestigkeit usw., zu berücksichtigen.
Wenn die aus einer erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Bauteile nicht im isotropen Zustand vorliegen, sondern mit einer Textur versehen sind, so ist darauf zu achten, daß abhängig von der zu erwartenden, be-. stimmungsgemäßen Beanspruchung des betreffenden Bauteiles die Textur nach Größe und Richtung auf einen bestimmten Wert eingestellt wird. Maßgeblich ist hierbei zur Festlegung der Textur die Produktsumme Φ der einzelnen Richtungs-cos der Winkel zwischen Beanspruchungsrichtung und den Hauptachsen der Kristallite. Für kubische Materialien ergibt sich
Φ = l2m2 + l2n2 + m2n2,
worin 1, m und η die Richtungs-cos der Winkel zwischen Meß- oder Beanspruchungsrichtung und den Hauptachsen der kubischen Kristallite sind. Für hexagonalkristaliisierende Stoffe ist Φ = o, wobei ο der Richtungs-cos des Winkels zwischen Meß- oder Beanspruchungsrichtung und der hexagonalen Achse ist. Für einen isotropen Stoff ist Φ =0,2. Bei kubisch-
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kristallisierenden Stoffen gilt für die gewünschte Temperatur Unabhängigkeit des Elastizitätsmodules E, bzw. des Schubmodules G (Beanspruchungsachse = Torsionsachse) Φ > 0,2 bzw. Φ < 0,2. Bei hexagonalen Stoffen gilt für die gewünschte Temperatur Unabhängigkeit des Elastizitäts modules E, bzw. des Schubmodules G *< 0,25 bzw.<£> 0,25. Die vorgenannten Grenzen für den Wert Φ müssen, wenn eine Textur vorliegt, unbedingt 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 r öntgenogr aphis ch ermittelt und kontrolliert werden. Zur Erzielung der erforderlichen Textur kann eine beliebige Warm- und/oder Kaltverformung dienen. Eine gewisse Einflußnahme ist auch durch geeignete Warmbehandlung, wie Lösungsglühen mit Phasenumwandlung sowie durch Ausscheidungshärten usw. möglich.
Besonders vorteilhafte Anwendungeformen für die erfindungsgemäßen Legierungen sind mechanische Schwingsysteme von Uhren, elektromechanische Filter, Waagen, Nivelliergeräte, elektrische Meßgeräte, sowie Stimmgabeln und andere mechanische Schwinger, usw. Weiterhin sind zu erwähnen Bauteile aller Art, die in einem sehr weiten Temperaturbereich, z. B. über mehrere 1000C, mechanisch sehr stark beansprucht werden und deren Elastizitätsmodul sich mit der Temperatur praktisch nicht ändern darf, damit nicht bei Temperaturänderungen und gleichzeitigen äußeren
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155 8 Si^ &
Beanspruchungen beim Durchlaufen eines gewissen Temperaturbereiches Resonanzschwingungen auftreten können, die zur Zerstörung des Bauteiles führen, was z.B. bei Turbinen und Raketen zu beachten ist. Die mechanische Beanspruchung in den Bauelementen kann dabei unterschiedlich sein, da es keinerlei Schwierigkeit bereitet, den Elastizitätsmodul, den Schubmodul oder den Kompressionsmodul einzeln oder gemischt temperaturunabhängig zu halten.
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Claims (5)

Patentansprüche
1. Verwendung einer metallischen, paramagnetischen Legierung, die bei
— 6
Raumtemperatur eine atomare Suszeptibilität χ> 5Ox 10" emE/g-atom und
j γ
einen negativen Temperaturkoeffizienten ■ aufweist zur Herstellung von Bauelementen mit einem Temperaturkoeffizienten der elastischen Modulen,
-4 -1 -4 -1
der zwischen -10 Grad und 10 Grad liegt.
2. Verwendung einer Legierung der nach Anspruch 1 genannten Art zur Herstellung von Schwingfedern und temperaturunabhängigen Schwingsystemen.
3. Legierung zur Verwendung der in Anspruch 1 oder 2 genannten Art, dadurch gekennzeichnet, daß die globale Elektronenkonzentration oder die Elektronenkonzentration des überwiegenden Gefügebestandteiles in einem der folgenden Bereiche liegt: 2,3-3,7; 4,1-5,7; 6,1-7,8; 9,2-10,5.
4. Legierung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die überwiegende Komponente ein Element der Gruppe nia oder Va oder VIIa oder der letzten Kolonne der Gruppe VIII des periodischen Systems oder ein Element der seltenen Erden oder der Aktinidengruppe ist.
1 U 1J ö J ο /U 'J 3 0
5. Legierung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die überwiegende Komponente aus Elementen verschiedener Perioden des periodischen Systems besteht.
109886/0330
DE1558514A 1966-04-22 1967-04-20 Verwendung einer metallischen, paramagnetischen Legierung als Werkstoff für unmagnetische Federn und unmagnetische, mechanische Schwingelemente Expired DE1558514C3 (de)

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