DE2021348A1 - Mit der Temperatur ihre Gestalt aendernde Gegenstaende,Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Anwendung - Google Patents

Description

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DR.K.T.PECHMANN . - n»ra« SS···! DR. ING.D. BKHRKNS tblbobamm^ FATIKTANWlLTX . weWMOTFATB«T

1A-37 892

Beschreibung zu der Patentanmeldung

Fulmer Research Institute Limited . Stoke Poges, Buckinghamshire, .

England ,

betreffend

Mit der Temperatur ihre Gestalt ändernde Gegenstände, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Anwendung

Es ist bekannt, daß bestimmte Legierungen ihre Gestalt bei Veränderung der Temperatur zu verändern vermögen, d.h. wird aus der Legierung ein Gegenstand geformt und dieser entsprechend wärmebehandelt, so daß eine Umformung, also Änderung der Gestalt bei einer bestimmten Temperatur vorge- ·- nommen wird und die Temperatur anschließend ausreichend erhöht wird, so wird der Gegenstand zumindest teilweise seine ursprüngliche Gestalt wieder einnehmen. Es findet also eine reversible Gestaltsänderung bei Durchlaufen des entsprechenden Umwandlungspunktes tftatt. Dieser Gestaltsänderung bei Wieder auf wärmen entspricht der Umwandlung der Legierung . aus dem Tieftemperaturgefüge in ein Hochtemperaturgefüge. Es ist bekannt, daß binäre Nickeltitanlegierungen mit 52-56 Gew.-% Nickel sowie bestimmte Goldcadmiumlegierungen, Cadmiumsilbergoldlegierungen und Indiumthalliumlegierungen das Ph nomen der reversiblen Gestaltsänderung bei Änderung der Temperatur zeigen.

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ORIGINAL INSPECTED

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Ein Charakteristikum aller mit Änderung der Temperatur ihre Gestalt verändernden Legierungsgegenstände scheint darin zu bestehen, daß beim Abkühlen sie eine Schertransformatiori zu einem zeilenmartensitischen Gefüge erleiden oder aber das HochtemperaturgefUge, wie. abgeschreckt, beibehalten, Jedoch unter Scherbelastung bei der Kaltumformung transformiert werden können. Der wesentliche Gesichtspunkt dabei scheint offensichtlich darin zu liegen, daß beim Formen bei tiefen Temperaturen eine Schertransformation stattfindet, die obige Form besitzt, oder eine Änderung der Art des martensitischen Gefüges stattfindet. Es scheint, daß diese durch die Schertransformation aufgenommene Spannung beim Erwärmen wieder erhalten wird und die Eigenschaft der Gestaltsveränderung mit der Temperaturveränderung auf dieser wieder eintretenden Spannung oder einem Recken beruht.

Es ist selbstverständlich, daß die Begriffe "Hochtemperatur-¹¹ und "Tieftemperatur-" nurrelativ oder vergleichsweise zu verstehen sind, abhängig von der Legierung, denn es kann die Hochtemperaturphase oder das HochtemperaturgefUge beispielsweise bei Raumtemperatur vorliegen, während die Tieftemperaturphase bei tieferen Temperaturen existent ist.

Erfindungsgemäß wurde nun festgestellt, daß die bei der tiefen Temperatur durch Schertransformation hervorgerufene oder vorliegende Spannung zumindest teilweise eingebracht werden kann in die Hochtempaiaturphase bei einer Temperatur oberhalb der, bei welcher die Transformation spontan zu werden beginnt (Ts). In der Praxis hat sich dies als zweckmäßig erwiesen. Der wesentliche Gesichtspunkt der Erfindung liegt nun darin, daß ein Formänderungswiderstand oder eine Spannung (stress) entweder äußerlich oder innerlich vorliegen muß, bevor und während die Schertransformation stattfindet, so daß, wie angenommen werden kann, das martensitische Korn

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für eine solche Orientierung aktiviert wird, daß die gewünschte Gestaltsänderung stattfinden kann.

Bisher ergaben sich Schwierigkeiten, die besonderen Vorteile des Phänomens der Gestaltsänderung mit Veränderung der Temperatur in der Praxis anzuwenden. Die Erfindung hat nun die Aufgabe, die Legierungen, die dieses Phänomen zeigen, in entsprechender Weise verwertbar zumachen.

Die Erfindung betrifft neue Legierungen, die einer Gestaltsänderung mit Temperaturänderung zugänglich sind, sowie daraus hergestellte Gegenstände, wobei die vorgeformten Legierungen mit Hocntemperaturgefüge einer Spannung ausgesetzt werden (strain), welche einen Formänderungswiderstand bzw. eine Deformation (stress) hervorruft, der bzw, die ihrerseits die gewünschte Gestalt für die Tieftemperaturphase induziert.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird diese Spannung (strain) aufgebracht durch Verformen der Legierung in der Hochtemperaturphase teilweise gegen die gewünschte Gestalt für die Tieftemperaturphase, worauf die Temperatur so weit herabgesetzt wird, daß die Legierung in die Tieftemperaturphase übergeht. Diese Änderung in die Tieftemperaturphase ist begleitet von einer dauernden Veränderung der Oestalt in die angestrebte Gestalt ohne Anwendung von äußeren Kräften. Diese Ausführungsform nach der Erfindung ist von größter praktischer Bedeutung, da damit die Möglichkeit besteht, eine Legierung bei einer vergleichsweise:. hohen Temperatur in einen Zustand zu bringen, von dem sie sich bei tieferer Temperatur spontan verformt in eine andere Gestalt, die von der ursprünglichen Hochtemperaturverformung diktiert ist. Es ist daher nicht erforderlich, die Bearbeitung der Legierung bei den tief enTemperaturen durchzuführen. Inder Praxis wird die metastabile Hochtemperaturphase der Legierung

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abgekühlt, uns zwar zwischen Tl und Ts, wobei Tl die Temperatur des Beginns der Martensitumwandlung unter jLast und Ts der Beginn der Martensitumwandlung ohne Last, also spontan, bedeuten. Bei einigen Legierungen sollte die Temperatur möglichst nahe an der Umwandlungstemperatur Ts liegen, z.B. innerhalb von 10 C, um den gewünschten.inneren restlichen Umformungswiderstand (stress) durch diese teilweise Deformation . zu erreichen. Bei anderen Legierungen besteht ein größerer Temperaturbereich über Ts. Experimentell läßt sich einfach die Temperatur für eine bestimmte Legierung ermitteln. Die W Legierung ist dann in geringem Ausmaß zu verformen, d.h. weniger als die endgültige Spannung, die wunschgemäß in das Tieftemperaturgefüge eingebracht werden soll. Es wird weiter unter die Ts-Transformationstemperatur gekühlt, wenn die Legierung weiterhin die Gestalt ändert in der Richtung, die durch die vorangehende Verformung angezeigt ist. Beim Wiederaufwärmen geht diese Gestaltsänderung vollständig oder teilweise zurück, beim neuerlichen Abkühlen erfolgt die Gestaltsänderung gegen die Tief t'empera turf ο rm dann spontan. Weiteres Erwärmen und Abkühlen ist verbunden mit weiteren Änderungen der Gestalt. .

Bei einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung wird die Legierung in der Tieftemperaturphase in die gewünschte Form gebracht. Die Spannung wird dadurch erzeugt, daß die Temperatur erhöht wird, so daß die Legierung in die Hochtemperaturphase übergeht, während gleichzeitig eine solche Einspannung erfolgt, daß eine Gestaltsänderung verhindert wird, mit anderen Worten, erfolgt die Transformation von der Tieftemperaturphase in die Hochtemperaturphase unter Zwang (restraint). Die Erfindung betrifft also auch ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, der das Phänomen der GestaltsMnderung mit Temperaturänderung zeigt aus einer das gleiche Phänomen aufweisenden Legierung, wobei die

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Legierung bei einer erhöhten Temperatur eine erste Form oder Gestalt erhält, dann auf eine tiefere Temperatur abgekühlt wird, bei dieser tieferen Temperatur verformt wird in eine zweite Form oder Gestalt, wobei die Temperaturen derart gewählt sind, daß beim Wiederaufwärmen ohne Zwang auf eine entsprechende Temperatur die Legierung zumindest teilweise wieder ihre erste Gestalt einnimmt, woraufhin die Legierung unter Zwang auf dieseentsprechende Temperatur wieder erwärmt wird. Abhängig von den angewandten Temperaturen und dem beabsichtigten Anwendungsgebiet des Gegenstands kann die Legierung auf eine tiefere.Temperatur nach dem Wieder— aufwärmen in ihrer zweiten Gestalt gekühlt werden. Wird dann die Legierung ohne Zwang wieder erwärmt, so wird sie vollständig oder teilweise ihre erste Gestalt wieder annehmen, jedoch beim Abkühlen ganz oder teilweise"reversibel in die zweite Gestalt tibergehen. Fortgesetztes Erwärmen und Abkühlen ist folglich mit einer fortgesetzten Veränderung der Gestalt, also einer reversiblen Formänderung oder einem Kreisprozeß, begleitet.

Die Maßnahme des Einspannens oder des Zwanges beim Wiederaufwärmen induziert einen restlichen oderinneren Verformungs— widerstand (stress), wie oben angedeutet, bei hoher Temperatur in der Legierung, so daß, wie angenommen werden kann, beim Abkühlen das Korn, welches bei der Transformation aktiviert wird, dasjenige sein wird, welches die .ursprüngliche Gestaltsänderung bei Verformung bei tiefer Temperatur hervorruft. Die gleiche Aktivierung wird man wohl annehmen können bei teilweiser anfänglicher Verformung vor Abkühlen in die Tieftemperaturphase, wenn berücksichtigt wird, daß __^_ ' ~~~2! genügend Korn der Tieftemperatur-Martensitphase durch die anfängliche Verformung für eine solche Orientierung aktiviert wird, daß beim Abkühlen der Legierung diese ihre Gesfcaltsäridefung fortsetzt.
* dann - 6 -

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Das Wiederaufwärmen unter Zwang ist besonders wirkungsvpll, da es ermöglicht, die obere Temperatur, auf die die Legierung erhitzt wird, so weit von der Transformationstemperatur entfernt zu halten, daß eine fortgesetzte Reversibilität der Gestalt in Abwesenheit des Zwangs bereits verloren wäre. Nichtsdestotrotz darf die obere Temperatur für eine Relaxation oder Entspannung durch eine plastische Deformation nicht ausreichen, z.B. ein Kriechen, wodurch die Reversibilität verlorengeht.

In allen Fällen sollte die Temperatur, auf die die Legierung erwärmt wird, zu tief für ein Altern oder Tempern * sein. Wenn eine Ausscheidungshärtung stattfindet, so behaltet die Legierung ihre Hochtemperaturgestalt permanent bei.

Ein Wiedererwärmen unter Zwang kann auch für die Änderung der Bedingungen herangezogen werden, zwischen denen Gestaltsänderung, nicht jedoch das Ausmaß der Änderung, in Legierungen stattfindet, die eine geringe Streckgrenze besitzen und. sich . plastisch verformen v/ie binäre Legierungen von Mangan, enthaltend 20 % Kupfer_f oder von Uran* enthaltend 5 % Molybdän, wie im folgenden noch ausgeführt werden wird.

Es wurde festgestellt» daß der Zwang nicht immer durch äußere mechanische Maßnahmen wie eine Einspannvorrichtung aufgebracht werden muß„ In einigen Fällen führt eine Oxidhaut, ein Metallüberzug oder dergleichen bereits zu dem erforderlichen Zwang, also zur Verhinderung der Bewegung (restraint). Es wurde festgestellt, daß bei Legierungen, die in abgeschrecktem oder schnell gekühltem Zustand in sehr weitgehendem Maße den Effekt der Gestaltsänderung mit Temperaturänderung (recovery effect) aufweisen, auch eine weitgehende innere Reibung oder Dämpfungskapazität vorliegt und sie ein abnormales, geringes Pseudoelastizitätsinodul unter Last aufweisen, jedoch ein normales Modul besitzen, welches typisch für langsame Abkühlung unbe-

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BAD

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lastet ist.

Erfindungsgemäß wurden weitere Legierungen festge- · stellt, die die oben angegebenen Eigenschaften und Phänomene zeigen. Es handelt sich dabei um Uranlegierungen, und zwar binäre Legierungen mit Molybdän, enthaltend 2 bis 7 %, vorzugsweise 3 bis 6,5 %, insbesondere etwa 4 % Molybdän, dann solche binäre Nioblegierungen mit 3 bis 11 %, vorzugsweise 4 bis 10 %, insbesondere etwa 6 % Niob, solche mit Rhenium, enthaltend 2 bis 7 %, vorzugsweise etwa 4% Rhenium, und schließlich auch Mangankupferlegierungen, enthaltend 5 bis 50 %, vorzugsweise für die meisten Anwendungsgebiete 5 bis 30 % Kupfer.

Binäre Legierungen enthalten im allgemeinen zwei bestimmte Metalle und gegebenenfalls Verunreinigungen und/oder Begleitelemente, die sich nicht auf das Kristallgefüge oder die metallurgischen Eigenschaften auswirken, ' .~ _ so ~ daß die Fähigkeit zur Gestaltsänderung mit Temperaturänderung unbeeinflußt bleibt.

Die erfindungsgemäßen binären ürgan- und Manganlegierungen lassen sich leicht aus Gießlingen herstellen, z.B. durch Walzen, Schmieden oder Strangpressen.

Die Erfindung wird an folgenden Beispielen weiter erläutert;

Beispiel 1; ' '

Binäre Uranlegierungen in Form von Streifen, 1 mm stark, wurden so vorbehandelt, daß sie sich bei der Anwendung reversibel biegen. Es wurden Stäbe und Rohre untersucht, die sich bei der Anwendung im Falle der Stäbe in Längsrichtung und im Falle der Rohre, in Querrichtung (laterally) ändern. Die Prüfkörper wurden in Schutzgasatmosphäre oder in Vakuum bei einer Temperatur in Bereiche der X -Phase (z.B. 800⁰C) kurze Zeit erhitzt, wobei die Zeit abhängig ist von der Stärke. Die Prüfkörper

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wurden schnell abgekühlt, z.B. in Wasser oder öl oder mit Hilfe, eines Strahls von kaltem Gas oder durch Abstrahlung, wenn es sich um kleine Teile handelt, damit eine Ausscheidungshärtung der (X -Phase oder des Eutektoids vermieden wird. Die Prüfkörper wurden dann auf eine Temperatur unterhalb des spontanen Transformationspunktes Ts abgekühlt, bei dem die Transformation in den Zeilenmartensit stattfindet. Bei dieser Temperatur wurden die Prüfkörper verformt, z.B. Biegen des Streifens, Recken oder Stauchen des Stabes, Dehnen des Rohres oder durch jede gewünschte andere Umformung. Wurden nun die Prüfkörper über eine kritische Temperatur wieder angewärmt, so nahmen sie zumindest teilweise wieder ihre ursprüngliche Gestalt an»

Bei binären Uranmolybdänlegierungen waren zumindest 2 % Mo erforderlich. Das Ausmaß der Spannung, die bei Raumtemperatur in eine Legierung mit so einem geringen Legierungsanteil wie 2 % Mo eingebracht werden kann, ist sehr gering und die Temperatur, auf die die Legierung zur reversiblen Gestaltsänderung wieder aufgewärmt werden muß, lag bei ungefähr 50O⁰C, bei der bereits eine schnelle Ausfä llung der OC-Phase eintritt. Eine Legierung mit 3 % Mo konnte bei Raumtemperatur verformt werden und begann mit der Rückbildung der ursprünglichen Gestalt bei 35O⁰C, die bei 450 bis 500⁰C beendet war. V/ird das Material bei 500⁰C mehr als 'insgesamt 10 bis Minuten gehalten, so führt dies zur Ausbildung der OUphase und des Eutektoids und damit zur Beseitigung des Phänomens der Gestaltsänderung bei Temperaturänderung.

Uranlegierungen mit mehr als 3 und weniger als 5 % Mo sind für die Praxis besonders geeignet. Eine Uranlegierung mit 4 % Ko konnte bei Raumtemperatur verformt werden und begann mit der Rückbildung der Gestalt bereits bei 200⁰C. Ein gerader, 1 mm starker Streifen dieser Legierung wurde in einen Winkel von 100° bei Raumtemperatur gebogen, dann drei Minuten auf

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25Q⁰C erwärmt, der Streifen streckte sich teilweise auf 30° und zeigte nach Abkühlen auf Raumtemperatur ein Rückbiegen um 70°.

In diesem Beispiel wurde der Zwang ausgeübt durch eine

Oxidhaut, die sich durch j
reichendem Vakuum gebildet hat.

dicke Oxidhaut, die sich durch Erhitzen auf 800⁰C in unzu-

Es wurde auch eine Uranlegierung mit 4,5 % Mo unter- „ sucht, und zwar wurde ein Streif en bei Raumtemperatur gebogen. Er begann sich bei 80⁰C zu strecken und erreichte bei 250⁰C im wesentlichen vollständig seine ursprüngliche Gestalt, eine geringfügige reversible Bewegung fand beim Kühlen auf Raumtemperatur statt. Wurde nun ein gerader Streifen über 120⁰C bei Raumtemperatur gebogen, so-verringerte sich nach drei Minuten bei, 10O⁰C der Winkel auf 30°. Wurde auf Raumtemperatur heruntergekühlt, fand eine umgekehrte Bewegung auf 45° statt. Wurde diese Temperatur auf 250⁰C «,·?■" erhöht, so erreichte man eine vollständigerere Rückbiegung und die umgekehrte Bewegung war geringer. Z.B. streckte sich ein bei Raumtemperatur umj90⁰ gebogener Streifen bei 250⁰C auf 5° und richtete sich wieder auf bei Abkühlen auf Raumtemperatur bis auf 10°. ' /

Daraus ergibt sich, daß das Ausmaß der rückläufigen Bewegung beim Abkühlen sinkt mit,steigender Anwärmtemperatur.

Eine Uranlegierung mit 5 % Molybdän begann mit der Bewegung bei 50⁰C, die Gestaltsänderung war bei 25O⁰C weitgehend vollständig, so wurde z.B. ein gerades Band bei Raumtemperatur in einen bestimmten Winkel gebogen und dann auf eine Temperatur T⁰C erwärmt, anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. In folgender Tabelle ist die jeweilige.Temperatur,-der Biegewinkel bei Flaumtemperatur, der verbleibende Winkel .nach Gestaltsänderung bei der bestimmben Temperatur T^c

r.O/1

00 988 3/ IAI Π - 10 -

BAD ORIGINAL

- 10 und der Winkel nach Abkühlen auf Raumtemperatur angegeben.

Biege --J	-	T0C	$ bei T°	£ bei TR
80°		60°C-	20°	30° ,
' 85°		1000C	10°	20°
90°		1500C	15°	30°
95°	2000C	10°	. 15°
90°	25O0C	5°	10°

Beispiel 2; ',

Vurde nun ein gerader Streifen einer Uranlegierung mit 5 % Molybdän auf -196⁰C abgekühlt und U-förmig gebogen, anschließend auf Raumtemperatur" gebracht, so zeigte sich, daß sich das U-Profil zu einem rechtwinkligen Profil öffnete. Wird auf 100⁰C erwärmt, so streckt sich der Streifen vollständig. Wird der Streifen wieder auf ~196°C abgekühlt, so kehrt er zurück in die rechtwinklige Form.

- Bei einem Arbeitszyklus von -196°C einerseits und +100°C andererseits ändert sich die Gestalt des Streifens von rechtwinkelig bei -196⁰C auf gestreckt bei 100⁰C im Sinne folgenden Schemas;

-196°C

L·-

■R

100~C

'C

iOO^C

—> -'196⁰C

USW,

C) 0 9 8 8 3 / 1 h 1 %

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Bei einer Uranlegierung mit 6 96 Molybdän findet keine Umwandlung in das martensitische Gefüge statt, wenn nicht unter Raumtemperatur gekühlt wird* Wenn ein Streifen bei¹ Raumtemperatur U-förmig vorgeformt wurde und dann auf 10O⁰C erhitzt wird, so stellt man nur eine geringfügige Gestaltsänderung fest. Wurde jedoch das U-Profil auf eine Temperatur von etwa -80⁰C gekühlt, so-streckte es sich vollständig. Beim Aufwärmen auf Raumtemperatur bog sich der Streifen wieder zum U-Profil.

Wird der Molybdängehalt der Legierung auf 7 % erhöht, .. -so- muß .die·. Temperatur^ »bei der »die ..Verformung, stattfindet,. . ... ...·'

tiefer liegen. 7 % Molybdän stellt die praktische obere Grenze des Molybdängehalts dar, wenn die Verformungstemperaturen -'■ i>ei,l-196⁰C liegen. . ._ .

Beispiel 3s '

.Ähnlich wie die Uranmolybdänlegierungen der Beispiele 1 und wurden nun Urannioblegierungen untersucht. .

Mit 3 % Niob erreichte man den gleichen Effekt wie mit 2 % Molybdän, jedoch hat eine solche Legierung nur geringe praktische Bedeutung, da das Ausmaß der Gestaltsänderung gering und die dafür notwendige Temperatur so hoch ist, daß bereits die cc-Phase und ein Eutektoid entstehen und dadurch keine weitere,Gestaltsänderung mehr möglich ist. Bei 4 % Niob wurde eine Gestaltsänderung, bei 350⁰C und bei 5 % Niob zwischen 250 und 350°C festgestellt, nachdem die Vorformung bei Raumtemperatur stattgefunden hat. Legierungen mit 7 % Niob beginnen mit der Gestaltsänderung bei etwa 100⁰C und lassen sich daher mit Uranmolybdänlegierungen mit 5 % Molybdän vergleichen. Legierungen mit 8 bis 10 96 Niob können vorgeformt werden bei -80 bis -196⁰C und zeigen die Gestaltsänderung bei Aufwärmen auf Raumtemperatur.

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Beispiel 4;

Ed zeigte sich, da£(Uran-Rheniumlegierungen mit 2 bis 796 Rhenium sich in ähnlicher Weise verhalten.

Beispiel 5:

Untersucht wurde das Verhalten einer Uran-Molybdänlegierung mit 5 % Molybdän anhand eines Stabes, 0 6,35 mm (1/4 inch.)·

Der Prüfkörper wurde auf -196⁰C abgekühlt und um 3,8 % gestaucht. Beim Aufwärmen auf Raumtemperatur dehnte sich der Prüfkörper um 3»2 % über die normale Wärmedehnung aus. " Ein' änderer' p"rüf korper""wurde"bel'-'^S^C um W $*^!ges"täucht,'"" ■■"·■··■"' ^: Bei Erwärmen auf Raumtemperatur unter Zwang wurde die Ausdehnung verhindert. Es entwickelte sieh dabei eine Spannung von etwa 52 kg/mm² (73 900 lbe/incli). Di©s stellt eine Kraft dar, die zur Arbeltsleistung herangezogen·werden kann. Aufgrund dieser Erscheinung sind verschiedene Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Legierungen möglich.

Beispiel 6: ' \ . '

3s mulden Mangan-Kupferlegierungen ähnlich wie die obigen Uranlegieruxigen behandelt und geprüft.

Manganlegierungen mit 5 bis etwa 15 % Kupfer zeigten den Effekt der Gestaltsänderung mit Änderung der Temperatur, venn entsprechende Temperaturen für die Vorverformung eingehalten werden, und zwar bei der Legierung mit 5 % Kupfer etwa 150⁰C, für 10 % Kupfer etwa 10O⁰C und für 15 % Kupfer 50⁰C. Die ursprüngliche Form der Prüfkörper wurde teilweise erreicht bei Erwärmen auf 250⁰Co Die Gestaltsänderung über diesen Temperaturbereich erfolgte ununterbrochen.

Eine Manganlegierung mit 17_S5 % Kupfer wurde bei Raumtemperatur vorgeformt und kehrte in die ursprüngliche Gestalt bei 150 C zurück* Das Ausmaß dieser Gestaltsänderung war nicht 100 %₃ jedoch ist diese reversibel« Wird nämlich z.B.

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BAD ο

ein 1 mm starker Streifen dieser Legierung U-förmig gebogen, wobei die Enden der Schenkel etwa 2,7 mm-voneinander entfernt waren und das Biegen bei 25⁰C erfolgte, so vergrößerte sich der Abstand der Enden auf 4,5 mm beim Erwärmen auf 15O⁰C. Wurde wieder auf 25⁰C abgekühlt, so näherten sich die Enden wieder auf 3,7 mm. Beim neuerlichen Erwärmen auf 150⁰G entfernten sie sich wieder auf 4,5 mm und näherten sich bei 25⁰C auf 3,65 mm.

Die gleiche Legierung, nämlich mit 17,5 % Kupfer, zeigte dieses Phänomen im größeren Ausmaß, wenn die Vorformung bei ···^i96-⁹Cr-stättfand'."^;Ein IT-f^bf 11 mit ^deni'Abstand"der'•Schenkel='/^w· enden von 3,95 mm ging auf 5,5 mm auseinander bei 25°C, auf 6,8 mm bei 100⁰C und streckte sich bei 150⁰C tatsächlich. Bei Abkühlen näherten sich die Enden wieder bei 100° auf 6,4 mm, bei 25° auf 6,2 mm und bei -196°C auf 5,95 mm. Beim neuerlichen Aufwärmen auf 25⁰C betrug der Abstand wieder 6,25 nan. ■'.;·.'- · .

Eine Manganlegierung mit 25 % Kupfer wurde bei Raumtemperatur vorgeformt und dann auf höhere ,Temperatür^eirwärmt, jedoch wurde keine Gestaltsänderung beobachtet. Dies war zu erwarten, da bei Raumtemperatur die Verformung plastisch war und keine Schertransformation stattfand. Es ist notwendig, diese Legierung für die Vorformung auf -196 C zu kühlen. Bei dieser Temperatur geformt und dann aufgewärmt, zeigt sie ein ähnliches Verhalten $ls die 17,5 % Kupfer-Mänganlegierung, mit der Ausnahme, daß ein größerer Umfang der GestaltsMnderung zwischen -196⁰C und Raumtemperatur, jedoch ein geringeres Ausmaß zwischen Raumtemperatur und 100⁰C stattfand. Wurde wieder abgekühlt, so fand die entgegengesetzte Änderung statt, auch bei fortgesetztem Temperaturwechsel beobachtete man den Wechsel in der Gestalt.

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alle anderen Mangankupferlegierungen ändert &i© Manganlegierung alt 25 # Kupfer ihre Gestalt über einen beträchtlichen Temperaturbereich und nicht innerhalb einer

FtIr Manganlegierungen mit 30 bis 50 % Kupfer ist ein Kühlen und Formen unter -196⁰C erforderlich. Dadurch werde diese Legierungen besonders brauchbar in der Kältetechnik«

Der Maagel d©r vollständigen Rückbildung der Gestalt · von Mangankupferlegierungen ergibt sich durch.die Tatsache, "■ daß ihre Streckgrenze relativ gering ist und die Umkehr d©i» Transformation aufgenommen wird, durch plastische Verformung der Hochtemperaturpliase bei deren Bildung. Dies ergibt sich daraus ₉ wenn ein Streifen einer Ifeugan-Kupferlegierung mit 1T₉5 % Kupfer bei tiefer Temperatur U-förmig verforat und . ύ,ΟΜΆ wikt®r ZiMBg tre§rat wird.- ¥IM dieser Zwang bei höherer 3?©ssp@ratur msfgehoben., s© fladet keime Gestaltsänderung statt., l@i eis©® Streifen eines Werkstoffs mit einer hohen Streckgrenze wie eiaer Mckel~Titanl@gieruhg alt.54 % Nickel, sprang das Ü-Brofil auf_R wean der Zwang bei toäer- feiiperatur aufgeiiofeen wurde„ sh_o hiezu die graphische Darstellung 1 in beiliegendem. Zeichnungsblatt für d±©se beiden Systeme.

Hier soll die Anwendung einer Belastung zur Induzierung Interner Spannungen gezeigt werden.

Die Versuche wurden 'durchgeführt mit Prüfkörpern aus

eiaer Mangan-Kupferlegierung mit 20 %, Kupfer, einer Uran-Molybdän-

.0

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legierung mit 5 % Molybdän. Es zeigte sich, daß . ein Wiederaufwär-men unter Zwang eine Veränderung des Bereiches, in dem die Gestaltsänderung stattfindet, bewirkt, nicht jedoch den Winkelbereich. Dies geht aus der graphischen Darstellung des Zeichnungsblatts anhand einer Mangan-Kupferlegierung mit 20 % Kupfer hervor.

Beispiel 8; ,

Weitere Untersuchungen wurden an Streifen verschiedener Legierungen durchgeführt, in denen die metastabile Hochtemperatur form bis knapp über der spontanen Transformationste^mperatur Ts, also zwischen Ts und Tl » jedoch näher an Ts. Die Prüfkörper wurden dann in geringem Ausmaß verformt, d.h. weniger als die endgültige Verformung in der Tieftemperaturform, dann wird weiter abgekühlt bis unter Ts, wobei der Prüfkörper ." V seine Gestalt ändert in der Richtung, die durch die Vorverformung,angegeben ist. Beim Erwärmen wurde diese Gestaltsänderung ganz oder teilweise rückgängig gemacht, beim neueren Abkühlen findet dann diese Gestaltsänderung spontan statt.
** gekühlt wird. .

Ein Streifen einer Nickel-Titanlegierung mit 56 % Nickel wurde auf 850° C erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgeschreckt, und zwar in gestreckter Form, sh. graphische Darstellung 3.

Der Streifer^wurde dann um einen Winkel von 25° bei Raumtemperatur aufgebogen, bei Abkühlung auf -196°C vergrößerte sich der Winkel spontan auf 45°. Wurde nun auf Raumtemperatur angewärmt, so verkleinerte sich der Winkel wieder auf 30 . Bei abwechselndem Erwärmen und Abkühlen zwischen der Raumtemperatur und -196° änderte sich der Winkel des Streifens zwischen 30 und 45° reversibel.

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Beispiel 9;

Ein Prüfstreifen einer Uran-Molybdänlegierung mit 5 % Mo wurde auf 800⁰C erwärmt und auf Raumtemperatur abgeschreckt in geschreckter Form, sh. graphische Darstellung A.

Der Streifen wurde bei Raumtemperatur zu einem U-Profil gebogen,auf -196°C abgekühlt, wobei eine spontane Gestaltsänderung dahingehend stattfand, daß sich die Enden der U-Schenkel immer mehr näherten und sogar überkreuzten. Wurde auf Raumtemperatur wieder aufgewärmt, so bildete sich das U-Profil .*... fast vollständig zurück, so daß sich praktisch ein C-Profil

V-ausb-ildete'.-.'Wurde· weiter auf·, -100⁰G- erwärmt., so streckte· sich: ·.·····■ der Streifen wieder, neuerliches Abkühlen auf Raumtemperatur führte zu einem rechten Winkel und Abkühlen auf -196°C zur Wiederherstellung des' C-rProfils. Beim Wiederaufwärmen auf Raumtemperatur erhielt man ein Winkelprofil mit 85°, welches sich bei weiterem Erwärmen auf 100⁰C wieder vollständig streckte. Bei Abkühlen auf Raumtemperatur bildete sich das rechtwinkelige Profil zurück und bei -196⁰C das C-Profil. Diese Gestalts-

• änderungen sind reversibel bei einem Temperaturzyklus zwischen Erwärmen und Abkühlen.

Daraus ergibt sich, daß eine gewisse Hysterese vorliegt, so daß die Form der Raumtemperatur sich etwas unterscheidet, wenn erwärmt und gekühlt wird. Die ursprüngliche Form bei -196⁰C wird nicht vollständig wieder erreicht, jedoch ist anzunehmen, daß bei einem Abkühlen unter -196°C eine vollständige Rückbildung der ursprünglichen Form stattfindet. Offensichtlich gibt es bei -196⁰C,ebenfalls wie bei Raumtemperatur, eine gewisse Hysterese.

Beispiel 10;

Ein Streifen einer Mangan-Kupferlegierung mit 17,5 % Kupfer . wurde teilweise zu einem U-Profil bei Raumtemperatur geformt und dann auf -196⁰C gekühlt. Die Schenkel des U bewegten sich bis zur Schließung des U gegeneinander. Eine Legierung mit 20 % Kupfer ergibt die gleichen Resultate, jedoch ist

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eine weitergehende Bewegung zu beobachten. .

Die aus den erfindungsgemäßen Legierungen hergestellten Gegenstände lassen sich für viele Anwendungsgebiete, wo eine Gestaltsänderung gefordert wird, anwenden, z.B. als Rohre in Kupplungen. Durch Änderung der Rohrgestalt können zwei zu verbindende Elemente erfaßt werden, als Thermofühler in Schaltgeräten, als Formen * zur die Formgebung von Kunststoffen und Metallblechen, woraufhin die Form sich zusammenzieht und ein Auswurf des Formlinge ermöglicht wird, worauf-"hindie'Form' -wieder'ihre -'Gestalt 'äh&ert "ün^;d^vdamit ^:f ür deri·" nächsten Förmvorgang bereit ist. Die graphische Darstellung 5 zeigt die Verhältnisse bei einem Thermofühler zwischen den Kontakten 11, 12 und dem Anschluß 10 mit .Hilfe des mit der Temperatur veränderlichen Winkels des Streifens 13 aus erfindungsgemäßen Legierungen.

8165 Ansprüche

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Claims (4)

DR. ING. F, WUKSTHOFF 8 MÜNCHEN BO DIPPING. G. PULS . 2021 3 48 schweioeihitiiabse 2 DR.E.T.PKOHMANN «tiro» 8*ο·βι DR. ING. Ii. BBHRBNS nunuiix»u>ui PATENTAMWlLTK P 20 21 1A-37 892 17· ο. 197U Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus binären Legierungen, die in der Lage sind, bei Änderung der Tempe-

* ratur ihre Gestalt zu verändern, dadurch gekennzeichnet, daß man einem Rohkörper aus einer Uranlegierung mit 2 bis 7 ^J/> Molybdän oder 3 bis 11 i<> Niob oder 2 bis 7 % Rhenium oder eine Mangan-KupferIegierung mit 5 bis 50 fo Kupfer oder eine Nickel-Titanlegierung mit 52 bis 56 ^b/o Nickel in der Hochtemperaturphase eine Spannung verleiht, die die gewünschte Gestalt in der Tieftemperaturphase induziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Rohkörper die Spannung dadurch verleiht, daß er in der Hochtemperaturphase teilweise in die Gestalt, die in der Tieftemperaturphase angestrebt wird,

ψ umgeformt wird.

3» Abwandlung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen aus der Legierung hergestellten Rohkörper in die gewünschte Gestalt der Tieftemperaturphase formt, auf eine Temperatur, in der die Hochtemperaturphase vorliegt, erwärmt, während an den Rohkörper Zwang zur Verhinderung einer Gestaltsänderung angelegt ist.

4. Abwandlung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch .gekennzeichnet, daß man einen aus der Legierung hergestellten Rohkörper bei erhöhter Temperatur in eine I₀ Ge-

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stalt formt» diensen 1· Formling auf eine tiefere Temperatur abkühlt und in eine 2. Gestalt formt, wobei die Temperaturen derart zu wählen sind, daß beim Wiederaufwärmen ohne Zwang auf eine entsprechende Temperatur der 2. Formling zumindest teilweise wieder die 1· Gestalt annimmt, woraufhin man gegebenenfalls den 2. Formling auf diese Temperatur,unter gleichzeitiger Einwirkung eines Zwangs zur Verhinderung einer Gestaltsänderung,erwärmt.

0098-83/1418.

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