DE2055756A1

DE2055756A1 - Verfahren zur Herstellung von Gegen standen aus Legierungen, die bei Tempera turanderung ihre Gestalt zu andern ver mögen

Info

Publication number: DE2055756A1
Application number: DE19702055756
Authority: DE
Inventors: Greville Bertram Beacons field Buckinghamshire lies Roger Francis Ickenham Middlesex Brook, (Großbritannien)
Original assignee: Fulmer Research Institute Ltd
Current assignee: Fulmer Research Institute Ltd
Priority date: 1969-11-12
Filing date: 1970-11-12
Publication date: 1971-05-27
Also published as: IL35631A; IL35631A0; NL172675C; FR2067252B1; FR2067252A1; DE2055756C3; CA970669A; JPS4910409B1; BE758861A; NL7016614A; DE2055756B2; CH572098A5; SE389689B

Description

"Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus !Legierungen, die bei Temperaturänderung ihre Gestalt zu ändern vermögen"

Es ist bekannt, daß bestimmte Legierungen in der Lage sind, bei Änderung der Temperatur ihre Form oder Gestalt zu ändern, d.h. wenn ein Gegenstand bei einer Temperatur t^. aus seiner Form F,. in eine andere Form F^ umgeformt und dann auf eine bestimmte Temperatur t.. erwärmt wird, so nimmt er zumindest teilweise wieder seine ursprüngliche Form F^ an. Diese Formänderung beim Aufwärmen entspricht der Änderung des Gefüges der Legierung aus einer Tieftemperaturphase in eine Hochtemperaturphase. Dieser Effekt ist bereits bei Nickel-Titan-Legierungen, enthaltend 52 bis 56 % Nickel und bei bestimmten Gold-Cadmium- und Gold-Silber-Cadmium-Legierungen bekannt.

Bei den bekannten Legierungen, die diese Eigenschaften aufweisen, handelt es sich um intermetallische Verbindungen. Es wurde nun festgestellt, daß dieselbe Eigenschaft der Gestalt-

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änderung bei bestimmter Temperatur erreicht werden kann mit Werkstoffen, die nicht als intermetallische Verbindungen zu bezeichnen sind. Es wurde festgestellt, daß in einer primären festen Lösung bestimmter Metalle es möglich ist, durch schnelles Abschrecken oder eine andere entsprechende Wärmebehandlung eine Transformation in eine martensitische Phase zu erwirken, die das gleiche Phänomen der reversiblen Formänderung bei einer kritischen Temperatur zeigt.

Die hierfür erforderliche Wärmebehandlung besteht in einer Umformung der Legierung, wenn sie sich zumindest teilweise in der Hochtemperaturphase, die nicht martensitisch ist, befindet, so daß die Umformungskräfte oder Spannungen die Bildung des Martensits induzieren. Durch Aufwärmen auf eine Temperatur, die als A -Punkt bezeichnet wird, geht die Legierung in die stabile Hochtemperaturphase über und kehrt dabei zumindest teilweise in ihre ursprüngliche Form oder Gestalt zurück. Vorausgesetzt, daß nicht zu hoch erwärmt wird, wird sie dann zumindest teilweise wieder die Form annehmen, auf die sie umgeformt worden ist.

Die Erfindung bringt nun ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen, die in der Lage sind, bei Temperaturänderung ihre Gestalt zu ändern, indem die Legierung in einer ersten Form oder Gestalt F^ von einer ersten Temperatur t* auf eine tiefere Temperatur t2 abgekühlt wird, wobei die Legierung zumindest eine Phase in Form einer primären festen Lösung eines ersten Metalls M^ in einem zweiten Element M₂ enthält, welches die Stabilität der Hochtemperaturform des ersten Metalls M^ erhöht,und diese feste Lösung beim Abkühlen sich entweder unter Schertransformation in einen im wesentlichen zellenförmigen Martensit umwandelt oder die Hochtemperatur beibehält, jedoch sich in der im wesentlichen zellenförmigen Martensit umwandelt bei Kaltbearbeitung unter Scherkräften,

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woraufhin anschließend eine plastische Verformung der Legierung in die zweite !Form IV, erfolgt, und die Temperaturen sowie Abkühlgeschwindigkeit derart gewählt werden, daß beim Wiederaufwärmen des Gegenstands dieser zumindest teilweise seine erste Gestalt F- wieder annimmt.

In der Praxis wird die Legierung auf Raumtemperatur oder eine entsprechende !Temperatur abgeschreckt, so daß die Hochtemperaturphase metastabil in Lösung verbleibt. Die Legierung in ihrer Hochtemperaturform wird dann umgeformt in die neue Form durch Kaltbearbeiten. Dabei wird die Hochtemperaturform umgebildet unter Schereinwirkung zu einem spannungsinduzierten Martensit. Ein Teil der Deformation kann begleitet sein von anderen Prozessen, wie einem Gleiten oder VerZwillingen. Beim Wiederaufwärmen wandelt sich die martensitische Phase in dem verformten Gegenstand wieder zurück in die Hochtemperaturform bei Erreichen einer entsprechenden Temperatur, die allgemein als A -Punkt bezeichnet wird. Dabei kehrt der Gegenstand in seine ursprüngliche Form F- zurück. Das Ausmaß, in welchem die ursprüngliche Form F- erreicht wird, hängt von dem Ausmaß ab, in dem die ursprüngliche Deformation begleitet wurde von der Martensitbildung. Wenn bei der Deformation ein Gleiten oder eine Zwillingsbildung auftritt, so kann dieser Teil der Deformation nicht rückgängig gemacht werden. ,.

Werden die Legierungen in einem solchen Ausmaß abgekühlt oder abgeschreckt, daß sie vollständig zu Martensit transformiert sind, so erreicht man bei Wärmebehandlung keine Gestaltänderung mehr. Die durch Wärmebehandlung gewinnbare Spannung oder die Belastung (strain) kann nur hervorgerufen werden von dem Martensit,der unter Spannung aus der hochtemperaturfesten Lösung gebildet wurde. Die Legierung wird daher vorzugsweise über ihrem M_s-Punkt umgeformt. Wird die Legierung unter ihren. M -Punkt abgekühlt, so daß ein gewisser Anteil an

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Martensit gebildet wurde, ist es doch möglich, in einem gewissen Ausmaß eine bei Temperaturänderung gewinnbare Last oder Belastung durch Umformen der restlichen Hochtemperaturform zu erreichen, die üblicherweise als Austenit bezeichnet wird und sich unter Spannung in den Martensit umwandelt. Der M -Punkt ist die Temperatur, bei der sich der Martensit spontan zu bilden beginnt beim Abkühlen der metastabilen Hochtemperaturphase. Dieser Martensit ist die Ursache für eine durch Wärmebehandlung wiedergewinnbare Last beim Viederaufwärmen über die A -Temperatur.

I ^s

Ist !das Gefüge nicht vollständig austenitisch in der Hochtemperaturform, d.h. wenn eine zweite Phase oder eine andere feste Lösung oder intermetallische Verbindung beim Abkühlen ausfällt, erhält man noch immer eine durch Wärmebehandlung rückgewinnbare Last, vorausgesetzt, daß (a) die austenitischen Phasen eines solchen Werkstoffs geeignet sind, spannungsinduziert Martensit zu bilden beim Kaltbearbeiten bei Arbeitstemperatur\ wenn nicht übermäßige Mengen einer sekundären Phase, d.h. mehr als 40 % (obzwar die tatsächlich zulässige Menge abhängt von ihrer Verteilung) vorliegen und (c) die zweite Phase nicht die Keimbildung oder den Kristallwachstumsmechanismus des spannungsinduzierten Martensits nachteilig zu beeinflussen in der Lage ist. Bei der zweiten Phase kann es sich im Falle von Eisenlegierungen z.B. um 6-Ferlit oder andere intermetallische Verbindungen handeln.

Die Erholung oder Rückformung erreicht man beim Aufwärmen des kaltverformten Gegenstands über den A -Punkt bis zu dem A -Punkt. Der A -Punkt ist die Temperatur, bei der

6 S

Martensit entweder spontan oder spannungsinduziert durch Umformung die Rückumwandlung zu Austenit beginnt, und der

A -Punkt ist die Temperatur, bei der die Rückumwandlung des c

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Martensits in Austenit beendet ist. Dieser !Temperaturbereich

kam gen.

kann bis zu 3 bis 400⁰C bei Eisen-und Titanlegierungen lie-

Bei den erfindungsgemäß anwendbaren Legierungen handelt es sich um die Eisenlegierungen, enthaltend Mangan und gegebenenfalls Kobalt und/oder Chrom und/oder Nickel, '■'· ■ also teraäre oder quaternäre Legierungen mit Eisen,

ngan, Nickel und ührom und weitere komplexe Legierungen dieser Metalle und zusätzlichen Elementen wie Kupfer, Molybdän, Aluminium, Titan und/oder Niob, vorausgesetzt daß die gebildete feste Lösung beim Abschrecken von Temperaturen in der Größenordnung von 800 bis 1200⁰C als γ-Phase oder Austenit bestehen bleibt. Die optimale Temperatur hängt von der Legierungszusammensetzung ab und es ist bei Legierungen mit geringem Chrom- und hohem Nickel- oderJMangangehalt möglich, daß die Hochtemperaturphase auch beim langsamen Abkühlen auf Raumtemperatur bestehen bleibt. Die Zusammensetzung der Legierung soll derart sein, daß beim kontinuierlichen Abkühlen oder Kaltbearbeiten unter der M^-Temperatur (das ist die Temperatur,bei der Martensit durch Deformation aus der metastabilen Hochtemperaturlösung gebildet werden kann) folgende Umwandlungen erleidet, γ-·-> (-Martensit (hexagonal dichte Kugelpackung) —> cx¹-Martensit (kubisch raumzentriert) oder γ -> 6-Martensit. Die besonders geeignetenLegierungen, haben geringe Störenergie (stacking fault energy), so daß der -Martensit leichter umgeformt werden kann. Bei zunehmendem Mangan- und Chromgehalt und abnehmendem Nickelgehalt sinkt die Störenergie, wodurch die Bildung von £-Martensit begünstigt wird. Das wesentliche Merkmal des ^-Martensits liegt darin, daß er selbstheilend ist (self-accomodating) und seine Bildung nicht zu einem Gleiten in der Austenitphase führt, α'-Martensit ist charakterisiert durch sein nicht-

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ausheilendes Verhalten und die Bildung von Gleitverschiebungen in der Austenitphase. Belastung oder Last führt zu einem Gleiten in der Austenitphase und kann daher durch Wiederaufwärmen über den Temperaturbereich A bis A nicht wiedergewonnen werden.

Durch Wärmebehandlung wiedergewinnbare Last oder Belastung ist immer begleitet von einem anormal geringen Pseudoelastizitätsmodul, wenn die Probe unter Last steht. Dies findet bereits bei relativ geringen Spannungen statt infolge

einer spannungsinduziertmMartensitbildung durch Kaltumformen der austenitischen Phase. Wenn die Streckgrenze der austenitischen Phase ebenfalls gering ist, kann das pseudoelastische Phänomen durch Deformation des Austenits maskiert sein. Dies wurde insbesondere beobachtet bei hohem Nickelgehalt und sehr niederem M -Punkt. 'Mit steigendem M -Punkt durch Verringerung der Legierungselemente der Eisenlegierung oder wenn eine Lösungshärtung hervorgerufen wird durch zusätzliche Elemente, wie Aluminium, Kupfer oder Molybdän, so beobachtet man einen geringen Pseudoelastizitätsmodul.

Die Legierungen können selbstverständlich Verunreinigungen und/oder andere Begleitelemente einschließlich solchen, die die Eigenschaften der Legierungen modifizieren, enthalten, vorausgesetzt, daß eine feste Lösung, die die erforderliche Martensittransformation auszuführen vermag, vorliegt. Die Legierungen brauchen nicht notwendigerweise binär oder ternär sein.

Bei den Legierungen kann es sich um zwei- oder mehrphasige Legierungen handeln, in denen zumindest eine Phase eine wie oben beschriebene feste Lösung ist. Die andere Phase oder zumindest eine der anderen Phasen kann aus einer inter-

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metallischen Verbindung bestehen, die, wie in der gleichzeitig eingereichten Anmeldung, ebenfalls die Eigenschaft besitzt, bei Temperaturänderung die Gestalt zu ändern.

Eine primäre feste Lösung erhält man im Sinne der Erfindung, wenn Atome von einem oder mehreren Elementen einem reinen Metall einverleibt werden können, ohne daß die Kristallstruktur verändert wird, durch Platzwechsel der Atome an den verschiedenen Gitterstellen innerhalb des Kristallgitters des reinen Metalls.

Eine intermetallische Verbindung im Sinne der Erfindung ist eine einzige Phase zum Unterschied von einer primären festen Lösung, wenn zwei oder mehrere Elemente in entsprechenden Mengenverhältnissen legiert sind. Sie hat üblicherweise ein Kristallgefüge unterschiedlich von dem der reinen Elemente und enthält üblicherweise eine Verbindung der Elemente in einem einfachen Atomverhältnis, z.B. A B , wo-

x y

ring A und B die Elemente und χ und y Ziffernwerte unter 10 sind. Es werden auch solche Phasen umfaßt, die einen Löslichkeitsbereich für einzelne Elemente um ein einfaches Atomverhältnis ohne Änderung der Kristallstruktur zeigen.

Es wurde gefunden, daß Legierungen, die erfindungsgemäß angewandt werden können, hohe innere Reibungskräfte oder Dämpfung aufweisen, wenn sie in der erwähnten Weise wärmebehandelt werden. Diese innere Reibung oder Dämpfung erreicht die höchsten Werte bei Temperaturen in der Nähe des Mg- und M_e-Punkts.

Es wurde auch festgestellt, daß das Ausmaß der Gestaltänderung beim Erwärmen des Gegenstands aus den erfindungsgemäß behandelten Legierungen verringert oder sogar verhindert werden kann, bei Einwirkung einer ausreichenden Spannung entgegengesetzt gerichtet zu dieser Formänderung.

■ - 8 -

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Nach einem älteren Vorschlag (Anmeldung P 20 21 34-8.3) werden Gegenstände aus binären Legierungen des Urans, Mangan-Kupfer-Legierungen oder Nickel-Titan-Legierungen derart behandelt, daß sie bei Temperaturänderung ihre Gestalt ändern.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Legierung in ihrer Hochtemperaturphase eine Belastung zur Einwirkung gebracht, die eine Spannung hervorruft, welche ihrerseits die gewünschte Form für die Tieftemperaturphase induziert.

Unter beibehaltene Last (retained strain) ist das Ausmaß an permanenter Last (strain) zu verstehen, die in dem Prüfkörper,der unter Zug verformt wurde, erhalten bleibt. Sie wird als Prozentlast, bezogen auf eine Prüflänge von 1" angegeben. Darunter ist aber auch der Winkel zu verstehen, der beibehalten wird, wenn ein gerader Prüfkörper 0,78 mm Stärke (31 mill) über einen Winkel von 180° gebogen wird, d.h. daß die beiden Schenkel parallel sind, woraufhin die elastische Aufrichtung gestattet wird. Eine Krümmung von 180° entspricht einer Oberflächenlast von etwa 4,25 %.

Unter durch Wärmebehandlung wiedergewinnbare Last ist folgendes zu verstehen. Es ist der Prozentsatz der Last, die durch ^Erwärmen über das Temperaturgebiet A_ bis A_Ä wiedergewonnen wird, bezogen auf eine ursprüngliche Prüflänge von 1". Es wird darunter aber auch die gesamte Winkelbewegung eines Prüfkörpers verstanden, welcher ursprünglich um 180° gebogen und dann elastisch aufgerichtet wurde und der über den Temperaturbereich A bis A erwärmt worden ist.

Welche Art von Last angegeben wird, d.h., ob es sich um Prozent-

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zuglast oder um den Biegungswinkel handelt, hängt abiron der Art des Experiments, welches durchgeführt wurde, und dieses wieder von dem Anwendungsgebiet des Werkstoffs.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele erläutert, Die Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsprozent, wenn nichts anderes' angegeben ist.

B e' i s ρ i e 1 1

Das' System Eisen-Chrom-Nickel

Diese Legierungen wurden 0,5 h bei 100O⁰C gehalten und dann mit Wasser abgeschreckt. Man erhielt ein metastabiles austenitisches Gefüge mit einer durchschnittlichen' Korngröße von etwa 0,1 mm.

Es wird Bezug genommen auf das Dreiecksdiagramm der Fig. 1. Die Flächenbereiche A und B der Fig. 1 zeigen Legierungszusammensetzungen, die merkliche Beträge von in der Wärme rückgewinnbare Last aufweisen. Der Bereich A wird begrenzt durch die Linien 25 % Chrom, 12,5 % Nickel, 18 % Nickel und 15 % Chrom. Der Bereich B ist begrenzt durch die Linien 25 % Chrom, 10 % Nickel, 18 % Nickel, 10 % Chrom und 75 % Eisen.

Die untere Nickelgrenze, die etwa 10 % beträgt, entspricht der spontanen Martensitbildung bei Abkühlung aus der austenitischen Phase. Derartige Legierungen lassen sich also nicht

leicht verformen. Über der oberen Nickelgrenze von 18 % wird die austenitische Hochtemperaturphase in solchen Bedingungen zurückgehalten, daß sie bis zu Temperaturen von zumindest herunter bis -196⁰C stabil ist, so daß eine Kaltumformung keine spannungeinduzierte Martensitbildung hervor-

-.10 109022/1264

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zurufen.vermag. Unter der Chromuntergrenze von 10 % wird keine in der Wärme wiedergewinnbare Last beobachtet. Bei der Chromobergrenze von 25 % enthält das Gefüge neben Austenit <f-Ferrit beim Abkühlen von bis zu 120O⁰C in der Hochtemperaturphase. Ein gewisser Anteil an in der Wärme wiedergewinnbare Last kann entstehen durch Verformen der austenitischen Phase, Jedoch nimmt dieser ab mit steigendem Anteil an 6-Ferrit. Optimale durch Wärmebehandlung wiedergewinnbare Last erhält man, wenn der M -Punkt unter 196°C liegt und sich der spannungsinduzierte Martensit bei Kaltbearbeitung bei -196°C bildet. Dies gilt für die höheren Anteile an .Chrom und Nickel im Bereich A der Fig. 1. Ebenso optimale Ergebnisse erhält man, wenn die. Legierungen kaltbearbeitet werden bei der niedrigsten Temperatur, "die möglich ist, wenn Austenit in abgeschreckter Form erhalten bleibt. -196° wird vorgezogen einer Umformung bei -70 oder 20°. Dies sind allgemeine Richtlinien für alle Eisenlegierungen.

A Eisenlegierung mit 20 % Cr und 15 % Ni

beibehaltene Last bei-196°C

4,8 % 14,6 fr 28,8 %

in der Wärme wiedergewinnbare La3t % Zuglast äquiv. ^C Bewegung

0,7 5

1,05

35 50 50°

Diese Legierung ist vollständig austenitisch beim Abkühlen auf -196 C, zeigt jedoch keinen anormal geringen Pseudoelastizitätsmodul. Aus der Tabelle geht die generelle Tendenz der Eisenlegierungen hervor, wonach die in der Wärme wiedergewinnbare Last ansteigt mit der beibehaltenen Last bia zu einem Grenzwert, bei dem dann die in der Wärme wiedergewinnbare Last konstant bleibt.

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B Eisenlegierung mit 12,5 % Cr und 12,5 % Ni

Die Legierungen wurden durch Biegen verformt

Biege- "beibehaltene Last

% Ober-

<*£ . flächenlast

in der Wärme wiedergewinnbare Last

% Oberflächen last

-7O⁰C

-196

⁰C

° 3,62 % ⁰ 3,49 %

0,36 % 0,57 %

Diese Legierung war teilweise transformiert zu Martensit bei -196⁰C.

C Eisenlegierung mit 25 % Cr "und 15 % Ni
Die Legierung wurde auf Zug deformiert

beibehaltene Last bei -196⁰C

in der Wärme wiedergewinnbare Last

% Zuglast

äquiv. -er Bewegung

5,4 %_ψ 14,4 %

0,65 % 0,80 %

30°
36⁽

Diese Legierung enthielt etwa 10 %S-Ferrit, gecLoch verhinderte dies nicht die Ausbildung der gewünschten Eigenschaften.

Beispiel Das System Eisen-Chrom-Nickel-Mangan

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Mangan kann ganz oder teilweise das Nickel in den ternären Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen ersetzen und verhält sich ähnlich dem Nickel. Erfindungsgemäß können auch Eisen-Chrom-Legierungen mit 10 bis 25 % Chrom und sowohl Nickel als auch Mangan angewandt werden. Diese Legierungen enthalten wenig oder keinen Martensit beim Abschrecken aus der Hoch--, temperaturphase, bilden jedoch spannungsinduzierten Martensit bei Belastung bei Temperaturen zwischen -196° und +20⁰C. Es wird Bezug genommen auf das Dreiecksdiagramm

der Fig. 2, wo Legierungen der Zusammensetzung,die in die Bereiche a, b und c fallen, eine in der Wärme wiedergewinnbare Last aufweisen. Der innere schraffierte Bereich b ist ■ der| bevorzugte Teil.

Bei den in Fig. 2 und den Bereichen a, b und c angegebenen Nickel- und Mangangehalten enthält die Grundlegierung 10 bis 17,5 % Chrom, Rest Eisen.

In der Wärme wiedergewinnbare Last wurde ebenfalls für Legierungen innerhalb der Bereiche a, b und c der Fig. 2 gefunden, wenn der Chromgehalt bis zu 20 % beträgt, jedoch der Mangangehalt 15 % nicht übersteigt.

Das gleiche gilt auch für Legierungen mit einem maximalen Chromgehalt von 25 %, vorausgesetzt daß der Mangangehalt 5 % nicht*'übersteigt. Innerhalb dieser Grenzen kann der maximale Chromgehalt schrittweise um 1 % erhöht werden, vorausge^etz^^maximale Mangangehalt, der schrittweise um 2 % verringert wird und umgekehrt. Der Nickelgehalt verbleibt in den Bereichen a, b und c relativ zu den Mangangehalten, der Rest ist immer Eisen.

Die Begrenzung des Chromgehalts auf 17,5 % bei Mangangehalten über 15 % ist erforderlich, da sonst die Legierungen für die Verarbeitung zu spröde werden,

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Die Bereiche a, b und c der Fig. 2 sind durch folgende Punkte "begrenzt.

Bereich a wird "begrenzt durch die Linien entsprechend einem Nickelgehalt von 12,5 % -(0,575 x % Mn), einem Nickelgehalt von 2 %, einem Nickelgehalt von 17,5 % -(0,575 x % Mn), einem Nickelgehalt von 10 % -(0,575 x % Mn), einem Mangangehalt von 0 und einem Nickelgehalt von 0.

Der Bereich b wird begrenzt durch die Linien entsprechend einem Nickelgehalt von 12,5 % -(0,575 x % Mn), einem Nickelgehalt von 16 % -(0,575 x % Mn), einem Nickelgehalt entsprechend 2 % und einem Mangangehalt entsprechend 0 %.

Der Bereich c wird begrenzt durch die Linien entsprechend einem Nickelgehalt von 16 % -r(O,575 x % Mn), einem Nickelgehalt entsprechend 17,5 % -(0,575 x % Mn), einem Nickelgehalt entsprechend 2 % und einem Mangangehalt entsprechend 0 %.

Alle diese quaternären Legierungen wurden eine halbe Stunde bei 105O⁰C lösungsgeglüht und dann in Wasser abgeschreckt, wodurch ein austenitisches Gefüge mit einer ungefähren Korngröße von 0,1 mm erhalten wurde.

D Eisenlegierung, enthaltend 15 % Cr, 11 % Ni und 6,5 Mn

beibehaltene Last in der Wärme wiedergewinnbare Last bei-^⁰ % Zuglast äquiv. <£ Bewegung

5 % 0,55 % 25°

20 % . 0,50 % 22°

Diese Legierung zeigte keinen Pseudoelastizitätsmodul beim Verformen.

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E Eisenlegierung mit 15 % Cr, 5 % Ni und 17,5 % Mn

beibehaltene Last bei -196⁰C

in der Wärme wiedergewinnbare Last % Zuglast äquiv.<£ Bewegung

5 %
20 %

0,95 %
1,30 %

42 56

Beispiel 3

Das System Eisen-Chrom-Mangan

In Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen kann Mangan vollständig das Nickel ersetzen, wenn der Chromanteil zwischen 10 und 17,5 % liegt. Es wird Bezug genommen auf Fig. 2, der maximale Mangangehalt liegt zwischen 17,5 und 30,5 %> der bevorzugte Bereich zwischen 20 und 27,5 %· Die Legierungen wurden 1/2 h bei 1000 C gehalten und dann mit Wasser abgeschreckt.

Die Verformung der Prüfkörper erfolgte unter Zug. F Eisenlegierung mit 15 % Cr und 25 % Mn

beibehaltene Last bei -196⁰C

in der Wärme wiedergewinnbare Last % Zuglast äquiv.«^ Bewegung

4,6 %

0,4 %

18^C

Diese Legierung ist teilweise martensitisch bei -196⁰C mit einer mäßigen Bruchdehnung von 6,6 %. Bei -70° und oberhalb der Spannungsdehnungskurve war eine vollständig beibehaltene austenitische Struktur und ein tiefer Pseudoelastizitatsmodul nicht feststellbar. Bei Umformung bei -70⁰C und darüber war keine in der Wärme wiedergewinnbare Last zu beobachten.

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Beispiel 4-

Das System Eisen-Chrom-Nickel-Kobalt

Kobalt wirkt als Stabilisator des austenitischen Gefüges in korrosionsbeständigen Stählen. Es wurde festgestellt, daß Kobalt den Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen bis zu 20 % einverleibt werden kann, wobei die gewünschten Eigenschaften noch immer aufrechterhalten werden, vorausgesetzt, daß die Chrom- und Nickelgehalte so eingestellt werden, daß ein geeigneter M -Punkt vorliegt. Durch Zugabe von Kobalt erhält man bei Legierungen bis herunter zu 10 % Cr eine Verbesserung hinsichtlich der in der Wärme wiedergewinnbaren Last. Dies ist der minimale Chromgehalt,bei dem in der Wärme wiedergewinnbare Last in ternären Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen erreichbar ist. Die quaternären Legierungen Eisen-Chrom-Nickel-Kobalt mit in der Wärme wiedergewinnbaren Lasten können anhand der Fig. 1 definiert werden, wobei bis zu 20 % Kobalt zugesetzt werden kann, vorausgesetzt, daß folgende Beschränkungen des Chrom- und Nickelgehalts beobachtet werden. Der maximale Chromgehalt muß herabgesetzt werden um

1 % für jeweils 4- % Co, der minimale Chromgehalt muß herabgesetzt werden um 1 % für jeweils 8 % Co. Der maximale Nickelgehalt muß herabgesetzt werden um 1 % für jeweils 8 % Co und der minimale Nickelgehalt muß herabgesetzt werden um 1 % für jeweils 4· % Co. Die Legierungen werden 1/2* h bei 1 000⁰C gehalten und dann mit Wasser abgeschreckt.

Nach Verformung durch Biegen bei -196⁰C zeigten die Legierungen folgende Eigenschaften.

G Eisenlegierung mit 10 % Cr, 15 % Ni und 20 % Co

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beibehaltene Last bei -196⁰J in der Wärme wiedergewinnbare Last

	SC	% Oberflächen last	ehaltene Last bei-196⁰J in	% Oberflächen last	28°	% Oberflächen last	20 % Co
	123°	2,92 %	5	3,74 %	15 % Ni,	0,64 %	wiedergewinnbare Last
H	Eisenlegierung mit 15 % Cr,	157°	i e 1 5	der Wärme	% Oberflächen last
bi	ϊίΐ	e i s ρ			0,90 %
	a	38°

B

Das System Eisen-Chrom-Mangan-Kobalt

Kobalt kann den ternären Legierungen Eisen-Chrom-Mangan zugesetzt werden und einen Teil des Mangans ersetzen und zwar bis zu einem Kobaltgehalt von 15 %, während die gewünschten Eigenschaften aufrechterhalten bleiben, vorausgesetzt, daß die folgenden Einschränkungen für den Chrom- und Mangangehalt im Sinne der Eisen-Chrom-Mangan-Legierungen nach der £ig. 2 eingehalten werden. Die Chromgehalte werden verringert um 12,5 % des Kobaltanteils, die Mangangehalte werden verringert um 50 % des Kobaltanteils. Die Legierungen wurden 1/2 h bei 1 000°C gehalten und mit Wasser abgeschreckt. Nach Biegen bei -196⁰C ergaben sich folgende Eigenschaften.

I Eisenlegierung mit 15 % Cr, 15%Mn und 10 % Co

- 17 109822/1264

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- 17 -

beibehaltene Last bei -196⁰C in der Wärme wiedergewinnbare Last

% Oberflächenlast

143 3,4 % 41° 1,0 %

Beispiel -6
Das System Eisen-Mangan

Wenn der Mangangehalt über 15 % liegt, so kann man ein gewisses Ausmaß an in der Wärme gewinnbare Last erhalten, die verbunden ist mit der Transformation des Austenits zu £-Martensit. Dies ist möglich bei Legierungen, enthaltend 15 bis 35 % Mangan, vorzugsweise 20 bis 30 % Mangan. Das Ausmaß der in der Wärme wiedergewinnbaren Last steigt, wenn Titan in entsprechenden Mengen, d.h. bis zu 5 % zugesetzt wird, welches ohne Änderung des Anteils an i-Martensit den M -Punkt herabzusetzen vermag. Die Legierungen wurden 1/2 h bei 1 000 C gehalten und in Wasser abgeschreckt. Die Legierung J enthielt 28 % Mn und wurde unter Zug odex Biegung bei verschiedenen Temperaturen verformt und über den A -Punkt

aufgewärmt.	beibehaltene Last	109°	ό	% Ober flächen last	In der Wärme wiedergewinn bare Last	äquiv. «^Bewegung
Verformungstemp. ⁰O «,		109°	i	2,6 %	% Zug last	15°
	5 5	136°	2,6 %	0,35 %	25°
-196	20 ?		3,24 %	0,55 %	% Ober flächen last
-196				0,38 %
		18^U	0,50 %
-70	22°	0,37 %
+20	17°
+100

- 18 -

109822/1264.

1A-38 856 - 18 -

Die Legierung K mit 20 % Mn und 3,75 % Ti, Rest Eisen, wurde bei -196⁰C zur Deformation gebogen.

Beibehaltene Last bei -196⁰C in der Wärme wiedergewinnbare Last

% Oberflächen- j* % Oberflächenlast y· last

131° 3,10 % 68° 1,48 %

Beispiel

Das System Eisen-Mangan-Nickel

Den binären Eisen-Mangan-Legierungen kann in teilweisem Ersatz des Mangans Nickel zugesetzt werden, wobei die Eigenschaften erhalten bleiben. Es wird Bezug genommen auf die Pig. 3· Der Bereich a zeigt den bevorzugten Bereich der Legierungszusammensetzung und der Bereich b überdeckt den Bereich der erfindungsgemäß verwendbaren Legierungen. Der Bereich a ist begrenzt durch folgende Linien: 15 % Mn, 72 % Fe, 10 % Ni und 0 % Ni.

Der Bereich b ist begrenzt durch die Linien: 12,5 % Mn, 70 % Fe, 15 % Ni, 0 % Ni und 85 % Fe.

Die Legierungen wurden 1/2 h bei 1 000⁰C gehalten und in Wasser abgeschreckt, anschließend zur Deformation bei -196⁰C gebogen. Die Legierung L enthielt 15 % Mn, 10 % Ni, Best Eisen.

- 19 -

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Beibehaltene Last bei -196°C in der Wärme wiedergewinnbare

Last

% Oberflächen- <*· % Oberflächenlast· -^* last

128° 3,04 % 49° 0,92 %

Beispiel 8
Das System Mangan-Nickel

Die angestrebten Eigenschaften treten in diesem System auf bei Legierungen, enthaltend 15 "bis 35 % Ni, vorzugsweise 20 bis 28 %Ni. Die Legierung M, enthaltend 22,5 % Ni, wurde zu einem Blech 0,5 mm gewalzt und dann 15 min bei 850⁰C gehalten und in Wasser abgeschreckt. Anschließend auf etwa -196°C abgekühlt und zu einem Bund aufgewickelt. Bei Wiederaufwärmen auf 200⁰C streckte es sich, jedoch erreichte es nicht ganz die ursprüngliche Form. Bei einem Temperaturwechsel zwischen 200° und -196⁰C konnte das Blech abwechselnd eingerollt und wieder aufgerollt werden.

Beispiel 9

Das System Kobalt-Mangan

·■

Die gewünschten Eigenschaften treten auf bei Kobalt-Mangan-Legierungen, enthaltend 20 bis 40 % Mn, vorzugsweise 25 bis 35 % Mn. Die Legierung N, enthaltend 30 % Mn, wurde 1/2 h bei 1 00O⁰C gehalten, im Wasser abgeschreckt und dann zur Deformation bei -196°C gebogen.

Beibehaltene Last bei -196⁰C in der Wärme wiedergewinnbare Last

%*■■ % Last

•3,72 % · 1,25 % 52° -20

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Beispiel 10 Titanlegierungen

Legierungen von Elementen, die die ß-Phase des Titans beibehalten, können im Argon-Lichtbogen geschmolzen und gegossen, anschließend geschmiedet und gewalzt werden bei 800⁰C in Stahlhülsen, um eine oberflächliche Oxydation zu vermeiden. Auf diese Weise kann man herunterwalzen bis auf Blechstärken von 1 mm.

Die gewünschten Eigenschaften finden sich in Titanlegierungen, wenn die ß-Phase beim Abkühlen oder Abschrecken von hoher Temperatur beibehalten wird, d.h. wenn während der Wärmebehandlung keine OJ -Phase gebildet wird und die Legierungen bei Raumtemperatur oder -196⁰C oder einer entsprechenden Temperatur dazwischen kalt bearbeitbar sind oder wenn bei der kalten Bearbeitung die ß-Phase umgeformt wird in eine spannungsinduzierte Martensitphase.

Die im folgenden beschriebenen Titanlegierungen wurden in Form von Blechen geprüft und diese um 90° gebogen, entsprechend 2 % Last an den Außenbereichen bei tiefer Temperatur, worauf über den A -Punkt erwärmt wurde. Alle Legierungen wurden von 850 C mit Wasser abgeschreckt.

1) Titanlegierung, enthaltend 8 bis 16 % Molybdän, vorzugsweise 14 bis 16 % Mo. Bei 14 % Mo,Biegen um 90° bei -196⁰C und Aufwärmen auf Raumtemperatur erreichte man einen Erholungswinkel von 20°

2) Titanlegierunge, enthaltend 5 bis 10 % Mn, vorzugsweise 6 bis 7 % Mn. Eine Titanlegierung mit 6 % Mn wurde um 90 bei -196⁰C gebogen, auf Raumtemperatur aufgewärmt und zeigte einen Erholungswinkel um 10°.

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3) Titanlegierungen, enthaltend 30 "bis 42 % Niob, vorzugsweise 32 bis 34 % Niob. Eine Legierung mit 34 % Niob wurde um 90° bei -196⁰C gebogen und ergab einen Erholungswinkel von 50°. Wurde sie bei 20⁰C um 90° gebogen, so betrug der Winkel 40°.

Bei diesen Beispielen umfassen die weiten Bereiche Legierungen, in denen die untere Grenze die Zusammensetzung ist, bei der die ß-Phase bei Raumtemperatur erhalten bleibt und die obere Grenze die Zusammensetzung ist, bei der der H_s-Punkt

unter -196⁰C fällt. Die in der Wärme wiedergewinnbare Last tritt auf über einen weiten Temperaturbereich während des Aufwärmens, d.h. der Abstand zwischen den Temperaturen A_ und A_ ist groß. Darin verhalten sich die Titanlegierungen ähnlich

^e ,

den Eisenlegierungen.

Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens werden Legierungen in der austenitischen Hochtemperaturphase mit hoher Geschwindigkeit kalt bearbeitet. Dies führt zur zwischenzeitlichen Einwirkung von momentaner Belastung (shock load), so daß das Ausmaß der Last durch eine vorbestimmte Grenze beschränkt ist. Beispiele dafür sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

TABELLE

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Langsame Einwirkung der Last

Schnelle Einwirkung der Last

	Eestlast-	in der Wärme gewinnbare Last	äquiv. "<£ Be	in	Eestlast	der Wärme gewinnbare Last	" äquiv.^[Be
	bei -196°C	% Zuglast	wegung	bei -196⁰C	% Zuglast	wegung
	5 %		42°	5 %		42°
Leg. O	20 %	0,95 %	38°	11,6 %	0,95 %	52°
P	5 %	0,85 %	25°	11 %	1,2 % .	30° ,
Q	25 %	0,55 %	25°	16,6 %	0,65 %	30° ro
£	20 %	0,55 %	56°	20 %	0,65 %	68° *
S	5 %	1,3 %	34°	2,4 %	1,55 %	45°
T	0,75.%	1,05 %

Die Legierungen 0 bis T hatten folgende Zusammensetzung:

Leg. 0 P Q £ S T

Cr	%	9 %	5	Mn	Fe
21	%	9 %	9 %	Rest
21		-	9 %	Rest
12,	X /0	—	17,5 %	Rest
12,	%	5 %	17,5 %	Rest
15	%	10 %	17,5 %	Rest
20			% Mo

CD

cn

CD

Aus dieser Tabelle ergibt sich, daß die schnelle Einwirkung der Last vorteilhaft ist.

Anstelle den Prüfkörper, der unter Zug bei -196⁰C verformt wurde, ganz zu ent-^amf¹ feine Restlast verbleiben, wodurch der Prüfkörper eine in der Wärme wiedergewinnbare Last beim Aufwärmen zeigt. Diese wird jedoch mit steigender Last bis zu einer Spannung geringer, die etwa der Streckgrenze des Austenits bei erhöhter Temperatur entspricht oder knapp darüber liegt. Wenn diese Situation erreicht ist, nimmt der Prüfkörper seine ursprüngliche Gestalt nicht wieder ein, sondern dehnt sich aus. Ein Beispiel dafür ist die Legierung U mit 20 % Cr, 15 % Ni, Rest Eisen.

% Restlast während der Erwär- in der Wärme wiedergewinnbei -196 C mund beibehaltene bare Last bei Aufwärmen auf Spannung

	(psi)	ο kg/cm	% Zuglast	äquiv. <3C Be wegung
			1,05 %	45°
14,6 %	(10 000)	703	0,55 %	25°
15,7 %	(20 000)	1406	0,2 %	11°
15,6 %	(28 000)	1960	0,1 %	2°
15,8 %	(40 000)	2812	+ 0,1 %	0
15,4 %#

Die oben ausgeführte Vorgangsweise der schnellen Einwirkung der Last und Aufwärmen unter Last ist anwendbar auf die Titanlegierungen, die Mangan-Nickel-Legierungen, die Kobalt-Mangan-Legierungen, wie auch auf die Eisenlegierungen.

Die oben beschriebenen Legierungen können auch Verunreinigungen und zufällig vorhandene Bestandteile aufweisen, einschließlich Elementen, die ihre Eigenschaften modifizieren, vorausgesetzt, daß diese nicht die Auswirkung der angestrebten

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Eigenschaft der Änderung der Form mit Temperaturänderung nachteilig beeinflussen. So können z.B. Eisenlegierungen geringe Anteile an Kupfer^Luminium, Molybdän, Titan und Niob jeweils in Mengen bis 2, 2, 5» 4 und 1,5 % enthalten.

Die erfindungsgemäß hergestellten Gegenstände eignen sich für verschiedene Anwendungsgebiete, wo eine Formänderung in Abhängigkeit von der Temperatur benötigt wird, z.B. in Rohren von Kupplungen, wobei die Rohre die Form ändern und zwei Maschinenelemente miteinander in Eingriff bringen; oder auch bei Temperaturfühlern in Schaltanlagen und als Federn.

Außer den oben erwähnten Legierungen können auch weitere Titanlegierungen erfindungsgemäß behandelt werden,' vorausgesetzt, daß die Ausbildung einer ω-Phase verhindert wird. Beispiele dafür sind Nickellegierungen, enthaltend 7 bis 10 % Eisen^def2 bis 14 % Nickef ^desF bis 12 % Chrom oder 9 bis 12 % Kobalt oder 18 bis 20 % Vanadium.

PATENTANSPRÜCHE :

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Claims

£,,.8t,,lfl..t S ft 8 B..JC. Ü 0Jl β

1* Verfahren zur Herstellung von Gegenständen auf der JJasis einer Legierung, die bei Änderung der Temperatur ihre form zu ändern vermögen, durch Abkühlen der Legierung in einer ersten form P^ von einer ersten Temperatur t-j auf eine· tiefere zweite Temperatur tg, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung zumindest eine Phase in Perm einer primären festen Lösung eines ersten Metalls M^ in einem anderen Element, welches die Stabilität von M₁ in einer Hoohtemperaturform vergrößert, enthält, und diese feste Lösung bei der Abkühlung eine Schertransformation in einen im wösentliehen zellenförmigen Martensit erleidet oder beim Abkühlen die Hoohtemperaturform beibehält» sieh ijedöäh unter Scherbelastung bei Kaltbearbeitung au dem im wesentlichen aeilenförmigen Martensit umwandelt, woraufhin die Legierung bei t_g in eine zweite form f₂ plastisoh verformt wird und die Temperaturen und die Ruhigeeöhwindigkeit so gewählt werden, daß beim Wiederaufwärmen des Gegenstandes er zumindest teilweise Beine erste form ?-, wieder annimmt«

2« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dafl die Legierung eine Eisenlegierung ait Chrom und gegebenenfalls Uiokel und/oder Mangan und/oder Kobalt let*

3. Verfahren üöah Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dad die Legierung eine Eisenlegierung ait Mangan und gegebenenfalls !Titan oder Niokel ist.

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4. Verfahren nach Anspruch 1* dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung eine Manganlegierung mit Nickel oder Kobalt ist.

5. Verfahren nach Anspruoh 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Legierung eine Titanlegierung mit Molybdän oder Mangan oder Niob igt«

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 51 dadurch g e k e η η

zeichnet, daß man die plastische Verformung -vornimmt, wenn sich die feste Lösung '" ----ihrer Hochtemperaturform befindet»

nimmt, wenn sich die feste Lösung über dem M_g-Punkt und in

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß man die plastische Verformung vornimmt, wenn sich die feste Lösung bei oder unter dem M -Punkt befindet und teilweise in ihrer Hochtemperaturform vorliegt.

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