DE2055756B2 - Verfahren zur Herstellung von Gegenständen, die bei Änderung der Temperatur ihre Form zu ändern vermögen, und Anwendung des Verfahrens auf bestimmte Legierungen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß bestimmte Legierungen in der v, Lage sind, bei Änderung der Temperatur ihre Form oder Gestalt zu ändern (Memory-Effekt), d. h., wenn ein Gegenstand bei einer Temperatur U aus seiner Form Fi in eine andere Form Fi umgeformt und dann auf eine bestimmte Temperatur ti erwärmt wird, so nimmt er mi zumindest teilweise wieder seine ursprüngliche Form Fi an. Diese Formänderung beim Aufwärmen entspricht der Änderung des Gefügcs der Legierung aus einer Tieftemperaturphase in eine Hochtemperaturphase. Dieser Effekt ist bereits bei Nickel-Titan-Legierungen >r> mit 52 bis 56% Nickel und bei bestimmten Gold-Cadrniiim- und (iold-Silber-Cadmium-l.cgicrungen bekannt (GBPS II 16 158).

Bei diesem bekannten Verfahren geht es ausschließlich um die Herstellung von Gegenständen, die eine einmalige selbständige Formänderung unter bestimmten Bedingungen erfahren. Es ist bekannt, daß in dem System Ti/Ni nur eine begrenzte Mischbarkeit vorliegt. Es bilden sich bei bestimmten Mengenverhältnissen der beiden Nietalle wohldefinierte intermetallische Verbindungen; durch diese intermetallische Verbindung mit z. B. etwa 50% Ni und etwa 50% Ti findet unter entsprechenden Bedingungen die aus der GB-PS 11 16 158 bekannte Formänderung statt. Nach diesem Stand der Technik wird somit ein entsprechend hergestelltes Metallband in gestrecktem Zustand unter die Konversionstemperatur abgekühlt, bei dieser spiralig aufgewickelt, in dieser Form über die Konversionstemperatur erwärmt und schließlich langsam abgekühlt Die so vorbehandelte Wicklung kann sich dann beim Erreichen einer bestimmten Temperatur (Sonneneinstrahlung) wieder strecken.

Die Bereiche intermetallischer Verbindungen in Mehrstoff-Legierungen und insbesondere solcher intermetallischer Verbindungen, welche den Memory-Effekt zeigen, sind — wie leicht ersichtlich — nur in einem sehr begrenzten Umfang verfügbar. Man war daher bestrebt, andere Legierungen und Systeme mit Memory-Effekt aufzufinden, die sidvaufgrund dieser Eigenschaft für die verschiedensten Zwecke anwenden lassen.

Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, daß auch Legierungssysteme, die nicht als intermetallische Verbindungen zu bezeichnen sind — vorausgesetzt, daß sie ein bestimmtes Gefüge aufweisen —, den Memory-Effekt zeigen. Diese Legierungssysteme müssen aber, um dieses spezielle Gefüge zu erreichen, einer besonderen Behandlung unterworfen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es somit. Gegenstände auf der Basis von Legierungen herzustellen, welche den Memory-Effekt aufweisen und auszunutzen gestatten. Die Erfindung geht aus von einem Verfahren /ur Herstellung von Gegenständen aut der Basis einer Legierung, die bei Änderung der Temperatur ihre Form zu ändern vermag, durch Abkühlen der Legierung in einer ersten Form F, von einer Temperatur l\ auf eine tiefere Temperatur /2 und plastisches Verformen bei h in eine zweite Form Fi, wobei Temperaturen und Kühlgeschwindigkeit so gewählt werden, daß der Gegenstand beim Wiederaufwärmen zumindest teilweise wieder seine erste Form Fi annimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Phase der Legierung in Form einer primären festen Lösung eines Metalls Mi in einem anderen Element, welches die Stabilität von M< in einer hochtemperaturform vergrößert, entweder beim Abkühlen einer Schertransformation in ein im wesentlichen zellenförmig martensitisches Gefüge unterzogen wird oder beim Abkühlen die Hochtemperaturform beibehält, jedoch einer Scherbelastung während einer Kaltbearbeitung unterzogen wird, bei der das im wesentlichen zellenförmig martensitische Gefüge gebildet wird. Die plastische Verformung wird vorzugsweise dann vorgenommen, wenn sich die feste Lösung über dem M,-Punkt und in ihrer Hochtemperaturform befindet. Es ist aber auch möglich, die plastische Verformung dann vorzunehmen, wenn sich die feste Lösung bei oder unter ihrem /Vf,-Punkt befindet und teilweise in ihrer Hochtemperaturform vorliegt.

Das erfindungsgemäOc Verfahren läßt sich auf eine ganze Reihe von Legierungssystemen anwenden, insbesondere auf F.isenlegieriingcn mit Chrom und

Nickel und/oder Mangan und/oder Kobalt, auf Eisenlegierungen mit Mangan und gegebenenfalls Titan oder Nickel, auf Manganlegierungen mit Nickel oder Kobalt und auf Titanlegierungen mit Molybdän, Mangan oder Niob.

Durch die erfindungsgemäße Behandlung induzieren die Umformungskräfte die Bildung des Martensits. Durch Aufwänden auf eine Temperatur entsprechend dem /VPunkt geht die Legierung in die stabile Hochtemperaturphase über und kehrt dabei zumindest teilweise in ihre ursprüngliche Form zurück. Vorausgesetzt, daß nicht zu hoch erwärmt wird, wird sie dann zumindest teilweise wieder die Form annehmen, auf die sie umgeformt worden ist Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es wesentlich, die Wärmebehandlung derart durchzuführen, daß eine Transformation in eine martensitische Phase erwirkt wird, die das gleiche Phänomen der reversiblen Formänderung bei einer kritischen Temperatur ergibt.

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

Nach der Erfindung 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 durch Kaltbearbeiten in die neue Form umgeformt. Dabei wird die Hochtemperaturform unter Schereinwirkung zu einem spannungsinduzierten Martensit umgebildet. Ein Teil der Deformation kann von anderen Prozessen, wie Gleiten oder Zwillingsbildung, begleitet sein. Beim Wiederaufwärmen wandelt sich die martensitische Phase in dem verformten Gegenstand bei Erreichen einer entspr -chenden Temperatur, die allgemein als A,-Punkt bezeichnet wird, wieder zurück in die Hochtemperaturform. Dabei kehrt der Gegenstand in seine ursprüngliche Form F zurück. Das Ausmaß, in welchem die ursprüngliche Form Fi erreicht wird, hängt von dem Ausmaß ab, in dem die ursprüngliche Deformation von der Ma^rtensitbildu; g begleitet wurde.

Wenn bei der Deformation Gleiten oder 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 :,ind, so erreicht man bei Wärmebehandlung keine Gcstaltänderung mehr. Die durch Wärmebehandlung gewinnbare Spannung oder Kraft kann nur hervorgerufen werden von dem Martensit, der unter Spannung oder Last aus der hochtemperaturfesten Lösung gebildet wurde. Die Legierung wild daher vorzugsweise über ihrem /V/,-Punkt umgeformt. Wird die Legierung unter ihren A7,-Punkt abgekühlt, so daß ein gewisser Anteil an Marlcnsil gebildet wird, ist es (loch noch möglich, in einem gewissen Ausmaß eine bei Teinperaturändcrung gewinnbare Kraft durch I Imformcn der restlichen Hochtempcraiurform /u erreichen, welche üblicherweise als Austcnil bezeichnet wird und sich unter Last in den Martensit umwandelt. Der Af,-Punkt ist die Temperatur, bei der sich beim Abkühlen der metastabilen Hochtcmperaturphase der Martensit spontan zu bilden beginnt. Dieser Maricnsit ist die I Irsachc für eine durch Wärmebehandlung wiedergewinnbare Kraft beim Wiederaufwärmen über die /Is-Temperatur.

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

Die Erholung oder Rückstellung erreicht man beim Aufwärmen des kaltverformten Gegenstandes über den /ts-Punkt bis zu dem A_e-Punkt Der /*_S-Punkt ist die Temperatur, bei der Martensit entweder spontan oder spannungsinduziert durch Umformung mit der Rückumwandlung zu Austenit beginnt, und der /4_t.-Punkt ist die Temperatur, bei der die Rückumwandlung des Martensits in Austenit beendet ist. Dieser Temperaturbereich kann bis zu 300 bis 400°C bei Eisen- und Titanlegierungen betragen.

Bei dem erfindungsgemäß anwendbaren Legierungen handelt es sich um die Eisenlegierungen mit Mangan und gegebenenfalls Kobalt und/oder Chrom und/oder Nickel, also ternäre oder quaternäre Legierungen mit Eisen, Mangan, Nickel oder Kobalt und Chrom 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 y-PNse oder Austenit bestehen bleibt. Die optimale Temperatur hängt von der Legierungszusammensetzung ab; es ist bei Legierungen mit geringem Chrom- und hohem Nickel- oder Mangangehalt 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.rTemperatur (das ist die Temperatur, bei der Martensit durch Deformation aus der metastabilen Hochtempcratur-Lcsung gebildet werden kann) folgende t Imwandlungen erleidet: γ —■ ε-Martensit (hexagon J dichte Kugelpackung) —<r'-Martensit (kubisch raumztntriert) oder γ -» ε-Martensit. Die besonders geeigneten Legierungen haben geringe Störenerg'e (stacking fault energy), so daß der e-Martensit leichter umgeformt werden kann. Bei zunehmendem Mangan- und Chromgehalt und abnehmbarem Nickelgehalt sinkt die Störenergie, wodr-ch die Bildung von e-Martensit begünstigt wird. Das wesentliche Merkmal des ε-Martensits liegt darin, daß er »selbstanpassend« ist und seine Bildung nicht zu einem Gleiten in der Ausienitphase führt. V-Martensit ist nicht »selbstanpassend« und bildet Gleitverschicbungen in der Austenitphase. Last führt zu einem Gleit _·η in der Austenitphase und kann daher durch Wiederaufwärmen über den Temperaturbereich /4, bis /4,. nicht wiedergewonnen werden.

Durch Wärmebehandlung wiedergewinnbare Kraft ist immer von einem anoimal geringen Pseudoulastizi-

tätsmodul begleitet, wenn der Gegenstand unter Last steht. Dies findet bereits bei relativ geringen Spannungen infolge einer spannungsinduzierten Martensitbildung durch Kaltumformen der austenitischen Phase statt. Wenn die Streckgrenze der austenitischen Phase ebenfalls gering ist, kann das pseudoelastische Phänomen durch Deformation des Austenits maskiert sein. Dies wurde besonders bei hohem Nickelgehalt und sehr niederem M,-Punkt beobachtet. Mit steigendem M,-Punkt durch Verringerung der Legicrungsclemente der Eisenlegierung oder wenn durch zusätzliche Elemente, wie Aluminium, Kupfer oder Molybdän, eine Härtung durch feste Lösung hervorgerufen wird, beobachtet man einen geringen Pseudoelastizitätsmodul.

Die Legierungen können Verunreinigungen und/oder zulässige Beimengungen einschließlich solchen, die die elastische Aufrichtung gestattet wird. Eine Krümmung von 180° entspricht einer Oberflächenspannung von etwa 4,25%.

Unter »durch Wärmebehandlung wiedergewinnbare , Kraft« ist folgendes zu verstehen: Es ist der Prozentsatz der Spannung — bezogen auf eine ursprüngliche Prüflänge von 25,4 Jim —. die durch Erwärmen innerhalb des Temperaturgebiets A, bis A_c wiederge wonnen wird. Es wird darunter aber auch die gesamte

in Winkclbewcgung eines Prüfkörpers verstanden, welcher ursprünglich um 180 gebogen und dann elastisch aufgerichtet wurde und der über den Temperaturbereich A, bis /!,erwärmt worden ist.

Welche Art von Spannung angegeben wird. d. h.. ob

ι , es sich um % Zugspannung oder um den Biegungswinkel handelt, hängt von der Art des durchgeführten

iiinJni· %-f.n An

vorausgesetzt, daß eine feste Lösung, die die erforderliche Martensittransformation auszuführen vermag, vorliegt. So können z. B. Eisenlegierungen geringe Anteile an Kupfer, Aluminium, Molybdän, Titan und Niob jeweils in Mengen bis 2,2,5.4 bzw. 1,5% enthalten.

Die Legierungen brauchen nicht notwendigerweise binär oder ternär zu 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(n) Phase(n) oder zumindest cini· der anderen Phasen kann aus einer intermetallischen Verbindung bestehen, die den Memory-Effekt zeigen kann.

Eine primäre feste Lösung im Sinne der Erfindung erhält man, wenn Atome von einem oder mehreren Element(en) einem reinen Metall einverleibt werden können, ohne daß das Kristallgefüge verändert wird, nur 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 —. in der zwei oder mehrere Elemente in entsprechenden Mengenverhältnissen legiert sind. Sie hat üblicherweise ein anderes Kristallgefüge als die reinen Elemente und ist meist eine Verbindung der Elemente in einem einfachen Atomverhältnis, z. B. /4,ß„ worin A und ßdie Elemente und .v und j Ziffernwerte unter 10 sind. Es werden auch solche Phasen umfaßt, die einen Löslichkeitsbereich für einzelne Elemente um ein einfaches Atomverhältnis ohne Änderung des Kristallgefüges zeigen.

Legierungen, auf die sich das erfindungsgemäße Verfahren anwenden läßt, zeigen hohe innere Reibung, wenn sie in der erwähnten Weise wärmebehandelt werden. Diese innerf Reibung erreicht die höchsten Werte bei Temperaturen in der Nähe des Mr und M_c- Punkts.

Es wurde auch festgestellt, daß das Ausmaß der Gestaltänderung beim Erwärmen des Gegenstandes durch Einwirkung einer ausreichender. Spannung entgegengesetzt zu dieser Formänderung verringert oder sogar verhindert werden kann.

Unter »beibehaltene Last« (retained strain) ist die permanente Spannung zu verstehen, die in dem Prüfkörper, der unter Zug verformt wurde, erhalten bleibt. Sie wird in %, bezogen auf eine Prüfiänge von 25,4 mm, angegeben. Darunter ist aber auch der Winkel zu verstehen, der beibehalten wird, wenn ein gerader Prüfkörper von 0,787 mm Dicke um 180° gebogen wird, d. h. daß die beiden Schenkel parallel sind, woraufhin die ten Anwendungsgebiet des Gegenstandes.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele erläutert. Die Prozentangaben beziehen sich auf Gew-%, wenn nichts anderes angegeben ist.

Beispiel I
Das System Eisen-Chrom-Nickel

Diese Legierungen wurden 0.5 h bei 1000' C gehalten und dann mit Wasser abgeschreckt. Man erhielt ein metastabiles austenitisches Gefi-ge mit einer durchschnittlichen Korngröße von etwi 0.! mm.

Es wird Bezug genommen auf das Dreiecksdiagramm der Fig. 1. Die Flächenbercichc A und B der F i g. I zeigen Legierungszusammensetzungen, die merkliche Beträge von in der Wärme rückgewinnbarer Kraft ergeben. Der Bereich A wird durch die Linien 25% Chrom und 12.5% Nickel sowie 18% Nickel und 15% Chrom und der Bereich B durch die Linien 25% Chrom und 10% Nickel. 18% Nickel. 10% Chrom und 75% Eisen begrenzt.

Die Nickel-Untergrcnze. die etwa 10% beträgt, entspricht der spontanen Martensitbildung bei Abkühlung aus der austenitischen Phase. Derartige Legierungen lassen sich also nicht leicht verformen. Über der Nickel-Obergrenze von 18⁰O wird dir austenitische Hochtemperaturphase in einer Bedingung gehalten, daß sie bis zu Temperaturen von zumindest herunter bis -196"C stabil ist. so daß eine Kaltumformung keine spannungsinduzierte Martensitbildung hervorzurufen vermag. Unter der Chrom-Untergrenze von 10% *ird keine in der Wärme wiedergewinnbare Kt.ift beobachtet. Bei der Chrom-Obergrenie von 25% enthält das Gefüge beim Abkülhen von bis zu 1200⁼C. d.h. in der Hochtemperaturphase, neben Austenit (5-Ferrit. Ein gewisser Anteil an in der Wärme wiedergewinnbarer Kraft kann durch Verformen der austenitischen Phase entstehen, jedoch nimmt dieser mit steigendem Anteil an 0-Ferrit ab. Optimale durch Wärmebehandlung wiedergewinnbare Kraft erhält man. wenn der M₁-Punkt unter — 196° C leigt 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 bei der niedrigstmög-

»mnpratn r

abgeschreckter Form kaltbearbeitet werden. -196° C wird einer Umformung bei -70 oder 20° vorgezogen. Dies sind allgemeine Richtlinien für alle Eisenlegierungen.

ΛI r.isenlegierung mit 20"/» Cr und 15% Ni

Beibehaltene Last
hei - 1% (

In der Wiirme wiedergewinnbare Kraft

"" Zugspannung iii|ui\ < Bewegung

4.8%
14.6%
2X.8",

0.7%

1.05",.

1.05% .15°

Diese Legierung ist beim Abkühlen auf -196 C vollständig austenitisch. zeigt jedoch keinen anormal geringen Pseudoclastizitätsmodul. Aus der Tabelle geht die generelle Tendenz der Eisenlegierungen hervor, ι -,

Hl l-iipnlpuirriinu mil M \".'- fr nrwl \ ~> S'.. Mi

D°

wonach die in der Wärme wiedergewinnbare Kraft mit der beibehaltenen Last bis zu einem Grenzwert ansteigt, bei dem sie dann konstant bleibt.

Die Legierung wurde durch Biegen verlbrmt.

Biege-

! e ni r ■.

Beibehaltene Last

"■■ Oberflächenspannung

in der Wiirme wiedergewinnbare
KraO

< ". Oberflächen

spannung

- 70 (
I¹Ji. (

153°
147°

3.62% 15° 0.36%

.i.49% 23° 0.57%

Diese Legierung war bei - 196 C teilweise zu Martensit transformiert worden.

C) Lisenlegierung mit 25"·'· Cr und 15"- Ni
Die Legierung wurde durch Zug deformiert.

Beibehaltene Last
hei 196 (

In der Wiirme wiedergewinnbar Kraft - Zugspannung a'quiv. < Bewe-

0.65".·
0.80"..

30° 36°

Diese Legierung enthielt etwa 10% (5-Ferrit. jedoch verhinderte dies nicht die Ausbildung der gewünschten Eigenschaften.

Beispiel 2
Das System Fisen-Chrom-Nickel-Mangan

Mangan kann ganz oder teilweise das Nickel in den ternären Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen ersetzen und verhält sich ähnlich dem Nickel. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf Eisen-Chrom-Legierungen mit 10 bis 25% Chrom und sowohl Nicke! als auch Mangan angewandt werden. Diese Legierungen enthalten wenig oder keinen Martensit beim Abschrecken aus der Hochtemperaturphase, bilden jedoch spannungsinduzierten Martensit bei Belastung zwischen - 196 und + 20⁼ C. Es wird Bezug genommen auf das Dreiecksdiagramm der Fig. 2. wo Legierungs-Zusammensetzung, die in die Bereiche a. b und c fallen, angegeben sind. Diese Legierungen führen zu einer in der Wärme wiedergewinnbare Kraft. Der innere schraffierte Bereich i> umfaßt die bev( rzugten Legierungen.

Bei den in F i g. 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 Kraft 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 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, vorausgesetzt, daß der maximale Mangangehalt 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 Chromgehaltes auf 17.5% bei Mangangehalten >!5'!o ist erforderlich, da sonst die Legierungen für die Verarbeitung zu spröde werden.

Die Bereiche a, bund cder F i g. 2 sind durch folgende Punkte begrenzt·

Bereich a:

Nickel 12.5%-(0.575 · % Mn).

2%. 17.5%-(0.575 · % Mn).

10% -(0.575 · % Mn).0% Mn und 0% Ni.

Bereich b:

Nickel 12.5%-(0.575 ■ % Mn).
16%-(0.575 · %Mn).
2% und o% Mn.

Bereich c.

Nickel 16%-(0.575 ■ % Mn).
17.5%-(0,575 · % Mn),
2% und 0% Mn.

Alle diese quaternären Legierungen wurden 0.5 h bei 1050°C lösungsgeglüht und dann in Wasser abgeschreckt, wodurch ein austenitisches Gefüge mit einer ungefähren Korngröße von 0,1 mm erhalten wurde.

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

Beibehaltene Last
bei - 196°

In der Wärme wiedergewinnbare Kraft

% Zugspannung äquiv. < Bewe

gung

0,55%
0,50%

25° 22°

Diese Legierung zeigte keinen Pseudoelastizitätsmocliil beim Verformen.

I·') Eisenlegierung mit 15% Cr, 5% Ni und 17,5 Mn

Beibehaltene Last
bei - 196°

In der Wärme wiedergewinnbare Krall

% Zugspannung äquiv. < Bewegung

0,95%
I ,J0%

42° 56°

Beispiel J 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 F i g. 2. Der maximale Mangangehalt liegt zwischen κι 17,5 und 30,5%, der bevorzugte Bereich zwischen 20 und 27,5%.

Die Legierungen wurden 0,5 h bei 1000⁰C gehalten und dann mit Wasser abgeschreckt. Die Verformung der Prüfkörper erfolgte durch Zug. π

l^;) Eisenlegierung mit 15% Cr und 25% Mn

Beibehaltene
bei - 196°

Last In der Wärme wiedergewinnbare Kraft

% Zugspannung äquiv. < Bewe- '" gung

0.4%

18°

Diese Legierung ist bei -1%'C teilweise martensitisch und hat eine mäßige Bruchdehnung von 6,6%. Bei -70" und oberhalb der Spannungsdehnungskurve war eine vollständig beibehaltene austenitische Struktur und ein geringer Pseudoelastizitätsmodul nicht feststellbar. Bei Umformung ä70°C war keine in der Wärme wiedergewinnbare Kraft zu beobachten.

Beispiel 4 Das System Eisen-Chrom-Nickei-Kobalt

Kobalt wirkt als Stabilisator des austenitischen (iefuges in korrosionsbeständigen Stählen. Es wurde festgestellt, daß Koball-Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen bis zu 20% unter Aufrechterhaltung des Rückstellvermögens einverleibt werden kann, vorausgesetzt, daß die Chrom- und Nickelgehalte so eingestellt werden, daß ein geeigneter Λ-Λ-Punkt vorliegt. Durch Zugabe von Kobalt erhält man bei Legierungen bis herunter zu 10% Cr eine Verbesserung hinsichtlich der in der Wärme wiedergewinnbaren Kraft. Dies ist der minimale Chromgehait. bei dem in der Wärme wiedergewinnbare Kraft in ternären Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen

erreichbar ist. Die quaternären Legierungen Eisen-C'hrom-Nickel-Kobalt mit in der Wärme wiedergewinnbaren Kräften können anhand der F i g. I definiert werden. Es kann bis zu 20% Kobalt zugesetzt werden, vorausgesetzt, daß folgende Beschränkungen des Chrom- und Nickelgehalts eingehalten werden: Der maximale Chromgehalt muß für jeweils 4% Co um 1% herabgesetzt werden; der minimale Chromgehalt muß für jeweils 8% Co um 1% herabgesetzt werden: der maximale Nickelgehalt muß für jeweils 8% Co um 1% herabgesetzt werden und der minimale Nickelgehalt muß für jeweils 4% Co um 1 % herabgesetzt werden.

Die Legierungen wurden 0,5 h bei lOOO'C gehalten und dann mit Wasser abgeschreckt.

Nach Verformung durch Biegen bei — I96'C zeigte" die Legierungen folgende Eigenschaften:

U) Eisenlegierungen mit 10% Cr, 15% Ni und 20% Co

Beibehaltene Last bei
- 196 C

< % Ober

flächenspannung

In der Wärme wiedergewinnbare Kraft

< "■» Oberflächen

spannung

123° 2,92% 28° 0,64%

II) Eisenlegierung mit 15% Cr, 15% Ni, 20% Co

BKibehaltene Last bei
- 196 C

< % Ober

flächenspannung

In der Wärme wiedergewinnbare Kraft

< % Oberllächen-

spannung

157° 3.74% .18° 0.90%

I? c i s ρ i e 1 5 Das System Eisen-Chrom Mangan-Kobalt

Kobalt kann — unter Beibehaltung des Rückstellvermögens — den ternären Legierungen Eisen-Chrom-Mangan zugesetzt werden und einen Teil des Mangans ersetzen, und zwar bis /u einem Kobaltgehalt von 15%. vorausgesetzt, daß die folgenden Einschränkungen für den Chrom- und Mangangehalt im Sinne der Eisen-Chrom-Mangan-Legierungen nach der F i g. 2 eingehalten werden: Die Chromgehalte werden um 12,4% des Kobaltanteils und die Mangangehalte um 50% des Kobaltanteils verringert.

Die Legierungen wurden 0.5 h bei 1000⁰C gehalten und mit Wasser abgeschreckt. Nach Biegen bei - 196°C ergaben sich folgende Eigenschaften:

I) Eisenlegierung mil 15% Cr. 15% Mn und 10% Co

Beibehaltene	Last bei	In d	er Wärme wiedergewinn-	% Oberflächen
- 196 C		bare	K raft	spannung
	% Ober	<t
	flächen
	spannung

3,4%

41^C

1.0%

Il

Beispiel 6 Das System Eisen-Mangan

Wenn der Mangangehalt über 15% liegt, so kann man ein gewisses Ausmaß an in der Wärme gewinnbare Kraft erhalten, welche mit der Transformation des Austenits zu ε-Martensit verbunden ist. Dies ist bei Legierungen mit 15 bis 35%, vorzugsweise 20 bis 30%, Mangan möglich. Das Ausmaß der in der Wärme wiedergewinnbaren Kraft steigt, wenn Titan in entsprechenden Mengen, d. h. bis zu 5%, zugesetzt wird, welches ohne Änderung des Anteils an E-Ma^rtensil den /V/,-Punkt herabzusetzen vermag.

Die Legierungen wurden 0,5 h bei 1000⁰C gehalten und in Wasser abgeschreckt. Die Legieurng ) enthielt 28% Mn und wurde durch Zug oder Biegung bei verschiedenen Temperaturen verformt und über den /\,-Punkt aufgewärmt.

Ve-'ormungs- l em p. ι	■ι	Beibehaltene Liisl	';» Oberflächen spannung	ι Λ	<Ilt Wärme w ι Zugspannung	•ϊ	eilergewinnbaro kr.ill äi|iiiv. rt Bewegung	"■'» Oberflächen spannung
196 - IV6	ΙΟΊ" Wr Ι3(."	5% 20%	2,6% 2,6% 3,24'Io	0. 0.	35% 55%	18° 22° 17°	I5C 25°	0,38% 0.50% 0,37%
- 7(1 + 20 + 100

K) Legierung mit 20% Mn und 3,75% Ti, Rest Eisen wurde hei -196 C /ur Deformation gebogen.

Beibehaltene Last bei - 1% C in der Wärme wiedergewinnbare Kraft

% Oberflächen spannung % Oberflächenspannung

131° 3.10%

Beispiel 7 Das System Eisen-Mangan-Nickel

Den binären Eisen-Mangan-Legierungen kann unter Beibehaltung des Rückstellvermögens in teilweisem Ersatz des Mangans Nickel zugesetzt werden. Es wird Bezug genommen auf die F i g. 3. Der Bereich ;i zeigt den bevorzugten Bereich der Legierungszi'sammensetzung und der Bereich b überdeckt den Berich der Legierungen, die dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen werden können.

Der Bereich ;j 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. 1 5% Ni, 0% Ni und 85% Fe.

Die Legierungen wurden 0.5 h bei 1000'C gehalten, in Wasser abgeschreckt und anschließend zur Deformation bei —196 C gebogen.

L) Legierung mil \5";« Mn. 10% Ni. Rest Eisen

Beibehaltene Last bei

- 1% C

< % Ober

flächenspannung

In der Wärme wiedergewinnbare Kral'

< % Oberflächen

spannung

68° 1,48%

Beispiel 8 Das System Mangan-Nickel

Die angestrebten Eigenschaften treten in diesem System bei Legierungen mit 15 bis 35%. vorzugsweise 20 bis 28%, Nickel auf. Die Legierung M mii 22,5% Ni wurde zu einem Blech, 0.5 mm, gewalzt, dann 15 min bei 850⁰C gehalten und in Wasser abgeschreckt, anschließend auf etwa — 196⁰C 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 wurde ein abwechselndes Einrollen und Aufrollen des Blechs beobachtet.

Beispiel 9

Das System Kobalt-Mangan

Der Memory-Effekt tritt bei Kobalt-Mangan-Legierungen mit 20 bis 40%, vorzugsweise 25 bis 35%. Mangan auf. Die Legierung N mit 30% Mn wurde 0,5 h bei 1000= C gehalten, im Wasser abgeschreckt und dann zur Deformation bei — 196°C gebogen.

Beibehaltene Last
hei - !% ('

In der Wärme wiedergewinnbare K πι ΙΊ

"v> Spannung <

3,04%

49°

0.92% 3.72%

Beispiel 10
Titanlegierungen

Legierungen mit Elementen, die die /3-Phase des Titans stabilisieren, können im Argon-Lichtbogen geschmolzen und dann gegossen und anschließend bei 800⁰C in Stahlhülsen zur Verhinderung einer Oberflächenoxidation geschmiedet oder gewalzt werden. Auf diese Weise kann man bis auf Blechdicken von 1 mm herunterwalzen.

Der Memory-Effekt zeigt sich in Titanlegierungen, wenn die ß- Phase beim Abkühlen oder Abschrecken von hoher Temperatur beibehalten wird, d. h. wenn während der Wärmebehandlung keine ω-Phase gebildet wird, upH die Legierungen zwischen Raumtemperatur und -196°C kalt bearbeitbar sind oder wenn bei der kalten Bearbeitung die /7-Phase in eine spannungsinduzierte Martensitphase umgeformt wird.

Die im folgenden beschriebenen Titanlegierungen wurden in Form von Blechen geprüft und dazu um 90° gebogen, entsprechend 2% Spannung an den /.ußenbereichen bei tiefer Temperatur, worauf über den A,-Punkt erwärmt wurde. Alle Legierungen wurden von 850⁰C mit Wasser abgeschreckt.

1) Titanlegierungen mit 8 bis 16%, vorzugsweise 14 bis 16%, Molybdän: Bei 14% Mo, Biegen um 90° bei — 196⁰C und Aufwärmen auf Raumtemperatur erreichte man einen Rückstellwinkel von 20°.

2) Titanlegierungen mit 5 bis 10%, vorzugsweise 6 bi 7%, Mangan: Eine Titanlegierung mit 6% M: wurde bei —196° C um 90° gebogen und au Raumtemperatur aufgewärmt und zeigte dam einen Rückstellwinkel von 10^c.

3) Titanlegierungen mit 30 bis 42%, vorzugsweise 3: bis 34%, Niob: Eine Legierung mit 34% Niol wurde bei -196° C um 90° gebogen und ergal einen Rückstellwinkel von 50°. Wurde sie bei 2O⁰C um 90° gebogen, so betrug der Winkel 40°.

Bei diesen Beispielen umfassen die weiten Bereichf Legierungen, in denen die untere Grenze die Zusam mensetzung ist, bei der die /?-Phase bei Raumtemperatui erhalten bleibt, und die obere Grenze die Zusammenset zung ist, bei der der M_s-Punkt unter - 196° C fällt. Die ir der Wärme wiedergewinnbare Kraft tritt über einerr weiten Temperaturbereich während des Aufwärmen: auf, d. h. der Abstand zwischen den Temperaturen A und A_c ist groß. Darin verhalten sich die Titanlegierun gen ähnlich den Eisenlegierungen.

Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßer Verfahrens werden Legierungen in der austenitischer Hochtemperaturphase mit hoher Geschwindigkeit kai bearbeitet. Dies führt zur zwischenzeitlichen Einwir kung von momentaner Belastung, so daß das Ausmal der Last auf eint vorbestimmte Grenze beschränkt ist Beispiele dafür sind in der folgenden Tabelle zusammen gestellt.

	Langsame Einwirkung der Last	in der Wärme	gewinnbare Kraft	Schnelle	Einwirkung der Last	gewinnbarc Kraft
	Restspannung	% Zug	äquiv.		in der Wärme	äquiv
	bei - 196 C	spannung	< Bewegung	Res! bei	% Zug	< Bewegung
		0,95%	42°	- 196 C"	spannung	42°
Leg. O	5%	0,85%	38°	5%	0.95%	52°
P	20%	0,55%	25°	11.6%	1.2%	30°
Q	5%	0.55%	25°	11%	0.65%	30°
R	25%	1.3%	56°	16.6%	0.65%	68°
S	20%	0.75%	34°	20%	1.55%	45°
T	5%		2,4%	1.05%

Die Legierungen O bis T hatten folgende Zusammensetzung:

	Cr	Ni	Mn	Ic
O	21%	9%	9%	Rest
P	21%	9%	9%	Rest
Q	12.5%	-	17.5%	Rest
R	12.5%	-	17.5%	Rest
S	15%	5%	17,5%	Rest
T	20%	10%	5% Mo	Rest

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

Anstelle den Prüfkörper, der durch Zug bei - I96°C" verformt wurde, ganz zu entlasten, kann eine Restlast verbleiben, wodurch der Prüfkörper beim Aufwärmen eine in der Wärme wiedergewinnbare Kraft zeigt. Diese wird jedoch mit steigender Spannung bis etwa zur Streckgrenze des Austenits bei erhöhter Temperatii oder knapp darüber geringer. Wenn diese Situatio erreicht ist. nimmt der Prüfkörper seine ursprünglich Gestalt nicht wieder ein, sondern dehnt sich aus. Li Beispiel dafür ist die Legierung U mit 20% O 15% N Rest Eisen.

15

% Restspannung bei - 196 C

Während der Erwärmung beibehaltene Spannung

N/cm²

Beim Auswärmen auf 250 C wiedergewinnbare Kraft

% Zugspannung

äquiv.

< Bewegung

14,6% 15,7% 15,6% 15,8% 15,4%

7030 14060 19600 28120

1,05% 0,55% 0,2% 0,1% + 0,1%

45° 25° 11°

2°

Das oben ausgeführte Verfahren der schnellen Einwirkung der Last und Aufwärmen unter Last ist anwendbar auf die Titanlegierungen, die Mangan-Nikkel-Legierungpn, die Kobalt-Mangan-Legierungen wie auch auf die Eisenlegierungen.

Außer den obenerwähnten Legierungen können auch weitere Titanlegierungen erfindungsgemäß behandelt werden, vorausgesetzt, daß die Ausbildung einer ω-Phase verhindert wird. Beispiele dafür sind Titanlegierungen mit 7 bis 10% Eisen oder 12 bis 14% Nickel oder 9 bis 12% Chrom oder 9 bis 12% Kobalt oder 18 bis 20% Vanadium.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen auf der Basis einer Legierung, die bei Änderung der Temperatur ihre Form zu ändern vermag, durch Abkühlen der Legierung in einer ersten Form Fi von einer Temperatur /1 auf eine tiefere Temperatur ti und plastisches Verformen bei /2 in eine zweite Form Fi, wobei Temperaturen und Kühlgeschwindigkeit so gewählt werden, daß der Gegenstand beim Wiederaufwärmen zumindest teilweise wieder seine erste Form Fi annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Phase der Legierung in Form einer primären festen Lösung eines Metalls M\ in einem anderen Element, welches die Stabilität von M\ in einer Hochtemperaturform vergrößert, entweder beim Abkühlen einer Schertransforir:?tion in ein im wesentlichen zellenförmig martensaLches Gefüge unterzogen wird oder beim Abkühlen die Hochtemperaturform beibehält, jedoch einer Scherbelastung während einer Kaltbearbeitung unterzogen wird, bei der das im wesentlichen zellenförmig martensitische Gefüge gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das plastisch verformt wird, wenn sich die feste Lösung über dem Λί,-Punkt und in ihrer Hochtemperaturform befindet.

3. Verfallen nach Anspruch I, dadurch gekenn- in zeichnet, das plastisch vcrformi wird, wenn sich die feste Lösung bei oder unt-.r dem M,-Punkt und teilweise in ihrer Hocht^mperaturform befindet.

4. Anwendung des Verfahr ns nach einem der Ansprüche I bis 3 auf eine Eisenlegierung mit Chrom r> und Nickel und/oder Mangan und/oder Kobalt.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I bis 3 auf eine Eisenlegierung mit Mangan und gegebenenfalls Titan oder Nickel.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem der in Ansprüche 1 bis 3 auf eine Manganlegierung mit Nickel oder Kobalt.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf eine Titanlegierung mit Molabdän oder Mangan oder Niob. η