DE2055756C3

DE2055756C3 - Verfahren zur Herstellung von Gegenständen, die bei Änderung der Temperatur ihre Form zu ändern vermögen, und Anwendung des Verfahrens auf bestimmte Legierungen

Info

Publication number: DE2055756C3
Application number: DE2055756A
Authority: DE
Inventors: Roger Francis Ickenham Middlesex Iles
Original assignee: FULMER RESEARCH INSTITUTE Ltd STOKE POGES BUCKINGHAMSHIRE GB
Current assignee: FULMER RESEARCH INSTITUTE Ltd STOKE POGES BUCKINGHAMSHIRE GB
Priority date: 1969-11-12
Filing date: 1970-11-12
Publication date: 1984-05-24
Also published as: JPS4910409B1; SE389689B; NL7016614A; IL35631A; NL172675C; CH572098A5; FR2067252A1; IL35631A0; CA970669A; FR2067252B1; DE2055756A1; BE758861A; DE2055756B2

Description

Es ist bekannt, daß bestimmte Legierungen in der Lage sind, bei Änderung der Temperatur ihre Form oder Gestalt zu £->dern (Memory-Effekt), d. h., wenn ein Gegenstand bei einer Temperatur ii aus seiner Form Fi in eine andere Form F2 umgeformt und dann auf eine bestimmte Temperatur ti erwärmt wird, so nimmt er zumindest teilweise w.eder seine ursprüngliche Form Fi an. Diese Formänderung beim Aufwärmen entspricht der Änderung des Gefüger.der Legierung aus einer Tieftemperaturphase in eine Hochtemperaturphase. Dieser Effekt ist bereits bei Nickel-Tit-n-Legierungen mit 52 bis 56% Nickel und bei bestimmten Gold-Cadmium- und Gold-Silber-Cadmium-Legierungen bekannt (GB-PS 11 16 158).

Bei diesem bekannten Verfahren geht es ausschließich 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 Mengpnverhältnissen der beiden Metalle 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 sich aufgrund 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 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 ii auf eine tiefere Temperatur fj und plastisches Verformen bei ti in eine zweite Form Fi, wobei Temperaturen und Kühlgeschwindigkeit so gewählt werden, daß der Gegenstand beim Wideraufwärmen zumindest teilweise wieder seine erste

w) Form F_t annimmt. Das erfinclungsgeinäße Verfahren ist 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 seiner Hochtemperaturphase vergrößert, entweder beim Abkühlen eine Schiebungsumwandlung durchläuft, bei der ein im wesentlichen zellenförmig martensitisches Gefüge gebildet wird, oder beim Abkühlen in ihrer Hochtemperauirphase verbleibt, jedoch während einer Kaltumformung eine Schiebungsum-

hj Wandlung durchläuft, wobei im wesentlichen zellenförmig martensitisches Gefüge gebildet wird. Die plastische Verformung wird vorzugsweise dann vorgenommen, wenn sich die feste Lösung über der Mi-Temperatur und in ihrer Hochiemperauirphasc befindet. Rs ist über auch möglich, die plastische Verformung dann vorzunehmen, wenn sich die feste Lösung bei oder unter ihrer M₁-Temperatur befindet und teilweise in ihrer Hochtemperatur-

phase vorliegt

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf eine ganze Reihe von Legierungssystemen anwenden, insbesondere auf Eisenlegierungen mit Chrom und Nickei 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. ä

Durch die erfindungsgemäße Behandlung induzieren die Verformungskräfte die Bildung des Martensits. Durch Aufwärmen auf eine Temperatur entsprechend der At-Tcmperatur geht die Legierung in die stabile Hochtemperaturphase Ober 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 ursprünglich verformt worden ist Für das eriindungsgemäße Verfahren ist es wesentlich, die Wärmebehandlung iu derart durchzuführen, daß eine Umwandlung 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 Hechtemperaturphase wird dann durch Kaltverformen in die neue Form umgeformt. Dabei wird die Hochtemperaturphase durch Schiebungsumwandlung zu einem spannungsinduzierten Martensit umgebildet. Ein Teil der Verformung kann von anderen Prozessen, wie Gleiten oder Zwillingsbildung, begleitet sein. Beim Wiederai - i· armen wandelt sich die martensitische Phase in dem verformten Gegenstand bei Erreichen einer entsprechenden Temperatur, die allgemein als A₅-Temperatur bezeichnet wird, wieder zurück in die Hochtemperaturphase. Dabei kehrt der Gegenstand in seine ursprüngliche Form Fi zurück. Das Ausmaß, in welchem die ursprüngliche Form Fi erreicht wird, hängt von dem Ausmaß ab, in dem die Verformung von der Martensitbildung begleitet wurde.

Wenn bei der Verformung Gleiten oder Zwillingsbildung aufHtt, so kann dieser Teil der Verformung nicht rückgängig gemacht werden.

Werden die Legierungen in einem solchen Ausmaß abgekühlt oder abgeschreckt, daß sie vollständig zu Martensit umgewandelt sind, so erreicht man bei Wärmebehandlung keine Gestaltänderung mehr. Die durch Wärmebehandlung gewinnbare Spannung kann nur hervorgerufen werden von dem Martensit der unter Spannung oder Last aus der Hochtemperaturphase gebildet wurde. Die Legierung wird daher vorzugsweise über ihrer M_s-Temperatur umgeformt. Wird die Legierung unter ihre M_s-Temperatur abgekühlt, so daß ein gewisser Anteil an Martensit gebildet wird, ist es doch noch möglich, in einem gewissen Ausmaß eine bei Temperaturänderung gewinnbare Spannung durch Verformen der restlichen Hochtemperaturphase zu erreichen, welche üblicherweise als Austenit bezeichnet wird und sich unter Spannung in den Martensit umwandelt. Die M_s-Temperatur ist die Temperatur, bei der sich beim Abkühlen der metastabilen Hochtemperaturphase der Martensit spontan zu bilden beginnt. Dieser Martensit ist die Ursache für eine durch Wärmebehandlung wiedergewinnbare Spannung beim Wiederaufwärmen über die -Aj-Temperatur.

Ist das Gefüge in der Hochtemperaturphase nicht vollständig austenitisch, d. h. wenn eine zweite Phase oder eine andrre feste Lösung oder intermetallische Verbindung beim Abkühlen ausfällt, erhält man noch immer eine durch Wärmebehandlung gewinnbare Spannung, vorausgesetzt, daß (a) die austenitischen Phasen eines solchen Werkstoffs geeignet sind, beim Kaltverformen bei Arbeitstemperatur lastinduziert 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 lastinduzierten Martensits nachteilig beeinflußt. Bei der zweiten Phaso kann e* sich im Falle von Eisenlegierungen ζ. ζ?., um <f-Ferrit oder andere intermetallische Verbindungen handeln.

Die Erholung oder Rückstellung erreicht man beim Aufwärmen des kaltverformten Gegenstandes über die /!,-Temperatur bis zu der -^.-Temperatur. Die -4,-Temperalur ist die Temperatur, bei der Martensit entweder spontan oder lastinduziert durch Verformung mit der Rückumwandlung zu Austenit beginnt, und die /^-Temperatur ist die Temperatur, bei der die Rückumwandlung des Martensits in Austenit beendet ist. Dieser Tempera- w turbereich kann bis zu 300 bis 400°C bei Eisen- und Titanlegierungen betragen.

Bei d^n Legierungen, auf die das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist, handelt es sich um die Eisenlegierungen mit Mangan und gegebenenfalls Kobalt und/oder Chrom und/oder Nickel, also binäre, 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 /-Phase oder Austenit bestehen bleibt. Die optimale Temperatur hängt von der Legierungszusammensetzung ab; es ist bei Legierungen mit geringem Chrom- und hohem Nickei- oder Mangangehait möglich, daß die Hochtemperaturphase auch beim langsamen Abkühlen auf Rau /!temperatur bestehen bleibt. Die Zusammensetzung der Legierung soll derart sein, daß sie beim kontinuierlichen Abkühlen oder Kaltverformen unter der Af^-Temperatur (das ist die Temperatur, bei der Martensit durch Verformen aus der metastabilen Hochtemperatur-Phase gebildet werden kann) folgende Umwandlungen erleidet: ;'—f-Martensit (hexagonal dichte Kugelpackung) —«-«'-Martensit (kubisch raumzentriert) oder y — f-Martensit. Die besonders geeigneten Legierungen haben geringe Störenergie (stacking fault energy), so daß der f-Martensit leichter verformt werden kann. Bei zunehmendem Mangan- und Chromgehalt und abnehmbarem N/Ckelgeh.alt sinkt die Störenergie, b5 wodurch die Bildung von f-Mariensit begünstigt wire¹.. Das wesentliche Merkmal des ε-Martensits liegt darin, daß er »selbstanpassrnd« ist und seine Bildung nicht zu einem Gleiten in der Austenitphase führt. Λ'-Martensit ist nicht »selbstanpassend« und bildet Gleitverschiebungen in der Auslenitphase. Last führt zu einem Gleiten in

der Austenitphase und kann daher durch Wiederaufwärmen über den Temperaturbereich A> bis A₁. nicht wiedergewonnen werden.

Durch Wärmebehandlung wiedergewinnbare Spannung ist immer von einem anormal geringen Pseudoelastizitätsmodul begleitet, wenn der Gegenstand unter Last steht. Dies findet bereits bei relativ geringen Spannungen infolge einer spannungsinduzierten Maricnsitbiidung durch Kaltverformen der austenitischen Phase statt. Wenn die Streckgrenze der austenitischen Phase ebenfalls gering ist, kann das pseudoelastische Phänomen durch Verformung des Austenits maskiert sein. Dies wurde besonders bei hohem Nickelgehalt und sehr niederer /Wj-Temperatur beobachtet. Mit steigender M_s-Temperatur durch Verringerung der Legierungselemente der Eisenlegierung oder wenn durch zusätzliche Elemente, wie Aluminium, Kupfer oder Molybdän, eine Härtung

ίο durch feste Lösung hervorgerufen wird, beobachtet man einen geringen Pseudoelastizitätsmodul.

Die Legierungen können Verunreinigungen und/oder zulässige Beimengungen einschließlich solchen, die die Eigenschaften der Legierungen modifizieren, enthalten, vorausgesetzt, daß eine feste Lösung, die die erforderliche Martensitumwandlung zu durchlaufen 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 mehrphasige Legierungen handeln, in denen zumindest eine Phase eine wie oben beschriebene feste Lösung ist. Die andere(n) Phase(n) oder zumindest eine der anderen Phasen kann aus einer intermetallischen Verbindung bestehen, die den Memory-Effekt zeigen kann.

Eine primäre teste Lösung erhält man, wenn Atome von einem oder mehreren Eienieiii(en) einem reinen Metall zugesetzt 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 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 Atomverhäitnis, z. B. A_XB_U worin A und B die Elemente und χ und y Ziffernwerte unter 10 sind. Es werden auch solche Phasen umfaßt, die einen Löslichkcitsbercich 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 innere Reibung erreicht die höchsten Werte bei Temperaturen in der Nähe der M₁- und M_t.-Temperatur.

Es wurde auch festgestellt, daß das Ausmaß der Gestaltänderung beim Erwärmen des Gegenstandes durch Einwirkung einer ausreichenden Spannung entgegengesetzt zu dieser Formänderung verringert oder sogar verhindert werden kann.
Unter »beibehaltener Spannung« (retained strain) ist die permanente Spannung zu verstehen, die in dem Prüfkörper, der unter Zug verformt wurde, erhalten bleibt. Sie wird in °/o, bezogen auf eine Prüflänge 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 i 80" gebogen wird. d. h.. daß die beiden Schenke! paraüe! sind, woraufhin die elastische Aufrichtung gestattet wird. Eine Krümmung von 180° entspricht einer Oberflächenspannung von etwa 4.25%.

Unter »durch Wärmebehandlung wiedergewinnbarer Spannung« ist folgendes zu verstehen: Es ist der Prozentsatz der Spannung - bezogen auf eine ursprüngliche Prüflänge von 25,4 m —, die durch Erwärmen innerhalb des Temperaturgebiets A, bis A₁. wiedergewonnen wird. 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_c erwärmt worden ist.

Welche Art von Spannung angegeben wird, d. h„ ob es sich um % Zugspannung oder um den Biegungswinkel handelt, hängt von der Art des durchgeführten Experiments ab und dieses wieder von dem beabsichtigten Anwendungsgebiet des Gegenstandes.

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

Beispiel 1
Das System Eisen-Chrom-Nickel

Diese Legierungen wurden 0j h bei 1000⁰C 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 rückgewinnbarer Spannung ergeben. Der Bereich A wird durch die Linien 25% Chrom und 124% 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-Untergrenze, die etwa i 0% beträgt, entspricht der spontanen Martensitbildung bei Abkühlung aus der austenitischen Phase. Derartige Legierungen lassen sich also nicht leicht verformen. Über der Nickel-Obergrenze von 18% wird die austenitischc Hochtemperaturphase in einer Bedingung gehalten, daß sie bis zu Temperaturen von zumindest herunter bis - i96⁼ C stabil ist, so daß eine Kaltverformung keine spannungsinduzierte Martensitbildung hervorzurufen vermag. Unter der Chrom-Untergrenze von 10% wird keine in der Wärme wiedergewinnbare Spannung beobachtet. Bei der Chrom-Obergrenze von 25% enthält das Gefüge beim Abkühlen von bis zu 1200°C, d. h. in der Hochtemperaturphase, neben Austenit <i-Ferrit. Ein gewisser Anteil an

in der Wärme wiedergewinnbarer Spannung kann durch Verformen der austenitischen Phase entsiehen, jedoch nimmt dieser mit steigendem Anteil an J-Ferrit ab. Optimale durch Wärmebehandlung wiedergewinnbare Spannung erhält man, wenn die M,-Temper;itur unter — 196⁰C liegt und sich der spannungsinduzierte Martensit bei Kaltverformung bei - 196°C bildet. Dies gilt für die höheren Anteile an Chrom und Nickel im Bereich A der F i g. 1. Ebenso opiimale Ergebnisse erhält man, wenn die Legierungen bei der niedrigstmögüchen Temperatur ■-> zur Erhaltung des Austenits in abgeschreckter Form kalt verformt werden. Eine Verformung bei - 196° C wird einer Verformung bei — 70 oder 2O⁰C vorgezogen. Dies sind allgemeine Richtlinien für alle Eisenlegierungen.

A) Eisenlegierung mit 20% Cr und 15% Ni

10

Beibehaltene In der Wärme wiedergewinnbare

Spannung Spannung

bei-1%°C % Zugspannung äquiv. < Bewe

gung

4,8% 0.7% 35°

14,6% 1.05% 50°

28,8% 1,05% 50°

Diese Legierung ist beim Abkühlen auf — 196° C vollständig austcnitisch, zeigt jedoch keinen anomal geringen Pseudoelastizitätsmodul. Aus der Tabelle geht die generelle Tendenz der Eisenlegierungen hervor, wonach die in der Wärme wiedergewinnbare Spannung mit der beibehaltenen Spannung bis zu einem Grenzwert ansteigt, bei dem sie dann konstant bleibt.

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

Die Legierung wurde durch Biegen verformt.

j¹; Diese Legierung war bei - 196^l'C teilweise zu Martensit umgewandeil.

C) Eisenlegierung mit 25% Cr und 15% Ni

Die Legierung wurde durch Zug verformt.

Biege-	Beibehaltene Spannung	In der Wärme wiedergewinnbare
Temp.	< % Oberflächen	Spannung
	spannung	< % Oberflächen
		spannung

-70°C	153°	3.62%	15°	0,36%
-196°C	147°	3,49%	23°	0,57%

Beibehaltene	In der Wärme wiedergewinnbare
Spannung	Spannung
bei -196° C	% Zugspannung äquiv. < Bewe
	gung

5,4% 0,65% 30°

14,4% 0,80% 36°

Diese Legierung enthielt etwa 10% cf-Ferrit, jedoch verhinderte dies nicht die Ausbildung der gewünschten ^₀ I Eigenschaften. §

Beispiel ? &

Das System Eisen-Chrom-Nickel-Mangan

Mangan kann ganz oder teilweise das Nickel in den ternären Eisen-Chrom-Nickel-Legierungen ersetzen und _sj

verhält sich ähnlich dem Nickel. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf 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 Hochtemperaturphase, bilden jedoch spannungsinduzierten Martensit bei Belastung zwischen —196 und +20°C. Es wird Bezug genommen auf das Dreiecksdiagramm der F i g. 2, wo Legierungs-Zusammensetzungen, die in die Bereiche a, b und c fallen, angegeben sind. Diese Legierungen führen zu einer in der Wärme wiedergewinnbaren Spannung. Der innere schraffierte Bereich b umfaßt die bevorzugten Legierungen.

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

In der Wärme wiedergewinnbare Spannung wurde ebenfalls für Legierungen innerhalb der Bereiche a, b und c der F i g. 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 maxir;,-jle 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 >15% ist erforderlich, da sonst die Legierungen tür die Verformung zu spröde werden.

Die Berr-che α. b und cder F i g. 2 sind durch folgende Punkte begrenzt:

in Bereich ;i:

Nickel 12,5%-(0,575 % Mn),

2%, 17,5%-(0,575 ■ % Mn),

10¹Vo-(0,575 · % Mn).0% Mn und0% Ni.

Bereich b:

Nickel 12,5%-(0,575 · % Mn),
16%-(0,575 · %Mn).
2% und 0% 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 1050⁰C lösungsgegliiht 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

30

Beibehaltono	In der Wärme wiedergewinnbare
Spannung	Spannung
bei -1%'C	% Zugspannung äquiv. <t Bewe
	gung

5% 0,55% 25°

20% 0,50% 22°

Diese Legierung zeigte keinen Pseudoelastizitätsmodul beim Verformen, to E) Eisenlegierung mit 15% Cr, 5% Ni und 17,5Mn

Beibehaltene	In der Wärme wiedergewinnbare
Spannung	Spannung
bei -1%	% Zugspannung üquiv. < Bewe
	gung

5% 0,95% 42°

20% 130% 56°

50

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 F i g. 2. Der maximale Mangangehalt liegt zwischen 17,5 und 30,5%. der bevorzugte Bereich zwischen 20 und 27,5%.
Die Legierungen wurden 0,5 h bei 1000"C gehalten und dann mit Wasser abgeschreckt. Die Verformung der Prüfkörper erfolgte durch Zug.

60

F) Eisenlegierung mit 15% Cr und 25% Mn

Beibehalicne	In der Wärme wiedergewinnbare
Spannung	Spannung
bei -196°	% Zugspannung äquiv. -i Bewe
	gung

4.6% 0,4% 18°

Diese Legierung ist bei —196°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. Die Verformung bei S70°C war keine in der Wärme wiedergewinnbare Spannung zu beobachten.

Beispiel 4

Das System Eisen-Chrom-Nickcl-Kobalt

Kobalt wirkt als Stabilisator des austenilisehen Gcfiiges in korrosionsbeständigen Stahlen. Es wurde festgestellt, daß Kobalt Eisen-Chrom-Nickel-Legierungcn bis zu 20% unter Aufrechterhallung des Rückstellvermö- 2< > gens zugesetzt werden kann, vorausgesetzt, daß die Chrom- und Nickelgehalte so eingestellt werden, daß eine geeignete Μ,-Tcmperatur vorliegt. Durch Zugabc von Kobalt erhält man bei Legierungen bis herunter zu 10% Cr eine Verbesserung hinsichtlich der in der Wärme wiedergewinnbaren Spannung. Dies ist der minimale Chromgehalt, bei dem in der Wärme wiedergewinnbare Spannung in tertiären Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen erreichbar ist. Die quaternären Legierungen Eisen-Chrom-Nickd-Kobalt mit in der Wärme wiedergewinnbaren Spannungen können anhand der F i g. 1 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 Nickelgeh&lt mußfürjeweils4%Coum 1% herabgesetzt werden. Die Legierungen wurden 0,5 h bei 1000°C gehalten und dann mit Wasser abgeschreckt. Nach Verformung durch Biegen bei — 196°C zeigten die Legierungen folgende Eigenschaften:

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

35

Beibehaltene Spannung bei In der Wärme wiedergewinn-

— i9&°C bare Spannung

< % Oberflachen- < % Oberflächen

spannung spannung

123° 2,92% 28° 0.64%

H) Eisenlegierungen mit 15% Cr. 15% Ni. 20% Co

Beibehaltene Spannung bei In der Wärme wiedergewinn-

— 196°C bare Spannung

< % Oberflächen- < % Oberflächen

spannung spannung

157° 3,74% 38° 0,90%

Beispiel 5
Das System Eisen-Chrom-Mangan-Kobalt ^ä5

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

Die Legierungen wurden 0,5 h bei 1000°C gehalten und mit Wasser abgeschreckt. Nach Biegen bei — 196°C ergaben sich folgende Eigenschaften:

1) Eisenlegierung mit 15% Cr, 15% Mn und 10% Co

Beibehaltene Spannung bei In der Wärme wiedergewinn-

— 196"C bare Spannung

5 < % Oberflächen-. < % Oberflächen

spannung spannung

143° 3,4% 41° 1.0%

¹⁰ Beispiel 6

Das System Eisen-Mangan

Wenn der Mangangehalt über 15% liegt, so kann man ein gewisses Ausmaß an in der Wärme gewinnbarer

¹⁵ Spannung erhalten, welche mit der Umwandlung des Austenits zu f-Martensit verbunden ist. Dies ist bei Legierungen mit 15 bis 35%, vorzugsweise 20 is 30%, Mangan möglich. Das Ausmaß der in der Wärme wiedergewinnbaren Spannung steigt, wenn Titan in entsprechenden Mengen, d.h. bis zu 5%, zugesetzt wird, welches ohne Änderung des Anteils an t-Martensit die M_s-Temperatur herabzusetzen vermag.

Die Legierungen wurden 0.5 h bei 1000° C gehalten und in Wasser abgeschreckt Die Legierung J enthielt 28% ²⁰ Mn und wurde durch Zug oder Biegung bei verschiedenen Temperaturen verformt und über die Aj-Temperatur aufgewärmt.

25

Verformungs- temp. "C	Beibehaltene Spannung	<	In der Wärme wiedergewinnbare Spannung % Zugspannung äquiv. < Bewegung	18° 22° 17°	15° 25°
-196 -196	5% 20%	109° 109° 136°	0,35% 0.55%	% Oberflächen spannung
		% Oberflächen- < spannung	038% 0.50% 0.37%
-70 + 20 + 100		2,6% 2.6% 3.24%

35

₄₀ K) Legierung mit 20% Mn und 3,75% Ti, Rest Eisen wurde bei —196° C durch Biegen

verformt.

Beibehaltene Spannung bei - 196° C in der Wärme wiedergewinnbare Spannung

< % Oberflächen- < »AOberflächen-

45 spannung spannung

131° 3.10% 68° 1,48%

50 B e i s ρ i e I 7

Das System Eisen-Mangun-Nickel

Den binären Eisen-Mangan-Legicningen kann unter Beibehaltung des Rückstellvermögcns in teilweisem 55 Ersatz des Mangans Nickel zugesetzt werden. Es wird Bezug genommen auf die F i g. 3. Der Bereich a zeigt den bevorzugten Bereich der Legierungszusammensetzung und der Bereich b überdeckt den Bereich der Legierungen, die dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen werden können.

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. ^b0 Die Legierungen wurden 0,5 h bei KMXTC gehalten, in Wasser abgeschreckt und anschließend bei - 196¹C durch Biegen verformt.

L) Legierung mit 15% Mn, 10% Ni, Rest Eisen

Beibehaltene Spannung bei	In der Wärme wiedergewinn
-196°C	bare Spannung
•i % Oberflächen	< % Oberflächen
spannung	spannung

128° 3,04% 49° 0,92%

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 mit 22,5% Ni wurde zu einem Blech, 0.5 mm, gewalzt, dann 15 min bei 850°C gehalten und in Wasser abgeschreckt, anschließend auf etwa —196°C abgekühlt und zu einem Bund aufgebuckelt. Bei Wiederaufwärmen auf 200°C streckte es sich, jedoch erreichte es nicht ganz die ursprüngliche Form. Bei einem Temperaturwechsel zwischen 200° und —196" C 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 bei - 196°C durch Biegen verformt.

Beibehaltene Spannung Inder Wärme wiedergewinnbare

bei-196⁰C Spannung

% Spannung <

3,72% 1,25% 52°

Beispiel 10
Titanlegierungen

Legierungen mit Elementen, die die /?-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, und die Legierungen zwischen Raumtemperatur und — 196°C kalt verformt werden oder wenn bei der Kaltverformung die^-Phase in eine spannungsinduzierte Martensitphase umgewandelt wird.

Die im folgenden beschriebenen Titanlegierungen wurden in Form von Blechen geprüft und dazu um 90° gebogen, entsprechend 2% Spannung an den Außcnbcrcichen bei tiefer Temperatur, worauf über di? A<-Temperatur erwärmt wurde. Alle Legierungen wurden von 850°C mit Wasser abgeschreckt.

1) Titanlegierungcn mit 8 bis 16%, vorzugsweise 14 bis 16%, Molybdän: Bei 14% Mo, Biegen um 90° bei -· 196°C und Aufwärmen auf Raumtemperatur erreichte man einen Rückstellwinkel von 20°.

2) Titanlegierungen mit 5 bis 10%, vorzugsweise 6 bis 7%, Mangan: Eine Titanlegierung mit 6% Mn wurde bei — 196°C um 90° gebogen und auf Raumtemperatur aufgewärmt und zeigte dann einen Rücksiellwinkel von 10°.

3) Titaniegierungen mit 30 bis 42%, vorzugsweise 32 bis 34%, Niob: Eine Legierung mit 34% Niob wurde bei -196°C um 90° gebogen und ergab einen Rückstellwinkel von 50°. Wurde sie bei 2O⁰C um 90° gebogen, so betrug der Winkel 40°.

Bei diesen Beispielen umfassen die weiten Bereiche Legierungen, in denen die untere Grenze die Zusammen-Setzung ist, bei der die/?-Phase bei Raumtemperatur erhalten bleibt, und die obere Grenze die Zusammensetzung ist, bei der die M₅-Temperatur unter — 196°C fällt. Die in der Wärme wiedergewinnbare Spannung tritt über einem weiten Temperaturbereich während des Aufwärmens auf, d. h. der Abstand zwischen den Temperaturen As und A_e ist groß. Darin verhalten sich die Titanlegierungen ähnlich den Eisenlegierungen.

Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Legierungen in der austenitischen Hochtemperaturphase mit hoher Geschwindigkeit kalt verformt. Dies führt zur zwischenzeitlichen Einwirkung von momentaner Belastung, so daß das Ausmaß der Spannung auf eine vorbestimmte Grenze beschränkt ist. Beispiele dafür sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Leg P

Langsame Einwirkung der Lasi Restspannung in-iier Wärme gewinnbare bei-l96°C Spannung

Vn Zug- üquiv.

Spannung < Bewegung

Schnelle Einwirkung der Last

Restspannung in der Wärme gewinnbare Spannung

bei -I%"C %Zug- äquiv.

spannung < Bewegung

5% 20%

5% 25% 20%

5%

Die Legierungen O bis T hatten folgende Zusammensetzung:

O,!!I5%	42°
0.85%	38°
0,55%	25"
0.55%	25°
1.J¹Vo	56°
O..75%	34°

5%	0,95%	42
Ii,6%	1,2%	52
11%	0,65%	30
lb.r.%	0,650/0	30
20%	1.55%	68
2.4%	1,050')	45

Cr

Ni

Mn

O ρ

O R S T

ι :i,5%

15% 20%

90/0 9%

5% 10%

9%

9%
17.5%
17,5%
17,5%

5% Mo

Fe

Rest Rest Rest Rest Rest Rest

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

Anstelle den Prüfkörper, der durch Zug bei — 196°C verformt wurde, ganz zu entlasten, kann eine Restspannuns verbleiben, wodurch der Prüfkörper beim Aufwärmen eine in der Wärme wiedergewinnbare Spannung zeigt. Diese wird jedoch mit steigender Spannung bis etwa zur Streckgrenze des Austenits bei erhöhter Temperatur xler knapp darüber geringer. Wenn diese Situation erreicht ist. nimmt der Prüfkörper seine ursprüngliche Gestalt nicht wieder ein. sondern dehnt sich aus. F.in Beispiel dafür ist die Legierung U mit 20% Cr. 15% Ni, Rest Eisen.

•Μι Kesi-	Während der	Heim Erwärmen;	iuf250" C	iiquiv.
spannung	Erwärmung	wiedergewinnbare Spannung	< Bewegung
bei - 19b C	beibehaltene	% Zug
	Spannung	spannung	45"
	N/cm-'		25°
14.6%		1.05%	1Γ
15,7%	7 030	0.55%	2°
15,6%	14 060	0.2%	0
15,8%	19 600	0.1%
15.4%	28 120	+ 0.1%

Das oben ausgeführte Verfahren der schnellen Einwirkung der Last und Aufwärmen unter Last ist anwendbar auf die Titanlegierungcn. die M.i.ngan-Niekcl-Legieru.igen. die Mangan-Kobalt-Lcgicrungcn wie auch auf die Eisenlegierungen.

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

I lieiz.ii i Blatt Zeichnungen

Claims

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 ii auf eine tiefere Temperatur fc und plastisches Verformen bei ti 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 Mi in einem anderen Element, welches die Stabilität des Metalls M\ in seiner Hochtemperaturphase vvergrößert, entweder beim Abkühlen eine Schiebungsumwandlung durchläuft, bei der ein im wesentlichen zellenförmig martensitisches Gefüge gebildet wird, oder beim Abkühlen in ihrer Hochtemperaturphase verbleibt, jedoch während einer Kaltverformung eine Schiebungsumwandlung durchläuft, wobei ein im wesentlichen zellenförmig martensitisches Gefüge gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß plastisch verfcrmt wird, wenn sich die feste Lösung über der Μ,-Temperatur und in ihrer HochtemDeraturphase befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß plastisch verformt wird, wenn sich die feste Lösung bei oder unter der Mj-Temperatur und teilweise in ihrer Hochtemperaturphase befindet.

β

4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf eine Eisenlegierung mit Chrom und

" Nickel und/oder Kobalt.

5. AiKr-endung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf eine Eisenlegierung mit Mangan und

H gegebenenfalls Titan oder Nickel.

fg_;

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

l§ Kobalt.

f|j

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf eine Titanlegierung mit Molybdän

§| 25 oder Mangan oder Niob.
ht