DE2133103A1 - Sich in der Hitze erholende Leigierung - Google Patents
Sich in der Hitze erholende LeigierungInfo
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Description
Dr. Ing. Walter Abitz ο λ q q 1 η ο
Dr. Dieter F. Morf z '0^ IUJ
t)r. Hans-A. Brauns
RAYCHEM CORPORATION
300 Consititution Drive, Menlo Park, Calif. 94025,
V.St.A.
Sich in der Hitze erholende Legierung
Die vorliegende Erfindung "betrifft Legierungen, insbesondere solche Legierungen, denen die Eigenschaft der Hitzeerholung
verliehen werden kann.
In der deutschen Patentanmeldung P 20 41 807*9>
angemeldet am 22. August 1970 (belgisches Patent Nr. 755 271) wurde
eine sich in der Hitze erholende Metallkupplung bzw. -muffe (coupling) vorgeschlagen, die insbesondere für die Verwendung
auf hydraulischen Leitungen in Luftfahrzeugen geeignet ist. Die Anforderungen, die an eine solche Kupplung gestellt
werden, sind zahlreich. Zunächst wird verlangt, dass sie sich in der Hitze erholen kann,"d. h. dass sie sich bei der Anwendung
von Hitze allein aus einer hitzeinstabilen Konfiguration in eine hitzestabile Konfiguration regeneriert.
Es wurde gefunden, dass bestimmten Legierungen diese Eigen-
— 1 —
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schaft der Hitzeerliolung verliehen werden kann, wenn sie
unter der hitzestabilen Bedingung, während sie sich im austenitisehen Zustand befinden, geformt, dann abgekühlt,
bis sie in den mart ensi ti sehen Zustand übergehen, und dann umgeformt werden, während sie im mart ensi ti sehen Zustand gehalten
werden. Beim Erhitzen auf eine Temperatur, bei der die Legierung wiederum in den austenitisehen Zustand umgewandelt
wird, kehrt der geformte Gegenstand zu seiner ursprünglichen Konfiguration zurück.
Insoweit als eine Legierung in ihrem austenitischen Zustand
beträchtlich fester ist als in ihrem martensitisehen Zustand
und die mechanischen Eigenschaften der Austenits daher für Kupplungen geeigneter sind als diejenigen des Martensits,
ist ein zweites Erfordernis für eine Legierung, die für die Verwendung in einer Kupplung geeignet ist, das, dass ihre
Übergangstemperatur, d. h. diejenige Temperatur (genauer gesagt, derjenige Temperaturbereich), bei der sie aus ihrem
austenitisehen Zustand in ihren martensitisehen Zustand
übergeht, unterhalb jeglicher zu erwartender Betriebstemperatur
der Kupplung liegen muss. Ausserdem muss natürlich das Material, aus welchem die Kupplung hergestellt ist, von
Natur aus eine Streckgrenze aufweisen, die ausreicht, um die Betriebsbedingungen auszuhalten, denen das Material auszusetzen
ist. Im Widerspruch zu der Forderung nach Festigkeit steht jedoch .die Forderung nach geringem Gewicht. Dies
trifft insbesondere für solche Kupplungen zu, die in Luftfahrzeugen verwendet werden sollen. Erwünscht ist eine Legierung,
aus der eine Kupplung hergestellt werden kann, welche die höchstmögliche Festigkeit und ein möglichst niedriges
Gewicht aufweist. Die Legierung muss auch hinlänglich verarbeitbar sein, damit sie zu Teilen verformt werden kann,
und darf nicht zu spröde sein.
In der Vergangenheit wurden verschiedene Legierungen aus Titan und Nickel offenbart, denen die Eigenschaft der Hitze-
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erholung verliehen werden kann. Beispiele für solche Legierungen
findet man in den US-Patentschriften 3 174- 851 und
5 351 463. Die' in diesen Patentschriften offenbarten Legierungen
sind "binäre Legierungen; ternäre Legierungen wurden aber auch schon vorgeschlagen (vgl. beispielsweise den Aufsatz
von Goldstein, Buehler und Wiley, der den Titel "Effects of alloying upon certain properties of 55-1 Nitinol" trägt
und vom U.S. Naval Ordnance Laboratory, White Oak, Maryland,
als NOLTE 64-235 im August 1965 veröffentlicht wurde. Keine
der in diesen Patentschriften und Veröffentlichungen offenbarten Legierungen lässt sich jedoch zufriedenstellend in
Kupplungen oder anderen Vorrichtungen für Luftfahrzeuge ver- (| wenden, weil diese Legierungen nicht die oben erörterte,
erforderliche ELgenschaftskombination aufweisen und besonders mangelhaft hinsichtlich ihrer tJbergangstemperaturen
sind, die in den meisten Fällen oberhalb derjenigen Temperatur, welche allgemein als der aus Sicherheitsgründen
höchstzulässige Wert, nämlich -33ι9° C>
angesehen wird, und in den meisten Fällen wesentlich oberhalb dieser Temperatur
liegen. In denjenigen wenigen Fällen, in denen die Übergangstemperatur der Legierungen leidlich dicht bei der gewünschten
liegt, haben sie nur eine verhältnismässig niedrige Streckgrenze und machen daher die Verwendung· eines wesentlichen
Metallvolumens mit dem Ergebnis erforderlich, dass M die Teile schwerer als erwünscht sind.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Legierung bereitgestellt,
welche, abgesehen von in ihr enthaltenen Verunreinigungen, aus 49,1 bis 50,2 Atom% Titan, 2,1 bis 4,7
Atora% Eisen und im übrigen aus Nickel besteht.
Durch die vorliegende Erfindung wird auch ein sich in der Hitze erholender Gegenstand, insbesondere eine hydraulische
Kupplung der in der deutschen Patentanmeldung P 20 41 807.9 (belgisches Patent Nr. 755 271) beschriebenen und beanspruchten
Art, der bzw. die aus der Legierung hergestellt ist, bereitgestellt.
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Die Übergangstemperatur der erfindungsgemässen Legierung liegt
unterhalb Jeglicher Temperatur, die während des Betriebes von Luftfahrzeugen zu erwarten sind. Ausserdem kann die Legierung
innerhalb der von angemessenen Herstellungsverfahren abgesteckten Grenzen verarbeitet werden, ist nicht spröde
und unterliegt nicht der Versprödung und weist ein hohes
Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf. Die Legierung ist somit für die Verwendung- ins Luftfahrzeugen annehmbar und
besonders nützlich für die Konstruktion von hydraulischen Kupplungen, die für eine solche Verwendung bestimmt sind.
Die wünschenswerteste Legierung erhält man, wenn der Eisengehalt zwischen 3,2 und 3 »6 Atom% liegt. Die letztere Legierung
wird das höchste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisen, das mit der verlangten Übergangs temp era tür verträglich
ist, und doch noch eine praktische Behandlung mit dem Ziel gestatten, der Legierung Hitzeerholung zu verleihen.
Vom praktischen Standpunkt aus muss die Legierung eine Übergangstemperatur aufweisen, die oberhalb derjenigen von
flüssigem Stickstoff liegt. Wenn ihre Übergangstemperatur niedriger ist, wird es wirtschaftlich unpraktisch, wenn nicht
gar unmöglich, die Legierung während der Umformung und Installation des aus ihr hergestellten Teils in ihrem martensitischen
Zustand zu halten.
Die üblichsten Verunreinigungen in Nickel-Titan-Legierungen sind Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff. Im typischen
Falle liegen die Konzentrationsniveaus dieser Verunreinigungen für Kohlenstoff bei 0,02 Gew.%, für Stickstoff bei
0,004 Gew.% und für Sauerstoff bei 0,07 Gew.%, und vermutlich können diese Niveaus, ohne den nützlichen Eigenschaften der
Legierung abträglich zu sein, auf 0,1 Gew-%, 0,2 Gew.% bzw. 0,2 Gew.% erhöht werden. Es scheint auch, dass eine Sättigung
der festen Legierung mit Wasserstoff keine bedeutende Eigenschaftsverschlechterung
verursacht.
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Viele andere Elemente können entweder einzeln oder gemeinsam bis zu einem Gesamtniveau an Verunreinigungen von 0,5 Gew.%
zugegeben sein, ohne die Struktureigenschaften der Legierung herabzusetzen. Erwähnt seien unter derartigen Elementen Metalle,
z. B. Aluminium, Kupfer, Tantal, Molybdän, Chrom, Niob, Vanadium, Kobalt und Mangan, wie auch das Nichtmetall
Silicium.
■- · ♦
Natürlich stellen die oben genannten Toleranzniveaus für Verunreinigungen annehmbare Grenzen dar, unterhalb denen
kein Verlust an struktureller Fehlerlosigkeit der Grundlegierung
auftritt. Jede Verunreinigung hat einen gewissen f Einfluss auf die Übergangstemperatur, und es ist einzusehen,
dass dieser Einfluss in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung der Legierung in Rechnung gestellt werden muss.
Die folgenden Beispiele veranschaulisehen die Herstellung und
die Eigenschaften der erfindungsgemässen Legierung.
Beispiel 1
Streifen gleicher Breite und Länge wurden aus einem Blechvorrat von Nickel (International Nickel 270), Titan (Titanium
Metals Corporation 35A) und Eisen (99,9%ige. Reinheit) ^
ausgeschnitten. Die Streifen wurden zur Entfernung von jeglichem Staub oder Fett gereinigt, gewogen und derart zu Bündeln
vereinigt, dass die Elemente in jedem Querschnitt durch
die Längsachse des Bündels im Verhältnis von 50 Atom% Titan
zu 3 Atom% Eisen zu 4-7 Atom% Nickel vorlagen. Das Bündel wurde
dann in die Kammer einer Lepel HCP-F-Schwebezoneneinheit gehängt.
Die Kammer wurde evakuiert und dann mit hochreinem Argon bis fzu einem"D'?uck von ΐ Atmosphäre gefüllt. Die Arbeits-
weise wurde zweimal wiederholt. Nach der dritten Füllung
wurde ein Druck von +0,2109 atü (+3 p.s.i. gauge) eingestellt und während des Schmelzens aufrechterhalten, um den Zustrom
von Luft auf ein Mindestmass zu beschränken.
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Das untere Ende der Probe wurde durch eine eine einzelne Windung
aufweisende Induktionsspule erhitzt, die an die Sekundärwindung eines an die Belastung angepassten 12 : 1-Abwärtstransformators
angeschlossen war, wobei die Primärwindung durch eine Lepel-Hochfrequenzinduktions-Heizeinheit (Modell
T-1O-3-DF-E-H), die im Kilohertz-Bereich betrieben wurde,
gespeist wurde. Durch die Kombination aus Induktionsheizung und der Bildungswärme der intermetallischen Verbindung
wurden die Metalle rasch aufgeschmolzen. Die
herabfallenden Legierungströpfchen wurden in einer kalten Kupferform
gesammelt. Das Bündel wurde dabei so lange in die Induktionsspule hineingeschoben, bis es vollständig geschmolzen
und in der Form gesammelt war. Nach dem Abkühlen wurden die Kupferform und der tropf gegossene Barren aus der
Kammer herausgenommen, und die Form wurde abgestreift.
Der durch Tropfgiessen gebildete Barren, der einen halbkompakten Zylinder darstellte, wurde in die Kammer zurückgebracht,
und, wie zuvor, wurde eine Argon-Atmosphäre geschaffen. Eine geschmolzene Zone wurde unter Anwendung der Schwebezone-Methode
mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 cm/Min. von dem unteren Ende zu dem oberen Ende hin an dem Barren
entlang geführt, um eine mögliche Verunreinigung durch einen
Schmelztiegel zu vermeiden.Das Produkt war ein homogener, von Leerstellen freier Legierungsstab mit einem Durchmesser
von etwa 2 cm und einer Länge von 12 cm.
Die Zusammensetzung der erfindungsgemässen Legierung kann anhand
einer Fläche auf dem Titan-Nickel- und Eisen-Phasendiagrainm beschrieben werden. Die allgemeine Fläche, in welcher die Legierung
auf dem Phasendiagramm liegt, wird durch den umkreisten Teil der Fig. 1 der beigeschlossenen Zeichnungen wiedergegeben.
Diese Fläche: des Phasendiagramms ist in der Fig. 2 vergrössert dargestellt. Die Zusammensetzungen an den Ecken
des Vierecks in der Fig. 2 werden in der Tabelle I angegeben.
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0? a be 1 1 e I
Atomprozent | |
it an | Nickel |
49,1 | 47,3 |
49,1 | 48,8 . |
50,2 | 46,8 * * |
50,2 | 45,1 |
Eisen
A 49,1 47,3 3,6
B 49,1 48,8 . 2,1
C 50,2 .%46,8 3,0
D 50,2 %45,1 4,7
Ausser nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren können erfindungsgemässe Legierungen aus ihren Bestandteilen nach
anderen Verfahren hergestellt werden, die für eine Behandlung von Legierungen mit hohem Titangehalt geeignet sind.
Die Einzelheiten dieser Verfahren und die Vorkehrungen, welche notwendig sind, um Sauerstoff und Stickstoff entweder
durch das Arbeiten in einer inerten Atmosphäre oder in einem Vakuum auszuschliessen, sind dem Fachmann geläufig und werden
deshalb hier nicht wiederholt.
Es scheint jedoch, dass, wie oben erörtert, Legierungen, die durch die beschriebenen Verfahren und unter Verwendung
der beschriebenen Stoffe erhalten worden sind, geringe Mengen an anderen Elementen einschliesslich Sauerstoff und Stickstoff
in Gesamtmengen von etwa 0,05 t>is 0,2 % enthalten.
Die Wirkung dieser Stoffe ist im allgemeinen eine Herabsetzung der Martensit-Umwandlungstemperatur der Legierungen.
In einem "AIRCO-Temescal"-Elektronenstrahlofen (900 kW)
wurden Stabbündel, wie sie in Beispiel 1 beschrieben wurden, und die 49,6 Atom% Titan, 47,2 Atom% Nickel und 3,2 Atom%
Eisen enthielten, aufgeschmolzen. Bei der Analyse wurde · gefunden, dass der sich ergebende Barren dieselben relativen
Mengenverhältnissen aufwies.
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Die Eigenschaften der sich ergebenden Legierung waren die folgenden:
Ms -88° C bis -118° C
Streckpunkt bei Raum- 2
temperatur 4640 bis 5550 kg/cm
(66,000 psi to 79,000 psi)
Dehnung .. , %20 %
Härte Bockwell A 60 bis 64
Proben der Masse waren heiss bearbeitbar, konnten mit der ft Maschine bearbeitet werden und zeigten keine Neigung zum
Verspröden.
Die Legierung konnte sich auch zu mindestens 5 °/° erholen.
Eine aus der Legierung hergestellte, hydraulische Kupplung beispielsweise wurde mit einem hitzeinstabilen Durchmesser
versehen, der um 8 % grosser als der liitzestabile Durchmesser war.
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Claims (5)
1. Legierung, "bestehend aus - von Verunreinigungen abgesehen -
49.1 bis 50,2 Atom% Titan, 2,1 bis 4,7 Atom% Eisen und
aus Nickel als Best«
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
sie 3>2 bis 3,6 Atom% Eisen enthält.
3. Titan-Nickel-ELsen-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass ihre Zusammensetzung in eine Fläche i fällt, die auf einem ternären Titan-Nickel-Eisen-Phasendigramm
von einem Viereck umschlossen wird, dessen erste Ecke bei 49,1 % Titan, 47,3 % Nickel und 3,6 % Eisen,
dessen zweite Ecke bei 49,1 % Titan, 48,8 % Nickel und 2,1 % Eisen, dessen dritte Ecke bei 50,2 % Titan, 46,8 %
Nickel und 3»O % Eisen und dessen vierte Ecke bei
50.2 % Titan, 45,1% Nickel und 4,7 % Eisen liegen.
4. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung eines sich in der Hitze erholenden
Gegenstandes.
5. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Gegenstand eine Kupplung ist.
Q_
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