DE3206542A1

DE3206542A1 - "verfahren zur herstellung eines fertigteils aus einer ni/ti- oder ni/ti/cu-gedaechtnislegierung"

Info

Publication number: DE3206542A1
Application number: DE19823206542
Authority: DE
Inventors: Keith Dr. 5453 Busslingen Melton; Olivier Dr. 5400 Ennetbaden Mercier; Günther Dr. Birmenstorf Schroeder
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1981-03-13
Filing date: 1982-02-24
Publication date: 1982-11-11
Also published as: US4386971A

Description

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Verfahren zur Herstellung eines Fertigteils aus einer Ni/Ti- oder Ni/Ti/Cu-Gedächtnislegierung

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Pertigteils aus einer Gedächtnislegierung nach der Gattung des Anspruchs 1.

Pormgedachtnislegierungen des Ni/Ti-Typs und deren Eigenschäften sind aus der Literatur bekannt (z.B. CM. Jackson, H.J. Wagner and R.J. Wasilewski, 55 - Nitinol - The alloy with a memory: its physical metallurgy, properties and applications, NASA SP5110, p. 19-21).

Bei der Herstellung von Fertigteilen aus Gedächtnislegierungen auf der Basis von Nickel/Titan wird im allgemeinen von entsprechend vorgeformtem Halbzeug wie Stangen-, Rohr-, Band- und Blechmaterial ausgegangen. Entsprechende Abschnitte aus dem gewählten Vormaterial können prinzipiell durch spanabhebende Bearbeitung in das Endprodukt übergeführt werden.

Es wurde wohl auch schon versucht, konventionelle Warmverformurigsmethoden wie Gesenkschmieden etc. zu diesem Zweck heranzuziehen.

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In Anbetracht der Sprödigkeit und Härte sowie der mangelhaften Duktilität dieser Legierungen ist die spanabhebende Bearbeitung insbesondere für die Massenproduktion ungeeignet und unwirtschaftlich. Andererseits schlugen konventionelle Warmformgebungsverfahren bisher fehl, da hierzu sehr hohe Umformkräfte benötigt wurden und das Material im Zuge der Verformung weitgehend in seiner Struktur zerstört wurde. Es besteht daher ein eminentes Bedürfnis nach Entwicklung neuer kostengünstiger Verfahren insbesondere im Hinblick auf die vielfältige Verwendungsmöglichkeit von Fertigteilen aus Gedächtnislegierungen als Verbindungselemente.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Ni/Ti- und Ni/Ti/Cu-Pertigteile, insbesondere Verbindungselemente, anzugeben, welches einfach und wirtschaftlich ist und eine hohe Reproduzierbarkeitsgenauigkeit bezüglich Geometrie und physikalische Eigenschaften des Endproduktes gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Eine grobe Auswahl der bei der Anwendung des Verfahrens erzielbaren vielfältigen Formen ist in den nachfolgend erläuterten Figuren dargestellt.

Dabei zeigen:

Fig. 1 bis Fig. 6 einfachere sowie kompliziertere Verbindungselemente für Stab- und Rohrverbindungen,

Fig. 7 bis Fig. 12 kompliziertere spezielle Verbindungselemente für Stab-, Rohr- und Plattenverbindungen,

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Fig. 13 einen Aufriss und Längsschnitt eines beheizten zweiteiligen Presswerkzeuges inkl. Werkstück zur Erläuterung des Pressvorganges.

In den Figuren 1 bis 6 sind einige Ausführungsbeispiele von Verbindungselementen im Längsschnitt dargestellt, wobei man von einfachen Formen sukzessive auf kompliziertere kommt. Dabei ist in der oberen Hälfte der jeweiligen Figur die nicht durchbrochene Grundform, in der unteren Hälfte jedoch die gelochte bzw. durchbohrte abgeleitete Form gezeigt. Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Körper, wie er etwa als von aussen aufzusteckendes, bei Erwärmung über die Temperatur A„ (Ende Umwandlung in Austenit) sich zusammenziehendes Rohrabschlusselement Verwendung findet. Fig. 2 bezieht sich analog auf eine Stab/Stab-, Rohr/Rohr- oder Stab/Rohr-Verbindung. Ein Element nach Fig. 3 kann nach erfolgter Erwärmung über A„ und dadurch bewerkstelligter Ausdehnung als Rohrabschluss von innen her (Stopfen) bzw. als Verbindung Rohr/Platte verwendet werden. Fig. 4 zeigt ein Element mit Anschlag, welches u.a. als Rohrabschluss (obere Hälfte der Figur) oder als Stab/Stab-Verbindung (untere Hälfte der Figur) Verwendung finden kann. Zur Stab/Stab- bzw. Rohr/Rohr-Verbindung für zu verbindende Bauteile unterschiedlichen Durchmessers dient ein Element aus Gedächtnislegierung nach Fig. 5» wobei der Gedächtniseffekt durch Zusammenziehen des Elements in radialer Richtung wirksam wird.

Fig. 6 bezieht sich auf ein Verbindungselement für ¹I Stäbe bzw. ¹J Rohre, wobei der Gedächtniseffekt im ersten Fall allein durch Zusammenziehen, im zweiten Fall sowohl durch Zusammenziehen wie durch Ausdehnen zur Anwendung kommen kann.

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Die Figuren 7 bis 12 zeigen spezielle Verbindungselemente komplizierter Formen, welche illustrieren sollen, bis zu welchem Grad der Formveränderung das erfindungsgemässe Verfahren angewendet werden kann. Fig. 7 stellt ein als Rohrabschluss innen zu verwendendes, d.h. expansives Element mit Anschlag dar. Um der Elastizität und dem Abbau der inneren Spannungen sowie der Kerbwirkung Rechnung zu tragen, weist es einen sich in der Wandstärke verjüngenden, aussen zylindrisch, innen konisch verlaufenden Ansatz auf.

Fig. 8 zeigt ein ähnliches Element, das jedoch einen zusätzlichen mittleren, als Vollkörper ausgebildeten, zylindrischen Teil hat. Es eignet sich insbesondere für Platte/ Platte-Verbindungen anstelle von Nieten oder Schrauben. Das Element nach Fig. 9 kann als Rohr/Rohr- oder Rohr/ Platte-Verbindung unter Ausnützung der radialen Ausdehnung herangezogen werden. Fig. 10 zeigt ein Element für eine Stab/Platte-Verbindung. Der mittlere vollzylindrische Teil, welcher die Platte aufzunehmen hat, muss dabei expansiv, die vortragenden hohlzylindrischen Enden zur Befestigung der Stäbe hingegen kompressiv zur Wirkung kommen. Man kann jedoch auch entweder die Stäbe oder die Platte zusätzlich aus Gedächtnislegierung ausführen. In diesem Fall wirkt der Gedächtniseffekt des Verbindungselements nur in einer Richtung. Ein nur in einer Richtung (expansiv) wirkendes Rohr/Platte-Verbindungselement ist in Fig. 11 dargestellt. Fig. 12 zeigt ein speziell und strömungstechnisch günstig ausgebildetes Verbindungselement für eine abgesetzte (Durchmesserreduktion) Rohr/Rohr-Verbindung.

Es versteht sich von selbst, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf die Erzeugung der oben beschriebenen Elementformen beschränkt ist. Mittels des isothermen oder quasiisothermen ("hot die") Verfahrens lassen sich praktisch alle Arten von Verbindungselementen herstellen. Insbeson-

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dere ist das Verfahren keineswegs auf Formen kreisförmigen Querschnitts beschränkt. Der Querschnitt kann ebensogut elliptisch, dreieckig, quadratisch, rechteckig, sechs- oder achteckig ausgeführt werden.

In Fig. 13 ist der Pressvorgang anhand eines im Aufriss bzw. Längsschnitt dargestellten beheizten Presswerkzeuges inkl. Werkstück dargestellt. Die Figur soll lediglich dazu dienen, zu zeigen, welche Formen sich mit dem i fuithcrwpn Pressen bzvi. Pressen mit heiasen Matrizen ("hot die") noch verwirklichen lassen. 1 ist die Pressmatrize (untere Werkzeughälfte), 2 der Stempel in der Stellung zu Beginn und 3 der Stempel am Ende des Pressvorganges. H stellt einen Längsschnitt durch das Werkstück zu Beginn des Pressvorganges, also durch den in die Matrize 1 eingesetzten Rohling dar. 5 ist ein Längsschnitt durch das Werkstück am Ende des Pressvorganges, d.h. durch das Fertigteil, welches im vorliegenden Fall eine Thyristorkappe ist. Die ganze Figur ist rotationssymmetrisch aufzufassen. 6 ist eine (Induktions-)Heizung.

Ausführungsbeisgiel^

Siehe Fig. 13.

Nach üblichen schmelzmetallurgischen Verfahren wurde eine quaternäre Legierung folgender Zusammensetzung hergestellt:

Ti	HH	,25	Gew.
Ni	*= Hl*	,75	Gew.
Cu	=	5	Gew.
Fe		3	Gew.

Die in elementarer Form vorliegenden Komponenten wurden gereinigt, getrocknet und in einem Graphittiegel unter Vakuum eingeschmolzen. Dabei befand sich auf dem Tiegelboden ein

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Sumpf einer bereits vorgeschmolzenen Legierung der gleichen Zusammensetzung. Die Schmelze wurde in eine gekühlte Kupferkokille von konischer Form abgegossen. Der kegelstumpfförmige Gussbarren hatte einen Basisdurchmesser von 85 mm, einen Kopfdurchmesser von 70 mm und eine Höhe von 250 mm. Er wurde einer Homogenisierungsglühung knapp unterhalb der Soliduslinie, in vorliegendem Fall bei einer Temperatur von 1100 C, während einer Dauer von 4 h unter Argonatmosphäre unterzogen. Dafaufhin wurde der Barren einer thermomechanischen Bearbeitung unterworfen, indem er durch Pressen und Schmieden zunächst auf 45 mm Durchmesser und schliesslich auf einen Stab von 20 mm Durchmesser verformt wurde. Von diesem Stab wurden kreisrunde Scheiben von 8 mm Dicke und 19,5 mm Durchmesser abgedreht.

Je eine Scheibe wurde als Werkstück 4 in die Pressmatrize 1 gemäss Fig. 13 eingesetzt und durch Niederdrücken des Stempels 2 zu einem Fertigteil 5 verformt. Im vorliegenden Fall wurde eine Kappe für die Fassung eines Halbleiter-Bauelements hergestellt. Die Stempelkraft betrug 150 kN, die durchschnittliche Stempelgeschwindigkeit 0,1 mm/sec und die Werkstück- bzw. Werkzeugtemperatur isotherm 950 C. Nach der Entgratung wurde das Werkstück im vorliegenden Fall an den Endmassen noch sauber spanabhebend bearbeitet. Eine derartige zusätzliche mechanische Bearbeitung ist für die Fälle angezeigt, wo genaue Passungen mit engen Toleranzen verlangt werden. Sie macht jedoch nur einen verschwindend kleinen Bruchteil der Zerspannung aus gegenüber Werkstücken, die bisher aus dem Vollen ab Stangenmaterial herausgedreht werden mussten. In vielen Fällen erübrigt sich eine zusätzliehe mechanische Bearbeitung.

Das Ausführungsbeispiel soll dartun, wie mit dem erfindungsgemässen Verfahren der isothermen Formgebung dünnwandige

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Werkstücke komplizierter Form wirtschaftlich herstellbar sind.

Das Verfahren ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Es kann je nach Legierung und Werkstück im Temperaturbereich von 500° bis 1300°C durchgeführt werden. Dabei ist man nicht unbedingt auf isotherme Verformung (Werkzeugtemperatur = Werkstücktemperatur) angewiesen. Prinzipiell kann das Werkzeug auch kälter als das Werkstück sein. Ersteres soll jedoch eine Temperatur von mindestens 250 C haben. Die Temperaturdifferenz zwischen Werkstück und Werkzeug soll jedoch während des ganzen Verformungsvorganges höchstens 500 C betragen. Die Warmverformung zur Herstellung des Fertigteils kann prinzipiell durch Warmpressen oder Warmfliesspressen erfolgen.

Das Werkstück kann einen Boden oder eine Zwischenwand aufweisen, welche vor der Abkühlung auf den Punkt unterhalb der martensitischen Umwandlung sowohl im kalten wie im warmen Zustand mittels Stanzwerkzeug gelocht oder mittels spanabhebendem Werkzeug gebohrt wird.

Das Fertigteil wird nach der Formgebung abgekühlt und bei einer unterhalb Mg (Punkt der beginnenden martensitischen Umwandlung) liegenden Temperatur einer Kaltverformung unterzogen. Diese kann in einer Reduktion der Wandstärke des Werkstückes durch Drückwalzen oder Abstreckziehen oder einer Reduktion der Aussenabmessung durch Verjüngen, Einhalsen oder Drücken bestehen. Ferner kann die Kaltverformung eine Erweiterung einer Aussenabmessung durch Drücken oder Weiten oder eine Erweiterung einer Innenabmessung durch Weiten sein.

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Bezeichnungslist e

1 Pressmatrize

2 Stempel in Stellung zu Beginn des PressVorganges

3 Stempel in Stellung am Ende des PressVorganges

4 Werkstück (Rohling) zu Beginn des PressVorganges

5 Werkstück (Fertigteil) am Ende des PressVorganges

6 Heizung

Claims

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Patentansprüche

[1.j Verfahren zur Herstellung eines Pertigteils aus einer Ni/Ti- oder Ni/Ti/Cu-Gedächtnislegierung ausgehend von Halbzeug in Stangen- oder Drahtform wobei zur endgültigen Formgebung mehrere Verformungsschritte im warmen und kalten Zustand vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohling in Form eines Halbzeug-Abschnittes zunächst im Temperaturbereich von 500bis 1300⁰C einer Warmverformung unterworfen wird bei gleichzeitiger Einhaltung einer Werkzeugtemperatur, welche zwischen derjenigen des Rohlings und 250 C liegt, dass das auf diese Weise geformte Werkstück abgekühlt und bei einer Temperatur unterhalb des Punktes der martensitischen Umwandlung einer weiteren Kaltverformung unterworfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmverformung bei konstanter Werkstück- und Werkzeugtemperatur isotherm durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmverformung mit heissem Werkzeug durchgeführt wird, derart, dass die Temperaturdifferenz zwischen Werkstück und Werkzeug während des ganzen Verformungsvorgangs höchstens 500 C beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmverformung in einem Warmpressen oder in einem Warmfliesspressen besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterhalb des Punktes der martensitischen Umwandlung durchzuführende Kaltverformung in einer Reduktion

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der Wandstärke des Werkstückes durch Drückwalzen oder durch Abstreckziehen besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterhalb des Punktes der martensitischen Umwandlung durchzuführende Kaltverformung in einer Reduktion einer Aussenabmessung des Werkstückes durch Verjüngen oder Einhalsen oder Drücken besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterhalb des Punktes der martensitischen Umwandlung durchzuführende Kaltverformung in einer Erweiterung einer Aussenabmessung durch Drücken oder Weiten besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterhalb des Punktes der martensitischen Umwandlung durchzuführende Kaltverformung in einer Erweiterung einer Innenabmessung durch Weiten besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück einen Boden oder eine Zwischenwand besitzt, welche vor der Abkühlung auf den Punkt unterhalb der martensitischen Umwandlung im kalten oder warmen Zustand mittels Stanzwerkzeug gelocht oder mittels, spanabhebendem Werkzeug gebohrt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass als Werkstück ein rotationssymmetrisches Verbindungselement mit kreisförmigen Querschnitten erzeugt wird.