DE3326890C2 - - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/006—Resulting in heat recoverable alloys with a memory effect
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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- C22C9/00—Alloys based on copper
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Description
Die Erfindung betrifft Legierungen mit Formgedächtnis
(Shape-Memory-Legierungen) auf Kupferbasis, die hohe
Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsbruch sowie hohe
Duktilität besitzen und die insbesondere hohe Deformierbarkeit
in der Martensitphase zeigen.
Der Form-Erinnerungseffekt (Shape-Memory-Effekt) von
Legierungen mit Formgedächtnis (Shape-Memory-Legierungen)
ist auf den Übergang aus der bei hohen Temperaturen
vorliegenden β-Phase in die thermoelastische Martensitphase
bei niederen Temperaturen zurückzuführen.
Dieser Effekt ist entweder irreversibel oder reversibel.
Anwendungszwecke, bei denen der irreversible Formgedächtnis-Effekt
ausgenutzt wird, finden sich bei Anschlußteilen
und Kupplungen und zu Anwendungszwecken
unter Ausnutzung der reversiblen Effekts gehören Fenster-
Öffnungsvorrichtungen, Ventilschalter, thermisch
gesteuerte Wasser-Sprinkler und Sicherheitsschalter
sowie thermisch angetriebene Vorrichtungen, wie Wärme
kraftmaschinen.
Typische Formgedächtnis-Legierungen, die industriell
für die vorstehend erwähnten Anwendungszwecke angewendet
werden können, sind Cu-Zn-Al-Legierungen, die
im wesentlichen aus 10 bis 45 Gew.-% Zn und 1 bis
10 Gew.-% Al und zum restlichen Anteil aus Cu und zufälligen
Verunreinigungen bestehen. Jedoch sind diese Formgedächtnis-
Legierungen auf Kupferbasis nicht sehr verläßlich,
weil sie niedere Duktilität sowohl bei hohen
Temperaturen (β-Phase) als auch bei niederen Temperaturen
(Martensit-Phase) besitzen und daher zum Ermüdungsbruch
neigen. Die geringe Duktilität der Martensitphase
führt dazu, daß diese Phase geringe Deformierbarkeit
besitzt. Der Formgedächtnis-Effekt von Form
gedächtnis-Legierungen besteht jedoch in einer Deformation
in der Martensitphase bei niederen Temperaturen
und in der Rückkehr in die ursprüngliche Gestalt
in der β-Phase bei erhöhten Temperaturen; daher
hängt das Verhalten von Formgedächtnis-Legierungen
weitgehend von der Deformierbarkeit der Martensitphase
ab. Wenn die Deformierbarkeit der Martensitphase
gering ist, wird die Wiederherstellung der ursprünglichen
Gestalt verringert und die gewünschte Arbeitsleistung
ist nicht erzielbar. Diese Gesetzmäßigkeit
stellt einen begrenzenden Faktor bei der Gestaltung
von industriellen Vorrichtungen dar, in denen
Formgedächtnis-Legierungen auf Kupferbasis angewendet
werden.
Eine lötbare Formgedächtnis-Legierung, die 0,5 bis 4 Gew.-%
Nickel, 6 bis 15 Gew.-% Aluminium, 1 bis 25 Gew.-% Zink und 65
bis 85 Gew.-% Kupfer enthält, wobei die Summe von Aluminium und
Zink größer als 15 und kleiner als 31 Gew.-% ist, beschreibt
EP-A 00 09 266. Es findet sich jedoch kein Hinweis auf eine
erhöhte Deformierbarkeit, verbesserte Ermüdungsbruchfestigkeit
oder Duktilität.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die
üblichen Kupferlegierungen mit Formgedächtnis in der
Weise zu verbessern, daß sie erhöhte Duktilität und
Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsbruch sowie erhöhte
Deformierbarkeit der Martensitphase aufweisen
(diese Eigenschaft wird nachstehend der Einfachheit halber nur
als "Deformierbarkeit" bezeichnet). Im Verlauf der zu diesem
Zweck durchgeführten Untersuchungen wurde gefunden, daß diese
Aufgabe unter Verwendung von
Legierungen auf Kupferbasis, denen zusätzlich Titan und
mindestens eines der Elemente Eisen, Nickel und Kobalt
zugesetzt ist, gelöst werden kann. Auf diese Weise wird eine
Struktur ausgebildet, in der die Körner einer intermetallischen
Verbindung, die hauptsächlich aus Ti-(Fe, Ni und Co)
besteht, gleichförmig in der Matrix verteilt sind. Diese
intermetallische Verbindung ist thermisch sehr stabil und
bildet keine feste Lösung in der Matrix, selbst wenn die
Legierung auf hohe Temperaturen wie 900°C erhitzt wird.
Darüber hinaus bleibt der Phasenübergang der Legierung selbst
dann stabil, wenn diese variierenden Bedingungen des Erhitzens
und der Bearbeitung unterworfen wird. Diese Legierung
zeigt daher erhöhte Deformierbarkeit und gewährleistet
gleichzeitig verbesserte Ermüdungsbruchfestigkeit aufgrund
des Vorliegens der intermetallischen Verbindung.
Eine gewöhnliche Kupfer-Zink-Legierung, deren mechanische
Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit durch die Zugabe von
Titan und mindestens eines der Elemente Nickel oder Aluminium
verbessert wurde, ist in US-PS 37 03 367 beschrieben.
Die Patentschrift gibt jedoch keinen Hinweis auf ein Formgedächtnis
oder eine erhöhte Deformierbarkeit der Legierung.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Formgedächtnis-Legierung
auf der Basis von Kupfer mit Zink und Aluminium, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus 10 bis 45 Gew.-% Zink,
1 bis 10 Gew.-% Aluminium, 0,05 bis 2 Gew.-% Titan, 0,05 bis 2
Gew.-% Kobalt und Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen
besteht.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung einer
Legierung aus 10 bis 45 Gew.-% Zink, 1 bis 10 Gew.-% Aluminium,
0,05 bis 2 Gew.-% Titan, 0,05 bis 2 Gew.-% Eisen, Nickel
und/oder Kobalt sowie Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen
als Formgedächtnis-Legierung.
Die kritische Bedeutung des Anteils jeder Komponente der erfindungsgemäßen
Legierung wird wie folgt erläutert:
(a) Zn und Al
Diese Elemente sind zum Erzielen des Formgedächtnis-Effekts notwendig. Dieser Effekt wird nicht erreicht, wenn der Zinkgehalt weniger als 10% und der Aluminiumgehalt weniger als 1% beträgt. Aluminium ist außerdem wirksam zur Regelung der Deformation der Martensitphase und zur Verhinderung des Zinkverlustes bei erhöhten Temperaturen. Dies ist ein anderer Grund dafür, daß Aluminium in einer Menge von 1 Gew.-% oder darüber vorhanden sein muß. Wenn in der Legierung mehr als 45% Zink und mehr als 10% Aluminium enthalten sind, wird diese spröde. Die Gehalte an Zink und Aluminium sind daher in den Bereichen von 10 bis 45 Gew.-% Zn und 1 bis 10 Gew.-% Al festgelegt.
Diese Elemente sind zum Erzielen des Formgedächtnis-Effekts notwendig. Dieser Effekt wird nicht erreicht, wenn der Zinkgehalt weniger als 10% und der Aluminiumgehalt weniger als 1% beträgt. Aluminium ist außerdem wirksam zur Regelung der Deformation der Martensitphase und zur Verhinderung des Zinkverlustes bei erhöhten Temperaturen. Dies ist ein anderer Grund dafür, daß Aluminium in einer Menge von 1 Gew.-% oder darüber vorhanden sein muß. Wenn in der Legierung mehr als 45% Zink und mehr als 10% Aluminium enthalten sind, wird diese spröde. Die Gehalte an Zink und Aluminium sind daher in den Bereichen von 10 bis 45 Gew.-% Zn und 1 bis 10 Gew.-% Al festgelegt.
(b) Titan verbindet sich mit Kobalt unter Bildung einer
intermetallischen Verbindung mit den primären Komponenten
Ti, Co. Die Körner dieser intermetallischen Verbindung
sind gleichförmig in der Legierungsmatrix dispergiert.
Außerdem ist diese intermetallische Verbindung thermisch
stabil. Die Legierung wird daher mit verbesserter
Duktilität, Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsbruch und
Deformierbarkeit ausgestattet. Wenn der Gehalt jedes der
Elemente Titan oder Kobalt weniger als 0,05 Gew.-%
beträgt, ist die Menge der kristallisierenden intermetallischen
Verbindung nicht ausreichend, um deren
Vorteile zum Tragen zu bringen. Wenn der Gehalt jedes der
Elemente Titan oder des Kobalts 2% überschreitet, wird
eine zu große Menge der intermetallischen Verbindung
gebildet und die Duktilität der Martensitphase vermindert.
Gemäß der Erfindung ist daher der Gehalt jedes der
Elemente Titan und Kobalt auf den Bereich von 0,05 bis 2
Gew.-% festgelegt.
Das Gesagte trifft ebenfalls auf die erfindungsgemäße
Verwendung der in Anspruch 1 beschriebenen Legierung zu,
wobei sich Titan mit mindestens einem der Elemente Eisen,
Nickel oder Kobalt unter Bildung einer intermetallischen
Verbindung mit den primären Komponenten Ti-(Fe, Ni, Co)
verbindet.
Die Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von
Beispielen genauer erläutert.
17 Legierungsproben und 3 Vergleichsproben
der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung wurden
durch Schmelzen an der Luft in einem Hochfrequenz-Induktionsofen
aus einem Gemisch aus Elektrolytkupfer, Elektrolytzink,
Aluminium einer Reinheit von 99,99%, reinem Titan,
einer Cu-Fe-Grundlegierung (30% Fe), Elektrolytnickel
und Elektrolytcobalt hergestellt. Diese Legierung wurde
zu einem Barren vergossen, der zur Ausbildung von zwei
Platten, wovon eine eine Dicke von 15 mm und die andere
eine Dicke von 1 mm hatte, heiß geschmiedet und heiß gewalzt
wurde. Jede Platte wurde eine Stunde bei 600 bis 900°C
gehalten und mit Wasser abgeschreckt.
Aus jeder Platte mit einer Dicke von 15 mm wurden zylindrische
Prüfkörper mit einem Durchmesser von 4,5 mm hergestellt
und diese bei Raumtemperatur dem Verwindungs-
Biege-Ermüdungstest (rotary bending fatigue test) bei
Raumtemperatur unterworfen. Jeder Prüfkörper hatte bei
Raumtemperatur die β-Struktur. Aus jeder der 1 mm dicken
Platten wurden Prüfkörper mit einer Breite von 3 mm, einer
Länge von 300 mm und einer Dicke von 1 mm hergestellt.
Nach dem Abkühlen dieser Prüfkörper zur Überführung in
die Martensitphase wurden die Prüfkörper einem Biegetest
um 180° unterworfen, wobei Rundstäbe mit unterschiedlichen
Durchmessern verwendet wurden. Bei dem Verwindungs-
Biege-Ermüdungstest wurde die Zeitfestigkeit für 10⁶ Biegungen
und die Anzahl der Biegungen, welchen die Prüfkörper
bei einer Belastung von 88.29 N/mm² unterworfen wurden,
bis sie brachen, gemessen. Bei dem 180°-Biegetest wurde
der Durchmesser des dünnsten Stabes gemessen, um den
jeder Prüfkörper über sich selbst abgebogen werden konnte,
ohne daß Risse auftragen. Die Ergebnisse der beiden Tests
sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1 zeigt, daß die erfindungsgemäß verwendeten Legierungsproben 1 bis 12, 15 bis 17 ebenso wie die erfindungsgemäßen Legierungsproben 13, 14
hohe Duktilität, hohe Beständigkeit gegen Ermüdungsbruch
und gute Deformierbarkeit haben. Die Vergleichsproben
Nr. 1 bis 3, die keines der Elemente Ti, Fe,
Ni oder Co enthielten, waren jedoch im Hinblick auf diese
Eigenschaften den Proben Nr. 1 bis 17 unterlegen.
Es ist demnach klar ersichtlich, daß die erfindungsgemäße
Kupferlegierung gemäß Anspruch 2 mit Formgedächtnis, welche derart verbesserte
Eigenschaften besitzt, bei der industriellen Anwendung
hohe Verläßlichkeit zeigt. Dies gilt gleichermaßen
für die Verwendung einer Legierung aus Kupfer, Zink,
Aluminium, Titan, Eisen, Nickel und/oder Kobalt mit zufälligen
Verunreinigungen als Formgedächtnis-Legierung
gemäß Anspruch 1.
Claims (2)
1. Verwendung einer Legierung aus
10 bis 45 Gew.-% Zink,
1 bis 10 Gew.-% Aluminium,
0,05 bis 2 Gew.-% Titan,
0,05 bis 2 Gew.-% Eisen, Nickel und/oder Kobalt sowie
Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen
als Formgedächtnis-Legierung.
10 bis 45 Gew.-% Zink,
1 bis 10 Gew.-% Aluminium,
0,05 bis 2 Gew.-% Titan,
0,05 bis 2 Gew.-% Eisen, Nickel und/oder Kobalt sowie
Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen
als Formgedächtnis-Legierung.
2. Formgedächtnis-Legierung auf der Basis von Kupfer mit
Zink und Aluminium, gekennzeichnet dadurch, daß
sie aus
10 bis 45 Gew.-% Zink,
1 bis 10 Gew.-% Aluminium,
0,05 bis 2 Gew.-% Titan,
0,05 bis 2 Gew.-% Kobalt sowie
Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen
besteht.
10 bis 45 Gew.-% Zink,
1 bis 10 Gew.-% Aluminium,
0,05 bis 2 Gew.-% Titan,
0,05 bis 2 Gew.-% Kobalt sowie
Kupfer als Rest mit zufälligen Verunreinigungen
besteht.
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JP57130071A JPS6045696B2 (ja) | 1982-07-26 | 1982-07-26 | 銅系形状記憶合金 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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- 1983-07-20 US US06/515,685 patent/US4472213A/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
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GB8319671D0 (en) | 1983-08-24 |
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