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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Cu-Zn-Al(6%)-Formgedächtnislegierung
mit niedriger Martensitumwandlungstemperatur und auf ein Verfahren
zum Absenken der Martensitumwandlungstemperatur.
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ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
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Cu-Zn-Al-Formgedächtniseffekt
(SME)-Legierungen sind vielversprechende und praktische sowie intelligente
Konstruktionsmaterialien. (Wayman C. M., Journal of Metals, 32 (Juni
1980), S. 129–137
und Michael A. D. & Hart
W. B. Metal Material Technology, 12 (1980), S. 434–440) Diese
haben aufgrund ihrer geringen Kosten und leichten Herstellung verglichen
mit Nitinol viel Aufmerksamkeit erregt (White S. M., Cook J. M. & Stobbs W. M.,
Journal De Physique, C4 (ICOMAT-82), S. 779–783. Nitinol besitzt jedoch überlegene
Eigenschaften, eine lange Dauerhaltbarkeit und ist biokompatibel.
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Im
zentralen Teil des Periodensystems, Golestaneh A. A., Physics Today
(April 1984), S. 62–70,
befinden sich etwa zwanzig Elemente, deren Legierungen ein Formgedächtnis aufweisen,
wie z.B. Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Al-Ni, Cu-Al-Mn, Cu-Au-Zn, Cu-Sn, Cu-Au-Sn,
Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Ga, Cu-Zn-Si, In-Ti, Ni-Al, Ni-Ti,
Fe-Pt, Fe-Pd etc. (Wayman C. M., Journal of Metals, 32 (Juni 1980),
S. 129–137
und Michael A. D. & Hart
W. B. Metal Material Technol., 12 (1980), S. 434–440.
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Formgedächtnislegierungen
(SMA) besitzen eine einzigartige Eigenschaft, d.h., diese Materialien
erinnern sich an ihre früheren
Formen/Konfigurationen. Die wichtigen charakteristischen Eigenschaften
dieser Legierungen bestehen in ihrer Fähigkeit, in zwei verschiedenen
Formen oder Konfigurationen oberhalb oder unterhalb einer bestimmten
kritischen Umwandlungstemperatur zu existieren. Sie macht eine diffusionslose Martensitumwandlung
durch, Golestaneh A. A., Physics Today (April 1984), S. 62–70, welche
von ihrer Beschaffenheit her auch thermoelastisch ist, d.h., unterhalb
der kritischen Temperatur entsteht und wächst ein Martensitgefüge, während die
Temperatur abgesenkt wird, wohingegen das Martensit beim Erhitzen
schrumpft und schließlich
verschwindet.
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Das
Martensit in Formgedächtnislegierungen
ist weich im Gegensatz zum Martensit in Stählen. Eine Verformung dieser
Legierungen entsteht nicht durch Gleiten, Zwillingsausbildung oder
Korngrenzverschiebung, sondern durch das Wachsen oder Schrumpfen
sich selbst anpassender, multiorientierter martensitischer Platten/Variante
Saburi T., Wayman C. M., Takala K & Nenno S., Acta Metallurgica (Jan.
1980), S. 15.
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Beim
Erhitzen kehrt das angespannte Martensit in seine Ausgangsphase
zurück,
wodurch die ursprüngliche,
nicht deformierte Form wiedererlangt wird. Die Strukturveränderung
kann mit einer Veränderung der
Form und der Abmessungen verbunden sein, und die Legierung weist
ein Gedächtnis
für Formen
bei hoher und niedriger Temperatur auf. Mit diesen Formveränderungen
ist eine nutzbare Kraft verbunden, und somit können die Legierungen in einer
Reihe von temperaturempfindlichen Geräten zur Warnung, Steuerung,
Detektion, Regelung etc. eingebaut werden. Die Aktuatoren können durch
den Einbau einer ausgleichenden Vorspannfeder für den Betrieb in einem engen
Temperaturbereich kalibriert werden. Die rückbildbare Verformung beträgt 2–8% und
hängt von
einem Einweg- oder Zweiweggedächtnis
ab. Formgedächtnislegierungen
auf Kupferbasis weisen zusätzlich
zum Einweggedächtnis
auch ein Zweiweggedächtnisverhalten
auf, nachdem sie eine geeignete thermomechanische Bearbeitung, genannt
Training, durchlaufen haben (Wayman C. M., Journal of Metals, 32
(Juni 1980), S. 129–137
und Michael A. D. & Hart
W. B. Metal Material Technol., 12 (1980), S. 434–440.
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Einmal
trainiert, verändert
das Material beim Erhitzen oder Abkühlen über bzw. unter die entsprechenden
Umwandlungstemperaturen spontan seine Form. Vorwärts- und Rückwärts-Martensitumwandlungstemperaturen
werden als „Ms" (beim Abkühlen) bzw. „As" (beim Erhitzen)
bezeichnet.
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Bei
ternären
Cu-Zn-Al-Legierungen liegt der Formgedächtniseffekt in der kupferreichen
Ecke des Dreiecks, welche die Form eines Trapezoids hat. Beim Vergrößern dieses
Trapezoids können
wir die Zusammensetzung mit der Martensitumwandlungstemperatur in
eine Wechselbeziehung bringen, Schetky L. M., Scientific American,
241 (Nov. 1979), S. 68–76.
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Die
Aluminiummenge variiert von 4–10%,
die Zinkmenge von 10–30%,
und der Rest ist Kupfer. Infolge einer sehr geringen Veränderung
der Zusammensetzung variiert die Martensitbildungstemperatur („Ms") von –100°C bis +300°C. Bei Aluminiummessing
erstreckt sich der Nutzbereich jedoch von –70°C bis +150°C.
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Die
Martensitumwandlungstemperatur (As) ist äußerst empfindlich gegenüber der
Zusammensetzung. Eine kleine Veränderung
bei einem der Elemente, Zink oder Aluminium, (z.B. ±0,5%)
verschiebt die Umwandlungstemperatur um ±50°C. Daher ist eine genaue Überwachung
der Zusammensetzung unbedingt notwendig, um die gewünschte Umwandlungstemperatur
zu erhalten, so dass der Aktuator bei einer spezifischen Temperatur
arbeiten kann. In Luftschmelzöfen
kann ein Verlust an niedrigschmelzenden und flüchtigen Elementen wie Al, Zn
etc. während
des Schmelzens nicht vermieden werden. Eine genaue Überwachung
der Zusammensetzung ist in Vakuumschmelzöfen möglich, deren Installation ist
jedoch extrem kostspielig, und daher sind diese bei kleinen und
mittelgroßen
Schmelzeinheiten/Industrien nicht leistbar.
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Bei
Luftschmelzöfen
besteht immer die Gefahr eines Verlusts solcher Elemente, obwohl
diese Verluste ausgeglichen und die notwendigen Vorsichtsmaßnahmen
beim Schmelzen streng eingehalten werden. Die Legierung mit abweichender
Zusammensetzung und unerwünschter
Martensitumwandlungstemperatur muss ausgesondert oder wieder eingeschmolzen
werden. Die Anstrengungen und Investitionen, die somit geleistet wurden,
waren umsonst. Es wurde auch beobachtet, dass ein Verlust an Zink
oder Aluminium die Martensitumwandlungstemperatur anhebt, während eine
Zunahme dieser Elemente die Umwandlungstemperatur senkt.
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Die
vorliegende Erfindung ist daher auf ein Anheben oder Absenken der
Martensitumwandlungstemperatur gerichtet.
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Bei
einer Cu-Zn-4%-Al-Legierung, Adnyana D. N., Wire Journal International
(1984), S. 52–61,
war die Absenkung der Martensitumwandlungstemperatur vergleichsweise
gering, d.h., bei etwa 20°C–25°C.
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Während des
Schmelzens von Legierungen auf Kupferbasis und anderen Legierungen
kommt es stets zu einer Verdampfung von flüchtigen und niedrigschmelzenden
Elementen wie z.B. Zink, Aluminium, Zinn, Blei etc., und zwar insbesondere
bei Luftschmelzöfen.
Diese Verluste können
zwar nicht verhindert, aber minimal gehalten werden, indem beim
Schmelzen äußerst vorsichtig
vorgegangen wird, exakt abgewogene Mengen jedes Elements hinzugefügt werden,
die elementaren Verluste ausgeglichen werden und die Vorsichtsmaßnahmen
beim Schmelzen streng eingehalten werden.
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Vakuumöfen kontrollieren
präzise
diese Verluste, ihre Installierungen sind jedoch kostspielig und
daher bei kleinen und mittelgroßen
Schmelz/Gießereieinheiten
nicht leistbar. Cu-Zn-Al-Formgedächtnislegierungen
(SMAs) bilden dabei keine Ausnahme. Die Martensitumwandlungstemperatur
(As) ist ein wichtiger Parameter bei Formgedächtnislegierungen und äußerst empfindlich
gegenüber
der Zusammensetzung. Eine kleine Veränderung entweder beim Zink
oder beim Aluminium (±0,5%)
aufgrund von Schmelzverlusten verschiebt die Martensitumwandlungstemperatur
um ±50°C. Das so
gegossene und verarbeitete Material wird zu Schrott reduziert und
muss eingeschmolzen werden, was eine Verschwendung von Aufwand,
Arbeitskräften
und Maschinenanlagen zur Folge hat.
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Experimentelle
Untersuchungen zeigen, dass es möglich
ist, die As-Temperatur um 15°C–20°C anzuheben,
und zwar entweder durch Verwendung einer ausgleichenden Vorspannfeder
oder durch selektives Ätzen/Auslaugen
von Zink mittels Wärmebehandlungen.
Das Absenken der As-Temperatur führt
jedoch, sobald es erzielt wurde, zu Problemen.
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Das
U.S.-Patent Nr. 4,634,477 berichtet über Formgedächtnislegierungen. Dieses Patent
erwähnt
jedoch nicht die Reduktion der Martensittemperatur.
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AUFGABEN DER VORLIEGENDEN
ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines verbesserten Verfahrens, um die Umwandlungstemperatur von
Cu-Zn-6Al-Formgedächtnis legierungen
durch eine Tieftemperatur-Rebetatisierungsbehandlung von 110°C auf 30°C abzusenken,
d.h., eine Absenkung um 80°C
zu bewirken.
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KURZFASSUNG DER VORLIEGENDEN
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß den angeschlossenen
Ansprüchen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Absenken der Martensitumwandlungstemperatur (As)
einer Formgedächtnislegierungen
bereit, wie in Anspruch 1 beansprucht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
BEIGEFÜGTEN
PROZESSFLUSSDIAGRAMME, METALLOGRAPHEN, BALKENDIAGRAMME UND KURVEN
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1 zeigt
ein experimentelles Fließschema
eines Verfahrens zur Herstellung einer Formgedächtnislegierung in Tafelform
und deren Betatisierungs(Gedächtnis)-Wärmebehandlung.
Sie stellt auch deren Struktur, SME-Reaktion und Martensitumwandlungstemperatur
dar. Dieses Verfahren ist nicht erfindungsgemäß.
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2 stellt
die Mikrostrukturen eines bei 750°C/3
Min./CWQ betatisierten Materials dar.
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3 stellt
die Mikrostrukturen des betatisierten Materials beim Erhitzen bei
verschiedenen Temperaturen wie 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C und 700°C dar.
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4 zeigt
die Mikrostrukturen von sieben weiteren betatisierten Proben, die
bei 550°C,
575°C, 600°C, 625°C, 650°C, 675°C, 700°C (Erhöhungen um
25°C) zehn
Minuten lang erneut erhitzt (erneut betatisiert) und mit kaltem
Wasser (Raumtemperatur) abgeschreckt wurden.
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Das
Fließdiagramm
der 5 erläutert
im Detail den Zustand des Materials, dessen Mikrostruktur und Formgedächtnisreaktion
beim Erhitzen des zuvor bei hoher Temperatur betatisierten Materials
bei 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C und 700°C.
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Das
Fließdiagramm
der 6 erläutert
im Detail den Zustand des Materials, dessen SME-Reaktion, Martensitumwandlungstemperatur
(As) und Mikrostruktur bei der Tieftemperatur-Rebetatisierung des
zuvor bei hoher Temperatur betatisierten Materials bei 550°C, 575°C, 600°C, 625°C, 650°C, 675°C und 700°C.
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7 zeigt
ein Balkendiagramm, das die Rebetatisierungstemperatur im Vergleich
zur Martensitumwandlungstemperatur (As) darlegt.
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8 zeigt
die Kurve, welche die Rebetatisierungstemperatur im Vergleich zur
Martensitumwandlungstemperatur darlegt. Sie zeigt auch die optimale
Absenkung der Martensitumwandlungstemperatur (As 80°C) bei einer
Rebetatisierung bei 575°C.
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BEISPIELE
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Die
nachfolgenden Beispiele werden angeführt, um die Erfindung weiter
zu veranschaulichen. Sie sollten jedoch nicht als Einschränkung des
Umfangs der Erfindung betrachtet werden.
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BEISPIEL 1
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Das
aus technisch reinem Kupfer, Zink und Aluminium bestehende Einsatzmaterial
wurde in einem Induktionsofen unter einer Holzkohlendecke geschmolzen
und in Sandformen zu Platten mit einer Größe von 150 × 100 × 12,5 mm gegossen. Diese wurden
dann bei 800°C
zwei Stunden lang homogenisiert und abgekühlt. Danach wurden sie einer
Oberflächenbearbeitung
unterzogen, um die oxidierte Schicht zu entfernen. Diese homogenisierten
Platten wurden hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung analysiert.
Die (12 mm dicken) Platten wurden bei 750°C eine Stunde lang erneut erhitzt
und zu 1 mm dicken flachen Blechen warmgewalzt, wobei es zwischen
den Reduktionsdurchgängen
zu einer Reihe von Wiedererwärmungen
kam. Diese Bleche wurden in Fixiervorrichtungen festgehalten (1,0
mm dicke Bleche), bei 750°C
3 Minuten lang betatisiert und danach mit kaltem (gewöhnlichem)
Wasser abgeschreckt. Sie wurden auf die gewünschten Dimensionen zurechtgeschnitten,
und zwar in ungefähr
20–25
Stücke
mit einer Größe von 100
mm × 10–12 mm × 1 mm. Ein
kleines rechteckiges Stück
(10 × 10
mm) wurde aus einem flachen Blech (betatisierten Streifen) herausgeschnitten
und in einer Acrylverbindung befestigt, mit Siliciumcarbidpapiersorten
und danach mit einem mit Diamantpaste imprägnierten Mikrotuch-Rotationsrad
poliert, in Kaliumdichromat-Ätzmittel
geätzt,
und seine Mikrostruktur wurde unter dem optischen Mikroskop betrachtet.
Die Struktur war vollständig
martensitisch. Am restlichen Streifen war eine Formgedächtnisreaktion
durch ein Heißluftgebläse zu beobachten.
Die Umwandlungstemperatur wurde unter Verwendung von heißem und
kaltem Wasser und mit Hilfe eines Temperaturanzeigers bestimmt.
Seine Formgedächtnisreaktion
war gut, und die Umwandlungstemperatur lag bei etwa 110°C–112°C (1).
Sechs weitere memorierte (betatisierte) Bleche wurden dann bei 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C und 700°C zehn Minuten
lang erhitzt und mit kaltem (gewöhnlichem)
Wasser abgeschreckt. Sie wurden verformt, um die Formgedächtnisreaktion
zu prüfen,
und ihre Mikrostrukturen wurden analysiert (2 und 3).
Die auf 200°C,
300°C, 400°C erhitzten
Proben waren sehr steif, da kein derartiges Gedächtnis festgestellt werden
konnte. Die bei 500°C
erhitzte Probe war weich, hatte jedoch kein Formgedächtnis.
Ihre Mikrostrukturen waren zu sehen. Die bei 600°C und 700°C erhitzten Proben waren weich
und zeigten bei niedrigen bzw. hohen Temperaturen ein Formgedächtnis.
Ihre Mikrostrukturen waren ebenfalls zu sehen. Das Martensitgefüge war bei
500°C bis
700°C vorrangig.
Weiters wurden somit sieben weitere betatisierte Proben bei 550°C, 575°C, 600°C, 625°C, 650°C, 675°C, 700°C (Erhöhungen um
25°C) zehn
Minuten lang erneut erhitzt (erneut betatisiert) und mit kaltem
Wasser (Raumtemperatur) abgeschreckt. Ihre Mikrostrukturen wurden
beobachtet (4). Diese wurden verformt und
ihre S. M.-Reaktion sowie ihre Umwandlungstemperaturen wurden bestimmt
(5, 6). Eine betatisierte Probe,
die bei 575°C
zehn Minuten lang erneut betatisiert und mit Wasser abgeschreckt
wurde, war martensitisch, und zwar mit genügend Alpha an den Korngrenzen
und innerhalb der Körner,
zeigte eine gute Formgedächtnisreaktion,
und ihre Umwandlungstemperatur (As) lag bei etwa 30°C. Eine Anfangstemperatur
von 110°C
wurde somit durch diese zweistufige Behandlung auf 30°C abgesenkt,
d.h., durch dieses Verfahren kam es zu einem Temperaturabfall von
80°C. Durch
Auswahl einer geeigneten Rebetatisierungstemperatur kann jegliche
dazwischenliegende Umwandlungstemperatur erzielt werden. Das Verfahren
der Rebetatisierung wurde einige Male wiederholt, um die Reproduzierbarkeit
sicherzustellen und Ergebnisse zu bestätigen.
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BEISPIEL 2
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Im
binären
Cu-Zn-Phasendiagramm, Higgins R. A., Engineering metallurgy, Band
1 (1971), S. 312–339,
existiert bei einem bis zu 39%igen Zinkgehalt eine feste Alpha-Phase
(α). Diese α-Phase weist
eine kubisch-flächenzentrierte
Struktur (FCC) auf. Sie ist biegsam, verformbar und kalt verarbeitbar.
Bei einem über 39%igen
bis 50%igen Zinkgehalt tritt eine Beta-Phase (β) auf. Sie weist eine kubisch-raumzentrierte
Struktur (BCC) auf. Sie ist eine harte Phase und kann nur warm bearbeitet
werden. Bei einem über
50%igen Zinkgehalt wird eine komplexe, brüchige und unerwünschte Gamma-γ-Phasenstruktur
gebildet. Cu-Zn-Al ist ein ternäres Legierungssystem.
Es handelt sich im Grunde um ein Cu-Zn-Legierungssystem unter Hinzufügung eines
dritten Elements, nämlich
Aluminium. Das Zink-Äquivalent
von Aluminium ist sechs, das heißt, 1% Aluminium hat eine Wirkung,
die jener von 6% Zink ähnelt
(1Al = 6Zn), West E. G. Copper & its
alloys (1982), S. 98–105.
Wir können
somit das Zink-Äquivalent
für die
Formgedächtnislegierung
der Zusammensetzung (74,4% Cu – 19,5% Zn – 6,1% Al)
berechnen, indem die folgende Formel angewandt wird, Greaves R.
H. & Wrighton
H., Practical Microscopial Metallography (1971), S. 159–177. Es
wird berechnet, dass das Zink-Äquivalent
43% beträgt.
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Wenn
wir das binäre
Diagramm des Cu-Zn-Systems untersuchen, so liegt der 43%ige Zinkgehalt
sehr nahe bei oder nahezu an den Phasengrenzbereichen von α und β, d.h., in
den β-reichen
Bereichen des Diagramms. Unter Berücksichtigung von deren Zuständen wurden
relevante Versuche durchgeführt.
Beim Erhitzen der Legierung auf 750°C erfolgt die Strukturumwandlung
von Martensit zu Beta, und als solches bezeichnen wir diese Erhitzungsbehandlung
als Betatisierung und die Umwandlungstemperatur als As (beim Erhitzen) bzw.
als Ms (beim Abkühlen).
Das betatisierte Material (750°C/3
Min./CWQ) war weich und vollständig
martensitisch und wies eine gute SM-Reaktion auf. Seine Temperatur betrug
110°C bis
112°C. Die
zuvor bei hoher Temperatur betatisierten Proben (6 an der Zahl)
wurden zehn Minuten lang bei niedriger Temperatur auf 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C und 700°C rebetatisiert
und mit kaltem Wasser (Raumtemperatur) abgeschreckt. Ihre Mikrostrukturen,
ihre Formgedächtnisreaktion
und die Martensitumwandlungstemperaturen wurden bestimmt. Das rebetatisierte
200°C-Material
war martensitisch. Bei der Abschreckung von 200°C war es jedoch äußerst steif
und zeigte als solches kein Formgedächtnis. Die rebetatisierte
300°C-Probe
hatte wenig α + β-Martensit.
Sie war steif und hatte kein Gedächtnis.
Die Morphologie von α war
in der Art einer Stange oder Platte ausgeführt. Die rebetatisierte 400°C-Probe war
ebenfalls steif und hatte keinen SME. Sie enthielt eine α + β-Struktur,
und die α-Phase
befand sich innerhalb der Körner.
Das rebetatisierte 500°C-Material
war weich, hatte jedoch keinen SME. Seine Struktur war α + β mit sehr
wenig Martensit. Es hatte einen äußerst dünnen α-Phasen-Rand
an den Korngrenzen, welcher die Tendenz zur Kugelform aufwies. Die
bei 600°C
und 700°C erhitzten
Proben waren weich und verformbar und zeigten Gedächtnis bei
niedrigen bzw. hohen Temperaturen. Diese Materialien waren vollständig martensitisch,
allerdings war die bei 600°C
rebetatisierte Probe an den Korngrenzen und innerhalb der Körner im
Vergleich zur 700°C-Probe
wenig α-präzipitiert.
Die 700°C-Probe war
vergleichsweise feinkörnig.
Diese Materialien zersprangen nicht einmal beim Abschrecken mit
kaltem Wasser. Durch diese spezifischen Versuche wurde festgestellt,
dass der Formgedächtniseffekt
bei diesem Material zwischen 550°C
und 700°C
lag. Für
einen weiteren Versuch wurden somit sieben betatisierte Streifen herangezogen,
diese wurden zehn Minuten lang Rebetatisierungsbehandlungen bei
550°C, 575°C, 600°C, 625°C, 650°C, 675°C und 700°C (eine Erhöhung um
25°C) unterzogen
und danach mit kaltem Wasser (Raumtemperatur) abgeschreckt. Die
Mikrostrukturen, die Formgedächtnisreaktion
und die Umwandlungstemperaturen wurden evaluiert. Die bei 550°C betatisierte
Probe war weich, und ihre Umwandlungstemperatur war von 110°C auf 22°C gefallen.
Die Probe wies ein schwaches Gedächtnis
auf, und zwar hauptsächlich
aufgrund der Trennung eines ausreichenden Volumenanteils von α-Phase in β und sehr
wenig sichtbares Martensit. Die α-Hülle der
Korngrenze war ebenfalls dick. Die bei 575°C rebetatisierte Probe war weich
und hatte bei 30°C ein
gutes Formgedächtnis.
Ihre Mikrostruktur war martensitisch und hatte an den Korngrenzen
und innerhalb des Korns genügend
Volumenanteil von α-Phasen-Streifen.
Die α-Phase
hatte die Tendenz zur Bildung einer Kugel- oder Linsenform. Die
Präzipitation
der α-Phase
aus der Matrix reicherte die restliche Beta-Phase im Zinkgehalt
an und verschob die Zusammensetzung im binären Diagramm nach rechts. Das
zinkreiche Beta verwandelt sich beim Abschrecken in zinkreiches
Martensit und senkt somit die Martensitumwandlungstemperatur beträchtlich,
d.h. von 110°C
auf 30°C,
ein Abfall von 80°C.
Beim Rebetatisieren bei 600°C
war das Material weich und hatte einen guten SME, und die Umwandlungstemperatur
lag bei etwa 45°C.
Die Probe war vollständig
martensitisch, und wenig α-Phase
war an den Korngrenzen und im Inneren der Körner präzipitiert. Die bei 625°C rebetatisierten
Proben waren ebenfalls weich und wiesen bei ungefähr 61°C einen guten
SME auf. Die Struktur war martensitisch und hatte an den Korngrenzen
eine unaufgelöste α-Phase. Die
bei 650°C, 675°C und 700°C rebetatisierten
Proben waren allesamt weich und besaßen bei 79°C, 100°C bzw. 110°C ein Formgedächtnis (7, 8).
Sie waren vollständig
martensitisch, und an den Korngrenzen und innerhalb der Körner war
fast kein α zu
sehen. Anders ausgedrückt,
die α-Phase
war nicht auflösbar.
Da sich sehr wenig oder eine vernachlässigbare α-Phase von der Martensitmatrix
trennte, zeigten diese Proben bei hohen Temperaturen ein Formgedächtnis.
Die Ergebnisse zeigen daher, dass die bei 575°C rebetatisierte Probe einen optimalen
Wert ergab, d.h., ihre Martensitumwandlungstemperatur lag bei etwa
30°C, d.h.,
durch diese besondere Rebetatisierungsbehandlung kam es zu einem
As-Abfall von 110°C
auf 30°C,
was einen Abfall von 80°C bedeutet.
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BEISPIEL 3
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Cu-Zn-Al-Formgedächtnislegierungen
(4% Al & 6% Al)
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- (a) 74,4% Cu-19,5% Zn-6,1% Al (Schmelze Nr.
7)
BETATISIERT (As): 110°C,
REBETATISIERT (As): 30°C
- (b) 74,1% Cu-19,5% Zn-6,4% Al (Schmelze Nr. 5)
BETATISIERT
(As): 130°C,
REBETATISIERT (As): 50°C
- (c) 73,6% Cu-20,2% Zn-6,2% Al (Schmelze Nr. 6)
BETATISIERT
(As): 83°C,
REBETATISIERT (As): –10°C
- (d) 71,0% Cu-24,8% Zn-4,2% Al (Schmelze Nr. 35)
BETATISIERT
(As): 65°C,
REBETATISIERT (As): 45°C
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BEISPIEL 4
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Es
wird beobachtet, dass bei Cu-Zn-Al(6%)-Formgedächtnislegierungen die Absenkung
der Martensitumwandlungstemperatur beträchtlich ist, d.h., um 70°C–80°C, Während des
Experiments wird ebenso beobachtet, dass die Martensitumwandlungstemperatur
um 15°C–20°C angehoben
werden kann, und zwar durch den Einbau einer Vorspannung oder durch
eine geeignete Wärmebehandlung
hinsichtlich der selektiven Ätzung/des
selektiven Zinkverlusts.
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Die
Martensitumwandlungstemperatur (As) kann bei Cu-Zn-6% Al-Legierungen
durch eine spezifische Wärmebehandlung,
d.h., durch eine Tieftemperatur-Rebetatisierung des zuvor bei hoher
Temperatur betatisierten Materials, um etwa 80°C beträchtlich abgesenkt werden. Der
Temperaturabfall lag hauptsächlich
an der Trennung geringer Alpha (α)-Mengen
von der Martensitmatrix. Diese zurückbehaltene α-Phase beeinflusst nicht
die Formgedächtnisreaktion,
sondern unterstützt
wiederum die Dämpfung
der Korngrenzen und verhindert dadurch ein Zerspringen des Materials
sogar beim Abschrecken in kaltem Wasser.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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- (1) Bei der Cu-Zn-4% Al-Legierung, Adnyana
D. N., Wire Journal International (1984), S. 52–61, war die Absenkung der
Martensitumwandlungstemperatur vergleichsweise gering, d.h., um
etwa 20°C–25°C, während sie
bei Cu-Zn-6% Al-Formgedächtnislegierungen,
wie sich herausstellte, beträchtlich
war, d.h. um 70°C–80°C.
- (2) Das vorliegende verbesserte Verfahren hat keine negative
Auswirkung auf die Formgedächtnisreaktion, die
Rückverformung,
die Dauerhaltbarkeit etc., vielmehr unterstützt die Präzipitation der α-Phase in
der Martensitphase die Dämpfung
der Matrix und wird im Allgemeinen mit Formgedächtnislegierungen assoziiert.
- (3) Das vorliegende verbesserte Verfahren hilft bei kleinen
und mittelgroßen
Schmelzeinheiten voraussichtlich bei der Annahme der Risiken und
Herausforderungen, die sich beim Schmelzen von Formgedächtnislegierungen
ergeben, und zwar durch Einsparungen von Kosten, Arbeitskräften und
Maschinenanlagen.
- (4) Das Verfahren ist neuartig und einfach und benötigt keine
zusätzlichen
Arbeitskräfte
oder Ausrüstungsgegenstände.
- (5) Abschrecken mit kaltem Wasser führt zu einer besseren Formgedächtnisreaktion.
