FI112609B - Muistimetallin koneistus - Google Patents

Description

1 112609

Muistimetallin koneistus

Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaista menetelmää elementtien valmistamiseksi muistimetallista ja tämän menetelmän mukaisesti valmistettua elementtiä.

5 Niin kutsutut muistimetallit kuuluvat materiaalien ryhmään, joille ovat tunnusomaisia niiden poikkeavat termomekaaniset ominaisuudet. Näihin kuuluvat muun muassa NiTi-pohjaiset lejeeringit ja niin kutsutut β-messinkiä olevat kuparilejeeringit. Muistimetallien koostumukset, ominaisuudet ja sovellutukset ovat tunnettuja lukuisista tämän alueen julkaisuista (ks. esim. Walter S. 10 Owen: Shape memory effects and applications, an overview. Shape memory effects in alloys, toimittanut Jeff Perkins, 1975, Plenum Press, New York; Process of Int. Symposium on shape memory effects and applications, Toronto, Canada, 19. - 22.5.1975). Muistimetalleille on tunnusomaista, että niiden faasinmuutos (siirtyminen martensiittisesta austeniittiseen tilaan ja päinvastoin) 15 tapahtuu hyvin rajoitetulla lämpötila-alueella, joka on suuruusluokkaa 30 °C.

Syynä siihen, että muistimetallin suulakepuristus on toivottavaa, on että näitä materiaaleja on vaikea koneistaa leikkaavilla työkaluilla johtuen työkalun nopeasta kulumisesta ja hitaasta tuotannosta. Tämän vuoksi olisi hyvin edullista kyetä tuottamaan näitä putkia suulakepuristuksella leikkaavan koneis-20 tuksen sijasta esimerkiksi valmistettaessa liittimiä ja kairausrenkaita. Kuitenkin NiTi-tyypin suulakepuristus on hyvin vaikeaa, koska tällä materiaalilla on hyvin : suuri affiniteetti happeen korkeissa lämpötiloissa, mikä johtaa voimakkaaseen . hapettumiseen ja materiaalihävikkiin.

: Näin ollen esillä olevan keksinnön päätavoitteena on saada aikaan 25 menetelmä, joka tekee mahdolliseksi muistimetallin suulakepuristuksen yleensä ja NiTi-pohjaisen muistimetallin suulakepuristuksen erityisesti.

Toisena esillä olevan keksinnön tavoitteena on saada aikaan muis-timetallia yleensä ja NiTi-pohjaisia muistimetalleja erityisesti oleva suulakepu-• ‘ ristettu putki.

\: 30 Keksinnön tavoitteet saavutetaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa . : . ilmoitetulla tavalla. Keksinnön edulliset suoritusmuodot on ilmoitettu epäitse- , · · . näisissä patenttivaatimuksissa.

’· Valaisevassa, muttei rajoittavassa tarkoituksessa keksintöä kuva- : taan nyt yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen kuvioon, joka esittää kaava- :: 35 maisesti esillä olevan keksinnön mukaisen putken valmistusta.

112605 2

Esimerkkinä olevan toteutusmuodon mukainen käytetty muistimetal-li koostuu NiTi-pohjaisesta lejeeringistä, johon on lisätty niobia. Määrät voivat sopivasti vaihdella välillä 35 - 60 paino-% Ni:ä, 35 - 60 paino-% Ti:a ja 1 - 30 paino-% Nb:a, edullisesti välillä 40 - 60 paino-% Ni:ä ja Ti:a ja 1 - 20 paino-% 5 Nb:a. Konkreettisessa esimerkissä sekä Ni:n että Ti:n pitoisuudet olivat 45 ± 2 paino-% ja Nb:n pitoisuus oli 10 ± 4 paino-% ynnä luonnostaan esiintyvät epäpuhtaudet.

Keksinnön menetelmän mukaisesti lähdetään liikkeelle muistimetal-lia olevasta umpitangosta 1, ks. vaihe a). Tämän tangon läpi ja samankeski-10 sesti sen kanssa porataan reikä 2 tavanomaisella tavalla, jonka reiän pitäisi näin ollen olla keskitetty tangon keskiakselin suhteen vaiheen b) mukaisesti. Mikäli tanko 1 ei ole täysin pyöreä tai sen ulkopinta on epätasainen ja/tai karkea, sorvausoperaatio tulisi suorittaa riittävän hyvän pinnan sileyden ja sylinte-rimäisyyden saavuttamiseksi. Tämä on sopivaa, jotta myöhemmin saavutettai-15 siin hyvä sovite peitteeseen 5; vrt. jäljempänä. Tässä tapauksessa sorvaus tulisi suorittaa keskiporauksen jälkeen.

Keskiporauksen, mahdollisen sorvauksen ja esim. sopivalla alkali-sella liuoksella tapahtuvan rasvanpoiston jälkeen esivalmisteltu aihio 3 peitetään pääasiassa ilman hapen poistamiseksi; ks. vaihe c). Kuitenkin ennen 20 kuin tämä kotelointi tapahtuu, sydänosa 4, jolla on sopiva sovite ja sama pituus kuin aihiolla 3, sijoitetaan sopivasti reikään 2. Aihion ja sydänosan välis-** sä on edullisesti rako sopivan irrotusaineen, kuten talkin tai talkkia sisältävän ·' seoksen lisäämistä varten. Tällaista sydänosaa 4 käytetään sisäisen tuurnan sijasta suulakepuristuksessa, sillä kotelointi estää tällaisen tuurnan käytön.

’.: 25 Edelleen vaippa tai peite 5, jolla on yhtä hyvä sovite, kierretään aihion 3 ulko pinnan päälle, jolla peitteellä on sama pituus kuin aihiolla 3. Tämän jälkeen kaksi päätykappaletta 6 ja 7 hitsataan kiinni kotelon 5 päätypintoihin ja niiden ympäri. Etupääty 7 katseltuna suulakepuristussuuntaan on sopivasti pyöristet-, , ty reunojen ympäri, mikä on edullista suulakepuristuksen kannalta.

..', 30 Materiaalit, joita käytetään sydänosaan 4, koteloon 5 ja päätyihin 6, ; 7, voivat luonnollisesti vaihdella laajoissa rajoissa, mutta kokeissa käytettiin v ; painoprosenteissa seuraavia lejeerinkejä: 35 112609 3

Taulukko 1

Teräs C Si Mn Cr Ni

Kotelot + päädyt SS2172 0,20 0,30 1,5 <0,3

Sydänosa 15M13N2* 0,75 - 13 - 2 *) Sandvik-yhtiön nimitys; kutsutaan myös Hadfield-teräkseksi.

Jotta valmis aihio tai harkko 8, joka koostui aihiosta 3, sydänosasta 5 4, kotelosta 5 ja päädyistä 6, 7, olisi saatu suulakepuristettavaksi, se kuumennettiin noin 1 040 °C:seen ja voideltiin ulkopuolelta lasilla. Suulakepuristus-lämpötila voi kuitenkin vaihdella suuressa määrin riippuen muistimetallilejee-ringistä ja se voi olla sopivasti välillä 900 - 1 150 °C, edullisesti välillä 1 000 -1 050 °C.

10 Tämän jälkeen näin esivalmisteltu suulakepuristusharkko suulake- puristettiin vaiheen d) mukaisesti. Valmiin putken mitat voivat vaihdella laajoissa rajoissa riippuen aihion, kotelon, sydänosan mitoista ja siitä, mihin mittoihin suulakepuristus suoritetaan. Jos esimerkiksi käytetään paksuseinämäistä koteloa, saadaan mitoiltaan pienempi valmiiksi suulakepuristettu putki. Edelleen 15 paksumpi sydänosa antaa seinämältään ohuemman putken. Jos suulakepuris-tetaan pienempään halkaisijaan, saadaan tietenkin pitempi putki kuin jos suu-lakepuristetaan suureen halkaisijaan.

Suulakepuristuksen jälkeen päät leikataan vaiheen e) mukaisesti. • : Yleisesti voidaan sanoa, että tyypillinen venytyskerroin ennen ja jälkeen suula- : 20 kepuristuksen (ts. myös leikkauksen jälkeen) on 7 - 18-kertainen, edullisesti 10 - 15-kertainen.

: Leikkauksen, jäähdytyksen ja oikomisen (esim. puristin- tai telaoi- : kominen) jälkeen kotelo 5' poistetaan, mikä voidaan suorittaa eri tavoin. Taval- ; i’. lisesti putken 3' pinta on sorvattava puhtaaksi, jotta siitä tulisi tarpeeksi sileä, 25 mikä tarkoittaa, että kotelo 5' voidaan sorvata pois samassa työstövaiheessa.

; t Kotelo voidaan myös syövyttää pois sopivassa syövytyskylvyssä.

Sydänosa 4' voidaan myös poistaa eri tavoin. Valmistettaessa pit-:·’ kiä, esimerkiksi korkeintaan 10 m:n putkia, sydänosa poistetaan venyttämällä : sitä 10-30 %, edullisesti noin 20 %. Tällöin sydänosan halkaisija pienenee ta- :['Ί 30 saisesti koko sen pituudelta ja se voidaan sitten helposti poistaa, jolloin jäljelle L, jää valmis putki 3', ks. vaihe f). Sydänosan venyttämiseksi kappale putkea on ’.. sorvattava pois kummastakin päästä, jotta saataisiin ote sydänosan siitä osas-

1 I

112609 4 ta, joka työntyy ulos mainitun sorvauksen ansiosta, vetokoneessa. Lyhyem-missä putkenkappaleissa sydänosa voidaan porata pois venyttämisen sijasta.

Esimerkki

Edellä esitetyn koostumuksen mukaisesta muistimetallista valmiste-5 taan valmis suulakepuristusharkko vaiheiden a-b-c mukaisesti, jolla harkolla on seuraavat mitat:

Aihion halkaisija: 71 mm

Aihion halkaisija kotelo mukaan lukien: 77 mm

Sydänosa ("Hadfield"-terästä): 31 mm 10 Aihion ja kotelon pituus: 350 mm.

Harkko suulakepuristettiin 1 040 °C:ssa 868 MPa:n puristusvoimalla ja 135 mm:n/s puristusnopeudella. Tällöin saatiin suulakepuristettu harkko, jonka halkaisija koteloineen oli 19,1 mm ja jonka valmiin putken halkaisija oli 17,2 mm. Valmiin putken seinämäpaksuus oli noin 4,6 mm ja sen pituus oli 15 noin 4 500 mm.

Mitta-alueet, jotka ovat mahdollisia, riippuvat tietenkin käytetyn suulakepuristimen suuruudesta. Edellä esitetyssä esimerkissä käytetään puristinta, jonka maksimipuristusvoima on noin 1 300 MPa ja maksimilähtöhalkaisija on 77 mm. Näin ollen tämä tarkoittaa, että aihiolla koteloineen on oltava hal-20 kaisija, joka ei ylitä 77 mm:ä. Näissä olosuhteissa valmiin putken mitta-alue on 10-47 mm. Mainittu minimihalkaisija merkitsee noin 20,6 m:n putken pituutta, • : kun taas mainittu maksimihalkaisija johtaa noin 0,94 m:n putken pituuteen, kaikki edellä mainittujen koeparametrien alaisina. Lyhyemmät ja pitemmät ai-hiot kuin edellä mainitut ovat tietenkin myös mahdollisia, esimerkiksi vähintään r." 25 200 mm ja korkeintaan 400 mm. Seinämän paksuutta voidaan vaihdella sy- . ·: ·. dänosan valinnaisella mitoituksella ja se voi sopivasti olla välillä 2-15 mm.

* » *

Jos käytetään suurempaa puristinta, mitta-aluetta voidaan suuren-, taa ylöspäin valmiin putken suurempiin halkaisijoihin. Niinpä sopivalla puristi- ‘’ mella voidaan saavuttaa jopa noin 100 mm:n putken halkaisijat.

'·;· 30 Näin koteloidun NiTi-pohjaisen muistimetallin suulakepuristus antoi : : : hämmästyttävän hyvät tulokset. Niinpä osoittautui täysin mahdolliseksi valmis- taa putkia tankomateriaalista, joista putkista voidaan sitten koneistaa edelleen haluttu tuote. Tämä tarkoittaa muun muassa, että tähän saakka vaaditun leik-kaavan koneistuksen tarve vähenee dramaattisesti tai voidaan jopa eliminoida ·· * 35 kokonaan, mikä tuo huomattavia aika-ja kustannussäästöjä. NiTi-tyypin muis- timetallia on vaikea koneistaa leikkaamalla, sillä sen kulutuskesto on suuri. Li- 112609 5 säksi havaittiin, että muistimetallia päätyineen, koteloineen ja sydänosineen oli erittäin helppo suulakepuristaa.

Se seikka, että tankoon I on porattava reikä, ei ole suuri haitta ottaen huomioon, että työesimerkin mukaisesti tanko on vain noin 30 cm:n mit-5 täinen verrattuna useisiin metreihin suulakepuristuksen jälkeen. Tässä yhteydessä on korostettava, että tällaisia muistimetallin pitkiä putkia (esim. > Vz m) on hyvin vaikea valmistaa leikkaavalla koneistuksella johtuen porauksen riittämättömästä keskitystarkkuudesta.

Suoritettiin joitakin valomikroskopiatutkimuksia muistimetallin mik-10 rorakenteesta ennen suulakepuristusta ja sen jälkeen. Näistä selviää muun muassa, että suulakepuristettuun putkeen saatiin homogeenisempi rakenne, jossa oli tasaisemmin jakautuneet niobihiukkaset. Tämä tasaisempi jakautuminen on sellaisenaan yllättävä. Niobihiukkasten tehtävänä on nostaa lämpötilaa, jossa muistimetalli automaattisesti asettuu takaisin alkuperäiseen muo-15 toonsa, sillä mainitut hiukkaset vastustavat metallin alkuperäisen muodon palautumista.

Mittaukset tangosta ennen suulakepuristusta ja putkesta suulakepuristuksen jälkeen antoivat seuraavat tulokset niobihiukkasten suhteen:

Tanko: keskipituus: 79 pm keskileveys: 1,5 pm

Putki: keskipituus: 6,9 pm * ·’ keskileveys: 1,4 pm '·' 20 ; Nämä mittaukset osoittavat, että niobihiukkasten keskipituus piene nee voimakaasti suulakepuristuksessa. Missään suulakepuristetussa putkessa : niobihiukkasten keskipituus ei ollut yli 15 pm.

Suoritettiin myös vertaileva koe identtisellä aihiolla, jota ei kuiten-: v, 25 kaan ollut koteloitu, vaan oli vain varustettu sydänosalla 4. Saatiin täysin epä-onnistunut tuote, jossa oli lukuisia murtumia. Tämän otaksutaan johtuvan voi- * makkaasta hapettumisesta, jonka ilman vapaa pääsy tuotteeseen aiheuttaa.

Claims (8)

6 Pate nttivaatim u kset 112009

1. Menetelmä elementtien valmistamiseksi muistimetallista, a) jossa lähdetään muistimetallia olevasta aihiosta, 5 b) aihio koteloidaan koteloinnilla, ja edullisesti kahdella päädyllä, jol loin aihio suljetaan ympäröivästä atmosfääristä, c) koteloitu aihio kuumennetaan ja suulakepuristetaan, tunnettu siitä, että d) aihioon porataan keskireikä ennen vaihetta b), 10 e) sydänosa pujotetaan keskireikään vaiheen d) jälkeen ja ennen vaihetta b), f) suulakepuristetun aihion päät poistetaan suulakepuristamisen jälkeen, g) myös sydänosa ja koteloiva kotelointi poistetaan, ja 15 h) saadaan putki, joka muodostuu ainoastaan muistimetallista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähtöaihio on lieriömäinen.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muistimetalli on NiTi-pohjainen.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, : että muistimetalli sisältää 35 - 60 paino-% nikkeliä, 35 - 60 paino-% titaania ja : 1-30 paino-% niobia.

: 5. Patenttivaatimuksen 1 mukaisella menetelmällä valmistettu NiTi- : ’· j pohjaista muistimetallia oleva elementti, tunnettu siitä, että se koostuu ai- :·. 25 noastaan muistimetallista ja on putken muotoinen.

! : , 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen elementti, tunnettu siitä, et- 1 i > tä se sisältää 35 - 60 paino-% nikkeliä, 35 - 60 paino-% titaania ja 1 - 30 paino-% niobia.

,,; ’ 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen elementti, tunnettu siitä, et- ; * ‘ 30 tä niobihiukkasten keskipituus on < 15 μνη.

; : : 8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen elementti, tunnettu sii- : ’": tä, että sen pituus on yli % m. 112609 7