Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Gedächtnislegierung nach der Gattung des Anspruchs 1.
Gedächtnislegierungen vom Typ Cu/AI oder vom Typ Cu/AI plus mindestens einem der Elemente Ni, Fe, Mn und Co sind bekannt und in verschiedenen Veröffentlichungen beschrieben worden (z. B. US-PS 3 783 037). Derartige Gedächtnislegierungen, die dem allgemeinen Typ mit der ß-Hochtemperaturphase angehören, werden allgemein schmelzmetallurgisch hergestellt.
Beim Gießen dieser Legierungen wird in der Regel ein grobkörniges Gefüge erhalten, welches durch die anschließende Glühung im Bereich der ß-Mischkristalle durch Kornwachstum noch weiter vergröbert wird und durch thermomechanische Behandlung nicht mehr rückgängig gemacht werden kann. Dementsprechend sind die mechanischen Eigenschaften, vor allem die Dehnung und Kerbzähigkeit solcherweise hergestellter Gedächtnislegierungen verhältnismäßig schlecht und ihr Anwendungsbereich begrenzt.
Es besteht daher ein Bedürfnis, diese Gedächtnislegierungen verfahrenstechnisch derart zu verbessern, daß für sie weitere praktische Anwendungsgebiete erschlossen werden können.
Es ist bereits vorgeschiagen worden, Gedächtnislegierungen des Typs Cu/Zn/AI pulvermetallurgisch, ausgehend von tertigen, der Endzusammensetzung entsprechenden Ausgangslegierungen herzustellen (z. B. M. Follon, E. Aernoudt, Powder-metallurgically processed shape-memory alloys, 5th European Symposium on Powder Metallurgy, Stockholm 1978, S. 275-281). Dabei wird das fertige Pulver eingekapselt, kaltverdichtet, warmverdichtet und stranggepreßt.
Diese Methode ist jedoch zur Herstellung von kompakten und dichten Fertigkörpern aus Cu/AI/Ni ungeeignet, da sich das Pulver nicht verdichten läßt und wieder zerfällt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Gedächtnislegierungen vom Typ Cu/AI oder vom Typ Cu/AI plus mindestens einem der Elemente Ni, Fe, Mn und Co anzugeben, das zu dichten, kompakten Körpern mit guten mechanischen Eigenschaften und gleichzeitig zu genau reproduzierbaren Werten der Umwandlungstemperatur und anderen mit dem Gedächtniseffekt zusammenhängenden Größen führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der Kern des neuen Verfahrens besteht darin, weder von Elementarpulvern noch von einem der Endlegierung entsprechenden Ausgangspulver auszugehen, sondern eine Mischung aus vorlegierten Pulvern und speziell zusammengesetzter Pulvermischungen zu benutzen. Damit kann die erforderliche Duktilität bei weitgehender Freiheit bezüglich Zusammensetzung dem Verarbeitungsprozeß optimal angepaßt werden.
Die Korngröße der Kristallite des fertigen Körpers kann weitgehend vorausbestimmt werden. Ein Kornwachstum ist nicht zu befürchten. Zusammenhängende, die Homogenisierung behindernde und die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigende Oxydhäute werden vermieden. Falls zu einem bestimmten geringen Prozentsatz vorhanden, liegen die Metalloxyde in feiner Verteilung als Dispersoide vor und wirken kornwachstumshemmend und günstig auf die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes ein.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele beschrieben:
Es wurde ein Rundstab aus einer Gedächtnislegierung folgender Endzusammensetzung hergestellt:
Als Ausgangsmaterialien wurden folgende Pulver verwendet:
Folgende Einwaage wurde während 10 min in einem Taumelmischer gemischt:
240 g dieser Pulvermischung wurden in einen Gummischlauch von 20 mm Innendurchmesser abgefüllt und bei einem Druck von 8000 bar isostatisch zu einem Zylinder von 18 mm Durchmesser und 220 mm Höhe verpreßt. Der Grünling wurde im Wasserstoffstrom bei einer Temperatur von 950° C während 1 h reduziert und vorgesintert und anschließend im Argonstrom bei einer Temperatur von 950°C während 19 h fertiggesintert. Der rohe Sinterkörper wurde auf einen Durchmesser von 17 mm abgedreht, in ein weichgeglühtes Kupferrohr von 20 mm Außendurchmesser eingeführt und durch Abdecken der Enden mittels Stöpsel und Verlöten unter Argonatmosphäre vollständig eingekapselt. Das derart gebildete Werkstück wurde nun abwechslungsweise einer thermomechanischen Bearbeitung und einer Homogenisierungsglühung im Argonstrom während je 1 h bei 950°C unterworfen. Im vorliegenden Fall bestand die thermomechanische Bearbeitung in einem Rundhämmern bei 950°C, wobei im 1. Rundhämmerstich der Durchmesser des Stabes auf 18 mm und bei jedem weiteren Stich um je 2 mm reduziert wurde. Dabei wurde so vorgegangen, daß auf je 2 thermomechanischen Operationen eine Homogenisierungsglühung folgte. Der auf 8 mm Durchmesser heruntergehämmerte Stab wurde schließlich einer abschließenden Glühung im Argonstrom während 15 min bei einer Temperatur von 950°C unterworfen und unmittelbar daraufhin in Wasser abgeschreckt. Die Prüfung ergab für das Werkstück eine Dichte von 99,5-99,8% des theoretischen Wertes.
Selbstverständlich kann der Zyklus thermomechanische Bearbeitung/Homogenisierung beliebig lang, bis zum Erreichen der endgültigen Form des Werkstückes fortgesetzt werden. Dabei ist bei Erreichen der theoretischen Dichte eine weitere Homogenisierung in der Regel nicht mehr notwendig.
Es wurde ein Rundstab aus einer Gedächtnislegierung folgender Endzusammensetzung hergestellt:
Die unter dem Beispiel I angegebenen Pulver wurden wie folgt eingewogen und während 15 min in einem Taumelmischer gemischt:
240 g dieser Pulvermischung wurden in ein weichgeglühtes Kupferrohr von 18 mm Innendurchmesser und 2 mm Wandstärke abgefüllt und durch Abdecken der Enden und Verlöten unter Argonatmosphäre vollständig eingekapselt. Hierauf wurde das Rohr samt Pulver bei einem Druck von 10 000 bar isostatisch gepreßt und der Preßling im Wasserstoff/Stickstoff-Strom bei einer Temperatur von 750° C während 2 h reduziert und vorgesintert und anschließend im Argonstrom bei einer Temperatur von 800°C während 25 h fertiggesintert. Daraufhin wurde das Werkstück abwechslungsweise je 2 Rundhämmeroperationen und einer Homogenisierungsglühung bei je 900° C ähnlich Beispiel I unterworfen. Der auf 6 mm heruntergehämmerte Stab wurde einer abschließenden Glühung bei 1000°C während 10 min im Argonstrom unterzogen und in Wasser abgeschreckt. Die Dichte betrug 99,5% des theoretischen Wertes.
Es wurde ein Band aus einer Gedächtnislegierung folgender Endzusammensetzung hergestellt:
Die unter dem Beispiel I angegebenen Pulver wurden wie folgt eingewogen und während 12 min in einem Taumelmischer gemischt:
240 g dieser Pulvermischung wurden in ein weichgeglühtes Tombakrohr von 20 mm Innendurchmesser und 1,6mm Wandstärke abgefüllt und durch Abdecken der Enden und Verlöten unter Argonatmosphäre vollständig eingekapselt. Hierauf wurde das Rohr samt Pulver bei einem Druck von 12 000 bar isostatisch gepreßt und der Preßling im Wasserstoffstrom bei einer Temperatur von 850°C während 1½ h reduziert und vorgesintert und anschließend im Argonstrom bei einer Temperatur von 820° C während 22 h fertiggesintert. Daraufhin wurde das Werkstück in 2 Rundhämmerstichen bei einer Temperatur von 900° C auf 18 bzw. 16 mm Durchmesser reduziert und während 1 h im Argonstrom bei 920° C homogenisiert. Es folgten nochmals 2 Rundhämmerstiche bei 900° C, so daß der Stab schließlich einen Durchmesser von 13 mm hatte. Nach abermaliger Homogenisierung während 1 h bei 920° C wurde der Stab in mehreren aufeinanderfolgenden Warmwalzoperationen mit jeweils 20-25% Querschnittsabnahme zu einem Band von 1,5 mm Dicke und 20 mm Breite heruntergewalzt. Nach einer abschließenden Glühung bei 950°C während 12 min wurde das Band in Wasser abgeschreckt. Die Dichte des fertigen Bandes betrug 99,7%.
Es wurde ein Vierkantstab aus einer Gedächtnislegierung folgender Endzusammensetzung hergestellt:
Die unter dem Beispiel angegebenen Pulver wurden wie folgt eingewogen und während 10 min in einem Taumelmischer gemischt.
'250 g dieser Pulvermischung wurden in einen Gummischlauch von 35 mm Innendurchmesser abgefüllt und bei einem Druck von 12000 bar isostatisch zu einem Zylinder von 31 mm Durchmesser und 80 mm Höhe verpreßt. Der Grünling wurde im Wasserstoffstrom bei einer Temperatur von 920°C während 1 h reduziert und vorgesintert und anschließend im Argonstrom bei einer Temperatur von 950°C während 20 h fertiggesintert. Der rohe Sinterkörper wurde auf einen Durchmesser von 30 mm abgedreht, in den Rezipienten einer Strangpresse eingesetzt und bei einer Temperatur von 780° C zu einem Vierkantstab quadratischen Querschnitts von 8 mm Kantenlänge verpreßt. Das Reduktionsverhältnis (Querschnittsabnahme) betrug dabei 11 : 1. Daraufhin wurde der Stab bei einer Temperaturvon 920° C während 30 min homogenisiert und anschließend in 2 Stichen auf einer Warmziehbank bei einer Temperatur von 750°C auf eine Kantenlänge von 6 mm heruntergezogen. Nach der abschließenden Glühung bei 900° C während 15 min im Argonstrom wurde der Stab in Wasser abgeschreckt. Die Dichte des fertigen Stabes betrug 99,8% des theoretischen Wertes.
Es wurde eine runde Platte aus einer Gedächtnislegierung folgender Endzusammensetzung hergestellt:
Die unter dem Beispiel I angegebenen Pulver wurden wie folgt eingewogen und während 15 min in einem Taumelmischer gemischt:
1000 g dieser Pulvermischung wurden in einen Kunststoffschlauch von 66 mm Innendurchmesser abgefüllt und bei einem Druck von 12 000 bar isostatisch zu einem Zylinder von 60 mm Durchmesser und 80 mm Höhe zusammengepreßt. Der Grünling wurde im Wasserstoff/Stickstoff-Strom bei einer Temperatur von 880°C während 1 h reduziert und vorgesintert und anschließend im Argonstrom bei einer Temperatur von 930° C während 25 h fertiggesintert. Der rohe Sinterkörper wurde auf einen Durchmesser von 58 mm abgedreht, in eine weichgeglühte Dose aus Weicheisen von 64 mm Außendurchmesser eingeführt und durch Aufsetzen des Deckels und Verlöten in Argonatmosphäre vollständig eingekapselt. Das derart hergestellte Werkstück wurde einer thermomechanischen Bearbeitung unter einer Warmpresse, unterbrochen von Homogenisierungsglühungen, unterzogen. Durch abwechslungsweises Stauchen und Glühen bei 900° C wurde die Höhe des Zylinders sukzessive auf ca. 32 mm reduziert, wobei sich das Material bis auf ca. 95% der theoretischen Dichte verdichtete und nun einen dem Gesenk entsprechenden Durchmesser von 70 mm aufwies. Nach einer zusätzlichen Homogenisierungsglühung bei 950° C während 1 h wurde die vorgeformte kreisrunde Platte mit parallelen ebenen Stirnflächen in ein in ihren Durchmessern abgesetztes Schmiedegesenk eingesetzt und in mehreren Arbeitsgängen, welche durch Zwischenglühungen unterbrochen waren, bei Temperaturen zwischen 1000° C und 750° C auf die fertige Form heruntergeschmiedet. Die 20 mm dicke Platte wies bei einem maximalen Außendurchmesser von 90 mm auf der oberen Seite einen radialen Wulst von 5 x 5 mm und auf der unteren Seite eine zentrale Ausnehmung von 20 mm Durchmesser und 5 mm axialer Tiefe auf. Nach einer abschließenden Glühung bei 980°C während 15 min wurde die Platte in Wasser abgeschreckt. Die Dichte betrug 99,299,5% des theoretischen Wertes.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Beispielen beschriebenen Größen und Werte beschränkt. Ganz allgemein können die Pulverzusammensetzungen und die Partikelgrößen in folgenden Grenzen variiert und substituiert werden:
Die Pulvermischungen bewegen sich in folgenden Grenzen:
Das isostatische Pressen erfordert Drücke von mind. 8000 bar. Das Reduzieren und Vorsintern des Preßlings erfolgt zweckmäßigerweise im-Temperaturbereich von 700 bis 1000° C während mindestens 30 min im Wasserstoff- oder Wasserstoff/Stickstoff-Strom. Das Sintern des Preßlings muß oberhalb der Temperatur der eutektoiden Umwandlung, d. h. bei mindestens 700°C während 10 h im Argonstrom durchgeführt werden, um ein möglichst homogenes Gefüge zu erzielen. Die thermomechanische Bearbeitung, welche in einem Warmpressen, Warmstrangpressen, Warmschmieden, Warmwalzen, Warmziehen und/oder Warm-Rundhämmern bestehen kann, soll bei Temperaturen zwischen 700 und 1000°C bewerkstelligt werden, desgleichen das dazwischengeschaltete Homogenisieren im Inertgasstrom (Zwischenglühen) bei mindestens 700°C während mindestens 30 min. Das abschließende Glühen im Argonstrom wird bei Temperaturen zwischen 700 und 1050°C (ß-Mischkristallgebiet) während 10 bis 15 min durchgeführt und das Werkstück sofort danach in Wasser abgeschreckt.
Für die meisten thermomechanischen Bearbeitungsarten ist es zweckmäßig, das Material zuvor in eine duktile, mit ihm chemisch nicht reagierende metallische Hülle einzukapseln, die am Schluß der Formgebung als Oberflächenschicht in den meisten Anwendungsfällen mechanisch oder chemisch entfernt wird. Als Werkstoffe für die Hülle bieten sich vor allem weichgeglühte Metalle und Legierungen wie Kupfer, Kupferlegierungen und Weicheisen an. Das Einkapseln kann unmittelbar vor der thermomechanischen Bearbeitung erfolgen, indem der Sinterkörper zuvor eine mechanische Oberflächenbehandlung durch Abdrehen, Fräsen, Hobeln etc. erfährt, oder es kann das Pulver direkt statt in einen Gummi- oder Kunststoffschlauch in ein entsprechendes Rohr, eine Dose etc. eingefüllt werden.
Durch das erfindungsgemäße pulvermetallurgische Verfahren wird die Herstellung von Werkstücken aus einer Gedächtnislegierung des Cu/Al- und Cu/AI/Ni-Typs ermöglicht, welche gegenüber herkömmlich, d. h. schmelzmetallurgisch erzeugten Körpern ein feinkörniges Gefüge aufweisen und gegebenenfalls Dispersoide in Form von fein verteilten Oxydpartikeln enthalten. Die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Dehnung, Kerbzähigkeit und das Arbeitsvermögen derartiger Werkstücke sind bedeutend besser als diejenigen gegossener und/oder weiterhin warmgekneteter Körper. Damit wird diesem Legierungstyp ein weiteres Anwendungsgebiet erschlossen.
Eine Gegenüberstellung für die Legierung mit 13 Gew.-% Aluminium, 3 Gew.-% Nickel und 84 Gew.-% Kupfer dient zur Illustration der oben erwähnten Unterschiede: