Werkstoff, welcher mindestens teilweise aus einer einen Einweg-Gedächtniseffekt zeigenden Komponenten aufgebaut ist und Verfahren zu dessen Herstellung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines einen Zweiweg-Gedächtniseffekt aufweisenden Werkstoffs nach der Gattung des Oberbegriffs der Ansprüche 1, 2 und 5.

[0002] Bei den Gedächtnislegierungen kann man im allgemeinen einen sog. Zweiwegeffekt von einem Einwegeffekt unterscheiden. Während letzterer in der Regel ausgeprägter und bekannter ist (Ni/Ti-Legierungen, β-Messinge) und auch zu zahlreichen Anwendungen geführt hat, ist der Zweiwegeffekt problematischer und schwieriger zu beherrschen. Doch besteht in der Technik ein allgemeines Bedürfnis nach Bauelementen aus Werkstoffen, welche einen quantitativ genügend grossen Zweiwegeffekt zeigen, um ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet zu erschliessen. Meist liegt nun jedoch der Punkt der martensitischen Umwandlung der klassischen Zweiwegeffekt-Legierungen in einem ungünstigen Temperaturbereich. Es gibt jedoch eine Anzahl von Gedächtnislegierungen, vorab die dem β-Messingtyp angehörenden klassischen Cu/AI/Ni- und Cu/AI-Legierungen, deren Umwandlungspunkt günstig liegt, die zwar wohl einen deutlichen Einweg- aber kaum einen namhaften Zweiwegeffekt zeigen.

[0003] Als Stand der Technik können u. a. folgende Dokumente angeführt werden :

R. Haynes, Some Observations on Isothermal Transformatiöns of Eutectoid Aluminium Bronzes Below Their M_s Temperatures, Journal of the Institute of Metals 1954-55, Vol. 83, Seiten 357-358 ; W. A. Rachinger, A « super-elastic" single Crystal calibration bar, British Journal of Applied Physics, Vol. 9, Juni 1958, Seiten 250-252; R. P. Jewett, D. J. Mack. Further Investigation of Copper-Aluminium Alloys in the Temperature Range below the a + γ2 Eutectoid, Journal of the Institute of Metals 1963-64, Vol. 92, Seiten 59-61 ; K. Otsuka and K. Shimizu, Memory Effect and Thermoelastic Martensite Transformation in Cu―Al―Ni Alloy, Scripta Metallurgia, Vol.4, 1970 Pergamon Press Inc., Seiten 469-472 ; Kazuhiro Otsuka, Origin of Memory Effect in Cu-AI-Ni Alloy, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 10, No. 5, Mai 1971, Seiten 571-579 ; US-PS 3 783 037.

[0004] Aus der US-A-3 748 108 ist bekannt, Streifen aus einer schlecht wärmeleitenden Gedächtnislegierung (z. B. Ni/Ti) mit einem gut wärmeleitenden Metall (Cu, Ag) zu beschichten. Als Variante kann auch ein gut wärmeleitender Metallstreifen beidseitig mit einer Gedächtnislegierung beschichtet sein. Diese Massnahmen dienen zur Erhöhung der Wärmeleitung in Längsrichtung derartiger, für elektrische Schalter bestimmter Streifen, wodurch die Ansprechzeit verkürzt wird. Die verfügbare mechanische Arbeit wird dabei entsprechend dem reduzierten Querschnitt der Gedächtnislegierung im Verhältnis zum Gesamtquerschnitt des Streifens verringert, wie die mit steigendem Anteil an gut wärmeleitendem Metall immer steiler und kürzer werdenden Kraft/Weg-Diagramme zeigen.

[0005] Nach dem oben Gesagten besteht daher ein Bedürfnis nach Bauelementen aus Gedächtnislegierungen des β-Messingtyps, welche bei für gewisse Anwendungen günstig liegender Umwandlungstemperatur einen namhaften Zweiwegeffekt aufweisen.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines einen technisch verwertbaren reversiblen Zweiweg-Gedächtniseffekt aufweisenden Werkstoffs auf der Basis von Cu/AI/Ni- und Cu/AI-Legierungen anzugeben, welches sich sowohl zur Fabrikation von Halbzeug in Stangen-, Profil- und Blechform wie von für die Praxis brauchbaren Bauelementen eignet.

[0007] Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1, 2 und 5 angegebenen Merkmale gelöst.

[0008] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.

[0009] Dabei zeigen :

Figur 1 eine Ausbildung des Werkstoffs in Form von Halbzeug (Stab),

Figur 2 den Verfahrensablauf beim Strangpressen als Methode der Herstellung des Werkstoffs in Form von Trimetall.

[0010] In Fig. 1 ist der Längsschnitt durch eine Ausbildung des Werkstoffs als Halbzeug in Stabform dargestellt. Fig. 1a bezieht sich auf den Zustand nach dem ersten Verfahrensschritt, Fig. 1 auf das Fertigerzeugnis. 1 ist die den Einweg-Gedächtniseffekt zeigende Komponente (Kernwerkstoff), 2 stellt einen metallischen Ueberzug dar. Durch Diffusionsglühung wird als Endergebnis die weitere Komponente 3 als Randzone (inaktive Zone) des Werkstoffs in Stabform gebildet.

[0011] Fig. 2 zeigt den Verfahrensablauf und das Mittel bei der Herstellung des Werkstoffs in Stab- oder Bandform als Trimetall. 4 ist der Presszylinder einer Stangpresse, 5 der entsprechende Pressplunger (Stempel), 6 die Matrize. Letztere weist vorteilhafterweise einen verhältnismässig schlanken Anzugswinkel (entsprechend Konuswinkel im Fall von Rundquerschnitten) im sich verjüngenden Teil auf. 7 sind die äusseren Schichten aus einer den Einweg-Gedächtniseffekt zeigenden Komponente des Presskörpers. 8 stellt die innere Schicht der weiteren (keinen Gedächtniseffekt aufweisenden) Komponente des Presskörpers dar. 9 sind die äusseren Schichten der den Einweg-Gedächtniseffekt zeigenden Komponente des fertigen Werkstoffs im Querschnitt (Flachstab). 10 ist die innere Schicht bestehend aus der weiteren (inaktiven) Komponente des fertigen Werkstoffs im Querschnitt.

Ausführungsbeispiel I :

[0012] Als Ausgangsmaterial für die den Einweg-Gedächtniseffekt zeigende Komponente wurde eine dem ß-Messingtyp angehörende, pulvermetallurgisch hergestellte Legierung der nachfolgenden Zusammensetzung gewählt :

[0013] Aus diesem Material wurden prismatische Körper herausgeschnitten und derart mit einem Flachstab aus korrosionsbeständigem Stahl (18 Cr/8 Ni) zusammengestellt, dass ein Schichtkörper (Sandwich) gemäss 7 und 8 der Fig. 2 gebildet wurde. Dieser Presskörper rechteckigen Querschnitts wurde in eine Strangpresse eingeführt und bei einer Temperatur von 800 °C zu einem Verbundwerkstoff in Form eines Flachstabes verpresst. Diese Art Trimetall kann in praktisch beliebigen Querschnitten und kommerziell gängigen Längen hergestellt werden. Es wurde an ihm ein namhafter Zweiweg-Gedächtniseffekt gemessen.

Ausführungsbeispiel II :

[0014] Die Ausgangsmaterialien für die beiden Komponenten hatten die gleiche Legierungszusammensetzung wie im Beispiel I (Cu/AI/Ni und Cr/Ni-Stahl). In eine als Umhüllung dienende Kapsel aus weichem, niedriggekohlten Stahl (St 35) von 200 mm Höhe, 80 mm Aussendurchmesser und 2 mm Wandstärke wurde in die Mitte koaxial ein Rundstab aus Cr/Ni-Stahl von 5 mm Durchmesser gestellt. Dann wurde der freie Raum der Kapsel mit Cu/AI/NI-Pulver ausgefüllt und die Kapsel evakuiert, verschweisst und bei 950 °C während 3 h unter einem Druck von 140 MPa heiss-isostatisch gepresst. Nach dem heiss-isostatischen Pressen wurde die Umhüllung aus weichem Stahl durch mechanische Bearbeitung entfernt und der gepresste Körper aus Verbundwerkstoff durch Rundhämmern bei einer Temperatur von 850 °C in mehreren Schritten auf das gewünschte Fertigmass (Stabform) gebracht.

Ausführungsbeispiel 111 :

[0015] Als Ausgangsmaterialien für einen Verbundwerkstoff wurde für die erste Komponente (Einweg-Gedächtniseffekt) die folgende Legierung gewählt :

[0016] Als zweite Komponente (inaktives, superelastisches Material) diente eine Legierung der nachfolgenden Zusammensetzung :

[0017] Aus der ersten Komponente wurde zunächst nach pulvermetallurgischen Methoden durch Vorverdichten und Sintern der Pulvermischung ein gesinterter Rundstab von 20 mm Durchmesser hergestellt. Aus der Ti/Ni/Cu/Fe-Legierung wurde ein Rohr von 20 mm Innendurchmesser und 2 mm Wandstärke gefertigt, in welches der Rundstab gerade hineinpasste. Letzterer wurde derart in das Rohr eingeschoben, dass er gerade festsass. Dann wurde das auf diese Weise vorbereitete Verbunddmaterial auf eine Temperatur von 850°C erhitzt und bei dieser Temperatur in mehreren Stichen durch Rundhämmern auf einen Durchmesser von 10 mm reduziert. Die Querschnittsabnahme pro Stich betrug ca. 20 %. Durch das Rundhämmern wurde ein fester, kompakter Verbundwerkstoff erzeugt, der einen bedeutenden Zweiweg-Gedächtniseffekt aufwies. Dabei ist zu betonen, dass bei der zweiten, inaktiven, die Randzone bildenden Komponente lediglich ihre hochelastischen Eigenschaften, nicht aber deren von Natur aus ebenfalls vorliegenden Gedächtniseffekte (sie liegen nicht im interessierenden Temperaturgebiet) ausgenutzt wurden.

[0018] Als Herstellungsverfahren zur Verbindung der Komponenten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften können grundsätzlich Löten, Schweissen, Walzplattieren, Strangpressen oder andere metallurgische Verfahren sowie Kleben herangezogen werden. Es können auf diese Weise u. a. Zweischicht-(Bimetall) oder auch Drei- schicht-(Trimetall) Werkstoffe hergestellt werden. Der Werkstoff kann pulvermetallurgisch aus den einzelnen Komponenten hergestellt und zu Bimetall- oder Trimetall-Halbzeug weiterverarbeitet werden. Dies kann durch Kaltverdichten, Sintern und Strangpressen oder durch heiss-isostati-' sches Pressen mit ev. nachgeschaltetem Rundhämmern erfolgen. Dabei kann gleichzeitig oder anschliessend noch zusätzlich eine Korrosionsschutzschicht von z. B. 5 bis 100 µ Dicke aufgebracht oder in der Randzone erzeugt werden. Dies letztere gilt selbstverständlich auch für alle anderen Herstellungsverfahren. Der Verbundwerkstoff braucht nicht notwendigerweise nur aus metallischen Komponenten zu bestehen. Die inaktive zweite Komponente kann ein hochfester, hochelastischer, wärmebeständiger Kunststoff sein, der seinerseits wieder aus verschiedenen Komponenten (inklusive Bewehrungsmaterialien) aufgebaut sein kann. Bedingung ist, dass der Kunststoff die elastischen Bewegungen ohne Schaden mitmacht und die im Betrieb auftretenden Temperaturen verträgt.

[0019] Durch den neuen Werkstoff und das entsprechende Herstellungsverfahren wird dem Fachmann ein Mittel in die Hand gegeben, den Anwendungsbereich des Zweiweg-Gedächtniseffekts insbesondere im Temperaturbereich zwischen etwa 100°C und 200 °C beträchtlich zu erweitern. Dies betrifft vor allem den Schalter-, Relais- und Temperaturauslöserbau.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines einen Zweiweg-Gedächtniseffekt aufweisenden Werkstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine einen Einweg-Gedächtniseffekt zeigende Komponente aus einer Cu/AI/Ni-, Cu/AI-, Cu/Zn/Al-, TiN-oder Ti/Nb-Legierung mit einer oder zwei weiteren Schichten einer hochelastischen und hochfesten Kunststoffkomponente verklebt wird, welche ihrerseits wieder aus verschiedenen Komponenten aufgebaut sein kann.

2. Verfahren zur Herstellung eines einen Zweiweg-Gedächtniseffekt aufweisenden Werkstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine einen Einweg-Gedächtniseffekt zeigende Komponente aus einer Cu/AI/Ni-Legierung mit 13,2 Gew.-% AI, 3,2 Gew.-% Ni und Rest Cu mit mindestens einer Schicht einer superelastischen, aus einer Ti/Ni/Cu/Fe-Legierung mit 44,25 Gew.- % Ti, 47,75 Gew.-% Ni, 5 Gew.-% Cu und 5 Gew.- % Fe bestehenden inaktiven Komponente fest verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff pulvermetallurgisch aus den einzelnen Komponenten hergestellt und zu einem Bimetall- oder Trimetall-Halbzeug weiterverarbeitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff durch Kaltverdichten der Pulvermischung, Sintern und Strangpressen oder durch heissisostatisches Pressen der Pulvermischung mit gegebenenfalls nachgeschaltetem Rundhämmern hergestellt wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines einen Zweiweg-Gedächtniseffekt aufweisenden Werkstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass eine einen Einweg-Gedächtniseffekt zeigende Komponente aus einer Cu/AI/Ni-Legierung (7) mit 14,2 Gew.-% Al, 3,2 Gew.-% Ni und Rest Cu zusammen mit einer weiteren, aus korrosionsbeständigem Stahl 18 Cr/8 Ni bestehenden Komponente (8) in einer Strangpresse bei 800 °C zu einem Verbundkörper (9/10) verpresst wird.

Claims

1. Process for the preparation of a material showing a two-way memory effect, characterized in that at least one component showing a one-way memory effect and consisting of a Cu/AI/Ni, Cu/Al, Cu/Zn/AI, TiN or Ti/Nb alloy is adhesively bonded to one layer or two further layers of a high-elasticity and high-strength plastic component which in turn can also be built up from different components.

2. Process for the preparation of a material showing a two-way memory effect, characterized in that at least one component showing a one-way memory effect and consisting of a Cu/AI/Ni alloy with 13.2% by weight of AI and 3.2% by weight of Ni, the remainder being Cu, is rigidly bonded to at least one layer of a super-elastic inactive component consisting of a Ti/Ni/Cu/Fe alloy with 44.25 % by weight of Ti, 47.75 % by weight of Ni, 5 % by weight of Cu and 5 % by weight of Fe.

3. Process according to Claim 2, characterized in that the material is produced from the individual components by powder metallurgy and is processed further to give a bimetal or trimetal semi-finished product.

4. Process according to Claim 3, characterized in that the material is prepared by cold-compacting of the powder mixture, sintering and extrusion or by isostatic hot-pressing of the powder mixture followed, if appropriate, by swaging.

5. Process for the preparation of a material showing a two-way memory effect, characterized in that a component showing a one-way memory effect and consisting of a Cu/AI/Ni alloy (7) with 14.2 % by weight of AI and 3.2 % by weight of Ni, the remainder being Cu, is pressed together with a further component (8), consisting of corrosion- resistant 18 Cr/8 Ni steel, in an extruder at 800 °C to give a composite (9, 10).

Revendications

1. Procédé de fabrication d'un matériau manifestant l'effet de mémoire à deux directions, caractérisé en ce qu'on colle un composant manifestant l'effet de mémoire à une direction fait d'un alliage Cu/AI/Ni, Cu/AI, Cu/Zn/Al, TiN ou Ti/Nb sur une ou deux autres couches d'un composant en résine synthétique à haute élasticité et haute résistance qui, à son tour, peut être formé par plusieurs composants.

2. Procédé de fabrication d'un matériau manifestant l'effet de mémoire à deux directions, caractérisé en ce qu'on solidarise un composant manifestant l'effet de mémoire à une direction fait d'un alliage Cu/Al/Ni, formé de 13,2 % en poids d'AI, de 3,2 % en poids de Ni et de Cu pour le reste, avec au moins une couche d'un composant inactif superélastique fait d'un alliage Ti/Ni/Cu/Fe formé de 44,25 % en poids de Ti, de 47,75 % en poids de Ni, de 5 % en poids de Cu et de 5 % en poids de Fe.

3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on fabrique le matériau par métallurgie des poudres à partir des différents composants et on le transforme en un produit demi-fini bimétallique ou trimétallique.

4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'on fabrique le matériau par compactage à froid du mélange des poudres, par frittage et par filage à la presse ou bien par pressage isostatique à chaud du mélange des poudres avec éventuellement un estampage ultérieur.

5. Procédé de fabrication d'un matériau manifestant l'effet de mémoire à deux directions, caractérisé en ce qu'on presse un composant manifestant l'effet de mémoire à une direction consistant en un alliage Cu/AI/Ni (7) fait de 14.2 % en poids d'AI, de 3,2 % en poids de Ni et de Cu pour le reste avec un autre composant (8) consistant en un alliage 18 Cr/8 Ni résistant à la corrosion, dans une presse à filer à 800 °C en un corps composite (9/10).

Zeichnung