DE1533360B1

DE1533360B1 - Verfahren zur Herstellung von nahezu stoechiometrischen Nickel-Titan-Legierungen und Verwendung derselben

Info

Publication number: DE1533360B1
Application number: DE19661533360
Authority: DE
Inventors: William J Buehler; Alexander G Rozner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1965-08-20
Filing date: 1966-08-08
Publication date: 1971-01-07
Also published as: GB1161225A; ES330445A1; CH504538A; BE685751A; NO115605B; NL6611720A; AT281446B; US3351463A

Description

Die nahezu stöchiometrischen Nickel-Titan-Legierungen und ihre einmaligen Eigenschaften sind eingehend in der USA.-Patentschrift 3 174 851 dargelegt worden. Für manche Anwendungen ist es erwünscht, derartige Nickel-Titan-Legierungen mit höherer 0,2-Grenze zu erhalten. Versuche, die 0,2-Grenze durch konventionelle Maßnahmen, wie Wärmebehandlung, zu erhöhen, haben nur geringen Erfolg gehabt. Dies dürfte wahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen sein, daß die Legierungen im wesentlichen in einer einzigen Phase vorliegen. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit und zur Erzeugung eines martensitischen Gefüges solcher Legierungen anzugeben.

Das Erfindungsziel, das zu einer 0,2-Grenze von mindestens 68 kp/mm^z, vorzugsweise von 81,7 bis 129 kp/mm², einer Bruchdehnung, bezogen auf eine Meßlänge von 25,4 mm, von mindestens 7%, vorzugsweise von 7 bis 20%, einer Zugfestigkeit von mindestens 109 kp/mm², vorzugsweise von 129 bis 177 kp/mm², einer spezifischen Festigkeit, d.h. einem Zugfestigkeits - Dichte - Verhältnis, von mindestens

kp/mm²
101,6 g/_cm ³ , vorzugsweise zwischen 127 und

203,2 , bei einer Permeabilität von etwa 1 in

einer Nickel-Titan-Legierung aus 53,5 bis 56,5% Nickel, Rest Titan, die nach an sich bekannter Lösungsglühung und Abkühlung kaltverformt wird, führt, wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Kaltverformung in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung unterhalb, vorzugsweise wenigstens um 20 bis 30° C unter den folgenden kritischen Temperaturen, bei denen das Kristallgitter eine martensitische Umwandlung erfährt, erfolgt:

Tabelle I

Legierungszusammensetzung	5	53,5	Kritische Temperaturen
(Gewichtsprozent Nickel, Rest Titan)	54,0
54,5	(⁰Q ·
ίο 55,0	98
55,5	140
56,0	170
56,5	140
30
-25
-50

°c	Für eine Legierungszusammensetzung (Gewichtsprozent Nickel, Rest Titan)
98	53,5
140	54,0
170	54,5
140	55,0
30	55,5
-25	56,0
-50	56,5

Vorteilhafterweise wird die Nickel-Titan-Legierung nach der Wärmebehandlung durch Walzen, Ziehen oder Strangpressen verformt.

Bei der Kaltverformung erfährt die Nickel-Titan-Legierung eine martensitische (diffusionslose) Umwandlung. Die Fähigkeit der Legierung, eine martensitische Umwandlung durchzumachen, ist temperaturabhängig. Die höchste Temperatur, bei welcher diese Umwandlung eintreten kann, wird als kritische Temperatur bezeichnet. Diese kritische Temperatur, die eine Funktion der Legierungszusammensetzung ist, kann leicht aus einer Dämpfungsübergangskurve bestimmt werden. In Tabelle I sind die ungefähren kritischen Temperaturen einiger typischer Nickel-Titan-Legierungen angegeben.

Bislang bestand in der Fachwelt die Ansicht, daß

Legierungen mit 52 bis 56% Nickel, Rest Titan, vorwiegend aus der einzigen Phase TiNi bestehen und daß ihre Härte durch eine Wärmebehandlung oder durch Veränderung der Abkühlungsgeschwindigkeit nur unwesentlich beeinflußt werden können. Vorliegende Erfindung beruht auf der weitergehenden Erkenntnis, daß eine Erhöhung der Festigkeit derartiger Legierungen jedoch erreicht werden kann, wenn diese Legierungen geglüht, abgekühlt und anschließend kaltverformt werden, wobei gleichzeitig ein martensitisches Gefüge entsteht.

Auch die Zeit zur Steigerung der Zugfestigkeit ist temperaturabhängig. Je größer der Temperaturunterschied zwischen der Verarbeitungstemperatur und der kritischen Temperatur ist, um so höher wird die Festigkeit. Für die meisten Zwecke wird die Arbeitstemperatur vorzugsweise wenigstens 20 bis 30⁰C unter der kritischen Temperatur gehalten. Um sicherzustellen, daß der geringste gewünschte Temperaturunterschied erhalten wird, muß auch der Temperaturanstieg, der gewöhnlich durch die Reibung bewirkt wird, mit in Rechnung gestellt werden. Solange allerdings die Arbeitstemperatur unter der kritischen Temperatur gehalten wird, können die durch Reibung bewirkten Temperaturänderungen den Vorgang nicht wesentlich beeinflussen.

Die Legierungen können in an sich bekannter Weise verarbeitet werden. Beispielsweise können sie im Gesenk geschmiedet, grobgewalzt, gezogen, stranggepreßt, freiformgeschmiedet, gestreckt, feingewalzt, durch Sprengverformung oder in anderer Weise verarbeitet werden, wobei diese Verarbeitungen im wesentlichen Teile der Gesamtverarbeitung sind. Das Maß der durchzuführenden Verarbeitung hängt von der gewünschten Festigkeit und Härte ab, wobei ein höherer Verformungsgrad eine größere Festigkeit ergibt. Der Verarbeitung, welcher die Legierung unterworfen werden kann, ist allerdings eine obere Grenze gesetzt, bei deren überschreiten Einrisse und örtliche Ausbrüche auftreten können. Als Faustregel kann gelten, daß die Verarbeitung nur bis zu einer Querschnittsverminderung von 20 oder 25% bei Rundmaterial bzw. einer Dickenverminderung von 20 bis 25% bei Flachmaterial durchgeführt werden sollte, da übermäßiges Verarbeiten zu einer beachtlichen Abnahme der Duktilität ohne vergleichbare Zunahme der Festigkeit führt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Nickel-Titan-Legierung mit hoher Festigkeit, großer Härte, hoher Schlagzähigkeit, hoher Dehnung (Duktilität), großer Korrosionsbeständigkeit, niederer Dichte und stabiler Unmagnetigkeit erhalten.

Die nachfolgenden Beispiele zeigen Ausführungsformen der Erfindung.

Beispiel I

Ein Nickel-Titan-Blech (55,1 Gewichtsprozent Nickel, Rest Titan) von 101,6 χ 25,4 χ 3,30 mm wurde bei 800⁰C im Vakuum geglüht und zum Ausschalten der Einflüsse der vorangegangenen Verarbeitung ofengekühlt. Anschließend wurde das Blech 20 Minuten lang in flüssigen Stickstoff gegeben, um sicherzustellen, daß die Legierung eine Temperatur annimmt, die unterhalb ihrer kritischen Temperatur liegt, und um ferner sicherzustellen, daß die Legierung unterhalb der kritischen Temperatur während des Walzens bleibt. Anschließend wurde das Blech gewalzt, wobei sich in Abhängigkeit der Dickenverminderung der in der folgenden Tabelle II festgehaltenen Festigkeitswerte ergaben.

Tabelle II

25

30

Neben der hohen Zugfestigkeit und Duktilität wies die Legierung eine magnetische Permeabilität von nahezu 1 sowie hohe Korrosionsbeständigkeit und Schlagzähigkeit auf.

Beispiel II

Ein Nickel-Titan-Draht von 1,5 mm Durchmesser (55,1 Gewichtsprozent Nickel, Rest Titan), wurde geglüht und wie im Beispiel I gekühlt. Die Legierung wurde dann durch konische Ziehsteine gezogen, wobei sich die in Tabelle III angegebenen Werte ergaben.

Dicken verminderung	0,2-Grenze (kp/mm²)	Zugfestigkeit (kp/mm²)	Bruchdehnung, bezogen auf eine Meßlänge von 25,4 mm
O (geglüht) 10 15	20,4 75,0 88,5	88,5 111 130	22 25 13

Tabelle III

Querschnitts verminderung (%)	0,2-Grenze (kp/mm²)	Zugfestigkeit (kp/mm²)	Bruchdehnung, bezogen auf eine Meßlänge von 25,4 mm (%)
0 (geglüht) 13 20 35	20,4 79,5 100,0 135,5	88,5 131,0 165,0 177,5	über 40 20 15 7,5

Die Legierung wies hohe Schlagzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie eine Permeabilität auf, die im wesentlichen 1 war.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet mannigfache Anwendung, da es die hocherstrebten Eigenschaften von Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität, Korrosionsbeständigkeit und magnetische Permeabilität von etwa 1 bewirkt. Das hohe Festigkeits-Dichte-Verhältnis macht die Legierung insbesondere dort anwendbar, wo hochfeste Werkstoffe geringen Gewichtes benötigt werden, beispielsweise im Raketenbau und in der Raumfahrt. Die hohe Festigkeit und_ die Korrosionsbeständigkeit der Legierung macht sie außerdem für den Schiffsbau verwendbar, und zwar trotz der Tatsache, daß etwas von der Schwingungsdämpfungsfähigkeit für die erhöhte Festigkeit geopfert worden ist. Die Legierung kann auch als Panzermaterial gegen Beschüß Verwendung finden. Im Gegensatz zum konventionellen Härtungsprozeß wird erfindungsgemäß die Duktilität und Zähigkeit nicht nennenswert beeinflußt, und im Gegensatz zum Austenit-Martensit-Ubergang beim Stahl werden die amagnetischen Eigenschaften der Legierung gleichfalls nicht beeinflußt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzielung einer 0,2-Grenze von mindestens 68 kp/mm², vorzugsweise von 81,7 bis 129 kp/mm², einer Bruchdehnung, bezogen auf eine Meßlänge von 25,4 mm, von mindestens 7%, vorzugsweise von 7 bis 20%, einer Zugfestigkeit von mindestens 109 kp/mm², vorzugsweise von 129 bis 177 kp/mm², einer spezifischen Festigkeit von mindestens 101,6 >

vorzugsweise zwischen 127 und 203,2 ^kP/^mm ,

g/cm³

bei einer Permeabilität von etwa 1 in einer Nickel-Titan-Legierung aus 5,3,5 bis 56,5% Nickel, Rest Titan, die nach an sich bekannter Lösungsglühung und Abkühlung kaltverformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverformung in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung unterhalb, vorzugsweise wenigstens um 20 bis 30° C unter den folgenden kritischen Temperaturen erfolgt:

45

55

60

65

Für eine Legierungszusammensetzung ⁰C (Gewichtsprozent Nickel, Rest Titan 98 53,5 140 54,0 170 54,5 140 55,0 30 55,5 -25 56,0 -50 56,5

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel-Titan-Legierung der Zusammensetzung nach Anspruch 1 nach der Wärmebehandlung durch Walzen, Ziehen oder Strangpressen verformt wird.

3. Verwendung der nach dem Anspruch 1 oder 2 behandelten Nickel-Titan-Legierungen aus 53,5 bis 56,5% Nickel, Rest Titan und herstellungsbedingten Verunreinigungen, zur Herstellung unmagnetischer Gegenstände großer Härte und hoher Zugfestigkeit, von Panzerplatten, von Teilen für Raketen und Raumfahrzeugen sowie für den Schiffsbau.