DE1268851B

DE1268851B - Verwendung einer Nickel-Titan-Legierung

Info

Publication number: DE1268851B
Application number: DEP1268A
Authority: DE
Inventors: William J Buehler; Raymond C Wiley
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1961-12-01
Filing date: 1962-11-29
Publication date: 1968-05-22

Description

Verwendung einer Nickel-Titan-Legierung Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Nickel-Titan-Legierung von 30 bis 50"1, Ti' Rest Nickel, die sich durch ungewöhnliche mechanische und physikalische Eigenschaften auszeichnet.
Die meisten intermeiallischen Verbindungen sind sehr spröde und besitzen keine Duktilität -bei Raumtemperatur. Trotz vieler anderer außergewöhnlich guter Eigenschaften, die solche Verbindungen aufweisen - beispielsweise behalten sie ihre Festigkeit bei hoher Temperatur -, macht sie die Sprödigkeit bei Raumtemperatur praktisch unbrauchbar für irgendwelche bauliche Anwendungsgebiete. Hier bringt nun die Erfindung Abhilfe.
Die Erfindung besteht demgemäß in der Verwendung einer Legierung aus 30 bis 50'110 Ti, Rest Nickel, als Werkstoff für Gegenstände, die durch Warmverformung und gegebenenfalls Kaltverformung hergestellt sind und deren Gefüge innerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 500 bis -75#C eine Ti-Ni-Phase in Verbindung mit einer Ti-Ni3-Phase, verteilt in einer Ti-Ni-Matrix, besitzt, mit paramagnetischer Eigenschaft, hoher Härte im genannten Temperaturbereich, Korrosionsbeständigkeit, hoher Kerbschlag-Z; ähigkeit, guter Dehnung, Duktilität und hoher mechanischer Dämpfung.
Weitere Vorteile und Merkmale sind in der nachstehenden Beschreibung der Erfindung erläutert: Bei der verwendeten Legierung liegen drei mögliche Phasen vor. Die chemische Umsetzung folgt der Reaktionsgleichung TiNi z-- Ti2Ni + TiNi3 Als Ausgangsstoffe der Legierung dienen beispielsweise granuliertes Nickel hohen Reinheitsgrades, wie es unter dem Handelsnamen »Mond-Nickel« auf den Markt kommt, und handelsmäßig reines Titan in Barrenform. Die Technologie der Legierung kann in drei Stufen unterteilt werden, nämlich a) Erschmelzen der Legierung, b) Bearbeitung der geschmolzenen und gegossenen Legierung, c) Wärmebehandlung des bearbeiteten Materials. a) Schmelzen der Legierung Die Legierung wird wegen ihres hohen Titangehaltes im Lichtbogenschmelzverfahren erschmolzeii, wobei entweder sich selbst verzehrende Elektroden oder Dauerelektroden und ein wassergekühlter Tiegelschmelzofen benutzt werden. Unter Umständen kann auch das Induktionssehmelzen bei Verwendung eines keramischen Tiegels (beispielsweise aus Zr02) herangezogen werden, wenn zunächst das Nickel erschmolzen und hierauf die richtige Menge Titan zugerügt wird. Nach dem Hinzufügen des Titans sollte die Legierung rasch abgegossen werden, um eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen Titan und dem Tiegelmaterial zu verhindern. Eine in einem weniger feuerbeständigen Tiegel aus Mg0 versuchsweise ausgeführte Schmelzung war zufriedenstellend, insofern, als der Oxydgehalt der Schmelze auf die zulässige Höhe von ungefähr 0,18 Gewichtsprozent angehoben wurde. b) Bearbeitung der im Lichtbogen erschmolzenen Legierungen Alle Gußlegierungen zwischen etwa 52 und 56 Gewichtsprozent Nickel und entsprechend etwa 48 bis 44 Gewichtsprozent Titan können ohne jegliche vorangegangene Wärmebehandlung warm bearbeitet werden.
Bei einem Versuch wurde eine stöchiometrische Ni-Ti-Verbindung von 55,1 Gewichtsprozent Nickel und 44,9 Gewichtsprozent Titan zwischen etwa 650 und 1100'C warm bearbeitet, wobei der bevorzugte Warmbearbeitungsbereich zwischen 700 und 900'-,C lag. Weitere Versuche zeigten, daß die Legierungen, die über 56 Gewichtsprozent Nickel, d. h. von 56 bis 64 Gewichtsprozent Nickel, enthalten, eine vorangegangene Wärmebehandlung erfordern, damit sie warm bearbeitbar sind. Diese Wärmebehandlung bestand im Erwärmen der Legierung auf etwa 1050'C bis zur Durchwärmung und im anschließenden langsamen Abkühlen auf Raumtemperatur. In Abweichung hiervon können die Legierungen auf etwa 1050 C erwärmt und auf dieser Temperatur bis zur Durchwärmung gehalten werden und dann langsam auf 850'C abgekühlt und auf dieser Temperatur gehalten werden, bis sie innen und außen einheitlich diese Temperatur angenommen haben. Sodann werden sie langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Prinzip in der vorerwähnten Wärmebehandlung vor der Verarbeitung besteht darin, den Nickelüberfluß aus der Lösung auszufällen und mit der Verbindungsphase TiNi zur Verbindungsphase TiNi3 zu vereinigen. Dies führt zu einem dehnungslähigen Grundmetall, in welchem spröde Ti-Ni3-Komponenten eingesprengt sind, die zu harmlosen Partikelchen koalesziert wurden. Die vorbeschriebene, zweiphasige Ti-Ni- + Uberschuß Ti-N'3-Legierung konnte bei je- der Temperatur zwischen 700 und 900 C gewalzt werden.
Es hat sich noch gezeigt, daß das Warm-Strangpressen ein wirksames Mittel zum Uberführen der stengligen Kristallorientierung in die gleichachsige Orientierung darstellt und damit zur Warmbearbeitbarkeit der höher nickelhaltigen Verbindungen (58 bis 62 Gewichtsprozent Ni) durch übliche Arbeitsverfahren, wie Walzen, Stauchen, Schmieden usw., führt. Solches Warmpressen beseitigt jeglichen Unterschied, der ansonsten beim Warmbearbeiten dieser höher nickelhaltigen Verbindungen vorhanden ist.
c) Wärmebehandlung des bearbeiteten Materials Die Härte von Legierungen, die zwischen 52 bis 56 Gewichtsprozent Nickel und im übrigen Titan enthalten und vorherrschend einphasig TiNi waren, konnte durch irgendwelche Wärmebehandlung nur wenig unabhängig von der Kühlung beeinflußt werden.

Im Gegensatz hierzu konnten die Härteeigenschaften bei Legierungen, die zwischen 56 bis 64 Gewichtsprozent Nickel und im übrigen Titan enthalten. durch Wärmebehandlung und insbesondere durch die Ab- kühlung beeinflußt werden. Wenn derartige Legierungen auf über 900'C erwärmt und in Wasser auf Raumtemperatur abgeschreckt werden, dann nehmen sie eine hohe Härte an. So erreichte beispielsweise eine Legierung von 60 Gewichtsprozent Nickel und 40 Gewichtsprozent Titan beim Abschrecken von einer Temperatur, die zwischen 900 und 1 100-'C lag, eine Härte, die zwischen 58 und 62 Rc variierte, wie aus Tabelle I hervorgeht.

Tabelle 1

Durchschnittshärte einer 60-Ni-40-Ti-

(60 Gewichtsprozent Ni, 40 Gewichtsprozent Ti)-

Legierung bei Wasserabkühlung von

unterschiedlichen Temperaturen

Abschreckungs- Härte

temperatur Beinerkungen

( C) (R,.)

1110 62 Die Luft hatte beim Er-

1000 61 wärmen und Abschrek-

900 58 ken ungehindert Zutritt

zu den Proben

Dieselbe Legierung (60 Gewichtsprozent Nickel, 40 Gewichtsprozent Titan) erreicht bei Ofenkühlung (die Durchschnitts-Abkühlungsgeschwindigkeit betrug etwa 50 C pro Stunde) eine Endhärte von etwa 35 Rc. Diese Härte ist ungerähr gleich der Härte von Mischkristallen der Phase TiNi (52 bis 56 Gewichtsprozent Nickel), wie aus Tabelle 11 hervorgeht.

Die Tabellenwerte zeigen deutlich, daß die nicht stöchiometrischen Ti-Ni-Legierungen. also solche, die Ni im Uberschuß enthalten, durch Abschrecken härtbar sind. Auch ist ersichtlich, daß eine Legierung von 56 Gewichtsprozent Nickel und im übrigen Titan den Ubergang zwischen den härtbaren und nicht härtbaren Legierungen bildet und daß ein großer Uberschuß der die Härte bewirkenden Bestandteile von Nickel in Form von TiNi3 (oberhalb etwa 64 Gewichtsprozent Ni) dazu dient, dieAbschreckhärte zu verringern. Infolgedessen liegt der bevorzugte BereichzurErzielungdergrößten Härtbarkeit zwischen 58 und 62 Gewichtsprozent Nickel.

Tabelle II

Härte bei

Nickel Wasser- Bemerkung

(Gewichts- abschreckung

prozent) (R,.)

50 31

52 21 Die Luft hatte beim Er-

54 20 wärmen und Abschrek-

55 36 ken ungehindert Zutritt

56 44 -zu den Proben

58 60

60 62 Härte bei Ofenabkühlung

61 63 35Rc

62 62

64 59 Die Luft hatte beim Er-

66 57 wärmen und Abschrek-

68 56 ken ungehindert Zutritt

70 49 zu den Proben

72 46

Die Härte der härtbaren Nickel-Titan-Legierung (56 bis 64 Gewichtsprozent Nickel, im übrigen Titan) kann auf eine geringere Härte zurückgeführt werden. wenn dies für eine besondere Anwendung notwendig ist. Solche Verringerung muß auf dem besten Kompromiß zwischen den mechanischen Eigenschaften für die besondere Anwendung basieren. Die Verringerung der Härte von abschreckbaren Legierungen kann dadurch erreicht werden, daß A) die Abkühlgeschwindigkeit der wärmebehandelten Legierung verlangsamt wird, um eine Härte zwischen 35 Rc (Ofenabkühlung) und 62 Rc (wasserabgeschreckt) zu erreichen, und B) angelassen wird. Das Anlassen wird durch nochnialiges Erwärmen der gehärteten Legierung auf Temperaturen unterhalb des Ubergangspunktes der Phasengrenze zwischen der Ti-Ni-

Tabelle III

Legierungs- Warrnwalztemperatur Härte

zusaminensetzung Art der Erschinelzung der Legierung

TiNi Lichtbogenschmelzung mit Probe wurde nicht warm- 30 bis 31

Dauerelektrode gewalzt

TiNi desgl. 600 38

TiNi desgl. 700 38

TiNi desgl. 950 32 bis 34

TiNi desgl. ION) 39

TiNi desgl. 1100 39 bis 41

Ti,Ni desgl. Probe war nicht warrnwalzbar 53

Ti,Ni desgl. 950 nicht warmwalzbar

TiN'3 desgl. Probe war nicht warrnwalzbar 34

TiNi3 desgl. 1050 nicht warmwalzbar

Ans vorstehenden Werten ist ersichtlich, daß die Raumtemperaturhärte mit der Walztemperatur zunimmt, was zweifellos auf die höhere Erwärmungstemperatur und das rasche Abkühlen zurückzuführen ist. Es läßt sich auch ersehen, daß, während die Ti,-Ni-Legierung ganz hart ist (53 Rc), die Ti-N'3-Komponente eine Härte aufweist (34 Rc)# die mehr der Ti-Ni-Legierung entspricht. Trotz der viel geringeren Härte von TiNi3 gleicht diese der Ti,-Ni-Komponente insofern, als sie spröde ist, und zwar sogar bei hohen übereinstimmenden Temperaturen.

Bei Legierungen. die zwischen 50 und 70 Gewichtsprozent Nickel und im übrigen Titan enthalten. wurde beobachtet, daß diese Legierungen ihre Härteeigenschaften unabhängig von der Temperatur beibehalten. beispielsweise über einen Temperaturbereich von der Raumtemperatur bis zu 463 C und herab bis -75 C. Legierungen. die der stöchiometrischen Ti-Ni-Verbindung ohne TiN'3 und Ti,Ni nahekomi'nen (54.5 bis 55.1 Gewichtsprozent N#), haben sogar die Tendenz zu einer »Sekundärhärtung« erkennen lassen. Dies ergibt sich aus Tabelle VIII.
Die Dehnungseigenschaften wurden bei beiden Legierungen mit 54.5 und 55.1 Gewichtsprozent Nickel und im übrigen Titan gemessen. In jedem Fall wurde eine Standardprobe mit einem Durchmesser von 6.45 mm und einer Höhe von 25,4 mm verwendet. Die Proben wurden in Längsrichtung geläppt. um Querkerben zu verhindern. Um die Oxydation der Probenoberflächen auszuschließen und das Eindringen der Elemente Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff zu verringern, wurde eine Vakuum- bzw. kontrollierte Atmosphärenwärmebehandlung durchgeführt. Die Vakuumwärmebehandlung erfolgte dabei in einer evakuierten Quarzröhre. Die Zugfestigkeitsergebnisse, und der Ti-Ni- + Ti-Ni,-Phase (etwa 900"C) und langsame Abkühlung erreicht, wobei die endgültige Anlaßhärte durch die Erwärmungstemperatur, die Einwirkzeit dieser Temperatur und die Abkühlgeschwindigkeit bestimmt ist. Um Oberflächenoxydation (beim Erwärmen über 600 Q zu verhindern, werden die Anlaßbehandlungen in Helium- oder Argonatmosphäre durchgeführt. In vielen Fällen wird allerdings die Wärmebehandlung in Luft genügen.
Weitere Härtewerte für TiNi, Ti,Ni und TiNi3 sind in der Tabelle Ill zusammengestellt. die erhalten wurden, sind in der Tabelle IV zusammengestellt.
Aus den vorerwähnten Ergebnissen wird ersichtlich, daß die Dehnung bis 15,5",1" betragen kann, wobei der Durchschnitt bei 7 bis IO','n liegt. Für eine intermetallische Verbindung stellt diese Dehnung bei Raumtemperatur einen ungewöhnlichen und unerwartet hohen Wert dar. Es ist ferner zu erkennen, daß die 0,2-Streckgrenze beträchtlich mit der Zusammensetzung und der Wärmebehandlung variiert, während die Zugfestigkeit beim Zerreißen und der Elastizitätsmodul weitgehend konstant bleiben, und zwar unabhängig von der Zusammensetzung und der Wärmebehandlung.
Zur Bestimmung der Kerbschlagzähigkeit nach C h a r p y wurden sorgfältig bearbeitete, quadratische Proben benutzt. Die Probenflächen waren in Längsrichtung handgeläppt, um Querschrammen weitgehend auszuschalten. Die Versuche wurden in einer Standard-Riehle-Maschine durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammengestellt.
Auch hier wurden wie bei den Dehnungsversuchen ungewöhnliche Kerbschlagzähigkeitswerte im Vergleich zu den meisten intermetallischen Verbindungen erzielt. Für beide Ti-Ni-Legierungen betrug der Mindestwert 3,18 mkg, selbst bei untermaßhaltigen Proben. Besonders herausgestellt sei das Anwachsen der Kerbschlagzähigkeit bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes.

Proben mit einer Legierung mit 55,1 Gewichtsprozent Ni und im übrigen Titan wurden einer Reihe der üblichen Korrosionsversuche unterworfen und dem Oxydationsangriff ausgesetzt. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle VI und VII festgehalten.

Tabelle IV

Zugversuchsergebnisse

(Probenabmessungen: 6,45 mm Durchmesser - 25,4 mm)

Zugfestigkeit Streckgrenze 0.2-Streckgrenze Ein- Elastizitäts-

Probenbehandlung beim Zerreißen schnürung 1 modul Bemerkungen

(kg,MM2) (kg/mm2) (ll;",) (1) / o) 1 (kgmm2)

Legierung mit 54,5 Gewichtsprozent Ni, im übrigen Ti (Raumtemperatur)

800"C, 1 Stunde ofen- 79 28,1 8,1 - 8.1 - 10' brach außerhalb

gekühlt*) der Meßlänge

800,-'C, 1 Stunde wasser- 87 28,6 15J 16,0 8,3 - 1 W

gekühlt*)

Legierung mit 54,5 Gewichtsprozent Ni, im übrigen Ti (Versuchstemperatur: 85 bis 88,9 C)

800"C, 1 Stunde ofen- 77,8 32,9 3,6 - 7,9 - lW brach außerhalb

gekühlt*) der Meßlänge

800' C, 1 Stunde wasser- 81,2 3K7 10,9 13,0 7,9 - 10'

gekühlt*) 1

Legierung mit 55,1 Gewichtsprozent Ni, im übrigen Ti (Raumtemperatur)

Warmgestaucht bei 900'C, 87,9 57,2 8,1 - 7,9 - 10'

luftgekühlt

1000'C, 30 Minuten ofen- 82,0 39,5 7,2 - 6,8 - 10' Härte 26 R,

gekühlt*)

1000'C, 30 Minuten ofen- 803 23,6 3,2 - 7,3 - 103 brach außerhalb

gekühlt**) der Meßlänge,

Härte 24 R

1000'C, 30 Minuten ofen- 98,9 25,5 9,9 - Härte 24 R,

gekühlt**)

1000'C, 30 Minuten 57,8 50,1 3,5 - 72 - 10' Härte 33 R,

wassergekühlt")

1000'C, 30 Minuten 59,3 43,8 4,5 - 8,3 - 10' Härte 31 Rc

wassergekühlt")

Wärmebehandlung wurde in Argonatmosphäre durchgeführt.

Probe war während der Wärrnebehandlung in evakuierter Quarzröhre eingeschlossen.

Tabelle V

Kerbschlag-Biegeversuchsergebnisse von Proben aus Ni-Ti-Legierungen

(Die Proben waren rißfrei und quadratischen Querschnittes)

Legierungszusammensetzung NiTi Probenabmessungen Kerbschlagzähigkeit

Querschnitt Versuchsbedingungen (C h a r p y)

(Gewichtsprozent) (mm) (mkg)

54,5*) 7,48 - 7,48 Versuchstemperatur: 24# C 3,87

54,5*) 7,48 - 7,48 Versuchstemperatur: 51,7'C 4,42

54,5*) 7,48 - 7,48 Versuchstemperatur: 93,3'C 4,08

54,5*) 7,48 - 7,48 Versuchstemperatur: -80'C 5,54

54,5*) 7,48 - 7,48 Abkühlung auf -80'C in Wasser 3,18

von RT erwärmt und 15 Minuten

in Luft von RT stabilisiert

54,5*) 7,48 - 7,48 Abkühlung auf - 80'C in Wasser 3,46

von RT erwärmt, in Luft von RT

stabilisiert, anschließend auf

71,1'C erwärmt

55,1 7,51 7,51 Versuchstemperatur: 24"C 3,32

55,1 7,51 7,51 Versuchstemperatur: 93,3"C 3,87

55,1 7,51 7,51 Versuchstemperatur: -80 C 5,95

Die Proben wurden von warmgeschmiedeten Stangen entnommen.

Die Proben wurden von warmgewalzten Platten entnommen.

Tabelle VI

Korrodierende Mittel Auswirkung_

Salzwassersprühnebel schwach weißlicher Nieder-

- 20"/, Lösung, 35'C, schlag auf der Rückseite

96 Stunden der Probe, kein Angriff

auf der ausgesetzten

Oberfläche

Seewasser - 192 Stunden keine

Normale Luftatmosphäre keine

Normale Behandlung keine

Tabelle VII

Oxydationsverhalten

Gewichtszunahme infolge der Oxydation

Versuchs- bei verschiedenen Temperaturen

dauer

(g)

(Stunden) 6001 C 800' C -1 OOW C

2 0,001 0,016 GA67

4 0,001 0,017 0,079

6 0,0013 0,020 0A88

8 0,0013 0,022 0,094

10 0,0014 0,023 0,100

12 0,0015 0,025 0,105

Aus Tabelle VI läßt sich ersehen, daß in jedem Fall der Angriff vernachlässigbar war, und nur bei sehr drastischen Salzbesprühungen war ein wahrnehmbarer Film dort gebildet worden, wo die Probe gehalten wurde. Die Passivität dieser Legierungen gegenüber Korrosionsangriffen ist sicherlich eine hochwünschenswerte Eigenschaft beispielsweise für Schiffsbauwerkstoffe.

Aus Tabelle VII läßt sich ersehen, daß bei 600'C die Anfangsoxydation sehr gering war und der Oxydaufbau nach den ersten beiden Stunden vernachlässigbar war. Bei 800'C schritt die Oxydation nach den ersten beiden Stunden allmählich fort, und bei 1000'C war die Anfangsoxydation sehr schnell und schritt allmählich weiter. Das Ablösen der Oxydfläche war bei 800 und 1000'C leicht bis schwer.
Für die Verarbeitung von Baustoffen ist die Verbindungsmöglichkeit von außerordentlich großer Bedeutung. Um Aufschluß über die Schweißbarkeit von Ni-Ti-Werkstoff zu erhalten, wurden zwei abgeschrägte, 3,2 mm dicke, warmgewalzte Platten aus TiNi unter Helium im Lichtbogen stumpf zusammengeschweißt. Es waren nur geringe Schwierigkeiten zu überwinden, um die Verbindung zu erreichen, und die Schweißschnittstelle erschien frei von Rissen und Porosität. Auf Grund dieser Feststellung ist die Schweißstelle als sehr fest und zäh anzusehen. Hinzu kommt, daß die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften des Schweißteiles zeigt, daß dieses ebenso paramagnetisch ist wie das Grundmaterial.
Unter den verschiedenen außergewöhnlichen Eigenschaften der Ni-Ti-Legierungen ist das paramagnetische Verhalten von größter Bedeutung. Als paramagnetisches Material wird ein Werkstoff angesehen, dessen spezifische Permeabilität größer als 1 ist und praktisch unabhängig von der magnetisierenden Kraft ist. Die Nickel-Titan-Legierungen in der Zusammensetzung mit Ti,Ni, TiNi und TiN'3 sind hoch paramagnetisch trotz des hohen Anteils des in diesen Legierungen vorhandenen Nickels. Legierungen mit 54 bis 60 Gewichtsprozent Ni und im übrigen Ti wurden nach verschiedenen thermischen Behandlungen innerhalb weit wechselnder Temperaturen magnetisch ausgewertet. Die magnetischen Untersuchungen bezogen sich sowohl auf die Messungen der magnetischen Suszeptibilität als auch der Permeabilität. Bei diesen Versuchen wurde festgestellt, daß sich die Permeabilität sehr dem Wert 1 nähert, und zwar unabhängig von der Temperatur, der mechanischen Restspannung oder der vorangegangenen Wärmebehandlung. Damit jegliche Oxydbeschichtungen in den Fällen, wo die Ti-Ni-Legierungen für unmagnetische Anwendungsfälle benutzt werden sollen, unterbleiben, muß hohe Sorgfalt aufgewendet werden. Dies findet seine Ursache in der Vereinigung von etwas Ni der Legierung mit 02, so daß eine ferromagnetische Oxydschicht entsteht, und in der Vereinigung von Ti + Q, um TiO2 zu bilden, wodurch eine dünne, hochnickeihaltige Oberflächenschicht entsteht, die ferromagnetisch ist.
Von besonderer Wichtigkeit ist bei diesen Ni-Ti-Legierungen auch noch der ungewöhnliche mechanische Dämpfungseffekt. Die stöchiometrische Legierung zeigt sowohl im unmittelbaren Lichtbogen-Gußzustand als auch nach der Wärmebearbeitung einen einmaligen und drastischen Wechsel der Schwingungsdämpfung bereits bei geringen Änderungen der Temperatur und der Zusammensetzung. Quantitative und qualitative Untersuchungen haben' ergeben, daß die Dämpfung einer Legierung mit 54,5 Gewichtsprozent Ni und im übrigen Ti bei geringem Fe-Gehalt (etwa 0,1 Gewichtsprozent) von einem hochdämpfend wirksamen Werkstoff bei Raumtemperatur (25'C) zu einem Werkstoff mit sehr geringen Dämpfungseigenschaften bei 54'C und darüber wird. Innere Reibungsversuche, die an einem Runddraht von 0,9 mm Durchmesser durchgeführt wurden, zeigten, daß der Logarithmus der Amplitude von 2,3 auf 1,1 in 35 Perioden bei Raumtemperatur (25'C) abfiel, während der Logarithmus der Amplitude des gleichen Drahtes beim Erwärmen auf 93'C nur von 2,3 auf 2,1 in 35 Perioden abfiel. Dies zeigt deutlich den Wechsel der Dämpfungseigenschaften bei bearbeitetem Draht aus einer Legierung von 54,5 Gewichtsprozent Ni, etwa 0,1 Gewichtsprozent Fe und im übrigen Ti. Im Dämpfungsverhalten sind dagegen noch auffälligere Unterschiede bei einer derartigen Legierung beobachtet worden, wenn sie sich im Lichtbogen-Gußzustand befindet. Dieser Wechsel der Dämpfungseigenschaften scheint mit dem Phasengleichgewicht des Legierungssystems verbunden zu sein. Wenn die Temperatur erhöht wird, nimmt die Ti-Ni-Phase in der Quantität auf Kosten der Verminderung der außerhalb der Phase stehenden Bestandteile (Ti2Ni und TiNi3) zu. Sobald sich dies ereignet, wird die Dämpfungsfähigkeit wesentlich verringert. Dies ist von dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Ti,-Ni-Phase zusammen mit der Ti-Ni-Phase abhängig.

Die Phasengleichgewichtstheorie wird noch durch die Tatsache bestätigt, daß die Legierungen, die im Uberschuß Ni oder Ti über die stöchiometrische Zusammensetzung aufweisen, deutlich unterschiedliche DämpfÜngseigenschaften bei Raumtemperatur aufweisen. So zeigen beispielsweise die Ti-reichen Legierungen (weniger als 54,5 Gewichtsprozent Ni) bei Raumtemperatur hohe Dämpfungseigenschaften, während Ni-reiche Legierungen (mit mehr als 54,5 Gewichtsprozent Ni) bei Raumtemperatur geringe Dämpfungseigenschaften besitzen. Somit zeigt sich, daß die Ti2-Ni-Phase, gekuppelt mit TiNi, die hohe Dämpfungsfähigkeit entwickelt. Jegliche Verringerung der Ti.-Ni-Phase, beispielsweise das Erhöhen des Ni-Gehaltes, das Erhöhen der Temperatur, Verunreini-

Mechanische Eigenschaften von warmstranggepreßter 60'/oiger Ni-Ti-Legierung

(Es wurden Normproben von 10 mm quadratischem Querschnitt benutzt.)

Wärmebehandlung Durchschnittshärte Kerbschlagzähigkeit Zugfestigkeit Dehnung Youngs Modul

(C h arpy)

(RI.) (rnkg) (kg/MM2) (0, g» (kgmm2)

Stranggepreßt 50 8,4 126 1 9,5 1

Wasserabgeschreckt 61 5,25 112 1 11,6 10'

Ofenkühlung 41 7,2 98 8 8,6 - 10'

Abgeschreckt und 58 105 1 8,95 - 10'

angelassen bei 640'C

Die Eigenschaften der neuen Ni-Ti-Legierungen sind in Tabelle VIII zusammengestellt.

Zusammenfassend läßt sich sehen, daß Ni-Ti-Legierungen, die zwischen 50 und 70 Gewichtsprozent Ni und im übrigen Ti enthalten, entwickelt worden sind, welche eine ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften aufweisen, wie große Härte über einen weiten Temperaturbereich und insbesondere bei Temperaturen, die unterhalb des Gefrierpunktes liegen. Die Legierungen besitzen ferner ungewöhnlich gute Dehnung und Kerbschlagzähigkeit bei den gleichen Temperaturen. Die Legierungen, die in einem Bereich von 50 bis 70 Gewichtsprozent Ni liegen, können in solche Legierungen unterteilt werden, die zwischen 52 und 56 Gewichtsprozent Ni und im übrigen Ti aufweisen, und in solche, die zwischen 56 und 64 Gewichtsprozent Ni und im übrigen Ti aufweisen. Die zuerst erwähnten Legierungen stellen weitgehend einphasige Ti-Ni-Verbindungen dar, wobei sie sowohl leicht warm als auch bei Raumtemperatur bearbeitbar sind und eine ungewöhnliche Dehnung bei Raumtemperatur zeigen. Die zuletzt erwähnten Legierungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie mehrphasige Werkstoffe darstellen (insbesondere TiNi + TiNi3), die bis zu einer hohen Härte härtbar sind. Die Kombination der Härtbarkeit dieser Legierungen mit dem charakteristischen paramagnetischen Verhalten (die magnetische Permeabilität liegt unter 1,02) ist von hoher Bedeutung und führt zu ihrer Verwendung bei hochwertigen, nichtmagnetischen Werkzeugen und Baumaterialien, die unmagnetisch bleiben, dem Korsionsangriff widerstehen und der Abnutzung standhalten.

Tabelle VIII

Zusammenstellung der Eigenschaften

von Ni-Ti-Legierungen

55,1 Gewichts-

a) Physikalische Eigenschaften prozent

Ni-Ti-Legierung

Wichte (25'C), g/cri0 ........ 6,45

Schmelzpunkt, `C ........... 1240 bis 1310

Kristallstruktur ............. cscl

gungen etwa durch Fe usw., verursachen geringe Änderungen in dem Ti-Ni/Ti2-Ni-Phasengleichgewicht und bewirken so drastische Änderungen im schwingungsdämpfenden Verhalten. Dieses ungewöhnliche Dämpfungsphänomen macht diese Legierungen geeignet zur Verwendung für Temperaturfühlvorrichtungen bzw. dort, wo es gewünscht wird, mechanische Schwingungen (Geräusche) zu dämpfen.

55.1 Gewichts-

a) Physikalische Eigenschaften prozent

Ni-Ti-Legierung

Raumgitter, Parometer, 3,015

Elektrischer Widerstand (25 - C),

Mikroohm-em ............ 80

ElektrischerWiderstand(900- C),

Mikroohm-em ............ 132

Linearer Ausdehnungskoeffi-

zient (24 bis 900'C), pro - C 10,4 - W'

Rekristallisationstemperatur,'C 550 bis 650

Magnetische Permeabilität .... 1,002

Magnetische Suszeptibilität K

196 bis 550# C) ......... 5 bis 9 - 10'

b) Mechanische 54,5 Gewichts- 55 1 Gewichts-

Eigenschaften prozent prozent

Ni Ni

Zugfestigkeit,

kg7mnr' 77,4 bis 87,3 57.6 bis 98,5

0,2-Streck-

grenze,

kgmnr' 28,1 bis 38,7 32,2 bis 57.2

Youngs Modul,

kg mrrr' 7,88 - 103 bis 8,3 - 10'

bis 8,3 - 103

Dehnung," bis 15,5 bis IU

0

Einschnürung,

0 0 ..... ... bis 16

Härte,

Rockwell-A. 42 bis 52 65 bis 68

Kerbschlag-

zähigkeit,

mkg

24-- C (Raum-

temperatur). 3.87 3,32

-80- C .... 5,54 5,95

Biegefestigkeit,

kg min-' . . . . 152,0

Fortsetzung b) Mechanische 54,5 Gewichts- 55,1 Gewichts-Eigenschaften prozent prozent Ni Ni Elastizitätsmodul, kg/mnr' 7,95 103 Warmhärte*), - HV 25-C(Raumtemperatur). 230 330 260-'C ..... 215 230 463'C ..... 230 295 593' C ..... 65 95 649# C ..... 45 50 Die Proben wurden vor Versuchsausführung abgeschreckt.

Claims

Patentansprüche: 1. Verwendung einer Legierung aus 30 bis 50' 2 o Titan. Rest Nickel, als Werkstoff für Gegenstände. die durch Warmverformung und gegebenenfalls Kaltverformung hergestellt sind und deren Gefüge innerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 500 bis -75 C eine Ti-Ni-Phase in Verbindung mit einer Ti-Ni3-Phase. verteilt in einer Ti-Ni-Matrix, besitzt, mit paramagnetischer Eigenschaft, hoher Härte im genannten Temperaturbereich, Korrosionsbeständigkeit, hoher Kerbschlagzähigkeit, guter Dehnung, Duktilität und hoher mechanischer Dämpfung.
2. VerwendungeinerLegierungnachAnspruchl mit 44 bis 48' , Ti. Rest Nickel, verformt nach Anspruch 1, als Werkstoff für Gegenstände mit besonders hoher Duktilität. deren Gefüge innerhalb des Temperaturbereichs von etwa 500 bis -75 C überwiegend aus einer Ti-Ni-Phase besteht. 3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 2, die nach dem Erschmelzen einer Warmbearbeitung in einem Temperaturbereich von 650 bis 1100 C vorzugsweise von 700 bis 900 C unterworfen ist, für die Zwecke nach Anspruch 2. 4. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 mit mehr als 45,5 bis 50"" Ti, Rest Nickel, verformt nach Anspruch 1. als Werkstoff für Gegenstände mit besonders hoher mechanischer Dämpfung bei Raumtemperatur. deren Gerüge innerhalb des Temperaturbereichs von etwa 500 bis - 75 C im wesentlichen eine Ti-Ni-Phase besitzt. 5. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 mit 36 bis 44"" Ti. Rest Nickel, verformt nach Anspruch 1 und außerdem geglüht und abgeschreckt, als Werkstoff rür Gegenstände mit besonders großer Härte. deren Gerüge innerhalb des Temperaturbereichs von etwa 500 bis -75 C im wesentlichen eine Ti-Ni3-Phase, verteilt in einer Ti-Ni-Matrix, besitzt. 6. VerwendungeinerLegierungnachAnspruch5, die nach dem Erschmelzen auf etwa 1050-'C bis zur Durchwärmung vorgewärmt und hierauf einer Wärmebehandlung bei 700 bis 900' C unterzogen ist, für die Zwecke nach Anspruch 5. 7, Verwendung einer Legierung nach Anspruch 5, die nach dem Erschmelzen auf etwa 1050 C bis zur Durchwärmung erwärmt und dann langsam auf eine Temperatur von etwa 850 C abgekühlt und auf dieser Temperatur bis zur Annahme einer durchweg einheitlichen Temperatur gehalten und anschließend langsam auf Raumtemperatur abgekühlt und sodann warmbearbeitet ist, für die Zwecke nach Anspruch 5. 8. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 5, die nach der Warmbearbeitung gemäß Anspruch 6 oder 7 auf über 900- C erwärmt und anschließend vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 900 und 1100-C durch Wasserkühlung abgeschreckt oder durch Ofenkühlung bei einer Durchschnitts-Abkühlrate von etwa 50 C pro Stunde abgekühlt ist, für die Zwecke nach Anspruch 5. 9. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 5, die nach der Warmbearbeitung gemäß Anspruch 6 oder 7 und nach der Wärmebehandlung gemäß Anspruch 8 auf eine Temperatur unterhalb des Ubergangspunktes der Phasengrenze zwischen der Ti-Ni- und der Ti-Ni- + Ti-Ni3-Phase auf 900 C gebracht und anschließend langsam abgekühlt ist, für die Zwecke nach Anspruch 5. 10. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 mit 36 bis 44" 0 Ti, Rest Nickel, verformi nachAnspruch 1,alsWerkstoffrürparamagnetische Gegenstände, deren Gefüge innerhalb des Temperaturbereichs von etwa 500 bis -75 C im wesentlichen eine Ti-Ni-Phase besitzt. 11. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 mit 44,9 bis 45,5o/o Ti, Rest Nickel, verformt nach Anspruch 1, als Werkstoff für Gegenstände mit besonders hoher Kerbschlagzähigkeit, deren Gefüge innerhalb des Temperaturbereichs von etwa 500 bis -75 C im wesentlichen eine Ti-Ni-Phase besitzt. 12. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 mit 45()/() Ti. Rest Nickel, verformt nach Anspruch 1, als Werkstoff für Gegenstände mit besonders hoher Korrosionsfestigkeit, deren Gefüge innerhalb des Temperaturbereichs von etwa 500 bis -75#C im wesentlichen eine Ti-Ni-Phase besitzt. In Betracht gezogene Druckschriften> M. Hart sen und K. An derko, Constitution of Binary Alloys, 1958, S. 1049 bis 1053; M c Q u i 11 a n. Titanium, 1956, S. 127.