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Die vorliegende Erfindung betrifft hochfeste miteinander
verbundene Teile aus Ni-Ti-Legierungen, insbesondere einer
Ni-Ti-Legierungskomponente, die
Formerinnerungseigenschaften oder Superelastizitätseigenschaften besitzen, mit
unterschiedlichen Metallen oder unterschiedlichen
Legierungen, sowie ein Verbindungsverfahren hierfür.
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Die vorstehend erwähnten Formerinnerungseigenschaften und
Superelastizitätseigenschaften resultieren beide aus der
sogenannten thermoelastischen Martensit-Transformationsform
mit geringer Transformationshysterese. Bei dem
Formerinnerungsvermögen handelt es sich um ein Phänomen, gemäß dem
die Verformung im Martensit-Temperaturbereich zur
ursprünglichen Form zurückkehrt, wenn eine Erhitzung über die
Temperatur der inversen Martensit-Transformation (Austenit-
Transformation) durchgeführt wird. Bei der Superelastizität
handelt es sich um ein Phänomen, gemäß dem sich ein im
Austenit-Temperaturbereich verformtes Material elastisch um
8 % der Formänderung wie Gummi selbst ohne das vorstehend
erwähnte Erhitzen durch eine spannungsinduzierte Martensit-
Transformation, die von einer Verformung begleitet wird,
erholt.
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Von den Materialien, die derartige Formerinnerungs und
Superelastizitätseigenschaften besitzen, sind die Ni-Ti-
Legierungen in der Praxis am meisten eingesetzt worden. In
der Praxis verwendete und Formerinnerungseigenschaften
aufweisende Produkte aus diesen Ni-Ti-Legierungen sind
Ausblaseöffnungen von Luftsteuergeräten, Druckregelventile von
Kochgefäßen, medizinische Knochenplatten etc. Produkte aus
der Praxis, die Superelastizitätseigenschaften besitzen,
umfassen orthodontische Geräte, Stabilisierungsdrähte von
Büstenhaltern, Brillenrahmen, medizinische Führungsdrähte
etc.
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In Verbindung mit derartigen praktischen Anwendungsfällen
ist gegenwärtig auch die Entwicklung von bestimmten
Technologien in diesen Bereichen vorangetrieben worden. Eine
dieser Technologien bezieht sich auf das Verbinden von Ni-Ti-
Legierungen mit verschiedenen Metallen.
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Bei den Ni-Ti-Legierungen handelt es sich um spezielle
Legierungen, die duktil sind, obwohl es sich hierbei um eine
intermetallische Verbindung handelt. Der
Zusammensetzungsbereich liegt in der Nähe eines Atomverhältnisses von 1:1
zwischen Ni und Ti oder in einem extrem engen Bereich, dem
eine sehr kleine Menge eines speziellen Metalls zugesetzt
ist. Wenn sich dieser Bereich geringfügig verschiebt, wird
das Material rasch spröde. Da diese Legierung darüber
hinaus eine hohe Aktivität besitzt, reagiert sie leicht mit
vielen Metallen, wie Fe, Cu und Ni, wobei eine spröde
Reaktionsphase gebildet wird. Durch die Bildung dieser
Reaktionsphase wird das Verschweißen und Verlöten von
Ni-Ti-Legierungen mit verschiedenen metallischen Materialien
schwierig.
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Was die Verbindung von Ni-Ti-Legierungen anbetrifft, so
können diese Legierungen selbst in einfacher Weise
miteinander durch Fusionsschmelzverfahren, wie beispielsweise
Laserschweißen, TIG-Schweißen und
Elektronenstrahlschweißen, oder durch Druckschweißverfahren, wie
beispielsweise
Widerstandsstumpfschweißen, Abbrennschweißen und
Reibungsdruckschweißen, verbunden werden. Hierbei ist es
bekannt, daß das Widerstandsstumpfschweißen in bezug auf
die Festigkeit überlegen ist.
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Es ist jedoch nicht bekannt, daß Ni-Ti-Legierungen bei
hoher Festigkeit mit anderen Metallen als diesen
Legierungen direkt miteinander verschweißt werden können. Der Grund
hierfür ist darauf zurückzuführen, daß wegen der hohen
Aktivität der Ni-Ti-Legierungen diese in einfacher Weise zum
Zeitpunkt der Erhitzung zum Schweißen mit Fe, Cu, Ni etc.
reagieren, so daß eine spröde Reaktionsphase gebildet wird.
Unabhängig von dem eingesetzten Schweißverfahren wird daher
immer im Verbindungsbereich eine spröde Reaktionsphase
erzeugt, die es unmöglich macht, eine für praktische Zwecke
geeignete Festigkeit zu erhalten.
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Aus diesem Grunde geht man davon aus, daß das direkte
Verschweißen von Ni-Ti-Legierungen mit anderen Metallen
unmöglich ist.
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Bei den herkömmlichen Verbindungstechniken sind die
folgenden zwei Verfahren angewendet worden.
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Bei einem dieser Verfahren handelt es sich um ein
mechanisches Verbindungsverfahren. Hierbei wird mittels Nieten
etc. eine Klemmverbindung hergestellt und mittels Schrauben
eine Befestigung durchgeführt. Diese Verfahren haben jedoch
den Nachteil, daß die Verbindungsteile groß werden und daß
durch wiederholte Betätigungen Spiel entsteht.
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Ein anderes Verfahren ist ein Plattierungs/Lötverfahren.
Hierbei wird die Verbindungsfläche der Komponente aus den
Ni-Ti-Legierungen vorher mit einem leicht lötbaren Metall,
d.h. Nickel, einer Kupferlegierun&sub9; o.ä., plattiert und über
diese Plattierung wird die passende Komponente angelötet.
Auf diese Weise wird eine Reaktion zwischen den
Ni-Ti-Legierungen und dem als Hartlot wirkenden Verbindungsmetall
vermieden und eine stabilisierende Verbindungsfestigkeit
erreicht. Aufgrund der Abhängigkeit der
Verbindungsfestigkeit von der Haftfestigkeit der Plattierung war jedoch eine
Verbindung an Stellen, die hohen Spannungen ausgesetzt
sind, unmöglich.
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Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis der
vorstehend aufgezeigten Probleme konzipiert und betrifft ein
Verbindungsverfahren zum festen Verbinden von zwei
Komponenten, ohne die Eigenschaften der Ni-Ti-Legierungen zu
beeinträchtigen, durch zweckmäßiges Behandeln der spröden
Reaktionsphase, die beim Verschmelzen entsteht, wenn eine
Komponente, die Ni-Ti-Legierungen umfaßt, direkt durch
Schmelzen mit einer Komponente verbunden wird, die andere Metalle
oder andere Legierungen enthält, sowie die durch ein
derartiges Verfahren erhaltenen verbundenen Teile.
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Die entsprechenden Verfahren zum Verbinden der Komponenten
sind in den Ansprüchen 1 bis 4 wiedergegeben, während die
verbundene Struktur in den Ansprüchen 5 bis 7 angegeben
ist.
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Die erfindungsgemäßen verbundenen Teile aus
Ni-Ti-Legierungen mit anderen Metallen, bei denen es sich um miteinander
verbundene Grenzflächenteile aus Ni-Ti-Legierungen mit
anderen Metallen als diesen Legierungen handelt, umfassen
eine schmelzgeschmiedete Struktur, die durch reaktives
Verschmelzen von mindestens einem Metall, das an die
verbundene Grenzfläche grenzt, und Aufbringung von Druck erhalten
wurde, und eine heißgeschmiedete Struktur aus
Ni-Ti-Legierungen, die durch Erweichen der Legierung bei hoher
Temperatur und Aufbringung von Druck auf die Ni-Ti-Legierungen
erhalten wurde, sowie eine heißgeschmiedete Struktur aus
den anderen Metallen, die durch Erweichen des Metalls bei
hoher Temperatur und Aufbringung eines Drucks auf die
anderen Metalle über die schmelzgeschmiedete Struktur erhalten
wurde.
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Es ist von Vorteil, wenn eine Legierung mit
Formerinnerungsvermögen oder Superelastizität als Ni-Ti-Legierung
verwendet wird, die 40 - 60 % Ni-Ti aufweist, wobei ein
Teil des Ni oder Ti in dieser Ni-Ti-Legierung durch Fe, Cr,
Al, V, Pd, Ag, Mn, Mg, Co, Nb, Mo und/oder Cu ersetzt ist,
und zwar in einem Bereich, der 20 % der Gesamtmenge nicht
übersteigt. Wenn die einfachen Metalle Ni, Ti, Cu und Fe,
eine Legierung auf Ni-Basis, eine Legierung auf Ti-Basis,
eine Legierung auf Fe-Basis und/oder eine Legierung auf Cu-
Basis als die anderen Metalle verwendet werden, können gute
Effekte erzielt werden.
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Des weiteren werden bei dem erfindungsgemäßen
Verbindungsverfahren die Verbindungsflächen der Komponente aus den Ni-
Ti-Legierungen und der Komponente aus den anderen Metallen
beim Verbinden beider Komponenten miteinander in Kontakt
gebracht, es wird eine schmelzgeschmiedete Struktur, die
durch das reaktive Verschmelzen beider Komponenten und die
Aufbringung von Druck erhältlich ist, auf der
Verbindungsfläche durch Erhitzen der Verbindungsteile auf eine
Schmelztemperatur von einer der Komponenten in kurzer Zeit
ausgebildet, wobei ein reaktives örtliches Verschmelzen und
ein Erweichen beider Komponenten in dem an den
verschmolzenen Bereich angrenzenden Bereich bei hohen Temperaturen
stattfindet und gleichzeitig ein hoher Druck auf die
Verbindungsteile über beide Komponenten aufgebracht wird, um
eine Druckbehandlung durchzuführen, und es wird eine
heißgeschmiedete Struktur von Ni-Ti-Legierungen, erhältlich
durch Erweichen der Komponente aus den Ni-Ti-Legierungen
bei hoher Temperatur und durch Aufbringung von Druck, auf
der Seite dieser Komponente und eine heißgeschmiedete
Struktur der anderen Metalle, erhältlich durch das
Erweichen der Komponente aus den anderen Metallen bei hoher
Temperatur und durch Aufbringung von Druck, auf der Seite
dieser Komponente über die schmelzgeschmiedete Struktur
ausgebildet.
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Ein weiteres Verbindungsverfahren der vorliegenden
Erfindung umfaßt das Ausbilden eines herausgedrückten
Abschnittes mit geschmiedeter Struktur um den Außenumfang der
Verbindungsfläche durch Zusammendrücken der verbundenen Teile
unter einem Druck von nicht weniger als 2 kg/mm² durch
beide Komponenten, um auf diese Weise bei dem vorstehend
erwähnten Verbindungsverfahren den reaktiv verschmolzenen
Bereich von der Verbindungsfläche zur Außenseite hin
herauszudrücken. Es ist dann von Vorteil, den herausgedrückten
Abschnitt abzutrennen und durch Polieren endzubearbeiten.
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Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren
werden wärmeabstrahlende Abschnitte, die aus einem hoch
wärmeleitenden Material bestehen, an der Seite der
Komponente aus den Ni-Ti-Legierungen und an der Seite der
Komponente aus den anderen Metallen in der Nachbarschaft der
Verbindungsflächen befestigt, und das reaktiv verschmolzene
Produkt, das zur Außenseite gedrückt ist, wird unter
raschem Abkühlen durch Kontakt mit den wärmeabstrahlenden
Abschnitten verfestigt.
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Von den Zeichnungen zeigen:
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Figur 1 eine Darstellung einer für das
erfindungsgemäße Verbindungsverfahren verwendeten
Vorrichtung;
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Figur 2 eine Schnittansicht der mit dem
erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren verbundenen Teile;
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Figur 3 eine Schnittansicht der durch ein zum
Vergleich dienendes Verbindungsverfahren
verbundenen Teile;
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Figur 4 ein Photo einer Metallstruktur (Vergrößerung:
17-fach), das die mit dem erfindungsgemäßen
Verbindungsverfahren verbundenen Teile aus
51,0 % Ni-Ti und 87 Gew.-% Ni - 13 Gew.% Cr
zeigt;
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Figur 5 ein Photo einer Metallstruktur (Vergrößerung:
1500-fach), das die verbundenen Teile gemäß
Figur 7 in vergrößerter Darstellung zeigt;
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Figur 6 ein vergrößertes Photo der Metallstruktur
(Vergrößerung: 700-fach), das die
heißgeschmiedete Struktur von 51,0 %
Ni-Ti-Legierung in den verbundenen Teilen der Figur 4
zeigt;
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Figur 7 ein vergrößertes Photo einer Metallstruktur
(Vergrößerung: 700-fach), das die
Basismaterialstruktur von 51,0 % Ni-Ti-Legierung in
der Nachbarschaft des verbundenen Bereiches
der Figur 4 zeigt;
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Figur 8 ein Photo einer Metallstruktur (Vergrößerung:
17-fach), das die verbundenen Teile von
51,0 % Ni-Ti mit 87 Gew.% Ni - 13 Gew.% Cr,
die durch das zum Vergleich dienende
Verbindungsverfahren verbunden worden sind, zeigt;
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Figur 9 eine Darstellung der Metallstruktur, die die
verbundenen Teile von 51,0 % Ni-Ti und 80
Gew.-% Ni - 20 Gew.% Cr, verbunden durch
herkömmliches Widerstandsstumpfschweißen, zeigt;
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Figur 10 eine Darstellung des in Beispiel 3
eingesetzten Verbindungstests; und
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Figur 11 eine Schnittansicht der verbundenen Teile im
Verbindungstest von Beispiel 3.
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Wie vorstehend beschrieben, wird bei der Erfindung eine aus
einer schmelzgeschmiedeten Struktur von Ni-Ti-Legierungen
und anderen Metallen bestehende Schicht an der
Verbindungsfläche ausgebildet. Über dieser Verbindungsfläche werden
Schichten einer heißgeschmiedeten Struktur eines jeden
Metalls als Ausbildung der verbundenen Teile beider Metalle
hergestellt. Die schmelzgeschmiedete Struktur besitzt eine
Metallstruktur, die im Zustand der Übertragung der
Druckkraft auf die Schmelze durch Aufbringung des Drucks auf die
Verbindungsfläche verfestigt worden ist, und zwar
gleichzeitig mit dem Zeitpunkt, an dem das eine Metallmaterial an
dieser Verbindungsfläche verschmolzen wurde oder
kontinuierlich vom Zeitpunkt vor dem Verschmelzen an. Diese
schmelzgeschmiedete Struktur wird vorzugsweise in einer
Dicke von nicht mehr als etwa 20 µm über die gesamte
Verbindungsfläche ausgebildet. Für die durch örtliches
Erhitzen an der Verbindungsfläche erzeugte Schmelze reichen
eine kurze Zeit und eine sehr kleine Menge aus.
Erfindungsgemäß wird die Druckkraft auf die gerade erzeugte Schmelze
zur Verfestigung aufgebracht, so daß auf diese Weise eine
dünnschichtige schmelzgeschmiedete Struktur erhalten wird.
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Wenn jedoch in Abhängigkeit von den Erhitzungsbedingungen
etc. an den Grenzflächen der Verbindungsteile die
verschmolzene Phase in großen Mengen erzeugt oder eine spröde
reaktiv verschmolzene Phase aus Ni-Ti-Legierungen und
anderen Metallen hergestellt wird, neigt die Festigkeit der
verbundenen Teile zum Abfallen. Wenn beispielsweise die
Endflächen eines Drahtes einer 51,0 %igen Ni-Ti-Legierung
und eines Drahtes einer Legierung aus 80 Gew.% Ni und 20
Gew.% Cr stumpf aneinandergestoßen werden, um das
herkömmliche Widerstandsstumpfschweißen durchzuführen, werden zwei
Arten von spröden Phasen einer geschmiedeten Struktur (9),
die aus einer verschmolzenen Reaktionsphase, welche an der
Verbindungsfläche und um deren äußeren Umfangsbereich herum
verbleibt, besteht, und einer diffusen Schicht (10)
zwischen der flüssigen Phase und der festen Phase, die durch
die Reaktion zwischen dem zur Außenseite der verbundenen
Teile herausgedrückten Produkt und der Oberfläche der
Komponente aus der Ni-Ti-Legierung erzeugt wurde, ausgebildet,
wie in Figur 9 gezeigt. Die bei diesen beiden Schichten
anfangs auftretenden Brüche sind der Hauptgrund für eine
herabgesetzte Verbindungsfestigkeit.
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Erfindungsgemäß werden somit die verbundenen Teile derart
verfestigt, daß für eine derartige verschmolzene
Reaktionsphase die spröde reaktiv verschmolzene Phase und eine extra
verschmolzene Phase zur Außenseite der Komponenten gedrückt
werden, indem sowohl die Seite der anderen Metalle als auch
die Seite der Ni-Ti-Legierungen über die verschmolzene
Reaktionsphase bei hoher Temperatur erweicht und somit als
Druckmedium verwendet wird und indem die Verbindungsfläche
einer Druckbehandlung unterzogen und gleichzeitig die
schmelzgeschmiedete Struktur geformt wird, indem die
verbleibende Minimalmenge der verschmolzenen Phase
schmiedebehandelt und somit verfestigt wird. Da ferner die Druckkraft
auch auf die bei hoher Temperatur erweichten Bereiche auf
beiden Seiten der schmelzgeschmiedeten Struktur aufgebracht
wird, werden die heißgeschmiedeten Strukturen ausgebildet,
die eine Spannungskonzentration an der Verbindungsfläche
verhindern.
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Die minimale Druckkraft hängt von den physikalischen
Eigenschaften der anderen Metalle ab. Sie sollte jedoch
normalerweise nicht geringer als 2 kg/mm² sein. Wenn die
Druckkraft unter 2 kg/mm² liegt, ist die Kraft zum Herausdrücken
der reaktiv verschmolzenen Phase etc. von der
Verbindungsfläche nach außen zu gering und auch die erhaltene
geschmiedete Struktur ist unzureichend.
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Des weiteren ist es für die spröde diffundierte Schicht von
Bedeutung, die an der Verbindungsfläche erzeugte Schmelze
auf eine Minimalmenge zu drücken, um auf diese Weise die
durch die Aufbringung von Druck auf die Verbindungsfläche
herausgedrückte Schmelze zu minimieren und die Erzeugung
der spröden diffundierten Schicht zu verhindern. Das
Erhitzen der Verbindungsteile wird daher auf eine kurze
Zeitdauer und auf einen örtlichen Bereich beschränkt. Wenn
zuviel Schmelze erzeugt wird, werden wärmeabstrahlende
Abschnitte, die aus einem stark wärmeleitenden Material
bestehen, vorher an beiden Komponenten auf der Seite der Ni-
Ti-Legierungen und der Seite der anderen Metalle in der
Nachbarschaft der Verbindungsteile befestigt, so daß auf
diese Weise die große Menge der zur Außenseite der
Verbindungsfläche gedrückten Schmelze rasch verfestigt und die
Erzeugung einer diffusen Reaktionsphase der
Ni-Ti-Legierungen mit der Schmelze verhindert werden kann. Wenn beide
wärmeabstrahlenden Abschnitte (wärmeabstrahlende Halter) in
enge Nachbarschaft zur Verbindungsfläche gebracht werden,
so daß die herausgedrückte Schmelze sofort von den
wärmeabstrahlenden Haltern kontaktiert wird, erstreckt sich die
Schmelze zwischen beiden wärmeabstrahlenden Haltern, was
für ein rasches Abkühlen wirksamer ist.
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Der wärmeabstrahlende Abschnitt (wärmeabstrahlende Halter)
tritt mit der Schmelze in Kontakt, die unter der vorstehend
beschriebenen raschen Abkühlung verfestigt wird. Er hat
darüber hinaus die Aufgabe, die Position des
Verbindungsbereiches so zu fixieren, daß er sich nicht verschiebt, wenn
der Druck auf die Verbindungsfläche aufgebracht wird.
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Diese wärmeabstrahlenden Halter können durch Luftkühlung
natürlich abgekühlt werden. Wenn wärmeabstrahlende Halter
verwendet werden, die aus einem Material bestehen, das eine
relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt, kann eine
große Wirkung erzielt werden, wenn die wärmeabstrahlenden
Halter mit Wasser, flüssigem Gas etc. zwangsweise gekühlt
werden.
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Da die zur Außenseite der Komponenten gedrückte Schmelze um
die Verbindungsfläche verfestigt wird und den
herausgedrückten Abschnitt, der eine normale geschmiedete Struktur
besitzt, bildet, ist es möglich, eine hohe Festigkeit für
die verbundenen Teile aufrechtzuerhalten, indem die
Oberfläche nach dem Abtrennen des herausgedrückten Abschnittes
poliert wird.
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Da ferner erfindungsgemäß die Verbindungsteile beider
Komponenten über eine kurz Zeitdauer örtlich erhitzt werden,
kann eine Verschlechterung der Eigenschaften, insbesondere
eine Verschlechterung der Formerinnerungseigenschaften und
der Superelastizitätseigenschaften, aufgrund des Einflusses
der Wärme auf einen anderen Bereich als den der verbundenen
Teile verhindert werden. Durch Anordnung der
wärmeabstrahlenden Halter wird eine weitere Verbesserung des
Wirkungsgrades erzielt.
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Diese wärmeabstrahlenden Halter verhindern zusätzlich zu
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dem Kühleffekt eine Verformung in einem anderen Bereich als
den verbundenen Teilen. Es ist ferner die Verbindung von
Präzisionsteilen, die Profilmaterialien umfassen, möglich.
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Zum Erhitzen der Verbindungsfläche kann ein übliches
Widerstandsschweißgerät verwendet werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung auf der Basis von
Ausführungsbeispielen beschrieben.
Beispiel 1
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Unter Verwendung eines Schweißgerätes, das mit
einer Druckvorrichtung 1 und einer Schweißstromquelle 2
versehen war, wie in Figur 1 gezeigt, wurden die folgenden
Versuche durchgeführt.
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Ein superelastischer Draht 3 mit einem Drahtdurchmesser von
2,6 mm und einer Länge von 20 mm als Ni-Ti-Legierung mit
51 % Ni, Rest Ti, und andere Metalldrähte 4, die ebenfalls
einen Drahtdurchmesser von 2,6 mm und eine Länge von 20 mm
besaßen und deren Zusammensetzungen in Tabelle 1 aufgeführt
sind, wurden zwischen Luftkühlelektroden 5 geklemmt, die
aus eine Kupfer-Chrom-Legierung bestanden und als
wärmeabstrahlende Halter dienten, wie in Figur 1 gezeigt. Bei dem
erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren wurden zuerst die
Endflächen des superelastischen Drahtes und des anderen
Metalldrahtes mit der Druckvorrichtung 6 unter einen Druck
von 20 kg/mm², 10 kg/mm² oder 3 kg/mm² gesetzt. In diesem
Zustand wurde ein optimaler Stromwert zwischen 1500 und
3000 A in Abhängigkeit vom Unterschied der physikalischen
Eigenschaften eines jeden Metalles ausgewählt, und der
Strom wurde über 1/20 sec eingeschaltet, um eine Verbindung
durchzuführen. Als zweites wurde für ein als Vergleich
dienendes Verbindungsverfahren die Druckkraft auf 1,5
kg/mm² abgesenkt, um beide Drähte unter den gleichen
Bedingungen mit Ausnahme der Druckkraft zu verbinden.
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Der Zustand der mit dem erfindungsgemäßen
Verbindungsverfahren und dem als Vergleich dienenden Verbindungsverfahren
verbundenen Teile zu diesem Zeitpunkt ist in den Figuren 2
und 3 gezeigt. Gemäß Figur 2 steht die herausgedrückte
Schmelze M über eine Ebene mit Luftkühlelektroden 5, 5 in
Kontakt, wobei sie zwischen diese Elektroden 5, 5
eingeführt ist, und wird unter einer aufgezwungenen Abkühlung
verfestigt, während bei dem zum Vergleich dienenden
Verbindungsverfahren bei abnehmender Druckkraft die Menge der
herausgedrückten Schmelze M geringer war, wie in Figur 3
gezeigt, so daß sich die Schmelze durch natürliche
Abkühlung verfestigte.
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Bei dem herkömmlichen Verbindungsverfahren wurde die
Endfläche des superelastischen Drahtes mit Ni plattiert, und
durch Anlöten der in Tabelle 1 gezeigten unterschiedlichen
Metalldrähte wurden die Drähte verbunden.
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Mit diesen verbundenen Drähten wurde der Zugfestigkeitstest
durchgeführt, wobei beide festgeklemmte Enden einer
Zugkraft ausgesetzt wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1
gezeigt. Eine Probe mit einer Zugfestigkeit von nicht
weniger als 50 kg/mm² wurde mit markiert. Eine Probe mit
einer Zugfestigkeit von nicht weniger als 30 kg/mm² und von
weniger als 50 kg/mm² wurde mit markiert. Eine Probe mit
einer Zugfestigkeit von nicht weniger als 20 kg/mm² und
weniger als 30 kg/mm² wurde mit markiert, während eine
Probe mit einer Zugfestigkeit von weniger als 20 kg/mm² mit
markiert wurde. Die für praktische Einsatzzwecke
erforderliche Festigkeit ist nicht geringer als 20 kg/mm².
Tabelle 1
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Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, besitzen sämtliche mit dem
erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren verbundenen Teile,
bei denen die Druckkraft beim Verbinden 10 kg/mm² betrug,
eine Festigkeit, die nicht geringer als 20 kg/mm² ist und
sind somit in ausreichender Weise für die Praxis geeignet.
Demgegenüber liegt die Festigkeit sämtlicher nach dem
herkömmlichen Lötverfahren verbundener Teile unter 20 kg/mm².
Darüber hinaus beträgt bei dem zum Vergleich dienenden
Verbindungsverfahren die Druckkraft beim Verbinden 1,5 kg/mm².
Es konnte keine ausreichende Festigkeit erzielt werden.
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Photos der geschweißten Struktur der erfindungsgemäß
verbundenen Teile sind in den Figuren 4 und 5 gezeigt, wobei
ein 87Ni-13Cr-Draht als passendes Material der
Ni-Ti-Legierung (51,0 % Ni, Rest Ti) von den Verbindungsdrähten mit
einer Druckkraft von 20 kg/mm² verbunden wurde. Eine Photo
der geschweißten Struktur der als Vergleich dienenden
verbundenen Teile, die unter einem Druck von 1,5 kg/mm²
verbunden wurden, ist in Figur 8 gezeigt.
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Gemäß Figur 4 ist die Reaktionsphase beider Legierungen zur
Außenseite der verbundenen Teile gedrückt. Gemäß Figur 5
ist die Verbindungsfläche vergrößert. Man kann erkennen,
daß eine etwa 10 µm dicke schmelzgeschmiedete Struktur 11
an der Verbindungsfläche ausgebildet wurde und daß sich
über dieser eine heißgeschmiedete Struktur 12 einer
51,0 %igen Ni-Ti-Legierung auf einer Seite und eine
heißgeschmiedete Struktur 13 von 87Ni-13Cr auf der anderen Seite
ausbildete.
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In den Figuren 6 und 7 sind Mikrophotographien der
heißgeschmiedeten Struktur 12 der 51Ni-Ti-Legierung und der
Basismaterialstruktur 14 der 51Ni-Ti-Legierung, die nicht
heißgeschmiedet wurde, gezeigt.
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Im Gegensatz dazu geht aus dem Strukturphoto der Figur 8
hervor, daß die Reaktionsphase innerhalb der
Verbindungsfläche verbleibt. Man kann davon ausgehen, daß sich
aufgrund der geringen Druckkraft und/oder der unzureichenden
Ausbildung der heißgeschmiedeten Struktur die reaktiv
verschmolzene Phase so wie sie war verfestigte.
Beispiel 2
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Als nächstes wurden ein mit einem superelastischen
Draht aus einer 51,0 %igen Ni-Ti-Legierung unter einer
Druckkraft von 20 kg/mm² oder 1,5 kg/mm² verbundener in
Tabelle 1 aufgeführter SUS 304 Draht und ein über das
herkömmliche Plattierungs/Lötverfahren verbundener Draht
verwendet. Es wurde ein wiederholter Biegetest durchgeführt,
wobei die Probe um einen Winkel von 90º sowohl vorne als
auch hinten (insgesamt 180º) mit der Verbindungsfläche als
Mitte gebogen wurde. Der Biegevorgang wurde mit einer
Geschwindigkeit von 30 Vorgängen pro Minute durchgeführt und
240 mal wiederholt.
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Der mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens
bei einer Druckkraft von 20 kg/mm² verbundene Draht gewann
nach Beendigung des Tests ohne Verformung vollständig
wieder seine ursprüngliche Form zurück, und die
Superelastizitätseigenschaften waren in keiner Weise verschlechtert.
Demgegenüber waren jedoch die mit Hilfe des als Vergleich
dienenden Verbindungsverfahrens unter einer Druckkraft von
1,5 kg/mm² durch herkömmliches Plattieren/Löten verbundenen
Drähte beim Test an den verbundenen Teilen gebrochen.
Beispiel 3
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Die folgenden Versuche wurden mit dem in Figur 1
gezeigten Schweißgerät durchgeführt.
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Es wurden ein Runddraht mit einem Drahtdurchmesser von 1,5
mm und einer Länge von 40 mm aus 50,8 % Ni, Rest Ti, der
einer Linearformerinnerungsbehandlung über 30 min bei
500º C unterzogen worden war (hiernach als Runddraht
bezeichnet), als Ni-Ti-Legierung und zwei Profildrähte für
die Einfassung eines Brillenrahmens mit einer Länge von
200 mm aus Monel (hiernach als Profildraht bezeichnet) als
andere Metalle verwendet.
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Nach dem Festklemmen zwischen Luftkühlelektrodenhaltern 5',
5', die Kupfer und Chrom aufwiesen, wie in Figur 10
gezeigt, um die Seitenflächen durch Überlappen des
Spitzenabschnittes der Profildrähte 8 an beiden Enden des
Runddrahtes 7 um 5 mm zu verbinden, wurde im Zustand einer
Druckbeaufschlagung mit 10 kg/mm² ein Strom von 1200 A über
1/30 sec eingeschaltet, um das Verbinden zu beenden. Der
Zustand zu diesem Zeitpunkt ist in Figur 11 gezeigt.
Hieraus wird deutlich, daß die aus der Verbindungsfläche
herausgedrückte Schmelze M mit den Luftkühlelektrodenhaltern
5', 5' als wärmeabstrahlenden Haltern in Kontakt trat und
sich unter rascher Abkühlung verfestigte.
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Als nächstes wurde nach dem Abtrennen und Polieren des von
der Verbindungsfläche nach außen gedrückten Abschnittes
jeder Profildraht auf beiden Seiten eingespannt, und es wurde
der wiederholte Verdrehtest durchgeführt, indem die Probe
um einen Winkel von 120º jeweils nach rechts und links
(insgesamt 240º) in Axialrichtung mit einer Geschwindigkeit
von 10 Vorgängen/min verdreht wurde. Der Vorgang wurde 1000
mal wiederholt.
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Es ergab sich, daß die verbundenen Teile nicht gebrochen
und die Superelastizitätseigenschaften kaum verschlechtert
waren.
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Auf diese Weise können mit dem erfindungsgemäßen
Verbindungsverfahren das die anderen Metalle repräsentierende
Material und das die Ni-Ti-Legierungen repräsentierende
Material mit hoher Festigkeit miteinander verbunden werden,
ohne daß die überlegenen Eigenschaften der
Ni-Ti-Legierungen beeinflußt werden. Demgegenüber war bei dem als
Vergleich dienenden Verbindungsverfahren und dem herkömmlichen
Verbindungsverfahren die Verbindungsfestigkeit zu gering,
um den wiederholten Biegetest durchzuführen.
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Wie vorstehend in Verbindung mit der Erfindung erläutert,
können Ni-Ti-Legierungen, die überlegene Eigenschaften
besitzen, wie Formerinnerungsvermögen und Superelastizität,
in einfacher Weise mit anderen Metallen mit hoher
Festigkeit und ohne Verschlechterung dieser Eigenschaften
verbunden werden. Die Erfindung sorgt daher für eine weite
Verbreitung der Verwendung von Ni-Ti-Legierungen u.ä.
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Erfindungsgemäß werden verbundene Teile aus
Ni-Ti-Legierungen mit anderen Metallen beschrieben, die miteinander
verbundene Grenzflächenteile aus Ni-Ti-Legierungen mit anderen
Metallen als diesen Legierungen besitzen, wobei die Teile
eine schmelzgeschmiedete Struktur, die durch reaktives
Verschmelzen aufgrund des Verschmelzens von mindestens einem
Metall, das an die Verbindungsfläche grenzt, und die
Aufbringung von Druck erhalten wurde, und eine
heißgeschmiedete Struktur aus Ni-Ti-Legierungen, die durch Erweichen
der Legierung bei hoher Temperatur und durch
Druckaufbringung auf der Seite der Ni-Ti-Legierungen erhalten wurde,
sowie eine heißgeschmiedete Struktur aus den anderen
Metallen, die durch Erweichen des Metalls bei hoher Temperatur
und Druckaufbringung auf der Seite der anderen Metalle über
die schmelzgeschmiedeten Struktur erhalten wurde,
aufweisen. Ferner wird erfindungsgemäß ein direktes
Verbindungsverfahren zum Erhalten dieser verbundenen Teile offenbart.
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Es ist somit möglich, eine Komponente aus Ni-Ti-Legierungen
mit einer Komponente aus anderen Metallen mit hoher
Festigkeit zu verbinden, ohne die Eigenschaften der Komponenten
zu verschlechtern.