DE3007307A1

DE3007307A1 - Schrumpfverbindung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE3007307A1
Application number: DE19803007307
Authority: DE
Inventors: Keith Dr. Busslingen Aargau Melton; Olivier Dr. Ennetbaden Aargau Mercier
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1980-01-18
Filing date: 1980-02-27
Publication date: 1981-07-23

Description

Schrumpfverbindung und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung geht aus von einer Schrumpfverbindung nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zu deren Herstellung nach der Gattung des Anspruchs 6.
Aus der DE-AS 2 065 651 ist eine Schrumpfverbindung in Form eines auf der Innenseite abgesetzten hohlen Formteils (innenverzahnte Muffe) aus einer Gedächtnislegierung bekannt, welche durch mehrstufige thermomechanische Behandlung hergestellt wird. Dieses insbesondere für feste Rohrverbindungen verwendete Bauelement, welches sich dank seiner Innenverzahnung in die zu verbindenden Rohrstücke eingräbt und dort unter anderem bleibende Formänderungen verursacht, nützt den sog. Einwegeffekt einer Gedächtnislegierung aus.
Derartige Verbindungen sind in der Regel nur einmal zu verwenden, d.h. sie sind nicht mehrmals lös- und montierbar.
Andererseits sind aus der DE-OS 2 331 568 und aus der US-PS 3 740 839 ebenfalls auf dem Einwegeffekt beruhende lösbare Verbindungen bekannt, welche ein gegenüber der Gedächtnislegierung als Antagonist wirkendes zusätzliches Federelement besitzen. Diese meist in Form von steckdosenähnlichen bilden ausgefuhrten Apparate haben nicht den Charakter fester kraftschlüssiger Verbindungen sondern gleichen eher klammerartigen Festhalte-Mechanismen.
Die oben genannten Verbindungen weisen verhältnismässig komplizierte Formen auf und drften in ihrer Herstellung ziemlich aufwendig sein. Ausserdem erfüllen sie die an eine lösbare kraftschlüssige Verbindung gestellten Anforderungen nur teilweise. Es besteht daher der Wunsch nach einem Bauelement, welches den Betriebsbedingungen der Praxis in höherem Masse gerecht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst aus einem einzigen Bauelement bestehende Schrumpfverbindung anzugeben, welche eine beliebige Anzahl montier- und demontierbar ist, wobei die zu verbindenden Teile keine bleibende Formänderung erleiden und jederzeit ohne Nacharbeiten wieder verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Dabei zeigt: DHig. 1 einen Längsschnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe uor dem Zusammenfügen bei einer Temperatur unterhalb des Umwandlungspunktes, Fig. 2 einen Längs schnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe nach dem Zusammenfügen bei einer Temperatur unterhalb des Umwandlungspunktes, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe nach dem Zusammenfügen bei einer Temperatur oberhalb des Umwandlungspunktes, Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe vor dem Auseinanderziehen der Stäbe bei einer Temperatur unterhalb des mwandlungspunktes, Fig. 5 einen Längs schnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe nach dem vollständigen Lösen der Verbindung bei einer Temperatur unterhalb des Umwandlungspunktes.
In Fig. 1 ist eine Schrumpfverbindung vor dem Zusammenfügen im Längsschnitt schematisch dargestellt. Eine Muffe 5 aus einer Gedächtnislegierung befindet sich auf einer Temperatur unterhalb des Punktes M5 der martensitischen Umwandlung, d.h. ihr Ausgangszustand ist martensitisch. Dabei weist sie einen solchen Innendurchmesser auf, welcher um einen geringen Betrag grösser ist, als der Aussendurchmesser der zu verbindenden Teile 1 und 2, so dass sich letztere leicht in die Muffe 5 einschieben lassen. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei 1 und 2 um glatte Rundstäbe aus Stahl. Die Bewegungsrichtung für das Zusammenfügen der Stahlstäbe 1 und 2 ist durch gegeneinander weiende Pfeile in der Längsrichtung angedeutet.
Fig. 2 zeigt den Zustand nach dem Zusammenfügen der Stahlstäbe 1 und 2 innerhalb der Muffe 5 bei einer Temperatur unterhalb M5 (martensitischer Zustand). Dabei befinden sich die Stirnseiten 3 und 4 der Stahlstäbe 1 und 2 ungefähr in der Mitte der Längenabmessung der Muffe 5. Die Stirnseiten 3 und 4 können sich berühren oder gegebenenfalls einen geringen Abstand voneinander aufweisen.
In Fig. 3 ist ein chematicher Längsschnitt durch die Verbindung nach dem Zusammenfügen der zu verbindenden Teile bei Betriebstemperatur, d.h. einer oberhalb des Punktes M5 der martensitischen Umwandlung liegenden Temperatur dargestellt.
In diesem Zustand ist die Muffe 6 austenitisch und weist, verursacht durch radiale Kontraktion eine gegenüber dem martensitischen Zustand 5 (Ausgangszustand) reduzierte Form auf. Dabei werden durch das Zusammenziehen die durch Pfeile angedeuteten Radialkräfte auf die Stahlstäbe 1 und 2 auXgeübt, derart, dass diese radial zusammengedrückt werden. Die Formänderungen aller Teile 1, 2 und 6 erfolgen rein im elastischen Bereich. Stahlstab 1 weist also den elastisch deformierten Teil 7 und die elastische Einschnürung 9, Stahlstab 2 den elastisch deformierten Teil 8 und die elastische Einschnürung 10 auf.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Verbindungsmuffe und zwei Stäbe vor dem Auseinanderziehen der letzteren bei einer Temperatur, die unterhalb des Umwandlungspunktes N5 liegt. Dabei hat die Muffe 5 durch die erfolgte Expansion im martensitischen Zustand wieder die in Fig. 1 dargestellte Form angenommen. Die Stäbe 1 und 2 sitzen nur lose in der Muffe 4 und können in Längsrichtung aus dieser entfernt werden, was durch nach aussen weisende Pfeile angedeutet ist.
In Fig. 5 ist der Zustand nach dem vollständigen Lösen der Verbindung dargestellt. Die Stäbe 1 und 2 sind aus der Muffe 5 entfernt. Die Dimensionen entsprechen genau denjenigen der Fig. 1, wodurch der Ausgangszustand bei einer Temperatur unterhalb von M5 wieder erreicht ist.
Es soll hier nochmals betont werden, dass die Muffe 5 bzw. 5 keinerlei innere Rauhigkeiten, Verzahnungen oder abgesetzte stellen aufweist, was ihre Herstellung ausserordentlich vereinfacht. Die Kraftübertragung der Verbindung gemäss Fig. 3 erfolgt demnach durch reine Reibung und es sind keine bleibenden Formänderungen, welche für eine beliebig lösbare Verbindung von schwerwiegendem Nachteil wären, zu befürchten.
Selbstverständlich können die Stäbe 1 und 2 auch aus einem beliebigen anderen Werkstoff als Stahl bestehen. Es können auch Hohlkörper, z.B. Rohre sein. Die Form ist nicht auf den in den Figuren dargestellten kreisüörmigen Querschnict begrenzt. Letzterer kann auch drei-, vier-, sechs-, achteckig, rechteckig (Flachstab) oder elliptisch sein.
Ausführungsbeispiel I: iehe Fig. 1 bis 5.
Aus vorgeschmiedetem Halbzeug aus einer F'ormgedächtnislegierung wurde eine hohlzylindrische MufFe mit folgenden Dimenionen hergestellt: Aussendurchmesser: 26 mm Innendurchmesser: 19,6 mm Axiale Länge: 36 mm Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung: Titan: 44,75 Gew.-% Nickel: 48,25 Gew.-% Kupfer: 5 Gew.-% Eisen: 2 Gew.-% Die Temperatur der martensitischen Umwandlung M5 dieser Legierung beträgt -40OC.
Die Muffe wurde bei einer Temperatur von -50 C mittels eines Dornes um 1,9 mm auf einen Innendurchmesser von 21,5 mm aufgeweitet, was einem Ver£ormungsgrad von 9,7 % entspricht.
Hierauf wurde bei der gleichen Temperatur je ein glatter zylindrischer tahlstab von 20 mm Durchmesser auf jeder Seite in die Muffe eingeführt (Fig. 2) und das Ganze auf Raumtemperatur erwärmt (austenitischer Zustand). Durch den Gedächtniseffekt zog sich die Muffe zusammen, so dass eine feste Verbindung entstand (Fig. 3). Nach einer abermaliger Abkühlung auf eine Temperatur von -50°C (martensitischer Zustand) expandierte die Muffe derart, dass die Stahlstäbe ohne äußere Kraftanstrengung aus der Muffe entfernt werden konnten. Dieser Zyklus wurde mehrere Male wiederholt, zähne dass ein Nachlassen der durch den Zweiwegeffekt verursacht ten Radialkraßte festgestellt werden konnte.
Beim Aufweiten von Hohlkörpern unterhalb MS sind betränht- liche Kräfte erforderlich, da sich der Martensit bei den für den Zweiwegeffekt notwendigen Verformungsgraden stark verfestigt. Es empfiehlt sich daher, beim Aufdornen entsprechende geeignete Schmiermittel anzuwenden.
Ausführungsbeispiel II: iehe Fig. 1 bis 5.
Aus dem Werkstoff gemäss Beispiel I wurde ein Ring von 20 mm axialer Länge (übrige Dimensionen wie Beispiel I) herausgearbeitet und in gleicher Weise auf 21,5 mm Innendurchmesser aufgeweitet. Hierauf wurde der Ring auf einen Stahlstab von 20 mm Durchmesser aufgeschrumpft, indem auf gleiche Art wie in Beispiel I verfahren wurde. Nach einer Abkühlung auf -50 0C konnte der Ring leicht vom Stahlstab abgestreift werden. Nun wurde das Ganze während 50 h auf einer Temperatur von 250 0C gehalten. Nach dieser Wärmebehandlung und Prüfung in einem weiteren Abkühlungs/Erwärmungszyklus konnte kein Nachlassen des Zweiweg-Gedächtniseffektes festgestellt werden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in den Beispielen angegebenen Ausführungen. Es können insbesondere folgende Legierungen Verwendung finden: Titan: 43 bis 45 Gew.-% Kupfer: 2 bis 10 Gew.-% Eisen: 1 bis 3 Gew.-% Nickel: Rest c,anz allgemein eignen sich für die Herstellung der Schrumpfolteile alle Gedächtnislegierungen des Typs Ni/Ti oder Ni/Ti/Cu, welche noch weitere metallische Zusätze zur Beeinflussung der Umwandlungstemperatur M5 und der mechanischen Eigenschaften enthalten können und den Zweiwegeffekt zeigen. Zur Durchführung des Verfahrens wird das zur Schrumpfung bestimmte Hohlt 1 aus Gedächtnislegierung im martensitischen Gefügezustand (Temperatur unterhalb Ms) zweckmässigerweise um einen Betrag von 6 bis 12 (Verformungsgrad, aufgeweitet. Die Dimensionierung der Muffe soll dergestalt vorgenommen werden, dass sich die zu verbindenden Bauteile lose bis gut passend in die Muffe einschieben lassen.
Durch das erfindungsgemässe Hohlteil und das erfindungsgemässe Verfahren wurde eine in ihrer Herstellung und Anwendung sehr einfache, jederzeit wiederholt lösbare und wieder montierbare feste und kraftschlüssige Schrumpfverbindung geschaffen, welche die glatten, zu verbindenden Bauteile nur im elastischen Bereich deformiert und keinerlei bleibende Formänderungen hiterläst. Dadurch werden Nacharbeiten an irgendwelchen Bauelementen im Verlauf eines Löse- und Wiedermontier-Zyklus vermieden.
Bezeichnungsliste 1 = Stahlstab I 2 = Stahlstab II 3 = Stirnseite Stahlstab I zu = Stirnseite Stahlstab II 5 = muffe aus Gedächtnis legierung bei tiefer Temperatur (Ausgangszustand: martensitisch) 6 = Muffe aus Gedächtnislegierung bei Betriebstemperatur (Betriebszustand: austenitisch) 7 = Elastisch deformierter Teil Stahlstab I 8 = Elastisch deformierter Teil Stahlstab II 9 = Elastische Einschnürung Stahlstab I 10 = Elastische Einschnürung Stahlstab TI Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Schrumpfverbindung aus einer Formgedächtnislegierung, dadurch gekennzeichnet, dass als Material eine Gedächtnislegierung verwendet wird, welche den Zweiwegeffekt zeigt und dass die Schrumpfverbindung reversibel ist, dergestalt, dass sie beliebig auf ein Werkstück aufgebracht und wieder gelöst werden kann.
2. Schrumpfverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material eine Gedächtnislegierung des Typs Ni/Ti oder Ni/Ti/Cu mit oder ohne weitere metallische Zusätze verwendet wird.
3. Schrumpfverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Material eine Gedächtnislegierung verwendet wird, welche 43 - 45 Gew.-% Titan, 2 - 10 Gew.-% Kupfer, 1 - 3 Gew.-% Eisen, Rest Nickel enthält.
4. Schrumpfverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer eine elastische Radialspannung ausübenden zylindrischen Muffe aus einer Gedächtnislegierung und zwei zu verbindenden zylindrischen Bauteilen besteht.
5. Schrumpfverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stäbe (1, 2), deren Stirnseiten (3, 4) sich berühren, durch eine aus einer Gedächtnislegierung der Zusammensetzung 44,75 Gew.-% Titan, 48,25 Gew.-% Nickel, 5 Gew.-% Kupfer und 2 Gew.-% Eisen mit einer martensitischen Umwandlungstemperatur von -40°C bestehenden Muffe (6) elastisch und völlig reversibel an ihren eine elastische Deformation erleidenden Teilen (7, 8) mit den elastischen Einschnürungen (9, 10) kraftschlüssig zusammengefügt sind.
6. Verfahren zur Herstellung einer Schrumpfverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück aus einer zum Zweiwegeffekt befähigten Formgedächtnislegierung zunächst durch Giessen, Schmieden und/oder mechanische Bearbeitung in eine den zu verbindenden Bauteilen entsprechende Hohlform gebracht, dann auf eine unter dem martensitischen Umwandlungspunkt liegende Temperatur abgekühlt und in den dabei vorliegenden martensitischen Gefügezustand um einen Verformungsgrad im Bereich von 6 % bis 12 % mechanisch aufgeweitet wird, dass ferner das oder die zu verbindenden Teile bei besagter Temperatur in das die Hohlform aufweisende Werkstück aus der aufgeweiteten Gedächtnis legierung eingeführt und das Ganze auf Raum- oder Betriebstemperatur erwärmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus vorgeschmiedetem Halbring durch mechansiche Bearbeitung hergestellte zylindrische Muffe (5) aus einer Gedächtnislegierung der Zusammensetzung 44,75 Gew.-% Ti, 48,25 Gew.-% Ni, 5 Gew.-g Cu und 2 Gew.-% Fe auf -500C abgekühlt und mechanisch um einen Verformungsgrad von 9,7 Z im Durchmesser aufgeweitet wird, dass in die im martensitischen Zustand vorliegende Muffe (5) auf jeder Seite ein Stahlstab (1, 2) lose bis gut passend bis zur Berührung der Stirnflächen (3, 4) eingeführt und das Ganze auf Raumtemperatur erwärmt wird, wobei anschliessend die nun im austenitischen Zustand vorliegende Muffe (6) auf die eingeführten Teile (7, 8) der Stahlstäbe (1, 2) eine radiale Druckvorspannung ausgeübt und eine elastische Einschnürung (9, 10) erzeugt wird.