專利名稱：用于用msm-合金制造單晶體的方法
技術領域：
本發明涉及用于制造單晶MSM-體以制造MSM-執行器的方法，還涉及這種單晶MSM-體，它是如何通過該方法被制造的。
背景技術：
MSM-執行器(也稱為“MSM-執行機構”)通常在現有技術中是已知的并且利用這 樣的效果，即，在磁場的影響下，所謂的磁控形狀記憶材料(MSM=磁控形狀記憶)實施膨脹運動(基于各MSM-體沿膨脹方向的長度，膨脹運動典型地處在個位數的百分比范圍)，可以是驅動的基礎并且就此而言可以是公知的借助永磁體和/或電磁體實現的調整元件的一種備選。對這種MSM-執行器或MSM-執行元件的有效性起決定性作用的除了所使用的合金(典型地為NiMnGa-基的合金)外，就是晶體取向，MSM-元件沿這種晶體取向存在假定由現有技術公開的用于制造單晶MSM-材料的方法具有的特性為，通過將已熔融的合金材料置入型殼(Formschale)以及緊接著通過合金材料的冷卻或凝固產生的晶體取向是隨機的，帶來的結果是，晶軸的取向無法預定并且然后必須通過接下來MSM-體的制造步驟形成。這種裝置在圖5的現有技術中示出一種以前述方式凝固且伸展的MSM-單晶10具有由型殼確定的幾何縱軸12。但在材料凝固期間盡可能隨機地形成在單晶10中的晶體取向，該晶體取向例如通過第一晶軸14和與之正交的第二晶軸16(其中，第三軸確定自動與這兩者正交)描述。這會導致，可以從制好的單晶中裁出MSM-元件18(在之前通過測量求出晶軸后)，該MSM-元件具有由所示幾何關系限定的最大尺寸(帶有相應較多的邊腳料)。這結果導致，在單晶MSM-元件的一般縱向尺寸在IOmm至30mm的范圍內以及所期望的橫截面典型地在5mm2至30mm2之間時，必須生產出相應大的單晶10(圖5)，以便也在不利的晶體取向的情況下能夠制備MSM-元件的符合期望的最小尺寸。顯然，這種假定公開的做法在多個方面都是無效率的；一方面通過所需的切割過程(典型地通過線切割實施)產生了大量的邊腳料，另一方面不管怎樣都需要鑒于求出晶體取向對產生的單晶進行測定(典型地通過X射線衍射發生)，以便尤其為接下來的切割創造前提條件。從對圖5的幾何關系的示例性觀察可知,最大可達到的尺寸(例如待制的MSM-元件的縱向延伸長度)受到限制。由現有技術公知，所謂的成核晶體(籽晶)能在單晶制造過程中影響晶體取向。為此目的，主要將合適的且以所期望的方式取向的單晶在過程開始時包括在過程內，在其上有待制造的晶體完美地單晶成核。但這種做法從多方面看都有問題；不僅合適的成核晶體成本昂貴且尤其對實驗室環境外的工業制造過程而言很難操作，而且這種成核晶體也要求十分精確的過程控制以達到正確的成核特性(倘若成核晶體具有排斥合金的材料，那么已產生的MSM-元件的MSM-效果還可能有其它缺陷)。因此除了按前面提出的問題存在提高效率的明顯需求外，還存在簡化過程技術的需求，目標是，實現操作簡單且潛在的工業化過程來制造單晶MSM-體。
發明內容
因此本發明所要解決的技術問題是，創造用于制造單晶MSM-體的方法以及相應的單晶MSM-體，它們在相關單晶材料的材料利用和效率方面有所改善，尤其是減少了用于用單晶MSM-體制造一個或多個MSM-元件的單晶材料的邊腳料(Verschnitt)以及附加地使成核晶體變得沒有必要。該技術問題通過帶有獨立權利要求特征的方法解決；本發明有利的擴展設計方案在從屬權利要求中說明。在本發明框架內要求附加地保護單晶MSM-體，(優選用于用作執行器或執行元件)，該單晶MSM-體通過按獨立權利要求以及從屬權利要求的方法制造。在此，以此為出發點，即，從要求保護的方法得出的(必要時進一步拆分成單個執行元件的)拆分的單晶MSM-體還用典型的(以及否則就公知的)熱處理的和/或磁控機械的訓練步驟進行處理，以便達到或優化MSM-特性。在此，尤其按照擴展設計方案被本發明包含在內的是，單個或多個MSM-執行元件在拆分后經受了熱處理，以便激勵磁控形狀記憶特性；作為備選，這種熱處理也可以在固化(verfestigen)后的MSM-合金材料上在拆分成多個 MSM-執行元件之前進行。在本發明的優選擴展設計方案的框架內也規定，分開后(拆分后的)MSM-執行元件以訓練的方式有針對性地且按預定運動，從而激勵形狀記憶特性。在此尤其規定(否則也假定為公知的是)，分開后的元件可能通過拉力和/或壓力的施加而沿規定的膨脹方向有針對性地運動，以便因此借助這類機械沖程(Huebe)實施訓練。在沒有必要設置(單獨的)成核晶體的情況下，更確切地說僅通過將熔融后的MSM-合金材料置入按照本發明特別設計的型殼，以按本發明有利的方式完成單晶MSM-體的制造，優選在NiMnGaX合金材料的基礎上，其中，X選擇性地具有一個或多個來自Co、Fe和Cu組的元素。更精確地說，它具有縱軸并且在選擇器的區域內偏轉這條縱軸，按照本發明這種偏轉超過了選擇器區域中的最大橫截面寬度。因此在本發明的框架內規定，按本發明通過形成選擇器區域而偏轉的凝固路徑的縱剖面的幾何形狀被這樣實現，這種偏轉沿橫截面方向要大于在選擇器區域內的最大橫截面寬度，換句話說，最大偏轉的范圍處在晶體區域中橫截面沿縱軸在選擇器區域的入口上的投影之外(der Bereich dermaximalen Auslenkung liegt au β erhalb einer Projektion des Querschnitts imKristallbereich auf den Eingang des Selektorbereichs entlang der Lanqsachse)。按照本發明的一種擴展設計方案，這種偏轉在縱剖面上具有至少鋸齒的形狀，作為備選，具有卷、螺旋或其它卷繞造型的形狀。通過這種有利的措施，正在凝固的或然后已經凝固的MSM-材料的晶體結構以按本發明的方式經歷了晶體取向，晶體取向以縱軸為導向，更精確地說，沿著型殼的縱軸的方向延伸(或從該縱軸偏轉一個角度偏差，該角度偏差按照本發明< 10°，按照本發明的擴展設計方案有利地<6°，進一步按照本發明的擴展設計方案以及有利地小于3° )。因此，通過本發明有利地實現了，(伴隨著這個在實踐中可以忽略的取向誤差)產生單晶，它的晶體取向不再是隨機產生，而是通過型殼沿縱軸的(或按本發明偏轉設計的用于在選擇器區域中凝固的延伸區段的(Verlaufabschnitt))機械取向明確產生。由此產生的對成批制造有利的結果很明顯不僅使后處理時或將凝固后的材料劃分成多個MSM-元件時所需的邊腳料明顯減少，而且也通過按本發明的做法鑒于縱軸至少確定了晶體取向，換句話說，在用于實現MSM-元件(一個或多個)的單晶的可能的后處理之前，省去了(可能借助X射線衍射的)耗費的取向測量步驟。若如有利地且按照本發明擴展設計方案所規定的那樣，將型殼(尤其在選擇器區域或晶體區域中)也設計成橫截面呈矩形，那么會額外影響正在凝固的或已經凝固的MSM-材料沿與第一晶軸正交的第二晶軸(以及自動第三正交的軸)的晶體取向，從而結果以此方式在空間內決定了產生的晶體的完整的三維晶體取向(再次地，無測量的必要性)。在本發明實踐的框架內，尤其 有利且優選的是，沿垂直方向設置縱軸，因而縱軸大致垂直于作為冷卻裝置的(否則公知的)冷板設置在型殼的成核區域之中或設置在型殼的成核區域處。若然后型殼(以否則公知的方式)從熱環境或加熱環境，與縱軸反向地以牽引速度運動，那么以液體狀態置入型殼的合金材料基于溫度梯度然后以前進方向沿著凝固路徑凝固，凝固路徑可以通過縱軸描述并且按照本發明在選擇器區域中偏離縱軸。在此，按照一種擴展設計方案有利的是，這樣設置型殼的凝固或冷卻特性，使得在橫截面上(徑向)在與凝固正面相鄰的熔融物中不存在從內向外的巨大的溫度梯度，并且靠近凝固正面的熔融物的溫度梯度被調整到在O. 3K/mm至20K/mm之間的值，其中，用于產生所期望的晶體取向的一個特別優選的值范圍在lK/mm至15K/mm的范圍中。作為補充或備選，按照本發明的一種擴展設計方案有利的是，通過凝固正面沿凝固路徑的運動速度(或型殼相對溫度梯度的牽引速度(Ziehgeschwindigkeit))描述的冷卻速度，被設置在O. lmm/min至10mm/min之間的范圍內，其中，特別優選的范圍處在O. 3mm/min至5mm/min之間。然后以此方式有利地達到了單晶的凝固特性，這種凝固特性至少沿縱軸形成了晶體結構的第一晶軸(或在這些軸之間顯示最大角度偏差小于10°，典型地小于6°或甚至小于3° )。針對按照本發明的擴展設計方案將選擇器區域和/或晶體區域的橫截面(也就是說垂直于縱軸的平面)也有利地設計成矩形，進一步優選設計成正方形的情況而言，可以朝著橫截面中矩形縱棱邊的方向附加地影響(預定)正交的第二或第三晶軸，從而在型殼的例如縱向延伸和橫截面呈矩形的晶體區域的理想情況下，這個區域預定了在型殼內凝固的單晶的三維取向。在此，按照一種擴展設計方案，在本發明的框架內特別有利的是，緊接凝固之后的拆分(始終)垂直于縱軸(Z軸)實施，因為就此而言，用前述的最大偏差就已經確定了晶體取向。結果本發明因此不僅實現了制造步驟或前置的檢驗布置的大幅減少(因為可以理想地省去晶體取向的測量)，本發明也允許了從型殼的有限的內腔產生尺寸最佳的MSM-元件，因為尤其是在所述成型過程中，通過沿對應型殼縱軸的凝固方向以及因而導致的晶體取向的凝固，能夠生產最大的縱向尺寸。然后尤其可以期待，(也通過進一步拆分，例如鋸開)能夠以較少的制造費用(以及因而潛在能工業化地)有效生產作為制造MSM-執行器的基礎的MSM-元件，這些縱向尺寸達到了大于20mm，尤其大于40mm和/或允許了 15mm2或更大的橫截面積。
本發明其它的優勢、特征和細節由接下來對優選實施例的說明以及借助附圖得出；附圖中圖I是用于實施按本發明第一種實施例的方法的型殼裝置的幾何原理圖2與圖I類似，但帶有形式為型殼的橫截面呈矩形的晶體區域的另一種幾何設計方案；圖3是圓柱形MSM-單晶以及實現本發明時在該單晶中示意性示出的晶體取向的示意圖；圖4與圖3類似，但帶有正方形的單晶體，以便示出示意性設置在該單晶體中的(同樣正方形的)MSM-執行元件的晶體取向；以及圖5示意性示出了按來自現有技術的普通方法實現的MSM-單晶，帶有在該單晶內隨機取向的晶軸以及由此產生的針對MSM-執行元件的有限的切割可能性 (Schnittmoeglichkeit)。
具體實施例方式圖I示出了原理，用該原理可以根據第一種實施例實現本發明。圖中示出了所謂的用于按所謂的布里奇曼方法(Bridgman-Verfahren)產生單晶體的型殼,該型殼從冷板20垂直地沿著縱軸(虛線22)延伸，形成了成核區域(Ankeimbereich) 24、接著該成核區域的選擇器區域(Selektorbereich) 26以及晶體區域(Kristallbereich) 28。適宜地熔融后的合金材料通過上部開口 30置入裝置，液態的合金材料然后在形成相應地向上運動的凝固正面的情況下從下往上(箭頭32)凝固，凝固正面的運動速度由合適的溫度影響預定。圖1(類似的圖2)示出了，凝固路徑如何按照本發明不是垂直和線性地沿著縱軸22實現，而是更確切地說具有在圖I或圖2的縱剖面中彎折的線條走向；更確切地說，在選擇器區域26中這樣設計型殼，使得型殼的用于凝固的內通道(從下往上的方向看)首先偏轉約40°的角并且然后具有另一個反向偏轉的的區段，直至該通道在選擇器區域的上端部上又在橫截面上與底側的橫截面對齊(fluchtet)。按照本發明有利的是，這種偏轉以有利的方式引起晶體結構沿垂直方向，也就是說沿軸線22的方向的縱向取向，其中，這種偏轉在所示實施例中在其最大的側向偏轉上超過了在晶體區域中或在與冷板20相鄰的底部區域中橫截面的投影(ErfindungsgemaePvorteilhaft sorgt diese Auslenkung, weIcheim dargestellten Ausfuehrungsbeispiel an ihrer maximalen seitlichen Auslenkungueber die Projektion des Querschnitts im Kristallbereich bzw. im Bodenbereichbenachbart der Kaltplatte20hinausgeht, in vorteiIhafter Weise fuer eineLaengsorientierung der Kristallstrukturen in Vertikalrichtungj d. h. der Richtungder Achse22)。這一點然后導致，在凝固狀態下，在晶體區域28中存在的單晶具有這樣一個取向，其具有至少一個沿縱軸方向取向的第一晶軸(其中，在此按照本發明，可以達到一個10。、但典型地小于6°或甚至小于3°的最大角度誤差(Winkelfehler))。圖2示出了圖I的實施例的一種變型方案；在此，在晶體區域2V內，垂直地沿縱軸22延伸的通道在橫截面中呈正方形，因此除了沿垂直方向的晶軸取向外，還額外有兩個與之正交的晶軸平行于晶體區域的棱邊走向延伸。圖3或4示出了這些幾何關系，就這點而言對應圖I或圖2的實現形式圖3示出了在空心圓柱形的晶體區域中凝固的單晶體的結果。縱軸(在此z軸)的方向與帶有所述的很小的可能的角度誤差的晶體縱軸c的取向幾乎一致。基于圓柱形結構(也就是說在圖3的x-y平面內的圓形)，兩個其它的、彼此正交以及與垂直軸c正交的軸在它們的取向上是隨機的。反之，圖2的擴展設計方案(按圖4的幾何形狀)提供了這樣的可能性，即，通過規定正方形的橫截面輪廓(在此為平行于X方向或y方向延伸)，相應平行地清楚地形成第二(a)或第三(b)晶軸，因而作為在圖2或圖4中說明的方法的實施結果，達到了一種單晶，該單晶通過其正方形已經盡可能說明了其真實的晶體取向以及就此而言潛在地沒有后處理的需求(或僅具有最小的后處理需求)。由于在此用沿型殼的縱向延伸(Z)的方向以及在型殼內凝固的坯件的方向的晶軸(C)確定了對MSM-體的膨脹特性有決定意義的取向以及當并不看重a晶軸或b晶軸的準確取向時也無進一步的后處理地(或僅用最少的后處理)使用這種圓柱形的主體，所以按圖I的制造方法的結果(圖3)是有利的。接下來借助具體的例子說明方法的實施合金原料作為所謂的主合金(Masterlegierung)通過對應MSM-合金組成的材料NiMnGa的感應熔融制造。典型的熔點被調整為在50°到400°之間的范圍內在各合金的液化溫度之上。熔融典型地在IOOmbar至1200mbar之間的Ar氣氛下發生。
液態的主合金澆鑄在具有對應圖I的幾何形狀的陶瓷型殼中。這種型殼在布里奇曼方法中相對溫度梯度從熱區運動進入冷區，因而凝固正面從下往上延伸穿過型殼。凝固正面的這種運動速度典型地為O. 3mm/min;接近凝固正面的熔融物中的溫度梯度被調整到典型地為3K/_的值。在穿行按本發明有利地偏轉的選擇器區域后，帶有垂直的、也就是說沿縱軸22方向取向的晶軸的MSM-材料凝固，因而在最后的凝固和冷卻后，從晶體區域28可以取出作為有圖3所示的幾何形狀的MSM-體的圓柱體。這個圓柱體現在提供這樣的可能性，即，直接實現了有軸向延伸的運動(膨脹)方向的MSM-執行器，作為備選，通過確定晶體橫軸(Querachse)可以從這個MSM-體得出對此的前提，S卩，用很少的邊腳料以及最小化的表面側的剝落(mantelseitige Abtragung),可以創造出一個或多個橫截面呈矩形或正方形的、帶有也沿橫向(Querrichtung)限定的晶體取向的MSM-元件。垂直于Z軸的片段(Schnitte)尤其適用于這種分割，因為就此而言已經明確確定了取向。為了激發或實現以所述方式實現的執行器的完整的形狀記憶功能，材料被熱處理(或作為整體在拆開之前，備選地通過分開的單個執行元件的熱處理)。也有利的是，這些元件在分開后在它們的運動或膨脹特性上得到訓練，其中，為此目的，典型地通過一些沖程(Huebe),沿規定的膨脹或運動方向通過相應的拉力或壓力輸入將運動沖壓(einpraegen)入材料。當前述裝置和前述裝置的運行通常且原則上被理解為是為了實現按本發明的方法時(以及通過技術人員的恰當的設計和適應)，尤其也處在本發明的框架中的是，在多臂型殼的類型中，沿彼此分開的、同時相鄰的選擇器區域和晶體區域設置多條凝固路徑。通過本發明制造的MSM-體的使用領域潛在地不受限制；有利地可以期望的是，本發明仍然極大地簡化以及經濟地發展了這種鑒于晶體幾何形狀明確確定的MSM-體的工業化制造，因而在將來開拓了 MSM-執行機構的其它應用領域。
權利要求
1.用于由單晶MSM-體制造具有沿第一晶軸的晶體取向的MSM-執行元件的方法，所述方法通過將熔融后的合金材料置入型殼以及接下來使合金材料凝固，具有下列步驟 -設置具有成核區域(24)、選擇器區域(26)以及晶體區域(28)的、至少部分沿縱軸(22)取向的型殼， -將熔融后的MSM-合金材料，尤其是NiMnGa-基的合金材料，置入型殼，而不設單獨的籽晶， -通過生成沿凝固路徑從成核區域經由選擇器區域運動進入晶體區域的凝固正面來使MSM-合金材料固化， 其中，凝固路徑在晶體區域中沿縱軸延伸，在選擇器區域中形成了從縱軸偏轉的區域，其相對縱軸的最大偏轉要大于選擇器區域中的最大橫截面寬度，以及 縱軸(22)具有偏離第一晶軸的小于10°、優選小于6°、進一步優選小于3°的角度偏差，以及 -將凝固后的MSM-合金材料拆分成多個MSM-執行元件。
2.按權利要求I所述的方法，其特征在于，凝固路徑在選擇器區域中形成了利用兩個彎折區段以鋸齒狀偏轉的區域，該區域的入口側和出口側優選與縱軸對齊地取向。
3.按權利要求I所述的方法，其特征在于，凝固路徑在選擇器區域中形成了螺旋形或鋸齒形的區域。
4.按權利要求I至3中任一項所述的方法，其特征在于，縱軸垂直于配屬于成核區域的平坦的冷卻裝置，所述冷卻裝置尤其是冷板。
5.按權利要求I至4中任一項所述的方法，其特征在于，伸長地沿著縱軸伸展的晶體區域具有> 3cm2、尤其是> 7cm2、特別也大于12cm2的針對凝固正面的有效橫截面積。
6.按權利要求I至5中任一項所述的方法，其特征在于，MSM-合金材料為了生成凝固正面而被這樣冷卻，使得在選擇器區域中產生的與凝固正面相鄰的熔融物中的溫度梯度在O. 3K/mm至20K/mm之間，尤其在lK/mm至15K/mm之間。
7.按權利要求I至6中任一項所述的方法，其特征在于，MSM-合金材料為了生成凝固正面而被這樣處理，尤其是通過影響在型殼和溫度梯度之間的相對速度，使得凝固正面在選擇器區域中以在O. lmm/min和50mm/min之間、尤其在O. 3mm/min和5mm/min之間的速度沿凝固路徑運動。
8.按權利要求I至7中任一項所述的方法，其特征在于，凝固正面沿著凝固路徑運動通過至少部分在橫截面上呈矩形、尤其是正方形的選擇器區域和/或晶體區域。
9.按權利要求8所述的方法，其特征在于，晶體區域的橫截面呈矩形的內輪廓，在至少與第一晶軸正交的第二晶軸中確定了單晶凝固的MSM-合金材料的晶體取向。
10.按權利要求I至9中任一項所述的方法，其特征在于，合金材料在組成NiaMnbGacCodFeeCuf中具有Ni、Mn、Ga以及至少Co，其中，a、b、C、d、e和f用原子百分比給出，以及滿足如下條件 .44≤a≤51 ; .19≤b≤30 ;.18 ≤ c ≤24;.O.I≤ d ≤ 15;O 彡 e 彡 14. 9;O ^ f ^ 14. 9;d+e+f 彡 15;a+b+c+d+e+f = 100。
11.按權利要求I至10中任一項所述的方法，其特征在于，MSM-合金材料沿多個彼此相鄰且彼此分開的凝固路徑進行固化。
12.按權利要求I至11中任一項所述的方法，其特征在于將在晶體區域中凝固的MSM-合金材料劃分成多個MSM-執行元件，而不用預先利用測量技術求出在凝固的MSM-合金材料中的晶體取向。
全文摘要
本發明涉及一種用于用單晶MSM-MSM體，通過將熔融后的合金材料置入型殼以及接下來使合金材料凝固，來制造具有沿第一晶軸的晶體取向的MSM-執行元件的方法，該方法具有下列步驟設置具有成核區域(24)、選擇器區域(26)以及晶體區域(28)的、至少部分沿縱軸(22)取向的型殼；將熔融后的MSM-合金材料，尤其是NiMnGa-基的合金材料，置入型殼，而不必設單獨的籽晶；通過生成沿凝固路徑從成核區域經由選擇器區域運動進入晶體區域的凝固正面來使MSM-合金材料固化，其中，凝固路徑在晶體區域中沿縱軸延伸，在選擇器區域中形成了從縱軸偏轉的區域，其相對縱軸的最大偏轉，要大于選擇器區域內的最大橫截面寬度，以及縱軸(22)具有偏離第一晶軸的小于10°，優選小于6°，進一步優選小于3°的角度偏差，以及將凝固后的MSM-合金材料拆分成多個MSM-執行元件。
文檔編號C30B11/00GK102918673SQ201180026480
公開日2013年2月6日 申請日期2011年5月26日 優先權日2010年5月28日
發明者M.勞芬伯格, E.帕古尼斯, A.德雷弗曼, L.斯特茨 申請人:Eto電磁有限責任公司