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Molybdänlegierung und Verfahren zu ihrer Behandlung
Die Erfindung bezieht sich auf Molybdänlegierungen und betrifft insbesondere solche Molybdänlegierungen, bei denen Festigkeit bei hohen Temperaturen und Duktilität bei niederen Temperaturen dadurch miteinander kombiniert werden, dass man das Molybdän mit sorgfältig abgestimmten Mengen der Elemente Titan, Zirkonium und Kohlenstoff legiert.
Einige Vorteile, die sich beim Legieren von Molybdän mit Titan und von Molybdän mit Zirkonium ergeben, sind in den USA-Patentschriften Nr. 2, 678, 269 bzw. Nr. 2, 678, 271 dargelegt worden. In diesen beiden Patentschriften ist ausserdem angegeben, dass Kohlenstoff in sehr kleinen Mengen vorhanden sein kann. In der USA-Patentschrift Nr. 2, 947, 624 ist ausserdem in bezug auf Kohlenstoff erwähnt, dass die Gegenwart von Kohlenstoff in Molybdänlegierungen in einem Bereich von 0, 30 Gew.-% oder mehr gewisse Vorteile mit sich bringt.
Bei der gegenwärtigen Entwicklungsrichtung sind die Metallurgen bestrebt, Legierungen von ungewöhnlicher Festigkeit bei hohen Temperaturen herzustellen. Es ist jedoch für die Konstrukteure von hochbeanspruchten Gegenständen, wie z. B. Schaufeln von Gasturbinen, wichtig, dass die Legierung bei niederen Temperaturen duktil ist, um beim Starten eines derartigen Gerätes Sprödigkeitsbrüche zu vermeiden. Ausserdem bevorzugen die Konstrukteure von Bauteilen für Fluggeräte solche Materialien, die ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte haben, so dass leichtergewichtige Teile hergestellt werden können.
Es ist ein Hauptziel der Erfindung, eine verbesserte Legierung auf Molybdänbasis herzustellen, die bis zu Temperaturen von etwa C eine ganz ungewöhnliche Festigkeit und gleichzeitig eine gute Duktilität bei Raumtemperatur aufweist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung einer Molybdänlegierung von hoher Festigkeit, die ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte aufweist.
Diese und weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung, den Tabellen und Beispielen hervor, die für die Erfindung zwar typisch sind, diese jedoch in keiner Weise beschränken sollen.
Es wurde nun gefunden, dass Legierungen auf Molybdänbasis, die sorgfältig abgestimmte Mengen von Titan, Zirkonium und Kohlenstoff enthalten, gegenüber dem Vorbekannten gänzlich unerwartete Eigenschaften aufweisen. Gemäss der Erfindung besteht die Legierung von üblichen Verunreinigungen
EMI1.1
lung erfolgt, so ergeben sich ungewöhnliche und unerwartete Eigenschaften.
Bei titan- und kohlenstoffhaltigen, in der Dispersionsphase gehärteten Molybdänlegierungen ist Titankarbid die hauptsächliche Dispersionsphase. Ein Kohlenstoffüberschuss gegenüber der Titanmenge führt jedoch zur Bildung von kompaktem Molybdänkarbid Mo, C, das die Festigkeit nicht so wirksam steigert wie das fein dispergierte Titankarbid. Es wurde beobachtet, dass es bei sorgfältiger und zielbewusster Auswahl der Elemente Titan, Zirkonium und Kohlenstoff zur Bildung eines komplexen Titan-
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Zirkonium-Karbids kommt.
Die Einverleibung einer zu geringen Titanmenge liefert nicht genügend viel Titankarbid zur Steigerung der Festigkeit. Ein zu hoher Titangehalt setzt den Schmelzpunkt der Legierung herunter und steigert die Diffusionsgeschwindigkeit, was sich auf die Festigkeit bei hohen Temperaturen ungünstig auswirkt.
Zirkonium wirkt in verhältnismässig kleinen Mengen auf die Titankarbidphase stabilisierend. Im erfindungsgemässen Mengenbereich bildet Zirkonium jedoch ein komplexes Zirkonium-Titan-Karbid, das stabiler als Titankarbid ist.
Die Funktion des Kohlenstoffes in der erfindungsgemässen Legierung liegt darin, dass er für die Karbiddispersion erforderlich ist. Zur Bildung des komplexen Titan-Zirkonium-Karbids muss gleichzeitig mit den angegebenen Mengen von Titan und Zirkonium auch eine kritische Kohlenstoffmenge vorhanden sein. Liegt eine zu grosse Kohlenstoffmenge oder eine zu geringe Titan- und Zirkoniummenge vor, so bildet sich zu viel Molybdänkarbid Mo C. Dieses Molybdänkarbid wirkt sich nicht so günstig auf die Festigkeit aus wie das komplexe Titan- Zirkonium-Karbid.
Die nachfolgende Tabelle 1 gibt die Analysenwerte von einigen im Zusammenhang mit der Erfindung erschmolzenen und untersuchten Legierungen an.
Tabelle 1
EMI2.1
<tb>
<tb> Legierung <SEP> Gel.-%, <SEP> Rest <SEP> Mo
<tb> Nr. <SEP> Ti <SEP> Zr <SEP> C
<tb> 1 <SEP> 1, <SEP> 8-0, <SEP> 13 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 1, <SEP> 7 <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 13 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 1, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 13 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 6, <SEP> 0-0, <SEP> 09 <SEP>
<tb> 45 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP>
<tb> 6 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 32 <SEP>
<tb> 44 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 16 <SEP>
<tb>
Die in Tabelle 1 angeführten Legierungen wurden in Chargen von je 11, 34 kg in einem Lichtbogenofen unter Vakuum geschmolzen. Die Ingots wurden dann stranggepresst und zu Stäben von 6, 4 mm Dicke unter einer gesamten Querschnittsflächenverminderung von 93% ausgeschmiedet.
Diese Stäbe wurden dann auf ihre Festigkeit und Duktilität geprüft, nachdem sie bei 11490C während etwa 1 h zur Entspannung gehalten worden waren. Die Ergebnisse dieser im Vakuum bei den angegebenen Temperaturen durchgeführten Untersuchungen sind in Tabelle 2 angeführt.
Tabelle 2
EMI2.2
<tb>
<tb> Legierung <SEP> Temperatur <SEP> Bruch- <SEP> 2% <SEP> Streck-Dehnung <SEP> Querschnitts-Verhältnis <SEP>
<tb> Nr. <SEP> Oc <SEP> grenze <SEP> grenze <SEP> (4 <SEP> auf <SEP> flächenver-der <SEP> Festig-
<tb> (t/cm2) <SEP> (t/cm2) <SEP> 2, <SEP> 54 <SEP> cm) <SEP> minderung <SEP> keit <SEP> zur
<tb> Dichte
<tb> (cm.
<SEP> 103)
<tb> l <SEP> 25, <SEP> 6 <SEP> 8, <SEP> 53 <SEP> 7, <SEP> 22 <SEP> l <SEP> 5 <SEP> 856 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 25,6 <SEP> 9, <SEP> 79 <SEP> 8, <SEP> 31 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 986
<tb> 3 <SEP> 25,6 <SEP> 11, <SEP> 36 <SEP> 9, <SEP> 03 <SEP> 13 <SEP> 51 <SEP> 1143 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 25, <SEP> 6 <SEP> 7, <SEP> 42 <SEP> 6, <SEP> 34 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 787, <SEP> 4 <SEP>
<tb> l <SEP> 260 <SEP> 7,62 <SEP> 6, <SEP> 27 <SEP> 15 <SEP> 5d <SEP> 767, <SEP> 1 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 260 <SEP> 9, <SEP> 09 <SEP> 6, <SEP> 93 <SEP> 18 <SEP> 64 <SEP> 815, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 260 <SEP> 9, <SEP> 40 <SEP> 7, <SEP> 84 <SEP> 14 <SEP> 4t <SEP> ! <SEP> 947, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 260 <SEP> 6, <SEP> 65 <SEP> 6, <SEP> 09 <SEP> 22 <SEP> 69 <SEP> 706, <SEP> 1 <SEP>
<tb>
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Tabelle 2 (Fortsetzung)
EMI3.1
<tb>
<tb> Legierung <SEP> Temperatur <SEP> Bruch- <SEP> 2% <SEP> Streck-Dehnung <SEP> Querschnitts-Verhältnis <SEP>
<tb> Nr. <SEP> Oc <SEP> grenze <SEP> grenze <SEP> (% <SEP> auf <SEP> flächenver-der <SEP> Festig-
<tb> (t/cm) <SEP> (tl <SEP> cmz) <SEP> 2, <SEP> 54 <SEP> cm) <SEP> minderung <SEP> keit <SEP> zur
<tb> (0/0) <SEP> Dichte
<tb> (cm.
<SEP> 10)
<tb> 1 <SEP> 538 <SEP> 7, <SEP> 21 <SEP> 5, <SEP> 99 <SEP> 14 <SEP> 65 <SEP> 729
<tb> 2 <SEP> 538 <SEP> 7, <SEP> 11 <SEP> 6, <SEP> 41 <SEP> 15 <SEP> 71 <SEP> 716, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 538 <SEP> 8, <SEP> 33 <SEP> 6, <SEP> 52 <SEP> 11 <SEP> 61 <SEP> 840, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 538 <SEP> 6, <SEP> 21 <SEP> 4, <SEP> 66 <SEP> 21 <SEP> 74 <SEP> 657, <SEP> 9 <SEP>
<tb> 1 <SEP> 816 <SEP> 6, <SEP> 48 <SEP> 5, <SEP> 53 <SEP> 17 <SEP> 69 <SEP> 655, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 816 <SEP> 6, <SEP> 83 <SEP> 6, <SEP> 15 <SEP> 13 <SEP> 75 <SEP> 685, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 816 <SEP> 7, <SEP> 6 <SEP> 6, <SEP> 2 <SEP> 13 <SEP> 67 <SEP> 764, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 816 <SEP> 4, <SEP> 97 <SEP> 3, <SEP> 84 <SEP> 17 <SEP> 85 <SEP> 528, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 1 <SEP> 1093 <SEP> 4, <SEP> 91 <SEP> 4, <SEP> 38 <SEP> 19 <SEP> 78 <SEP> 495, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 1093 <SEP> 5,
64 <SEP> 4, <SEP> 99 <SEP> 12 <SEP> 74 <SEP> 568, <SEP> 9 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 1093 <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP> 5, <SEP> 05 <SEP> 12 <SEP> 67 <SEP> 655, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 1093 <SEP> 3, <SEP> 84 <SEP> 3, <SEP> 42 <SEP> 17 <SEP> 85 <SEP> 406, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 1 <SEP> 1371 <SEP> 3, <SEP> 3 <SEP> 2, <SEP> 99 <SEP> 22 <SEP> 83 <SEP> 332, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 1371 <SEP> 4, <SEP> 31 <SEP> 3, <SEP> 78 <SEP> 16 <SEP> 80 <SEP> 434, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 1371 <SEP> 4, <SEP> 59 <SEP> 3, <SEP> 49 <SEP> 15 <SEP> 77 <SEP> 462, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 1371 <SEP> 2, <SEP> 06 <SEP> 1, <SEP> 72 <SEP> 42 <SEP> 94 <SEP> 218, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 1 <SEP> 1649 <SEP> 1, <SEP> 51 <SEP> 1, <SEP> 18 <SEP> 37 <SEP> 92 <SEP> 152, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 1649 <SEP> 1, <SEP> 9 <SEP> 1, <SEP> 57 <SEP> 29 <SEP> 92 <SEP> 190, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 1649 <SEP> 2, <SEP> 19 <SEP> 1,
<SEP> 79 <SEP> 29 <SEP> 88 <SEP> 221
<tb> 4 <SEP> 1649 <SEP> 0, <SEP> 75 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 88 <SEP> 97 <SEP> 79, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 1 <SEP> 1927 <SEP> 0, <SEP> 85 <SEP> 0,61 <SEP> 34 <SEP> 87 <SEP> 85,6
<tb> 2 <SEP> 1927 <SEP> 1, <SEP> 26 <SEP> 1,02 <SEP> 48 <SEP> 94 <SEP> 127
<tb> 3 <SEP> 1927 <SEP> 1, <SEP> 46 <SEP> 1, <SEP> 02 <SEP> 31 <SEP> 90 <SEP> 147, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 1927 <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP> 0, <SEP> 16 <SEP> 110 <SEP> 96 <SEP> 215, <SEP> 9 <SEP>
<tb>
EMI3.2
Wie der Vergleich zeigt, ist die Festigkeit der Legierung 3 bei Temperaturen zwischen etwa Raumtemperatur (25, 60C) und 19270C ungewöhnlich hoch und unerwartet besser als diejenige von andern geprüften Legierungen.
Die Tabelle 3 gibt einen Vergleich der Legierung 3 mit drei andern Titan-Zirkonium-KohlenstoffMolybdän-Legierungen wieder.
Tabelle 3
EMI3.3
<tb>
<tb> Legierung <SEP> Temperatur <SEP> Bruchfestigkeit <SEP> Dehnung <SEP> Verhältnis <SEP> der
<tb> Nr. <SEP> C <SEP> t/cmz <SEP> % <SEP> au <SEP> f <SEP> 2, <SEP> 54 <SEP> cm <SEP> Festigkeit <SEP> zur <SEP> Dichte
<tb> (cm. <SEP> 103)
<tb> 3 <SEP> 1649 <SEP> 2, <SEP> 19 <SEP> 29 <SEP> 221
<tb> 45 <SEP> 1649 <SEP> 0, <SEP> 76 <SEP> 128
<tb> 6 <SEP> 1649 <SEP> 0, <SEP> 76 <SEP> 110
<tb> 44 <SEP> 1649 <SEP> 1, <SEP> 01 <SEP> 76 <SEP> 104
<tb>
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Die Angaben der Tabellen 2 und 3 zeigen, dass die Legierungen der Type 3 eine unerwartete und ungewöhnliche Kombination von hoher Festigkeit bei niederen und hohen Temperaturen zugleich mit einer guten Duktilität bei niederen Temperaturen aufweisen, die man bei sehr ähnlich zusammengesetzten Legierungen nicht findet.
Es wurde festgestellt, dass der die Legierung 3 umfassende Bereich im wesentlichen durch eine Zusammensetzung aus 1, 5-2 Gew.-% Titan, 0, 4-0, 7 Gew.-% Zirkonium, 0, 1-0, 2 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Molybdän, gegeben ist. Die Legierungen mit einem höheren Titangehalt, wie z. B. die Legierungen 4,45, 6 und 44, haben eine wesentlich geringere Festigkeit und ein viel niedrigeres Verhältnis der Festigkeit zur Dichte als die erfindungsgemässe Legierung. Dies trifft sogar für die Legierung 44 zu, die denselben allgemeinen Zirkonium- und Kohlenstoffgehalt wie die erfindungsgemässe Legierung, jedoch einen höheren Titangehalt hat.
So lässt sich beispielsweise aus Tabelle 3 erkennen, dass die Festigkeit der Legierung 44 bei 1649 C weniger als die Hälfte der Festigkeit der Legierung 3 beträgt, wobei der Unterschied im Titangehalt weniger als etwa 1, 5 Gew.-% ausmacht.
In ähnlicher Weise haben die Legierungen 4 und 45 mit einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt und die Legierung 6 mit einem höheren Kohlenstoffgehalt wesentlich geringere Festigkeiten als die erfindungsgemässe Legierung. Die Legierungen 1 und 4 zeigen ganz deutlich die Auswirkung des Fehlens von Zirkonium bei Gegenwart von Titan und Kohlenstoff, und, insbesondere was Legierung 4 anlangt, die Auswirkung eines hohen Titan- und eines niedrigen Kohlenstoffgehaltes in Abwesenheit von Zirkonium.
Die erfindungsgemässen Legierungen können auch in Verbindung mit einer Wärmebehandlung Verwendung finden.
Wie aus der nachfolgenden Tabelle 4 hervorgeht, kann die Duktilität der Legierung 2 bei Raumtemperatur durch Anwendung der Wärmebehandlung B verbessert werden, wenn auch mit einer geringfügigen Einbusse an Festigkeit. Durch die Anwendung einer solchen Wärmebehandlung ergibt sich jedoch auch eine Verbesserung der Festigkeit bei hohen Temperaturen, obwohl die Legierung 3 innerhalb des erfindungsgemässen Mengenbereiches mit allen angegebenen Wärmebehandlungen unerwartet besser ist.
Die in Tabelle 4 angeführten Wärmebehandlungen A, B und C werden wie folgt durchgeführt :
EMI4.1
altert, bevor es auf 93% ausgeschmiedet und die Spannung wie bei der Wärmebehandlung A aufgehoben wird.
EMI4.2
:serstoffatmosphäre.
Tabelle 4
EMI4.3
<tb>
<tb> Legie- <SEP> Tempe- <SEP> Wämebe- <SEP> Bruch <SEP> 0,2% <SEP> Dehnung <SEP> Querschnitts- <SEP> $Verhältnis
<tb> rung <SEP> ratur <SEP> handlung <SEP> grenze <SEP> Streck- <SEP> (% <SEP> auf <SEP> flächenver- <SEP> der <SEP> FestigNr. <SEP> C <SEP> (t/cm2) <SEP> grenze <SEP> 2, <SEP> 54 <SEP> cm) <SEP> minderung <SEP> keit <SEP> zur <SEP>
<tb> 2 <SEP> (%) <SEP> Dichte
<tb> (cm.
<SEP> zo
<tb> 2 <SEP> 25, <SEP> 6 <SEP> A <SEP> 9, <SEP> 79 <SEP> 8, <SEP> 31 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 986
<tb> 2 <SEP> 25,6 <SEP> B <SEP> 9, <SEP> 32 <SEP> 7, <SEP> 77 <SEP> 18 <SEP> 41 <SEP> 939, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 25, <SEP> 6 <SEP> C <SEP> 8, <SEP> 75 <SEP> 7, <SEP> 49 <SEP> 1 <SEP> 3 <SEP> 883, <SEP> 9 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 25, <SEP> 6 <SEP> A <SEP> 11, <SEP> 36 <SEP> 9, <SEP> 03 <SEP> 13 <SEP> 51 <SEP> 1143
<tb> 3 <SEP> 25, <SEP> 6 <SEP> B <SEP> 10, <SEP> 36 <SEP> 8, <SEP> 40 <SEP> 23 <SEP> 53 <SEP> 1043, <SEP> 9 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 25, <SEP> 6 <SEP> C <SEP> 10, <SEP> 47 <SEP> 8, <SEP> 23 <SEP> 12 <SEP> 13 <SEP> 1054
<tb> 2 <SEP> 1649 <SEP> A <SEP> 1, <SEP> 9 <SEP> 1, <SEP> 57 <SEP> 29 <SEP> 92 <SEP> 190, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 1649 <SEP> B <SEP> 1, <SEP> 98 <SEP> 1, <SEP> 79 <SEP> 36 <SEP> 96 <SEP> 199, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 1649 <SEP> A <SEP> 2,
<SEP> 19 <SEP> 1, <SEP> 79 <SEP> 29 <SEP> 88 <SEP> 22J
<tb> 3 <SEP> 1649 <SEP> B <SEP> 2, <SEP> 15 <SEP> 1, <SEP> 86 <SEP> M <SEP> t <SEP> 216, <SEP> 4 <SEP>
<tb>
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Die Wärmebehandlung der erfindungsgemässen Legierungen schliesst eine Kontrolle der gegenseitigen Einwirkung einer Härtung in der Dispersionsphase und einer Spannungshärtung ein.
Die Erfindung bezieht sich daher auf eine zur Kontrolle der Menge und Verteilung der gebildeten komplexen Karbide in der Dispersionsphase gehärtete Molybdänlegierung mit ungewöhnlichen Eigenschaften in einem unerwartet kritischen Zusammensetzungsbereich.
Die an Hand spezieller Beispiele beschriebene Erfindung kann in der in der Metallurgie bekannten Weise Variationen und Abänderungen unterworfen werden, ohne dabei vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Molybdänlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass sie, von üblichen Verunreinigun-
EMI5.1
stoff, Rest Molybdän besteht.