DE10355892A1 - Process for producing Ti, Zr, Hf-containing drop forgings - Google Patents

Process for producing Ti, Zr, Hf-containing drop forgings Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gesenkschmiedeteilen, die im wesentlichen aus Titan, Zirconium, Hafnium oder einer entsprechenden Legierung bestehen, durch das die Festigkeit der Gesenkschmiedeteile erhöht wird.The invention relates to a method of manufacturing die forgings consisting essentially of titanium, zirconium, hafnium or a corresponding alloy which increases the strength of the drop forgings.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gesenkschmiedeteilen, die im wesentlichen aus Titan, Zirkonium Hafnium oder einer entsprechenden Legierung bestehen. Die Erfindung betrifft außerdem derartige Gesenkschmiedeteile.The The invention relates to a method for the production of drop forged parts, consisting essentially of titanium, zirconium hafnium or a corresponding one Alloy exist. The invention also relates to such drop forgings.

Insbesondere Titan ist ein interessantes Leichtmetall, da es fast 50% leichter ist als Stahl. Daher sind Ti, Zr, Hf-Bauteile im Kraftfahrzeugbereich besonders interessant, wenn ungefederte oder rotierende bzw. oszillierende Massen reduziert werden sollen. In diesem Zusammenhang sind Gesenkschmiedeteile (aus Stäben, Drähten), insbesondere geschmiedete Pleuel, Kurbel- und Nockenwellen oder Ventilteile zu nennen. Titan verfügt im Vergleich zu metallischen Werkstoffen jedoch über ein vergleichsweise niedriges Elastizitätsmodul (kurz: E-Modul in GPa; Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, Editors: Boyer, Welsch, Collings, ASM International, Materials Park, OH 44073-002). So beträgt das E-Modul von Titan-Legierungen lediglich ca. 90 GPa, von Stahl ca. 210 GPa, von Al-Legierungen ca. 70 GPa und von Mg-Legierungen ca. 30 bis 40 GPa.Especially Titanium is an interesting light metal as it is almost 50% lighter is as steel. Therefore, Ti, Zr, Hf components are particularly useful in the automotive field interesting if unsprung or rotating or oscillating Masses should be reduced. In this context, die forgings are (from bars, Wires) in particular forged connecting rods, crankshafts and camshafts or To name valve parts. Titanium features compared to metallic ones However, materials over a comparatively low modulus of elasticity (in short: modulus of elasticity in GPa; Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, Editors: Boyer, Welsch, Collings, ASM International, Materials Park, OH 44073-002). So is the modulus of titanium alloys only about 90 GPa, of steel about 210 GPa, of Al alloys about 70 GPa and of Mg alloys about 30 to 40 GPa.

Gesenkschmiedeteile von sich in Motoren bewegenden Bauteilen aus Titan, wie beispielsweise Pleuels, Kurbelwellen, Nocken wellen und/oder Ventilteilen, können folglich nur geringen Belastungen standhalten.Drop forged of titanium moving parts in engines, such as connecting rods, Crankshafts, cam shafts and / or valve parts, therefore withstand only low loads.

Im Stand der Technik sind Beschichtungsverfahren für Bauelemente beschrieben, die zu einer Härtung der Titanlegierung führen. DE 36 15 425 betrifft ein aufwändiges Plasmabeschichtungsverfahren mittels Titanlegierungen auf Maschinenelementen zu deren Härtung.In the prior art, coating methods for components are described, which lead to a hardening of the titanium alloy. DE 36 15 425 relates to a complex plasma coating process by means of titanium alloys on machine elements for their curing.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Gesenkschmiedeteilen, die im wesentlichen aus Ti, Zr, Hf oder einer entsprechenden Legierung bestehen, bereitzustellen, bei welchem ein hoher E-Modul der Gesenkschmiedeteile erzielt wird.It The object of the present invention is a process for the preparation of drop forgings, consisting essentially of Ti, Zr, Hf or a corresponding alloy to provide, in which a high E-modulus of the drop forgings is achieved.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem zu 80 Gew.-% oder mehr Ti und/oder Zr und/oder Hf enthaltende Materialien, oder Legierungen davon, in oder während des Umformens oberhalb 5–15 K der α/β-Phasengrenze erwärmt und anschließend abgekühlt werden. Vorzugsweise ist eine Erwärmung für ca. 20 bis 60 Minuten vorzusehen. Dadurch wird erreicht, dass das E-Modul und Festigkeit der verwendeten Ti, Zr, Hf-Materialien in und während der Herstellung des Gesenkschmiedeteils erhöht wird.The Task is solved by a method in which to 80 wt .-% or more Ti and / or Zr and / or Hf containing materials, or alloys of it, in or during of forming above 5-15 K of the α / β phase boundary heated and subsequently chilled become. It is preferable to provide heating for about 20 to 60 minutes. Thereby is achieved that the modulus of elasticity and strength of the Ti used, Zr, Hf materials in and during the production of the Gesenkschmiedeteils is increased.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können im Vergleich zu Stahlbauteilen bis zu 35% oder mehr der oszillierenden Massen in einem Motor, insbesondere bei Pleuel, Kurbel- und Nockenwellen und/oder Ventilteilen, reduziert werden. Vorteile ergeben sich hinsichtlich verbesserter Motordynamik, geringerer Geräuschemission, Entfall der Lancester-Ausgleichswelle sowie Kraftstoffeinsparung.With Help of the method according to the invention can in Compared to steel components up to 35% or more of the oscillating Masses in an engine, in particular at connecting rods, crankshafts and camshafts and / or Valve parts, to be reduced. Benefits arise with regard to improved engine dynamics, lower noise emission, elimination of the Lancester balance shaft and Fuel economy.

Als Ti, Zr, Hf-Materialien sind erfindungsgemäß geeignet Titan als solches, Zirconium als solches, Hafnium als solches; bevorzugt jedoch Legierungen enthaltend Ti und/oder Zr und/oder Hf zu 80 Gew.-% oder mehr, vorzugsweise 90 Gew.-%. Besonders bevorzugt sind jedoch Titan-Legierungen mit einem Anteil an 80 Gew.-% Titan, vorzugsweise 90 Gew.-% Titan. Zr und Hf können als weitere Nebenbestandteile in der Größenordnung 1-20 Gew.-%, vorzugsweise 5–15 Gew.-% enthalten sein. Ebenfalls können Beimengungen üblicher Metalle enthalten sein, wie Al, Si, Mg, Fe, Ni, Co, Mo, V oder anderer Leicht- und Schwermetalle. Weitere bevorzugte Legierungen sind Ti Al 6 V 4 oder Ti Al 6 Fe 2 Si, wie sie im Kraftfahrzeugbau zum Einsatz kommen.When Ti, Zr, Hf materials are suitable according to the invention titanium as such, Zirconium as such, hafnium as such; but prefers alloys containing Ti and / or Zr and / or Hf to 80 wt .-% or more, preferably 90% by weight. However, titanium alloys are particularly preferred with a Proportion of 80% by weight of titanium, preferably 90% by weight of titanium. Zr and Hf can as additional minor components in the order 1-20 wt .-%, preferably 5-15% by weight be included. Likewise Admixtures usual Metals may be included, such as Al, Si, Mg, Fe, Ni, Co, Mo, V or other light and heavy metals. Further preferred alloys are Ti Al 6 V 4 or Ti Al 6 Fe 2 Si, as used in automotive engineering.

Erfindungsgemäß werden α/β-Ti-Legierungen bzw. α/β-Ti enthaltende Materialien, die sowohl an hochfester, kubisch raumzentrierter β-Phase als auch an hexagonaler α-Phase mit hohem E-Modul verfügen, verwendet. Beim so genannten Hochtemperaturumformen werden mehr β-Phasen und beim Niedrigtemperaturumformen mehr α-Phasen gebildet. Erfindungsgemäß wird im α/β-Gebiet umgeformt und zwar beim Erwärmen 5–15°C vorzugsweise 8–10–12°C oberhalb der α/β-Phasengrenze. Bei reinem Titan geht beispielsweise bei 882,5°C α-Ti in β-Ti über (so genannte α/β-Phasengrenze), d.h. die Erwärmung sollte erfindungsgemäß bei 887–897°C erfolgen. Für Ti Al 6 V 4 oder Ti Al 6 Fe 2 Si liegt der entsprechende bevorzugte Erwärmungswert bei 975°C +15°C.According to the invention, α / β-Ti alloys or α / β-Ti containing Materials that can be used on high-strength, cubic body-centered β-phase as well at hexagonal α-phase have a high modulus of elasticity, uses. In so-called high-temperature forming, more β-phases and formed during low temperature forming more α-phases. According to the invention is transformed in the α / β-area and while heating 5-15 ° C, preferably 8-10-12 ° C above the α / β phase boundary. For pure titanium, for example, at 882.5 ° C, α-Ti changes to β-Ti (so-called α / β phase boundary), i.e. the warming should take place according to the invention at 887-897 ° C. For Ti Al 6 V 4 or Ti Al 6 Fe 2 Si is the corresponding preferred one heating value at 975 ° C + 15 ° C.

Die Erwärmungsdauer im besagten Temperaturbereich beträgt mindestens 20 Minuten bis 45 Minuten oder länger, vorzugsweise jedoch nicht länger als 1 Stunde.The heating time in said temperature range is at least 20 minutes to 45 minutes or more, but preferably no longer than 1 hour.

Hierdurch wird beim Aufwärmen die α-Niedrigtemperaturphase durch die β-Hochtemperaturphase derart durchsetzt, dass sich eine α/β-Webstruktur bzw. ein erfindungsgemäßer Verbundwerkstoff ergibt (1), der die hohen Festigkeitseigenschaften der β-Phase sowie den höheren E-Modul der α-Phase erfindungsgemäß vereinigt. Dieses temperaturabhängige Umformgebiet ist sehr eng auszuwählen, bzw. es sind Erwärmungs- bzw. Umformtemperaturen von ±15 K, vorzugsweise ±5 K um den optimalen Umformbereich von 10 K oberhalb der α/β-Phasengrenze einzustellen. Wird dieser Bereich verlassen, so liegen entweder isolierte α- oder β-Phasen in einer β- bzw. α-Grundmatrix vor (2), so dass nachteilig der niedrige E-Modul der β-Phase resultiert. Die gewünschte α/β-Webstruktur lässt sich erfindungsgemäß hinsichtlich einer stärkeren Durchflechtung der α- und β-Phasen verbessern, indem nach dem Umformen langsam an Luft bzw. in Gasatmosphäre abgekühlt wird. Hierdurch wird die α/β-Webstruktur weiter durch die α-Phase durchsetzt. Im Ergebnis wird eine alternierende Anordnung der α-Phase und der β-Phase im Material erreicht. Im weitesten Sinne wird eine Mischphase in einer α/β-Webstruktur erhalten. Erfindungsgemäß kann sich nach dem Umformen ein Entspannungsglühen bei 650 ± 50°C anschließen, um neben dem Abbau ungewünschter Umformeigenspannungen eine stärkere Durchsetzung der α/β-Webstruktur mit der α-Phase mit hohem E-Modul zu erzielen (3). Hierbei ist die Glühzeit derart zu begrenzen, das die α/β-Webstruktur nicht zerstört wird. Anhand bei 975°C ± 5°C gesenkgeschmiedeter Ti-Pleueln, die nach dem Umformen langsam in Luft abkühlten, konnte bei den α/β-Legierungen Ti Al 6 V 4 ein E-Modul von 130 GPa bzw. Ti Al 6 Fe 2 Si ein E-Modul von 140 GPa realisiert werden. Ein anschließendes Entspannungsarmglühen bei 650°C erbringt eine zusätzliche E-Modulsteigerung von mindestens 5 GPa. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielte Zugfestigkeit liegt bei Legierungen (z.B. Ti Al 6 V 4, Ti Al 6 Fe 2 Si) oberhalb 1100 MPa bzw. die Dehngrenze oberhalb 1000 MPa. Dies entspricht den Festigkeitswerten hochfester β-Ti-Legierungen, die oberhalb denen von Stahl liegen. So konnte vorteilhaft die oszillierende Masse bei Ti Al 6 Fe 2 Si-Pleueln im Vergleich zu hochfesten Stahlpleueln bis zu 35%–45% reduziert werden.As a result, during the warm-up, the α-low-temperature phase is penetrated by the β-high-temperature phase in such a way that an α / β weave structure or a composite material according to the invention results ( 1 ), which combines the high strength properties of the β-phase and the higher modulus of elasticity of the α-phase according to the invention. This temperature-dependent forming area is very narrow to select, or there are heating or forming temperatures of ± 15 K, preferably ± 5 K to the optimal order Set the shape range of 10 K above the α / β phase boundary. If this region is left, then either isolated α or β phases are present in a β or α basic matrix ( 2 ), so that disadvantageously results in the low modulus of β-phase. The desired α / β weave structure can be improved according to the invention with respect to a stronger interlacing of the α and β phases by slowly cooling in air or in the gas atmosphere after forming. As a result, the α / β weave structure is further penetrated by the α phase. As a result, an alternating arrangement of the α-phase and the β-phase in the material is achieved. In the broadest sense, a mixed phase is obtained in an α / β weave structure. According to the invention, a stress relief annealing at 650 ± 50 ° C can follow after forming in order to achieve a stronger enforcement of the α / β weave structure with the α phase with a high modulus of elasticity in addition to the reduction of unwanted Umformeigenspannungen 3 ). Here, the annealing time must be limited so that the α / β weave structure is not destroyed. On the basis of 975 ° C ± 5 ° C drop forged Ti connecting rods, which cooled slowly in air after forming, could in the α / β alloys Ti Al 6 V 4, an elastic modulus of 130 GPa or Ti Al 6 Fe 2 Si an E-modulus of 140 GPa can be realized. Subsequent stress relief annealing at 650 ° C provides an additional modulus increase of at least 5 GPa. The tensile strength achieved by the process according to the invention is above 1100 MPa for alloys (eg TiAl 6 V 4, TiAl 6 Fe 2 Si) or the yield strength above 1000 MPa. This corresponds to the strength values of high-strength β-Ti alloys which are above those of steel. Thus, the oscillating mass of Ti Al 6 Fe 2 Si connecting rods could be advantageously reduced by up to 35% -45% compared with high-strength steel connecting rods.

Beschreibung der Figuren:description of the figures:

1: α/β-Webgefüge (Webstruktur) eines bei 975°C geschmiedeten Ti-Pleuels aus Ti Al 6 Fe 2 Si (weiße α- und graue β-Lamellen). 1 : α / β weave structure (weave structure) of Ti Ti 6 Ti 2 Si (white α and gray β laths) forged at 975 ° C.

2: α/β-Webgefüge (Webstruktur) eines bei 990°C geschmiedeten Ti-Pleuels aus Ti Al 6 Fe 2 Si mit isolierten weißen α- Inseln. 2 : α / β weave structure (weave structure) of a 990 ° C forged Ti-rod of Ti Al 6 Fe 2 Si with isolated white α-islands.

3: Optimales α/β-Webgefüge (Webstruktur) eines bei 975°C umgeformten und dann bei 650°C spannungsarmgeglühten Ti-Pleuels aus Ti Al 6 Fe 2 Si (weiße α- und graue β- Lamellen). 3 : Optimal α / β weave structure (weave structure) of a Ti-conrod of Ti Al 6 Fe 2 Si (white α- and gray β-lamellae) formed at 975 ° C and then stress relieved at 650 ° C.

Claims (10)

Verfahren zum Herstellen von Gesenkschmiedeteilen, insbesondere von sich in Motoren bewegenden Gesenkschmiedeteilen wie Pleuels, Kurbelwellen, Nockenwellen und/oder Ventilteilen, aus zu 80 Gew.-% oder mehr Ti und/oder Zr und/oder Hf enthaltendem Material, wobei das Gesenkschmiedeteil beim Umformen auf 5–15 K oberhalb der α/β-Phasengrenze erwärmt und anschließend abgekühlt wird.Method for producing drop forged parts, in particular of drop forging parts moving in motors such as connecting rods, crankshafts, camshafts and / or valve parts to 80% by weight or more of Ti and / or Zr and / or Hf-containing material, wherein the die forging is heated to 5-15 K above the α / β phase boundary during forming and subsequently is cooled. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für ca. 20 bis 60 Minuten erwärmt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the material for heated for about 20 to 60 minutes becomes. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entspannungsglühen bei 600–700°C nach dem Abkühlen erfolgt.Method according to claim 1 or 2, characterized that a relaxation annealing at 600-700 ° C after the cooling down he follows. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das E-Modul und die Festigkeit in der Ti und/oder und/oder Zr und/oder Hf enthaltende Materialien, oder Legierungen davon, erhöht wird.Method according to claim 1, 2 or 3, characterized that the modulus of elasticity and the strength in the Ti and / or and / or Zr and / or Hf containing materials, or alloys thereof, elevated becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Titan-Legierung 1–20 Gew.-% oder 5–15 Gew.-% Zr und/oder Hf und ggf. Beimengungen anderer Leicht – oder Schwermetalle enthält.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that a titanium alloy 1-20 Wt .-% or 5-15 % By weight of Zr and / or Hf and optionally admixtures of other light or heavy metals contains. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Titan-Legierung 90 Gew.-% Titan enthält oder ausgewählt ist aus Ti Al 6 V 4 oder Ti Al 6 Fe 2 Si.Method according to claim 1, 2 or 3, characterized a titanium alloy contains or is selected from 90% by weight of titanium Ti Al 6 V 4 or Ti Al 6 Fe 2 Si. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein α/β-Webgefüge oder Verbundwerkstoff ausgebildet wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that an α / β weave or Composite material is formed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesenkschmiedeteil nach dem Schmieden langsam an Luft abgekühlt wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized that the drop forging is slowly cooled in air after forging. Gesenkschmiedeteil, insbesondere Pleuel, Kurbelwelle, Nockenwelle und/oder Ventilteil, erhältlich aus einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8.Drop forged part, in particular connecting rod, crankshaft, Camshaft and / or valve member, available from a process according to claims 1 to 8th. Gesenkschmiedeteil, insbesondere Pleuel, Kurbelwelle, Nockenwelle und/oder Ventilteil, aus zu 80 Gew.-% oder mehr Ti und/oder Zr und/oder Hf enthaltendem Material, oder einer Legierung davon, bei dem während des Umformens das Material auf 5–15 K oberhalb der α/β-Phasengrenze derart erwärmt und anschließend derart abgekühlt worden ist, dass ein erhöhter E-Modul vorliegt.Drop forged part, in particular connecting rod, crankshaft, Camshaft and / or valve member, from 80 wt .-% or more Ti and / or Zr and / or Hf containing material, or an alloy thereof, during that transforming the material to 5-15 K above the α / β phase boundary so heated and subsequently so cooled that is an elevated one E-module is present.
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