-
Vergütbare Ti-Al-V-Fe-Legierung von hoher Dehnbarkeit und hoher Festigkeit
Zusatz zum Patent: 1 135 670 Das Hauptpatent 1 135 670 bezieht sich auf die Verwendung
von vergütbaren Ti-AI-V-Fe-Legierungen, bestehend aus 8 % Vanadin, 3 bis
5 °/o Eisen und 1,5 °/o Aluminium, Rest Titan, neben unvermeidbaren Verunreinigungen,
als Werkstoff zur Herstellung von Blechen und anderen Walzerzeugnissen mit einer
Mindeststreckgrenze von 86 kg/mm' und einer Dehnung über 12°/o im vergüteten Zustand.
Gewünschtenfalls können diese Legierungen auch noch bis zu 0,06 °/o Kohlenstoff,
bis zu 0,03 % Stickstoff, bis zu 0,15 °/o Sauerstoff und bis zu 0,0240/,
Wasserstoff enthalten.
-
Diese speziellen, nach der USA.-Patentschrift 2819959 bekannten
Legierungen des Hauptpatents sind nicht nur trotz hoher Festigkeit sehr gut dehnbar,
sondern sie lassen sich auch ohne die Gefahr des Ausseigerns leicht erschmelzen,
und sie zeigen eine sehr erwünschte geringe Dichte. Eine deratige Kombination von
vorteilhaften Eigenschaften konnte bisher bei Titanlegierungen nur schwer erhalten
werden.
-
Insbesondere hatte man sich bisher bei der Herstellung von derartigen
Titanlegierungen bemüht, Verunreinigungen nach Möglichkeit auszuschalten und den
Sauerstoffgehalt möglichst niedrig zu halten; um ein Verspröden zu vermeiden. Reines
Titan enthält üblicherweise nur etwa 0,1 bis 0,20/0 Sauerstoff und 0,10/,
Stickstoff als Verunreinigung.
-
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß sich besonders günstige
Ergebnisse hinsichtlich der Festigkeit und Dehnbarkeit im vergüteten Zustand erzielen
lassen, wenn man bei Ti-Al-V-Fe-Legierungen mit der im Hauptpatent angegebenen Zusammensetzung
den Sauerstoff künstlich auf einen Gehalt von 0,4 bis 0,5 %
erhöht,
beispielsweise durch Zusatz von TiO2 beim Erschmelzen der Legierung aus den vier
Metallkomponenten.
-
Die neue Ti-Al-V-Fe-Legierung mit hoher Dehnbarkeit und Festigkeit
ist dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 1,0 bis 1,5 °/o Aluminium, 7,5 bis
8,50/,
Vanadium, 4,5 bis 5,5 °/o Eisen, 0,4 bis 0,5 % Sauerstoff, Rest
Titan mit beiläufigen Verunreinigungen, insbesondere an den Zwischengitterelementen
Stickstoff und Kohlenstoff, besteht.
-
Durch die künstliche Erhöhung des Sauerstoffgehaltes werden insbesondere
bei Blechen und Stangen im vergüteten bzw. alterungsgehärteten Zustand unerwartete
Verbesserungen erreicht, während trotzdem das Kerbverhalten ganz ausgezeichnet ist.
Beispielsweise konnte die Mindeststreckgrenze in vergütetem Zustand auf 119 kg/mm2
erhöht werden.
-
Der angegebene obere Grenzwert für den Sauerstoffgehalt ist jedoch
kritisch, da schon bei einem OZ-Gehalt von 0,60/, eine völlige Versprödung des Materials
eintritt.
-
Die Erzielung der beschriebenen, sehr günstigen Eigenschaften in einer
Legierung auf Titanbasis ist von großer Bedeutung für die Befriedigung eines in
der Technik bestehenden Bedarfes. Bekannte technische Titanlegierungen, in denen
eine hohe Festigkeit entsprechend etwaeinerStreckgrenzevon 140,60kg/mm2 erzielt
werden konnten, wiesen eine geringe oder keine Dehnung und Biegeduktilität im alterungsgehärteten
Zustand auf.
-
Die Legierungen nach vorliegender Erfindung können hergestellt werden
aus technischem Titan oder aus Titan hoher Reinheit. Beispielsweise ist auch ein
Schwammetall mit einer Brinellhärte von 120 kg/mm2, wie es derzeit erhältlich ist,
brauchbar. Der hohe Sauerstoffgehalt der Legierung nach vorliegender Erfindung wird
entweder durch Mitverwendung eines Schwammes mit einem wesentlich höheren Sauerstoffgehalt
oder durch Zugabe von technisch reinem Ti02 zur Schmelze erreicht.
In
der Praxis wird das Titan vorzugsweise in einem elektrischen Lichtbogenverfahren
in einem wassergekühlten Kupfertiegel oder im Vakuum oder in einer Inertatmosphäre,
wie Argon, geschmolzen, und die Legierungselemente werden der Schmelze entweder
gesondert oder in Legierungskombinationen zugesetzt. Insbesondere kann die Legierung
mit hohem Sauerstoffgehalt nach vorliegender Erfindung eine Nominalzusammensetzung
von 1,3 °/o Al, 8 °/o V, 5 °/p Fe und 0,4°/o 02 und Rest Titan aufweisen.
-
Die neuen Legierungen können nach dem Schmelzen und Gießen in der
üblichen Weise verarbeitet und zu dem gewünschten Halb- oder Fertigprodukt geschmiedet
oder ausgewalzt werden. Zum Beispiel können Kokillengüsse der verbesserten quaternären
Legierung zu Platinen geschmiedet oder vorgewalzt, dann zu Stangen warmgewalzt und
diese Stangen können schließlich zu fertigen Blechen, z. B. von 0,5 bis 2,5 mm Stärke,
ausgewalzt werden. Nach einer anderen Arbeitsweise können Stangen durch Schmieden
oder Vorwalzen zu Knüppeln und Warmwalzen der Knüppel auf das gewünschte Maß hergestellt
werden.
-
Ti-Al-V-Fe-Legierungen gemäß dem Hauptpatent, aber ohne hohen Sauerstoffgehalt,
sind z. B. die nachstehenden
Die mechanischen Eigenschaften von vergütetem Blech aus Legierungen nach Tabelle
1 sind in der nachstehenden Tabelle I1 wiedergegeben:
| Tabelle II |
| Bei- Fertigungs- Bruch- Streck Dehnung Durch- |
| spiel Nr. festigkeit grenze o,ro je 5 cm biegung |
| kg/mm2 kg/mm2 °!o |
| 1* DM 454 91,5 86 12,9 2,0 |
| 2* DM 455 102,1 97 12,1 1,7 |
| * Mittel aus 2 Versuchen. |
Die Legierungen der Tabellen 1 und 11 haben einen Sauerstoffgehalt von etwa 0,08
°/o und sind gekennzeichnet durch eine gute Dutkilität mit einer Mindeststreckgrenze
von 86 kg/mmz in vergütetem Zustand, die bei einem hohen Prozentsatz von Eisen noch
höher liegen kann, ohne daß eine Versprödung bei nachfolgender Erhitzung oder Wärmebehandlung
eintritt.
-
Wenn man zu den bekannten Legierungen nach den Tabellen 1 und Il gemäß
vorliegender Erfindung steigende Mengen Sauerstoff zusetzt, so sind diese Legierungen
mit höherem Sauerstoffgehalt durch eine Reihe von verbesserten Eigenschaften gekennzeichnet.
-
So besitzt eine Legierung mit einer nominellen Zusammensetzung von
1,3 °/o Al, 8 °/" V, 5 °/o Fe und 0,4°/o OZ die typischen, in den Tabellen III bis
VII angegebener. Eigenschaften. Tabelle 111 Typische Eigenschaften bei Raumtemperatur
von vergüteten Blechen und Stangen
| 1-mm-Blech, 1,5-cm-Stange, |
| Stunde bei 1 Stunde bei |
| 677 C behan- 677=C behan- |
| delt, schnell ab- delt, schnell ab- |
| gekühlt auf gekühlt auf480'C |
| 480- C, luftgekühlt |
| luftgekühlt |
| Bruchfestigkeit, |
| kg/mm2 . . . . . . . . . 124,80 124,80 |
| Streckgrenze, |
| kg/mm 2 . . . . . . . . . 119,00 120,30 |
| Dehnung, °/o ...... 12,9* 18,3** |
| Querschnitts- |
| verminderung, °/o - 43,7 |
| Durchbiegung ..... 2,2(r.) bis 4,2(T) - |
| * 5-cm-Probe. ** 2,5-cm-Probe. |
Tabelle IV Typische Eigenschaften bei Raumtemperatur von warmbehandeltem 1 mm Blech
| Alterungs- |
| gehärtet, |
| Vergütetes Blech ';., Stunde bei |
| (AS-abgeschreckt 746°C behan- |
| '., Stunde bei delt, in Wasser |
| 746'C behan- abgeschreckt, |
| delt, in Wasser dann 2 Stunden |
| abgeschreckt bei 538'C |
| behandelt, |
| luftgekühlt |
| Bruchfestigkeit, |
| kg/mm2 . . . . . . . . . 119,70 144,80 |
| Streckgrenze, |
| kg/mm 2 . . . . . . . . . 119,10 137,30 |
| Dehnung |
| (5-cm-Probe), °/0 5,9 5,8 |
| Durchbiegung ..... 3,1 (L) bis 3,7(T) 6,1 (L) bis 5,9(T) |
Tabelle V Typische Eigenschaften bei Raumtemperatur einer alterungsgehärteten 1,5
cm Stange
| 1 Stunde bei 746'C |
| behandelt, in Wasser |
| abgeschreckt, dann |
| 2 Stunden bei 538'C |
| behandelt, luftgekühlt |
| Bruchfestigkeit, kg/mm' . . 137,30 |
| Streckgrenze, kg/mm2 .... 133,60 |
| Dehnung (2,5-cm-Probe). |
| °/o .................. 12,0 |
| Querschnittsverminderung, |
| o................... 30,1 |
Ein Vergleich der Werte der Tabelle
111 mit denen in Tabelle 11 bestätigt,
daß die Anwesenheit von 0,4°/o Sauerstoff keine nachteiligen Effekte bei der Dehnung
und Biegeduktilität der Legierung in Blechform oder
bei der Dehnung
und Duktilität unter Verminderung des Querschnitts bei der Legierung mit Stangenform
ergibt. Jedoch zeigt die erfindungsgemäße Legierung mit hohem Sauerstoff eine hohe
Festigkeit und eine außergewöhnlich gute Duktilität in vergütetem Zustand trotz
des vorhandenen hohen Sauerstoffgehaltes.
-
Die Legierung mit viel Sauerstoff hat auch eine sehr hohe Festigkeit
und gute Duktilität im durch Alterung gehärteten Zustand, wie die Daten von Tabellen
IV und V zeigen.
-
Die Prüfung der Kriecheigenschaften der verbesserten Legierung mit
hohem Sauerstoffgehalt ergibt, daß das Material mit Sicherheit bis zu
371'C herauf benutzt werden kann, ohne daß eine starke permanente Deformierung
eintritt.
-
Ferner zeigt die verbesserte Legierung mit hohem Sauerstoffgehalt
bei Blechen befriedigende Ermüdungseigenschaften, die vergleichbar sind mit denen
von vergüteten Blechen aus einer binären Titan-Mangan-Legierung.
-
Es wurde bisher angenommen, daß Titanlegierungen mit einem hohen Gehalt
an Zwischengitterelementen, zu denen auch Sauerstoff gehört, anfällig für Kerbsprödigkeit
sind, d. h. daß das Verhältnis der Festigkeitswerte bei gekerbtem zu nichtgekerbtem
Material l oder weniger beträgt. Es wurde jedoch gefunden, daß die Legierung mit
hohem Sauerstoffgehalt nach der vorliegenden Erfindung in dieser Hinsicht sehr befriedigende
Eigenschaften zeigt, wie in Tabelle VI dargestellt ist.
| Tabelle VI |
| Typische Festigkeitseigenschaften von gekerbten |
| und ungekerbten 1,5 cm-Stangen |
| Gekerbt Ungekerbt Verhältnis |
| Zustand gekerbt zu |
| kg/mm$ kg/mm2 ungekerbt |
| Vergütet ..... 161,50 125,30 1,29 |
| Alterungs- |
| gehärtet ... 157,00 137,30 1,14 |
Weiterhin neigt die Legierung mit hohem Sauerstoffgehalt nach vorliegender Erfindung
auch nicht zu einer Versprödung durch Verbindungsbildung, wie durch die nachstehend
in der Tabelle VII gegebenen Werte bestätigt wird.
| Tabelle VII |
| Stabilität gegenüber einer Versprödung durch
Verbindungsbildung von vergütetem 1-mm-Blech |
| Bruchfestigkeit Streckgrenze Dehnung Durchbiegung |
| Wärmebehandlung (5-cm-Probe) |
| kg/nrn$ kg/mm' % °/u |
| 1. 1/2 Stunde bei 677°C behandelt, schnell gekühlt auf |
| 480°C, luftgekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 124,50 117,30 11,4 3 bis 4 |
| 2. Ebenso, dann 48 Stunden bei 593'C behandelt, |
| luftgekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 120,40 114,60 10,7 3 bis 4 |
| 3. Ebenso, dann 96 Stunden bei 593'C behandelt, |
| luftgekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 129,30 121,50 12,9 4 bis 5 |
Untersuchungen über den Einfiuß einer kontinuierlichen Erhöhung des Sauerstoffgehaltes
von 0,08
% (vgl. Tabellen I und II) auf 0,4 °/o (vgl. Tabellen III bis VII)
zeigen, daß die Streckgrenze von vergüteten 1-mm-Blechen sich mit der Zugabe von
Sauerstoff bis auf einen Gesamtsauerstoffgehalt von 0,4
% OZ erhöht und dann
abnimmt, bis der Sauerstoffgehalt etwa 0,5
% beträgt und darauf wiederum
zunimmt, bis der Sauerstoffgehalt ungefähr 0,6
%
beträgt, über den hinaus
das Material völlig spröde ist. Die Bruchfestigkeit von vergütetem Material schwankt
in ähnlicher Weise mit steigendem Gesamtsauerstoff= gehalt.
-
Die Bruchfestigkeit und die Streckgrenze von 1-mm-Blechen, die durch
Alterung gehärtet waren, schwanken in ähnlicher Weise mit steigenden Mengen des
Gesamtsauerstoffgehaltes, wobei das Material die höchsten Werte bei einem Sauerstoffgehalt
von etwa 0,40/, zeigt.
-
Die Dehnungswerte für vergütetes 1-mm-Blech bleiben bei steigenden
Mengen des Gesamtsauerstoff gehaltes bis auf etwa 0,40/, Sauerstoff relativ konstant
und fallen dann bis auf etwa 100/, bei 0,501, OZ und bis auf etwa
7 % bei etwa 0;6 °/o Sauerstoff ab. Gleichzeitig bleiben die Dehnungswerte
bei durch Alterung gehärtetem Material bis zu einem Gesamtsauerstoff gehalt von
etwa 0,4"/, Sauerstoff relativ konstant und fallen dann mit weiter ansteigenden
Sauerstoffmengen ab. Schließlich sind die Werte für die Durchbiegung bei 1-mm-Blechen
in vergütetem Zustand relativ niedrig, bis ein Gesamtsauerstoffgehalt von
0,501, OZ erreicht ist; ähnlich verhält sich das durch Alterung gehärtete
Material.
-
Hieraus folgt, daß ein Gesamtsauerstoffgehalt von etwa 0,40/, OZ in
der verbesserten Ti-AI-V-Fe-Legierung die beste Kombination von mechanischen Eigenschaften
ergibt. Das Blech kann in vergütetem Zustand in die gewünschte Form gebracht werden,
wobei eine Dehnung von 12,90/, und eine Biegeduktilität von 2,2 bis 4,2 ein ausgezeichnetes
Verhalten gewährleistet. Die Formteile können anschließend einer Lösungsbehandlung
und einer Alterungshärtung unterworfen werden, so daß Fertigteile mit einer Bruchfestigkeit
von etwa 141,00 kg/mm2 und einer Streckgrenze von etwa 137,00 kg/mm2 erhalten werden.
-
Wie in den vorstehenden Tabellen angegeben, können die verbesserten
Legierungen mit hohem Sauerstoffgehalt derart vergütet werden, daß man zunächst
eine Lösungsglühung bei 677°C vornimmt, worauf man im Ofen bis auf 480°C abkühlt
und die Abkühlung schließlich an Luft zu Ende führt. 30 Minuten ist eine gute Vergütungszeit
für Bleche,
während für Stangen 1 Stunde Lösungsglühen befriedigend
ist.
-
Der Übergang in die (3-Phase erfolgt bei der Ti-AI-V-Fe-Legierung
mit 0,4°/0 02 nach der vorliegenden Erfindung bei etwa 830 ± 14°C. Eine metallographische
Untersuchung zeigt eine Struktur, die durchgehend eine _x-(3-Struktur mit einer
relativ kleinen Teilchengröße ist.
-
Eine Alterungshärtung kann mit einer größtmöglichen Kombination von
Festigkeit und Duktilität erreicht werden, indem man an sich bekannte Wärmebehandlungen
anwendet, wie sie in den Tabellen angegeben sind, d. h. für 1-mm-Bleche wird das
Material einer halbstündigen Lösungsglühung bei 750°C unterworfen, dann in Wasser
abgeschreckt, anschließend 2 Stunden bei 535°C ausgehärtet und abschließend an der
Luft abgekühlt. Eine ähnliche Behandlung wird angewendet für 1,5-cm-Stangen, wobei
die Lösungsglühung bei etwa 750°C aber 1 Stunde dauert.
-
Zum Schluß der Abschreckbehandlung ermittelte Meßwerte zeigen, daß
eine Härtung bis zu einer beträchtlichen Tiefe möglich ist. Dies ist besonders für
Stangenmaterial wichtig, insbesondere wenn es erwünscht ist, Stangen mit großen
Abmessungen zu behandeln. Beispielsweise können Härtungstiefen bis etwa 5,6 cm erreicht
werden. Somit können Stangen mit sehr hoher Festigkeit, die aus der neuen Legierung
hergestellt wurden, wegen der sehr guten Dehnung und Querschnittsverminderungen
im alterungsgehärteten Zustand als Bauteile verwendet werden.
-
Ferner besitzt die Legierung mit hohem Sauerstoffgehalt nach vorliegender
Erfindung eine niedrige Dichte von etwa 4,67 g/cm3.
-
Bei den vorstehenden Tabellen, in denen die angestrebte oder nominelle
Zusammensetzung angegeben ist, ist zu berücksichtigen, daß gewisse Abweichungen
von den durch chemische Analysen bestimmten Zusammensetzungen vorhanden sein können,
je nachdem, ob und in welchem Grad die Möglichkeit einer genauen Kontrolle beim
Zugeben der Legierungskomponenten besteht. Die angegebenen Prozentzahlen sind Gewichtsprozente.