DE1172435B

DE1172435B - Verfahren zum Herstellen von feinkoernigem Berylliumblech mit regelloser Kristallorientierung

Info

Publication number: DE1172435B
Application number: DEU8371A
Authority: DE
Inventors: Alan Moore; Charles Ian Bort
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1960-10-04
Filing date: 1961-10-03
Publication date: 1964-06-18
Also published as: ES270897A1; GB919423A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: C22f

Deutsche Kl.: 4Od-1/16

Nummer: 1 172 435

Aktenzeichen: U 8371 VI a / 40 d

Anmeldetag: 3. Oktober 1961

Auslegetag: 18. Juni 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Berylliumblech mit regelloser Kristallorientierung und einer Korngröße unterhalb 80 μ, wobei grobkörnige Walzbarren aus Beryllium mit einer Korngröße zwischen 80 und 300 μ bei einer Temperatur zwischen 150 und 600° C bis auf einen vorbestimmten Abwalzgrad gewalzt werden, wodurch ein bruchfreies Blech mit gleichgerichteter Kristallorientierung erzeugt wird und das auf diese Weise hergestellte Blech bei einer Temperatur ge- ίο glüht wird, die höher als die Walztemperatur ist.

Beryllium ist ein Leichtmetall mit einer geringen Dichte und mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Es bietet große Verwendungsmöglichkeiten als Konstruktionsmaterial auf dem Gebiet der Kernreaktortechnik wegen seiner ausgezeichneten Moderatoreigenschaften und seines geringen Einfangquerschnitts für Neutronen und in der Luftfahrtindustrie wegen seines hohen Schmelzpunktes und Festigkeit-Gewicht-Verhältnisses. Beryllium ist einige Zeit als Legierungselement verwendet worden; jedoch hat es sich nie so recht als Konstruktionsmaterial durchgesetzt, und zwar wegen seines im allgemeinen unbefriedigenden mechanischen Verhaltens. Grobkörniges Beryllium ist äußerst spröde und bietet als ein Metall, das starken Verformungen ausgesetzt werden soll, keine praktische Verwendungsmöglichkeit. Gegossenes Beryllium ist normalerweise äußerst grobkörnig. Feinkörnige Gußstücke können zwar hergestellt werden, jedoch nur mit kleinen Querschnittsabmessungen, die keine industrielle Bedeutung haben.

Infolge des Umstandes, daß gegossenes Beryllium seinem Wesen nach schwer zu bearbeiten ist, war man bisher gezwungen, das gegossene Beryllium in feines Pulver zu zermahlen, um dadurch auf künstlichem Wege die Korngröße des Materials zu verringern. Das Pulver konnte dann gesintert werden, um die gewünschten Gegenstände herzustellen. Der verfahrensmäßige Umweg über das Pulverisieren ist jedoch äußerst kostspielig, und beim Zermahlen werden Verunreinigungen in das Metall eingebracht. Es würde offensichtlich besser sein, wenn das Gußmaterial unmittelbar verformt werden könnte.

Selbst wenn feinkörnige Gußstücke großer Abmessungen hergestellt werden könnten, würde dadurch das Problem nicht gelöst. Es ist festgestellt worden, daß sich eine gleichgerichtete Kristallorientierung in feinkörnigem Material während der Bearbeitung bildet, und dadurch wird eine ausgeprägte Anisotropie der mechanischen Eigenschaften hervorgerufen.

Verfahren zum Herstellen von feinkörnigem
Berylliumblech mit regelloser Kristallorientierung

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:

Alan Moore,

Charles lan Bort, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 4. Oktober 1960 (34 056) -

Es ist bekannt, Beryllium bei verschiedenen Temperaturen bis zu etwa 1100° C zu walzen, um Bleche herzustellen. Dies ist die übliche erste Verfahrensstufe in der Metallurgie bei der Herstellung von Metallgegenständen, da Blech ein Material ist, das stärkeren Verformungen ausgesetzt werden kann. Wie bereits erwähnt, ist es jedoch offensichtlich, daß grobkörniger Berylliumguß für das Walzen zu Berylliumblech nicht geeignet ist, da durch das Walzen ein grobkörniges Blech mit einer gleichgerichteten Kristallorientierung erzeugt wird. Außerdem ist es nach den Ausführungen offensichtlich, daß feinkörniger Berylliumguß zur Herstellung von Blechen nicht geeignet ist, und zwar wegen der Entstehung der gleichgerichteten Kristallorientierung während des Walzens.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen von feinkörnigem Berylliumblech, welches im wesentlichen isotropische mechanische Eigenschaften hat, aus gegossenen Berylliumbarren. Durch das Verfahren ist es möglich, die Korngröße unter 80 μ herabzusetzen, wobei die Körner entlang ihren Achsen im wesentlichen die gleichen Ausdehnungen haben. Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Blech hat ein Feinkorngefüge mit regelloser Kristallorientierung und somit eine gute Verformbarkeit.

Die gleichgerichtete Kristallorientierung kann durch Warmwalzen oder einen anderen Bearbeitungsvorgang erzielt werden; jedoch ist es besonders vorteilhaft, das Material bei einer Temperatur zwischen 200 und 500° C warm zu walzen, und zwar

409 600/296

mit der maximalen Abwälzung, die ohne Rißbildung erreicht werden kann. Es wurde festgestellt, daß diese im allgemeinen geringer als 50% ist. Falls erwünscht, kann das Material noch einmal bearbeitet und wieder geglüht werden, um eine weitere Verminderung der Korngröße zu erreichen.

Die Kornverfeinerung bewirkt eine Herabsetzung der Temperatur für den Übergang vom spröden zum verformbaren Zustand. Es ist auf diese Weise festgestellt worden, daß das geglühte Ausgangsblech, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzielung einer mittleren Korngröße von 30 μ hergestellt wurde, eine Dehnung von 12,5 % bei Raumtemperatur in der Ebene des Bleches zeigte, wobei die Probe parallel zur Walzrichtung geprüft wurde. Das Probestück hatte nur eine regellose Kristallorientierung in der Basisebene (0001), und zwar kleiner als 4 mal regellos, wobei es unwahrscheinlich ist, daß die erhöhte Plastizität auf die Textur zurückzuführen war und daß daher hohe Plastizitäten in Richtungen senkrecht zur Blechtafelebene zu finden sein würden.

Versuchsarbeiten zur Darstellung und Erläuterung der Erfindung werden nunmehr beschrieben und behandelt.

Die Berylliumproben hatten eine Zusammensetzung, wie sie in Tabelle I angegeben ist, und wurden aus einem Blech mit einer Dicke von 1,78 mm ausgeschnitten, welches durch Warmwalzen von vakuumgegossenem Berylliumbarren, und zwar 75 % bei 1000° C und 85% bei 800° C, hergestellt worden war. Die Probestücke mit einer Abmessung von 50,8 X 12,7 X 1,78 mm hatten eine einheitliche und gleichachsige Korngröße von 85 μ mittlerer Abmessung.

Tabelle I

Fe 0,037%

Al 0,056%

Si 0,091%

Mg 0,0008%

Mn 0,002%

Ni 0,004%

Cr 0,001%

Cu 0,001%

Be Rest

40

45 gemessenen Zeitdauer wurde das Probestück in die Kaltzone zurückgezogen. Diese Bewegungen fanden schnell statt und wurden unter Verwendung einei Schubstange ausgeführt, die in einer »Wilsonx-Dichtung saß. Temperaturmessungen des Probestückes wurden innerhalb ± 10^c C bzw. bis zu einer solchen Genauigkeit mittels einer Eichung entlang der Zylinderachse des Ofens unter Verwendung eines Pt-Pt/Rh-Thermoelementes ermittelt. Es soll jedoch betont werden, daß die Probestücke nicht über die ganze Länge der angegebenen Glühzeit auf Temperatur waren, und um sicherzugehen, daß die Probestücke gleichen Erwärmungs- und Abkühlungszyklen folgten, wurde ihre Abmessung auf 12,7 X 6,35 X 1,78 mm festgelegt. Eine Anzeige für die Art des Wärmezyklus, dem die Probestücke unterworfen wurden, wurde durch graphische Aufzeichnung der Temperaturwechsel eines Pt-Pt/Rh-Thermoelementes erhalten, welches von der Kaltzone in die Heißzone des Ofens geschoben wurde (s. Figur). Wenn auch ein Thermoelement mit einer großen Schweißperle (von 2 mm Durchmesser) bei dieser Bestimmung verwendet wurde, so gibt die Erwärmungskurve doch nur eine Anzeige für die Erwärmungsgeschwindigkeit der Probestücke, da die Wärmemasse des Probestückes nicht gleich derjenigen der Thermoelement-Schweißperle war. Die Wärmemasse dieser beiden Komponenten war jedoch gering, verglichen mit der des Ofens; es wurde daher angenommen, daß die Erwärmungsgeschwindigkeit der Probestücke nicht wesentlich von der des Thermoelementes abweichen würde.

Die angegebene Korngröße ist der mittlere Korndurchmesser von 50 Körnern, gemessen in zwei zueinander im rechten Winkel verlaufenden Richtungen. In jedem Falle wurde die Korngröße in einer Ebene senkrecht zur Walzrichtung und in einer Ebene parallel zur Walzrichtung bestimmt.

Auswirkung des Walzens bei 200° C

Das Ausmaß, bis zu dem Beryllium bei jeder Temperatur verformt werden könnte, wurde durch aufeinanderfolgende Abwälzungen von 5% bei 5 Minuten langer Wiedererwärmung auf Walztemperatur bei jeder nachfolgenden Abwälzung bis zur Rißbildung abgeschätzt. Alle Abwälzungen erfolgten in der gleichen Richtung bei einer Walzgeschwindigkeit von etwa 10,3 m/min. Vor dem Walzen wurden die Walzen auf ungefähr 100° C durch eine Gasflamme angewärmt. Probestücke, die für ein rasches Glühen vorgesehen waren, wurden nachfolgend bis zu einem Abwalzgrad von ungefähr innerhalb 15% derjenigen abgewalzt, bei welcher Bruch erfolgte oder zu erwarten war; diese Abwälzung wurde nach einem Schema durchgeführt, das dem oben beschriebenen ähnlich war.

Die Probestücke wurden in einem Vakuumofen eingebracht, der dauernd auf Temperatur gehalten wurde. Zunächst wurde das Probestück in eine kalte Zone (Kaltzone) des Ofens gebracht, und nach unmittelbarer Evakuierung wurde das Probestück in die warme Zone (Warmzone) geschoben. Nach einer

Probe	Gesamtabwalzung 5⁰OJe Durchgang (Vo)	Bemerkungen
Versuch 1 2 3	30 25 25 25 Walzen bei 300° C	gebrochen bruchfrei
Probe	Gesamtabwalzung 5°'n je Durchgang (Vo)	Bemerkungen
Versuch 1 2 3	50 46 42 42 Walzen bei 400° C	I gebrochen \ bruchfrei
Probe	Gesamtabwalzung 5 °/o je Durchgang (Vo)	Bemerkungen
Versuch 1 2 3	62 57 54 54	gebrochen } bruchfrei

Walzen bei 500° C

Probe	Gesamtabwalzung 5 °/o je Durchgang (%)	Bemerkungen
Versuch 1 2	57 60 60	gebrochen bruchfrei

Die Auswirkung des raschen Glühens auf die Korngröße bei 980 ± 10° C während einer Zeitdauer im Bereich von 15 bis 240 Sekunden für das Beryllium, das innerhalb des Bereiches 200 bis 500° C gewalzt wurde, ist in den Tabellen II bis IV zusammengefaßt. In keinem Falle wurde irgendein bedeutender Unterschied sowohl in der mittleren Korgröße als auch in der Gleichmäßigkeit parallel und senkrecht zur Walzrichtung bemerkt.

Tabelle II

Walz temperatur (⁰C)	Gesamt abwalzung (%)	Glühdauer in Sekunden	Korng quer	röße (m) längs	Bemerkungen	Walztextur
200	25	30			unvollständige Rekristallisation; isolierte Bündel re kristallisierter feiner Körner (15 bis 20 μ)
200	25	60	—	—	I völlig rekristallisierte gleichachsige Körner, nahezu I einheitliche Abmessung
200 200 200 200	25 25 25 25	75 90 105 120	83 96 90 64	84 86 94 68	Walztextur
300	46	15	—	—	unvollständige Rekristallisierung; isolierte Bündel re kristallisierter feiner Körner (~ 15 bis 20 μ)
300	46	30	—	—	I völlig rekristallisierte gleichachsige Körner, nahezu f einheitliche Abmessung
300 300 300	46 46 46	40 50 60	48 70 50	54 66 53	völlig rekristallisierte gleichachsige Körner von ein heitlicher Abmessung
300	46	240	93	88

Tabelle III

Walz temperatur (⁰C)	Gesamt abwalzung (°/o)	Glühdauer in Sekunden	Korng quer	röße (,«) längs	Bemerkungen	j Walztextur
400 400	54 54	15 20	—		unvollständige Rekristallisation; isolierte große nicht- kristallisierte Körner mit nichtlinearen Begrenzun gen wurden beobachtet
400	54	25	23	26	völlig rekristallisierte gleichachsige Körner, nahezu einheitliche Abmessung
400	, 54	30	40	37	völlig rekristallisierte gleichachsige Körner von ein heitlicher Abmessung
400	54	60	68	63	I völlig rekristallisierte gleichachsige Körner, nahezu I einheitliche Abmessung
400 400 400 400	54 54 54 54	90 120 150 180	90 86 56 90	—

Tabelle IV

Walz temperatur (⁰C)	Gesamt abwalzung (°/o)	Glühdauer in Sekunden	Korngröße Qi) quer \| längs	28	Bemerkungen
500 500	60 60	20 25	27	unvollständige Rekristallisation; isolierte Bündel feiner rekristallisierter Körner (15 bis 20 μ) unvollständige Rekristallisation; gelegentliche große nichtkristallisierte Körner mit nichtlinearen Be grenzungen wurden festgestellt

Tabelle IV (Fortsetzung)

Walztemperatur

(⁰C)

Gesamtabwalzung

(¹Vo)

Glühdauer in Sekunden

Korngröße (μ) quer längs

Bemerkungen

500

500
500

60

60
60

60 240

30

86 98

26

70 völlig rekristallisierte gleichachsige Körner mit nahezu einheitlicher Abmessung

völlig rekristallisierte gleichachsige Körner mit ein-J heitlicher Abmessung

Rekristallisierte Körner schienen allgemein durch lineare Grenzen gleichachsig gemacht und bestimmt zu sein. In Fällen, wo eine Veränderung in dei Korngröße festgestellt wurde, lassen die Gefügebilder die Vermutung zu, daß die größeren Bereiche unkristallisiert sind, während diejenigen Bereiche, welche rekristallisierte Körner enthalten, durch eine unregelmäßige Umrißlinie begrenzt sind, die der Grenze eines ursprünglichen deformierten Korns entsprechen könnte. Es folgt daher, daß zur Erzielung optimaler Bedingungen für eine einheitliche feine Korngröße

a) die Glühdauer nicht weniger als etwa 30 Sekunden betragen sollte, um eine Rekristallisation aller Bereiche zu ermöglichen,

b) die Deformierung bei allen Kristallen nahezu gleichförmig sein sollte, um eine gleichzeitige Rekristallisation über die ganze Grundmasse hinweg zu ermöglichen.

Es ist klar, daß die zweite Bedingung bzw. der zweite Zustand in der Praxis schwer zu erreichen ist. Wenn die Glühdauer verlängert wird, um allen Bereichen die Möglichkeit zu geben, zu rekristallisieren, dann können diejenigen Bereiche, die zuerst rekristallisieren, beträchtlich wachsen, bevor die Bereiche der niedrigen Belastung rekristallisieren. Es wurde daher versucht, nach einem kurzzeitigen Glühen das Metall weiter zu verformen. Ein nachfolgendes rasches Glühen sollte nicht nur die groben Körner rekristallisieren, sondern könnte auch die Bereiche der gleichachsigen feinen Körner rekristallisieren.

Als Ausgangsmaterial für dieses Hilfsverfahren wurde eine Probe des ursprünglichen Materials ausgewählt, welches um 50 % bei 400° C abgewalzt worden war. Die Behandlung, welcher dieses Material unterworfen wurde, wird nachfolgend im einzelnen aufgeführt:

a) Das Material wurde bei 980° C 40 Sekunden lang rasch geglüht, und es wurde eine völlig rekristallisierte gleichachsige Kornstruktur erzeugt.

b) Das Material wurde nachfolgend bei 700⁰C während einer Dauer von 19 Stunden geglüht, um jegliche Restspannungen zu beseitigen.

Nach dieser Glühdauer wurde dem Material die Möglichkeit gegeben, im Ofen langsam abzukühlen, und zwar ungefähr 200° C je Stunde.

c) Das Material wurde schließlich um 4O°/o bei 400⁰C warm abgewalzt, wobei ein bruchfreies Blech mit einer Dicke von 5,6 mm erhalten wurde.

Von diesem Material ausgeschnittene Probestücke wurden bei 98O⁰C rasch geglüht. Die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammengefaßt.

Tabelle V

Walzen und rasches Glühen

1. Stufe

Walztempe
ratur

Abwalzgrad

Glühdauer
in

(⁰C) ! (°/o) Sekunden

Korngröße

2. Stufe

Walztempe ratur (⁰C)

Abwalzgrad

Glühdauer

in Sekunden Korngröße

Bemerkungen

50
50
50

40
40
40

36
36
36

400 400 400

40 40 40

25 30 60 37
43
64

I völlig rekristallisiert; gleichachsige Körner [ einheitlicher Abmessung

Es ist klar, daß durch Homogenisieren der Spannungen in der Grundmasse durch rasches Glühen eine einheitliche Korngröße erzielt werden kann. Je größer das Ausmaß der Warmverformung, um so feiner ist die sich daraus ergebende Korngröße der Grundmasse. Jedoch ist die Geschwindigkeit der Rekristallisation bei einer Temperatur von ungefähr 1000° C mit Genauigkeit schwer zu regeln.

Die in den Tabellen II bis V wiedergegebenen Beobachtungen wurden unter ungefähr gleichen Bedingungen im Ofen durchgeführt, die Ergebnisse können jedoch bei Schwankungen innerhalb ± 4 Sekunden verschieden sein. Es war daher notwendig, die Auswirkung der raschen Glühung bei niedrigeren Temperaturen zu beobachten.

Die Vorbereitungen und das rasche Glühen für das verwendete Material bei den nachfolgenden Versuchsreihen waren wie oben beschrieben.

Die Auswirkung des raschen Glühens bei 900 ± 10° C über eine Zeitdauer im Bereich von 30 bis Sekunden für das bei Temperaturen im Bereich von 200 bis 500° C gewalzte Metall ist in Tabelle VI zusammengefaßt.

Tabelle VI

10

Walz temperatur (⁰C)	Abwalzgrad (%)	Glühdauer in Sekunden	Korngi quer	rößeCti) längs	Bemerkungen	Walztextur
200	25	60			unvollständige Rekristallisation; gelegentliche große Körner mit nichtlinearen Begrenzungen
200	25	90	42	46	völlig rekristalHsierte gleichachsige Körner, nahezu einheitlich in der Abmessung
200	25	120	64	58	Walztextur
300	42	30			1 völlig rekristallisierte gleichachsige Körner, nahezu J einheitlich in der Abmessung
—	—	60 120	37 51	46 51	Walztextur
400	54	30	—	—	unvollständige Rekristallisation; isolierte Bündel sehr feiner rekristallisierter Körner (~ 15 μ)
400	54	35	—	—	I völlig rekristallisierte gleichachsige Körner, nahezu I einheitlich in der Abmessung
400 400 400 400	54 54 54 54	40 45 60 120	33 41 40 48	33 41 38 48	unvollständige Rekristallisation; isolierte Bündel sehr feiner rekristallisierter Körner (~ 15 μ)
500	60	30	—	—	1 völlig rekristallisierte gleichachsige Körner fast gleicher J Abmessung
500 500	60 60	60 120	42 48	42 48

In keinem Falle wurde ein bedeutender Unterschied zwischen der Korngröße und der Verteilung in Ebenen parallel und senkrecht zur Walzrichtung festgestellt. Beim Vergleich der in den Tabellen II bis IV wiedergegebenen Beobachtungen mit denen in Tabelle VI ergibt sich, daß die Zunahme des Grades der Temperaturregelung, welche durch Herabsetzung der Temperatur des raschen Glühens um 100⁰C erzielt wird, in der Größenordnung von nur wenigen Sekunden liegt. Beispielsweise wurde ein völlig rekristallisiertes Gefüge in einem Material erzielt, das vorher bei 400⁰C wärm gewalzt wurde, nachdem es 30 Sekunden lang bei 980⁰C geglüht wurde, während das gleiche Material 40 Sekunden brauchte, als es bei 900° C geglüht wurde.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Berylliumblech mit regelloser Kristallorientierung und einer Korngröße unter 80 μ, wobei grobkörnige Walzbarren aus Beryllium mit einer Korngröße zwischen 80 und 300 μ bei einer Temperatur zwischen 150 und 600° C auf einen vorbestimmten Abwalzgrad gewalzt werden und das auf diese Weise hergestellte Blech bei einer Temperatur geglüht wird, die höher als die Walztemperatur ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühtemperatur zwischen 850 und 1000⁰C bei einer Glühdauer von 300 bis 15 Sekunden liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Berylliumblech mit regelloser Kristallorientierung einer Korngröße unter 80 μ bei etwa 700° C geglüht wird, um die beim Walzen entstandenen Restspannungen zu beseitigen, und daß anschließend bei einer Temperatur zwischen 150 und 600⁰C erneut gewalzt wird und das Blech zwischen 850 und 1000⁰C während einer Dauer von 300 bis 15 Sekunden geglüht wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschrift Nr. 2 872 363;
»Metallurgia«, Bd. 58 (1958), S. 245;
»Metal Industry«, Bd. 95 (1959), S. 430.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen