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Verwendung einer schweiß- und vergütbaren a-Titanlegierung als Werkstoff
zur Herstellung von Blechen und anderen Walzwerkserzeugnissen bestimmter Mindeststreckgrenzen
Zusatz zum Patent: 1167 035 Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung
von quaternären a-Titanlegierungen, die Aluminium, Niob und Tantal enthalten und
zum Rest aus Titan mit zufälligen Verunreinigungen bestehen, als Werkstoff zur Herstellung
von Blechen und anderen Walzwerkserzeugnissen, die sowohl in angelassenem wie auch
in vergütetem Zustand verwendbar sind, geschweißt werden können und eine niedrige
Dichte besitzen. Die Erfindung bildet eine Weiterentwicklung des Gegenstands des
Hauptpatents 1167 035.
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Seit dem Beginn der Verwendung von Titan und Titanlegierungen bei
der Herstellung von Flugzeugteilen, Flugzeugmotoren und anderen Gegenständen, wo
große Festigkeit, Korrosionswiderstandsfähigkeit und geringstmögliches Gewicht von
Bedeutung sind, ist es ein Problem gewesen, Titanlegierungen, insbesondere in Form
von Blechen, herzustellen, die gute Schweißbarkeit in Blech- oder Stangenform mit
hoher Festigkeit bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen vereinen, hohe Temperaturbeständigkeit
bei guter Verformbarkeit besitzen, auch in Blechform warm behandelt werden können
und einer Alterungshärtung bis zu hoher Festigkeit zugänglich sind, jedoch hierbei
eine gute Duktilität behalten.
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Es ist bekannt, die Struktur und die Eigenschaften von Titan durch
sogenannte a- und ß-Stabilisatoren zu beeinflussen. In der französischen Patentschrift
1094 616 sind eine Vielzahl derartiger Stabilisatoren genannt, unter anderem
auch Niob und Tantal als ß-Stabilisatoren und Aluminium als a-Stabilisator. Bei
gleichzeitiger Verwendung von Vertretern beider Gruppen sollen Legierungen mit a-ß-Struktur
oder mit reiner ß-Struktur entstehen, welche eine verhältnismäßig gute Verformbarkeit
und Dehnung aufweisen und bei Zimmertemperatur oder mäßig erhöhten Temperaturen
brauchbare Festigkeitseigenschaften besitzen. Die besonders vorteilhafte Kombination
von Werkstoffeigenschaften, wie sie bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung
erzielt wird, liegt bei den in dieser Patentschrift angegebenen Legierungen nicht
vor, und über die Verschweißbarkeit der bekannten Legierungstypen wird nichts Besonderes
gesagt.
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Auch aus der französischen Patentschrift 1141963
sind
Titanlegierungen bekannt, die Aluminium bzw. Niob und Tantal enthalten, jedoch sind
bei allen dort angegebenen Legierungen noch zusätzlich weitere Legierungskomponenten
in wesentlichen Mengen anwesend, so daß für die der Erfindung zugrunde liegenden
Probleme aus dieser Patentschrift ein brauchbarer Schluß nicht gezogen werden konnte.
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Trotz der Vielzahl der in den genannten Patent-Schriften im einzelnen
aufgeführten Legierungen ist als einzige Legierung, die sowohl Aluminium als auch
Niob und Tantal enthält, eine Titanlegierung mit. 4"/, Aluminium, 501, Tantal
und 501" Niob genannt. Diese gemischtphasige Legierung ist nicht hochtemperaturbeständig
und weist nur eine begrenzte Korrosionsbeständigkeit auf; die Zusammensetzung liegt
hinsichtlich sämtlicher Komponenten außerhalb des erfindungsgemäß zu verwendenden
Legierungsbereiches. Einem Zulegieren größerer Mengen an Aluminium stand die Erfahrung
der Praxis entgegen, daß Titan-Aluminium-Legierungen mit zunehmendem Aluminiumgehalt
zur Versprödung neigen und insbesondere Legierungen mit einem Gehalt zwischen 6
und 10 °/ö Aluminium in dieser Hinsicht anfällig sind.
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EinigebereitsbekannteTitan-Aluminium-Vanadium-Legierungen besitzen
bei hohen Temperaturen gute Eigenschaften und können auch verhältnismäßig leicht
hergestellt werden. Sie sind jedoch namentlich in Form von Blechen nicht ohne weiteres
schweißbar. Andere:. bekannte Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen sind. schweißbar
und können auch verformt werden, sie sind jedoch andererseits schwer als Blech herzustellen
und
besitzen nicht bei Raumtemperatur und bei Temperaturen unter etwa 538° C
die Festigkeit von Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen.
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Auf gewissen Anwendungsgebieten war es daher notwendig, eine geringere
Festigkeit in Kauf zu nehmen, wenn ein Verschweißen des Werkstoffs vorgenommen werden
mußte.
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Durch die dem Hauptpatent 1167 035 zugrunde liegende Erfindung
wurden die hauptsächlichen vorgenannten Schwierigkeiten beseitigt. Das Hauptpatent
richtet sich auf die Verwendung von schweiß- und vergütbaren Titan-Aluminium-Niob-Tantal-Legierungen,
bestehend auf 5 bis 90/, Aluminium, 0,33 bis 3,330/,
Tantal, 0,33 bis
3,33 °/o Niob, Rest Titan neben unvermeidbaren Verunreinigungen, bei denen das Verhältnis
von Tantal zu Niob gegebenenfalls im Bereich von 1: 2 bis 2 : 1 liegt, als Werkstoff
zur Herstellung von Blechen und anderen Walzwerkserzeugnissen mit einer Mindeststreckgrenze
im vergüteten Zustand von 70 kg/nu-n2 und einer Dehnung von über 12 °/o bei Zimmertemperatur.
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Erfindungsgemäß wurde nun gefunden, daß eine weitere Verbesserung
bezüglich der Werkstoffeigenschaften erzielt werden kann, wenn im Rahmen der im
Hauptpatent angegebenen Mengenverhältnisse eine ganz bestimmte Zusammensetzung mit
verhältnismäßig eng begrenzten Bereichen der Legierungskomponenten verwendet wird.
Die Erfindung richtet sich demgemäß auf die Verwendung einer schweiß- und vergütbaren
a-Titanlegierung, die nach Patent 1167 035 aus 7,5 bis 8,5 °/o, besonders
8 °/o Aluminium, 1,5 bis 2,5 °/o, besonders 20/, Niob, 0,5 bis 1,501, besonders
10/, Tantal, Rest Titan mit zufälligen Verunreinigungen besteht, als Werkstoff'
zur' Herstellung von Blechen und anderen Walzwerkserzeugnissen, die im vergüteten
Zustand Streckgrenzenwerte von mindestens 84,5 kg/mm2 bei 20°C, 63,4 kg/mm2 bei
204°C, 52,8 kg/mm2 bei 315°C, 49,4 kg/mm?' bei 425'C, 46,5 kg/mm2 bei 538°C und
30,4 kg/mm2 bei 649'C aufweisen. Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung ist
durch besonders gute Eigenschaften bezüglich Verhalten im angelassenen Zustand,
Schweißbarkeit, Festigkeit bei hoher Temperatur, Kriecheigenschaften, thermischer
Stabilität, Kerbschlagzähigkeit, Vergütbarkeit -und niedrige Dichte ausgezeichnet,
worauf nachstehend näher eingegangen wird.
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Die erfindungsgemäß zu verwendende quatemäre Legierung weist nach
einer kurzzeitigen Behandlung bei erhöhter Temperatur Festigkeiten auf, die im Temperaturbereich
von etwa 204 bis 538'C um etwa 14 kg/mm2 höher liegen als die von bekannten Aluminium-Zinn-Legierungen.
Die Festigkeit bei etwa 538°C ist größer als die einer bekannten Aluminium-Zinn-Legierung
bei etwa 427°C; und die Festigkeit bei etwa 425°C ist höher als die einer bekannten
Aluminium-Zinn-Legierung bei 315°C, was einen Vorteil im Hinblick auf die Temperatur
vergleichbarer Festigkeitswerte von etwa +110°C ergibt.
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Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung besitzt bei Raumtemperatur
und bei erhöhten Temperaturen wesentlich höhere Festigkeit und Duktilität bei Zugbeanspruchung
als bekannte Aluminium-Zinn-Legierungen, und die Biegungsduktilität entspricht der
von bekannten Aluminium-Zinn-Legierungen, selbst wenn sie 8 °/o Aluminium enthält,
ohne ein Anzeichen einer Richtbarkeit in dem Blech.
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Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung ist leicht schweißbar
nach den gleichen Arbeitsmethoden, wie sie für technisch reines. Titan angewendet
werden, z. B. durch Schutzgas-Lichtbogen-Schweißverfahren mit abschmelzender bzw.
nicht abschmelzender Elektrode, Punkt- und Nahtschweißung, Widerstands- und Stoßverschweißung.
Die Schweißungen sind durch gute Bigeduktilität und mechanische Eigenschaften gekennzeichnet,
die denen des Grundmetalls vergleichbar sind.
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Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung hat eine bedeutend höhere
Kerbschlagzähigkeit als bisher bekannte Titan-Aluminium-Zinn- oder Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen.
Kriechversuche an Blechen und Stangen aus der Legierung zeigen im Vergleich zu bekannten
Titan-Aluminium-Zinn- und Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen eine bessere Kriechfestigkeit
bei etwa 399°C um etwa 35 kg/mm2, und die Kriechstabilität, wie durch die Dehnung
nach Kriecheinwirkung angezeigt wird, ist ebenfalls besser.
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Obgleich die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung schweißbar ist,
spricht sie auf eine Wärmebehandlung in Blechform an, sie ist durch Abschrecken
härtbar, ebenso wie bekannte Titan-Aluminium-Vanadium-Legieruiigen. Das Legierungsblech
kann einer Lösungsbehandlung und Alterung bis zu einem Streckgrenzenwert von etwa
10550 kg/mm2 und einer Dehnung von 8 bis 9 °/o unterworfen werden, was günstig ist
im Vergleich zu einer Dehnung von 4 bis 8 °/o, wie sie bei Blechen aus einer bekannten
Aluminium-Vanadium-Legierung erhalten wird; die einer Wärmebehandlung bis auf die
gleiche Festigkeit unterworfen wurden.
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Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung kann zu Stangen oder
Blechen geschmiedet oder gewalzt werden, wobei die Walzbarkeit auf Blechmaße in
einer Herstellungsanlage mit der von Blechen aus bekannten Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen
vergleichbar und besser als die Walzbarkeit bei Blechen aus bekannten Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen
ist.
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Außer den verbesserten Eigenschaften und angegebenen Vorteilen hat
die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung die niedrigste Dichte von allen technischen
Legierungen auf Titanbasis, und zwar eine Dichte von 4,37 g/cm3 gegenüber 4,46 g/cm3
für bekannte Titan-Aluminium-Zinn- und Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen und
4,51 g/cm3 für unlegiertes Titan. Ferner liegen die Materialkosten für die erfindungsgemäß
vorgesehene Legierung nicht merklich höher als die Kosten für andere technische
Titanlegierungen.
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Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung kann aus technischem
Titan oder einem Titan hoher Reinheit hergestellt werden. Bei Herstellung aus technischem
Titan ergibt eine typische Analyse des Werkstoffs neben Titan, Aluminium, Niob und
Tantal Gehaltevon 0,02 °/a C, 0,01 0/,N"0,1 °/0 02und0,002 °/oH2. Jedoch ist die
Erfindung nicht auf die Verwendung eines Materials mit den angegebenen typischen
Werten beschränkt; die Gehalte können z. B. auch in der Größenordnung von 0,15 °/,`C,
0,07 % N2, 0,020 °/0 02 und 0,0025 °/o H2 liegen. Es kann auch handelsüblicher
Titanschwamm mit einer Brinellhärte von 120 kg/mm2 verwendet werden. Die Schwammhärte
kann zwischen 100 und 200 kg/mm2 liegen. In den nachstehenden
Tabellen
wurde ein Titanschwamm mit dem typischen Mittelwert von 120 kg/mm2 verwendet.
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In der Praxis wird das Titan vorzugsweise nach einem elektrischen
Lichtbogenverfahren in einem wassergekühlten Kupfertiegel geschmolzen, z. B. in
einer Argonatmosphäre, und die Legierungselemente werden durch Zugabe von Aluminium
und einer Aluminium-Niob-Tantal-Legierung zugefügt.
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Die erfindungsgemäß zu verwendende -Legierung kann nach dem Schmelzen
und Gießen in üblicher Weise verarbeitet und zu den gewünschten Halb- oder Fertigprodukten,
z. B. Stangen oder Blechen, geschmiedet oder ausgewalzt werden. Beispielsweise können
gegossene Blöcke aus der quaternären Legierung zu Brammen geschmiedet oder vorgewalzt,
warm zu Flachknüppeln gewalzt und dann zu Blechen von gewünschter Dicke ausgewalzt
werden. Nach einer anderen Arbeitsweise können die Kokillengußblöcke zu Vierkantblöcken
verarbeitet und dann zu Stangen von gewünschter Größe und gewünschtem Querschnitt
ausgewalzt werden.
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Die in den nachstehenden Tabellen I bis IV aufgeführten Untersuchungen
der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung wurden mit einer Legierung folgender
Zusammensetzung durchgeführt:
| Aluminium ..................... 8,01/0 |
| Niob ........................... 2,01/0 |
| Tantal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1,01/0 |
| Titan (mit zufälligen Verunreini- |
| gungen) ...................... 89,01/0 |
Typische Eigenschaften bei Raumtemperatur von vergüteten Blechen und Stangen sind
in der Tabelle I angegeben:
| Tabelle I |
| 1-mm-Blech 1,5-cm-Stange |
| Zugfestigkeit, kg/mm2 ... 89,30 91,50 |
| 0,21/0-Streck- |
| grenze, kg/mm2 ....... 84,50 86,50 |
| Dehnung, 0/0 . . . . . . . . . . . 16* 16** |
| Querschnittsverminde- |
| rung, 1/0 .. .... . .... .. - 38 |
| Geringster Biegeradius, TR 3 bis 4 |
| Kerbschlagfestigkeit nach |
| Charpybei21°C,mkg - 6,8 |
| Kerbschlagfestigkeit nach |
| Charpybei -40°C, |
| mkg ................. - 3,8 |
| E-Modul - 101 kg/mm' . . . 0,0123 0,0123 |
| * °/o Dehnung bei 50,8 mm Meßlänge. |
| ** °/o Dehnung bei 25,4 mm Meßlänge. |
Die Werte der Tabelle I zeigen eine vergleichbare Festigkeit und Duktilität für
Blech- und Stangenform. Die Festigkeitswerte sind hoch, und die Dehnung von 16 0/0
zeigt eine gute Duktilität bei guter Verformbarkeit in Blechform, wie aus dem TR-Wert
von 3 bis 4 hervorgeht. Die Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung
im vergüteten Zustand, kurzzeitig auf erhöhte Temperatur erhitzt, sind in der nachstehenden
Tabelle II wiedergegeben.
| Tabelle 1I |
| Versuchs- Zug- Streck- Deh- Querschnitts- |
| temperatur festigkeit grenze nung verminderung |
| °C kg/mmz kgmma °/o °/o |
| Raumtempe- |
| ratur 88,60 84,50 17 38 |
| 204 77,30 63,40 23 44 |
| 315 70,30 52,80 25 47 |
| 425 64,70 49,40 28 53 |
| 538 55;80 46,50 33 55 |
| 649 34,80 30,40 55 70 |
Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung zeigt bei kurzzeitiger Erhitzung auf
Temperaturen im Bereich von etwa 204 bis 538°C eine um etwa 14 kg/mm2 höhere Festigkeit
als bekannte Titan-Aluminium-Zinn-Legierungen; die Festigkeitswerte gemäß Tabelle
Il bedeuten einen Festigkeitsvorteil in bezug auf die Warmfestigkeitstemperatur
von etwa +110°C.
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Typische Eigenschaften von wärmebehandeltem Blech von etwa 1 mm Dicke,
das aus der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung hergestellt worden war, sind
in der Tabelle III angegeben.
| Tabelle III |
| ' Wärmebehandlung |
| 20 Minuten |
| 20 Minuten bei 1010°C geglüht, |
| bei 1010° C geglüht, mit Wasser abgeschreckt, |
| mit Wasser abgeschreckt dann 8 Stunden bei |
| 480° C geglüht, |
| in Luft abgekühlt |
| Zugfestigkeit, kg/mm2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 110,50 117,50 |
| 0,21/0-Streckgrenze, kg/mm2 . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 92,70 106,30 |
| Dehnung (5-cm-Probe), 1/0 . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 11,3 9,4 |
| Geringster Biegeradius, TR . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 4,8 7,1 |
Die Werte in Tabelle III erläutern das beachtenswerte Ansprechen
der Legierung auf eine Lösungsbehandlung und Alterung; die Streckgrenze wird von
84,50 kg/mM2 für Blech gemäß Tabelle I auf 106,30 kg/mm2 gemäß Tabelle III erhöht,
wobei eine brauchbare Duktilität erhalten bleibt, wie aus dem Dehnungswert von 9,4-0/0
gemäß Tabelle III hervorgeht.
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Die Kriechfestigkeit und die thermische Stabilität von vergütetem
Blech aus der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung sind in der nachstehenden
Tabelle IV wiedergegeben.
| Tabelle IV |
| Versuchsbedingungen |
| Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399'C |
| Zeit ................ ........ 115 Stunden |
| Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35,00 kg/mm' |
| Dauerdeforn-iierung . . . . . . . . . . . 0,230/,. |
| Mechanische Eigenschaften Vor der I Nach der |
| Beanspruchung |
| Zugfestigkeit, kg/mm2 .... . . . . . 94,00 94,70 |
| 0,2 °/ö Streckgrenze, kg/mm2 . . . . 86,00 90,50 |
| Dehnung (5-cm-Probe), °/o . . . .. 15,5 12,0 |
Die vorstehenden Werte zeigen, daß die Legierung nach einer Kriechbeanspruchung
bei erhöhten Temperaturen und unter Belastung über lange Zeit thermisch beständig
bleibt. Diese thermische Beständigkeit zeigt sich an dem Fehlen von Sprödigkeit,
wie aus den Eigenschaften nach der Beanspruchung unter Kriechbedingungen hervorgeht.
Unter den strengen Bedingungen von 399°C und 35 kg/mm2 Belastung über 115 Stunden
deformierte die Legierung elastisch nur um 0,23 °/o. Dies zeigt eine hohe Kriechfestigkeit
an.
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Die Vergütung bestand darin, die Legierung bei etwa 899'C zu stabilisieren
und das Material von dieser Temperatur ab an Luft abzukühlen. 20 Minuten sind eine
ausreichende Anlaßzeit für Blechdicken, während Stangen bei der angegebenen Temperatur
vorzugsweise 1 Stunde stabilisiert und dann an Luft abgekühlt werden.
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Der Übergang der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung in die
ß-Form erfolgt bei etwa 1043 ± 11°C. Für- eine höchste Alterungsfestigkeit bei guter
Duktilität soll die Legierung etwa 20 Minuten im a-ß-Gebiet einer Lösungsbehandlung
unterworfen, dann schnell abgeschreckt und dann gealtert werden.
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Die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäß zu verwendenden a-Titanlegierung
werden durch die Abbildung erläutert, die eine mikrofotografische Wiedergabe des
Gefüges der Titanlegierung mit der angestrebten Zusammensetzung von 8 °/o Aluminium,
2 °/o Niob und 10/, Tantal in vergütetem Zustand zeigt. Es ist ersichtlich, daß
das Gefüge im wesentlichen aus reiner a-Phase besteht mit nur zufälligen ß-Phaseninseln.
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Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung kann, wie aus den angegebenen
Merkmalen und Eigenschaften ersichtlich ist, in Form von Blechen oder anderen Walzwerkserzeugnissen
für die Herstellung von Teilen benutzt werden, bei denen eine Schweißarbeit erforderlich
ist, z. B. von Teilen, die nach dem Verformen verschweißt werden müssen, wobei eine
Mindeststreckgrenze in der Schweißung von 77,00 kg/mm2 erhalten bleibt. Der Werkstoff'
kann auch im wärmebehandelten Zustand für Bauteile verwendet werden, bei denen eine
hohe Festigkeit erforderlich ist, die durch Wärmebehandlung nach Verformung im lösungsgeglühten
Zustand erzielt wird.