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Verwendung von Legierungen auf Titangrundlage zur Herstellung von
Gegenständen mit guter Duktilität in geglühtem Zustand Die Erfindung bezieht sich
auf die Verwendung von Legierungen auf Titangrundlage, die eine gemischte (a -f-
ß)- oder eine reine ß-Mikrostruktur aufweisen, zur Herstellung von Gegenständen
mit guter Duktilität in geglühtem Zustand. In der deutschen Patentschrift
1120 152, die nicht zum Stand der Technik gehört, werden Legierungen auf
Titangrundlage beschrieben, die aus 1 bis 500/" zweier oder mehrerer der nicht eutektoiden,
die ß-Form fördernden Elemente Vanadin, Molybdän, Tantal und Niob, gegebenenfalls
bis insgesamt 120/, Mangan und/oder Chrom, gegebenenfalls bis insgesamt 30/" eines
oder mehrerer der Elemente Eisen, Wolfram, Kobalt, Nickel, Kupfer, Silicium und
Beryllium und bis zu je 0,20/, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff bestehen,
während der Rest aus mindestens 50111, Titan besteht. Vorzugsweise enthalten diese
Legierungen als nicht eutektoide, die ß-Form fördernde Elemente nur 1 bis 25
% Molybdän und Vanadin.
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Es ist bereits bekannt, daß man Titanlegierungen mit hoher Wärmebeständigkeit
erhalten kann, wenn die Titanlegierungen neben 1 bis 25 % eines oder mehrerer
der Elemente Vanadin, Molybdän, Tantal und Niob noch wenigstens 10/" Zinn und/oder
Aluminium enthalten (französische Patentschrift 1085 628). Die Menge der zugegebenen
eutektoiden ß-Stabilisatoren ist nach dieser Patentschrift jedoch auf höchstens
40/, beschränkt. Hiervon unterscheiden sich die erfindungsgemäß zu verwendenden
Legierungen durch einen höheren Gehalt an eutektoiden ß-Stabilisatoren.
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Es wurde nun gefunden, daß sich bestimmte Titanlegierungen besonders
gut für die Herstellung von solchen Gegenständen eignen, bei denen es auf gute Duktilität
in geglühtem Zustand nach der Warm-oder Kaltverformung zu den gewünschten Gegenständen
ankommt und wobei diese auch danach, gegebenenfalls auch nach einer Alterung bei
etwa 400°C, der Wärme bis 260°C im Dauerbetrieb ohne Versprödung ausgesetzt werden
können und dabei erhöhte Festigkeit und Härte zeigen. Die hierfür geeigneten Titanlegierungen
enthalten 8 bis 50 % eines oder mehrerer der isomorphen ß-Stabilisatorelemente
Molybdän, Vanadium, Niob, Tantal und Zirkonium und mehr als 4 bis zu 15
% eines oder mehrerer der eutektoiden ß-Stabilisatorelemente Chrom, Mangan,
Eisen, Wolfram, Nickel, Kobalt, Kupfer, Silicium und Beryllium, jedoch nicht mehr
als 12 °/o Chrom und/oder Mangan, 10 % Eisen und 5 % zusammen an Wolfram,
Nickel, Kobalt, Kupfer, Silicium und Beryllium, wobei der Gesamtgehalt an eutektoiden
ß-Stabilisatoren nicht größer ist als der Gesamtgehalt der isomorphen ß-Stabilisatoren
und wobei diese Legierungen auch als nötigen Zusatz, wenn die Gesamtmenge der ß-Stabilisatoren
zwischen mehr als 12 und 20"/" liegt, noch Zinn und/oder Aluminium in einer Gesamtmenge
von 1 bis 18 °/o enthalten, jedoch nicht mehr als 8 % Aluminium und nicht
weniger als 2 % Zinn, wenn das Aluminium fehlt, und wobei Zinn und/oder Aluminium
in den angegebenen Mengen als bevorzugte Zusätze in solchen Legierungen vorhanden
sein können, die mehr als 20 bis zu 50 % insgesamt an ß-Stabilisatoren enthalten,
und wobei schließlich diese Legierungen auch 0 bis 0,3'0/, Kohlenstoff, 0 bis 0,2
%
Sauerstoff und 0 bis 0,1 % Stickstoff enthalten können, während der
Rest neben Verunreinigungen wenigstens 50 % Titan ausmacht.
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Es sind zwar schon Titanlegierungen mit verschiedenen Mengen der erwähnten
Stabilisatoren und ähnlichen Zusätzen bekanntgeworden, die daneben noch Zinn und
Aluminium enthalten. Es wurde jedoch nicht erkannt, daß sich unter den vielen hiernach
möglichen Legierungen mit Zinn- und Aluminiumgehalten solche mit besonders abgestimmter
Zusammensetzung, wie oben angegeben, besonders gut für die Herstellung von Gegenständen
von hoher Wärmebeständigkeit eignen.
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Ebensowenig hat mit der Erfindung die bereits bekannte Verwendung
von Legierungen aus ziemlich großen Mengen der Metalle Tantal, Niob, Molybdän,
Wolfram,
Zirkonium oder Vanadium mit Titan zur
Herstellung von korrosionsfesten Gegenständen
mit hohem optischem Reflexionsvermögen etwas zu tun.
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Legierungen, die eutektoide ß-Stabilisatoren enthalten, verspröden
durch eine oder mehrere Alterungs-Wärmebehandlungen völlig; diese Legierungen werden
aber durch Zugabe von etwa 5 bis 101)/, Zinn in Legierungen außerordentlich hoher
Wärmebeständigkeit und Dehnbarkeit unter allen Alterungsbedingungen umgewandelt,
so daß die durch den kleinsten Biegeradius T gemessenen Dehnbarkeiten etwa 7 nicht
überschreiten und auch die Rockwellhärte A nach dem Altern etwa 70 nicht übersteigt;
dies sind die Kriterien für eine ausgezeichnete Wärmestabilisierung.
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Bei Legierungen, die mindestens 8 bis 10 °/o ß-Stabilisatoren enthalten,
ist zur Erzielung der Wärmestabilisierung mehr Zinn oder Aluminium erforderlich
als bei höheren Gehalten an ß-Stabillsatoren. So sind bei einem Molybdängehalt von
8 °/o beispielsweise etwa 10 bis 18 °/o Zinn oder äquivalente Mengen Aluminium zur
Erreichung der höchsten Wärmestabilisierung unter allen Alterungsbedingungen erforderlich.
In diesem Zusammenhang läßt sich Zinn durch Aluminium auf der Grundlage von etwa
3 °/o Zinn für 1 °/o Aluminium ersetzen.
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Legierungen, die etwa 8 bis 5001, ß-Stabilisatoren enthalten,
haben eine wärmebeständige, praktisch nur aus der ß-Form bestehende Struktur, wenn
in der Legierung mindestens 8 bis 100/, eines oder mehrerer der isomorphen
ß-Stabilisatoren Molybdän, Vanadium, Tantal, Niob und Zirkonium vorhanden sind und
wenn weiter in dem Bereich von etwa 8 bis 20 °% des Gesamtgehaltes an ß-Stabilisatoren
zusätzlich noch genügend Zinn -oder Aluminium vorhanden ist, um die ß-Phase zu stabilisieren
und die eutektoide Zersetzung zu verhindern. Der Rest des Gehaltes dieser Legierungen
an der ß-Form kann aus Bestandteilen vom ß-Eutektoid-Typ bestehen, von denen Chrom
und/oder Mangan in einer Menge bis zu höchstens 12 °/o vorliegen können, während
die Menge des Eisens 100/" vorzugsweise 50/0, nicht überschreiten sollte.
Der Gesamtgehalt der schnell eutektoid wirkenden ß-Stabilisatoren Wolfram, Nickel,
Kobalt, Silicium und Beryllium sollte 5 °/o, vorzugsweise 2 oder 3 °/o, nicht übersteigen.
Bei den Legierungen die mindestens etwa 20 °/o bis zu etwa 5001,) ß-Stabilisatoren
insgesamt enthalten, sind keine Zugaben von a-Stabilisatoren, wie Zinn und/ oder
Aluminium, erforderlich, um die ß-Phase zu stabilisieren und eine beständige, reine
ß-Struktur zu gewährleisten, vorausgesetzt, daß der Gesamtgehalt der vorhandenen
eutektoiden ß-Stabilisatoren den Gesamtgehalt der isomorphen ß-Stabilisatoren nicht
wesentlich übersteigt und daß er in keinem Fall etwa 15 °/a an eutektoiden Stabilisatoren
übersteigt. Weiterhin. schwankt der höchstzulässige Gehalt an den verschiedenen
eutektoiden ß-Stabilisatoren merklich, je nach ihrer Schnelligkeit der Eutektoidumwandlung
und ihrer Neigung zur Bildung von eutektoiden Zerfallsprodukten. Von den eutektoidträgen
Stabilisatoren können Chrom und Mangan in Mengen von insgesamt bis zu 12 °/o vorliegen;
Eisen sollte jedoch 10 °/o nicht übersteigen und vorzugsweise nicht mehr als 5
%
betragen. Die schneller eutektoid wirkenden ß-Promotoren Wolfram,
Nickel, Kobalt, Kupfer, Silicium und Beryllium sollten insgesamt 5 °/o und vorzugsweise
2 bis 3 °/o nicht übersteigen.
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Die in der nachstehenden Tabelle I aufgeführten Versuchsergebnisse
erläutern die Eigenschaften von erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen im Vergleich
zu anderen, ähnlich zusammengesetzten Titanlegierungen, die nicht zum Gegenstand
der Erfindung zählen. Diese Daten wurden an Proben erhalten, die bei 760°C aus geschmiedeten
Blöcken bis zu einer mittleren Stärke ausgewalzt, gesäubert und weiter bei 700°C
bis zu einer endgültigen Stärke von etwa 1 mm gewalzt wurden, anschließend 1 Stunde
lang auf 700°C gehalten und von dieser Temperatur im Ofen auf 595°C und dann in
Luft auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Auf diesen gewalzten und geglühten Zustand
beziehen sich die Kolonnenüberschriften I in der Tabelle, in der die Dehnbarkeiten
T durch den geringsten Biegeradius und die Rockwellhärten A der Legierungen in diesem
Zustand angegeben sind. Die Tabellenüberschriften II; III und IV geben die entsprechenden
Daten für die gleichen Legierungen nach anschließendem 24stündigem Altern bei 400°C,
100stündigem Altern bei 400°C und 100stündigem Altern bei 260°C der Legierungen
des Zustandes I an.
| Tabelle I |
| Einfluß des Alterns bei 400°C auf 20 bis 50 °/o ß-Phase enthaltende
Titanlegierungen |
| ohne bzw. mit Zinn- und/oder Aluminiumzusatz |
| Zusammensetzung in °% Kleinster Biegeradius T Rockwellhärte
A |
| (Rest Titan) |
| V , Mo I Cr I Mn , Fe I Sn f Al , Andere I II I ITI IV I 1I
in N |
| 15 - 5 - - - - - 3,3 7 - - 64 70 |
| 15 - 5 - - 5 - - 1,0 2,8 4,5 0,5 60 61 65 60 |
| 15 - 5 - - 10 - - 1,2 1,6 - 0,1 58 61 - 57 |
| 10 - - 10 - - - - 1,0 6,9 7 8 64 67 73 73 |
| 10 - - 10 - 5 - - 1,0 3,7 5,1 1,0 64 64 64 63 |
| - 10 10 - - - - - 1,0 2,2 3,4 1,8 63 65 68 t 67 |
| 10 5 5 - - - 1 - 1,4 6 Spr Spr 62 71 73 74 |
| 10 5 5 - - 5 1 - 1,2 1,0 1,8 0,9 62 62 64 61 |
| 10 5 - 5 - 5 - - 1,4 1,7 1,5 5,5 61 61 64 69 |
| 10 5 - - 5 5 - - 0,8 1,5 1,9 1,1 65 65 f 65 65 |
| 10 - 5 5 - - - - 0,9 4,5 7 8 64 67 73 73 |
| 15 - - 5 - 5 - - 0 6 2 9 4,2 0,9 60 64 69 61 |
| 10 - - 5 5 - - - 0,9 6,5 ! 6 2,3 66 66 67 65 |
| »Spr« bedeutet ganz spröde. |
| Tabelle 1 (Fortsetzung) |
| Zusammensetzung in 0/a |
| (Rest Titan Kleinster Biegeradius T Rockwelihärte A |
| V Mo Cr I Mn I Fe I Sn Al Andere I 1I I In 1
IV I I 1I 1 III I IV |
| 15 - - - 5 5 - - 0,5 1,1 1,5 0,8 64 65 65 66 |
| 12 - 8 - - - 4 - 0,0 1,2 2,8 0,0 - - - - |
| 5 5 5 5 - - - - 0,8 1,9 7 9 61 61 72 69 |
| 15 5 5 1,3 - 3,2 3,6 61 - 63 61 |
| 15 - - - 10 - - - 0,8 2,5 6 1,6 67 68 67 66 |
| 15 - 5 - 5 - - - 1,3 6,3 6,6 1,3 64 64 65 65 |
| - - 5 - 5 - - 15 Ta 1,4 6,3 7,4 7,8 66 67 73 71 |
| 5 - 5 - - 15 Nb 3,7 7,2 7,2 4,8 65 65 71 65 |
| 15 5 5 - - - - 2 Ni 1,7 5,8 6,1 1,2 63 63 69 63 |
| 15 5 5 - - - - 5 Cu 1,7 6 7 7,2 64 70 70 72 |
| 15 - 10 - - - - - 1,4 1,8 3,7 1,0 63 63 65 62 |
| 15 5 - - 5 - - - 1,0 2,7 4,2 1,1 63 64 63 63 |
| 13 - 4 8 - - - - 0,9 1,7 3,7 1,3 - - - - |
| 15 - - 10 - - - - 1,3 2,0 4,3 0,9 64 65 64 64 |
| 15 5 5 - - - - 5 Ni 2,4 3,3 6,5 3,5 64 66 65 65 |
| 10 10 5 - - 5 - - 1,4 - 1,4 1,1 64 - 64 65 |
| 15 5 5 - - 5 - - 0,8 - 1,5 0,8 63 - 63 64 |
| 15 5 5 - - - 5 - 2,5 3,6 4,4 1,8 66 68 72 66 |
| 15 - 10 - - - 5 - 0,9 0;9 3,3 0,9 65 65 68 65 |
| 15 - 5 - 5 - 5 - 1,2 1,6 4,2 1,7 67 67 68 67 |
| 20 - 5 - - - 5 - 1,4 1,4 5,0 1,0 63 63 67 62 |
| 20 - - - 5 - 5 - 0,9 1,2 2,5 1,3 65 66 66 65 |
| 10 - 4 8 - 3 3 - 0,7 1,3 3,9 1,1 68 66 68 65 |
| 12 - 10 - - 3 3 - 2,0 2,4 2,8 1,7 65 68 69 65 |
| 13 - 11 - - - 3 - 1,6 1,4 3,2 0,9 64 65 68 63 |
| 13 - 11 - - 3 - - 1,3 2,2 2,7 1,0 - - - - |
| 13 - 4 8 - - 1,5 - 0,9 2,2 2,6 1,4 - - - - |
| 13 - 6 - 5 - 3 - 1,9 2,5 - - - - - - |
| 15 5 5 5 - - 2 - 1,3 0,9 1,3 2,3 62 62 61 68 |
| »Spr« bedeutet ganz spröde. |
Aus der Tabelle I ist ersichtlich, daß die Legierungen, die insgesamt mindestens
etwa 200/, ß-Stabilisatoren enthalten, im allgemeinen eine angemessen gute Wärmebeständigkeit
unter allen Alterungszuständen in Abwesenheit von a-Stabilisatorzusätzen haben,
daß sich die Wärmebeständigkeit dieser Legierungen aber durch die Zugabe von etwa
5 bis 10 °/o Zinn oder 1 bis 4 °/o Aluminium oder von beiden stark verbessern läßt.
Es ist ersichtlich, daß die Proben, die ohne die a-Stabilisatorzusätze bei der Alterung
Dehnbarkeiten (kleinster Biegeradius T) von über 7 und Rockwellhärten A von über
70 ergaben, durch diese Zugaben in solche Legierungen umgewandelt wurden, deren
Dehnbarkeiten (kleinste Biegung T) gut unter 7 und deren Rockwellhärten A unter
70 lagen, wodurch sich ihre ausgezeichneten Wärmebeständigkeiten bei allen Alterungsbedingungen
zeigen.
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Aus den Daten der Tabelle I ist weiter ersichtlich, daß bei fortschreitender
Erhöhung des Gesamtgehaltes dieser Legierungen an ß-Stabilisatoren von mindestens
etwa 200/, an in Abwesenheit der oc-Stabilisatoren im allgemeinen fortlaufend die
Wärmebeständigkeit immer besser wird, und zwar in dem Maße, daß die Mehrzahl dieser
Legierungen, bei denen Zinn und Aluminium fehlen, unter allen Alterungsbedingungen
ausgezeichnete Wärmebeständigkeiten zeigen, wie ihre Werte für den kleinsten Biegeradius
T und ihre niedrige Rockwellhärten A zeigen. Auch zeigt sich bei den Proben, die
beim Altern zur Versprödung neigen, daß dieser Zustand durch Zugaben von Aluminium
und/oder Zinn völlig behoben wird.
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Binäre Legierungen der ß-isomorphen Gruppe sind bei einem Gehalt von
unter 25 °/o der ß-Legierungsbestandteile nicht wirksam beständig. So ist eine binäre
Titan-Vanadin-Legierung selbst in gewalztem und geglühtem Zustand bei einem Vanadingehalt
von 200/, ziemlich spröde und hart. Bei einem Vanadingehalt von 35 °/o ändern sich
zwar bei der binären Legierung die Biegedehnbarkeit oder Härte praktisch nicht;
sogar nach längerem Altern liegt die Biegedehnbarkeit in gewalztem Zustand und auch
nach 100stündigem Altern bei 260 bis 370°C in der Größenordnung von 1 bis 2, und
die Rockwellhärte A bleibt mit etwa 54 bis 57 nahezu unverändert. Bei Vanadingehalten
von 35 °/o und darüber verzundert diese binäre Legierung jedoch übermäßig; die Verzunderung
bei 750°C ist ziemlich hoch. Um dies zu verhindern, ist die Zugabe eines die Verzunderung
hemmenden ß-Stabilisators erforderlich, z.B. von Chrom. Darüber hinaus haben die
binären Legierungen eine ziemlich geringe Zugfestigkeit. Die Zugfestigkeiten lassen
sich jedoch durch die Zugabe von a-Stabilisatoren, wie Zinn oder Aluminium, stark
erhöhen.
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Aus diesen Gründen sind die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen,
die aus drei oder noch mehr Bestandteilen bestehen, die mehrere ß-Stabilisatoren
einschließlich mindestens 8 bis 100/, wenigstens eines Bestandteils der ß-isomorphen
Gruppe oder
mindestens 8 bis 100/, eines Bestandteils der
ß-isomorphen Gruppe zusammen mit einem oder mehreren a-Stabilisatoren oder eine
größere Zahl der vorgenannten ß-Stabilisatoren zusammen mit einem oder mehreren
a-Stabilisatoren enthalten, die vorzugsweise zu verwendenden Legierungen.
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Da der erhöhte Temperaturbereich in dem Titan anderen Metallen gegenüber
Vorteile bietet, etwa 205 bis 425'C umfaßt, wurden die Alterungsversuche der Tabelle
I innerhalb dieses Bereichs ausgeführt.
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Die Toleranz dieser Legierungen gegen Begleitelemente ist verhältnismäßig
gering und soll für Kohlenstoff 0,30/" für Sauerstoff etwa 0,2°/o und für Stickstoff
0,1 % nicht überschreiten; die untere wirksame Grenze dieser Begleitelemente
liegt etwa bei 0,02()/,.
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Wie vorstehend betont wurde, sind die in den erfindungsgemäß zu verwendenden
ß-Legierungen angestrebten guten Eigenschaften eine gute Dehnbarkeit und Wärmebeständigkeit,
d. h. die Beibehaltung der Dehnbarkeit beim Altern. Die Zugfestigkeitseigenschaften
dieser Legierungen bei Normaltemperatur haben keine entscheidende Bedeutung, da
bei jeder der gegebenen Proben innerhalb des wirksam beständigen ß-Bereichs die
gefundenen Eigenschaften praktisch auch durch Verwendung anderer Proben erreichbar
sind, wozu nur verhältnismäßig geringfügige Veränderungen der Zusammensetzung oder
Behandlung erforderlich sind. Dies wird durch die Daten der folgenden Tabelle 1I
erläutert, in der Zugfestigkeit, Dehnung und Brucheinschnürung einer Reihe von beständigen
ß-Legierungen miteinander verglichen werden.
| Tabelle II |
| Zusammensetzung Zugfestig- Bruch- |
| 0/0 keit Dehnung schnü- |
| (Rest Titan) kg/mm2 rang |
| (geglüht) °/o °/o |
| 15 V-5 Mo-5 Cr-5 Sn .... 100,5 17,0 40,6 |
| 15 V-5 Cr-5 Fe-5 Sn .... 1069 18,0 43,1 |
| 15V-5Fe-5Sn.......... 92,8 18,0 47,7 |
| 15V-10Cr-2,5A1 ....... 98,4 20,0 50,9 |
| 15V-10Cr-5A1 ........ 102,6 17,0 42,2 |
| 15V-10Cr-2,5A1-5Sn .. 106,2 13,0 44,0 |
| 12V-8Cr-4A1 ......... 94,9 21,0 35,0 |
| 12V-11Cr-5A1 ........ 97,7 13,0 32,0 |
| 12V-4Cr-8Mn-5A1 .... 99,8 13,0 38,0 |
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen können durch Schmelzguß in einer
kalten Form unter Verwendung eines Lichtbogens in einer inerten Atmosphäre hergestellt
oder auf andere Weise erzeugt werden, bei der die Legierung vor dem Gießen geschmolzen
wird. Das verwendete Titan sollte wenigstens technisch rein sein, z. B. von handelsüblicher
Reinheit, wie man es durch die Reduktion von Titantetrachlorid mit Magnesium oder
nach gleichwertigen Verfahren erhält.