DE1408531A1 - Titanlegierungen - Google Patents

Description

• Titanlegierungen Gegenstand der Erfindung sind Titanlegierungen. Die Festigkeit und auch andere mechanische Eigenschaften des, Titanmetalls können bekanntlich durch Zusatz verschiedener Kombinationen von Legieruagsmetallen wesentlich verbessert werden. Die bekannten bzw. bisher benutzten Titanlegierung.en weisen jedoch nicht, was an erster Stelle erwünscht ist, Festigkeit sowohl bei er- höhter wie bei: Raumtemperatur und zugleich, die Eigenschaft auf, selbst nach langen Beanspruchungen bei erhöhter Temperatur dehn- bar zu bleiben, . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Titanlegierung zu bilden, die folgende Eigenschaften aufweist: eine gesteigerte Festigkeit bei erhöhter Temperatur und Raumtemperatur; eine verbesserte Festigkeit und eine Dehnbarkeit, die auch nach Beanspruchungen bei erhöhter Temperatur erhalten-bleibt; eine gesteigerte Festigkeit, Dehnbarkeit und Warmverformbarkeit. Diese und weitere der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben er- geben sich aus der folgenden Beschreibung. Die Erfindung betrifft, ganz allgemein betrachtet, eine Titanlegiefrungi die im wesentlichen besteht auss 1 % bis höchstens 795 % Aluminium, 0,25 ,f bis 5 %s Melybdän, 0"5 ;$- bis _ %Vanadium, wobei die Summe von Molybdän und Vanadium 6 fo-nicht übersteigt, und im übrigen aus Titan und den üblichen Verunreinigungen. Der Gehalt--der Legierung .der Erfindung an Aluminium äst in Kombination mit Molybdän und Vanadium wichtig, um die gewünschte Pestigkeitasteigerung zu erhalten. Weniger als 1 .% Aluminium fuhrt nicht zu einer nennenswerten Festigkeitssteigerung, während mehr als 7,5 % Aluminium eine Legierung ergibt,- die sich schlecht verarbeiten läßt und eine verringerte Dehnbarkeit besitzt. Es wurde gefunden, daß es beim Schmelzen von Blöcken aus aluminiu8-. haltigen Titsnlegierungen wegen der verschiedenen Schmelzpunkte vors. Aluminium und den anderen Metallen im allgemeinen schwierig_ ist, eine Homogenität zu erzielen. Wenn der Aluminiumgehalt Biber 7,5 % liegt, wirkt sich die fehlende Homogenität entscheidend aus; schon ein geringfügig oberhalb dieser Grenze liegender Aluminiumgehalt hat schwerwiegende Nachteile zur Folge. Mit steigendem Aluminiumgehalt wächst die Festigkeit, aber Legierungen mit einem höheren Gehalt an Aluminium als 7,5 yg weisen eine auffallend erhöhte Sprödigkeit auf. Hohe Schmiedetempera- turen sind erforderlich, die wiederum die Befahr der VerunreInigung und Oxydation mit allen sich daraus ergebenden Nächteilen mit sich bringen. Auch bei höheren. Schmiedetemperaturen führt die durch "den oberhalb 7,5 ,% liegenden Aluminiumgehalt bedingte Sprödigkeit dazu, daß die Legierung während der Bearbeitung. rissig wird. Wenn man eine Legierung herstellen *ill, die Festigkeit und zugleich Dehnbarkeit und andere Qualitäten auf- weist, und die sich ferner, beispielsweise durch Schmieden, _,, leicht zu den für die Herstellung von Fertigerzeugnissen er- forderlichen Fabrikaten verarbeiten läßt, dann muß der Aluminium- gehalt der erfindungsgemäßen Legierung unter 7s5.% bleiben. Ein Mindestgehalt von O¢75 % M®lybdän einschließlich Vanadium ist nötig, um die kleine Menge an Titan der ß-Phase zu bewahren, die in der erfindungsgemäßen Legierung erforderlich ist, wenn diese die gewünschten Eigenschaften haben soll:-Ein größerer Gehalt als 6 % Molybdän und Vanadium führt .zu einer unstabilen Legierung, in der beim Abkühlen von erhöhten Temperaturen eine große Menge von Titan der ß-Phase ausfällt, und die nicht stabil ist, wenn sie bei erhöhten Temperaturen Beanspruchungen unter worfen ist. Eine Titanlegierung mit den angegebenen Mengen an Aluminium, Molybdän und Vanadium stellt eine Legierung der ß-Phase plus 9C Phase dar, die eine beschränkte Menge der ß-Phase enthält, .die in der OL-Phaoe disperglert und eine besonders stabile Form der ß-Phaee ist. Das Aluminium wirkt festigkeitssteigernd, indem es die Zugfestigkeit des Titans besonders-bei hohen,Temperaturen erhöht. Seine Wirkung wird indes modifiaiert_und in gewisser Hinsicht in Kombination mit Molybdän und Vanadium gefördert, so daß die Dehnbarkeit und andere Eigenschaften nicht nachteilig -beeinflußt und vorteilhafte Eigenschaften bei Raumtemperatur entwickelt werden. Das Molybdä,n, ein ß-Phasen.Stabilisator, wirkt zusätzlich zum Aluminium günstig auf die Festigkeit der Legierung. Das Vanadium zeichnet sich wie das Molybdän dadurch aus, daß es keine Mutektiken in dem System der erfindungsgemäßen Legierung bildet, ferner ein guter ß-Phasen-Stabilisator und im beacht- lichen Maße im Titan der ac.-phase löslich ist, so daß es bis zur Höchstmenge des oben angegebenen breiten Bereiches angewendet werden kann und trotzdem als Stabilisator wirkt und den für die Legierung wesentlichen kleinen Gehalt an,ß-Phase erhält. Die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung können durch die Menge der Legierungsmetalle abgewandelt werden. Obwohl alle Legierungen der Exvfindung überlegene Eigenschaften, wenn auch in verschiedenem Grad, aufweisen, können diese in drei spezielle Typen unterteilt werden, die für bestimmte Zwecke unmittelbar Anwendung in der Industrie finden. Legierungen mit 1 % bis 3 % Aluminium und 0,75 % bis 3 % Molybdän und Vanadin haben unter etwa 77,3 kg/mm2 liegende Zugfertigkeiten. Sie wiesen eine mittlere Warmverarbeitbarkeit, eine aufgezeich- nete Dehnbarkeit und andere Eigenschaften auf, die sie zur Ver- arbeitung zu Blechen, Bändern und Drähten besonders geeignet machen. Die kleine Menge der in den erfindungsgemäßen Legierungen gut disporgierter ß-Phase beseitigt die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften der lfalzerzeugnisse*von der Richtung,-d.h. die -Walzprodukte haben keine 'Verschiedenen mechanischen Eigenschaften,' gleichgültig ob sie parallel oder quer zur Malzrichtung geprüft werden. -Beispielsweise Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Legierung sind in folgenden Beispielen gegeben- -

  Tabelle 1

  Beispiel 1 ?

  Zusammensetzung

  Al %, 2 3 1 1

  Mo 96 0,5 0,25 1 1,5

  Y 96 0 3 0.75-

  Rest Titan

  Zugfestigkeit kg/mm2 68,2 77,3 57s7 78,0 .

  Streckgrenze kg/mm2 (0,2 96) 61,2 66,8 49,g 68,9

  Dehnung (5 cm) 96 1995 16,O 20,5 16,5

  Ermittelt an auf 1,3 mm ausgewalzten Blechen, die eine Stunde bei 6490 geglüht waren. Legierungen mit 1 % bis 4 %r Aluminium und 3 % bis 6 % Molybdän und Vanadium haben Fertigkeiten bis zu 105,4 kg/mm2. Sie sind warmverformbar und haben im Hinblick auf ihre hohe Festigkeit eine ausgezeichnete Dehnbarkeit. Bei einem geringeren Gehalt an Kolybdgn und Vanadium innerhalb des in der Tabelle 1 gezeigten beschränkten Bereiches können die Legierungen zur Herstellung von lfalzguterxeugnissen verwendet werden, Ihr Hauptanwendungsgebiet besteht jedoch in der Herstellung von Schmiedesrzeugnissen bzw..von Stangen, wobei eine Värmebehandlung bei Raum-und mäßig erhöhten Temperaturen zur Entwicklung von wünschenswerten Eigenschaften-möglich ist. Die folgenden Beispiele zeigen für diese Gruppe typische Legierungen s

  Tabelle 2

  Beispiel . 6 2 8

  Zusammensetzung

  A1 % 1 2 4 4

  Mo % 1 2 1 3

  V % 2 . 2 4 3

  Rest Titan

  Zugfestigkeit kg/mm2 7897 8695 9193 1o4, o

  Streckgrenze kglmm2 (0,2%) 7093 77,3 79v11 9790

  Dehnung (5 cm) % 1800 15,5 15.0 _ 14,2

  Ermittelt aua. geschmiedeten Stangen von 1,27 cm x 1027 cm, die eine Stunde einer Wärmebehandlung bei 650' und einer folgenden Luftkühlung ausgesetzt.waren. Die Legierungen, die Aluminium in größeren Mengen innerhalb des größeren Bereiche, d.h. 4. % bis höchstens 7,.5 % und zugleich 0975 % bis 6 % Molybdän und Vanadium emthalten, sind besondere für .Anwendungen geeignet, die bei erhöhten Temperaturen eine hohe Festigkeit erfordern. Diese Legierungen sind im hohen Maße warmverformbar, um ktichst:werte zu erzielen, wenn der Gesamtgehalt an Molybdän und Vanadium über 2 % liegt g sie--haben Zugfestig- keiten von etwa 98,4 kg/mm2 bis etwa 126,s kg/ma2 und mehr und ungewöhnliche Festigkeiten und eine Stabilität bei so hohen Temperaturen wie 426 bis 537o. Sie können durch Schmieden und Walzen zur Erzeugung von Schmiedestücken und Stangen terformt werden. Die folgenden Beispiele zeigen in diese Gruppe fallende typische Legierungena

  ' Tabelle 3.

  Beispiel _ 2 10 11 ,2

  Zusammensetzung

  Al g6 7 7 5 _ 6

  No % 4 025 1 2

  1 ®15 5

  Rest Titan -

  Zugfestigkeit kg/mM2 135,1 98,4 105,4 l®4,0

  streckgrenze kg/mm2 (0,2,) 92,1 92,1 97,7 9988

  Dehnung (5 cm) % 12,0 16,.0 17,5 18,0

  Querschnittsverminderung % 2590 3590a- ,42r5 34,5

  Ermittelt an geschmiedeten Stangen von 1,27 cm 'c 1,27 cm, die eine Stunde einer Märmebehandlung bei 8150 ausgesetzt waren und durch Wasser abgeschreckt wurden. Die vorstehend wiedergegebene Einteilung der den der Erfindung bildenden Legierungen soll als Richtlinie bezüglich der tigenschaften der Legierungen und ihrer besonders nützlichen Anwen- dungen dienen.
• Die Legierungsgruppen und die bestimmten Legierungen, die für bestimmte Anwendungen ausgewählt werden, können sich unge- achtet der gegebenen Gruppeneinteilung überschneiden. Außerdem können die Anteile an Wolybdän und Vanadium innerhalb des Bereichs der für die beiden Elemente angegebenen Gesamtmengen abgeändert werden, um kleinere Änderungen von Sondereigenschaften $u er- reichen, wie sie aus den verschiedenen Beispielen ersichtlich sind. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen kann in be- kannter Weise erfolgen. Das Titanmetall und seine Legierungen können in einem Lichtbogenofen geschmolzen werden, vorzugsweise in einem Ofen, der eine sich selbstverbrauchende Elektrode hat. Die Elektrode kann aua verpressten Teilchen von Titanschwamm bestehen, der mit den geeigneten Mengen Aluminium, Molybdäa und Vanadium vermischt ist. Gegebenenfalls kanneeine Vorlegierung, die vorbestimmte Mengen Aluminium, Molybdän und.Vanadium enthält, zunächst mit oder ohne Titan hergestellt und diese dem Schwamm zugesetzt werden. Nach dem Einschmelzen der Mischung aus Titan und den Legierungsmetallen in Barren ist oft ein zweites Schmelzen erwünscht, um den. fertigen Legierungsbarren mit der bestmöglichen Homogenität zu,erhalten. Das für die Bierstellung der Legierung der Erfindung verwendete Titanmetall kann von handelsüblicher Qualität, z.B. nach dem sogenannten Kroll-Verfahren hergestellt sein. Ein solches Metall kann gelegentlich verschiedene Verunreinigungen, wie Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Magnesium, Chlor, Eisen und andere Elemente enthalten, die insgesamt 0,5 %r nicht übersteigen. Einige dieser Verunreinigungen, z.B. Sauerstoff und Stickstoff, beeinflussen, wenn sie in größeren Mengen zugegen sind, die mechanischen Eigenschaften des Metalls. Infolgedessen sollte der Sauerstoffgehalt 0,2 % und der Stickstoffgehalt 0,1 % nicht übersteigen. Ein Wasserstoffgehalt von: mehr als 0,.05 % soll vermieden werden, da er die Qualität der Legierung ungUnstig beeinflußt. Die erfindungsgemäße Legierung kann verschiedenen Wärmebehandlungen untersuorfen werden, um optimale oder besonders gewünschte Eigenschaften oder Kombinationen solcher Eigenschaften $u ent- wickeln. Legierungen, die, wie in Tabelle 1 angegeben, geringe . Mengen von Legierungselementen enthalten, erfordern in der Regel keine Wärmebehandlung, um die für die Verarbeitung der Legie-. rungen zu Blechen, Bändern ider Drähten erforderlichen Eigen- schaften zu entwickeln, noch sprechen sie, überhaupt im wesentlichen Maße auf Wärmebehandlung an. Legierungen» die einen r größeren Gehalt an Legierungselementen, insbesondere Aluminium aufweisen, werden vorteilhafterweise einer Wärmebehandlung unterworfen. Eine Lösungaglühung bei einer zwischen-760 und 10380' liegenden Temperatur ist vorteilhaft, um ohne nennenswerte Be- einträchtigung der Dehnbarkeit die Zugfestigkeit zu steigern. Die Temperatur der Lösungeglühung hängt weitgehend von dem Aluminiumgehalt der Legierung ab, wobei die Legierungen mit einem höheren Gehalt an Aluminium bessere Eigenschaften erhalten,. wenn sie bei höheren Temperaturen behandelt werden. Wenn man der Lösungsglühung eine Alterung bei einer erhöhten Temperatur folgen läßt, die jedoch unterhalb der Temperatur der Lösungsglühung liegt, dann erhält man hohe Fertigkeiten und andere wünschenswerte Eigenschaften. Zur Veranschaulichung der Wirkung einer Wärmebehandlung dient die folgende Tabelle, in der die *Eigenschaften aufgeführt sind, die man durch eine Lösungaglühung und Alterung von Legierungen erzielt, die 4 % Al, 2 % Mo und 2 % V und 6 % Al, 2 %s Mo und 2 gö v enthalten.

  Tabelle 4

  4%A1-2%Mo-2%v Zugfertig- Streck- Dehnun Querschnitts-

  keit grenze (5 cml Verminderung

  kglmm2 kg/mm2 96

  Q0,2 5g)

  Lösungsglühung

  8150 1 Stunde 95,6 66,8 24 54,5

  Vasserabschreckung

  e8710 1 stunde 98,4 67,5 . 27 57,5 . .

  Wasserabschreckung .

  9270 1 stunde 120,1103f3 15 47.5

  Wasserabschreckung

  Zugfestig- Streck- Dehnun Querschnitte-

  keit grenze üß; oml- verminderung

  2 2

  Alterung f0.2%)

  9270 Lüsungsglühung

  plus Alterung bei

  5380 1 Stunde 136,3 123,0 12 4396

  5380 4 Stundän 12695 116,7 1495 49,2

  6%A1-2%to-2%V Zug#estig- Streck- Dehnlang Querschnitts-

  keit 2 grenzt (,5 cm) verminderung

  kg/ir-g/mm % % ,

  /0e2

  Lösungaglühung

  871O 1 Stunde 10770 73,I 23'5 58,0

  Wasserabschreckung

  9270 1 Stunde 118,8- 87,1 25,8 57P8

  Wasserabschreckung

  9820 1 Stunde

  Waaeerabschreckung 132,9 101,9 13g0 4098

  Alterung

  9820 Lösungsglühung

  plus Alterung bei

  5380 2 Stunden 14796 13798- 12 33,6

  5930 2'Stunden 137,8 127,2 2 4

  Die 4 qb Al-, 2 ,% No-, 2 % V-Legierung weist ausgezeichnete Eigen- schaften aufp wenn sie einer Wärmebehandlung. bei 9270 unterworfen ist; sie hat eine hohe Festigkeit und ihre Dehnbarkeit ist gut erhalten geblieben. Durch die einstündige Alterungsbehandlung wird die Festigkeit bis auf 136 kg/mm2 mit einer geringfügigen Beeinflussung der Dehnbarkeit gesteigert. Die 6-# AI-, 2 %S Mo@9 2 6 Y-Legierung entwickelte eine optimale Kombination von Eigenschaften bei etwas höheren Wärmebehandlungstemperaturen als die 4 ,% Al-Legierungt säe zeigt eine sich auf 132,6 kg/mm2 belaufende Zugfestigkeit mit einer guten Dehnbarkeit nach einer Behandlung bei 9820. Nach einer Alterung von zwei Stunden bei 538® hatte die Legierung eine Zugfestigkeit von 147,6 kg/mm 2 und eine im Hinblick auf diese hohe Festigkeit ausgezeichnete Dehnbarkeit. Die erfindungsgemäßenLegierungen verhalten sich ausnehmend gut bei hohen Temperaturen. Die folgenden Legierungen wurden bei Temperaturen von 260, 399 und 5380 untersuchtt Tabelle 5 -Legierung - 4%A1-2%Mo-2%V Einstffndige Lösungsglühung bei 9270 mit folgendem Abschrecken durch Wasser und Alterung während 24 Stunden bei. 5380.

  Prüftemperaturen

  260° 32"m° M8°

  Zugfestigkeit kg/mm2 91,3 82,9 68,9

  Streckgrenze (0,2'%) kg/mm2 78,7 67,0 5190

  Dehnung 96 (5 cm) 16,0 15,0 1595

  Querschnittsverminderung % 59,0 68,0 79.5

  Legier - 6%A1-2%Mo-2%V Einstündige Lösungsglühung bei 9540 mit folgendem Abschrecken durch Wasser und Alterung während 24 Stunden bei 538d.

  Prüftemperaturen

  260®

  Zugfestigkeit-kg/mm2 11591 90,0 77,3

  Streckgreüze (0,2;5) kg/mm2 94,9 85,0 6399

  Dehnung % (5 cm) 16 , o 149o 1595

  Querschnittsverminderung % 49,5 63,4 7995 - -

  Die Tabellen zeigen, ds:B die beiden Legierungen bei so hohen Temperaturen wie 3990 und 5380 verhältnismäßig ausgezeichnete Zugfestigkeiten besitzen. Vanadium und Molybdän können in gewissem Maße als gleiche Le- gierungselemente angesehen werden'p besonders weil .sie die gemeinsame Eigenschaft aufweisen.- in den beschriebenen Legierungssystemen keine Eutektiken zu bilden. Bei den Legierungen dieser Erfindung Üben sie indes offensichtlich eine synergetische Wirkung aus, insofern als durch beide Elemente innerhalb der angegebenen Grenzen eine größere Verbesserung der erstrebten "Wirkungen der Legierungen erzielt wird, als sich aus den be- kannten Eigenschaften der beiden Elemente üblicherweise voraussagen.läßt. Um diese@Eigenschaften unter Beweis zu steilen, wurden Legierungen hergestellt, die Titan, 7 % Al und 5 9ä Ni b$w. Y bzw. Mischungen von Y und Mo enthielten. Die Legierungen wurden bei verschiedenen Temperaturen eine Stunde einer Wärmebehandlung unterworfen und dann durch Wasser abgeschreckt. Tabelle 6 zeigt die mechanischen Eigenschaften, die die erhaltenen Legierungen besitzen.

  Tabelle 6

  Lemieruna Wärmebehand- Zugfestig- Streck- Dehnung Querschnitts-

  lungstempe- keit 2 grenz % verminderung

  raturen kg/mm k /mm (5 cm)

  0.2%)

  79A1-5%Iqo 81.50 11.795 11295 11 1-51,2

  871° 112,6 91,3 14 35,6

  9270 122,3 69,6 996 1.6.5

  791-5%v 8150 9492 8493 9 1294

  8710 90,6 79,4 12" 1792-_

  9270 104,8 ` 8792 17 32,4

  71-1%Mo- 8150 1 0 0,6 92,1 11,5 36,8

  4%6v 8710 10297 8826 #l2- 38.2

  927° 118,1 85,1 16a 3 41,6

  79A1-49mo- 8150 111,2 77,3 14,4 24,6

  1%y 8710 1111,4 73r1 13 2099

  9270 11799 73,8 18,2 - 4835

  Die Legierung mit einem Gehalt von 5 % Mo hat eine hohe Zug- festigkeit bei einer Wärmebehandlung von 8710, aber dis Dehn- barkeit ist stark gefallen, und die Wärmebehandlung bei 8710 mit einer Querschnittsverminderuna von 35,6 %r stellt unter diesen Bedingungen wahrscheinlich ein Optimum bei 112,5 kg/mm2 dar. Die 5 % Y-Legierung weist die besten Eigenschaften nach einer Wärmebehandlung bei 927o auf, aber die Zugfestigkeit (104,8 kg/mm: und die Querachnittsverminderung (32,4 %) sind nicht auffallend. Sine Kombination von 1 % Mo und 4 % ti zeigt andererseits nach einer Wärmebehandlung von 927o eine ausgezeichnete Zugteatigkeit und Dehnbarkeit, nämlich 118,1 kg/mm2 Zugfestigkeit, eine Querachnittaverminderung von 41,6 % und eine Dehnung von 16,3 %. Die Kombination von 4 % Mo und 1 % Y ergibt bei der gleichen Wärme- . behandlung die gleiche Wirkung, nämlich 118 kg/mm2 Zugfestigkeit und eine ausgezeichnete Dehnbarkeit (48,5 % Querschnittaverminderung und eine Dehnung von 18,2 9ö@.

Claims (1)

1. - Patontanaprüche -1. Titanlsgierung, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzungi 1 % bis 1,5 % -Aluminium" 0,25 bis 5 % Molybdän, 0,5 bis 5 % Vanadium, -wobei die Summe von Mmlybdän und -VanadiunE 6 % nicht übersteigt, Rest Titan mit -den üblichen -Verunreinigungen. 2. _Titanlggierung nach Anspruch.-1, gekennzeichnet durch 1 bis 3 % Aluminium, 092_5 %- bis 295 % Malybdän,. 0,5 % biä 2,75 % Vanadium,.wobeä die Summe von Molybdän und Vanadium nicht mehr als 3 4 ist. 3. Titanlegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 1 bis 4 % Aluminium sowie Molybdän und Vanadium in einer Menge,. die nicht unter b % und nicht über 6 % liegt. 4. Titanlegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 4 bis höchstens 75 % Aluminium. 5. Titanlegierung nach Anspruch 4s gekennzeichnet durch etwa Aluminium, etwa 2 % Molybdän und etwa 29b Vanadium. 6. Titanlegierung nach Anspruch 3,oder 4, gekennzeichnet durch etwa 4 % Aluminium, etwa 2 % Molybdän und etwa 2 % Vanadium.