DE1458355B2

DE1458355B2 - Verwendung einer titanlegierung fuer gegenstaende die nach einer verformung in laengs und querrichtung gleich gute festigkeit aufweisen muessen

Info

Publication number: DE1458355B2
Application number: DE19641458355
Authority: DE
Inventors: Allen Jay Las Vegas Nev. Hatch (V.St.A.)
Original assignee: Contimet Gmbh, 4150 Krefeld
Priority date: 1963-11-12
Filing date: 1964-11-10
Publication date: 1971-10-28
Also published as: DE1458355A1; BE655540A; US3258335A; GB1022806A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer aushärtbaren Titanlegierung als Werkstoff für Gegenstände, die nach einer Verformung in Längs- und Querrichtung gleich gute Festigkeit aufweisen müssen.

Es ist bekannt, daß Titanlegierungen geringe Dichte, gute Korrosionsbeständigkeit, Warmverformbarkeit, hohe Festigkeit und gute Dehnung besitzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Titanlegierung zu finden, die neben den obenerwähnten guten Eigenschaften nach einer Verformung in Längsund Querrichtung gleiche Festigkeitseigenschaften besitzt. Insbesondere beim Walzen, aber auch bei anderen Verformungsvorgängen macht sich eine Kristalltextur nachteilig auf die Festigkeitseigenschaften bei biaxialer Beanspruchung bemerkbar. Die mechanischen Eigenschaften von verformten Titanlegierungen sind auf Grund der Textur in Längs- und Querrichtung unterschiedlich. Oftmals ist die Zugfestigkeit in der zur Verformungsrichtung senkrecht verlaufenden Richtung wesentlich höher als parallel dazu. Eine durch die Verformung auftretende Textur erschwert auch die weitere Verarbeitung des Materials.

Zur Vermeidung von Walztextur werden Werkstoffe, die Texturneigung zeigen, häufig querverwalzt. Dies ist jedoch teuer und offensichtlich dann nicht möglich, wenn zur Herstellung eines flachgewalzten Produkts ein kontinuierliches Bandwalzverfahren Anwendung finden muß.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist nun die Schaffung einer Titanlegierung, die bei der Verformung keine Texturneigung zeigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für den vorgenannten Zweck eine Titanlegierung mit

3,5 bis 4,5% Aluminium,

0,1 bis 0,4% Sauerstoff,

0,15 bis 0,4% Eisen,

Rest Titan mit den üblichen Verunreinigungen

zu verwenden.

Ein bevorzugter Bereich der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung besteht aus

3,5 bis 4,5 % Aluminium,

0,25 bis 0,35 % Sauerstoff,

0,15 bis 0,4% Eisen,

Rest Titan mit den üblichen Verunreinigungen.

Eine weitere bevorzugte Zusammensetzung innerhalb des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bereichs besteht aus

4% Aluminium,
0,1 bis 0,4% Sauerstoff,
0,15 bis 0,4% Eisen,
Rest Titan mit den üblichen Verunreinigungen.

Aus dem oben angegebenen Bereich ist mit Vorteil eine Titanlegierung mit

4% Aluminium,
0,3 % Sauerstoff,
0,2% Eisen,
Rest Titan mit den üblichen Verunreinigungen

einzusetzen.

Es sind schon Titanlegierungen der erfindungsgemäß zu verwendenden Zusammensetzung bekannt. So läßt sich der deutschen Auslegeschrift 1142 445 eine Titanlegierung mit 0,25 bis 7,5% Aluminium, bis zu 0,3% Sauerstoff und 0,1 bis weniger als 2 % Eisen zur Herstellung von Teilen, die nach dem Schweißen dehnbar bleiben sollen, entnehmen. Bekannte Titanlegierungen aus dem genannten Bereich sollen daneben gute mechanische Eigenschaften, z. B. hohe Härte und Festigkeit, besitzen. Aus der deutschen Auslegeschrift 1 142 445 läßt sich jedoch nicht entnehmen, wie sich die bekannten Titanlegierungen bei der Verformung verhalten und ob sie insbesondere zu Texturerscheinungen neigen. Auf der Suche nach einer für den Zweck der vorliegenden Erfindung geeigneten Titanlegierung konnte der Fachmann dieser Vorveröffentlichung daher keinen brauchbaren Hinweis entnehmen.

Das gleiche gilt für eine Vorveröffentlichung in »Chemisches Zentralblatt«, 1963, S. 10653, aus der bekannt war, daß im Dreistoffsystem Titan—-Aluminium—Eisen die größtmögliche Wärmebeständigkeit in einem Grenzgebiet der Sättigung und Übersättigung an Titan, wie sie in der «-Phase enthalten ist, zu finden ist. Als Beispiel für einen Werkstoff mit einem Maximum an Wärmebeständigkeit jedoch verminderter Elastizität ist an der angegebenen Stelle eine Titanlegierung mit 3 bis 8% Aluminium und 0,5% Eisen angegeben. Einen Hinweis darauf, ob eine solche Titanlegierung zu Kristalltextur neigt, ist dieser Literaturstelle nicht zu entnehmen.

Aus der USA.-Patentschrift 2 865 742 ist unter anderen eine Titanlegierung mit 0,1 bis 5% Eisen, 0,01 bis 0,03% Sauerstoff, 0,1 bis 1% Aluminium, Rest Titan bekannt. Von dieser Titanlegierung sind ihre hohe Zugfestigkeit, hohe 0,2-Grenze und Dehnung bekannt. Nicht bekannt ist jedoch, wie sich diese Titanlegierung bei der Verformung verhält, insbesondere, ob sie zur Texturbildung neigt.

Aluminium in den bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung angegebenen Gehaltsgrenzen bewirkt neben einer Verringerung der Dichte von Titan eine Erhöhung der Härte und Festigkeit und wirkt als Stabilisator der α-Phase der Titanlegierung. Von a-Titanlegierungen sind hohe Festigkeit, gute Verformbarkeit und Schweißbarkeit bekannt. Gehalte an Aluminium von etwa 7 oder 8% beeinträchtigen aber bereits die Verformbarkeit einer Titanlegierung auf Grund zunehmender Versprödung beträchtlich. Gehalte über 4,5 bis etwa 6% wirken sich zwar hinsichtlich der Verformbarkeit nicht nachteilig aus, bewirken aber nach den der Erfindung zugrunde liegenden Feststellungen bei der Warmverarbeitung die Entstehung von Kristalltexturen. Aluminiumgehalte unter 3,5% erbringen nicht die gewünschten Festigkeitseigenschaften einer Titanlegierung.

Der Gehalt an Sauerstoff in der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung in den angegebenen Grenzen von 0,1 bis 0,4% ist im Hinblick auf die Erzielung der gewünschten Festigkeit und Verformbarkeit ebenfalls von Bedeutung. Titanlegierungen mit Sauerstoffgehalten unter 0,1 % sind wirtschaftlich nicht herstellbar, weil handelsüblicher Titanschwamm immer Sauerstoff enthält. Dem Titanschwamm Sauerstoff zu entziehen, damit in der Titanlegierung der Sauerstoffgehalt unter 0,1% gesenkt wird, erfordert einen ungerechtfertigt hohen Aufwand. Bis zu einem gewissen Gehalt verleiht ein Zusatz von Sauerstoff einer Titanlegierung höhere Festigkeit und ist daher wünschenswert. Es wurde jedoch festgestellt, daß Sauerstoffgehalte über 0,4% zu einer zu starken Versprödung der Titanlegierung führen würden. Sauerstoffgehalte bis 0,4% liegen über den üblichen Gehalten an Sauerstoff, die man normalerweise in Titanlegierungen vorfindet. Ein

Gehalt an Sauerstoff bis 0,4 % in der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung ist jedoch auf Grund einer kleinen Menge Eisen, die im Gegensatz zu Sauerstoff die Verformung fördert und die versprödende Wirkung des Sauerstoffs ausgleicht, zulässig.

Der Gehalt an Eisen in der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung ist auf 0,15 bis 0,4% festgesetzt worden. Weniger als 0,15% Eisen würde bei höheren Sauerstoffgehalten nicht ausreichen, um die Verformbarkeit sicherzustellen. In einer Menge von 0,15 bis 0,4% führt Eisen in der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung in Verbindung mit den genannten Gehalten an Aluminium und Sauerstoff unerwarteterweise zu guter Verformbarkeit ohne Texturneigung. Mehr als 0,4% Eisen bringt keinen zusätzlichen Vorteil, sondern führt auf Grund der /^-stabilisierenden Eigenschaft von Eisen zu einer Beeinträchtigung der α-Struktur der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung.

Verunreinigungen dürfen in der erfindungsgemäß _zo zu verwendenden Titanlegierung nur in solchen Einzeloder Gesamtmengen vorhanden sein, daß sie die erwähnten wesentlichen Eigenschaften der Legierung nicht beeinträchtigen. Die Verunreinigungen können dem Titanschwamm und den zur Herstellung der Legierung verwendeten Elementen oder Vorlegierungen entstammen, oder sie können z. B. auch aus der Luft während des Herstellungsverfahrens aufgenommen werden. Die Gesamtmenge an Verunreinigungen sollte 0,25% nicht übersteigen, während Kohlenstoff und Stickstoff zusammen nicht mehr als 0,15% ausmachen sollen.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung kann mittels jedes üblichen Verfahrens hergestellt werden, bei dem das Titan und die Legierungselemente zur Bildung einer weitgehend homogenen Legierungszusammensetzung miteinander verschmolzen werden. Vorzugsweise wird Titanschwamm der erforderlichen Reinheit insbesondere hinsichtlich des Sauerstoffgehalts mit entsprechenden Mengen zerkleinerten Aluminiums und Eisens gemischt und das Gemisch zu Körpern verpreßt. Falls gewünscht oder für zweckmäßig erachtet, kann der erforderliche Sauerstoffgehalt der Legierung im übrigen auch dadurch erzielt werden, daß ein sauerstoffhaltiger Bestandteil, beispielsweise Titandioxyd, dem gepreßten Gemisch zugesetzt wird. Auch die erforderliche Eisenmenge kann als Bestandteil des Titans zugesetzt werden. Nach dem Verpressen des Gemische zu Körpern werden diese zu einer Elektrode zusammengeschweißt, die Vorzugsweise in einem Lichtbogenofen mit Abschmelzelektrode zur Herstellung eines Gußblocks aus der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung verschmolzen wird. Der so erzeugte Block kann bei einem späteren Umschmelzen, das zum Erzielen besserer Homogenität des Erzeugnisses dient, selbst als Elektrode eingesetzt werden.

An Hand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher beschrieben werden.

Eine erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung wurde mit folgender Sollzusammensetzung hergestellt:

4% Aluminium,

0,25 % Sauerstoff,

0,25% Eisen,

Rest Titan.

40

55 Zur Herstellung dieser Legierung wurde dem Titanschwamm handelsüblicher Reinheit und mit einer Härte von 117 Brinell eine ausreichende Menge von Reinaluminiumschrott und Reineisennägeln zugesetzt, um die erforderlichen Gehalte an Aluminium und Eisen in der Legierung zu erhalten. Der Sauerstoffgehalt der Legierung wurde durch Zugabe von Titandioxydpulver erzielt, und zwar in einer ausreichenden Menge, um 0,25% Sauerstoff im zu erzeugenden Block zu erhalten. Diese Bestandteile wurden sorgfältig gemischt und sodann zu Körpern verpreßt, die zur Herstellung einer Abschmelzelektrode miteinander verschweißt wurden. Diese Elektrode wurde in einem Lichtbogenofen zur Herstellung eines ersten Schmelzblockes verschmolzen, der bei Umschmelzen zur Herstellung eines homogenen Blockes selbst als Abschmelzelektrode diente.

Der auf diese Weise hergestellte Block wurde zur Entfernung äußerer Porigkeit und Verunreinigungen abgedreht, und der bearbeitete Block wurde bei einer Temperatur von 1140⁰C zu einem Knüppel von 76,2 X 76,2 mm verschmiedet. Dieser Knüppel wurde in Stücke von 76,2 χ 76,2 x 38,3 mm unterteilt, wobei ein Stück gestaucht und bei 986⁰C zu einem Blech von 20,3 mm Stärke warmverwalzt wurde. Dieses Blech wurde bei 900°C auf eine Stärke von 3,83 mm weitergewalzt und schließlich nach Zwischenglühen, Sandstrahlen und Beizen auf 1,52 mm Stärke kaltgewalzt sowie abschließend bei 777 ⁰C geglüht und luftgekühlt. Aus dem fertigen Blech von 1,52 mm Stärke wurden Probekörper herausgeschnitten zwecks Durchführung von Zugversuchen nach ASTM-No rmverfahren. Die bei dem 1,52 mm starken Blech festgestellten Durchschnittswerte sind unten aufgeführt:

Längsrichtung
Querrichtung .

Zugfestigkeit
kg/mm²

84
80,7

0,2-Grenze
kg/mm²

75,5
76,2

Dehnung

0/
/0

21,0

22,5

Es ist festzustellen, daß die Festigkeit der Legierung gut ist und daß die Verformbarkeit auf Grund einer Dehnung von etwa 21 oder 22 % ebenfalls als gut anzusehen ist. Es ist ferner festzustellen, daß die Eigenschaften in Längs- und Querrichtung im wesentlichen gleich sind, woraus hervorgeht, daß die Legierung eine geringe oder gar keine Neigung zu Verformungstextur aufweist.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung der vorstehend genannten Zusammensetzung hat eine Dichte von 4,42 g/cm³ gegenüber der Dichte von 4,51 g/cm³ des reinen Titans.

Es wurde festgestellt, daß die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung bei plastischer Verformung eine äußerst hohe Festigkeit bei biaxialer Beanspruchung aufweist. Die Legierung zeichnet sich nach der Verarbeitung, d. h. dem Verwalzen oder einer sonstigen Verformung zu dünnem oder dickem Blech oder zu sonstigen Erzeugnissen, durch eine besondere Struktur aus, die durch eine Ausrichtung der Kristallgitterbasisflächen weitestgehend parallel zur Oberfläche der plastisch verformten Legierung bedingt ist. Diese Struktur unterscheidet sich von derjenigen, die normalerweise durch plastische Verformung reinen Titans und der meisten anderen a-Titanlegierungen erhalten

werden. Gewöhnlich ist diese Struktur gekennzeichnet durch eine Ausrichtung der Basisflächen unter einem Winkel zwischen 27 und 40° zur Verformungsrichtung, die beispielsweise die Walzrichtung sein kann. Es wird angenommen, daß diese Neigung der Basisflächen in anderen plastisch verformten Legierungen eine Wirkung ist, die durch Zwillingsbildung auf pyramidischen Ebenen verursacht wird und zum Drehen und Kippen der Kristallbasisflächen führt.

Der Grund für die ebene Ausrichtung und das Fehlen des Drehens und Kippens der Kristalle in der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung ist nicht völlig geklärt, doch wird angenommen, daß es sich hierbei um eine Besonderheit des Kristallgefüges handelt, die eine Zwillingsausbildung verhindert oder hemmt. Aber unabhängig davon, auf welche Gründe dies auch immer zurückzuführen sein mag, wurde festgestellt, daß die Festigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung bei biaxialer Beanspruchung bis zu 50 °/₀ höher sein kann als zu vermuten war und im Vergleich zu anderen Titanlegierungen mit gekipptem Gefüge festgestellt wurde.

Die bemerkenswerte Wirkung des Eisengehalts in der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung auf die Verbesserung der Verformbarkeit ist auf Grund bekannter metallurgischer Prinzipien nicht zu erklären. Der Eisengehalt wirkt aber tatsächlich in dieser Richtung. Prüfungen haben eindeutige Verbesserungen aufgezeigt, wenn 0,15 bis 0,4 % Eisen in der Legierung vorhanden sind.

So konnte beispielsweise eine Legierung mit 4°/₀ Aluminium, 0,25% Sauerstoff, 0,10% Eisen und Rest Titan mit einer maximalen Reduktion von nur 30% kaltgewalzt werden, ohne daß Kantenrisse oder Risse im Innern auftraten. Eine ähnliche Legierung, auf ahnliehe Weise hergestellt, die jedoch 0,25% Eisen enthielt, konnte ohne Kantenrisse oder Risse im Innern mit einer maximalen Reduktion von 40% kaltgewalzt werden. Die Verbesserung von 30 auf 40% ist wesentlich. Das Vorhandensein von Eisen, wie vorstehend erläutert, ermöglicht außerdem ein einfacheres Warmwalzen, wobei ein bedeutsamer Vorteil seiner Wirkung darin besteht, daß bei niedrigerer Warmwalztemperatur gearbeitet werden kann, um eine entsprechende Verformung zu erreichen.

Auch ist es erstaunlich, daß die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung sowohl in Längs- als auch in Querrichtung gleichförmige Eigenschaften besitzt. Dies scheint aus nicht bekannten Gründen mit dem Aluminiumgehalt zusammenzuhängen. Versuche mit einer ähnlichen Legierung mit einem Aluminiumgehalt von 6% statt von 4% ergaben eine höhere Festigkeit, was zu erwarten war, aber eine 0,2-Grenze von 76,70 kg/mm² in Längsrichtung gegenüber einer solchen von 70,12 kg/mm² quer zur Walzrichtung.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung ist von Nutzen in Fällen, in denen ihre Festigkeit, ihre geringe Dichte und ihre sonstigen mechanischen Eigenschaften besonders wünschenswert sind. Sie kann im Flugzeugbau wie auch für verschiedene Teile bei der Herstellung von Düsentriebwerken verwendet werden. Im ausgehärteten Zustand kann sie zur Herstellung von Druckbehältern, wie beispielsweise in Raketen und Raketengeschossen, Verwendung finden, wo sie sowohl bei normalen als auch bei Tiefsttemperaturen einsetzbar ist. Auch ist sie für sonstige Zwecke geeignet, bei denen geringe Dichte und Festigkeit sowie auch die für Titan und seine Legierungen typischen Korrosionsbeständigkeit besonders vorteilhaft sind, so z. B. für die Herstellung von Handwerkzeugen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer aushärtbaren Titanlegierung mit

3,5 bis 4,5% Aluminium,

0,1 bis 0,4% Sauerstoff,

0,15 bis 0,4% Eisen,

Rest Titan mit den üblichen Verunreinigungen als Werkstoff für Gegenstände, die nach einer Verformung in Längs- und Querrichtung gleich gute Festigkeit aufweisen müssen.

2. Verwendung einer Titanlegierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung mit

3,5 bis 4,5% Aluminium,
0,25 bis 0,35 % Sauerstoff,
0,15 bis 0,4% Eisen,

Rest Titan mit den üblichen Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Titanlegierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung mit

4,0 % Aluminium,
0,1 bis 0,4% Sauerstoff,
0,15 bis 0,4% Eisen,

Rest Titan mit den üblichen Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Titanlegierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung mit

4,0 % Aluminium,
0,3 % Sauerstoff,
0,2% Eisen,

Rest Titan mit den üblichen Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.