DE1458388A1

DE1458388A1 - Tantallegierung mit besonderer Festigkeit

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Publication number: DE1458388A1
Application number: DE19641458388
Authority: DE
Inventors: Jones Edward Stewart; Clark Jack Wilson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-07-22
Filing date: 1964-07-09
Publication date: 1968-11-07
Also published as: NL6408305A; US3243290A; BE650832A; GB1013248A

Description

PATENTANWÄLTE

PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN 8 MÖNCHEN 2 · SENDLINGER STRASSE 55

DipL-Ing. MARTIN LICHT Dr. REINHOLD SCHMIDT Dipl.-Wirtscii.-Ing. AXEL HANSMANN DipL-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

München, den ⁹· Juli 1964.

Ihr Zeichen Unser Zeichen —/dO,

GENERAL ELECTRIC COMPANY Schenectady 5, N,Y. River Road I V, St. A.

Tantallegierung mit besonderer Festigkeit

O CO CD O

Die Erfindung betrifft eine hochfeste Tantallegierung und insbesondere durch Ausfällen und feste Lösungen gehärtete Tantallegierungen, die bei Temperaturen von 1315 - 1650 C und mehr hohe Festigkeit und bei niedrigen Temperaturen gute Dehnbarkeit besitzen.

Tantal besitzt wertvolle Eigenschaften, Sein Schmelzpunkt ist z.B. dem von Wolfram am nächsten, wenn man einen Vergleich der verhältnismäßig leicht erhältlichen feuerfesten Metalle
( W, Ta, Mo, φ\> ) aufstellt. Gleichzeitig verfügt Tantal über

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wtrtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phye. Sebastian Herrmann

8 MÜNCHEN 2/SENDLINGEr STRASSB 55 ■ Telefon 241265 · Telegramm-Adresse: Llpatll, München Bankverbindung: Deutsche Bank AG., Filiale München · Dep.-Kaase Vlktualienmarkt, Konto-Nr. 716728 · Postscheck-Konto München Nr. 163397

Oppenauer Büro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

eine Dehnbarkeit bei niedrigen Temperaturen, die unter den kubischen, zentrierten und feuerfesten Metallen einmalig ist« Tatsächlich geht hinreichend reines Tantal selbst bei einer Temperatur von -25O°C nicht von dem dehnbaren in den spröden Zustand über. Diese Eigenschaften lassen Tantal, trotz seiner großen Dichte, als Legierungsgrundlage sehr geeignet erscheinen, wenn es sich um Legierungen handelt, welche durch eine hohe Zugfestigkeit und Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen gekennzeichnet sind, wobei gleichzeitig eine gute Dehnbarkeit bei Zimmertemperatur und niedrigen Temperaturen erhalten bleiben soll, unabhängig von der Bearbeitung durch Glühen, Überziehen oder Löten,

Andere Legierungen (z.B. Legierungen auf Molybdän-, Wolfram- und umgrundlage) sind nicht für alle Verwendungszwecke bei Temperaturen von 1315 - 1650 C verwendbar, da diese u.a. eine unzureichende Festigkeit besitzen oder sich schwer verarbeiten oder schweissen lassen. Außerdem mangelt es den bekannten Tantallegierungen an der erwünschten Vereinigung einer großen Festigkeit bei hohen Temperaturen mit einer guten Dehnbarkeit bei niedrigen Temperaturen, die für bestimmte Anwendungen erforderlich ist.

Die Eigenschaften der verschiedenen Tantallegierungen sind wiederholt untersucht worden. Am gründlichsten ist vielleicht die allgemein bekannte Tantallegierung mit einem Gehalt von 10% Rolfram geprüft worden (alle prozentualen Angaben dieser Beschreibung beziehen sich auf Gewichtseinheiten, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben). Diese Legierung besitzt bei

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O 2

1650 C eine 0.2%-Streckgrenze von etwa 830 kg/cm in gewalztem Zus'tand, Wünschenswert wäre eine Streckgrenze von mehr als 1400 kg/cra² bei 165O⁰C, Außerdem lieferten kurzzeitige Prüfungen der Zugfestigkeit keinen genauen Anhaltspunkt für die wirkliche Festigkeit der Legierungen bei Verwendung unter anhaltend hohen Temperaturen, bei denen das Kriechen eine ernsthafte Schwierigkeit bedeutet. Im allgemeinen sind dispersions· härtbare Legierungen mit feinzerteilten und gut verteilten Teilchen stärker kriechfest als Legierungen, welche durch feste Lösungen auf gleiche Kurzzeitfestigkeit gehärtet wur-

Bine Aufgabe der Erfindung ist, eine Tantallegierung zu liefern, die eine verbesserte Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und gleichzeitig eine gute Dehnbarkeit bei niedrigen Temperaturen besitzt, welche durch eine Wärmebehandlung gehärtet und nachfolgend bearbeitet werden kann, so daß eine leichter zu verarbeitende Legierung mit einer verbesserten Festigkeit in einem Temperaturbereich von 1315 - 165O°C und mehr erhalten wird. Diese Tantallegierung kann nach dem Bearbeiten, Glühen, Überziehen oder Löten und Schweissen durch eine Wärmebehandlung gehärtet werden, durch die eine gute Dehnbarkeit bei Zimmertemperatur und noch niedrigeren Temperaturen nicht verloren geht. Die Erfindung liefert darüber hinaus eine Tantallegierung mit verbesserter Zug- und Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen, ohne daß die seltenen

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und kostspieligen Edelmetalle (Ke, Os, Ir, Su u.a.«,) zugesetzt werden müssen.

Zusammengefaßt läßt sich sagen, daß erfindungsgemäß eine Tantallegierung geliefert wird, die Wolfram, Kohleastoff und wenigstens eines der Elemente Zirkon'oder Hafnium enthält, in denen der Kohlenstoffgehalt etwa 0.01 - 0.5%, vorzugsweise etwa 0.02 - 0.2%, und das atomare Zr:C oder Hf:C-Verhältnis zwischen annähernd 0.2:1 und 2:1 beträgt und der ZirkonAoder Hafniumgeha^lt etwa 0.08 - 2.0% und der Wolframgehalt etwa 8-12% beträgt.

Man hat festgestellt, daß die bisher unerreichten Festigkeiten bei 1650⁰C in einer verbesserten Tantallegierung durch Zusatz von entscheidenden Mengen und Anteilen von Zirkonroder Hafnium und Kohlenstoff zu einer Ta-lOW-Legierung erzielt werden können. Die entstandenen Legierungen können durch ent sprechende Wärmebehandlungen durch Ausfällen gehärtet werden, wobei die wärmetechnische oder mechanische Vorgeschichte des Körpers keine Rolle spielt, solange der Körper nach den gewöhnlichen und verträglichen Verfahren bearbeitet wird. Insbesondere lassen sich derartige Legierungen zur Entwicklung einer guten Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen nach dem Glühen, Überziehen unter Anwendungen von hohen Temperaturen und dem Verschweissen wärmebehandeln. Gewöhnlich gestattet eine Härtung durch Dispersion die Verwendung von Legierungen bei höheren Beanspruchungen. Legierungen, die in fester Lösung gehärtet wurden, können bei einer vergleichbaren Dehnbarkeit

B 0 9 8 0 7 / 0 2 8 4 SAD

bei Zimmertemperatur nicht in der Weise angewendet werden. Man hat herausgefunden, daß eine Härtung in Dispersion und eine Härtung in fester Lösung bei Tantallegierungen mit einem Wolframgehalt von etwa 10% nacheinander vorgenommen werden können und daß das Ergebnis vollkommen unerwartet und synergistisch ist, d.h« die erfindungsgemäßen Legierungen besitzen eine bessere Zugfestigkeit^ als man nach dem Zusatz von vergleichbaren Legierungen erwarten würde, die auf die eine oder die andere Weise allein gehärtet wurden. Außerdem und ebenfalls unerwartet ergab sich, daß die Legierungen nach der Erfindung eine gute Dehnbarkeit oder Elastizität bei niedrigen Temperaturen bis zu -195°C besaßen.

Die Erfindung verwendet eine Legierungsgrundlage mit einer guten Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen und einer vorteilhaften Kriechfestigkeit, die auch bei Zimmertemperatur elastisch und bearbeitbar ist. Außerdem zeigt die Legierung eine brauchbare Elastizität bei Temperaturen, bei denen sich Gase verflüssigen und die bei einigen ausgefallenen Verwendungszwecken erreicht werden können. Die gewünschten Ergebnisse erfordern, daß die niederschmelzenden Bestandteile außer Betracht gezogen werden. Molybdän als Ersatz für einen Teil oder den gesamten Anteil von Wolfram innerhalb einer lO&Lgen Wolframlegierung wirkt sich auf die Elastizität beim Schweissen oder Löten nachträglich aus und höchstwahrscheinlich auch auf die Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen.

ORKBiNAL

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Rhenium und ähnliche Metalle sind im Vergleich zu Tantal, Zirkon «lind Hafnium selten und sehr kostspielig. Obwohl solche Metalle die Festigkeiten von Tantallegierungen in einem Bereich von 1315 - 1650 C erheblich verbessern, beweist die vorliegende Erfindung, daß deren Anwendung als Legierungszusätze nicht erforderlich und also in dem angegebenen Temperaturbereich unwirtschaftlich ist.

Andere Elemente, z.B. Niob, Vanadium, Hafnium, Zirkon/und Titan sind als wesentliche Legierungszusätze ungeeignet, da ihr Schmelzpunkt weit unter dem von Tantal liegt, was eine Lösungshärtung erschwert» Große Unterschiede in den Schmelztemperaturen und den Dampfdrücken der Legierungsbestandteile führen zu Schwierigkeiten beim Schmelzen, bei dem sich eine interdentritische, grobkörnige Trennung ergibt und beim Verlöten, bei dem sich eine feinkörnige Trennung ausbildet. Niederschmelzende Metalle,wie Molybdän _} dienen dazu, die Beweglichkeit der Atome in Tantallegierungen zu erhöhen, wodurch die Kriechfestigkeit bei erhöhten Temperaturen unmittelbar herabgesetzt wird.

Aus diesen Gründen wurde Wolfram als wesentlicher Legierungszusatz während der Versuche betrachtet, die schließlich zu der Erfindung führten. Zusätze von mehr als 10% Wolfram, z.B. mehr als 12%, bewirken eine gute Dehnbarkeit bei niedrigen Temperaturen am Rande. Wolframzusätze von weit weniger als 10% führen zu keiner wesentlichen Verstärkung der

BAD ORiGiNAL

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Legierung «ad bei einen Zusatz von weniger als B% besitzen die Legierungen kaum ein besseres Verhältnis von Festigkeit zum Gewiübt ale die bekannten Niob-Legierungen. Deshalb wurde die Tantallegierung mit einem Wolframzusatz von 10% benutzt, um die Wirkung der Dispereionehärtung auf die Lösungshärtung bei Tantallegierungen festzustellen. Eine derartige Legierung wird erfindungsgemaß als binäre Legierung in fester Lösung mit der besten Festigkeit und dem besten Verhältnis von Festigkeit zum Gewicht angesehen, wobei gleichzeitig eine gute Dehnbarkeit und Bearbeitbarkeit gegeben sind.

Die Anmeldung 13D - 2812 {Clark} zeigt, daß eine entseheidende Beziehung in dem atomaren Verhältnis von Zirkon /"zu Kohlen,-stoff in einer Nioblegierung besteht, welche 20% Wolfram und 2%, 1% oder O.S£ Zirkon enthält. Die vorliegende Erfindung bezieht eich auf eine andere Art von Legierungen, nämlich nicht auf Niob-, sondern auf Tantallegierungen mit einer gewünschten Festigkeit bei weit höheren Temperaturen als die Legierungen der Anmeldung 13D — 2812 aufweisen. Bekanntlich können Bigenschaften von komplexen Legierungen, z.B. die Festigkeiten bei erhöhten Temperaturen und deren Bearbeitbarkeit, nicht genau von einer Legierungsart auf die andere übertragen werden. Festigkeiten, Elastizität und Bearbeitbarkeit sind nicht theoretisch voraussehbar, obgleich oft eine Erklärung der Tatbestände möglich ist. Die Vorgänge in einer Nioblegierung bei 1090 - 1200⁰C können hingegen nicht als überwiegend analog denen in Tantal-

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legierungen bei 1315 - 165O°C angesehen werden. Ein Beweis für die Unterschiedlichkeit wird durch die Angaben des Bei» spiels II erbracht, welches gute Eigenschaften einer Legierung angibt, die ein atomares Verhältnis von Zr:C von nur etwa 0.23 besitzt. Die Angaben des Beispiels I lassen erkennen, daß bessere Eigenschaften erzielt werden, wenn das Verhältnis Zr :G mehr als 1 beträgt. Nach der Anmeldung 13D 2812 würde ein Verhältnis von 0.23 nicht die gewünschten Ergebnisse in einer Nb-20W-Zr-C-Legierung liefern.

Die Vorgänge beim Aufschwemmungshärten lassen sich gewöhnlich in zwei Gruppen einteilen: 1) andauernde Dispersion der festen Teilchen und 2) Härten der Aufschwemmung. Die Härtung der Aufschwemmung ist die umkehrbar anwendbare Technik innerhalb der beiden Möglichkeiten und gestattet die Anwendung von Verfahren, bei denen das Metall in einem verhältnismäßig weichen Zustand bearbeitet wird und nachträglich durch eine Wärmebehandlung gehärtet wird. Zeit und Temperatur einiger der Verfahren zum Überziehen und Schweissen erfordern Legierungen, deren Festigkeiten durch eine strenge Wärmebehandlung abgestimmt werden können, ohne daß eine weitere metallische Umformung erforderlich ist.

Eine Gruppe von Tantallegierurigen, die etwa 10% Wolfram enthalten, wurde herausgefunden, welche nach verschiedenen thermischen und mechanischen Vorgängen durch Ausfällen gehärtet werden kann. Andererseits können derartige Legierungen selbst-

Q Π q R ΓΙ 7 / Π ? Λ Λ

verständlich durch eine Lösungswärmebehandlung für eine weitere Temperung oder Dehnbarkeit bzw. Elastizität nach unterschiedlichen Vorbehandlungen erweicht werden. Die bestmögliche Kriechfestigkeit besitzt eine einheitliche, fein dispergierte Legierung aus ZrC (Zr_f Ta) C, HfC, (Hf, Ta) C oder aus einer Verbindung dieser Legierungen»

Man hat herausgefunden, daß der Kohlenstoffgehalt nicht mehr als 0.01 - 0.2% betragen sollte, wenn man eine bestmögliche Kriechfestigkeit bei Temperaturen von 1315 - 165O°C 'erhalten will. Gewisse kleine Mengen von Kohlenstoff sind in der aus einer festen Lösung bestehenden Ausgangslegierung löslich; aber die Löslichkeitsgrenze von Kohlenstoff in Tantal bei 1650⁰C ist nicht genau bekannt» Zur Härtung durch Ausfällen ist eine bestimmte Kohlenstoffmenge über die Löslichkeitsgrenze hinaus erforderlich, damit dieser mit den aktiven Metallen reagiert und Carbide bildet. Andererseits sollte der Kohlenstoffgehalt für gute Eigenschaften beim Verschweissen den Mindestwert bei der zweckentsprechenden Temperatur annehmen, bei dem die gewünschte Festigkeit erreicht wird. Das heißt, dass der Kohlenstoffgehalt mehr, aber nicht übertrieben mehr, als der bei der beabsichtigten Anwendungstemperatur lösliche Anteil betragen sollte. Der bei 1315°C lösliche Kohlenstoffanteil liegt unter 0.01% und bei ±650°C bei etwa 0.04% und bei 3500°C bei 0.1 - 0.2%. Deshalb liegt die untere Grenze des erfindungsgemäßen Kohlenstoffgehalts bei etwa 0.01%. Ein Kohlenstoffgehalt von mehr

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als 0,5% wird als zu hoch für ein interdentritisches Ausfällen von Carbiden in den Schmelzbereichen beim Verschweissen angesehen, wodurch die Wirkung jeder Wärmebehandlung aufgehoben wird, welche die möglicherweise beim Schweissen auftretende Sprödigkeit herabsetzen soll» Auf dieser Überlegung beruht die Erkenntnis, daß die obere Grenze für den Kohlenstoffgehalt der erfindungsgemäßen Legierungen bei etwa 0,5% liegen sollte.

Carbi.de der Gruppe der IV-A-Metalle (Ti, Zr, Hf) besitzen eine bedeutend höhere thermodynamische Beständigkeit als die Carbide der Gruppe der V-A-Metalle, z,B. Tantal. Dieser Umstand führt dazu, daß eine Härtung durch Ausfällen bei Tantallegierungen möglich ist, weil eben die IV-A-Metallcarbide ausgefällt werden. Wenn Kohlenstoff und Metalle der Gruppe IV-A im richtigen Verhältnis einer Tantallegierung beigemischt wurden, dann bilden sich vorzugsweise monometallische Carbide und nicht die niederschmelzenden (!!metallischen Carbide, welche gewöhnlich massige Niederschläge verursachen. Unter der Voraussetzung, daß die Homogenität von TiC, ZrC, HfC oder komplexen-monometallischen Carbiden, z.B. ( Ta. Zr )C, gut ist, fällen diese einheitlich und fein dispergiert aus, sind nicht in einer Richtung bevorzugt ausgebildet oder getrennt, so daß sich ein Widmanstatten-Muster ergibt oder die Korngrenzen besonders ausgebildet sind. Komplexe monometallische Carbide,wie (^Tai Zr )C, die einen außerordentlich hohen Schmelzpunkt besitzen, können in der Legierung gebildet werden und diese verstärken.

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Es soll angemerkt werden, daß Titan, Zirkon/iind Hafnium in geringen Zusätzen, die ein Ausfällen von Carbiden bewirken sollen, sich ganz anders verhalten als die gleichen Elemente, wenn sie in größerer Menge angewendet werden, um als Härtemittel für feste Lösungen zu dienen. Der Schmelzpunkt von Titan ist indessen so niedrig und der Dampfdruck so hoch, daß sich ein Zusatz von Titan zu geschmolzenen Tantallegierungen erübrigt.

Tabelle I gibt die Näherungswerte der Schmelzpunkte verschiedener Metalle und Verbindungen und gleichzeitig den metallischen Dampfdruck beim Schmelzpunkt von Tantal an.

Tabelle

Metall	Schmelzpunkt (in ⁰C)	Dampfdruck (mm Hg) 2995°C	Carbid	Schmelz punkt
Ti	1668	200	TiC	3150
Zr	1851	1	ZrC	3 546
Hf	2224	1	HfC	3632
Mo	2610	0.4	MoC	2690
W	3410	0.001	WC	2868
Ta	2995	0.006	TaC	3799
			Ta₂C	3399
			TaC-ZrC	3928

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Wesentlich ist, daß die Bildung von großen dimetalli— sehen Carbidkörnern vermieden wird, z.B. von Ta C und

(Ta Zr )C, die die Legierung nicht verstärken. Aus diesem

J* *·Χ JL

Grund sollten der Zirkon^oder Hafniumgehalt der erfindungsgemäßen Legierungen ausreichen, damit eine Reaktion mit dem restlichen Stickstoff und Sauerstoff stattfindet und außerdem noch ein solcher Überschuß vorhanden ist, der die Bildung der monometallischen Carbide an. Stelle der dimetalliechen Carbide herbeiführt.

Das Verhältnis der Metalle der Gruppe IV-A zu Kohlenstoff scheint entscheidend zu sein, Be muß so groß sein, daß die Bildung von bedeutenden Mengen von monometallischen Carbiden zur Verstärkung der Legierung gewährleistet ist, darf aber nicht erheblich über der dazu erforderlichen Menge liegen. Die Anwesenheit von einer übergroßen Menge eines IV-A-Metalls ist der Festigkeit bei erhöhten Temperaturen abträglich und mindert außerdem die Homogenität nach dem Schmelzen oder Schweissen. DasBeispiel II zeigt, daß ein atomares Verhältnis von Zr:C von 0,23 : 1 sich in den Legierungen der Erfindung als zufriedenstellend erweist. Beispiel I zeigt, daß sich verbesserte Eigenschaften ergeben, wenn das Verhältnis von Zr:C bei etwa 1.5 : 1 liegt. Ein Verhältnis von weit mehr als 2:1 würde eine zu große Menge des IV-A-Metalls in fester Lösung zurücklassen. Deshalb liegt also das atomare Verhältnis von Zr:C oder Hf:C in den Legierungen der Erfindung in einem Bereich von etwa 0.2:1 und 2:1.

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Tabelle II gibt einige Näherungswerte in Gewichtsprozent fur Zr und Hf innerhalb des angegebenen Kohlenstoffgehaltes und der Grenzen für den verhältnismäßigen Anteil an.

Tabelle II

Ätomverhältnis Zr:C oder Hf:C	C (in Gew,%)	Zr (in Gew.%)	Hf (in Gew.%)
0.2	0.01	0.015	0.028
	0.2	0.31	0.59
	0.5	0.76	1.49
2.0	0.01	0.15	0.28
	0.2	3.1	5.9
	0.5	7.6	14.9

Unabhängig von den Höchstwerten der obigen Tabelle II nimmt man an, daß in der Praxis die obere Grenze für den Gehalt eines IV-A-Rfetalles durch das Kriterium der festen Lösung gegeben ist, wie vorstehend zum Ausdruck gebracht wurde, und bei etwa 2% Zirkon oder 4% Hafnium liegt. Mischungen von Zr und Hf, die innerhalb dieser Grenzen liegen, können ebenfalls verwendet werden.

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Verschiedene Legierungen wurden ausgewertet und zeigten unerwartet gute Ergebnisse. Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nachstehend einige kennzeichnende Beispiele angeführt. Diese Beispiele sollen lediglich <ier Erläuterung der Erfindung dienen und sie in keiner Weise abgrenzen. Hur der beigefügte Patentanspruch beschreibt die Grenzen der vorliegenden Erfindung,

Beispiel I.

Tantallegierungen mit einem Wolfraragehalt von 10?£ und

einem unterschiedlichen Gehalt an Zirkon'und Kohlenstoff wurden mit Hilfe geeigneter, sich verbrauchender Elektroden zu Blöcken von etwa 500 g in. einem wassergekühlten Tiegel, geschmolzen. Nach dem Schmelzen wurden die Blöcke auf einer Drehbank bearbeitet und dabei die Seitenflächen gereinigt, worauf sie dann durch einstündiges Erhitzen im Vakuum auf 2O65°C homogenisiert wurden. Diese Wärmebehandlung löste die Carbide weitgehend auf, wodurch die Bearbeitbarkeit verbessert und eine Verstärkung durch Ausfällen im weiteren Verlauf des Verfahrens ermöglicht wurde. Die Blöcke, die einen Durchmesser von 2.5 cm besaßen, wurden unter Anwendung von Schlagen zu Stäben gepreßt, die einen Durchmesser von. 1,41 cm besaßen. Diese Stäbe wurden dann auf einen Durchmesser von etwa 1.25 cm gebracht und anschließend in einer Argon**- atmosphäre auf einen Durchmesser von 0.62 cm in einem Temperaturbereich von 1200 - 1095 C im Gesenk bearbeitet. Der im

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Gesenk bearbeitete Stab wurde in die üblichen knopfähnlichen Proben durch spitzenloses Schleifen aufgeteilt. Diese Prüfetücke wurden dann 30 Minuten lang im Vakuum bei 1090 °C wärmebehandelt.

Tabelle ZII führt die Zusammensetzungen und die Festigkeiten der gewonnenen Prüfstücke' auf. In den nachstehenden Tabellen sind die bei der Prüfung angewendeten Temperaturen in Grad

ο Celsius angegeben und die Zerreißfestigkeit in 1000 kg/cm .

Die O.2%-Streckgrenze ist ebenfalls in 1000 kg/cm angegeben. Die Bruchdehnung wird über eine Länge von 1.87 cm gemessen und % Einschnürung bedeutet die prozentuale Verringerung der Fläche und VHN ist der Vickers Härtegrad, der sowohl für die gegossenen als auch für die homogenisierte Legierung angegeben wird (2065°C/über eine Stunde).

TABELLE

III

	co CD	lOW-l.2Zr-.lO9C	Eigenschaften der	Tantallegierungen	Prüfungs- tempe- Kfcur in ⁰C	Zerreiß festig keit in 1000 kg/ cm	0.2%- Streck- grenze	Deh nung in %	Ein schnü rung	Härte nach dem Guß	(VHN) homo genisiert
	CO OO CD ^³lOW-O.6Zr-O.O93C				24	12.3	10.8	16	36	318	302
Zusammensetzung in Gew. %			^M/^C(a) Verhält nis	Spannungseigenschaften (b)	1200	7.3	6.7	τ 4	-? 8
10W-0.6Zr-0.058C	CU	1.37	1650 24	2.04 12	1.5 11.9	40 3	41 5	355	310
	1200	6.5	4.8	6	7
0.85	1650	1.5	1.1	48	50
	24 (C) 24	12.9 10.2	12.4 9.6	10 9	21 13	372	335
	1200	7.2	6.7	24	45
1.45	1650	^ 2.1	1.7

(a) atomares Verhältnis des reagierenden Metalls zu Kohlenstoff

(b) nominale Dehngeschwindigkeit: 0.01 cm/cm/min

(c) vor der Prüfung bei 165O°C geglüht. Alle anderen Proben 30 Minuten lang bei l090°C geglüht.

OO CjO CO CO

Beispiel II.

Bin Block von 20 kg mit einer Zusammensetzung von Ta -lOW-l»3Zr-O,O75C wurde gemischt, gepreßt, vorgesintert und durch Anwendung von Elektronenstrahlverfahren dreifach geschmolzen. Die Analyse der geschmolzenen Legierung war: Ta-9, 4W-0.08Zr-O„046C (Zr :C Atomverhältnis: 0.23:1) bei den in Abständen auftretenden von Sauerstoff bei 22__ 10 ppm, Stickstoff von 5 ppm und Wasserstoff von 2 ppm. Der gegossene Block besaß eine durchschnittliche Korngröße von 180 Körnern je Quadratzentimeter und eine Härte von 257_ 5 VHN als Mittelwert von 5 Ablesungen, Tabelle IV gibt die Zugfestigkeiten des gegossenen Materials nach einer kurzzeitigen Prüfung an.

Tabelle IV,

Prüftetn- Zerreiß- Streck- Dehnung Einschnürung

peratur in °C	festig keit	grenze	in %	in %
24	6.25	4.95	8.2	18.4
1200	2.8	2.1	20.4	36.4
1621	1.78	1.5	9.65

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Nach der Bearbeitung des. Blockes auf einen Durchmesser von 8,75 cm wurde dieser in eine Molybdänhülse mit einer
Wandstärke von 1.15 mm eingebracht und zu einem rechteckigen Stab umgeformt, wobei in einer Argonatmosphäre auf 1725°C erwärmt wurde. Das beim Strangpressen erzielte Verhältnis betrug annähernd 3:1. Nach dem Strangpressen wurde die
Molybdänhülse entfernt und der darin enthaltene Knüppel
eine Stunde lang bei 1350 C geglüht. Dieser Knüppel wurde dann in .einen 2.3 mm starken Stahlmantel eingebracht und
bei 1100 C in Argon gewalzt, so daß eine Minderung von
etwa 20% je Arbeitsgang erreicht wurde, was zu einer Gesamtminderung von etwa 60% führte. Die gewalzte Legierung wurde nachfolgend bei 135O°C geglüht, erneut in einen Stahlmantel eingebracht und wiederum um 60% auf eine Stärke von etwa 7.75 mm bei 1000 C gemindert, wobei die Erwärmung in einer Argonatmosphäre stattfand* Das abschließende Auswalzen wurde ohne Anwendung einer Verkleidung durchgeführt, so daß bei einer Erwärmung in Argon bei 65O°C die endgültige Stärke von 2.5 mm erhalten wurde.

Prüfungen der Zugfestigkeit derartiger Folien werden in Tabelle V angeführt, in der ReX eine Rekristallisation bezeichnet.

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Tabelle V.

Prüf-	Zerreiß	7.95	Streck	Dehnung	Bemerkungen
terape-	festig	1.5	grenze	in %
ratur	keit	.79
In⁰C		.83
-195 (flüe- 12.5		11.8	28.0	(geglüht bei
eiger Stick			1200⁰C, 30 Min.
stoff)
24	6.5	27.5	gewalzt
1650	1.17	83.0
1927	.72	18.0	(ReX bei 2149⁰C
	.72	142.0	(Rlx^S\|ei⁾1621°C
			1/2 Std.)

Abschließend wurden die Proben bei unterschiedlichen Temperaturen eine Stunde lang geglüht und dann im Ofen abgekühlt. Nachfolgend wurden sie auf ihre Härte geprüft. Der Vickers Härtegrad (VHN) wird in Tabelle VI angegeben. Längsgerichtete Prüfungen wurden in der Flächenebene der Folie vorgenommen und Prüfungen in senkrechter Richtung an den Folienenden.

Tabelle

VI.

Temperatur in ⁰C - 1000 lfO4 1400 1593 1800 2000 2204 längegerichtet - 334 298 246 256 297 311 267 quergerichtet - 332 300 243 258 290 300 279

Bei Härteprüfungen derartiger Proben zeigte sich, daß in diesem Zustand eine 50%ige Rekristallisation bei einer Temperatur von etwa 1400 C innerhalb einer Stunde erzielt wurde. Die Angaben über die Härte sind keine Angaben über die Ausrichtung. Außerdem ist nach dem Glühen bei 1800 - 2000°C die Legierung erfindungsgemäß verstärkt worden. Dieser Umstand kann dem Altern (Ausfällen) durch Temperaturunterschiede oder durch Abkühlen im Ofen zugeschrieben werden. Die geringere Härte nach dem Glühen bei 2204°C kann durch Dekarburieren verursacht worden sein. Aus diesen Angaben geht hervor, daß das Material durch eine ausfällende Wärmebehandlung nach der Bearbeitung,dem Glühen bei hohen Temperaturen oder dem Verschweissen verstärkt werden kann. Es sollte nochmals betont werden, daß diese erfindungsgemäße Legierung nahe der unteren Grenze für den Zirkon-^und Kohlenstoffgehalt innerhalb der durch die Erfindung gegebenen Bereiche liegt. Legierungen mit einem anderen G_ehalt an Zirkon'^ilafnium und Kohlenstoff müssen bei anderen Temperaturen gealtert werden. Selbstverständlich können auch die verschiedensten Wärmebehandlungen angewendet werden, um derartige Legierungen durch Altern zu härten.

Die angeführten Beispiele haben gezeigt, daß die Legierungen der Erfindung eine außergewöhnliche Festigkeit und Dehnbarkeit bei -195 C besitzen und außerdem eine gute Dehnbarkeit bei Zimmertemperatur und eine gute Festigkeit, die bis zu Temperaturen von 1650 C und mehr weitgehend beibehalten wird.

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Die Beispiele I und II zeigen, daß die Legierungen nach der Erfindung zu Folien oder Stäben mit unerwartet guten mechanischen Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen verarbeitet werden können. Die angeführten Angaben führen zu der Annahme, daß die vorteilhaften
Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen durch entsprechende Wärmebehandlungen erheblich verbessert werden können.

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Claims

PATENTANWÄLTE ^g, DipL-Ing. M A R TI N LICHT

PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN. HERRMANN Dr. REINHOLD SCHMIDT

8 MÜNCHEN 2· SENDLINGER STRAS8E 85 „. , .„ , „

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Ihr Zeichen Unser Zeichen —/<JO.

River Road I V.St.A.

Patentanmeldung; Tantallegierung mit besonderer

Festigkeit.

Patentanspruch :

Verbesserte Tantallegierung, gekennzeichnet durch einen Gehalt von etwa 8 - 12 Gewichtsprozent W; etwa O.Ol - 0.5% C; wenigstens eines der Elemente Zr (in einer Menge von weniger als 2%) und Hf (in einer Menge von weniger als 4%)_f wobei das Atomverhältnis von Zr oder dem entsprechenden Metall zu Kohlenstoff zwischen etwa 0.2 : 1 und 2 : 1 beträgt und der Rest aus Ta und Spuren von Verunreinigungen besteht.

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