DE1608718B1

DE1608718B1 - Verwendung einer Titanlegierung fuer mechanisch beanspruchte Bauteile

Info

Publication number: DE1608718B1
Application number: DE19641608718
Authority: DE
Inventors: Jay Hatch Allan
Original assignee: CONTIMET GmbH
Current assignee: CONTIMET GmbH
Priority date: 1963-07-26
Filing date: 1964-06-16
Publication date: 1970-10-08
Also published as: GB1030387A

Description

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Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Titan- Zur näheren Kennzeichnung der Erfindung wird auf

legierung als Werkstoff zur Herstellung von mecha- die Zeichnung verwiesen,
nisch hochbeanspruchten Bauteilen, insbesondere F i g. 1 zeigt einen kugeligen Druckkessel,

kugelförmigen oder zylindrischen Druckkesseln. F i g. 2 einen zylindrischen Druckkessel mit den

Druckkessel werden für die Lagerung von Flüssig- 5 erfindungsgemäßen Merkmalen.

keiten oder Gasen unter sehr hohem Druck verwendet. Der kugelige Druckkessel 10 in F i g. 1 wird, wie

Wenn Kessel in der Raketentechnik zur Auf nähme von dargestellt, durch zwei gleiche, kugelförmige Wand-Brennstoff oder Druckgas eingesetzt werden, müssen teile 12 gebildet, die durch eine Schweißnaht 14 versie geringes Gewicht und ausreichende Bruchfestigkeit bunden sind. An der Stoßstelle der Wandteile 12 ist ein besitzen. Gewicht und Festigkeit stehen in einem ge- ίο Verbindungsstück, z. B. ein Nippel 16, eingeschweißt, wissen Verhältnis zueinander, und die Anforderungen der als Anschluß für die Förderung von Gas oder sind so hoch, daß es wesentlich ist, Raketendruckkessel Flüssigkeit aus dem Druckkessel zum Bestimmungsort aus einem Werkstoff mit möglichst geringem spezifi- benutzt wird.

schem Gewicht und höchstmöglicher Bruchfestigkeit Die halbkugelförmigen Wände 12 werden aus einer

herzustellen. 15 Legierung auf Titanbasis hergestellt, die vorzugsweise

Titanlegierungen weisen als ein charakteristisches im wesentlichen 4 °/₀ Aluminium und 0,25% Sauerstoff, Merkmal geringes spezifisches Gewicht und gleichzeitig Rest Titan mit den üblichen Verunreinigungen enthält, hohe Festigkeit auf, wobei höchste Festigkeiten dieser Diese Legierung wird zunächst als Block gegossen, zu Legierungen durch eine Wärmebehandlung erzielbar Knüppeln geschmiedet, zu Blechen ausgewalzt und sind. Zur Verformung, maschinellen Bearbeitung, 20 schließlich zwischen Matrize und Patrize durch das zum Schweißen und für andere Bearbeitungsverfahren sogenannte indirekte Strangpressen zu einem halbmüssen die Legierungen jedoch im allgemeinen im ge- kugelförmigen Rohling gepreßt. Die Rohlinge werden glühten Zustand vorliegen, weil die Bearbeitbarkeit dann auf ihre Endabmessungen bearbeitet. Durch das nach der Wärmebehandlung schlechter ist. Bei der Blechwalzen und indirekte Strangpressen der Rohlinge Herstellung von verhältnismäßig dünnwandigen Druck- 25 wird den halbkugelförmigen Wandteilen ein »i?«-Wert kesseln tritt die Schwierigkeit auf, daß sie nicht mit von 6 verliehen. Die beiden halbkugelförmigen Wand-Erfolg wärmebehandelt werden können, weil die teile 10 werden dann bei 14 verschweißt und das aus manchmal sehr großen Behälter ein einheitliches Er- Titan bestehende Verbindungsstück 16 durch Schweiwärmen und Abschrecken unmöglich machen und da- ßen eingesetzt. Als Schweißzusatzwerkstoff wird eine bei ein Verwerfen und Verziehen der Kesselwandung 30 Titanlegierung mit 4°/₀ Aluminium verwendet,
unvermeidbar ist. In F i g. 2 ist ein zylindrischer Druckkessel 18

Durch die Erfindung soll nun ein Werkstoff für dargestellt, der aus einem Hohlzylinder 20 besteht, der Druckkessel geschaffen werden, der während der Be- an seinen Enden durch die Schweißnähte 24 mit den arbeitung ohne Anwendung von Wärmebehandlung Kesselböden 22 verbunden ist. Ein Nippel 26 ist in gehärtet und verfestigt werden kann und schweißbar ist. 35 einen der Kesselböden 22 eingeschweißt.

Gemäß der Erfindung wird die Verwendung einer Der zylindrische Mantel 20 ist aus einer Titan-

Titanlegierung, bestehend aus 3,5 bis 4,5 °/₀ Alumi- legierung hergestellt, die im wesentlichen 4°/₀ Aluminium, 0,2 bis 0,3 °/o Sauerstoff, Rest Titan mit den nium und 0,25 °/₀ Sauerstoff, Rest Titan und übliche üblichen Verunreinigungen, als Werkstoff zur Her- Verunreinigungen enthält. Diese Legierung wird zuerst stellung von mechanisch hochbeanspruchten Bau- 40 als Block gegossen, zu Knüppeln geschmiedet und die teilen, insbesondere von kugelförmigen oder zylindri- Knüppel durch Strangpressen zu einem hohlzylindrischen Druckkesseln, vorgeschlagen mit der Maßgabe, sehen Rohling verarbeitet. Dieser Rohling wird dann daß die Titanlegierung bei der Herstellung der Bauteile als Ring geschmiedet und durch maschinelle Bearbeidurch mechanische Mittel, wie Walzen, Drücken, tung auf die Endabmessungen gebracht. Die aus einem Ziehen oder Strangpressen, auf einen »i?«-Wert von 45 ähnlichen Werkstoff hergestellten Kesselböden 22 größer als 5 bleibend verformt ist. werden zu Blechen ausgewalzt, worauf die Blech-

Titanlegierungen der bezeichneten Art waren be- abschnitte durch Tiefziehen und maschinelle Bearbeikannt (kanadische Patentschrift 558 710). Es war auch tung zu Schalen der gewünschten Größe und Abmesbekannt, daß sich solche Titanlegierungen gut schwei- sung verarbeitet werden. Die Kesselböden 22 werden ßen lassen (britische Patentschrift 785 293). Diese be- 50 bei 24 auf die Enden des Hohlzylinders 20 aufgekannten Eigenschaften einer Titanlegierung der erfin- schweißt und der Titannippel 26 in einen Kesselboden dungsgemäß zu verwendenden Art, nämlich geringes 22, wie dargestellt, eingeschweißt. Als Schweißzusatzspezifisches Gewicht und Schweißbarkeit, legten ihre werkstoff wird eine Titanlegierung mit 4 °/₀ Aluminium Verwendung für mechanisch hochbeanspruchte Bau- verwendet.

teile, wie Druckkessel, noch nicht ohne weiteres nahe. 55 Es wurde gefunden, daß eine Legierung, bestehend Es sind dies nämlich Eigenschaften, die fast alle Titan- aus im wesentlichen 3,5 bis 4,5 °/₀ Aluminium, 0,2 bis legierungen aufweisen. Durch die Erfindung wurde 0,3 °/„ Sauerstoff, Rest Titan und üblichen Verunreinivielmehr die Aufgabe gelöst, eine Titanlegierung ge- gungen, nach der bleibenden Verformung, wie sie nachfunden zu haben, bei der sich durch an sich bekannte folgend im einzelnen beschrieben wird, geringes GeVerformung eine festigkeitssteigernde Textur ergibt. 60 wicht mit hoher Festigkeit in idealer Weise in sich ver-AIs Kriterium für eine erzielte Texturhärtung ist der einigt, wenn sie einer zweiachsigen Beanspruchung »2?«-Wert gewählt worden, dessen Definition im fol- unterworfen wird. Sowohl die Zusammensetzung wie genden gegeben wird und der für eine erfindungsgemäß auch die bleibende Verformung der Legierung sind für zu verwendende Titanlegierung größer als 5 sein muß. den Erfolg von ausschlaggebender Bedeutung. Das Ein Hinweis auf diese erfindungswesentliche Eigen- 65 Ergebnis ist eine Legierung, die nach der Formgebung schaft einer Titanlegierung für die Herstellung mecha- eine besondere Textur, welche sich aus der parallelen nisch hochbeanspruchter Bauteile ist aus der Literatur Ausrichtung der Grundebene des Kristallgitters zu der nicht zu entnehmen. Oberfläche des bleibend verformten Werkstückes er-

Wo	= 0,4993
W	= 0,4499
to	= 0,0539
t	= 0,0529

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gibt. Diese Textur ist verschieden von der des in ge- läßt sich für »i?« folgende Gleichung aufstellen:

wohnter Weise bleibend verformten Reintitans oder

der meisten anderen α-Titanlegierungen. Normaler- PFb

weise ist eine derartige Textur durch eine Ausrichtung "TjJT

der Grundgitterebenen in einem Winkel zwischen 5 R = ,

27 und 40° senkrecht zu der Verformungsrichtung In —
gekennzeichnet. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Ur- t
Sache für diese Neigung der Grundgitterebene in anderen Legierungen nach der bleibenden Verformung in wobei Wo und W die Anfangs- bzw. Endbreite und der Zwillingsbildung von pyramidalen Ebenen liegt, io to und t die Anfangs- bzw. Enddicke ist. Um die bei welche ein Drehen und Verkanten der Kristallgitter- der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung Grundebenen bewirkt. Die Ursache für die waage- erreichbaren »i?« -Werte zu bestimmen, können beirechte Ausrichtung und das Fehlen von Drehung und spielsweise 20 Mikrometermessungen der Breite und Verkanten der Gitter in der erfindungsgemäß zu ver- Dicke vor dem einachsigen Zugtest bzw. nach der wendenden Titanlegierung ist bisher noch nicht er- 15 einheitlichen Dehnung des Probekörpers durchgeführt mittelt worden, es wird aber vermutet, daß diese eine werden. Die Durchschnittswerte aus diesen 20 Messun-Eigenheit in der Kristallstruktur besitzt, welche die gen sind:
Zwillingsbildung verhindert.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegierung besitzt nach der bleibenden Verformung, bei der die 20 oben beschriebene Textur auftritt, eine besonders hohe Festigkeit, wenn sie einer zweiachsigen Beanspruchung unterworfen wird. Die Ursache dafür ist ebenfalls noch

nicht endgültig geklärt, obgleich angenommen werden worauf »j?« nach der obigen Gleichung zu 5,55 errech-

kann, daß der Widerstand gegen Rutschen und Reißen 25 net wurde.

unter zweiachsiger Beanspruchung erheblich größer Die Titanlegierung, welche zur Erzeugung der geist, wenn die Hauptgleitebenen parallel zur Oberfläche wünschten Textur gemäß der Erfindung bleibend verdes Werkstückes gerichtet sind, als wenn die Gitter- formt wurde, zeigt einen »i?«-Wert von wenigstens 5. grundebenen verkantet sind und dementsprechend die »i?«-Werte von 6 bis 8 können erreicht werden und Gleitebenen in einem Winkel zur Oberfläche liegen. 30 lassen auf eine im wesentlichen gleichmäßige Kristall-Was immer auch der Grund sein mag, es hat sich jeden- ausrichtung in der beschriebenen Form schließen, falls herausgestellt, daß die Festigkeit unter zwei- Werkstücke aus anderen α-Titanlegierungen, die in achsiger Beanspruchung bei einer mit paralleler Aus- ähnlicher Weise behandelt wurden, oder Legierungen, richtung der Kristallgitterebenen zur Werkstückober- die nicht richtig bearbeitet wurden, zeigen »i?« -Werte fläche versehenen, erfindungsgemäß zu verwendenden 35 in der Größenordnung von 2 bis 3.
Titanlegierung um mehr als 50°/„ höher sein Die Zusammensetzung der erfindungsgemäß zu verkann als bei anderen Titanlegierungen mit schräger wendenden Titanlegierung ist wichtig und kritisch, um Textur. die gewünschten Ergebnisse gemäß der Erfindung zu

Untersuchungen an Titanlegierungen zur Fest- erzielen. Die alleinige Verwendung von Aluminium als

stellung der Textur sind mühevoll und schwierig, wenn 4° Legierungselement ist vorteilhaft, weil es das schon

die Bestimmung durch Röntgenstrahlenanalyse erfolgt. niedrige spezifische Gewicht von Titan weiter vermin-

Eine wesentlich gebräuchlichere und für gewöhnliche dert. Dies steht im Gegensatz zu vielen anderen hoch-

Zwecke sehr praktische Untersuchungsmethode kann festen Titanlegierungen, in denen Metalle, wie beispiels-

durch Bestimmung des »i?«-Wertes erfolgen. Der weise Zinn, Vanadin, Chrom, Eisen, Niob, Tantal oder

Wert »i?« ist ein anisotropischer Parameter, der aus 45 Molybdän, als Legierungselemente verwendet werden.

Arbeiten von Hill (»A Theory of the Yielding and Diese Elemente haben alle ein höheres spezifisches

Plastic Flow of Anistropic Metals, Proc. Roy. Soc, Gewicht als Titan und erhöhen unvermeidlich sein

1948, Ser, A, Vol. 193 p. 281: The Mathematical spezifisches Gewicht, wodurch sie die vor allem wich-

Theory of Plasticity, Oxford, Clarendon Press, 1950, tige Festigkeit nur auf Kosten einer Erhöhung des

Chapter XII.«) und durch Backofen (W. A. Hos- 50 spezifischen Gewichts verbessern,

ford, W. F., Jr. and Burke, J. J., »Texture Hardening«, Das Verhältnis von Aluminium zur Legierung ist

Trans. ASM, March 1962, Vol. 55, p. 264) als wichtige kritisch. Weniger als 3,5 % Aluminium wird nicht die

Kennzeichnung für das Fließverhalten und die Bruch- gewünschte Textur bewirken, und mehr als 4,5 °/₀ wird

festigkeit von Werkstoffen unter zweiachsigem Zug die entgegengesetzte Wirkung auf die Duktilität haben,

bekannt wurde. Ist der Wert »J?« größer als 1, wird eine 55 d.h., der Werkstoff wird zur Sprödigkeit neigen. Es

verfestigende Wirkung durch zweiachsigen Zug im muß unterstrichen werden, daß Sauerstoff als Legie-

Werkstück vorhanden sein. Insbesondere bei zylin- rungselement durchaus erwünscht ist und nicht nur als

drischen Druckkesseln, bei denen die Tangential- unvermeidliche Verunreinigung vorhanden ist. Es ist

spannung zweimal so groß ist wie die Axialspannung, in der Legierung als verfestigendes Element anwesend

wird bei einem »i?«-Wert von 4 die Streckgrenze ⁶° und hat diese Wirkung ohne entgegengesetzte Einflüsse

gegenüber einer einachsigen Beanspruchung theoretisch auf die Textur oder Dichte der Legierung auszuüben,

um nahezu 50 °/₀ gesteigert. Weniger als 0,2 °/₀ Sauerstoff wird nicht die gewünschte

Aus der Arbeit von Hill geht hervor, daß »i?« Erhöhung der Festigkeit bewirken, und mehr als 0,3 °/₀

durch einen einfachen einachsigen Zugtest an einem verringert die Duktilität. Unvermeidbare Verunreini-

Blechprobestück durch Messung der natürlich bleiben- 65 gungen, wie Stickstoff, Kohlenstoff, geringfügige Men-

den Verformung in Dicken- und Breitenrichtung be- gen metallischer Elemente können einzeln oder zu

stimmt werden kann. Werden diese bleibenden Ver- mehreren in der Legierung vorhanden sein, ohne die

formungen in der üblichen Weise gekennzeichnet, so charakteristischen Merkmale der Legierung zu beein-

Claims

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trächtigen. Der Anteil solcher Verunreinigungen soll hängen von der Größe, Dicke und Form des ursprüng-0,3 °/o insgesamt nicht übersteigen. liehen Körpers sowie des fertiggestellten Werkstück-Für die Verwendung dieser Legierung als Werkstoff teils wie auch von dem angewendeten Bearbeitungsfür die Herstellung von Druckkesseln vereinigt die verfahren ab. Eine Kontrolle des »i?«-Wertes kann auf Legierung durch die bleibende Verformung bei der 5 einfache Weise durchgeführt werden, indem ein Probe-Formgebung geringes Gewicht und hohe Festigkeit stück von dem einen oder anderen Ende oder von insbesondere bei der Einwirkung einer zweiachsigen einem sonstigen Teil des Werkstückes abgeschnitten Verformungsbeanspruchung in ausgezeichneter Weise. und ein Zerreißversuch in der beschriebenen Weise

Die bleibende Verformung der erfindungsgemäß zu durchgeführt wird.

verwendenden Titanlegierung und damit die gewünschte io Die erfindungsgemäß zu verwendende Titanlegie-Textur und der »i?«-Wert können in dem verhältnis- rung vom α-Typ wird fertiggeschweißt. Die Schweißmäßig dünnen Mantelteil des Druckkessels auf jede temperatur kann in der unmittelbaren Nachbarschaft herkömmliche Art und Weise erzeugt werden. Die der Schweißstellen zu einer Rekristallisation der Legie-Legierung selbst kann durch Abschmelzen der Bestand- rung führen. Derartig begrenzte Verluste der Festigteile von einer selbstverzehrenden Elektrode in einem 15 keit können aber bei der Konstruktion des Kessels Lichtbogenofen zu einem Block hergestellt werden. berücksichtigt werden.

Der Sauerstoff kann in eine Elektrode eingelagert sein, Druckkessel, aus der erfindungsgemäß zu verwendie aus Titanoxyd, Titanschwamm und feinverteiltem denden Titanlegierung hergestellt und unter Innen-Aluminium besteht. Diese Elektrode wird dann ge- druckbeanspruchung auf Festigkeit geprüft worden schmolzen und der Block zur Steigerung der Homoge- 20 sind, haben nachweislich eine Bruchfestigkeit von nität noch einmal umgeschmolzen. Der so hergestellte 126,55 kp/mm² oder höher. Dies ist ein vergleichbarer Block wird dann verformt und kann zu Knüppeln ge- oder sogar besserer Wert als der, der theoretisch mit schmiedet werden, die anschließend zu Platinen und anderen Titanlegierungen hoher Festigkeit, die unter dann zu dünnem Blech ausgewalzt werden. Das Grob- günstigsten Bedingungen wärmebehandelt sind, erzielt walzen sollte bei Temperaturen unterhalb 870° C er- 25 werden könnte, und wenigstens ein Drittel höher als folgen, um die Einflüsse der Temperatur auf die bei anderen Titanlegierungen, die geglüht sind. Aus Kristallstruktur zu vermeiden. Zumindest sollte das Gründen, die oben erläutert wurden, kann eine Wärme-Feinwalzen unterhalb dieser Temperatur vonstatten behandlung nicht in allen Fällen zur Erreichung der gehen. Das Blech kann dann bei einer Temperatur theoretisch höchstmöglichen Festigkeit der Legierunzwischen 550 und 950° C entspannend geglüht werden, 30 gen angewendet werden, so daß die hohe Festigkeit, wobei dafür Sorge getragen werden muß, daß die die gemäß der Erfindung durch die Kristalltextur einTemperatur von 950° C nicht überschritten wird, da tritt, einen erheblichen Vorteil darstellt,
sonst Rekristallisation, Verfall der Kristallorientierung In der Praxis können Druckkessel, die aus der erfin- und Verlust der auf der Textur beruhenden Wirkung dungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung hergeeintreten. Die Behandlungszeit sollte bei höheren 35 stellt worden sind, in verschiedenen Formen dort verTemperaturen kurz sein und kann bei niedrigeren wendet werden, wo geringes Gewicht und hohe Festig-

Temperaturen etwas ausgedehnt werden. keit gegen Innen- und Außendruck verlangt werden.

Die bleibende Verformung kann auch durch andere Sie können als Druckflaschen für die Speicherung von

Bearbeitungsverfahren erreicht werden. Ein Rohr oder unter Druck stehendem Gas in Raketen oder als

ein Rohling können beispielsweise durch Strang- 40 Treibstoffcanks in Raketen eingesetzt werden, wo sie

pressen geformt werden und dann durch Drücken oder als Behälter für flüssigen Sauerstoff oder andere Gase

Rundschmieden fertig geformt werden. Auch das so- unter hohem Druck und bei niedriger Temperatur

genannte indirekte Strangpressen ist anwendbar, bei dienen.

dem ein flacher Rohling zwischen Matrize und Patrize Patentansprüche·
zur Erzeugung einer bleibenden Verformung durch 45

Verringerung der Dicke und endgültiger Formgebung 1. Verwendung einer Titanlegierung, bestehend gepreßt wird. Es ist notwendig, daß die bleibende Ver- aus 3,5 bis 4,5 °/₀ Aluminium, 0,2 bis 0,3 % Sauerformung, durch welche Mittel sie auch immer erreicht stoff, Rest Titan mit den üblichen Verunreinigunwird, eine genügend große Auswirkung der Bearbei- gen, als Werkstoff zur Herstellung von mechanisch tung ergibt, um z. B. die Dicke des Materials um 50 hochbeanspruchten Bauteilen, insbesondere von wenigstens 10 ⁰J₀, vorzugsweise jedoch 50 °/₀ und mehr kugelförmigen oder zylindrischen Druckkesseln, zu verringern, um eine genügende Ausrichtung und mit der Maßgabe, daß die Titanlegierung bei der Textur zu bewirken, damit der »J?«-Wert größer als 5 Herstellung der Bauteile durch mechanische Mittel, ist. Die endgültige maschinelle Bearbeitung sollte so wie Walzen, Drücken, Ziehen oder Strangpressen, durchgeführt werden, daß die endgültig bearbeitete 55 auf einen »i?«-Wert von größer als 5 bleibend verOberfläche im wesentlichen parallel zu den Ober- formt ist.

flächen der Zwischenerzeugnisse liegt, so daß die 2. Verwendung einer Titanlegierung mit 4°/₀

Kristallorientierung in^bezug auf die Oberfläche bei- Aluminium, 0,25 °/₀ Sauerstoff, Rest Titan und

behalten wird. übliche Verunreinigungen für den Zweck nach

Die genauen Bedingungen sind unterschiedlich und 60 Anspruch 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen