DE19546975A1

DE19546975A1 - Schmiedeverfahren für Titanlegierungen

Info

Publication number: DE19546975A1
Application number: DE19546975A
Authority: DE
Inventors: Bong Yong Um
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 1994-12-16
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 1996-06-20
Anticipated expiration: 2015-12-16
Also published as: DE19546975B4; US5603235A; KR100207103B1; KR960023249A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmiedeverfahren für Titanlegie rungen, insbesondere ein Verfahren zur Verhinderung der Ausbildung ei ner Oxidschicht während eines Schmiedeverfahrens für Titanlegierungen.

In den letzten Jahren ist die Entwicklung eines verschmutzungsarmen Au tomobils mit geringerem Kraftstoffverbrauch eines der wichtigsten Ziele der Automobilindustrie gewesen.

Im allgemeinen können eine Verbesserung der Motorleistung, Verbesse rung der Wärmebeständigkeit, Verringerung des Gewichts der Motorkom ponenten und Verringerung des Laufwiderstandes sowie des Karosserie gewichts die Kraftstoffeffizienz eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors verbessern. Eine Verbesserung der Motorleistung und der Wärmeeffizienz kann leichter und direkter durch eine Verringerung des Gewichts der Mo torkomponenten, insbesondere der hin- und herbewegenden Komponen ten, wie Pleuelstangen und Kolben, als durch Reduzierung des Gewichts der Karosserie erzielt werden. Daher war dieses Gebiet Ziel umfangreicher Forschungen und Entwicklungen.

Die Motorleistung und die Kraftstoffeffizienz können durch Verwendung eines leichtgewichtigen Materials verbessert werden, um die Trägheit ei ner Motorkomponente zu verringern, wodurch Reibungsverluste reduziert werden. Titanlegierungen mit hohen Härte-zu-Gewichts-Verhältnissen sind aussichtsreiche Materialien für Motorkomponenten.

In der Raumfahrtindustrie wird Titan aufgrund seiner ausgezeichneten Wärmebeständigkeit und Härte für Leicht-Komponenten verwendet, wie etwa Flugzeug-Karosserierahmen und -Tragflächen, sowie Strahltrieb werk-Turbinenblätter.

Obwohl Titan eine überlegene Härte und Wärmebeständigkeit aufweist, ist es im Vergleich zu Aluminium dermaßen teuer, daß seine Anwendung be grenzt ist. In jüngster Zeit hat sich jedoch, da ein verbessertes Verhü tungsverfahren entwickelt worden ist und neue Resourcenmaterialien entdeckt worden sind, der Titanpreis verringert, so daß es für eine breite Anwendung in der Kraftfahrzeugindustrie tragbar geworden ist. Demzu folge sind zahlreiche Arten von Titanlegierungen für kraftfahrttechnische Transmissionen und Motoren, welche einer hohen Temperatur und me chanischer Spannung widerstehen müssen, entwickelt worden.

Beispielsweise ist eine 10 Gew.-% Vanadium, 2 Gew.-% Eisen und 3 Gew.-% Aluminium enthaltende Titanlegierung hart und leicht zu schmieden, kann eine 15 Gew.-% Vanadium und 3 Gew.-% Chrom, Aluminium und Zinn enthaltende 15-3 Titanlegierung bei Umgebungstemperatur gewalzt werden, und eine 2 Gew.-% Vanadium, 2 Gew.-% Zinn, 4 Gew.-% Zink und 2 Gew.-% Molybdän enthaltende Titanlegierung zeigt eine hohe Tempera turbeständigkelt.

Die JP-A-89-95837 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Titan legierungsmaterials vom β-Typ, bei dem eine entzunderte Titanlegierung vom β-Typ abgestrahlt, zinkphosphatiert, mit Wasser gewaschen, mit ei ner Metallseife vom Reaktionstyp behandelt, getrocknet und kaltge schmiedet wird.

Diese Titanlegierungen bilden jedoch eine Oxidschicht aus TiO oder TiO₂, welche die Dauerfestigkeit der Legierung herabsetzt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung oder können durch Anwendung der Erfindung festgestellt werden. Die Ziele und weitere Vorteile der Erfindung können durch das hier näher beschriebene Verfahren, ebenfalls im Zusammen hang mit den Zeichnungen, verwirklicht und erzielt werden.

Die vorliegende Erfindung löst das oben geschilderte Problem und verhin dert die Zerstörung oder den Abbau der Dauerfestigkeit der Titanlegierung bei einer hohen Temperatur.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Schmiedeverfahren für eine Titanlegierung anzugeben, wobei die Bildung einer Oxidschicht vermieden wird.

Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht. Vorteil hafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung sieht ein Oberflächenbehandlungsverfahren zur Herstel lung von Titanlegierungen vor, umfassend die Schritte des Eintauchens der Titanlegierung in eine Wasserglaslösung zur Bildung einer Wasser glasoberflächenschicht auf der Titanlegierung, des Trocknens der Was serglasoberflächenschicht und des Schmiedens der Titanlegierung.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zei gen:

Fig. 1 eine Elektronenmikrophotographie, bei der die Oberfläche eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Produkts gezeigt ist;

Fig. 2 eine Elektronenmikrophotographile, bei der die Oberfläche eines nach dem Stand der Technik hergestellten Produkts gezeigt ist; und

Fig. 3 eine Photographie, bei der die Oberfläche von nach dem Stand der Technik hergestellten Produkten aus Stahl, Titan, sowie einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Titanlegierung verglichen wird.

Bei der vorliegenden Erfindung wird das Schmiedeverfahren durchge führt, nachdem eine Schicht aus Wasserglas (das heißt Natriumsilikat) auf der Oberfläche der Titanlegierung gebildet worden ist, um eine Ober flächenoxidation zu verhindern. Daher kann die Dauerfestigkeit der Titan legierung erhöht werden.

Es gibt viele Arten von Wassergläsern. Die bei der vorliegenden Erfindung bevorzugte Wasserglaslösung ist jedoch aus etwa 20-30 Gew.-% Silicium oxid, etwa 5 Gew.-% Natriumoxid und etwa 70-80 Gew.-% Wasser zusam mengesetzt. Der pH des bevorzugten Wasserglases beträgt etwa 10 bis 11. Im Hinblick auf die Homogenität, wirtschaftliche Effizienz sowie Hand habbarkeit der Beschichtung sollte die Viskosität der Wasserglaslösung in engen Grenzen reguliert werden. Die bevorzugte Viskosität der Wasser glaslösung bei der Messung mittels eines Ford-Bechers #4 bei 18°C beträgt erfindungsgemäß etwa 35 bis 36 Sekunden. Wenn die Viskosität der Was serglaslösung geringer als dieser Bereich ist, ist es schwierig, die Be schichtung auf der Oberfläche der Titanlegierung zu bilden, und oberhalb dieses Bereichs ist es schwierig, eine homogene Beschichtung auszubil den.

Bei der vorliegenden Erfindung kann die Legierung gereinigt und gebeizt werden, um Öl, Schmutz, Oxide oder andere Verunreinigungen von der Oberfläche der Titanlegierung zu entfernen, bevor die Wasserglasoberflä chenschicht auf der Titanleglerung ausgebildet wird. Bei der bevorzugten Alkalireinigung wird eine etwa 10 bis 15 gew.-%-ige wäßrige Natriumhy droxidlösung verwendet. Nach der Alkalireinigung kann eine Beizung durchgeführt werden durch einmaliges Eintauchen in eine Beizlösung, die 2% Fluorwasserstoffsäure, 15% Salpetersäure und 83% Wasser umfaßt, während 3 bis 5 Minuten.

Das bevorzugte Verfahren besteht jedoch darin, zuerst die gereinigte Le gierung in eine erste Beizlösung aus 1% Fluorwasserstoffsäure, 15% Sal petersäure und 84% Wasser einzutauchen und dann die Legierung in eine hoch konzentrierte zweite Beizlösung aus 3% Fluorwasserstoffsäure, 20% Salpetersäure und 77% Wasser einzutauchen. Bei dem bevorzugten Beiz verfahren wird die Legierung während 3 bis 5 Minuten in jeder Beizlösung gehalten. Der Beizschritt resultiert in einer noch homogeneren Wasser glasbeschichtung.

Nach der Alkalireinigung und dem Beizen wird die Wasserglasschicht auf der Oberfläche der Titanlegierung durch Eintauchen dieser in die Wasser glaslösung gebildet.

Die auf die Oberfläche der Titanlegierung aufgebrachte Wasserglasschicht wird vorzugsweise in einem Ofen oder einem Elektroofen bei etwa 110 bis 130°C während etwa 5 bis 10 Minuten getrocknet. Wenn das Wasserglas über eine lange Zeit der Atmosphäre ausgesetzt wird, kann es abblättern. Daher sollte die mit dem Wasserglas beschichtete Titanlegierung so schnell wie möglich (innerhalb 24 Stunden) nach der Beschichtung ge schmiedet werden. An der geschmiedeten Legierung kann ein Kugelstrah len bzw. Strahlsandblasen durchgeführt werden, um irgendwelche Rest spannung zu eliminieren. Nach dem Kugelstrahlen kann die Beizbehand lung nochmals durchgeführt werden, um die Dauerfestigkeit durch Ent fernen irgendeiner teilweise gebildeten Oxidschicht zu verbessern.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden die Effekte der vorliegen den Erfindung im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Elektronenmikrophotographie der Oberfläche eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, geschmiedeten Pro dukts. Fig. 2 ist eine Elektronenmikrophotographie der Oberfläche eines geschmiedeten Produkts ohne die erfindungsgemäße Wasserglas-Schutz schicht.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, bildet die nach dem erfindungsgemä ßen Schmiedeverfahren behandelte Titanlegierung eine Oxidschicht von etwa 3 µm Dicke (3 in Fig. 1). Dazu gegensätzlich bildet die Titanlegierung ohne die Wasserglas-Schutzschicht eine Oxidschicht von etwa 15 µm Dicke (3 in Fig. 2).

Fig. 3 ist eine Photographie, bei der die Oberflächenkorrosion von Pleuel stangen aus Stahl gemäß dem Stand der Technik und einer nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren hergestellten Titanlegierung verglichen wird. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist auf der erfindungsgemäß geschmiedeten Titanle gierung mit einem Wasserglas-Schutzfilm keine Korrosion zu beobachten. Dazu gegensätzlich ist auf der Titanlegierung ohne Wasserglas-Schutzfilm eine beträchtliche Korrosion zu sehen.

Wie die obigen Ergebnisse zeigen, kann die Oxidationsbeständigkeit einer Titanlegierung durch ein Verfahren verbessert werden, bei dem eine Was serglasoberflächenschicht vor dem Schmieden der Titanlegierung gebildet wird.

Nachfolgend werden ein bevorzugtes Arbeitsbeispiel sowie ein Referenz beispiel beschrieben.

Arbeitsbeispiel

Eine gewöhnliche Titanlegierung wurde in einem 10-15 Gew.-% wäßriges Natriumhydroxid enthaltenden Alkalibad während 5 Minuten gereinigt, mit Wasser gewaschen, in eine Beizlösung aus 2% Fluorwasserstoffsäure, 15% Salpetersäure und 83% Wasser während 3 bis 5 Minuten einge taucht, mit Wasser gewaschen, getrocknet, in eine 20-30 Gew.-% Silicium oxid, etwa 5% Natriumoxid, Rest Wasser und Spuren an Verunreinigun gen enthaltende Wasserglaslösung während 10 Minuten eingetaucht, um auf der Oberfläche eine Wasserglasschicht zu bilden. Diese wurde dann in einem Ofen oder Elektroofen bei 110 bis 130°C während 5 Minuten ge trocknet, um eine Wasserglasschicht vom 20 µm Dicke mit einer feinen Netzwerkstruktur durch Entfernen des Wassers von der Oberfläche zu bil den. Dann wurde durch Schmieden der Titanlegierung mit dieser Schicht eine Probe hergestellt. Wie in Fig. 1 gezeigt, besaß die Oberflächenoxid schicht der Probe eine Dicke von etwa 3 µm.

Referenzbeispiel

Eine gewöhnliche Titanlegierung wurde als eine Probe geschmiedet und hergestellt. Wie in Fig. 2 gezeigt, besaß die Oberflächenoxidschicht der Probe eine Dicke von etwa 15 µm.

Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß zahlreiche Modifikationen und Variationen des beschriebenen Verfahrens und des Produkts durchge führt werden werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlas sen.

Claims

1. Verfahren zum Schmieden einer Titanlegierung, umfassend die Schritte:
Eintauchen einer Titanlegierung in eine Wasserglaslösung zur Bil dung einer Wasserglasschicht auf der Titanlegierung;
Trocknen der Wasserglasschicht; und
Schmieden der Titanlegierung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wasserglaslösung eine etwa 20-30 Gew.-% Siliciumoxid, etwa 5 Gew.-% Natriumoxid und etwa 70-80 Gew.-% Wasser enthaltende alkalische Lösung ist und einen pH von etwa pH 10 bis pH 11 aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Viskosität der Wasser glaslösung bei der Messung mit einem Ford-Becher #4 bei 18°C etwa 35 bis 36 Sekunden beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Wasserglas schicht auf der Titanlegierung in einem Ofen oder einem Elektroofen bei etwa 110 bis 130°C während etwa 5 bis 10 Minuten getrocknet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend weiterhin das Reinigen der Legierung in einer Alkalireinigungslösung, vor dem Ein tauchen der Legierung in die Wasserglaslösung.

6. Verfahren nach Anspruch 5, umfassend weiterhin das Beizen der Le gierung in einer ersten Beizlösung nach dem Reinigen der Legierung und vor dem Eintauchen der Legierung in die Wasserglaslösung.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erste Beizlösung etwa 2% Fluorwasserstoffsäure, 15% Salpetersäure und 83% Wasser umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, umfassend weiterhin das Beizen der Le gierung in einer zweiten Beizlösung nach dem Beizen in der ersten Beizlö sung und vor dem Eintauchen der Legierung in die Wasserglaslösung.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erste Beizlösung etwa 1% Fluorwasserstoffsäure, 15% Salpetersäure und 84% Wasser und die zwei te Beizlösung etwa 3% Fluorwasserstoffsäure, 20% Salpetersäure und 77 % Wasser umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend weiterhin das Kugelstrahlen der Legierung nach dem Schmieden der Legierung.

11. Verfahren nach Anspruch 10, umfassend weiterhin das Beizen der Legierung nach dem Kugelstrahlen.