DE2107941C3

DE2107941C3 -

Info

Publication number: DE2107941C3
Application number: DE19712107941
Authority: DE
Inventors: Minoru Akashi Hyogo Nishigaki; Shitoshi Osaka Ohtani
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1971-02-19
Filing date: 1971-02-19
Publication date: 1978-09-21
Also published as: DE2107941B2; DE2107941A1

Description

Die Erfindung betrifft einen oberflächengehärteten Metallkörper aus Titan, Zirkonium, einer Titanlegierung oder einer Zirkoniumlegierung mit einem Überzug aus einer Titan- oder Zirkoniumlegierung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Metallkörpers.The invention relates to a surface-hardened metal body made of titanium, zirconium or a titanium alloy or a zirconium alloy with a coating of a titanium or zirconium alloy. the The invention also relates to a method for producing such a metal body.

Titan und Zirkonium besitzen im Vergleich mit anderen Metallen im allgemeinen überlegene Korrosionsfestigkeit und finden daher weitverbreitete Verwendung auf zahlreichen Anwendungsgebieten sowie auf dem Chemiegebiet. Da diese Metalle jedoch geringe Härte aufweisen, zeigen sie den Nachteil, daß bei Reibung der Metalle gegeneinander leicht Festfressen auftritt. Dadurch wird das Erschließen weiterer Anwendungszwecke für diese Metalle weitgehend verhindert.Titanium and zirconium generally have superior corrosion resistance when compared to other metals and therefore find widespread use in numerous applications as well in the field of chemistry. However, since these metals have poor hardness, they have the disadvantage that seizure easily occurs when the metals rub against each other. This will open up further Applications for these metals largely prevented.

Es wurde vorgeschlagen, die Oberfläche von Metallen dieses Typs zu härten. Nach einem Vorschlag wird das Härten der Oberfläche durch Nitridbildung vorgenommen. Diese Methode nutzt die Tatsache aus, daß Titan und Zirkonium bei hohen Temperaturen über 500° C stark aktiviert werden und bei hohen Temperaturen über 800° C unter Bildung einer festen Lösung des Nitrids und entsprechender Diffusionsschichten reagieren. Dabei werden Titan und Zirkonium in einem Nitriergas bei Temperaturen von 800 His 900" C einer Kontaktbehandlung unterworfen, um ihre Oberfläche zu härten. Diese Methode wurde zwar bereits praktisch angewendet, da jedoch die nach dieser Methode erhaltene gehärtete Oberflächenschicht außerordentlich dünn ist. zeigt sie nur sehr geringe Haltbarkeit, obwohl der Behandlungsvorgang It has been suggested to harden the surface of metals of this type. According to a suggestion the hardening of the surface is carried out by nitride formation. This method takes advantage of the fact that titanium and zirconium are strongly activated at high temperatures above 500 ° C and at high temperatures Temperatures above 800 ° C react to form a solid solution of the nitride and corresponding diffusion layers. This will be titanium and zirconium subjected to a contact treatment in a nitriding gas at temperatures of 800 His 900 "C, to harden their surface. This method has already been used in practice, but since the after The hardened surface layer obtained by this method is extremely thin. It shows very little durability, despite the treatment process

sehr kompliziert ist. Darüber hinaus besitzen auch die anderen bekannten Methoden unvermeidbare Nachteile. Die bekannten Methoden sind nicht so wirksam, daß diese Nachteile überwunden werden können.is very complicated. In addition, the other known methods also have unavoidable disadvantages. The known methods are not so effective that these disadvantages can be overcome.

Aus der GB-PB 869197 ist bereits ein oberflächengehärteier Metallkörper aus Titan oder einer Titanlegierung bekannt, der einen Oberflächenüberzug aus einer Titanlegierung aufweist. Auch dieser aus dieser Druckschrift bekannte oberflächengehärtete Metallkörper ist noch nicht in jeder Hinsicht technologisch zufriedenstellend.From GB-PB 869197 there is already a surface hardened egg Metal body made of titanium or a titanium alloy known, which has a surface coating a titanium alloy. Also this surface-hardened metal body known from this publication is not yet technologically satisfactory in every respect.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oberflächengehärteten Metallkörper der oben beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, der verbesserte technologische Eigenschaften und insbesondere eine höhere Härte aufweist.The invention is based on the object of a surface-hardened metal body of the type described above Kind to provide the improved technological properties and in particular has a higher hardness.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein oberfläche ngehärteter Metallkörper aus Titan, Zirkonium, einer Titanlegierung oder einer Zirkoniumlegierung mit einem Überzug aus einer Titan- oder Zirkoniumlegierung, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Überzug aus einer durch Aushärten einer metastabilen Beta-Titan- oder Beta-Zirkoniumlegierung gehärteten Schicht besteht.The invention therefore relates to a surface-hardened metal body made of titanium, zirconium, a titanium alloy or a zirconium alloy with a coating of a titanium or zirconium alloy, which is characterized in that the coating consists of a by curing a metastable Beta titanium or beta zirconium alloy hardened layer consists.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Metallkörpers, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Überzug aus einer metastabilen Beta-Titan- oder Beta-Zirkoniumlegierung aufgebracht und dieser bei 200 bis 600° C ausgehärtet wird.The invention also relates to a method for the production of the metal body described above, which is characterized in that a Coating made of a metastable beta-titanium or beta-zirconium alloy is applied and this at 200 to 600 ° C is cured.

Die als Oberflächenschicht vorliegende metastabile Beta-Legierung kann dem Ti(Zr)-Mo-Typ, dem Ti(Zr)-V-Typ, dem Ti(Zr)-Fe-Typ, dem Ti(Zr)-Cr-Typ,Ti(Zr)-Mn-Typ,Ti(Zr)-Nb-Typ,Ti(Zr)-Ta-Typ angehören oder Zircaloy-2 oder Zircaloy-4 sein. Neben den genannten binären Legierungen kann sie aus Mehrfachlegierungen bestehen, die drei oder mehr Elemente enthalten.The metastable beta alloy present as the surface layer can be of the Ti (Zr) -Mo type, the Ti (Zr) -V-Type, Ti (Zr) -Fe-Type, Ti (Zr) -Cr-Type, Ti (Zr) -Mn-Type, Ti (Zr) -Nb-Type, Ti (Zr ) -Ta type belong to or be Zircaloy-2 or Zircaloy-4. Next to The said binary alloys, it can consist of multiple alloys, the three or more Elements included.

Die genannten Legierungen auf Titan-Basis können dem Ti-6A1-4V-Typ, Ti-5Al-2Cr-lFe-Typ, Ti-5Al-2,5Sn-Typ, Ti-0,2Pd-Typ, Ti-SMn-Typ, Ti-8AI-lMo-lV-Typ, Ti-6AI-6V-2Sn-Typ, Ti-4AI-3Mo-lV-Typ, Ti-2Cu-Typ, Ti-2AI-2Mn-Typ, Ti-2,25AI-USn-SZr-IMo-O₁ISi-TyP, Ti-5AI-5Sn-5Zr-Typ angehören. Die erwähnten Legierungen auf Zirkonium-Basis können Zircaloy 2 oder Zircaloy-4 sein.The titanium-based alloys mentioned can be of the Ti-6A1-4V type, Ti-5Al-2Cr-1Fe-type, Ti-5Al-2.5Sn-type, Ti-0.2Pd-type, Ti-SMn-type , Ti-8AI-IMo-IV type, Ti-6AI-6V-2Sn type, Ti-4AI-3Mo-IV type, Ti-2Cu type, Ti-2AI-2Mn type, Ti-2.25AI -USn-SZr-IMo-O ₁ ISi-TyP, Ti-5AI-5Sn-5Zr-Type. The zirconium-based alloys mentioned can be Zircaloy 2 or Zircaloy-4.

Wenn erfindungsgemäß die metastabile Beta-Lcgierung auf Basis von Titan oder Zirkonium bei niedrigen Temperaturen von 200 bis 600° C ausgehärtet wird, so zersetzt sich die Beta-Phase unter Ausscheidung der Alpha-Phase oder der entsprechenden Zwischenphase, d. h. der Omega-Phase, wodurch die Legicrung außerordentlich stark gehärtet wird. Erfindungsgemäß wird von dieser Tatsache in folgender Weise Gebrauch gemacht: Die in der metastabilen Beta-Phase vorliegende Legierung dieses Typs wird anfänglich auf die Oberfläche des zu behandelnden Metalls aufgetragen, und die beschichtete Oberfläche wird in einem niedrigen Temperaturbereich wärmebehandelt, so daß nur die Oberflächenschicht des her zustellenden Titan- oder Zirkonium-Endprodukts ausgehärtet wird.If according to the invention the metastable beta alloy based on titanium or zirconium at low If the temperature is cured from 200 to 600 ° C, the beta phase decomposes with precipitation the alpha phase or the corresponding intermediate phase, d. H. the omega phase, whereby the Legicrung is hardened extremely strongly. According to the invention of this fact in the following Wise use made: the alloy of this type present in the metastable beta phase is initially applied to the surface of the metal to be treated, and the coated surface is heat-treated in a low temperature range, so that only the surface layer of the to be delivered titanium or zirconium end product is hardened.

Das Überziehen der Oberfläche des zu behandeln den Metalls mit der metastabilen Beta Phase der Legierung kann beispielsweise durch Diffusionsschweißen oder Lxplosionssjhweißen erfolgen; als wirksamCoating the surface of the treat The metal with the metastable beta phase of the alloy can for example by diffusion welding or explosion welding takes place; as effective

ste und einfachste Methode kann jedoch Auftragsschweißen angewendet werden. Da die auf die Metalloberfläche aufzutragende metastabile Beta-Legierung das gleiche Basismetall enthält wie das zu behandelnde Metall, besteht keine Möglichkeit, daß der geschweißte Bereich durch metallurgische Reaktion brüchig wird.However, build-up welding can be used in the easiest and simplest method. Since the Metal surface to be applied metastable beta alloy contains the same base metal as that to treating metal, there is no possibility that the welded area due to metallurgical reaction becomes brittle.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erforderlich, daß die überzogene Oberfläche während einer geeigneten Dauer im Bereich von 5 min bis 20 h in einem Temperaturbereich von 200 bis 600° C ausgehärtet wird. Wird das Härten während einer Dauer von weniger als 5 min durchgeführt, so können technische Schwierigkeiten auftreten, und bei einer Dauer von mehr als 20 h ist das Verfahren technisch nicht wirkungsvoll. Wird die überzogene Oberfläche bei Temperaturen von 500 bis 600° C ausgehärtet, so tritt eine Überalterung ein, die ein Erweichen der Legierung bewirkt.In the method according to the invention, it is necessary that the coated surface during a cured for a suitable time in the range of 5 min to 20 h in a temperature range of 200 to 600 ° C will. If the hardening is carried out for a period of less than 5 minutes, technical Difficulties arise, and if the duration exceeds 20 hours, the process is not technical effective. If the coated surface is cured at temperatures of 500 to 600 ° C, it occurs an overaging, which causes a softening of the alloy.

Der übrige Behandlungsvorgang kann unter den üblichen Bedingungen vorgenommen werden, die auf diesem Gebiet der Technik bekannt sind.The remainder of the treatment process can be carried out under the usual conditions specified on are known in the art.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachstehend in Zusammenhang mit den Zeichnungen detaillierter beschrieben.For a better understanding of the invention, it is explained below in conjunction with the drawings described in more detail.

In diesen Zeichnungen bedeuten die Fig. 1 und 2 graphische Darstellungen der Verteilung der Härte einer erfindungsgemäß behandelten Legierung auf Titan-Basis.In these drawings, Figs. 1 and 2 are graphs showing the distribution of hardness a titanium-based alloy treated according to the invention.

In Fig. 1 wird die Verteilung der Härte dargestellt, die durch erfindungsgemäße Behandlung resultiert. Als Basismctall wurde eine Platte aus reinem Titan verwendet und der erfindungsgemäßen Behandlung unterworfen. Eine Legierung des Typs Ti-15Mo-5Zr wurde durch WIG-Schweißen auf die Oberfläche der Platte aus reinem Titan aufgetragen und danach während 6 h bei 450° C einer Aushärtungsbehandlung unterworfen. Auf diese Weise konnte eine gehärtete Oberflächenschicht erhalten werden, die, wie in Fi g. 1 gezeigt ist, eine ausreichend hohe Härte aufweist.In Fig. 1 the distribution of hardness is shown, resulting from treatment according to the invention. A plate made of pure titanium was used as the base metal used and subjected to the treatment according to the invention. An alloy of the type Ti-15Mo-5Zr was applied by TIG welding to the surface of the pure titanium plate and thereafter during Subjected to a curing treatment at 450 ° C. for 6 h. In this way a hardened one could Surface layer are obtained which, as shown in Fi g. 1 has a sufficiently high hardness.

In Fig. 2 ist ebenfalls die Verteilung der Härte dargestellt, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt wurde. Eine Platte aus einer Titan-Legierung des Typs Ti-5AI-2Cr-lFe wurde als zu behandelndes Metall verwendet. Diese Legierung wurde ebenfalls nach der bei Fig. 1 beschriebenen Methode beschichtet. Danach wurde die aufgetragene Legierung einer Lösungsbehandlung bei einer Temperatur von 800° C während 2 h unterworfen, danach mit Wasser abgekühlt und ebenfalls bei einer Temperatur von 450° C während 6 h ausgehärtet, wonach schließlich ein Abkühlen mit Hilfe von Luft folgte. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, konnte eine gehärtete Oberflächenschicht mit ausreichend hoher Härte erzielt werden.In Fig. 2, the distribution of hardness is also shown, which with the aid of the method according to the invention was achieved. A plate made of a titanium alloy of the type Ti-5Al-2Cr-lFe was used as to treating metal used. This alloy was also made according to that described for FIG Method coated. Thereafter, the applied alloy underwent a one temperature solution treatment of 800 ° C for 2 h, then cooled with water and also at one temperature cured at 450 ° C for 6 h, which was finally followed by cooling with the aid of air. As shown in Fig. 2, a hardened surface layer having sufficiently high hardness could be obtained will.

Aus dieser Beschreibung ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße oberflächengehärtete reine Titan oder Zirkonium oder die oberflächengehärteten Legierungen auf Titan- oder Zirkonium-Basis einen Überzug aus einer Schicht einer metastabilen Beta-Legierung mit Titan oder Zirkonium als Basismetall aufweisen, die wärmebehandelt wurde, um sie ausreichend auszuhärten, und daß die Dicke der oberflächengehärteten Schicht genau entsprechend dem vorgesehenen Verwendungszweck gewählt werden kann. Da außerdem die Schicht vor der Härtungsbehandlung relativ weich ist, wie aus den Daten der graphischen Darstellungen in den Zeichnungen ersichtlich ist, ist es leicht möglich, das Metall auch nach dem Auftragen der Schicht zu bearbeiten, wie spanabhebend zu formen und in jede beliebige Gestalt zu bringen, und es ist besonders gut geeignet zur Herstellung von Rührschaufeln, Ventilen, Lagerschalen und dergleichen. From this description it can be seen that the surface-hardened pure titanium according to the invention or zirconium or the surface-hardened titanium or zirconium-based alloys Coating of a layer of a metastable beta alloy with titanium or zirconium as the base metal that has been heat-treated to cure it sufficiently, and that the thickness of the surface-hardened Layer can be chosen exactly according to the intended use. In addition, since the layer is relatively soft before the hardening treatment, as shown in the data of the graphic Representations in the drawings can be seen, it is easily possible to use the metal even after Application of the layer to work, to shape like by cutting and to bring into any shape, and it is particularly well suited for making impellers, valves, bearing shells, and the like.

Da durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Überzugsschicht aus einer metastabilen Beta-Legierung gebildet wird, die demselben Typ wie das behandelte Metall angehört, und die Überzugsschicht zur Aushärtung wärmebehandelt wird, wobei oberflächengehärtetes reines Titan oder Zirkonium oder Legierungen auf Titan- oder Zirkonium-Basis erhalten werden, kann die Dicke der oberflächengehärteten Schicht in geeigneter Weise für den Verwendungszweck des Endprodukts ausgewählt werden, und es isl außerdem möglich, das Metall in jeder beliebigen Form zu verarbeiten.Since by the method according to the invention a coating layer made of a metastable beta alloy which is of the same type as the metal being treated, and the coating layer for Hardening is heat treated using surface hardened pure titanium or zirconium or alloys based on titanium or zirconium can be obtained, the thickness of the surface-hardened Layer can be selected appropriately for the intended use of the final product, and it It is also possible to process the metal in any shape.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Surface-hardened metal body made of titanium, zirconium, a titanium alloy or a Zirconium alloy with a coating of a titanium or zirconium alloy, characterized in that that the coating of a by curing a metastable beta titanium or Beta zirconium alloy is made of hardened layer.

2. Metal body according to claim 1, characterized in that the metastable beta alloy made of titanium or zirconium with one or more of the elements molybdenum, vanadium, iron, Chromium, manganese, niobium and tantalum is made up of it.

3. A method for producing the metal body according to claim 1 or 2, characterized in that that a coating of a metastable beta-titanium or beta-zirconium alloy is applied and this is hardened at 200 to 600 ° C.

4. The method according to claim 3, characterized in that the coating by diffusion welding, Explosion welding or surfacing is applied.

5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that hardened at 200 to 500 ° C will.

6. The method according to claim 3 to 5, characterized in that for a period of Is cured for 5 minutes to 20 hours.