DE2157752A1

DE2157752A1 - Verfahren zur Verbesserung eines Metallgußstü ckes

Info

Publication number: DE2157752A1
Application number: DE19712157752
Authority: DE
Inventors: Kenneth Walter Cincinnati Ohio Stalker (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-11-22
Publication date: 1972-07-06
Also published as: IT943696B; DE2157752C2; US3758347A; GB1338917A; BE774828A; JPS5551008B1; FR2119510A5

Description

Verfahren zur Verbesserung eines-Metallgußstückes

Im allgemeinen enthalten Metallgußstücke Poren, Mikrospalten (microfissures) und innere Risse (internal tears). Die Porosität und Mikrospalten in Gußstücken können durch die Form verursacht werden, in die das Metall gegossen wurde, sofern diese kälter als das Metall ist. Polglich verfestigen sich die den Formwänden benachbarten Oberflächen und die den Oberflächen eines möglicherweise anwesenden Gußkernes benachbarten Oberflächen zuerst. Dann verfestigt sich das Metall zwischen diesen Oberflächen. Das Ergebnis ist, daß der zentrale Bereich des Gußstückes zwischen den Oberflächen weniger dicht als das Metall an den Oberflächen 1st und Porosität und Mikrospalten aufweisen kann.

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In einigen Gußstücken, aus denen Gußarbikel hergestellt werden, können einige Ungleichmäßigkeiten oder Störstellen toleriert werden. In Gußstücken jedoch, aus denen gewisse Bestandteile von Strahltriebwerken hergestellt werden, wie Turbinenflügel und Schaufeln, die relativ scharfen Betriebsbedingungen unterworfen sind, können Ungleichmäßigkeiten die Ursache dafür sein, solche Gußstücke als Ausschuß auszuscheiden. Alle Ungleichmäßigkeiten verursachen eine Verringerung der optimalen mechanischen Eigenschaften.

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung eines Metallgußstückes zu schaffen,, indem man solche Ungleichmäßigkeiten, wie Poren, Warmrisse und Mikrospalten aus dessen innerer Struktur eliminiert.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Ungleichmäßigkeiteri aus der inneren Struktur eines Gußkörpers zu entfernen, während gleichzeitig seine mechanischen Eigenschaften verbessert werden.

Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und spezifischer Beispiele näher erläutert.

Kurz gesagt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verbesserung der strukturellen Integrität und der mechanischen Eigenschaften des Metallgußkörpers, der Ungleichmäßigkeiten in seiner inneren Struktur aufweist, ein Druck auf die äußeren Oberflächen des Gußkörpers ausgeübt, welche die Ungleichmäßigkeit umgeben, während' zur gleichen Zeit der Gußkörper zumindest in dem Teil mit den Ungleichmäßigkeiten erhitzt wird. Die Temperatur, auf die erhitzt wird, ist geringer als jene, welche eine wesentliche Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Metalls verursachen würde. Die kombinierte Anwendung von Druck und Erhitzen für eine bestimmte Zeit reicht aus, die Wände

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der Störstellen zusammenzupressen und durch Diffusion zu verbinden.

In einer spezielleren Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung besonders im Zusammenhang mit den festeren Legierungen brauchbar, die manchmal auch als Superlegierungen bezeichnet werden und als Grundlage die Übergangselemente Nickel, Kobalt und Eisen, aber auch Titan haben. Der Temperaturbereich, auf den solche Materialien erhitzt werden, reicht von etwa 700 bis etwa 125O°C (I3OO bis 225O⁰F) und hängt von der behandelten Legierung ab. Die Temperatur wird so ausgewählt, daß bei einem Druck von beispielsweise 0,07 bis 2100 kg/cm² (1 bis 30.000 psi) und während einer Anwendungszeit von beispielsweise 1/2 bis l6 Stunden keine wesentliche Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Metalles nach der Behandlung auftritt.

Wie bereits ausgeführt, wird die vorliegende Erfindung mit besonderem Vorteil bei den hochfesten Legierungen auf der Basis der Elemente Nickel, Kobalt, Eisen und Titan angewendet. Bei der Bearbeitung der vorliegenden Erfindung wurde eine Vielzahl von Legierungen, einschließlich der in der folgenden Tabelle I mit ihren Nominal-Zusammensetzungen angegebenen Legierungen, untersucht. Wo in den Beispielen Legierungsnamen verwendet werden, beziehen sich diese auf die in der Tabelle I gezeigten Zusammensetzungen.

? (J ü 0 / 8 / 0 5 4 3

Tabelle I

Nominal-Zusammensetzung (GeTH.~%)

CT! -fr-

Legie-» rung

Rene'80 Rene'TOO Ti 6-4 X-40 17-4PH AISI

0,17 0,17

o,5:

0.1,

	,5	Ti	O₃	015
14		5 ■	ο,	015
, 9	>5	4,2
	,1	Rest
25
.16
12

Al

Mo

4
3

Co

Zr

Ni

9,5 ; 0,03|. Rost!
0,061 Restj I

Rest I 10,51
4,1

Si

0,75
0,4

Ng/Ta	Cu	Pe
Ό,27	3,1	Rest
		Rest

Mn

0,5

■.?■ cn -o •o cn ro

Beispiel 1

Eine Untersuchung gegossener Teststäbe für die Bruchbelastung aus Rene'-8O-Legierung zeigte, daß das gegossene Metall Mikrospalten und innere Warmrisse aufwies. Anhand einer Mikroprobe wurde festgestellt, daß die Mikrospalten in solchen Gußstücken in Bereichen vorkamen, die reich an Titan und Aluminium waren. Die Porosität in solchen aus einer Superlegierung bestehenden Gußkörpern scheint daher ein Warmriß in den Eutektika zu sein, welche geringere Schmelztemperaturen haben als der Rest der Metallmatrix.

Einige der gegossenen Teststäbe wurden erfindungsgemäß behandelt durch Einbringen in einen Autoklaven, Evakuieren des Autoklaven und die Anwendung von Druck auf den Teststab innerhalb des Autoklaven mittels eines inerten Gases, in diesem Falle Argon. Zur gleichen Zeit, in der der Druck ausgeübt wurde, wurden die Stäbe im Autoklaven auf etwa 1220⁰C (2225°P) erhitzt, bei welcher Temperatur ein Druck von etwa 700 kg/cm (10.000 psi) vorhanden war. Die Stäbe wurden unter diesen Bedingungen 8 Stunden im Autoklaven belassen, dann abgekühlt und herausgenommen.

MikroUntersuchungen nach der Behandlung im Autoklaven zeigten, daß die Wände der Ungleichmäßigkeiten, d. h. der Mikrospalten und der inneren Warmrisse, zusammengepreßt und durch Diffusion miteinander verbunden waren. Da das Mateial augenscheinlich zu schmelzen begonnen hatte, wird angenommen, daß ein Teil des Ausheilens der Lücken durch das beginnende Schmelzen unter Druck stattfindet und dabei eine ein Ganzes bildende Masse bildet. Die in der vorliegenden Beschreibung verwendete Bezeichnung"Diffusionsverbindung" soll daher auch solches beginnende Schmelzen der niedriger schmelzenden Eutektika in dem Basismetall-Grundmaterial umfassen.

Die gegossenen Teststäbe, die erfindungsgemäß behandelt worden waren, wurden zusammen mit unbehandelten Prüfkörpern einem

'■■ ;-' ä Ä

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Bruchbelastungsbesb unterworfen. Die dabei erhaltenen Resulbabe sind in der folgenden Tabelle, aufgeführt.

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TABELLE II

	Frobekdrper
co co	1
	2
CO
S^	3
O CfJ	4
ω	5
	6
	7
	8

Bedingungen

unbehändelte Rene^f80 Gußkörper unbehandelte Rene'8O Gußkörper behandelte Rene'80 Gußkörper behandelte Rene^r80 Gußkörper behandelte Rene'80 Gußkörper behandelte Rene'8O Gußkörper behandelte Rene'80 Gußkörper behandelte Rene'80 Gußkörper

	870°	0/3165 kg/cin
	(1600	°P/45.OOO psi)
Dauer	Dehnung	Verringerung der Fläche
(Std.)	{%)	(%)
19	2	1
64	3	4
138	14	24
134	9	15
150	14	13
140	11	17
147	12	20
138	9	14

Sowohl die unbehandelten als auch die behandelten Gußkörper wurden der gleichen Vergütungs-Wärmebehandlung unterworfen, d.h. für zwei Stunden auf 1220⁰C im Vakuum erhitzt und dann in Inertgas auf Raumtemperatur abgeschreckt, danach erneut 4 Stunden auf etwa HOO⁰G (2000⁰P) in Vakuum erhitzt und wieder in einem Inertgas auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Probekörper wurden dann für H Stunden bei etwa 1050⁰C (1925°P) gealtert, dann wird der Ofen auf etwa 65O°C (1200⁰P) abgekühlt und etwa 1 Stunde auf dieser Temperatur gehalten und dann in Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Schließlich werden die Probekörper noch einmal für 16 Stunden in Argon auf etwa 845⁰C (1550⁰F) erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt.

Die Ergebnisse der Tabelle II zeigen aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens bei den Probekörpern 3 bis 8 eine erfiehliche Verbesserung der Bruchbelastungseigenschaften, beides sowohl hinsichtlich der Dauer als auch der Duktilität.

Beispiel 2

An einer gegossenen Turbinenlaufschaufel aus einer Rene'-80- Legierung wurde durch Wirbelstromuntersuchungen die Anwesenheit von unter der Oberfläche liegenden Fehlstellen festgestellt, welche sich mittels einer Fluoreszenz-Penetrationsprüfung als mit der Oberfläche verbunden erwiesen. Sie waren ausreichend genug, um das Gußstück als Ausschuß zu verwerfen. Vor der er-™ findungsgemäßen Behandlung wurde die Oberfläche des Gußstückes in einer Dicke von etwa 0,025 mm (1/1000 inch), mit Nickel elektroplattiert, um die Öffnungen der mit der Oberfläche verbundenen Fehlstellen zu überbrücken, und so ein Eindringen des unter Druck stehenden Fluidums in solche Oberflächen-Fehlstellen zu verhindern. Danach wurde der Gußkörper, wie in,Beispiel 1 beschrieben, behandelt. ;;

Nach der Behandlung konnten keine Fehlstellen (discontinuities) mehr festgestellt werden. Der .Gußkörper wurde an einer Stelle zerschnitten, die vor der Behandlung unter der Oberflächelie- ^

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gende Poren gezeigt hatte. Durch eine Peinuntersuchung konnten keine Ungleichmäßigkeiten festgestellt werden. Ein Bruchbelastungstest von Probestücken dieses Gußkörpers und von entsprechenden unbehandelten Gußkörpern zeigte die gleiche Verbesserung wie in Tabelle II.

Beispiel 3

Ein Gußkörper aus einer Rene'-100-Legierung mit inneren Störstellen wurde nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren behandelt, mit der Ausnahme, daß die Behandlungstemperatur etwa 1100⁰C (2000⁰P) betrug. Eine Untersuchung des Gußkörpers nach der Behandlung zeigte, daß die Poren in dem Gußkörper nicht geschlossen waren.

Eine folgende Behandlung zusätzlicher Fehlstellen aufweisender Gußkörper bei der Temperatur von etwa 1220⁰C zeigte, daß dabei die inneren Fehlstellen völlig geschlossen waren. Solche Superlegier ungen auf Nickelbasis werden daher erfindungsgemäß vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb von etwa 122O⁰C behandelt.

Beispiel 4

Eine Legierung auf Titanbasis der in der Tabelle I unter Ti 6-4 angegebenen Zusammensetzung und mit inneren Unstetigkeiten wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Beispiel 1 behandelt. Obwohl die Unstetigkeiten nach der erfindungsgemäßen Behandlung beseitigt waren, wurde festgestellt, daß die verwendete Temperatur zu hoch war und eine Verschlechterung der Legierungseigenschaften bewirkte. Das Erhitzen solcher Legierungen auf Titanbasis sollte die beta-Phasen-übergangstemperatur solcher Legierungen nicht überschreiten und sollte im Bereich von etwa 700 bis 1000⁰C (1300 bis 1850⁰F) gehalten werden, üblicherweise kann eine Diffus ions verbindung solcher TitanIegierungen, wie Ti 6-4, durch etwa· einstundiges Erhitzen bei etwa 95O⁰C (1750⁰F) unter einem-

2 U ü 8 2 8 / 0 5 4 3

- ίο -

Druck von etwa 70 kg/cm (1000 psi) erreicht werden.

Beispiel 5

Eine Legierung auf Ei^enbasis der Zusammensetzung, die in Tabelle I unßer 17 - Ί PH angegeben ist, und mit inneren Unstetigkeiten wurde gemäß Beispiel 1 behandelt. Obwohl mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Un Stetigkeit en beseitigt wurden, wurde festgestellt, daß die Temperatur von 1220⁰C (2225°F) zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führte. Die Behandlung solcher Legierungen sollte daher bei etwa 1100⁰C (2000 P) oder weniger durchgeführt werden. So bildete sich in Legierungen, wie rostfreiem Stahl AISI 403, beim Erhitzen auf etwa 1150⁰C (2100⁰P) und darüber das unerwünschte delta-Ferrit. Es wird daher angenommen, daß diese Legierungen nur bei etwa 1100⁰C oder darunter für beispielsweise etwa 1 Stunde und bei

ρ
einem Druck von etwa 350 kg/cm (5000 psi) behandelt werden

sollten.

Die erfindungsgemäße Behandlung verschiedener Arten von Metallgußkörpern, die oben beschrieben wurden und die innere Ungleichmäßigkeiten, wie Poren, Mikrospalten und innere Risse enthalten, führt zur Herstellung fehlerfreier Metallgußstücke. Darüber hinaus führt diese Behandlung zu einer bedeutenden Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, verglichen mit gewöhnlichen Gußstücken. Solche Behandlung beeinflußt nicht wesentlich die äußere Konfiguration des Gußstückes, sondern führt lediglich zu einer Verdichtung des Metalls.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die obigen spezifischen Beispiele beschrieben worden ist, kann die Anwendung von Wärme und Druck sowie die Kombination der beiden innerhalb relativ weiter Grenzen variieren, solange die angewendete Temperatur gering genug ist, um nicht eine wesentliche Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Metalls zu verursachen,

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- ii -

und der auf die äußere Oberfläche angewendete Druck ausreichend ist, um z. B. ein Gleiten in dem Metall bei der ausgewählten Temperatur zu verursachen. Wenn es gewünscht ist, mit der Oberfläche verbundene Leerstellen zu verschließen, wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zuerst eine Beschichtung auf die Oberfläche des Gußkörpers aufgebracht, um die Oberflächenöffnungen solcher Leerstellen zu überbrücken.

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Claims

- 12 Patentansprüche

1. Verfahren zum Verbessern der strukturellen Integrität und der mechanischen Eigenschaften eines Metallgußstückes, das aus einer Legierung auf der Basis von Nickel, Kobalt, Eisen oder Titan besteht, mit inneren Strukturfehlstellen, welche durch Fehlstellenwände definiert sind und einer äußeren Oberfläche des Gußstückes welche die Fehlstellen umgibt, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Erhitzen des Gußstückes zumindest in dem Teil, der die Fehlstellen enthält, auf eine Temperatur, die geringer ist als eine solche, die eine wesentliche Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Metalls verursachen würde, während zur gleichen Zeit ein Druck auf die äußere Oberfläche des Gußstückes ausgeübt wird, der ausreicht, ein Kriechen des Metalls bei der angewendeten Temperatur zu verursachen, und Halten des Gußstückes bei der angewendeten Temperatur und dem Druck für eine ausreichende Zelt, um die Fehlstellenwände zusammenzupressen und durch Diffusion miteinander zu verbinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t, daß der Gußkörper, der mit der Oberfläche verbundene Fehlstellen aufweist, zusätzlich zuerst mit einer Beschichtung auf der äußeren Oberfläche des Gußstückes versehen wird, um die Oberflächenoffnungen der mit der Oberfläche verbundenen Fehlstellen vor der Anwendung von Hitze und Druck zu verschließen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gußstückmetallen, die aus Legierungen auf der Basis von Nickel, Kobalt, Eisen oder Titan bestehen, die Erhitzungstemperatur nicht höher ist, als der beginnende Schmelzpunkt der niedriger schmelzenden Eutektika der Legierung, wenn das Basiselement Nickel oder Kobalt 1st, daß die Temperatur niedriger gehalten wird als die, bei der sich delta-Ferrit bilden würde, wenn das Basiselement Elsen ist, und daß die Temperatur geringer ist als die beta-Phasen-übergangstemperatur, wenn das Basiselement Titan ist, daß ein

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Druck mittels eines Strömungsmittels ausgeübt wird, der mindestens etwa 70 kg/cm beträgt und die Zeit der Anwendung von Druck und Temperatur mindestens etwa 1/2 Stunde beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Legierung auf Nickelbasis die Erhitzungstemperatur im Bereiche von .größer als etwa 1100⁰C bis etwa 122O°C beträgt, daß der Druck mittels eines Gases

ρ ausgeübt wird und im Bereiche von etwa 0,07 bis 2100 kg/cm beträgt und daß die Zeit, in der das Gußstück auf der genannten Temperatur und unter dem genannten Druck gehalten ist, etwa 1/2 bis 16 Stunden beträgt.

5» Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Legierung auf Eisenbasis die Erhitzungstemperatur im Bereiche von etwa 800°C bis als etwa 1150°C beträgt, daß der Druck durch ein Gas ausgeübt wird und im Bereiche von etwa 0,07 bis 2100 kg/cm liegt und daß die Zeit, während der das Gußstück bei der genannten Temperatur und unter dem genannten Druck gehalten wird, etwa 1/2 bis 16 Stunden beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Legierung auf Titanbasis die Erhitzungstemperatur im Bereiche von etwa 700 bis 100Ö°C liegt, der Druck mittels eines Gases ausgeübt wird und im Bereiche

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von etwa 0,07 bis 2100 kg/cm liegt und die Zeit, in der das Gußstück bei der genannten Temperatur und unter dem genannten Druck gehalten wird, etwa 1/2 bis 16 Stunden beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungstemperatur im Bereiche von etwa 790 bis 95O°C liegt.

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