DE2157752C2

DE2157752C2 - Verfahren zur Verbesserung eines Metallgußstückes

Info

Publication number: DE2157752C2
Application number: DE2157752A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Walter Cincinnati Ohio Stalker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-11-22
Publication date: 1982-07-08
Also published as: GB1338917A; DE2157752A1; US3758347A; BE774828A; JPS5551008B1; FR2119510A5; IT943696B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im allgemeinen enthalten Metallgußstücke Gefügefehler, wie Mikroporen, Mikrorisse und Gefügewarmrisse. Die Porosität und die Risse in Gußstücken können durch die beim Gießen kältere Form verursacht werden. Dadurch verfestigen sich die den Formwänden und den Oberflächen eines ggf. vorhandenen Gußkernes benachbarten Oberflächen des gegossenen Metalles zuerst. Dann verfestigt sich das Metall zwischen diesen Oberflächen. Als Ergebnis ist der zentrale Bereich des Gußstückes zwischen diesen Oberflächen weniger dicht als das Metall an den Oberflächen und kann Porosität und Risse aufweisen. >o

In der US-PS 34 96 624 ist ein Verfahren zum Verbessern der Ermüdungsfestigkeit von Gußkörpern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschrieben, bei dem man diese Gußkörper isostatischem Druck bei einer erhöhten Temperatur und für eine ausreichende Zeit aussetzt, um Mikroporen zu heilen. Die angewendeten Temperaturen und Drücke sollen normalerweise eine beträchtliche Metallbewegung bewirken, doch soll bei der Ausführung der Erfindung nach der genannten US-PS eine solche Metallbewegung im w) wesentlichen verhindert werden.

Das Verfahren nach der US-PS 33 29 535 besteht aus drei Stufen und dient der Modifizierung des Gefüges einer Superlegierung. Als erstes wird die Legierung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 980 bis etwa I37O°C f» für 10 Minuten bis 2 Stunden lösungsgeglüht. Nach dem Abkühlen setzt man das Metall einem hydrostatischen Druck zwischen 10 und 50 kbar für 1 bis 10 Minuten aus.

und in der dritten Stufe altert man das Metall für 1/2 bis 100 Stunden bei einer Temperatur von etwa 650 bis etwa 98O⁰C

In der bekanntgemachten Patentanmeldung I 4586 VIa/18c ist ein Verfahren zum Durchlaufglühen von' Metalldrähten oder -bändern beschrieben, bei dem unter anderem das Überziehen mit einer Deckschicht der Erzielung einer gleichmäßigen Strahlungszahl dient, um die Wärmeübertragung durch Strahlung gleichförmig zu gestalten.

In dem Artikel von Rowe und Freemann in den »Nickelberichten« 21, 217—219 (1963), ist generell ausgeführt, daß im Hochtemperaturbereich gelegentlich auftretende kurzzeitige Erwärmungen von Legierungen, zu denen eine Angabe fehlt, ob es sich um gegossene oder geschmiedete handelt, über die normale Betriebstemperatur hinaus die danach noch zu erwartenden Standzeiten bei den normalen Betriebstemperaturen beeinflussen und daß diese Überhitzungen gewöhnlich mit Gefügeänderungen einhergehen, die, wenn das Bauteil mechanisch belastet ist, den Kriechvorgang beschleunigen können.

Bei älteren Versuchen an gegossenen und geschmiedeten Legierungen auf Kobaltbasis soll die Standzeit bei 815⁰C infolge der durch wiederholtes kurzes Erhitzen verursachten Gefügeänderungen verkürzt worden sein.

Bei den Überhitzungsversuchen an einer, M-252 bezeichneten, aushärtbaren Legierung auf Nickelbasis sollen sich längere Standzeiten infolge der Gefügeänderungen ergeben haben, die durch wiederholte kurzzeitige Überhitzungen auf Temperaturen oberhalb 980⁰C verursacht wurden.

Bei weiteren Versuchen an einer anderen, Inconel 700 bezeichneten, aluminium- und titanhaltigen Legierung auf Nickelbasis, bei denen die Proben alle 5 Stunden für die Dauer von 2 Minuten ohne mechanische Belastung auf Temperaturen bis 1150⁰C überhitzt wurden, stellten die Verfasser fest, daß sich kein Einfluß auf die Zeitstandfestigkeit bei 815 und 870⁰C durch Überhitzen auf 980⁰C ergab, daß ein Überhitzen auf Temperaturen von 1100⁰C und darüber aber zu einer Abnahme der Zeitstandfestigkeit führte. Bei beiden Nickellegierungen, zu denen nicht gesagt ist, ob es sich einfach um gegossene handelt, sollen die Brüche in den Zeitstandversuchen von Mikrorissen ausgegangen sein, die an den Grenzflächen von Korngrenzenkarbiden und der benachbarten Grundmasse entstanden und dann weiterwuchsen. Die Verfasser deuten die Ergebnisse bei den Nickellegierungen unter anderem durch Annahme, daß Karbide die Entstehung von Mikrorissen nicht nur begünstigen, sondern daß sie deren Ausweitung auch behindern.

Demgegenüber lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Gefügefehler in einer Legierung auf der Basis von Nickel oder Kobalt oder Eisen oder Titan beseitigt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Legierung auf der Basis von Nickel oder Kobalt oder Eisen oder Titan die Oberfläche des Metaligußstückes zum Überbrücken und Verschließen der durchgehenden Fehlstellen mit einem Überzug versehen und so beansprucht wird, daß innerhalb des Gefüges der Kriechzustand erreicht wird.

Der aufgebrachte Überzug verhindert das Eindringen des zur Druckausübung benutzten Strömungsmittels in die Risse oder Poren, so daß der ansewendete Druck

deren Wände zusammenpressen kann, so daß sie durch Diffusion verbunden werden können.

Der Temperaturbereich, auf den solche Materialien erhitzt werden, reicht von etwa 700 bis etwa 1250° C und hängt von der behandelten Legierung ab. Die Temperatur wird so ausgewählt, daß bei einem Druck von beispielsweise 0,07 bis 2100 · 10⁵ Pa und während einer Anwendungszeit von beispielsweise '/2 bis 16 Stunden keine wesentliche Verschlechterung der mechanischen

Tabelle I
Nominal-Zusammensetzung (Gew.-%) Eigenschaften des Metalls nach der Behandlung auftritt

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.

Legierung

Cr

Ti Al

Mo

Rene'80
Rene'100
Ti 6-4
X'40
17^tPH
AISI 403

Tabelle I (Fortsetzung)
Nominal-Zusammensetzung (Gew.-%)

0,17	14	4,2	0,015	3
0,17	9,5	Rest	0.015	5,5
				6
0,5	25,5
	16,1
0,1	12

7,5

Legierung

Zr

Wi

Ng/Ta

Cu

Fe

f	Rene'80	0,03	Rest	1	B	0,75
I ■><	Rene'100	0,06	Rest	4		0,4
	Ti 6-4					e i s ρ i e 1 1
i 3	X'40		10,5
I	17-4 PH		4,1
	AISI 403

0,27

3,1

Rest Rest

Eine Untersuchung gegossener Teststäbe für die Bruchbelastung aus Rene'-80-Legierung zeigte, daß das gegossene Metall Mikrorisse und Gefügewarmrisse aufwies. Anhand einer Mikroprobe wurde festgestellt, daß die Mikrorisse in solchen Gußstücken in Bereichen vorkamen, die reich an Titan und Aluminium waren. Die Porosität in solchen aus einer Superlegierung be-Stehendon Gußkörpern scheint daher ein Warmriß in den Eutetika 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 Fall Argon. Zur gleichen Zeit, in der der Druck ausgeübt wurde, wurden die Stäbe im Autoklaven auf etwa 1220⁰C erhitzt, bei welcher Temperatur ein Druck von etwa 7 ■ 10⁷Pa 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 Gefügefehler, d. h. der Mikrorisse und der Gefügewarmrisse, zusammengepreßt und durch Diffusion miteinander verbunden waren. Da das Material augenscheinlich zu schmelzen begonnen hatte, wird angenommen, daß ein Teii 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 Bruchbelastungsiest unterworfen. Die dabei erhaltenen Resultate sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle II

Probekörper	Bedingungen	870 C73l65kg/cnr	Dehnung(%)	Verringerung
		Dauer (Std.)		der Fläche (>i)
			2	1
1	unbehandelte Rene'80 Gußkörper	19	3	4
2	unbehandelte Rene'80 Gußkörper	64	14	24
3	behandelte Rene'80 Gußkörper	138	9	15
4	behandelte Rene'80 Gußkörper	134	14	13
5	behandelte Rene'80 Gußkörper	150	11	17
6	behandelte Rene'80 Gußkörper	140	12	20
7	behandelte Rene'80 Gußkörper	147	9-	14
8	behandelte Rene'80 Gußkörper	138

Sowohl die unbehandelten als auch die behandelten Gußkörper wurden der gleichen Vergütungs-Wärmebehandlung unterworfen, d.h. für zwei Stunden auf 1220° C irn Vakuum erhitzt und dann in Inertgas auf Raumtemperatur abgeschreckt, danach imeut 4 Stunden auf etwa 1100⁰C im Vakuum erhitzt und wieder in einem Inertgas auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Probekörper wurden dann für 4 Stunden bei etwa 1050⁰C gealtert, dann wurde der Ofen auf etwa 650⁰C abgekühlt und etwa 1 Stunde auf dieser Temperatur gehalten und dann in Luft auf Raumtemperatur abgekühlt Schließlich wurden die Probekörper noch einmal für 16 Stunden in Argon auf etwa 845° C erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt.

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

Beispiel 2

An einer gegossenen Turbinenlaufschaufel aus einer w Rene'-8C Legierung wurde durch Wirbelstromuntersuchungen die Anwesenheit von unter der Oberfläche liegenden Gefügefehlern 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 erfindungsgemäßen Behandlung wurde die Oberfläche des Gußstückes in einer Dicke von etwa 0,025 mm mit Nickel e'ektroplattiert, um die Öffnungen der mit der Oberfläche verbundenen Fehlstellen zu überbrücken und so ein Eindringen des unter Druck stehenden Strömungsmittels in solche Oberflächen-Gefügefehler zu verhindern. Danach wurde der Gußkörper, wie in Beispiel 1 beschrieben, behandelt.

Nach der Behandlung konnten keine Gefügefehler mehr festgestellt werden. Der Gußkörper wurde an einer Stelle zerschnitten, die vor der Behandlung unter der Oberfläche liegende Poren gezeigt hatte. Durch eine Feinuntersuchung 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

65

Ein Gußkörper aus einer Rene'-100-Legierung mit GefUgefehlern wurde nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren be/andelt mit der Ausnahme, daß die Behandlungstemperatur etwa HO(TC betrug. Eine Untersuchung des Gußkörpers nach der Behandlung zeigte, daß die Poren in dem Gr"körper nicht geschlossen waren.

Eine folgende Behandlung zusätzliche Gefügefehler aufweisender Gußkörper bei der Temperatur von etwa 1220°C zeigte, daß dabei die Gefügefehler völlig gesch'ossen waren. Solche Superlegierungen auf Nickelbasis werden daher erfindungsgemäß vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb von etwa 1100⁰C behandelt

Beispiel 4

Eine Legierung auf Titanbasis der in der Tabelle I unter Ti 6-4 angegebenen Zusammensetzung und mit Gefügefehlern wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Beispiel 1 behandelt Obwohl die Gefügefehler 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-Obergangstemperatur solcher Legierungen nicht überschreiten und sollte im Bereich von etwa 700 bis 1000⁰C gehalten werden. Üblicherweise kann eine Diffusionsverbindung solcher Titanlegierungen, wie Ti 6-4, durch etwa einstündiges Erhitzen bei etwa 950^cC unter einem Druck von etwa 70 · 10⁵ Pa erreicht werden.

Beispiel 5

Eine Legierung auf Eisenbasis der Zusammensetzung, die in Tabelle I unter 17-4 PH angegeben ist, und mit Gefügefehlern wurde gemäß Beispiel 1 behandelt. Obwohl mit dem erfindungsgemäßen Verfahren diese Fehler beseitigt wurden, wurde festgestellt, daß die Temperatur von 1220⁰C zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führte. Die Behandlung solcher Legierungen sollte daher bei etwa 1100⁰C oder weniger durchgeführt werden. So bildete sich in Legierungen, wie rostfreiem Stahl AISI 403, beim Erhitzen auf etwa 115C"C und darüber das unerwünschte delta-Ferrit. Es wird daher angenommen, daß diese Legierungen nur bei etwa 1100° C oder darunter f'ir beispielsweise etwa 1 Stunde und bei eir>em Druck von etwa 350 · ΙΟ⁵ Pa behandelt werden sollten.

Die erfindungsgemäße Behandlung verschiedener Arten von Meallgußkörpern, die oben beschrieben wurden und die Gefügefehler wie Mikroporen, Mikrorisse und Gefüeewarmrisse enthalten, führt zur Her-

stellung fehlerfreier MetallguQstücke. 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 beschrie-

ben 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, und der auf die äußere Oberfläche angewendete Druck ausreichend ist, um z. B. ein Gleiten in dem Metall bei der ausgewählten Temperatur zu verursachen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbessern des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften eines im Gußzustand befindlichen Metallgußstückes enthaltend Gefügefehler, wie Mikrorisse, Mikroporen und Gefügewarmrisse, die auf Fehlstellenwänden angeordnet sind, durch gleichzeitige Erhitzung und Druckbeanspruchung, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Legierung auf der Basis von Nickel oder Kobalt oder Eisen oder Titan die Oberfläche des Metallgußstückes zum Überbrücken und Verschließen der durchgehenden Fehlstellen mit einem Überzug versehen und so beansprucht wird, daß is innerhalb des Gefüges der Kriechzustand erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Gußstück auf der Basis von Titan der angewendete Druck mindestens etwa 70 ■ 10⁵ Pa beträgt und die Zeit der Anwendung von Druck und Temperatur mindestens 'h Stunde beträgt

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungstemperatur im Bereich oberhalb HOO⁰C bis 1220⁰C liegt, daß der Druck mittels eines Gases ausgeübt wird und bis zu 2100 · IO⁵ Pa beträgt und daß die Zeit, in der das Gußstück auf der genannten Temperatur und unter dem genannten Druck gehalten ist, bis zu 16 Stun- jo den beträgt.