DE2259107C2 - Molybdän-Aluminium-Titan-Vorlegierung - Google Patents

Description

Aluminium und Molybdän enthaltende Titanlegierun- is gen werden weitgehend verwendet, zum Beispiel in der Flugzeugindustrie zur Herstellung von Bau- und Maschinenteilen. Zur Herstellung von Titanlegierungen wird im allgemeinen Titanschwamm mit einer Vorlegierung legiert, welche die in der Endlegierung gewünsch- ten Elemente enthält Titanschwamm wird mit der Vorlegierung in der Weise legiert, daß man zunächst eine Mischung aus Schwamm und Vorlegierung bildet, die Mischung verdichtet und zu einer Elektrode durch Schweißen verbindet Die Elektrode wird dann in einem Vakuumofen unter Bildung der gewünschten Titanlegierung geschmolzen. Um das Gemisch aus Titanschwamm und Vorlegierung zu bilden, muß die Legierung krümelig oder spröde sein, so daß sie leicht auf die gewünschte Teilchengröße gebracht werden kann, die jo eine gute Mischung mit dem Titanschwamm ermöglicht

Bei dem Versuch, eine etwa 38% Molybdän und als Rest Aluminium enthaltende Vorlegierung zu bilden, wurde festgestellt daß eine solche Legierung verformbar bzw. knetbar ist, so daß sie nicht auf eine zum Mischen mit Titanschwamm geeignete Teilchengröße gebracht werden konnte. Es erwies sich deshalb als wünschenswert, der Molbybdän-Aluminium-Legierung ein Element zuzusetzen, das die Legierung so brüchig macht, daß sie leicht auf die zu einer Mischung mit Titanschwamm geeignete Größe gebracht werden kann.

Aus den US-Patentschriften 29 66 733 und 29 66 735 sind pulverförmige, Molybdän und Titan enthaltende Aluminiumlegierungen bekannt Man hat auch schon zum Herstellen von Titanlegierungen die Verwendung von Vorlegierungen vorgeschlagen, die 40 bis 45% Aluminium, 50 bis 55% Molybdän und weniger als 5% Titan enthalten. Die mit diesen Vorlegierungen hergestellten Titanlegierungen weichen hinsichtlich so ihrer Zusammensetzung und Eigenschaften von den mit den Vorlegierungen vorliegender Erfindung hergestellten Titanlegierungen ab.

Zur Herstellung von Titanlegierungen aus Vorlegierungen ist es wichtig, daß diese Legierungen sich ziemlich leicht schmelzen lassen und keine zu hohe Schmelztemperatur haben, so daß sie sich schnell und gleichförmig mit dem Titan und Metall verbinden. Die Vorlegierung soll auch von hoher Reinheit sein und keine Verunreinigungen enthalten, die in die Titanlegierung gelangen würden. Es ist ferner von Vorteil, daß die Vorlegierung einen niedrigen Sauerstoffgehalt, das heißt von weniger als 0,1 Gew.-% hat.

Demnach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zur Herstellung von Titanlegierungen bestimmte Aiuminium-Molybdän-Titan-Vorlegierung zu gewinnen, die von hoher Reinheit und spröde ist, einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt hat und weniger als 0,1 Gew,-% Sauerstoff enthält und verhältnismäßig leicht und wirtschaftlich herzustellen ist

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Vorlegierung, die im wesentlichen aus 35 bis 50% Molybdän und 6,5 bis 15% Titan besteht, und als Rest Aluminium und nicht mehr als 0,1 Gew.-% Sauerstoff enthält

Die Legierungen vorliegender Erfindung werden auf einfache Weise durch eine aluminothermische Reduktion von Molybdäntrioxid (MOO3) und Titandioxid mit überschüssigem Aluminium hergestellt; die reduzierten Metalle verbinden sich mit dem die gewünschte Vorlegierung bildenden Aluminium. Es ist entscheidend, daß die Vorlegierung Titan in einer Menge von 6,5 bis 15 Gew.-% enthält, so daß sie auf die für ein leichtes Mischen mit Titanschwamm geeignete Teilchengröße gebracht werden kann. Der Titangehalt trägt, wie angenommen wird, auch zur Löslichkeit des Molybdäns in der Titanlegierung bei.

Die technische Durchführung der Umsetzung kann in verschiedenen Apparaten erfolgen, zum Beispiel in einem wassergekühlten Kupfergefäß oder Schmelztiegel. Die Verwendung eines wassergekühlten Kupferofens schließt Verunreinigungen durch feuerfeste Auskleidungen aus. Da bei der Umsetzung zwei verschiedene Schichten gebildet werden, nämlich eine Legierungsschicht, welche durch eine Schicht geschmolzener, das Rußmittel enthaltender Schlacke bedeckt ist kann die Anwendung eines Reaktionsgefäßes wünschenswert sein, das in der Nähe des Bodens eine öffnung hat, um die Trennung der Legierung von dem Schmelzmittel zu erleichtern. Das Reaktionsgefäß kann auch so ausgebildet sein, daß die Aluminothermische Umsetzung in einer Atmosphäre eines inerten Gases, zum Beispiel von Argon, durchgeführt werden kann. Ein bevorzugtes Reaktionsgefäß ist ein wassergekühltes Kupfergefäß der Art wie es in »Metallothermic Reduction of Oxides in Water-Cooied Copper Furnaces« von F. H. Perfect Transactions of the Metallurgical Society of AIME, Vol. 239, SgSt 67, Seiten 1282 bis 1286, beschrieben worden ist

Zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung können das Molybdäntrioxid, das Titandioxid und Aluminium auf eine verhältnismäßig kleine Teilchengröße gebracht und innig gemischt werden, so daß die Umsetzung sehr schnell und gleichförmig innerhalb der gesamten Beschickung stattfindet, sobald diese gezündet worden ist Aluminium wird in einer größeren Menge zugesetzt als zur Umsetzung mit den Metalloxiden erforderlich ist, um eine Legierung der Metalle Molybdän,Titan und Aluminium herzufallen.

Die Zündung des Reaktionsgemisches kann durch Erl/T'zen der Beschickung oberhalb des Schmelzpunktes des Aluminiumrr.ittels eines elektrischen Bogens, Gasbrenners, heißen Metallbarrens oder dergleichen stattfinden.

Zu einer erfolgreichen Durchführung der Umsetzung müssen praktisch alle aus der Zündung der Beschickung entstehenden Reaktionsprodukte geschmolzen und im geschmolzenen Zustand lang genug verbleiben, um eine Trennung der Legierung von der Schlacke, das heißt Calciumaluminat, zu ermöglichen, Da die Trennung auf einer Schichtenbildung infolge der Schwere erfolgt, muß das geschmolzene Material eine ins Gewicht fallende Dünnflüssigkeit besitzen, die hinsichtlich der Schlacke dadurch erzielt werden kann, daß man der Beschickung gewisse anorganische Stoffe zugibt, die als Schmelzmittel zur Erniedrigung der Viskosität der Schlacke beitragen. Beispiele solcher Materialien sind Kalk und

Flußspat, die bei den Reaktionstemperaturen for die Absorption der Alunrniumschlacke ein Schmelzmittel bilden. Diese Materialien werden im allgemeinen durch die Reduktionsumsetzung nicht beeinflußt

Das Verfahren vorliegender Erfindung soll mit chemisch reinem Moiybdäntn'oxid durchgeführt werden, das mindestens 99% M0O3 enthält, oder mit sehr reinem Calciummolybdat

Es ist ein Vorteil des Verfahrens der Erfindung, daß die Anwendung chemisch reinen Titandioxids nicht erforderlich ist Obwohl handelsüblich reines Titandioxid, das als Pigment verwendet werden soll und 99% und mehr Titan enthält, bevorzugt ist, kann auch weniger reines T1O2 enthaltendes Material verwendet werden, wie nativer Rutil, der etwa 96% T1O2 und als Verunreinigung kleinere Mengen der Oxide von Fe, Si, Zr, Cr, Al und Ca, wie aber auch S und P enthält Handelsüblich reines TiO2 wird bevorzugt, damit eine Legierung hoher Reinheit erhalten werden kann.

Das Aluminium sollte von höchster Reinheit sein. Zerkleinerter Alurmnäimdraht (verhältnismäßig reines Leitermaterial), der weniger als 0,005% Bor enthält, kann verwendet werden. Reines Aluminiumpulver, das mehr als 99% Aluminium enthält, ist das bevorzugte Reduktions- und Zusatzmittel für die Zwecke vorliegender Erfindung.

Da die Metalloxide und Aluminium verschiedener Reinheit sein können, müssen ihre Mengen entsprechend gewählt werden, um eine Legierung der gewünschten Zusammensetzung zu erhalten. Aus diesem Grunde sind in der Beschreibung die Mengen der Reaktionsteilnehmer in Beziehung auf die Zusammensetzung der gewünschten Legiercig angegeben. Wie oben ausgeführt, sollen die Mengen dieser Reaktionsteilnehmer in solchen Met? ,en gewählt werden, daß eine Vorlegierung mit 35 bis 50% Molybdän, 6,5 bis 15% Titan und als Rest Aluminium anfällt.

Während der Umsetzung wird Calciumaluminat als Schlacke gebildet. Wie angegeben, wird zur Erleichterung der Abtrennung der Schlacke von der Legierung die Umsetzung in Gegenwart eines geschmolzenen Flußmittels durchgeführt, das die Schlacke verdünnt und so fließfähiger macht

Das für die Zwecke der Erfindung angewendete Schmelzmittel kann eines oder mehrere anorganische Materialien mit einem Schmelzpunkt enthalten, der unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher das Molybdäntrioxid und das Titandioxid mit dem Aluminium reagiert. Das Schmelzmittel muß in der Lage sein, die durch die Umsetzung gebildete Schlacke zu verdünnen, so daß eine weniger viskose Schlacke entsteht, die sich !eicht von der Legierung trennt Die leicht erhältlichen Fluoride und Chloride solcher Metalle wie Calcium, Magnesium, Aluminium und Kalium, allein oder in Kombination mit anderen anorganischen Materialien, sind besonders zur Bildung von Schlacke absorbierenden Schmelzen geeignet. Ein besonders bevorzugtes Flußmittel enthält Kalk und Flußspat in einem Mengenverhältnis von etwa 0,5 :1 bis 2:1.

Die Menge der das Flußmittel bildenden Bestandteile sollte ausreichen, um eine Menge geschmolzenen Fließmittels zu bilden, das die während der Reduktion der Oxide des Molybdäns und Titan gebildeten Schlacke ausi eichend verdünnt, so daß eine weniger viskose Schlacke entsteht, die leicht von dem Metall getrennt werden kann. Vorzugsweise wird ein Überschuß an

Flußmittel über die Menge hinaus verwendet, die erforderlich ist, um die gewünschte Viskositätserniedrigung zu erzielen. Der Überschuß kann im allgemeinen die etwa 0,5- bis 2fache Gewichtsmenge der sich beim Verfahren bildenden Schlacke betragen.

Die beim Verfahren der Erfindung anfallende Molybdän-Aluminium-Titan-Vorlegierung enthält weniger als etwa 0,1% Sauerstoff, was darauf hinweist, daß praktisch keine Teilchen mit einer niedrigen Dichte, v/ie Aluminiumoxid, Titanoxid und Calciumoxid, vorliegen, das heißt Teilchen, die, wenn sie in der Vorlegierung in beachtlichen Mengen vorliegen, in die Titanlegierung und damit auch in die aus der Titanlegierung hergestellten Bauteile gelangen. In aus Titanlegierungen hergestellten Bauteile können Teilchen solcher geringen Dichte nicht zugelassen werden, da dadurch die Bauteile den für den Bau von Flugzeugen erforderlichen hohen Ansprüchen nicht mehr genügen.

Zur Herstellung einer Titanlegierung aus den erfindungsgemäßen Vorlegierungen werden diese zweckmäßigerweise auf eine Teilchengröße von 10 mm und weniger gebracht und mit dem Titanschwamm in ausreichenden Mengen gemischt, so daß die gewünschte Molybdän-Aluminium-Titan-Legierung gebildet und die Mischung bei Raumtemperatur zu einer im allgemeinen zylindrischen Form zusammengepreßt werden kann. Es können mehrere Preßlingß zusammengeschweißt werden, um eine Elektrode geeigneter Größe zu bilden, so daß die Elektrode elektrisch in bekannter Weise zur Herstellung der gewünschten Legierung erschmolzen werden kann.

Die Erfindung ist in den folgenden Beispielen beschrieben.

1. Es wurden die nachstehenden Reaktionsteilnehmer in den angegebenen Mengen gemischt:

Molybdäntrioxid, sublimiert	363 kg
TiO2 (Pigment)	13,6 kg
Aluminiumpulver	56,7 kg
Kalk (CaO)	9,07 kg
Flußspat (Säurespat)	4,54 kg

Nach dem Mischen wurde die Beschickung in einen wassergekühlten Kupferofen gegeben, entzündet und eine Minute sich überlassen. Die anfallende Legierung wurde abgezogen und der erhaltene Barren wog 61,7 bis 62,6 kg, der Barren konnte leicht gebrochen und auf eine Teilchengröße von 10 mm und weniger gebracht werden.

Df.e Legierung hatte folgende Zusammensetzung:

2. Zur Herstellung einer Legierung diente ein Gemisch aus folgenden Bestandteilen:

Mo	37,10%
Ti	12,50%
Al	4930%
O	0,05%
C	0,03%
H	0,0008%
Fe	032%
P	0,014%
Si	0,11%
S	0,006%
V	0,06%
W	0,005%

Molybdäntrioxid (MoO₃)

800 g

ΙΉ	TiO2 (Pigment)	5	22 59	250 g	5	25 Sekunden sich	48,63%	IO	107	6	800 g
	Aluminiumpulver			900 g	wog 916 g, die	12,13%				125 g
	KaIk(CaO)		350 g	Legierung hatte folgende Zusammensetzung:	37,41%		Die Legierung hatte		840 g
Ψ-.	Flußspat (CaF2)		100g		0,11%			folgende Zusammensetzung;	350 g
$			Mo			Mo		100g
■ I^	Das Gemisch wurde		Ti	Legierang aus	einem Gemisch 15	Ti	47,96%
-" ~.-L		entzündet und	Al		Al	9,53%
i. V	überlassen; der erhaltene Barren	O	O	40,36%
			0,03%
:|	3. Es wurde eine	4. Es wurde eine
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	Legierung aus einer Mischung
	folgender Zusammensetzung hergestellt:
Molybdäntrioxid (MoO3)
TiO2 (Pigment)
Aluminiumpulver
KaIk(CaO)
Flußspat (CaF2)

folgender Bestandteile hergestellt:

Molybdäntrioxid (MoO3)	800 g
TiO2 (Pigment)	170 g
Aluminiumpulver	860 g
KaIk(CaO)	350 g
Flußspat (CaF2)	100 g

Das Gemisch wurde gezündet und sich 60 Sekunden überlassen; der erhaltene Barren wog 922 g.

Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung:

Die Mischung wurde gezündet und 17 Sekunden sich überlassen; der gewonnene Barren wog 910g.

Mo
Ti
Al
O

49,70"'.

6,92% 41,64%

0,02%

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Molybdän-Aluminium-Titan-Vorlegierung, bestehend im wesentlichen aus 35 bis 50% Molybdän, 6,5 bis 15% Titan und Aluminium als Rest und nicht mehr als etwa 0,1 Gew.-% Sauerstoff.

   IO