DE2511832C3 - Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit von metallischen Werkstoffen - Google Patents
Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit von metallischen WerkstoffenInfo
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Description
35
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit von durch innere Oxydation gehärteten
metallischen Werkstoffen, die einen Umwandlungspunkt im festen Zustand aufweisen, und macht sich die
Erscheinungen der Superplastizität zunutze.
In der Zeitschrift »Metall«, 23. Jahrgang (1969), S.
1264— 1269, sind die Erscheinungen der Superplastizität
beschrieben. Es handelt sich dabei um Phänomene, die beispielsweise bei der Verformung von reinen Metallen
und Legierungen während einer Phasenumwandlung auftreten und zu großen Dehnungen und einer
Veränderung des Verformungswiderstandes führen. Hieraus ist es> auch bekannt, Proben unter Druck-, Zug-
und Torsionsbelastungen Temperaturschwingungen zu unterwerfen.
Die bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß die angewandten Temperaturzyklen durch sehr
geringe Aufheiz- und Abkühlungsgeschwindigkeiten gekennzeichnet sind, so daß mit der Bildung unerwünscht
großer Kristallkörner gerechnet werden muß. In dieser Literaturstelle wird es auch als erforderlich
angesehen, noch weitere Untersuchungen sowohl der Mechanismen als auch der technischen Möglichkeiten
durchzuführen, bevor Superplastizität Verfahrens mäßig ausgenutzt werden kann.
In dem Buch von E. Hornbogen und H. Warlimont »Metallkunde« (1967), S. 153 und 188, ist
der Vorgang der inneren Oxydation und der Dispersionshärtung von pulvermetallurgisch hergestellten
Legierungen durch Eindiffundieren von Gasen und durch Erwärmen erwähnt, ohne daß jedoch genaue
Verfahrensschritte für die Erhöhung der Festigkeit angesehen werden.
Zur Festigkeitsverbesserung von Metallgegenständen wurden bisher ein Kaltverformungsverfahren, ein
Wärmebehandlungs-Ausscheidungshärtungsverfahren und ähnliche Verfahren angewandt. Für die Verfestigung
von komplexen Werkstoffen, wie z. B. die Qualität FRM (Filiament Reinforced Metallic Composites), das
sind durch Mischen von Tantal-Fasern mit Kupfer oder Wolfram-Fasern mit Nickel -Misammengesetzte Werkstoffe,
ist außerdem ein Verfahren bekannt, bei dem verschiedene als Verfestigungszusätze dienende Oxidpulver
gleichmäßig in einem kristallinen Gefüge dispergiert werden. Jedem dieser angewandten Verfahren
haften jedoch die Nachteile an, daß das betreffende Verfahren kompliziert ist, daß eine Verfahrenssteuerung
schwierig ist und daß eine lange Behandlungszeit erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die den bisher angewandten Verfahren anhaftenden Nachteile
und Mangel auszuschalten und insbesondere ein Verarbeitungsverfahren zur Verbesserung der Festigkeit
von metallischen Werkstoffen anzugeben, mit welchem aufgrund hoher Temperaturänderungsgeschwindigkeiten
ein feinkörniges Gefüge und eine gleichmäßige Dispersion bzw. Verteilung der inneren
Oxydationsschichten in dem Werkstoff erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Werkstoff im Anschluß an die zur inneren
Oxydation erforderliche Erwärmung zur Erzielung der an sich bekannten Umwandlungsplastizitätserscheinung
unter einer Scherbelastung in Höhe von 1/10 bis 1/20 seiner Streckgrenze mehreren den Umwandlungspunkt
des Werkstoffes durchlaufenden Temperaturzyklen unterworfen wird.
Vorteilhaft erfolgt bei dem Verfahren zur Behandlung eines aus einer Cu-15%-Si-Legierung bestehenden
Gegenstandes mit 6 mm Durchmesser und 130 mm Länge die zur inneren Oxydation erforderliche Erwärmung
auf eine Temperatur von etwa 9000C, bei welcher der Gegenstand eine Stunde lang gehalten wird, und die
anschließend an den Gegenstand angelegte Scherbelastung beträgt 4 kp/mm2.
Es ist vorteilhaft, daß der Gegenstand unter der Scherbelastung auf etwa 4500C abgekühlt und insgesamt
3 Temperaturzyklen von jeweils einer Minute Dauer unterworfen wird, wobei ein Temperaturbereich
von ±100° C um den Phasenumwandlungspunkt von
558° C durchlaufen wird.
fm folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens und
F i g. 2 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen Zeit und Temperatur beim erfindungsgemäßen
Verfahren.
F i g. 1 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher ein von einem Support la od. dgl., der auf einem Maschinenbett
7 verschiebbar gelagert ist, getragenes Spannfutter 3a und ein weiteres, von einem anderen Support Ib od. dgl.
über ein Radiallager 2 getragenes Spannfutter 3b einander gegenüberstehend angeordnet sind. Die
beiden Supporte la und \b od. dgl. sind dabei entsprechend der Länge eines zu behandelnden
Gegenstandes 4 relativ zueinander verstellbar. Am
anderen Ende des Supports 36 ist eine Riemenscheibe 6 angeordnet, und weiterhin ist ein Gewicht 5 zur
Ausübung einer Scherbeanspruchung auf den zu behandelnden Gegenstand 4 über die Riemenscheibe 6
vorgesehen. Der Gegenstand 4 ist in den Spannfuttern 3a und 3ö eingespannt und außerdem zur Erwärmung an
eine elektrische Stromversorgung 8 angeschlossen.
Die Spannfutter 3a und 3£> sind dabei jedoch
gegenüber dem zu behandelnden Gegenstand 4 elektrisch isoliert. Außerdem ist auch eine Kühlvorrichtung
9 zum Kühlen des Gegenstandes 4 vorgesehen.
Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wird ein zu behandelnder Gegenstand 4 aus einem einer
inneren Oxydation unterliegenden metallischen Werkstoff, wie z.B. einer Cu-15°/o-Si-Legierung, mit 6mm
Durchmesser und 130 mm Länge in den Spannfuttern 3a und 36 eingespannt, worauf der Gegenstand 4 durch den
von der elektrischen Heiz-Stromversorgung 8 zugeführten Strom etwa eine Stunde lang auf eine Temperatur
der inneren Oxydation von etwa 9000C erwärmt wird. Hierauf wird das Gewicht 5 an der Riemenscheibe 6
aufgehängt, so daß auf den Gegenstand 4 eine Scherbeanspruchung oder eine Torsionsbeanspruchung
von etwa 4 kg/mm2 ausgeübt wird. Der behandelte Gegenstand 4 wird hierauf mittels der Kühlvorrichtung
9 auf etwa 4500C abgekühlt und drei Temperaturzyklen
von jeweils einer Minute Dauer über einen Temperaturbereich von ± 1000C um die Phasenumwandlungstemperatur
von 558°C (Umwandlungspunkt K^oc + γ) des
Gegenstandes 4 unterworfen. Die vorstehend erwähnte Beziehung zwischen Zeit und Temperatur ist in F i g, 2
veranschaulicht. Im Intervall A tritt dabei die innere Oxydation auf. Obgleich eine äußere Oxydation mit
Hilfe eines Inertgases u.dgl. ganz verhindert werden kann, ist die Größe der äußeren Oberflächen-Oxydation
im Vergleich zur inneren Oxydation im allgemeinen äußeist gering. Im Intervall ß werden außerdem infolge
der Auswirkung der Temperaturzyklen die Schichten
ίο der inneren Oxydation über das gesamte metallurgische
Gefüge hinweg gleichmäßig dispergiert bzw. verteilt, während gleichzeitig damit eine Verfeinerung und auch
Vergleichmäßigung des Kristallkorns infolge der Umwandlungs-Superplastizitätserscheinung
auftritt, so daß
die Schichten der inneren Oxydation gleichmäßig in die Zwischenräume zwischen dem feinen Kristallkorn
dispergiert bzw. verteilt werden, wobei das Gefüge den Anschein eines dispersionsverfestigten Gefüges erweckt.
Obgleich die Behandlungszeit für die innere Oxydation beim vorstehend beschriebenen Beispiel mit etwa
einer Stunde gewählt wurde, kann die Behandlungszeit je nach dem betreffenden metallischen Werkstoff und
der Dicke der Schichten der inneren Oxydation beliebig gewählt werden.
Bei einem Vergleich der mechanischen Festigkeit des beim vorstehend beschriebenen Beispiel behandelten
Gegenstandes vor und nach seiner Behandlung ergaben sich folgende Werte:
Zug- Bruch- Ein
festigkeil dehnung schnürung (kp/mm2) (%) (%)
| Vor der Behand | 58 | 13 | 59 |
| lung | |||
| Nach der Behand | 72 | 15 | 63 |
| lung |
Obgleich beim vorstehenden Beispiel der obere und der untere Grenzwert des Temperaturbereiches mit
etwa ± 100° C in bezug auf den Umwandlungspunkt und
die Frequenz auf einen Zyklus pro Minute festgelegt wurde, wurden diese Werte unter Berücksichtigung der
Änderungen des Umwandlungspunktes infolge von Änderungen der Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeit
sowie der für Beginn und Beendigung der Umwandlung erforderlichen Zeitspanne bestimmt.
Diese Behandlungsbedingungen werden in Abhängigkeit von der Art und der Form des Werkstoffes auf
zweckmäßige Werte festgelegt, und auch die Behandlungszeit zum Erreichen der inneren Oxydation wird in
Abhängigkeit von der gewünschten Dicke der Schichten der inneren Oxydation auf einen zweckmäßigen Wert
festgelegt. Darüber hinaus wird die Scherbeanspruchung auf etwa 1/10 bis 1/20 der Streckgrenze des
unbehandelten Werkstoffes festgelegt. Der untere Grenzwert dieses angegebenen Bereiches ist eine für
die Erzeugung der Superplastiziiätserscheinung erforderliche
Beanspruchung, während der obere Grenzwert bei einer Beanspruchung liegt, bei welcher der
behandelte Gegenstand nicht verfonnt wird.
Neben der genannten Cu-Si-Legierung sind auch
CuAl Cu-Zn-Al, Cu-Be oder Fp-AI, Fe-Cr, Fe-V, Fe-Si,
Ni-i.- us-.'. Reispiek1 dir metallische Werkstoffe, die
einer solchen inneren Oxydation unterworfen sen. können. Zusammenfassend laß' sich sagen, daß dann,
»φπιι Hn in kleiner Ment!·.' vorhandenes Legierungszuschlagselement
eine größere Affinität für Sauerstoff besitzt als das Grundmetall (Cu, Fe oder Ni), im
allgemeinen eine innere Oxydation auftreten kann.
Durch Ausnutzung der Erscheinung der inneren Oxydation und durch Anwendung einer Verfestigungs-
behandlung wird eine Verfeinerung des Kristallkorns sowie ein Vergleichmäßigen des metallurgischen Gefüges
erreicht, und die Schichten der inneren Oxydation werden gleichmäßig in den Zwischenräumen zwischen
den Kristallkörnern dispergiert bzw. verteilt.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren auf einen einer inneren Oxydation unterworfenen metallischen
Werkstoff angewandt wird, besitzt dieser Werkstoff nach der Behandlung eine hohe Beständigkeit gegen
eine Verschlechterung seiner mechanischen Festigkeit
y, bei erhöhter Temperatur, ist also hoch warmfest, so daß
er sogar bei einer über seiner Grenzbetriebstemperatur liegenden Temperatur eingesetzt werden kann und
dabei eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit sowie ausreichende mechanische Festigkeit besitzt. Darüber
ho hinaus können die Behandlung <κτ inneren Oxydation
und die Verfestigungsbehandlung ;-> einem Arbeitsgang
durchgeführt werden, wodurch Jas ν ernih;■·.:ί wremfacht
und der Wirkungsgrad \ erbessen .v.;\i.
Zusammenfassend wird \\:':\ der Lrlind'hig .!1SO ein
• λ Verfahren geschaffen, bei v. jlchem ein uer inneren
Oxydation unterworfener metallisc'iiv Werkst,ill durch
Anwendung von durch seinen I r,·\v.:n-Jlungspunk!
verlaufende Temperat!i;/yk!cn ί·ί oaoe Jie Superpia-
stizitätserscheinung hervorzurufen, verfestigt wird, wodurch ohne weiteres ein fester, steifer metallischer
Werkstoff erzielt werden kann, bei dem bereits eine innere Oxydation vorliegt. Die Erfindung ist daher von
großem industriellen Nutzen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Verfahren zur Erhöhung der Festigkeit von durch innere Oxydation gehärteten metallischen
Werkstoffen, die einen Umwandlungspunkt im festen Zustand aufweisen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff im Anschluß an die zur inneren Oxydation erforderliche Erwärmung zur
Erzielung der an sich bekannten Umwandlungsplastizitätserscheinung
unter einer Scherbelastung in Höhe von 1/10 bis. 1/20 seiner Streckgrenze mehreren den Umwandlurigspunkt des Werkstoffes
durchlaufenden Temperaturzyklen unterworfen wird. '■'
2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Behandlung eines aus einer Cu-15%-Si-Legierung bestehenden
Gegenstandes mit 6 mm Durchmesser und 130 mm Länge, dadurch gekennzeichnet, daß die zur inneren
Oxydation erforderliche Erwärmung auf eine Temperatur von 9000C erfolgt, bei welcher der
Gegenstand eine Stunde lang gehalten wird, und daß die anschließend an den Gegenstand angelegte
Scherbelastung 4 kp/mm2 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand unter der Scherbelastung
auf etwa 4500C abgekühlt und insgesamt 3 Temperaturzyklen von jeweils einer Minute Dauer
unterworfen wird, wobei ein Temperaturbereich von ±100°C um den Phasenumwandlungspunkt: von
558°C durchlaufen wird.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3082074A JPS538286B2 (de) | 1974-03-18 | 1974-03-18 | |
| JP3082074 | 1974-03-18 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE2511832A1 DE2511832A1 (de) | 1975-10-02 |
| DE2511832B2 DE2511832B2 (de) | 1976-12-23 |
| DE2511832C3 true DE2511832C3 (de) | 1977-08-04 |
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