DE2653394B2

DE2653394B2 - Verwendung eines metallischen Werkstoffs als Schwingungsdämpfungsmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2653394B2
Application number: DE19762653394
Authority: DE
Inventors: Hideo Kashiwa Nakae (Japan); Toshinori Ibaraki Ozaki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-11-25
Filing date: 1976-11-24
Publication date: 1978-06-22
Also published as: DE2653394A1; FR2339785B1; DE2653394C3; FR2339785A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines metallischen Werkstoffs als Schwingungsdämpfungsmaterial, das für Maschinen, die eine Schwingungsdämpfung erfordern, sehr wirksam ist, und auf ein Verfahren zur Herstellung dieses Werkstoffs.

Als Materialien mit Schwingungsdämfpungseigenschaften sind die folgenden Werkstoffe gut bekannt: (1) Magnesium (Mg) oder solche Schwingungsdämpfungslegierungen, wie Magnesium-Zirkonium (Mg-Zr), Mangan-Kupfer (Mn-Cu) usw, oder (2) an ihren Oberflächen mit anderen, Schwingungsdämpfungseigenschaften aufweisenden Materialien überzogene Materialien. Jedoch weisen Magnesium oder die genannten Schwingungsdämpfungslegierungen der Aufzählung unter (1) Probleme der Temperatureigenschaften und Kosten auf, und auch bei den gemäß (2) mit Überzügen versehenen Materialien treten Probleme, und zwar der Haftung und Festigkeit, auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zur Verwendung als Schwingungsdämpfungsmaterial mit hoher Schwingungsdämpfungseignung auch bei hoher Temperatur geeigneten metallischen Werkstoff mit hoher Festigkeit zu niedrigen Kosten und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu entwickeln.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist nach der einen Alternative die Verwendung eines metallischen Werkstoffs, der eine große Zahl von auf einem Oberflächenschichtteil durch interkristalline Korrosion gebildeten feinen Rissen aufweist, als Schv/ingungsdämpfungsmaterial und nach der anderen Alternative die Verwendung eines metallischen Werkstoffs, der eine große Zahl von auf einem Oberflächenschichtteil durch Spannungsrißkorrosion gebildeten feinen Rissen aufweist, als Schwingungsdämpfungsmaterial.

Als metallischer Werkstoff kann nach beiden Alternativen vorteilhaft rostfreier Stahl verwendet werden. Für die zweite Alternative ist zweckmäßig auch eine Aluminiumlegierung verwendbar.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs gemäß der zweiten Alternative, d. h. mit feinen Spannungskorrosionsrissen, mit dem Kennzeichen, daß das Gefüge in einem Oberflächenschichtteil des metallischen Werkstoffs verändert und der metallische Werkstoff danach einer Korrosionsbehandlung unterworfen wird.

Während das Auftreten der interkristallinen Korrosion oder der Spannungsrißkorrosion allgemein zu den

ίο unerwünschten Erscheinungen bei metallischen Werkstoffen, insbesondere solchen mit Korngrenzenausscheidungen, gehört, werden diese Korrosionsarten erfindungsgemäß bewußt ausgenutzt, um vorteilhafte Schwingungsdämpfungseigenschaften bei metallischen Werkstoffen zu erzielen.

Hierbei kann teilweise auf bekannte Ätzverfahren und Ätzlösungen zurückgegriffen werden.

Beispielsweise ist es aus· H. Schottky, »Praktische Metallprüfung«, 1953, Seite 142 bekannt, daß die

meisten Ätzlösungen, mit denen Korngrenzen sichtbar gemacht werden sollen, Oxydationsmittel z. B. in Form von Salpetersäure, Kupfersalzen und Persulfaten enthalten.

Außerdem ist zum Beizen von nichtrostenden Stählen eine Lösung mit 10 bis 30 Volumenteilen konzentrierter Salpetersäure und 3 bis 5 Volumenteilen Flußsäure in der Praxis verbreitet

Weiter ist aus H. Schumann, »Metallographie«, 1960, Seite 589 für Stähle zum Nachweis von interkristalliner Korrosionsanfälligkeit eine 100 g Kupfersulfat und 100 cm³ Schwefelsäure enthaltende Lösung bekannt

Schließlich geht aus »Aluminium-Taschenbuch«, 13. Auflage, 1974, Seiten 104—108 hervor, daß allgemein

durch Wahl der Wärmebehandlungsbedingungen in übersättigten Aluminiumlegierungen kritische Zustände hinsichtlich der Spannungsrißkorrosion und der interkristallinen Korrosion hervorgerufen werden, weshalb beispielsweise eine hohe Abschreckgeschwindigkeit bei AlCuMg-Legierungen als Voraussetzung dafür angesehen wird, daß keine Spannungsrißkorrosion auftritt. Im übrigen sind danach nicht sämtliche Aluminiumlegierungen gegenüber interkristalliner Korrosion anfällig.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäß zu verwendenden Werkstoffs kann man so vorgehen, daß man einen metallischen Werkstoff sensibilisiert und den sensibilisierten Werkstoff in eine ein Oxydationsmittel enthaltende wäßrige Lösung für eine bestimmte Zeitdauer eintaucht, wodurch Material an und nahe den Korngrenzen aufgelöst wird und eine große Zahl von feinen Rissen an einer Oberflächenschicht des metallischen Werkstoffs gebildet wird.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man in einem metallischen Werkstoff mit mechanischen Mitteln Restspannungen erzeugt und den metallischen Werkstoff danach in eine Ätzlösung für eine bestimmte 2üeitdauer eintaucht, wodurch eine große Zahl von feinen Rissen auf der Oberflächenschicht des metallischen Werkstoffs gebildet wird.

bo Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man eine teilweise Ausscheidung von Legierungselementen an der Oberflächenschicht des metallischen Werkstoffs erzeugt und den metallischen Werkstoff danach einer Korrosionsbehandlung unterwirft, wodurch eine große Zahl von Spannungskorrosionsrissen an der Oberflächenschicht des metallischen Werkstoffs gebildet wird.

Schließlich läßt sich ein solcher Werkstoff dadurch herstellen, daß eine Aluminiumlegierung lösungsglüht

und die Aluminiumlegierung danach in eine wenigstens ein Oxydationsmittel und/oder Halogenionen enthaltende Lösung eintaucht, wodurch Material an und nahe den Korngrenzen der Aluminiumlegierung aufgelöst wird und eine große Zahl von feinen Rissen an der Oberflächenschicht derselben gebildet wird.

Falls man rostfreien austenitischen Stahl verwendet, ist der instabile Typ mit einem hohen Kohlenstoffgehalt vorzuziehen, und falls er ferritisch ist, soll der Stahl vorzugsweise zum instabilen Typ gehören und hohe Kohlenstoff- und Stickstoff-(C + N-)gehalte aufweisen.

Im Fall des austenitischen rostfreien Stahls wird die Wärmebehandlung wirksam so durchgeführt, daß man den Stahl für eine bestimmte Zeitdauer bei einer Temperatur von 450 bis 800⁰C hält. Im Fall des ferritischen rostfreien Stahls wird die Wärmebehandlung durch Abschrecken von einer Temperatur oberhalb 850⁰C wirksam durchgeführt Die Wärmebehandlung wird im folgenden als »Sensibilisierungsbehandlung« bezeichnet

Um nur an oder nahe den Korngrenzen vorhandene Einlagerungen des rostfreien Stahls selektiv aufzulösen, ist es wirkungsvoll, den rostfreien Stahl in eine ein Oxydationsmittel enthaltende saure Lösung für eine bestimmte Zeit einzutauchen. Insbesondere ist es vorteilhaft, eine wäßrige 5°/oige schwefelsaure Lösung, die 4 Gew.-% Ferrisulfat enthält eine wäßrige 65%ige salpetersaure Lösung, eine gemischte wäßrige, 10 Gew.-% Salpetersäure und 3 Gew.-% Flußsäure enthaltende Lösung oder eine wäßrige 10% ige schwefelsaure, 10 Gew.-% Kupfersulfat enthaltende Lösung und eine geringe Menge von metallischen Kupferstückchen in einem Temperaturbereich um den Siedepunkt herum zu verwenden.

Wenn man alle Oberflächen des rostfreien Stahls in die saure Lösung eintauchen möchte, müssen diese sämtlich frei liegen, wenn man jedoch eine höhere Festigkeit etwas zu Lasten der Schwingungsdämpfungseignung zu erhplten wünscht, werden die Oberflächen des rostfreien Stahls nach einem Netzmuster mit einem Überzugsmittel bedeckt. Wenn man ein Material mit einer teilweisen Schwingungsdämpfungseignung zu erhalten wünscht, muß das Material nur teilweise der Sensibilisierungsbehandlung unterworfen und dann in die saure Lösung eingetaucht werden.

Weiter kann, wenn die Kristallkörner des Materials durch eine einsinnig gerichtete Erstarrung oder durch Drahtziehen gestreckt sind und dann der Behandlung unterworfen werden, der Werkstoff eine höhere Festigkeit in einer zu seiner Längsrichtung senkrechten Richtung aufweisen.

Weiter kann man einen Stahl mit einer höheren Festigkeit oder ein chemisch stabiles Schwingungsdämpfungsmaterial auch erhalten, indem man die Oberflächenschichten der der genannten Behandlung unterworfenen Werkstoffe mit einem geeigneten Harz imprägniert

Andere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäß zu verwendenden Schwingungsdämpfungsmaterials und des Verfahrens zu seiner Herstellung werden weiter unten erläutert.

Wenn man auf einen metallischen Werkstoff eine Zugbeanspruchung in einer gewissen Atmosphäre einwirken läßt, entstehen Spannungskorrosionsrisse. Beispielsweise tritt, wenn eine Zugbeanspruchung auf rostfreien 18-8-Stahl mit einer niedrigen Schwingungsdämpfungseignung in einer wäßrigen Magnesiumchloridlösung bei einer hohen Temperatur einwirkt, die Erscheinung der Spannungskorrotionsrisse auf. Dabei bilden sich jedoch nur ein oder zwei Spannungskorrosionsrisse.
Um die Schwingungsdämpfungseignung des metallisehen Werkstoffs zu verbessern, ist es jedoch erforderlich, sine große Zahl von Rissen zu erzeugen, während die genannten ein oder zwei Risse die Schwingungsdämpfungseignung des metallischen Werkstoffs nicht zu steigern vermögen.

ίο Die Erfinder führten ausgedehnt« Forschungsarbeiten und Untersuchungen zur Erzeugung einer großen Zahl feiner Risse durch und fanden, daß sich eine große Zahl von feinen Rissen nach folgenden Arbeitsweisen erzeugen läßt:

(1) Oberflächenbehandlung

Die Oberflächen eines metallischen Werkstoffs werden teilweise mit einem Überzug versehen und sandgestrahlt, wobei Restdruckspannungen an den Teilen zurückbleiben, die dem Sandstrahlen unterworfen worden waren, während andere» mit dem Überzug versehene Teile im ursprünglichen Zustand bleiben; so entsteht eine große Zahl feiner Risse aufgrund der Spannungsrißkorrosion.

Wenn man die Oberflächen des Werkstoffs mit einer großen Zahl von Punktschweißstellen oder Elektronenstrahlen beaufschlagt, um Restspannungen zu erzeugen, kann eine große Zahl feiner Risse infolge Spannungsrißkorrosion gebildet werden.

jo Weiter ruft eine Induktionshärtung auf der Rückseite des metallischen Werkstoffs eine große Zahl feiner Risse auf der Oberfläche hervor.

(2) Gefügeänderung

Beispielsweise entstehen in einem Martensitgefüge in Teilbereichen nahe der Oberfläche von rostfreiem 18-8-Stahl keine Risse, während eine große Anzahl feiner Risse in den nicht umgewandelten Austenitbereichen gebildet wird.

(3) Korngrenzenausscheidungen

Eine Anreicherung an Korngrenzenausscheidungen wird durch Aufkohlung, Nitrierung usw. von der Oberfläche eines metallischen Werkstoffs aus erzeugt.

Eine große Zahl feiner Risse wird an diesen Stellen gebildet, die verstärkt zur Spannungsrißkorrosion neigen.

Die Verfahren (1) bis (3) lassen sich natürlich zusammen anwenden. Jedes dieser Verfahren wird in einer Atmosphäre bzw. einem Medium durchgeführt, in der bzw. dem die Spannungsrißkorrosion zu erwarten ist, das Medium hängt von dem jeweiligen metallischen Werkstoff ab. Beispielsweise wird im Fall von austenitischem rostfreien Stahl eine hochkonzentrierte wäßrige Chloridlösung, beispielsweise eine Magnesiumchlorid (MgCh) enthaltende Lösung, bei einer hohen Temperatur verwendet; in Einzelfällen wird bei Bedarf zusätzlich ein Anodenpotential oder Kathodenpotential angelegt. Im Fall von Messing wird eine hochkonzentrierte wäßrige Ammoniumsalzlösung verwendet. Allgemein kann man eine große Zahl feiner Risse erzeugen und die Schwingungsdämpfungseignung steigern, indem man ein anggressiveres Medium verwendet und die Kofosionseinwirkung verkürzt.

Weitere Beispiele des erfindungsgemäß zu verwendenden Schwingungsdämpfungsmaterials und des Verfahrens zu seiner Herstellung werden im folgenden erläutert.

Im Fall einer Aluminiumlegierung verwendet man vorzugsweise eine mit Magnesium und/oder Kupfer als Legierungspartner.

Insbesondere verwendet man vorteilhaft eine 0,5 bis 10% Magnesium und 0,4 bis 7% Kupfer enthaltende Aluminiumlegierung. Wenn der Magnesiumgehalt unter 0,5% oder über 10% liegt, sinken die Schwingungsdämpfungseigenschaften. Ähnlich verringert sich die Schwingungsdämpfungseignung, wenn der Kupfergehalt geringer als 0,4% oder höher als 7% ist.

Für die Wärmebehandlung einer Aluminium-Magnesium-Legierung ist es wirkungsvoll, die Legierung eine bestimmte Zeitdauer auf einer Temperatur von 60 bis 300⁰C zu halten, oder die Legierung von einer Temperatur oberhalb 400° C langsam, beispielsweise bei einer Geschwindigkeit von weniger als 500°C/sec, abzukühlen. Für die Wärmebehandlung einer Aluminium-Kupfer-Legierung ist die gleiche Wärmebehandlung wirksam; es ist besonders zweckmäßig, die Legierung von einer Temperatur über 400°C langsam abzukühlen. Bei der Wärmebehandlung ist es nützlich, jedoch nicht stets unerläßlich, eine Lösungsglühung durchzuführen.

Nun soll die Erfindung anhand einiger Beispiele und der Zeichnung näher erläutert werden.

Die Zeichnung ist ein Diagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen dem logarithmischen Schwingungsdämpfungsverhältnis (<5) und den Temperatureigenschaften der Schwingungsdämpfung von Aluminiumlegierungen.

Beispiel 1

Eine rostfreie Stahlstange (C<0,15%, Si< 1,00%, Mn<2,00%, P<0,20%, S<0,15%, Ni 8,00 bis 50,50%, Cr 17,00 bis 19,00%, Fe Rest) wurde einer Sensibilisierungsbehandlung durch Erwärmen während 3 S.tunden bei 650° C und anschließende Luftabkühlung unterworfen. Dann wurde die Stange in eine siedende wäßrige 10%ige schwefelsaure Lösung, die 10% Kupfersulfat und eine geringe Menge von metallischen Kupferstückchen enthielt, 1 Stunde zwecks Auflösung der an oder nahe den Korngrenzen vorhandenen Ausscheidungen eingetaucht. Danach wurde die Schwingungsdämpfungseignung der Stange nach einem Horizontalschwingverfahren gemessen. Man fand, daß das logarithmische Schwingungsdämpfungsverhältij (*) vor der Behandlung 0,00099 war, während es nach der beschriebenen Behandlung 0.865 errreichte. Damit zeigt sich, daß die erhaltene Stange eine ausgezeichnete Schwingungsdämpfungseignung aufwies.

Beispiel 2

Eine rostfreie Stahlplatte (C < 0,08%, Si < 1,00% Mn < 2,00%, P < 0,040%, S < 0,030%, Ni 8,00 bis 10,50% Cr 18,00 bis 20,00%, Fe Rest) wurde mit einem Stahlnet; bedeckt (Lochgrößen 1 χ 1 mm; Stahldrahtstärki 0,3 mm Durchmesser) und einem Sandstrahlen von ober (Sandteilchengröße 0,02 mm Durchmesser) 5 Minuter lang unterworfen. Dann wurde die Platte etwas gebogei

ίο und in eine wäßrige 40%ige MgCl₂-Lösung bei 150°C während 30 Minuten eingetaucht. Die Schwingungs dämpfungseignung eines , Probestück:

(2 χ 5 χ 110 mm) aus dieser Platte wurde nach den Horizontalschwingverfahren gemessen. Man fand, dal das logarithmische Schwingungsdämpfungsverhältni: vor der Behandlung 0,0018, dagegen nach de vorliegenden Behandlung 0,125 war. Die erhalten! Platte hatte also eine hervorragende Schwingungs dämipfungseignung.

(*) Wenn man annimmt, daß die n-te Amplitude An und die (n+1)-te Amplitude An + 1 ist, dann wird das logariinmische Schwingungsdämpfungsverhältnis durch die folgende Formel ausgedrückt:

ö - log (An/An+1). Tabelle
Schwingungsdämpfungs-Werkstoffe auf Aluminiumbasis

Beispiel 3

(1) Eine 3,1% Magnesium enthaltende gewalztf Aluminiumlegierung wurde 1 Stunde lang bei 500°C erwärmt, dann in Wasser abgeschreckt und 5 Stunder lang bei 120° C warmausgelagert. Dann wurde die Legierung 2 Stunden in eine 36 g/l CrO₃,30 g/l K₂Cr₂O und 3 g/l NaCl enthaltende wäßrige Lösung bei 90° C eingetaucht.

(2) Zwei Bleche einer Aluminiumlegierung mit 4,2⁰X Cu und 1,6% Mg wurden 1 Stunde lang auf 500° C erwärmt; ein Blech wurde in Wasser abgeschreckt und i Stunden lang bei 150°C warmausgelagert. Das anders Blech wurde im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt Die beiden Bleche wurden der gleichen Korrosionsbe handlung wie nach (1) unterworfen.

Die Schwingungsdämpfungseigenschaften diese:

nach den Verfahrensweisen (1) und (2) wärmebehandel ten Bleche wurden unter Erhöhung der Temperatur vor Raumtemperatur bis zu 250° C gemessen. Die Ergebnis se sind in der Zeichnung dargestellt, wo auch noch eir Schwingungsdämpfungsmaterial des herkömmlicher Mangan-Kupfer-Typs (Mn-Cu) dargestellt ist. Wie siel aus der Zeichnung ergibt, erhöhten sich die logarithmi sehen Schwingungsdämpfungsverhältnisse der Alumini umlegierungen von der Größenordnung von 10~⁴ dei unbehandelten Legierungen auf die Größenordnunj

so von 10~² nach den Behandlungen, d.h., die Schwin gungsdämpfungswerte stiegen auf das Hundertfache.

Schwingungsdämpfungswerte verschiedener Alumi niumlegierungen nach den erfindungsgemäßen Behänd lungen sind in der folgenden Tabelle zusammen mit der Behandlungsbedingungen angegeben.

Legierungselemente	Cu	(%)	Wärmebehandlung	Wasserabschre^ckung
Mg	0,16	andere		Wasserabschreckung
0,51	0,07	0,37 Si	500⁰C(I₁Oh)
3,1	0,07	032Si	SOO⁰C(I₁Oh)	Wasserabschreckung
4,8	1,8	0,65 Mn
2,1	0,04	5,9Zn	SOO⁰C (1.0 h)
9,8	0,26 Si

<5Λ5ο·)

150'	37
180'	139
150'	140
150^c	198
	162
'C (5,0 h)
¹C (5,0 h)
'C (5,0 h)
¹C (5,0 h)

Fortsetzung

Legieriingselememe (%) Mg Cu andere

Wärmebehandlung

0,43 1,8 4,3 6,9

0,47 Si 0,35 Si 0,53 Fe

500⁰C(I₁Oh) 500⁰C (1,0 h) 500° C (1,0 h) 500° C (1,0 h)

Wasserabschreckung Ofenabkühlung

180⁰C (5,0 h)

150° C (5,0 h)
150° C (5,0 h)

61 154 171

56

*) <5o: Logarithmische Schwingungsdämpfungsverhältnisse unbehandeiter Legierungen. 6: Logarithmische Schwingungsdämpfungsverhältnisse behandelter Legierungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung eines metallischen Werkstoffs, der eine große Zahl von auf einem Oberflächenschichtteil durch interkristalline Korrosion gebildeten feinen Rissen aufweist, als Schwingungsdämpfungsmaterial.

2. Verwendung eines metallischen Werkstoffs, der eine größe Zahl von auf einem Oberflächenschichtteil durch Spannungsrißkorrosion gebildeten feinen Rissen aufweist, als Schwingungsdämpfungsmaterial.

3. Verwendung von rostfreiem Stahl als metallischer Werkstoff für den Zweck nach Anspruch 1 oder 2.

4. Verwendung einer Aluminiumlegierung als metallischer Werkstoff für den Zweck nach Anspruch 2.

5. Verfahren zur Herstellung eines nach einem der Ansprüche 2,3 oder 4 zu verwendenden Werkstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefüge in einem Oberflächenschichtteil des metallischen Werkstoffs verändert und der metallische Werkstoff danach einer Korrosionsbehandlung unterworfen wird.