DE3043321C2

DE3043321C2 -

Info

Publication number: DE3043321C2
Application number: DE3043321A
Authority: DE
Inventors: Phillip J. Cleveland Heights Ohio Us Andersen
Original assignee: Imperial Clevite Inc
Current assignee: Clevite Industries Inc
Priority date: 1979-11-26
Filing date: 1980-11-17
Publication date: 1990-10-31
Also published as: BR8007687A; FR2469970B1; JPH0250172B2; JPS56123301A; MX154581A; CA1177287A; GB2065710A; DE3043321A1; GB2065710B; AU539115B2; FR2469970A1; AU6444580A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochdichten Sinterproduktes aus Titanlegierung.

Zur Erzeugung relativ hochdichter Pulver produkte ist bekannt, diese bei einer Temperatur zu sintern, wo eine flüssige Phase auftritt. Ein großer Anteil der For schungsarbeiten in diesem Gebiet sieht die Bildung einer flüssigen Übergangsphase vor. Das Auftreten einer flüssigen Phase ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß eine Reihe Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit, insbesondere hin sichtlich der Sprödigkeit auftreten. Darüberhinaus wird bei solchen Verfahren die Steuerung der exakten Sintertemperatur sehr bedeutsam, was bei Vorgängen im industriellen Maßstab sehr schwierig einzuhalten ist.

Ferner ist es bekannt, zur Erzeugung von relativ hochdichten Pulverprodukten von sehr feinen Pulverkörnern auszugehen. Diese Technik, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 37 44 993 angegeben ist, erfordert besondere Verfahrens schritte zur Erzeugung des feinen Pulvers und zur Gewähr leistung, daß das gesamte Pulver eine geeignete Teilchen größe besitzt. Daher ist auch dieses Verfahren nicht ohne signifikante Schwierigkeiten. In dieser Hinsicht mag die größte Schwierigkeit darin liegen, daß bei solchen Pulvern die Gefahr einer Selbstentzündung umso größer wird, je kleiner die Teilchengröße des Pulvers ist. Ersichtlich ist es wünschenswert, die mit der Anwendung von solchen pyro phoren Material verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden oder möglichst gering zu halten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches Verfahren zur Herstellung hochdichter Sinter-Pro dukte aus pulverförmigem Titan anzugeben, das mit einer kleinen Menge an zusätzlichem Legierungs-Bestandteil aus kommt, und das Produkte liefert, welche die physikalischen Eigenschaften herkömmlicher Titan-Knetlegierungen erreichen oder übertreffen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren mit nachstehenden Verfahrensschritten:

(a) Es werden Titanteilchen einer mittleren Teilchen größe von 40 bis 177 µm bereitgestellt;
(b) es werden mit diesen Titanteilchen legierbare, legierungsbildende Teilchen einer mittleren Teil chengröße von 0,5 bis 20 µm bereitgestellt;
(c) die beiden Sorten Teilchen werden zu einem Pulver gemisch vermischt, das zu 70 bis 95 Gew.-% aus diesen Titanteilchen besteht;
(d) das Pulvergemisch wird zu einem Gegenstand der angestrebten Gestalt geformt und verdichtet, der eine Preßkörper-Gründichte von 80 bis 90% der theore tischen Dichte aufweist; und
(e) der Gegenstand wird in fester Phase gesintert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Ver fahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden als Ausgangsmaterialien wenigstens zwei besondere Sorten Pulvermetallteilchen eingesetzt, nämlich Titanteilchen einer mittleren Teilchen größe von 40 bis 117 µm und mit diesen Titanteilchen legie rungsbildende Teilchen. Die Angaben "legierungsbildende Teilchen" bezeichnet Teilchen aus einem oder mehreren ele mentaren Metallen, welche sich mit Titan unter Bildung einer Legierung vereinigen; diese Angabe soll auch Teilchen aus vorlegiertem Material und Mischungen solcher Teilchen ein schließen. Es ist zweckmäßig, wenn die relativen Diffusions geschwindigkeiten der legierungsbildende Teilchen und der Titanteilchen von relativ vergleichberer Größenordnung sind. Zu beispielhaften legierungsbildenden Teilchen gehören Alu minium/Vanadium-Legierungen, Aluminium/Vanadium/Zinn-Legie rungen und Aluminium/Zinn/Molybdän/Zirkonium-Legierungen.

Es ist wesentlich, daß die mittlere Teilchengröße der legie rungsbildende Teilchen 20 µm oder weniger beträgt. Derarti ge Teilchen können nach verschiedenen bekannten Verfahren bereitgestellt werden. Besonders einfach lassen sich der artige Teilchen durch Pulverisieren der legierungsbildende Teilchen in einem handelsüblichen Zerkleinerungsapparat, etwa einer Kugelmühle, erzeugen. Erfindungsgemäß werden legierungsbildende Teilchen eingesetzt, deren mittlere Teil chengröße 0,5 bis 20 µm beträgt; die besten Ergeb nisse werden mit Teilchen einer mittleren Teilchengröße von 2 bis 10 µm erhalten.

Die Titanteilchen weisen eine mittlere gewichtsmäßige Teil chengröße von 40 bis 177 µm auf; besonders guter Ergebnisse werden mit Titanteilchen mit einer mittleren gewichtsmäßigen Teilchengröße von 44 bis 105 µm erhal ten. Vorzugsweise sollen die Titanteilchen aus chemisch reinem Titan bestehen; in kleineren Anteilen oder lediglich in Spuren sind Verunreinigungen, insbesondere die Elemente der legierungsbildende Teilchen unschädlich. Vorzugsweise wird jedoch ein Titan eingesetzt, dessen Reinheit mehr als 99 Gew.-% beträgt.

Die legierungsbildende Teilchen und die Titanteilchen wer den nach irgendeinem üblichen Verfahren miteinander ver mischt, beispielsweise durch einfaches mechanisches Ver schneiden. Die Ausgangsmaterialien werden in solchen Teil mengen eingesetzt, daß das nach dem Vermischen erhaltene Pulvergemisch zu 70 bis 95 Gew.-% aus Titanteilchen besteht. Besonders gute Ergebnisse werden dann erzielt, wenn der Titanteilchen-Anteil 75 bis 92 Gew.-% des Pulvergemisches ausmacht.

Aus dem Pulvergemisch wird ein Gegenstand bzw. Formling mit der angestrebten Gestalt geformt. Dieser Formling wird ver dichtet. Die Preßkörper-Gründichte dieses Form lings soll 80 bis 90% der theoretischen Dichte betragen.

Nach seiner Verdichtung kann der Formling in üblicher Weise gesintert werden. Die tatsächlich angewendete, exakte Sin tertemperatur kann etwa variieren und hängt von den Faktoren ab, wie der Zusammensetzung des Teilchengemisches und den relativen Anteilen der verschiedenen Komponenten. Die einzige und wesentliche Anforderung hinsichtlich der Sinter temperatur besteht darin, daß in fester Phase gesintert wird, d. h. daß im Verlauf der Sinterung eine flüssige Phase nicht auftritt.

Nachstehend sind typische physikalische Eigenschaften erfin dungsgemäß hergestellter Titan-Sinterprodukte angegeben:

Bruchfestigkeit
930 N/mm²
Streckgrenze	861 N/mm²
Dehnung	15%
Querschnittsverringerung	27%

Zum Vergleich sind die Mindestwerte dieser Eigenschaften gemäß ASTM B348 für einen geschmiedeten Gegenstand ähnli cher chemischer Zusammensetzungen angegeben:

Bruchfestigkeit
896 N/mm²
Streckgrenze	827 N/mm²
Dehnung	10%
Querschnittsverringerung	25%

Die nachstehenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung:

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)

In Übereinstimmung mit einem bekannten Verfahren wird ein 9,4×1,47×1,52 cm großer Sinterkörper aus einer Legierung aus 90% Titan, 6% Aluminium und 4% Vanadium hergestellt.

Hierzu werden angenähert 10 Gew.-% pulverförmige Al/V-Legie rung der nominellen Zusammensetzung 60% Al und 40% V einer Teilchengröße kleiner 0,175 mm mit 90 Gew.-% Titanpulver einer Teilchengröße kleiner 0,147 mm vermischt. Das erhaltene Pulvergemisch wird unter einem Druck von 6,9 N/cm² in einer starren Form bis zu einer Gründichte von unge fähr 88 bis 90% der theoretischen Dichte verdichtet. Der erhaltene Formling wird im Vakuum 4 Stunden lang bei einer Temperatur von 1260±14°C gesintert. Es wird ein Sinter körper mit einer Dichte von ungefähr 94,5 bis 96,5% der theoretischen Dichte erhalten, der nachstehende physi kalische Eigenschaften aufweist:

Bruchfestigkeit
792 N/mm²
Streckgrenze	744 N/mm²
Dehnung	6%
Querschnittsverringerung	9%

Beispiel 2

Etwa 1 kg Al/V-Legierung (der nominellen Zusammensetzung 60% Al und 40% V) werden zusammen mit etwa 18kg Stahlku geln (Durchmesser 3,2 mm) und ungefähr 1,9 l Freon in eine Kugelmühle gegeben und 30 Minuten lang behandelt. Die er haltene Aufschlämmung wird aus der Kugelmühle herausgenommen und das Pulver getrocknet. An diesem Pulver wird eine mittlere Teilchengröße von ungefähr 3,0 µm bestimmt. Dieses legierungsbildenden Teilchenpulver wird mit dem eine Teil chengröße kleiner 0,147 mm aufweisenden Titanpulver gemäß Beispiel 1 vermischt. Anschließend wird analog zu Beispiel 1 verdichtet und gesintert. Der erhaltene Sinterkörper weist eine Dichte von 99,3 bis 99,8% der theoretischen Dichte und die nachstehenden physikalischen Eigenschaften auf:

Beispiel 3

Im wesentlichen wird das Verfahren nach Beispiel 2 wieder holt; abweichend dauert die Behandlung in der Kugelmühle le diglich 7 Minuten. Hierbei wird ein Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von angenähert 10 µm erhalten. Das daraus erhaltene Sinterprodukt weist eine Dichte von 99,0% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 4

Im wesentlichen wird das Verfahren nach Beispiel 2 wieder holt; abweichend werden etwa 3,6 kg der pulverförmigen Al/V-Le gierung in die Kugelmühle gegeben. Das zerkleinerte Pul ver weist eine mittlere Teilchengröße von ungefähr 6,5 µm auf. Am Sinterkörper wird eine Dichte von 99,5% der theoretischen Dichte ermittelt.

Beispiel 5

Im wesentlichen wird das Verfahren nach Beispiel 2 wieder holt; abweichend wird anstelle von Freon destilliertes Wasser in die Kugelmühle gegeben. Der Sinterkörper weist eine Dichte von 99,5 bis 99,8% der theoreti schen Dichte auf.

Beispiel 6

Im wesentlichen wird das Verfahren nach Beispiel 2 wieder holt; abweichend erfolgt die Sinterung bei einer Temperatur von 1204±14°C. Der erhaltene Sinterkörer weist eine Dichte von 99,3 bis 99,4% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 7

Im wesentlichen wird das Verfahren nach Beispiel 2 wieder holt; abweichend erfolgt die Verdichtung unter einem Preß druck von ungefähr 4,1N/cm². Hierbei wird ein Formling mit einer Gründichte von 83 bis 84% der theoretischen Dichte erhalten. Nach der Sinterung weist der Sinterkörper eine Dichte von 99,0 bis 99,1% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 8

Im wesentlichen wird das Verfahren nach Beispiel 2 wieder holt; abweichend werden anstelle der Stahlkugeln Mullitku geln verwendet. Hierbei fällt ein Pulver mit einer mittle ren Teilchengröße kleiner als 10 µm an. Das Sinterprodukt weist eine Dichte von 99,5% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 9

Im wesentlichen wird das Verfahren nach Beispiel 2 wieder holt; abweichend wird ein Titanpulver von 0,246 mm bis 0,074 mm verwendet. Der erhaltene Sinterkörper weist eine Dichte von 99,4% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 10 (Vergleichsbeispiel)

Im wesentlichen wird das Verfahren nach Beispiel 1 wieder holt; abweichend wird das Pulvergemisch innerhalb der nach giebigen Formwände einer isostatischen Presse unter einem Druck von angenähert 422 N/mm² zu einem Form ling in der Gestalt eines Knüppels mit einem Durchmesser von etwa 7,5 cm verdichtet, der eine Preßkörper-Gründichte von etwa 86 bis 88% der theoretischen Dichte auf weist. Nach der Sinterung weist dieser Knüppel eine Dichte von 88 bis 92% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 11

Im wesentlichen wird das Verfahren nach Beispiel 10 wieder holt; abweichend wird als legierungsbildendes Teilchenpul ver die nach Beispiel 2 zerkleinerte Al/V-Legierung einge setzt. Nach der Sinterung weist dieser Knüppel (Durchmesser etwa 7,5 cm) eine Dichte von 99,8% der theoretischen Dichte auf.

Beispiel 12

Als legierungsbildendes Teilchenpulver dient ein Gemisch aus einer pulverförmigen Al/V-Legierung (nominelle Zusammenset zung 50% Al und 50% V, Teilchengröße kleiner 0,043 mm) und pulverförmigem Zinn (Teilchengröße kleiner 0,043 mm). Dieses Gemisch wird mit Titanpulver (Teilchengröße kleiner 0,147 mm) vermischt, um ein Pulvergemisch aus 86% Titan, 6% Aluminium, 6% Vanadium und 2% Zinn zu erhalten. Dieses Pulvergemisch wird analog zu Beispiel 1 weiter verarbeitet. Das schließlich erhaltene Sinterprodukt weist eine Dichte von ungefähr 96,6% der theoretischen Dichte und nachstehend physikalische Eigenschaften auf:

Bruchfestigkeit
903 N/mm²
Streckgrenze	779 N/mm²
Dehnung	6%
Querschnittsverringerung	10%

Beispiel 13

Eine pulverförmige Legierung aus 42% Aluminium, 42% Vana dium und 16% Zinn wird analog zu Beispiel 2 zerkleinert. Das zerkleinerte legierungsbildende Teilchenpulver wird mit Titanpulver einer Teilchengröße kleiner 0,147 mm vermischt.

Das dabei erhaltene Pulvergemisch wird analog zu Beispiel 1 weiterverarbeitet, um ein Sinterprodukt aus einer Legierung der Zusammensetzung 86% Titan, 6% Aluminium, 6% Vanadium und 2% Zinn zu erzeugen. Dieses Sinterprodukt weist eine Fertigdichte von angenähert 99,0% der theoretischen Dichte und nachstehende physikalische Eigenschaften auf:

Bruchfestigkeit
1048 N/mm²
Streckgrenze	952 N/mm²
Dehnung	9%
Querschnittsverringerung	16,7%

Eine Auswertung der Beispiele verdeutlicht die Vorzüge der vorliegenden Erfindung. Der nach einem herkömmlichen Ver fahren aus einer pulverförmigen Legierung aus 90% Titan, 6%Alu minium, 4% Vanadium gebildete Sinterkörper weist lediglich eine Dichte von 94,5 bis 96,5% der theoretischen Dichte auf (vgl. Beispiel 1). Demgegenüber weist der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der identischen Legie rung (90% Ti, 6% Al, 4% V) gebildete Sinterkörper eine Dichte von 99,3 bis 99,8% der theoretischen Dichte auf (vgl. Beispiel 2). Diese Dichte-Unterschiede sind außerordentlich bedeutsam, da ein Gegenstand mit einer Dichte von 99,3 bis 99,8% ähnliche oder gleiche chemische und physikalische Eigenschaften wie eine geschmiedete Legierung der gleichen Zusammensetzung aufweist. Ein Gegenstand mit einer Dichte von lediglich 94,5 bis 96,5% der theoretischen Dichte tut dies nicht.

Die angegebenen Teilchengrößen wurden mit Hilfe eines üblichen Gerätes als die mittlere, gewichtsmäßige Teilchen größe ermittelt und angegeben.

Die erfindungsgemäß erhältlichen Titan-Sinterkörper zeichnen sich durch die Besonderheit aus, daß sie trotz eines relativ hohen Sauerstoffgehaltes von bis zu ungefähr 0,30 bis 0,35 Gew.-% ausgezeichnete Zähigkeit bzw. Duktilität (näm lich eine Dehnung von ungefähr 12 bis 13%) aufweisen. Im Gegensatz dazu weisen gegossene oder geschmiedete Gegenstän de der gleichen chemischen Zusammensetzung mit einem Sauer stoffgehalt von ungefähr 0,30 bis ungefähr 0,35% lediglich eine begrenzte Duktilität (entsprechend einer Dehnung von ungefähr 5 bis 6%) auf. Das heißt, bei den erfindungsgemäß hergestellten Titan-Sinterkörpern verbessert die Anwesenheit von relativ hohen Sauerstoffanteilen die Festigkeit, ohne gleichzeitig die Duktilität zu beseitigen. Auch in dieser Hinsicht sind erfindungsgemäß hergestellte Titan-Sinter körper nach anderen, bekannten Verfahren erhältlichen Titan- Sinterkörpern überlegen.

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung werden die Prozeßparameter bevorzugt so eingestellt, daß die resul tierende Sinterdichte der erhaltenen Titan-Sinterkörper größer als ungefähr 97% der theoretischen Dichte ist.

Claims

1. Ein Verfahren zur Herstellung eines hochdichten Sinter- Produktes aus Titan-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte:

(a) Es werden Titanteilchen einer mittleren Teilchen größe von 40 bis 177 µm bereitgestellt;
(b) es werden mit diesen Titanteilchen legierbare, legierungsbildende Teilchen einer mittleren Teil chengröße von 0,5 bis 20 µm bereitgestellt;
(c) die beiden Sorten Teilchen werden zu einem Pulver gemisch vermischt, das zu 70 bis 95 Gew.-% aus diesen Titanteilchen besteht;
(d) das Pulvergemisch wird zu einem Gegenstand der an gestrebten Gestalt geformt und verdichtet, der eine Preßkörper-Gründichte von 80 bis 90% der theoretischen Dichte aufweist; und
(e) der Gegenstand wird in fester Phase gesintert.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als legierungsbildende Teilchen vorlegierte Teilchen ver wendet werden.

3. Das Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorlegierte Teilchen aus einer Legierung aus Vanadium und Aluminium verwendet werden.

4. Das Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vorlegierte Teilchen aus etwa 60% Aluminium und etwa 40% Vanadium verwendet werden.

5. Das Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorlegierte Teilchen aus einer Aluminium/Vanadium/Zinn-Legierung oder aus einer Aluminium/Zinn/Molybdän/Zirkonium-Legierung verwendet werden.