DE3239268C2 - Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes aus einer ferritischen Eisen-Basislegierung mit einer guten Dämpfungsfähigkeit und hoher Festigkeit - Google Patents

Abstract

Die zur Erzielung einer guten Dämpfung einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von 700 bis 1200°C unterzogene ferritische Eisen-Basislegierung enthält in einem zusätzlichen Glühprozeß, der vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 400°C und 700°C bei einer Dauer von 0,01 bis 100 h abläuft, erzeugte feinste Ausscheidungen, die kleiner als 1/10 der Blockwanddicke sind. Bevorzugt wird eine Eisen-Basislegierung, die 0,1 bis 6% Al und 0,1 bis 6% Ni, Rest Fe, ggf. zusätzlich 0,1 bis 20% Cr, bis zu 10% aus einem oder mehreren Bestandteilen der Elemente Mn, Mo, V, W, Ti und/oder bis zu 5% Si, Cu, Nb und/oder Ta und 0,01 bis 1% Stickstoff enthält.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes aus einer ferritischen Eisen-Basislegierung mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen mit einer guten Dämpfungsfähigkeit und einer hohen Festigkeit von über 600 N/mm², die bei etwa 1000⁰C homogenisiert, danach warm- und/oder kaltverformt und anschließend zur Erzielung einer guten Dämpfung bei Temperaturen von 700 bis 1200⁰C geglüht und langsam abgekühlt worden ist.

Legierungen mit gutem Dämpfungsvermögen sind nach dem Stand der Technik bekannt, so z. B. Legierungen mit 38% Mn, 2% Al, Rest Cu oder Nitinol mit 43% Ti, Rest im wesentlichen Nickel oder Legierungen aus bis 30% Co, Rest Fe. Die genannten Legierungen verlieren allerdings schon bei Temperaturen oberhalb 15O⁰C ihr gutes Dämpfungsvermögsn. Dagegen behalten z. B. ferritische Stähle mit ca. 12% Cr bis 400⁰C ihre guten Dämpfungseigenschaften.

Schließlich wird in der DE-PS 24 50 607 die Verwendung einer Legierung vorgeschlagen, die aus 1 bis 8% Aluminium, 2 bis 30% Chrom, Rest Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht und die bei einer Temperatur von 700 bis 1200°C wärmebehandelt wurde. In der DE-PS 26 22 108 wird eine Dämpfungslegierung beschrieben, die aus 0,01 bis 5% Cu und/oder Molybdän, Rest Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht Außerdem kann diese Legierung insgesamt 0,01 bis 40% eines zusätzlichen Bestandteils von mindestens einem der nachfolgenden Elemente, und zwar unter 40% Chrom, unter 10% Aluminium, Nickel, Mangan, Antimon, Niob, Wolfram, Titan, Vanadium und Tantal, unter 5% Silicium, Zinn, Zink und Zirkonium und unter 1% Kobalt Blei, Kohlenstoff und Yttrium enthalten. Die aus solchen Legierungen geformten Gegenstände werden 1 Minute bis 100 Stunden auf eine Temperatur, die nicht über dem Schmelzpunkt der Legierung und nicht unter 500⁰C liegt erwärmt und dann mit einer Abkühlgeschwindigkeit von l°C/s bis TC/h zur Erhöhung der Dämpfungsfähigkeit glühbehandelt Die Zugfestigkeit dieser Gegenstände ist sehr gering. Verformt man diese Legierungen nach dem Abschrecken oder Glühen kalt so verbessert man die Festigkeit nur geringfügig, allerdings auf Kosten einer schlechteren Dämpfungsfähigkeit So beträgt die Zugfestigkeit bei Legierungen mit 94 bis 98,5% Fe, 1 % Mo sowie bis zu 50/0 der Elemente Nb, W, Ti, V, Ta, Si, Sn, Zn, Co, Pb, C und Y zwar zwischen 60 und 72 kg/mm², jedoch ist die Dämpfungsfähigkeit dieser Legierung deutlich schlechter. Eine als abschließende Behandlung in der DE-PS 26 22 108 vorgeschlagene Erwärmung auf etwa 800 bis 1600⁰C und anschließende langsame Abkühlung verbessert zwar die Dämpfungsfähigkeit, jedoch verringert sich die Zugfestigkeit auf im Mittel 50 kg/mm².
Schließlich wird in der DE-PS 26 30 141 die Verwendung einer aus 0,1 bis 10% W, Si und/oder Ti, Rest Fe enthaltenen Legierung für Teile vorgeschlagen, die eine Dämpfungsfähigkeit von über 2 · 10~³ aufweisen müssen; diese Legierung soll einer Wärmebehandlung unterworfen werden, die aus einem Lösungsglühen bei mindestens 500⁰C, einem anschließenden Abschrecken oder Vergüten (langsamen Abkühlen), einer Kaltverformung, einer Wiedererhitzung auf 100° C bis 1300⁰C und einem Abkühlen besteht. Nach den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 in dieser Patentschrift betragen die Temperaturen beim Lösungsglühen und Wiedererhitzen jeweils 1000°C. Die nach diesem Verfahren hergestellten Legierungen haben jedoch ausweislich der Tabellen 1 bis 13 eine nur sehr geringe Dämpfungsfähigkeit und nur kleine Zugfestigkeiten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ferritische Eisen-Basislegierung mit einer guten Dämpfungsfähigkeit, deren Festigkeit möglichst hoch ist, mindestens aber 600 N/mm² beträgt und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem in einem zu den eingangs genannten Verfahrensmaßnahmen zusätzlichen Schritt, einem Glühprozeß bei 400°C bis 700⁰C in einem Zeitraum von 0,01 bis 100 h, die Legierung so angelassen wird, daß feinste Ausscheidüngen gebildet werden, die kleiner als ¹Ao der Blochwanddicke sind.

Es hat sich herausgestellt, daß sowohl Legierungen, die dem zusätzlichen Glühprozeß als abschließender Wärmebehandlung nach Abkühlung auf Raumtemperatür unterzogen worden sind, als auch Legierungen, bei denen der zusätzliche Glühprozeß unmittelbar nach der Wärmebehandlung bei 700 bis 1200°C ohne zwischenzeitige Abkühlung auf Raumtemperatur angeschlossen worden ist, gleichermaßen gute Dämpfungseigenschaften und eine hohe Festigkeit besitzen.

Bevorzugt werden Eisen-Basislegierungen mit feinsten Aluminium-Nickel-Ausscheidungen (AINi-Ausscheidungen), wobei der Gehalt an Aluminium und Nik-

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kel jeweils zwischen 0,1 bis 6% liegen solL Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann diese Legierung auch 1 bis 20% Chrom enthalten. Vorteilhafterweise besitzt die genannte Legierung außerdem bis zu 10% ein oder mehrere Bestandteile der Elemente Mangan, Molybdän, Vanadium, Wolfram, Titan und/oder bis zu 5% Silicium, Kupfer, Niob, TantaL Schließlich kann die vorbeschriebene Legierungszusammensetzung außerdem noch 0,01 bis 1 % Stickstoff aufweisen.

Es ist bekannt, daß mechanische Dämpfungseffekte infolge magnetischer Vorgänge auftreten können. So zeigen ferromagnetische Werkstoffe ein magneto-mechanisches Hysterese-Verhalten, das dadurch bedingt ist, daß bei einer normalen, elastischen Dehnung das unter Spannung stehende Material dem äußeren Zwang durch entsprechende Ausrichtung seiner lokalen Magnetisierung zusätzlich nachzugeben vermag, wodurch sich eine »magnetische« Zusatzdehnung einstellt Hierzu treten durch irreversible Wandverschiebungen bedingte Energieverluste auf. Die Dämpfung ist unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der diese Hysterese durchlaufen wird, und abhängig von der Aussteuerung, d. h. den Spitzenspannungen. Dagegen bewirken elastische Wechselspannungen periodische Veränderungen des Magnetisierungszustandes, wodurch Wirbelströme induziert werden, die die Schwingungsenergie in Joulsche Wärme umsetzen.

Bei der Suche nach einem Werkstoff mit hohem Dämpfungsvermögen wird dementsprechend ein magnetisch weicher Werkstoff gesucht Der magnetisch weiche Zustand ist Voraussetzung für die freie Beweglichkeit der Blochwände und damit für die magneto-mechanische Dämpfung. Gleichzeitig bewirkt er durch das grobkörnige und spannungsfreie Gefüge eine geringe Festigkeit.

Bekanntlich führen dieselben metallphysikalischen Mechanismen zur mechanischen wie zur magnetischen Härtung von weichmagnetischen Werkstoffen, nämlich insbesondere die Mischkristall- und Ausscheidungshärtung. Bei Ausscheidungsvorgängen ist die Härte eine Funktion der Teilchengröße. Sie erreicht bei magnetischer Härtung ihr Maximum, wenn die Teilchen die Größe der Blochwanddicke erreichen. Die mechanische Härtung durch Versetzungsverankerung erreicht ihr Maximum bei Teilchengrößen, die eine Zehnerpotenz kleiner sind. Hier findet keine nennenswerte Wechselwirkung mit den Blochwänden mehr statt, so daß die Voraussetzung für die magneto-mechanische Dämpfung erfüllt bleibt. Daher zeigt der im Anspruch 1 beschriebene Werkstoff trotz der in dem zusätzlichen Glühprozeß erzeugten feinsten Ausscheidungen hervorragende Dämpfungseigenschaften bei einer sehr hohen Festigkeit der Legierung. Die Ausscheidungen sind also »magnetisch nicht wirksam« geworden.

Als Ausscheidungsbildner werden bevorzugt Aluminium und Nickel verwendet. Zur weiteren Steigerung der Dämpfungsfähigkeit als auch der Korrosionsbeständigkeit werden vorteilhafterweise 0,1 bis 20% Chrom der Legierung hinzugegeben. Nach einer Weiterbildung der Erfindung können auch bis zu 10% aus einem oder mehreren Bestandteilen der Elemente Mn, Mo, V, W, Ti, und/oder bis zu 5% Si, Cu, Nb₁ bzw. Ta als Legierungsbestandteil enthalten sein.

Es kann zusätzlich jeweils bis zu 1% Stickstoff zugesetzt werden, um über Nitride bzw. Carbonitride eine Festigkeitssteigerung zu erzielen.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Legierung der Zusammensetzung 1% Silicium, 0,5% Mangan, 4% Aluminium, 2% Nickel Rest Eisen erschmolzen, bei 100O⁰C homogenisiert, einer 90%igen Kaltverformung unterzogen und eine Stunde bei 1000⁰C geglüht worden, bevor sie mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 100°C/h auf Raumtemperatur abgekühlt worden ist Darauf hin schloß sich eine Glühung bei 550⁰C an, die über fünf Stunden durchgeführt worden ist Die Zugfestigkeit dieser Legierung beträgt 1125 N/mm²,deren Dämpfungsfähigkeit Q -' 80 · ΙΟ-³.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist von einer Legierung der Zusammensetzung 1% Silicium, 0,5% Mangan, 13% Chrom, 1,75% Aluminium, 1,5% Nickel, Rest Eisen ausgegangen worden, die derselben, zuvor beschriebenen Glühbehandlung unterworfen worden ist Auch hier betrug bei einer Dämpfungsfähigkeit von 160 · ΙΟ-³ die Zugfestigkeit dieser Legierung 1030 N/ mm².

Ausgehend von einer Legierung mit einer Zusammensetzung von 1% Silicium, 3% Vanadium, 3,75% Aluminium, 1,5% Nickel, Rest Eisen sind bei entsprechender Wärmebehandlung Festigkeiten von 1100 N/ mm² erzielt worden.

Schließlich ist eine Legierung mit 4% Molybdän, 0,5% Kupfer, 3,75% Aluminium und 1,5% Nickel, Rest Eisen wie beschrieben behandelt worden; die Festigkeit betrug 900 N/mm², die Dämpfungsfähigkeit 150 · 10~³.

Die in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Legierungen besaßen jeweils Dämpfungsfähigkeiten, die größer als 20 · ΙΟ-³waren.

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes aus einer ferritischen Eisen-Basis-Legierung mit einer guten Dämpfungsfähigkeit und einer hohen Festigkeit bei dem die Legierung bei etwa 1000⁰C homogenisiert, danach wann- und/oder kaltverformt und anschließend zwischen 700⁰C und 1200⁰C geglüht und langsam abgekühlt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zusätzlichen abschließenden Glühprozeß bei 400⁰C bis 700° C in einem Zeitraum von 0,01 bis 100 Stunden die Legierung so angelassen wird, daß feinste Ausscheidungen gebildet werden, die kleiner sind als ¹Ao der Blochwanddicke.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Glühprozeß als abschließende Wärmebehandlung nach Abkühlung auf Raumtemperatur durchgeführt worden ist

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung unmittelbar nach der Wärmebehandlung bei 700⁰C bis 1200° C dem zusätzlichen Glühprozeß ohne zwischenzeitige Abkühlung auf Raumtemperatur unterzogen worden ist.

4. Ferritische Eisen-Basislegierung, bestehend aus 0,1 bis 6% Al, 0,1 bis 6% Ni, Rest Fe mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, die den nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 gekennzeichneten Verfahren unterzogen worden ist.

5. Ferritische Eisen-Basislegierung nach Anspruch 4, die zusätzlich 0,1 bis 20% Cr enthält

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Ferritische Eisen-Basislegierung nach Ansprüchen 4 oder 5, die bis zu 10% aus einem oder mehreren Bestandteilen der Elemente Mn, Mo, V, W, Ti und/oder bis zu 5% Si, Cu, Nb und/oder Ta enthält.

8. Ferritische Eisen-Basislegierung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, die 0,01 bis 1 % Stickstoff enthält.