DE3615425C2

DE3615425C2 -

Info

Publication number: DE3615425C2
Application number: DE3615425A
Authority: DE
Inventors: Hanns-Gert Dr.-Ing. Bitter; Klaus Dr.-Ing. 4150 Krefeld De Ruedinger
Original assignee: Thyssen Edelstahlwerke AG
Current assignee: VEREINIGTE SCHMIEDEWERKE GMBH, 4630 BOCHUM, DE
Priority date: 1986-05-07
Filing date: 1986-05-07
Publication date: 1988-03-31
Also published as: GB8710852D0; IT1205952B; GB2190100A; DE3615425A1; FR2598440A1; IT8747907A0

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer geschmiedeten, gegossenen oder gesinterten technischen Titanlegierung, und zwar vom α, α + β- oder b-Typ, für Maschinenelemente, deren Oberflächenschichten zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften einschließlich Erosion und Kaviation und/oder zur Steigerung der zulässigen Flächenpressung im Plasma von Glimmentladungen bei Temperaturen oberhalb 700°C behandelt werden. Die für die Schicht bildung benötigten Elemente werden durch ein Behandlungsgas zur Verfügung gestellt, das geringe Mengen (Partialdrücke von 0,1 bis 50 mbar) Stickstoff und gegebenenfalls Kohlenstoff und/oder Sauerstoff enthält.

Maschinenelemente werden heute überwiegend aus Stählen verschiedener Zu sammensetzungsgruppen gefertigt. Der aufgrund des hohen Festigkeit/Dichte- Verhältnisses wünschenswerte Einsatz von Titanlegierungen für hochwertige Bauteile in stationären Motoren und Turbinen und in Motoren und Getrieben von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen sowie von schnell hin und her bewegten Teilen im allgemeinen Maschinenbau hat, wenn die Materialkosten zunächst unberücksichtigt bleiben, wegen des geringen Verschleißwiderstandes dieser Werkstoffe bis heute keine breite Basis gefunden.

Es hat viele Vorschläge gegeben, die Neigung zum Verschweißen von gegen einander bewegten Teilen aus Titan und Titanlegierungen durch verschleiß feste Überzüge zu überwinden. Alle Verfahren weisen jedoch spezifische Nachteile auf. So ist die Haftung galvanischer Überzüge gering. Wegen des nicht homogenen Überganges auf der Phasengrenzfläche zum Trägerwerkstoff sind auch gespritzte Verschleißschichten nur für begrenzte Einsatzgebiete tauglich. Dies gilt auch für das nach dem PVD- oder CVD-Verfahren aufge brachte Titannitrid mit Schichtdicken im µm-Bereich.

Durch die Eindiffusion von Elementen geringer Ordnungszahl in die Oberfläche von Maschinenelementen aus Titan und Titanlegierungen im Salzbad oder in der Gasphase können Mischkristallzonen mit sich stetig ändernder Konzen tration an Fremdatomen erzeugt werden. Diese Diffusionszonen und die damit verbundenen Einhärtetiefen sind jedoch bei großtechnischer Anwendung aus verschiedenen Gründen auf nur geringe Schichtdicken von z. B. 0,03 bis 0,06 mm begrenzt.

Dies gilt sowohl für das Gasnitrieren in Stickstoff oder Ammoniak sowie für das Karburieren in reiner Holzkohle. Auch bei dem in der industriellen Praxis am besten eingeführten Tiduran-Verfahren werden nur die in Fig. 1 dargestellten Einhärtetiefen erzielt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Titanlegierung für Maschinen elemente zu schaffen, welche eine Diffusionszone mit höherer Einhärtetiefe hat, als sie bisher erzeugt werden konnte.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine technische Titanlegierung mit einer Mindesfestigkeit von 640 N/mm² und der Zusammen setzung und Oberflächenbehandlung gemäß Anspruch 1 in geschmiedeter, ge gossener oder gesinterter Form für Maschinenelemente zu verwenden. Bevor zugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet.

Die Härten im Abstand von 0,05 und 0,1 mm von der Oberfläche, nachfolgend kurz 0,05- bzw. 0,1-Härten genannt, und die Einhärtetiefen, bei denen noch Härtewerte von 600 HV festgestellt werden, liegen bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Titanlegierung nach der vorgesehenen Oberflächenbehandlung im Plasma einer Glimmentladung deutlich höher. Während bei der Tiduran behandelten Legierung die 0,05-Härte auf dem Niveau der Kernhärte liegt, d. h. praktisch keine Einhärtung mehr stattgefunden hat, weist die Plasma behandelte Probe eine Härte von 500 HV auf. Die Einhärtetiefe dieser Probe ist damit ca. dreimal größer als nach Tiduran-Behandlung.

Ein weiterer Verfahrensvorteil ist darin zu sehen, daß die prinzipiell größere Einhärtetiefe nach der Plasma-Behandlung praktisch in vollem Umfang genutzt werden kann, da anders als bei den vom Salzbad angegriffenen Oberflächen keine oder nur geringe Nacharbeit erforderlich ist. Dadurch wird es möglich, über die verschiedenen Eigenschaften der drei für Titanlegierungen typischen Schichten frei zu verfügen.

Die Schliffbilder aller drei im Plasma einer Glimmentladung behandelten Titanlegierungen, deren Härteverlaufskurven in Fig. 2 dargestellt sind, weisen den gleichen verbundschichtartigen Aufbau auf. Direkt auf der Ober fläche wird eine sehr dichte 1-2 µm dicke Titannitridschicht beobachtet, die im metallografischen Schliffbild eine gelbliche Färbung zeigt. Darunter schließt sich eine weite α-stabilisierte Schicht von ca. 5 µm Dicke an, die ihrerseits in die 0,15-0,40 mm breite Diffusionsschicht mit nach innen abnehmender Konzentration an interstitiell eingelagerten Elementen (Stickstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff) übergeht. Die aus der wesentlich größeren Zahl frei einstellbarer Verfahrensparameter resul tierende Überlegenheit der Behandlung von Titanlegierungen im Plasma von Glimmentladungen gegenüber anderen Diffusionsverfahren aus Gasphase, Salzbad oder Pulver, wird in Fig. 2 eindrucksvoll belegt. Die deutlich größere Einhärtetiefe der im Plasma behandelten Legierung Ti-6 Al-4V wird bei der Legierung Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo durch Verbreiterung der Diffusions schicht nochmals erheblich ausgedehnt.

Durch den erhöhten Legierungsgehalt und den verringerten Anteil an α-Phase im Gefüge werden bei einer Kernhärte von ca. 400 HV 0,05- bzw. 0,1-Härten von 640 bzw. 540 HV erzielt. Die als Summe von Kernhärte plus 50 HV-Einheiten definierte Nitrierhärtetiefe erreicht 0,27 mm NHT.

Damit können erstmalig in Titanlegierungen Einhärtetiefen und Härtewerte erreicht werden, die mit den Eigenschaften in Nitrierstählen vergleichbar sind. Durch die verfahrensbedingte Vergrößerung der in ihrer Härte konti nuierlich zunehmenden Diffusionsschicht wird die Tragfähigkeit für die äußeren, sehr harten Schichten deutlich gesteigert. Hierdurch werden die Voraussetzungen geschaffen, um Titanlegierungen als Werkstoff z. B. für hochbeanspruchte Zahnräder in Getrieben von Flugzeugen und Hubschraubern mit dem Vorteil von Gewichteinsparungen bis zu 40% einsetzen zu können. Durch die Steigerung der Einhärtetiefe sollte auch die Konstruktion von Lagern aus Titanlegierungen möglich werden. Der Einsatz von im Plasma behandelten Pleueln, Kolbenringen, Kipphebeln und Ventilen aus Titan legierungen wird aufgrund der gegenüber Stahl um rd. 40% geringeren Dichte, die auftretenden Massenkräfte reduzieren und damit zur Wirkungsgrad-Ver besserung von Motoren und Maschinen beitragen.

Bei der Verarbeitung von korrosiver und/oder abrasiver Beanspruchung ausgesetzten Produkten wird die Beschichtung im Plasma von Glimmentladungen zu einer Leistungssteigerung von Schnecken, Zylindern, Düsen und Sonotroden aus Titanlegierungen beitragen. Die vorgeschlagene Beschichtungsmethode wird auch die breitere Anwendung von leichten und/oder schnell bewegten Trennwerkzeugen aus Titanlegierungen begünstigen.

In Abhängigkeit von der Behandlungszeit von mindestens einer Stunde, die nach oben im wesentlichen nur durch die Wirtschaftlichkeit begrenzt wird, können Einhärtetiefen von 0,02 mm und mehr, vorzugsweise 0,25 mm, erzielt werden. In der Plasma-Glimmentladung behandelte Titanlegierungen kommen insbesondere für Spindeln, Getriebewellen, Zahnräder, Zahnstangen, Rollen, Ritzel, Synchronringe, Gleit-, Kugel-, Rollen-, Nadel-Lager, Kurbel- und Nockenwellen, Pleuel, Kolbenringe, Kipphebel, Ventile, Einlaufkanten von Dampfturbinenschaufeln, Schnecken, Zylinder, Düsen, Sonotroden und Schneiden von Trennwerkzeugen in Betracht.

Claims

1. Verwendung einer technischen Titanlegierung, geschmiedet, ge gossen oder gesintert mit einer Mindestfestigkeit von 640 N/mm², die zu 3 bis 28% aus einem oder mehreren der Elemente Aluminium, Chrom, Eisen, Hafnium, Kobalt, Kupfer, Mangan, Molybdän, Nickel, Niob, Palladium, Silber, Silizium, Tantal, Vanadium, Wolfram, Zinn, Zirkonium, Beryllium, Bor, Kohlenstoff, Sauerstoff, seltene Erden und Yttrium, Rest Titan mit herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht, zur Herstellung von Maschinenelementen, deren Oberflächen schichten zur Verbesserung des Widerstands gegen Verschleiß ein schließlich Erosion und Kavitation und/oder zur Steigerung der zulässigen Flächenpressung im Plasma von Glimmentladungen bei Temperaturen oberhalb 700°C behandelt werden, wobei das Behand lungsgas geringe Mengen Stickstoff mit Partialdrücken von 0,1 bis 50 mbar enthält.

2. Verwendung einer Titanlegierung nach Anspruch 1, bei deren Ober flächenbehandlung ein Gas verwendet wird, das neben Stickstoff noch geringe Mengen Kohlenstoff und/oder Sauerstoff enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Titanlegierung nach Anspruch 1 oder 2 für den Zweck nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß über die Behandlungszeit von mindestens einer Stunde eine Einhärtetiefe von mindestens 0,02 mm, vorzugsweise 0,25 mm erzielt wird.

4. Verwendung einer Titanlegierung nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß insbesondere in (α + β )- Legierungen der α-Anteil durch eine Lösungsglühlung verringert wird.

5. Verwendung einer Titanlegierung nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, die Behandlung im Plasma der Glimment ladung bei einer Temperatur vorzunehmen, die zur Steigerung der Diffusionsgeschwindigkeit nicht mehr als 200°C unterhalb der Beta- Übergangstemperatur der jeweiligen Legierung liegt.

6. Verwendung einer Titanlegierung nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß die aus den Vorbehandlungen resultierenden Eigenspannungen bzw. die mit Volumenänderungen verbundenen Strukturänderungen bei der Behandlungstemperatur, durch eine Spannungsarmglühung der vorgearbeiteten Teile weitgehend neutralisiert werden, wobei die Temperatur der Entspannungsbehand lung in gleicher Größenordnung, gegebenenfalls um bis zu 50°C höher als die spätere Behandlungstemperatur liegt.

7. Verwendung einer Titanlegierung nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß die Maschinenelemente vor der Behandlung im Plasma von Glimmentladungen praktisch fertig bearbeitet werden und eine Nachbearbeitung zur Korrektur einer geringen Volumen zunahme bzw. Rauheitszunahme nur mit geringem oder keinem Abtrag von weniger als 0,020 mm durch Polieren, Honen oder Läppen erfolgt.

8. Verwendung einer technischen Titanlegierung nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1, für Spindeln, Getriebewellen, Zahnräder, Zahnstangen, Rollen, Ritzel, Synchronringe, Kettenglieder, Gleit-, Kugel-, Rollen- und Nadellager, Kurbel- und Nockenwellen, Pleuel, Kolbenringe, Kipphebel, Ventile, Einlaufkanten von Dampfturbinen schaufeln, Schnecken, Zylinder, Düsen, Sonotroden oder Schneiden von Trennwerkzeugen.

9. Verwendung einer Titanlegierung nach Anspruch 1 der Kurzbezeichnung Ti-6 Al-4 V bestehend aus 4,5 bis 6,75% Aluminium
3,5 bis 4,5% VanadiumRest Titan und herstellungsbedingten Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.

10. Verwendung einer Titanlegierung nach Anspruch 1 der Kurzbezeich nung Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo-Si bestehend aus 5,5 bis 6,5% Aluminium
3,6 bis 4,4% Zirkonium
1,8 bis 2,2% Molybdän
1,8 bis 2,2% Zinn
max. 0,1% SiliziumRest Titan und herstellungsbedingte Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.

11. Verwendung einer Titanlegierung nach Anspruch 1 der Kurzbezeich nung Ti-8 Al-1Mo-1 V bestehend aus 7,35 bis 8,35% Aluminium
0,75 bis 1,25% Molybdän
0,75 bis 1,25% VanadiumRest Titan und herstellungsbedingte Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.