DE4229599C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus einer Nickelbasislegierung, die durch γ′′-Ausscheidungen gehärtet werden.

Die hohe Festigkeit und Warmfestigkeit von γ′′-härtenden Nickel­ basislegierungen, wie sie aus DE-OS 34 27 206 bekannt sind, beruht ent­ scheidend auf einer aus der Druckschrift W. Dienst, "Hochtemperaturwerkstoffe", werkstofftechnische Verlagsgesellschaft mbH, Karlsruhe 1978, S. 32-39 bekannten Ausscheidungshärtung, die durch Lö­ sungsglühen, einen Abkühlungsschritt und eine Auslagerung erreicht wird. Dabei bildet sich die metastabile orthorhombische intermetallische γ′′-Phase der Zusammensetzung Ni₃Nb. Neben dem Vorteil der hohen Zugfe­ stigkeit von über 1400 MPa, hat diese Wärmebehandlung den Nachteil, daß das Material zwischen 0,2 bis 1,4‰ schrumpft und deshalb Bauteile mit präziser Maßhaltigkeit nachbearbeitet werden müssen. Die Nachbearbeitung nach Abschluß des Wärmebehandlungsverfahrens hat den Nachteil eines ho­ hen Werkzeugverschleißes und einer geringen Schnittgeschwindigkeit bei spanabhebender Bearbeitung aufgrund der eingetretenen Härte von über 40 HRC.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, mit dem die unwirtschaftlichen Schnittgeschwindigkeiten und der hohe Werkzeugverschleiß vermindert werden, wobei die Maßgenauigkeit des fer­ tigen Bauteils erhalten bleiben soll.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die spanabhebende Bearbeitung un­ mittelbar nach dem Abkühlen von der Lösungsglühtemperatur erfolgt und anschließend die Warmauslagerung in bekannter Weise durchgeführt wird.

Das hat den Vorteil, daß unmittelbar nach dem Abkühlschritt in Abhängig­ keit von der Abkühlrate das Bauteil aus γ′′-härtender Nickelbasisle­ gierung eine wesentlich geringere Härte aufweist, als nach der Auslage­ rung und damit sowohl die Schnittgeschwindigkeiten, als auch die Werk­ zeugstandzeiten bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens heraufge­ setzt werden können.

Es konnte festgestellt werden, daß mit zunehmender Abkühlrate die Härte unmittelbar nach dem Abkühlschritt abnimmt. Außerdem wurde ermittelt, daß jeder Abkühlrate nicht nur ein bestimmter verminderter Härtegrad zuge­ ordnet werden kann, sondern auch ein festes Schrumpfungsmaß, das das Bau­ teil während der Auslagerung erfährt. Deshalb wird in einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens die Abkühlrate nach dem Lösungsglühen ent­ sprechend dem Ausmaß der Schrumpfung gewählt.

Unter Berücksichtigung des Ausmaßes der Schrumpfung können mit dem er­ findungsgemäßen Verfahren vorteilhaft präzise Endmaße auch mit vorgezo­ genem Bearbeitungsschritt bei verminderten Härtegraden erreicht werden. Während der anschließenden Auslagerung stellt sich die hohe Härte von über 40 HRC wieder ein.

Vorzugsweise erfolgt das Lösungsglühen für eine Legierung aus 19% Cr, 3% Mo, 5,1% Nb und Ta, 1% Ti, 0,5% Al und Rest Ni bei Temperaturen zwischen 920 und 980°C. Dieser enge Temperaturbereich hat den Vorteil, daß sich gleichbleibende Ausgangsbedingungen für den nachfolgenden Abkühlschritt einstellen.

Der Abkühlschritt erfolgt vorzugsweise mit einer Abkühlrate von -5°C/ min bis -100°C/min, wobei das Werkstück auf Raumtemperatur abgekühlt wird, um den nachfolgenden Bearbeitungsschritt zu ermöglichen. Dieser Bereich der Abkühlrate hat den Vorteil, daß die Härte zwischen 85 und 50 % der Ausscheidungshärte eingestellt werden kann.

Für die zwischengeschaltete spanabhebende Bearbeitung gibt dieser Be­ reich der Abkühlrate ein präzises Schrumpfungsmaß von 0,3 bis 0,9‰ vorzugsweise 0,5 bis 0,7‰ vor, das sich beim anschließenden Auslage­ rungsvorgang einstellt.

Für die Auslagerung wird das Werkstück vorzugsweise von Raumtemperatur oder der Temperatur, die sich beim Bearbeitungsschritt einstellt, auf ei­ ne Haltetemperatur von 700°C bis 780°C aufgeheizt. Anschließend wird das Werkstück für 1 bis 8 Stunden auf der Haltetemperatur gehalten und danach mit einer Rate von -0,5°C/min bis -5°C/min auf unter 650°C abgekühlt. Während der Auslagerung bilden sich vorteilhaft im Kornvo­ lumen γ′′-Ausscheidungen, die die Härte des Werkstücks heraufsetzen.

Die Auslagerung kann auch vorzugsweise zweistufig erfolgen. Das wird bei Werkstücktemperaturen von 720°C bis 760°C und anschließend bei 620° bis 650°C durchgeführt. Während des Auslagerungsvorgangs bildet sich die 100%ige Ausscheidungshärte von über 40 HRC und gleichzei­ tig die hohe Zugfestigkeit von über 1400 MPa aus.

Die folgenden Beispiele beschreiben bevorzugte Durchführungen des Ver­ fahrens.

Beispiel 1

Ein dünnwandiges Turbinengehäuse aus Ringsegmenten von 1000 mm Durch­ messer mit einer Maßtoleranz kleiner als 0,2 mm in Bezug auf Rundlauf und Durchmesser soll aus einem massiven Ring einer γ′′-härtenden Nickel­ basislegierung aus 19% Cr, 3% Mo, 5,1% Nb und Ta, 1% Ti, 0,5% Al und Rest Ni gefertigt werden. Als Vormaterial werden Ringe der Nickel­ basislegierung eingesetzt. Zunächst werden die Ringe bei 950°C für 3 Stunden lösungsgeglüht und anschließend mit einer Abkühlrate von -60° C/min auf Raumtemperatur abgekühlt. Dabei stellt sich eine Härte von 60% der Ausscheidungshärte ein und die Ringe werden unter Berücksichtigung einer Schrumpfung von 0,8‰ auf Endmaß zu Ringsegmenten bearbeitet. Dabei wird die zweieinhalbfache Schnittgeschwindigkeit gegenüber dem her­ kömmlichen Verfahren eingesetzt, ohne Verschleißspuren am Bearbeitungs­ werkzeug zu hinterlassen. Anschließend wurden die Ringsegmente des Tur­ binengehäuses bei 740°C für 4 Stunden und nachfolgend bei 630°C für 6 Stunden ausgelagert, wobei sich das Endmaß und die Ausscheidungshärte für die Bauteile einstellen.

Beispiel 2

Ein Rohling einer Rotorscheibe aus einer Legierung aus 19% Cr, 3% Mo, 5,1% Nb und Ta, 1% Ti, 0,5% Al und Rest Ni wird zunächst lösungsgeglüht bei 980°C für 2 Stunden. Anschließend wird das Werkstück mit -20° C/min auf Raumtemperatur abgekühlt. Dabei stellt sich eine Härte von 70% der Ausscheidungshärte ein. Unter Berücksichtigung einer Schrumpfung von 0,5‰ wird der Rohling zur Rotorscheibe auf Endmaß mit einer doppelten Schnittgeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen Verfahren bearbeitet. Anschließend wird die endbearbeitete Rotorscheibe auf 760°C aufgeheizt und für 5 Stunden auf dieser Temperatur als Haltetemperatur gehalten. Abschließend wird die Rotorscheibe mit -1°C/min auf 620°C abgekühlt und danach der Raumtemperatur ausgesetzt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus einer Nickelbasislegierung, die durch γ′′-Ausscheidungen gehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die spanabhebende Bearbeitung unmittelbar nach dem Abkühlen von der Lösungsglühtemperatur erfolgt und anschließend die Warmauslagerung in be­ kannter Weise durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlrate nach dem Lösungsglühen entsprechend dem Ausmaß der Schrumpfung gewählt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsglühen für eine Legierung aus 19% Cr, 3% Mo, 5,1% Nb und Ta, 1% Ti, 0,5% Al und Rest Ni bei Temperaturen zwischen 900°C und 1050°C erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abkühlrate von -5°C/min bis -100° C/min eingehalten wird, wobei das Werkstück aus 19% Cr, 3% Mo, 5,1% Nb und Ta, 1% Ti, 0,5% Al und Rest Ni auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auslagerung das Werkstück aus 19% Cr, 3% Mo, 5,1% Nb und Ta, 1% Ti, 0,5% Al und Rest Ni von Raumtemperatur auf eine Haltetemperatur von 700°C bis 780°C aufgeheizt wird, für 1 bis 8 Stunden auf der Haltetemperatur gehalten wird und anschließend mit einer Rate von -0,5°C/min bis -5° C/min auf unter 650°C abgekühlt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslagerung als zweistufige Auslagerung bei Werkstücktemperaturen von 700°C bis 780°C und anschließend bei 620°C bis 650°C durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der spanabhebenden Bearbeitung mit 2- bis 2,5facher Schnittgeschwindig­ keit gegenüber herkömmlichen Verfahren ein Schrumpfungsmaß von 0,3‰ bis 0,9‰, vorzugsweise 0,5‰ bis 0,7‰, berücksichtigt wird.