DE60209880T2

DE60209880T2 - Hochfeste titanlegierung und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE60209880T2
Application number: DE60209880T
Authority: DE
Inventors: K. K. Toyota Tadahiko Aichi-gun FURUTA; K. K. Toyota Kazuaki Aichi-gun NISHINO; K. K. Toyota Takashi Aichi-gun SAITO; K. K. Toyota JungHwan Aichi-gun HWANG
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: EP1375690A4; JP4123937B2; JPWO2002077305A1; DE60209880D1; WO2002077305A1; US20040115083A1; EP1375690A1; EP1375690B1; CN1639366A; US7442266B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochfeste Titanlegierung, durch die es möglich ist, die Nutzung von Titanlegierungen zu erweitern, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Da eine Titanlegierung bezüglich der spezifischen Festigkeit und der Korrosionsbeständigkeit gut ist, wurde sie in Gebieten wie z.B. der Luftfahrt, dem Militär, der Raumfahrt, der Tiefseeerkundung und von chemischen Anlagen eingesetzt. In letzter Zeit hat eine β-Legierung und dergleichen Aufmerksamkeit erlangt und die Anwendungsgebiete der Titanlegierung werden noch stärker erweitert. Beispielsweise werden Titanlegierungen, die einen niedrigen Youngschen Modul aufweisen, für Produkte, die an lebende Körper angepasst werden können (beispielsweise künstliche Knochen, usw.), für Zubehörteile (wie z.B. Brillenfassungen, usw.), für Sportgeräte (z.B. Golfschläger, usw.), für Federn, usw., verwendet.
Dennoch ist es unerlässlich, dass diese Titanlegierungen für den Zweck einer stärkeren Erweiterung ihrer Anwendung noch fester gemacht werden. Die mechanischen Eigenschaften von Titanlegierungen, wie z.B. die Festigkeit, werden von den Bestandteilen von Einlagerungselementen (feste Lösung) wie z.B. Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und Kohlenstoff (C) stark beeinflusst. Es ist bekannt, dass dann, wenn sich beispielsweise O in Titanlegierungen löst, deren Festigkeit verbessert wird. Bisherige Titanlegierungen waren jedoch derart, dass ihre Duktilität beträchtlich beeinträchtigt wird, während ihre Festigkeit verbessert wird.
Demgemäß wurde bei herkömmlichen Titanlegierungen der zulässige Gehalt von Einlagerungselementen, wie z.B. O, strikt auf vorgegebene Werte oder weniger beschränkt. Beispielsweise wird im Fall von reinem Titan gemäß dem ASTM-Standard (American Society for Testing and Materials-Standard) das Titan gemäß dem O-Gehalt in die Klassen Typ 1 bis Typ 4 eingeteilt. Selbst bei dem Typ 4, dessen O-Gehalt am größten ist, ist der Gehalt auf höchstens 1,2 Atom-% (0,4 Massen-%) oder weniger beschränkt.
Dies gilt auch für käufliche Titanlegierungen. Beispielsweise ist in der Ti-6Al-4V-Legierung (Massen-%), bei der es sich um eine α-β-Allzwecklegierung handelt, O auf 0,6 Atom-% (0,2 Massen-%) oder weniger beschränkt und N ist auf 0,1 Atom-% (0,03 Massen-%) oder weniger beschränkt. Darüber hinaus ist in der Ti-10V-2Fe-3Al-Legierung, bei der es sich um eine β-Legierung handelt, O auf 0,5 Atom-% (0,16 Massen-%) oder weniger beschränkt und N ist auf 0,17 Atom-% (0,05 Massen-%) oder weniger beschränkt. Darüber hinaus ist in der Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr-Legierung, bei der es sich um eine β-C-Legierung handelt, O auf 0,4 Atom- % (0,12 Massen-%) oder weniger beschränkt und N ist auf 0,11 Atom-% (0,03 Massen-%) oder weniger beschränkt.
Folglich waren bisherige Titanlegierungen und reines Titan derart, dass der Gehalt von Einlagerungselementen wie z.B. O extrem vermindert ist, und dass selbst dann, wenn der Gehalt auf einen höheren Wert eingestellt wird, dieser höchstens lediglich etwa 1,2 Atom-% beträgt. Herkömmliche Titanlegierungen waren derart, dass die Ausgewogenheit zwischen der Festigkeit und der Duktilität, die in einer Kompromissbeziehung stehen, durch einen solchen Aufbau hergestellt wird, wobei jedoch die Festigkeit und die Duktilität nach wie vor insoweit unzureichend waren, als es nicht möglich war, die Nutzung von Titanlegierungen noch mehr zu erweitern.
WO 00/77267 A1 beschreibt eine Titanlegierung, die 30 bis 60 Gew.-% eines Elements der Gruppe Va enthält und bei welcher der Rest im Wesentlichen aus Titan besteht, und die einen durchschnittlichen Youngschen Modul von 75 GPa oder weniger und eine Zugfestigkeit an der Elastizitätsgrenze von 700 MPa oder mehr aufweist. Der maximale Sauerstoffgehalt in den relevanten Legierungen gemäß der WO 00/77267 A1 beträgt 2,2 Atom-%.
EP 1 046 722 A1 beschreibt eine Legierung des Ti-Zr-Typs, die aus 25 bis 50 Gew.-% Ti, 25 bis 60 Gew.-% Zr, 5 bis 30 Gew.-% Nb und 5 bis 40 Gew.-% Ta besteht, mit der Maßgabe, dass das Gewichtsverhältnis von Zr zu Ti im Bereich von 0,5 bis 1,5 und das Gewichtsverhältnis von Nb zu Ta im Bereich von 0,125 bis 1,5 liegt.
Die vorliegende Erfindung wurde unter diesen Umständen gemacht. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Titanlegierung bereitzustellen, welche das vorstehend beschriebene, herkömmliche bekannte technische Wissen bezüglich Titanlegierungen revidiert und welche die hohe Festigkeit und Duktilität auf einem viel höheren Niveau ausgleichen kann, sowie ein Herstellungsverfahren, das darauf anwendbar ist.
Somit haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung intensive Untersuchungen durchgeführt, um diese Aufgabe zu lösen, haben Versuche durchgeführt und als Ergebnis gefunden, dass z.B. eine hohe Festigkeit und auch eine hohe Duktilität ungeachtet eines solchen hohen Sauerstoffgehalts als O von 2,8 Atom-% oder mehr erhalten werden kann, was gegen das herkömmliche bekannte technische Wissen zu sprechen scheint, und haben dadurch die vorliegende Erfindung gemacht.
Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird durch die hochfeste Titanlegierung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Hochfeste Titanlegierung
Wenn eine große Menge an O, die bezogen auf das Atomverhältnis größer ist als herkömmliche Mengen, in einer geeigneten Menge eines Elements der Gruppe Va enthalten ist, kann eine Titanlegierung erhalten werden, die eine beträchtlich hohe Festigkeit aufweist und bei der die Verminderung der Duktilität geringer ist (d.h. die hochduktil ist).
Der detaillierte Mechanismus und dergleichen, durch den die hervorragenden Eigenschaften erhalten werden, ist gegenwärtig noch nicht klar. Die hervorragenden Eigenschaften können jedoch nicht durch das Element der Gruppe Va allein erreicht werden, sondern resultieren offensichtlich aus der Tatsache, dass der zulässige O-Gehalt im Hinblick auf das herkömmliche, bekannte technische Wissen auf ein so extrem hohes Niveau erhöht ist. Diese Erkenntnis ist von größter Bedeutung in der Titanlegierungsindustrie und auch akademisch sehr bedeutsam. Ferner kann die vorliegende hochfeste Titanlegierung aufgrund der hervorragenden Eigenschaften in einer Vielzahl von Produkten verwendet werden, zeigt eine starke Wirkung bei der Verbesserung der Funktion verschiedener Produkte und erweitert den Grad der Gestaltungsfreiheit.
Bezüglich einer spezifischeren Beschreibung der Eigenschaften ist es möglich, eine so hohe Festigkeit zu erhalten, dass die Zugfestigkeit 1000 MPa oder mehr beträgt. Ferner ist es auch möglich, eine extrem hochfeste Titanlegierung zu erhalten, deren Zugfestigkeit 1100 MPa oder mehr, 1200 MPa oder mehr, 1400 MPa oder mehr, 1500 MPa oder mehr, 1600 MPa oder mehr und ferner 2000 MPa oder mehr beträgt. Eine so hohe Festigkeit mit einer Zugfestigkeit von 2000 MPa bis 2100 MPa ist der höchste bisher für Titanlegierungen existierende Wert und es handelt sich dabei um eine extrem hohe Festigkeit.
Darüber hinaus ist die vorliegende Titanlegierung gut, da sie trotz einer so hohen Festigkeit eine ausreichende Duktilität aufweist. Selbstverständlich ist es selbst bei der vorliegenden Titanlegierung aufgrund einer so hohen Festigkeit ähnlich wie bei herkömmlichen Titanlegierungen wahrscheinlich, dass sich die Duktilität mehr oder weniger vermindert. Die Verminderungstendenz der Duktilität ist jedoch viel geringer als bei herkömmlichen Titanlegierungen und die Korrelation zwischen der Festigkeit und der Duktilität liegt auf einem hohen Niveau, welches das herkömmliche Niveau weit hinter sich lässt.
Selbst wenn beispielsweise die Titanlegierung die vorstehend beschriebene hohe Festigkeit von mehr als 2000 MPa aufweist, zeigt sie eine Dehnung von 3 % oder mehr. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Dehnung einer herkömmlichen hochfesten Titanlegierung (etwa 1900 MPa) im Wesentlichen 0 % beträgt oder nahe an diesem Wert liegt, wird klar, welche hohe Festigkeit und hohe Duktilität die vorliegende Titanlegierung aufweist.
Wenn darüber hinaus eine hohe Festigkeit erforderlich ist, gibt es abhängig von der Anwendung Fälle, bei denen eine solche hohe Festigkeit von mehr als 2000 MPa nicht erforderlich ist. Wenn dies der Fall ist, kann eine Titanlegierung erhalten werden, die eine viel höhere Dehnung zeigt. Insbesondere ist es möglich, eine Titanlegierung zu erhalten, deren Dehnung 4 % oder mehr, 5 % oder mehr, 7 % oder mehr, 9 % oder mehr, 11 % oder mehr, 13 % oder mehr, 15 % oder mehr, 18 % oder mehr und ferner 20 % oder mehr beträgt.
Ferner ist es möglich, diese Festigkeit und Dehnung in geeigneter Weise zu kombinieren. Wenn beispielsweise die Zugfestigkeit 1200 MPa oder mehr beträgt, kann sie mit einer beliebigen Dehnung kombiniert werden, die in einen Bereich von 3 bis 21 % fällt. Wenn darüber hinaus die Zugfestigkeit 1400 MPa oder mehr beträgt, kann sie mit einer beliebigen Dehnung kombiniert werden, die in einen Bereich von 3 bis 12 % fällt. Wenn darüber hinaus die Zugfestigkeit 1600 MPa oder mehr beträgt, kann sie mit einer beliebigen Dehnung kombiniert werden, die in einen Bereich von 3 bis 8 % fällt. Insbesondere kann z.B. dann, wenn die Zugfestigkeit 2000 MPa beträgt, die Dehnung 3 % oder mehr betragen, wenn die Zugfestigkeit 1800 MPa beträgt, kann die Dehnung 5 % oder mehr betragen, wenn die Zugfestigkeit 1500 MPa beträgt, kann die Dehnung 10 % oder mehr betragen und wenn die Zugfestigkeit 1300 MPa beträgt, kann die Dehnung 15 % oder mehr betragen, usw. Es sollte beachtet werden, dass die „Dehnung" in der vorliegenden Beschreibung für die Reißdehnung nach einer Zugverformung steht.
Da ferner herkömmliche Titanlegierungen derart sind, dass es beabsichtigt ist, den Gehalt von O, dessen Vereinigung mit Ti sehr wahrscheinlich ist, zu begrenzen, sind zu deren Erzeugung viel Zeit, hohe Kosten, spezielle Anlagen und dergleichen erforderlich.
Diesbezüglich ist die Sauerstoffkontrolle im Vergleich zur herkömmlichen Durchführung vergleichsweise einfacher, da die vorliegende Titanlegierung im Gegensatz dazu den O-Gehalt einsetzt, und demgemäß werden die Vorteile erhalten, dass es möglich ist, die Zeitanforderungen, die Herstellungskosten, usw., zu vermindern.
Bisher wurde vorwiegend eine Titanlegierung beschrieben, die eine große Menge an O enthält. Es ist jedoch bekannt, dass N und C, bei denen es sich um Einlagerungselemente handelt, in der gleichen Weise wie O wirken und dies theoretisch offensichtlich ist. Diesbezüglich ist es selbstverständlich, dass ein Ersatz des gesamten oder eines Teils des vorstehend beschriebenen O durch N oder C effektiv ist.
Es sollte beachtet werden, dass der untere Grenzwert des O-Gehalts und dergleichen von der gewünschten Festigkeit bestimmt wird und dass der obere Grenzwert im Hinblick auf die Sicherstellung einer in der Praxis geeigneten Duktilität, Zähigkeit, usw., der Titanlegierungen bestimmt wird. Anders als bei den im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzungsbereichen kann der untere Grenzwert von O 3 Atom-%, 4 Atom-%, usw., betragen. Darüber hinaus kann der obere Grenzwert von O 6,5 Atom-%, 6 Atom-%, 5,5 Atom-%, 5 Atom-%, 4,5 Atom-% und dergleichen betragen. Ferner ist es möglich, diese unteren Grenzwerte und oberen Grenzwerte in geeigneter Weise zu kombinieren, so dass z.B. O von 2,8 bis 6,5 Atom-%, von 2,8 bis 6,0 Atom-%, usw., vorliegen kann.
Wenn die Einlagerungselemente wie z.B. O in einer Gesamtmenge von 2,8 bis 5,0 Atom-% vorliegen, ist die Ausgewogenheit zwischen der Festigkeit und der Duktilität gut. Insbesondere im Hinblick auf die Festigkeit sind 3,0 bis 5,0 Atom-% bevorzugt und im Hinblick auf die Duktilität sind 2,8 bis 4,0 Atom-% bevorzugt.
Wenn darüber hinaus O vorwiegend als Einlagerungselement enthalten ist, kann im Hinblick auf einen Ersatz oder eine Kompensation eines Teils des O N als entsprechendes Einlagerungselement in einer Menge von 0,2 bis 5,0 Atom-%, vorzugsweise von 0,7 bis 4,0 Atom-% einbezogen werden. Entsprechend kann C in einer Menge von 0,2 bis 5,0 Atom-%, vorzugsweise von 0,2 bis 4,0 Atom-% einbezogen werden.
Elemente der Gruppe Va sind Vanadium (V), Niob (Nb), Tantal (Ta) und Protactinium (Pa). Im Hinblick auf eine hohe Festigkeit und eine hohe Duktilität und im Hinblick auf die Handhabbarkeit und dergleichen kann eines oder können mehrere von V, Nb und Ta verwendet werden. Von diesen Elementen sind im Fall der vorliegenden Titanlegierung Nb und Ta besonders gut geeignet.
Obwohl der Grund noch nicht klar ist, wird davon ausgegangen, dass er wie folgt ist. Insbesondere wird angenommen, dass in der β-Phase, in der Nb oder Ta ein Hauptbestandteilselement ist, eine bestimmte Wirkung vorliegt, wobei es sich um eine Wirkung handelt, die von dem herkömmlichen Mechanismus verschieden ist, bei dem sich O, usw., an der Korngrenze abscheidet, so dass eine Versprödung verursacht wird, selbst wenn O und dergleichen in großen Mengen enthalten ist.
Der untere Grenzwert des Elements der Gruppe Va wird auch im Hinblick auf die Sicherstellung einer ausreichend hohen Festigkeit bestimmt und wenn das Element der Gruppe Va in eine Menge enthalten ist, die den oberen Grenzwert übersteigt, ist es wahrscheinlich, dass eine Materialabscheidung auftritt und schließlich keine ausreichend hohe Festigkeit erhalten werden kann. Somit wird der Gehalt des Elements der Gruppe Va auf den vorstehend genannten Zusammensetzungsbereich eingestellt, ist jedoch nicht darauf beschränkt, wobei der untere Grenzwert 20 Atom-%, 23 Atom-% und dergleichen betragen kann. Darüber hinaus kann der obere Grenzwert 27 Atom-%, 26 Atom-% betragen. Ferner können diese Werte beliebig kombiniert werden, so dass die Summe der Elemente der Gruppe Va 18 bis 27 Atom-% und ferner 20 bis 25 Atom-% beträgt.
Nachstehend wird aus Gründen der Zweckmäßigkeit häufig eine hochfeste Titanlegierung mit einem hohen O-Gehalt beschrieben. Es ist jedoch nicht vorgesehen, hochfeste Titanlegierungen, die einen hohen N-Gehalt und dergleichen umfassen, von der vorliegenden Erfindung auszuschließen.
Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Titanlegierung
Die vorstehend beschriebene hochfeste Titanlegierung kann mit verschiedenen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch gleichzeitig auch noch Verfahren entwickelt, die zur Herstellung geeignet sind.
Insbesondere umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen hochfesten Titanlegierung: Einen Kompaktierungsschritt des Druckformens eines Ausgangsmaterialpulvers, das mindestens Ti, ein Element der Gruppe Va, O und Zr umfasst, einen Sinterschritt des Sinterns und Erhitzens eines kompaktierten Körpers, der in dem Kompaktierungsschritt erhalten worden ist, und einen Warmverarbeitungsschritt des Warmverarbeitens zum Kompaktieren eines gesinterten Blocks, der in dem Sinterschritt erhalten worden ist, wodurch eine erfindungsgemäße hochfeste Titanlegierung erhalten wird.
Dadurch, dass nicht das sogenannte Schmelzverfahren verwendet wird, sondern ein Sinterverfahren, können selbst dann, wenn das Element der Gruppe Va und O in großen Mengen einbezogen werden, Titanlegierungen mit stabilen Qualitäten (hohe Festigkeit und hohe Duktilität) erhalten werden, während eine Makroabscheidung vermieden wird. Da ein Sinterver fahren verwendet wird, sind ferner keine großen Zeitanforderungen oder Kosten, spezielle Vorrichtungen und dergleichen erforderlich. Folglich ist es gemäß dem vorliegenden Herstellungsverfahren möglich, die vorstehend beschriebene hochfeste Titanlegierung mit einer guten Effizienz herzustellen.
Es sollte beachtet werden, dass die Zusammensetzung der Ausgangsmaterialpulver, die in dem vorliegenden Herstellungsverfahren verwendet werden, nicht notwendigerweise mit der Zusammensetzung der resultierenden Titanlegierungen übereinstimmt. Beispielsweise fluktuieren O und dergleichen abhängig von den Atmosphären, in denen ein Sintern durchgeführt wird.
Es ist zweckmäßig, dass das vorliegende Herstellungsverfahren ferner mit einem Kaltverarbeitungsschritt durchgeführt wird, bei dem der gesinterte Block nach dem Warmverarbeitungsschritt einer Kaltverarbeitung unterworfen wird.
Wenn eine Kaltverarbeitung eingesetzt wird, wird die Festigkeit der vorliegenden Titanlegierung weiter verbessert. Darüber hinaus verursacht die mit dem vorliegenden Herstellungsverfahren erhaltene Titanlegierung kaum eine Kaltverfestigung, wie sie bei herkömmlichen Titanlegierungen vorkommt, und sie zeigt sehr gute Kaltverarbeitungseigenschaften (Superplastizität). Obwohl die Festigkeit durch den vorstehend genannten Kaltverarbeitungsschritt erhöht wird, ist die Verminderung der Duktilität (Dehnung und dergleichen) extrem gering.
Es sollte beachtet werden, dass dann, wenn die Zusammensetzungsbereiche der vorstehend genannten jeweiligen Elemente in der vorliegenden Beschreibung als „x bis y Atom-%" angegeben werden, dies den Wert der Untergrenze „x" und den Wert der Obergrenze „y" umfasst, falls nichts anderes angegeben ist. Dies gilt auch dann, wenn die Angabe „x bis y Gew.-%" lautet.
Darüber hinaus sollte beachtet werden, dass „hochfest" in der vorliegenden Anmeldung bedeutet, dass die Zugfestigkeit (Zugfestigkeit) hoch ist. Die „Zugfestigkeit" ist in einem Zugtest eine Beanspruchung, die durch Dividieren einer Last unmittelbar vor dem letztendlichen Reißen einer Testprobe durch die Querschnittsfläche des parallelen Abschnitts der Testprobe vor dem Test erhalten wird.
Darüber hinaus umfasst die „hochfeste Titanlegierung", die in der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, verschiedene Formen und ist nicht auf Ausgangsmaterialien (beispielsweise Brammen, Blöcke, Sinterkörper, gewalzte Produkte, geschmiedete Produkte, Drähte, Plat ten, Stäbe und dergleichen) beschränkt, sondern umfasst auch Titanlegierungselemente (beispielsweise zwischenverarbeitete Produkte, Endprodukte, Teile davon, usw.), die durch Verarbeiten der Ausgangsmaterialien gebildet werden (wobei nachstehend das Gleiche gilt).
1 ist eine TEM-Photographie zur Veranschaulichung einer defektförmigen Verformungsstruktur einer erfindungsgemäßen Titanlegierung.
2A ist eine Mikroskop-Photographie zur Veranschaulichung eines Verformungsmechanismus der erfindungsgemäßen Titanlegierung, wenn das Zugumwandlungsverhältnis 0 % ist.
2B ist eine Mikroskop-Photographie zur Veranschaulichung eines Umwandlungsmechanismus der erfindungsgemäßen Titanlegierung, wenn das Zugumwandlungsverhältnis 4,3 % ist.
2C ist eine Mikroskop-Photographie zur Veranschaulichung eines Umwandlungsmechanismus der erfindungsgemäßen Titanlegierung, wenn das Zugumwandlungsverhältnis 6,1 % ist.
2D ist eine Mikroskop-Photographie zur Veranschaulichung eines Umwandlungsmechanismus der erfindungsgemäßen Titanlegierung, wenn das Zugumwandlungsverhältnis 10,3 % ist.
3A ist eine Photographie zur Veranschaulichung einer Testprobe, wenn eine erfindungsgemäße Titanlegierung einer Stauchkompression unterworfen wird und das Kaltverarbeitungsverhältnis 20 % beträgt.
3B ist eine Photographie zur Veranschaulichung einer Testprobe, wenn eine erfindungsgemäße Titanlegierung einer Stauchkompression unterworfen wird und das Kaltverarbeitungsverhältnis 50 % beträgt.
4A ist eine SEM-Photographie zur Vergrößerung eines vollständigen Defekts, der in der Testprobe auftrat, die in der 3B veranschaulicht ist.
4B ist eine SEM-Photographie zur Vergrößerung eines Teils in der 4A.
4C ist eine SEM-Photographie zur Vergrößerung eines Teils in der 4A.
5 ist ein Graph zum Vergleichen von Einflüssen auf die Zugfestigkeit und die Dehnung, die durch den Sauerstoffgehalt in einer erfindungsgemäßen Titanlegierung ausgeübt werden, mit denjenigen in einem Vergleichsmaterial.
A. Durchführungsmodus
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung durch Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
Hochfeste Titanlegierung
(1) Zusammensetzung
➀ Es ist zweckmäßig, dass die vorliegende Titanlegierung weiter entweder ein oder mehrere Metallelemente) umfassen kann, das bzw. die aus der Gruppe bestehend aus Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf) und Scandium (Sc) in einer Gesamtmenge von 0,3 Atom-% oder mehr ausgewählt ist bzw. sind, wobei Zr in einer Menge von 15 Atom-% oder weniger, Hf in einer Menge von 10 Atom-% oder weniger und Sc in einer Menge von 10 Atom-% oder weniger vorliegt.
Zr, Hf und Sc sind Elemente, welche die Dehngrenze von Titanlegierungen verbessern können. Wenn deren Summe jedoch 15 Atom-% übersteigt, ist es wahrscheinlich, dass eine Materialabscheidung auftritt, so dass es nicht möglich ist, die Festigkeit und die Duktilität zu verbessern, und darüber hinaus ist dies nicht bevorzugt, da es zu einer Vergrößerung der Dichte von Titanlegierungen führt (was die spezifische Festigkeit vermindert).
Wenn Zr oder Hf unabhängig in Titanlegierungen einbezogen werden, ist es bevorzugt, dass sie in einer Menge von jeweils 1 bis 10 Atom-% und ferner von 5 bis 10 Atom-% vorliegen, und im Fall von Sc ist es mehr bevorzugt, dass es in einer Menge von 1 bis 10 Atom-% und ferner von 5 bis 10 Atom-% vorliegt.
➁ Es ist zweckmäßig, dass die vorliegende hochfeste Titanlegierung ferner Sn in einer Menge von 1 bis 13 Atom-% oder weniger umfassen kann. Sn ist ein Element, das die Festigkeit von Titanlegierungen verbessern kann. Wenn Sn in einer Menge von weniger als 1 Atom-% vorliegt, ist kein Effekt von Sn verfügbar, und wenn es 13 Atom-% übersteigt, ist dies nicht bevorzugt, da es zu einer Verminderung der Duktilität von Titanlegierungen führt.
➂ Zusätzlich zu Zr, Hf, Sc und Sn kann die vorliegende hochfeste Titanlegierung innerhalb von Bereichen, die eine Aufrechterhaltung oder Verbesserung ermöglichen, ferner ein oder mehrere Element(e), das bzw. die aus der Gruppe bestehend aus Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, Al und B ausgewählt ist bzw. sind, in einer Gesamtmenge von 0,1 Atom-% oder mehr umfassen.
Ferner ist es z.B. zweckmäßig, dass Cr, Mn und Fe in einer Menge von 30 Atom-% oder weniger, Mo in einer Menge von 20 Atom-% oder weniger bzw. Co und Ni in einer Menge von 13 Atom-% vorliegen kann bzw. können.
Darüber hinaus ist es zweckmäßig, dass Al in einer Menge von 0,5 bis 12 Atom-% und B in einer Menge von 0,2 bis 6,0 Atom-% vorliegen kann.
Es sollte beachtet werden, dass bezüglich dieser Zusammensetzungen das Gleiche für die in dem vorliegenden Herstellungsverfahren verwendeten Ausgangsmaterialpulver gilt.
Verformungsstruktur bei der Kaltverarbeitung
Die vorliegende hochfeste Titanlegierung ist bezüglich der mechanischen Eigenschaften (dynamische Qualitäten) durch Kaltverarbeitung verbessert. Zusätzlich ist die erfindungsgemäße hochfeste Titanlegierung derart, dass davon ausgegangen werden kann, dass keinerlei Kaltverfestigung stattfindet, und dass sie derartig gute Kaltverarbeitungseigenschaften aufweist, die in herkömmlichen Titanlegierungen nicht auftreten. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung erwägen die folgenden Gründe für das Entstehen solcher Phänomene.
Insbesondere wenn die vorliegende hochfeste Titanlegierung einer Kaltverarbeitung unterworfen wird, unterliegt die Legierung einer elastischen Verarbeitungsbeanspruchung. Die so eingebrachte elastische Verarbeitungsbeanspruchung kann die weitere Verfestigung der Titanlegierung erleichtern. Im Hinblick auf das vollständige Einführen der elastischen Verarbeitungsbeanspruchung in die Aufbaustruktur der Titanlegierung sind die vorstehend beschriebenen geeigneten Mengen des Elements der Gruppe Va und von Einlagerungselementen wie z.B. O wichtig.
Insbesondere spielen die Einlagerungselemente wie z.B. O eine wichtige Rolle bei der Einführung einer elastischen Verarbeitungsbeanspruchung. Mit anderen Worten: In Titanlegierungen, bei denen eine große Menge eines Elements der Gruppe Va unabhängig zugesetzt wird, ist es schwierig, die elastische Verarbeitungsbeanspruchung vollständig in die Aufbaustruktur einzubringen. Wenn zusätzlich zu dem Element der Gruppe Va die geeignete Menge der Einlagerungselemente, wie z.B. O, in die Titanlegierung einbezogen worden ist, ist es möglich, in die Titanlegierung eine ausreichende elastische Verformungsbeanspruchung einzubringen, und es ist möglich, die Titanlegierung durch die Akkumulierung noch fester zu machen.
Darüber hinaus haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung nach der Vervollständigung der vorliegenden Erfindung intensive Untersuchungen wiederholt, wobei der Mechanismus als Ergebnis klarer erhalten wurde. Die Details werden nachstehend erläutert.
Die vorliegende Titanlegierung ist derart, dass die plastische Verformung durch einen Verformungsmechanismus verursacht wird, der sich von den Mechanismen allgemeiner Metallmaterialien, bei denen herkömmliche Titanlegierungen beteiligt sind, vollständig unterscheidet. Insbesondere sind bisherige Metallmaterialien derart, dass die plastischen Verformungen durch eine „Gleitverformung" oder eine „Windungsverformung", zu denen Versetzungsbewegungen beitragen, und ferner durch eine Verformung, zu der eine „martensitische Umwandlung" wie bei Formgedächtnislegierungen beiträgt, verursacht werden.
Andererseits wird klar, dass die vorliegende hochfeste Titanlegierung derart ist, dass die plastische Verformung durch einen neuen und einzigartigen elastischen Verformungsmechanismus verursacht wird, der sich von diesen Umwandlungsmechanismen vollständig unterscheidet. Die 1, bei der es sich um eine TEM-Photographie (Transmissionselektronenmikroskop-Photographie) handelt, veranschaulicht, wie der Mechanismus der plastischen Verformung wirkt.
Aus der 1 ist ersichtlich, dass dann, wenn eine Testprobe einer plastischen Verformung unterliegt, keine Versetzungswirkungen auf Gleitebenen, sondern sehr große „Defekte" entlang maximaler Scherungsebenen dazu beitragen. Insbesondere wenn die vorliegende Titanlegierung in der gesamten Legierung einer Kaltverarbeitung unterworfen wird (insbesondere einer intensiven Verarbeitung), treten die sehr großen Defekte diskontinuierlich entlang der maximalen Scherungsebenen auf und rekombinieren unmittelbar danach. Aufgrund der Wiederholungen entwickelt sich die plastische Makroverformung der vorliegenden Titanlegierung. Mit zunehmendem Kaltverarbeitungsverhältnis (später beschrieben) tritt eine große Anzahl von diskontinuierlichen Defekten aufeinander folgend innerhalb der vorliegenden Titanlegierung auf und die plastische Verformung entwickelt sich ohne Zerstörung. Die 2A bis 2D veranschaulichen das Erscheinen von Defekten, die auftraten, wenn das Kaltver arbeitungsverhältnis aufeinander folgend variiert wurde. Als Referenz betrugen die Stufen, die sich aus den Defekten ergaben, im Fall der 1 etwa 200 bis 300 nm, hingen jedoch von den Kaltverarbeitungsverhältnissen, den Ausgangsmaterialien (Testproben) und dergleichen ab, so dass sie nicht konstant waren.
Es sollte beachtet werden, dass die in der 1 und den 2A bis 2D gezeigte Testprobe ein gesinterter Block war, der die Zusammensetzung Ti-20Nb-3,5Ta-3,5Zr (Atom-%) aufwies und mit dem nach dem Unterwerten des Blocks einer Warmverarbeitung bei 1100°C eine Wärmebehandlung bei 900°C für 30 min durchgeführt wurde. Darüber hinaus wurden die plastischen Verformungen durch einen Zugtest verursacht.
Darüber hinaus sind die 2A bis 2D derart, dass die Testprobe (Breite 40 μm × Länge 150 μm an dem gemessenen Abschnitt) einer spanabhebenden Bearbeitung und einem Ionenschleifen unterworfen wurde und danach die Oberfläche mit einem optischen Mikroskop untersucht wurde. Die 1 ist eine Photographie, bei welcher der Querschnitt von 2D mittels TEM untersucht wurde.
Ferner sind die 3A und 3B sowie die 4A bis 4C Makrophotographien, die Defekte zeigen, die auftraten, wenn die Kaltverarbeitung auf die vorliegende Titanlegierung angewandt wurde, und wie sie rekombinierten.
Die 3A und 3B zeigen einen gesinterten Block (Größe: ∅ 12 × 18 mm) mit der Zusammensetzung Ti-20Nb-3,5Ta-3,5Zr (Atom-%), mit dem eine Wärmebehandlung bei 900°C für 30 min durchgeführt wurde (anschließend wurde mit Wasser gekühlt), nachdem der Block einer Warmverarbeitung bei 1100°C unterworfen worden ist. Ferner ist die 3A derart, dass die Testprobe einer Stauchungskompression (Gesenkschmieden bzw. Stauchen: Kaltverarbeitung) mit einem Kaltverarbeitungsverhältnis von 20 % unterworfen wurde. Darüber hinaus ist die 3B derart, dass die Testprobe einer Stauchungskompression mit einem Kaltverarbeitungsverhältnis von 50 % unterworfen wurde. Bei einem Kaltverarbeitungsverhältnis von 20 % tritt kein großer Defekt auf, der visuell auf der Oberfläche der Testprobe erkennbar wäre. Wenn das Kaltverarbeitungsverhältnis jedoch 50 % beträgt, treten Defekte auf, die groß genug sind, so dass sie sogar visuell auf der maximalen Scherungsebene (45°-Ebene) erkannt werden können.
Ferner zeigen die 4A bis 4C den vertikalen Querschnitt der in der 3B gezeigten Testprobe, wenn diese parallel zur Kompressionsrichtung (Stauchrichtung) geschnitten und geschliffen wurde, und wie die Defekte aussehen, wenn sie zur Untersuchung mittels SEM untersucht wurden. Die 4A zeigt die Defekte in 15-facher Vergrößerung, die 4B zeigt einen Teil der in der 4A gezeigten Defekte in 50-facher Vergrößerung und die 4C zeigt einen Teil der in der 4A gezeigten Defekte in 200-facher Vergrößerung.
Aus den 4B und 4C ist ersichtlich, dass eine große Anzahl der Defekte (linear gestreifte Muster) auftritt. Wenn jedoch die Fig. A und auch die 4B und 4C, bei denen es sich um die vergrößerten Photographien davon handelt, betrachtet werden, ist es nicht möglich, Stellen zu finden, bei denen die Defekte an irgendeiner Stelle unterbrochen sind. Insbesondere rekombinieren die erzeugten Defekte auf jeden Fall. Daher ist ersichtlich, dass die in der 3B aufgetretenen Defekte nicht von einer Zerstörung stammen.
Nachstehend wird beschrieben, wie der einzigartige Verformungsmechanismus aufgrund der Defekte mit der hohen Festigkeit und der hohen Duktilität der vorliegenden Titanlegierung zusammenhängt.
Zunächst entwickelt der allgemeine Verformungsmechanismus herkömmlicher Metallmaterialien die plastische Verformung mittels der Bewegung und Ausbreitung von Versetzungen. Einlagerungselemente, die in die Metallmaterialien eingetreten sind, wirken dahingehend, dass sie die Bewegung der Versetzung inhibieren. Als Ergebnis wird die plastische Verformung herkömmlicher Metallmaterialien umso mehr inhibiert, je stärker die Menge der Einlagerungselemente erhöht wird, so dass sie eine höhere Festigkeit aufweisen. Wenn die Bewegung der Versetzung jedoch durch die Zunahme der Einlagerungselemente häufig erhöht wird, entstehen Bereiche, bei denen die Versetzungsdichte extrem hoch ist. Die Abschnitte bilden die Ausgangspunkte oder Wege der Zerstörung. Demgemäß können Metallmaterialien, die eine große Menge an Einlagerungselementen umfassen, keine ausreichende plastische Verformung erzeugen und führen zu einer Zerstörung. Insbesondere in dem Fall herkömmlicher Metallmaterialien führt dies sogar zu einer starken Verminderung der Duktilität, obwohl die Zunahme der Einlagerungselemente die Festigkeit verbessert.
Andererseits ist die vorliegende Titanlegierung derart, dass selbst nach einer Kaltverarbeitung kaum Versetzungen und dergleichen vorliegen, und die plastische Verformung entwickelt sich mittels der Erzeugung und Rekombination der vorstehend beschriebenen Defekte. Ferner ist es durch eine TEM-Untersuchung ersichtlich, dass die Kristallgitter, die in der Nähe der Grenzflächenebenen der Defekte vorliegen, stark gekrümmt sind. Die Krümmung der Kristallgitter bildet ein diskretes Feld einer elastischen Beanspruchung mit einer Schichtstruktur, die von einer Nanometergröße zu einer Mikrometergröße reicht und sich ferner bis zur Millimetergröße erstreckt. Ferner akkumuliert die Titanlegierung die Verarbeitungsenergie, die durch die Kaltverarbeitung angewandt wird, innerhalb der Legierung als Energie der elastischen Beanspruchung. Da in der vorliegenden Titanlegierung der Gehalt der Einlagerungselemente erhöht ist, wird die Energie der elastischen Beanspruchung, die im Inneren akkumuliert werden kann, ebenfalls erhöht, so dass die Beanspruchung, die zur Erzeugung von Defekten erforderlich ist, ansteigt. Insbesondere nimmt die Beanspruchung zu, die zur Entwicklung der plastischen Verformung erforderlich ist. Folglich wird angenommen, dass die vorliegende Titanlegierung bezüglich der Festigkeit beträchtlich verbessert ist, wenn der Gehalt der Einlagerungselemente zunimmt.
Wenn folglich eine Beanspruchung (Verarbeitungsenergie), die ausreichend ist, um die Defekte zu erzeugen, auf die vorliegende Titanlegierung ausgeübt wird, treten die Defekte erneut auf, so dass die plastische Verformung entwickelt wird, jedoch rekombinieren die Defekte sofort. Demgemäß wird die vorliegende Titanlegierung selbst dann nicht zerstört, wenn die plastische Verformung stattfindet, und zeigt eine gute Duktilität.
Wie es aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist die vorliegende Titanlegierung derart, dass sich der Mechanismus der plastischen Verformung von dem herkömmlichen Verformungsmechanismus grundlegend unterscheidet und völlig neu ist. Ferner wird entgegen dem herkömmlichen bekannten technischen Wissen und dergleichen durch Erhöhen der Menge an Einlagerungselementen erfolgreich erreicht, die hohe Festigkeit und die hohe Duktilität kompatibel zu machen, was herkömmlich nicht erreicht werden konnte.
Unter Berücksichtigung dieser Tatsachen kann die vorliegende Erfindung auch als hochfeste Titanlegierung aufgefasst werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie dadurch, dass sie einer Kaltverarbeitung unterworfen worden ist, eine defektförmige Verformungsstruktur aufweist, und dass ihre Zugfestigkeit 1100 MPa oder mehr beträgt. Es ist ausreichend, dass die hochfeste Titanlegierung eine Verformungsstruktur mittels der neuen Defekte (defektförmige Verformungsstruktur) aufweist, die von dem herkömmlichen Verformungsmechanismus vollständig verschieden sind. Demgemäß kann der Gehalt an Einlagerungselementen notwendigerweise nicht so hoch sein, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Wenn Einlagerungselemente in einer relativ großen Menge enthalten sind, wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist es möglich, eine Titanlegierung mit einer viel höheren Festigkeit zu erhalten. Somit ist es zweckmäßig, dass die vorliegende Titanlegierung die im Anspruch 1 angegebene Zusammensetzung aufweist. Selbstverständlich kann O durch N und C ersetzt werden.
Es sollte beachtet werden, dass die „defektförmige Verformungsstruktur" eine Struktur ist, welche die Defekte gemäß 1 umfasst. Es handelt sich weder um Gleitverformungen, zu denen wie bei den herkömmlichen Titanlegierungen Versetzungen beitragen, noch um die Windungsverformungen, noch um Verformungsstrukturen, zu denen eine martensitische Umwandlung beiträgt.
Darüber hinaus ist in der vorstehend beschriebenen vorliegenden Titanlegierung der untere Grenzwert der Zugfestigkeit auf 1000 MPa eingestellt, wobei der untere Grenzwert hier auf 1100 MPa eingestellt ist, da sie eine viel höhere Festigkeit durch eine Kaltverarbeitung aufweist.
Darüber hinaus sind bezüglich der Zugfestigkeit, der Dehnung und der Kombinationen beider Zahlenwerte die vorstehend beschriebenen Details auch auf die hochfeste Titanlegierung anwendbar, welche die defektförmige Verformungsstruktur aufweist.
B. Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Titanlegierung
(1) Ausgangsmaterialpulver
Ein Ausgangsmaterialpulver umfasst z.B. mindestens 15 bis 30 Atom-% eines Elements der Gruppe Va, O, Zr und Titan (Ti). Das Ausgangsmaterialpulver kann so eingestellt werden, das die Zusammensetzung der schließlich erhaltenen Titanlegierung 15 bis 30 Atom-% eines Elements der Gruppe Va und 2,8 bis 7 Atom-% O beträgt, wenn die Gesamtmenge 100 Atom-% ist.
Darüber hinaus kann ungeachtet der Zusammensetzung ein Ausgangsmaterialpulver verwendet werden, das mindestens Ti, ein Element der Gruppe Va, O und Zr umfasst, um eine hochfeste Legierung mit einer defektförmigen Verformungsstruktur zu erhalten. Insbesondere kann das vorliegende Herstellungsverfahren dadurch gekennzeichnet sein, dass es umfasst: Einen Kompaktierungsschritt des Druckformens eines Ausgangsmaterialpulvers, das mindestens Ti, ein Element der Gruppe Va, O und Zr umfasst, einen Sinterschritt des Sinterns und Erhitzens eines kompaktierten Körpers, der in dem Kompaktierungsschritt erhalten worden ist, einen Warmverarbeitungsschritt des Warmverarbeitens zum Kompaktieren eines gesinterten Blocks, der in dem Sinterschritt erhalten worden ist, und einen Kaltverarbeitungsschritt des Kaltverarbeitens des gesinterten Blocks nach dem Warmverarbeitungsschritt, wodurch eine hochfeste Titanlegierung mit einer defektförmigen Verformungsstruktur erhalten wird.
Zusätzlich zu Ti, einem Element der Gruppe Va, O und Zr wird die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials auf der Basis der Zusammensetzungen der vorstehend beschriebenen Titanlegierungen festgelegt. Beispielsweise kann das Ausgangsmaterialpulver ein Element oder mehrere Elemente umfassen, das bzw. die aus der Gruppe bestehend aus Zr, Hf und Sc und ferner aus Sn, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, C und B ausgewählt ist bzw. sind.
Wenn ein Metallelement oder mehrere Metallelemente, das bzw. die aus Zr, Hf und Sc ausgewählt ist bzw. sind, in das Ausgangsmaterialpulver einbezogen wird bzw. werden, kann ein Ausgangsmaterialpulver derart hergestellt werden, dass die resultierende hochfeste Titanlegierung die Metallelemente in einer Gesamtmenge von 0,3 Atom-% oder mehr umfasst, und Zr in einer Menge von 15 Atom-% oder weniger, Hf in einer Menge von 10 Atom-% oder weniger und Sc in einer Menge von 10 Atom-% oder weniger vorliegen, wenn die Gesamtmenge 100 Atom-% beträgt.
Als Ausgangsmaterialpulver können z.B. Schwammpulver, hydrierte-dehydrierte Pulver, hydrierte Pulver, zerstäubte Pulver und dergleichen verwendet werden. Die speziellen Formen und Teilchendurchmesser (Teilchendurchmesserverteilungen) der Pulver sind nicht speziell beschränkt, jedoch ist es möglich, käufliche Pulver zu verwenden. Wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser 100 μm oder weniger und ferner 45 μm (#325) oder weniger beträgt, ist dies bevorzugt, da dann dichte Sinterkörper erhalten werden können. Darüber hinaus kann das Ausgangsmaterialpulver ein Pulvergemisch sein, bei dem elementare Pulver gemischt sind, oder Legierungspulver, welche die gewünschten Zusammensetzungen aufweisen.
Darüber hinaus kann das Ausgangsmaterialpulver ein Pulvergemisch sein, bei dem Ti-Pulver mit hohem Sauerstoffgehalt oder Ti-Pulver mit hohem Stickstoffgehalt mit Legierungselementpulvern gemischt werden, welche die vorstehend genannten Elemente der Gruppe Va umfassen. Wenn Ti-Pulver mit hohem Sauerstoffgehalt verwendet werden, kann der O-Gehalt einfach gesteuert werden, so dass die Produktivität der erfindungsgemäßen Titanlegierung verbessert wird. Dies ist entsprechend auf Ti-Pulver mit hohem Stickstoffgehalt anwendbar. Solche Ti-Pulver mit hohem Sauerstoffgehalt können z.B. durch einen Oxidationsschritt erhalten werden, bei denen Ti-Pulver in oxidierenden Atmosphären erhitzt werden.
Der Mischschritt kann unter Verwendung eines Mischers des „V"-Typs, einer Kugelmühle und einer Schwingmühle, einer Hochenergie-Kugelmühle (beispielsweise einer Reibmühle), usw., durchgeführt werden.
(2) Kompaktierungsschritt
Der Kompaktierungsschritt kann z.B. unter Verwendung von Matrizenformen, CIP-Kompaktieren (kaltisostatisches Presskompaktieren), RIP-Kompaktieren (isostatisches Kautschuk-Presskompaktieren), usw., durchgeführt werden. Wenn der Kompaktierungsschritt ein Schritt ist, bei dem das Ausgangsmaterialpulver CIP-kompaktiert wird, ist dies bevorzugt, da es dann relativ einfach ist, dichte kompaktierte Körper zu erhalten.
Es sollte beachtet werden, dass es sich bei den Formen von kompaktierten Körpern um die fertigen Formen von Produkten handelt oder sogar um die Formen von Blöcken, bei denen es sich um Zwischenprodukte handelt, und dergleichen.
(3) Sinterschritt
Wenn kompaktierte Körper gesintert werden, ist es bevorzugt, dies im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre durchzuführen. Darüber hinaus kann die Sintertemperatur vorzugsweise der Schmelzpunkt oder weniger der Titanlegierungen sein und zusätzlich kann der Sinterschritt vorzugsweise in einem Temperaturbereich durchgeführt werden, bei dem sich die Komponentenelemente vollständig verteilen. Beispielsweise ist es bevorzugt, dass der Temperaturbereich bei 1200°C bis 1600°C und ferner bei 1200°C bis 1500°C liegt. Es ist bevorzugt, dass die Sinterzeit 2 bis 50 Stunden und ferner 4 bis 16 Stunden beträgt.
(4) Warmverarbeitungsschritt
Durch die Durchführung des Warmverarbeitungsschritts ist es möglich, die Struktur durch Vermindern der Hohlräume und dergleichen in gesinterten Legierungen zu kompaktieren. Der Warmverarbeitungsschritt kann durch Warmschmieden, Warmstauchen bzw. -gesenkschmieden, Warmextrudieren, usw. durchgeführt werden. Der Warmverarbeitungsschritt kann in jedweder Atmosphäre durchgeführt werden, wie z.B. in Luft und in einer Inertgasatmosphäre. Im Hinblick auf die Steuerung der Anlagen ist es wirtschaftlich, den Warmverarbeitungsschritt in Luft durchzuführen. Das Warmverarbeiten, auf das in dem vorliegenden Herstellungsverfahren Bezug genommen wird, wird durchgeführt, um Sinterkörper zu kompaktieren. Es kann jedoch kombiniert mit dem Formen durchgeführt werden, während die Formen der Produkte berücksichtigt werden.
(5) Kaltverarbeitungsschritt
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, zeigt die erfindungsgemäße Titanlegierung gute Kaltverarbeitungseigenschaften, wenn sie einer Kaltverarbeitung unterworfen wird, wobei die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Somit kann das vorliegende Herstellungsverfahren vorzugsweise mit einem Kaltverarbeitungsschritt durchgeführt werden, wobei die Kaltverarbeitung nach dem Warmverarbeitungsschritt durchgeführt wird.
Dabei bezeichnet „kalt" niedrige Temperaturen, die niedriger sind als die Rekristallisationstemperatur der Titanlegierung (die niedrigste Temperatur, welche die Rekristallisation verursacht). Obwohl die Rekristallisationstemperatur von den Zusammensetzungen abhängt, beträgt sie im Fall der vorliegenden Titanlegierung im Allgemeinen etwa 600°C. Ferner wird die vorliegende Titanlegierung in einem Bereich von Normaltemperatur bis 300°C in gewöhnlicher Weise kaltverarbeitet.
Darüber hinaus ist das Kaltverarbeitungsverhältnis „X"%, welches das Ausmaß der Kaltverarbeitung angibt, durch die folgende Gleichung definiert: X = (Variation der Querschnittsflächen vor und nach der Verarbeitung: S0–S)/(Anfängliche Querschnittsfläche vor der Verarbeitung: S0) × 100 %, (S0: Anfängliche Querschnittsfläche vor der Kaltverarbeitung, und S: Querschnittsfläche nach der Kaltverarbeitung)
Im Fall der vorliegenden Titanlegierung kann das Kaltverarbeitungsverhältnis 10 % oder mehr, 30 % oder mehr, 50 % oder mehr, 70 % oder mehr, 90 % oder mehr und ferner 99 % oder mehr betragen. Entsprechend der Erhöhung des Kaltverarbeitungsverhältnisses wird die Festigkeit der Titanlegierung verbessert.
Der Kaltverarbeitungsschritt kann durch Kaltschmieden, Kaltstauchen bzw. -gesenkschmieden, Drahtziehen mit Matrizen, Strecken und dergleichen durchgeführt werden. Darüber hinaus kann die Kaltverarbeitung kombiniert mit einem Produktformen durchgeführt werden. Insbesondere kann die Titanlegierung, die nach der Kaltverarbeitung erhalten worden ist, zu Ausgangsmaterialien, wie z.B. Walzgut, Schmiedestücken, Platten, Drähten und Stäben ausgebildet werden, oder sie kann zu den gewünschten Endformen oder zu der Form von Produkten oder zu Formen ausgebildet werden, die den Produktformen sehr ähnlich sind. Darüber hinaus kann die Kaltverarbeitung vorzugsweise auf Ausgangsmaterialstufen durchgeführt werden. Sie kann jedoch unter anderem auch nach dem Versenden der Ausgangsmaterialien, auf Stufen, bei denen sie bei den jeweiligen Herstellern zu Endprodukten verarbeitet werden, usw., durchgeführt werden.
(6) Alterungsbehandlung (Alterungsbehandlungsschritt)
Die vorliegende Titanlegierung oder das vorliegende Herstellungsverfahren erfordert daher nicht notwendigerweise Wärmebehandlungen. Es ist jedoch möglich, eine viel höhere Festigkeit durch die Durchführung einer geeigneten Wärmebehandlung zu erreichen. Als Wärmebehandlung steht z.B. eine Alterungsbehandlung zur Verfügung. Insbesondere ist es z.B. zweckmäßig, wenn eine Wärmebehandlung bei 200°C bis 600°C für 10 min bis 100 Stunden durchgeführt werden kann (es sollte beachtet werden, dass es möglich ist, die Zeit des Erwärmens auf eine von diesem Bereich verschiedene Zeit einzustellen).
Wenn die Kaltverarbeitung vor der Alterungsbehandlung durchgeführt wird, nehmen die Ausscheidungsstellen, die durch die Alterung entstehen, zu. Wenn feine Ausscheidungsphasen in einer großen Anzahl dispergiert sind, ist es möglich, Titanlegierungen in einem viel höheren Ausmaß fester zu machen. Wenn die Alterungsbehandlung durchgeführt wird, ist es möglich, in einfacher Weise hochfeste Titanlegierungen zu erhalten, deren Zugfestigkeit 1400 MPa oder mehr, 1600 MPa oder mehr, 1800 MPa oder mehr und ferner 2000 MPa oder mehr beträgt.
Verwendung der Titanlegierung
Da die vorliegende Titanlegierung eine höhere Festigkeit aufweist als herkömmliche Titanlegierungen, kann sie umfangreich in Produkten verwendet werden, die den Eigenschaften entsprechen. Da sie darüber hinaus sehr duktil ist und mit guten Kaltverarbeitungseigenschaften ausgestattet ist, können Verarbeitungsrisse und dergleichen beträchtlich vermindert werden und die Materialausbeute, usw., kann verbessert werden, wenn die vorliegende Titanlegierung in kaltverarbeiteten Produkten eingesetzt wird. Demgemäß können gemäß der vorliegenden Titanlegierung selbst Produkte, die aus herkömmlichen Titanlegierungen hergestellt sind und eine spanabhebende Bearbeitung, usw., im Hinblick auf die Formen erfordern, durch Kaltschmieden und dergleichen hergestellt werden, so dass die vorliegende Titanlegierung bei der Massenproduktion von Titanprodukten und bezüglich der Kostensenkung sehr effektiv ist.
Insbesondere kann die vorliegende hochfeste Titanlegierung z.B. in industriellen Maschinen, Kraftfahrzeugen, Motorrädern, Fahrrädern, elektrischen Haushaltsgeräten, Luft- und Raumfahrtvorrichtungen, Schiffen, Zubehörteilen, Sport- und Freizeitgeräten, Produkten, die mit lebenden Körpern zusammenhängen, Teilen medizinischer Geräte, Spielzeugen und dergleichen verwendet werden.
Beispielsweise ist es bei einer Brillenfassung, bei der es sich um ein Beispiel für ein Zubehör handelt, einfach, eine Verarbeitung von feinen Drähten zu einer Brillenfassung durchzuführen, da die vorliegende Titanlegierung eine hohe Festigkeit und eine hohe Duktilität aufweist, und es ist möglich, die Materialausbeute zu verbessern. Darüber hinaus können bei einer Brillenfassung, die aus den feinen Drähten hergestellt ist, das Anpassungsvermögen, das geringe Gewicht und das Tragegefühl der Brille weiter verbessert werden.
Als Anwendungsbeispiel für Sport- und Freizeitartikel kann z.B. ein Golfschläger genannt werden. Wenn beispielsweise der Kopf eines Golfschlägers, insbesondere ein Flächenteil, die vorliegende hochfeste Titanlegierung umfasst, ist es durch das Dünnermachen, das aus der Nutzung der hohen Festigkeit resultiert, möglich, die intrinsische Frequenz des Kopfs bezüglich herkömmlicher Titanlegierungen beträchtlich zu vermindern. Als Ergebnis ist es möglich, Golfschläger zu erhalten, welche die Schlagdistanz von Golfbällen beträchtlich erweitern. Darüber hinaus ist es dann, wenn die vorliegende hochfeste Titanlegierung in Golfschlägern verwendet wird, möglich, das Auftreffgefühl und dergleichen von Golfschlägern zu verbessern und auch der Freiheitsgrad bei der Gestaltung von Golfschlägern kann beträchtlich erweitert werden. Selbstverständlich ist es ohne eine Beschränkung auf den Kopf von Golfschlägern auch relevant, wenn die vorliegende Titanlegierung auf den Schaft des Golfschlägers, usw., angewandt wird.
Zusätzlich zu diesen Produkten kann die vorliegende hochfeste Titanlegierung in verschiedenen Produkten in verschiedenen Bereichen verwendet werden, wie z.B. für Ausgangsmaterialien (Drähte, Stäbe, quadratische Stangen, Platten, Folien, Fasern, Gewebe, usw.), tragbare Gegenstände (Uhren (Armbanduhren), Haarspangen (Haarzubehör), Halsketten, Armbänder, Ohrringe, Piercing-Gegenstände, Ringe, Krawattennadeln, Broschen, Manschettenknöpfe, Gürtel mit Schließen, Feuerzeuge, Schreibfedern für Füllfederhalter, Clips für Füllfederhalter, Schlüsselringe, Schlüssel, Kugelschreiber, Druckbleistifte, usw.), tragbare Informationsendgeräte (Mobiltelefone, tragbare Aufzeichnungsgeräte, Gehäuse, usw., von mobilen Personalcomputern, usw., und dergleichen), Federn für Motorventile, Fahrwerksfedern, Stoßstangen, Dichtungen, Diaphragmen, Balgen, Schläuche, Schlauchbänder, Pinzetten, Angelruten, Angelhaken, Nähnadeln, Nähmaschinennadeln, Spritzennadeln, Spikes, Metallbürsten, Stühle, Sofas, Betten, Kupplungen, Schläger, eine Vielzahl von Drähten, eine Vielzahl von Heftern, Klammern für Papiere, usw., Dämpfungsmaterialien, eine Vielzahl von Metalldichtungen, Expander, Trampoline, eine Vielzahl von Fitnessgeräten, Rollstühle, Pflegegerä te, Rehabilitationsgeräte, Büstenhalter, Korsetts, Kameragehäuse, Blendenkomponententeile, Abdunklungsvorhänge, Vorhänge, Jalousien, Ballons, Luftschiffe, Zelte, eine Vielzahl von Membranen, Helme, Fischernetze, Teesiebe, Regenschirme, Feuerwehrbekleidung, schusssichere Westen, eine Vielzahl von Behältern, wie z.B. Kraftstofftanks, Innenauskleidungen von Reifen, Verstärkungselementen von Reifen, Fahrradrahmen, Bolzen, Lineale, eine Vielzahl von Torsionsstäben, Spiralfedern, Kraftübertragungsriemen (Umschlingungsmittel, usw., eines stufenlosen Getriebesystems), usw.
Beispiele
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf spezielle Beispiele beschrieben. In den nachstehenden Beispielen sind Legierungen, die weniger als 2,8 Atom-% O enthalten, nicht erfindungsgemäß.
Beispiel Nr. 1
Unter Verwendung des vorliegenden Herstellungsverfahrens wurden Titanlegierungen von Beispiel Nr. 1 hergestellt. Das vorliegende Beispiel umfasst die nachstehend beschriebenen Proben Nr. 1-1 bis 1-10. In diesen Proben war der Anteil eines Elements der Gruppe Va konstant und nur der O-Gehalt wurde variiert. Insbesondere wurde Ti-24,5Nb-0,7Ta-1,3Zr-xO (Atom-%: x ist eine Variable) hergestellt. Es sollte beachtet werden, dass das vorliegende Beispiel ein Fall ist, bei dem nach einem Warmverarbeitungsschritt kein Kaltverarbeitungsschritt gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde.
Als erstes wurden als Ausgangsmaterialpulver ein käufliches hydriertes-dehydriertes Ti-Pulver (-#325), Nb-Pulver (-#325), Ta-Pulver (-#325) und Zr-Pulver (-#325) hergestellt. Das Nb-Pulver, das Ta-Pulver und das Zr-Pulver entsprechen den Legierungselementpulvern.
Als nächstes wurde das Ti-Pulver in Luft wärmebehandelt, um ein Ti-Pulver mit hohem Sauerstoffgehalt zu erzeugen, das eine vorgegebene O-Menge enthielt (Oxidationsschritt). Die Wärmebehandlungsbedingungen waren in diesem Fall ein Erhitzen in Luft bei 200°C und 400°C für 30 min bis 128 Stunden. Dieses Ti-Pulver mit hohem Sauerstoffgehalt und das Nb-Pulver sowie das Ta-Pulver und das Zr-Pulver wurden gemischt, so dass die Zusammensetzungsanteile (Atom-%) und die Sauerstoffanteile (Atom-%) erhalten wurden, die in der Tabelle 1 angegeben sind, und sie wurden weiter gemischt, wodurch die gewünschten Pulvergemische erhalten wurden (Mischschritt).
Diese Pulvergemische wurden mittels CIP-Formen (kaltisostatisches Pressformen) bei einem Druck von 392 MPa (4 Tonnen/cm²) kompaktiert, wodurch kompaktierte Körper mit einer Zylinderform von ∅ 40 × 80 mm erhalten wurden (Kompaktierungsschritt).
Die resultierenden kompaktierten Körper wurden in einem Vakuum von 1,3 × 10^–3 Pa (1 × 10^–5 Torr) bei 1300°C für 16 Stunden erhitzt, wodurch gesinterte Blöcke hergestellt wurden (Sinterschritt).
Diese gesinterten Blöcke wurden in Luft mit 700 bis 1150°C warmgeschmiedet (Warmverarbeitungsschritt), wodurch Rundstäbe mit ∅ 10 mm erhalten wurden. Bezüglich der so erhaltenen jeweiligen Proben wurden verschiedene, später beschriebene Messungen durchgeführt und die Ergebnisse sind zusammen in der Tabelle 1 angegeben.
Beispiel Nr. 2
Das vorliegende Beispiel war derart, dass die jeweiligen Proben von Beispiel Nr. 1 weiter einer Kaltverarbeitung unterworfen wurden, wobei das Kaltverarbeitungsverhältnis 90 % betrug, um die Proben Nr. 2-1 bis 2-10 herzustellen. Daher waren die Zusammensetzungsanteile von Nb, Ta und Zr so, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Darüber hinaus waren in dem Fall des vorliegenden Beispiels die Schritte vor dem Warmverarbeitungsschritt mit denjenigen von Beispiel Nr. 1 identisch, wobei die Schritte nach dem Warmverarbeitungsschritt beschrieben werden.
Mit den Rundstäben mit ∅ 10 mm wurde nach dem Warmverarbeitungsschritt ein Kaltstauchen bzw. -gesenkschmieden unter Verwendung einer Kaltstauchmaschine durchgeführt (Kaltverarbeitungsschritt), wodurch Rundstäbe mit ∅ 4 mm hergestellt wurden. Bezüglich der so erhaltenen jeweiligen Proben wurden verschiedene, später beschriebene Messungen durchgeführt und die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 angegeben.
Beispiel Nr. 3
Unter Verwendung des vorliegenden Herstellungsverfahrens wurden Titanlegierungen von Beispiel Nr. 3 hergestellt. Das vorliegende Beispiel umfasst die nachstehend beschriebenen Proben Nr. 3-1 bis 3-10. In diesen Proben war der Anteil eines Elements der Gruppe Va konstant und nur der O-Gehalt wurde variiert. Insbesondere wurde Ti-20Nb-3,5Ta-3,5Zr-xO (Atom-%: x ist eine Variable) hergestellt. Es sollte beachtet werden, dass das vorliegende Beispiel ein Fall ist, bei dem nach einem Warmverarbeitungsschritt kein Kaltverarbeitungsschritt gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde.
Als erstes wurden als Ausgangsmaterialpulver ein käufliches hydriertes-dehydriertes Ti-Pulver (-#325), Nb-Pulver (-#325), Ta-Pulver (-#325) und Zr-Pulver (-#325) hergestellt. Das Nb-Pulver, das Ta-Pulver und das Zr-Pulver entsprechen den Legierungselementpulvern, die in der vorliegenden Erfindung beschrieben sind.
Als nächstes wurde das Ti-Pulver in Luft wärmebehandelt, um ein Ti-Pulver mit hohem Sauerstoffgehalt zu erzeugen, das eine vorgegebene O-Menge enthielt (Oxidationsschritt). Die Wärmebehandlungsbedingungen waren in diesem Fall ein Erhitzen in Luft bei 200°C und 400°C für 30 min bis 128 Stunden. Dieses Ti-Pulver mit hohem Sauerstoffgehalt und das Nb-Pulver sowie das Ta-Pulver und das Zr-Pulver wurden gemischt, so dass die Zusammensetzungsanteile (Atom-%) und die Sauerstoffanteile (Atom-%) erhalten wurden, die in der Tabelle 3 angegeben sind, und sie wurden weiter gemischt, wodurch die gewünschten Pulvergemische erhalten wurden (Mischschritt).
Diese Pulvergemische wurden mittels CIP-Formen (kaltisostatisches Pressformen) bei einem Druck von 392 MPa (4 Tonnen/cm²) kompaktiert, wodurch kompaktierte Körper mit einer Zylinderform von ∅ 40 × 80 mm erhalten wurden (Kompaktierungsschritt).
Die resultierenden kompaktierten Körper wurden in einem Vakuum von 1,3 × 10^–3 Pa (1 × 10^–5 Torr) bei 1300°C für 16 Stunden erhitzt, wodurch gesinterte Blöcke hergestellt wurden (Sinterschritt).
Diese gesinterten Blöcke wurden in Luft mit 700 bis 1150°C warmgeschmiedet (Warmverarbeitungsschritt), wodurch Rundstäbe mit ∅ 10 mm erhalten wurden. Bezüglich der so erhaltenen jeweiligen Proben wurden verschiedene, später beschriebene Messungen durchgeführt und die Ergebnisse sind zusammen in der Tabelle 3 angegeben.
Beispiel Nr. 4
Das vorliegende Beispiel war derart, dass die jeweiligen Proben von Beispiel Nr. 3 weiter einer Kaltverarbeitung unterworfen wurden, wobei das Kaltverarbeitungsverhältnis 90 % betrug, um die Proben Nr. 4-1 bis 4-10 herzustellen. Daher waren die Zusammensetzungsanteile von Nb, Ta und Zr so, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Darüber hinaus waren in dem Fall des vorliegenden Beispiels die Schritte vor dem Warmverarbeitungsschritt mit den jenigen von Beispiel Nr. 3 identisch, und der Kaltverarbeitungsschritt war mit demjenigen von Beispiel Nr. 2 identisch. Bezüglich der so erhaltenen jeweiligen Proben wurden verschiedene, später beschriebene Messungen durchgeführt und die Ergebnisse sind in der Tabelle 4 angegeben.
Beispiel Nr. 5
Das vorliegende Beispiel war derart, dass die Probe Nr. 2-5 von Beispiel Nr. 2 ferner einer Alterungsbehandlung bei 400°C für 24 Stunden unterworfen wurde (Alterungsbehandlungsschritt), um die Probe 5-5 herzustellen. Auch bezüglich dieser Probe wurden verschiedene, später beschriebene Messungen durchgeführt und die Ergebnisse sind in der Tabelle 5 angegeben.
Messungen mit jeweiligen Proben
Zugeigenschaften wurden aus Spannung-Dehnung-Diagrammen durch die Durchführung eines Zugtests mit einem Instron-Testgerät (Instron ist der Name eines Herstellers) durchgeführt.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 5
Bewertung der jeweiligen Testproben
Aus den in den Tabellen 1 bis 5 angegebenen Ergebnissen ergibt sich folgendes.
(1) Festigkeit
Alle vorliegenden Titanlegierungen waren derart, dass die Zugfestigkeit 1000 MPa oder mehr betrug. Insbesondere wenn sie einer Kaltverarbeitung unterworfen wurden, wurde die Zugfestigkeit sehr stark auf 1100 MPa oder mehr erhöht.
(2) Reduktion und Dehnung
Die vorliegenden Titanlegierungen waren derart, dass minimal eine Reduktion von etwa 10 % erhalten wurde. Darüber hinaus waren alle Titanlegierungen derart, dass die Dehnung 3 % und sogar 5 % überstieg und demgemäß hohe Dehnungen erhalten wurden, und die jeweiligen Proben der Beispiele wiesen eine beträchtlich hohe Duktilität auf.
(3) Sauerstoffgehalt
➀ Während kaltverarbeitete Titanlegierungen beispielhaft dargestellt werden (Beispiel Nr. 2), wird nachstehend beschrieben, wie der Sauerstoffgehalt die Festigkeit beeinflusst.
Die vorliegende Titanlegierung war derart, dass die Verbesserung der Festigkeit beträchtlich war und ein hochfestes Material mit maximal 1700 MPa erhalten werden konnte. Die vorliegende Titanlegierung stellt darüber hinaus selbst dann, wenn sie einen hohen Sauerstoffgehalt aufweist, eine Reduktion von etwa 10 % oder mehr sicher. Die Dehnung verminderte sich kaum, bis der Sauerstoffgehalt auf bis zu 4,5 Atom-% zunahm, und zeigte einen Wert nahe an 10 %.
Gewöhnliche Titanlegierungen werden so hergestellt, dass der Sauerstoffgehalt auf 0,7 Atom-% oder weniger oder maximal 1,0 Atom-% gedrückt ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich die Dehnung vermindert, wenn der Sauerstoffgehalt zunimmt, obwohl sich die Festigkeit verbessert. Insbesondere im Fall von hochfesten Materialien war es übliches Fachwissen, den Sauerstoffgehalt sehr streng zu kontrollieren.
Dennoch verminderte sich im Fall der vorliegenden Titanlegierung die Duktilität kaum, selbst wenn der Sauerstoffgehalt zunahm, und es wurde eine hohe Duktilität erhalten. Dabei handelt es sich um ein einzigartiges Phänomen und um einen der Hinweise, dass sich die vorliegende Titanlegierung vollständig von herkömmlichen Titanlegierungen unterscheidet.
➁ Als nächstes wurde insbesondere bezüglich einer Titanlegierung mit einem hohen Sauerstoffgehalt und einer herkömmlichen Titanlegierung untersucht, wie die Zugfestigkeit und die Dehnung von der Variation des Sauerstoffgehalts beeinflusst werden. Daraus wurde ein Graph erstellt, der in der 5 gezeigt ist.
Das kaltverarbeitete Material (Kaltverarbeitungsverhältnis (CW) 90 %), das in der 5 gezeigt ist, ist eine Titanlegierung, die eine Zusammensetzung von Ti-8,9Nb-11,5Ta-2,7V, 0,08Zr (Atom-%) aufwies und mit dem gleichen Verfahren wie die Titanlegierungen des vorstehend beschriebenen Beispiels Nr. 1 und Beispiels Nr. 2 hergestellt worden ist. Darüber hinaus entsprachen die Messverfahren der entsprechenden Daten den vorstehend beschriebenen Messverfahren.
Ein diesbezügliches Vergleichsmaterial basierte auf einer hochfesten Titanlegierung, die in den bevorzugten Ausführungsformen Nr. 1 bis 3 der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung (KOKAI) Nr. 2001-140,028 beschrieben ist. Insbesondere umfasst sie ein Blockmaterial mit der Zusammensetzung Ti-5%Al-2%Sn-2%Zr-4%Mo-4%Cr-x%O, als Gew.-% (Ti-8,9%Al-0,8%Sn-1,1%Zr-2,0%Mo-3,7%Cr-y%O, als Atom-%). Es ist offensichtlich, dass sich das Vergleichsmaterial bezüglich der Zusammensetzung des Elements der Gruppe Va vollständig von der erfindungsgemäßen Titanlegierung unterscheidet.
Bei der Betrachtung der 5 ist es offensichtlich, dass nicht nur die Titanlegierung mit einem hohen Sauerstoffgehalt, sondern auch das Vergleichsmaterial mit zunehmendem O-Gehalt eine sehr hohe Festigkeit aufwies.
In dem Fall des Vergleichsmaterials war jedoch die Dehnung (Duktilität) beträchtlich vermindert, da es eine sehr hohe Festigkeit aufwies.
Andererseits wies die Titanlegierung nicht nur eine sehr hohe Festigkeit auf, sondern auch die Dehnung war selbst dann kaum vermindert, wenn der O-Gehalt zunahm. Beispielsweise wurden selbst in einem Bereich mit hohem Sauerstoffgehalt, bei dem der Sauerstoffgehalt 1,5 Atom-% überstieg, hohe Dehnungen in der Nähe von 10 % stabil aufrechterhalten. Wenn demgemäß die vorliegende Titanlegierung verwendet wird, ist es im Gegensatz zu herkömmlichen Titanlegierungen, wie z.B. dem Vergleichsmaterial, möglich, zusammen mit einer hohen Festigkeit gute Verarbeitungseigenschaften zu erhalten, und folglich ist es möglich, die Kosten zu senken, die zum Formen und dergleichen erforderlich sind, und die Materialausbeute, usw., zu verbessern.
Folglich ist es gemäß der vorliegenden hochfesten Titanlegierung möglich, die Nutzung von Titanlegierungen, deren Verwendung bisher auf spezielle Gebiete beschränkt war, noch mehr zu erweitern, da eine hohe Festigkeit und eine hohe Duktilität kompatibel gemacht worden sind. Darüber hinaus ist es gemäß dem vorliegenden Herstellungsverfahren möglich, eine solche Titanlegierung einfach zu erhalten.

Claims

Hochfeste Titanlegierung, die aus 15 bis 30 Atom-% von Elementen der Gruppe Va, 2,8 bis 7 Atom-% Sauerstoff (O), 1 bis 10 Atom-% Zr und gegebenenfalls Stickstoff (N) in einer Menge von 1,5 bis 7,0 Atom-%, Kohlenstoff (C) in einer Menge von 1,5 bis 7,0 Atom-%, mindestens einem Metallelement, das aus der Gruppe bestehend aus Hafnium (Hf) und Scandium (Sc) ausgewählt ist, in einer Gesamtmenge von 0,3 Atom-% oder mehr, wobei Hf in einer Menge von 10 Atom-% oder weniger vorliegt und Sc in einer Menge von 10 Atom- oder weniger vorliegt, 1 bis 13 Atom-% Sn, mindestens einem Metallelement, das aus der Gruppe bestehend aus Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Cobalt (Co) und Nickel (Ni) ausgewählt ist, in einer Gesamtmenge von 0,1 Atom-% oder mehr, wobei Cr, Mn und Fe jeweils in einer Menge von 30 Atom-% oder weniger vorliegen, Mo in einer Menge von 20 Atom-% oder weniger vorliegt und Co und Ni jeweils in einer Menge von 13 Atom-% oder weniger vorliegen, 0,5 bis 12 Atom-% Aluminium (Al) und 0,2 bis 6,0 Atom-% Bor (B) besteht, wobei der Rest Ti und unvermeidbare Verunreinigungen sind, wenn die Gesamtmenge 100 Atom-% beträgt, wobei die Legierung eine Zugfestigkeit von 1000 MPa oder mehr aufweist.
Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine Dehnung von 3 % oder mehr aufweist.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, bei der O in einer Menge von 2,8 bis 6,5 Atom-% vorliegt.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Element der Gruppe Va mindestens ein Element ist, das aus der Gruppe bestehend aus Vanadium (V), Niob (Nb) und Tantal (Ta) ausgewählt ist.
Legierung nach Anspruch 4, bei der das Element der Gruppe Va in einer Gesamtmenge von 18 bis 27 Atom-% vorliegt.
Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Titanlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: einen Kompaktierungsschritt des Druckformens eines Ausgangsmaterialpulvers, das mindestens Ti, ein Element der Gruppe Va, O und Zr umfasst, einen Sinterschritt des Sinterns und Erhitzens eines kompaktierten Körpers, der in dem Kompaktierungsschritt erhalten worden ist, und einen Warmverarbeitungsschritt des Warmverarbeitens zum Kompaktieren eines gesinterten Blocks, der in dem Sinterschritt erhalten worden ist, wodurch eine hochfeste Titanlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner einen Kaltverarbeitungsschritt des Kaltverarbeitens des gesinterten Blocks nach dem Warmverarbeitungsschrittumfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner einen Alterungsbehandlungsschritt des Unterwerfens eines nach dem Kaltverarbeitungsschritt erhaltenen kaltverarbeiteten Materials einer Alterungsbehandlung umfasst, deren Behandlungstemperatur 200°C bis 500°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das Ausgangsmaterialpulver ein Pulvergemisch ist, das ein Ti-Pulver mit hohem Sauerstoffgehalt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Ti-Pulver mit hohem Sauerstoffgehalt ein Pulver ist, das durch einen Oxidationsschritt erhalten wird, bei dem ein Ti-Pulver in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem das Ausgangsmaterialpulver ferner mindestens ein Metallelement umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Hf und Sc ausgewählt ist, und bei dem die hochfeste Titanlegierung die Metallelemente in einer Gesamtmenge von 0,3 Atom-% oder mehr umfasst und Hf in einer Menge von 10 Atom-% oder weniger und Sc in einer Menge von 10 Atom-% oder weniger vorliegen, wenn die Gesamtmenge 100 Atom-% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei dem das Ausgangsmaterialpulver ferner mindestens ein Element umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Sn, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, C und B ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei dem der Kompaktierungsschritt ein Schritt ist, bei dem das Ausgangsmaterialpulver durch kaltisostatisches Pressen (CIP) kompaktiert wird.