DE60211548T2 - Metastabile beta-titanlegierung - Google Patents

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft die Nicht-Eisen Metallurgie und insbesondere die Entwicklung neuer Titan-Basislegierungen, welche sowohl hohe Festigkeits- als auch hohe Dehnbarkeitseigenschaften aufweisen, unter Verwendung von vergleichsweise billigen Legierungselementen. Die erfindungsgemässen Legierungen können in einem weiten Produktebereich verwendet werden, insbesondere für Halterungen und unterschiedlichen Spiralfedern.
• Stand der Technik
• Eine der bekannten Titanlegierungen ist die Legierung enthaltend (Masse-%): 2–6 Al; 6–9 Mo; 1–3 V; 0.5–2 Cr; 0–1.5 Fe; Ti als Ausgleich. Ref.: USSR Inventor's Certificate Nr. 180351, Klasse C22C 14/00, 1966. Diese Legierung hat jedoch eine ungenügende Dehnbarkeit infolge des hohen Gehalts an Al und der Anwesenheit von Cr. Zusätzlich ist diese Legierung eher teuer.
• Die andere bekannte Titanlegierung enthält (Masse-%): 4–6.3 Al; 4.5–5.9 V; 4.5–5.9 Mo; 2.0–3.6 Cr; 0.2–0.5 Fe; Ti als Ausgleich. Ref.: RF Patent Nr. 2169204, Klasse C22C 14/00, publiziert im Jahre 2001. Diese Legierung, wenn Hitze behandelt, hat hohe Festigkeitseigenschaften in der intensiven sektoralen Schmiedebearbeitung, die Dehnbarkeit ist jedoch ungenügend, so dass die Legierung nicht für die Herstellung von solchen Teilen wie Spiralfedern verwendet werden kann.
• Die Legierung, welche der beanspruchten Erfindung am nächsten kommt, ist die metastabile beta-Titanlegierung enthaltend (Masse-%): 4–5 Fe; 4–7 Mo; 1–2 Al; O₂ bis zu 0.25; Ti als Ausgleich. Ref.: US Patent Nr. 5,294,267, Klasse C22C 14/00, publiziert 1994. Diese Legierung entspricht hierin dem Prototyp. US Patent Nr. 3,615,378 offenbart eine hoch-feste metastabile beta-Titanlegierung mit guter Dehnbarkeit, welche Fe, Mn, Cr, und Co als beta-entectoide Elemente und einen V-Anteil von 4–9 Atom-% aufweist.
• Diese Legierung besitzt eine gute Bearbeitbarkeit, ist relativ billig, und wird verbreitet für die Herstellung von zylindrischen Spiralfedern in der Automobilindustrie verwendet. Diese Legierung hat jedoch niedrige Dehnbarkeitseigenschaften, insbesondere bei der Streckung, was die Anwendbarkeit dieser Legierung vermindert, was wichtig ist für die Herstellung von gewissen Typen von Spiralfedern und Halterungskomponenten.
• Offenbarung der Erfindung
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Zurverfügungstellung einer Titanlegierung, welche die Kombination hoher Dehnbarkeitseigenschaften und hoher Festigkeitseigenschaften unter Bedingungen der Hitzebeanspruchung aufweist, wobei diese Legierung aus billigen Legierungselementen hergestellt werden kann.
• Erfindungsgemäss wird dies durch Beigabe von Vanadium zu der meta-stabilen beta-Titanlegierung, enthaltend Aluminium, Molybdän und Eisen, erreicht, wobei diese Legierung die folgenden Konzentrationen der Komponenten (Masse-%) aufweist:

  Aluminium	1.5–3.5
  Molybdän	4.5–8.0
  Vanadium	1.0–3.5
  Eisen	1.5–3.8
  Titan	Ausgleich

• Die Zugabe von 1.0–3.5% Vanadium verbessert die Dehnbarkeit der Legierung in gewünschter Weise.
• Um die hohen Festigkeitseigenschaften zu erreichen, weist diese Legierung einen höheren Gehalt an Aluminium auf als der Prototyp. Der Gehalt an Aluminium ist kleiner als 3.5% und beeinflusst die Dehnbarkeitseigenschaften nicht entscheidend.
• Ein Gehalt an Aluminium höher als 3.5% und Eisen höher als 3.8% erhöht die Menge an alfa-Phase, bewirkt eine Erhöhung der Härte und vermindert die Dehnbarkeit unter die gewünschten Werte. Der niedrigere Gehalt an Eisen (< 1%) als im Prototyp sichert eine höhere Phasenstabilität während den thermalen Zyklen, (Deformation und Hitzebehandlung). Die gewünschten Festigkeitseigenschaften können mit einem Gehalt an Aluminium unter 1.5% nicht erreicht werden. Ein Gehalt an Molybdän unter 4.5% und Eisen unter 1.5% vermindert die Menge an beta-Phase und erlaubt nicht, die hohe Festigkeit der derart Hitze behandelte Legierung zu erreichen.
• Eine Gehaltszunahme von solchen beta-Stabilisatoren, wie Molybdän und Vanadium, welche die spezifischen Grenzwerte überschreitet, vermindert die Stabilität der Legierung in gehärteten und gealterten Zuständen und erhöht die Korngrösse während der Hitzebehandlung, was die Dehnbarkeit der Legierung deutlich vermindert (β < 4%; Ψ < 7%).
• Molybdän wird als Ferro-Molybdän mit 55–75% Molybdän und Eisen-Ausgleich beigefügt.
• Vanadium wird als Ferro-Vanadium mit 65–85% Vanadium und Eisen-Ausgleich oder Ti-Al-V System Teilchen beigefügt.
• Ausführungsarten der Erfindung
• Um die Eigenschaften der Legierung zu untersuchen, wurden Barren mit einer Zusammensetzung gemäss Tabelle 1 in einem Vakuum-Lichtbogenofen geschmolzen und zu Stangen mit einem Durchmesser von 20 mm verarbeitet. Die Stangen wurden unter den folgenden Bedingungen mit Hitze behandelt: Erhitzen auf eine Temperatur von 30°C unterhalb der beta-Übergangstemperatur, Kühlung mit Wasser, Erhitzen auf 480°C während acht Stunden, Luftkühlung. Dann wurden Muster für die Bestimmung der Dehnbarkeit gemäss ASTM E8 getestet.
• Die mechanischen Eigenschaften der Stangen, hergestellt mit den getesteten Legierungen, sind in Tabelle 2 gezeigt.
• Table 1

  
• Table 2

  
• Kommerzielle Ausführbarkeit
• Die beanspruchte metastabile beta-Titanlegierung, im Vergleich mit den bekannten Legierungen, besitzt die spezifische optimale Kombination von beta und alfa stabilisierenden Legierungselementen, welche hohe Festigkeit und hohe Dehnbarkeit der derart Hitze behandelten Legierungen garantiert. Die Legierung ist billig und kann in der Herstellung einer breiten Reihe von kritischen Formteilen, insbesondere Halterungskomponenten und unterschiedliche Spiralfedern, verwendet werden.

Claims (1)

1. Metastabile beta-Titanlegierung, enthaltend Aluminium, Molybdän und Eisen, dadurch gekennzeichnet, dass diese Legierung zusätzlich Vanadium enthält, jeweils mit dem folgenden Gehalt der Komponenten (Masse-%): Aluminium 1.5–3.5 Molybdän 4.5–8.0 Vanadium 1.0–3.5 Eisen 1.5–3.8 Titan Ausgleich