DE68907467T4

DE68907467T4 - Verfahren zur Ausbildung zwischen einem Teil aus einer Titan-Aluminium-Legierung und einem Stahlbauteil.

Info

Publication number: DE68907467T4
Application number: DE68907467A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hirayama; Susumu Isobe; Toshiharu Noda
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Fuji Valve Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Fuji Oozx Inc
Priority date: 1988-11-11
Filing date: 1989-11-08
Publication date: 1995-03-30
Anticipated expiration: 2009-11-09
Also published as: DE68907467T2; JPH02133183A; EP0368642B1; DE68907467D1; EP0368642A3; US5064112A; EP0368642A2; JPH0818151B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Verbundes zwischen einem Ti-Al-Legierungsteil, das hauptsächlich aus der intermetallischen TiAl-Verbindung besteht, und einem Bauteil, das aus Stahl hergestellt ist, um ein Maschinenbauteil herzustellen. Die Erfindung betrifft auch verbundene Maschinenteile, die durch dieses Verfahren hergestellt sind.
Es wird beliebter, Ti-Al-Legierungen zu benutzen, die wärmebeständig (widerstandsfähig bei einer Temperatur von 700ºC oder höher) und leichtgewichtig (spezifisches Gewicht 3,8) sind, als das Material für Maschinenteile, die sich rotationsmäßig oder hubmäßig bei einer hohen Geschwindigkeit bewegen, wie beispielsweise Turbinenschaufeln und Maschinenventile oder Räder von Turboladern.
Die gegenwärtigen Erfinder haben mit Zusammenarbeitern eine Untersuchung bezüglich Materialien durchgeführt, die für die obige Anwendung geeignet sind, und haben verschiedene Ti-Al- Legierungen entwickelt. Z.B. die Legierung, die im wesentlichen aus 32-38% Al und dem Rest Ti besteht und 0,005-0,20% B enthält, und die Legierung, die im wesentlichen aus den obigen Mengen Al und Ti besteht und zusätzlich zu der obigen Menge B bis zu 0,2ºC bis zu 0,3% O und/oder bis zu 0,3% N (vorausgesetzt, daß O + N sich zu 0,4% addieren) enthält, sind in der japanischen Patentschrift Sho 63-125634 offenbart. Diese Legierungen haben eine verbesserte Festigkeit und Rauhigkeit verglichen mit den herkömmlichen Ti-Al-Legierungen.
Weitere Beispiele sind die Legierung, die im wesentlichen aus 32-38% Al und dem Rest Ti besteht und 0,05-3,0% Ni und/ oder 0,05-3,0% Si enthält, und wobei die Legierung gemäß dieser Zusammensetzung weiterhin die obige Menge von B oder eine gesteuerte Menge C, O und N enthält (japanische Patentschrift Sho 62-336609) . Diese Legierungen haben eine höhere Verformbarkeit und sind leicht in Formen zu gießen.
Um es möglich zu machen, das Ti-Al-Legierungsteil unter den Bedingungen einer hohen Temperatur und einer Hochgeschwindigkeitsbewegung wie beispielsweise einer Rotation zu benutzen, ist es notwendig, das Teil mit einer Achse aus Baustahl zu verbinden, der oberflächengehärtet sein kann. Der Ausdruck "Baustahl" bedeutet Stahlmaterialien, die als das Material für das Bauteil von Maschinenteilen zu benutzen sind. Beispielsweise wird bei einem heißen bzw. heißlaufenden Rad eines Turboladers SCM-Stahl oder SNCM-Stahl für die Drehachse benutzt, und bei einem Maschinenventil wird martensitischer wärmebeständiger Stahl für den Stamm bzw. den Schaft bzw. die Welle benutzt. Alle Stahlmaterialien dieser Art sind in den Baustahlmaterialien enthalten.
Als ein Mittel zum Ausbilden eines Verbundes zwischen dem Ti- Al-Legierungsteil und dem Baustahlteil ist ein Schrumpfungszusammenbauen ausprobiert worden, aber für gewöhnlich wird Hartlöten mit einer Silberlegierung angewendet. Weil jedoch die Temperatur des Abgases höher geworden ist aufgrund des erhöhten Ausstoßes der Maschinen, wird ein Hartlöten weniger zuverlässig, d. h. es gibt Probleme mit der Festigkeit der hartgelöteten Teile während des Anwendens.
Andererseits wird auch eine Superlegierung auf Ni-Basis als Material für die heißen Räder benutzt, und ein Reibungsschweißen wird zum Verbinden des Rads mit der Achse benutzt, die aus dem Baustahl hergestellt ist. Das Reibungsschweißen gibt dem verbundenen Teil eine höhere Festigkeit verglichen mit dem Schweißverfahren, das ein Füllmetall benutzt, das bezüglich der Festigkeit 95% oder höher als das Basismetall ist, und daher ist es ein bevorzugtes Schweißverfahren zum Herstellen dieser Art von Maschinenteilen.
Auch wenn es versucht wird, ein Reibungsschweißen zu verwenden, um ein heißes Rad, das aus einer Ti-Al-Legierung hergestellt ist, und eine Achse, die aus Baustahl wie beispielsweise SCM 435 hergestellt ist, zu verbinden, ist dieser Verbund nicht erfolgreich, weil ein Brechen auftritt- nachdem das Schweißen durchgeführt ist. Dies erfolgt aufgrund eines Bruchs des verbundenen Teils aufgrund einer martensitischen Transformation, die in dem Material der Achse während eines Kühlens nach dem Schweißen bei einer hohen Temperatur, die durch die Reibung erzeugt wird, aufgetreten ist, was in einer Volumenausdehnung resultiert, und aufgrund einer Ausbildung von spröden Substanzen wie beispielsweise TiC an dem verbundenen Bereich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Herstellung von gewünschten Maschinenteilen durch Verbinden des Ti- Al-Legierungsteils und des Baustahlteils wie beispielsweise einer Achse zu ermöglichen, um einen Verbund zu ergeben, der bei einer höheren Temperatur widerstandsfähig ist, und somit, um die oben angeführten Probleme zu lösen.
Daher wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden eines Verbunds zwischen einem Ti-Al- Legierungsteil, das hauptsächlich aus einer intermetallischen TiAl-Verbindung besteht, und einem Stahlbauteil geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund unter Verwendung eines Zwischenteils, das einen austenitischen rostfreien Stahl oder einen wärmebeständigen Stahl umfaßt, oder eine Superlegierung auf Ni-Basis oder Co-Basis, zwischen diesen Teilen ausgebildet wird, wobei das Zwischenteil mittels Reibungsschweißung an das Stahlbauteil angeschweißt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein verbundenes Maschinenteil geschaffen, das ein Ti-Al-Legierungsteil aufweist, das hauptsächlich aus einer intermetallischen TiAl-Verbindung und einem Stahlbauteil besteht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ti-Al-Legierungsteil und das Stahlbauteil über ein Zwischenteil verbunden sind, das austenitischen rostfreien Stahl oder einen wärmebeständigen Stahl oder eine Superlegierung auf Ni- Basis oder Co-Basis umfaßt, wobei das Zwischenteil durch Reibungsschweißung an das Stahlbauteil angeschweißt ist.
Während der ganzen Beschreibung beziehen sich die Prozentangaben auf das Gewicht.
In den beigefügten Zeichnungsseiten stellen Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 ein Beispiel eines Maschinenteils dar, das durch das Torliegende Verfahren zum Ausbilden eines Verbunds hergestellt Last. Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein heißes Rad eines Turboladers und Fig. 3 zeigt ein Maschinenventil; alle Figuren sind Seitenansichten, wobei eine Hälfte der Seitenansicht eine Querschnittsansicht ist.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Testens einer heißen bzw. heißlaufenden Torsion der verbundenen Teile zeigt, die durch das vorliegende Verfahren erhalten werden.
Wo ein austenitisches rostfreies Stahlteil aus einem wärmebeständigen Stahlteil als das Zwischenteil benutzt wird, können das Zwischenteil und das Ti-Al-Legierungsteil durch Reibungsschweißung verbunden werden.
Wenn es gewünscht ist, eine äußerst gute Festigkeit gegenüber hoher Temperatur an dem verbundenen Teil zu realisieren, kann eine γ-ausscheidungsgehärtete Superlegierung vom Ni-Basis-Typ als das Material des Zwischenteils benutzt werden. Eine Reibungsschweißung ist auch in diesem Fall eine nützliche Art zum Ausbilden eines Verbunds, aber es ist möglich, einen Verbund anstatt durch Reibungsschweißung mittels einer inneren extrem raschen Abkühlung oder eines Einfügungsgießens auszubilden, um das Zwischenteil auf Ni-Basis teilweise mit dem Ti-Al- Legierungsteil zu umhüllen. Dies ist so, weil sowohl diese Arten einer Superlegierung auf Ni-Basis als auch die Ti-Al- Legierung ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Die vorliegende Erfindung kann aufalle oben genannten Ti-Al- Legierungen angewendet werden, aber angesichts des Benutzens der Maschinenteile, die unter einer hohen Temperatur und einer Hochgeschwindigkeits-Dreh- oder einer -Hubbewegung benutzt werden, ist es, auch wenn die Legierungszusammensetzung sich von der intermetallischen TiAl-Verbindung (Al: 36%-Ti: 64%) verschiebt, ratsam, eine Ti-reiche Zusammensetzung zu benutzen, und eine Al-reiche Zusammensetzung ist nicht so nützlich.
Demgemäß sind bevorzugte Ti-Al-Legierungen, auf die die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, jene, die die folgenden Zusammensetzungen haben:
1) eine Ti-Al-Legierung, die 32-36% Al enthält und der Rest im wesentlichen Ti ist,
2) eine Ti-Al-Legierung, die 32-36% Al enthält und zumindest eine Komponente, die aus den folgenden Gruppen ausgewählt ist:
a) 0,005-0,20% B,
b) bis zu 0,2% C und bis zu 0,3% O und/oder bis zu 0,3% N (vorausgesetzt, daß O + N nicht höher als 0,4% ist), und
c) 0,05-0,3% Ni und/oder 0,05-0,3% Si und der Rest Ti.
Ein Beispiel des Maschinenteils, das ein heißes Rad eines Turboladers ist, ist in Fig. 1 gezeigt. Das heiße Rad besteht aus einem Rad 1A aus der Ti-Al-Legierung, einem Ring aus INCO- NEL 751 als dem Zwischenteil 2A und einem Stab aus SCM 435-Stahl als der Achse 3, und ist durch Ausbilden von Verbindungen zwischen allen Teilen durch Reibungsschweißung hergestellt.
Fig. 2 zeigt ein ähnliches Maschinenteil, das durch Zusammenbauen eines sperrkegelförmigen Superlegierungsteils auf Ni- Basis 2B als das Zwischenteil mit dem Material des Rads IB hergestellt ist,wenn das letztere gegossen wird, und Ausbilden eines Verbunds zwischen dem so hergestellten Zwischenteil und dem Achsenstab 3 durch Reibungsschweißung.
Das Maschinenteil, das in Fig. 3 gezeigt ist, ist ein Maschinenventil, das durch ein Verbinden durch Reibungsschweißung aller Teile hergestellt ist, nämlich einem Ventilkörper 4 aus der Ti-Al-Legierung, einer Scheibe 5 aus INCONEL 751 als dem Zwischenteil, und einem Stamm bzw. Schaft bzw. einer Welle 6 aus SUH 3-Stahl. Um das obige vorbereitete unbearbeitete Werkstück zu dem Ventil zu machen, ist es natürlich notwendig, den Schaft durch harte bzw. schwere (toughtride) (weiche Nitrierhärtungs-)Behandlung zu behandeln, um oberflächenzuhärten, und ein Aufbauschweißen aus einem harten Metall wie beispielsweise Stelite an dem Teil anzuwenden, das den Ventilsitz kontaktiert.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren zum Verbinden ist es möglich, das Ti-Al-Legierungssteil, das leichtgewichtig ist und einen guten Wärmewiderstand hat, mit dem Baustahlteil zu verbinden, das oberflächenhärtbar ist und eine hohe Festigkeit aufweist, um dem verbundenen Teil eine hohe Festigkeit zu geben.
Die verbesserte Hochtemperaturfestigkeit des verbundenen Teils ermöglicht ein Anwenden eines Hochfrequenzhärtens oder eines Flammenhärtens für eine Oberflächenhärtung an dem Gelenkteil oder der Abdichtringvertiefung, die benachbart zu dem verbundenen Teil ist.
Weil die wärmebeständigen Legierungen, die bei der vorliegenden Erfindung als das Zwischenteil benutzt werden, im allgemeinen geringere thermische Leitfähigkeiten haben, auch wenn das Ti-Al-Legierungsteil einer hoher Temperatur ausgesetzt wird, ist eine Wärmeübertragung von dem Teil zu dem Achsenteil relativ gering. Dies trägt dazu bei, die Stabilität bzw. Haltbarkeit des Maschinenteils wie beispielsweise des Gelenks zu erhöhen.
Somit ist die vorliegende Erfindung insbesondere nützlich, wenn sie beim Herstellen von Maschinenteilen wie beispielsweise heißlaufenden Rädern von Turboladern, Maschinenventilen, Turbinenschaufeln und Scheiben angewendet wird.

BEISPIEL

Die folgenden drei Materialien, die alle in der Form eines Stabs mit dem Durchmesser 8,5 mm sind, wurden reibungsgeschweißt mit einer Schweißmaschine vom Bruchtyp, um einen einzelnen Stab auszubilden. Das Schweißen wurde zuerst an den Endflächen "A" und "B" ausgeführt und darauf folgend an den Endflächen "D" und C":
A) Ti-Al-Legierung (Al 36%, Hv 250)
B) INCONEL 751 (HRC 39) Zwischenteil
C) SNCM 439-Stahl (HRC 33) Achsenteil
Starke Grate, die an den geschweißten Teilen auftraten, wurden durch Schneiden mit einer Drehbank entfernt.
Tests bei heißlaufender Torsion an den verbundenen Teilen bestätigten, daß die Festigkeit ausreichend ist, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Ein Bruch trat auf bei dem Ti-Al-Legierungsteil, einem der Basismetalle.

Claims

1. Verfahren zum Ausbilden eines Verbundes zwischen einem Ti-Al-Legierungsteil, das hauptsächlich aus einer intermetallischen TiAl-Verbindung besteht, und einem Stahlbauteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund unter Verwendung eines Zwischenteils, das einen austenitischen rostfreien Stahl oder einen wärmebeständigen Stahl umfaßt, oder eine Superlegierung auf Ni- Basis oder Co-Basis, zwischen diesen Teilen ausgebildet wird, wobei das Zwischenteil mittels Reibungsschweißung an das Stahlbauteil angeschweißt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zwischenteil aus einem austenitischen rostfreien Stahl oder einem wärmebeständigen Stahl besteht und dieses Zwischenteil durch Reibungsschweißung an das TiAl-Legierungsteil angeschweißt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zwischenteil aus einer Legierung auf Ni-Basis vom γ-ausscheidungsgehärteten Typ besteht und das Zwischenteil mit dem TiAl-Legierungsteil durch Einsatzgießen verbunden ist.

4. Verbundenes Maschinenteil mit einem Ti-Al-Legierungsteil, das hauptsächlich aus einer intermetallischen TiAl-Verbindung besteht, und einem Stahlbauteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Ti-Al-Legierungsteil und das Stahlbauteil über ein Zwischenteil verbunden sind, das austenitischen rostfreien Stahl oder einen wärmebeständigen Stahl oder eine Superlegierung auf Ni-Basis oder Co-Basis umfaßt, wobei das Zwischenteil durch Reibungsschweißung an das Stahlbauteil angeschweißt ist.

5. Verbundenes Maschinenteil nach Anspruch 4, wobei das Ti-Al- Legierungsteil aus 32-36% Al und Rest Ti besteht.

6. Verbundenes Maschinenteil nach Anspruch 4, wobei das Ti-Al- Legierungsteil aus 32-36% Al und wenigstens einem Bestandteil besteht, der aus den folgenden Gruppen ausgewählt ist: a) 0,005-0,20% B b) bis zu 0,2% Kohlenstoff und bis zu 0,3% Sauerstoff und/oder bis zu 0,3% Stickstoff (vorausgesetzt daß 0 + N bis 0,4% beträgt), c) 0,05-3,0% Ni und/oder 0,05-3,0% Si und der Rest Ti.

7. Verbundenes Maschinenteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Stahlbauteil ein martensitisches wärmebeständiges Stahlteil und das Zwischenteil ein Superlegierungsteil auf Ni-Basis ist.

8. Maschinenventil mit einem verbundenen Maschinenteil nach einem der Ansprüche 4 bis 7.