DE69418470T2

DE69418470T2 - Verfahren zur herstellung eines produkts aus titan-legierung

Info

Publication number: DE69418470T2
Application number: DE69418470T
Authority: DE
Inventors: Andrew Bloyce; Hanshan Dong; Peter Morton
Original assignee: University of Birmingham
Current assignee: Adsurfengltd Birmingham Gb
Priority date: 1993-10-06
Filing date: 1994-10-04
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2014-10-05
Also published as: CA2173593A1; EP0722510B1; DK0722510T3; ES2132431T3; US5792289A; DE69418470D1; EP0722510A1; WO1995009932A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Produktes aus einer Titanlegierung, insbesondere bezieht sie sich auf solche Produkte von denen verlangt wird, daß sie gute tribologische Eigenschaften aufweisen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die tribologischen Eigenschaften einer Titanlegierung zu verbessern, dies sowohl hinsichtlich des Widerstandes gegen Wälzkontaktermüdung als auch des Widerstandes gegen Verschleiß durch Reibung. Dies ist besonders wichtig für Produkte wie zum Beispiel Zahnräder oder Lager, wo die Oberfläche hohen Berührungsbelastungen ausgesetzt ist und Hertzsche Beanspruchungen unter der Oberfläche erzeugt werden, welche bis auf eine maximale Entfernung unter der Oberfläche reichen. Um diesen Beanspruchungen widerstehen zu können, ist es gewöhnlich allgemein anerkannt, daß ein metallisches Material einer Einsatzhärtung unterzogen werden muß, bis zu einer Tiefe die ungefähr zweimal der Tiefe der maximalen Scherbeanspruchung entspricht. In der Praxis bedeutet dies Einsatzhärtungen bis zu einer Tiefe von 200 bis 1000 um. Es wird allgemein angenommen, daß solche Härtungstiefen bei Titanlegierungen nicht erreicht werden können, außer durch Oberflächenlegierung in der geschmolzenen Phase. Ein vorgeschlagener Weg, um dies zu bewirken, ist mittels des sogenannten "Lasergasnitrierens", das ein Oberflächenlegierungsverfahren ist, bei welchem Stickstoff während des Schmelzens der Oberfläche mit dem Laserstrahl zu dem Schmelzbad hinzugefügt wird. Es ist aus der Patentschrift EP-A-0246828 bekannt, die Oberfläche einer Titanlegierung dadurch einer Schmelzhärtung zu unterziehen, daß man die Oberfläche mit einem Plasmastrahl besprüht, der als Arbeitsgas eine Mischung aus einem Schutzgas und einem Härtungsgas enthält, welche aus einem oder mehreren Gasen gebildet werden, die man unter Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Sauerstoff. Methan und Ammoniak auswählt, und auf diese Weise die Oberfläche schmilzt und sie mit Stickstoff, Kohlenstoff. Sauerstoff oder Wasserstoff legiert. Bei diesen beiden Verfahren wird ein Legierungszusatz zu dem Oberflächenmaterial hinzugefügt, um dasselbe zu härten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zur Bildung eines Produktes aus einer Titanlegierung, welches widerstandsfähig ist sowohl gegen Wälzkontaktermüdung als auch gegen Verschleiß durch Reibung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
(a) Formen einer Titanlegierung zu der erforderten Produktform (vorzugsweise durch einen Gießvorgang oder einen Gieß- und Schmiedevorgang).
(b) tiefe Oberflächenhärtung des sich ergebenden geformten Produktes bis auf eine Tiefe von mehr als 100 um mittels einer Technik die ein erneutes lokales Umschmelzen der Oberfläche ohne weitere Legierungsbildung beinhaltet,
c) fakultative Fertigbearbeitung der Oberfläche (z. B. durch maschinelle Bearbeitung oder Schleifen) auf die erforderte endgültige Form und Oberflächenbeschaffenheit.
d) Bildung unmittelbar auf der Oberfläche eines Nitrid-, Oxid-, Carbid- oder Boridoberflächenfilmes mit einer Dicke die nicht größer ist als 100 um (und gewöhnlich nicht größer als 50 um ist) und die widerstandsfähig ist gegen Verschleiß durch Reibung, und
(e) ein fakultatives Durchführen einer Prozedur wie zum Beispiel eines Kugelstrahlens oder einer Wärmebehandlung nach einem jeden der Schritte (b), (c) und (d), um die Restspannungen in dem Material und/oder seine anderen mechanischen Eigenschaften zu modifizieren.
Der Schritt der tiefen Oberflächenhärtung (b) kann einfach über ein erneutes lokales Umschmelzen der Oberfläche durchgeführt werden, z. B. durch Laserstrahl oder Elektronenstrahl, wenn die benutzte Titanlegierung aus einer Legierung aus Titan-Silizium oder Titan-Nickel besteht welche sich zusammensetzt aus (a) 2 bis 15 Gew.-% (vorzugsweise 5 bis 9 Gew.-%) Silizium oder 5 bis 15 Gew.-% (vorzugsweise 8 bis 11 Gew.-%) Nickel, (b) bis zu 7 Gew.-% wenigstens eines fakultativen Legierungselementes, das herkömmlicherweise benutzt wird um bearbeitete Titanlegierungen (Aluminium, Zinn, Zirkon, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Molybdän und Niob) zu verfestigen, und (c) bis zu 2 Gew.-% wenigstens eines fakultativen Legierungselementes das speziell zwecks Verbesserns der Oberflächeneigenschaften zugesetzt wird und ausgewählt wird unter Bor, Kohlenstoff, Stickstoff. Sauerstoff und Zirkon, wobei die Restmenge außer Verunreinigungen und zufälligen Bestandteilen aus Titan besteht. Dies schafft eine Oberfläche die widerstandsfähig ist gegen Verformung unter hohen Kontaktbeanspruchungen. Der Oberflächenfilm aus Titannitrid, -oxid oder anderen, der unter Schritt (d) gebildet worden ist, liefert eine Oberfläche mit geringerer Reibung, die widerstandsfähig ist gegen Verschleiß durch Gleiten und Verschleiß durch Reibung. Die Kombination der Schritte (b) und (d) liefert eine ideale Oberfläche um den Wirkungen eines kombinierten Walzens und Gleitens, wie sie zum Beispiel in typischer Weise bei Zahnrädern und Lagern begegnet werden, zu widerstehen.
Obwohl Titan widerstandsfähig und leicht ist, sind die Anwendungen des Titans im allgemeinen Ingenieurwesen durch die geringen tribologischen Eigenschaften begrenzt. Zum Beispiel ist es in den Schriften WO 91/05072. EP-A-0246828, WO86/02868 und in der Veröffentlichung Metal Science and Heat Treatment (Metallwissenschaft und Wärmebehandlung), Vol 26. Nr. 5/6, Mai-Juni 1984, Seiten 335 und 336 vorgeschlagen worden, die tribologischen Eigenschaften von Titan und Titanlegierungen zu verbessern indem passende Legierungszusätze. wie zum Beispiel Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Silizium, Chrom. Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer in eine Oberflächenschicht hineingeschmolzen werden, dies unter Einsatz von Technologien zum lokalen Schmelzen der Oberfläche mit hoher Energie, wie zum Beispiel Laserstrahlschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen. Jedoch ist es schwierig zu gewährleisten, daß die erforderten Legierungszusätze gleichmäßig und in der richtigen Quantität in die geschmolzene Oberflächenschicht eingetragen werden. Zusätzlich ist es schwierig mittels einer zerstörungsfreien Prüfung zu prüfen, ob die Oberflächenschicht in dem endgültigen Produkt die richtige Verteilung und Zusammensetzung aufweist. Dieser Nachteil wird vermieden oder abgeschwächt durch den Einsatz der oben beschriebenen Legierung aus Titan-Silizium oder Titan-Nickel.
Im Gegensatz zu den vorherigen Erwartungen kann die Titan-Siliziumlegierung sehr leicht bei 1000ºC geschmiedet werden und kann daher über den Weg des Gießens und des Schmiedens hergestellt werden, anstatt daß sie entsprechend ihrer Gestalt zu einer Form gegossen werden muß. Der Einsatz eines Schmiedevorganges ermöglicht es der Struktur der Legierung verfeinert zu werden, um eine Verbesserung der Verformbarkeit des Grundmaterials (d. h., der Kern oder das Substrat des Produktes, im Gegensatz zu der Oberfläche) zu ermöglichen, mit einer Reihenfolge von Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsvorgängen, die dazu bestimmt sind ein bearbeitetes Produkt zu erzeugen. Eine typische Reihenfolge von solchen Vorgängen für eine Legierung mit 8.5 Gew.-% Silizium würde ein Gießen eines Blocks umfassen, ein Schmieden desselben bei 1000ºC um so einen Knüppel oder eine Vorform zu erzeugen die passend gestaltet ist, ein Glühen davon bei 550 bis 750 C, ein Präzisionsgesenkschmieden bei 1000.0 zur der Komponente mit der erforderten Gestalt und eine Bearbeitung derselben zu den ungefähren endgültigen Dimensionen.
Das lokale Umschmelzen der Oberfläche führt zu einer mikrostrukturellen Änderung während des schnellen Abkühlens, was zu einer feinkörnigen Oberflächenschicht führt, die überwiegend aus einem Eutektikum von Ti-Si oder Ti-Ni besteht, welches wesentlich härter ist als das Substrat.
Man wird es folglich richtig einschätzen können, daß keine Notwendigkeit besteht spezifische Zusätze zur Oberfläche beizufügen und daß die Oberflächenhärtung automatisch stattfindet als Folge des Schmelzens der Oberfläche und als ein direktes Ergebnis des gewählten Legierungsmaterials.
Im Hinblick auf die fakultativen Legierungselemente zur Verfestigung und auf die fakultativen Elemente zur Oberflächenverbesserung, ist zu vermerken, daß Zirkon benutzt werden kann sowohl für das Verfestigen als auch für die Oberflächenverbesserung. In dem Falle, wo man es für beide Zwecke einbringt, wird es normalerweise in einer Menge von bis zu 7 Gew.-% anwesend sein.
Im Falle von Ti-Si besteht das Eutektikum aus einem Ti/Ti&sub5;Si&sub3; Eutektikum. Im Falle von Ti-Ni besteht das Eutektikum aus einem Ti/Ti&sub2;Ni Eutektikum. Wo Silizium in der Legierung zum Einsatz kommt, wird der Siliziumgehalt der Legierung vorzugsweise zwischen 7,5 und 8,5% liegen, und am aller besten bei 8.5 Gew.%.
Es ist von Mazur, V.I. u. a. in "Cast and Sintered Ti-Si Alloys", sowie von Bankovsky O.I. u. a. in "Mechanical Properties of Ti-Si Cermets", Seiten 141-146 und 435- 440 aus den Veröffentlichungen der internationalen Konferenz über "Processing and Properties of Materials", Birmingham, UK. Sept. 1992 (Ed. M H Loretto) vorgeschlagen worden. Titanlegierungen zu schaffen die verbesserte mechanische Eigenschaft aufweisen, wie zum Beispiel Warmfestigkeit und Hitzebeständigkeit, unter Zuhilfenahme von pulvermetallurgischen Technologien, wobei Tröpfchen einer Titan-Siliziumlegierung gebildet und schnell abgekühlt werden, um Granalien oder Körner zu bilden, die dann einem isostatischen Pressen in der Hitze unterzogen werden, um hochwiderstandsfähige Materialien zu bilden. Jedoch sind solche formgebenden Verfahren verhältnismäßig kompliziert und teuer und implizieren kein lokales Umschmelzen der Oberfläche, wie bei der vorliegenden Erfindung, um eine gehärtete Schicht zu entwickeln, während ein Kern oder Substrat von verhältnismäßiger Zähigkeit beibehalten wird.
Die EP-A-0246828, auf die oben Bezug genommen worden ist, veröffentlicht ebenfalls ein Verfahren bei dem eine Titanlegierung einer Oberflächenlegierung in geschmolzener Phase unterzogen wird, dies unter Einsatz von einem oder mehreren härtenden Legierungselementen, die ausgewählt werden unter Aluminium, Zinn, Bor, Eisen, Chrom, Nickel. Mangan, Kupfer, Silizium, Silber, Wolfram. Molybdän. Vanadium, Niob, Columbium, Tantal und Zirkon, welche in das Schmelzbad auf der Oberfläche eingebracht werden, während zur gleichen Zeit das Bad auf der Oberfläche mit einem härtenden Gas besprüht wird, wie zum Beispiel mit Stickstoff, unter der spezifischen Zielsetzung ein tiefes Eindringen eines solchen härtenden Gases in die geschmolzene Oberflächenschicht zu bewerkstelligen, mit der Absicht daß die endgültige Oberflächenschicht das härtende Legierungselement oder mehrere solcher Elemente sowie das härtende Gas oder mehrere solcher Gase enthalten soll. Die sich ergebende endgültige Oberflächenschicht besteht aus einer Mischung von Metallphasen (feste Lösungen von α- und β-Titan) und intermetallischen oder zusammengesetzten Phasen (wie zum Beispiel Ti&sub2;Ni, TiN usw.). Während die Patentschrift EP- A-0246828 nicht speziell irgendeine Bearbeitung oder irgendein Schleifen anschließend an das Härten in der Schmelze beschreibt, kann aus dem Verweis in derselben auf die Vorbereitung einer verschleißfesten Komponente, wie zum Beispiel eines Tellerventils, geschlußfolgert werden, daß irgendein Fertigbearbeitungsvorgang notwendig ist, um die dimensionale Genauigkeit zu erzielen die für solche Komponenten notwendig ist, zum Beispiel auf der Sitzseite eines Ventils. EP-A-0246828 offenbart jedoch keine weitere Oberflächenbehandlung anschließend an das endgültige Bearbeiten oder Schleifen. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Erfindung der Schritt (d) nach jeglichem endgültigen Bearbeiten oder Schleifen (Schritt (c)) durchgeführt, um einen Widerstand gegen Verschleiß durch Reibung zu erzielen.
Die Dicke der dazwischen liegenden bis in die Tiefe gehärteten Schicht beläuft sich vorzugsweise auf 200 bis 1000 um, während die Dicke des Oberflächenfilms aus Nitrid. Oxid oder etwas anderem vorzugsweise nicht mehr als 100-um beträgt, noch lieber nicht mehr als 50 um, und am liebsten zwischen 1 und 20 um liegt.
Die Bildung des Oberflächenfilms aus Nitrid, Oxid, Carbid oder Borid nach Schritt d) des Verfahrens kann über eine Vielfalt von Mitteln bewerkstelligt werden. Ein bevorzugtes Verfahren ist das Verfahren der thermochemischen Plasmareaktion, die als Plasmanitrieren bekannt ist und in welcher die Komponente mit Stickstoff in einer Plasmaglimmentladung zur Reaktion gebracht wird, um Schichten von Nitrid und von stickstoffreichem Titan auf der Oberfläche zu bilden. Ein anderes bevorzugtes Verfahren ist die thermische Oxidation, bei welcher die Komponente an der Luft auf 600º bis 850ºC erhitzt wird, um Schichten von Oxid und sauerstoffreichem Titan auf der Oberfläche zu erzeugen. Jedoch liegt es ebenfalls im Bereich der vorliegenden Erfindung eine getrennte Schicht der Verbindung auf der Oberfläche abzulagern, zum Beispiel durch physikalisches Dampfbeschichten. Eine solche zusammengesetzte Schicht kann aus Titannitrid bestehen oder aus Aluminiumnitrid oder Titan-Aluminiumnitrid oder Chromnitrid oder sie kann alternativ ein Film aus Oxid. Carbid oder Borid sein.
Die Oberflächenfertigung, die sich aus dem Umschmelzvorgang auf der Oberfläche ergibt, ist gewöhnlich ungeeignet für den Einsatz bei einer Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß verlangenden Anwendung und eine Komponente wird normalerweise eine die Oberfläche fertigbearbeitende Behandlung erhalten, wie zum Beispiel ein maschinelles Bearbeiten oder ein Schleifen, um eine glatte Oberfläche zu erzeugen. Bei der vorliegenden Erfindung kann diese Fertigbearbeitung der Oberfläche zwischen den Schritten (b) und (d) durchgeführt werden, wodurch der gegen Verschleiß widerstandsfähige Film mit niedriger Reibung bei behalten wird, welcher durch Schritt (d) auf der endgültigen Oberfläche erzeugt worden ist.
In den beiliegenden Zeichnungen werden folgende Darstellungen gezeigt:
Abb. 1 ist eine Graphik und zeigt die Oberflächenhärte Hv0,1 für vier Titan und Silizium enthaltende Legierungsproben, die gegossen worden sind und anschließend oberflächlich mit einem Elektronenstrahl geschmolzen worden sind.
Abb. 2 ist eine Graphik in welcher die Mikrohärte Hv0,1 gegen die Entfernung von der Oberfläche bezüglich der vier in Abb. 1 gezeigten Proben aufgetragen ist.
Abb. 3 ist eine ähnliche Graphik wie in Abb. 2 für eine Ti-8,5% Si Legierung, die einem Schmelzen der Oberfläche mittels eines Elektronenstrahles bei drei Transversalgeschwindigkeiten unterzogen worden ist.
Abb. 4 ist eine ähnliche Graphik wie in Abb. 2 für drei Titan und Nickel enthaltende Legierungsproben, und
Abb. 5 ist ein Blockdiagramm welches die Verschleißrate (mg/m) für verschiedene Proben zeigt.
In einer Serie der Prüfungen sind kleine Blöcke oder "Knöpfe" hergestellt worden, dies durch Schmelzen von Proben aus einer Titan-Siliziumlegierung, wie sie in der nachstehenden Tabelle 1 dargelegt ist, in einem wassergekühlten Kupferherd und durch ein anschließendes Abkühlenlassen derselben auf dem Herd.

TABELLE 1

Probe Nr. Zusammensetzung (Gew.-%)

1 93% Ti, 7% Si
2 91,5% Ti, 8,5% Si
3 88% Ti, 12% Si
4 85% Ti, 15% Si
Die Ti-Si-Knöpfe im Gußzustand hatten eine Oberflächenhärte von ungefähr 350 Hv0,1 im Vergleich zu einer Oberflächenhärte von ungefähr 220 Hv0,1 für einen Ti-Knopf im Gußzustand der kein Silizium enthielt. Die Knöpfe wurden dann einem Umschmelzen der Oberfläche mit einem Elektronenstrahl ausgesetzt, dies unter Einsatz eines Zeiss Elektronenstrahlschweißapparates der mit 100 kV mit einem Strom von 3 mA und einer Transversalgeschwindigkeit von 16,4 mm/s betrieben wurde. Die Oberflächenhärte und die Profile der Mikrohärte der Proben Nr. 1 bis 4 sind in den Abb. 1 und 2 dargestellt. Man wird erkennen, daß alle Proben eine nützliche Zunahme der Härte erfahren haben, im Vergleich zu den Knöpfen im Gußzustand, bis zu einer Tiefe von wenigstens 500 um, wodurch ein Einsatzhärten bis hinunter auf eine nützliche Tiefe für Artikel bewirkt wird, welche dazu bestimmt sind einer hohen Berührungsbelastung ausgesetzt zu werden.
Probe 2 ergab ein besseres Ergebnis bezüglich der Härte wie Probe 1 und ihre Struktur bestand in einer feinen geteilten eutektischen Mischung von alpha plus Ti&sub5;Si&sub3;. Während die Proben 3 und 4 eine ähnliche Härte besaßen, bestand deren Struktur aus verhältnismäßig groben Dendriten von Ti&sub5;Si&sub3; in einer Matrix des Eutektikums. Die Anwesenheit von spröden Dendriten würde wahrscheinlich zu schlechteren mechanischen Eigenschaften führen, besonders Ermüdungseigenschaften, und deshalb wird die Zusammensetzung der Probe 2 derjenigen gemäß der Probe 3 oder der Probe 4 vorgezogen.
Aus der bis heute durchgeführten experimentellen Arbeit ergeben sich die Angaben, daß eine nützliche Zunahme der Härte erreicht werden kann durch den Einsatz von Titanlegierungen in welchen der Siliziumgehalt größer ist als 5 Gew.-%, jedoch 9 Gew.-%, nicht überschreitet. Das ideal ist eine Legierung mit einem Siliziumgehalt von 8,5 Gew.-% da dieselbe die eutektische Zusammensetzung darstellt. Jedoch betrachtet man Zusammensetzungen bis hinauf zu 9 Gew.-% Silizium, d. h. leicht hypereutektische Zusammensetzungen, als nützlich weil die Produktion von verhältnismäßig groben harten Dendriten aus primärem Ti&sub5;Si&sub3; im Rahmen von überschaubaren Verhältnissen gehalten werden kann, soweit das Bruchverhalten des endgültigen Produktes betroffen ist.
In einer anderen Serie von Tests wurden die Proben 5 bis 7 vorbereitet und der Prüfung des Mikrohärteprofils unterzogen. Die Ergebnisse werden in der beigefügten Abb. 3 illustriert. Die Probe Nr. 5 entspricht einer Ti-8,5% Si Legierung, die einer Oberflächenhärtung durch Elektronenstrahl unterzogen worden ist, ohne irgendwelche Legierungszusätze, unter Benutzung einer Transversalgeschwindigkeit von 16,4 mm/s. Die Proben Nr. 6 und 7 entsprechen Proben der gleichen Legierung wie sie in der Probe Nr. 5 benutzt worden ist, aber wo der Elektronenstrahl mit einer Transversalgeschwindigkeit von 13,1 mm/s und 7,14 mm/s geführt worden ist. Die Tiefe des Schmelzbades ist in den drei Fällen ähnlich, aber das Ausmaß des Härtens kann durch eine Veränderung der Transversalgeschwindigkeit variiert werden. Das größte Härten wurde mit der höchsten Transversalgeschwindigkeit erreicht, dies (wie man glaubt) infolge des sich ergebenden schnelleren Abschreckens des geschmolzenen Metalles.
In einer weiteren Serie von Tests wurden Proben von Ti-Ni-Legierungsknöpfen hergestellt, welche die folgenden Zusammensetzungen (in Gewichtsprozent) aufwiesen:

Probe Nr. Zusammensetzung (Gewichtsprozent)

8 Ti - 7% Ni
9 Ti - 10% Ni
10 Ti - 28,5% Ni
Die Oberfläche eines jeden Knopfes wurde flach geschliffen und dann wurde die Oberfläche mit einem Elektronenstrahl umgeschmolzen indem man die gleichen Bedingungen wie für die Proben 1 bis 4 einsetzte. Die Härteprofile durch die umgeschmolzene Oberfläche dieser Proben werden in Abb. 4 gezeigt.
Probe Nr. 9 ist die bekannte hypoeutektische Zusammensetzung und das umgeschmolzene Metall der Oberfläche hatte eine feine α' Struktur und eine Härte von mehr als 650 Hv. Unter der umgeschmolzenen Schicht war die Struktur des Substrates wegen ihrer niedrigeren Abkühlungsgeschwindigkeit viel gröber und sie hatte eine Härte von nur etwa 240 Hv. Probe Nr. 8 hatte einen geringeren Nickelgehalt und die kleinere Volumenfraktion der eutektischen Mikrostruktur mit Ti + Ti&sub2;Ni ergab eine geringere Härte. Probe Nr. 10 war eine eutektische Legierung mit eine vollkommen eutektischen Struktur der intermetallischen Verbindung Ti&sub2;Ni und einem α-Titan. Aufgrund der Anwesenheit dieser Menge der Verbindung kann man erwarten, daß sie zu schlechteren mechanischen Eigenschaften führt, insbesondere Ermüdungseigenschaften, dies auf die gleiche Weise wie bei den hypereutektischen Ti-Si- Legierungen. Des weiteren führte der hohe Nickelgehalt zu einem weit härteren Substrat von mehr als 500 Hv und es ist wahrscheinlich, daß dies bei einer technischen Komponente zu einer unannehmbar tiefen Duktilität des Kernes führt. Die bevorzugte Zusammensetzung liegt deshalb in dem Bereich um die eutektische Zusammensetzung von Ti-10%Ni, typisch ist 5 bis 15 Gew.-% Nickel.
In einer Reihe von Prüfungen im Hinblick auf den wissenschaftlichen Beweis für die vorliegende Erfindung, wurden die Verschleißraten bei geschmiertem Gleiten von fünf Exemplaren verglichen, dies unter Einsatz einer modifizierten Amsler Verschleißprüfungsmaschine. Die flache Oberfläche, die geprüft werden sollte, wurde unbeweglich gehalten unter dem sich drehenden äußeren Rand der einen Durchmesser von 50 mm und eine Dicke von 8 mm aufweisenden Scheibe aus gehärtetem Stahl die um eine horizontale Achse drehte. Eine Berührungsbelastung von 50 kgf wurde bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,52 m/s aufgebracht und die abnutzenden Oberflächen wurden durch Eintauchen in Tellus Öl 37 geschmiert. Die sich ergebenden Verschleißraten der Proben werden in Abb. 5 gezeigt.
Die Probe Nr. 11 bestand aus unbehandeltem geglühten Ti-6AI-4 V und es wurde beobachtet, daß sie äußerst schnell abnutzte. Die Probe Nr. 12 bestand aus Ti-8,5% Si im Gießzustand, ohne irgendein Umschmelzen der Oberfläche, und sie nutzte ebenfalls äußerst schnell ab. Die Probe Nr. 13 war von der gleichen Zusammensetzung wie die Probe Nr. 12, aber die Oberfläche war mittels eines Elektronenstrahles umgeschmolzen worden unter Einsatz der gleichen Bedingungen wie für die Probe Nr. 10, und die Verschleißrate wurde um einen Faktor von mehr als zehn verringert. Die Probe Nr. 14 war wieder von der gleichen Zusammensetzung, aber die Oberfläche war behandelt worden durch Plasmanitrieren in einer Atmosphäre aus 100% Stickstoff in einer von Klockner Ionon GmbH hergestellten 40 kw Plasmanitriereinheit, dies während 12 Stunden bei 700ºC, ohne irgendein Umschmelzen der Oberfläche. Die Verschleißrate wurde um einen Faktor von mehr als 100 verbessert, im Vergleich zu der unbehandelten Legierung (Probe Nr. 12). Die Probe Nr. 15 war einer Oberflächenbehandlung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung unterzogen worden, nämlich einem Umschmelzen der Oberfläche mittels Elektronenstrahl ohne weitere Legierungsbehandlung, gefolgt von einem Plasmanitrieren in 100% Stickstoff während 12 Stunden bei 700ºC auf die gleiche Weise wie bei Probe Nr. 14. Die Probe Nr. 16 war wieder von der gleichen Zusammensetzung wie die Proben 10 bis 15, und sie war wieder einer Oberflächenbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung unterzogen worden, nämlich einem Umschmelzen der Oberfläche mittels Elektronenstrahl ohne weitere Legierungsbehandlung, in diesem Fall gefolgt von einer thermischen Oxidation in einem Ofen mit Luftumwälzung während 10 Stunden bei 650ºC. Man wird beobachten, daß die Proben Nr. 15 und 16 beide auf genau die gleiche Weise behandelt worden sind, außer daß in Schritt d) nach der vorliegenden Erfindung die Probe Nr. 15 durch Plasmanitrieren behandelt worden ist, während Probe Nr. 16 einer thermischen Oxidation unterzogen worden ist. Die Verschleißraten der beiden Proben 15 und 16 wurden auf diese Weise auf ein Niveau verringert das niedriger liegt als dasjenige einer jeden der beiden Komponenten des Verfahrens selbst, und sie stellen einen Verbesserungsfaktor von mehreren tausend im Vergleich zu unbehandeltem Material dar.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Produktes aus einer Titanlegierung die widerstandsfähig ist sowohl gegen Walzkontaktermüdung als auch gegen Abnutzung, welches die folgenden Schritte beinhaltet:

(a) Formen einer Titanlegierung zu der erforderten Produktform;

(b) tiefe Oberflächenhärtung des sich ergebenden geformten Produktes bis auf eine Tiefe von mehr als 100 um mittels einer Technik die ein lokales Umschmelzen der Oberfläche ohne weitere Legierungsbildung beinhaltet,

(c) fakultative Fertigbearbeitung der Oberfläche auf die erforderte endgültige Form und/oder Oberflächenbeschaffenheit, und

(d) Bildung unmittelbar auf der Oberfläche eines Nitrid-, Oxid-, Karbid- oder Boridoberflächenfilmes mit einer Dicke die nicht größer ist als 100 um und die widerstandsfähig ist gegen Abnutzung.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wonach die Titanlegierung sich zusammensetzt aus (a) 2 bis 15 Gew.-% Silizium oder 5 bis 15 Gew.-% Nickel, (b) bis zu 7 Gew.-% von wenigstens einem fakultativen verstärkenden Legierungselement, und (c) bis zu 2 Gew.-% von wenigstens einem fakultativen Legierungselement das die Oberflächeneigenschaften verbessert und welches ausgewählt wird unter Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Zirkon, wobei die Restmenge außer Verunreinigungen und zufälligen Bestandteilen aus Titan besteht, und wonach der Schritt der tiefen Oberflächenhärtung (b) durch ein lokalisiertes Umschmelzen der Oberfläche durchgeführt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wonach die Titanlegierung Silizium in einer Menge von 5 bis 9 Gew.-% enthält.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wonach der Siliziumgehalt der Legierung 7,5 bis 8,5 Gew.-% beträgt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 3, wonach der Siliziumgehalt der Legierung 8,5 Gew.-% beträgt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 2, wonach die Titanlegierung Nickel in einer Menge von 8 bis 11 Gew.-% enthält.

7. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, wonach das wenigstens eine fakultative verstärkende Legierungselement ausgewählt wird unter Aluminium, Zinn, Zirkonium, Vanadium, Chrom, Eisen, Molybdän und Niobium.

8. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wonach die Dicke der in die Tiefe gehärteten Zwischenschicht sich auf 200 bis 1000 um beläuft.

9. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wonach die Dicke des Oberflächenfilmes aus Nitrid, Oxid oder einem anderen Material nicht größer als 50 um ist.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wonach die Dicke des Oberflächenfilmes sich auf 1 bis 20 um beläuft.

11. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wonach der einen Oberflächenfilm bildende Schritt (d) einen Plasmanitrierungsschritt umfaßt bei welchem die Komponente mit Stickstoff in einem Glimmentladungsplasma zur Reaktion gebracht wird, um auf der Oberfläche Schichten aus Nitrid und stickstoffreichem Titan zu bilden.

12. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wonach der einen Oberflächenfilm bildende Schritt (d) einen thermischen Oxidationsschritt umfaßt bei welchem die Komponente an der Luft auf 600º bis 850ºC erhitzt wird, um auf der Oberfläche Schichten aus Oxid und sauerstoffreichem Titan zu bilden.

13. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wonach der Schritt der Fertigbearbeitung der Oberfläche (c) durchgeführt wird.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wonach der Schritt der Fertigbearbeitung der Oberfläche (c) eine maschinelle Bearbeitung oder ein Schleifen umfaßt, um eine glatte Oberfläche herzustellen.

15. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, welches einen weiteren Schritt (e) umfaßt, der darin besteht nach einem jeden der Schritte (b), (c) und (d) eine Behandlung durchzuführen, um die Restspannungen in dem Material und/oder dessen andere mechanische Eigenschaften zu ändern.

16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wonach der Schritt (e) aus einem Kugelstrahlen oder einer Wärmebehandlung besteht.

17. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wonach der die Form ergebende Schritt (a) aus einer Gießoperation, oder einer Gieß- und Schmiedeoperation besteht.