DE69816253T2

DE69816253T2 - Blech aus einer Titanlegierung und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69816253T2
Application number: DE69816253T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Kawasaki-ku Fukai; Hiroshi Kawasaki-ku Iizumi
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: EP0925851B1; EP0925851A2; EP0925851A3; DE69816253D1; US6232573B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blech aus einer Titanlegierung, das eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit und eine geringe Anisotropie hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, wie der Biegefähigkeit, aufweist und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
STAND DER TECHNIK
Üblicherweise wird ein Blech aus einer Titanlegierung in Form einer Rolle durch Warmwalzen mittels eines Tandemwalzwerkes hergestellt, wobei eine solche Rolle zur Blechbildung auf eine vorgegebene Länge zurechtgeschnitten wird. Bei Titanlegierungen mit einer relativ schlechten Verarbeitbarkeit, wie Titanlegierungen vom α + β-Typ, wird das sogenannte "Paketwalzen" ("pack rolling") durchgeführt, bei dem hauptsächlich ein Reversierwalzwerk verwendet wird, wobei ein Walzblock aus einer Titanlegierung mit Kohlenstoffstählen umgeben wird, beispielsweise durch Bedecken der Ober- und Unterseiten des Walzblockes mit Kohlenstoffstählen oder durch Einbringen eines Walzblockes in eine Kohlenstoffstahl-Box vor dem Walzen, so dass eine Verringerung der Temperatur während des Walzens verhindert wird und das Walzen in einem Hochtemperaturbereich erfolgt, in dem die Titanlegierung eine verhältnismäßig gute Verarbeitbarkeit aufweist.
In allen der oben beschriebenen Verfahren erfolgt das Warmwalzen in Luft, wobei die während des Erwärmens oder Walzens auf den Oberflächen gebildeten dünnen Oxidschichten und die Sauerstoff angereicherten Schichten darunter durch ein Schleifverfahren, beispielsweise unter Verwendung einer Rollen- oder einer Blechschleifmaschine, entfernt werden.
Für die Verbesserung der Qualität des Blechs aus einer Titanlegierung stellt es einen wichtigen Schritt dar, die dünnen Oxidschichten auf den Oberflächen und die Sauerstoff angereicherten Schichten darunter zu entfernen. Der Grund dafür besteht darin, dass, wenn die dünnen Oxidschichten und die Sauerstoff angereicherten Schichten nicht entfernt werden, sich das Aussehen des Produkts verschlechtert, und, da die oberflächennahen Bereiche durch die dünnen Oxidschichten und die Sauerstoff angereicherten Schichten deutlich härter sind, die Verarbeitbarkeit, wie die Biegefähigkeit, schlechter wird.
Die Verarbeitbarkeit, wie die Biegefähigkeit, wird durch die Oberflächenbeschaffenheit, wie die Oberflächenrauhigkeit, empfindlich beeinflusst und folglich werden in einem Schleifverfahren ein Schleifstein, ein Schleifband und Schleifkörnchen geeignet kombiniert, um die Oberflächenrauhigkeit des Endprodukts einzustellen.
Da jedoch das Schleifen in einer Richtung erfolgt, besteht zwischen der Schleifrichtung und einer Richtung quer dazu ein Unterschied bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit, wie beispielsweise die Oberflächenrauhigkeit. Dadurch ist die Verarbeitbarkeit in der Schleifrichtung gut, in der Richtung quer zur der Schleifrichtung jedoch deutlich schlechter, was zu einer großen Richtungsabhängigkeit hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften führt.
Bei der tatsächlichen Bildung einer bestimmten Komponente aus einem Blech aus einer Titanlegierung erfolgt ein Biegeschritt oder dergleichen, und die Biegerichtung ist nicht auf die Schleifrichtung beschränkt. Das Biegen kann in irgendeine Richtung erfolgen, beispielsweise in die Richtung quer order diagonal zu der Schleifrichtung. Obwohl eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit in allen Richtungen der Blechebene benötigt wird, vermögen gegenwärtige Bleche aus einer Titanlegierung, welche einer Schleifbehandlung in einer Richtung unterzogen wurden, diese Anforderung nicht zu erfüllen.
Im Stand der Technik offenbart die JP 08229602 ein Titanblech mit blendungsfreien Eigenschaften und einer Oberflächenrauhigkeit von ≤ 0,1 μm. In der JP 03047604 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Blechs aus einer Titanlegierung offenbart, umfassend die Schritte des Beizens von zwei Walzblöcken aus einer Titanlegierung, des Einpackens derselben mit Kohlenstoffstählen durch Punktschweißen und des Walzens derselben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Blechs aus einer Titanlegierung bereitzustellen, welches eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit, eine kleine Richtungsabhängigkeit hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, wie die Biegefähigkeit, und nach dem Umformen in eine Komponente auch ein ausgezeichnetes äußeres Erscheinungsbild aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Blechs aus einer Titanlegierung bereitgestellt, umfassend die Schritte: Packen eines Walzblockes aus einer Titanlegierung mit Kohlenstoffstählen und Walzen des mit Kohlenstoffstählen umgebenen Walzblockes aus einer Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass das Packen in Vakuum durch Elektronenstrahlschweißen erfolgt und das saure Beizen nach dem Walzen erfolgt, so dass eine Oberflächenrauhigkeit, welche der Bedingung Ra ≤ 2 μm in allen Richtungen genügt und eine Oberflächenwelligkeit, welche der Bedingung W_CA ≤ 10 μm genügt, erhalten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das saure Beizen des gewalzten Blechs aus einer Titanlegierung mit 1 ~ 10%HF + 1 ~ 40%HNO₃.
Das Verfahren kann desweiteren einen Schritt des Schleifens des gewalzten Blechs aus einer Titanlegierung vor dem sauren Beizen umfassen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung steht der Walzblock aus einer Titanlegierung nicht nur für einen Walzblock im Gusszustand, sondern auch für dessen gewalztes Halberzeugnis mit einer bestimmten Dicke.
Mittels Schrägwalzen, beispielsweise unter Verwendung eines Schrägverhältnisses (cross ratio) von 0,2 ~ 5 beim Walzen, wird die oben beschriebene Oberflächenbeschaffenheit leichter erhalten.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein erfindungsgemäßes Blech aus einer Titanlegierung weist eine Oberflächenrauhigkeit auf, welche der Bedingung Ra ≤ 2 μm in allen Richtungen genügt, und eine Oberflächenwelligkeit, welche der Bedingung W_CA ≤ 10 μm genügt. Durch Einstellen der Oberflächenrauhigkeit des Blechs auf Ra ≤ 2 μm in allen Richtungen weist das Blech eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit auf, selbst wenn das Formen, wie das Biegen, in irgendeiner Richtung erfolgt. Zudem kann, wenn das Blech mit einer Oberflächenwelligkeit von W_CA ≤ 10 μm in eine Komponente umgeformt wird, das Auftreten einer rauhen Oberfläche bei der Bildung unterdrückt werden.
In einem solchen Fall kann ein Blech aus einer Titanlegierung mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit, einer geringen Richtungsabhängigkeit und einer geringen Oberflächenwelligkeit erzeugt werden, indem das saure Beizen als Oberflächenendbehandlung nach dem Walzen durchgeführt wird.
Eine solche Oberflächenbeschaffenheit kann auch leicht erhalten werden, indem das Schleifen und das saure Beizen als Oberflächenendbehandlung nach dem Walzen durchgeführt wird, da die Oberflächenrauhigkeit des Blechs durch das Schleifen vor dem sauren Beizen verringert wird.
Ein Walzblock aus einer Titanlegierung kann vor dem Walzen in Luft mit Kohlenstoffstählen gepackt werden, um eine hohe Walztemperatur aufrechtzuerhalten, insbesondere wird dieser im Vakuum durch ein Elektronenstrahlschweißverfahren gepackt, um die Ablagerung von dünnen Oxidschichten und die Bildung von Sauerstoff angereicherten Schichten während des Erwärmens zu verhindern. Folglich kann die Oberflächenendbehandlung vereinfacht und leichter ein Blech aus einer Titanlegierung erhalten werden, das eine Oberflächenrauhigkeit, welche der Bedin gung Ra ≤ 2 μm in allen Richtungen genügt, und eine Oberflächenwelligkeit, welche der Bedingung W_CA ≤ 10 μm genügt, aufweist.
Beim Walzen wird Schrägwalzen bevorzugt. Durch das Schrägwalzen können die Richtungsabhängigkeit bzw. Anisotropie bezüglich der mechanischen Eigenschaften, die von der während des Walzens gebildeten Textur herrühren, signifikant verringert und durch das saure Beizen oder das Schleifen und das saure Beizen als nachfolgende Oberflächenbehandlungen die Oberflächenrauhigkeit einfacher und sicherer auf Ra ≤ 2 μm in allen Richtungen eingestellt und die Oberflächenwelligkeit auf Wc_A ≤ 10 μm eingestellt werden. Das Schrägverhältnis bei dem Schrägwalzen sollte auf 0,2 ~ 5 eingestellt sein, um eine hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften viel geringere Richtungsabhängigkeit zu erhalten.
Für das oben beschriebene saure Beizen sollte vorzugsweise eine gemischte Säure aus 1 ~ 10%HF + 1 ~ 40%HNO₃ verwendet werden, da diese gemischte Säure die dünnen Oxidschichten entfernen kann, ohne dass dabei viel Wasserstoff in ein Blech aus einer Titanlegierung absorbiert wird.
(BEISPIEL 1)
Walzblöcke aus einer Titanlegierung aus α + β-artigem AMS4899 (eine Ti – 4,5%, Al – 3%, V – 2%, Mo – 2%, Fe-Legierung) und AMS4907D (Ti – 6%, Al – 4%, V-Legierung) mit einer Dicke von 150 mm wurden als Ausgangsmaterialien verwendet.
Ein Walzblock aus AMS4899 wurde auf 840°C erwärmt und dann zu einem Blech mit einer Dicke von 3 mm unter Verwendung eines Tandemwalzwerkes gewalzt.
Die anderen Walzblöcke aus AMS4899 wurden auf 840°C erwärmt und zu Halberzeugnissen mit einer Dicke von 20 mm gewalzt. Dann wurden einige der Halberzeugnisse auf den Ober- und Unterseiten in Luft mit Kohlenstoffstählen bedeckt und die anderen in Kohlenstoffstahl-Boxen eingebracht und im Vakuum durch ein Elek tronenstrahlverfahren geschweißt. Schließlich wurden die auf diese Art und Weise mit Kohlenstoffstählen gepackten Halberzeugnisse auf 820°C erwärmt und unter Verwendung eines Reversierwalzwerkes zu Blechen mit einer Dicke von 3 mm gewalzt, wobei das Schrägwalzen mit einem Schrägverhältnis von 1 erfolgte. Die Walzblöcke aus AMS4907D wurden durch das selbe Paketwalzverfahren wie oben für die Walzblöcke aus AMS4899 beschrieben zu Blechen mit einer Dicke von 3 mm gewalzt, außer, dass die Heiztemperatur auf 950°C anstelle von 840°C und 820°C eingestellt wurde.
Das Glühen erfolgte für alle Bleche bei 720°C und die Oberflächenendbehandlung erfolgte mittels Schleifen mit einer Rollen- oder einer Blechschleifmaschine mit einem Schleifmittel #60 und einem Schleifmittel #180 oder durch saures Beizen mit 3%HF + 10%HNO₃ für 10 min oder durch eine Kombination des oben beschriebenen Schleifens und sauren Beizens. Das Schleifen erfolgte nur in einer Richtung und in der selben Richtung wie die Walzrichtung. Ein Blech wurde zum Vergleich vor dem sauren Beizen einer Behandlung mittels Sandstrahlen unterzogen.
Alle oben beschriebenen Herstellungsbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1
Nach der Oberflächenendbehandlung wurde die Oberflächenrauhigkeit Ra und die Oberflächenwelligkeit W_CA gemessen. Zudem wurde der kritische Krümmungsradius mittels eines Biegeversuchs gemessen und das Erscheinungsbild der Oberfläche während des Biegens mit einem Krümmungsradius R von 15 mm untersucht.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Obwohl das Blech 1 mit einem Schleifmittel #60 und einem Schleifmittel #180 geschliffen wurde, ist die Oberflächenrauhigkeit Ra aufgrund des Schleifens in einer Richtung quer zu der Schleifrichtung größer als in Schleifrichtung, was zu einer i großen Richtungsabhängigkeit bezüglich des kritischen Krümmungsradius führt. Das Blech 1 weist jedoch eine geringe Oberflächenwelligkeit W_CA auf und folglich wird nach dem Biegen ein zufriedenstellendes äußeres Erscheinungsbild erhalten.
Die Bleche 2, 3, 8 und 9 zeigen aufgrund des Schleifens in nur einer Richtung dieselbe Neigung wie das Blech 1, obwohl diese einem Paketwalzen durch Schrägwalzen unterzogen wurden.
Im Falle des Sandstrahlens + sauren Beizens, wie dies für die Bleche 4 und 5 der Fall ist, ist die Oberflächenwelligkeit W_CA sehr groß, was nach dem Biegen zu einem unbefriedigenden äußeren Erscheinungsbild führt, obwohl eine zufriedenstellende Oberflächenrauhigkeit Ra erhalten wird. Sandstrahlen kann nicht auf dünne Bleche, wie dies vorliegend der Fall ist, angewendet werden.
Im Falle der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Bleche 6, 7 und 12 verringert das Schleifen + saure Beizen nicht nur die Oberflächenrauhigkeit Ra, sondern auch die Oberflächenwelligkeit W_CA deutlich, was zu einer geringeren Richtungsabhängigkeit hinsichtlich der Biegeeigenschaften und zu einem zufriedenstellenden äußeren Erscheinungsbild nach dem Biegen führt.
Wenn das Packen im Vakuum erfolgt, wie für die Bleche 10 und 12 gezeigt, wird eine geringe Richtungsabhängigkeit bezüglich des kritischen Krümmungsradius und ein zufriedenstellendes äußeres Erscheinungsbild nach dem Biegen nur im Falle des sauren Beizens während 10 min erhalten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund des Packens im Vakuum nur geringe Mengen von dünnen Oxidschichten gebildet und dann, wie im vorliegenden Fall, durch kurzzeitiges saures Beizen vollständig entfernt wurden.
Tabelle 2
(BEISPIEL 2)
Walzblöcke aus einer Titanlegierung aus α + β-artigem AMS4899 (eine Ti – 4,5%, Al – 3%, V – 2%, Mo – 2%, Fe-Legierung) wurden als Ausgangsmaterialien verwendet.
Die Walzblöcke wurden auf 840°C erwärmt und zu Halberzeugnissen mit einer Dicke von 20 mm gewalzt. Dann wurden die Halberzeugnisse in Kohlenstoffstahl- Boxen gegeben und im Vakuum durch ein Elektronenstrahlverfahren geschweißt. Die auf diese Weise mit Kohlenstoffstählen gepackten Halberzeugnisse wurden auf 820°C erwärmt und unter Verwendung eines Reversierwalzwerkes zu Blechen mit einer Dicke von 3 mm gewalzt, wobei das Schrägwalzen mit verschiedenen Schrägverhältnissen von 0,2 ~ 5,0 durchgeführt wurde.
Nach dem Glühen bei 720°C wurden die Bleche einer Oberflächenendbehandlung unterzogen, indem mit einer Blechschleifmaschine mit einem Schleifmittel #60 und einem Schleifmittel #180 geschliffen wurde, gefolgt von saurem Beizen mit 3%HF + 10%HNO₃ für 10 min.
Da kein Unterschied bezüglich der Biegeeigenschaften der Bleche erkennbar war, wurden die Zugfestigkeitseigenschaften gemessen, Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugte Schrägwalzen mit Schrägverhältnissen von 0,2 ~ 5,0 ermöglicht die Herstellung eines Bleches mit einem geringen Unterschied der Zugfestigkeitseigenschaften in Schleifrichtung quer zur Schleifrichtung.
Tabelle 3
(BEISPIEL 3)
Walzblöcke aus einer Titanlegierung aus α + β-artigem AMS4899 (eine Ti – 4,5%, Al – 3%, V – 2%, Mo – 2%, Fe-Legierung) mit einer Dicke von 150 mm wurden als Ausgangsmaterialien verwendet.
Die Walzblöcke wurden auf 840°C erwärmt und zu Halberzeugnissen mit einer Dicke von 20 mm gewalzt. Dann wurden alle Halberzeugnisse in Kohlenstoffstahl-Boxen gegeben und im Vakuum durch ein Elektronenstrahlverfahren geschweißt. Die auf diese Weise mit Kohlenstoffstählen gepackten Halberzeugnisse wurden auf 820°C erwärmt und unter Verwendung eines Reversierwalzwerkes zu Blechen mit einer Dicke von 3 mm gewalzt, wobei das Schrägwalzen mit einem Schrägverhlältnis von 1,0 durchgeführt wurde.
Nach dem Glühen bei 720°C wurden die Bleche einer Oberflächenendbehandlung unterzogen, indem mit einer Blechschleifmaschine mit einem Schleifmittel #60 und einem Schleifmittel #180 geschliffen wurde, gefolgt von saurem Beizen mit verschiedenen Konzentrationen von HF und HNO₃ für 10 min.
Schließlich wurde das Erscheinungsbild der Oberfläche untersucht und der Gehalt an absorbiertem Wasserstoff gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
Wenn das saure Beizen innerhalb der erwünschten Bereiche der Säurekonzentration der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, kann ein sehr gutes Oberflächenerscheinungsbild und eine geringe Absorption von Wasserstoff erreicht werden.
Tabelle 4

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Blechs aus einer Titanlegierung, umfassend die Schritte: Packen eines Walzblockes aus einer Titanlegierung mit Kohlenstoffstählen und Walzen des mit Kohlenstoffstählen gepackten Walzblockes aus einer Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass das Packen in Vakuum durch Elektronenstrahlschweißen erfolgt und das saure Beizen nach dem Walzen erfolgt, um eine Oberflächenrauhigkeit, die der Bedingung Ra ≤ 2 μm in allen Richtungen genügt, und eine Oberflächenwelligkeit, die der Bedingung W_CA ≤ 10 μm genügt, zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner den Schritt des Schleifens des gewalzten Blechs aus einer Titanlegierung zwischen dem Walzschritt und dem Schritt des sauren Beizens umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzen mittels Schrägwalzen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzen mittels Schrägwalzen mit einem Schrägverhältnis von 0,25 erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das saure Beizen mit 1 ~ 10%HF + 140%HNO₃ erfolgt.