DE69908063T2

DE69908063T2 - Verfahren zur Herstellung einer duch Partikel verstärkten Titanlegierung

Info

Publication number: DE69908063T2
Application number: DE69908063T
Authority: DE
Inventors: Toshiya Toyota-shi Yamaguchi; Tadahiko Aichi-gun Furuta; Takashi Aichi-gun Saito; Kouji Obu-shi Sakurai
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: KR20000029414A; CN1257133A; KR100345206B1; JP2000129414A; EP0997544B1; US6387196B1; DE69908063D1; EP0997544A1; JP3041277B2; CN1125889C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer teilchenverstärkten Titanlegierung, welche durch keramische Teilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft in Titanlegierung verstärkt ist.
Es ist eine teilchenverstärkte Titanlegierung bekannt gewesen, welche durch Teilchen verstärkt wird. Als eine Technik zum Herstellen einer Titanlegierung dieses Typs ist die japanische ungeprüfte Patentanmeldung 10–1,760 bereit gestellt worden. Die Technik nach dieser Patentveröffentlichung beinhaltet: (1) Verwenden einer Titanlegierung, welche durch Dipergieren von Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft, wie etwa Titanborid, in einer Matrix verstärkt ist, und (2) Hitzebehandeln dieser Titanlegierung, um eine Koloniekorngröße aufzulösen und eine winzige nadelförmige α-Phasenstruktur zu erzeugen. Gemäß dem in dieser Anmeldung veröffentlichten Verfahren wird die vorstehend erwähnte teilchenverstärkte Titanlegierung mittels den Schritten einschließlich: (1) Erhitzen der Titanlegierung in einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur; (2) Abschrecken der Titanlegierung mit Wasser aus dem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur bis auf Raumtemperatur oder unter Raumtemperatur; und (3) Erhitzen der Titanlegierung in einem Zweiphasenbereich von (α + β), der zwischen der β-Übergangstemperatur und 800°C gebildet wird. Der Abschreckungsschritt gibt eine beträchtlich schnelle Abkühlungsrate an.
Zudem offenbart die ungeprüfte japanische Patentanmeldung 3–73,623 ein anderes Verfahren zum Wärmebehandeln einer Titanlegierung vom α + β-Typ. Dieses Verfahren beinhaltet: (1) Erhitzen der Titanlegierung, die einen α + β-Typ in einem Temperaturbereich besitzt, welcher 10 bis 60° niedriger als die β-Übergangstemperatur ist; und (2) Abkühlen der Titanlegierung mit einer Abkühlungsrate von 0,1 bis 5°C/s auf weniger als 500°C, um so deren Zähigkeit bzw. Tenazität zu verbessern. Wenn die Erhitzungstemperatur nicht weniger als die β-Übergangstemperatur beträgt, wird eine Phase von β leicht eine große Größe. In der technik nach dieser Veröffentlichung wird angenommen, dass die Erhitzungstemperatur bei Temperaturen eingestellt wird, welche 10 bis 60°C niedriger als die β-Übergangstemperatur zum Vermeiden einer groß ausgebildeten β-Phase eingestellt wird.
Die in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung 10–1,760 offenbarte Technik beabsichtigt, die Ermüdungsfestigkeit einer Titanlegierung zu verbessern; jedoch beabsichtigt diese nicht, die Dauerstandfestigkeit bzw. Kriechfestigkeit zu verbessern. Wenn die in dieser Veröffentlichung offenbarte Wärmebehandlung ausgeführt wird, werden nadelförmige α-Phasen geteilt und dann in aufgebrochene Strukturen geändert; daher wird die Kriecheigenschaft trotz der hohen Ermüdungsfestigkeit verschlechtert. Im allgemeinen wird angenommen, dass eine feinere Mikrostruktur zu verbesserter Ermüdungsfestigkeit führt und, dass eine größere Mikrostruktur zu unterdrückter Kriechbiegung und verbessertem Kriechwiderstand führt.
Zudem beabsichtigt die in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung 3–73,623 offenbarte Technik, die Zähigkeit zu verbessern; jedoch beabsichtigt diese nicht, den Kriechwiderstand zu verbessern. Ferner enthält die in dieser Veröffentlichung offenbarte Titanlegierung keine Teilchen, wie etwa Titanboridteilchen, und die Erhitzungstemperatur übersteigt nicht die β-Übergangstemperatur.
Die vorliegende Erfindung ist angesichts der vorstehenden Umstände erreicht worden. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer teilchenverstärkten Titanlegierung bereit zu stellen, welche einen herausragenden Kriechwiderstand besitzt, während die Ermüdungsfestigkeit sichergestellt wird.
Die jetzigen Erfinder haben Titanlegierungen eingehend untersucht und haben die vorliegende Erfindung entwickelt, indem sie experimentell das vorliegende Phänomen bestätigt haben. Wenn die jetzigen Erfinder ausgeführt haben: Verwenden einer Titanlegierung, in welcher Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft dispergiert sind; Erhitzen der Titanlegierung in einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur; und Abkühlen der Titanlegierung mit einer Abkühlrate von 0,1 bis 30°C/s: wird der Kriechwiderstand der Titanlegierung verbessert, während deren Ermüdungsfestigkeit sichergestellt wird.
Der Grund zum Erhalten der vorstehend erwähnten Eigenschaften steht nicht ausreichend fest. Jedoch wird angenommen, dass diese auf folgendes zurückgehen:
Es wird angenommen, dass eine größere Mikrostruktur zum Unterdrücken der Kriechbiegung und zum Verbessern des Kriechwiderstands beiträgt, und, dass eine feinere Mikrostruktur zum Verbessern der Ermüdungsfestigkeit beiträgt. Die vorliegende Erfindung verwendet die Titanlegierung, in welcher Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft dispergiert werden. Daher verhindert die vorliegende Erfindung abnormales Wachstum der alten aus β-Korn, trotz der vollständigen nadelförmigen Bildung von Mikrostrukturen, sogar wenn die Titanlegierung einen Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur erhitzt wird. Da die Titanlegierung zudem von dem Bereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur abgekühlt wird, und da die Titanlegierung durch die β-Übergangstemperatur bei einer geeigneten Abkühlungsrate von 0,1 bis 30°C/s geführt wird, ist die Mikrostrukturgröße der Titanlegierung auf eine derartige Weise geeignet, dass sowohl Kriechwiderstand als auch Ermüdungsfestigkeit sichergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung gewährleistet ein Verfahren zum Herstellen einer teilchenverstärkten Titanlegierung, welches die folgenden Schritte umfasst: Erhitzen einer Titanlegierung, in welcher Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft in einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur dispergiert werden; und Abkühlen der erhitzten Titanlegierung, um durch die β-Übergangstemperatur bei einer Abkühlungsrate von 0,1 bis 30°C/s geführt zu werden.
Die vorliegende Erfindung kann eine teilchenverstärkte Titanlegierung bereitstellen, in welcher der Kriechwiderstand herausragend ist, während die Ermüdungsfestigkeit sichergestellt wird.
Bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Die vorliegende Erfindung verwendet eine Titanlegierung, in welcher Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft dispergiert werden.
Die Titanlegierung kann ein gesintertes Kompakt sein, das durch Sintern eines Grün-Kompakts gebildet wird, ein geschmiedetes Produkt, das durch Schmieden des gesinterten Kompakts gebildet wird, ein Gussprodukt, oder ein geschmiedetes Produkt, das durch Schmieden des Gussproduktes gebildet wird. Bezüglich des Schmiedens kann heisses Schmieden verwendet werden.
Die Titanlegierung kann beinhalten: ein α-Phasen stabilisierendes Element, z. B. Aluminium (Al), und eine β-Phase stabilisierendes Element. Die Titanlegierung kann enthalten: wenigstens 3 bis 6% Aluminium (Al) und 2 bis 6% Zinn (Sn) bezogen auf das Gewicht, wenn eine Matrix aus Titanlegierung 100 Gew.-% beträgt. Jedoch ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung innerhalb dieser Inhalte nicht begrenzt.
Die Mikrostruktur der Matrix der Titanlegierung in einem gewöhnlichen Temperaturbereich kann eine Mikrostruktur sein, die ganz aus α-Phasen gebildet ist, eine Mikrostruktur, die hauptsächlich aus α-Phasen gebildet ist, oder eine Mikrostruktur, die aus α-Phasen gebildet ist, die mit β-Phasen vermischt werden. Die α-Phase kann eine nadelförmige α-Phase sein, oder eine nadelförmige α-Phase, die mit einer gleichachsigen α-Phase vermischt ist.
Die Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft können Titanborid (TiB und TiB₂), Titancarbid (TiC und TiC₂), Titansilicid und Titannitrid (TiN) sein. Insbesondere Titanborid ist in derartigen Keramikteilchen bevorzugt. Titanborid kann als ein hartes Teilchen oder ein verstärkendes Teilchen in einer Matrix aus Titanlegierung funktionieren. Titanborid besitzt eine gute Verträglichkeit mit der Matrix der Titanlegierung; so wird unterdrückt, dass eine schwache reaktive Phase zum Verursachen von Rissbildung in einer Grenzfläche zwischen dem Titanborid und der Matrix der Titanlegierung gebildet wird.
Das Verhältnis der Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft, wie etwa Titanborid, kann abhängig von den Anwendungen etc. ausgewählt werden. Eine obere Grenze des Verhältnisses kann 10% oder 7% bezogen auf das Volumen sein, und eine untere Grenze kann 0,1% oder 0,4% bezogen auf das Volumen sein, in dem Fall, in dem die ganze Titanlegierung mit Keramikteilchen, die darin dispergiert sind, 100 Vol.-% beträgt. Jedoch ist das Verhältnis der Keramikteilchen nicht innerhalb dieser Bereiche begrenzt.
Eine durchschnittliche Teilchengröße von Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft, wie etwa Titanborid kann abhängig von den Anwendungen etc. ausgewählt werden. Z. B. kann eine obere Grenze der durchschnittlichen Teilchengröße der Keramikteilchen 50 μm sein. Eine untere Grenze der durchschnittlichen Teilchengröße der Keramikteilchen kann 0,5 μm sein. Jedoch ist die durchschnittliche Teilchengröße der Keramikteilchen nicht innerhalb dieses Bereiches begrenzt.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet den Schritt des Erhitzens der Titanlegierung, in welchem die Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft (z. B. Titanborid) in einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur dispergiert werden. Das alte β-Korn wird durch einen derartigen Schritt hergestellt. Mittel von diesem Erhitzungsschritt können Induktionserhitzen, Ofenerhitzen, oder andere Erhitzungsmittel sein. Die Erhitzungszeit kann abhängig von den Erhitzungsbedingungen des Induktionserhitzens oder Ofenerhitzens, Größe der Titanlegierung etc. ausgewählt werden. Da die Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft in der Titanlegierung dispergiert werden, kann die vorliegende Erfindung verhindern, dass die Größe des alten β-Korns exzessiv zunimmt, sogar, wenn die Größe des alten β-Korns auf Grund einer langen Erhitzungszeit exzessiv zugenommen hat.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet den Schritt des Abkühlens der Titanlegierung, in welchem die Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft dispergiert sind, von einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur bei einer Abkühlungsrate von 0,1 bis 30°C/s. Daher wird die Titanlegierung abgekühlt, um durch die β-Übergangstemperatur mit einer Abkühlrate von 0,1 bis 30°C/s geführt zu werden. Die Abkühlungsrate von 0,1 bis 30°C/s wird im allgemeinen durch Gasabkühlen erhalten, und diese ist beträchtlich langsamer als diejenige des Abschreckens. Ein repräsentatives Abkühlverfahren kann ein Gasabkühlverfahren unter Verwendung von Edelgas als Kühlgas und ein Luftabkühlverfahren sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine geeignete Matrix und eine geeignete Größe der Mikrostruktur der Titanlegierung mit den Keramikteilchen, wie etwa Titanborid, mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft, die darin dispergiert sind, erhalten werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet ferner den Schritt des Komprimierens der Titanlegierung vor einem derartigen Erhitzungsschritt. Der Komprimierungsschritt ist z. B. ein Schritt des Schmiedens der Titanlegierung. In dem Komprimierungsschritt wird die Titanlegierung, in welcher die Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft, wie etwa Titanborid dispergiert werden, in einem Zweiphasentemperaturbereich von α + β oder einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur komprimiert.
D. h., der Erhitzungsschritt wird ausgeführt, nachdem die Titanlegierung komprimiert wird – z. B. durch Schmieden. Der Komprimierungsschritt wird in dem Fall ausgeführt, in dem die Matrix aus Titanlegierung aus einer gemischten Phase von α + β oder einer Phase von β gebildet wird. Die Dichte der Titanlegierung kann vorzugsweise höher gemacht werden, indem die Titanlegierung komprimiert wird. Daher können Poren vorzugsweise indem Fall vermindert werden, indem die Titanlegierung durch Pulvermetallurgie gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet den Schritt des Abkühlens der Titanlegierung aus dem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur bei einer Abkühlungsrate von 0,1 bis 30°C/s. Wie vorstehend erwähnt ist die Abkühlungsrate viel langsamer als diejenige des Abschreckens bzw. Quenchens. Die Abkühlrate von 0,1 bis 30°C/s kann den Kriechwiderstand verbessern. Daher ist die vorliegende Erfindung zum Herstellen von hochfesten Teilen, die in einer Hochtemperaturatmosphäre verwendet werden, geeignet, wie etwa Ventile von Motoren, etc.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Titanlegierung einen Verlängerungswert über den vorbestimmten Wert besitzt, um so den Stoßwiderstand der Titanlegierung sicherzustellen. Wenn die Abkühlrate weniger als 0,1°C/s beträgt, ist der Verlängerungswert klein, wie in 2, und der Stoßwiderstand ist unvorteilhaft. Die vorstehend erwähnte Abkühlungsrate ist bei der Sicherstellung der Verlängerung und des Stoßwiderstands bevorzugt. Demzufolge ist die vorliegende Erfindung beim Herstellen von Teilen mit Hochtemperaturfestigkeit, die aus der Titanlegierung gebildet werden, geeignet, wie etwa Ventile von Motoren.
Das Induktionserhitzen kann beim Erhitzen der vorstehenden Titanlegierung in einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur verwendet werden. Insbesondere Hochfrequenzinduktionserhitzen ist bevorzugt. Das Induktionserhitzen kann die Erhitzungszeit der Titanlegierung verkürzen und die Zykluszeit der Produktivität verbessern. Zudem verringert das Induktionserhitzen effektiv eine Aussetzungszeit, in welcher die Titanlegierung einer Hochtemperaturatmosphäre ausgesetzt wird, um Oberflächenoxidation der Titanlegierung zu unterdrücken und in vorteilhafter Weise einen maschinellen Ausstoß der Titanlegierung zu verringern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Diagramm, welches einen Zusammenhang zwischen einer Abkühlungsrate und einer Biegekriechbiegung zeigt, wobei die Abkühlrate eine Geschwindigkeit von 1150°C, eine Temperatur von nicht weniger als β-Übergangstemperatur, bis 800°C ist;
2 zeigt ein Diagramm, welches einen Zusammenhang zwischen einer Abkühlrate und einer Zugverlängerung bei Raumtemperatur zeigt, wobei die Abkühlrate eine Geschwindigkeit von 1150°C, eine Temperatur von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur, bis 800°C ist; und
3 eine Konstruktionszeichnung eines Anwendungsbeispiels zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Vergleichsbeispielen erläutert werden. Die jetzigen Erfinder stellten Basispulver her aus: (1) einem Hydrid-Dehydridtitanpulver mit einer kleineren Teilchengröße als 150 μm, welches durch Dehydrogenierung von Titanhydrid gebildet wird; (2) ein Aluminiumlegierungspulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 μm; und (3) ein Titanboridpulver (TiB₂) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 4 μm. Die Zusammensetzung des Aluminiumlegierungspulvers war die Al – Sn – Zr – Nb – Mo – Si-Legierung.
Diese Basispulver wurden zur Herstellung von Proben bei vorbestimmten Verhältnissen abgewogen, um Matrixzusammensetzungen zu zeigen, die in Tabelle 1 beschrieben werden. D. h., wenn die gesamte Titanlegierung einschließlich Titanborid 100 Vol.-% betrug, war das Verhältnis von Titanborid jeweils bei den Proben Nr.l 1 Vol.-%, Probe Nr.2 3 Vol.-% und Proben Nr.3 bis 18 5 Vol.-%. Jedoch enthielten Proben Nr. 19, Nr. 20, Nr. 22 und Nr. 23, die jeweils Vergleichsbeispiele waren, jeweils 0 Titanborid. Probe Nr. 21, das ein Vergleichsbeispiel war, wurde aus einem Gusseisenprodukt gebildet, das durch eine JIS-SUH-Legierung, die ein Fe-Cr-Mn-Ni-System zeigte, gebildet.
Nach dem Abwiegen wurden die Basispulver gleichförmig vermischt, um ein gemischtes Pulver zu werden. Dieses gemischte Pulver wurde durch eine metallische Form kompaktiert, um ein Kompaktprodukt herzustellen, welches ein zylindrisch geformtes Billet war. Dieses Billet besaß einen Durchmesser von 16 mm und eine Höhe von 32 mm. Der Komprimierdruck wurde auf 5 t f/cm² eingestellt. Als nächstes wurde dieses Billet zum Sintern in einer Hochvakuumatmosphäre (1 × 10^–5 Torr) bei 1300°C für 4 h erhitzt, um einen gesinterten Körper zu bilden. Zudem wurde dieses gesinterte Kompakt bei 1100°C erhitzt. Dann wurde dieses gesinterte Kompakt durch eine Extrudierausrüstung geschoben, um ein extrudiertes Produkt mit einem Stempelteil zu bilden. Danach wurde das extrudierte Produkt gestaucht, um einen Schirmteil zu bilden. Das Stauchen wurde ausgeführt, wenn die Titanlegierung in einem Zweiphasentemperaturbereich von (α + β) oder in einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur lag. Daher wurde ein geschmiedeter Körper mit dem axial geformten Bestandteil und dem Schirmteil, der mit dem Endteil des Stammteils verbunden war, gebildet. Dieser geschmiedete Körper wird als ein Ventil für Motoren, wie etwa Fahrzeugmotoren, verwendet.
Dieser geschmiedete Körper wurde für ungefähr 20 min durch einen Erhitzungsofen bei 1150°C erhitzt, welches nicht weniger als die β-Übergangstemperatur ist. Die Erhitzungseinrichtung war ein Vakuumofen, der ein Kühlgas (Edelgas, z. B. Argongas) empfangen kann, wenn die Probe durch Gas gekühlt wird. Ein Ofen wurde verwendet, wenn die Probe durch Luft gekühlt wurde. Nach dem Erhitzen wurde eine Abkühlrate hinunter auf 800°C unter verschiedenen in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen gesteuert, um einen hitzebehandelten Körper, der jede Probe betraf, herzustellen. In dem Fall von Gaskühlung wurde die Abkühlrate erhalten, indem die Zuführung des Kühlgases zu dem Brennofen gesteuert wurde – das Kühlgas war ein Edelgas, wie etwa Argongas.
Bezüglich Proben Nr. 6 und Nr. 11, die Vergleichsbeispiele darstellen, betrug eine Abkühlrate 0,05°C/s, und diese war langsamer als diejenige der vorliegenden Erfindung.
Bezüglich den Proben Nr. 10 und Nr. 17, welche wassergekühlt wurden, die Vergleichsbeispiele darstellten, betrug eine Abkühlrate 100°C/s, und diese war schneller als diejenige der vorliegenden Erfindung.
Auch nach dem Schmieden wurde Probe Nr. 18 durch Hochfrequenzinduktionserhitzen bei 1160°C erhitzt, d. h., eine Temperatur von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur. Dann wurde Probe Nr. 18 in Luft gekühlt. Das Luftkühlen zeigt eine Abkühlrate von 4 bis 5°C/s, was eine Abkühlrate der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die Teststücke wurden aus jeder Probe jeweils nach dem Erhitzen gesammelt. Die Teststücken wurden einem Hochtemperaturbiegekriechtest auf Kriechbiegung unterzogen, um den Kriechtest schnell und einfach durchzuführen. Die Testtemperatur war 800°C, und die größte Biegespannung betrug 51 MPa. Zudem wurden andere Teststücke für den Ermüdungstest aus jeder Probe jeweils nach dem Erhitzen gesammelt. Die Testproben für den Ermüdungstest, die eine parallele Teillänge von 10 mm und einen parallelen Teildurchmesser von 4 mm aufwiesen, wurden einem Ermüdungstest (Testtemperatur: 850°C) unterzogen. Zudem wurden die Teststücke für den Zugtest aus jeder Probe nach dem Erhitzen gesammelt. Die Teststücke für den Zugtest, die eine parallele Teillänge von 10 mm und einen parallelen Teildurchmesser von 4 mm aufwiesen, wurden einem Zugtest zum Messen der Raumtemperaturerweiterung unterzogen.
Tabelle 1 zeigt Matrixzusammensetzungen aus Titanlegierung, ein Verhältnis von Titanboridteilchen in Titanlegierung, Bedingungen zum Erhitzen der Titanlegierung in einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur, und eine Abkühlrate von 1150°C, der Temperaturbereich von weniger als der β-Übergangstemperatur, auf 800°C.
Gemäß Tabelle 1 betrug, wenn die gesamte Titanlegierung mit Titanborid 100 Vol.-% betrug, betrug Titanborid 1 Vol.-%, und eine Matrix der Titanlegierung betrug 99 Vol.-%. Dann enthielt, wenn die gesamte Matrix dieser Titanlegierung 100 Gew.-% betrug, die Matrix 5,75 Gew.-% Aluminium (Al), 3,92 Gew.-% Zinn (Sn) und 3,92 Gew.-% Zirkon (Zr), etc.
Bewertung
Tabelle 1 zeigt die Testergebnisse bezüglich der Kriechbiegung, Ermüdungsfestigkeit (850°C), Raumtemperaturdehnung. Wie aus Tabelle 1 verstanden werden kann, war betreffend der erfindungsgemäßen Proben die Kriechbiegung klein und der Kriechwiderstand war gut. Darüber hinaus überstieg zufriedenstellender Weise bei den erfindungsgemäßen Proben die Ermüdungsfestigkeit 100 Mpa, die Raumtemperaturdehnung überstieg zufriedenstellender Weise 1%, und der Stoßwiderstand war gut.
Das heisst, bei den erfindungsgemäßen Proben war die Ermüdungsfestigkeit und die Dehnung genauso wie der Kriechwiderstand gut. Daher waren die erfindungsgemäßen Proben als Ventilmaterial, das in Motoren für Fahrzeuge etc. verwendet wird, geeignet. Dieses Ventilmaterial kann Lufteinlassventilmaterial und Abgasventilmaterial sein. Hierbei beabsichtigt die erfindungsgemäße Probe Nr. 5, die Dehnung zu verbessern, während der Kriechwiderstand sichergestellt wird.
Material A
Wie aus Tabelle 1 ersehen werden kann, besaßen Proben Nr. 6 bis 10 die gleiche Zusammensetzung, die aus Material A gebildet wurde. Proben Nr. 6 bis Nr. 10 besaßen eine unterschiedliche Abkühlrate, obwohl sie die gleiche Matrixzusammensetzung, Titanboridgehalt und Erhitzungsbedingung besaßen – der Titanboridgehalt betrug 5 Vol.-%, die Erhitzungstemperatur betrug 1150°C, welches nicht weniger als die β-Übergangstemperatur war.
Insbesondere bei Probe Nr. 6, die das Vergleichsbeispiel darstellte, in der 5 Vol.-% Titanborid enthalten war, die über die β-Übergangstemperatur erhitzt wurde, war die Abkühlrate zu gering; daher war die Kriechbiegung so groß wie 20,0 mm, und der Kriechwiderstand war verschlechtert. Ferner war bei der Probe Nr. 10, die das Vergleichsbeispiel darstellte, das Titanborid mit 5 Vol.-enthalten, die Titanlegierung wurde über die β-Übergangstemperatur erhitzt, die Abkühlrate war zu schnell, da die Titanlegierung mit Wasser gekühlt wurde; daher war die Kriechbiegung so groß wie 30,0 mm, und der Kriechwiderstand wurde verschlechtert.
Jedoch war, wie aus Tabelle 1 verstanden werden kann, bezüglich der erfindungsgemäßen Probe Nr. 7, Nr. 8 und Nr. 9 die Kriechbiegung klein, und der Kriechwiderstand wurde verbessert. Ferner war bei Probe Nr. 7, die die vorliegende Erfindung zeigte, die Ermüdungsfestigkeit auch gut.
Material B
Wie aus Tabelle 1 entnommen werden kann, besaßen Proben Nr. 11 bis Nr. 17 die gleiche Zusammensetzung, die aus Material B gebildet wurde. Proben Nr. 11 bis Nr. 17 besaßen eine unterschiedliche Abkühlrate, obwohl sie den gleichen Titanboridgehalt und Erhitzungsbedingungen aufwiesen – ein Titanboridgehalt betrug 5 Vol.-%, eine Erhitzungstemperatur war 1150°C, welches nicht geringer als die β-Übergangstemperatur ist.
Bei Probe Nr. 11, die das Vergleichsbeispiel betraf, war Titanborid in 5 Vol.-% enthalten, die Titanlegierung wurde über die β-Übergangstemperatur erhitzt, die Abkühlrate war viel langsamer. So war, obwohl die Kriechbiegung mehr als 14,0 mm betrug, um gut zu sein, die Dehnung so klein wie 1,0%.
Ferner war bei Probe Nr. 17, die das Vergleichsbeispiel betraf, Titanborid mit 5 Vol.-% enthalten, die Titanlegierung wurde über die β-Übergangstemperatur erhitzt, und die Abkühlrate war wegen der Wasserkühlung viel schneller; daher betrug die Kriechbiegung mehr als 30,0 mm, um groß zu sein, und der Kriechwiderstand wurde verschlechtert.
Andererseits war bei Probe Nr. 12, Nr. 13, Nr. 14, Nr. 15 und Nr. 16, die die vorliegende Erfindung betrafen, die Kriechbiegung klein, der Kriechwiderstand war gut, die Ermüdungsfestigkeit war auch gut, und die Dehnung überstieg zufriedenstellender Weise 1,0%, um gut zu sein.
Bezüglich Probe Nr. 18, die die vorliegende Erfindung betraf, wurde die Titanlegierung in dem Temperatur von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur durch Hochfrequenzinduktionserhitzen erhitzt. In diesem Fall war der Kriechwiderstand gut, obwohl die Erhitzungszeit so kurz wie 2 min betrug. Zudem war die Erhitzungszeit in einer kurzen Zeit, 2 min, ausreichend, wegen der Hochfrequenzinduktionserhitzung, durch welche schnell erhitzt werden kann. Daher kann die oxidierte Schicht auf einer Oberfläche der Titanlegierung reduziert werden, und die Kosten der maschinellen Verarbeitung nach der Erhitzungsbehandlung können reduziert werden.
Andere Praxisbeispiele
Bei Probe Nr. 19, die das Vergleichsbeispiel betraf, wurde eine Titanlegierung ohne Titanborid verwendet. Die Titanlegierung wurde für 2 h bei 1050°C erhitzt, d. h. in einem Temperaturbereich von α + β-Phase und weniger als der β-Übergangstemperatur. Nach dem Erhitzen wurde die Titanlegierung von Nr. 19 mit Wasser abgeschreckt. Als nächstes wurde die Titanlegierung von Nr. 19 bei 650°C für 8 h zum Tempern erhitzt. Danach wurde die Titanlegierung von Nr. 19 durch Luft gekühlt. Bei Nr. 19, die das Vergleichsbeispiel betraf, war die Kriechbiegung so groß wie über 30,0 mm und der Kriechwiderstand wurde verschlechtert, obwohl Ermüdungsfestigkeit und Dehnung sichergestellt waren.
Bezüglich Nr. 20, die das Vergleichsbeispiel betraf, wurde die Titanlegierung ohne Titanborid bei 1090°C für 30 min erhitzt, d. h. diese wurde über die β-Übergangstemperatur erhitzt. Nach dem Erhitzen wurde die Titanlegierung von Nr. 20 mit Wasser abgeschreckt. Als nächstes wurde diese bei 590°C für 8 h zum Tempern erhitzt, und diese wurde durch Luft gekühlt. Bei der Titanlegierung von Nr. 20, die das Vergleichsbeispiel betraf, war, obwohl die Kriechbiegung 6,0 mm betrug, und der Kriechwiderstand gut war, die Ermüdungsfestigkeit nicht ausreichend.
Da Probe Nr. 21, die das Vergleichsbeispiel betraf, durch ein eisenhaltiges Gussprodukt gebildet wurde, das aus JIS-SUH35 hergestellt wurde, das als Ventilmaterial in der herkömmlichen Technik verwendet wird, war dieses von der vorliegenden Erfindung im Material verschieden. Bei Probe Nr. 21, das ein Vergleichsbeispiel darstellte, betrug die Kriechbiegung 24,0 mm. Daher war die Titanlegierung der vorliegenden Erfindung im Kriechwiderstand besser als Nr. 21 des Vergleichsbeispiels. Bezüglich Nr. 22 des Vergleichsbeispiels, war Titanborid nicht eingeschlossen, die Erhitzungstemperatur betrug 920°C, unter der β-Übergangstemperatur. Daher war bei Nr. 22 die Kriechbiegung so groß wie über 30,0 mm, und der Kriechwiderstand wurde verschlechtert, obwohl die Ermüdungsfestigkeit gut war.
Bei Probe Nr. 23 des Vergleichsbeispiels wurde die Titanlegierung über die β-Übergangstemperatur erhitzt, und die Abkühlrate war geeignet. Jedoch enthielt Probe Nr. 23 kein Titanborid. Bei Probe Nr. 23 des Vergleichsbeispiels, war die Kriechbiegung 7,0 mm, um gut zu sein. Der Grund, warum der Kriechwiderstand gut wird, ist, dass die Größe der β-Phase größer ist, wenn die Titanlegierung über die β-Übergangstemperatur erhitzt wird. Jedoch betrug bei der Probe Nr. 23 die Ermüdungsfestigkeit 110 MPa, um unzureichend zu sein, und die Dehnung war so klein wie 1,0%. Daher war Probe Nr. 23 nicht als Ventilmaterial für Motoren geeignet. Der Grund für die unzureichende Ermüdungsfestigkeit und Dehnung ist wahrscheinlich, dass Probe Nr. 23 kein Titanborid aufwies.
Zeichnungen
1 zeigt einen Zusammenhang zwischen einer Abkühlrate von 1150°C, das einer Temperatur von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur entspricht, auf 800°C, und eine Biegekriechbiegung (bei 800°C, für 100 h). Wie aus 1 entnommen werden kann, wenn die Abkühlrate weniger als 0,1°C/s beträgt, erhöhte sich die Kriechbiegung, der Kriechwiderstand wurde verschlechtert. Auch wurde, wenn die Abkühlrate über 30°C/s betrug, die Kriechbiegung erhöht, und der Kriechwiderstand wurde verschlechtert. Mit anderen Worten die Abkühlrate von 0,1 bis 30°C/s gab einen minimalen Bereich der Kriechbiegung an, um einen guten Kriechwiderstand zu erhalten. Wie aus den Testergebnissen von 1 entnommen werden kann, war eine Abkühlrate von 0,5 bis 10°C/s bevorzugt.
Wie in 1 gezeigt, war die Biegekriechbiegung der vorliegenden Erfindung kleiner als diejenige von Probe Nr. 21 (JIS-SUH35) des Vergleichsbeispiels, und diejenigen von Nr. 10 und Nr. 17, die wassergekühlten Proben entsprachen.
Zudem zeigt 2 einen Zusammenhang zwischen einer Abkühlrate von 1150°C, die einer Temperatur von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur entspricht, auf 800°C, und eine Zugdehnung. Wie aus 2 verstanden werden kann, war, wenn die Abkühlrate weniger als 0,1°C/s betrug, die Raumtemperaturdehnung unzureichend klein, und diese ist im Stoßwiderstand nicht genug. Jedoch wurde bei der Abkühlrate von 0,1 bis 30°C/s eine gute Dehnung erhalten, was zu einem guten Stoßwiderstand führt; so war die Titanlegierung der vorliegenden Erfindung als Ventilmaterial für Motoren geeigneter.
Anwendungsbeispiel
3 zeigt eines von Vergleichsbeispielen. Die vorliegende Erfindung weist ein Ventil 1 auf, das basierend auf der vorstehend erwähnten erfindungsgemäßen Probe hergestellt wurde, und das Ventil 1 wird aus Titanlegierung einschließlich Titanboridteilchen gebildet. Das Ventil 1 wird für Motoren verwendet. Das Ventil 1 besitzt einen Stammteil 10 und einen Schirmteil 11, der mit einer Kante des Stammteils 10 verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Titanlegierung kann für wärmewiderstandsfähige Teile, wie etwa Turbinenblätter, neben dem vorstehend erwähnten Ventil angewendet werden.
Ein Verfahren zum Herstellen einer teilchenverstärkten Titanlegierung beinhaltet die folgenden Schritte: Erhitzen einer Titanlegierung, in welcher Keramikteilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft dispergiert sind, in einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur; und Abkühlen der Titanlegierung, um durch die β-Übergangstemperatur bei einer Abkühlrate von 0,1 bis 30°C/s geführt zu werden. Das Verfahren kann ferner vor dem Erhitzungsschritt den Schritt des Komprimierens der Titanlegierung in einem Zweiphasentemperaturbereich von α + β davon oder in einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur beinhalten.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer teilchenverstärkten Titanlegierung, welches die folgenden Schrittse umfasst: Erhitzen einer Titanlegierung, in welcher keramische Teilchen mit einer thermodynamisch stabilen Eigenschaft dispergiert sind, in einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur; und Abkühlen der erhitzten Titanlegierung, um durch die β-Übergangstemperatur mit einer Abkühlrate von 0,1–30°C/s zu treten.
Verfahren zum Herstellen einer teilchenverstärkten Titanlegierung gemäß Anspruch 1, welches ferner vor dem Erhitzungsschritt den folgenden Schritt umfasst: Komprimieren der Titanlegierung in einem Zweiphasentemperaturbereich aus α + β-Phase oder in einem Temperaturbereich von nicht weniger als der β-Übergangstemperatur.
Verfahren zum Herstellen einer teilchenverstärkten Titanlegierung gemäß Anspruch 1, wobei die keramischen Teilchen aus wenigstens einem gebildet sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titanborid, Titancarbid, Titansilicid und Titannitrid besteht.
Verfahren zum Herstellen einer teilchenverstärkten Titanlegierung gemäß Anspruch 3, wobei das Titanborid aus wenigstens einem von TiB und TiB₂ gebildet ist, und das Titancarbid aus wenigstens einem aus TiC und TiC₂ gebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer teilchenverstärkten Titanlegierung gemäß Anspruch 1, wobei die keramischen Teilchen in einen Bereich von 0,1 bis 10 Vol.-% eingeschlossen sind, wenn die gesamte Titanlegierung 100 Vol.-% ist.
Verfahren zum Herstellen einer teilchenverstärkten Titanlegierung gemäß Anspruch 1, wobei eine durchschnittliche Teilchengröße des keramischen Teilchens in einen Bereich von 0,5 bis 50 μm ist.