CH457874A - Verfahren zur Wärmebehandlung einer Titanlegierung - Google Patents

Description

  Verfahren zur Wärmebehandlung einer     Titanlegierung       Die     vorliegende        Erfindung    bezieht     sich    auf     ein,    Ver  fahren     zur        Wärmebehandlung    von     Titanilegierungen.     



  Obwohl     zahlreiche        Titanl'egierungen        mit    Eigenschaf  ten     entwickelt    wurden,     welche    sie zur Verwendung als       Konstruktionsmaterial        befähigen,    weisen sie     adle    den  Nachteil auf, dass, wenn sie sich in     Gleitberührung    unter       Befastung    befinden, die     µeitenden        Oberflächen        dazu     neigen,     aneinander        zu    haften,

   das     !heisst        sich    festzufres  sen. Die     Erzie'lun'g    einer harten     Oberfläche    auf     Titan-          d'egierungen    ist auch im Hinblick auf die     Verschleiss-          festigkeit    bewegter Teile     wünschenswert.    Es     wurden          zahlreiche        Verfahren        entwickelt,    um das     genannte    Fest  fressen zu     verhindern,    u. a.

   auch die     Bildung        einer    har  ten     Oberflächenschicht    durch     Induktionshärtung    ge  wisser     Titankgierungen    oder durch     Imprägnieren    der       Metadloberfdiäche    mit     härtenden    Elementen.

   Im letz  teren     Fahl    besteht die     Tendenz,    dass die     gehärtete          Schicht    entweder bei hohen Temperaturen metallurgisch       unstabil!    ist oder     dass    sie     brüchig        wird.    und bei der Ver  arbeitung von der Oberfläche     absplittert.     



  Im     Hauptpatent    Nr. 395 553     wird    ein Verfahren zur       Wärmebehandlung    einer     Titanfegierung,    welche 0,6 bis  1,2     %        Beryllium        enthält,    beschrieben,     welches        dadurch          gekennzeichnet    ist,

   dass     die    Legierung auf eine     Tempe-          htur    zwischen 820  C und     der        oberen    Temperatur  grenze des     f-Phasen-Gebietes    der Legierung     erwärmt     und     anschfessend        durch        Abschrecken    in einem     flüssigen     Medium rasch     gekühlt    wird.  



  Es     wurde    nun gefunden, dass durch     eine        Änderung     der Zusammensetzung der Legierung durch Zusatz wei  terer     Legierungselemente    Verbesserungen der     Härtungs-          eigenschaften    der     Legierung    erzielt werden.  



  Vorliegende     Erfindung        betrifft    ein     Verfahren    zur       Wärmebehandlung    einer     Titanlegierung,    welche zwi  schen 0,5     und        1,0%        Beryllium        und    zwischen 0,25 und       2,0%        Modybdän        und/oder        zwischen    0,25 und     2,0%          Silizium    enthält,     welches    dadurch     gekennzeichnet        ist,

       dass die     Legierung    auf eine Temperatur zwischen 875       und    1200  C erwärmt     und    anschliessend durch Ab-    schrecken in einem flüssigen Medium rasch gekühlt  wird.  



  Die Dauer, während     welcher    die     Legierungen    auf  die hohe Temperatur erwärmt werden, ist     nicht    kritisch;  5     Minuten    nach Erreichung der erforderlichen     Tempe-          rätur    genügen     üblicherweise.     



  Als Resultat dieser     Wärmebehandlung    werden die  Legierungen insbesondere an     der    Oberfläche gehärtet  und     gefestigt,    und das Ausmass, in welchem dies,<B>ge-</B>  schieht, ist von der Zeitspanne,     während        welcher    das  Material bei der     erforderlichen    Temperatur gehalten  wird, unabhängig, jedoch abhängig von der Geschwin  digkeit, mit welcher von dieser Temperatur herunter  gekühlt wird.  



       Eine    hohe     Kühlgeschwindigkeit,    wie sie beispiels  weise durch Abschrecken in     eisgekühlter    Sode oder in  Wasser     erzielt    wird,     führt    zu einem hohen     Häirtun:gsgrad     der     Oberfläche.    Bei geringeren     Kühlgeschwindigkeiten,     z.

   B.     durch    Abschrecken in Öl, werden     geringere    Ober  flächenhärten     erhalten.    Bei     Material,    das nicht in dün  nen     Blättern    vorliegt, bleibt das Innere des     Metalls        (im          folgenden    als Kern bezeichnet)     verhältnismässig    weich.

    Bei     dünnen    Blättern kann die Tiefe der Härtung so  gross sein,     .dass    die     ganze    Dicke des Materials     durch-          drungen        wird,    doch.     wird    in den meisten Fällen die  Härte des Kernes geringer sein als diejenige der Ober  fläche.  



  Die     erfindungsgemässen        Legierungen    härten tiefer  ins Innere     als    die oben -erwähnten     binären        Titan-Ber@l-          lium-Legierungen    des     Hauptpatentes.    Beispielsweise  wurden Proben in Form von Stäben von 9,5 mm Durch  messer und 50,8 mm Länge aus     Titanlegierungen    mit  0,8     Be,    1 % Mo bzw. 0,8 %     Be,    2 % Mo auf eine Tem  peratur von 1000  C     erhitzt    und in     eisgekühlter    Sole ab  geschreckt.

   Die     Härte    dieser Proben     betrug        mehr    als  450     Vickers-Härte-Einheiten    (V. D. P. H.) über den       ganzen    Querschnitt und über 500 V. D. P.

   H. an der       Oberfläche    des Stabes.     Eine    ähnliche Probe aus der       binären        Titan-Beryllium-Legiierung    mit 0,8     %        Be,        welche          demselben        Wärmebehandlung        unterzogen        wurde,    härtete      an der     Oberilädh,e    auf     über    500 V. D. P. H., wies jedoch  in der     Mitte    des Querschnittes     eine    Härte von 337  V D. P. H. auf.  



  Die     Wirkungen    der härtenden Wärmebehandlung  auf     ternäre        molybdänh.altige    Legierungen und auf eine  binäre     Titan-Beryllium-Legierung    sind in     Tabelle    I ver  gleichsweise zusammengestellt, in welcher die V. D. P.     H.-          Werte    angeführt sind.

   Diese     Werte    wurden in     einer    Tiefe  von 1,3 mm unter der ursprünglichen     Oberfläche    ge  messen, um die     Einwirkung    von     Verunreinigungen    an  der     Oberfläche    auszuschalten,     welche        während        des        Här-          tens    auftreten können.

   Es ist zu beachten, dass verschie  dene     Härtegrade    erzielt worden, je nachdem das Ab  kühlen     durch:    Luftkühlung oder     durch        Abschrecken    in       Öl.    oder in eisgekühlter     Sole    erfolgt.  



  In     Tabelle        II    sind Härtewerte     angeführt,        welche    an  verschiedenen     Stellen    des     Querschnitts    von Proben mit  einem     Durchmesser    von 9,

  5 mm aus der binären     Titan-          Beryllium-Legierung    und aus einer     molybd'änhaltigen          ternären    Legierung gemessen     wurden.        Obwohl.    die     ter-          riäre        Legierung    weniger     drastisch    abgeschreckt wurde  als .die     binäre        Legierung,

          wurde    die     ternäre        Legie-          rung    im     Querschnitt    stärker gehärtet     als    die     binäre    Le  gierung, bei     welcher    hohe     Härtegrade        nur    an der Ober  fläche gefunden     werden.     



  Tabelle     III    zeigt     Härtewerte,        welche    an     einer        Reihe          von,        ternären        Legierungen    bestimmt     wurden,        welche    den       Beta-Stabilisator        Malybdän        enthielten    und von l000  C  in eisgekühltes     Wasser        abgeschreckt        wurden.    Diese         Werte    wurden in der     Nähe    des Randes,

   in der Mitte und  an zwei     dazwischenliegenden        Stellen    des     Querschnitts     eines Stabes von 9,5     mm        Durchmesser    gemessen. Es ist       ersichtlich,    dass eine Erhöhung des     Molybdängehaltes     eine     Erhöhung    der     Härte    über den     ganzen    Querschnitt       hervorruft.     



  Um ein     geeignetes        Härtegefälle    zwischen der Ober  fläche und dem Kern in kleinen     Gegenständen    oder sol  chen von geringer Dicke zu erhalten, kann     es    von Vor  teil[     sein,        Legierungszusammensetzungen    zu     wählen,

      in  welchen sich der     Molfybdän-        und/oder        Siliziumgehralt    im  unteren Teil des Bereiches     befindet.        Anderseits    können       grosse        Gegenstände    oder solche mit     beträchtlicher    Dicke  eine     Legierungszusammensetzung    aus dem oberen Teil  des Bereiches erfordern.  



  Nach dem     Härten    durchgeführte zusätzliche Wärme  behandlungen haben ergeben, dass kaum ein namhafter  Verlust an Härte     eintreten    wird, wenn die     gehärtete          Legierung    im Gebrauch auf     Temperaturen    unterhalb  400  C     erwärmt    wird.

   Werden die gehärteten Legierun  gen auf höhere Temperaturen, bis zu 800  C,     erhitzt,    so       tritt        eine        Abnahme    der Härte     eiirr.    Die Resultate des     Er-          wärmens        erfindungsgemäss    gehärteter Legierungen auf       verschiedene        Temperaturen,    z. B. 400 und 600  C wäh  rend     verschiedener    Dauer,     sind        graphisch    in     Fig.    1 dar  gestellt.

   In     dieser        Figur    zeigen die Kurven     1-1.    die     Ab-          hängigkeit    der Härte derselben Titan     Molybdän        Beryl-          lium-Legierung    von der Dauer und     Temperatur    eines  nach der     Härtung    erfolgten     Temperns,    wobei die     Le-          gierung    bei verschiedenen     Temperaturen        gehärtet        wurde:

       
EMI0002.0140     
  
    Kurve <SEP> Nr. <SEP> Härtung <SEP> Tempern <SEP> Zeichen
<tb>  1 <SEP> 1000  <SEP> C; <SEP> Abschrecken <SEP> in <SEP> 600  <SEP> C <SEP> X
<tb>  eisgekühlter <SEP> Sole
<tb>  2 <SEP> 1000  <SEP> C; <SEP>   <SEP> 400,  <SEP> C <SEP> +
<tb>  3 <SEP> 875  <SEP> C; <SEP> a <SEP> 600<B>0</B> <SEP> C
<tb>  4 <SEP> 875  <SEP> C;

   <SEP>   <SEP> 40.00 <SEP> C <SEP> O+       Gleichzeitig wird in     Fig.    1 die     Einwirkung        des    Ab  schreckens von zwei     verschiedenen        Temperaturen    auf  die Härte der     erfindungsgemässen        Legierung        durch,    die  Härtewerte     bei:

      der Zeit 0 gezeigt,     und        es        isst        offen-          sichtlich,    dass eine     Temperatur    von l000  C     höhere          Oberflächenhärte    hervorruft als     eine    Temperatur von  875  C.  



       Silizium    übt     in    der Erzeugung höherer Härten als  Zusatz zu binären     Titan-Beryllium-Legierungen        .einen          ähnlichen        Einfluss    aus wie     Molybdän.    Die     Wirkung    von       verschiedenen    Mengen     Silizium    auf die Härtewerte<B>im</B>       Querschnitt    eines Stabes von 9,5 mm Durchmesser,  welcher von 1000  C     in    Eiswasser abgeschreckt     wurde,     ist in Tabelle IV gezeigt.

   Es ist     aufschllussreich,        diese          Werte    mit denen für die binäre     Legierung    in Tabelle     II     zu     vergleichen.        Fig.2    der beiliegenden     Zeichnungen     zeigt die Härtewerte der 0,6 % Silizium.

       enthaltenden          ternären    Legierung aus Tabelle IV     in        graphischer        Dar-          stellung.    Das     deutliche    Härtegefälle ist     in        Fig.    2 gut er  sichtlich.  



       Silizium    kann auch     nur    einen Teil des     Molybdäns     ersetzen, so     d'ass    eine     quaternäre        Legierung    erhalten  wird.

       Ähnliche        Härten        und        Gefalle    wie diejenigen der       ternären        Legierungen        werden    auch bei     diesen    .quater-         nären    Legierungen     erzielt.    Eine     quaternäre        Titanlegie-          ruug,        welche    1 %     Beryllium,

      1     %        Molybdän    und 1 %     Siti-          zium        enthält,    wurde in Form     eines    Probestückes mit       einem        Querschnitt    von 12,7 mm in Übereinstimmung  mit dem     erfindungsgemässen        Verfahren    der     Wärme-          behandlung        unterzogen.    Die     Härtemessungen    ergaben  Werte von 535 V. D. P.     H.-Graden    in der Nähe der  Oberfläche bis hinab     auf    350 V.

   D. P.     H.-Graden        am          Kern.     



  DieRTI ID="0002.0229" WI="26" HE="4" LX="1242" LY="2151">  mikrostrukturelle        Untersuchung        der    Probestücke  zeigte,     da@ss    das     gehärtete    Material     in    dien binären     Legie-          rungen    auf die     Oberflächenschichten        beschränkt    war,       während    die     ternären        Legierungen    im ganzen Quer  schnitt     durchgehärtet    waren.  



  Die obigen     ternären    und     quaternären    Legierungen  weisen     eine        mässig        hohe        Zugfestigkeit    von etwa  787,36     kg/cm2    (50     tons/sq.        in.)    bei     vernünftiger        Duktili-          tät    auf, nachdem sie der     :

  erfindungsgemässen    Wärme  behandlung unterzogen     wurden,    wobei die     erhaltenen          Werte    von     der        Art    des     Abschreckens    abhängen.

   Diese       Legierungen        lassen    sich im weichen Zustand leicht be  arbeiten, und die     harte        Oberfläche    kann     sodann    mit       Hilfe        der        hierin    beschriebenen     Wärmebehandlung        er-          zeugt        werden.       
EMI0003.0001     
  
    <I>Tabelle <SEP> 1</I>
<tb>  Vickers-Härte-Werte, <SEP> gemessen <SEP> in <SEP> einer <SEP> Tiefe <SEP> von <SEP> 1,

  3 <SEP> mm <SEP> unter <SEP> der <SEP> Oberfläche
<tb>  Härte <SEP> in <SEP> Bei <SEP> 875o <SEP> C <SEP> Erwärmt <SEP> auf <SEP> 875o <SEP> C <SEP> Erwärmt <SEP> auf <SEP> 1000o <SEP> C
<tb>  Zusammen- <SEP> geschmiedetem <SEP> ausgeglüht <SEP> und <SEP> In <SEP> eisgekühlter <SEP> In <SEP> eisgekühlter
<tb>  Setzung <SEP> und <SEP> gewalztem <SEP> langsam <SEP> In <SEP> Öl <SEP> Sole <SEP> Luftgekühlt <SEP> In <SEP> Z51 <SEP> Sole
<tb>  Zustand <SEP> gekühlt <SEP> abgeschreckt <SEP> abgeschreckt <SEP> abgeschreckt <SEP> abgeschreckt
<tb>  Ti <SEP> 0" <SEP> 8 <SEP> % <SEP> Be <SEP> 257 <SEP> 179 <SEP> 267 <SEP> 304 <SEP> 283 <SEP> 341 <SEP> 417
<tb>  Ti-0,8 <SEP> % <SEP> Be- <SEP> 285 <SEP> 225 <SEP> 358 <SEP> 437 <SEP> 347 <SEP> 445 <SEP> 515
<tb>  1 <SEP> % <SEP> Mo
<tb>  Ti-0,

  8 <SEP> % <SEP> Be- <SEP> 283 <SEP> 205 <SEP> 266 <SEP> 373 <SEP> 290 <SEP> 323 <SEP> 502
<tb>  2 <SEP> % <SEP> Mo

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Verfahren zur Wärmebehandlung einer Titanlegie- rung, welche zwischen 0,5 und 1,0 % Beryllium und zwi schen 0,25 und 2,0% Modybdän und/oder zwischen 0,25 und 2,0% Silizium enthält, dadurch gekennzeilchr net,

   dass die Legierung auf eine Temperatur zwischen 875 und 1200 C erwärmt und anschliessend durch Ab schrecken in einem flüssigen Medium rasch gekühlt wird.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge- EMI0003.0032 <I>Tabelle <SEP> 11</I> <tb> Vickers-Härte-Werte, <SEP> gemessen <SEP> im <SEP> Querschnitt <SEP> von <SEP> Ti-Legierungen <SEP> mit <SEP> 0,8 <SEP> % <SEP> Be <SEP> und <SEP> mit <SEP> 0,8 <SEP> % <SEP> Be-1 <SEP> % <SEP> Mo <tb> Legierung <SEP> Wärmebehandlung <SEP> Härte <SEP> <B>(V. <SEP> D.</B> <SEP> P.

   <SEP> H.) <tb> An <SEP> der <tb> Oberfläche <SEP> Zwischen <SEP> Oberfläche <SEP> und <SEP> Mitte <SEP> In <SEP> der <SEP> Mitte <tb> Ti-0,8 <SEP> % <SEP> Be <SEP> Von <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> in <SEP> eisgekühlter <SEP> 505 <SEP> 411 <SEP> 381 <SEP> 337 <tb> Sole <SEP> abgeschreckt <tb> Ti-0,8 <SEP> % <SEP> Be-1 <SEP> % <SEP> Mo <SEP> Von <SEP> 875 <SEP> C <SEP> in <SEP> <B>0'1</B> <SEP> abgeschreckt <SEP> 508 <SEP> 496 <SEP> 465 <SEP> 446 EMI0003.0033 <I>Tabelle <SEP> 111</I> <tb> Härte <SEP> (V. <SEP> <B>D.</B> <SEP> P. <SEP> H.) <SEP> im <SEP> Querschnitt <SEP> eines <SEP> Stabes <SEP> von <SEP> 9,5 <SEP> mm <tb> Mo <SEP> Be <tb> Gew. <SEP> % <SEP> Gew.

   <SEP> % <SEP> Rand <SEP> Mitte <tb> 0,3 <SEP> 0,9 <SEP> 429 <SEP> 383 <SEP> 363 <SEP> 373 <tb> 1,0 <SEP> 0,9 <SEP> 560 <SEP> 525 <SEP> 488 <SEP> 437 <tb> 2,0 <SEP> 0,9 <SEP> 542 <SEP> 508 <SEP> 508 <SEP> 519 EMI0003.0034 <I>Tabelle <SEP> IV</I> <tb> Härte <SEP> (V. <SEP> D. <SEP> P. <SEP> H.) <SEP> im <SEP> Querschnitt <SEP> eines <SEP> Stabes <SEP> von <SEP> 9,5 <SEP> mm <tb> Si <SEP> Be <tb> Gew. <SEP> % <SEP> Gew.

   <SEP> <B>0/"</B> <SEP> Rand <SEP> Mitte <SEP> Rand <tb> 0,3 <SEP> 0,9 <SEP> 566 <SEP> 503 <SEP> 473 <SEP> 450 <SEP> 473 <SEP> 508 <SEP> 566 <tb> 0,6 <SEP> 0,9 <SEP> 566 <SEP> 493 <SEP> 433 <SEP> 4.25 <SEP> 425 <SEP> 450 <SEP> 493 <tb> 1,0 <SEP> 0,9 <SEP> 566 <SEP> 514 <SEP> 473 <SEP> 455 kennzeichnet, dass die Legierung in eisgekühlter Solle ab geschreckt wird. 2.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass die Legierung nach dem Abkühlen auf Zimmertemperatur nochmals auf eine Temperatur unterhalb von 800 C erwärmt wird. PATENTANSPRUCH Il Anwendung .des Verfahrens nach Patentanspruch I bei der Herstellung von Formkörpern,

   welche eine harte Oberfläche und einen im Vergleich hierzu weicheren Kern aufweisen. EMI0004.0001 PATENTANSPRUCH <SEP> III <tb> Gemäss <SEP> dem <SEP> Verfahren <SEP> nach <SEP> Patentanspruch <SEP> I <SEP> er haltene <SEP> Titanlegierung. <tb> UNTERANSPRÜCHE <tb> 3. <SEP> Titanlegierung <SEP> nach <SEP> Patentanfpruch <SEP> III, <SEP> erhalten <tb> nach <SEP> Unteranspruch <SEP> 1. 4. Titanlegierung nach Patentanspruch III, erhalten nach Unteranspruch 2.