DE10329899B3 - Beta titanium alloy, process for producing a hot rolled product from such alloy and its uses - Google Patents
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Abstract
Description
Beta-Titanlegierungen mit hohen Vanadiumgehalten zeichnen sich durch gute Fertigkeiten bei gleichzeitig guter Zähigkeit bzw. Duktilität aus. Sie werden üblicherweise in einem Warmformgebungsverfahren zu Halbzeugen, wie Blechen, Stäben, Hohl- oder Vollprofilen, Drähten, verarbeitet, aus denen dann hochwertige Leichtbaukomponenten hergestellt werden.Beta titanium alloys with high vanadium contents are characterized by good skills with good toughness at the same time or ductility out. They usually become in a thermoforming process to semi-finished products, such as sheets, rods, hollow or solid profiles, wires, processed, from which then produced high quality lightweight components become.
Die Grundlagen der Herstellung und Eigenschaften von Beta-Titanlegierungen sind in U. Zwicker "Titan- und Titanlegierungen", Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1974 erläutert. Neben Titan als Matrixmetall enthalten demnach Beta-Titanlegierungen als den krz β-Mischkristall stabilisierende Hauptlegierungselemente üblicherweise V, Nb, Ta, Mo, Fe und Cr sowie gewisse Gehalte an Zr, Sn, Al und Zusätze an Si.The Fundamentals of the production and properties of beta titanium alloys are in U. Zwicker "titanium and titanium alloys ", Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1974 explained. In addition to titanium Accordingly, beta-titanium alloys as the matrix metal contain as the krz β-mixed crystal stabilizing Main alloying elements usually V, Nb, Ta, Mo, Fe and Cr as well as certain Zr, Sn, Al and additions at Si.
Eine
Beta-Titanlegierung und ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen
aus dieser Legierung sind auch aus der
Weitere
Beispiele für
Beta-Titanlegierungen sind in der AT-PS 272 677, der
Die Praxis zeigt jedoch, dass die bekannten Legierungen einerseits hinsichtlich ihrer Festigkeiten und andererseits hinsichtlich ihres Dehnungsverhaltens die von den Verarbeitern und Verwendern gestellten Anforderungen nicht ausreichend erfüllen.The Practice shows, however, that the known alloys on the one hand in terms of their strength and on the other hand with regard to their elongation behavior the requirements of processors and users do not sufficiently fulfill.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine hochfeste Beta-Titanlegierung mit guten plastischen Eigenschaften vor der Aushärtung zum Zwecke einer guten Umformbarkeit sowie hoher Dauerfestigkeit nach der Aushärtung zu schaffen, die sich kostengünstig erzeugen lässt. Darüber hinaus sollte ein Verfahren angegeben werden, mit dem sich aus einer solchen Legierung hochbelastbare Bauteile kostengünstig herstellen lassen.Of the The invention was therefore based on the object, a high-strength beta-titanium alloy with good plastic properties before curing for the purpose of good Formability and high fatigue strength after curing create, which is cost-effective can generate. About that In addition, a method should be specified, with which a Such components produce high-strength components cost-effective to let.
In Bezug auf den Werkstoff wird diese Aufgabe durch eine Beta-Titanlegierung gelöst, die (in Masse-%) V: 10 – 17 %, Fe: 2 – 5 %, Al: 2 – 5 %, Mo: 0, 1 – 3 %, sowie optional eines oder mehrere Legierungselemente aus der Gruppe Sn, Si, Cr, Nb, Zr gemäß folgender Maßgabe: Sn: 0,1 – 3 %, Si: 0,1 ≤ 2 %, Cr: ≤ 2 %, Nb: ≤ 2 %, Zr: ≤ 2, wobei die Beta-Titanlegierung zusätzlich Gehalte an C und an Elementen der Gruppe der Lanthanide aufweisen kann, und als Rest Ti und unvermeidbare Verunreinigungen enthält.In Regarding the material, this task is achieved by a beta-titanium alloy solved, the (in mass%) V: 10 - 17 %, Fe: 2 - 5 %, Al: 2 - 5 %, Mo: 0, 1 - 3 %, and optionally one or more alloying elements from the Group Sn, Si, Cr, Nb, Zr according to the following provided that: Sn: 0.1-3 %, Si: 0.1 ≤ 2%, Cr: ≤ 2%, Nb: ≤ 2%, Zr: ≤ 2, the beta titanium alloy additionally contains levels of C and Elements of the group of lanthanides may have, and as the rest Ti and unavoidable impurities.
Eine erfindungsgemäß zusammengesetzte Beta-Titanlegierung erreicht bei Raumtemperatur sicher eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 1400 MPa, eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 1500 MPa und eine plastische Dehnung εp0,2 von mehr als 4 %. Dabei übersteigt ihre Dichte ρ 4,8 g/cm3 nicht, so dass sich mit einer erfindungsgemäßen Beta-Titanlegierung nicht nur extrem feste, sondern auch gewichtsoptimierte Bauteile erzeugen lassen.At room temperature, a beta-titanium alloy composed according to the invention certainly achieves a yield strength R p0.2 of at least 1400 MPa, a tensile strength R m of at least 1500 MPa and a plastic strain ε p0.2 of more than 4%. Their density ρ does not exceed 4.8 g / cm 3 , so that not only extremely solid but also weight-optimized components can be produced with a beta titanium alloy according to the invention.
Dies wird zum einen dadurch erreicht, dass die erfindungsgemäße Legierung Vanadium-Gehalte aufweist, die deutlich über denen liegen, die beim Stand der Technik in Beta-Titanlegierungen vorgesehen sind. Durch die hohen V-Gehalte wird die β-Phase des Gefüges stabilisiert und die Warmfestigkeit erhöht. Daher liegt der V-Gehalt in einer erfindungsgemäßen Legierung bevorzugt im Bereich von 12 – 17 Masse-%, insbesondere im Bereich von 13 – 17 Masse-%.This is achieved, on the one hand, by the fact that the alloy according to the invention Vanadium levels that are significantly higher than those in the state the technology are provided in beta titanium alloys. By the high V contents becomes the β-phase of the structure stabilizes and increases the heat resistance. Therefore, the V content is in an alloy according to the invention preferably in the range of 12-17% by mass, especially in the range of 13 - 17 Dimensions-%.
Gehalte von 2 – 5 Masse-% Aluminium stabilisieren die α-Phase des Gefüges und bewirken eine effektive Mischkristallhärtung.contents from 2 - 5 Mass% of aluminum stabilize the α-phase of the structure and cause an effective Solid solution hardening.
Die Wirkung des Eisens in der erfindungsgemäß zusammengesetzten Titanlegierung besteht in einer Stabilisierung der β-Phase des Gefüges, einer Erhöhung der Warmfestigkeit und einer Verbesserung der Mischkristallbildung.The Effect of the iron in the titanium alloy composed according to the invention consists in a stabilization of the β-phase of the structure, an increase in the Heat resistance and an improvement of the mixed crystal formation.
Molybdän in Gehalten von 0,1 – 3 Masse-%, bevorzugt mindestens 0,5 Masse-%, ist in einem erfindungsgemäßen Titanwerkstoff enthalten, um die β-Phase des Gefüges zu stabilisieren und die Warmfestigkeit zu erhöhen.Molybdenum in contents of 0.1 to 3% by mass, preferably at least 0.5% by mass, is contained in a titanium material according to the invention in order to obtain the Stabilize β-phase of the microstructure and increase the heat resistance.
Optional enthält eine erfindungsgemäße Beta-Titanlegierung darüber hinaus eines oder mehrere Legierungselemente aus der Gruppe Sn, Si, Cr, Nb, Zr.optional contains a beta-titanium alloy according to the invention about that addition of one or more alloying elements from the group Sn, Si, Cr, Nb, Zr.
Die Anwesenheit von Zinn wirkt sich dabei günstig auf die Mischkristallhärtung und die Warmfestigkeit aus. Daher liegen die Sn-Gehalte bevorzugt im Bereich von 0,5 – 3 Masse-%.The Presence of tin has a favorable effect on solid solution hardening and the heat resistance. Therefore, the Sn contents are preferably in the Range of 0.5 - 3 Dimensions-%.
Silizium erhöht in einer erfindungsgemäßen Legierung die Warmfestigkeit und die Oxidationsresistenz.silicon elevated in an alloy according to the invention the heat resistance and the oxidation resistance.
Chrom kann der Legierung zugegeben werden, um die β-Phase des Gefüges zu stabilisieren und die Warmfestigkeit zu erhöhen.chrome can be added to the alloy to stabilize the β-phase of the structure and to increase the heat resistance.
Zugaben an Niob haben darüber hinaus einen günstigen Einfluss auf die Warmfestigkeit und die Oxidationsresistenz der Legierung.additions at niobium have about it Beyond a cheap one Influence on the heat resistance and the oxidation resistance of the Alloy.
Schließlich kann es zur Verbesserung der Mischkristallbildung und der Oxidationsresistenz auch vorteilhaft sein, der erfindungsgemäßen Legierung Zirconium zuzugeben.Finally, can it also improves solid solution formation and oxidation resistance be advantageous to add zirconium alloy of the invention.
Neben den voranstehend hinsichtlich ihrer Wirkung im Einzelnen erläuterten Bestandteilen kann die erfindungsgemäße Legierung weitere Bestandteile enthalten, solange diese die erfindungsgemäß erzielten Eigenschaften nicht negativ beeinflussen. In diesem Zusammenhang zu nennen sind insbesondere Gehalte an Kohlenstoff und Gehalte an Elementen, die der Gruppe der Lanthaniden zugeordnet sind.Next the above with regard to their effect explained in detail Ingredients, the alloy of the invention further constituents included, as long as they do not meet the properties achieved according to the invention influence negatively. In this connection are to be mentioned in particular Contents of carbon and contents of elements belonging to the group are assigned to the lanthanides.
Optimale Eigenschaften der erfindungsgemäßen Beta-Titanlegierungen stellen sich dann ein, wenn die voranstehend angegebenen Grenzwerte auf mindestens zwei Dezimalstellen genau eingehalten werden.optimal Properties of the beta titanium alloys according to the invention then settle if the above limits on at least two decimal places are kept exactly.
In Bezug auf das Verfahren wird die oben angegebene Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der Herstellung eines aus einer Beta-Titanlegierung erzeugten Produktes folgende Arbeitsschritte durchlaufen werden:
- – Erschmelzen einer erfindungsgemäß beschaffenen Beta-Titan-Schmelze zu einem blockförmigen Vorprodukt,
- – Warmumformen des Vorprodukts,
- – Warmendumformen des warmumgeformten Vorprodukts zu einem Warmendprodukt,
- – Lösungsglühen des Warmendproduktes,
- – Kaltumformen des Warmendproduktes zu einem Endprodukt,
- – Aushärtungsbehandlung des Endproduktes.
- Melting a beta-titanium melt according to the invention into a block-shaped intermediate product,
- Hot forming of the precursor,
- Thermoforming the thermoformed precursor to a final thermoformed product,
- Solution heat treatment of the hot end product,
- Cold working of the final finished product into a final product,
- - Curing treatment of the final product.
Dabei kann die Warmumformung für die Herstellung von Bändern oder Blechen als Warmwalzen ausgeführt werden, an das sich erforderlichenfalls ein Haspeln anschließen kann.there can hot forging the production of ribbons or sheets are carried out as hot rolling, to which, if necessary, a Connect reels can.
Besonders kostengünstig lässt sich die erfindungsgemäße Ti-Legierung dadurch erzeugen, dass die Legierungselemente V, Fe und Al in an sich bekannter Weise nicht einzeln, sondern in Form einer Vorlegierung zulegiert werden. Derartige Vorlegierungen sind im Handel erhältlich.Especially economical let yourself the Ti alloy according to the invention by generating the alloying elements V, Fe and Al in known manner not individually, but in the form of a master alloy be alloyed. Such master alloys are commercially available.
Das durch das erfindungsgemäße Verfahren nach der Warmendumformung erhaltene Warmendprodukt besteht aus einphasigem, metastabilen Beta-Titan, dessen Transustemperatur TB bei ca. 788 °C liegt. Wird das Warmendprodukt durch Warmwalzen erzeugt, so weist es in Walzrichtung gestreckte Kristalle auf und besitzt ein teilweise dynamisch rekristallisiertes Gefüge.The hot end product obtained by the process according to the invention after thermoforming consists of single-phase, metastable beta titanium whose transus temperature T B is about 788 ° C. When the hot end product is produced by hot rolling, it has stretched crystals in the rolling direction and has a partially dynamically recrystallized structure.
Das im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens verarbeitete blockförmige Vorprodukt wird durch ein Umschmelzen gewonnen. Dazu kann in an sich bekannter Weise ein Vakuumumschmelzofen ("Vacuum Arc Remelt – Ofen") eingesetzt werden.The in the course of the process according to the invention processed block-shaped Precursor is obtained by remelting. This can in itself a vacuum remelting furnace ("Vacuum Arc Remelt oven") can be used.
Bei dem Vorprodukt kann es sich beispielsweise um Rundblöcke handeln, die dann im Zuge der Warmumformung zu Knüppeln oder Platinen warmumgeformt werden. Knüppel dieser Art sind typischerweise vierkantförmig mit Kantenlängen von beispielsweise 70 mm oder rund mit einem Durchmesser von beispielsweise 60 mm ausgebildet.at the precursor may, for example, be round blocks, then hot formed into billets or blanks during hot forming become. stick These types are typically square with edge lengths of for example, 70 mm or round with a diameter of for example 60 mm formed.
Die Warmendumformung wird typischerweise bei Umformtemperaturen durchgeführt, die im Bereich von 950 °C bis 1150 °C liegen, um eine effektive Querschnittsreduzierung und eine Homogenisierung der Zusammensetzung und des Gefüges zu erreichen.The Hot forming is typically performed at forming temperatures that in the range of 950 ° C up to 1150 ° C to achieve effective cross-sectional reduction and homogenization of the Composition and structure to reach.
Für den Fall, dass die Warmendumformung als Warmwalzen durchgeführt wird, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass das Warmendprodukt nach der Warmendumformung lösungsgeglüht wird. An die Lösungsglühung schließt sich die Kaltumformung an. Die Lösungsglühung erfolgt typischerweise für 30 Minuten bei 875 °C.In the case, the hot forming is carried out as hot rolling, sees an advantageous embodiment of the method according to the invention in that the final product is solution annealed after thermoforming. The solution annealing closes the cold forming on. The solution annealing takes place typically for 30 minutes at 875 ° C.
Zur weiteren Steigerung der Werte der mechanischen Eigenschaften wird das ggf. lösungsgeglühte Warmendprodukt rekristallisierend geglüht. Die Temperaturen während dieser Glühbehandlung liegen bei Haltezeiten von 20 bis 40 Minuten typischerweise im Bereich von 775 °C bis 875 °C.to further increase the values of the mechanical properties the optionally solution-annealed hot end product annealed recrystallizing. The Temperatures during this annealing treatment lie typically at range for holding times of 20 to 40 minutes of 775 ° C up to 875 ° C.
Anschließend erfolgt die Kaltumformung, beispielsweise durch Kaltwalzen. Das nach der Kaltumformung erhaltene Endprodukt besitzt eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 870 MPa bis 900 MPa, eine Zugfestigkeit Rm, die 890 MPa bis 944 MPa beträgt, sowie eine plastische Dehnung von 14 – 17 %.Subsequently, the cold forming takes place, for example by cold rolling. The final product obtained after cold working has a yield strength R p0.2 of at least 870 MPa to 900 MPa, a tensile strength R m which is 890 MPa to 944 MPa, and a plastic elongation of 14-17%.
Nachdem das rekristallisierend geglühte Walzprodukt dann einer Aushärtungsbehandlung unterzogen worden ist, weist das erhaltene Produkt eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 1.400 MPa, eine Streckgrenze Rm von mindestens 1.500 MPa und eine Dehnung εp1 von mindestens 4 % auf. Bei einer Behandlungsdauer von typischerweise 5 Stunden liegt die typische Temperatur der Aushärtungsbehandlung bei ca. 480 °C. Bei Einhaltung dieser Zeit- und Temperaturvorgaben stellt sich ein optimales Eigenschaftsspektrum der erfindungsgemäß erzeugten Endprodukte ein.After the recrystallized annealed rolled product is then subjected to a curing treatment, the product obtained has a yield strength R p0.2 of at least 1400 MPa, a yield strength R m of at least 1500 MPa and an elongation ε p1 of at least 4%. At a treatment time of typically 5 hours, the typical temperature of the curing treatment is about 480 ° C. In compliance with these time and temperature specifications, an optimal range of properties of the end products according to the invention is established.
Aus einer erfindungsgemäß beschaffenen Beta-Titanlegierung lassen sich Halbzeuge, wie Platinen, Bleche, Stäbe, Profile oder Drähte herstellen, die sich aufgrund ihres Eigenschaftsprofils hervorragend zu hoch belastbaren Bauelementen eignen. Dabei lassen sich die Halbzeuge insbesondere durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kostengünstig erzeugen.Out a beta-titanium alloy according to the invention can produce semi-finished products, such as blanks, sheets, rods, profiles or wires, the due to their property profile, outstandingly resilient Components are suitable. In this case, the semi-finished products in particular produce cost by applying the method according to the invention.
Als besonders geeignet erweisen sich erfindungsgemäße Beta-Titanlegierungen als Konstruktionswerkstoff für die Fertigung von Komponenten, die bei schienen- oder straßengebundenen Fahrzeugen sowie in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Als Beispiele für diese Verwendung sind Achsfedern, Pleuel, Kolbenbolzen, hochfeste Schrauben, Bremskolben und -scheiben zu nennen.When Beta-titanium alloys according to the invention prove to be particularly suitable as a construction material for the Manufacture of components used on rail or road Vehicles and in aerospace. When examples for These uses are axle springs, connecting rods, piston pins, high-strength To name screws, brake pistons and washers.
Ebenso eignen sich erfindungsgemäße Beta-Titanlegierungen aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften besonders gut zur Herstellung von Komponenten, die im Bereich des allgemeinen Maschinenbaus, des Apparatebaus, des Anlagenbaus, des Behälterbaus, der Kryogentechnik, des Fahrzeugbaus oder im Bereich des Sports eingesetzt werden.As well Beta-titanium alloys according to the invention are suitable Due to its special properties it is especially good for the production of components used in the field of general engineering, of Apparatus construction, plant construction, container construction, cryogenics, used in vehicle construction or in the field of sport.
Dabei hat sich gezeigt, dass sich erfindungsgemäß beschaffene Beta-Titanlegierungen insbesondere für die Herstellung von Bauteilen eignen, die im Temperaturbereich von –196 °C bis 300 °C eingesetzt werden.there It has been found that beta-titanium alloys obtained according to the invention especially for the manufacture of components used in the temperature range of -196 ° C to 300 ° C. become.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.
In einem VAR-Ofen sind Rundblöcke, die (Angaben in Masse-%) 15 % V, 4 % Fe, 3 % Al, 1 % Mo, 1 % Sn und 0, 3 % Si, Rest Ti und unvermeidbare Verunreinigungen enthielten, erschmolzen worden, die anschließend in einer Schmiedeoperation zu vierkantförmigen Knüppeln warmverformt worden sind. Beim Legieren der Schmelze sind die Legierungsbestandteile V, Fe und Al in Form einer kostengünstig erhältlichen Vorlegierung gemeinsam dem Matrixwerkstoff Ti zugegeben worden.In a VAR oven are round blocks, the (in mass%) 15% V, 4% Fe, 3% Al, 1% Mo, 1% Sn and 0, 3% Si, balance Ti and unavoidable impurities contained melted which subsequently have been thermoformed in a forging operation to square-shaped billets. At the Alloying the melt are the alloying components V, Fe and Al in the form of a low-cost available Master alloy have been added together to the matrix material Ti.
Nach dem Schmieden sind die Knüppel bei Warmwalztemperaturen, die im Bereich von 1100 °C bis 950 °C lagen, zu Draht warmgewalzt und anschließend zu Coils gehaspelt worden. Nach dem Warmwalzen wies der Draht einphasiges metastabiles β-Titan (Transustemperatur Tβ ca. 788 °C) mit in Richtung der Drahtachse gestreckten Kristalliten und teilweise dynamisch rekristallisiertem Gefüge auf.After forging, the billets are hot rolled into wire at hot rolling temperatures ranging from 1100 ° C to 950 ° C, and then coiled into coils. After hot rolling, the wire had single-phase metastable β-titanium (transus temperature T β about 788 ° C.) with crystallites stretched in the direction of the wire axis and partially dynamically recrystallized microstructure.
Im Anschluss an das Haspeln ist der Draht bei 875 °C für 30 Minuten lösungsgeglüht worden. Im Anschluss an die Lösungsglühung erfolgte die Kaltumformung des Drahtes. Nach der Kaltumformung ist der Draht bei Temperaturen, die zwischen 775 °C und 875 °C lagen, bei einer Haltedauer, die im Bereich von 20 Minuten bis 40 Minuten lag, rekristallisierend geglüht worden. Der derart geglühte Draht wies eine zwischen 870 MPa und 900 MPa liegende Dehngrenze Rp0,2, eine zwischen 890 MPa – 944 MPa liegende Zugfestigkeit Rm und eine zwischen 14 % – 17 % liegende Dehnung A auf. An die Rekristallisationsglühung schloss sich eine Aushärtungsbehandlung an, bei der der Draht für 5 Stunden bei 480 °C gehalten worden ist.Following the coiling, the wire was solution annealed at 875 ° C for 30 minutes. After the solution annealing the cold forming of the wire took place. After cold working, the wire was recrystallized at temperatures ranging from 775 ° C to 875 ° C with a holding period ranging from 20 minutes to 40 minutes. The as-annealed wire had a yield strength R p0.2 between 870 MPa and 900 MPa, a tensile strength R m between 890 MPa - 944 MPa, and an elongation A between 14% -17 %. The recrystallization annealing was followed by a curing treatment in which the wire was held at 480 ° C for 5 hours.
Der derart fertig behandelte Draht wies bei Raumtemperatur eine Dehngrenze Rp0,2 von mehr als 1400 MPa, eine Zugfestigkeit Rm von mehr als 1500 MPa und eine Dehnung A auf, die mindestens im Bereich von 4 % bis 5 % lag.The thus finished wire had at room temperature a yield strength R p0.2 of more than 1400 MPa, a tensile strength R m of more than 1500 MPa and an elongation A which was at least in the range of 4% to 5%.
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