DE10062310A1 - Verfahren zur Behandlung metallischer Werkstoffe - Google Patents
Verfahren zur Behandlung metallischer WerkstoffeInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Behandlung metallischer Werkstoffe, insbesondere zur Konsolidierung des Gefüges metallischer Werkstoffe, vorgeschlagen. Das Verfahren umfaßt folgende Verfahrensschritte: DOLLAR A a) Erzeugung eines Rohlings aus metallischem Werkstoff, DOLLAR A b) Erwärmung des Rohlings auf Umformtemperatur sowie DOLLAR A c) Deformierung des Rohlings.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung
metallischer Werkstoffe, insbesondere zur Konsolidierung
des Gefüges metallischer Werkstoffe, sowie einen metal
lischen Rohling.
Bisher verwendete konventionelle Behandlungs- bzw.
Umformtechniken für metallische Werkstoffe zeigen
Konsolidierungsergebnisse, die den an sich gewünschten
Ergebnissen regelmäßig nicht genügen. Spezielle metal
lische Werkstoffe, beispielsweise der Gruppe der Titan
aluminide oder Magnesium-Werkstoffe, weisen nach den
bisher verwendeten konventionellen Behandlungs- bzw.
Umformtechniken, beispielsweise durch Schmieden oder
Strangpressen, immer noch erhebliche chemische und
strukturelle Inhomogenitäten ihres Gefüges auf, die für
bestimmte technische Anwendungen nicht toleriert werden
können. Den bekannten Behandlungs- bzw. Umformtechniken
mangelt es in erster Linie daran, daß mit diesen nur
verhältnismäßig niedrige Umformgrade erreicht werden
können. Dieses ist, beispielsweise wenn die metallischen
Werkstoffe in thermisch und mechanisch hochbelasteten
Bereichen eingesetzt werden sollen, beispielsweise bei
Turbinenschaufels von Strahltriebwerken für Flugzeuge
oder Pleuels für Antriebsaggregate von Automobilen,
nicht hinnehmbar.
Metallische Werkstoffe wie intermetallische Titanalumi
nide sind sehr spröde und damit schwer umformbare
Werkstoffe. Bisher wurden derartige metallische Werk
stoffe ausschließlich über schmelzmetalogische Verfahren
hergestellt, wobei vorwiegend Vakuum-Lichtbogenschmel
zen, Plasmaschmelzen und Induktionsschmelzen angewendet
wird. Obwohl das Schmelzgut meist zwei- bis dreimal
aufgeschmolzen wird, treten in den Gußkörpern erhebliche
Qualitätsmängel auf, die sich vor allem durch ein grob
körniges Gefüge mit einer ausgeprägten Vorzugsorientie
rung der Kristalle, starke Steigerungen (lokale Schwan
kungen in der Zusammensetzung) und das Auftreten von
Poren zeigen. Derartige Mängel treten nicht nur beim
Primärguß beispielsweise von Titanaluminiden auf,
sondern auch bei vielen anderen metallischen Werk
stoffen, so daß sie, wie erwähnt, für eine direkte
Bauteilfertigung aus dem Gußwerkstoff aber nicht geeig
net sind. Der als Primärguß vorliegende Werkstoff muß
daher strukturell und chemisch konsolidiert werden.
Hierzu wird das Hochtemperatur-Umformen durch Schmieden
oder Strangpressen regelmäßig angewendet, wobei vor
allem eine deutliche Verfeinerung des Gefüges und ein
Ausgleich der lokalen Schwankungen in der Zusammenset
zung des Werkstoffs angestrebt wird, wenn es sich
beispielsweise um metallische Legierungen handelt.
Bisher wurde das Gefüge des Gußwerkstoffs durch Rekris
tallisationsvorgänge und Phasenumwandlungen, die während
der Hochtemperatur-Umformung durch die in den Werkstoff
eingetragene mechanische Energie initiiert werden,
konsolidiert. Die Feinheit und Homogenität des nach der
Umformung vorliegenden Gefüges hängt daher neben der
Umformtemperatur und Umformgeschwindigkeit vor allem von
Umformgrad, d. h. dem Ausmaß der bei der Umformung des
Werkstoffs erreichten plastischen Verformung ab. Dieser
Umformgrad ist bei konventionellem einstufigen Schmieden
durch Kompression meist auf eine Höhenreduktion von 90
bis 95% beschränkt. Bei derartigen Umformgraden ent
stehen an der Peripherie des Schmiedekörpers hohe
sekundäre Zugspannungen, die oftmals zur Rißbildung
führen. Dies ist besonders für spröde Werkstoffe, wie
Titanaluminide, problematisch, die deshalb meist nur
wesentlich schwächer umgeformt werden können. Höhere
Umformgrade erfordern mehrstufiges Schmieden, daß sehr
aufwendig ist und außerdem nicht für alle angestrebten
Bauteilformen anwendbar ist.
Besonders nachteilig ist auch, daß für Schmieden ober
halb von 1000°C keine geeigneten Gesenkmaterialien zur
Verfügung stehen. Die bis zu Temperaturen von 1000°C
bisher eingesetzten Molybdänlegierungen können nur unter
Schutzgas betrieben werden, was die praktische Durch
führung der Schmiedungen erschwert und verteuert.
Bei dem für die Umformung ebenfalls bisher angewendeten
Strangpressen können meist deutlich höhere Umformgrade
als beim Schmieden erreicht werden. Auch ist es möglich,
daß durch überlagerte hydrostatische Spannungen auch
spröde Werkstoffe relativ gut umgeformt werden können.
Bei praktischen Anwendungen ist der beim Strangpressen
tatsächlich erreichte Umformgrad allerdings meist durch
die Geometrie des gewünschten Formkörpers auf eine
Querschnittsreduzierung von ca. 10 : 1 beschränkt. Nach
teilig ist zudem, daß für das Strangpressen meist
erheblich höhere Temperaturen als für das Schmieden
erforderlich sind. Werkstoffe, die wie Titanaluminide
gegen Oxidation und Korrosion sehr empfindlich sind,
müssen deshalb für das Strangpressen gesondert gekapselt
werden, was relativ aufwendig und kostenträchtig ist.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit
dem die Behandlung metallischer Werkstoffe in bezug auf
eine gegenüber bisherigen Verfahren weit verbesserte
Konsolidierung deren Gefüges möglich ist, wobei das
Verfahren auch für sehr spröde und damit bisher nur sehr
schwer umformbare Werkstoffe wie intermetallische
Legierungen anwendbar sein soll.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch
folgende Verfahrensschritte:
- a) Erzeugung eines Rohlings aus metallischem Werkstoff,
- b) Erwärmung des Rohlings auf Umformtemperatur sowie
- c) Deformierung des Rohlings.
Rohling im vorbeschriebenen Sinne bedeutet ein Element
aus metallischem Werkstoff der oben beschriebenen Art,
der soweit, gegebenenfalls durch mehrfaches Schmelzen,
behandelt worden ist, wie er bisher auch für das Strang
pressen bzw. Schmieden vorbehandelt worden ist.
Das metallische Element in diesem Sinne kann zu wissen
schaftlichen Zwecken eine entsprechende Probe sein, es
kann aber auch ein Halbzeug sein, das der Erzeugung von
Endprodukten dienen soll, beispielsweise Turbinen
schaufels für Strahltriebwerke oder Pleuels für An
triebsaggregate von Kraftfahrzeugen.
Mittels der erfindungsgemäßen Lösung sind Rohlinge aus
metallischen Werkstoffen erzeugbar, mit denen, wie
angestrebt, eine deutlich verbesserte Gefügekonsolidie
rung des metallischen Werkstoffs erreichbar ist, wobei
auch die Anwendung des Verfahrens auf spröde und damit
schwer umformbare metallische Werkstoffe Ergebnisse in
bezug auf das verfahrensgemäß erreichbare Gefüge gezeigt
haben, die sogar die in das Verfahren gesetzten Erwar
tungen erheblich übertroffen haben, d. h. die struktu
relle und chemische Konsolidierung des Gefüges hat sich
gegenüber den erreichbaren Gefügekonstallationen mittels
bekannter Schmiede- und Strangpressverfahren erheblich
verbessert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfin
dungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die Umformtem
peratur, auf die der Rohling erwärmt wird, erheblich
unter den Temperaturen liegen kann, die für das bis
herige bekannte Schmiede- und Strangpressverfahren
erreicht werden mußten.
Vorteilhafterweise wird die Deformierung in Form einer
Drillung auf den Rohling ausgeübt. Dadurch wird eine
durch Drehung des Rohlings in sich hervorgerufene
plastische Verformung erzeugt. Der Drillwinkel soll
dabei keinen geometrischen Beschränkungen unterliegen
mit der Folge, daß durch mehrfaches Verdrillen des
Rohlings sehr große plastische Verformungen erreicht
werden. Mittels der Drillung lassen sich hohe Umform
verhältnisse auch bei kleinen wirksamen Längen des
Rohlings realisieren, d. h. sehr hohe Umformgrade des
Werkstoffes erreichen, auch bei der Anwendung des
Verfahren auf an sich schwer umzuformende Werkstoffe.
Durch die Drillung wird ein sehr großer Betrag mecha
nischer Energie in den Werkstoffe eingeleitet, durch die
eine gleichmäßige dynamische Rekristallisation des
Gefüges des Werkstoffs eingeleitet wird.
Um die Konsolidierung des Gefüges des metallischen
Werkstoffs noch zu verbessern, wird die Deformierung
vorzugsweise in Form einer Kompression des Rohlings
ausgeübt, wobei dann, wenn äußerst vorzugsweise auf den
Rohling im wesentlichen gleichzeitig sowohl eine Dril
lung als auch eine Kompression ausgeübt wird, d. h. eine
Überlagerung beider Deformierungsarten erfolgt, die bei
der Verformung des metallischen Werkstoffs aufgrund der
Verdrillung gegebenenfalls auftretenden Scherrisse in
einem sehr frühen Stadium wieder geschlossen werden, so
daß diese nicht zu Makro-Rissen anwachsen können. Durch
die Überlagerung von Drillung und Kompression wird zudem
eine homogenere Verformung des Werkstoffs erreicht, da
die zu beiden Verformungsprozessen gehörenden Schervor
gänge bei geeignetem geometrischen Aufbau des Rohlings
stark zueinander geneigt verlaufen.
Vorteilhafterweise erfolgt die Kompression durch Beauf
schlagung des Rohlings mit konstanter Kraft, es ist aber
auch vorzugsweise möglich, die Kompression durch Beauf
schlagung des Rohlings mit konstanter Verformungsge
schwindigkeit erfolgen zu lassen.
Grundsätzlich kann die Erwärmung des Rohlings bei der
verfahrensmäßigen Behandlung auf beliebige Weise erfol
gen, wobei es vorteilhaft ist, die Erwärmung des Roh
lings derart zu steuern, daß der Rohling insgesamt
erwärmt wird bzw. auf Umformtemperatur gehalten wird,
wenn die Deformierung stattfindet. In diesem Falle wird
der Rohling insgesamt deformiert, d. h. verdrillt und/
oder komprimiert.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Erwärmung derart
zu bewirken, daß gezielt der ausgewählte Bereich des
Rohlings erwärmt wird, dessen Deformierung bewirkt
werden soll, d. h. eine im weitesten Sinne schrittweise
Deformierung des Rohlings in Abhängigkeit der relativ
zum Rohling positionierten Erwärmungseinrichtung bzw.
Wärmezufuhr.
Die Erwärmung des Rohlings erfolgt vorzugsweise mittels
einer elektrischen Spule, die geeignet um den Rohling
positioniert wird und gegebenenfalls längs des Rohlings
verschiebbar ist, um im Sinne des vorangehend Gesagten
bestimmte ausgesuchte Bereiche des Rohlings zu erwärmen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, die Verformung des
Rohlings bei einer Temperatur im Bereich von 1000°C
erfolgen zu lassen, wobei es aber auch erfindungsgemäß
möglich ist, wenn der spezielle, metallische Werkstoff
dieses erfordert, höhere oder tiefere Temperaturen für
die Umformtemperatur des Rohlings zu wählen.
Sollten extrem hohe, über 1000°C gegebenenfalls hinaus
gehenden Umformtemperaturen nötig sein, ist es vorteil
haft, das Verfahren wenigstens teilweise in einer
Schutzgasatmosphäre vonstatten gehen zu lassen.
Die Erfindung betrifft auch einen Rohling aus einem
Titanaluminid, behandelt nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 11, wobei das Titanaluminid vorzugsweise
die Zusammensetzung
Ti - 47 Al - 3,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B
Ti - 47 Al - 3,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B
aufweist.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach
folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus
führungsbeispieles eingehend beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung einer
möglichen technischen Lösung des Verfahrens,
wobei der dort dargestellte Rohling einer
Kombination aus Drillung und Kompression
ausgesetzt wird,
Fig. 2 eine Makroaufnahme einer bei 1000°C durch die
Kombination von Verdrillung und Kompression
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
behandelten TiAl-Probe der Zusammensetzung Ti -
47 Al - 3,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B, wobei die
Zusammensetzung in Atomprozent angegeben ist,
und
Fig. 3 eine lichtmikroskopische Gefügeaufnahme zur
Darstellung der durch die Kombination von
Verdrillung und Kompression erreichten Gefüge
feinung, wobei a) das Gefüge im umverformten
Kopfbereich der Probe zeigt, b) das Gefüge im
umgeformten zentralen Bereich der Probe und c)
eine rasterelektronenmikroskopische Ausnahme im
zentralen Bereich der Probe zur Darstellung der
erreichten starken Gefügefeinung.
Das hier beschriebene Verfahren wurde im Labormaßstab an
einer TiAl-Legierung der Zusammensetzung (in Atompro
zent)
Ti - 47 Al - 3,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B
Ti - 47 Al - 3,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B
erprobt. Die Experimente wurde an Luft durchgeführt. Mit
Gewindeköpfen versehene Proben wurden hierzu in eine
Kompressionsapparatur eingebaut, bei der die Probenfas
sungen zur Drillung der Probe gegeneinander verdreht
werden konnten (Fig. 1). Die Proben wurden durch eine
Induktionsspule auf unterschiedliche Verformungstempe
raturen zwischen 1000 und 1100°C erwärmt. Die Proben
temperatur wurde mit einem Thermoelement bestimmt.
Aufgrund des geometrischen Aufbaus der Spule hatte die
heiße Probenzone einen Länge von etwa 6 mm, was für die
Auswertung als effektive Probenlänge betrachtet wurde.
Nach Erreichen der gewünschten Temperatur wurden die
Proben zunächst in Kompressionsrichtung mit konstanten
Spannungen belastet, die zwischen 10 und 50 MPa lagen.
Hierbei erfolgte aufgrund des sehr groben Gußgefüges
noch keine Verformung. Danach wurden die Proben inner
halb von einer Minute um ∅ = 720° (zwei Umdrehungen)
verdrillt. Dies entspricht bei dem vorliegenden Aufbau
der Probe r = 4 mm, 1 = 6 mm am Außenmantel der Proben
dem sehr hohen Verformungsgrad von etwa ϒt = 600% und
einer Dehnrate von dϒt/dt = 5 × 10-2 s - l. Während der
Drillung findet daher intensive Rekristallisation statt.
Durch die damit einhergehende Gefügefeinung sinkt die
Fließspannung des Materials stark ab, so daß es sich
unter der anliegenden Spannung auch in Kompression
verformt. Hierdurch wird die erwünschte Kombination von
Drillung und Kompression erreicht. Die auf diese Weise
erzeugte Kompressionsverformung betrug typischerweise 20
%.
Fig. 2 zeigt eine Makroaufnahme der umgeformten Probe.
Die durch das Umformverfahren erreichte Gefügefeinung
ist an Hand von lichtmikroskopischen Gefügeaufnahmen in
Fig. 3 demonstriert.
Fig. 3a zeigt das relativ grobe Gußgefüge im Kopfbereich
der Probe, in dem keine Verformung und damit auch keine
dynamische Rekristallisation stattgefunden hat. Demge
genüber ist in dem durch die Kompression und Drillung
verformten zentralen Probenbereich eine starke Gefüge
feinung eingetreten (Fig. 3b). Die mittlere Korngröße
von lamellaren Kolonien beträgt im Kopfbereich der Probe
etwa d = 800 µm, während die äquivalente Größe im
zentralen Probenbereich auf etwa d = 50 µm reduziert
wurde. In dem durch Drillung und Kompression verformten
Probenbereich traten trotz des hohen Umformgrades an
keiner Stelle Risse auf, daher kann der Umformgrad zur
weiteren Gefügefeinung sicherlich noch deutlich vergrö
ßert werden.
Das hier beschriebene Verfahren kann ohne Schwierig
keiten auf technische Maßstäbe erweitert werden, da die
hierfür erforderlichen Komponenten, wie Induktionshei
zungen oder Umformmaschinen, zur Standardausrüstung der
metallurgischen Industrie gehören.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist, daß die
Probenfassungen nicht erwärmt zu werden brauchen, daher
bestehen auch keine besonderen Anforderungen an die
Hochtemperaturfestigkeit dieser Materialien. Bei der
Durchführung des Experiments kann die umzuformende Probe
homogen über die ganze Länge auf die gewünschte Verfor
mungstemperatur erwärmt werden. Alternativ dazu kann die
Probe jedoch auch lokal durch Induktionsheizung erwärmt
werden. Dieses letztere Verfahren hat den Vorteil, daß
bei sonst gleichen Bedingungen lokal sehr hohe Umform
grade und Umformgeschwindigkeiten realisiert werden
können, was bei vielen Materialien für das Erreichen
einer homogenen Rekristallisierung vorteilhaft ist. Für
die Gesamtumformung der Probe muß dazu, wie in Fig. 1
angedeutet, die Induktionsspule entlang der Proben
längsachse verschoben werden. Die Umformung kann, wie
durch die vorliegenden Ergebnisse demonstriert wurde, im
Vergleich zu konventionellen Schmiede- und Strangpress
verfahren bei relativ niedrigen Umformtemperaturen um
1000°C erfolgen, was die Umformung von korrosionsem
pfindlichen Werkstoffen, wie Titanaluminiden deutlich
einfacher gestaltet. Ein besonderer Vorteil des Ver
fahrens besteht jedoch auch darin, daß Umformvorgänge
bei extrem hohen Temperaturen unter Schutzgas in relativ
einfacher Weise realisiert werden können. Bei Titanalu
miniden sind beispielsweise oftmals Umformtemperaturen
oberhalb von 1350°C erforderlich, da hiermit besondere
lamellare Gefügemorphologien eingestellt werden können.
Durch diese Variabilität in der Versuchsführung können
die Umformbedingungen in hohem Maße an das Verformungs-
und Rekristallisierungsverhalten eingestellt werden, so
daß auch relativ spröde Werkstoffe, wie Titanaluminide,
gut geformt werden können. Die zur Verformung erforder
lichen Drehmomente und Kräfte können jedoch in allen
Fällen über relativ kalte Probenfassungen eingeleitet
werden, so daß diese Fassungen nicht aus sehr teuren
Hochtemperaturwerkstoffen gefertigt zu werden brauchen.
10
Rohling
11
Gewindekörper
12
Gewindekörper
13
Deformierungseinrichtung
14
Drillung
15
Kompression
16
Erwärmungseinrichtung (Induktionsspule)
17
Verschiebung der Erwärmungseinrichtung (Pfeil)
18
Erwärmungsbereich
Claims (13)
1. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung
metallischer Werkstoffe, insbesondere zur Konsolidierung
des Gefüges metallischer Werkstoffe, gekennzeichnet
durch folgende Verfahrensschritte:
- a) Erzeugung eines Rohlings aus metallischem Werkstoff,
- b) Erwärmung des Rohlings auf Umformtemperatur sowie
- c) Deformierung des Rohlings.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Deformierung in Form einer Drillung ausgeübt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Deformierung in Form einer Kompression ausgeübt
wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Rohling im
Wesentlichen gleichzeitig sowohl eine Drillung als auch
eine Kompression ausgeübt wird.
5. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 3 oder
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression durch
Beaufschlagung des Rohlings mit konstanter Kraft er
folgt.
6. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 3 oder
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompression durch
Beaufschlagung des Rohlings mit konstanter Verformungs
geschwindigkeit erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung derart
bewirkt wird, daß der Rohling insgesamt erwärmt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Anspruche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung derart
bewirkt wird, daß gezielt der Bereich des Rohlings
erwärmt wird, dessen Deformierung bewirkt werden soll.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des
Rohlings mittels elektrischer Induktion bewirkt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung des
Rohlings bei einer Temperatur im Bereich von 1000°C
erfolgt.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieses wenigstens
teilweise in einer Schutzgasatmosphäre vonstatten geht.
12. Rohling aus einem Titanaluminid, behandelt nach
einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11.
13. Rohling nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß das Titanaluminid die Zusammensetzung
Ti - 47 Al - 4,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B
hat.
Ti - 47 Al - 4,7 (Nb, Cr, Mn, Si) - 0,5 B
hat.
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