DE1160635B

DE1160635B - Titanium Alloy with Low Hydrogen Content and Method of Compensation for the Same

Info

Publication number: DE1160635B
Application number: DEM40622A
Authority: DE
Inventors: James T Perryman; Dillon Evers; Stanley Abkowitz
Original assignee: National Destillers and Chemical Corp
Current assignee: Millennium Petrochemicals Inc
Priority date: 1958-02-28
Filing date: 1959-02-26
Publication date: 1964-01-02

Description

Titanlegierung mit niedrigem Wasserstoffgehalt und Verfahren zur Vergütung derselben Die vorliegende Erfindung betrifft eine Titanlegierung mit einem niedrigen Wasserstoffgehalt.Titanium alloy with low hydrogen content and method of tempering the same The present invention relates to a titanium alloy having a low Hydrogen content.

In den letzten Jahren wurde ein beträchtlicher Fortschritt in bezug auf die Entwicklung von Produkten aus Titan und titanhaltigen Legierungen mit besonderen Eigenschaften erzielt, welche den verschiedensten Anwendungszwecken angepaßt sind. Es wurden die verschiedensten Legierungen entwickelt, welche günstige Eigenschaften in bezug auf Festigkeit und Duktilität in geglühtem oder vergütetem Zustand aufweisen. Sehr häufig haben solche Legierungen in einer Hinsicht zwar vorteilhafte Eigenschaften, es fehlen ihnen aber andere erwünschte Eigenschaften. Um die für bestimmte Zwecke gewünschten günstigen Eigenschaften zu erzielen, mußten jedoch häufig andere gleichfalls erwünschte Eigenschaften aufgeopfert werden.In recent years there has been considerable progress in relation to this on the development of products made of titanium and titanium-containing alloys with special Achieved properties which are adapted to the most varied of applications. A wide variety of alloys have been developed which have favorable properties in terms of strength and ductility in the annealed or quenched and tempered condition. Very often such alloys have advantageous properties in one respect, however, they lack other desirable properties. To that for specific purposes To achieve the desired favorable properties, however, often had to be done by others as well desirable properties are sacrificed.

Beispielsweise sind gewisse Titanlegierungen bekannt, welche zur Herstellung von geformten Walzprodukten verwendet werden können, und sowohl in geglühtem als in vergütetem Zustand eine relativ hohe Zugfestigkeit und eine angemessene Duktilität aufweisen. Solche Legierungsprodukte zeigen aber eine geringere Stoßfestigkeit als erwünscht ist. Eine bekannte Legierung dieser Art besteht beispielsweise aus: 1,5°/o Al; 8°/o V; 3 bis 5°/o Fe; 0,02°/o C; 0,01 °/a N2; 0,100/,0" 0,0050/,H,; Rest Titan. Für diese Legierungen sind Zerreißfestigkeitswerte von 91 bis 102 kg/mm2, 0,2°/o-Streckgrenzenwerte von 86 bis 98 kg/mml und prozentuale Dehnungen (Meßlänge 2 Inch) von 12,1 bis 12,9 angegeben worden.For example, certain titanium alloys are known which can be used to produce shaped rolled products and which have a relatively high tensile strength and adequate ductility in both the annealed and quenched and tempered states. However, such alloy products show less impact resistance than is desirable. A known alloy of this type consists, for example, of: 1.5% Al; 8% V; 3 to 5% Fe; 0.02 ° / o C; 0.01 ° / a N2; 0.100 /, 0 " 0.0050 /, H,; remainder titanium. For these alloys, tensile strength values from 91 to 102 kg / mm2, 0.2% yield strength values from 86 to 98 kg / mml and percentage elongations (measuring length 2 Inches) from 12.1 to 12.9.

Es wurde nun gefunden, daß eine beträchtliche und in kritischen Grenzen erfolgende Verminderung des Wasserstoffgehaltes auf 0,0006 bis 0,002 °/o, vorzugsweise nicht über 0,0010/,), bei einer Titanlegierung aus 1,3 °/o Al, 8 °/o V, 5 °/;, Fe, 0,4 °/o 0, 0,010/, Stickstoff, 0,02 °/o C, Rest Titan zu einem Material mit hoher Zerreißfestigkeit und Streckgrenze führt, welches eine beträchtliche Verbesserung bezüglich seiner Stoßfestigkeit aufweist, ohne daß dabei die Festigkeit oder die Duktilität beeinträchtigt werden. Wie im einzelnen noch an Hand einer Tabelle gezeigt wird, besitzt also die Legierung nach der Erfindung gegenüber bisher bekannten Legierungen ähnlicher Zusammensetzungen, sowohl höhere Zerreißfestigkeiten, Streckgrenzen und Dehnungen als auch eine höhere Stoßfestigkeit.It has now been found that a considerable reduction in the hydrogen content to 0.0006 to 0.002%, preferably not more than 0.0010%, occurs within critical limits in the case of a titanium alloy made from 1.3% Al.8 ° / o V, 5 ° /;, Fe, 0.4 ° / o 0, 0.010 /, nitrogen, 0.02 ° / o C, the remainder titanium leads to a material with high tensile strength and yield point, which is a considerable improvement in its Has impact resistance without affecting strength or ductility. As will be shown in detail with the aid of a table, the alloy according to the invention has, compared with previously known alloys of similar compositions, both higher tensile strengths, yield strengths and elongations and also higher impact strength.

Dabei hat sich ergeben, daß die Titanlegierung nach der Erfindung mit einem Wasserstoffgehalt von 0,0006 bis 0,002 °/a Werte für die Stoßfestigkeit aufweist, welche praktisch doppelt so hoch sind wie diejenigen des gleichen Materials mit einem Gehalt an Wasserstoff von mehr als 0,002 bis 0,005 °/a und darüber.It has been found that the titanium alloy according to the invention with a hydrogen content of 0.0006 to 0.002 ° / a values for the impact resistance which are practically twice as high as those of the same material with a hydrogen content of more than 0.002 to 0.005 ° / a and above.

In der folgenden Tabelle werden die Eigenschaften eines. Barrens von 1,5875 cm Kantenlänge (5/8") aus einer Titanlegierung mit der Nennzusammensetzung 1,3A1-8V-5Fe-0,402 und einem niedrigen Wasserstoffgehalt im geglühten und im gehärteten Zustand mit denjenigen eines Barrens aus einer gleichartig zusammengesetzten AI-V-Fe-Titanlegierung verglichen, welche einen Wasserstoffgehalt von über 0,005 °/o aufweist. Zerreiß- 0,2°/° Dehnung Querschnitts- Stoßfestigkeit Charge HZ-Gehalt (Meßlänge verminderun bei -40° C IvTr. 10- ' °!° festigkeit Streckgrenze 1 Inch) g (kg/m-2) (kg/rnm2) (°/°) ( °/°) (-kg) Glühbehandlung: 1 Stunde bei 675'C Flüssigkeitskühlung auf 481'C, anschließend Luftkühlung 6005 7 bis 20 128,1 1 119,5 1 19,0 1 48,0 1 1,521 bis 1,659 2066 75 bis 85 126,7 119,5 18,3 50,0 0,830 bis 0,968 Bei einem Vergleich der Eigenschaften der Barren von 1,5875 cm (5/8") Kantenlänge im geglühten Zustand einmal mit einem normalen Wasserstoffgehalt (0,0075 bis 0,008511/J und zum anderen mit einem niedrigen Wasserstoffgehalt in kritischen Grenzen (0,0007 bis 0,0020/,) ergibt sich aus der Tabelle, daß ein wesentlicher Anstieg der Werte für die Stoßfestigkeit nach C h a r p y, im Mittel von 0,899 mkg auf 1,590 mkg bei praktisch der gleichen Zerreißfestigkeit und unter Beibehaltung der Werte für die Dehnung und die Querschnittsverminderung erhalten wird.The following table lists the properties of a. Bars with an edge length of 1.5875 cm (5/8 ") made of a titanium alloy with the nominal composition 1.3A1-8V-5Fe-0.402 and a low hydrogen content in the annealed and hardened state with that of a bar made of a similarly composed Al-V- Fe-titanium alloy compared, which has a hydrogen content of over 0.005%. Tear 0.2 ° / ° elongation, cross-sectional impact strength Batch HZ content (measuring length reduced at -40 ° C IvTr. 10- '°! ° strength yield strength 1 inch) g (kg / m-2) (kg / rnm2) ( ° / °) ( ° / °) (-kg) Annealing treatment: 1 hour at 675'C, liquid cooling to 481'C, then air cooling 6005 7 to 20 128.1 1 119.5 1 19.0 1 48.0 1 1.521 to 1.659 2066 75 to 85 126.7 119.5 18.3 50.0 0.830 to 0.968 When comparing the properties of the bars of 1.5875 cm (5/8 ") edge length in the annealed state on the one hand with a normal hydrogen content (0.0075 to 0.008511 / J and on the other hand with a low hydrogen content within critical limits (0, 0007 to 0.0020 /,) results from the table that a substantial increase in the values for the impact resistance according to C harpy, on average from 0.899 mkg to 1.590 mkg with practically the same tensile strength and while maintaining the values for the elongation and the Reduction of area is obtained.

Wenn diese Barren jedoch gemäß der in der Tabelle mit einer bei 746°C einsetzenden Behandlung zur Erzielung einer höheren Festigkeit vergütet werden, so zeigen die Barren mit einem niedrigen Wasserstoffgehalt trotz der in jedem Fall gleichen Streckgrenze von 133,6 kg/mm2 eine höhere Dehnung und wesentlich höhere Werte für die Querschnittsverminderung sowie einen größeren Unterschied in den Werten der Stoßfestigkeit nach C h a r p y von im Mittel 1,313 mkg verglichen mit 0,760 mkg.However, if these ingots are in accordance with the table with a temperature of 746 ° C the treatment that begins to be remunerated to achieve greater strength, so show the ingots with a low hydrogen content in spite of in any case same yield point of 133.6 kg / mm2 a higher elongation and much higher Reduction values as well as a larger difference in the values the impact resistance according to C h a r p y of an average of 1.313 mkg compared to 0.760 mkg.

Bei den beiden mit 760°C beginnenden Vergütungsbehandlungen der Tabelle bleibt die Stoßfestigkeit des Materials mit einem niedrigen Wasserstoffgehalt bis zum Erreichen eines Wertes für die Zerreißfestigkeit von 154,7 kg/mm2 doppelt so hoch wie diejenige des Materials mit einem höheren Wasserstoffgehalt. Wenn die Härte des Materials noch weiter gesteigert wird, so liegen die Werte für die Dehnung und die Flächenverminderung bei gleicher Zerreißfestigkeit etwa doppelt so hoch, während gleichzeitig noch gewisse Verbesserungen bezüglich der Stoßfestigung beobachtet werden. Wenn man die zweite und dritte Zeile von unten der Tabelle bei einem Material mit entsprechender Duktilität vergleicht, so ergibt sich, daß eine wesentlich höhere Streckgrenze, nämlich 161,7 kg/ mm2 gegenüber nur 144,9 kg/mm2 bei dem Material mit niedrigem Wasserstoffgehalt erzielt wird.With the two tempering treatments in the table beginning at 760 ° C, the impact resistance of the material with a low hydrogen content remains twice as high as that of the material with a higher hydrogen content until a tensile strength value of 154.7 kg / mm2 is reached. If the hardness of the material is increased still further, the values for the elongation and the reduction in area are about twice as high with the same tensile strength, while at the same time certain improvements in terms of impact resistance are still observed. If you compare the second and third lines from the bottom of the table for a material with a corresponding ductility, the result is a significantly higher yield strength, namely 161.7 kg / mm2 compared to only 144.9 kg / mm2 for the material with a low hydrogen content is achieved.

Aus den Daten in der Tabelle lassen sich mehrere bedeutsame Tatsachen ablesen: 1. Bei einer Erhöhung der Festigkeit mittels einer Wärmebehandlung bleibt die Stoßfestigkeit des Materials mit einem niedrigen Wasserstoffgehalt etwa doppelt so hoch wie diejenige des Materials mit höherem Wasserstoffgehalt. 2. Die Duktilität (gemessen mittels der Dehnung und der Querschnittsverniinderung) nimmt während einer Erhöhung der Festigkeit mittels einer Wärmebehandlung bei dem Material mit niedrigem Wasserstoffgehalt weit weniger ab als bei dem Material mit hohem Wasserstoffgehalt, wobei dieser Unterschied desto stärker ausgeprägt ist, je mehr die Festigkeit zunimmt.Several significant facts can be gleaned from the data in the table read off: 1. If the strength is increased by means of a heat treatment, remains the impact resistance of the material with a low hydrogen content about twice as high as that of the material with higher hydrogen content. 2. The ductility (measured by means of the elongation and the reduction in cross-section) increases during a Increasing the strength by means of a heat treatment on the material with low Hydrogen content falls far less than in the case of the material with a high hydrogen content, this difference being the more pronounced the more the strength increases.

Die Werte der Tabelle zeigen weiterhin, daß für eine vorgegebene Festigkeit bei dem Material mit niedrigem Wasserstoffgehalt eine wesentlich bessere Duktilität erzielt wird. Weiterhin zeigen die mitgeteilten Werte, daß solche Wärmebehandlungen, welche die Legierung mit normalem Wasserstoffgehalt zwar verfestigen, aber spröde machen, die entsprechend zusammengesetzte Legierung mit einem niedrigen Wasserstoffgehalt auch bei sehr hohen Festigkeitsgraden immer noch meßbare Duktilitätseigenschaften verleihen.The values in the table also show that for a given strength significantly better ductility in the case of the material with a low hydrogen content is achieved. Furthermore, the reported values show that such heat treatments which strengthen the alloy with normal hydrogen content, but are brittle make the appropriately composed alloy with a low hydrogen content ductility properties still measurable even at very high degrees of strength to lend.

Es ist weiterhin bedeutsam, daß die in der Tabelle mittels Vergiftungsbehandlungen unter strengen Bedingungen erhaltenen Festigkeitswerte und Duktilitätseigenschaften soweit bekannt bisher niemals bei irgendeiner Titanlegierung erzielt werden konnten.It is also important that those in the table are by means of poisoning treatments strength values and ductility properties obtained under severe conditions as far as is known, could never be achieved with any titanium alloy.

Die in der Tabelle aufgezeichneten Kombinationen von Eigenschaften bestätigen. daß diese neue 1,3A1-8V-5Fe-Titanlegierung mit niedrigem Wasserstoffgehalt eine in der Technik bisher bestehende Lücke ausfüllt. Hohe Werte für die Stoßfestigkeit sind ein Maß für die Zähigkeit eines Metalles. Wenn beispielsweise ein Material mit geringer Stoßfestigkeit durch eine Kugel getroffen wird, so zerbricht oder zersplittert es, während andererseits ein Material mit hoher Stoßfestigkeit weder zerbrechen noch zersplittern wird.The combinations of properties recorded in the table confirm. that this new 1.3A1-8V-5Fe titanium alloy with low hydrogen content fills a previously existing gap in technology. High values for impact resistance are a measure of the toughness of a metal. For example, if a material If it is hit by a bullet with low impact resistance, it will break or splinter it while, on the other hand, a material with high impact resistance does not break will still splinter.

Es hat bis jetzt in der Technik ein nicht befriedigtes Bedürfnis für eine Titanlegierung bestanden, welche im vergüteten Zustand eine Streckgrenze von 133,6 kg/ mm 2 und eine Stoßfestigkeit von 1,224 bis 1,383 mkg aufweist. Das in Zeile 4 der Tabelle aufgeführte Material mit hohem Wasserstoffgehalt zeigt zwar die entsprechende Festigkeit aber keine ausreichende Stoßfestigkeit, um diesen Bedingungen zu entsprechen. Das in Zeile 3 der Tabelle angeführte Material mit einem niedrigen Wasserstoffgehalt entspricht dagegen vollständig den Erfordernissen, da es eine Stoßfestigkeit von 1,244 bis 1,383 mkg aufweist.It has heretofore been unsatisfied in the art for a titanium alloy, which in the quenched and tempered state has a yield strength of 133.6 kg / mm 2 and an impact resistance of 1.224 to 1.383 mkg. This in Line 4 of the table shows material with a high hydrogen content the corresponding strength but insufficient shock resistance to withstand these conditions correspond to. The material listed in row 3 of the table with a low Hydrogen content, however, corresponds fully meet the requirements as it has a shock resistance of 1.244 to 1.383 mkg.

Es hat sich auch gezeigt, daß die erfindungsgemäße Titanlegierung mit einem Wasserstoffgehalt von 0,0006 bis 0,0021/, sich durch eine verminderte Anfälligkeit gegenüber einem zeitlich verzögerten Bruch und durch eine weitere bemerkenswerte Vergrößerung bezüglich der Zugbeanspruchung auszeichnen, bei der ein solcher zeitlich verzögerter Bruch auftritt.It has also been shown that the titanium alloy according to the invention with a hydrogen content of 0.0006 to 0.0021 /, decreased by a Susceptibility to a delayed break and by another notable one Distinguish the enlargement with regard to the tensile stress at which such a time delayed break occurs.

Es ist weiterhin bekannt, daß die Lebensdauer gewisser Titanlegierungen bis zu einem Bruch bei Einwirkung einer beachtlichen Zugbeanspruchung für ein Material mit einem Wasserstoffgehalt von 0,002 °/o mehr als 100 Stunden beträgt. Es ist weiterhin bekannt, daß diese Bruchlebensdauer gleichzeitig mit einem Anwachsen des Wasserstoffgehaltes von 0,0020/, auf 0,02 bis 0,03 °/o deutlich absinkt. Die in der vorstehenden Tabelle aufgeführten wesentlich verbesserten Werte für die Stoßfestigkeit scheinen jedoch anzudeuten, daß das Dauerstandsverhalten bis zum Bruch bei einem Material mit einem Wasserstoffgehalt zwischen 0,0006 und 0,002 °/o praktisch unendlich lang ist.It is also known that the life of certain titanium alloys up to a break when a material is subjected to considerable tensile stress with a hydrogen content of 0.002% is more than 100 hours. It is still known that this fracture life simultaneously with an increase in the hydrogen content from 0.0020 /, to 0.02 to 0.03% drops significantly. The ones in the table above However, the listed significantly improved values for impact resistance appear to indicate that the resistance to breakage in a material with a Hydrogen content between 0.0006 and 0.002% is practically infinite.

Die neue Titanlegierung mit niedrigem Wasserstoffgehalt scheint noch eine weitere, ganz neue und völlig unerwartete Eigenschaft aufzuweisen, indem sie eine beträchtlich größere Widerstandsfähigkeit gegenüber der korrodierenden Einwirkung von wäßrigen Lösungen und Flüssigkeiten zeigen als eine Legierung der gleichen Zusammensetzung, die jedoch einen höheren Wasserstoffgehalt aufweist.The new low hydrogen titanium alloy is still shining exhibit another completely new and completely unexpected property by being a considerably greater resistance to the corrosive action of aqueous solutions and liquids show, as an alloy of the same composition, which, however, has a higher hydrogen content.

Die erfindungsgemäße Titanlegierung mit einem Wasserstoffgehalt von 0,0006 bis 0,00211/, weist eine Stoßfestigkeit auf, welche praktisch doppelt so groß ist wie diejenige eines gleichen Materials, welches einen Wasserstoffgehalt von mehr als 0,0020/0 hat.The titanium alloy according to the invention with a hydrogen content of 0.0006 to 0.00211 /, has an impact resistance which is practically twice that is as large as that of a same material which has a hydrogen content greater than 0.0020 / 0.

Darüber hinaus zeigt die Legierung mit einem Wasserstoffgehalt von 0,0006 bis 0,0020/0 im vergüteten Zustand eine Streckgrenze von 133,6 kg/mm', eine Verbesserung der Dehnung um 250/, und eine noch weitergehende Verbesserung hinsichtlich der Duktilität, Querschnittsverminderung gegenüber einem in der gleichen Weise vergüteten Material derselben Zusammensetzung, welche die gleiche Festigkeit aufweist, aber einen 0,002 °/o übersteigenden Gehalt an Wasserstoff hat.In addition, the alloy with a hydrogen content of 0.0006 to 0.0020 / 0 in the quenched and tempered condition shows a yield strength of 133.6 kg / mm ', an improvement in elongation of 250 /, and an even greater improvement in ductility, cross-sectional reduction compared to a material of the same composition, tempered in the same way, which has the same strength, but has a hydrogen content in excess of 0.002%.

Die Titanlegierung nach der Erfindung kann z. B. hergestellt werden, indem man handelsüblichen Titanschwamm mit den gewünschten Brinellhärtegraden zusammen mit den erforderlichen Mengen an Legierungsmaterial in hohem Vakuum (0,01 bis 0,1 Mikron) unter Elektronenbeschuß zum Schmelzen bringt. Die so erhaltenen Metallbarren können zur Herstellung von verformten Walzprodukten für Fertigprodukte oder Halbfertigwaren in der üblichen Weise geschmiedet oder gewalzt werden.The titanium alloy according to the invention can, for. B. are produced, by using commercially available titanium sponges with the desired Brinell hardness levels with the required amounts of alloy material in high vacuum (0.01 to 0.1 Micron) melts under electron bombardment. The metal ingots thus obtained can be used to manufacture deformed rolled products for finished products or semi-finished products forged or rolled in the usual way.

Die Titanlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Kombination von Eigenschaften auf, welche bisher bei Titanlegierungen weder bekannt noch erzielbar war, und sie füllt daher eine Lücke in der Technik aus.The titanium alloy according to the present invention has a combination of properties that were previously neither known nor achievable in titanium alloys and therefore fills a gap in technology.

Claims

Claims: 1. Titanium alloy with high impact resistance at -40 ° C, consisting of 1.3 % aluminum, 8% vanadium, 501, iron, 0.40 /, oxygen, 0.0006 to 0.00211 / 0, preferably not more than 0.0010 / 0 hydrogen, 0.01% nitrogen, 0.02% carbon, the remainder being titanium. 2. A method for tempering a titanium alloy according to claim 1, characterized by the following treatment steps: a) 1 hour heating at 746 ° C, b) quenching in water, c) further 2 hours heating at 537 ° C and d) subsequent air cooling or a) 1 hour Heating at 759'C, b) quenching in water, c) heating for another 4 hours at 481'C and d) subsequent air cooling. References considered: U.S. Patent No. 2,819,959; M c Q ui 11 an, "Titanium", 1956, pp. 213, 343 and 344; »Journal of Metalsu, 6 (1954), Sect. 1, Transact. AIME, pp. 367 to 376; 8 (1956), Sect.

2, Transact. AIME, pp. 923-926.