EP0362351B1 - Process for producing an ODS sintered alloy and alloy obtainable by this process - Google Patents
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- EP0362351B1 EP0362351B1 EP89904067A EP89904067A EP0362351B1 EP 0362351 B1 EP0362351 B1 EP 0362351B1 EP 89904067 A EP89904067 A EP 89904067A EP 89904067 A EP89904067 A EP 89904067A EP 0362351 B1 EP0362351 B1 EP 0362351B1
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/10—Alloys containing non-metals
- C22C1/1078—Alloys containing non-metals by internal oxidation of material in solid state
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- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
- C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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- C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
- C22C32/001—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
- C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
- C22C32/0031—Matrix based on refractory metals, W, Mo, Nb, Hf, Ta, Zr, Ti, V or alloys thereof
Definitions
- the invention relates to a method for producing a ductile, high-strength oxide dispersion-hardened sintered alloy from a base metal with a high melting point (T M ), without fractions, or optionally with fractions of substitution mixed crystal phase that do not have a lasting effect on the alloy properties, in which a metal oxide powder as dispersoid is used to powder the base metal is mixed in, using oxides of metals which have greater formation energies than the oxides of the base metal at temperatures ⁇ 0.5 T M.
- dispersoids are understood to mean those particles which are generally built into the metallic base matrix continuously and which do not react with the base metal or dissolve at higher temperatures and are not built into the base lattice as a substitute metal. Oxides, carbides and nitrides are used in particular as dispersoids.
- the dispersoids are usually introduced into the powder of the base metal by impregnating the powder with a dispersoid suspension or else by mixing powdered dispersoids.
- DE-AS 12 32 353 describes a process for the production of refractory metals, preferably containing metal oxides, by sintered metallurgical processes.
- the invention there begins with the knowledge that oxides introduced into the powder as colloidal solutions coagulate during sintering, that is to say from the originally fine distribution they form larger oxide particles and thus represent the cause of the high sensitivity to breakage of the sintered material, in particular during further processing .
- the process feature essential to the invention according to DE-AS 12 32 353 is now based on lowering the sintering temperature compared to the usual standard, in order to reduce the mobility of the introduced oxide particles by diffusion by introducing sintering aids in the form of "other non-harmful metal additives" to the sintered good, which melt at lower temperatures than the oxide and thus enable a kind of liquid phase sintering ("liquid or pasty phase already at temperatures at which no sintering occurs yet.
- sintering has ended before the oxide particles - due to lack of movement in the sintered body - become closed have clustered harmful particles ", column 1, lines 51-52, column 2, lines 16-20).
- the oxide particles are largely held where they were introduced in the form of the colloidal solution.
- Dispersoids introduced in this way can be further homogenized by "mechanical alloying".
- the aim of mechanical alloying is to distribute the dispersoids as homogeneously as possible even within the individual metal powder grains.
- dispersion-hardened alloys consist, by definition, of incorporating particles which do not react or alloy with the basic matrix as dispersoids.
- dispersoids with a melting point that is generally well above the alloy sintering temperature are generally used in the sintered metallurgical processes for producing dispersion alloys.
- the dispersoids are in a solid phase during the entire manufacturing process.
- oxide dispersion alloys of metals with high melting points by melt metallurgy, in particular by melting in an arc.
- the second phase meaning the carbides, nitrides and / or oxides contained in the base matrix (base metal) after melting, forms a solution with the base matrix.
- the second phase should remain in solution during cold working and should only be excreted homogeneously and finely by aging annealing.
- the achievable quality is documented by examples and in the form of strength properties compiled in tables.
- the means of substitution mixed crystal alloying and the precipitation hardening according to column 1, line 65 of the description, are used together with the means of dispersion hardening to increase the mechanical properties of such alloys.
- the strengths achieved thus result from two or three processes running side by side that increase strength and hardness.
- alloys produced using this process can have relatively high strengths, but at the same time only low ductility at room temperature (see e.g. BVG Grigorovich and EN Sheftel 'Met. Sci. And Heat Treatment 24 (7-8), p. 472, (1983)
- US Pat. No. 3,181,946 describes a niobium-based alloy which contains 0.25-0.5% oxygen and / or 1-3% zirconium and / or titanium, the weight ratio oxygen to titanium or zirconium being 3: 1 up to 12: 1 is enough.
- Material hardening is achieved there by oxide dispersion hardening and, according to the examples given, to a certain extent also by interstitially dissolved oxygen and by alloying niobium with titanium and / or zirconium. It is pointed out there that higher proportions of interstitially dissolved oxygen in the niobium cause great brittleness.
- the object of the present invention is to develop a more economical process for the production of ODS sintered alloys with high ductility and strength properties using a base metal with a high melting point.
- the strength values of alloys produced by known metallurgical processes, both in the deformed and in the recrystallized state, should at least be achieved without substitution mixed crystal formation and classic precipitation of a second metal or compound phase being used as a means of increasing the strength.
- the process should be able to control the degree of dispersion hardening very precisely.
- the ductility of the alloy should also be sufficiently large for subsequent cold forming of the material.
- the properties of a single metallic element such as its corrosion behavior and the radiation physical properties, should be preserved as far as possible unaffected by foreign elements and at the same time the mechanical strength of the metals compared to the high-purity phase, with or without deformation hardening, should be significantly increased.
- Oxide dispersion-hardened sintered alloys which can be produced by one of the processes mentioned, are disclosed in claims 4-6.
- the method can only be applied to a limited number of alloys.
- the metals with high melting points are primarily those of the V. and VI. Subgroup of the periodic table suitable. Due to the free negative energy of formation, only a limited number of oxides can be used for the desired dispersion hardening.
- table Solution metal Solution metal oxide and hard temperature-resistant metal oxide Approximate values of the negative free oxide formation energy at 25 o C in kilojoules per gram atom of oxygen silicon SiO2 403 kJ titanium TiO2 424 kJ Zircon ZrO2 512 kJ aluminum Al2O3 529 kJ beryllium BeO 584 kJ Thorium ThO2 613 kJ chrome Cr2O3 348 kJ magnesium MgO 572 kJ manganese MnO 365 kJ MnO2 233 kJ Lanthanum La2O3 580 kJ hafnium HfO2 566 kJ barium BaO 529 kJ strontium SrO 560 kJ calcium CaO 605 kJ yttrium Y2O3 60
- the concentration of the oxide in the base metal essentially determines the respective temperature at which the individual processes according to the invention take place or become dominant over the others.
- the total oxygen content in the sintered material should preferably be set so that just the stoichiometrically necessary amount remains for the formation of the oxide, which is strictly only valid for the sinterling center due to a diffusion-controlled concentration profile.
- the oxygen content will be set lower, ie sub-stoichiometric, in order to prevent the oxide from precipitating too quickly and, as a rule, coarse-grained when cooling after the annealing treatment - at the expense of a slight reduction in strength.
- the sintering and annealing process can take place both by direct sintering and by indirect sintering.
- the direct sintering process the sintered material is heated by direct current passage.
- the necessary water cooling of the connections enables the sintered goods to cool down particularly quickly when the sintering process has ended.
- the re-excretion in the form of the finest, homogeneously distributed oxide particles will already take place during cooling or during a subsequent aging annealing.
- the rate of cooling plays an important role here, and more so the higher the oxide concentration in the alloy.
- Directly sintered material can be quenched particularly quickly to low temperatures. By heating the alloy, e.g. B. before the extrusion as the first forming process, the precipitation of the oxide particles is occasionally made possible or completed.
- the oxide dispersion alloy according to the invention In order to carry out mechanical shaping processes, in particular cold forming by forging, rolling or hammering, the oxide dispersion alloy according to the invention must have sufficient ductility in addition to high strength. It is therefore important to determine the strength properties of the alloy according to the invention by choosing the dispersoid concentration, but especially by the Controlled control of the solution annealing according to the invention so that it can be brought as close as possible to a just tolerable limit value.
- the alloy consists of niobium or tantalum as the base metal and, in addition to small amounts of dissolved oxygen, contains 0.2-1.5% by weight oxides using one or more of the metals Ti, Zr, Hf, Ba, Sr, Ca, Y, La.
- niobium alloy which contains 0.2-1% by weight of TiO2, whereby in addition to small amounts of interstitially dissolved oxygen, TiO2 is present in the basic matrix as a finely divided dispersoid in the basic matrix.
- TiO2 is present in the basic matrix as a finely divided dispersoid in the basic matrix.
- Another preferred niobium alloy contains 0.2-1.5% by weight of ZrO2.
- the metal component of the decomposing oxide should evaporate out of the alloy much more easily when the alloy material is melted. It therefore has no possibility of being distributed comparatively homogeneously in the base metal.
- the sintering has been carried out at comparatively substantially lower temperatures than according to the present invention. This ensured that the oxide particles distributed in the compact remain as unchanged and stationary as possible at their place of introduction.
- the feasibility of the annealing treatment according to the invention to the extent that was actually possible was surprising. According to the prevailing doctrine, there was a fear that at the annealing or sintering temperatures according to the invention, in addition to the oxides of the base metal, the dissolved oxide metals would also evaporate at high rates from the sintered body surface. Because taking into account the boundary conditions to be fulfilled for the oxide formation energies, the melting points of the oxide metals can be significantly below the annealing temperatures which are respectively desirable according to the present invention and, in preferred embodiments, are also below the annealing temperatures.
- a major advantage of the method according to the invention is its economy. Insofar as dispersion alloys previously produced by melt metallurgy were produced using roughly comparable annealing processes, the entire production process was significantly more cost-intensive with significantly lower solidifications. B. melting and repeated remelting of the oxides in the casting by means of arc melting.
- a significant economic advantage of the method according to the invention is based on the integration of the annealing treatment according to the invention in the generally required sintering process.
- Niobium and tantalum alloys produced by the method according to the invention therefore considerably expand the field of application in implant medicine.
- a promising application of alloys according to the inventive method is in pipe systems for alkali metal cooling circuits, for. B. in nuclear power plants.
- An alloy niobium - 0.5 wt.% TiO2 is produced according to the inventive method.
- 3980 g of niobium powder with an average particle size of 10 ⁇ m and an oxygen content of ⁇ 1000 ppm are mixed homogeneously with 20g TiO2 powder agglomerate with an average particle size of 0.25 ⁇ m for 1 hour.
- the powder mixture is then hydrostatically compressed to 80% of the theoretical density at approx. 2000 bar.
- the compact thus obtained is slowly heated in a high vacuum (better 1 x 10 ⁇ 5 mbar) and finally sintered at a temperature of 2100 o C for 12 hours.
- Table 1 shows two sets of tensile strengths at room temperature 800 o C, 1000 o C and 1200 o C, specifically for the deformed sample and for the sample subsequently recrystallized at 1400 o C for 1 hour. In addition to the tensile strengths, the table also contains associated elongation values.
- the alloy has excellent ductility. This manifests itself on the one hand in the good processability and also in a very low value of approx. -50 o C for the transition temperature, in a high notched impact strength of approx. 135 J / cm2 at room temperature and in a high elongation at break of> 10% deformed material.
- An oxide dispersion-strengthened niobium-1 TiO2 alloy was produced by the process described in Example 1. For this purpose, the TiO2 was weighed in twice as high as in Example 1.
- Example 2 In contrast to Example 1, a partial excretion of the TiO2 could already be observed in this case during the cooling after the sintering and reaction annealing process.
- the titanium still in solution was almost completely excreted as TiO2.
- the higher TiO2 content in the alloy caused a higher resistance to deformation, so that the samples were advantageously annealed before the individual steps of cold forming in order to achieve a more uniform structure.
- Example 2 After the process steps listed in Example 1, a niobium-0.5 ZrO2 alloy was produced.
- the powder compact was further processed by means of direct sintering, especially with a view to rapid cooling of the sintered material after the sintering and annealing process.
- the sintering temperature was increased to 2300 o C to ensure on the one hand that the components of the ZrO2 go completely into solution, but on the other hand to set the total oxygen content of the sample somewhat lower and thus too fast and comparatively to prevent rough re-excretion of the oxide when the sample cools after the sintering process. Measures known per se ensured rapid cooling of the sintered product.
- the heating or aging temperature was increased by 100 o C to 1100 o C before the first hot forming process.
- the further process steps were carried out in accordance with Example 1.
- the tensile strengths and elongation values obtained in the formed as well as in the recrystallized state are listed in Table 1 under item 4.
- the results according to the invention can only be compared to a limited extent with the cited literature values, because on the one hand the deformation process of the samples according to the cited prior art is not described in detail and because On the other hand, based on the description details given there, it can be assumed that in addition to the oxide dispersion precipitates, the alloy also contains significant proportions of oxide metals of the dispersion oxides in the basic matrix and has an alloy effect which increases strength. From a purely qualitative point of view, however, it can be stated that, according to the prior art, it is not possible to achieve high strength values comparable with the present invention.
- Patent 3,181,946 hot deformed RT 506 29 871 307 19th 982 251 14 1204 185 20th 4th Nb-0.5 ZrO2 deformed RT 760 11 recist.
- RT 450 32 5 Nb-1 Zr (Niobium TMS-AIME) deformed RT 350-550 5-15 recist.
- RT 290 35 800 190 18th 1000 135 32 1200 90 77 6 Nb-1 Zr 0.25 0
- hot deformed RT 530 16 982 312 17th 1093 224 26 7 Niobium; purely deformed RT 300-550 2-15 recist.
- an alloy tantalum - 0.5% by weight TiO 2 is produced, the higher melting point of the tantalum having to be taken into account in some process parameters.
- the sintering temperature is 2300 o C compared to the usual approx. 2600 o C. This achieves an approximately stoichiometric oxygen concentration corresponding to the titanium concentration introduced.
- the lower sintering density due to the lower sintering temperature is completely sufficient for complete compression during the subsequent extrusion.
- the aging annealing for the separation of the finest TiO2 particles takes place here preferably at 1100 o C. Due to the high heat resistance of tantalum, extrusion is carried out at 1200 o C. Cold forming is then carried out using profile rollers and rotary hammers - a total of approx. 80% forming.
- Table 1 shows in item 8 the tensile strengths and elongation values obtained in turn on 8 mm test specimens in the deformed state and after recrystallization.
- the high recrystallization temperature (1600 o C / 1 h) leads to a clear coarsening of the TiO2 dispersoids and thus to a weakening of the dispersion hardening compared to the cold-formed material.
- the combination of work hardening and dispersion hardening results in particularly high strengths while maintaining sufficient ductility. For comparison, values of pure tantalum with 82% deformation are given in position 9, the production steps and process parameters corresponding to the above.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer duktilen, hochfesten oxiddispersionsgehärteten Sinterlegierung aus einem Grundmetall hohen Schmelzpunktes (TM), ohne Anteile, oder gegebenenfalls mit die Legierungseigenschaften nicht nachhaltig beeinflussenden Anteilen an Substitutions-Mischkristallphase, bei dem zum Pulver des Grundmetalles ein Metalloxidpulver als Dispersoid zugemischt wird, wobei Oxide solcher Metalle verwendet werden, welche bei Temperaturen < 0,5 TM größere Bildungsenergien als die Oxide des Grundmetalles besitzen.The invention relates to a method for producing a ductile, high-strength oxide dispersion-hardened sintered alloy from a base metal with a high melting point (T M ), without fractions, or optionally with fractions of substitution mixed crystal phase that do not have a lasting effect on the alloy properties, in which a metal oxide powder as dispersoid is used to powder the base metal is mixed in, using oxides of metals which have greater formation energies than the oxides of the base metal at temperatures <0.5 T M.
Klassische Verfahren zur Beeinflussung der Festigkeitseigenschaften von Metallen sind das Legieren über Mischkristallphasen und das mechanische Umformen. Daneben ist es bekannt, die Festigkeit von schmelzmetallurgisch oder sintermetallurgisch hergestellten Werkstoffen durch Einbau bzw. Ausscheidung von Dispersoiden zu erhöhen. Unter Dispersoiden versteht man definitionsgemäß solche in der Regel kontinuierlich in der metallischen Grundmatrix eingebaute Teilchen, welche auch bei höheren Temperaturen nicht mit dem Grundmetall reagieren bzw. in Lösung gehen und nicht als Substitutionsmetall in das Grundgitter eingebaut werden. Als Dispersoide werden insbesondere Oxide, Karbide und Nitride verwendet.Classic methods for influencing the strength properties of metals are alloying via mixed crystal phases and mechanical forming. In addition, it is known to increase the strength of materials produced by melt metallurgy or sinter metallurgy by incorporating or separating dispersoids. By definition, dispersoids are understood to mean those particles which are generally built into the metallic base matrix continuously and which do not react with the base metal or dissolve at higher temperatures and are not built into the base lattice as a substitute metal. Oxides, carbides and nitrides are used in particular as dispersoids.
Entsprechend gefestigter Lehrmeinung besteht der Nachteil der Dispersionshärtung gegenüber der Legierungshärtung durch kontinuierliches oder diskontinuierliches Ausscheiden einer zweiten Phase in der Grundphase aus einer gemeinsamen Lösung (Ausscheidungshärten) darin, "daß es kaum möglich ist, einen solchen Dispersitätsgrad und die Steigerung der Festigkeit zu erzielen, wie man sie in vielen Fällen bei Ausscheidungsvorgängen erreicht" (H.Böhm, Einführung in die Metallkunde, Hochschultaschenbücher Verlag, Mannheim, Zürich).According to firmly established doctrine, the disadvantage of dispersion hardening compared to alloy hardening by continuously or discontinuously separating a second phase in the basic phase from a common solution (precipitation hardening) is that "it is hardly possible to achieve such a degree of dispersity and the increase in strength as they are reached in many cases during excretion processes "(H.Böhm, Introduction to Metallurgy, University Pocket Books, Verlag, Mannheim, Zurich).
Zur Herstellung dispersionsgehärteter Legierungen nach pulvermetallurgischen Verfahren werden die Dispersoide üblicherweise durch Tränken des Pulvers mit einer Dispersoid-Suspension oder auch durch Einmischen von pulverförmigen Dispersoiden in das Pulver des Grundmetalles eingebracht.To produce dispersion-hardened alloys by powder metallurgical processes, the dispersoids are usually introduced into the powder of the base metal by impregnating the powder with a dispersoid suspension or else by mixing powdered dispersoids.
Die DE-AS 12 32 353 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von vorzugsweise metalloxidhaltigen hochschmelzenden Metallen nach sintermetallurgischen Verfahren. Die dortige Erfindung setzt bei der Erkenntnis an, daß als kolloidale Lösungen ins Pulver eingebrachte Oxide während der Sinterung koagulieren, d.h. sich aus ursprünglich feiner Verteilung zu größeren Oxidpartikeln umbilden und damit die Ursache für hohe Bruchempfindlichkeit des gesinterten Materials, insbesondere bei der weiteren Verarbeitung, darstellen. Das gemäß DE-AS 12 32 353 erfindungswesentliche Verfahrensmerkmal baut nun darauf auf, die Sintertemperatur gegenüber dem üblichen Standard herabzusetzen, um damit die Beweglichkeit der eingebrachten Oxidteilchen durch Diffusion zu reduzieren, indem Sinterhilfen in Form "anderer nicht schädlicher Metallzusätze" zum Sintergut eingebracht werden, die bei niedrigeren Temperaturen als das Oxid schmelzen und damit eine Art Flüssigphasensinterung ermöglichen ("flüssige oder teigige Phase schon bei Temperaturen, bei denen sonst noch keine Sinterung eintritt. Dadurch ist die Sinterung schon beendet, ehe sich die Oxidteilchen - mangels Bewegung im Sinterkörper - zu schädlichen Partikelchen zusammengeballt haben", Spalte 1, Zeilen 51-52, Spalte 2, Zeilen 16-20).
Die Oxidteilchen werden weitgehend an der Stelle gehalten, an der sie in Form der kolloidalen Lösung eingebracht wurden.DE-AS 12 32 353 describes a process for the production of refractory metals, preferably containing metal oxides, by sintered metallurgical processes. The invention there begins with the knowledge that oxides introduced into the powder as colloidal solutions coagulate during sintering, that is to say from the originally fine distribution they form larger oxide particles and thus represent the cause of the high sensitivity to breakage of the sintered material, in particular during further processing . The process feature essential to the invention according to DE-AS 12 32 353 is now based on lowering the sintering temperature compared to the usual standard, in order to reduce the mobility of the introduced oxide particles by diffusion by introducing sintering aids in the form of "other non-harmful metal additives" to the sintered good, which melt at lower temperatures than the oxide and thus enable a kind of liquid phase sintering ("liquid or pasty phase already at temperatures at which no sintering occurs yet. This means that the sintering has ended before the oxide particles - due to lack of movement in the sintered body - become closed have clustered harmful particles ", column 1, lines 51-52, column 2, lines 16-20).
The oxide particles are largely held where they were introduced in the form of the colloidal solution.
Durch "mechanisches Legieren" lassen sich derart eingebrachte Dispersoide weiter homogenisieren. Das Ziel beim mechanischen Legieren ist es, die Dispersoide selbst noch innerhalb der einzelnen Metall-Pulverkörner möglichst homogen zu verteilen. Diese Verfahren sind sehr zeitaufwendig und erfordern hochwertige Mahlaggregate. Sie sind daher sehr teuer und in ihrer Anwendbarkeit von der Beschaffenheit der Komponenten abhängig. Weiters ist in der Praxis ein Kompromiß hinsichtlich Homogenisierungsgrad und Mahlkosten erforderlich; d. h. die Mahlung wird zeitlich beschränkt.Dispersoids introduced in this way can be further homogenized by "mechanical alloying". The aim of mechanical alloying is to distribute the dispersoids as homogeneously as possible even within the individual metal powder grains. These processes are very time-consuming and require high-quality grinding units. They are therefore very expensive and their applicability depends on the nature of the components. Furthermore, in practice a compromise with regard to the degree of homogenization and grinding costs is required; d. H. the grinding is limited in time.
Nach der DE-A1 35 40 255 wird zur Herstellung einer ODS-Legierung vorgeschlagen, das Grundmetall in Form einer Salzlösung mit den Dispersionspartikeln in kolloidaler Suspension zu vermischen und letztendlich zu Metall zu reduzieren.
Als besonderer Vorteil wird die feinverteilte, homogene Einbringung des Dispersoides in die Metallmatrix genannt. Doch auch bei diesem Verfahren ist die Verteilung durch die Partikelgröße der Komponenten begrenzt.According to DE-A1 35 40 255 for the production of an ODS alloy it is proposed to mix the base metal in the form of a salt solution with the dispersion particles in a colloidal suspension and ultimately to reduce it to metal.
The finely divided, homogeneous introduction of the dispersoid into the metal matrix is mentioned as a particular advantage. But even with this method, the distribution is limited by the particle size of the components.
Die Herstellung von dispersionsgehärteten Legierungen besteht darin, definitionsgemäß nicht mit der Grundmatrix reagierende bzw. legierende Teilchen als Dispersoide einzubauen. Damit zusammenhängend werden bis heute bei den sintermetallurgischen Verfahren zur Herstellung von Dispersions-Legierungen Dispersoide mit in der Regel wesentlich über der Legierungs-Sintertemperatur liegendem Schmelzpunkt verwendet. Die Dispersoide liegen während des gesamten Herstellungsprozesses in fester Phase vor.The production of dispersion-hardened alloys consists, by definition, of incorporating particles which do not react or alloy with the basic matrix as dispersoids. In connection with this, dispersoids with a melting point that is generally well above the alloy sintering temperature are generally used in the sintered metallurgical processes for producing dispersion alloys. The dispersoids are in a solid phase during the entire manufacturing process.
Aufgrund der vorerwähnten Lehrmeinung, über die Dispersionshärtung allein nur vergleichweise geringe Festigkeitssteigerung zu erreichen, wurde in der Vergangenheit in denjenigen Fällen zusätzlich das Mittel des Mischkristall-Legierungshärtens bzw. des Ausscheidungshärtens angewendet, in denen höhere Festigkeiten gefordert waren. Dazu wurden den Grundmetallen neben den Dispersoiden größere Anteile an Zusatzmetallen beigegeben.Due to the above-mentioned doctrine that only a comparatively small increase in strength can be achieved by dispersion hardening alone, in the past the means of mixed crystal alloy hardening was additionally used in those cases or precipitation hardening, in which higher strengths were required. In addition to the dispersoids, larger proportions of additional metals were added to the base metals.
Neben der sintermetallurgischen Herstellung ist es bekannt, Oxid-Dispersions-Legierungen von Metallen hoher Schmelzpunkte schmelzmetallurgisch, insbesondere durch Erschmelzen im Lichtbogen herzustellen.In addition to the sintered metallurgical production, it is known to produce oxide dispersion alloys of metals with high melting points by melt metallurgy, in particular by melting in an arc.
Aus der DE-C1 12 90 727 ist es beispielsweise bekannt, schmelzmetallurgisch eine Niob-Legierung hoher Festigkeit herzustellen, indem dem Niob neben 0,5 - 12 % Zirkonium kleine Mengen an Sauerstoff, Kohlenstoff und/oder Stickstoff sowie ggf. größere Mengen an weiteren Metallen hohen Schmelzpunktes zugegeben werden und die so (im Lichtbogen) erschmolzene Legierung zwischen 5 Minuten und 9 Stunden bei 1600 - 2100oC lösungsgeglüht, abgekühlt, verformt und schließlich einen Prozeß der Ausscheidungsglühung oder Auslagerung unterzogen wird. In der Patentbeschreibung ist ausgeführt, daß während der Lösungsglühung die zweite Phase, gemeint sind die nach dem Erschmelzen in der Grundmatrix (Grundmetall) enthaltenden Karbide, Nitride und/oder Oxide, mit der Grundmatrix eine Lösung bildet. Gemäß jener Erfindung sollen durch das Lösungsglühen und anschließende Abschrecken die zweite Phase während der Kaltverformung in Lösung bleiben und erst durch die Auslagerungsglühung homogen und fein ausgeschieden werden. Die erreichbare Qualität ist durch Beispiele sowie in Form von in Tabellen zusammengestellten Festigkeitseigenschaften dokumentiert.
Nach diesem Patent wird das Mittel des Substitutionsmischkristall-Legierens sowie die Ausscheidungshartung, entsprechend Spalte 1, Zeile 65 der Beschreibung gemeinsam mit dem Mittel des Dispersionsverfestigung zur Erhöhung der mechanischen Eigenschaften derartiger Legierungen angewendet. Die erzielten Festigkeiten resultieren somit aus zwei oder drei nebeneinander ablaufenden, festigkeits- und härtesteigernden Prozessen.From DE-C1 12 90 727 it is known, for example, to produce a high-strength niobium alloy by melt metallurgy by adding small amounts of oxygen, carbon and / or nitrogen to the niobium in addition to 0.5 - 12% zirconium and possibly larger amounts of others metals high melting point is added and the so molten (arc) alloy is between 5 minutes and 9 hours at 1600 to 2100 o C solution annealed, cooled, shaped and is finally subjected to a process of Ausscheidungsglühung or paging. In the patent description it is stated that during the solution annealing the second phase, meaning the carbides, nitrides and / or oxides contained in the base matrix (base metal) after melting, forms a solution with the base matrix. According to that invention, by solution annealing and subsequent quenching, the second phase should remain in solution during cold working and should only be excreted homogeneously and finely by aging annealing. The achievable quality is documented by examples and in the form of strength properties compiled in tables.
According to this patent, the means of substitution mixed crystal alloying and the precipitation hardening, according to column 1, line 65 of the description, are used together with the means of dispersion hardening to increase the mechanical properties of such alloys. The strengths achieved thus result from two or three processes running side by side that increase strength and hardness.
Die vergleichsweise kleinen Mengen O, aber auch N und/oder C in der Legierung belegen, daß dort die Oxidausscheidung als Mittel zur Festigkeitssteigerung eine nur vergleichsweise untergeordnete Rolle spielt. In Beispiel 1 ist von sechsmaligem Umschmelzen des Gußblockes die Rede, um eine brauchbare, aber prozessbedingt keinesfalls gute Homogenisierung der Metalle und Dispersoide zu gewährleisten. Der Prozeß ist gleichwohl vergleichsweise teuer. Derartige Legierungen haben nach dem Erschmelzen und auch noch nach dem Warmumformen vergleichsweise grobes, die Materialfestigkeit beeinträchtigendes Korn. Aus diesem Grund wird in der Beschreibung, Spalte 1, Zeile 55 ff, auch ausdrücklich daraufhingewiesen, "das Lösungsglühen der Bleche nicht unnötig zu verlängern, um ein Kornwachstum zu verhindern".
Die Raumtemperatur-Daten sind in der Beschreibung nicht angeführt. Erfahrungsgemäß kann man bei nach diesem Verfahren hergestellten Legierungen zwar mit relativ hohen Festigkeiten, zugleich aber nur mit geringer Duktilität bei Raumtemperatur rechnen (siehe z. B. V.G. Grigorovich und E.N. Sheftel' Met. Sci. And Heat Treatment 24 (7-8), S. 472, (1983)The comparatively small amounts of O, but also N and / or C in the alloy prove that there the oxide excretion plays a comparatively minor role as a means of increasing strength. In example 1, the casting block is remelted six times in order to ensure that the metals and dispersoids are homogenized in a manner which is usable, but in no way good due to the process. The process is nevertheless comparatively expensive. After melting and even after hot forming, such alloys have comparatively coarse grains which impair the material strength. For this reason, the description, column 1, line 55 et seq. Also expressly advises "not to prolong the solution annealing of the sheets unnecessarily in order to prevent grain growth".
The room temperature data are not listed in the description. Experience has shown that alloys produced using this process can have relatively high strengths, but at the same time only low ductility at room temperature (see e.g. BVG Grigorovich and EN Sheftel 'Met. Sci. And Heat Treatment 24 (7-8), p. 472, (1983)
In der US Patentschrift 3 181 946 ist eine Niob-Basislegierung vorbeschrieben, welche 0,25 - 0,5 % Sauerstoff und/oder 1 - 3 % Zirkonium und/oder Titan enthält, wobei das Gewichtsverhältnis Sauerstoff zu Titan oder Zirkonium von 3 : 1 bis 12 : 1 reicht. Eine Materialverfestigung wird dort durch Oxid-Dispersionsverfestigung und entsprechend der ausgeführten Beispiele zu einem gewissen Anteil auch durch interstitiell gelösten Sauerstoff und durch Legieren von Niob mit Titan und/oder Zirkonium erreicht. Es ist dort darauf hingewiesen, daß höhere Anteile an interstitiell gelöstem Sauerstoff im Niob große Sprödigkeit verursachen. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, werden dort Metalloxide von Metallen mit größerer Bindungsenergie (negative Bildungsenthalpie) als der des Grundmetalles nur zusammen mit einem Überschuß an Oxidmetall eingesetzt. Die Patentbeschreibung ist ausschließlich auf eine schmelzmetallurgische Herstellung dieser Legierung ausgerichtet. Die Zusätze werden während eines Umschmelzprozesses des hochreinen Niobs im Lichtbogen z.B. als Titanoxid-Pulver und schwammartiges Titan-Metall zugesetzt. Dem für die Form der Dispersionsausscheidung wichtigen Abkühlprozeß wird in der Patentbeschreibung keine Aufmerksamkeit geschenkt. Dieses Verfahren erlaubt keine hochfeine Verteilung der Dispersoide im Grundmetall.
Die erreichbaren Festigkeitseigenschaften von zusätzlich warm umgeformten, aber nicht rekristallisierten Niob-Legierungen werden in einer Tabelle zusammengestellt und mit den Eigenschaften reiner kommerziell gehandelter Niob-Qualitäten verglichen. Sie dienen später als Vergleich für die nach vorliegender Erfindung erreichbaren Festigkeitssteigerungen.US Pat. No. 3,181,946 describes a niobium-based alloy which contains 0.25-0.5% oxygen and / or 1-3% zirconium and / or titanium, the weight ratio oxygen to titanium or zirconium being 3: 1 up to 12: 1 is enough. Material hardening is achieved there by oxide dispersion hardening and, according to the examples given, to a certain extent also by interstitially dissolved oxygen and by alloying niobium with titanium and / or zirconium. It is pointed out there that higher proportions of interstitially dissolved oxygen in the niobium cause great brittleness. In order to counteract this effect, metal oxides of metals with greater binding energy (negative enthalpy of formation) than that of the base metal are only used together with an excess of oxide metal. The patent description is aimed exclusively at the melt metallurgical production of this alloy. The additives are in the arc during a remelting process of the high-purity niobium eg added as titanium oxide powder and sponge-like titanium metal. The cooling process, which is important for the form of dispersion precipitation, is not given any attention in the patent description. This process does not allow a very fine distribution of the dispersoids in the base metal.
The achievable strength properties of additionally hot-formed but not recrystallized niobium alloys are summarized in a table and compared with the properties of pure commercially traded niobium grades. They later serve as a comparison for the strength increases achievable according to the present invention.
Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, ein gegenüber bekannten Verfahren wirtschaftlicheres Verfahren zur Herstellung von ODS-Sinterlegierungen mit hohen Duktilitäts- und Festigkeitseigenschaften unter Verwendung eines Grundmetalles hohen Schmelzpunktes zu entwickeln. Dabei sollten die Festigkeitswerte von nach bekannten metallurgischen Verfahren hergestellten Legierungen sowohl im verformten als auch im rekristallisierten Zustand zumindest erreicht werden, ohne daß Substitutionsmischkristall-Bildung und klassische Ausscheidung einer zweiten Metall- oder Verbindungsphase als Mittel zur Erhöhung der Festigkeit eingesetzt werden.
Durch das Verfahren soll sich der Grad der Dispersionsverfestigung sehr exakt steuern lassen. Die Duktilität der Legierung soll auch für ein anschließendes Kaltverformen des Materials noch ausreichend groß sein.
Die Eigenschaften eines einzelnen metallischen Elementes, wie dessen Korrosionsverhalten und die strahlenphysikalischen Eigenschaften, sollen möglichst von Fremdelementen unbeeinflußt erhalten bleiben und gleichzeitig soll die mechanische Festigkeit der Metalle gegenüber der hochreinen Phase, mit oder ohne Verformungshärtung, wesentlich gesteigert werden.The object of the present invention is to develop a more economical process for the production of ODS sintered alloys with high ductility and strength properties using a base metal with a high melting point. The strength values of alloys produced by known metallurgical processes, both in the deformed and in the recrystallized state, should at least be achieved without substitution mixed crystal formation and classic precipitation of a second metal or compound phase being used as a means of increasing the strength.
The process should be able to control the degree of dispersion hardening very precisely. The ductility of the alloy should also be sufficiently large for subsequent cold forming of the material.
The properties of a single metallic element, such as its corrosion behavior and the radiation physical properties, should be preserved as far as possible unaffected by foreign elements and at the same time the mechanical strength of the metals compared to the high-purity phase, with or without deformation hardening, should be significantly increased.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein aus der Pulvermischung geformter Pulverpreßling während des Sintervorganges bei Temperaturen im Bereich 0,7 - 0,9 TM unter Ablauf der folgenden Vorgänge gesintert wird
- das eingebrachte Oxid zersetzt sich und/oder wird vom Grundmetall reduziert, die entstehenden Komponenten gehen im Grundmetall in Lösung
- die gelösten Komponenten werden infolge Diffusion im Grundmetall fein verteilt
- ein Teil des insgesamt in der Legierung befindlichen Sauerstoffes dampft von der Oberfläche des Sinterkörpers ab,
- the introduced oxide decomposes and / or is reduced by the base metal, the resulting components dissolve in the base metal
- the dissolved components are finely distributed due to diffusion in the base metal
- part of the total oxygen in the alloy evaporates from the surface of the sintered body,
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2-3 offenbart. Oxiddispersionsgehärtete Sinterlegierungen, herstellbar nach einem der genannten Verfahren, sind in den Ansprüchen 4-6 offenbart.Preferred embodiments of the method are disclosed in claims 2-3. Oxide dispersion-hardened sintered alloys, which can be produced by one of the processes mentioned, are disclosed in claims 4-6.
Aufgrund der aufgeführten Erfindungsmerkmale wird sich das Verfahren nur auf eine beschränkte Anzahl von Legierungen anwenden lassen. Unter den Metallen mit hohen Schmelzpunkten sind in erster Linie diejenigen der V. und VI. Nebengruppe des Periodensystems geeignet. Aufgrund der freien negativen Bildungsenergie sind jeweils nur eine beschränkte Anzahl von Oxiden für die angestrebte Dispersionshärtung anwendbar. Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über zumindest in Einzelfällen verwendbare Oxide und deren freie Bildungsenergie und im Vergleich dazu die Oxide einiger hochschmelzender Metalle mit vergleichsweise niedrigen Bildungsenergien:
Ein wesentlicher, die jeweilige Wahl geeigneter Kombinationen Grundmetall und Dispersoid bestimmender Faktor ist die Löslichkeit des Sauerstoffes und des Oxidmetalls im Grundmetall bei der jeweiligen Sintertemperatur sowie die Schmelztemperatur des Oxidmetalles selbst. Eine zu geringe Löslichkeit oder die Bildung intermetallischer Verbindungen zwischen Oxidmetall und Grundmetall schließen einige Kombinationen von Metall und Oxid aus oder beschränken zumindest den erreichbaren Dispersoid-Anteil in der Legierung.An important factor determining the respective choice of suitable combinations of base metal and dispersoid is the solubility of the oxygen and the oxide metal in the base metal at the respective sintering temperature and the melting temperature of the oxide metal itself. Insufficient solubility or the formation of intermetallic connections between oxide metal and base metal exclude some combinations from metal and oxide or at least limit the achievable dispersoid content in the alloy.
Jeder der drei gemäß Erfindung beim Lösungsglühen nebeneinander ablaufenden Vorgänge ist an sich bekannt, ebenso die Mittel und Maßnahmen, um einen kontrollierten Ablauf dieser Vorgänge sicherzustellen. Es liegt daher im Rahmen des Durchschnittsfachmannes, geeignete Maßnahmen zur gewünschten Abstimmung der drei Vorgänge zueinander im Einzelfall vorzunehmen.Each of the three processes that run side by side in solution annealing according to the invention is known per se, as are the means and measures to ensure a controlled process of these processes. It is therefore within the scope of the average specialist to take suitable measures for the desired coordination of the three processes in each case.
Die Konzentration des Oxides im Grundmetall bestimmt im wesentlichen die jeweilige Temperatur, bei der sich die einzelnen erfindungsgemäßen Vorgänge abspielen bzw. gegenüber den anderen dominant werden. Durch Abstimmung von Sinterzeit und Sintertemperatur auf die in der jeweiligen Legierung vorhandenen Komponenten und deren Konzentration, lassen sich die drei Vorgänge zur Oxid-Homogenisierung im Zuge der Sinterung erreichen.The concentration of the oxide in the base metal essentially determines the respective temperature at which the individual processes according to the invention take place or become dominant over the others. By matching the sintering time and sintering temperature to the components present in the respective alloy and their concentration, the three processes for oxide homogenization can be achieved in the course of the sintering.
Der Gesamt-Sauerstoffgehalt im gesinterten Werkstoff sollte vorzugsweise so eingestellt werden, daß gerade die stöchiometrisch notwendige Menge für die Bildung des Oxides verbleibt, wobei das wegen eines diffusionskontrollierten Konzentrationsprofiles streng nur für die Sinterling-Mitte gültig ist. Fallweise wird man den Sauerstoffgehalt niedriger, d. h. unterstöchiometrisch einstellen, um eine zu rasche und damit in der Regel grobkörnige Ausscheidung des Oxides beim Abkühlen nach der Glühbehandlung zu vermeiden - dies auf Kosten einer leichten Verringerung der Festigkeit.The total oxygen content in the sintered material should preferably be set so that just the stoichiometrically necessary amount remains for the formation of the oxide, which is strictly only valid for the sinterling center due to a diffusion-controlled concentration profile. In some cases, the oxygen content will be set lower, ie sub-stoichiometric, in order to prevent the oxide from precipitating too quickly and, as a rule, coarse-grained when cooling after the annealing treatment - at the expense of a slight reduction in strength.
Sauerstoffüberschuß im Sintergut führt zu interstitiell gelöstem Sauerstoff neben vollständig ausgeschiedenem Oxid. Ein Sauerstoff-Defizit hat eine unvollständige Oxidausscheidung zur Folge. Im letzteren Fall bleibt das Oxidmetall zum Teil in der Grundmatrix gelöst und wirkt dadurch bei späteren Verarbeitungsschritten als Getter für Verunreinigungen - aber auch als Mischkristallkomponente.
Da interstitiell gelöster, nicht als Oxid ausgeschiedener Überschuß-Sauerstoff zwar eine zusätzliche Festigkeitssteigerung bewirkt, gleichzeitig aber zu einer sinkenden Duktilität führt, muß in der Praxis ein auf sämtliche Anforderungen angepaßtes Optimum der Einflußgrößen festgelegt werden.Excess oxygen in the sintered material leads to interstitially dissolved oxygen in addition to completely excreted oxide. An oxygen deficit results in incomplete oxide excretion. In the latter case, the oxide metal remains partially dissolved in the basic matrix and thus acts as a getter for impurities in later processing steps - but also as a mixed crystal component.
Since interstitially dissolved excess oxygen, which is not excreted as an oxide, brings about an additional increase in strength, but at the same time leads to a decrease in ductility, in practice an optimum of the influencing variables which has been adapted to all requirements must be established.
Der Sinter- und Glühprozeß kann sowohl mittels Direktsintern als auch mittels Indirektsintern erfolgen. Beim Direktsinterprozeß erfolgt die Aufheizung des Sinterguts mittels direkten Stromdurchgang. Die dafür nötige Wasserkühlung der Anschlüsse ermöglicht ein besonders rasches Abkühlen des Sintergutes bei Beendigung des Sinterprozesses.
Anschließend an den Sintervorgang mit Lösungsglühung wird je nach Dispersoid und Konzentration die Wiederausscheidung in Form feinster, homogen verteilter Oxidteilchen bereits während des Abkühlens oder aber bei einer anschließenden Auslagerungsglühung erfolgen. Dabei spielt die Abkühlungsgeschwindigkeit eine wichtige Rolle, und zwar um so mehr, je höher die Oxidkonzentration in der Legierung ist. Direktgesintertes Gut läßt sich besonders schnell auf tiefe Temperaturen abschrecken. Durch Erwärmung der Legierung, z. B. vor dem Strangpressen als erster Umformprozeß, wird die Präzipitation der Oxidteilchen fallweise überhaupt erst ermöglicht oder aber vervollständigt.The sintering and annealing process can take place both by direct sintering and by indirect sintering. In the direct sintering process, the sintered material is heated by direct current passage. The necessary water cooling of the connections enables the sintered goods to cool down particularly quickly when the sintering process has ended.
Following the sintering process with solution annealing, depending on the dispersoid and concentration, the re-excretion in the form of the finest, homogeneously distributed oxide particles will already take place during cooling or during a subsequent aging annealing. The rate of cooling plays an important role here, and more so the higher the oxide concentration in the alloy. Directly sintered material can be quenched particularly quickly to low temperatures. By heating the alloy, e.g. B. before the extrusion as the first forming process, the precipitation of the oxide particles is occasionally made possible or completed.
Zur Durchführung mechanischer Umformprozesse, insbesondere der Kaltverformung durch Schmieden, Walzen oder Hämmern, muß die erfindungsgemäße Oxiddispersions-Legierung neben hoher Festigkeit noch ausreichende Duktilität besitzen. Daher ist es wichtig, die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung durch Wahl der Dispersoid-Konzentration, vor allem aber durch die kontrollierte Steuerung der erfindungsgemäßen Lösungsglühung, möglichst nahe an einen gerade noch tolerierbaren Grenzwert heranführen zu können.In order to carry out mechanical shaping processes, in particular cold forming by forging, rolling or hammering, the oxide dispersion alloy according to the invention must have sufficient ductility in addition to high strength. It is therefore important to determine the strength properties of the alloy according to the invention by choosing the dispersoid concentration, but especially by the Controlled control of the solution annealing according to the invention so that it can be brought as close as possible to a just tolerable limit value.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Legierung aus Niob oder Tantal als Grundmetall und enthält neben kleinen Mengen an gelöstem Sauerstoff, 0,2 - 1,5 Gew.% Oxide unter Verwendung eines oder mehrerer der Metalle Ti, Zr, Hf, Ba, Sr, Ca, Y, La.According to a preferred embodiment of the invention, the alloy consists of niobium or tantalum as the base metal and, in addition to small amounts of dissolved oxygen, contains 0.2-1.5% by weight oxides using one or more of the metals Ti, Zr, Hf, Ba, Sr, Ca, Y, La.
Besonders herausragende Ergebnisse werden mit einer Niob-Legierung erzielt, die 0,2 - 1 Gew.% TiO₂ enthält, wobei neben geringen Mengen interstitiell gelösten Sauerstoffs im Niob-Grundgitter TiO₂ als feinverteiltes Dispersoid in der Grundmatrix vorliegt.
Eine andere bevorzugte Niob-Legierung enthält 0,2 - 1,5 Gew-% ZrO₂.Particularly outstanding results are achieved with a niobium alloy which contains 0.2-1% by weight of TiO₂, whereby in addition to small amounts of interstitially dissolved oxygen, TiO₂ is present in the basic matrix as a finely divided dispersoid in the basic matrix.
Another preferred niobium alloy contains 0.2-1.5% by weight of ZrO₂.
Überraschend und in diesem Ausmaße nicht vorhersehbar waren die ungewöhnlich hohen, mittels der Erfindung erreichten Festigkeiten bei vergleichsweise hoher Duktilität für Dispersions-Sinterlegierungen. So wird beispielsweise in der Veröffentlichung "Niobium, TMS-AIME, Proceedings of the International Symposium 1981, ed. H. Stuart (1984)", auf S. 247 ausgeführt, daß sich in Niob mangels ausreichend feinverteilter Dispersoide nur sehr geringe Dispersionsverfestigung erreichen läßt. Selbst in den Fällen, in denen bei schmelzmetallurgischer Legierungsbildung nach dem Stand der Technik bezüglich Temperatur und Zeit in etwa vergleichbare Glühverfahren angewandt wurden, ließen sich die Ergebnisse vorliegender Erfindung nicht annähernd erzielen. Es muß vielmehr davon ausgegangen werden, daß sich dort aufgrund der unterschiedlichen Randbedingungen die drei bei vorliegendem Verfahren neben dem Sintern ablaufenden Vorgänge nicht vergleichbar aufeinander abstimmen lassen. Insbesondere dürfte im Unterschied zu Sinterlegierungen bei erschmolzenem Legierungsgut die Metallkomponente des sich zersetzenden Oxids wesentlich leichter aus der Legierung abdampfen. Sie hat daher keine Möglichkeit sich vergleichsweise homogen im Grundmetall zu verteilen.The unusually high strengths achieved by means of the invention combined with a comparatively high ductility for dispersion sintered alloys were surprising and could not have been foreseen to this extent. For example, in the publication "Niobium, TMS-AIME, Proceedings of the International Symposium 1981, ed. H. Stuart (1984)", on p. 247, it is stated that in niobium, due to the lack of sufficiently finely divided dispersoids, very little dispersion solidification can be achieved . The results of the present invention could not even be achieved even in the cases in which approximately comparable annealing processes were used in the case of melt metallurgical alloy formation according to the prior art with regard to temperature and time. Rather, it must be assumed that, because of the different boundary conditions, the three processes which take place in the present method in addition to sintering cannot be coordinated with one another in a comparable manner. In particular, in contrast to sintered alloys, the metal component of the decomposing oxide should evaporate out of the alloy much more easily when the alloy material is melted. It therefore has no possibility of being distributed comparatively homogeneously in the base metal.
Soweit bisher Oxiddispersions-Legierungen mittels Sintern hergestellt wurden, erfolgte die Sinterung bei vergleichsweise wesentlich niedrigeren Temperaturen als nach vorliegender Erfindung. Damit wurde sichergestellt, daß die im Preßling verteilten Oxidteilchen möglichst unverändert und stationär an ihrem Einbringungsort verbleiben.
Die Durchführbarkeit der Glühbehandlung gemäß Erfindung im tatsächlich möglichen Umfang war überraschend. Nach herrschender Lehrmeinung war nämlich zu befürchten, daß bei den erfindungsgemäßen Glüh- bzw. Sintertemperaturen neben den Oxiden des Grundmetalles auch die gelösten Oxidmetalle mit hohen Raten von der Sinterkörper-Oberfläche abdampfen werden. Denn bei Berücksichtigung der zu erfüllenden Randbedingungen für die Oxid-Bildungsenergien können die Schmelzpunkte der Oxidmetalle deutlich unter den nach vorliegender Erfindung jeweils wünschenswerten Glühtemperaturen liegen und liegen in bevorzugten Ausführungen auch unter den Glühtemperaturen.To the extent that oxide dispersion alloys have previously been produced by sintering, the sintering has been carried out at comparatively substantially lower temperatures than according to the present invention. This ensured that the oxide particles distributed in the compact remain as unchanged and stationary as possible at their place of introduction.
The feasibility of the annealing treatment according to the invention to the extent that was actually possible was surprising. According to the prevailing doctrine, there was a fear that at the annealing or sintering temperatures according to the invention, in addition to the oxides of the base metal, the dissolved oxide metals would also evaporate at high rates from the sintered body surface. Because taking into account the boundary conditions to be fulfilled for the oxide formation energies, the melting points of the oxide metals can be significantly below the annealing temperatures which are respectively desirable according to the present invention and, in preferred embodiments, are also below the annealing temperatures.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in seiner Wirtschaftlichkeit. Soweit bisher schmelzmetallurgisch hergestellte Dispersions-Legierungen unter Einbeziehung in etwa vergleichbarer Glühverfahren gefertigt wurden, war das gesamte Herstellungsverfahren bei deutlich geringeren Verfestigungen wesentlich kostenintensiver - z. B. Einschmelzen und mehrmaliges Umschmelzen der Oxide im Gußteil mittels des Lichtbogenschmelzens.A major advantage of the method according to the invention is its economy. Insofar as dispersion alloys previously produced by melt metallurgy were produced using roughly comparable annealing processes, the entire production process was significantly more cost-intensive with significantly lower solidifications. B. melting and repeated remelting of the oxides in the casting by means of arc melting.
Aufgrund der jeweils erreichbaren Festigkeiten nach den verschiedenen Verfahren darf davon ausgegangen werden, daß sich für ODS-Sinterlegierungen gemäß Erfindung mit wirtschaftlichem Aufwand wesentlich feinere Oxidpartikel und homogene Dispersoidverteilungen in der Grundmatrix erreichen lassen als bei üblichen schmelzmetallurgischen Verfahren unter Einbeziehung einer Glühbehandlung. Dabei wirkt sich als Vorteil aus, daß beim Sintern regelmäßig ein wesentlich feineres Korn erhalten wird als auf schmelzmetallurgischem Wege.On the basis of the strengths that can be achieved in each case according to the various processes, it can be assumed that for ODS sintered alloys according to the invention, much finer oxide particles and homogeneous dispersoid distributions can be achieved in the basic matrix than with conventional melt metallurgical processes including an annealing treatment. This has the advantage that a much finer grain is regularly obtained during sintering than by melt metallurgy.
Ein wesentlicher wirtschaftlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Integration der Glühbehandlung gemäß Erfindung in den generell erforderlichen Sintervorgang.A significant economic advantage of the method according to the invention is based on the integration of the annealing treatment according to the invention in the generally required sintering process.
Vergleichbar hochfeste Legierungen - vor allem bei Raumtemperatur und mittelhohen Temperaturen - wurden bisher für das jeweilige Grundmetall nur mittels Mischkristallphasenbildung, ggf. mit Ausscheidung einer zweiten Metallphase, erhalten. Ein bewußter Verzicht auf Mischkristallphasenbildung hat folgende Vorteile:
- die ODS-Sinterlegierungen besitzen eine vergleichsweise hohe Duktilität und lassen sich daher wesentlich wirtschaftlicher auf höhere Endfestigkeiten umformen
- die Legierungen sind regelmäßig korrosionsfester als nach bekannten Verfahren hergestellte
- typische für ihre Verwendbarkeit ausschlaggebende Eigenschaften einzelner Grundmetalle, wie extreme Korrosionsbeständigkeit und damit Körperverträglichkeit als Humanimplantat, aber auch die Verwendung beispielsweise des Niobs aufgrund seines niedrigen Neutronen-Einfangquerschnitt, werden durch die geringen Dispersoid-Konzentrationen praktisch nicht beeinflußt.
- The ODS sintered alloys have a comparatively high ductility and can therefore be formed much more economically to higher ultimate strengths
- the alloys are generally more corrosion-resistant than those produced by known processes
- Typical properties of individual base metals which are decisive for their usability, such as extreme corrosion resistance and thus body tolerance as a human implant, but also the use of niobium, for example, due to its low neutron capture cross section, are practically not influenced by the low dispersoid concentrations.
Werkstoffe, hergestellt nach vorliegender Erfindung, werden in der Chemie ebenso benötigt wie in Werkzeugen für die Hochleistungsumformung von Speziallegierungen, z.B. Superlegierungen.
Ein bedeutendes Anwendungsfeld von Niob- und Tantal-Legierungen liegt bei Implantaten für die Humanmedizin. Die Verwendung derartiger, als besonders gewebeverträglich bekannter, hochreiner Niob- und Tantal-Legierungen war bisher vielfach an ihren ungenügenden Festigkeitseigenschaften gescheitert. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Niob- und Tantal-Legierungen erweitern daher das Anwendungsfeld in der Implantatmedizin beträchtlich.Materials manufactured according to the present invention are required in chemistry as well as in tools for the high-performance forming of special alloys, such as super alloys.
An important field of application for niobium and tantalum alloys is implants for human medicine. The use of such high-purity niobium and tantalum alloys, which are known to be particularly tissue-compatible, has so far failed due to their inadequate strength properties. Niobium and tantalum alloys produced by the method according to the invention therefore considerably expand the field of application in implant medicine.
Ein erfolgversprechendes Anwendungsgebiet von Legierungen entsprechend dem erfinderischen Verfahren liegt bei Rohrsystemen für Alkalimetall-Kühlkreislaufen, z. B. in Kernkraftwerken.A promising application of alloys according to the inventive method is in pipe systems for alkali metal cooling circuits, for. B. in nuclear power plants.
Die herausragenden Festigkeitseigenschaften von Legierungen gemäß Erfindung werden in Verbindung mit den nachfolgenden Beispielen aufgezeigt.The outstanding strength properties of alloys according to the invention are shown in connection with the following examples.
Eine Legierung Niob - 0,5 Gew.% TiO₂ wird entsprechend dem erfinderischen Verfahren hergestellt. Dazu werden 3980 g Niob-Pulver der mittleren Korngröße 10 µm mit einem Sauerstoffgehalt < 1000 ppm mit 20g TiO₂-Pulveragglomerat der mittleren Korngröße 0,25 µm während 1 Stunde homogen vermischt.
Anschließend wird die Pulvermischung bei ca. 2000 bar hydrostatisch auf 80 % der theoretischen Dichte verpreßt.
Der so erhaltene Preßling wird im Hochvakuum (besser 1 x 10⁻⁵ mbar) langsam aufgeheizt und schließlich bei einer Temperatur von 2100oC 12 Stunden lang gesintert. Diese Sinterbedingungen sind auf die Größe der Proben und die zu erreichenden Diffusions- und Entgasungsprozesse abgestimmt. Dabei kommt es zur Zersetzung und zur Festkörperlösung des TiO₂ sowie zur Diffusion der Ti- und O₂-Komponenten im Niob. Daneben wird ein Teil des Sauerstoffs vor allem in Form von Niob-Oxid von der Oberfläche des Sinterkörpers abgedampft.
Das Ergebnis ist eine sehr homogene Verteilung von Titan und Sauerstoff, und zwar in einem stöchiometrischen Verhältnis im Kernbereich der Probe und in einem bezüglich Sauerstoff leicht unterstöchiometrischen Verhältnis im Randbereich der Probe. Weiterhin wurde gefunden, daß die Konzentration des Titan über den gesamten Querschnitt des Sinterkörpers bis auf eine Randzone im mm-Bereich annähernd konstant ist.
Aufgrund der niedrigen TiO₂-Konzentration in der Legierung erfolgt während des Abkühlens nach dem Sintervorgang noch keine nennenswerte TiO₂-Ausscheidung, sondern eine nahezu vollständige Ausscheidung während eines ca. einstündigen Anwärm- und Auslagerungsvorganges zu Beginn des Warmumformprozesses. Elektronenmikroskopische Untersuchungen von Proben nach dem Auslagerungsglühen zeigten, daß die Legierung sehr homogen verteilte, feinkörnige TiO₂-Teilchen mit einer Teilchengröße von 2 - 20 nm, vorzugsweise 8 - 12 nm aufwies.
Derartige Legierungen lassen sich nach den bekannten Warm- und Kaltumformverfahren weiterverarbeiten. Im vorliegenden Fall erfolgt zunächst eine Warmumformung durch Strangpressen bei 1000oC mit einem Umformverhältnis von 8,7:1. Anschließend wurde die Legierungsprobe durch Profilwalzen und Rundhämmern bis zu einem Kaltverformungsgrad von 72 % weiterverarbeitet. Die Kaltverformung ließ sich ohne Zwischenglühung problemlos bis auf 99,9 % steigern.An alloy niobium - 0.5 wt.% TiO₂ is produced according to the inventive method. For this purpose, 3980 g of niobium powder with an average particle size of 10 µm and an oxygen content of <1000 ppm are mixed homogeneously with 20g TiO₂ powder agglomerate with an average particle size of 0.25 µm for 1 hour.
The powder mixture is then hydrostatically compressed to 80% of the theoretical density at approx. 2000 bar.
The compact thus obtained is slowly heated in a high vacuum (better 1 x 10⁻⁵ mbar) and finally sintered at a temperature of 2100 o C for 12 hours. These sintering conditions are matched to the size of the samples and the diffusion and degassing processes to be achieved. This leads to the decomposition and solids solution of the TiO₂ and the diffusion of the Ti and O₂ components in the niobium. In addition, a part of the oxygen, especially in the form of niobium oxide, is evaporated from the surface of the sintered body.
The result is a very homogeneous distribution of titanium and oxygen, in a stoichiometric ratio in the core area of the sample and in a slightly sub-stoichiometric ratio in terms of oxygen in the edge area of the sample. Furthermore, it was found that the concentration of the titanium is approximately constant over the entire cross section of the sintered body except for an edge zone in the mm range.
Due to the low TiO₂ concentration in the alloy, no significant TiO₂ excretion takes place during cooling after the sintering process, but an almost complete excretion during an approximately one-hour period Heating and aging process at the beginning of the hot forming process. Electron microscopic examinations of samples after aging annealing showed that the alloy had very homogeneously distributed, fine-grained TiO₂ particles with a particle size of 2 - 20 nm, preferably 8 - 12 nm.
Alloys of this type can be processed further using the known hot and cold forming processes. In the present case, hot forming is first carried out by extrusion at 1000 ° C. with a forming ratio of 8.7: 1. The alloy sample was then further processed by profile rolling and rotary hammering up to a degree of cold deformation of 72%. The cold forming could easily be increased to 99.9% without intermediate annealing.
Anschließend wurden Festigkeitsuntersuchungen an Normproben durchgeführt, die aus Stäben mit 8 mm Durchmesser gefertigt waren. In Tabelle 1 sind unter Position 1 die erreichten Festigkeitswerte zusammengestellt worden. In der Tabelle sind zwei Sätze von Zugfestigkeiten bei Raumtemperatur 800oC, 1000oC und 1200oC angegeben, und zwar für die verformte und für die anschließend bei 1400oC während 1 Stunde rekristallisierte Probe. Die Tabelle enthält neben den Zugfestigkeiten zugehörige Dehnungswerte.Strength tests were then carried out on standard samples made from rods with an 8 mm diameter. In Table 1, the strength values achieved are summarized under item 1. The table shows two sets of tensile strengths at room temperature 800 o C, 1000 o C and 1200 o C, specifically for the deformed sample and for the sample subsequently recrystallized at 1400 o C for 1 hour. In addition to the tensile strengths, the table also contains associated elongation values.
Neben der Zugfestigkeit wurde auch die Wechselfestigkeit derartiger Legierungen untersucht. Die Tests ergaben bei 2.10⁸ Zyklen nach einer Ultraschallmethode mit ca. 400 N/mm² Dauerfestigkeit an Luft überdurchschnittlich gute Werte.In addition to the tensile strength, the fatigue strength of such alloys was also examined. The tests showed above average values at 2.10⁸ cycles using an ultrasound method with approx. 400 N / mm² fatigue strength in air.
Die Legierung besitzt eine ausgezeichnete Duktilität. Diese äußert sich zum einen in der guten Verarbeitbarkeit und weiters in einem mit ca. -50oC sehr niedrigen Wert für die Übergangstemperatur, in einer hohen Kerbschlagzähigkeit von ca. 135 J/cm² bei Raumtemperatur und in einer hohen Bruchdehnung von > 10 % bei verformtem Material.The alloy has excellent ductility. This manifests itself on the one hand in the good processability and also in a very low value of approx. -50 o C for the transition temperature, in a high notched impact strength of approx. 135 J / cm² at room temperature and in a high elongation at break of> 10% deformed material.
Nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wurde eine oxid-dispersionsverfestigte Niob-1 TiO₂-Legierung hergestellt. Dazu erfolgte eine doppelt so hohe Einwaage an TiO₂ wie in Beispiel 1.An oxide dispersion-strengthened niobium-1 TiO₂ alloy was produced by the process described in Example 1. For this purpose, the TiO₂ was weighed in twice as high as in Example 1.
Im Unterschied zu Beispiel 1 konnte in diesem Fall schon während des Kühlens im Anschluß an den Sinter- und Reaktionsglühvorgang eine teilweise Ausscheidung des TiO₂ beobachtet werden. Beim Anwärmen der Legierung vor dem anschließenden Warmumformen wurde das noch in Lösung befindliche Titan praktisch vollständig als TiO₂ ausgeschieden.
Der höhere TiO₂-Gehalt in der Legierung bewirkte einen höheren Verformungswiderstand, so daß die Proben vor den einzelnen Schritten des Kaltumformens vorteilhafterweise jeweils zwischengeglüht wurden, um ein gleichmäßigeres Gefüge zu erzielen.In contrast to Example 1, a partial excretion of the TiO₂ could already be observed in this case during the cooling after the sintering and reaction annealing process. When the alloy was warmed up before the subsequent hot forming, the titanium still in solution was almost completely excreted as TiO₂.
The higher TiO₂ content in the alloy caused a higher resistance to deformation, so that the samples were advantageously annealed before the individual steps of cold forming in order to achieve a more uniform structure.
Die an dieser Probe gemessene Zugfestigkeit und Dehnung bei Raumtemperatur sind in der Tabelle 1 unter Position 2 angeführt.The tensile strength and elongation at room temperature measured on this sample are listed in Table 1 under item 2.
Nach den in Beispiel 1 angeführten Verfahrensschritten wurde eine Niob-0,5 ZrO₂-Legierung hergestellt.After the process steps listed in Example 1, a niobium-0.5 ZrO₂ alloy was produced.
Vor allem im Hinblick auf schnelle Abkühlung des Sinterguts nach dem Sinter- und Glühvorgang wurde der Pulverpreßling mittels Direktsintern weiterverarbeitet.
Da ZrO₂ beständiger ist als TiO₂, wurde die Sintertemperatur auf 2300oC erhöht um einerseits sicherzustellen, daß die Komponenten des ZrO₂ vollständig in Lösung gehen, zum anderen aber auch um den Gesamtsauerstoffgehalt der Probe etwas niedriger einzustellen und damit eine zu schnelle und vergleichsweise grobe Wiederausscheidung des Oxids beim Abkühlen der Probe nach dem Sintervorgang zu verhindern. Durch an sich bekannte Maßnahmen wurde eine schnelle Abkühlung des Sinterlings sichergestellt.
Der im Vergleich zu TiO₂ höheren ZrO₂-Stabilität Rechnung tragend, wurde auch die Anwärm- bzw. Auslagerungstemperatur vor dem ersten Warmumformvorgang um 100oC auf 1100oC erhöht.
Die weiteren Verfahrensschritte erfolgten entsprechend Beispiel 1.
Die erhaltenen Zugfestigkeiten und Dehnungswerte im umgeformten sowie im rekristallisierten Zustand sind in Tabelle 1 unter Position 4 angeführt.The powder compact was further processed by means of direct sintering, especially with a view to rapid cooling of the sintered material after the sintering and annealing process.
Since ZrO₂ is more resistant than TiO₂, the sintering temperature was increased to 2300 o C to ensure on the one hand that the components of the ZrO₂ go completely into solution, but on the other hand to set the total oxygen content of the sample somewhat lower and thus too fast and comparatively to prevent rough re-excretion of the oxide when the sample cools after the sintering process. Measures known per se ensured rapid cooling of the sintered product.
Taking into account the higher ZrO₂ stability compared to TiO₂, the heating or aging temperature was increased by 100 o C to 1100 o C before the first hot forming process.
The further process steps were carried out in accordance with Example 1.
The tensile strengths and elongation values obtained in the formed as well as in the recrystallized state are listed in Table 1 under item 4.
Tabelle 1 zeigt unter den Positionen 1 bis 7 Zugfestigkeiten und zugehörige Dehnungswerte bei verschiedenen Temperaturen für eine Reihe unterschiedlicher Proben.
Dabei ist
- Position 1
- eine Nb-TiO₂-Legierung entsprechend Beispiel 1 vorliegender Erfindung
- Position 2
- eine Nb-TiO₂-Legierung entsprechend Beispiel 2 vorliegender Erfindung
- Position 3
- eine Nb-1.5 Ti-0.5 0-Legierung entsprechend der zum Stand der Technik zitierten US PS 3 181 945
- Position 4
- eine Nb-ZrO₂-Legierung nach Beispiel 3
- Position 5
- eine Nb-1 Zr-Legierung nach dem Stand der Technik ("Niobium, TMS-AIME Proceedings of the International Symposium 1981)
- Position 6
- eine Niob-1 Zr 0,25 O-Legierung entsprechend der zum Stand der Technik zitierten US PS 3 181 945
- Position 7
- ein hochreiner Niob-Werkstoff entsprechend Literaturwerten und eigenen Messungen.
It is
- position 1
- an Nb-TiO₂ alloy according to Example 1 of the present invention
- Position 2
- an Nb-TiO₂ alloy according to Example 2 of the present invention
- Position 3
- an Nb-1.5 Ti-0.5 0 alloy in accordance with US Pat. No. 3,181,945 cited in the prior art
- Position 4
- an Nb-ZrO₂ alloy according to Example 3
- Position 5
- an Nb-1 Zr alloy according to the prior art ("Niobium, TMS-AIME Proceedings of the International Symposium 1981)
- Position 6
- a niobium-1 Zr 0.25 O alloy in accordance with US Pat. No. 3,181,945 cited in the prior art
- Position 7
- a high-purity niobium material according to literature values and own measurements.
Die Ergebnisse nach der Erfindung sind mit den zitierten Literaturwerten nur bedingt vergleichbar, weil zum einen der Verformungsprozeß der Proben gemäß zitiertem Stand der Technik nicht im Detail beschrieben ist und weil zum anderen aufgrund der dort gegebenen Beschreibungsdetails davon auszugehen ist, daß in der Legierung neben den Oxiddispersionsausscheidungen auch noch nennenswerte Anteile an Oxidmetallen der Dispersionsoxide in der Grundmatrix vorliegen und dort einen festigkeitserhöhenden Legierungseffekt haben.
Rein qualitativ läßt sich aber feststellen, daß sich nach dem Stand der Technik keine mit vorliegender Erfindung vergleichbar hohe Festigkeitswerte erreichen lassen. Mit den Angaben für reines Niob unter Position 7 wird gezeigt, daß für nach dieser Erfindung hergestellten Dispersions-Legierungen zumindest bei Raumtemperatur wesentlich höhere Festigkeiten erreichbar sind als mittels Umformen und eventuellem Rekristollisieren von Rein-Niob.
From a purely qualitative point of view, however, it can be stated that, according to the prior art, it is not possible to achieve high strength values comparable with the present invention. The information for pure niobium under item 7 shows that, for dispersion alloys produced according to this invention, significantly higher strengths can be achieved, at least at room temperature, than by means of shaping and possibly recrystallizing pure niobium.
Analog zu den Ausführungsbeispielen 1 - 3 wird eine Legierung Tantal - 0,5 Gew.% TiO₂ hergestellt, wobei der höhere Schmelzpunkt des Tantals bei einigen Verfahrensparametern zu berücksichtigen ist.Analogously to the exemplary embodiments 1-3, an alloy tantalum - 0.5% by weight TiO 2 is produced, the higher melting point of the tantalum having to be taken into account in some process parameters.
7760 g Tantal-Pulver der mittleren Korngröße 9,5 µm mit einem Sauerstoffgehalt von 1050 ppm werden mit 39 g TiO₂ der mittleren Korngröße 0,25 µm (identisches Oxidpulver wie in Beispielen 1 - 3) homogen vermischt.7760 g of tantalum powder with an average grain size of 9.5 µm and an oxygen content of 1050 ppm are homogeneously mixed with 39 g of TiO₂ with an average grain size of 0.25 µm (identical oxide powder as in Examples 1-3).
Zur Vermeidung einer zu starken O₂-Abnahme aufgrund der Abdampfung von Tantal-Suboxiden (TaO, TaO₂) beträgt die Sintertemperatur 2300oC gegenüber den üblichen ca. 2600oC. Damit erreicht man annähernd stöchiometrische Sauerstoff-Konzentration entsprechend der eingebrachten Titan-Konzentration. Die geringere Sinterdichte aufgrund der niedrigeren Sintertemperatur ist völlig ausreichend für eine vollständige Verdichtung beim anschließenden Strangpressen. Die Auslagerungsglühung zur Ausscheidung feinster TiO₂-Teilchen erfolgt hier vorzugsweise bei 1100oC.
Aufgrund der hohen Warmfestigkeit des Tantals erfolgt das Strangpressen bei 1200oC.
Anschließend wird eine Kaltverformung mittels Profilwalzen und Rundhämmern durchgeführt - insgesamt ca. 80 % Umformung.To avoid an excessive decrease in O₂ due to the evaporation of tantalum suboxides (TaO, TaO₂), the sintering temperature is 2300 o C compared to the usual approx. 2600 o C. This achieves an approximately stoichiometric oxygen concentration corresponding to the titanium concentration introduced. The lower sintering density due to the lower sintering temperature is completely sufficient for complete compression during the subsequent extrusion. The aging annealing for the separation of the finest TiO₂ particles takes place here preferably at 1100 o C.
Due to the high heat resistance of tantalum, extrusion is carried out at 1200 o C.
Cold forming is then carried out using profile rollers and rotary hammers - a total of approx. 80% forming.
Tabelle 1 zeigt unter Position 8 die wiederum an 8 mm-Probestäben erhaltenen Zugfestigkeiten und Dehnungswerte im verformten Zustand sowie nach Rekristallisation. Die hohe Rekristallisationstemperatur (1600oC/1 h) führt zu einer deutlichen Vergröberung der TiO₂-Dispersoide und damit zu einer Abschwächung der Dispersionsverfestigung gegenüber dem kalt verformten Material. Die Kombination aus Kaltverfestigung und Dispersionshärtung ergibt somit besonders hohe Festigkeiten bei Erhalt ausreichender Duktilität.
Zum Vergleich sind in Position 9 Werte von Rein-Tantal mit 82 % Umformung angeführt, wobei die Herstellungsschritte und Verfahrensparameter den obengenannten entsprechen.Table 1 shows in item 8 the tensile strengths and elongation values obtained in turn on 8 mm test specimens in the deformed state and after recrystallization. The high recrystallization temperature (1600 o C / 1 h) leads to a clear coarsening of the TiO₂ dispersoids and thus to a weakening of the dispersion hardening compared to the cold-formed material. The combination of work hardening and dispersion hardening results in particularly high strengths while maintaining sufficient ductility.
For comparison, values of pure tantalum with 82% deformation are given in position 9, the production steps and process parameters corresponding to the above.
Claims (6)
- Procedure for the manufacture of a ductile, high-strength oxide dispersion-hardened sintered alloy from a base metal with a high melting point (TM), without fractions, or where necessary with substitution mixed crystal phase fractions not adversely affecting the alloy properties, in which a metal oxide powder as dispersoid is added to the base metal powder, whereby oxides of such metals as, at temperatures of < 0.5 TM, have greater energies of formation than the base metal oxides are used,
characterised in
that a powder compact formed from a powder mixture is sintered during the sintering process at temperatures ranging from 0.7-0.9 TM with progression of the following processes:- the introduced oxide decomposes and/or is reduced by the base metal, and the generated components enter into solution in the base metal;- the dissolved components are finely distributed in the base metal by diffusion;- some of the oxygen altogether present in the alloy evaporates from the surface of the sintered body;and that the oxide dispersoids are separated from the solution in a controlled manner during cooling of the sintered alloy at the end of the sintering process or during an ensuing precipitation-annealing process. - Procedure according to claim 1, characterised in that the sintered alloy is manufactured by direct sintering of the powder compact.
- Procedure according to claim 1 or 2, characterised in that some of the oxygen as base metal oxide evaporates from the surface of the sintered body.
- Oxide dispersion-hardened sintered alloy which can be manufactured by a procedure according to claims 1 to 3, characterised in that this consists of niobium or tantalum base metal and contains, apart from small amounts of dissolved oxygen, 0.2-1.5 wt% oxides with application of one or more of the metals Ti, Zr, Hf, Ba, Sr, Ca, Y, La.
- Oxide dispersion-hardened sintered alloy according to claim 4, characterised in that this is a niobium alloy containing 0.2-1 wt% TiO₂.
- Oxide dispersion-hardened sintered alloy according to claim 4, characterised in that this is a niobium alloy containing 0.2-1.5 wt% ZrO₂.
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