Método para la fabricación de piezas de motor de automóvil de aleación basadas en TiAl
Descripción general
 Es posible reducir el peso, fabricar a bajo costo con un alto rendimiento y obtener una alta resistencia a la temperatura ambiente. ] Al :. 32 36wt%, N :. 0,01 0,1% en peso, el equilibrio: aleación a base de Ti y TiAl que comprende impurezas inevitables, echando las piezas para motores de automóviles por fundición de precisión y luego fundido de esta manera la HIP procesa las partes.
Campo técnico
Esta invención se refiere a un método de fabricación de una aleación a base de TiAl componente motores de automóviles, en particular de alto rendimiento, puede ser fabricado a un bajo costo Hakare es ligero, sin embargo, una alta resistencia a temperatura ambiente se puede obtener aleación a base de motor de automóvil TiAl componente Y se relaciona con un método de fabricación.
Antecedentes de la técnica
aleación a base TiAl es ligero, sin embargo, porque es de aleación resistente al calor superior que la resistencia a alta temperatura se utiliza como un motor de automóvil convencional, tal como SUH3, es prometedor como un material termoestructural para motores de vehículos de próxima generación . Particularmente, si se usa una aleación basada en TiAl para una válvula de admisión / escape de un motor, un turbocompresor o similar, es posible lograr un alto rendimiento y un alto consumo de combustible del motor.
Sin embargo, la aleación basada en TiAl tiene un problema de baja ductilidad a temperatura ambiente, y es imposible moldear las piezas mencionadas anteriormente mediante trabajo en frío. Por lo tanto, es concebible formar por trabajo en caliente, pero no se puede decir que la aleación basada en TiAl tenga suficiente ductilidad en caliente y debe procesarse a una velocidad de deformación muy baja a alta temperatura. Por lo tanto, dado que el costo de fabricación es extremadamente alto, es casi imposible moldear piezas de automóviles cuyo costo es un factor importante por el método mencionado anteriormente.
Por lo tanto, es concebible un método de colada de precisión como un método para moldear piezas de motor de automóvil con una aleación basada en TiAl que tiene las características anteriores a bajo costo y con alto rendimiento. La mayor ventaja del método de fundición de precisión es que se puede moldear directamente en una forma casi como un producto moldeado y las piezas fabricadas de esta manera se pueden convertir en un producto tal cual o mediante la adición de algún procesamiento. De modo que el coste de fabricación se puede reducir grandemente.
Sin embargo, el método de colada de precisión descrito anteriormente tiene el problema de que los defectos de colada permanecen dentro de la pieza debido a la contracción durante la solidificación. Es decir, si los defectos de colada permanecen dentro de la pieza, la resistencia disminuye notablemente y la distribución de los defectos de colada es desigual, por lo que existe la posibilidad de una destrucción inestable durante el uso de la pieza, .
Por lo tanto, como método para eliminar defectos de colada causados ​​por el método de colada de precisión, es concebible aplicar prensado isostático en caliente (en lo sucesivo denominado tratamiento HIP) después de la colada. Sin embargo, los defectos de fundición pueden eliminarse por completo mediante el tratamiento HIP, pero cuando se someten al tratamiento HIP, la estructura de la aleación basada en TiAl cambia por tratamiento térmico a alta temperatura. Como resultado, ocurren los siguientes problemas.
Cuando la estructura de la aleación basada en TiAl cambia, las propiedades mecánicas de la aleación basada en TiAl cambian marcadamente. Como ejemplo, se describirá el caso de una aleación basada en TiAl que contiene 34% en peso de Al. Casting tejido permiso en la composición química, sustancialmente toda la superficie es Ti3Al (α2) de fase y la superposición de fase TiAl (gamma) en capas, que se llama, de la estructura laminar. Aunque las propiedades mecánicas de esta estructura son pobres en ductilidad, tiene una alta resistencia.
Por otra parte, por ejemplo, 1100 ° C / 4h, el tejido cuando se somete a tratamiento HIP en las condiciones de 2000 kgf / mm @ 2, las cuentas granos de cristal para la mayor parte de la estructura que consiste en fase equiaxial TiAl (gamma), la estructura ligeramente lamelar Una estructura denominada dúplex en la que están presentes granos de cristal compuestos de óxido de silicio. En comparación con la estructura laminar en su totalidad, la ductilidad de esta estructura se mejora ligeramente, pero su resistencia disminuye considerablemente. De esta manera, la eliminación de los defectos de fundición causados ​​por el método de colada de precisión da como resultado una disminución de la resistencia como compensación para garantizar una determinada calidad. Esta reducción de la resistencia se convierte en un problema cuando se utiliza como parte de un motor de automóvil por las razones que se describen a continuación.
Como es bien sabido, la resistencia a la tracción de la aleación basada en TiAl apenas cambia de temperatura ambiente a casi 800ºC. Esta característica es exclusiva de la aleación basada en TiAl y contrasta con un material cuya resistencia a la tracción disminuye monótonamente a medida que aumenta la temperatura, como SUH36, que es una aleación convencional resistente al calor para automóviles. En otras palabras, esto significa que la resistencia a la tracción de la aleación basada en TiAl está lejos de la de la aleación resistente al calor convencional en el rango de baja temperatura, particularmente en el rango de temperatura de 600ºC o menos. De hecho, resistencia a la tracción a temperatura ambiente de SUH36 es que el sobre 120 kgf / mm @ 2, una aleación basada en TiAl, por ejemplo, 1100 ° C / 4h, a la tracción a temperatura ambiente cuando se somete a tratamiento HIP en las condiciones de 2000 kgf / mm @ 2 La fuerza es de aproximadamente 45 kgf / mm2, que es menos de la mitad que la de SUH 36.
Eso, aleaciones basadas en TiAl, qué intensidad en alrededor de 800 ° C, en el intervalo de temperatura de 800 ° C o menos, pero es mejor que una aleación resistente al calor automóvil convencional, su fuerza es, las limitaciones considerablemente inferiores significativos en su gama de uso Como se muestra en la FIG.
En contraste, el documento JP-A-3 Solo centenar de quince mil de cinco centenar de y treinta y nueve, 0,05 0,2% atómico de carbono, 1,0 5,0 por ciento atómico de cromo y 1,0 3,0 en% mediante la adición combinada de niobio, aleaciones basadas en TiAl que tienen una excelente resistencia y ductilidad a temperatura ambiente ( El documento JP-A-197631 describe una aleación basada en TiAl (en lo sucesivo denominada técnica anterior 2) que se mejora tanto en resistencia como en facilidad de trabajo añadiendo cromo y boro en combinación. Ha sido revelado.
Tarea de solución
Sin embargo, las técnicas anteriores 1 y 2 mencionadas anteriormente tienen los siguientes problemas. Es decir, para poner la aleación basada en TiAl en uso práctico como una aleación resistente al calor para un motor de automóvil, es indispensable tener una excelente resistencia a temperatura ambiente sin sacrificar la ventaja de ser liviana, . En particular, el costo de fabricación es un factor muy importante para las piezas de automóviles, y no tiene sentido si se sacrifica el costo para la mejora de la propiedad.
Para ese propósito, los procesos de fabricación que conducen al aumento de los costos como la forja isotérmica a alta temperatura y la baja tasa de deformación deben evitarse tanto como sea posible. Además, con respecto a la mejora de las características del elemento aditivo, los elementos costosos no deberían agregarse tanto como sea posible. Además, la adición de elementos pesados ​​también es indeseable, ya que impedirá la reducción de peso. Sin embargo, ambas técnicas anteriores 1 y 2 mencionadas anteriormente tienen estos problemas.
Por consiguiente, un objeto de esta invención, el rendimiento a un bajo costo de reducción de peso Hakare puede ser fabricado, por otra parte, es posible obtener una alta resistencia a temperatura ambiente para proporcionar un método para la producción de piezas para TiAl aleación a base de motor de automóvil.
Solución
En la presente invención, Al: 32 36% en peso,
N: 0.01 0.1% en peso,
El equilibrio: Ti e impurezas inevitables
Se moldea en una pieza para un motor de automóvil por un método de fundición de precisión y luego se somete al tratamiento de HIP a la pieza fundida de esta manera.
Se describirá con más detalle un método para fabricar un componente de motor de automóvil basado en aleación de TiA según la presente invención.
Como ya se ha mencionado, el uso de la aleación a base TiAl, como un método para producir y buenos componentes de rendimiento para motores de automóviles a bajo costo, no es un método de fundición de precisión, defectos de fundición están distribuidos irregularmente componentes internos de permanecer colada , Existe el temor de que no se pueda garantizar la calidad. Por esta razón, es necesario eliminar los defectos de colada mediante el tratamiento HIP después de la colada. Sin embargo, cuando se sometió a tratamiento HIP, hubo un problema de que la fuerza disminuyó al mismo tiempo debido a un cambio en la estructura.
Microestructura por tratamiento HIP, como ya se ha mencionado, toda la superficie está constituida por láminas de Ti3Al fase (α2) y la fase de TiAl (gamma), la llamada, equiaxial de estructura laminar TiAl fase (gamma) y la estructura laminar , Pero la resistencia a la tracción a temperatura normal es aproximadamente 60 kgf / mm2 para la primera y aproximadamente 45 kgf / mm2 para la última, lo que indica que toda la estructura laminar tiene una mayor resistencia.
Por lo tanto, incluso cuando los defectos del molde se eliminan mediante el tratamiento HIP, si la microestructura se mantiene en toda la estructura laminar, es posible mantener una alta resistencia incluso después del tratamiento con HIP.
Por lo tanto, desde el punto de vista mencionado anteriormente, los presentes inventores y otros realizaron diversos estudios para desarrollar una aleación basada en TiAl capaz de tener excelente resistencia incluso después del tratamiento con HIP. Como resultado, se obtuvo el siguiente conocimiento. Es decir, si se agrega 0,01 0,1% en peso de nitrógeno, incluso después del tratamiento con HIP, la microestructura se puede mantener en toda la superficie de la estructura laminar, y no se observa reducción en la resistencia.
La presente invención se ha realizado en base a los hallazgos anteriores. En primer lugar, se explicará la razón por la cual la composición química de la presente invención está limitada como se describió anteriormente.
Al (aluminio)
Al tiene el efecto de aumentar la resistencia de la aleación basada en TiAl. Sin embargo, cuando el contenido de Al es inferior a 32% en peso, la ductilidad se reduce notablemente y no se pueden obtener las propiedades deseadas. Por otro lado, cuando el contenido de Al excede el 36% en peso, tanto la resistencia como la ductilidad disminuyen y no se pueden obtener las propiedades deseadas. Por lo tanto, la cantidad de Al que se debe agregar debe estar limitada dentro del rango de 32 36% en peso.
N (nitrógeno)
El N suprime el engrosamiento de la fase γ incluso después del tratamiento con HIP y tiene la acción de mantener la estructura laminar antes mencionada. Al mismo tiempo, N tiene una función de solución sólida en fase γ y fase α2 para mejorar la resistencia. Sin embargo, cuando el contenido de N es menor que 0,01% en peso, la acción mencionada anteriormente no se puede obtener suficientemente. Por otro lado, cuando el contenido de N excede 0.1% en peso, la ductilidad disminuye marcadamente, y como resultado, no se puede obtener el efecto de mejora de la resistencia. Por lo tanto, la cantidad de N agregado debe estar limitada dentro del rango de 0.01 0.1% en peso.
El efecto de mantener la estructura laminar incluso después del tratamiento con HIP no solo tiene nitrógeno sino también elementos intersticiales como oxígeno y carbono. Sin embargo, el oxígeno y el carbono es menor que este efecto es nitrógeno, a pesar del efecto de suprimir la reducción de la resistencia es pequeña, la disminución de la ductilidad es grande, es imposible obtener una alta resistencia como resultado.
efecto de reducción de fuerza A continuación, en la presente invención, mediante la realización del tratamiento HIP se añade nitrógeno, se puede prevenir mediante el tratamiento HIP aparece más notablemente las condiciones de tratamiento HIP, Temperatura: 1000 1200 ° C, Presión: 1000 3000 atm. Las razones para limitar las condiciones de procesamiento de HIP se describirán a continuación.
Cuando se somete a tratamiento HIP, se limita el intervalo de temperatura preferido en el intervalo de 1000 1200 ° C, en menos de 1000 ° C, no puede resistencia a la deformación para eliminar completamente defectos de fundición a no suficientemente bajas, mientras , superior a 1200 ° C, aunque la estructura laminar descrita anteriormente mediante la adición de nitrógeno se estabiliza, engrosamiento progresa la fase γ, hay un riesgo de que provoca una disminución de la fuerza. Por lo tanto, el rango de temperatura para ser sometido a tratamiento HIP debe limitarse a 1000 1200 ° C.
Cuando se somete a tratamiento HIP, estaban limitados a la gama de presiones preferido en el intervalo de 1000 3000 atmósferas, es inferior a 1000 atmósferas, es posible eliminar completamente los defectos de fundición porque no hay suficiente presión contra resistencia a la deformación Por otro lado, incluso si la presión excede 3000 atm, el efecto de eliminar el defecto de fundición por la resistencia a la deformación no cambia. Por lo tanto, el rango de presión que debe someterse al tratamiento HIP debe limitarse al rango de 1000 3000 atm.
Ejemplo 1
A continuación, la presente invención se explicará con más detalle mediante ejemplos. cantidad de adición de nitrógeno en la aleación a base no consumible arco electrodo método de fusión diferente TiAl dentro del alcance de la presente invención se fundía 50 × 30 × 100 mm tamaño del lingote. A continuación, el lingote producido de esta manera se sometió a tratamiento HIP a una temperatura de 1100ºC bajo una presión de 2000 kgf / cm2. A continuación, se cortó una pieza de ensayo de tracción que tenía un diámetro de porción paralela de 4 mm y una longitud de calibre de 15 mm del lingote sometido a tratamiento de HIP de esta manera. Luego, después de confirmar la ausencia de defectos de fundición en la pieza de ensayo de tracción así cortada por el método de inspección no destructiva, 1 a 5 fueron sometidos a un ensayo de tracción a temperatura ambiente.
Por otro lado, para comparación, la pieza de prueba comparativa n. ° 3 se preparó a partir de un lingote que tenía las mismas condiciones que las descritas anteriormente, excepto que la cantidad de adición de nitrógeno estaba fuera del alcance de la presente invención. 6 8, respectivamente. A continuación, excepto que no se llevó a cabo el tratamiento de HIP, se preparó la pieza de prueba comparativa n. ° 3 a partir de un lingote que tenía las mismas condiciones que las condiciones mencionadas anteriormente. 9 13, respectivamente. A continuación, se preparó la pieza de prueba comparativa n. ° 3 a partir de un lingote que tenía las mismas condiciones que las descritas anteriormente excepto que la cantidad de nitrógeno añadida estaba fuera del intervalo de la presente invención y no se aplicó tratamiento de HIP. 14 16, respectivamente. Luego, estas piezas de prueba de tracción n. ° 1 a 3 fueron preparadas. 6 16 fueron sometidos cada uno a un ensayo de tracción a temperatura ambiente. Las dimensiones de cada pieza de prueba comparativa fueron las mismas que las de la pieza de ensayo de tracción de la presente invención.
La Tabla 1 muestra la composición química y los resultados de la prueba de tracción de cada pieza de prueba.
La pieza de ensayo de tracción Nº 1 de la presente invención se muestra en la Tabla 1. 1 5 y la pieza comparativa de prueba de tracción n. ° 1. Como resulta obvio a partir del resultado de 9 13, la pieza de prueba de tracción n. ° 1 de la presente invención. Se encontró que 15 tenían excelentes propiedades de tracción a pesar del tratamiento HIP. Pieza de prueba de tracción comparativa No. 6 y espécimen comparativo de prueba extensible No. Aparente a partir de los resultados de 14, la cantidad de nitrógeno añadido a menos sometido a un tratamiento HIP estar fuera del alcance de la presente invención, se encontró que tienen excelentes propiedades de tracción debido a que el tejido no cambia. Pieza de prueba de tracción comparativa No. 7, 8 y espécimen de ensayo de tracción comparativo No. Como se desprende de los resultados de 15 y 16, la cantidad de nitrógeno añadido es a menudo fuera de la presente invención varían, por lo que la ductilidad se deteriora, la tracción incluso sin la aplicación de ser sometida a una características del tratamiento HIP se ha encontrado para ser significativamente peor.
La figura 1 muestra la relación entre la diferencia entre el colado y la resistencia a la tracción después del tratamiento HIP y la cantidad de adición de nitrógeno. Como es evidente a partir de la figura 1, se puede ver que se puede mantener una alta resistencia incluso después del tratamiento con HIP siempre que la cantidad de nitrógeno añadido esté dentro del intervalo de la presente invención.
Ejemplo 2
A continuación, un elemento componente de motor para automóviles, y se disolvió calentando por inducción la aleación a base TiAl que comprende% de Ti-Al-33.5wt 0.07wt% N, se moldea y se fabrica de material de la válvula del motor mediante un proceso de fundición de precisión. piezas fundidas industriales moldeados de esta manera, mientras que la fundición de tener muchos defectos de fundición, la temperatura de 1100 ° C en piezas coladas industriales, sometido a un tratamiento HIP bajo una presión de 2000 kgf / cm @ 2, la válvula del motor . A continuación, se cortó una pieza de prueba de tracción que tenía un diámetro de porción paralela de 3 mm y una longitud de calibre de 15 mm desde la porción de vástago de la válvula de motor fabricada de esta manera. Después de confirmar por el método de ensayo no destructivo que defectos de fundición en la misma sin pieza de ensayo a la tracción cortar de esta manera se sometió al ensayo de tracción muestra de ensayo a la tracción a temperatura ambiente.
Por otro lado, para comparación, se fabricó una válvula de motor diferente solo en que no se añadió nitrógeno, y la pieza de ensayo de tracción se sometió a una prueba de tracción a temperatura ambiente.
La Tabla 2 muestra los resultados de la prueba de tracción.
Como es evidente a partir de la Tabla 2, se encontró que la pieza de ensayo de tracción de la presente invención a la que se añadió nitrógeno tiene una resistencia mayor que la pieza de ensayo de tracción comparativa no añadida con nitrógeno.
2 y 3 muestran microfotografías (ampliación: × 100) de estos dos tipos de tejidos de la pieza de ensayo de deformación. La Figura 2 es una fotomicrografía que muestra la estructura del material de aleación a base de TiAl que se añade nitrógeno, la Fig. 3 es una fotografía microscópica que muestra la estructura del material de aleación a base de TiAl que no se añade nitrógeno. Como se desprende de estas figuras, cuando no se agrega nitrógeno, se produce un engrosamiento de la fase γ por el tratamiento HIP, mientras que el engrosamiento de la fase γ se suprime cuando se agrega nitrógeno Como resultado, se puede ver que se evita la reducción de la fuerza.
A continuación, la materia prima de la válvula del motor hecha de la aleación basada en TiAl dentro del alcance de la presente invención producida como se describió anteriormente y la materia prima de la válvula del motor hecha de la aleación comparativa no añadida con nitrógeno se mecanizó, y esto Se llevó a cabo una prueba de automovilismo incorporando una válvula en un motor de gasolina con un desplazamiento de 2000 cc y un motor de cuatro cilindros. En la prueba de automovilismo, la velocidad de rotación se incrementó incrementalmente de 6000 rpm a 100 rpm, y se investigó la velocidad de rotación a la cual se produjo la rotura de la válvula. El tiempo de mantenimiento de cada número de rotación se estableció en 10 minutos. Los resultados se muestran en la Tabla 3.
Como es evidente a partir de la Tabla 3, la válvula del motor hecha de la aleación dentro del alcance de la presente invención mejoró la velocidad de rotación de la destrucción de la válvula en comparación con la válvula del motor hecha de la aleación comparativa.
Efecto de la invención
Como se ha descrito anteriormente, de acuerdo con la presente invención, el rendimiento a un bajo costo de reducción de peso Hakare puede ser la producción de piezas para aleación a base TiAl motor de automóvil, por otra parte, conduce a efectos útiles, tales que es posible obtener una alta resistencia a temperatura ambiente .
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un gráfico que muestra la relación entre la diferencia entre el colado y la resistencia a la tracción después del tratamiento HIP y la cantidad de adición de nitrógeno.
La figura 2 es una fotomicrografía que muestra la estructura de un material de aleación basado en TiAl al que se añade nitrógeno.
La figura 3 es una fotomicrografía que muestra una estructura de un material de aleación basado en TiAl al que no se añade nitrógeno.
Reclamo
Reivindicación 1 Una aleación basada en TiAl que comprende 36 36% en peso de Al: 0,01, 0,1% en peso del resto y Ti y las impurezas inevitables se vierten en piezas para motores de automóviles mediante moldeo de precisión, En el que las piezas de fundición se someten a tratamiento HIP, y al método de fabricación de piezas de motor de automóvil basado en TiAl.
2. El método para producir un componente de motor de automóvil de aleación basado en TiAl según la reivindicación 1, en el que las condiciones de tratamiento de HIP son una temperatura de 1000 a 1200ºC y una presión de 1000 a 3000 atmósferas.
Dibujo :
Application number :1994-002095
Inventors :日本鋼管株式会社、トヨタ自動車株式会社、愛三工業株式会社
Original Assignee :高木眞一、大内千秋、星田達男、森川隆、社本裕幸、菅沼徹哉、桜井浩二