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(11) | EP 0 285 741 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Verfahren zur Herstellung von hochduktilem Tantal-Halbzeug Process for the production of a highly ductile semi-finished tantalum product Procédé de fabrication d'un produit semi-fini à bonne ductilité à base de tantale |
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[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochduktilem Tantal-Halbzeug für die Verwendung auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeitsumformung.
[0002] Auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeitsumformung, wie sie z. B. bei Geschoßen vorkommt, wird üblicherweise hochduktiles Eisen oder Kupfer verwendet. Die Eindringtiefe der Geschoße ist eine Funktion sowohl der Dichte des verwendeten hochduktilen Werkstoffes als auch der Dichte des Werkstoffes, auf den das Geschoß auftrifft. Man ist daher seit langem bestrebt, einen hochduktilen Werkstoff sehr hoher Dichte herzustellen.
[0003] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von hochduktilem Tantal-Halbzeug bereitzustellen, das für die Verwendung auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeitsumformung, insbesondere für Geschosse, geeignet ist.
[0004] Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte:
a) aus mit direkt-reduziertem Tantal-Pulver, das pro g-Pulver weniger als 100 µg Niob, Wolfram und/oder Molybdän enthält, wird durch Pressen ein stabförmiger Körper hergestellt,
b) der Körper wird in einem Elektronenstrahl-Ofen unter Aufrechterhaltung eines Druckes von weniger als 5 x 10-4 mbar abgeschmolzen, die Schmelze in einer gekühlten Kokille gesammelt und ein Schmelzblock gebildet,
c) der Schmelzblock wird mindestens zweimal im Elektronenstrahlofen unter Aufrechterhaltung eines Druckes von weniger als 5 x 10-4 mbar durch Abschmelzen umgeschmolzen,
d) der vom letzten Umschmelzzyklus erhaltene Schmelzblock wird zu einer Bramme verformt,
e) die Bramme wird allseitig spanabhebend mit einer Rauhtiefe von maximal 25 µm geglättet,
f) aus der glatten Bramme werden in üblicher Weise Halbzeug durch Verformen hergestellt, wobei in diesen Herstellungsprozeß mindestens eine Wärmebehandlung in einem induktiv und/oder widerstandsbeheizten Ofen unter Aufrechterhaltung eines Druckes von weniger als 5 x 10-4 mbar einbezogen wird.
[0005] Bewährt hat es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Natrium-reduziertes Tantal-Pulver zu verwenden. Der Schmelzblock, der durch Abschmelzen des aus Pulver durch Pressen hergestellten Körpers erhalten wird, wird vorteilhafterweise mit einer höheren Schmelzrate (kg/h) im Elektronenstrahl- ofen abgeschmolzen als der vorerwähnte Körper. Bewährt hat sich dabei die Schmelzrate für den Schmelzblock wenigstens doppelt so groß zu wählen wie die Schmelzrate für den durch Pressen des Pulvers hergestellten Körper.
[0006] Zur Herstellung der Bramme wird vorteilhafterweise der vom letzten Umschmelzzyklus erhaltene Schmelzblock zunächst durch Kaltschmieden zu einem Rohling verformt, der in blockförmige Einzelstücke zerteilt wird. Danach wird jedes Einzelstück in leicht oxidierender Atmosphäre auf eine Temperatur von etwa 650° aufgeheizt und nach Entnahme aus dem Ofen, wenn das Einzelstück noch eine Temperatur im Bereich von 450 bis 600°C besitzt, gestaucht. Nach vollständiger Abkühlung auf Raumtemperatur wird der gestauchte Körper kalt zu einer Bramme geschmiedet.
[0007] Bewährt hat es sich, in den Herstellungsprozeß für das Halbzeug einen Kaltwalzschritt mit Umformgraden von p ä 1,2 (ε ≥ 70 %) einzuschalten, der sowohl ein Walzen in Richtung der Achse des zuletzt erhaltenen Schmelzblockes als auch in einer dazu quer verlaufenden Richtung umfaßt. Dabei ist es zweckmäßig, vor dem Kaltwalzschritt eine Entspannungsglühung bei einer Temperatur von etwa 650°C und nach dem Kaltwalzschritt eine Rekristallisationsglühung im Bereich von etwa 900°C durchzuführen.
[0008] Als Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält man hochduktile Tantal-Halbzeuge, die bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften und ihres Gefügeaufbaus isotrop sind. Die erfindungsgemäß hergestellten Tantal-Halbzeuge sind Textur-frei und besitzen eine Korngröße, die feiner als 30 µm (nach ASTM E 112) ist. Ihre Zugfestigkeit ist kleiner als 200 N/mmz, ihre Dehnung ist größer als 60 %. Die Gesamtreinheit der erfindungsgemäßen Werkstoffe wird durch die Bestimmung des Restwiderstandsverhältnisses (elektrischer Widerstand bei der Temperatur von 273 K : durch elektrischen Widerstand bei der Temperatur von 4,2 K) errechnet. Es beträgt bei erfindungsgemäßen Werkstoffen wenigstens 200.
[0009] Anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen hochduktilen Tantal-Halbzeuges beschrieben.
[0010] Zur Herstellung des durch Pressen erzeugten stabförmigen Körpers wurde Natrium-reduziertes Tantal-Pulver verwendet, dessen Verunreinigungsgehalte (lig/g) sich aus nachstehender Tabelle ergeben:
Aus diesem Tantal-Pulver wurde durch kalt-isostatisches Pressen ein stabförmiger Körper hergestellt. Dieser Körper wurde als Abschmelzelektrode in einen Elektronenstrahlofen eingesetzt und mit einer Schmelzrate im Bereich von 25 bis 35 kg/h abgeschmolzen. Während des Abschmelzprozesses wurde ein Druck von 2 x 10-4 mbar aufrechterhalten. Die Schmelze wurde in einer wassergekühlten Kokille gesammelt und ein Schmelzblock (Ingot) mit einem Durchmesser von 150 mm gebildet. Dieser Schmelzblock wurde anschließend dreimal in dem Elektronenstrahlofen durch Abschmelzen umgeschmolzen, wobei der jeweils gebildete Schmelzblock wieder als Abschmelzelektrode eingesetzt wurde. Während des ersten Umschmelzvorganges wurde in dem Elektronenstrahlofen ein Druck von 8 x 10-5 mbar aufrechterhalten, die Schmelzrate lag im Bereich von 70 bis 100 Kg/h. Die entsprechenden Werte für den zweiten Umschmelzvorgang betrugen 6 x 10-5 mbar, die Schmelzrate lag wiederum im Bereich von 70 bis 100 Kg/h, während beim letzten Umschmelzvorgang der Druck im Elektronenstrahlofen auf 3 x 10-5 mbar abgesenkt war und die Schmelzrate 120 Kg/h betrug. Der Durchmesser des vom letzten Umschmelzzyklus erhaltenen Schmelzblocks betrug 175 mm.
[0011] Der zuletzt erhaltene Schmelzblock wurde danach durch thermo-mechanische Umformung zu einer Bramme vorformt. Dabei wurde zunächst der Schmelzblock an 150 mm achtkant kaltgeschmiedet, danach wurde er in blockförmige Einzelstücke von 350 mm Länge zerteilt. Jedes Einzelstück wurde dann in leicht oxidierender Atmosphäre in einem gasbeheizten Herdofen auf 650 °C aufgeheizt und bei dieser Temperatur während einer Dauer von etwa 2 bis 3 Stunden gehalten. Nach der Entnahme aus dem Herdofen wurden die Einzelstücke bei einer Temperatur von ca. 550 °C auf einem Schmiedehammer gestaucht. Nach seiner vollständigen Abkühlung auf Raumtemperatur wurde das gestauchte Einzelstück zu einer Bramme kaltgeschmiedet, bis an Abmessungen in mm von ca. 160 x 65 x 800. Hieran schloß sich ein Fräsvorgang mit einer Rauhtiefe von 20 J.Lm zur Glättung der Bramme an. Die geglättete Bramme wurde entfettet und zunächst in Königswasser und danach in einem Säuregemisch, das aus einem Volumenanteil konzentrierter Fluorwasserstoffsäure, zwei Volumenanteilen konzentrierter Salpetersäure und zwei Volumenanteile Wasser bestand, gebeizt. Hieran schloß sich ein Kaltwalzen mit hoher Einzelstichabnahme an, wobei sowohl in Richtung der Achse des zuletzt erhaltenen Schmelzblockes als auch in einer quer dazu verlaufenden Richtung gewalzt wurde. Der Verformungsgrad betrug p ≥ 1,3 (e ≥ 75 %). Nach diesem Kaltwalzvorgang wurde das kaltgewalzte Teil entfettet und gebeizt. Danach wurde eine Entspannungsglühung in einem induktiv beheizten Ofen durchgeführt, in dem während der Wärmebehandlung ein Druck von 2 x 10-4 mbar aufrechterhalten wurde. Nach dieser Entspannungsglühung wurde das geglühte Teil mehreren Kaltwalzschritten unterworfen, wobei wiederum ein Walzen in Richtung längs und quer zur Achse des zuletzt erhaltenen Schmelzblocks durchgeführt wurde. Auch dieser Kaltwalzvorgang wurde mit hoher Einzelstichabnahme durchgeführt. Der Verformungsgrad betrug p ≥ 1,9 (e ≥ 85 %). Im Anschluß an diesen Kaltwalzschritt wurde das Werkstück wieder, wie bereits oben geschildert, geschliffen, entfettet und gebeizt und dann in einem widerstandsbeheizten Vakuumofen einer Rekristallisationsglühung bei 875 °C unterworfen.
a) aus mit direkt reduziertem Tantal-Pulver, das pro g-Pulver weniger als 100 µg Niob, Wolfram und/oder Molybdän enthält, wird durch Pressen ein stabförmiger Körper hergestellt,
b) der Körper wird in einem Elektronenstrahl-Ofen unter Aufrechterhaltung eines Druckes von weniger als 5 x 10-4 mbar abgeschmolzen, die Schmelze in einer gekühlten Kokille gesammelt und ein Schmelzblock gebildet,
c) der Schmelzblock wird mindestens zweimal im Elektronenstrahlofen unter Aufrechterhaltung eines Druckes von weniger als 5 x 10-4 mbar durch Abschmelzen umgeschmolzen,
d) der vom letzten Umschmelzzyklus erhaltene Schmelzblock wird zu einer Bramme verformt,
e) die Bramme wird allseitig spanabhebend mit einer Rauhtiefe von maximal 25 µm geglättet,
f) aus der glatten Bramme werden in üblicher Weise Halbzeuge durch Verformen hergestellt, wobei in diesen Herstellungsprozeß mindestens eine Wärmebehandlung in einem induktiv und/oder widerstandsbeheizten Ofen unter Aufrechterhaltung eines Druckes von weniger als 5 x 10-4 mbar einbezogen wird.
a) from directly reduced tantalum powder, which contains per g of powder less than 100 µg niobium, tungsten and/or molybdenum, a bar-shaped body is produced by pressing,
b) the body is melted off in an electron beam furnace, maintaining a pressure of less than 5 x 10-4mbar, the melt is collected in a cooled chill and a block of melt is formed,
c) the block of melt is remelted at least twice in the electron beam furnace, maintaining a pressure of less than 5 x 10-4 mbar, by melting off,
d) the block of melt obtained from the last remelting cycle is deformed into a slab,
e) the slab is smoothed on all sides by machining, with a peak-to-valley height of a maximum of 25 µm,
f) from the smooth slab, semi-finished products are produced in a conventional manner through deformation, in which in this production process at least one thermal treatment is included, in an inductively- and/or resistance-heated furnace, maintaining a pressure of less than 5 x 10-4 mbar.
a) A partir de poudre de tantale réuite directement et contenant par gramme de poudre moins de 100 µg de niobium, de titane et ou de molybdène, on produit par pressage un corps en form de tige.
b) Ce corps est fondu dans un four à bombardement électronique dans lequel est maintenue une pression de moins de 5 x 10-4 mbars, la matière en fusion est recueillie dans une coquille refroidie et donne un bloc.
c) Ce bloc fondu est refondu au moins deux fois dans le four à bombardement électronique dans lequel est maintenue une pression de moins de 5 x 10- 4 mbars.
d) Le bolc obtenu lors du dernier cycle de fusion est formé pour donner une brame.
e) La brame est lissée sur toutes ses faces par enlèvement de matière jusqu'à obtenir une rugosité maximale de 25 µg.
f) La brame lisse est utilisée de manière connue pour produire des semi-produits par formage, ce procédé de fabrication devant inclure au moins un traitement thermique dans un four chauffé par induction et/ou résistance dans lequel est maintenue une pression de moins de 5 x 10-4 mbars.