DE1298293B

DE1298293B - Hochverschleissfeste, bearbeitbare und haertbare Sinterstahllegierung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE1298293B
Application number: DEC39812A
Authority: DE
Inventors: Tarkan Stuart E; Ellis John L; White Plains
Original assignee: Chromalloy American Corp
Current assignee: Chromalloy American Corp
Priority date: 1965-08-20
Filing date: 1966-08-04
Publication date: 1969-06-26
Also published as: SE370959B; US3369892A; US3369891A; CH465242A; GB1094829A

Description

1 2

Die Erfindung bezieht sich auf eine hochverschleiß- erwünschte Nachbearbeitung wegfallen kann. Außerfeste, im lösungsgeglühten Zustand bearbeitbare und dem ist es erwünscht, daß sich die Legierung durch durch Anlassen ausscheidungshärtbare Sinterstahl- hohe Warmfestigkeit auszeichnet,
legierung sowie auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Die Erfindung besteht darin, daß die Sinterlegierung Legierung. 5 aus 20 bis 80 Volumprozent Carbiden, unter denen sich

Härtbare Sinterstahllegierungen, die aus einer Car- mindestens eines der Gruppe TiC, VC, NbC, und TaC bid- und Stahlkomponente, beispielsweise aus Titan- befindet, und einer ausscheidungshärtbaren StahJ-carbid und einem Kohlenstoffstahl, zusammengesetzt matrix besteht, die weniger als 0,15, insbesondere we- und auf pulvermetallurgischem Wege zu Körpern ver- niger als 0,10 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 10 bis arbeitet werden, sind bereits bekannt. Die Carbid- ίο 30 Gewichtsprozent Nickel, bis zu 25 Gewichtsprozent komponente, die in Mengen von 12,5 bis 87 Gewichts- Kobalt, bis zu 10 Gewichtsprozent Molybdän, 0,2 bis prozent der Gesamtmasse vorhanden sein kann, wird 9 Gewichtsprozent Titan, bis zu 5 Gewichtsprozent der Stahllegierungsgrundmasse zur Erhöhung der Ver- Aluminium, so daß die Summe von Titan und Aluschleißfestigkeit zugegeben. Derartige Sinterstahl- minium 9 Gewichtsprozent nicht übersteigt, Rest legierungen weisen beispielsweise Titancarbid auf, das 15 Eisen neben herstellungsbedingten Verunreinigungen in einer wärmebehandelten Grundmasse gleichmäßig aufweist. Die angegebenen Volumprozent beziehen verteilt ist und bei dem der Anteil an Titan mindestens sich auf die Gesamtmasse, während sich die angegebe-10 Gewichtsprozent der Gesamtmasse beträgt. Die nen Gewichtsprozente lediglich auf die Stahlmatrix be-StahllegierungsgrundmasseenthältalsHauptlegierungs- ziehen. Das Carbid liegt insbesondere in der Form prielement Eisen, dessen Gewichtsanteil in dieser Grund- 20 märer Carbidkörner vor, die in der Stahllegierungsmasse im allgemeinen mindestens 60 Gewichtsprozent grundmasse verteilt sind, die eine weiche martenbeträgt. Bei einem Anteil von 12,5 bis 87 Gewichts- sitische MikroStruktur aufweist. Titan kann auch minprozent bzw. 20 bis 90 Volumprozent Titancarbid be- destens teilweise durch andere starke Carbidbildner trägt nach der britischen Patentschrift 778 268 die Ti- außer Molybdän und Chrom, nämlich durch Vanatanmenge 10 bis 70 Gewichtsprozent. 25 dium, Niob, Tantal, Zirkonium, ersetzt sein, deren

Ferner ist eine Sinterstahllegierung bekannt, die Anteile durch routinemäßige Versuche leicht ermittel-

mindestens eines der hitzebeständigen Carbide aus der bar sind.

Gruppe VC, NbC und TaC enthält und bei der die Die genannte Legierung ist erfindungsgemäß zur

Stahllegierungsgrundmasse im wesentlichen aus einem pulvermetallurgischen Herstellung von Werkzeugen,

kohlenstoffhaltigen Stahl besteht, dessen Gewichts- 30 Werkzeugteilen und Maschinenelementen bestimmt,

anteil an der Gesamtmasse 25 bis 75 Gewichtsprozent Die Sinterkörper können in der Form von Stabmaterial,

beträgt. Rundprofilen, Viereckprofilen, Blöcken, Barren oder

Es sind grundsätzlich zwei Herstellungsverfahren sonstigen Formen hergestellt werden. Da die Sintersolcher Sinterstahllegierungen mit Gehalten an Hart- körper im lösungsgeglühten Zustand spanabhebend stoffen, wie Carbiden, Boriden oder Nitriden, üblich. 35 bearbeitbar oder leicht schleifbar sind, können diese Einmal kann die Legierung durch Mischen der pulver- Sinterkörper in diesem Zustand zu Schneid-, Stanzförmigen Ausgangskomponenten, Pressen und Sin- und Räumwerkzeugen, zu Form- und Schmiedetern hergestellt werden, oder man erzeugt zunächst ein gesenken, zu Zieh-, Strangpreß- und Stauchmatrizen, Hartstoff-, insbesondere Carbidskelett, und tränkt zu Walzen und dergleichen Werkzeugteilen oder zu dieses Skelett mit der gewünschten Stahlgrundmasse. 40 anderen Maschinenelementen geformt werden. Wegen Die MikroStruktur der Stahlgrundmasse enthält im der hohen Warmfestigkeit sind auch Werkzeuge oder wesentlichen Perlit. Das vergütete Erzeugnis wird dann Werkzeugteile bzw. Maschinenelemente herstellbar, durch spanabhebende Bearbeitung, nämlich durch die sich durch hohe Verschleißfestigkeit und Hitze-Drehen, Schleifen od. dgl., in die gewünschte Form ge- beständigkeit auszeichnen sollen. Wegen der Verzugsbracht und dann einer Hitzehärtung durch Austeniti- 45 freiheit beim Ausscheidungshärten und den übrigen sieren des vergüteten Werkzeugstahls bei einer Tem- vorzüglichen Eigenschaften ist die erfindungsgemäße peratur von 950° C während annähernd V4 Stunde un- Sinterstahllegierung allen gattungsmäßig ähnlichen terworfen und anschließend in Öl oder Wasser ab- Legierungen überlegen.

geschreckt. Bei derartigen Werkzeugstählen werden Als primäres Carbid hat sich besonders Titancarbid

Härten bis zu 70 Rc erreicht. 5° vorteilhaft ausgezeichnet.

Sinterstahllegierungen mit Carbidanteil, bei denen Mit dem Ausdruck »primäres Carbid« ist das hitzedie Stahlgrundmasse durch Umwandlung härtbar ist, beständige Carbid gemeint, das der Stahllegierungsweisen infolge der bei der Umwandlung auftretenden grundmasse als solches zugesetzt wird und in dieser im Dimensionsänderungen häufige Risse in der Mikro- wesentlichen unlöslich ist, so daß es unter dem MikroStruktur auf, die bei Beanspruchung, insbesondere durch 55 skop noch erkannt werden kann, nachdem die Aus-Schlag, Ausgangspunkte für Dauerbrüche an den im gangssubstanzen verarbeitet und die Sinterkörper Betrieb eingesetzten Teilen bilden. Neben Volumen- wärmebehandelt worden sind. Nach einer weiteren änderungen verziehen sich derartige Sinterstahllegie- Ausbildung der Erfindung ist die Stahllegierungsrungen beim Härten. Das spanabhebende Nachbear- grundmasse folgendermaßen zusammengesetzt:
beiten ist höchst unerwünscht, da die spanabheben- 60

den Werkzeuge, z. B. Schleifscheiben, wegen des hohen Gewichtsprozent Carbidgehaltes des zu bearbeitenden Werkstückes sehr

rasch verschleißen. Nickel 10 bis 22

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Sinterstahllegierung mit eingelagertem Carbid zu 65 Cobalt 2 bis 10

schaffen, die bei hoher Verschleißfestigkeit, guter Be- Molybdän 2 bis 8
arbeitbarkeit und Härtbarkeit einen praktisch zu vernachlässigenden Härteverzug aufweist, damit die un- Titan 0,2 bis 9

3 4

Gewichtsprozent Überschusses an 0,2 bis 0,4 Gewichtsprozent freiem

Aluminium bis zu 5 Titan für die Stahllegierungsgrundmasse.

so daß die Summe von Titan und Alu- Eine besonders vorteilhafte Sinterstahllegierung minium 9 % nicht übersteigt, Rest im nach der Erfindung weist in der Stahllegierungsgrundwesentlichen Eisen; der Eisenanteil vor- 5 masse 16 bis 22 Gewichtsprozent Nickel, 6 bis 10 Gezugsweise mindestens 50 Gewichtspro- wichtsprozent Kobalt, 2 bis 6 Gewichtsprozent Molybzent. dän, 0,2 bis 1 Gewichtsprozent Titan und bis zu 0,4 Gewichtsprozent Aluminium sowie den Rest dieser

Wenn der Nickelgehalt von 10 bis 22 Gewichtspro- Grundmasse, im wesentlichen Eisen, in einem Anteil zent und die Summe der Anteile an Titan und Alu- io von mindestens 50 Gewichtsprozent auf. Dabei könminium weniger als 1,5, insbesondere weniger als nen folgende Bestandteile in einer Gesamtmenge von 1,3 Gewichtsprozent betragen, ist es zweckmäßig, daß bis zu 10% in dieser Stahllegierungsgrundmasse entdie Anteile an Kobalt und Molybdän mindestens halten sein:
2 Gewichtsprozent ausmachen. Falls der Nickelgehalt * · ^ ₀/ chrom
zwischen 18 und 30 Gewichtsprozent und der Molyb- 15 bis zu 7°/° Wolfram
dängehalt weniger als 2 Gewichtsprozent beträgt, ist es _big _m 3 _of _{Niofe un(}J_{/oder Tantal},
zweckmäßig, wenn die Summe der Anteile an Titan *· _u ^0/ Krmfer
und Aluminium 1,5 Gewichtsprozent überschreitet. bis zu 0 5°°/ Mangan
Sämtliche dieser Gewichtsangaben beziehen sich je- bis zu l'°/ Bervllium'
weils lediglich auf die Stahllegierungsgrundmasse. 20 Io y ■
Wenn eine hohe Härte dieser Grundmasse erwünscht Diese Sinterstahllegierungen lassen sich vor dem ist, sollte der Gehalt an Titan und/oder Aluminium ins- Härten auf im wesentlichen präzise Abmessungen spangesamt im Bereich von 5 bis 9 Gewichtsprozent liegen. abhebend bearbeiten, wenn sie nach dem Sintern bei Da in der Sinterstahllegierung praktisch kein freier einer hohen Temperatur einer Lösungsglühung unterKohlenstoff enthalten sein soll, geht man vorzugsweise 25 worfen und an der Luft abgekühlt werden, so daß eine von Ausgangssubstanzen aus, die ebenfalls keinen oder weiche Martensitgrundmasse gebildet wird. Die nach allenfalls nur einen sehr geringen Anteil an freiem der Lösungsglühung angewandte Härtung unterschei-Kohlenstoff aufweisen. So ist es zweckmäßig, daß der det sich prinzipiell dadurch von einer Härtung durch freie Kohlenstoffgehalt an der Stahllegierungsgrund- Hochtemperatur-Austenitisieren und darauffolgendes masse weniger als 0,10 Gewichtsprozent beträgt. Auch 30 Abschrecken, daß verhältnismäßig niedrige Temperader im Carbid befindliche freie Kohlenstoff soll sehr türen angewendet werden, während sich die Grundgering sein; da sich eine gewisse Menge freien Kohlen- masse im Martensitzustand befindet und daß anschliestoffs meist nicht vermeiden läßt, wird in weiterer ßend in Luft gekühlt wird. Die Wärmebehandlung ist Ausbildung der Erfindung dem zu sinternden Gemisch im Prinzip eine Ausscheidungshärtung, da Bestandteile ein starker Carbidbildner außer Molybdän und Chrom 35 vorhanden sind, die die Ausscheidungshärtung bezugesetzt, der in der Stahllegierungsgrundmasse als günstigen. Diese Wärmebehandlung wird in einem Carbid im wesentlichen unlöslich ist. Zu diesem Zweck Temperaturbereich von 260 bis 65O⁰C durchgeführt, eignet sich besonders gut überschüssiges metallisches Im folgenden werden Beispiele für die Erfindung beTitan, das sich mit dem freien Kohlenstoff verbindet schrieben:

und ein sekundäres Titancarbid bildet. Beispiele an- 40 B e i s ο i e 1 1
derer starker Carbidbildner, die im wesentlichen unlösliche Carbide bilden, sind Vanadium, Niob und Ein zur Wärmebehandlung geeigneter, carbident-Tantal. Wird nach einer weiteren Ausbildung der Er- haltender Werkzeugstahl besteht aus folgenden Hauptfindung dieses überschüssige Titan in der Form von bestandteilen:

TiH₂ zugegeben, so entsteht während der Verarbeitung 45 _{Primäres Titan}._Carbid 45 Volumprozent

reaktionsfähiges Titan fur die Verbindung mit dem stahlmatrix als Grundmasse .... 55 Volumprozent freien Kohlenstoff. In ähnlicher Weise kann Zirkonium in der Form von Zirkoniumhydrid zugegeben Die Grundmasse hatte die folgende Zusammenwerden. Die zuzusetzende Titanmenge wird so berech- setzung:
net, daß sie mindestens das 4fache der Menge des 50 Gewichtsprozent

freien Kohlenstoffs beträgt, der zu TiC gebunden Ni 21,7

werden soll, zuzüglich zusätzlichen Titans, damit 0,2 Co 8,49

bis 0,4 Gewichtsprozent freies Titan verfügbar ist, das Mo 3,42

in die Stahllegierungsgrundmasse übergeht. Geht man Ti 0,37

beispielsweise von 45 Volumprozent (33 Gewichts- 55 Fe*) im

prozent) TiC aus, das 19,45 Gewichtsprozent Kohlen- wesentstoff insgesamt enthält und zu einem Gehalt an gebun- liehen
denem Kohlenstoff von 17,75 Gewichtsprozent zer- der
fällt, sind 1,7 Gewichtsprozent freier Kohlenstoff ver- Rest
fügbar. Der freie Kohlenstoff berechnet sich in einem 60 *) Der »Rest Eisen« enthält kleine Mengen anderer BeGemisch aus 45 Volumprozent TiC und 55 Volum- standteile, die die neuen Eigenschaften der Legierung nicht prozent (67 Gewichtsprozent) Stahllegierungsgrund- beeinträchtigen.

masse zu 0,56 Gewichtsprozent. Zu diesem Gemisch 500 g TiC-Pulver einer mittleren Teilchengröße von werden 2,8 Gewichtsprozent TiH₂, bezogen auf das 5 bis 7 μπι werden mit 1000 g pulverförmigen, stahl-Gesamtgemisch, zugesetzt, und dies ergibt eine aus- 65 bildenden Bestandteilen entsprechend der obengereichende Menge an reaktionsfähigem Titan für die nannten Zusammensetzung der Stahllegierungsgrund-Verbindung mit dem freien Kohlenstoff zur Bildung masse gemischt. Das verwendete TiC-Pulver hat einen eines sekundären Titancarbids und zur Schaffung eines Gesamtkohlenstoffgehalt von 19,45 Gewichtsprozent,

5 6

entsprechend einem Gesamtgehalt des pulverf örmigen masse. Falls beim Herstellen einer Sinterstahllegierung Gemisches von 6,48 Gewichtsprozent Kohlenstoff. ähnlich der oben beschriebenen TiH₂ aus dem Ge-

Zur Erzielung bester Ergebnisse ist ein Kohlenstoff- misch fortgelassen wird, beträgt die Härte nach dem gehalt der Metallgrundmasse unter 0,15 Gewichts- bloßen Sintern 57,8 Rc und nach dem Lösungsglühen prozent der Grundmasse erwünscht. 5 und Abkühlen von 1500° C 61,5Rc. Da der freie

Zu den 1500 g des Gemisches (500 g TiC und 1000 g Kohlenstoff keine Bindung mit Titan eingehen konnte, der stahlbildenden Zusätze) wird auf je 100 g des Ge- stieg die Härte nach dem Lösungsglühen wesentlich misches 1 g Paraffinwachs zugesetzt. Das Gemisch über 50 Rc und erreichte einen Wert von 61,5 Rc. wird 60 Stunden lang unter Verwendung von Hexan Weitere Zusammensetzungsbeispiele aus dem erfinals Träger in einer Kugelmühle aus rostfreiem Stahl, io dungsgemäßen Bereich sind folgende. Dabei sind die die zur Hälfte mit rostfreien Stahlkugeln gefüllt ist, Nennwerte der Anteile der Stahllegierungsgrundmasse gemahlen. Nach dem Mahlen wird das Gemisch auf auf das Gewicht dieser Grundmasse bezogen, einer heißen Platte bei 68° C getrocknet, bis das Hexan ^ . . .

zur Gänze beseitigt ist. Das trockene Pulver wird dann Beispiel I

zu Preßlingen unter einem Druck von 2100 at ver- 15 Primäres Carbid 30 Volumprozent TiC

preßt. Grundmasse 70 Volumprozent Stahl

Die so erzeugten Preßlinge werden einer Sinterung bestehend aus

in flüssiger Phase durch 2V_astündige Erhitzung auf Gewichtsprozent

etwa 1425°C im Vakuum und Aufrechterhaltung der ^. „~

Temperatur während ³J₁ Stunden unterworfen. An- ao t;.¹ ...

schließend erfolgt Kühlen in 30 Minuten auf 1300°C j·¹. ji'iz

und Ofenkühlung von 1300°C auf Raumtemperatur. ^¹ ZfTi

Der Sinterkörper wird vorzugsweise auf eine kera- ., „',

mische Platte aufgelegt, die aus vorher gebranntem rr¹¹ „2

hitzebeständigem Material auf MgO-Grundlage be- 35 -¹ ^v'^z

steht. Die Härte nach dem Sintern beträgt 50 R₀. Der ^ee ""·

gesinterte Körper weist jedoch ein spezifisches Gewicht wesen -

auf, das über 99°/o des errechneten spezifischen Ge- ,^{c en}

wichtes liegt. ~^er

Die gesinterte Legierung wird einem Lösungsglühen 30

durch Erhitzen auf eine Temperatur unterworfen, bei In der angegebenen Ti-Menge ist auch der Überschuß der Austenit vorherrscht, beispielsweise von 760 bis an Titan enthalten, der zugesetzt wird und sich mit dem 1165° C, und anschließend luftgekühlt. freien Kohlenstoff verbinden und ihn daran hindern

Nach dem Erhitzen der Legierung während 30 Mi- soll, in die Grundmasse überzugehen, nuten auf 815° C und Luftkühlung auf Raumtempera- 35 _R . . .,

tür ergab sich eine Rockwell-C-Härte von etwa 48, Beispiel^

und die MikroStruktur der Stahllegierungs-Grund- Primäres Carbid 65 Volumprozent TiC

masse war weicher Martensit. In diesem Zustand läßt Grundmasse 35 Volumprozent Stahl

sich die Legierung leicht unter Einhaltung genauer Ab- bestehend aus

messungen der Form maschinell bearbeiten bzw. schlei- 40 Gewichtsprozent

fen. Durch Abkühlen der Legierung von der Lösungs- „. ^₁.

temperatur auf Raumtemperatur an der Luft wird eine i,.¹ „

Umwandlung zu weichem Martensit erzielt. Eine ^i 15

Größenzunahme, die infolge der Umwandlung zu ^ »'.,

Martensit aufgetreten ist, bietet also keine Schwierig- 45 H n\

keiten, da die Sinterstahllegierung leicht spanabhebend „.ⁿ J-

bearbeitet und anschließend gehärtet werden kann, p¹ . '

ohne daß eine weitere Größenzunahme auftritt. Die "^

Legierung wird einer Ausscheidungshärtung bei einer wesen -

Temperatur im Bereich von 260 bis 650°C 3 Stunden 50 " ^e

lang unterworfen und anschließend an der Luft ge- „^er

kühlt. Die bei 815° C lösungsgeglühte Legierung zeigte ^es

nach einer Ausscheidungshärtung bei 438⁰C während In diesem und in den folgenden Beispielen 4 bis 7 3 Stunden und anschließendem Kühlen an der Luft und 9 bis 13 wurde wie bei den vorhergegangenen Beieine Härte von 60 Rc. Bei einem Lösungsglühen bei 55 spielen eine ausreichende Menge an TiH₂ dem Ge-1150°C und einer Ausscheidungshärtung bei 483°C misch zugesetzt, um eine Verbindung des Titans mit zeigte die gleiche Legierung eine höhere Härte, näm- dem freien Kohlenstoff während des Sinterns zu selich von etwa 63 Rc. Der Vorteil des Härtens durch kundärem Titancarbid zu ermöglichen, eine Wärmebehandlung bei der niedrigeren Temperatur (beispielsweise 260 bis 650°C) besteht darin, daß 60 Beispiel 4

auch bei komplizierten Gestaltungen eine im wesent- _{Primäres Carbid 2}5 Volumprozent TiC

liehen enge Toleranz der Abmessungen eingehalten _Grundmasse 75 Volumprozent Stahl

werden kann und em Reißen weitgehend verhindert

•wird. bestehend aus

Wie oben erwähnt, ist es wichtig, daß die Kohlen- 65 Gewichtsprozent

stoffmenge in der Nickel enthaltenden Stahllegierungs- Ni , 13

grundmasse so niedrig wie möglich gehalten wird, bei- Co 8,5

spielsweise unter 0,15 Gewichtsprozent der Grund- Mo 4,5

Ti . Al . Mn Si .. Fe .

B e i s pi el 5

Primäres Carbid 40 Volumprozent TiC

Grundmasse 60 Volumprozent Stahl

bestehend aus

Ni . Co . Mo Ti . Al . Fe-.

Gewichtsprozent

....

....20

.... im

wesentlichen der Rest

Beispiel 6

Primäres Carbid 75 Volumprozent TiC

Grundmasse 25 Volumprozent Stahl

bestehend aus

Ni . . · Co .

Mo ■ Ti .

Al .

Mn - Si .; Fe .

B e i s pi e1

^; Primäres Carbid 50 Volumprozent TiC

Grundmasse 50 Volumprozent Stahl

bestehend aus

Gewichtsprozent

··■ ■··.. 21,5

; 6,5

4,5

0,4

0,1

im

wesentlichen der Rest

Beispiel 8

Primäres Carbid 45 Volumprozent NbC

Grundmasse 55 Volumprozent Stahl

Ni . Co . Mo Ti . Al-. Fe .

Gewichtsprozent bestehend aus

0,35 Gewichtsprozent

0,15 Ni 21,7

0,4 Co 8,49

0,1 5 Mo 3,42

im Ti 0,37

wesent- Fe*) im

liehen wesent-

der liehen

Rest ίο liehen

der
Rest

*) Der Rest Eisen enthält geringfügige Mengen anderer Bestandteile, die die neuen Eigenschaften der Legierung nicht beeinträchtigen.

Bei der Herstellung der Carbid-Werkzeugstahlmasse werden 800 g NbC-Pulver mit 1000 g pulverisierten stahlbildenden Bestandteilen entsprechend der obengenannten Zusammensetzung der Stahllegierungsgrundmasse gemischt. Das NbC-Pulver hat einen Gesamtgehalt an Kohlenstoff von 11,4 %, entsprechend einem Gesamtgehalt von 5 % Kohlenstoff in 1800 g des pulverisierten Gemisches. Es ist im Interesse bester Ergebnisse wünschenswert, daß der Kohlenstoffgehalt der Stahllegierungsgrundmasse 0,15, insbesondere 0,10 Gewichtsprozent nicht überschreitet. Da NbC oftmals etwas freien Kohlenstoff enthält und sich während der Behandlung noch zersetzen und dadurch eine weitere geringfügige Menge an freiem Kohlenstoff freigeben kann, der normalerweise in die Stahllegierungsgrundmasse übergehen würde, wird vorzugsweise ein anderer starker Carbidbildner als Molybdän und Chrom, der als Carbid in der Stahllegierungsgrundmasse im wesentlichen unlöslich ist, zugesetzt. Dies ist,

,35 wie oben bereits ausgeführt, beispielsweise zusätzliches metallisches Titan, insbesondere in der Form von TiH₂, das reaktionsfähiges Titan für die Umsetzung mit freiem Kohlenstoff freigibt.
Geht man also von 45 Volumprozent NbC mit einem Gehalt von 11,4% gebundenem Kohlenstoff und mit etwas freiem Kohlenstoff aus, so wird ein ausreichender Gewichtsanteil an z. B. TiH₂ der Mischung zugesetzt, um genügend reaktionsfähiges Titan verfügbar zu machen, das sich mit dem freien Kohlenstoff

,45 verbindet und ein sekundäres Titancarbid bildet, und um außerdem einen Überschuß von 0,2 bis 0,4% freiem Titan für die Stahllegierungsgrundmasse verfügbar zu machen. , . _r .

Dieser Gemischtmenge von 18Ö0 g (800 g NbC und

■so 1000 g stahlbildender Bestandteile) wird je.1 g Paraffinwachs aufrlöö g des Gemisches zugesetzt, und, das Gemisch wird unter Verwendung von Hejian.als Träger 60 Stunden lang in einer rostfreien Stahlliügelrriühie gemahlen, die zur Hälfte mit rostfreien Stahlkugeln ge-

,55 füllt ist. Nach dem Mahlen wird das Gemisch wie im Beispiel 1 weiterverarbeitet und lösungsgeglüht.

Nach Erhitzen der Sinterstahllegierung auf 815°C während 30 Minuten und Kühlen an der Luft auf Raumtemperatur hat sie eine Rockwell-C-Härte von nicht über 50, und die MikroStruktur der Stahllegierungsgrundmasse ist wiederum weicher Martensit.

Die Legierung wird auf Werte von 60 Rc und darüber durch Ausscheidungshärtung bei einer Temperatur im Bereich von 260 bis 650⁰C während 3 Stunden und anschließendes Kühlen an der Luft gehärtet. Wie oben ausgeführt, ist es wichtig, daß die Kohlenstoffmenge in der Nickel enthaltenden Stahllegierungsgrundmasse so niedrig wie möglich, beispielsweise unter

909 526/265

Gewichtsprozent ....18 .... 7,5 -_; .:.. 4,5 : .... 0,ύ5 ..-.·. 0,15 .... 0,4 ■: .... 0,1 .... im ■/■;,■■ wesentlichen^ der , Rest-·

0,15 Gewichtsprozent der Grundmasse, gehalten wird. Falls beim Herstellen einer ähnlichen hitzebeständigen Sinterstahllegierung TiH₂ aus dem Gemisch fortgelassen wird, beträgt die nach dem Sintern allein erzielte Härte 57,8 Rc und die Härte nach dem Lösungsglühen und nach Abkühlung von 1500⁰C 61,5 R_c. Da der freie Kohlenstoff nicht gebunden wurde, stieg die Härte nach dem Lösungsglühen wesentlich über 50 Rc und erreichte den Wert von 61,5 Rc.

Beispiel 9

Primäres Carbid 65 Volumprozent VC

Grundmasse ... 35 Volumprozent Stahl

bestehend aus

Ni .
Co .
Mo
Ti .
Al .
Mn
Si..
Fe .

Gewichtsprozent

.... 18

.... 0,65

.... 0,15

im

wesentlichen der Rest

bestehend aus

Beispiel 13

Ni . Co . Mo C .. Ti . Al . Fe .

Gewichtsprozent

.... <0,15

0,2

.... im

wesentlichen der Rest Ni .
Co .
Mo
Ti .
Al .
Fe .

Beispiel

Primäres Carbid 25 Volumprozent TaC

Grundmasse 75 Volumprozent Stahl

bestehend aus

Gewichtsprozent

13

4,5

0,35

0,15

0,4

Ni . Co . Mo Ti . Al . Mn Si .. Fe .

im

wesent-

liehen

der.

Rest

B e i s ρ i e 1

Primäres Carbid —. 40 Volumprozent NbC

Grundmasse 60 Volumprozent Stahl

bestehend aus

Gewichtsprozent

· 0,5

0,1

im

wesentlichen der Rest

Beispiel

Primäres Carbid -75 Voulmprozent NbC

Grundmasse 25 Volumprozent Stahl

Ni -. Co . Mo Ti . Al . Fe .

Primäres Carbid 50 Volumprozent TaC

Grundmasse 50 Volumprozent Stahl

bestehend aus

Gewichtsprozent

21,5

6,5

4,5

0,4

0,1

im

wesentlichen

Rest.

Die Angabe »Rest im wesentlichen Eisen« in den obigen Beispielen schließt nicht das Vorhandensein üblicher Eisenbegleiter und Verunreinigungen, wie Calcium, Bor, Zirkonium, sowie Mangan und Silizium od. dgl.,'aus. Andere Bestandteile, die außer denHauptbestandteilen in der Stahllegierungsgrundmasse vorhanden sein können, sind z. B. bis zu 1 °/o Mn* bis zu 0,5%Si, biszu0,l%Ca,biszu0,17₀B, bis zu 0,1 °/₀Zr, usf. Andere legierungsbildende Bestandteile, die in der Stahllegierungsgrundmasse in Mengen vorhanden sein können, die die neuen Eigenschaften des Carbidwerkzeugstahles nicht beeinträchtigen, sind Chrom, Kupfer, Wolfram, Vanadium und Niob und andere.

Bei der Herstellung der oben beschriebenen Massen hat sich das pulvermetallurgische Verfahren mit Mischen der pulverisierten Bestandteile, Verpressen des Gemisches zu einer gewünschten Form und anschließendem Sintern in flüssiger Phase oder in festem Zustand bei einer hohen Temperatur zwecks Erzielens einer vollen Verdichtung als für die Zwecke der Erfindung vorteilhaft erwiesen.

Im weitesten Sinne besteht dieses Verfahren darin, daß eine angemessene Menge stahlbildender Bestandteile mit einer angemessenen Menge des primären Carbides gemischt wird, eine geringe Menge Wachs verwendet wird, um dem frisch hergestellten Preßling eine ausrichende Festigkeit zu verleihen, beispielsweise 1 g Wachs je 100 g Gemisch. Das Gemisch kann dann auf mannigfaltige Arten geformt werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das Gemisch auf eine Dichte von mindestens 50% der Nenndichte bei einem Druck im Bereich von 1400 bis 10700 at, vorzugsweise von 2100 bis 7100 at zu verpressen und anschließend in einem Vakuum, vorzugsweise unter 300 μτα Quecksilbersäule, im allgemeinen bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Stahlgrundmasse, die je nach den vorhandenen Legierungsbestandteilen im

Bereich von 1300 bis 1575⁰C, liegt, während einer Zeit, die ausreicht, um das Gleichgewicht zwischen primärem Carbid und Stahllegierungsgrundmasse zu erreichen und eine im wesentlichen vollkommene Verdichtung zu erhalten, beispielsweise über 6 Stunden lang, zu sintern.

Wenn das Sintern in flüssiger Phase beendet ist, läßt man das Erzeugnis im Ofen auf Raumtemperatur abkühlen. Wenn nötig, wird das Erzeugnis so, wie es vom Sintern kommt, einer mechanischen Reinigung unterzogen und dann durch Lösungsglühen im Bereich von 760 bis 1165°C behandelt und anschließend an der Luft gekühlt. Es hat sich gezeigt, daß ein Bereich von 760 bis 982° C besonders vorteilhaft ist. Das Lösungsglühen kann bei einer Temperatur eine Viertelstunde oder länger, beispielsweise 1 Stunde lang, durchgeführt werden.

Außer den primären Carbiden TiC, VC, NbC und TaC können auch andere Carbide in Mengen vorhanden sein, die den Werkzeugstahl nicht beeinträchtigen, »o beispielsweise bis zu 25 % Zirkoniumcarbid u. dgl., vorausgesetzt, daß sie in der Stahllegierungsgrundmasse im wesentlichen unlöslich sind. Es können natürlich solche Carbide allein oder als vollständige oder partielle feste Lösungen mit dem primären Carbid vor- as handen sein.

Die erfindungsgemäße Sinterstahllegierung löst die obengenannte Aufgabe vorbildlich. Sie läßt sich nach dem Lösungsglühen in beliebige Form bringen und sei sie noch so kompliziert. Sie kann anschließend bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehärtet werden, ohne daß in nennenswertem Grad Verwerfen, Reißen oder Änderungen des Volumens auftreten. Demgegenüber muß ein Carbidstahl mit einer durch Abschrecken härtbaren Stahlgrundmasse nach dem Härten wegen der aufgetretenen Volumenzunahme, des Werfens u. dgl. nachgearbeitet werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Entkohlung kein Problem ist, da zur Erzielung der erforderlichen Härtung die Anwesenheit von Kohlenstoff in der Stahllegierungsgrundmasse nicht erforderlich ist. Die üblichen Vorkehrungen hinsichtlich einer genauen Einhaltung der umgebenden Atmosphäre während der Wärmebehandlung sind daher nicht erforderlich.

Claims

45 Patentansprüche:

1. Hochverschleißfeste, im lösungsgeglühten Zustand bearbeitbare, durch Anlassen ausscheidungshärtbare, rißfreie Sinter Stahllegierung, d adurch gekennzeichnet, daß sie aus 20 bis 80 Volumprozent Carbiden, unter denen sich mindestens eines der Gruppe TiC, VC, NbC und TaC befindet, und dem Rest aus einer ausscheidungshärtbaren Stahlmatrix besteht, die weniger als 0,15 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 10 bis 30 Gewichtsprozent Nickel, bis zu 25 Gewichtsprozent Cobalt, bis zu 10 Gewichtsprozent Molybdän, 0,2 bis 9 Gewichtsprozent Titan, bis zu 5 Gewichtsprozent Aluminium, so daß die Summe von Titan und Aluminium 9% nicht übersteigt, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen aufweist.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Titan mindestens teilweise ersetzt ist durch andere starke Carbidbildner außer Molybdän und Chrom in entsprechenden Anteilen, nämlich Vanadium, Niob und/oder Tantal.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Titan mindestens teilweise ersetzt ist durch Zirkon in entsprechenden Anteilen.

4. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Carbid in Form primärer Carbidkörner vorliegt, die in der eine weiche martensitische MikroStruktur aufweisenden Stahlmatrix verteilt sind.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlmatrix 10 bis 22 Gewichtsprozent Nickel und mindestens je 2 Gewichtsprozent Kobalt und Molybdän aufweist und die Summe an Titan und Aluminium weniger als 1,5 Gewichtsprozent beträgt.

6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlmatrix 18 bis 30 Gewichtsprozent Nickel und weniger als 2 Gewichtsprozent Molybdän aufweist und die Summe an Titan und Aluminium mehr als 1,5 Gewichtsprozent beträgt.

7. Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlmatrix 2 bis 10 Gewichtsprozent Kobalt, 2 bis 8 Gewichtsprozent Molybdän und 0,2 bis 1,4 Gewichtsprozent Titan sowie eine zusätzliche Menge eines Carbidbildners außer Molybdän und Chrom zur Bindung freien Kohlenstoffs aufweist.

8. Legierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlmatrix 16 bis 22 Gewichtsprozent Nickel, 6 bis 10 Gewichtsprozent Kobalt, 2 bis 6 Gewichtsprozent Molybdän, 0,2 bis 1 Gewichtsprozent Titan, bis zu 0,4 Gewichtsprozent Aluminium und als zusätzlichen Carbidbildner Titan aufweist.

9. Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlmatrix eine Summe von Titan und Aluminium von nicht mehr als 9 Gewichtsprozent sowie eine zusätzliche Menge eines Carbidbildners außer Molybdän und Chrom zur Bindung freien Kohlenstoffs aufweist.

10. Legierung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt 24 bis 30 Gewichtsprozent beträgt.

11. Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt 18 bis 24 Gewichtsprozent und die Summe an Titan und Aluminium bis zu 3 Gewichtsprozent betragen und daß eine zusätzliche Menge eines Carbidbildners außer Molybdän und Chrom zur Bindung freien Kohlenstoffs vorhanden ist.

12. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an primärem Carbid 30 bis 70 Volumprozent (bezogen auf die Gesamtmasse) beträgt.

13. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das primäre Carbid aus Titancarbid besteht.

14. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zu pulvermetallurgischer Herstellung von Werkzeugen, Werkzeugteilen oder Maschinenelementen, die beim Härten keinerlei Verzug erleiden, wie Stanzwerkzeuge, Ziehmatrizen od. dgl.

15. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 14 für Werkzeuge, Werkzeugteile oder Maschinenelemente, die starkem Verschleiß und hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

16. Verfahren zur Herstellung einer Legierung

nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch aus den Ausgangsstoffen auf eine Korngröße von im Durchschnitt weniger als etwa 5 bis 7 μ gemahlen, gepreßt und zwischen 1300 und 1575 ° C im Vakuum von weniger als 300 μ gesintert, anschließend eine Lösungsglühbehandlung bei zwischen 760 und 1165° C mit etwa V^tündiger oder längerer

Haltezeit und Luftabkühlung durchgeführt wird, worauf sich die Fertigbearbeitung der Sinterkörper und eine Ausscheidungshärtung durch Anlassen zwischen 260 und 650⁰C mit einer Haltezeit von etwa 3 Stunden sowie Luftabkühlung anschließt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Gehaltes an Titan in Form von TiH₂ eingebracht wird.