DE2061485A1 - Durch pulvermetallurgisches Sintern hergestellte, hitze und korrosions bestandige, chromreiche, nickelhaltige Legierung mit einem Gehalt an einem schwer schmelzbaren Carbid - Google Patents

Description

206H85

DR. S. VOSH DR. ί. Η'

u:.iN8g

Lucite-Gralin-Strafe 38
Telefon 44,'i?,55

Oase 0284

Ciiromalloy American Corporation, 169 Western Highway, West Hyaclc, Hev/ York (V. St.A.)

Durch pulverrnetallurgisches Sintern hergestellte, hitze- und korrosionsbeständige, chromreiche, nickelhaltige Legierung mit einem Gehalt an einem schwer schmelzbaren

Carbid

Die vorliegende Erfindung betrifft eine durch pulvermetallurgisches Sintern gewonnene, hitze- und korrosionsbeständige, chromreiche, nickelhaltlge Legierung mit einem Gehalt an einem schwer schmelzbaren Carbid sowie die daraus hergestellten hitze-behandelten Metallteile oder Elemente, wie Ventile, Ventilteller, Dichtungen, Düsen, Strangpreßwerkzeuge, hitzebeständige Maschinenelemente u.dgl., die sowohl bei Raumtemperatur als auch uci erhöhter Temperatur hitze- und korrosionsbesein müssen.

In den USA-Patenten 3 369 891 und 3 369 892 (die üer Anmelderin dor· vorliegenden Erfindung erteilt wurden) sind

SAD ORISfNAL

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Werkzeugstähle mit einem Gehalt an einem schwer ü ■ baren Carbid beschrieueii worden, bei denen primäre Körner des schwer schmelzbaren Carbide, /vie Titancarbid, Niobcarbid, Vanadincarbid und Tantalcarbid, in einer Nickellegierungsgrundmasse dispergiert sind, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt etwa 10 bis 30 % Nickel,
etwa 0,2 bis 9 ft Titan,
bis zu etwa 5 % Aluminium,

einen etwa 9 % nicht übersteigenden. Gesamtgehalt an Titan plus Aluminium, bis zu etwa 25 ft Kobalt,
* bis zu etwa 10 ft Molybdän und als Rest im wesentlichen

wenigstens 50 fti Eisen
enthält.

Wie festgestellt wurde, besteht ein Hauptvorteil der vorerwähnten Legierungen darin, daß sie eine Verbesserung in Bezug auf die Hitzebehandlungsfähigkeit gegenüber Titancarbid-Werkzeugstählen mit sich bringen, wie sie in der USA-Patentschrift 2 82b' 202 beschrieben sind und die vorzugsweise als gesinterte Produkte durch pulvermetallurgische Methoden gewonnen werden, wobei diese Produkte durch Herunterkühlen im Ofen von 1300⁰C jk auf Raumtemperatur ausgeglüht werden und die Mikrostruktur der Metallgrundmasse (Stahlgrundmasse) im allgemeinen aus Perlit besteht. Eine typische Grundmasse ist eine solche, die 0,5 ft Kohlenstoff, 3 ft Chrom, 3 ft Molybdän und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Das geglühte Produkt wird dann durch maschinelle Bearbeitung in die gewünschte Form gebracht, und zwar durch Drehen und bzw. oder Schleifen, und danach wird es einer' Härtungs-Hitzebehandlung unterworfen, indem man den ge-

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g.Lunt-en Werkzeugstahl ungefähr 1/4 Stunde auf eine zur Aiistenitbildurig ausreichende Temperatur von etwa 9^>0 C erhitzt, und daran schließt sich das Abschrecken in. öl oder V/asser an. Derartige Titancarbio-Vlerkzeugstähle vermögen Härtegrade bis zu etwa YO Rockr/ell G zu erreichen, ;n : sie haben sich als SpezialStähle ein breites technisches Anwendungsgebiet erschlossen.

Bei -jer Bearbeitung der vorerwähnten Stähle des durch /'ii-schrfrokimf, härtbaren Typs muß jedoch dafür Sorge ge-.. ragen werden, die maßdimensionalen Änderungen, die wahrer: des: Abschreckens eintreten können, auf das geringstmorliehe Maß zu bringen. So können z.B. Formstücke, die dii-vio oder komplizierte Abschnitte aufweisen, üazu nelt>r., oicn zu verziehen, und in diesem Falle kann es erforderlich sein, überdimensionierte Formstücke zu härten, viii der I'etailtnenfe Rechnung zu tragen, die zur Sicherstellung uev genauen Paß&röße entfernt weroen muß. Die;- iot - allgemein gesagt - nicht gerade erwünscht be j Svihlen, die schwer schmelzbare Carbide enthalten, weil .ie hierbei aufzuwendenden Kosten der maschinellen Bearoeltung und uec- Schleifens wegen des hohen Carbidgehaltes in dei¹ Regel beträchtlich" sind. Darüber hinaus können Gegenstände von komplizierter Form zur Rißbildung während des Abschreckens neigen. Seiost wenn kein Verziehen erfolgt, kann das Schleifen immer noch ein Problem darstellen, weil ein Wachstum eintritt, wenn der Stahl sich vom Austenit zum Martensit umwandelt, wobei das Wachstum ois zu 0,01 mm pro <;^η,·>, 4 mm (0.0004 inch per inch) oetragen kann, so daß das überschüssige Metall entfernt werden muß. Wie oben oereits erwähnt, ist dies wegen der verhältnismäßig großen Mengen (z.B. 45 VoI.-^) ai dem vorhandenen schwer- schmelzbaren Carbid kostspie-

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lig und zeitraubend. Da das Ansprechen solcher Titancarbid-Werkzeugstähle auf die Hitzebehandlung von der Kohlenstoffmenge in der Stahlgrundmasse abhängt, muß besonders sorgfältig darauf geachtet werden, daß man eine Entkohlung während der Hitzebehandlung vermeidet.

Die Arbeitsweisen der USA-Patentschriften 3 369 89I und 3 369 892 stellen bereits eine Verbesserung des in der USA-Patentschrift 2 828 202 beschriebenen Verfahrens insofern dar, als ein Verziehen während der Hitzebehandlung im wesentlichen vermieden wird, und weiter auch insofern, als das Vorhandensein von Kohlenstoff in der Grundmasse nicht nur für Hitzebehandlungszwecke von Bedeutung ist, sondern daß - im Gegenteil - der Kohlenstoffgehalt so niedrig wie möglich sein soll, z.B. unter 0,15 % ^und vorzugsweise nicht über 0,05 $>· Das Härten wird durch Ausscheidungshärtung (aging) bewerkstelligt und stützt sich nicht auf die Phasenumwandlung, wie es bei dem Verfahren des früheren Patentes der Fall ist, sondern das Härten wird durch etwa dreistündiges Erhitzen auf die verhältnismäßig niedrige Temperatur von etwa 480 C und das nachfolgende Abkühlen an der Luft vorgenommen. Wie oben bereits erwähnt, wird bei Anwendung der vorstehend angeführten Hitzebehandlung ein Verziehen im wesentlichen vermieden. Es werden Endhärten von etwa 60 bis 62 oder Rockwell C erreicht.

Wenn auch der vorangehend beschriebene Typ von ausscheidungshärtbaren Legierungen mit dem Gehalt an dem schwer schmelzbaren Carbid einen Schritt vorwärts in Bezug auf die Zurverfügungstellung von verbesserten, harten und verschleißfesten Produkten für den Gebrauch unter den Bedingungen der normalen umgebenden Atmosphäre bedeuten,

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so waren doch gewisse Nachteile bei Anwendungszwecken feststellbar., bei denen ein Verschleiß durch Reibung erfolgte und die Nickel-Eisen-Legierungsgrundmasse ein gewisses Anfressen erkennen ließ. Darüber hinaus wies auch die Grundmasse nicht die gewünschte Korrosionsfestigkeit in umgebenden Medien auf, bei denen sie mit korrodierenden ölen in Kontakt kamen (z.B. bei verschleißfesten Maschinenteilen).

Auf diese Weise würde die Lebensdauer des Werkzeuges bei Anwendungszwecken, bei denen die Grundmasse dazu neigt, weg-erodiert oder -korrodiert zu werden, in der Regel aufgrund des Umstandes, daß die Körner des schwer schmelzbaren Carbids ihren Halt in der Grundmasse verlieren, nachteilig beeinflußt werden, denn die Körner wurden sich lösen und herausfallen, was den Verschleiß fördern würde, zumal die Härte der Grundmasse beträchtlich geringer ist- als die arteigene Härte der Carbidkörner. Eine Methode zur Vermeidung dieses Nachteiles besteht darin, die Grundmasse zu nitrieren, um deren Oberflächenhärte soweit wie möglich der Carbidhärte anzugleichen. Im allgemeinen weisen jedoch die Nickel-Eisen-Legierungen des Typs, der üblicherweise als Grundmasse verwendet wird, keine ausgesprochene Neigung auf, sich durch Nitrierung vergüten zu lassen.

Ein v/eiterer Nachteil besteht darin, daß die Nickel-Eisen-Legierungsgrundmasse bei längerer Gebrauchsdauer bei erhöhten Temperaturen keine angemessene Hitzebeständigkeit aufbringt.

Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte, durch pulvermetallurgisches Sintern gewonnene, hitze- und korrosionsbeständige, chromreiche,

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nickelhaltige Legierung mit einem Gehalt an einem schwer schmelzbaren Carbid zu entwickeln.

Ein weiterer Gegenstand besteht darin, gehärtete, gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Erzeugnisse, wie Werkzeugelemente und Maschinenteile, verfügbar zu machen, die aus einer chromreichen, nickelhaltigen Legierung mit einem Gehalt an einem schwer schmelzbaren Carbid geformt worden sind.

Diese und weitere Gegenstände werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert und ihr Umfang wird durch die beigefügten Ansprüche festgelegt.

In breitem Sinne betrifft die vorliegende Erfindung eine durch pulvermetallurgisches Sintern gewonnene, hitze- und korrosionsbeständige, chromreiche, nickelhaltige Legierung mit einem Gehalt an einem schwer schmelzbaren Carbid, die im wesentlichen aus primären Körnern des Titancarbids, Niobcarbids, Vanadincarbids oder Tantalcarbids besteht, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Legierungs-Grundmasse dispergiert sind, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt etwa 12 bis 20 % Chrom,

etwa 4 bis 10 % Nickel,

etwa J5 bis 10 % Kobalt,

bis zu etwa 5 % Molybdän,

etwa 0,5 bis 5 % Titan,

bis zu etwa 5 % Aluminium,

nicht mehr als 0,2 % Kohlenstoff und als Rest wenigstens 50 % Eisen

enthält mit der Maßgabe, daß der Chrom- und Nickelgehalt vorzugsweise so eingestellt sind, daß der Ausdruck

% Ni

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einen Wert von etwa I5 % nicht übersteigt, und die Legierungsgrundmasse im lösungsgeglühten Zustand das Mikrogefüge eines weichen Martensits aufweist.

Die Menge des schwer schmelzbaren Carbids beträgt vorzugsweise etwa 30 bis 75 Volumenprozent, und der Rest besteht im wesentlichen aus der Legierungsgrundmasse.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierung etwa 35 bis 55 Volumenprozent des schwer schmelzbaren Carbids und die im wesentlichen den Rest ausmachende Legierungsgrundmasse besteht - in Gewichtsprozent ausgedrückt in der Hauptsache aus

etwa 12 bis l8 % Chrom,

etwa 4 bis 9 % Nickel,

etwa > bis 8 % Kobalt,

bis zu etwa 5 % Molyodän,

etwa 0,5 bis 5 % Titan,

bis zu etwa 5 % Aluminium,

bis zu etwa 0,1 % Kohlenstoff und als Rest aus wenigstens 65 % Eisen.

Der Kohlenstoffgehalt in der Grundmasse sollte vorzugsweise 0,05 £ nicht übersteigen.

Eine technisch besonders gut brauchbare Legierungszusammensetzung ist eine solche, die aus etwa 45 Vol.-$ Titancarbid (das sind etwa 33*6 Gewichtsprozent) und als Rest hauptsächlich aus der Legierungsgrundmasse besteht, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt -

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etwa lh % Chrom,

etwa 6 /j Nickel,
5 </, Kobalt,
4 Ji Molybdän,

etv/a 1,5 # Titan und als Reε;t im wesentlichen Eisen

enthält. Die technisch brauchbare l/erkstoffzusammensetzung kann etwa HG bis 55 Volumenprozent schwer schmelzbares Carbid (Titan-, Niob-, Vanadin- und Tantal carbid) und als Rest im wesentlichen die Legierurigsgrundmasse enthalten, wobei diese Gruridrnasse - in * Gewichtsprozent ausgedrückt -

etwa 12 bis 16 % Chrom,

etwa 4 bis 8 # Nickel,

etwa 3 bis 6 % Kobalt,

etwa 2 bis 6 % Molybdän,

etwa 1 bis 3 $ Titan,

bis zu etwa 2 % Aluminium und als Rest

im wesentlichen Eisen
enthält.

Sämtliche vorangehend erwähnten Legierungsgrundmassen können bis zu einer Gesamtmenge von 10 Gewichtsprozent k im Aggregat

bis zu etwa 7 % Wolfram,

bis zu etwa 3 % Niob und bzw. oder Tantal, bis zu etwa 6 ^ Kupfer,

bis zu etwa 0,5 % Silicium und bzw. oder Mangan,

bis zu etv/a 1 % Beryllium neben anderen Elementen enthalten.

Die vorstehend angeführten Legierungs-Grundmassen sind insofern von besonderem Gebrauchswert, als die entstehenue

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Legierung mit dem Gehalt an dem schwer schmelzbaren Carbid einem Lösungsglühen unterworfen v/erden kann durch Erhitzen auf eine erhöhte Temperatur und Abkühlen an der Luft, Lim so ein Grundgefüge aus weichem Martensit zu erzielen, das Eigenschaften aufweist, die es möglich machen, daß das entstehende Produkt leicht maßgerecht maschinell bearbeitet und bzw. oder geschliffen werden kann. Die Härturigsbehandlung besteht in dem Erhitzen der Carbidlegierung auf eine recht mäßige Temperatur von 265⁰C bis 655⁰C, um das Grundgefüge durch eine Vergütungsreaktion, die dank des Vorhandenseins /on ausscheidungshärtbaren Elementen, wie Titan, mit oder ohne Aluminium, zustandekommt, zu härten.

Um jedoch sicherzustellen, daß das Grundgefüge weichen Martensit bildet, wenn es von einer erhöhten Lösungstemperatur, z.B. -einer Temperatur von JoO⁰C bis li65°C, heruntergekühlt wird, ist es wichtig, daß der Kohlenstoffgehalt auf unter 0,2 Gewichtsprozent, besser noch auf nicht über 0,05 Gewichtsprozent, bezogen auf die Legierungsgrundmasse, eingestellt xvird. Dies stellt verständlicherweise ein gewisses Problem dar, da beträchtliche Mengen des schwer schmelzbaren Carbids in der Masse vorhanden sind, und beim Sintern der Masse in flüssiger Phase bei hohen Temperaturen kann eine Zersetzung des Carbids erfolgen und auf diese V/eise Kohlenstoff in die Grundmasse gelangen. Um die Folgen, einer solchen Zersetzung zu kompensieren, können bei der Formulierung der Masse gewisse Vorsichtsmaßregeln getroffen werden, die aus der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden können.

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Die folgenden Beispiele sollen die verschiedenen Ausführungsformen der' Erfindung näher erläutern.

Beispiel 1

Eine hitze-behandelbare Carbidlegierung, die Titancarbid als schwer schmelzbares Carbid und eine hitze-- und korrosionsbeständige, chromreiohe, nicicelhaltige Legierung als Grundmasse enthält, wurde wie folgt hergestellt :

primäres Carbid etwa ¥} Vol.-?' Titancarbid Legierungsgrundmasse et v/a 55 Vol.-?' Die Grundmasse wies die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf:

Prozent

Chrom 14

Nickel 6

Kobalt 5

Molybdän 4

Titan 1,5

Eisen im wesentlichen als Rest

' Zu dem den Rest ausmachenden Eisen gehören auch geringe Mengen von daneben vorhandenen anderen Bestandteilen, welche die charakteristischen Grundeigenschaften der Legierung nicht nachteilig beeinflußen.

Zur Herstellung des Carbid-Werkzeugstahls v/erden 500 g

etwa
Titancarbidpulver νοη_Λ3 bis 7 Mikron durchschnittlicher

Teilchengröße mit loOO g pulverförmigen stahlbildenden Bestandteilen, die der vorerwähnten Zusammensetzung der

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Metallgrundmasse entsprechen, vermischt. Das verwendete Titancarbidpulver v/eist einen Gesamtkohlenstoffgehalt con etwa 19, 45 Gewichtsprozent auf, was einer Gesamtmenge von etwa 6,48 Gewichtsprozent in den I5OO g Pulvergemisch entspricht. Zur Erzielung bester Ergebnisse ist es empfehlenswert, den Kohlenstoffgehalt der Metallgrundmasse auf unter 0,15 Gewichtsprozent, bezogen auf die Grundmasse, zu halten. Da Titancarbid etwas freien Kohlenstoff enthält und ferner dazu neigt, sich während eier Behandlung unter Bildung einer zusätzlichen geringen Menge von freiem Kohlenstoff zu zersetzen, der normalerweise in das Grundgefüge mit eingeht, wird ein starker Carbidbildiier, und zwar ein anderer als Molybdän und Chrom, und der in der Grundmasse,wie das Carbid, im wesentlichen unlöslich ist, z.B. überschüssiges metallisches Titan, dem Gemisch zugesetzt, um den überschüssigen freien Kohlenstoff unter Bildung eines sekundären Titanearbids durch eine chemische Reaktion zu binden. Dies wird durch Zugabe des Titans in Form von TiH^ bewerkstelligt, welches aktives Titan liefert, das sich mit dem freien Kohlenstoff verbindet. Ein anderer starker Carbiöbilaner, der zugegeben v/erden kann, ist Zirkon in Form von Zirkonhydrid. Die zugesetzte Titanmenge ist so zu berechnen, daß sie wenigstens das Vierfache der Menge des als Titancarbid zu bindenden freien Kohlenstoffes beträgt und daß daneben noch so viel überschüssiges Titan zur Verfügung steht, daß etwa 0,2 bis 0,4 % freies Titan in die Metallgrundmasse eingehen kann. Als Beispiele anderer starker Carbidbildner, die im wesentlichen unlösliche Carbide bilden, sind Vanadin, Niob, Tantal u.dgl. anzuführen.

Geht man so von etwa 45 Vol,-$ Titancarbid (die etwa 33 Gewichtsprozent entsprechen) aus, die etwa 19*45 Ge-

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wichtsprozent Gesamtkohlenstoff enthalten, der sich ■ zersetzt unter Hinterlassung eines Gehalts von etwa 17*75 % an gebundenem Kohlenstoff, so verbleiben etwa 1,7 % freier Kohlenstoff, die der Behandlung bedürfen. Der freie Kohlenstoff macht in einem Gemisch aus ^5 Volumenprozent (gleich 33 Gewichtsprozent) Titancarbid und 55 Volumenprozent (gleich 67 Gewichtsprozent) Stahlgrundmasse etwa 0,56 Gewichtsprozent aus. Zu diesem Gemisch werden etwa 2,8 Gewichtsprozent TiHp, bezogen auf das Gemisch, zugegeben, und diese Menge liefert nicht nur genügend aktives freies Titan für die Bindung des fe freien Kohlenstoffes unter Bild\mg eines sekundären Titancarbids, sondern daneben noch überschüssiges freies Titan, (etwa 0,2 bis 0,^l\ Gewichtsprozent) zum Verbleib in der Stahlgrundmasse.

Zu den I500 g Gemisch (500 g Titancarbid und 1000 g der stahlbildenden Bestandteile) wird 1 g Paraffinwachs auf je 100 g Gemisch zugegeben, und oas Gemisch wird in einer Kugelmühle aus rostfreiem Stahl, die zur Hälfte mit Kugeln aus rostfreiem Stahl gefüllt ist, unter Verwendung von Hexan als Anfeuclitungsmittel etwa 60 Stunden lang vermählen. Nach dem Vermählen wird das Gemisch auf einer heißen Platte bei 68 C getrocknet, h bis sämtliches Hexan abgetrieben ist. Das trockene PuI-ver wird danach unter· einem Druck voi, 2,3 t/cm^c zu Formungen oder Preßlingen verformt.

Die so erzeugten Preßlinge werden dann einem Sintern in flüssiger Phase unterworfen, indem man sie in 2 1/2 Stunden auf etwa 1425°C im Vakuum erhitzt und die Temperatur 45 Minuten lang hält, und man sie dann in 30 Minuten auf 1300⁰C abkühlt und danach durch Ofenkühlung von

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C auf Raumtemperatur weiter abkühlt. Das Sintern '"wird vorzugsweise auf einer Keramikplatte von vorher gebranntem "Magnorite" (einem im Handel erhältlichen feuerfesten Material auf MgO-Basis) durchgeführt. Die Härte nach dem Sintern beträgt 56 Rockwell C und der Preßling weist eine Dichte von über 99 % der wahren Dichte auf.

Die gesinterte Legierung wird einem Lösungsglühen unterworfen durch Erhitzen auf eine Temperatur, bei welcher Austenit vorherrscht, z.B. von etwa 76O C bis 1165⁰C, mit nachfolgendem Abkühlen an der Luft. Nach j50 Minuten langem Erhitzen der Legierung auf 982⁰C und Abkühlen an der Luft auf Raumtemperatur wies sie eine Rockwell C-Härte von ungefähr 48 auf und die Mikrostruktur der Grundmasse bestand aus weichern Martensit. In diesem Zustand kann die Legierung leicht durch maschinelle Bearbeitung oder Schleifen in genau dimensionierte Formstücke übergeführt werden. Durch Abkühlen der Legie-

an der Luft

rung_Avon der Temperatur des Lösungsglühens auf Raumtemperatur wird die Umwandlung zum weichen Martensit bewerkstelligt. Daher bereitet jegliches Wachstum, das im Zuge der Umwandlung zum Martensit eingetreten ist, keine Schwierigkeiten, weil die Carbidlegierung leicht maschinell formgeben^ bearbeitet werden und danach gehärtet werden kann, ohne daß ein weiteres Wachstum erfolgt.

Die Legierung wird durch Ausscheidungshärtung gehärtet, indem man sie etwa 3 bis 15 Stunden auf eine Temperatur zwischen etwa 260°C und 65O⁰C erhitzt und danach an der Luft abkühlt.

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Wie oben bereits erwähnt, ist es für die'Zwecke der vorliegenden Erfindung wichtig, die Kohlenstoffmenge in der nickelhaltigen Stahlgrundmasse so niedrig 'wie möglich zu halten, z.B. auf unter 0,2 Gewichtsprozent, bezogen auf die Grundmasse. Stellte man eine Legierung ähnlich der vorher genannten her und ließ das TiHp aus dem Gemisch fort, so führte das zu dem Ergebnis, daß die Härte des Produktes, wie es in dem gesinterten Zustand anfiel, hoch war und die Lösungshärte nach dem Herunterkühlen von 982⁰C über 60 Rockwell C betrug. Da der freie Koh-

»lenstoff nicht an das Titan gebunden war, stieg die Lösungshärte auf wesentlich über 50 Rockwell C.

Beispiel 2

Primäres Carbid etwa 30 Vol.-^ Titancarbid Legierungsgrundmasse etwa 70 Vol.-$

Die zahlenmäßige Zusammensetzung der Legierungsgrundmasse war folgende:

Prozent

Chrom l6

Nickel 7

Kobalt 7

Molybdän 3

* Titan 0,5

Aluminium 0,5

Eisen im wesentlichen als Rest.

Wie den Zahlenwerten entnommen werden kann, ist der Ausdruck

_{+% N1} in diesem Beispiel gleich 15.

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Die Menge an vorhandenem Titanearbid schließt überschüßiges Titan mit ein, das zugesetzt worden war, um den freien Kohlenstoff zu binden und um zu verhindern, daß er in die Grundrnasse gelangt und die charakteristischen Eigenschaften des Martensits nachteilig beeinflußt.

Beispiel 3

Primäres Carbid etwa 55 Vol.-$ Niobcarbid Legierungsgrundmasse etwa ^5

Die zahlenmäßige Zusammensetzung der Grundmasse ist die folgende:

Gewichtsprozent

Chrom 12

Nickel 9

Kobalt " 3

Titan 2

Eisen im wesentlichen als Rest.

Die Menge an vorhandenem Niobcarbid schließt auch eine gewisse Zirkonmenge ein, die zugesetzt worcten war, um sämtlichen vorhandenen freien Kohlenstoff zu binden und ihn daran zu hindern, in die Legierungsgrundmasse zu gelangen.

Beispiel 4

Primäres Carbid etwa 65 Vol.-3> Tantalcarbid Legierungsgrundmasse etwa 55 VoI-.-^.

Die zahlenmäßige Zusammensetzung der Legierungsgrundmasse war die folgende:

Prozent

Chrom . l8

Nickel 6

Kobalt 8

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Molybdän
Titan
Aluminium
Eisen

0,5
1,0

3
im wesentlichen als Rest

Dem Gemisch wurde TiHp in einer Menge zugesetzt, die ausreichte, um die Bindung des freien Kohlenstoffes sicherzustellen und diesen Kohlenstoff während des Sinterns in ein sekundäres Titancarbid umzuwandeln.

Beispiel 5

Primäres Carbid etwa 70 VoI,-% Vanadincarbid Legierungsgrundmasse etwa 30 Vol.-$.

Die zahlenmäßige Zusammensetzung der Legierun^sgrunomasse ist die folgende:

Gewichtsprozent

Chrom 19

Nickel 4

Kobalt 10

Molybdän 5

Titan 3,5

Eisen im wesentlichen als Rest.

Wie in dem vorangehenden Beispiel wurde dem Gemisch p zugesetzt, damit es den freien Kohlenstoff während des Sinterns binden und ihn in das sekundäre Carbid umwandeln und εο verhinern konnte, daß der freie Kohlenstoff in die Grundmasse gelangte.

Beispiel 6

Primäres Carbid etwa 60 Vol.-$ Titaucarbid

Legierungsgrundmasse etwa ¹IO Vol. -%.

Die zahlenmäßige Zusammensetzung der Le, J crungsgrunumasse war die folgende:

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15	5	Rest
6	5
	O
4,	O
2,
1,
im wesentlichen als

Prozent Chrom '
Nickel
Kobalt
Molybdän
Titan
Aluminium
Eisen

Die Menge an vorhandenem freien Kohlenstoff wird durch Zugabe von ZrHp kompensiert, das den Kohlenstoff unter Bildung eines sekundären Zirkoncarbids bindet.

Bei der Herstellung der vorerwähnten Stahlmassen hat sich die pulvermetallurgische Arbeitsmethode des Mi — schens der pulverförmigen Legierungsbestandteile und des Verdichtens des Gemisches unter Druck zu dem Formling der gewünschten Gestalt mit nachfolgendem Sintern in flüssiger Phase oder festem Zustand bei erhöhter Temperatur zur Erzielung der vollen Verdichtung als vorteilhaft für die erfindungsgemäßen Zwecke erwiesen. In breitem Sinne betrifft diese Methode das Vermischen der zweckentsprechenden Menge der stahlbildenden Bestandteile mit der zweckentsprechenden Menge des primären Carbids unter Mitverwendung einer geringen Wachsmenge von z.B. 1 g Wachs auf je 100 g des Gemisches, um dem entstandenen gepreßten Formling die genügende Naßfestigkeit zu verleihen. Dem Gemisch kann auf verschiedenen Wegen seine Form gegeben werden, lis ist empfehlenswert, das Gemisch bis zu einer Dichte, die wenigstens 50 % der wahren Dichte beträgt, unter Anwendung eines Preßdruckes von etwa 1,5 bis 11,6 t/cm , vorzugsweise von 2,3 bis 7,7 t/cm" (10 t.s.i. - 75 t.s.i., preferably I^ t.s.i. - 50 t.s.i.), zu verpressen und danach das Sintern in einem Vakuum von vorzugsweise unter 0,3 mm (300 Mikron) Quecksilbersäule bei einer Temperatur,

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die im allgemeinen über dem Schmelzpunkt der Stahlgrundmasse liegt und je nach Art der vorhandenen legierenden Bestandteile zwischen 1500⁰C und 1575°C liegt, folgen zu lassen, und zwar so lange, bis das primäre Carbid und die Grundmasse ihre Gleichgewichtseinstellung erreicht haben, um so eine im wesentlichen vollständige Verdichtung zu erzielen, wobei diese Zeit z.B. mehr als 6 Stunden betragen kann.

Ist das Sintern in flüssiger Phase beendet, so läßt man das Produkt unter Anwendung der Ofenkühlung auf Raumtemperatur abkühlen. Erforderlichenfalls wird das gesinterte Produkt so, wie es anfällt, einer mechanischen Reinigung und danach einem Lösungsglühen bei Temperaturen zwischen etwa 760⁰C und ll65°C unterworfen und dann an der Luft abgekühlt. Als besonders vorteilhaft hat sich der Temperaturbereich von 87I⁰C bis 1093°C erwiesen. Das Lösungsglühen kann bei einer Temperatur l/h Stunde oder länger, z.B. eine ganze Stunde, durchgeführt werden.

Zusammenfassend ist darauf hinzuweisen, daß durch die vorliegende Erfindung ein Carbid-Werkzeugstahl zur Verfügung gestellt wird, der aus etwa 30 bis 75 bzw. 35 bis 55 Volumenprozent primären Carbidkörnern, die in einer den Rest ausmachenden, kohlenstoffarmen, chromreichen, nickelhaltigen Stahlgrundmasse verteilt sind, besteht, wobei die Grundmasse beim langsamen Herunterkühlen von ihrer austenit-bildenden Temperatur durch ein Mikrogefüge gekennzeichnet ist, das in der Hauptsache aus Martensit in verhältnismäßig weichem Zustand besteht und wenigstens ein ausscheidungshärtbares Element aufweist. Die vorerwähnte Stahlzusammensetzung weist trotz des Vorhandenseins von beträchtlichen Mengen eines pri-

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mären Carbids insofern Vorteile auf, als sie nach dem Sintern einem Lösungsglühen unter Herunterkühlen an der Luft von einer hohen Temperatur (d.h. der austenitbildenden Temperatur) unterworfen werden kann, um ein Grundgefüge aus verhältnismäßig iveichem Martensit' zu bilden. In diesem Zustand kann ein aus einem Stahl dieser Zusammensetzung bestehender Gegenstand präzise in jede gewünschte Form, auch eine komplizierte Form, durch maschinelle Bearbeitung gebracht und danach bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen gehärtet werden, ohne daß ein Verziehen, eine Rißbildung oder Volumenänderungen in nennenswertem Maße eintreten. Andererseits erfordert ein Carbid-Werkzeugstahl, der ein durch Abschreckung härtbares Stahlgefüge aufweist, wegen der Volumenzunahme, des Verziehens usw. in der Regel eine Nachbearbeitung nach dem Härten. Sin weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Stahlmassen ist darin zu erblicken, daß die Entkohlung kein Problem darstellt, da die Grundmasse auf das Vorhandensein von Kohlenstoff nicht angewiesen ist, um die erforderliche Härtung durchführen zu können. So ist die übliche \^rorsichtsmaßnahme einer strengen Überwachung der Atmosphäre während der Hitzebehandlung nicht erforderlich.

Die vorliegende Erfindung liefert eine hitze- und korrosionsbeständige , hitze-behandelbare, chromreiche, nickelhaltige Carbid-Eisenlegierung, die in Form von Stangenmaterial mit rundem, vierkantigem und anderem Querschnitt, von Blöcken und Barren zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, Schlag- und Stauchmatrizen, Ziehsteinen, Walzen, Strangpreßnatrizen, Schmiedematrizen, Gesenkschmiedeformen, Reibahlen und ganz allgemein von verschleißfesten,

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korrosionsbeständigen und bzw. oder hitzebestänctigen Elementen, Werkzeugen oder Maschinenteilen aller Art verwendet v/erden kann.

Wenn auch die vorliegende Erfindung vornehmlicn in ihren bevorzugten Ausführungsformen veranschaulicht wurde, so versteht es sich doch van selbst, daß dem Fachmann Modifikationen und Variationen geläufig sind, die er vornehmen kann, ohne vom eigentlichen erfinderischen Prinzip abzuweichen. Derartige Modifikationen und Variationen fallen selbstverständlich unter den Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er aus den nachfolgenden Ansprüchen zu entnehmen ist.

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Claims (1)

1. - ²¹ - 20BH85

   Patentansprüche

   Pulvermetallurgisch gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige, chromreiche, Nickel und ein schwer schmelzbares Carbid enthaltende Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus primären Körnern von Titancarbid, Niobcarbid, Vanadincarbid oder Tantalcarbid besteht, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Legierungsgrundrnasse dispergiert sind, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt -

   etwa 12 bis 20 % Chrom,

   etwa K bis 10 % Nickel,

   etwa 3 bis 10 # Kobalt,

   bis zu etwa 5 % Molybdän,

   etwa 0,5 bis 5 % Titan,

   bis zu etwa 5 fj Aluminium,

   nicht mehr als 0,2 $ Kohlenstoff und als Rest wenigstens. 50 °/o Eisen

   enthält mit der Maßgabe, daß der Chrom- und Nickel-Gehalt so eingestellt sind, daß der Ausdruck

   einen Wert von etwa 15 % nicht überschreitet, wobei das Grundgefüge in lösungsgeglühtem Zustand ein Mikrogefüge aus weichem Martensit aufweist.

   2. Gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierunggemäß Anspruch Ij dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des schwer schmelzbaren Carbids etwa 30 bis 75 Volumenprozent beträgt und eier Rest im wesentlichen aus der genannten Legierungsgrundmasse besteht.

   3· Gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die

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   Menge des schwer schmelzbaren Caroicis etwa yj> bis 55 "Volumenprozent beträgt und die im wesentlichen den Rest ausmachende Legierungsgrundmasse - in Gewichtsprozent ausgedrückt - hauptsächlich aus etwa 12 bis 18 % Chrom,

   etwa 4 bis 9 % Nickel,

   etwa J5 bis 8 % Kobalt,

   bis zu etwa 5 % Titan,

   bis zu etwa 5 fo Aluminium, bis zu et v/a 0,1 % Kohlenstoff und als Rest aus

   v/enigstens 65 % Eisen
   besteht.

   4. Gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid aus Titancarbid besteht.

   5. Gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid aus Nioöcarbid besteht.

   6. Gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid aus Vanadincarbid besteht.

   7. Gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid aus Tantalcarbid besteht.

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   Gehärtete, durch pulvermetallurgisches Sintern gewonnene, hitze- und korrosionsbeständige, chromreiche, Nickel und ein schwer schmelzbares Carbid enthaltende Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus primären Körnern von Titancarbid, Niobcarbid, Vanadinearbid oder Tantalcarbid besteht, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Legierungsgrundmasse dispergiert sind, welche - in Gewichtsprozent ausgedrückt -

   etwa 12 bis :-:0' f. Chrom,

   etv/a 4 Dis 10 ?> Nickel,

   etwa j5 bis 10 < Kobalt,

   bis zu etwa 5 'P Molybdän,

   etwa 0,5 bis 5 f> Titan,

   bis zu ecwa 5 ',' Aluminium,, nicht mehr als et v/a 0,2 % Kohlenstoff und als Rest wenigstens 50 $ Eisen

   en ehält mit der Maßgabe, ''aß der Chrom- und Nickelgehalt so eingestellt sind, daß der Ausdruck

   + 1> Ni

   einen Wert von etvra 15 Γ-' nicht überseeigt, wobei die Grundmasse ein Mikrogefüge aus ausscheiaungsgehärtetein Martensir auf v/ei st.

   \}. Gehärtete, pssinterte, hi χ ze- und korrosionsbeständige Legierung gernäß Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des schwer schmelzbaren Carbids etwa 30 bis 75 Volumenprozent ausmacht und der Rest aus der genannten 'gehärtete:-! Legierungsgrundmasse besteht.

   10. Gehärtete, gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid etwa 35 bis 55 Volumen-

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   8AD ORfGiNAL

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   Prozent ausmacht, und die Legierungsgrundmasse, die im wesentlichen den Rest ausmacht - in Gewichtsprozent ausgedrückt - hauptsächlich aus etwa 12 bis l8 % Chrom,

   et via ^]\ bis 9 % Nickel,

   etwa 3 bis 8 $ Kobalt,

   bis zu etwa 5 % Molybdän,

   etwa 0,5 bis 5 % Titan,

   bis zu etwa 5 % Aluminium, bis zu etwa 0,1 % Kohlenstoff und als Rest aus

   wenigstens 65 $ Eisen
   besteht.

   11. Gehärtete, gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid aus Titancarbid besteht.

   YcL. Gehärtete, gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch '), dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid aus Niobcarbici besteht.

   13· Gehärtete, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid aus V-nnad in carbid besteht.

   I^. Gehärtete, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch Q, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzoare Carbid aus Tantalcaroid besteht.

   15. Gehärtete, gesinterte, hitze- uno korrosionsbeständige Erzeugnisse, wie Werkzeugelemerite oder Maschinenteile, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer solchen chrom-

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   reichen, nickelhaltigen Legierung mit einem Gehalt an einem schwer schmelzbaren Carbid geformt worden sind, die im wesentlicheil a.us primären Körnern von TitancarDid, Niobcarbid, Vanadincarbid oder Tantalcarbid besteht, die in einer im wesentlichen den Rest ausmachenden Legierungsgrundrnasse dispergiert sind, die - in Gewichtsprozent ausgedrückt etv;a 12 bis 20 % Chrom,

   etwa 4 bis 10 % Nickel,

   etwa J bis 10 % Kobalt,

   ois zu etwa 5 λ> Molybdän, etwa 0,5 bis 5 λ· Titan,

   bis zu et via 5 f-> Aluminium, nicht mehr als etwa 0,2 % Kohlenstoff und als Rest wenigstens 50 ^l/> Eisen

   enthält mit der Maßgabe, daß der Chrom- und Nickelgehalt so eingestellt sind, daß der Ausdruck

   % Cr .

   % Ni

   einen Viert von etwa 15 % nicht überschreitet, wobei die Grundmasse die Mikrostruktur von ausscheidungsgehärtetern Martensit aufweist und die Rohhärte (gross hardness) der Legierung mit dem Gehalt an dem schwer schmelzbaren Carbid wenigstens etwa 55 Rockwell C beträgt.

   l6. Gehärtete, gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Erzeugnisse gemäß Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gehalt an dem schwer schmelzbaren Carbid etwa 36 bis 75 Volumenprozent beträgt und der Rest im wesentlichen aus der gehärteten Legierungsgrundmasse besteht.

   BAD 209818/0499

   -6- 206U85

   ' ΐγ. Gehärtete, gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Erzeugnisse gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gehalt an dem schwer schmelzbaren Carbid etwa 35 bis 55 Volumenprozent beträgt und die im wesentlichen den Rest ausmachende Legierungsgrundmasse - in Gewichtsprozent ausgedrückt - aus

   etwa 12 bis l8 ⁽/> Chrom,

   etwa 4 bis 9 ?> Nickel,

   etwa J bis 9 % Kobalt,

   bis zu etwa 5 °A Molybdän,

   etwa 0,5 bis 5 % Titan,

   b ,-y

   bis zu etwa 5 % Aluminium,

   bis zu et v/a 0,1 $ Kohlenstoff und als Rest aus wenigstens 65 $ Eisen
   besteht.

   18. Gehärtete, gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Erzeugnisse gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid aus Titancaroid besteht.

   19. Gehärtete, gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Erzeugnisse gemäß Anspruch Ιό, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid aus Niobcarbid besteht.-

   20. Gehärtete, gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Erzeugnisse gemäß Anspruch Ιό, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid aus Vanadincarbid besteht.

   BAD

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   21. Gehärtete, gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Erzeugnisse gemäß Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß das schwer schmelzbare Carbid aus Tantalcarbid besteht.

   22. Gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Gehalt an dem schwer schmelzbaren Carbid etwa 40 bis 55 Volumenprozent beträgt und die im wesentlichen den Rest ausmachende Legierungsgrundmasse - in Gewichtsprozent ausgedrückt - aus etwa 12 bis l6 ?~ Chrom, etwa 4 bis 8 f' Nickel, et v/a 3 bis 6 ?' Kobalt, etwa 2 bis 6 $ Molybdän, etwa 1 bis j5 f Titan, bis zu etv/a 2 <?j Aluminium und als Rest im wesentlichen aus

   Eisen
   besteht.

   2J>. Gehärtete, gesinterte, hitze- und korrosionsbeständige Legierung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an dem schwer schmelzbaren Carbid etwa 40 bis 55 Volumenprozent beträgt und die im wesentlichen den Rest ausmachende Legierungsgrundmasse - in Gewichtsprozent ausgedrückt - aus etwa 12 bis 16 % Chrom^ etwa 4 bis 8 # Nickel, etwa 3 bis 6 % Kobalt, et v/a 2 bis 6 % Molybdän, etwa 1 bis 3 f? Titan,

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   bis zu 2 '*;■ Aluminium und als ]ii--::.;t i:i; wesent lichen a^:ir>

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   BAD ORIGINAL

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