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Wärmebehandlungsfähige stahlartige Legierung und
Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft stahlartige Legierungen und insbesondere spanabhebend bearbeitbare titankarbidhaltige Legierungen, die bis zu hohen Härtegraden wärmebehandelt werden können.
In der brit. Patentschrift Nr. 778,268 ist ein Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt auf Titankarbid- Basis beschrieben, bei dem die Menge des verwendeten Titankarbids innerhalb eines Bereiches von 20 bis 90 Vol. -0/0 in Form eines primären Karbids liegt. Das Titankarbid ist gleichmässig innerhalb einer wärmebehandlungsfähigen stahlartigen Grundmasse verteilt, die entweder aus Kohlenstoffstahl oder mittel-oder hochlegiertem Stahl besteht.
Wie in der erwähnten Patentschrift ausgeführt, wird die Legierung erhalten durch gemeinsame Anwendung von Titan und Kohlenstoff in" gebundener Form als Titankarbid und einer Stahl-Grundmasse, die mit diesem Karbid die gewünschte Legierung ergibt. Der zur Bildung der Grundmasse verwendete Stahl enthält Eisen als Haupt-Legierungselement, das in der Regel wenigstens 60Gew. -0/0 der Stahl-Grundmasse ausmacht. Die Menge des Titans kann sich auf 10-70 Gew. -0/0 (20-90 VoL-% litankarbid) belaufen und vorzugsweise zwischen 20-58 Gew.-% Titan (40-80 Vol.-% Titankarbid) liegen, während der Rest im wesentlichen aus der Stahl-Grundmasse besteht.
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stellung der gewünschten Legierung wird die Pulvermetallurgie angewendet.
Legierungen auf Basis fester Lösungen von Karbiden in Titankarbid, z. B. WC in TiC, sind für manche Anwendungen in der Werkzeugindustrie erwünscht, besonders wenn Legierungen mit einer Grundmasse aus hochlegiertem Stahl zur Herstellung von Legierungen angl wendet werden, die eine verbesserte Anlassbeständigkeit, verbesserte Hochtemperatur-Eigenschaften, verbesserte Warmhärte und geregelte Korngrösse des primären Karbids aufweisen. Bei der Bearbeitung solcher komplexen Legierungs-Systeme wurden jedoch nunmehr gewisse Anomalien festgestellt. So wird z.
B. bei der Herstellung eines wärmebehandlungsfähigen Stahles, der im wesentlichen aus Titankarbid bestehende primäre Karbidkörner enthält, u. zw. beim Zusatz von Wolfram und Kohlenstoff zur Grundmasse, der zwecks Verbesserung gewisser Eigenschaften der die primären Karbidkörner umgebenden Grundmasse, wie die erhöhte Anlassbeständigkeit, erfolgt, die erwartete Verbesserung nicht immer erreicht. Einerseits scheint die Grundmasse durch die legierenden Zusätze von Elementen, wie Wolfram, nicht zur vollen Ausnutzung der Vorteile zu bringen zu sein, anderseits neigt die Phase des primären Titankarbids dazu, auf Kosten des der Grundmasse zugesetzten Wolframs zu wachsen, wodurch die Grundmasse die volle Ausnutzung der Vorteile des zugesetzten Wolframs gleichfalls nicht zulässt.
Erfindungsgemäss wurde festgestellt, dass in den Fällen, wo im wesentlichen das gesamte primäre Karbid aus Titankarbid bestand oder aus einer ungesättigten festen Titankarbid-Lösung, z. B. eines in fester Lösung vorliegenden Karbids, das 75 Gel.-% Titankarbid und 25 Gew.-% Wolframkarbid enthielt, ein grosser Teil des zur Verbesserung der Grundmasse zugesetzten Wolframs und Kohlenstoffs vom primären Karbid auf Kosten der Grundmasse absorbiert wird, u. zw. in einem Ausmass, das je nach Zusammensetzung des primären Karbids verschieden zu sein scheint.
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Im Rahmen der Erfindung soll unter dem Ausdruck "primäres Karbid" dasjenige Karbid verstanden werden, das durch die in der Stahlbehandlung üblichen normalen Wärmebehandlungen unangegriffen bleibt. Unter der Bezeichnung"sekundares Karbid"ist hingegen jenes Karbid zu verstehen, das während einer normalen Wärmebehandlung von Werkzeugstahl bei zur Austenitbildung ausreichender Temperatur im wesentlichen aufgelöst wird.
Wie erfindungsgemäss festgestellt wurde, sind die eben erwähnten Schwierigkeiten dann beseitigt, wenn bei wärmebehandlungsfähigen stahlartigen Legierungen, die aus einem in. einer Stahl-Grundmasse eingebetteten primären Karbid des Systems Titankarbid in fester Lösung mit einem Karbid der Wolfram- gruppe, nämlich Wolfram-, Chrom- oder Molybdänkarbid, bestehen, das primäre Karbid aus an dem
Karbid der Wolframgruppe gesättigten Mischkristallen einer gesättigten festen Lösung des Karbids in Ti- tankarbid besteht, die mit der Stahl-Grundmasse bei erhöhten Sintertemperaturen im Gleichgewicht steht und bei der daher im weichgeglühten Zustand noch Karbide der Wolframgruppe enthaltende Sekundär- karbide in der Grundmasse dispergiert sind.
Vorzugsweise ist das primäre Karbid der Wolframgruppe
Wolframkarbid und liegen die Sintertemperaturen, bei denen im weichgeglühten Zustand noch WC-hal- tige Sekundärkarbide in der Grundmasse dispergiert sind, zwischen ungefähr 1200 und 1600 C.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung derartiger stahlartiger Legierungen, das darin besteht, dass man, wie an sich bekannt, das in Pulverform vorliegende primäre Karbid, welches aus einer festen Lösung von Titankarbid in einem Karbid der Wolframgruppe besteht, mit stahlbildenden. vorwiegend Eisen enthaltenden Bestandteilen mischt, wobei die Menge des Karbids der Wolframgruppe we- nigstens 701o der Sättigung der festen Lösung beträgt, und die stahlbildenden Bestandteile solcher Mengen eines Metalls der Wolframgruppe und Kohlenstoff enthalten, die zumindest ausreichen, um die Karbidlö- sung zu sättigen und in der Grundmasse ein sekundäres Karbid zu bilden, das Gemisch zu einem Form- stück formt und dieses einem Sintern bei erhöhter Temperatur mit flüssiger Phase unterwirft.
Diese und andere Gegenstände sind aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeich- nungen ersichtlich, wobei Fig. 1 die Beziehungen zwischen Wolframkarbid und Titankarbid hinsichtlich der festen Lösung erläutert ; Fig. 2 das Schliffbild einer wärmebehandlungsfähigen Legierung gemäss der
Erfindung in tausendfacher Vergrösserung wiedergibt, die aus einer im wesentlichen gesättigten festen Lö- sung der primären Karbidkörner des WC-TiC in einer Grundmasse aus einem legierten Stahl besteht, wel- che ein in Sphäroidform vorliegendes sekundäres Karbid hierin dispergiert enthält ; und Fig. 3 ein Schliff- bild wie in Fig. 2 wiedergibt mit der Abweichung, dass die Grundmasse aus Martensit besteht.
Aus Fig. 1, die ein Gleichgewichtsdiagramm der festen Lösung zwischen TIC und WC wiedergibt, ist erkennbar, dass bei 12000C Wolframkarbid in feste Lösung mit Titankarbid bis zu einem Gleichgewichtswert geht, der, wie gemäss Kurve"A"bestimmt werden kann, bei etwa 70 Gew.-% liegt. Bei
2000 C zeigt die Kurve"A"an, dass die feste Lösung bei etwa 80% Wolframkarbid gesättigt ist. Zwischen 1200-16000C ist die Sättigung fast konstant bei etwa 70ado Wolframkarbid, so dass bei 50% Sättigung in diesem Temperaturbereich die feste Lösung etwa 35% Wolframkarbid enthalten würde.
Wenn die vorstehend erwähnte feste Lösung des primären Karbids, die 35% Wolframkarbid enthält, als Ausgangsmaterial bei der Bildung, einer Stahllegierung verwendet werden würde, in welcher die Ausgangs-Grundmasse ein Schnelldrehstahl 18-4-1 ist, so könnte eine vollkommene Ausnutzung des Vorteils der Zusammensetzung des Stahls vom Typ 18-4-1 im Hinblick auf die Anwesenheit des in ungesättigter fester Lösung vorliegenden Karbides nicht erfolgen, welches wegen seiner verhältnismässig hohen freien Bildungsenergie selektiv Wolframkarbid aus der Grundmasse aufnehmen würde, bis das primäre Karbid im wesentlichen an Wolf- ramkarbid gesättigt ist, vorausgesetzt, dass genug hievon vorhanden ist, um es zu sättigen.
Auf diese Weise würde das ursprüngliche primäre Karbid auf Kosten des in der Grundmasse vorhandenen Wolframs und Kohlenstoffs wachsen und so die Grundmasse an dem gewünschten Wolframgehalt verarmen. Unter solchen Bedingungen könnte das primäre Karbid bis zu unerwünschten Korngrössen wachsen und die physikalischen Eigenschaften der entstehenden Legierung nachteilig beeinflussen.
Um die eben erwähnten Schwierigkeiten zu beseitigen, wird empfohlen, eine an TiC-WC zu mindestens 70% gesättigte feste Lösung zu verwenden und vorzugsweise eine feste Lösung von TiC-WC, die so weit wie möglich an WC gesättigt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Gleichgewichtskurve"A"in Fig. 1 sich je nach der Zusammensetzung der Stahl-Grundmasse, die mit den Kristallen des in fester Lösung vorliegenden primären Karbids in Kontakt steht, leicht verschieben kann. Auf alle Fälle können die gewünschten Ergebnisse jedoch, wie gefunden wurde, erhalten werden, wenn von einem in fester Lösung vorliegenden primären Karbid des TiC ausgegangen wird, das mit Bezug auf das Metallkarbid der Wolframgruppe zu wenigstens 70% gesättigt ist.
Zur Erläuterung der Arbeitsweise, die den Gegenstand der Erfindung bildet, sei das folgende Beispiel angeführt :
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Eine Legierung, die sich für Warm-Stauchgesenke eignet, weist die folgende Zusammensetzung auf :
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<tb>
<tb> 35 <SEP> Gew. <SEP> -0/0 <SEP> WC <SEP> eine <SEP> im <SEP> wesentlichen <SEP> gesättigte
<tb> 15 <SEP> Grew.-% <SEP> TiC <SEP> feste <SEP> Lösung <SEP> von <SEP> TiC-WC
<tb> 9 <SEP> Gew. <SEP> -0/0 <SEP> W <SEP>
<tb> 2, <SEP> in <SEP> der <SEP> Grundmasse
<tb> 0, <SEP> 4 <SEP> Gew.-% <SEP> C
<tb> 38, <SEP> 1 <SEP> Gew.
<SEP> -0/0 <SEP> Fe
<tb> 100, <SEP> 0 <SEP> Gew.-'% <SEP>
<tb>
Zur Herstellung dieser Legierung werden 100 g einer im wesentlichen gesättigten festen Lösung von TtC-WC (30% TiC, 70% WC) von einer durchschnittlichen Korngrösse von 3 Mikron mit 1000 g der stahl- bildenden Bestandteile, die 181o Wolfram, 5% Chrom, 0, 8% Kohlenstoff, Rest Carbonyleisen von einer durchschnittlichen Teilchengrösse von 20 Mikron enthalten, durch Vermahlen in einer Stahlmühle ver- mischt. Die gepulverten Bestandteile enthalten 1 g Paraffinwachs je 100 g Gemisch. Das Vermahlen wird
40 h lang durchgeführt, wobei die Mühle zur Hälfte mit Kugeln aus rostfreiem Stahl gefüllt ist ; als Trä- gerflüssigkeit wird Hexan benutzt. Nach Beendigung des Mahlens wird das Material herausgenommen und im Vakuum getrocknet.
Das gemischte Produkt wird dann zu einem Rohling von 12, 7 cm Länge, 3, 81 cm
Breite und 1, 27 cm Höhe verpresst. Der Rohling wird dann bei einer Temperatur von 14500C 1/2 h lang unter einem Vakuum von 20 oder weniger Mikron Quecksilbersäule der Sinterung mit flüssiger Phase un- terworfen. Nach Beendigung des Sinterns wird der Rohling gekühlt und dann vergütet durch zweistündiges
Erhitzen auf 9130C und anschliessendes Kühlen bis auf 7040C mit einer Geschwindigkeit von 250/h und schliesslich durch Ofenkühlung bis auf Zimmertemperatur, um ein Mikrogefüge zu erzeugen, das aus dem in fester Lösung vorliegenden primären TiC-WC besteht, das gleichmässig innerhalb einer Stahl-Grundmasse verteilt ist, die durch eine Dispersion von sekundärem Karbid in Form von Sphärliten gekennzeichnet ist (vgl. Fig. 2).
Der vergütete Rohling wird dann durch spanabhebende Bearbeitung in die gewünsch- te Form übergeführt und bei einer Temperatur von etwa 12600C durch Austenit-Bildung während einer
Zeit, z. B. 15 min, die ausreicht, um die Grundmasse in Austenit überzuführen und die sekundären Karbide zu lösen, gehärtet. Der Rohling wird dann in Öl abgeschreckt und weist danach eine Härte von 72 Rockwell auf.
Die in der beschriebenen Weise hergestellte stahlartige Legierung ist durch ein Mikrogefi1ge charakterisiert, das zu annähernd 50 Gew.-% aus der gesättigten festen Lösung des TiC-WC als primäres Karbid besteht, das gleichmässig innerhalb einer aus Martensit bestehenden Stahl-Grundmasse verteilt ist (vgl.
Fig. 3).
Soll die feste Lösung des TiC-WC zu 80% mit Wolframkarbid gesättigt sein, so muss die Menge an Wolfram und Kohlenstoff, die der Grundmasse zugesetzt wird, so gross sein, dass die Lösung des primären Karbids gesättigt wird und ausserdem eine genügende Menge für die Grundmasse zurückbleibt. Wird z.
B. eine Legierung gewünscht, die 50 Gew.-% des in fester Lösung vorliegenden primären Karbids TiC-WC, Rest Grundmasse aus Stahl, enthält, und ist die feste Lösung des Karbids, von der ausgegangen wird, zu 801o gesättigt, so kann die Sättigung von 80%, wie im folgenden näher erläutert wird, durch Bestimmung der Menge Wolfram, die in die Grundmasse geht, um eine Stahl-Grundmasse mit einem Wolframgehalt von 18% und einem Chromgehalt von etwa 5% zu bilden, in Ansatz gebracht werden.
Das primäre Karbid besteht gemäss Fig. 1 (unter der Voraussetzung, dass die Kurve"A"sich nicht wesentlich verschiebt) bei einer Sättigung von 8calo aus 44% Titankarbid und 56% Wolframkarbid (70% Wolframkarbid entspricht der Sättigung).
Nimmt man an, dass 2000 g der fertigen Legierung hergestellt werden sollen, so belaufen sich die Mengen an Bestandteilen, die zur Erzeugung einer Stahl-Grundmasse, die 181o Wolfram und zwischen 4 und 5% Chrom und ein gesättigtes primäres Karbid hierin verteilt enthält, auf folgende Werte :
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<tb>
<tb> zu <SEP> 80% <SEP> gesättigtes <SEP> TiC-WC <SEP> 682 <SEP> g
<tb> stahlbildende <SEP> Bestandteile <SEP> 1318 <SEP> g <SEP>
<tb> insgesamt <SEP> 2000 <SEP> g
<tb>
Die stahlbildenden Bestandteile enthalten :
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<tb>
<tb> A) <SEP> 318 <SEP> g <SEP> W <SEP> und <SEP> C <SEP> zur <SEP> Bildung <SEP> von <SEP> WC <SEP> 298, <SEP> 5 <SEP> g <SEP> W
<tb> 19, <SEP> 5 <SEP> g <SEP> C <SEP>
<tb> insgesamt <SEP> 318,0 <SEP> g
<tb> B) <SEP> 1000 <SEP> g <SEP> stahlbildende <SEP> Bestandteile <SEP> 180 <SEP> g <SEP> W <SEP>
<tb> 8, <SEP> 0 <SEP> g <SEP> C
<tb> 50, <SEP> 0 <SEP> g <SEP> Cr <SEP>
<tb> 762, <SEP> 0 <SEP> g <SEP> Fe <SEP>
<tb> insgesamt <SEP> 1000, <SEP> 0 <SEP> g
<tb>
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0, 80% Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Eisen ;
und ganz allgemein kommen andere Stahlsorten In Frage, welche kristallographisch bei gewöhnlicher Temperatur durch ein raumzentriertes kubisches Gitter charakterisiert sind und die bei erhöhter Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Stahls in ein flächenzentriertes kubisches Gitter umgewandelt werden können.
Gemäss der Erfindung wird eine stahlartige Legierung mit hohem Kohlenstoffgehalt erhalten, welche in Form von Stangenmaterial mit rundem, vierkantigem und anderem Querschnitt sowie in Form von Blöcken, Barren u. dgl. zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, Schlag- und Stauch-Matrizen, Ziehsteinen, Walzen, Press- und Strangpress-Matrizen, Schmiede-Matrizen, Gesenkschmiedeformen und im allgemeinen von verschleissfesten und bzw. oder wärmebeständigen Elementen, Werkzeugen oder Maschinenteilen dienen können.
Im allgemeinen weist die Legierung gemäss der Erfindung nach der Wärmebehandlung ein Mikrogefuge auf, das aus einem Zersetzungsprodukt des Austenits, nämlich Perlit, Bainit oder Martensit, besteht,
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich für den F chmann von selbst, dass Abänderungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne dass vom Geist und Umfang der Erfindung abgewichen wird. Solche Abweichungen und Variationen fallen unter den Umfang der Erfindung und der nachfolgenden AnsprUche.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmebehandlungsfähige stahlartige Legierung, bestehend aus einem in einer Stahl-Grundmasse eingebetteten primären Karbid des Systems Titankarbid in fester Lösung mit einem Karbid der Wolframgruppe, nämlich Wolfram-, Chrom- oder Molybdänkarbid, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Karbid aus an dem Karbid der Wolframgruppe gesättigten Mischkristallen einer gesättigten festen Lösung des Karbids in Titankarbid besteht, die mit der Stahl-Grundmasse bei erhöhten Sintertemperaturen im Gleichgewicht steht und bei der daher im weichgeglühten Zustand noch Karbide der Wolframgruppe
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