AT392085B - Schnellarbeitsstahl sowie verfahren zur herstellung und giessen desselben - Google Patents

Description

AT 392 085 B

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schnellarbeitsstahl sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schnellarbeitsstahles als auch auf ein Verfahren zum Gießen desselben.

Ein Schnellarbeitsstahl weist eine gehärtete Grundmatrix auf, in welcher harte Karbide eingebettet sind. Weiters soll der Martensit bis ca. 600° beständig sein, wobei auch eine hohe Warmhärte erforderlich ist. Die harten Karbide sollen eine bestimmte Maximalgröße nicht überschreiten, da diese sonst Kerbstellen bilden, die die Zähigkeit des Schnellarbeitsstahles negativ beeinflussen. Diese Maximalgröße liegt für gehärtete und angelassene Schnellarbeitsstähle bei 10 bis 15 |tm.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin einen Schnellarbeitsstahl zu schaffen, der eine relativ hohe Verschleißfestigkeit und Zähigkeit, also mechanische Beständigkeit, bei seinem Einsatz aufweist, wobei diese Zähigkeit u. a. durch eine Maximalgröße der Karbide erreicht werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine höhere Temperaturbeständigkeit des Schnellarbeitsstahles zu erreichen, wobei sich diese beispielsweise durch bestimmte Härte· und Anlaßtemperaturen mitdefinieren läßt. Es ist bekannt, daß Niobkarbide Karbide sind, die eine hohe Härte und Temperaturbeständigkeit aufweisen, jedoch ist es bislang nicht gelungen, bei höheren Anteilen an Niob das Niobkarbid reproduzierbar in einer Korngröße, beispielsweise im Größenbereich von 10 (im oder geringfügig größer zu halten. Der erfindungsgemäße Schnellarbeitsstahl zum Gießen von Blöcken, Werkzeugen oder dgl. besteht mit in Gew.-% 1,0 bis 6,0 Chrom 0 bis 2,0 Nickel 1.0 bis 20,0 Wolfram 2,0 bis 10,0 Molybdän 0,5 bis 1,5 Vanadium 0,001 bis 0,15 Aluminium 3,0 bis 10,0 insbesondere 5,0 bis 6,5 Niob 1,0 bis 3,2 Kohlenstoff

Rest Eisen und insbesondere herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei Niob im wesentlichen zur Gänze als Primärkarbid, insbesondere monomodal, als NbC vorliegt. Bevorzugt liegt das Niobkarbid in einer Korngröße von 10 ± 2 μιη vor. Eine derartige Legierung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der Aluminiumgehalt zwischen 0,001 und 0,008 Gew.-% vorliegt. Es wurde durchaus überraschend gefunden, daß Aluminium, wenn es in zu großer Konzentration vorliegt, zu einer groben Ausbildung der NbC-Karbide führt. Diese Erkenntnis ist besonders überraschend, da üblicherweise bei der Kornfeinung angestrebt wird, möglichst viele Keime in der Legierung vorliegen zu haben, möglichst große Anzahl von Kristallen in Gesamtheit vorliegende Legierungselement auf eine hohe Anzahl von Keimen verteilt wird, wodurch kleine Kristalle entstehen. Es wurde nun überaus überraschend gefunden, daß dieser Vorgang in dieser Form für Niobkarbid nicht zutrifft. Niobkarbid weist einen Soliduspunkt auf, der oberhalb der Legierungsrestschmelze liegt, sodaß Niobkarbid in Stahlschmelzen mit mehr als 1 % Nb als erstes aus der Schmelze ausfällt. Bei einem üblichen Gehalt an Aluminium fällt vor dem NbC sekundäres Aluminiumoxyd aus, wobei an diesen sekundären Aluminiumoxydpartikelchen Niobkarbid zur Abscheidung gelangt Durch diesen Abscheidungsvorgang kann keine Unterkühlung der Schmelze, bezogen auf die NbC-Ausscheidung, erreicht werden. Liegt der Aluminiumgehalt jedoch in den angegebenen Grenzen, so dienen tertiäre Aluminiumoxyde, die erst wesentlich später und hier in einer wesentlich höheren Anzahl pro Volumseinheit ausgeschieden werden, als Keime für das Niobkarbid, womit eine Vielzahl von NbC-Kristallen gleichzeitig gebildet werden.

Der Aluminiumgehalt der Legierung kann bis zu 0,15 Gew.-% betragen, wenn gleichzeitig die Legierung 1,0 bis 2,0 Gew.-% Silizium und/oder 0,3 bis 1 Gew.-% Mangan und/oder 0,2 bis 2,0 Gew.-% Nickel- und/oder 0,2 bis 1 Gew.-% Kobalt aufweist. Obwohl keine gesicherte Erklärung für dieses Phänomen vorliegt, wird angenommen, daß durch die Anwesenheit dieser Legierungselemente das bei hoher Temperatur sich ausscheidende Aluminiumoxyd so weit verändert wird, daß die Gitterstruktur dieser Kristallisationskeime nicht mehr geeignet ist, das Ausscheiden von Niobkarbid zu fördern.

Weist die Legierung zusätzlich 0,1 bis 0,4 Gew.-% Kalzium auf, so kann der Aluminiumgehalt besonders gering gehalten werden, wodurch auf besonders einfache Weise die erfindungsgemäße Legierung erhalten werden kann.

Weist die Legierung einen Gehalt von 1,5 bis 2,5 Gew.-% Wolfram 2,5 bis 3,5 Gew.-% Molybdän 1,0 bis 1,5 Gew.-% Vanadium auf, so liegt ein besonders geringer Gehalt an Wolfram, Molybdän und Vanadium vor, wodurch eine geringere -2-

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Menge an Restschmelzeneutektikum bedingt ist. Die Karbide dieses Eutektikums werden bei der Wärmebehandlung in der Matrix gelöst. Sie können daher auch bei sehr hohen Härtetemperaturen nicht zu Anschmelzungen im Gefüge führen, was die Anwendung extrem hoher Härtetemperaturen ermöglicht Das Gefüge besteht daher im Einsatzzustand nur aus der martensitischen Matrix und dem darin eingebetteten 5 Niobkarbid, wodurch eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit des Schnellarbeitsstahles gewährleistet ist

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Schnellarbeitsstahles mit hoher Zähigkeit, Verschleiß-und Temperaturbeständigkeit wobei eine Schnellarbeitsstahllegierung in herkömmlicher Weise erschmolzen wird und anschließend desoxydiert wird, besteht darin, daß die Stahlschmelze mit Kalzium und/oder Silizium als Reinmetall oder .Legierung .bei 1500 bis .1650 °C. desoxydiert wird. Durch .diese Vorgangs weise wird 10 sichergestellt, daß ein niedriger Aluminiumgehalt in der Legierung eingehalten werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Blockes, Werkzeuges oder dgl., wobei die metallische Schmelze vor dem Gießen überhitzt wird, besteht darin, daß die Schmelze von 1SS0 bis 1820 °C bis zur vollständigen Auflösung des Niobkarbides erhitzt wird, worauf die Schmelze vergossen und vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von zumindest 10K/Sek., insbesondere zumindest 10* K/Sek. abgekühlt wird. Durch 15 diese Vorgangsweise wird «reicht daß - und dies war durchaus überraschend, daß die Niobkarbidkristalle derartig temperaturbeständig sind - eine vollständige Auflösung der Niobkarbidkristalle gewährleistet ist sodaß bei dem anschließenden Gießvorgang und bei der Abkühlung des Gußstückes, das Niob nicht an einzelnen bereits vorliegenden Niobkristallen zur Ausscheidung gelangt, sondern daß eine größere Unterkühlung und damit anschließende Ausscheidung in einer größeren Anzahl von Kristallen erreicht werden kann. Unterstützend hiezu 20 ist eine Mindestabkühlgeschwindigkeit, wodurch ebenfalls ein feinkörniges Gefüge, insbesondere des Niobkarbides, erreicht wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Befiele näher erläutert Beispiel 1: 25 Es wurde eine Legierung folgender Zusammensetzung in Gew.-% c Si Mn Ni w Mo V Nb Cr Al 2,23 0,4 0,3 <0,1 2,1 3,2 1,0 6,6 4,3 0,46 30 erschmolzen, wobei die Schmelze bei 1600 °C mit metallischem Aluminium desoxydiert wurde. Diese Schmelze wurde sodann erstarren gelassen. Dem so erhaltenen Block wurde eine Probe in der Größe 100 x 20 x 20 mm entnommen. Diese Probe wurde sodann auf 1200 °C erhitzt und sodann im Salzbad dreimal auf 550 °C angelassen. Von der so erhaltenen Probe wurde ein Schliff angefertigt, wobei unter einem automatischen 35 Bildanalysegerät folgende Komverteilung von Niobkarbid bestimmt werden konnte. Korngröße I = 40 μπι. Hier liegt ein Niobkarbid vor, das sich bereits an einem sekundären Aluminiumoxyd gebildet hat ohne Möglichkeit der Schmelzenunterkühlung. Korngröße Π -13 μπι. Dieses Niobkarbid hat sich während des Erstarrens der Schmelze gebildet. Aus der Probe wurde ein Seitenschlichtmeißel geformt, das Werkzeug wurde bei unterschiedlichen Temperaturen zum Einsatz gebracht, wobei noch eine volle Schneidleistung bei 550 °C gegeben war. 40

Beispiel 2:

Es wurde eine Legierung folgender Zusammensetzung in Gew.-% C Si Mn Ni W Mo V Nb Cr Al 1,17 0,5 0,6 0,3 2,9 4,6 1,0 3,1 3,9 0,12 erschmolzen, wobei die Schmelze bei 1600 °C mit Al desoxydiert und nach 5 Minuten Haltezeit abgegossen wurde. Die Kühlrate bei der Erstarrung betrug 101 K/s. Dem Gußblock wurde eine Probe von 100 x 20 x 20 mm 50 entnommen. Mit Hilfe eines automatischen Bildanalysegerätes wurde die Größe der NbC im Gußzustand und nach dem Härten bei 1200 °C und dreimal Anlassen bei 550 °C bestimmt. Die Probe weist sowohl im Gußzustand als auch nach der Wärmebehandlung nur feine und gleichmäßig verteilte NbC-Karbide mit einer mittleren Größe von 5 pm auf, die durch die Unterkühlung der NbC-Ausscheidung entstanden sind. 55 Beispiel 3:

Es wurde eine Legierung folgender Zusammensetzung in Gew.-% C Si Mn Ni W Mo V Nb Cr · Al 1,51 1,2 0,3 1,3 2,0 2,9 0,9 4,8 4,6 0,013 -3-

Claims (8)

1. AT 392 085 B erschmolzen, wobei die Schmelze mit Al desoxydiert und vor dem Abguß 10 Minuten auf 1680 °C gehalten wurde. Die Kühlrate bei der Erstarrung der Schmelze betrug 10 K/s. Dem Gußblock wurde eine 100 x 20 x 20 mm große Probe entnommen, an der die metallographische Bestimmung der NbC-Größe erfolgte. Die NbC-Karbide im Gußgefüge sind gleichmäßig verteilt und haben eine mittlere Größe von 15 |im. Sie wurden nicht an sekundären, sondern an tertiären Aluminiumoxydteilchen keimgebildet. Die Menge des Restschmelzeutektikums ist sehr gering, die Restschmelzenbereiche sind sehr dünn und gleichmäßig im Gefüge verteilt. Die Probe wurde weiters bei 1240 °C gehärtet und 3x bei 550 °C angelassen. In diesem Zustand weist die Probe dieselbe NbC-Größe auf wie im Gußgefüge. Aus der Probe wurde ein Seitenschlichtmeißel hergestellt, der eine um 30. % höhere Leistung erbrachte als ein Werkzeug aus einem Schnellarbeitsstahl des Typs T15. Beispiel 4: Es wurde eine Legierung folgender Zusammensetzung in Gew.-% C Si Mn Ni w Mo V Nb Cr Al Ca 2,14 0,5 0,2 <0,1 2,0 3,0 1,0 9,3 4,1 0,004 0,2 erschmolzen, wobei die Schmelze bei 1650 °C mit Ca desoxydiert wurde. Die Schmelze wurde 5 Minuten auf 1800 °C gehalten und mit einer Kühlrate von 10° K/s abgegossen. Es wurden zwei 100 x 20 x 20 mm große Proben entnommen, wovon eine bei 1260 °C gehärtet und dreimal bei 550 °C angelassen wurde. Der restliche Block wurde auf Stabmaterial 20 x 20 mm ausgeschmiedet und daraus eine 100 x 20 x 20 mm große Probe entnommen, die ebenfalls bei 1260 °C gehärtet und dreimal bei 550 °C angelassen wurde. Die mittlere Größe der NbC-Karbide sowohl im Gußzustand als auch im nicht verformten und wärmebehandelten und im verformten und wärmebehandelten Zustand betrug 5 |im. Aus den beiden wäimebehandelten Proben wurden Seitenschlichtmeißel gefertigt Die Leistung der umgeformten Probe war um 70 %, die der nicht umgeformten Probe um 60 % höher als die eines Schnellarbeitsstahles M41. PATENTANSPRÜCHE 1. Schnellaibeitsstahl zum Gießen von Blöcken, Werkzeugen oder dgl. mit in Gew.-% 1,0 bis 6,0 Chrom 0 bis 2,0 Nickel 1,0 bis 20,0 Wolfram 2,0 bis 10,0 Molybdän 0,5 bis 1,5 Vanadium 0,001 bis 0,15 Aluminium 3,0 bis 10,0 Niob 1,0 bis 3,2 Kohlenstoff wobei bei einem Aluminiumgehalt von 0,008 bis 0,15 % die Legierung 1,0 bis 2,0 % Silizium und/oder 0,3 bis 1,0 % Mangan und/oder 0,2 bis 2,0 % Nickel und/oder 0,2 bis 1,0 % Kobalt aufweist, Rest Eisen und insbesondere herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei Niob im wesentlichen zur Gänze als Karbid, insbesondere monomodal als NbC, vorliegt
2. 2. Schnellarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Niobkarbid eine Korngröße 10 ± 2 |im aufweist.
3. 3. Schnellarbeitsstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Aluminiumgehalt von 0,001 bis 0,008 Gew.-% aufweist.
4. 4. Schnellarbeitsstahl nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich bis 2,0 Gew.-% Silizium und/oder 0,3 bis 1 Gew.-% Mangan und/oder bis 2,0 Gew.-% Nickel und/oder bis 1 Gew.-% Kobalt aufweist -4- AT 392 085 B
5. 5. Schnellarbeitsstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich bis 0,4 Gew.-% Kalzium aufweist.
6. 6. Schnellarbeitsstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Gehalt 1,5 bis 2,5 Gew.-% Wolfram 2,5 bis 3,5 Gew.-% Molybdän 1,0 bis 1,5 Gew.-% Vanadium aufweist.
7. 7. Verfahren zur Herstellung eines Schnellarbeitsstahles nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Kalzium und/oder Silizium als Reinmetall oder Legierung bei 1500 bis 1700 °C, insbesondere 1600 bis 1650 °C, desoxydiert wird.
8. 8. Verfahren zur Herstellung eines Blockes, Werkzeuges oder dgl., wobei die metallische Schmelze vor dem Gießen überhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze auf eine Temperatur in Abhängigkeit vom Niobgehalt entsprechend einer Kurve gemäß den Koordinatenpunkten: 1590 ± 20 °C bei 3,5 % Nb 1720 ± 20 °C bei 6,0% Nb 1800 ± 20 °C bei 10,0% Nb bis zur im wesentlichen vollständigen Auflösung des Niobkarbides erhitzt wird, worauf die Schmelze vergossen und vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von zumindest 10"^ K/Sek., insbesondere 10 K/Sek„ abgekühlt wird. -5-