AT393696B - Verfahren zur herstellung von hochbeanspruchten teilen mit verschleissfester oberflaeche - Google Patents

Description

AT 393 696 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochbeanspruchten Teilen mit verschleißfester Oberfläche, insbesondere Werkzeuge aus Warmarbeitsstahl, zur spanlosen Formgebung von Werkstücken mit Temperaturen von über 250 °C, insbesondere von über 400 °C, sowie nach diesem Verfahren hergestellte Teile.

Aus der DD-PS 204 106 ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung, wobei für die Wärmebehandlung ein COj-Leistungslaser verwendet wird, bekanntgeworden. Zur Erzielung einer entsprechenden Verbesserung der Härte und Verschleißfestigkeit wird hiebei eine bestimmte Orientierung zum Strahlenbündel vorgeschlagen, wobei weiters Relativgeschwindigkeit, Leistungsdichte, Durchmesser des Laserstrahlbündels von wesentlicher Bedeutung erscheinen.

Der literaturstelle von H. Ruhfus, Wärmebehandlung der Eisenwerkstoffe, Düsseldorf 1958, ist auf Seite 199 prinzipiell das Härten nach Oberflächenerhitzung zu entnehmen, wobei eine Mehrstufigkeit einer daartigen Härtungsbehandlung nicht vorgesehen ist

Hochbeanspruchte Bauteile, insbesondere Werkzeuge zur spanlosen Verformung von Werkstücken mit höheren Temperaturen unterliegen im praktischen Gebrauch einsatzbedingt unterschiedlichen Belastungen, welche durchwegs kombinierte Materialbeanspruchungen bestehend aus z. B. Druck, Zug, Biegung, Abrieb bzw. Verschleiß usw. hervorrufen. Um die Gebrauchseigenschaften des Bauteiles oder des Werkzeuges bei der geforderten Arbeitstemperatur zu erreichen, erfolgt eine entsprechende Materialauswahl bzw. eine Verwendung eines härtbaren Stahles, dessen Eigenschaften durch ein aus Härte- und Anlaßbehandlungen bestehendes Vergütungsverfahren einstellbar sind. Die chemische Zusammensetzung des härtbaren Stahles bzw. der Legierung bestimmt dabei das Umwandlungsverhalten bei der Wärmebehandlung. Das letztlich die Eigenschaften des Werkzeuges bewirkende Vergütungsverfahren ist im Hinblick auf die kritische Beanspruchsart zu wählen. Zusätzlich zu den komplexen Beanspruchungen eines Bauteiles bzw. eines Werkzeuges treten oftmals Temperaturwechselbelastungen durch eine diskontinuierliche Bearbeitung von Werkstücken mit Temperaturen von über 200 °C auf, welche thermisch bedingte Spannungen im Werkzeug bewirken, die ebenfalls zu berücksichtigen sind.

So werden beispielsweise auf Biegung und auf Verschleiß beanspruchte Werkzeuge da Bruchgefahr wegen aus zähem Material hergestellt bzw. die härtbare Legierung wird einem eine hohe Zähigkeit bewirkenden Vergütungsverfahren unterworfen. Mit dieser auf diese Legierung abgestimmten Vergütungsbehandlung werden die geforderten Zähigkeitseigenschaften des Wakstoffes erreicht, die gewünschte hohe Härte und die Vaschleiß-festigkeit des Werkzeuges können jedoch nicht eingestellt werden, so daß dessen Standzeit unbefriedigend ist.

Um bei entsprechender Zähigkeit die Verschleißfestigkeit und die Oberflächenhärte von Werkzeugen, beispielsweise Gesenke sowie Matrizen zum Strangpressen von Aluminium, Kupfer, Stahl bzw. Legierungen mit Vormaterialtemperaturen bis 1280 °C, zu erhöhen, wurde schon die Verwendung von Verbundwerkstoffen vorgeschlagen. Derartige Werkzeuge, die aus einem zähen Kernmaterial und einer untaschiedlich zusammengesetzten harten verschleißfesten Oberflächenschicht, beispielsweise aus einer Kobaltbasislegierung bestehen, sind jedoch schwierig und aufwendig herzustellen, wobei auch durch die unterschiedlichen Eigenschaften der jeweiligen Materialien, wie Temperaturleitfähigkeit, thermischer Ausdehnungskoeffizient usw., eine vomehrte Bruch- und Rißgefahr an der Verbindungsstelle sowie ein Abplatzen der Schicht bewirkt waden können.

Es wurde schon versucht, durch Nitrier- und Karbonitrierbehandlungen die Verschleißfestigkeit und die Härte der Oberfläche von hochbeanspruchten Teilen zu verbesson. Wegen der hohen Arbeitstempoaturen und der dadurch hervorgerufenen Diffusions- und Anlaßvorgänge waren keine wesentlich höheren Standzeiten endelbar.

Auch Hartstoffbeschichtungen, z. B. mit Titannitrid, brachten nur in einigen Fällen Standzeitverbesserungen.

Ausgehend von dem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein mehrstufiges Verfahren zur Herstellung von hochbeanspruchten Teilen mit harter verschleißfester Oberfläche, insbesondoe Werkzeuge aus Warmarbeitsstahl, zur spanlosen Formgebung von Werkstücken mit Temperaturen von über 250 °C, insbesondere von über 400 °C, zu schaffen. Eine weitoe Aufgabe der Erfindung betraf hochbeanspruchte Teile mit harter verschleißfesta Oberfläche, insbesondoe Werkzeuge aus Warmarbeitsstahl, zur spanlosen Formgebung von Werkstücken mit Temperaturen von über 250 °C, insbesondere von üba 400 °C.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß der Teil aus einer härtbaren Stahllegierung einer Vergütebehandlung, bestehend aus mindestens einer Abkühlung von mindestens der Austenitisierungstemperatur, insbesondere von 1050 °C, und mehrmaligen Aufwärmen auf Anlaßtemperatur(en), insbesondere zwischen 510 und 610 °C, unterworfen wird, worauf insbesondere in den auf Abrieb bzw. Verschleiß beanspruchten Oberflächenbereichen bzw. oberflächennahen Zone eine oder mehrere Über-lagerungshärtung(en) durch gegebenenfalls örtliches Erhitzen mit einer Leistungsdichte von mindestens 1 x 103 W/cm^, beispielsweise mittels Laser-, Elektronen- oder Plasmastrahls, auf zumindest die Austenitisierungstemperatur und Abkühlen des austenitisierten Bereiches bzw. der im austeni tischen Zustand da Legierung vorliegenden oberflächennahen Zone unter den Martensitpunkt da Legierung durchgeführt waden. Vorteilhaft ist es, wenn eine Austenitisierung des Gefüges bis zu einra Tiefe von höchstens 8 mm erfolgt Besonders vorteilhaft ist es, daß nach einem Erhitzen der oberflächennahen Zone eine Abkühlung des im austenitischen Gefügezustand befindlichen Bereiches unter den Martensitpunkt der Legierung durch im wesentlichen Wärmeableitung in den Teil bzw. durch Wärmeabfuhr durch den Teil erfolgt

Die Lösung einer weiteren Aufgabe besteht darin, daß da Teil ein Vergütungsgefüge mit hoher -2-

AT 393 696 B

Materialzähigkeit aufweist, welches in Richtung zur Oberfläche, insbesondere in den anf Abrieb beanspruchten Bereichen der Oberfläche, in ein martensitisches Gefüge mit hoher Festigkeit und hoher Härte übergeht* wobei die Festigkeit und die Härte des Übergangsbereiches vom Vergütungsgefüge des Grundmaterials in das martensitische Gefüge der Oberflächenzone im wesentlichen steigend sind und die martensitische harte Oberflächenschicht mit hoher Festigkeit eine Dicke von mindestens 0,2 mm, vorzugsweise mindestens 0,5 mm, und höchstens 8 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm, aufweist. In vorteilhafter Weise weist das Vergütungsgefüge eine Festigkeit von 1450 N/mm^ bis 1780 N/mm^, und eine Härte von 480 HV bis 520 HV, und die Oberfläche bzw. die martensitische oberflächennahe Zone eine Festigkeit von 1800 N/mm^ bis 1900 N/rnrn^, und eine Härte von 550 HV bis 650 HV auf. In besonders günstiger Weise betragen im Übergangsbereich vom Vergütungsgefüge des Grundmaterials in das martensitische Gefüge der oberflächennahen

Zone die Werte für den Abfall der Festigkeit höchstens 150 N/mm^, vorzugsweise kleiner als 80 N/rnrn^, und die Werte für den Abfall der Härte höchstens 50 HV, vorzugsweise kleiner als 30 HV.

Teile, die durch ein Erwärmen auf Temperaturen über der Austenitisierungstemperatur und ein Abkühlen unter den Martensitpunkt der Legierung mit nachfolgendem ein- oder mehrmaligen Anlassen vergütet werden, weisen von den Anlaßbedingungen, insbesondere von der Anlaßtemperatur abhängig, bestimmte Festigkeits- und Härtewate auf. Werden diese vergüteten Teile nachfolgend auf Temperaturen im Bereich über der Anlaßtemperatur und unter der Austenitisierungstemperatur wieder erwärmt, so sinken, wie jedem Fachmann bekannt ist, die Festigkeit und die Härte des Teiles wesentlich zu niedrigen Werten ab, wobei dieser Materialzustand auch für die spanabhebende Bearbeitung von Werkzeugen ausgenützt wird. Dieser Effekt der entscheidenden Festigkeits- und Härteminderung tritt auch bei der stellenweisen Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur mit herkömmlichen Verfahren bei vergüteten Teilen auf, u. zw. in denjenigen Zonen, in welchen Temperaturen im Bereich über der Anlaßtemperatur und unter der Austenitisierungstemperatur herrschen. Überraschenderweise wurde jedoch festgestellt, daß beim örtlichen Erhitzen auf mindestens die Austenitisierungstemperatur der Legierung des vergüteten Teiles, die Ausbildung dieser Zone geringer Festigkeit und geringer Härte weitgehend vermieden werden kann, wenn die Wärmeeinbringung mit hoher Leistungsdichte und mit nachfolgender intensiver Abkühlung durch im wesentlichen Wärmeableitung in den Teil erfolgt. Die Ursachen dafür sind derzeit noch nicht vollkommen geklärt, sie könnten jedoch in einer Zeitabhängigkeit des Diffusionsvoiganges beim Anlassen des Veigütungsgefüges liegen.

An Hand eines Beispieles wird das erfindungsgemäße Verfahren und ein nach diesem Verfahren hergestellter Teil näher beschrieben.

Aus einem Stabstahl mit einer Zusammensetzung in Gew.-% von Kohlenstoff 0,41, Silizium 0,95,Mangan 0,37, Phosphor 0,018, Schwefel 0,012, Chrom 5,01, Molybdän 1,22, Nickel 0,27, Vanadin 1,03» Wolfram 0,05, Rest Eisen und erzeugungsbedingte Verunreinigungen, wurden drei Matrizen für eine Strangpiefianlage gefertigt. Die Matrizen wurden einer Veigütungsbehandlung unterworfen, die aus einer Härtung durch Abkühlung von einer Temperatur von 1050 °C bestand, worauf ein erstes Anlassen im Bereich des Sekundärhärtemaximums der Legierung bei einer Temperatur von 510 °C, ein zweites Anlassen auf Arbeitshärte bei einer Temperatur von 610 °C und ein drittes Anlassen zum Entspannen bei einer Temperatur von 580 °C folgte. An zwei Matrizen erfolgte eine gleich ausgeführte Überlagerungshärtung der auf Abrieb beanspruchten Oberflächenzonen durch Laserstrahlerhitzung mit einer Intensität von 3,25 x 10^ W/cm^. Die vergütete Matrize und eine Matrize mit Überlagerungshärtung wurden für die Erzeugung von Preßlingen mit gleichem Querschnitt erprobt. Es zeigte sich, daß beim Strangpreßeinsatz im Vergleich mit der vergüteten Matrize diejenige, an welcher zusätzlich eine Überlagerungshärtung durchgeführt wurde, eine wesentlich höhere Standzeit aufwies. Betriebsmäßig wurden durch Überlagerungshärtung Standzeitverbesserungen von Matrizen bis 85 % und darüber erzielt. Die metallurgische Erprobung der dritten überlagerungsgehärteten Matrize ergab, daß die Außenzone bis zu einer Tiefe von 3,8 mm ein martensitisches Gefüge aufwies, woran in Richtung Werkzeugkem das Vergütungsgefüge ohne Anlaßbereich anschloß. Die Härteprüfung am Querschnitt des Werkzeuges ergab weiter, daß bis zu einer Tiefe von ca. 3,8 mm Werte von ca. 680 HV Vorlagen und daß diese Härtewerte sich in Richtung des Werkzeugkemes auf ca. 500 HV senkten, wobei der niedrigste Härtewert in der Übergangszone mit 495 HV gemessen wurde.

Bei Versuchen wurde festgestellt, daß eine martensitische harte Oberflächenschicht von mindestens 0,2 mm erforderlich ist, um die Verschleißfestigkeit des Teiles wesentlich zu verbessern und daß martensitische Bereiche mit hoher Härte von über 8 mm die Bruchgefahr des Werkzeuges entscheidend erhöhen.

Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ähnliche Verbesserungen der Gebrauchseigenschaften bzw. Erhöhungen der Standzeiten von Strangpreßdomen, Gesenken für das Präzisionsschmieden usw. erreicht. -3-

Claims (6)

1. AT 393 696 B PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung von hochbeanspruchten Teilen mit harter und verschleißfester Oberfläche, insbesondere von Werkzeugen aus Warmarbeitsstahl, zur spanlosen Formgebung von Werkstücken mit Temperaturen von über 250 °C, insbesondere von über 400 °C, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil aus einer härtbaren Stahllegierung einer Vergütebehandlung, bestehend aus mindestens einer Abkühlung von mindestens der Austenitisierungstemperatur, insbesondere von 1050 °C, und mehrmaligen Aufwärmen auf Anlaßtemperatur(en), insbesondere zwischen 510 und 610 °C, unterworfen wird, worauf insbesondere in den auf Abrieb bzw. Verschleiß beanspruchten Oberflächenbereichen bzw. oberflächennahen Zone eine oder mehrere Überlagerungshärtung(en) durch gegebenenfalls örtliches Erhitzen mit einer Leistungsdichte von mindestens 1 x 10^ W/cm2, beispielsweise mittels Laser-, Elektronen- oder Plasmastrahls auf zumindest die Austenitisierungstemperatur und Abkühlen des austenitisierten Bereiches bzw. der im austenitischen Zustand der Legierung vorliegenden oberflächennahen Zone unter den Martensitpunkt der Legierung durchgefiihrt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Überlagerungshärtung eine Austenitisierung des Gefüges bis zu einer Tiefe von höchstens 8 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm, durchgeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Erhitzen der oberflächennahen Zone eine Abkühlung des im austenitischen Gefügezustand befindlichen Bereiches unter den Martensitpunkt der Legierung durch im wesentlichen Wärmeableitung in den Teil bzw. durch Wärmeabfuhr durch den Teil erfolgt.
4. 4. Hochbeanspruchte Teile mit harter verschleißfest» Oberfläche, insbesondere Werkzeuge aus Warmarbeitsstahl, zur spanlosen Formgebung von Werkstücken mit Temperaturen von über 250 °C, insbesondere von über 400 °C, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil ein Vergütungsgefüge mit hoher Materialzähigkeit aufweist, welches in Richtung zur Oberfläche, insbesondere in den auf Abrieb beanspruchten Bereichen der Oberfläche, in ein martensitisches Gefüge mit hoher Festigkeit und hoher Härte übergeht, wobei die Festigkeit und die Härte des Übergangsbereiches vom Vergütungsgefüge des Grundmaterials in das martensitische Gefüge der Oberflächenzone im wesentlichen steigend sind und die martensitische harte Oberflächenschicht mit hoher Festigkeit eine Dicke von mindestens 0,2 mm, vorzugsweise mindestens 0,5 mm, und höchstens 8 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm, aufweist.
5. 5. Teile nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergütungsgefüge eine Festigkeit von 1450 N/mm2 bis 1780 N/mm2, und eine Härte von 480 HV bis 520 HV, und die Oberfläche bzw. die martensitische oberflächennahe Zone eine Festigkeit von 1800 N/mm2 bis 1900 N/mm2, und eine Härte von 550 HV bis 650 HV, aufweisen.
6. 6. Teile nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Übergangsbereich vom Vergütungsgefüge des Grundmaterials in das martensitische Gefüge der oberflächennahen Zone die Werte für den Abfall der Festigkeit höchstens 150 N/mm2, vorzugsweise kleiner als 80 N/mm2, und die Werte für den Abfall der Härte höchstens 50 HV, vorzugsweise kleiner als 30 HV, betragen. -4-