AT409831B

AT409831B - Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung von vormaterial und vormaterial

Info

Publication number: AT409831B
Application number: AT0034900A
Authority: AT
Inventors: Siegfried Wilmes
Original assignee: Boehler Uddeholm Ag
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2002-11-25
Also published as: EP1779947A1; ATA3492000A; ATE348673T1; EP1129803A2; JP2001316706A; US20010022945A1; DK1129803T3; EP1129803A3; ES2275645T3; EP1129803B1; DE50111660D1; JP2010047840A; PT1129803E; US6630102B2

Description


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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Vormaterial für die Herstellung von Schneid-, Stanz- und Umformwerkzeugen, bei dem das Vormaterial eine verbesserte Isotropie der mechanischen Eigenschaften und einen rechteckigen oder flachellipti- schen Querschnitt aufweist und somit als ein sogenanntes Breit-Flach-Material ausgebildet ist, wobei nur ein mit Gas hergestelltes und insbesondere mit Stickstoff verdüstes Pulver einer Legie- rung in eine Kapsel eingebracht, verdichtet und diese, gegebenenfalls nach einem Evakuieren, verschlossen wird, wonach ein Erwärmen und isostatisches Pressen der Pulverkapsel erfolgt und der derart hergestellte heissisostatisch gepresste Rohling einer Verformung durch Schmieden und/oder Walzen unterworfen wird. 



   Weiters umfasst die Erfindung ein pulvermetallurgisch hergestelltes Vormaterial mit rechtecki- gem oder flachelliptischem Querschnitt, sogenanntes Breit-Flach-Vormaterial mit einer Breite, die mindestens das 3,1-fache der Dicke beträgt und einen Verformungsgrad von mindestens 2-fach aufweist, insbesondere hergestellt nach einem der vorgenannten Verfahren. 



   Bei der Erstarrung von Legierungen treten zumeist Entmischungen auf, deren Ausgleich oder Auflösung durch Diffusion bei ledeburitischen Stählen nicht möglich ist. Die Grösse der aus der Schmelze ausgeschiedenen Phasen bzw. Körner hängt dabei von der Bildungs- bzw. Erstarrungs- zeit ab. 



   In herkömmlich mittels Blockgusses hergestellten ledeburitischen Werkzeugstählen beispiels- weise können im Gusszustand grobe primäre Karbide und ein Karbidnetzwerk vorliegen. Werden diese Gussstücke oder Blöcke einer Warmumformung unterworfen, so werden die mechanischen Materialeigenschaften zwar verbessert, jedoch hängt das Ausmass der Verbesserung von der Beanspruchungsrichtung ab. Es ist dabei durchaus möglich, dass mittels Schlagbiegeproben quer zur Verformungsrichtung lediglich 25 bis 30% der Schlagbiegearbeitswerte im Vergleich mit jenen, gemessen in Verformungsrichtung, ermittelt werden. Diese Richtungsabhängigkeit der Werkstoff- zähigkeit lässt sich mit einer, auch mikroskopisch nachweisbaren ausgeprägten Karbidzeilenstruktur im herkömmlich hergestellten Material erklären. 



   Um eine grobe Karbidzeiligkeit des Werkstoffes zu verhindern, wurde eine pulvermetallurgi- sche Herstellung von Halbzeug vorgeschlagen (DD 279428 A1), nach welcher im wesentlichen ein verdüstes Schnellstahlpulver in eine Kapsel eingebracht und durch mindestens 1,5-fache Verfor- mung derselben ein dichtes Material erhalten wird. Derartig erzeugtes Stabmaterial weist in Längs- richtung Zeiligkeit und zumeist einen geringen Reinheitsgrad auf. 



   Um weitgehend isotrope mechanische Materialeigenschaften zu erreichen, wurden Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Werkstücken entwickelt. Dabei erfolgt eine Zerteilung eines flüssigen Metallstromes, insbesondere durch Gasströmungen mit hoher Geschwindigkeit und Energie, zu Tröpfchen, wonach die Tröpfchen in kurzer Zeit erstarren. In den einzelnen Pulverkör- nern mit einem Durchmesser in der Regel von kleiner als 0,3 mm sind die gebildeten Gefügepha- sen der äusserst kurzen Erstarrungszeit wegen homogen verteilt und äusserst fein. Das derart erstellte Pulver wird sodann in eine Kapsel eingebracht, diese verschlossen und anschliessend hoher Temperatur und hohem allseitigen Druck ausgesetzt, wobei sich die Pulverkörner metallisch verbinden bzw. das Pulver sintert. Dieser Vorgang wird Heiss - Isostatisches Pressen (HIP-en) ge- nannt. 



   Ein derart pulvermetallurgisch hergestelltes Vormaterial (PM-Material) kann unverformt einge- setzt oder zur Anhebung der mechanischen Eigenschaften verformt werden. 



   Bei Teilen aus karbidreichen Werkzeugstählen erwartet man durch die PM-Herstellung eine feine homogene Mikrostruktur, was durch Gefügebilder, die nahezu vollkommen gleichmässig ver- teilte Karbide einheitlicher geringer Grösse zeigen, bestätigt wird, und auf Grund dieser Struktur keine nennenswerte Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften im verformten Mate- rial. Wohl wurde über Zähigkeitsunterschiede des Werkstoffes in Verformungsrichtung und quer dazu berichtet, diese Unterschiede betragen aber höchstens 8 bis 20 % und lassen sich unter anderem auf eine sogenannte Faserstruktur zurückführen. 



   Zur Gütesteigerung eines heissisostatisch gepressten Rohlings, insbesondere im Zentrumsbe- reich desselben, ist ein Verfahren bekannt geworden, nach welchem die mit Pulver gefüllte Kapsel bei Anstieg der Temperatur und des isostatischen Druckes gewärmt wird. Dadurch können zwar Risse am Endprodukt vermieden werden, nach einer üblichen Verformung zu Breit -Flach- Vorma- terial ist jedoch die bekannte Anisotropie der mechanischen Zähigkeitswerte unverändert. 

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   Gemäss der US-5 989 490 ist vorgesehen, die Zusammensetzung der Monokarbide legierungs- technisch zu steuern, was jedoch auf ein Vormaterial mit geringer Dicke bzw. auf die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften desselben keine Auswirkungen haben sollte. 



   Schliesslich wird gemäss JP 4074804 vorgeschlagen, gehärtetes Metallpulver in einer eine rechteckige Parallelepiped-Form aufweisenden Kapsel heissisostatisch zu pressen und einen recht- eckigen Körper aus gehärtetem Pulver für eine Hochtemperaturanwendung zu erhalten. Für einen verformbaren Rohling erscheint ein derartiges Verfahren nicht wirtschaftlich zu sein. 



   Pulvermetallurgisch hergestellte Schneid- und Stanzwerkzeuge, wie Matrizen, Stempel und dergleichen, mit rechteckiger flacher Querschnittsform zeigten im praktischen Einsatz teilweise nur   eine geringe Lebensdauer ; traten völlig unerwartet Schadensfälle durch Werkzeug brüche auf.   



  Umfangreiche Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Hauptbean- spruchung entsprechend die der Schlagzähigkeit des Vormaterials, erfolgten an sogenannten Breit-Flach-Stäben. Dabei wurden die Proben dem Stab in Längs, - Quer- und Dickenrichtung ent- nommen und die jeweils richtungsorientierten Proben mit um 90  zueinander versetzten brucher- zeugenden Schlägen geprüft. Die Bezeichnung und die Lage der Proben sind nachfolgender Ta- belle und Fig. 1 zu entnehmen.

   Es bedeuten: 
L-S Probe in Längsrichtung, Schlag auf die Flachseite in Dickenrichtung 
L-T Probe in Längsrichtung, Schlag auf die Schmalseite in Breitenrichtung 
T-L Probe in Breitenrichtung, Schlag auf die Stirnseite in Längsrichtung 
T-S Probe in Breitenrichtung, Schlag auf die Flachseite in Dickenrichtung 
S-L Probe in Dickenrichtung, Schlag auf die Stirnseite in Längsrichtung 
S-T Probe in Dickenrichtung, Schlag auf die Schmalseite in Breitenrichtung 
Untersuchungen an Breit-Flach-Vormaterial (380 x 55 mm) aus Schnellarbeitsstahl (HS 6-5-3) brachten folgendes Ergebnis in % im Vergleich mit der Schlagarbeit bei 
L-S-Erprobung. 



   L-S 100% 
L-T 80% 
T-S 80% 
T-L 80% 
S-T 25% 
S-L 25% 
Die äusserst geringe Biegebruchzähigkeit von pulvermetallurgisch hergestelltem Breit-Flach- Vormaterial in Dickenrichtung war für die Fachwelt vollkommen unerwartet, erklärten aber die vorher erwähnten Werkzeugbrüche. In wissenschaftlichen Untersuchungen wurde ein sogenanntes Fasermodell entwickelt, dessen Wirksamkeit auf Inhomogenitäten im Gefüge beruht. Dem entge- gen steht jedoch eine absolute Gleichförmigkeit und Reinheit des Vormaterials aus dem Verdü- sungs- und HIP- Prozess, welches eine Faserstruktur nicht erwarten und - bei der in der Regel dunkel geätzten Matrix zur Darstellung der Karbidanordnung und Karbidgrösse- nicht erkennen lässt. 



   Bei weiteren mikroskopischen Erprobungen wurden Gefügebereiche mit unterschiedlicher An- ätzung im Vergleich mit den übrigen Bereichen des Vormaterials gefunden, die die Fasertheorie stützen. Ein Gefüge mit groben, dem Verformungsprozess angepassten Körnern war aber metal- lographisch nicht nachweisbar. 



   Die Erfindung setzt sich nun zum Ziel, Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit- tels welcher eine verbesserte Isotropie der mechanischen Eigenschaften, insbesondere eine Er- höhung Schlagzähigkeit und Biegebruchzähigkeit in Dickenrichtung von Breit-Flach-Vormaterial von verformten PM-Werkstücken erreicht wird. Weiters ist Aufgabe der Erfindung die Angabe eines Gegenstandes gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 4. 



   Das Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass ein Rohling mit einer derart rechteckigen oder flachelliptischen Querschnittsform erstellt und umgeformt wird, wobei der Unterschied des Verformungsgrades zwischen der in Breitenrichtung und der in Dickenrichtung des Querschnittes des Breit-Flach-Vormaterials höchstens das 2-fache, vorzugsweise das 1,5-fache, des niedrigeren Verformungsgrades beträgt. 



   Gemäss der Erfindung wird obiges Ziel auch erreicht, wenn der heissisostatisch gepresste Roh- ling in Richtung der Längserstreckung einer Stauchumformung mit einem mindestens zweifachen Stauchgrad unterworfen wird, wonach eine Reckumformung des gestauchten Rohlings unter 

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Ausformung des Breit-Flach-Vormaterials erfolgt. 



   Ein weiterer Weg zum Erreichen des eingangs genannten Zieles besteht darin, dass der heiss- isostatisch gepresste Rohling einer Diffusionsglühbehandlung mit einer höchsten Temperatur von 
20 C unterhalb der Solidustemperatur der Legierung und einer Mindestglühdauer von 4 Stunden unterworfen wird, wonach dieser durch Reckumformung zu einem Breit-Flach-Vormaterial ge- schmiedet und/oder gewalzt wird. 



   Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist insbesondere darin zu sehen, dass die Wirk- samkeit der die Zähigkeitseigenschaften nachteilig beeinflussenden Bereiche im Werkstoff herab- gesetzt wird. Das Entstehen dieser Bereiche ist wissenschaftlich noch nicht geklärt, auch warum diese Zonen im Werkstoff die mechanischen Eigenschaften nachteilig beeinflussen, kann mit 
Sicherheit noch nicht gedeutet werden, weil in diesen Bereichen oder Zonen die in einer Schliffer- probung dunkler angeätzt werden, eine eher feinere globulitische Karbidstruktur vorliegt. 



   Wird jedoch, wie erfindungsgemäss vorgesehen, der Rohling mit einer Querschnittsform erstellt, die bei der nachfolgenden Umformung einen Unterschied der Verformungsgrade in Breiten- und 
Dickenrichtung von höchstens 2-fach erfordert, liegen in diesen Richtungen geringe Abweichungen der mechanischen Eigenschaft vor und es werden wesentlich höhere Schlagbiegearbeitswerte er- reicht als diese in einem heissisostatisch gepressten, unverformten Werkstück gegeben sind. 



   Wenn gemäss der Erfindung der heissisostatisch gepresste Rohling einer Stauchumformung bei Schmiedetemperatur unterworfen wird, worauf ein sogenanntes Recken oder Reckschmieden des gestauchten Schmiedestückes erfolgt, bei welchem ein Breit-Flach-Profil erstellt wird, so sind, wie gefunden wurde, die Werte für die Schlagbiegearbeit des Vormaterials in Quer- und in Dickenrich- tung des Profiles im wesentlichen gleich hoch und liegen bei ca. 80% jener Werte, die in Längsrich- tung des Vormateriales gegeben sind. 



   Wird, wie gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, der heissisosta- tisch gepresste Rohling oder ein gering umgeformter Schmiederohling einer Diffusionsglühbehand- lung unterworfen, worauf die Endverformung erfolgt, so werden dadurch erfindungsgemäss insbe- sondere in einem Breit-Flach-Vormaterial hohe Zähigkeitswerte des Werkstoffes auch in Dicken- richtung erreicht. 



   Die erfindungsgemässen Verfahren lösen das Problem einer wesentlichen Anisotropie in pul- vermetallurgisch hergestellten Breit-Flach-Vormaterialien, insbesondere in ledeburitischen Stählen dieser Querschnittsform, und steigern ganz allgemein die Güte derartig hergestellter Erzeugnisse. 



   Die weitere Aufgabe der Erfindung, einen vorteilhafte Gebrauchseigenschaften aufweisenden Gegenstand der vorgenannten Art anzugeben, wird dadurch gelöst, dass die Zähigkeit des Werk- stoffes, gemessen in jeglicher Richtung, insbesondere in Dickenrichtung des Querschnittes des Vormaterials, grösser ist als jene des Werkstoffes im heissisostatisch gepressten, unverformten Zu- stand. 



   Der Vorteil des derartig erstellten Vormaterials ist im wesentlichen dadurch begründet, dass daraus gefertigte Werkzeuge weniger kerbempfindlich sind und dadurch wesentlich höhere Span- nungen und stossartige Belastungen ertragen. So wurden beispielsweise aus der Stirnseite eines Breit-Flach-Vormaterials herkömmlicher Herstellung und erfindungsgemässer Schaffung Warm- pressmatnzen gefertigt und im praktischen Einsatz erprobt. Die Standzeit des Werkzeuges aus herkömmlichen Material war äusserst gering, es erfolgte nach 33 stossartigen Pressungen ein Ab- brechen eines vorspringenden Profilteiles, wobei keinerlei sonstiger Verschleiss oder Abrieb festzu- stellen war.

   Die gleicherart für das gleiche Produkt erstellte Matrize aus   erfindungsgemäss   durch ähnliche Materialverformungen in Breiten-und Dickenrichtung erstellten Breit-Flach-Vormaterial er- brachte über 3000 Pressungen, wonach das Werkzeug wegen abrasiven Verschleisses ausge- schieden wurde. 



   Im folgenden soll die Erfindung anhand von Beispielen aus Materialerprobungen dargelegt werden. 



   Aus einer Schmelze mit einer Zusammensetzung in Gew. -% von 
C = 1,3, Si = 0,63, Mn = 0,24, S = 0,013, P = 0,019, Cr = 3,83,0 = 4,87, W = 6,11, V = 3,03, Co = 0,40, Cu = 0,013, Sn = 0,011 wurde, nach dem Gaszerstäubungsverfahren mit Stickstoff, Pulver mit einer mittleren Korngrösse von 0,09 mm gefertigt. 



   Vormaterial mit dem Format 550 mm quadrat und 800 x 220 mm wurde nach dem HIP- Verfahren hergestellt, worauf einerseits eine direkte Verformung eines Quadrat- und Rechteckma- 

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 terials zu einem Stabquerschnitt von 550 x 100 mm erfolgte. Ein weiteres quadratisches Vormate- rial wurde vor der Verformung bei einer Temperatur von 38 C unterhalb der im Heiztischmikroskop festgestellten Solidustemperatur der Legierung 43 Stunden geglüht. Schliesslich erfolgte an einem heissisostatisch gepressten Rohling vor der Verformung auf das Querschnittsformat 550 x 100 mm ein Stauchen auf 48% der ursprünglichen Höhe. Zu Vergleichszwecken wurde ein heissisostatisch gepresstes unverformtes Material bereitgestellt. 



   Aus allen derartig erstellten Breit-Flach-Vormaterialien wurden Proben gemäss der in Fig. 1 ge- zeigten Lage entnommen und auf eine Härte von 55 bis 60 HRC vergütet. Es wurden, wie für harte Werkzeugstähle üblich, ungekerbte Schlagproben mit den Massen 7x10x55 mm verwendet. Bei der Kennzeichnung gibt der erste Buchstabe die Probenlage im Vormaterial an. Der zweite Buchstabe zeigt die durch einen Pfeil gekennzeichnete Schlagrichtung. Die Erprobung der Kerbschlagarbeits- werte der Vormaterialien erbrachte die in Fig. 2 bis Fig. 5 dargestellten Ergebnisse, wobei die Erprobungswerte in Längsrichtung der Verformung jeweils mit 100 % dargestellt sind.

Claims

Fig. 2 betrifft ein Breit-Flach-Vormaterial hergestellt aus einem Block 550 mm Fig. 3 betrifft Material A, hergestellt nach Anspruch 1 Fig. 4 betrifft Material B, hergestellt nach Anspruch 2 Fig. 5 betrifft Material C, hergestellt nach Anspruch 3 Die Prüfwerte T-S und T-L sowie S-T und S-L liegen durchwegs im gleichen Streubereich, so dass in Fig. 2 bis Fig. 5 nur eine Grösse bzw. ein Wert berücksichtigt ist.

In den Darstellungen bedeuten weiter: S-Tu die Zähigkeit der gehipten unverformten Probe in Dickenrichtung und S-TK die Zähigkeit eines konventionell hergestellten Breit-Flach-Vormaterials in Dickenrichtung.

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Vormaterial für die Herstellung von Schneid-, Stanz- und Umformwerkzeugen, bei dem das Vormaterial eine verbesserte Iso- tropie der mechanischen Eigenschaften und einen rechteckigen oder flachelliptischen Querschnitt aufweist und somit als ein sogenanntes Breit-Flach-Material ausgebildet ist, wobei ein mit Gas hergestelltes und insbesondere mit Stickstoff verdüstes Pulver einer Le- gierung in eine Kapsel eingebracht, verdichtet und diese, gegebenenfalls nach einem Eva- kuieren, verschlossen wird, wonach ein Erwärmen und isostatisches Pressen der Pulver- kapsel erfolgt und der derart hergestellte heissisostatisch gepresste Rohling einer Verfor- mung durch Schmieden und/oder Walzen unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet,

dass ein Rohling mit einer derart rechteckigen oder flachellipischen Querschnittsform er- stellt und umgeformt wird, wobei der Unterschied des Verformungsgrades zwischen der in Breitenrichtung und der in Dickenrichtung des Querschnittes des Breit-Flachmaterials höchstens das 2-fache, vorzugsweise das 1,5-fache, des niedrigeren Verformungsgrades beträgt.
2. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Vormaterial für die Herstellung von Schneid- und Stanzwerkzeugen, bei dem das Vormaterial eine verbesserte Isotropie der mechanischen Eigenschaften und einen rechteckigen oder flachelliptischen Querschnitt aufweist und somit als ein sogenanntes Breit-Flach-Material ausgebildet ist, wobei ein mit Gas hergestelltes und insbesondere mit Stickstoff verdüstes Pulver einer Legierung in eine Kapsel eingebracht, verdichtet und diese, gegebenenfalls nach einem Evakuieren, ver- schlossen wird, wonach ein Erwärmen und isostatisches Pressen der Pulverkapsel erfolgt und der derart hergestellte, heissisostatisch gepresste Rohling einer Verformung durch Schmieen und/oder Walzen unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet,

dass der heissi- sostatisch gepresste Rohling in Richtung der Längserstreckung einer Stauchumformung mit einem mindestens zweifachen Stauchgrad unterworfen wird, wonach eine Reckumformung des gestauchten Rohlings unter Ausformung des Breit-Flach-Vormaterials erfolgt.
3. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Vormaterial für die Herstellung von Schneid- und Stanzwerkzeugen, bei dem das Vormaterial eine verbesserte Isotropie der mechanischen Eigenschaften und einen rechteckigen oder flachelliptischen Querschnitt <Desc/Clms Page number 5> aufweist und somit als ein sogenanntes Breit-Flach-Material ausgebildet ist, wobei ein mit Gas hergestelltes und insbesondere mit Stickstoff verdüstes Pulver einer Legierung in eine Kapsel eingebracht, verdichtet und diese, gegebenenfalls nach einem Evakuieren, ver- schlossen wird, wonach ein Erwärmen und isostatisches Pressen der Pulverkapsel erfolgt und der derart hergestellte heissisostatisch gepresste Rohling einer Verformung durch Schmieden und/oder Walzen unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet,

dass der heiss- isostatisch gepresste Rohling einer Diffusionsglühbehandlung mit einer höchsten Tempera- tur von 20 C unterhalb der Solidustemperatur der Legierung und einer Mindestglühdauer von 4 Stunden unterworfen wird, wonach dieser durch Reckumformung zu einem Breit- Flach-Vormaterial geschmiedet und/oder gewalzt wird.
4. Pulvermetallurgisch hergestelltes Vormaterial mit rechteckigem oder flachelliptischem Querschnitt, sogenanntes Breit-Flach-Vormaterial mit einer Breite die mindestens das 3,1-fache der Dicke beträgt und einen Verformungsgrad von mindestens 4-fach aufweist, insbesondere hergestellt nach einem der vorgenannten Verfahren, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Zähigkeit des Werkstoffes gemessen in jeglicher Richtung, insbesonde- re in Dickenrichtung des Querschnittes des Vormaterials, grösser ist als jene des Werkstof- fes im heissisostatisch gepressten, unverformten Zustand.

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