Verfahren zur Herstellung von hochverschleissfesten Stählen sowie ein nach diesem Verfahren hergestellter Stahl und dessen Verwendung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her stellung von hochverschleissfesten Stählen, zum Bei spiel Werkzeugstählen, sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Stahl und dessen Verwen dung. Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die Leistung von verschleissfesten Stählen, insbesondere Werkzeug stählen, durch legierungstechnische Massnahmen zu steigern.
In Verfolg dieser Massnahmen sind bei ent sprechender Verarbeitung und Wärmebehandlung des Materials beachtliche Erfolge zu verzeichnen ge wesen.
Für die Qualität eines solchen Stahls ist bei gege bener Legierung und normaler Erschmelzung nicht nur die richtige Wärmebehandlung, sondern auch eine gründliche und durchgreifende Warmverformung des Blockes bestimmend, wodurch eine weitgehende Zertrümmerung und Verteilung der Karbide erreicht wird, durch die wiederum die Qualität des Stahls er höht wird.
Im Gegensatz hierzu geht die Erfindung einen andern Weg. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von hoch verschleissfesten Stählen ist da durch gekennzeichnet, dass weniger verschleissfeste Stähle im schmelzflüssigen Zustand unter Vakuum gesetzt werden. Die Stähle können im Anschluss an die Vakuumbehandlung einer Verformung und even tuell einer weiteren Wärmebehandlung unterworfen werden. Die Vakuumbehandlung der weniger ver schleissfesten Stähle im schmelzflüssigen Zustand kann auf dieselben Arten durchgeführt werden wie das bekannte Vakuumschmelzen und Vakuumgiessen bei der Herstellung nicht verschleissfester Stähle.
Man kann zum Beispiel in der Weise verfahren, da.ss der weniger verschleissfeste Stahl auf normalem Wege erschmolzen, dann in festem Zustand in einen andern Schmelzofen eingebracht, unter Vakuum erneut ge- schmolzen und in diesem Zustand eine bestimmte Zeit gehalten wird. Das Einsetzen kann auch in flüs sigem Zustand erfolgen.
Man kann auch so vor gehen, dass man in einem Schmelzofen, in welchem Vakuum erzeugt werden kann, zunächst zum Beispiel aus einer Vorschmelze, aus entsprechendem Schrott oder aus Kohlenstoffstahl und einer Ferrolegierung den weniger verschleissfesten Stahl herstellt und dann in derselben Apparatur den gebildeten flüssigen, we niger verschleissfesten Stahl unter Vakuum setzt.
Überraschenderweise hat sich bei Versuchen ge zeigt, dass zum Beispiel ein aus nach dem Verfahren, hergestelltem Stahl bestehendes Schnellstählwerkzeug eine Standzeit erreicht, die doppelt so gross ist wie die eines Werkzeuges aus normal hergestelltem Schnell stahl der gleichen Legierung, gleichen Verarbeitung und gleichen Wärmebehandlung:
Eine ähnliche Wir kung mit Erhöhung der Verschleissfestigkeit trat bei andern Stählen für die spanabhebende und, spanlose Verformung, wie für Gewindeschneideisen und Schnitte sowie für Gesenke, - weiter bei Stählen für Maschinenteile, die starkem Verschleiss ausgesetzt sind, wie bei Spritzgussformen für Metalle und plasti sche Massen, Kernkästen für Kernblasmaschinen in Giessereien, Sandstrahldüsen, Bohrgerätemeisseln,
Verschleissstücken für Sandbunker, Formen für Bri kettpressen, Kugeln für Kugelmühlen sowie bei Rei bungskupplungen auf. Die erfindungsgemäss herge stellten Stähle haben ausserdem beim Vergüten bzw. Härten und Anlassen eine grössere Formbeständigkeit und geringere Rissanfälligkeit,
so dass der Ausschuss um mindestens 50 % geringer ist. Diese Vorteile wir- ken sich besonders bei Werkzeugen mit sehr feiner Schneide aus, da dort die sonst beim Schleifen leicht auftretenden Karbidausbröckelungen bei weitem nicht wie bisher in Erscheinung treten.
Es ist bekannt, dass Seigerungen und Karbidzei- len, überhaupt Inhomogenitäten des Materials, die Härtbarkeit ungünstig beeinflussen. Durch die auf tretenden Spannungen entstehen Risse, .das Material verzieht sich. Bei dem nach der Erfindung hergestell ten Material entfallen diese Nachteile zum grössten Teil, weil die Voraussetzungen dafür nicht gegeben sind. Versuche haben ergeben, dass mit dem neuen Verfahren ein Gefügezustand ganz besonderer Art erzielt wird, bei welchem eine im Vergleich mit dem bisher Bekannten sehr viel feinere Verteilung der Karbide vorhanden ist.
Die Karbide fallen schon im Block wesentlich kleiner und feiner verteilt an und werden durch die gegebenenfalls anschliessende Warmverformung noch weiter verteilt und zertrüm mert, so dass nur noch eine minimale Zeilenstruktur vorhanden ist.
Besonders zu erwähnen ist auch das Fehlen von H2, .der häufig die Rissursache darstellt.
Bei der sonst üblichen Arbeitsweise wird beim Schmieden oder Walzen ein möglichst hoher Ver- formungsgrad angestrebt, um die Grösse und Ver teilung der Karbide entsprechend zu beeinflussen. Da bei ergeben sich aber durch das übermässige Kneten zumeist kugelige bzw. abgerundete Karbidformen mit einer im Verhältnis zu ihrem Volumen kleinen Ober fläche und damit kleinen Haftfestigkeit, da vorzüglich die Kanten der Karbide bei dem Verformen ab bröckeln.
Demgegenüber hat sich nun ergeben, dass bei vakuumbehandeltem Stahl der Warmverformungs- grad bei weitem nicht so hoch .getrieben zu werden braucht wie bisher. Es hat sich herausgestellt, dass die Karbide insbesondere dann, wenn der Verfor- mungsgrad nicht so hoch ist, in scharfkantiger Form und nadelförmigen bzw.
flachen Gebilden in der Grundmasse verbleiben, ein Faktor, der auf die Haft festigkeit der Karbide beim Schleifen und beim Ver schleiss und damit zum Beispiel auf die Standzeit des Werkzeuges von günstigem Einfluss ist. Die bereits festgestellte Widerstandsfähigkeit gegen Karbidaus- bröckelungen beim Schleifen findet, damit ihre Er klärung.
Die Anwendbarkeit eines geringen Verformungs- grades ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung von Material für grosse Schnellstahlwerkzeuge. Die Fertigung von grossen einwandfreien Blöcken ist nor malerweise äusserst schwierig. Meist ist das Ledeburit- netzwerk nach der Verformung nicht völlig zerstört, wenn es sich um die Fertigung grosser Dimensionen mit geringem Verformungsgrad handelt, was sich auf die Qualität ungünstig auswirkt.
Nach dem neuen Verfahren ergeben sich in dieser Beziehung äusserst günstige Verhältnisse, weil das Ledeburitnetzwerk bereits im Block wesentlich feiner auftritt, so dass es schon bei geringem Verformungsgrad völlig zerstört ist. Ausserdem ergibt sich die Möglichkeit der An wendung eines geringen Verformungsgrades euch da durch, dass sich für kleine Dimensionen Blöcke von zum Beispiel 2 m Länge und 10 cm Durchmesser im Vakuum giessen lassen, die dann nur noch schwach verformt werden müssen. Das war bisher nicht mög lich.
Es ist bekannt, dass das für Reibungskupplungen verwendete Material infolge der hohen spezifischen Flächendrücke besonders stark beansprucht wird. Seigerungen verursachen leicht ein Fressen des- Ma terials und völlige Zerstörung. Für solche Zwecke eignet sich infolge der gleichmässig feinen Verteilung der verschleissfesten Karbide ganz besonders das nach dem vorliegenden Verfahren hergestellte Material.
Man hat bisher die Ansicht vertreten, dass die hohe Haltbarkeit verschleissfester Stähle insbesondere durch ihre hohe Warmfestigkeit und die Härte der in ihnen enthaltenen Karbide zustandekommt. Unter suchungen haben ergeben, dass auch Korrosions erscheinungen, insbesondere durch die Atmosphäre bedingte, auf die Haltbarkeit von grossem Einfluss sind. (Siehe auch Fink und Hofmann, Archiv für Eisenhüttenwesen, 1932/33, S.161, und Stahl und Eisen, 1932, S.1026.) Es wurde daher bei der Ent wicklung des Verfahrens auf diesen Punkt besonderer Wert gelegt.
Es stellte sich heraus, dass ein erfin dungsgemässer Stahl erhöhte Korrosionsfestigkeit auf weist, ein Faktor, der, trotzdem er einen grossen Ein fluss hat, bisher bei derartigen Stählen kaum Beach tung fand. Schon beim Ätzen der Mikroschliffe zeigte sich, dass vakuumgeschmolzenes Material ein Viel faches der Ätzzeit von normal erschmolzenem zur Sichtbarmachung des Feingefüges erforderte.
Es hat sich auch herausgestellt, dass der Ver schleisswiderstand und damit die Lebensdauer von Rohren, die aus erfindungsgemässem Stahl hergestellt sind, insbesondere bei hohen Temperaturen und hohen Drücken aggressiver Gase besonders günstig, und zwar um mindestens 10 % höher, liegt als bei den bisher bekannten Rohren.
Die erhöhte Zähigkeit wirkt sich dabei ebenso vorteilhaft aus wie die verhältnismässig grosse Schwingungsfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Als Beispiel seien Zylinder von Kompressoren oder Explosionsmotoren genannt.
Bei der spanabhebenden Formgebung nimmt die Schneide beträchtliche Temperaturen an, die nach dem Schaft zu stark abfallen. Der Temperaturabfall und damit die Einstellung der Schneidentemperatur hängt u. a. von der Wärmeleitfähigkeit des Ma, terials ab. Es konnte festgestellt werden, dass nach dem .erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes Ma terial in dieser Beziehung günstigere Eigenschaften aufweist, was sich auf die Standzeit entsprechend aus wirkt. Dies gilt ganz allgemein bei Verschleiss beanspruchung mit starker Erwärmung.
Schon bei der Verarbeitung des Materials konnte eine um min- destens 10 % schnellere Durchwärmung als üblich festgestellt werden. Auch die Verformbarkeit war eine .bessere, insbesondere konnte eine um mindestens 8 /o stärkere Verformung als üblich bei einer Erhit zung vorgenommen werden.
Infolge der grösseren Homogenität und feineren Struktur des neuen Materials laufen die Umwand lungsprozesse beim Vergüten wesentlich gleichzeiti- ger, gleichmässiger und vollständiger ab, so dass der Restaustenit feiner verteilt und in geringen Mengen auftritt. Dieser Umstand verbessert das Härteverhal ten insofern nicht unbedeutend, als dadurch zum Bei spiel die Spannungszustände herabgesetzt werden. Auch die Anlasszeiten können gegebenenfalls verkürzt werden.
Die Warmhärte zum Beispiel von Schnellstahl, die hauptsächlich durch die in der Grundmasse vorhan denen Elemente W und Cr bestimmt wird, richtet sich nach den Teilen des Kristallgefüges, die infolge Seigerung am wenigsten von diesen Elementen ent halten. Das gleiche gilt analog für die Anlassbestän- digkeit, die vor allem durch V und Co verbessert wird. Versuche ergaben nun, dass ein erfindungs gemässes Material mit grösserer Homogenität, d. h. geringeren Konzentrationsunterschieden, grössere Warmhärte und Anlassbeständigkeit aufweist.
Es wirkt sich also die Erschmelzung nach vorliegendem Verfahren in der gleichen Richtung aus wie eine ent sprechende Erhöhung des Gehaltes an den genannten Legierungselementen.
Es wurde ferner festgestellt, dass durch Vakuum schmelzen der Verformbarkeitsbereich der neuen Stähle, zum Beispiel der Schnellstähle, erweitert wer den kann. Es ist also zum Beispiel möglich, durch Vakuumschmelzen Schnellstähle herzustellen, die einen höheren Gehalt an zum Beispiel W, Cr, Co, V und C als üblich enthalten und trotzdem noch ver formbar sind. Es wurde gefunden, dass sich auf diese Weise die Leistung bedeutend steigern liess, und es war die Leistungssteigerung wesentlich grösser, als der Erhöhung an Legierungsbestandteilen entspricht.
Daraus konnte geschlossen werden, dass auch bei diesen Legierungen der der Erfindung zugrunde lie gende Effekt auftritt.
Auch auf Rasiermesserstahl lässt sich das Ver fahren mit Erfolg anwenden. So konnte die Leistung eines Stahls, dessen obere Grenze des Kohlenstoff gehaltes bei 1,4 % liegt, durch Erhöhung des C-Ge- haltes bis zu 1,7 %- und Vakuumbehandlung bedeu- tend gesteigert werden, ohne dass die Verarbeitbar- keit ungünstig beeinflusst wurde.
Eine weitere Anwendung ergibt sich zum Beispiel bei .der Herstellung von Sägeblättern und Kreissägen. Infolge der erhöhten Zähigkeit und Festigkeit besteht die Möglichkeit der Herstellung äusserst dünner Sägen mit geringstem Materialverlust am Werkstück.
Für rostfreien Messerstahl besteht die Möglich keit einer Erhöhung von Cr und C um mindestens 10 % und damit eine Schneidhaltigkeit, die im Ver- gleich zu gewöhnlichem Kohlenstoffstahl bisher zu wünschen übrig liess.
Bei dem an sich bekannten Vakuumschmelzen wurde bisher im wesentlichen der Zweck verfolgt, die Gase aus der Schmelze abzuführen und den Einfluss der Luft zu verhindern, beim bekannten Vakuum giessen die Herstellung von dichtem Guss. Nicht vor auszusehen war jedoch, dass durch Vakuumbehand lung im schmelzflüssigen Zustand der Verschleiss- widerstand bzw. die Standzeit von Werkzeugen ausser ordentlich erhöht wird. Der Begriff verschleissfest ist im weitesten Sinne zu verstehen, wie die beschriebe nen Beispiele zeigen.
Das Härten von Gegenständen aus verschleiss festen Stählen erfolgt mit einer möglichst hohen An fangstemperatur, um möglichst viele Karbide in Lö sung zu bringen und damit die Leistung zum Beispiel von Werkzeugen zu steigern. Der Höhe der anzuwen denden Temperatur ist aber eine Grenze gesetzt durch die Ausscheidung von Ledebuxiteutetikum, die ein Zeichen von überhitzung ist und die Leistung wieder abfallen lässt. Der Ledeburit tritt um so eher auf, je grösser das Karbidkorn ist und je stärker die Kar bidzeilen in Erscheinung treten.
Die Härtetemperatur kann nach dem Stand der Technik nicht höher ge trieben werden, da die Stähle ein verhältnismässig grobes Karbidkorn und grosse Karbidzeilen enthalten, die in der Grösse ausserdem chargenunabhängig sind. Danach richtet sich aber auch die jeweils anzuwen dende Härtetemperatur derart, dass einem feineren Korn eine höhere Härtetemperatur entspricht. Prak tisch bedeutet dies aber eine chargenweise Ermitt- lung der jeweils anzuwendenden optimalen Härte temperatur, um optimale Gütewerte zu erreichen.
Die Verschleissfestigkeit und Leistung von Gegen ständen, insbesondere Werkzeugen, kann weiterhin erhöht werden, wenn die Gegenstände aus dem erfin dungsgemässen Stahl dann mit höherer Härtetempe- ratur behandelt werden als ein normaler, offen er schmolzener Stahl der gleichen Legierung und mög lichst gleichen Verarbeitung sowie gleicher Dimension und gleicher Zweckbestimmung. Vorteilhafterweise liegt diese Temperatur gegenüber dieser um 5 bis 50 C höher, vorzugsweise mindestens 10 C über der üblichen höchsten Härtetemperatur, bei welcher der Stahl gehärtet und dann angelassen wird.
Der Fachmann ist in der Lage, für jede Stahlsorte die höheren Temperaturen zu erkennen, denn die übli chen höchsten Härte- und Anlasstemperaturen sind ihm bekannt.
Eine derartige Behandlung ist möglich, da bei dem Material die Ledeburitbildung erst bei höheren als den normalen Temperaturen auftritt und das Material wesentlich gleichmässiger und feinkörniger ausfällt, so da.ss auch die anzuwendende optimale Härtetemperatur in allen Teilen des Gefüges gleich mässig hoch ist und mindestens<U>annähernd</U> der norma lerweise bei offen erschmolzenem Material maximal erreichbaren Härtetemperatur entspricht.
Darüber hinaus ist es möglich, die Haltezeit auf Härtetemperatur zu erhöhen, ohne dass eine über- zeitung auftritt, und zwar um 10 bis 200 %,
vor- zugsweise mindestens 30 %. Dabei bedeutet Über- zeiten das zu lange Halten auf Wärmebehandlungs- temperatur, was zu einer Schädigung des Werkstoffes, meist durch Kornvergröberung, führt.
Die an das Härten anschliessende Anlassbehand- lung kann bei den üblichen Temperaturen erfolgen. Es hat sich jedoch herausgestellt, d'ass man eine wei- tere Leistungssteigerung erreicht, wenn man eine An lasstemperatur wählt, die gegenüber der üblichen um 5 bis 30 C, vorzugsweise mindestens 10 C, höher liegt:
In Gegenständen, zum Beispiel Werkzeugen, wel che aus Stahl bestehen, der nach dem erfindungs- gemässen Verfahren hergestellt ist, ist die Menge von Sekundärkarbiden und damit die Härte um ein be trächtliches höher als bei bekannten Werkzeugen, so dass die Leistung und Verschleissfestigkeit ent sprechend ansteigen.
<I>Beispiel</I> Ein Stahl mit 1,l5 % C, 0,27 % Si, 0,16 % Mn, 4,29 % Cr, 0,44 % Mo, 3,17 % V, 10;
23 % W wurde nach .der Vorschrift des Hüttenwerkes mit einer Härtetemperatur von 1260 C gehärtet, ohne Aus schmelzerscheinungen zu zeigen, und danach ange lassen. Die Standzeit des aus dem gehärteten Stahl hergestellten Werkzeuges betrug 62 Minuten. Nach dem Umschmelzen des gleichen Materials im Vakuum konnte die Härtetemperafur bei gleicher Haltezeit auf 1280 C erhöht werden. Die Standzeit unter den gleichen Bedingungen wie oben betrug 145 Minuten.
Erst bei einer Härtetemperatur von 1290 C zeigten sich die ersten Überhitzungserscheinungen. Zu dem gleichen Ergebnis (145 Minuten) gelangte man bei einer Härtetemperatur von 1270 C und einer um 30 % verlängerten Haltezeit.
Die Dimensionen der Werkzeuge waren hierbei nach achtfacher Verschmiedung die gleichen.