DE10019042A1

DE10019042A1 - Stickstofflegierter, sprühkompaktierter Stahl, Verfahren zu seiner Herstellung und Verbundwerkstoff hergestellt aus dem Stahl

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Publication number: DE10019042A1
Application number: DE10019042A
Authority: DE
Inventors: Claudia Ernst; Volker Schueler; Bernd Gehricke; Ingolf Schruff
Original assignee: EDELSTAHL WITTEN KREFELD GmbH
Current assignee: EDELSTAHL WITTEN KREFELD GmbH
Priority date: 2000-04-18
Filing date: 2000-04-18
Publication date: 2001-11-08
Also published as: DE50103992D1; ATE278816T1; ES2230308T3; EP1274872A1; JP2004501276A; DK1274872T3; WO2001079575A1; EP1274872B1; US20030156965A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen stickstofflegierten Stahl mit hoher Verschleißbeständigkeit, welcher durch Sprühkompaktieren hergestellt ist und folgende Zusammensetzung aufweist (in Masse-%): C: 0,8-2,5%, N: 0,03-0,75%, Si: 0,15-1,8%, Mn: 1,0%, P: 0,03%, S: 0,05%, Cr: 4,0-11,5%, Mo: 0,5-6,0%, V: 4,0%, Nb: 4,0%, W: 3,5%, O¶2¶: 0,005%, gegebenenfalls weitere Legierungsbestandteile und als Rest Eisen und übliche Verunreinigungen. Die chemische Zusammensetzung ist dahingehend optimiert, daß die carbid-/carbonitridbildenden Elemente einen Verschleißfaktor S¶v¶ erfüllen und das Silicium-Stickstoff-Verhältnis V¶SiN¶ zur Minimierung der Restaustenitgehalte eingehalten wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahls und einen Verbundwerkstoff, welcher unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahls hergestellt ist. Der erfindungsgemäße Stahlwerkstoff weist eine verbesserte Verschleißbeständigkeit und Formhaltigkeit auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen stickstofflegierten, ledeburitischen Stahl mit hoher Verschleißbeständigkeit. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahls und einen Verbundwerkstoff, welcher unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahls hergestellt ist.

Für Werkzeuge und Bauteile, die eine hohe Verschleißbeständigkeit erfordern, werden häufig ledeburitische Chromstähle eingesetzt. Derartige Stähle sind beispielsweise in der Stahl-Eisen-Liste unter den Werkstoffnummern 1.2080 (X210Cr12), 1.2201 (X165CrV12), 1.2376 (X96CrMoV12), 1.2378 (X220CrVMo12-2), 1.2379 (X155CrVMo12-1), 1.2380 (X220CrVMo13-4), 1.2436 (X210CrW12), 1.2601 (X165CrMoV12), 1.2880 (X165CrCoMo12) sowie 1.2884 (X210CrCoW12) angegeben. Die betreffenden Stähle weisen jeweils Kohlenstoffgehalte von mehr als 0,9 Masse-%, Chromgehalte von mehr als 10 Masse-% und verschiedene Zusätze der Elemente Molybdän, Vanadium und Wolfram auf. Sie werden hauptsächlich zur Herstellung von Werkzeugen und Bauelementen verwendet, die für das Trennen oder Kaltumformen von Metallen oder die Verarbeitung von Kunststoffen eingesetzt werden.

Die bekannten Stähle der vorstehend erläuterten Art werden in einem Elektrolichtbogenofen unter Umgebungsdruck erschmolzen. Nach dem Abstich der Schmelze wird diese mit pfannenmetallurgischen Verfahren, beispielsweise mit einem Pfannenofen oder einer Entgasungsanlage, weiter behandelt, um im Stahl gelöste Gase, wie die im jeweiligen Stahl enthaltenen Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffanteile zu verringern. Zur Desoxidation wird dabei insbesondere das Element Silicium in Massengehalten zwischen 0,1 und 0,4% verwendet, um den in der flüssigen Schmelze gelösten Sauerstoff zu Oxiden abzubinden. Diese werden dann mit der Raffinationsschlacke abgeschieden.

Die Stickstofflöslichkeit bei der Herstellung im Elektroschlackofen unter Umgebungsdruck ist naturgemäß sehr gering. So erläutern beispielsweise H. Berns und J. Lueg in "Stickstofflegierte Werkzeugstähle", Neue Hütte 36 (1991) 1, S. 13-18, daß in reinen Eisenschmelzen bei einer Temperatur von 1600°C lediglich 0,04% Stickstoff in Lösung gehen. Da diese Gehalte zudem im Zuge der erwähnten pfannenmetallurgischen Behandlungen weiter reduziert werden, enthalten auf diesem Wege hergestellte Stähle erfahrungsgemäß lediglich Stickstoffgehalte, die zwischen 0,005 und 0,025 Masse-% liegen.

Sofern besondere Anforderungen an ihren Reinheits- und den Seigerungsgrad gestellt werden, werden in Rede stehende Stähle ergänzend gemäß einem Elektroschlacke- oder Lichtbogenvakuum-Umschmelzverfahren umgeschmolzen. Nach dem Gießen der Schmelze zu Blöcken oder als Strang bzw. nach dem ergänzenden Umschmelzen werden die Blöcke oder die stranggegossenen Riegel durch eine Warmformgebung, wie Schmieden oder Walzen, in die unterschiedlichen Lieferabmessungen gebracht.

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Kohlenstoff- bzw. Carbidgehalte weisen die bekannten ledeburitischen Chromstähle im gehärteten und angelassenen Zustand eine unterschiedlich hohe Verschleißbeständigkeit auf. Dabei sind die Carbide wegen der beim Block- oder Stranggießen nicht vermeidbaren Seigerungen zeilenförmig und ungleichmäßig im Werkstoffgefüge verteilt. Dies gilt selbst dann, wenn die Stähle nach dem Block- oder Stranggießen umgeschmolzen worden sind.

Die Carbidverteilung führt beispielsweise immer dann zu Problemen, wenn aus einem der bekannten Chromstähle ein Bauelement, beispielsweise ein Werkzeug, gefertigt werden soll, das eine gute Schneidkantenstabilität aufzuweisen hat. Ebenso sind in der Praxis Probleme festgestellt worden, wenn fein konturierte Werkzeugbereiche, wie beispielsweise Gewindegänge in Gewindewalzbacken, erzeugt werden sollen. Die jeweils vorhandene Struktur der Carbide bringt bei derartigen Anwendungen jeweils die Gefahr von Ausbröckelungen und Abplatzungen mit sich, welche im Ergebnis die Standzeit der jeweiligen Werkzeuge beträchtlich vermindern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Stahlwerkstoff zu schaffen, der eine weiter verbesserte Verschleißbeständigkeit und Formhaltigkeit aufweist. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stahls und ein unter Verwendung dieses Stahls erzeugter Verbundwerkstoff angegeben werden.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Werkstoffs durch einen Stahl gelöst, welcher durch Sprühkompaktieren hergestellt ist und folgende Zusammensetzung aufweist (in Masse-%):
C: 0,8-2,5%
N: 0,03-0,75%
Si: 0,15-1,8%
Mn: ≦ 1,0%
P: ≦ 1,03%
S: ≦ 0,05%
Cr: 5,0-11,5%
Mo: 0,5-6,0%
V: ≦ 4,0%
Nb: ≦ 4,0%
W: ≦ 3,5%
O₂: ≦ 0,005%
gegebenenfalls weitere Legierungsbestandteile und als Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,
wobei ein der Summe seiner gewichteten Gehalte an Cr, Mo, V, Nb und W entsprechender Verschleißfaktor S_V folgende Bedingung erfüllt:

0,55 < S_V < 3,42

mit:

S_V = (A_Cr/9,33) + (A_Mo/17,22) + (A_V/3,92) + (A_Nb/7,15) + (A_W/14,14),

A_Cr: Cr-Gehalt in Masse-%,
A_Cr: Mo-Gehalt in Masse-%,
A_V: V-Gehalt in Masse-%,
A_Nb: Nb-Gehalt in Masse-%,
A_W: W-Gehalt in Masse-%,
und wobei das Silicium-Stickstoff-Verhältnis V_SiN folgende Bedinungung erfüllt:

0,21 ≦ V_SiN ≦ 3,31

mit:

V_SiN = A_Si + 2 A_N

A_Si: Si-Gehalt in Masse-%,
A_N: N-Gehalt in Masse-%.

Ein erfindungsgemäßer, durch Sprühkompaktieren erzeugter legierter Stahl zeichnet sich, anders als schmelzmetallurgisch hergestellte Stähle, durch einen hohen Kohlenstoff- und einen erhöhten Stickstoffgehalt bei gleichzeitig hohem Gehalt an sondercarbidbildenden und nitridbildenden Elementen aus, wodurch eine hohe Verschleißbeständigkeit erzielt wird. Dabei sind die enthaltenen Hartphasen, die in Form von Carbidausscheidungen vorwiegend des Typs MC (mit M = V, Nb, W) und M₇C₃ (mit M = Cr, Mo) sowie in Form von Carbonitridauscheidungen vorwiegend in der Farm der Phasen M(C,N) (mit M = V, Nb, W) und M₇(C,N)₃ (mit M = Cr, Mo) vorliegen, aufgrund des Stickstoffzusatzes sowie des angewendeten Herstellverfahrens hinsichtlich ihrer Größe optimiert und homogen im Mikrogefüge verteilt. Dies führt einerseits dazu, daß aus erfindungsgemäßem Stahl hergestellte Werkstücke eine erhöhte Haltbarkeit auch bei abrasiver Belastung aufweisen. Andererseits ist erfindungsgemäßer Stahl aufgrund der Homogenität seines Gefüges trotz der hohen Legierungs- und Hartphasengehalte gut warmumformbar. Diese Eigenschaften machen erfindungsgemäßen Stahl insbesondere zur Herstellung von Werkzeugen oder Bauelementen geeignet, die großen Verschleißbeanspruchungen unterworfen sind, wie sie beispielsweise allgemein beim Trennen von Werkstoffen oder in der kunststoffverarbeitenden Industrie wegen der Füllstoffgehalte moderner Kunststoffe gegeben sind.

Es ist festgestellt worden, daß erfindungsgemäße, durch Sprühkompaktieren hergestellte stickstofflegierte Stähle verglichen mit ledeburitischen Stählen der eingangs erörterten Art bezogen auf den jeweiligen Anwendungsfall eine erhöhte Verschleißbeständigkeit und/oder eine verbesserte Zähigkeit besitzen. Im Ergebnis führen die verbesserten Eigenschaften erfindungsgemäßer Stähle zu einer Erhöhung der Standzeit von aus diesen Stählen Schneidwerkzeuge, die aus einem erfindungsgemäßen Stahl hergestellt sind, eine verbesserte Schneidhaltigkeit und eine verbesserte Schneidkantenstabilität auf. Darüber hinaus besitzen aus erfindungsgemäßen Stählen hergestellte Bauelemente einen verbesserten Widerstand gegen Rißbildung. Des weiteren läßt sich ein erfindungsgemäßer Stahl durch Anwendung eines geeigneten Wärmebehandlungsverfahrens auf eine Härte von bis zu 68 HRC härten.

Die Vorzüge eines erfindungsgemäßen Stahls werden, wie erwähnt, durch seine Legierungsbestandteile in Kombination mit einer besonderen Herstellungsweise, dem an sich bekannten Sprühkompaktieren, erreicht. Beim Sprühkompaktieren von Stahl wird in einem Gaszerstäuber eine Stahlschmelze in einem Schutzgasstrom in kugelförmige Tropfen zerstäubt. Durch das Gas werden die Metalltropfen schnell auf eine Temperatur abgekühlt, die zwischen Liquidus und Solidus liegt, häufig sogar unter Solidus. Die derart abgekühlten, sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden und eine feste oder teigige Konsistenz besitzenden Tropfen kompaktieren aufgrund der ihnen eigenen kinetischen Energie auf einem Substrat zu einem dichten Materialverbund. Über die schnelle Erstarrung aus der flüssigen Phase kann dabei der Aufbau des Gefüges des gesprühten Blocks direkt beeinflußt werden. Im einzelnen ist das Sprühkompaktieren in den Aufsätzen "Near net-shape casting through metal spray deposition - The Osprey process", Otto H. Metelmann et al., Iron and Steel Engineer, November 1988, S. 25-29, oder "The Osprey Process: Principles and Applications", A. G. Leatham et al., The International Journal of Powder Metallurgy, Vol. 29, No. 4, S. 321-329, beschrieben.

Insbesondere hat sich das Sprühkompaktieren als wirkungsvolles Verfahren erwiesen, um den gewünschten Stickstoffgehalt in die genannten ledeburitischen Stähle einzubringen. Anders als mit den üblicherweise zum Aufsticken von Stählen eingesetzten, kostenintensiven Verfahren, wie dem Druckelektroschlackeumschmelzverfahren unter Stickstoffpartialdrücken von bis zu 42 bar oder das pulvermetallurgische Aufsticken von Metallpulver durch Ammoniak, zeichnet sich das Sprühkompaktieren sowohl durch seine Effektivität als auch durch seine Wirtschaftlichkeit aus. Bei der Erprobung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelang es, durch Versprühen mit einem Stickstoffgas im erstarrten Block Gehalte von bis zu 0,85 Masse-% Stickstoff einzustellen. Darüber hinaus besteht bei dieser Vorgehensweise die Möglichkeit, die Schmelze vor dem Versprühen durch Einsatzstoffe wie Chromstickstoff oder nitriertes Ferrochrom mit einer Grundmenge an gelöstem Stickstoff vorzulegieren und die Metalltröpfchen im Gasstrom weiter aufzusticken.

Im Unterschied zum Gießen ermöglicht das Sprühkompaktieren die Herstellung seigerungs- und porenfreier Produkte, die eine homogene Struktur und eine hohe Dichte aufweisen. Dabei können bei höherer Flexibilität hinsichtlich der Form und weniger Verfahrensschritten ähnliche Produkteigenschaften wie bei der pulvermetallurgischen Herstellung derartiger Produkte erzielt werden.

Erfindungsgemäße Stähle mit besonders hervorragenden Eigenschaften weisen neben den übrigen Legierungsbestandteilen einen C-Gehalt von 1,0-1,9 Masse-%, einen N-Gehalt von 0,05-0,5 Masse-%, einen Si- Gehalt von 0,15-1,5 Masse-%, einen Cr-Gehalt von 5,0-10,0 Masse-%, einen Mo-Gehalt von 0,5-5,5 Masse-%, einen V-Gehalt ≦ 3,5 Masse-%, einen Nb-Gehalt ≦ 3,5 Masse-% und einen W-Gehalt ≦ 3,0% auf. Derart zusammengesetzte Stähle besitzen eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit.

Ein Kohlenstoffanteil von mehr als 1 Masse-% und ein Stickstoffgehalt von mehr als 0,05 Masse-% ist vorteilhaft, um die eine Härte von mehr als 60 HRC zu erzielen. Gleichzeitig wird durch die Anwesenheit des Kohlenstoffs und des Stickstoffs auch die Menge der enthaltenen Hartphasen und somit das Verschleißverhalten günstig beeinflußt.

Insbesondere durch das Legieren mit Stickstoff zeigt sich beim Sprühkompaktieren eine homogenisierende Wirkung auf das Mikrogefüge und eine Begrenzung der Hartphasengröße. Dies hat positive Auswirkungen auf die Zähigkeitseigenschaften erfindungsgemäßer Stähle. Gehalte des Elements Stickstoff, welche einen Wert von 0,75 Masse-% übersteigen, bewirken dagegen eine Verschlechterung des Verschleißverhaltens aufgrund hoher Restaustenitgehalte und stark verminderter Hartphasengrößen.

Das in Stählen aus Gründen der Desoxidation üblicherweise nur in geringen Mengen enthaltene Silicium ist bei einem erfindungsgemäßen Stahl mit einem Massengehalt von 0,1% bis vorzugsweise 1,5 Masse-% vorgesehen, da es in der Grundmatrix gelöst bleibt und die Sekundärhärte erhöht. Zusätzlich ist festgestellt worden, daß mit zunehmendem Siliciumgehalt eine Abnahme des durch zunehmende Stickstoffgehalte verursachten Restaustenitgehaltes erreicht wird. Dieser vermindert als "weicher" Gefügebestandteil die Verschleißbeständigkeit. So ergänzen und beeinflussen sich die in den angegebenen Grenzen in erfindungsgemäßem Stahl enthaltenen Gehalte an Stickstoff und Silicium in ihrer Wirkung auf Härte und Verschleißbeständigkeit in optimaler Weise. Die gegenseitige Auswirkung der Stickstoff- und Siliciumgehalte auf den Restaustenitgehalt gehen aus Fig. 1 hervor, in welcher die röntgenographisch gemessenen Restaustenitgehalte in ledeburitischen Chromstählen erfindungsgemäßer Art in Abhängigkeit vom Silicium- und Stickstoffgehalt angegeben sind (Wärmebehandlung: 1075°C/15 min im Warmbad und 560°C/1 h an Luft).

Es ist festgestellt worden, daß die Anwesenheit von Wolfram für das Erreichen einer Härte in einem erfindungsgemäß erzeugten Stahl nicht zwingend notwendig ist, da die mindestens enthaltenen Sondercarbidbildner für die Bildung der erforderlichen Hartphasen ausreichen. Zur Vermeidung erhöhter Herstellkosten kann daher auf eine Zugabe von Wolfram zu dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl verzichtet werden.

Kobalt ist in einem erfindungsgemäß zusammengesetzten Stahl nicht enthalten, da dieses Element negative Auswirkungen auf die Zähigkeit haben kann und zu einer Verteuerung der Werkstoffkosten beitragen würde.

Der Chrom-Gehalt ist auf Werte ≦ 11,5 Masse-% beschränkt und liegt vorzugsweise in dem angegebenen, niedrigeren Gehaltsbereich, um ebenfalls die Zähigkeit des erfindungsgemäß erzeugten Stahls positiv zu beeinflussen.

Je nach Anwendungsfall kann es zudem günstig sein, wenn erfindungsgemäßer Stahl weitere ausscheidungshärtende Elemente, wie beispielsweise bis zu 0,75 Masse-% Stickstoff, bis zu 0,05 Masse-% Bor, bis zu 0,5 Masse-% Titan, bis zu 0,5 Masse-% Zirconium und/oder bis zu 0,25 Masse-% Aluminium, enthält. Durch diese zusätzlichen Legierungsbestandteile kann die Härte und damit die Verschleißbeständigkeit eines erfindungsgemäßen Stahls weiter gesteigert werden.

Es ist festgestellt worden, daß ein erfindungsgemäßer Stahl eine optimierte Verschleißbeständigkeit aufweist, wenn der der Summe seiner gewichteten Gehalte an den carbidbildenden Elementen Cr, Mo, V, Nb und W entsprechender Verschleißfaktor S_V zwischen 0,55 und 3,42 beträgt.

Gleichzeitig ist ein optimiertes Silicium-Stickstoff- Verhältnis V_SiN einzustellen, um die Wirkung des austenitstabilisierenden Elements Stickstoff durch die ferritstabilisierende Wirkung des Elements Silicium zu beeinflussen und die Verschleißbeständigkeit bei erfindungsgemäßen Stählen weiter zu optimieren. Es hat sich gezeigt, daß bei Einhaltung des erfindungsgemäß für das Stickstoff-Silicium-Verhältnis vorgesehenen Bereichs von 0,21 bis 3,31 die für die Verschleißbeständigkeit schädlichen Restaustenitbestandteile bereits nach einem einmaligen Anlaßvorgang auf Werte ≦ 25% vermindert werden können.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält erfindungsgemäßer, stickstofflegierter Stahl zusätzliche Hartstoffe, wie Titancarbid (TiC), Siliciumcarbid (SiC), Niobcarbid (NbC), Chromcarbid (CrC), Titannitrid (TiN) Wolframcarbid (WC), in seiner Matrix, welche im Zuge des Sprühkompaktierens als feste Partikel in den Sprühstrahl injiziert worden sind. Diese Maßnahme bewirkt eine weitere Erhöhung der Verschleißbeständigkeit, wobei die guten Zähigkeitseigenschaften der stickstofflegierten Matrix erhalten bleiben.

Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stahls wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stahl unter Verwendung von Stickstoff als Sprühgas sprühkompaktiert wird, daß der Stahl nach dem Sprühkompaktieren bei Anfangstemperaturen von bis zu 1150°C warmumgeformt wird, daß der warmumgeformte Stahl abgekühlt wird, daß der abgekühlte Stahl auf eine Austenitisierungstemperatur von 1075°C bis 1225°C wiedererwärmt wird, daß der wiedererwärmte Stahl abgeschreckt wird und der abgeschreckte Stahl bei Temperaturen von 150°C-625°C angelassen wird. Vorzugsweise erfolgt das Anlassen bei Temperaturen zwischen 150°C und 300°C oder zwischen 500°C und 625°C. Im Gegensatz zu druckaufgestickten Stählen ist aufgrund der optimalen Einstellung des Silicium- Stickstoff-Verhältnisses ein Tiefkühlen zur Restaustenitumwandlung nicht erforderlich. Bei Einhaltung der erfindungsgemäßen Verfahrensparameter kann eine Härte bis zu 68 HRC selbst dann erzielt werden, wenn im Zuge der weiteren Verarbeitung ergänzende Umformschritte erforderlich sind. Die Warmumformung kann dabei durch Schmieden oder Walzen erfolgen.

Schließlich kann ein erfindungsgemäßer Stahl besonders gut zur Erzeugung eines Verbundwerkstoffs genutzt werden, der mindestens eine durch einen ersten Stahl erzeugte erste Schicht und mindestens eine zweite, durch einen erfindungsgemäßen sprühkompaktierten Stahl gebildete zweite Schicht aufweist, wobei der Stahl der ersten Schicht eine andere Zusammensetzung aufweist als der sprühkompaktierte Stahl. Bei einem solchen Verbundwerkstoff können die unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Schichten in optimaler Weise miteinander kombiniert werden. So kann der erfindungsgemäße Stahl beispielsweise auf einer zähfesten ersten Schicht eine verschleißbeständige Deckschicht bilden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In Tabelle 1 sind die chemischen Zusammensetzungen von sieben Stählen A-G in Masse-% angegeben. Zudem sind für jeden der Stähle der Verschleißfaktor S_V, das Silicium- Stickstoffverhältnis V_SiN und der in einem Verschleißversuch ermittelte Abrieb in Gramm verzeichnet.

Bei den Stählen A-D handelt es sich um erfindungsgemäße Stähle, während die Stähle E-G zum Vergleich angeführt sind.

Zur Herstellung sprühkompaktierter, stickstofflegierter Stähle ist aus Schrott und/oder reinen Metallen jeweils unter Zugabe der erforderlichen Legierungsbestandteile eine Schmelze erstellt worden. Anschließend ist die Schmelze in einem stickstoffhaltigen Schutzgasstrom in kugelförmige Tröpfchen zerstäubt worden.

Im Zuge der Zerstäubung in dem stickstoffhaltigen Gasstrom erfolgte eine Aufstickung und schnelle Abkühlung der Metalltröpfchen auf eine Temperatur zwischen Liquidus und Solidus, so daß die Tröpfchen nach der Abkühlung im Gasstrom eine feste bis teigige Konsistenz aufwiesen. Dabei waren die so beschaffenen, sich mit einer hohen Geschwindigkeit von 40 bis 80 m/s bewegenden Tröpfchen auf eine Grundplatte gerichtet, auf welcher die Tröpfchen aufgrund der ihnen eigenen hohen kinetischen Energie zu einem dichten Materialverbund kompaktierten. Der auf diese Weise durch Sprühkompaktieren erzeugte Block wies aufgrund der im Gasstrom erfolgenden schnellen Erstarrung der Metalltröpfchen aus der Flüssigphase und aufgrund des eingebrachten Stickstoffgehaltes eine gleichmäßige Verteilung der Hartphasen und Carbid- bzw. Carbonitridgrößen auf, die im Vergleich zu schmelzmetallurgisch erzeugten Stählen deutlich vermindert sind.

Die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils das Schliffbild eines durch Sprühkompaktieren in erfindungsgemäßer Weise erzeugten, stickstofflegierten Stahls im geglühten Zustand, wobei in Fig. 1 das jeweilige Mikrogefüge bei einer Vergrößerung von 100 : 1 und in Fig. 3 bei einer Vergrößerung von 500 : 1 dargestellt ist.

Die Fig. 4 und 5 zeigen zum Vergleich eine entsprechende Darstellung des Mikrogefüges desselben Stahles ohne Stickstoffzusatz, wenn dieser in konventioneller Weise schmelzmetallurgisch erzeugt wird.

Die aus den Fig. 2 und 3 ohne weiteres ersichtliche hohe Gefügehomogenität ermöglicht die problemlose Umformung des sprühkompaktierten Blocks durch Schmieden oder Walzen. Der Umformung vorausgehend kann eine Block- bzw. Diffusionsglühung erfolgen.

Die verbesserte Umformbarkeit erfindungsgemäß erzeugter Stähle ermöglicht es, die Warmformung bei gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise niedrigeren Temperaturen durchzuführen. Die jeweils erforderliche Härte der aus den erfindungsgemäßen Stählen hergestellten Bauelemente oder Werkzeuge läßt sich nach der Formgebung durch ein Härten von einer Austenitisierungstemperatur zwischen 1075°C und 1225°C mit nachfolgendem Anlassen zwischen 150°C und 625°C einstellen, wobei Härten von bis zu 68 HRC erreicht werden können.

Erfindungsgemäße Stähle weisen ein ausgewogenes Verhältnis zwischen den carbid- bzw. carbonitridbildenden Elementen auf, welches durch den zwischen 0,55 und 3,42 liegenden, in der voranstehend erläuterten Weise bestimmten Verschleißfaktor S_v gekennzeichnet ist. Dieses ausgewogene Verhältnis der Carbid-/Carbonitridbildner führt zu einer überlegenen Verschleißbeständigkeit erfindungsgemäßer Stähle, welche in Verschleißversuchen bestätigt wurde (Fig. 6).

In diesen Versuchen wurde das Verschleißverhalten der Stähle A-G bei rollender Reibung bei einer Arbeit von 8,0 Nm × 10^-6 überprüft, wobei die Gegenrolle jeweils aus dem Schnellarbeitsstahl mit der Werkstoffnummer 1.3207 gemäß Stahl-Eisen-Liste hergestellt war und eine Härte von 67 HRC aufwies.

Zur Überprüfung der Verschleiß- und Formhaltigkeit eines erfindungsgemäßen Stahls in der Praxis wurde in einer ersten Untersuchung durch Sprühkompaktieren ein Rohblock mit einem Durchmesser von 400 mm aus dem stickstofflegierten Stahl C gefertigt, dessen Zusammensetzung in Tabelle 1 angegeben ist. Mit einer Langschmiedemaschine wurde dieser Block in einer zweihitzigen Schmiedung auf einen Durchmesser von 115 mm verformt, wobei die Schmiedeanfangstemperatur bei 980°C und die Schmiedeendtemperatur bei 969°C lag.

Der geschmiedete Block wurde anschließend weichgeglüht. Aus dem weichgeglühten Material wurden dann Gewindewalzenbacken hergestellt, deren Abmessungen 85 mm × 50 mm × 24 mm und 95 mm × 50 mm × 24 mm betrugen. Diese Werkzeuge wurden darauffolgend durch Wärmebehandlung auf eine Härte von 62 HRC gebracht.

Mit den Gewindewalzenbacken wurden Schrauben aus einem nicht-rostenden Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4401 gemäß Stahl-Eisen-Liste hergestellt. Die Arbeitsergebnisse und der Verschleißzustand der aus dem erfindungsgemäßen Stahl hergestellten Werkzeuge wurden mit den Arbeitsergebnissen und dem Verschleißzustand von Gewindewalzenbacken verglichen, die aus einem schmelzmetallurgisch erzeugten Stahl identischer chemischer Zusammensetzung, jedoch ohne Stickstoffzusatz, hergestellt worden waren. Es zeigte sich, daß die Standzeit der aus erfindungsgemäßem Stahl hergestellten Gewindewalzenbacken doppelt so hoch war wie die Standzeit der Gewindewalzenbacken, die aus dem herkömmlich erzeugten Stahl identischer Zusammensetzung hergestellt worden waren. So ließen sich mit den aus erfindungsgemäßem Stahl erzeugten Werkzeugen 140.000 Schrauben fertigen, während die aus herkömmlich erzeugtem Stahl hergestellten Werkzeuge nach der Fertigung von 70.000 Schrauben verschlissen waren. Besonders hervorzuheben ist in diesem Zusammenhang die exzellente Formstabilität der aus erfindungsgemäßem Stahl hergestellten Werkzeuge im Bereich der Gewindespitzen.

In einer zweiten Untersuchung wurde der durch Sprühkompaktieren hergestellte, stickstofflegierte Stahl C der Tabelle 1 auf eine Abmessung von 160 mm × 160 mm ausgeschmiedet und weichgeglüht. Aus dem geschmiedeten Stahl wurden Stanzwerkzeuge für aus einem mikrolegierten Stahl bestehende Kettenglieder hergestellt, die aus Blechen mit einer Dicke von 4 mm gestanzt wurden.

Die Arbeitsergebnisse und das Verschleißverhalten der aus dem erfindungsgemäßen Stahl hergestellten Stanzwerkzeuge wurden wiederum mit einem Stanzwerkzeug verglichen, welches aus einem schmelzmetallurgisch hergestellten Stahl derselben Zusammensetzung, jedoch ohne Stickstoff, erzeugt worden waren. Es zeigte sich auch in diesem Fall, daß das aus erfindungsgemäßem Stahl hergestellte Werkzeug eine deutlich verbesserte Standzeit aufwies als das Vergleichswerkzeug. So war das aus erfindungsgemäßem Stahl hergestellte Stanzwerkzeug nach der Fertigung von 290.000 Kettengliedern noch einsatzbereit, während das Vergleichswerkzeug nach der Stanzung von 200.000 Kettengliedern bereits verschlissen war. Hervorzuheben ist in diesem Zusammenhang die auch nach der Fertigung von 290.000 Kettengliedern noch vorhandene sehr gute Schneidkantenstabilität des aus dem erfindungsgemäßen Stahl hergestellten Stanzwerkzeugs.

Claims

1. Stickstofflegierter Stahl mit hoher Verschleißbeständigkeit, der durch Sprühkompaktieren hergestellt ist und folgende Zusammensetzung aufweist (in Masse-%):
C: 0,8-2,5%
N: 0,03-0,75%
Si: 0,15-1,8%
Mn: ≦ 1,0%
P: ≦ 0,03%
S: ≦ 0,05%
Cr: 5,0-11,5%
Mo: 0,5-6,0%
V: ≦ 4,0%
Nb: ≦ 4,0%
W: ≦ 3,5%
O₂: ≦ 0,005%
gegebenenfalls weitere Legierungsbestandteile und als Rest Eisen und übliche Verunreinigungen,
wobei ein der Summe seiner gewichteten Gehalte an Cr, Mo, V, Nb und W entsprechender Verschleißfaktor S_V folgende Bedingung erfüllt:
0,55 < S_V < 3,42
mit:
S_V = (A_Cr/9,33) + (A_Mo/17,22) + (A_V/3,92) + (A_Nb/7,15) + (A_W/14,14),
A_Cr: Cr-Gehalt in Masse-%,
A_Mo: Mo-Gehalt in Masse-%,
A_V: V-Gehalt in Masse-%,
A_Nb: Nb-Gehalt in Masse-%,
A_W: W-Gehalt in Masse-%,
und wobei das Silicium-Stickstoff-Verhältnis V_SiN folgende Bedinungung erfüllt:
0,2 ≦ V_SiN < 3,31
mit:
V_SiN = A_Si + 2 A_N
A_Si: Si-Gehalt in Masse-%,
A_N: N-Gehalt in Masse-%.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen C- Gehalt von 1,0-1,9 Masse-%, einen N-Gehalt von 0,05-0,5 Masse-%, einen Si-Gehalt 0,15-1,5 Masse-%, einen Cr-Gehalt von 5,0-10,0 Masse-%, einen Mo- Gehalt von 0,5-5,5 Masse-%, einen V-Gehalt ≦ 3,5 Masse-%, einen Nb-Gehalt ≦ 3,5 Masse-% und einen W-Gehalt ≦ 3,0 Masse-% aufweist.

3. Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er bis zu 0,05 Masse-% Bor enthält.

4. Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er bis zu 0,5 Masse-% Titan enthält.

5. Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er bis zu 0,5 Masse-% Zirconium enthält.

6. Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er bis zu 0,25 Masse-% Aluminium enthält.

7. Stahl nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzliche Hartstoffe, wie Titancarbid, Siliciumcarbid, Niobcarbid, Chromcarbid, Titannitrid, Wolframcarbid, in seiner Matrix enthält, welche im Zuge des Sprühkompaktierens als feste Partikel in den Sprühstrahl injiziert worden sind.

8. Verfahren zur Herstellung eines Stahls nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stahl unter Verwendung von Stickstoff als Sprühgas sprühkompaktiert wird,
daß der Stahl nach dem Sprühkompaktieren bei Anfangstemperaturen von bis zu 1150°C warmumgeformt wird,
daß der warmumgeformte Stahl abgekühlt wird,
daß der abgekühlte Stahl auf eine Austenitisierungstemperatur von 1075°C bis 1225°C wiedererwärmt wird,
daß der wiedererwärmte Stahl abgeschreckt wird und
daß der abgeschreckte Stahl bei Temperaturen von 150°C-625°C angelassen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlassen bei Temperaturen zwischen 150°C und 300°C erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlassen bei Temperaturen zwischen 500°C und 625°C erfolgt.

11. Verbundwerkstoff mit mindestens einer durch einen ersten Stahl erzeugten ersten Schicht und mindestens einer zweiten Schicht, die durch einen stickstofflegierten, sprühkompaktierten Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gebildet ist, wobei der Stahl der ersten Schicht eine andere Zusammensetzung aufweist als der sprühkompaktierte Stahl.