DE10056636B4

DE10056636B4 - Einsätze für auf Kobalt basierende industrielle Schneidwerkzeuge und Legierungen hierfür

Info

Publication number: DE10056636B4
Application number: DE2000156636
Authority: DE
Inventors: James B.C. Wu; Bradley Belleville McKee; Ian Belleville Purvis
Original assignee: Deloro Stellite LP
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: DE10056636A1; CA2326006C; CA2326006A1

Abstract

Eine auf Kobalt basierende Legierung für Einsätze industrieller Schneidwerkzeuge mit geschmiedeter Mikrostruktur, verbesserter Korrosionsfestigkeit und Verschleißbeständigkeit, die in Gewichtsprozent aus
C 0,5-2,5,
Cr 25-35,
Mo 3-15,
W nicht mehr als 1,
Ta + Nb + V + Ti bis zu 6,
Mn + Si + Ni + Fe nicht mehr als 10 und
Co
sowie üblichen Verunreinigungen
besteht.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Legierungen für industrielle Schneidwerkzeuge, insbesondere die Vielzahl von Werkzeugen, die als Schneideinsätze bekannt sind, bei denen erhöhter Widerstand gegen Abrieb und Korrosion, insbesondere in säurehaltigen Umgebungen mit reduzierender Eigenschaft, gefordert werden, als auch Zähigkeit. Eine spezielle Anwendung bezieht sich auf das Schneiden von optischen Fasern, bei dem korrosive Chloride anwesend sind; eine andere spezielle Anwendung bezieht sich auf das Schneiden von Holz bei der Nachverarbeitung, wie z.B. der Möbelherstellung, wo abtragende Leime u.ä. vorhanden sind.

Die DE 40 11 874 C2 beschreibt korrosions- und verschleißbeständige Legierungen auf Cobalt-Basis mit folgenden Anteilen in Gewichtsprozent:
Kohlenstoff 0,02 bis 0,11, bevorzugt 0,06,
Cr 22,0 bis 30,0, bevorzugt 25,5,
Mo 3,0 bis 10,0, bevorzugt 5,0,
W 0 bis 5,0, bevorzugt 2,0,
Ni + Fe 0 bis 20, bevorzugt 11,5,
Mn 0,05 bis 2,0, bevorzugt 0,75,
Si 0,05 bis 2,0, bevorzugt 0,4,
wobei der Molybdängehalt immer größer sein soll als der Wolframgehalt.

Weiter ist dieser Druckschrift zu entnehmen, daß es eine kritische Kombination der Menge von Kohlenstoff und Stickstoff gibt, um innerhalb eines spezifischen Bereiches einer Cobalt-Chrom-Molybdän-Wolfram-Legierung eine gute Korrosionsbeständigkeit und einen guten Widerstand gegen Hohlraumbildungserosion zu erreichen.

Bisher wurden Einsätze für industrielle Schneidwerkzeuge aus einer Vielzahl von Materialien gemacht, einschließlich Werkzeugstahl als auch die gesinterten Wolframkarbid-Materialien. Wenn das Schneiden in einem korrosiven Medium durchgeführt wird, so werden hochlegierte, korrosionsfeste Materialien benötigt, um die Schneidkante vor einer Zerstörung zu schützen. Eine kommerziell erhältliche Legierung, Stellite 6K, wird oft in solchen Umgebungen verwendet. Diese Legierung basiert auf Kobalt mit einer Härte von HRC 44-47 im vollständig ausgeglühten Zustand. Da diese Legierung durch Warmwalzen hergestellt wird, besitzt sie auch eine hohe Zähigkeit. Diese Legierung wurde für Anwendungen bei industriellen Schneidwerkzeugen ausgewählt, aufgrund ihrer Kombination von Härte und Zähigkeit, zusätzlich zu ihrer Korrosionsfestigkeit. Ein Nachteil von Stellite 6K war allerdings seine Anfälligkeit in einem stark korrosiven Medium und auch unter bestimmten Abtragbedingungen.

In stark abtragenden Bedingungen wurde, anstelle von Stellite 6K, Material oft aus gesintertem Karbid benutzt. Wenn auch eine Korrosion betroffen ist, wurde eine kommerziell erhältliche Legierung auf Kobalt-Basis ausgewählt, die Tangtung G genannt wird. Ein aus Tangtung G hergestelltes Schneidwerkzeug wird durch Kokillenguß hergestellt. Es ist keine geschmiedete Version dieser Legierung im Handel erhältlich. Bei Schneidwerkzeugen mit hoher Leistung wird eine geschmiedete Mikrostruktur gegenüber einer gegossenen Mikrostruktur vorgezogen.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Legierung für industriell verwendbare Schneidwerkzeuge zu schaffen, die in stark korrosiven Medien eine verbesserte Korrosionsfestigkeit hat; weiter soll diese Legierung einen verbesserten Abtragwiderstand haben; weiter soll die Legierung eine geschmiedete Mikrostruktur haben; weiter soll die Legierung eine Festigkeit gegenüber säurehaltigen Umgebungen mit reduzierenden Eigenschaften haben; und schließlich soll die Legierung die Zugabe von Wolfram vermeiden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine auf Kobalt basierende Legierung für Einsätze industrieller Schneidwerkzeuge mit geschmiedeter Mikrostruktur, verbesserter Korrosionsfestigkeit und Verschleißbeständigkeit und auf eine Legierung auf Kobaltbasis zum Herstellen industrieller Schneidwerkzeuge zur Verwendung in säurehaltigen Umgebungen mit reduzierender Natur, wobei die Legierung eine geschmiedete Mikrostruktur hat und im wesentlichen Folgendes, in Gewichtsprozent, enthält:
C 0,5-2,5,
Cr 25-35,
Mo 3-15,
W nicht mehr als 1,
Ta + Nb + V + Ti bis zu 6,
Mn + Si + Ni + Fe nicht mehr als 10,
Co Rest.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine auf Kobalt basierende Legierung zur Herstellung von Einsätzen für industrielle Schneidwerkzeuge zum Schneiden von optischen Fasern, wobei die Legierung eine geschmiedete Mikrostruktur, einen verbesserten Widerstand gegen Chlorid-Korrosion aufweist und im Wesentlichen, in ungefähren Gewichtsprozent, folgendes enthält:
C 0,5-2,5,
Cr 25-35,
Mo 3-15,
W nicht mehr als 1,
Ta + Nb + V + Ti bis zu 6,
Mn + Si + Ni + Fe nicht mehr als 10,
Co Rest,
wobei die Mikrostruktur durch ein Verankern (banding) und zufällige Zwillingsbildung charakterisiert ist, wobei Körner mit einer Korngröße von größer als 20 Mikron mindestens 20% der Legierung des Legierungsvolumens ausmachen und wobei Körner mit einer Korngröße kleiner als 5 Mikron mindestens 20% des Volumens der Legierung ausmachen.

Die Erfindung ist auch auf Einsätze für industrielle Schneidwerkzeuge gerichtet, die aus den obigen Legierungen hergestellt sind.

Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung werden im Folgenden beschrieben.

Kurzbeschreibung der Figuren

1 ist ein metallographisches Schliffbild bei 120 facher Vergrößerung der Legierung nach der Erfindung; und

2 ist ein metallographisches Schliffbild bei 480 facher Vergrößerung der Legierung nach der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Bildung einer auf Co basierenden Legierung, um die gewünschten Eigenschaften zur Herstellung industrieller Schneidwerkzeuge zu erreichen.

Es wurde entdeckt, daß die Bildung von fein dispergierten Molybdän-Karbid-Partikeln vorteilhaft ist in einer festen, korrosionsbeständigen auf Kobalt basierenden Legierungsmatrix. Die Legierungen nach der Erfindung enthalten Molybdän in Mengen zwischen ca. 3 Gewichtsprozent und ca. 15 Gewichtsprozent. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt der Anteil von Mo zwischen ca. 3 Gewichtsprozent und ca. 8 Gewichtsprozent.

Die Legierungen nach der Erfindung enthalten im Wesentlichen keine absichtlichen Zusätze von Wolfram, obwohl Wolfram als Spurenelement in den Schrottmaterialien vorhanden ist, die wahlweise zur Bildung solcher Legierungen verwendet werden. Als solches ist der Anteil von Wolfram vorzugsweise begrenzt auf nicht mehr als 1 Gewichts%, vorzugsweise auf nicht mehr 0,5 Gewichts% und noch mehr bevorzugt auf nicht mehr als 0,2 Gewichts%. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist Wolfram vollständig eliminiert. Wolfram ist minimiert, um die internen Spannungen zu minimieren, die durch die großen Wolfram-Atome induziert werden, die dazu neigen, in fester Lösung zu bleiben, anstatt Wolfram-Karbid zu bilden, was durch die träge Diffusionsrate bedingt ist.

Chrom ist vorgesehen, um die Korrosionsfestigkeit zu verbessern. Der Chromanteil liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 25 bis 35 Gewichts%. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Chrom im Bereich von 27 bis 32 Gewichts% verwendet.

Kohlenstoff ist in solcher Menge vorgesehen, die ausreichend ist, die gewünschten Molybdän-enthaltenden Karbide zu erzielen. Der Kohlenstoffanteil liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 bis 2,5 Gewichts%. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt der Kohlenstoffanteil zwischen ca. 1,0 und 2,0 Gewichts%.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf Legierungen mit folgender ungefährer Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

C	0,5-2,5,
Cr	25-35,
Mo	3-15,
W	weniger als 1,
Co	Rest.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf Legierungen mit folgender ungefährer Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

C	1,0-2,0,
Cr	27-32,
Mo	3-8,
W	weniger als 1,
Co	Rest.

Bei jeder der vorgehenden Zusammensetzung können andere Elemente, wie Mn, Si, Ni und Fe, als Verunreinigungen oder als absichtliche Zusätze vorhanden sein, um die Warmwalzeigenschaften zu verbessern. Die maximale Menge dieser Elemente in Kombination wird vorzugsweise unter 10 Gewichts% gehalten und noch mehr bevorzugt unter 7 Gewichts%.

Karbid-bildende Elemente, wie Ta, Nb, V und Ti, können ebenfalls zur Verbesserung des Abtragwiderstandes hinzugefügt werden, in Mengen, die insgesamt unter 6% liegen.

Die Legierungen nach der Erfindung werden warmgewalzt oder anderweitig geschmiedet. Dies stattet sie mit einer zähen Mikrostruktur von größerer Zähigkeit, Streckgrenze, Dehnbarkeit und Schlagfestigkeit aus. Die Legierungen werden beispielsweise zu einem langen Blech oder einer langen Platte warmgewalzt, und anschließend werden aus der gewalzten Form die einzelnen Einsätze für Schneidwerkzeuge durch ein Laserschneiden o.ä. ausgeschnitten. Die hierdurch gebildeten Einsätze können aus jeglicher Formenvielfalt von Schneideneinsätzen, Schablonenfräsern, Stoßmessern, Fräsmessern etc. geformt werden, für das Schneiden von Holz und für andere Schneideinsätze, wie z.B. Einsätze zum Schneiden von optischen Fasern. Bei der metallographischen Prüfung, wie in den 1 und 2, ist zu beobachten, daß die Legierung eine band- oder streifenförmig Struktur hat, bei der viele große Körner zwischen einer Anzahl von wesentlich kleineren Körnern eingestreut sind und eine Vielzahl von Zwillingsbildungen aufweist. Insbesondere sind mindestens 20% des Legierungsvolumens aus Körnern zusammengesetzt, die eine Korngröße von mehr als 20 Mikron haben, und mindestens 20% des Legierungsvolumens besteht aus Körnern mit einer Korngröße von weniger als ca. 5 Mikron. Es ist eine zweite Phase (A) und eine zufällige dritte Phase (B) innerhalb der zweiten Phase vorhanden. Es gibt große Körner ohne Anwesenheit von Karbiden. Es wird angenommen, daß diese Kombination in der Mikrostruktur die einzigartigen Eigenschaften der Erfindung bringt.

Beispiel 1
Die folgende Tabelle vergleicht die chemischen Zusammensetzungen der Legierungen A bis C der Erfindung mit auf Kobalt basierenden Legierungen nach dem Stand der Technik:
Die Legierungen A, B und C haben keine absichtlichen Zugaben von Wolfram. Da Wolfram-Atome relativ groß sind, ist der Wolframanteil minimiert, um die inneren Spannungen zu minimieren, die durch die großen Wolfram-Atome verursacht werden, welche dazu neigen, in fester Lösung zu bleiben, anstatt Wolfram-Karbid zu bilden aufgrund der trägen Diffusionsrate von Wolfram. Es wurde festgestellt, daß die Zugabe von Molybdän in Legierung A die Bildung von Molybdän-Karbid-Partikeln fördert, um die Abriebfestigkeit zu verbessern und den Korrosionswiderstand, insbesondere in säurehaltigen Umgebungen mit reduzierender Natur.
Beispiel 2
Ein Block der Legierung A wurde erfolgreich zu Platten von 4 mm Dicke warmgewalzt. Es wurden Korrosions- und Abriebtests durchgeführt, um die Legierung A mit Stellite 6K zu vergleichen. Die Gewichtsverluste in Millimetern pro Jahr sind unten dargestellt:
Die obigen Ergebnisse zeigen, daß die Legierung A einen besseren Korrosionswiderstand als Stellite 6K in allen getesteten korrosiven Medien hat.
Beispiel 3
Es wurde auch der Abriebwiderstand getestet unter Verwendung des Standards ASTM G65, Verfahren B, um die Legierung A mit Stellite 6K und einem gehärteten D2 Werkzeugstahl zu vergleichen. Der D2 Werkzeugstahl hat folgende Zusammensetzung: C 1,55, Cr 11,5, Mo 0,9, V 0,8 und Rest Eisen. Bei diesen Tests wurde die Legierung A Abriebverlusten von 6,8 mm³/2000 Umdrehungen gegenüber 13,3 mm³ für Stellite 6K und 12 mm³ für Werkzeugstahl D2 ausgesetzt. Es wurde daher festgestellt, daß die Legierung A eine signifikante Verbesserung des Abriebwiderstandes im Vergleich zu Stellite 6K hat. Im Vergleich mit Werkzeugstahl D2, der eine große Härte von HRC 60 hat, ist die Legierung A ebenfalls signifikant abriebfester.
Da bei den obigen Ausführungsbeispielen viele Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, wird darauf hingewiesen, daß alle in der obigen Beschreibung enthaltenen Gegenstände als illustrativ, aber nicht einschränkend interpretiert werden sollen.

Claims

Eine auf Kobalt basierende Legierung für Einsätze industrieller Schneidwerkzeuge mit geschmiedeter Mikrostruktur, verbesserter Korrosionsfestigkeit und Verschleißbeständigkeit, die in Gewichtsprozent aus C 0,5-2,5, Cr 25-35, Mo 3-15, W nicht mehr als 1, Ta + Nb + V + Ti bis zu 6, Mn + Si + Ni + Fe nicht mehr als 10 und Co sowie üblichen Verunreinigungen besteht.
Legierung nach Anspruch 1, die kein W enthält.
Legierung nach Anspruch 1, bei der Körner von einer Korngröße größer als 20 Mikron mindestens 20% des Legierungsvolumens ausmachen, und Körner mit einer Korngröße kleiner als 5 Mikron mindestens 20% des Legierungsvolumens ausmachen.
Legierung nach Anspruch 3, bei der die Mikrostruktur durch Zeilenbildung und zufällige Zwillingsbildung gekennzeichnet ist.
Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus Folgendem, in Gewichtsprozent: C 1, 0-2,0, Cr 27-32, Mo 3-8, W nicht mehr als 1, Ta + Nb + V + Ti bis zu 6, Mn + Si + Ni + Fe nicht mehr als 10 und Co sowie üblichen Verunreinigungen.
Legierung nach Anspruch 5, die kein W enthält.
Auf Kobalt basierende Legierung für Einsätze industrieller Schneidwerkzeuge zur Verwendung in säurehaltigen Umgebungen mit reduzierender Natur, wobei die Legierung eine geschmiedete Mikrostruktur hat und, in Gewichtsprozent, Folgendes enthält: C 0,5-2,5, Cr 25-35, Mo 3-15, W nicht mehr als 1, Ta + Nb + V + Ti bis zu 6, Mn + Si + Ni + Fe nicht mehr als 10 und Co sowie übliche Verunreinigungen.
Legierung nach Anspruch 7, bei der Körner mit einer Korngröße von größer als 20 Mikron mindestens 20% des Legierungsvolumens und Körner mit einer Korngröße kleiner als 5 Mikron mindestens 20% des Legierungsvolumens ausmachen.
Legierung nach Anspruch 8, bei der die Mikrostruktur durch Zeilenbildung und zufällige Zwillingsbildung charakterisiert ist.
Legierung nach Anspruch 9, die eine Abriebfestigkeit von weniger als ca. 10 mm³/2000 Umdrehungen beim ASTM Standard G65, Verfahren B, aufweist.
Auf Kobalt basierende Legierung für Einsätze industrieller Schneidwerkzeuge zur Bildung von Einsätzen industrieller Schneidwerkzeuge zum Schneiden von optischen Fasern, wobei die Legierung eine geschmiedete Mikrostruktur, einen verbesserten Widerstand gegen Chlor-Korrosion aufweist und, in Gewichtsprozent, enthält: C 0,5-2,5, Cr 25-35, Mo 3-15, W nicht mehr als 1, Ta + Nb + V + Ti bis zu 6, Mn + Si + Ni + Fe nicht mehr als 10 und Co sowie übliche Verunreinigungen, wobei die Mikrostruktur durch Zeilenbildung und zufällige Zwillingsbildung charakterisiert ist, wobei Körner mit einer Korngröße von mehr als 20 Mikron mindestens 20% des Legierungsvolumens und Körner mit einer Korngröße von kleiner als 5 Mikron mindestens 20% des Legierungsvolumens bilden.
Einsatz für industrielle Schneidwerkzeuge, der aus einer Legierung mit geschmiedeter Mikrostruktur hergestellt ist, einen verbesserten Korrosionswiderstand und Verschleißwiderstand hat und, in Gewichtsprozent, enthält: C 0,5-2,5, Cr 25-35, Mo 3-15, W nicht mehr als 1, Ta + Nb + V + Ti bis zu 6, Mn + Si + Ni + Fe nicht mehr als 10 und Co sowie übliche Verunreinigungen.
Einsatz für industrielle Schneidwerkzeuge nach Anspruch 12, bei der die Legierungs-Mikrostruktur durch Zeilenbildung und zufällige Zwillingsbildung charakterisiert ist und Körner mit einer Korngröße von mehr als 20 Mikron mindestens 20% des Legierungsvolumens und Körner mit einer Korngröße von weniger als 5 Mikron mindestens 20% des Legierungsvolumens ausmachen.
Einsatz für industrielle Schneidwerkzeuge nach Anspruch 12, bei dem die Legierung, in Gewichtsprozent, Folgendes enthält: C 1,0-2,0, Cr 27-32, Mo 3-8, W nicht mehr als 1, Ta + Nb + V + Ti bis zu 6, Mn + Si + Ni + Fe nicht mehr als 10 und Co sowie übliche Verunreinigungen.