DE102005020081A1

DE102005020081A1 - Pulvermetallurgisch hergestellter, verschleißbeständiger Werkstoff

Info

Publication number: DE102005020081A1
Application number: DE102005020081A
Authority: DE
Inventors: Hans Prof. Dr.-Ing. Berns; Werner Prof. Dr. Theisen; Andreas Dr. Packeisen
Original assignee: Koppern Entwicklungs-Gmbh; Koeppern Entwicklungs GmbH
Current assignee: Koppern Entwicklungs-Gmbh; Koeppern Entwicklungs GmbH
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2006-11-09
Also published as: US20130084462A1; DK1882050T3; WO2006117186A3; EP1882050A2; SI1882050T1; WO2006117186A2; EP1882050B1; US20080253919A1; WO2006117030A1; US9410230B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen verschleißbeständigen Werkstoff aus einer Legierung mit der chemischen Zusammensetzung: 1,5-5,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1-2,0 Gew.-% Silizium, max. 2,0 Gew.-% Mangan, 3,5-30,0 Gew.-% Chrom, 0,3-10 Gew.-% Molybdän, 0-10 Gew.-% Wolfram, 0,1-30 Gew.-% Vanadium, 0-12 Gew.-% Niob, 0-12 Gew.-% Titan, 1,0-6,0 Gew.-% Nickel, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei der Gehalt an Kohlenstoff folgende Bedingung erfüllt: DOLLAR A C¶Legierung¶ [w %] = S1 + S2 + S3 DOLLAR A mit S1 = (Nb + Ta + 2(Ti + V - 0,9))/a, S2 = (Mo + W/2 + Cr - b)/5, S3 = c + (T¶H¶ - 900) È 0,0025, wobei 7 < a < 9, 6 < b < 8, 0,3 < c < 0,5 und 900 DEG C < T¶H¶ < 1220 DEG C. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des verschleißbeständigen Werkstoffes.

Description

Die Erfindung betrifft einen pulvermetallurgisch hergestellten, verschleißbeständigen Werkstoff aus einer Legierung, sowie ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffes, dessen Verwendung und ein Pulvermaterial.
Verschleißbeständige Legierungen auf der Basis von Eisen sind weit verbreitet im Einsatz. Hierbei wird der Verschleißwiderstand aus der Härte der martensitischen Metallmatrix und dem Gehalt an harten Karbiden, Nitriden oder Boriden der Elemente Chrom, Wolfram, Molybdän, Vanadium, Molybdän, Niob oder Titan erzielt. Zu dieser Gruppe zählen Kalt- und Schnellarbeitsstähle ebenso wie weiße Gusseisen und Hartauftragschweißlegierungen.
Im Bemühen um feine Karbide, deren homogene Verteilung und hohe Gehalte, zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit, wurden pulvermetallurgische Stahllegierungen entwickelt. Das Ausgangspulver dieser Werkstoffe ist ein legiertes Pulver, das durch Verdüsen einer Schmelze erzeugt wird. Üblicherweise werden derartige Pulver in dünne Blechkapseln gefüllt, die nach dem Evakuieren und Dichtschweißen in speziellen Autoklaven unter Verwendung der heißisostatischen Presstechnik (HIP) bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes und bei einem isostatischen Gasdruck von bis zu 2.000 bar zu einem dichten Körper kompaktiert werden. Durch anschließendes Warmumformen (Schmieden oder Walzen) werden die kompaktierten Kapseln zu Halbzeugen aus Werkzeugstahl umgearbeitet, die in unterschiedlichen Abmessungen auf dem Markt erhältlich sind. Aus diesen Halbzeugen werden im allgemeinen Werkzeuge gefertigt, die durch eine als Härten bekannte Wärmebehandlung ihre Gebrauchshärte erhalten. Das Härten besteht aus einem Austenitisieren und Abkühlen mit solch einer Geschwindigkeit, dass überwiegend hartes Martensitgefüge gebildet wird. Mit zunehmender Wanddicke des Werkstückes wird die dazu erforderliche Abkühlgeschwindigkeit im Kern nicht mehr erreicht und die hohe Härte des Martensits kann nur bis in einer gewissen Tiefe des Werkstückes eingestellt werden. Sie wird als Einhärtungstiefe bezeichnet. In diesem Fall ist der Kern nicht durchgehärtet.

Es sind eine Vielzahl von Pulverzusammensetzungen für verschleißbeständige Werkstoffe bekannt, diese reichen im Hinblick auf ihre Durchhärtbarkeit jedoch für dickwandi ge Verbundteile im allgemeinen nicht aus. Beispielhaft seien hier ein Stahlmatrix-Hartstoff-Verbundwerkstoff genannt, offenbart in der DE 3508982 , sowie ein pulvermetallurgisch hergestelltes Stahlerzeugnis mit hohem Vanadiumkarbidanteil, wie in der DE 2937724 sowie der EP 0515018 beschrieben.

Die HIP-Technik kann nicht nur bei der Herstellung von Halbzeugen aus pulvermetallurgisch hergestelltem Stahl eingesetzt werden, sondern eignet sich auch zum Aufbringen einer aus Pulver hergestellten Schicht mit einer Dicke im mm- bis cm-Bereich auf einem kostengünstigen, meist zähen Stahlsubstrat. Diese im englischen Sprachraum als HIP-Cladding bezeichnete Technologie wird zunehmend verbreiteter zur Herstellung von stark verschleißbeanspruchten Bauteilen verwendet, die in der Aufbereitungstechnik und der Polymerverarbeitung Anwendung finden. Als verschleißbeständige Schichtwerkstoffe kommen hierbei u.a. verdüste Stahlpulver zur Anwendung, denen mit Blick auf einen hohen Verschleißwiderstand teilweise noch Hartstoffpulver zugesetzt werden. Auf diese Weise lassen sich heute bereits Werkstücke mit extrem verschleißbeständigen Schichten versehen, die herkömmliche, nicht auf dem pulvermetallurgischen Wege hergestellte Verschleißbauteile in der Lebensdauer um ein Vielfaches übertreffen. Neue HIP-Anlagen werden für immer größere Bauteile hergestellt, die somit auch in ihrer Wandstärke größer werden. Daraus erwächst für die nach dem Hippen notwendige Wärmebehandlung großwandiger Verbundbauteile das Problem der mangelnden Einhärtung.

Ziel dieser Wärmebehandlung ist die martensitische Durchhärtung des Schichtwerkstoffes, der im Betrieb weitgehend durch Verschleiß aufgezehrt wird und deshalb durchgängig hart sein muss. Wegen der großen Riss- und Verzuggefahr bei hartstoffhaltigen Legierungen und schroffer Abkühlung in Wasser oder Öl scheiden diese Abkühlmedien insbesondere bei dicken Wandstärken wegen der damit verbundenen hohen thermischen Spannungen aus. Es werden daher Schichtwerkstoffe gefordert, die auch bei langsamer Abkühlung großer Verbundbauteile, z.B. an Luft, in Vakuumöfen mit Stickstoffdruck < 6 bar oder in der HIP-Anlage durchgreifend in die harte, für einen hohen Verschleißwiderstand notwendige, Martensitphase übergeführt werden können. Die heute bekannten Stahlpulver sind zu diesem Zweck ungeeignet, da sie für Halbzeuge und Werkstücke kleinerer Wandstärken optimiert wurden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung Legierungen für die Herstellung von Werkstoffen bereitzustellen, die es ermöglichen, dass ihre Matrix auch bei sehr langsamer Abkühlung in den harten verschleißbeständigen Martensit übergeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen verschleißbeständigen Werkstoff gelöst, aus einer Legierung mit der chemischen Zusammensetzung: 1,5–5,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1–2,0 Gew.-% Silizium, max. 2,0 Gew.-% Mangan, 3,5–30,0 Gew.-% Chrom, 0,3–10 Gew.-% Molybdän, 0–10 Gew.-% Wolfram, 0,1–30 Gew.-% Vanadium, 0–12 Gew.-% Niob, 0–12 Gew.-% Titan, 1,0–6,0 Gew.-% Nickel, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei der Gehalt an Kohlenstoff folgende Bedingung erfüllt: CLegierung [w %] = S1 + S2 + S3mit S1 = (Nb + Ta + 2(Ti + V – 0,9))/a, S2 = (Mo + W/2 + Cr – b)/5, S3 = c + (T_H – 900) 0,0025, wobei 7 < a < 9,6 < b < 8, 0,3 < c < 0,5 und 900°C < T_H < 1220°C. Hierbei ist T_H die Härtetemperatur.

Entscheidend für das Erreichen des martensitischen Gefüges auch bei langsamer Abkühlung ist der Legierungsgehalt in der Metallmatrix. Prinzipiell wirken sich alle in der Metallmatrix gelösten Legierungselemente günstig aus, die in den nachfolgend gezeigten ZTU-Schaubildern die „Perlitnase" nach rechts verschieben. Dazu gehören neben dem Kohlenstoff die Elemente Chrom, Molybdän, Vanadium, vor allem aber auch Nickel, das aus diesem Grund in den erfindungsgemäßen Legierungen Verwendung findet. Zwar ist die austenitstabilisierende Wirkung von Nickel bekannt, jedoch hat es in nennenswerten Gehalten keinen Eingang in die bisher bekannten PM-Legierungen gefunden. Das Einstellen eines gewünschten Nickelgehaltes in der Metallmatrix ist relativ einfach, da sich Nickel nicht an der für einen hohen Verschleißwiderstand notwendigen Karbidbildung beteiligt. Wegen der Anwesenheit der aus der Schmelze ausgeschiedenen Karbide ist der Nickelgehalt in der Matrix etwas höher als in der Legierung. Der Nickelgehalt wirkt hauptsächlich in der Metallmatrix und erweitert mit zunehmendem Gehalt das Austenitgebiet. Es kann davon ausgegangen werden, dass der Nickelgehalt in der Metallmatrix je Volumenprozent an Karbid um 0,025 wt% oberhalb des Gehaltes an Nickel in der Legierung liegt. Die austenitstabilisierende Wirkung des Nickels ermöglicht es, die Legierungen auch bei sehr langsamer Abkühlung in den harten verschleißbeständigen Martensit zu überführen.

Da neben dem Nickelgehalt für die Austenitstabilisierung insbesondere der Kohlenstoff von Bedeutung ist, gerade der aber in verschiedenen Karbidtypen in unterschiedlichen Gehalten gebunden wird, muss er mit Blick auf die gewünschte Härtbarkeit mit den übrigen Legierungselementen in Beziehung gesetzt werden. Dabei steht der in den Summanden S1 und S2 berechnete C-Gehalt für den Anteil an Kohlenstoff, der in den verschiedenen Karbidtypen unauflösbar gebunden wird.

Der Summand S3 repräsentiert einen Anteil an Kohlenstoff, der bei ausreichendem Molybdängehalt in der Legierung über die Wahl der Austenitisierungstemperatur in der Metallmatrix gelöst werden kann. Mit Zunahme der Härtetemperatur werden mehr molybdänhaltige Karbide aufgelöst. Dadurch wird der Austenit reicher an Molybdän und Kohlenstoff, die das Austenitgebiet erweitern und dadurch die kritische Abkühlgeschwindigkeit erhöhen.

Da die Karbidbildung mit den Elementen Cr, Mo, V und W jeweils in einer gewissen Bandbreite funktioniert, wurden die Faktoren a, b und c eingeführt.

Die Dimensionierung der anderen genannten Elemente, die die „Perlitnase" im ZTU-Schaubild nach rechts verschieben, ist sehr viel komplexer, da ein Teil von ihnen einerseits in nicht mehr auflösbaren aus der Schmelze ausgeschiedenen Karbiden, ein anderer Teil in beim Härten wiederauflösbare Karbide abgebunden wird.

Der erfindungsgemäße Werkstoff kann kostengünstig durch bekannte Maßnahmen gehärtet werden, wobei auch dickwandige Bauteile ohne erhöhte Kosten durchgehärtet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Anteil an Vanadium in der Legierung des verschleißbeständigen Werkstoffes weniger als 11,5 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 9,5 Gew.-%, besonders bevorzugt unter 6,0 Gew.-% betragen. Hierbei ist besonders bevorzugt, wenn der Volumenanteil des Vanadiumcarbids in der Legierung weniger als 18,5 Vol.-% beträgt. Entsprechende Bereiche haben sich bei der Ausübung der Erfindung als besonders geeignet erwiesen.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Legierung des verschleißbeständigen Werkstoffes 2,0–2,5 Gew.-% Kohlenstoff, max. 1,0 Gew.-% Silizium, max. 0,6 Gew.-% Mangan, 12,0–14,0 Gew.-% Chrom, 1,0–2,0 Gew.-% Molybdän, 1,1–4,2 Gew.-% Vanadium, 2,0–3,5 Gew.-% Nickel, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen umfassen. Diese spezifische Zusammensetzung hat sich in der Praxis als besonders geeignet erwiesen.

Vorteilhafterweise kann die Legierung zusätzlich 1–6 Gew.-% Co aufweisen.

Vorteilhafterweise kann der Anteil an Nickel zwischen 2,0 und 3,5 % betragen. In der Praxis hat sich erwiesen, dass ein entsprechender Nickelgehalt insbesondere bei der Abschreckung des Werkstoffes an ruhender Luft besonders geeignet ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Ni-Gehalt zwischen 1,3 und 2,0 % betragen. Eine Legierung mit einem entsprechenden Anteil an Nickel eignet sich insbesondere für die Abkühlung durch Gas ≤ 6 bar. Für höhere Abschreckdrücke eignet sich ein Ni-Gehalt von 1,0 bis 1,3%.

Ferner kann der Ni-Gehalt zwischen 3,5 und 6,0 % liegen, wobei sich eine Legierung mit der entsprechenden Zusammensetzung vorzugsweise für die Abkühlung in der HIP-Anlage eignet.

Vorteilhafterweise kann der verschleißbeständige Werkstoff die Bedingung C_Legierung [w %] = S1 + S2_K + S3 erfüllen, wobei S2_K = (Mo + W/2 + Cr – b – 12)/5 mit 6 < b < 8 und Cr > 12. Diese Bedingung kann insbesondere in dem Fall eingesetzt werden, dass eine korrosionsbeständige Legierung gewünscht wird. Hierbei ist eine Voraussetzung, dass in der Metallmatrix ein Mindest-Chromgehalt von 12 % gelöst ist. In diesem Fall wird für den Summanden S2 der obigen Gleichung der Summand S2_K eingesetzt, welcher den notwenigen Chromgehalt berücksichtigt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der verschleißbeständige Werkstoffe durch ein Verfahren hergestellt werden, wobei zunächst eine Schmelze hergestellt wird und die Schmelze durch eines der folgenden Verfahren weiterverarbeitet wird: Ver düsen der Schmelze zu einem Pulver oder Sprühkompaktieren der Schmelze. Der erfindungsgemäße Werkstoff kann folglich durch verschiedene Verfahren hergestellt werden und ermöglicht so einerseits die Herstellung von Pulvern und andererseits durch Einsatz der Sprühkompaktierung die Herstellung der unterschiedlichsten Halbzeuge, wie auch Endprodukte.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform umfasst ein Herstellungsverfahren, bei welchem zunächst eine Schmelze gebildet und anschließend zu einem Halbzeug gegossen wird und wobei das Halbzeug zur Erzeugung von Spänen und/oder Pulver weiterverarbeitet wird.

Vorteilhafterweise kann das Pulver bei hohem Druck und/oder erhöhter Temperatur zu einem Halbzeug oder Endprodukt kompaktiert werden. Auch hier bieten sich eine Vielzahl möglicher Kompaktierverfahren an, hierbei wird beispielhaft kaltisostatisches Pressen, uniaxiales Pressen, Strangpressen, Pulverschmieden, heißisostatisches Pressen, Diffusionslegieren und Sintern genannt. In der Praxis ist es somit möglich, ein geeignetes Verfahren ohne Beschränkung auszuwählen um ein Endprodukt herzustellen.

Vorteilhafterweise kann das Pulver auch durch thermisches Spritzen weiterverarbeitet werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Halbzeug oder ein Endprodukt auf die Härtetemperatur erwärmt und anschließend abgeschreckt werden. Hierbei kann zum Abschrecken ein Verfahren gewählt werden aus der Gruppe umfassend: Abschrecken in einem Öl-, Salz- oder Polymerbad, Abschrecken in einem Wirbelbett oder Sprühnebel, Nieder- und Hochdruckgasabschreckung.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann das Halbzeug oder ein Endprodukt auf die Härtetemperatur erwärmt und anschließend abgekühlt werden. Zu den bevorzugten Verfahren zur Abkühlung zählen hierbei, Abkühlung an leicht bewegter Luft, Abkühlung an ruhender Luft, Ofenabkühlung unter Normalatmosphäre oder Schutzgas, Abkühlung in einer HIP-Anlage.

Das Abschrecken bzw. Abkühlen dient hierbei in erster Linie zum Zwecke der Härtung.

Vorteilhafterweise kann die Abkühlung durch eine isotherme Haltestufe unterbrochen werden (unterbrochene Härtung).

Bevorzugt kann im Anschluß an die Abkühlung von der Härtetemperatur ein ein- oder mehrmaliges Anlassen in dem Temperaturbereich von 150–750°C durchgeführt werden, um so eine gewünschte Eigenschaftskombination von Härte und Zähigkeit zu erzielen.

Gemäß eines weiteren bevorzugten Verfahrens kann ein definierter Restaustenitgehalt von 20% bis 80% eingestellt werden. Der Restaustenitgehalt kann hierbei durch Wärmebehandlungen eingestellt werden.

Gemäß einer bevorzugten Verwendung, wird der erfindungsgemäße Werkstoff als Pulver eingesetzt. In der Form eines Pulvers kann der Werkstoff durch eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren in eine gewünschte Halbzeugform oder Endform überführt werden. Hierzu zählt auch die Einsatzform als ein Schichtbestandteil von Verbundbauteilen, insbesondere auch als Matrixpulver für Hartstoff-Metallmatrix-Verbunde (Metal Matrix Composites).

Ein Einsatzbereich ist die Verwendung des verschleißbeständigen Werkstoffes zur Herstellung von Voll- und Hohlwalzen. Entsprechende Walzen können unter anderem zum Zwecke der Zerkleinerung, Brikettierung und Kompaktierung von natürlichen, chemischen oder mineralischen Aufgabegütern eingesetzt werden, insbesondere von Zementklinker, Erz und Gestein. Ferner können entsprechende Walzen auch zum Zwecke des Bewegens und Transportierens verschleißfördernder Produkte eingesetzt werden, insbesondere von metallischen Walz- und Schmiedeerzeugnissen.

Noch ein anderer Einsatzbereich ist die Verwendung des verschleißbeständigen Werkstoffes zur Herstellung von Ringen, welche auf vollen oder hohlen Walzenkörpern angeordnet werden. In diesem Fall besteht nicht die ganze Walze, sondern nur eine Außenschicht aus dem verschleißbeständigen Werkstoff. Entsprechende Walzen können in dem gleichen Aufgabenbereich wie oben angeführt eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise können volle oder segmentierte Ringe aus dem verschleißbeständigen Werkstoff durch Aufschrumpfen auf vollen oder hohlen Walzen angeordnet werden. Dies ist ein in der Praxis bewährtes Verfahren zur Aufbringung der Ringe.

Vorteilhafterweise kann der verschleißbeständige Werkstoff zur Herstellung von dickwandigen oder kompakten Bauteilen verwendet werden. Entsprechende Bauteile können unter anderem auf dem Gebiet des Verschleißschutzes in der Gewinnung und Verarbeitung sowie dem Transport natürlicher, chemischer oder mineralischer Güter, sowie metallischer Güter, polymerer Güter, sowie keramischer Güter eingesetzt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Pulver zur Herstellung eines verschleißbeständigen Werkstoffes, mit folgender chemischer Zusammensetzung:
1,5–5,5 Gew.-% Kohlenstoff
0,1–2,0 Gew.-% Silizium
max.–2,0 Gew.-% Mangan
3,5–30,0 Gew.-% Chrom
0,3–10 Gew.-% Molybdän
0–10 Gew.-% Wolfram
0,1–30 Gew.-% Vanadium
0–12 Gew.-% Niob
0–12 Gew.-% Titan
1,0–6,0 Gew.-% Nickel

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei der Gehalt an Kohlenstoff folgende Bedingung erfüllt: CLegierung [w %] = S1 + S2 + S3 mit: S1 = (Nb + Ta + 2(Ti + V – 0,9))/a S2 = (Mo + W/2 + Cr – b)/5 S3 = c + (TH – 900)·0,0025 wobei
7 < a < 9
6 < b < 8
0,3 < c < 0,5
900°C < T_H < 1220 °C.

Vorteilhafterweise kann das Pulver als Halbzeug verwendet werden. Hierdurch wird unter anderem ermöglicht, dass ein Abnehmer das Halbzeug in die gewünschte Endform überführt.

Ein weiterer Einsatzbereich ist die Verwendung des Pulvers in Pulverform oder als Halbzeug als Schichtwerkstoff oder Schichtbestandteil von Verbundbauteilen.

Noch ein weiterer Einsatzbereich ist die Verwendung des Pulvers als Matrixpulver für Hartstoff-Metallmatrix-Verbundelemente. Entsprechende Hartstoff-Metallmatrix-Verbundelemente eignen sich insbesondere für die Herstellung von Halbfabrikaten und Verbundbauteilen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung erläutert, diese soll jedoch den Umfang der Erfindung nicht beschränken.
Es zeigt
1a und 1b Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubilder einer erfindungsgemäßen Legierung (PM1) sowie eines kommerziell erhältlichen PM-Stahles
2 Härte-Anlasstemperaturen einer erfindungsgemäßen Legierung (PM1) sowie eines kommerziell erhältlichen PM-Stahles (X230 CrVMo 13-4)
3a das Gefüge eines kommerziell erhältlichen PM-Stahles (X230CrVMo 13-4)
3b ein Gefügebild einer erfindungsgemäßen Legierung (PM).
Die Wärmebehandlungscharakteristik härtbarer Stähle und Legierungen wird im allgemeinen anhand von Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubildern (ZTU-Schaubilder) beurteilt. Das in 1 dargestellte ZTU-Schaubild dient zum Vergleich einer erfindungsgemäßen Legierung mit einem handelsüblichen pulvermetallurgischem Stahl mit der Zusammensetzung X230CrVMo 13-4 (Werkstoff Nr. 1.2380). Da die Martensitbildung für die genannte Werkstoffgruppe unabdingbar ist, muss die Abkühlung von der Härtetemperatur (hier 1.050°C) so schnell erfolgen, dass im Schichtwerkstoff die weichen Gefügephasen Ferrit und Perlit vermieden werden. Aus diesem Grund gilt der Abkühlgeschwindigkeit erhöhte Aufmerksamkeit, die in der Wärmebehandlungstechnik durch die Abkühlzeit von 800°C auf 500°C beschrieben wird. Durch die Division der Abkühlzeit (in Sekunden) durch 100, wird der Abkühlparameter λ gebildet, der für einige Abkühlkurven in 1 als Zahlenwert notiert ist.
Dem in 1a dargestellten ZTU-Schaubild für den Stahl X230CrVMo 13-4 ist zu entnehmen, dass in einem Bauteil nur in den Bereichen, in denen der Abkühlparameter λ < 9 ist, die für einen hohen Verschleißwiderstand notwendige hohe Härte erzielt werden kann. So liefert beispielsweise eine Abkühlung mit λ = 55 eine Härte von nur 345 HV30, eine solche Härte ist jedoch für Anwendungen als Werkzeug völlig unzureichend. Da λ im Inneren dickwandiger Bauteile größer ist als am Rand, und zudem vom Abkühlmedium abhängt, wird die Durchhärtbarkeit von Stahl häufig am Beispiel zylindrischer Körper beschrieben. Für diese einfache Geometrie ist der Wärmeübergang beim Abschrecken in verschiedenen Medien (Luft, Öl, Wasser) bekannt, so dass λ-Werte für das Innere der Zylinder angegeben werden können. Mit λ = 9 als Grenzwert für die kritische Abkühlgeschwindigkeit für den pulvermetallurgischen Stahl X230CrVMo 13-4 kann dieser Stahl unter den in der nachfolgenden Tabelle 1 genannten Randbedingungen durchgehärtet werden. Die Tabelle enthält keine Angaben zur Wasserabschreckung, da diese technisch wegen der zu erwartenden Härterisse infolge zu schroffer Abkühlung nicht infrage kommt.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Legierung und insbesondere der Zugabe von Nickel und Molybdän kann anhand des ZTU-Schaubildes in 1 b beschrieben werden, das für eine Legierungvariante PM1 mit 12,5 % Cr, 3 % Ni, 1,5 % V, 2 % Mo, 2,5 % C, Rest Eisen (X250CrNiVMo 13-3-2-2) bestimmt wurde. Im Vergleich zum her kömmlichen Nickelfreien Stahl X230CrVMo 13-4 ist das Perlitfeld durch die Nickel- und Molybdänzugabe auf der logarithmisch dargestellten Zeitachse weit nach rechts und der Beginn der martensitischen Umwandlung (Martensit-Start-Temperatur) nach unten verschoben worden. Die Zugabe von Nickel und Molybdän führt in Verbindung mit hoher Härtetemperatur zur Zunahme an Restaustenit, da die Martensit-Finish-Temperatur tiefer unter Raumtemperatur gedrückt wird.
Dadurch ergeben sich wärmebehandlungstechnische Vorteile, die mit herkömmlichen pulvermetallurgischen Legierungen bisher nicht zu erzielen sind. Die den Abkühlkurven zugeordneten Härtewerte belegen, dass mit der hier beispielsweise gezeigten Legierung das weiche, perlitische Gefüge zum Beispiel bei λ = 55 vermieden werden kann. 1 b weist für eine derartige Abkühlung der Legierung PM1 eine Makrohärte zwischen 763 und 814 HV30 auf, im Vergleich zu der Härte des herkömmlichen pulvermetallurgischen Stahles von nur 345 HV30. Folglich können auch erheblich größere Schicht- bzw. Wandstärken auch an Luft durchgehärtet werden, ohne dass auf schroffe Abschreckmittel zurückgegriffen werden muss (Tabelle 1). Die heutzutage häufig eingesetzte Vakuumhärtung mit Druckgasabschreckung kann durch die deutlich kostengünstigere und zudem sichere Abkühlung an ruhender Luft ersetzt werden.
Darüber hinaus eröffnen die erfindungsgemäßen Legierungen bei Anwendung der HIP-Technologie die Möglichkeit, selbst dickwandige Bauteile bei der üblicherweise vorliegenden langsamen Abkühlung von HIP-Temperatur (λ ca. 130) martensitisch zu härten (siehe 1b). Durch diese Maßnahme kann der Prozess der anschließenden teueren Vakuumhärtung vollständig eingespart werden. Da die Abkühlung in vielen HIP Anlagen auch unter Druck erfolgen kann, kann der mit dem Hartphasengehalt steigenden Rissgefahr zusätzlich durch isostatischen Druck entgegengetreten werden.
Mit Chrom, Vanadium und Molybdän legierte Stähle ausreichenden C-Gehaltes können beim Anlassen oberhalb von 500°C sekundär gehärtet werden. Dies ermöglicht die Umwandlung des verbliebenen Restaustenits durch mehrmaliges Anlassen im Bereich des Sekundärhärtemaximums.
In diesem Zusammenhang sind in 2 Härte-Anlasskurven für den PM-Stahl X230CrVMo 13-4 und eine gemäß Anspruch 1 legierte Variante PM1 dargestellt. Während der handelsübliche pulvermetallurgische Stahl wegen der gewünschten schnellen Abkühlung mit λ < 9 in Öl gehärtet wurde, wurde der erfindungsgemäße Stahl PM1 mit einem λ von ca. 80 abgekühlt. Zwar ist hierbei die Ansprunghärte wegen hoher Restaustenitgehalte bei der erfindungsgemäßen Legierung etwas geringer als bei dem herkömmlichen Vergleichsstahl, jedoch wird durch mehrmaliges Anlassen im Bereich des Sekundärhärtemaximums und der damit verbundenen Restaustenitumwandlung und Sonderkarbidausscheidung die gleiche Härte wie bei dem herkömmlichen Stahl erreicht.
Da sich Nickel nicht an der Karbidbildung beteiligt und vollständig in der Metallmatrix gelöst wird, sind die Gefüge des herkömmlichen Ni-freien Stahles X230CrVMo 13-4 und der erfindungsgemäßen Legierung hinsichtlich Karbidtyp, -größe und -volumenanteil ähnlich. Entsprechende Gefüge des entsprechenden kommerziell erhältlichen Stahles und der erfindungsgemäßen Legierung sind in 3 dargestellt.
Tabelle 1: Maximal durchhärtbarer Durchmesser von zylindrischen Körpern in mm bei Abkühlung in Luft und Öl für einen kommerziell erhältlichen PM-Stahl und eine erfindungsgemäße Legierungsvariante für ausgewählte Abkühlparameter λ.

Claims

Verschleißbeständiger pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff aus einer Legierung mit der chemischen Zusammensetzung: 1,5–5,5 Gew.-% Kohlenstoff 0,1–2,0 Gew.-% Silizium max.–2,0 Gew.-% Mangan 3,5–30,0 Gew.-% Chrom 0,3–10 Gew.-% Molybdän 0–10 Gew.-% Wolfram 0,1–30 Gew.-% Vanadium 0–12 Gew.-% Niob 0–12 Gew.-% Titan 1,0–6,0 Gew.-% Nickel Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei der Gehalt an Kohlenstoff folgende Bedingung erfüllt: CLegierung [W %] = S1 + S2 + S3mit: S1 = (Nb + Ta + 2(Ti + V – 0,9))/a S2 = (Mo + W/2 + Cr – b)/5 S3 = c + (TH – 900)·0,0025wobei 7 < a < 9 6 < b < 8 0,3 < c < 0,5 900°C < T_H < 1220 °C.
Verschleißbeständiger Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Vanadium weniger als 11,5 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 9,5 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 6,0 Gew.-% beträgt.
Verschleißbeständiger Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung umfasst: 2,0–2,5 Gew.-% Kohlenstoff max. 1,0 Gew.-% Silizium max. 0,6 Gew.-% Mangan 12,0–14,0 Gew.-% Chrom 1,0–2,0 Gew.-% Molybdän 1,1–4,2 Gew.-% Vanadium 2,0–3,5 Gew.-% Nickel
Verschleißbeständiger Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich 1–6 Gew.-% Co aufweist.
Verschleißbeständiger Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzliche 0,3 bis 3,5 Gew.-% N aufweist.
Verschleißbeständiger Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Nickel zwischen 1,0 und 1,3 % beträgt.
Verschleißbeständiger Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Nickel zwischen 1,3 und 2,0 % beträgt.
Verschleißbeständiger Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Nickel zwischen 2,0 und 3,5 % beträgt.
Verschleißbeständiger Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Nickel zwischen 3,5 und 6,0 % beträgt.
Verschleißbeständiger Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung CLegierung [w %] = S1 + S2K + S3 erfüllt ist, wobei S2K = (Mo + W/2 + Cr – b – 12)/5 mit 6 < b < 8 und Cr > 12.
Verfahren zur Herstellung eines verschleißbeständigen Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Schmelze hergestellt wird und die Schmelze durch eines der folgenden Verfahren weiterverarbeitet wird: – Verdüsen der Schmelze zu einem Pulver, – Sprühkompaktieren der Schmelze.
Verfahren zur Herstellung eines verschleißbeständigen Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Schmelze hergestellt wird, die Schmelze zu einem Halbzeug gegossen wird und das Halbzeug zur Erzeugung von Pulverspänen weiterverarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver zu einem Halbzeug oder Endprodukt kompaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompaktierverfahren ausgewählt aus der Gruppe umfassend: kaltisostatisches Pressen, uniaxiales Pressen, Strangpressen, Pulverschmieden, heißisostatisches Pressen, Diffusionslegieren und Sintern.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver durch thermisches Spritzen weiterverarbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug oder ein Endprodukt auf die Härtetemperatur erwärmt und anschließend abgeschreckt wird.
Verfahren nach 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschrecken ein Verfahren gewählt wird aus der Gruppe umfassend: Abschrecken in einem Öl-, Salz- oder Polymerbad, Abschrecken in einem Wirbelbett oder Sprühnebel, Nieder- und Hochdruckgasabschreckung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug oder ein Endprodukt auf die Härtetemperatur erwärmt und anschließend abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug oder Endprodukt von der Härtetemperatur durch eines der folgenden Verfahren abgekühlt wird, Abkühlung an leicht bewegter Luft, Abkühlung an ruhender Luft, Ofenabkühlung unter Normalatmosphäre oder Schutzgas, Abkühlung in einer HIP-Anlage.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Abkühlung durch isothermes Halten unterbrochen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluß an die Abkühlung von der Härtetemperatur ein ein- oder mehrmaliges Anlassen in dem Temperaturbereich von 150–750°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein definierter Restaustenitgehalt von 20% bis 80% eingestellt wird.
Verwendung des verschleißbeständigen Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 11, zur Herstellung von Voll- und Hohlwalzen.
Verwendung des verschleißbeständigen Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 11, zur Herstellung von vollen oder segmentierten Ringen, welche auf vollen oder hohlen Walzenkörpern angeordnet werden.
Verwendung des verschleißbeständigen Werkstoffes nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe durch Aufschrumpfen auf vollen oder hohlen Walzen angeordnet werden.
Verwendung des verschleißbeständigen Werkstoffes nach einem der Ansprüche zur Herstellung von dickwandigen oder kompakten Bauteilen.
Pulver zur Herstellung eines verschleißbeständigen Werkstoffes, mit der folgenden chemischen Zusammensetzung: 1,5–5,5 Gew.-% Kohlenstoff 0,1–2,0 Gew.-% Silizium max.–2,0 Gew.-% Mangan 3,5–30,0 Gew.-% Chrom 0,3–10 Gew.-% Molybdän 0–10 Gew.-% Wolfram 0,1–30 Gew.-% Vanadium 0–12 Gew.-% Niob 0–12 Gew.-% Titan 1,0–6,0 Gew.-% Nickel Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei der Gehalt an Kohlenstoff folgende Bedingung erfüllt: CLegierung [w %] = S1 + S2 + S3mit: S1 = (Nb + Ta + 2(Ti + V – 0,9))/a S2 = (Mo + W/2 + Cr – b)/5 S3 = c + (TH – 900)·0,0025wobei 7 < a < 9 6 < b < 8 0,3 < c < 0,5 900°C < T_H < 1220 °C.
Verwendung des Pulvers nach Anspruch 27 als Halbzeug.
Verwendung des Pulvers nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug aus einem verarbeiteten Pulver hergestellt wird.
Verwendung des Pulvers nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug durch Sprühkompaktierung hergestellt wird.
Verwendung des Pulvers nach Anspruch 27 in Pulverform oder in Form eines Halbzeuges als Schichtbestandteil von Verbundbauteilen.
Verwendung des Pulvers nach Anspruch 27 als Matrixpulver für Hartstoff-Metallmatrix-Verbundelemente.