DE112018003966T5 - Werkzeugstahlartikel aus additivherstellung - Google Patents

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Abstract

In einem Aspekt werden hierin Verfahren zum Formen von Werkzeugartikeln aus Werkzeugstahlpulverzusammensetzungen mithilfe additiver Herstellungstechniken beschrieben. Verfahren zum Formen eines Werkzeugartikels umfasst das Verfestigen einer Pulverlegierung in dem Werkzeugartikel mithilfe einer additiven Herstellungstechnik und das Wärmebehandeln des Werkzeugartikels, um eine Härte des Werkzeugartikels von 35 bis 65 HRC bereitzustellen. Der Werkzeugartikel kann aus einer Legierungszusammensetzung geformt sein, die 0,2 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0 bis 1,5 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0 bis 15 Gew.-% Kobalt und mindestens zwei von Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium in einer kombinierten Menge von 5 bis 25 Gew.-% und das restliche Eisen umfasst. Wie hierin beschrieben, kann das Verfahren ferner das isostatische Heißpressen des Werkzeugartikels vor der Wärmebehandlung umfassen.

Description

  • VERWANDTE ANWENDUNGSDATEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht gemäß Artikel 8 des Patentkooperationsvertrags die Priorität der am 2. August 2017 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15 / 667,390 , auf die hiermit in vollem Umfang Bezug genommen wird.
  • FELD
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Artikel, die durch additive Fertigungstechniken hergestellt werden, und insbesondere Verfahren zur Herstellung von Werkzeugstahlartikeln durch additive Fertigungstechniken.
  • HINTERGRUND
  • Additive Fertigung (AM) umfasst im Allgemeinen Prozesse, bei denen digitale dreidimensionale (3D) Konstruktionsdaten verwendet werden, um einen Artikel oder eine Komponente durch Materialabscheidung und -verarbeitung in Schichten herzustellen. Es wurden verschiedene Techniken entwickelt, die unter den Begriff der Additivherstellung fallen. Die Additivherstellung bietet eine effiziente und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Artikeln basierend auf Formgebungsverfahren. Mit der Additivherstellung kann der erhebliche Zeit- und Kostenaufwand für den Werkzeug- und/oder Formenbau und andere Werkzeuge vermieden werden. Darüber hinaus sorgen additive Herstellungstechniken für einen effizienten Materialeinsatz, indem sie das Recycling im Prozess ermöglichen und keinen Einsatz von Formschmiermitteln und Kühlmitteln erfordern. Vor allem ermöglicht die Additivherstellung erhebliche Freiheiten bei der Artikelgestaltung. Artikel mit hochkomplexen Formen können ohne nennenswerte Kosten hergestellt werden, wodurch die Entwicklung und Auswertung einer Reihe von Artikelentwürfen vor der endgültigen Entwurfsauswahl ermöglicht wird.
  • Eine Vielzahl von Stählen wird in Werkzeuganwendungen eingesetzt. Beispielsweise sind geschmiedete Werkzeugstähle, die auf 50 bis 70 HRC gehärtet und/oder temperiert sind, bei Werkzeuganwendungen üblich. Die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften von Schmiedewerkzeugstählen können jedoch durch andere Werkzeugherstellungstechniken verloren gehen. Artikel, die mit pulvermetallurgischen Werkzeugstahlpulvern hergestellt werden, können beispielsweise dramatische Verringerungen der Härte, Zugfestigkeit, Zähigkeit und Dehnung aufweisen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • In einem Aspekt werden hierin Verfahren zum Formen von Werkzeugartikeln aus Werkzeugstahlpulverzusammensetzungen mittels additiver Herstellungstechniken beschrieben. In einigen Ausführungsformen weisen die Werkzeugartikel Eigenschaften auf, die mit geschmiedeten Werkzeugstählen vergleichbar sind, wodurch die Nachteile überwunden werden, die mit früheren Techniken unter Verwendung von Pulverlegierungszusammensetzungen auftreten. Kurz gesagt, umfasst ein Verfahren zum Formen eines Werkzeugartikels das Verfestigen einer Pulverlegierung in dem Werkzeugartikel mithilfe einer additiven Herstellungstechnik und das Wärmebehandeln des Werkzeugartikels, um eine Härte des Werkzeugartikels von 35 bis 65 HRC bereitzustellen. Der Werkzeugartikel kann aus einer Legierungszusammensetzung geformt sein, die 0,2 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0 bis 1,5 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0 bis 15 Gew.-% Kobalt und mindestens zwei der folgenden Bestandteile umfasst: Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium in einer kombinierten Menge von 5 bis 25 Gew.-% und das restliche Eisen. Wie hierin beschrieben, kann das Verfahren ferner das isostatische Heißpressen des Werkzeugartikels vor der Wärmebehandlung umfassen.
  • In einem anderen Aspekt werden Werkzeugartikel bereitgestellt, die gemäß den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurden. In einigen Ausführungsformen wird ein Werkzeugartikel gemäß dem Verfahren hergestellt, das das Verfestigen einer Pulverlegierung in dem Werkzeugartikel mithilfe einer additiven Herstellungstechnik und das Wärmebehandeln des Werkzeugartikels umfasst, um die Härte des Werkzeugartikels von 35 bis 65 HRC bereitzustellen.
  • Diese und weitere Ausführungsformen werden in der folgenden detaillierten Beschreibung ausführlicher beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine Lichtmikroskopaufnahme, die die Mikrostruktur von H13-Werkzeugschmiedestahl darstellt, der gemäß industriellen Techniken wärmebehandelt wurde.
    • 2 zeigt eine Lichtmikroskopaufnahme, die die Mikrostruktur eines durch SLM geformten H13-Werkzeugstahlartikels zeigt, gefolgt von isostatischem Heißpressen und Wärmebehandlung gemäß den hier angegebenen Parametern.
    • 3 zeigt eine Lichtmikroskopaufnahme, die die Mikrostruktur eines H13-Werkzeugstahlartikels darstellt, der durch Spritzen des Bindemittels gefolgt von isostatischem Heißpressen und Wärmebehandlung gemäß den hier angegebenen Parametern hergestellt wurde.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Hier beschriebene Ausführungsformen können unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung und die Beispiele und deren vorherige und folgende Beschreibung leichter verstanden werden. Hier beschriebene Elemente, Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, die in der detaillierten Beschreibung und den Beispielen dargestellt sind. Es sollte erkannt werden, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind für Fachleute auf dem Gebiet ohne Weiteres ersichtlich, ohne vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen.
  • Verfahren zum Formen von Werkzeugartikeln aus Werkzeugstahlpulverzusammensetzungen mithilfe additiver Herstellungstechniken werden hierin beschrieben. Ein Verfahren umfasst in einigen Ausführungsformen das Verfestigen einer Pulverlegierung in dem Werkzeugartikel mithilfe einer additiven Herstellungstechnik und das Wärmebehandeln des Werkzeugartikels, um eine Härte des Werkzeugartikels von 35 bis 65 HRC bereitzustellen. Der Werkzeugartikel ist aus einer Legierungszusammensetzung geformt, die 0,2 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0 bis 1,5 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0 bis 15 Gew.-% Kobalt und mindestens zwei der folgenden Bestandteile umfasst: Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium in einer kombinierten Menge von 5 bis 25 Gew.-% und das restliche Eisen.
  • Nun zu den einzelnen Schritten: Die Pulverlegierung kann in Abhängigkeit von der angewandten additiven Herstellungstechnik durch verschiedene Verfahren zu dem Werkzeugartikel verfestigt werden. In einigen Ausführungsformen wird zum Beispiel die Pulverlegierung durch Laserschmelzen gemäß selektivem Laserschmelzen (SLM) zu dem Werkzeugartikel verfestigt. Beim selektiven Laserschmelzen wird eine elektronische Datei bereitgestellt, die die Konstruktionsparameter des Werkzeugartikels enthält. Der Laserschmelzapparat verteilt eine Schicht aus einer Pulverlegierung in einem Baukasten. Der Baukasten kann unter Vakuum oder inerter Atmosphäre stehen, um Oxidation und/oder sonstige Veränderungen der Pulverlegierung zu vermeiden. Ein Laserstrahl schmilzt und verschmilzt ausgewählte Bereiche der Pulverlegierungsschicht gemäß den Konstruktionsparametern dieser Schicht. Anschließend wird der Baukasten abgesenkt und eine neue Schicht aus Pulverlegierung aufgespreizt. Der schichtweise Schmelz- und Verschmelzungsvorgang wird gemäß der elektronischen Datei wiederholt, bis der Werkzeugartikel fertiggestellt ist. In anderen Ausführungsformen wird die Pulverlegierung durch Lasersintern nach einem ähnlichen Verfahren zu dem Werkzeugartikel verfestigt. Der durch Laserschmelzen oder Lasersintern verfestigte Werkzeugartikel kann eine theoretische Dichte von mindestens 95 Prozent aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann der Werkzeugartikel eine theoretische Dichte von mindestens 98 Prozent oder mindestens 99 Prozent aufweisen.
  • Alternativ kann die Pulverlegierung durch ein organisches Bindemittel verfestigt und gesintert werden, um den Werkzeugartikel bereitzustellen. Zum Beispiel kann das Spritzen des Bindemittels einen aus der Pulverlegierung geformten Rohwerkzeugartikel ergeben. Bei dem Bindemittelsprühverfahren wird eine elektronische Datei bereitgestellt, in der die Konstruktionsparameter des Rohteils detailliert angegeben sind. Die Bindemittelsprühvorrichtung verteilt eine Schicht der Pulverlegierung in einem Baukasten. Ein Druckkopf bewegt sich über die Pulverschicht, um flüssiges Bindemittel gemäß den Konstruktionsparametern für diese Schicht abzuscheiden. Die Schicht wird getrocknet und der Baukasten abgesenkt. Eine neue Schicht aus Pulverlegierung wird ausgebreitet und der Vorgang wird wiederholt, bis der Rohartikel abgeschlossen ist. Flüssiges Bindemittel kann jegliche Spezies umfassen, die mit den Zielen der vorliegenden Erfindung nicht vereinbar sind. In einigen Ausführungsformen ist flüssiges Bindemittel ein organisches Bindemittel und umfasst eine oder mehrere polymere Spezies. Beispielsweise kann ein flüssiges Bindemittel eine Polyvinylpyrrolidon(PVP)-Polyethylenglykol(PEG)-Zusammensetzung in einem Polyglykolether-Lösungsmittel umfassen. Andere organische Bindemittel sind ebenfalls möglich, einschließlich Polyethylenglykolmonomethylether, Polyvinylalkohol, Polyvinylbutyral und Wachse.
  • Der Rohartikel wird anschließend gesintert, um den Werkzeugartikel bereitzustellen. Die hier beschriebenen Rohwerkzeugartikel können unter Bedingungen und für Zeiträume gesintert werden, um gesinterte Artikel mit der gewünschten Dichte bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen werden beispielsweise Rohwerkzeugartikel auf eine Dichte von mindestens 95 Prozent der theoretischen Dichte gesintert. Das Rohteil kann unter einer Wasserstoff- oder Argonatmosphäre bei Temperaturen von 500 °C bis 2000 °C versintert werden. Die Sinktemperatur beträgt in einigen Ausführungsformen 1300°C bis 1560°C. Darüber hinaus können die Sinterzeiten zwischen 10 Minuten und 20 Stunden liegen. Temperaturen können vor Erreichen der Spitzen-Sintertemperatur für verschiedene Zeitspannen erhöht oder stufenweise erhöht und gehalten werden. Beispielsweise wird die Sintertemperatur vor Erreichen der Spitzen-Sintertemperatur von 1350 bis 1450 °C stufenweise auf 600 bis 800 °C und dann auf 900 bis 1100 °C erhöht, wobei die Spitzen-Sinktemperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverlegierungszusammensetzung liegt. Die Haltezeiten bei jedem der Temperaturschritte können in einigen Ausführungsformen im Bereich von 1 bis 5 Stunden liegen. Der gesinterte Werkzeugartikel kann in einigen Ausführungsformen eine theoretische Dichte von mindestens 95 Prozent aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann der gesinterte Werkzeugartikel eine theoretische Dichte von mindestens 98 Prozent oder mindestens 99 Prozent aufweisen. In weiteren Ausführungsformen kann der gesinterte Werkzeugartikel vollständig dicht sein.
  • Einzelne Schichten, die durch die additive Herstellungstechnik während der Konstruktion des Werkzeugartikels geformt werden, können im Allgemeinen im Bereich von 5 µm bis 500 µm liegen. In einigen Ausführungsformen weisen einzelne Schichten eine Dicke auf, die aus Tabelle I ausgewählt ist. Tabelle I bis AM Einzelschichtdicke (µm)
    1-500
    5-200
    5-100
    10-80
    20-70
    5-50
  • Wie hierin beschrieben, ist der Werkzeugartikel aus einer Legierungszusammensetzung geformt, die 0,2 bis 0,7 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0 bis 1,5 Gew.-% Silicium, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0 bis 15 Gew.-% Kobalt, mindestens zwei von Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium in einer kombinierten Menge von 5 bis 25 Gew.-% und das restliche Eisen umfasst. Pulverlegierungen, die diese Zusammensetzungsparameter in dem Werkzeugartikel ermöglichen, können in der additiven Herstellungstechnik eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen weist eine Pulverlegierung, die durch das additive Herstellungsverfahren in dem Werkzeugartikel verfestigt wird, Zusammensetzungsparameter auf, die aus Tabelle II ausgewählt sind. Tabelle II bis Pulverlegierungszusammensetzungen
    PulverLegierung Fe Bal. C (Gew.-%) Mn (Gew.-%) Si (Gew.-%) Cr (Gew.-%) Ni (Gew.-%) MO (Gew.-%) W (Gew.-%) V (Gew.-%) Co (Gew.-%)
    1 Fe Bal. 0,35 bis 0,45 0,25 bis 0,7 0,8 bis 1,2 3,0 bis 3,75 0 bis 0,3 2 bis 3 0 0,25 bis 0,75 0
    2 Fe Bal. 0,33 bis 0,43 0,2 bis 0,5 0,8 bis 1,2 4,75 bis 5,5 0 bis 0,3 1,1 bis 1,6 0 0,3 bis 0,6 0
    3 Fe Bal. 0,3 bis 0,4 0,2 bis 0,5 0,8 bis 1,2 4,75 bis 5,5 0 bis 0,3 1,25 bis 1,75 1 bis 1,7 0 bis 0,5 0
    4 Fe Bal. 0,32 bis 0,45 0,2 bis 0,5 0,8 bis 1,2 4,75 bis 5,5 0 bis 0,3 1,1 bis 1,75 0 0,8 bis 1,2 0
    5 Fe Bal. 0,35 bis 0,45 0,2 bis 0,5 0,8 bis 1,2 4,75 bis 5,5 0 bis 0,3 0 4 bis 5,25 0 0
    6 Fe Bal. 0,32 bis 0,45 0,2 bis 0,5 0,2 bis 0,5 4 bis 4,75 0 bis 0,3 0,3 bis 0,55 3,75 bis 4,5 1,75 bis 2,2 4 bis 4,5
    7 Fe Bal. 0,23 bis 0,36 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,5 3 bis 3,75 0 bis 0,3 0 8,5 bis 10 0,3 bis 0,6 0
    8 Fe Bal. 0,3 bis 0,4 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,4 1,75 bis 3,75 0,3 0 10 bis 11,75 0,25 bis 0,5 0
    9 Fe Bal. 0,25 bis 0,35 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,6 11 bis 12,75 0,3 0 11 bis 12,75 0,75 bis 1,25 0
    10 Fe Bal. 0,42 bis 0,53 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,4 2,5 bis 3,5 0 bis 0,3 0 14 bis 16 0,4 bis 0,6 0
    11 Fe Bal. 0,22 bis 0,32 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,4 3,75 bis 4,5 0 bis 0,3 0 14 bis 16 0,4 bis 0,6 0
    12 Fe Bal. 0,45 bis 0,55 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,4 3,75 bis 4,5 0 bis 0,3 0 17,25 bis 19 0,75 bis 1,25 0
    13 Fe Bal. 0,5 bis 0,6 0 bis 0,5 0,75 bis 1,10 4,75 bis 5,5 0 bis 0,3 1,15 bis 1,65 1 bis 1,5 0 0
    14 Fe Bal. 0,45 bis 0,55 0 bis 0,5 0,95 bis 1,15 4,75 bis 5,5 1,25 bis 1,75 1,3 bis 1,8 0 0,8 bis 1,4 0
    15 Fe Bal. 0,3 bis 0,5 0,1 bis 1 0,5 bis 1,5 2,5 bis 6 0 bis 0,3 0,2 bis 3,5 0,5 bis 5,5 0,2 bis 2,5 0 bis 5
    16 Fe Bal. 0,2 bis 0,6 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,6 1,5 bis 13 0 bis 0,3 0 8 bis 20 0,2 bis 1,5 0
    17 Fe Bal. 0,7 bis 1,5 0,1 bis 1 0,1 bis 1 3 bis 5 0 bis 0,3 3 bis 12 1 bis 11 0,8 bis 3,5 0 bis 13
    18 Fe Bal. 0,7 bis 1,5 0,1 bis 1 0,1 bis 1 3 bis 5 0 bis 0,3 3 bis 12 1 bis 11 0,8 bis 3,5 4,5 bis 13
    19 Fe Bal. 0,75 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,25 bis 4,25 0 bis 0,3 8 bis 9,5 1,2 bis 2,2 0,9 bis 1,4 0
    20 Fe Bal. 0,75 bis 1,1 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 5 0 bis 0,3 4,25 bis 5,75 5,25 bis 7 1,5 bis 2,5 0
    21 Fe Bal. 0,9 bis 1,2 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 5 0 bis 0,3 4,5 bis 7 5 bis 7 2 bis 3 0
    22 Fe Bal. 1 bis 1,3 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 5 0 bis 0,3 4,5 bis 6,75 5 bis 7 2,5 bis 4 0
    23 Fe Bal. 1,2 bis 1,45 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 5 0 bis 0,3 4 bis 5,75 5 bis 6,75 3,5 bis 5 0
    24 Fe Bal. 0,95 bis 1,1 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,6 3,25 bis 4,25 0 bis 0,3 8 bis 9,3 1,4 bis 2,2 1,5 bis 2,5 0
    25 Fe Bal. 0,8 bis 1,1 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 5 0 bis 0,3 7,5 bis 9 0 1,6 bis 2,4 0
    26 Fe Bal. 0,7 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,25 bis 4,5 0 bis 0,3 7,5 bis 9,25 1,2 bis 2,4 1 bis 1,4 4,3 bis 5,6
    27 Fe Bal. 0,8 bis 0,95 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,5 3,25 bis 4,25 0 bis 0,3 8,75 bis 10,25 1,1 bis 2,2 1 bis 1,4 7,5 bis 9
    28 Fe Bal. 0,8 bis 0,95 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,25 bis 4,25 0 bis 0,3 7,5 bis 9,5 1,3 bis 2,2 1,7 bis 2,5 7,5 bis 9
    30 Fe Bal. 0,8 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 4,75 0 bis 0,3 4,3 bis 5,7 5,3 bis 6,9 1,6 bis 2,3 4,3 bis 5,6
    31 Fe Bal. 0,8 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 4,75 0 bis 0,3 4,3 bis 5,7 5,4 bis 6,6 1,6 bis 2,3 7,5 bis 9
    32 Fe Bal. 1 bis 1,2 0,2 bis 0,6 0,1 bis 0,5 3,5 bis 4,75 0 bis 0,3 3 bis 4,5 6 bis 7,2 1,7 bis 2,3 4,5 bis 6
    33 Fe Bal. 1 bis 1,2 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,7 3,3 bis 4,3 0 bis 0,3 8,8 bis 10,1 1,1 bis 1,9 0,9 bis 1,4 7,6 bis 8,8
    34 Fe Bal. 1,1 bis 1,3 0,2 bis 0,5 0,1 bis 0,7 3,3 bis 4,3 0 bis 0,3 7,3 bis 8,6 2,2 bis 3,1 1,4 bis 1,8 7,6 bis 8,8
    35 Fe Bal. 1 bis 1,3 0,2 bis 0,5 0,2 bis 0,6 3,8 bis 4,9 0 bis 0,3 5,8 bis 7,2 4,8 bis 6 1,7 bis 2,3 11 bis 12,3
    36 Fe Bal. 1,2 bis 1,35 0,2 bis 0,5 0,3 bis 0,7 3,5 bis 4,5 0 bis 0,3 7,8 bis 8,8 1,8 bis 2,3 2,8 bis 3,5 7,5 bis 9
    37 Fe Bal. 1 bis 1,2 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,3 bis 4,2 0 bis 0,3 9 bis 10,2 1,25 bis 1,9 1,1 bis 1,4 4,5 bis 5,5
    38 Fe Bal. 1,4 bis 1,55 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,5 3,3 bis 4,2 0 bis 0,3 4,7 bis 5,6 9,3 bis 10,7 2,6 bis 3,3 7,8 bis 10,2
    39 Fe Bal. 1,2 bis 1,4 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,5 3,3 bis 4,2 0 bis 0,3 9,8 bis 11,2 5,6 bis 6,7 1,7 bis 2,2 0
    40 Fe Bal. 0,6 bis 1,7 0,1 bis 1 0,1 bis 1 3 bis 5,5 0 bis 0,3 0 bis 1 10 bis 20 0,5 bis 6 0 bis 15
    41 Fe Bal. 0,6 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,6 bis 4,6 0 bis 0,3 0 17 bis 19 0,8 bis 1,4 0
    42 Fe Bal. 0,7 bis 1 0,2 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,6 bis 4,6 0 bis 0,3 0 bis 1 17,3 bis 19,2 1,7 bis 2,5 0
    43 Fe Bal. 0,6 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,6 bis 4,6 0 bis 0,3 0,3 bis 1 17,3 bis 19,2 0,7 bis 1,3 4,2 bis 6
    44 Fe Bal. 0,7 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,6 bis 5,1 0 bis 0,3 0,4 bis 1,3 17,3 bis 19,2 1,7 bis 2,5 6,8 bis 9,7
    45 Fe Bal. 0,7 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,8 bis 5 0 bis 0,3 0,3 bis 1,1 18,3 bis 21,5 1,3 bis 2,2 10,8 bis 13,2
    46 Fe Bal. 0,7 bis 0,9 0,2 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,6 bis 4,6 0 bis 0,3 0,3 bis 1,1 13 bis 15 1,7 bis 2,3 4 bis 6
    47 Fe Bal. 1,4 bis 1,7 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,5 3,6 bis 5,2 0 bis 0,3 0 bis 1 11,5 bis 13,2 4,3 bis 5,3 4,5 bis 5,5
    48 Fe Bal. 0,7 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,7 3,6 bis 4,6 0 bis 0,3 3,8 bis 4,8 0 0,7 bis 1,3 0
    49 Fe Bal. 0,8 bis 1 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,7 3,3 bis 4,5 0 bis 3 3,8 bis 5 0,7 bis 1,7 1,6 bis 2,3 0
  • Pulverlegierungen, die in der additiven Herstellungstechnik verwendet werden, können eine beliebige Teilchengröße aufweisen, die nicht mit den Zielen der vorliegenden Erfindung vereinbar ist. In einigen Ausführungsformen weist die Pulverlegierung eine durchschnittliche Teilchengröße von 10-200 µm auf. In anderen Ausführungsformen kann die Pulverlegierung eine durchschnittliche Teilchengröße von 15 bis 150 µm aufweisen. Die Pulverlegierung kann in weiteren Ausführungsformen auch eine mittlere Teilchengröße kleiner als 10 µm oder kleiner als 1 µm aufweisen. Für bestimmte AM-Techniken, einschließlich das Spritzen des Bindemittels, kann die Pulverlegierung eine mittlere Teilchengröße von 50 nm bis weniger als 1 µm aufweisen.
  • Nach der Formung durch die additive Herstellungstechnik oder das additive Herstellungsverfahren wird der Werkzeugartikel wärmebehandelt, um eine Härte des Werkzeugartikels von mindestens 35 HRC bereitzustellen. Die hier angegebenen Härtewerte werden gemäß dem ASTM E-18-02 - Standard-Testverfahren für die Rockwell-Härte von metallischen Werkstoffen bestimmt. In einigen Ausführungsformen hat die Härte des Werkzeugartikels nach der Wärmebehandlung einen Wert, der aus Tabelle III ausgewählt ist. Tabelle III bis Härte des wärmebehandelten Werkzeugartikels (HRC)
    40-50
    40-60
    45-55
    50-60
    50-57
  • Die Wärmebehandlung des Werkzeugartikels umfasst in einigen Ausführungsformen die Schritte des Glühens, des Aushärtens und mindestens einen Anlasszyklus. In einigen Ausführungsformen können zwei oder drei Anlasszyklen Teil der Wärmebehandlung des Werkzeugartikels sein. Temperaturen und Zeiten verschiedener Schritte der Wärmebehandlung können gemäß mehreren Überlegungen ausgewählt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die Zusammensetzung der Werkzeugstahllegierung, die beabsichtigte Verwendung und Betriebsumgebung des Werkzeugartikels sowie Größe und/oder Abmessungen des Werkzeugartikels. Die Spitzenglühtemperatur liegt bei einigen Ausführungsformen im Bereich von 540 °C bis 900 °C. Beispielsweise kann die Spitzenglühtemperatur im Bereich von 815 °C bis 900 °C liegen. Die Glühzeiten können im Allgemeinen im Bereich von 1 bis 15 Stunden liegen, wobei der Werkzeugartikel Spitzenglühtemperaturen für einen Zeitraum von 0,5 bis 3 Stunden erfährt. Nach dem Halten auf der Spitzentemperatur kann der Werkzeugartikel mit einer beliebigen Geschwindigkeit abgekühlt werden. In manchen Ausführungsformen wird der Werkzeugartikel zur Entspannung vor dem Aushärtungsschritt der Wärmebehandlung für 1 bis 2 Stunden auf 600 bis 700 °C und dann langsam auf 500 °C abgekühlt. Glühtemperaturen, Glühzeiten und Glühkühlraten können von mehreren Überlegungen abhängen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die Legierungszusammensetzung des Werkzeugartikels und die Abmessungen des Werkzeugartikels.
  • Nach dem Glühen kann der Werkzeugartikel gehärtet werden. Das Aushärten kann im Allgemeinen einen oder mehrere Vorerhitzungsschritte umfassen. In einigen Ausführungsformen wird der Werkzeugartikel auf 450 bis 570 °C und dann auf 800 bis 900 °C erhitzt. Nach den Vorerhitzungsschritten erfährt der Werkzeugartikel eine Spitzenhärtungstemperatur von 1000 bis 1300 °C gefolgt von einer Abschreckung. In einigen Ausführungsformen tritt die Spitzenhärtungstemperatur in einem aus Tabelle IV ausgewählten Bereich auf. Tabelle IV bis Spitzenhärtungstemperatur (°C)
    980-1210
    1090-1300
    1175-1300
    1000-1050
    1000-1020
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Abschrecken in neutralen Salzbädern auftreten. Die Gesamtzeit für das Aushärten kann 1 bis 4 Stunden betragen, wobei der Werkzeugartikel 0,5 bis 2 Stunden einer Spitzentemperatur ausgesetzt wird. Nach dem Aushärten kann der Werkzeugartikel mindestens einem Anlasszyklus unterzogen werden. Anlasszyklen werden bei 400 bis 820 °C für einzelne Zeitspannen von 1 bis 3 Stunden durchgeführt. In einigen Ausführungsformen werden ein oder mehrere Anlasszyklen bei Temperaturen durchgeführt, die aus Tabelle V ausgewählt sind. Tabelle V bis Anlasstemperatur (°C)
    500-820
    500-715
    400-650
    520-620
  • In einigen Ausführungsformen wird der Glühschritt übersprungen und die Wärmebehandlung umfasst das Aushärten und mindestens einen Glühzyklus.
  • Wie hierin beschrieben, kann der Werkzeugartikel vor der Wärmebehandlung einem isostatischen Heißpressen (HIP) unterzogen werden. Das isostatische Heißpressen kann bis zu 4 Stunden unter Inertgasatmosphäre bei Druckwerten von 3 MPa bis 250 MPa und Temperaturen von 1150 °C bis 1400 °C durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen werden zum Beispiel Druckwerte von 50 bis 150 MPa und Temperaturen von 1150 °C bis 1220 °C beim isostatischen Heißpressen des Werkzeugartikels angewendet. Die Spitzentemperaturen beim isostatischen Heißpressen liegen im Allgemeinen unter dem Schmelzpunkt der Legierungszusammensetzung. Temperatur, Zeit und Druck des isostatischen Heißpressens können gemäß mehreren Überlegungen ausgewählt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die Zusammensetzung der Werkzeugstahllegierung, die Porosität des Werkzeugartikels vor dem Pressen und die gewünschte Porosität des Werkzeugartikels nach dem isostatischen Heißpressen. In einigen Ausführungsformen werden isostatische Heißpressbedingungen angewendet, um den Werkzeugartikel vor der Wärmebehandlung mit einer theoretischen Dichte von mindestens 98 Prozent zu versehen. Es können isostatische Heißpressbedingungen eingestellt werden, um sicherzustellen, dass der Werkzeugartikel vor der Wärmebehandlung eine theoretische Dichte von mindestens 99 Prozent aufweist. In einigen Ausführungsformen ist der Werkzeugartikel nach dem isostatischen Heißpressen vollständig dicht. Werkzeugartikel, die durch selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern und/oder Spritzen und Sintern von Bindemittel hergestellt wurden, können vor der Wärmebehandlung einem isostatischen Heißpressen unterzogen werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann das isostatische Heißpressen mit dem Aushärten in einem einzigen Schritt kombiniert werden. Der Werkzeugartikel kann zum Beispiel unter den hierin beschriebenen Bedingungen isostatisch heißgepresst werden. Nach Beendigung des isostatischen Heißpressens beginnt der Aushärtungszyklus, ohne den Werkzeugartikel auf Raumtemperatur oder etwas über Raumtemperatur abzukühlen. In einigen Ausführungsformen werden beispielsweise Temperaturen nach dem isostatischen Heißpressen auf 850 bis 900 °C abgekühlt, um die Aushärtung zu beginnen. Nach Abkühlen auf 850 bis 900 °C, erfährt der Werkzeugartikel eine Spitzenaushärtungstemperatur von 1000 bis 1020 °C gefolgt von einer Abschreckung. Alternativ kann die isostatische Heißpresstemperatur in den Aushärtungszyklus verlängert werden, gefolgt von einem kurzen Halten bei 1000 bis 1020 °C und einer anschließenden Abschreckung. Ein oder mehrere Anlasszyklen können dem kombinierten isostatischen Heißpressen und Aushärten folgen.
  • Neben einer hohen Härte kann die Wärmebehandlung die Zugfestigkeit und Bruchzähigkeit des Werkzeugartikels erhöhen. Der wärmebehandelte Werkzeugartikel kann eine Zugfestigkeit von mindestens 1200 MPa aufweisen. Die hier angegebenen Zugfestigkeitswerte werden gemäß dem ASTM E8-15a - Standard-Testverfahren für Zugfestigkeitsprüfung von metallischen Werkstoffen bestimmt. In einigen Ausführungsformen weist der wärmebehandelte Werkzeugartikel eine Zugfestigkeit auf, die aus Tabelle VI ausgewählt ist. Tabelle VI - Zugfestigkeit des wärmebehandelten Werkzeugartikels (MPa)
    1200-2200
    1500-2200
    1700-2100
    1800-2000
    1850-2200
    1900-2200
    2000-2200
  • Ein wärmebehandelter Werkzeugartikel kann auch eine Bruchzähigkeit von mindestens 2 J aufweisen. Die hierin angegebenen Bruchzähigkeitswerte werden gemäß dem ASTM E23-16b - Standard-Testverfahren für die Kerbschlagzähigkeitsprüfung von metallischen Werkstoffen bestimmt. In einigen Ausführungsformen weist der wärmebehandelte Werkzeugartikel eine Zugfestigkeit auf, die aus Tabelle VII ausgewählt ist. Tabelle VII - Bruchzähigkeit des wärmebehandelten Werkzeugartikels (J)
    2-25
    2-15
    2-10
    3-8
    4-10
    7-12
    8-15
    10-25
  • Wie hierin beschrieben, ist der wärmebehandelte Werkzeugartikel aus einer Legierungszusammensetzung geformt, die 0,2 bis 0,7 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0 bis 1,5 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0 bis 5 Gew.-% Kobalt, mindestens zwei von Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium in einer kombinierten Menge von 5 bis 25 Gew.-% und das restliche Eisen umfasst. In einigen Ausführungsformen wird der wärmebehandelte Werkzeugartikel aus einer Legierungszusammensetzung geformt, die 0,3 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Silizium, 2,5 bis 6 Gew.-% Chrom und 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0,2 bis 3,5 Gew.-% Molybdän, 0,5 bis 5,5 Gew.-% Wolfram und 0,2 bis 2,5 Gew.-% Vanadium und das restliche Eisen umfasst. In anderen Ausführungsformen wird ein wärmebehandelter Werkzeugartikel aus einer Legierungszusammensetzung geformt, die 0,2 bis 0,6 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 0,6 Gew.-% Silizium, 1,5 bis 13 Gew.-% Chrom und 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 8 bis 20 Gew.-% Wolfram, 0,2 bis 1,5 Gew.-% Vanadium und das restliche Eisen umfasst. In einigen Ausführungsformen wird ein wärmebehandelter Werkzeugartikel aus einer Legierungszusammensetzung geformt, die 0,7 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 1 Gew.-% Silizium, 3 bis 5 Gew.-% Chrom und 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 3 bis 12 Gew.-% Molybdän, 1 bis 11 Gew.-% Wolfram, 0,8 bis 3,5 Gew.-% Vanadium, 0 bis 13 Gew.-% Kobalt und das restliche Eisen umfasst. Darüber hinaus kann ein wärmebehandelter Werkzeugartikel aus einer Legierungszusammensetzung geformt werden, die 0,6 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 1 Gew.-% Silizium, 3 bis 5,5 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0 bis 1,5 Gew.-% Molybdän, 10 bis 20 Gew.-% Wolfram, 0,5 bis 6 Gew.-% Vanadium, 0 bis 15 Gew.-% Kobalt und das restliche Eisen umfasst. In zusätzlichen Ausführungsformen können wärmebehandelte Werkzeugartikel aus einer Legierungszusammensetzung hergestellt werden, die aus Tabelle VIII ausgewählt ist. Tabelle VIII - Legierungszusammensetzungen von wärmebehandelten Werkzeugen
    Legierungszstzg. Fe Bal. C (Gew.-%) Mn (Gew.-%) Si (Gew.-%) Cr (Gew.-%) Ni (Gew.-%) Mo (Gew.-%) W (Gew.-%) V (Gew.-%) Co (Gew.-%)
    1 Fe Bal. 0,35 bis 0,45 0,25 bis 0,7 0,8 bis 1,2 3,0 bis 3,75 0 bis 0,3 2 bis 3 0 0,25 bis 0,75 0
    2 Fe Bal. 0,33 bis 0,43 0,2 bis 0,5 0,8 bis 1,2 4,75 bis 5,5 0 bis 0,3 1,1 bis 1,6 0 0,3 bis 0,6 0
    3 Fe Bal. 0,3 bis 0,4 0,2 bis 0,5 0,8 bis 1,2 4,75 bis 5,5 0 bis 0,3 1,25 bis 1,75 1 bis 1,7 0 bis 0,5 0
    4 Fe Bal. 0,32 bis 0,45 0,2 bis 0,5 0,8 bis 1,2 4,75 bis 5,5 0 bis 0,3 1,1 bis 1,75 0 0,8 bis 1,2 0
    5 Fe Bal. 0,35 bis 0,45 0,2 bis 0,5 0,8 bis 1,2 4,75 bis 5,5 0 bis 0,3 0 4 bis 5,25 0 0
    6 Fe Bal. 0,32 bis 0,45 0,2 bis 0,5 0,2 bis 0,5 4 bis 4,75 0 bis 0,3 0,3 bis 0,55 3,75 bis 4,5 1,75 bis 2,2 4 bis 4,5
    7 Fe Bal. 0,23 bis 0,36 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,5 3 bis 3,75 0 bis 0,3 0 8,5 bis 10 0,3 bis 0,6 0
    8 Fe Bal. 0,3 bis 0,4 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,4 1,75 bis 3,75 0,3 0 10 bis 11,75 0,25 bis 0,5 0
    9 Fe Bal. 0,25 bis 0,35 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,6 11 bis 12,75 0,3 0 11 bis 12,75 0,75 bis 1,25 0
    10 Fe Bal. 0,42 bis 0,53 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,4 2,5 bis 3,5 0 bis 0,3 0 14 bis 16 0,4 bis 0,6 0
    11 Fe Bal. 0,22 bis 0,32 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,4 3,75 bis 4,5 0 bis 0,3 0 14 bis 16 0,4 bis 0,6 0
    12 Fe Bal. 0,45 bis 0,55 0,15 bis 0,4 0,15 bis 0,4 3,75 bis 4,5 0 bis 0,3 0 17,25 bis 19 0,75 bis 1,25 0
    13 Fe Bal. 0,5 bis 0,6 0 bis 0,5 0,75 bis 1,10 4,75 bis 5,5 0 bis 0,3 1,15 bis 1,65 1 bis 1,5 0 0
    14 Fe Bal. 0,45 bis 0,55 0 bis 0,5 0,95 bis 1,15 4,75 bis 5,5 1,25 bis 1,75 1,3 bis 1,8 0 0,8 bis 1,4 0
    15 Fe Bal. 0,3 bis 0,5 0,1 bis 1 0,5 bis 1,5 2,5 bis 6 0 bis 0,3 0,2 bis 3,5 0,5 bis 5,5 0,2 bis 2,5 0 bis 5
    16 Fe Bal. 0,2 bis 0,6 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,6 1,5 bis 13 0 bis 0,3 0 8 bis 20 0,2 bis 1,5 0
    17 Fe Bal. 0,7 bis 1,5 0,1 bis 1 0,1 bis 1 3 bis 5 0 bis 0,3 3 bis 12 1 bis 11 0,8 bis 3,5 0 bis 13
    18 Fe Bal. 0,7 bis 1,5 0,1 bis 1 0,1 bis 1 3 bis 5 0 bis 0,3 3 bis 12 1 bis 11 0,8 bis 3,5 4,5 bis 13
    19 Fe Bal. 0,75 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,25 bis 4,25 0 bis 0,3 8 bis 9,5 1,2 bis 2,2 0,9 bis 1,4 0
    20 Fe Bal. 0,75 bis 1,1 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 5 0 bis 0,3 4,25 bis 5,75 5,25 bis 7 1,5 bis 2,5 0
    21 Fe Bal. 0,9 bis 1,2 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 5 0 bis 0,3 4,5 bis 7 5 bis 7 2 bis 3 0
    22 Fe Bal. 1 bis 1,3 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 5 0 bis 0,3 4,5 bis 6,75 5 bis 7 2,5 bis 4 0
    23 Fe Bal. 1,2 bis 1,45 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 5 0 bis 0,3 4 bis 5,75 5 bis 6,75 3,5 bis 5 0
    24 Fe Bal. 0,95 bis 1,1 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,6 3,25 bis 4,25 0 bis 0,3 8 bis 9,3 1,4 bis 2,2 1,5 bis 2,5 0
    25 Fe Bal. 0,8 bis 1,1 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 5 0 bis 0,3 7,5 bis 9 0 1,6 bis 2,4 0
    26 Fe Bal. 0,7 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,25 bis 4,5 0 bis 0,3 7,5 bis 9,25 1,2 bis 2,4 1 bis 1,4 4,3 bis 5,6
    27 Fe Bal. 0,8 bis 0,95 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,5 3,25 bis 4,25 0 bis 0,3 8,75 bis 10,25 1,1 bis 2,2 1 bis 1,4 7,5 bis 9
    28 Fe Bal. 0,8 bis 0,95 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,25 bis 4,25 0 bis 0,3 7,5 bis 9,5 1,3 bis 2,2 1,7 bis 2,5 7,5 bis 9
    30 Fe Bal. 0,8 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 4,75 0 bis 0,3 4,3 bis 5,7 5,3 bis 6,9 1,6 bis 2,3 4,3 bis 5,6
    31 Fe Bal. 0,8 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,5 bis 4,75 0 bis 0,3 4,3 bis 5,7 5,4 bis 6,6 1,6 bis 2,3 7,5 bis 9
    32 Fe Bal. 1 bis 1,2 0,2 bis 0,6 0,1 bis 0,5 3,5 bis 4,75 0 bis 0,3 3 bis 4,5 6 bis 7,2 1,7 bis 2,3 4,5 bis 6
    33 Fe Bal. 1 bis 1,2 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,7 3,3 bis 4,3 0 bis 0,3 8,8 bis 10,1 1,1 bis 1,9 0,9 bis 1,4 7,6 bis 8,8
    34 Fe Bal. 1,1 bis 1,3 0,2 bis 0,5 0,1 bis 0,7 3,3 bis 4,3 0 bis 0,3 7,3 bis 8,6 2,2 bis 3,1 1,4 bis 1,8 7,6 bis 8,8
    35 Fe Bal. 1 bis 1,3 0,2 bis 0,5 0,2 bis 0,6 3,8 bis 4,9 0 bis 0,3 5,8 bis 7,2 4,8 bis 6 1,7 bis 2,3 11 bis 12,3
    36 Fe Bal. 1,2 bis 1,35 0,2 bis 0,5 0,3 bis 0,7 3,5 bis 4,5 0 bis 0,3 7,8 bis 8,8 1,8 bis 2,3 2,8 bis 3,5 7,5 bis 9
    37 Fe Bal. 1 bis 1,2 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,3 bis 4,2 0 bis 0,3 9 bis 10,2 1,25 bis 1,9 1,1 bis 1,4 4,5 bis 5,5
    38 Fe Bal. 1,4 bis 1,55 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,5 3,3 bis 4,2 0 bis 0,3 4,7 bis 5,6 9,3 bis 10,7 2,6 bis 3,3 7,8 bis 10,2
    39 Fe Bal. 1,2 bis 1,4 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,5 3,3 bis 4,2 0 bis 0,3 9,8 bis 11,2 5,6 bis 6,7 1,7 bis 2,2 0
    40 Fe Bal. 0,6 bis 1,7 0,1 bis 1 0,1 bis 1 3 bis 5,5 0 bis 0,3 0 bis 1,5 10 bis 20 0,5 bis 6 0 bis 15
    41 Fe Bal. 0,6 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,6 bis 4,6 0 bis 0,3 0 17 bis 19 0,8 bis 1,4 0
    42 Fe Bal. 0,7 bis 1 0,2 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,6 bis 4,6 0 bis 0,3 0 bis 1 17,3 bis 19,2 1,7 bis 2,5 0
    43 Fe Bal. 0,6 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,6 bis 4,6 0 bis 0,3 0,3 bis 1 17,3 bis 19,2 0,7 bis 1,3 4,2 bis 6
    44 Fe Bal. 0,7 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,6 bis 5,1 0 bis 0,3 0,4 bis 1,3 17,3 bis 19,2 1,7 bis 2,5 6,8 bis 9,7
    45 Fe Bal. 0,7 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,8 bis 5 0 bis 0,3 0,3 bis 1,1 18,3 bis 21,5 1,3 bis 2,2 10,8 bis 13,2
    46 Fe Bal. 0,7 bis 0,9 0,2 bis 0,5 0,2 bis 0,5 3,6 bis 4,6 0 bis 0,3 0,3 bis 1,1 13 bis 15 1,7 bis 2,3 4 bis 6
    47 Fe Bal. 1,4 bis 1,7 0,1 bis 0,5 0,1 bis 0,5 3,6 bis 5,2 0 bis 0,3 0 bis 1 11,5 bis 13,2 4,3 bis 5,3 4,5 bis 5,5
    48 Fe Bal. 0,7 bis 0,9 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,7 3,6 bis 4,6 0 bis 0,3 3,8 bis 4,8 0 0,7 bis 1,3 0
    49 Fe Bal. 0,8 bis 1 0,1 bis 0,5 0,2 bis 0,7 3,3 bis 4,5 0 bis 3 3,8 bis 5 0,7 bis 1,7 1,6 bis 2,3 0
  • 1 zeigt eine Lichtmikroskopaufnahme, die die Mikrostruktur von H13-Werkzeugschmiedestahl darstellt, der gemäß industriellen Techniken wärmebehandelt wurde. Der H13-Werkzeugschmiedestahl von 1 wies die in Tabelle IX aufgeführten Eigenschaften auf. Tabelle IX - Eigenschaften von H13-Werkzeugstahl
    Formungsrichtun g Formungsverfahre n Härte (HRC ) Festigkei t (MPa) Dehnun g (%) Zähigkei t (J)
    Parallel Alu-Knetlegierungen 52 1882 10 7
    Rechtwinklig SLM 52 1956 6 3
    Parallel Spritzen von Bindemitteln 54 1968 4 9
  • Es wurden auch Artikel aus der gleichen H13-Werkzeugstahlzusammensetzung unter Verwendung der AM-Techniken von SLM und Spritzen von Bindemitteln gemäß den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt. 2 zeigt eine Lichtmikroskopaufnahme, die die Mikrostruktur eines durch SLM geformten H13-Werkzeugstahlartikels darstellt, gefolgt von isostatischem Heißpressen und Wärmebehandlung gemäß den hierin angegebenen Parametern. Der SLM-HIPwärmebehandelte H13-Werkzeugstahl wies die in Tabelle IX aufgeführten Eigenschaften auf. Darüber hinaus zeigt 3 eine Lichtmikroskopaufnahme, die die Mikrostruktur eines H13-Werkzeugstahlartikels darstellt, der durch Spritzen von Bindemitteln gefolgt von isostatischem Heißpressen und Wärmebehandlung gemäß den hierin angegebenen Parametern hergestellt wurde. Der durch Bindemittelspritzen und HIP wärmebehandelte H13-Werkzeugstahl wies die in Tabelle IX aufgeführten Eigenschaften auf. Wie in Tabelle IX angegeben, weisen die H13-Werkzeugstahlartikel, die durch SLM und Bindemittelspritzen, gefolgt von HIP und Wärmebehandlung, geformt wurden, Eigenschaften auf, die mit H13-Werkzeugschmiedestahl vergleichbar sind oder diesen übertreffen. Dementsprechend können verschiedene Werkzeugartikel mit komplexer Form und/oder Struktur aus hierin offenbarten Werkzeugstahlzusammensetzungen ohne signifikante Einbußen bei den mechanischen Eigenschaften geformt werden. Die nach den hierin beschriebenen Verfahren hergestellten Werkzeugartikel können auf jedem beliebigen Gebiet Anwendung finden. Darüber hinaus können die in den vorliegenden Verfahren verwendeten additiven Herstellungsverfahren Werkzeugstrukturen und -architekturen ermöglichen, die mit gegenwärtigen Werkzeugherstellungstechniken nicht möglich sind. Die hierin beschriebenen Werkzeugartikel können zum Beispiel rotierende Werkzeugvorrichtungen sein, einschließlich Bohrer, Bohrkörper, hydraulische Spannfutter, Reduzierhülsen für hydraulische Spannfutter, Reibahlenköpfe, Reibahlenschäfte, Fräser, Spannzangen, Spreizhülsen, Adapter und Aufschrumpferweiterungen, Schneidwerkzeuge, Klemmen, Bohrstangen und Werkzeughalter.
  • In einem anderen Aspekt werden Werkzeugartikel bereitgestellt, die gemäß den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurden. In einigen Ausführungsformen wird ein Werkzeugartikel gemäß dem Verfahren hergestellt, das das Verfestigen einer Pulverlegierung in dem Werkzeugartikel über eine additive Herstellungstechnik und das Wärmebehandeln des Werkzeugartikels umfasst, um die Härte des Werkzeugartikels von 35 bis 65 HRC bereitzustellen. Die Wärmebehandlung des Werkzeugartikels umfasst in einigen Ausführungsformen die Schritte des Glühens, Aushärtens und mindestens einen Anlasszyklus, wie oben beschrieben. In einigen Ausführungsformen können zwei oder drei Anlasszyklen Teil der Wärmebehandlung des Werkzeugartikels sein. Temperaturen und Zeiten verschiedener Schritte der Wärmebehandlung können gemäß mehreren Überlegungen ausgewählt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf die Zusammensetzung der Werkzeugstahllegierung, die beabsichtigte Verwendung und Betriebsumgebung des Werkzeugartikels sowie Größe und/oder Abmessungen des Werkzeugartikels. Ein Werkzeugartikel, der gemäß den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wird, kann alle oben beschriebenen zusammengesetzten, mikrostrukturellen und/oder mechanischen Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus können Prozesse, die zum Formen der Werkzeugartikel verwendet werden, eine beliebige Kombination von hierin beschriebenen Prozessschritten beinhalten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 15/667390 [0001]

Claims (35)

  1. Verfahren zum Formen eines Werkzeugartikels, umfassend: Verfestigen einer Pulverlegierung in dem Werkzeugartikel mithilfe einer additiven Herstellungstechnik; und Wärmebehandlung des Werkzeugartikels, um eine Härte des Werkzeugartikels von 35 bis 65 HRC bereitzustellen, wobei der Werkzeugartikel aus einer Legierungszusammensetzung geformt ist, die 0,2 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0 bis 1,5 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0 bis 15 Gew.-% Kobalt, mindestens zwei von Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium in einer kombinierten Menge von 5 bis 25 Gew.-% und das restliche Eisen umfasst.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Legierungszusammensetzung 0,3 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Silizium, 2,5 bis 6 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0,2 bis 3,5 Gew.-% Molybdän, 0,5 bis 5,5 Gew.-% Wolfram und 0,2 bis 2,5 Gew.-% Vanadium und das restliche Eisen umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Legierungszusammensetzung 0,2 bis 0,6 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 0,6 Gew.-% Silizium, 1,5 bis 13 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 8 bis 20 Gew.-% Wolfram, 0,2 bis 1,5 Gew.-% Vanadium und das restliche Eisen umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Legierungszusammensetzung 0,7 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 1 Gew.-% Silizium, 3 bis 5 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 3 bis 12 Gew.-% Molybdän, 1 bis 11 Gew.-% Wolfram, 0,8 bis 3,5 Gew.-% Vanadium, 0 bis 13 Gew.-% Kobalt und das restliche Eisen umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Legierungszusammensetzung 0,6 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 1 Gew.-% Silizium, 3 bis 5,5 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0 bis 1,5 Gew.-% Molybdän, 10 bis 20 Gew.-% Wolfram, 0,5 bis 6 Gew.-% Vanadium, 0 bis 15 Gew.-% Kobalt und das restliche Eisen umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Werkzeugartikel nach der Wärmebehandlung eine Dehnung von mindestens 2 % aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Werkzeugartikel nach der Wärmebehandlung eine Dehnung von 3 bis 20 % aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Werkzeugartikel nach der Wärmebehandlung eine Bruchzähigkeit von mindestens 2 J aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Werkzeugartikel nach der Wärmebehandlung eine Bruchzähigkeit von 5 bis 25 J aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Werkzeugartikel nach der Wärmebehandlung eine Zugfestigkeit von 1200 bis 2200 MPa aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Werkzeugartikel eine Zugfestigkeit von 1900 bis 2000 MPa aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Werkzeugartikel eine Härte von 50 bis 60 HRC aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das isostatische Heißpressen des Werkzeugartikels vor der Wärmebehandlung.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Werkzeugartikel vor dem isostatischen Heißpressen eine theoretische Dichte von mindestens 95 % aufweist.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Werkzeugartikel eine Härte von 50 bis 65 HRC aufweist.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Werkzeugartikel vor der Wärmebehandlung eine theoretische Dichte von mindestens 98 % aufweist
  17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schichten, die durch die additive Herstellungstechnik während der Formung des Werkzeugartikels bereitgestellt werden, eine individuelle Dicke von 5 µm bis 500 µm aufweisen.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pulverlegierung durch Lasersintern der Pulverlegierung zu dem Werkzeugartikel verfestigt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pulverlegierung durch Laserschmelzen der Pulverlegierung zu dem Werkzeugartikel verfestigt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pulverlegierung über ein organisches Bindemittel verfestigt und gesintert wird, um den Werkzeugartikel bereitzustellen.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Werkzeugartikel eine Härte von 50 bis 60 HRC und eine Zugfestigkeit von 1800 bis 2200 MPa aufweist.
  22. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärmebehandlung das Glühen, Aushärten und mindestens einen Anlasszyklus umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Spitzenglühtemperatur 850 °C bis 900 °C beträgt.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Aushärten bei einer Spitzentemperatur von 1000 °C bis 1020 °C gefolgt von einer Abschreckung erfolgt.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei der mindestens eine Anlasszyklus bei einer Temperatur von 530 °C bis 570 °C erfolgt.
  26. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärmebehandlung im Wesentlichen aus einem Aushärten und mindestens einem Anlasszyklus besteht.
  27. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Wärmebehandlung im Wesentlichen aus einem Aushärten und mindestens einem Anlasszyklus besteht.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei das isostatische Heißpressen und Aushärten in einem einzigen Schritt kombiniert werden.
  29. Werkzeugartikel, hergestellt gemäß dem Verfahren, umfassend: Verfestigen einer Pulverlegierung in dem Werkzeugartikel mithilfe einer additiven Herstellungstechnik; und Wärmebehandlung des Werkzeugartikels, um eine Härte des Werkzeugartikels von 50 bis 60 HRC und eine Dehnung von 3 bis 15 Prozent bereitzustellen, wobei der Werkzeugartikel aus einer Legierungszusammensetzung geformt ist, die 0,2 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0 bis 1,5 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0 bis 15 Gew.-% Kobalt, mindestens zwei von Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium in einer kombinierten Menge von 5 bis 25 Gew.-% und das restliche Eisen umfasst.
  30. Werkzeugartikel nach Anspruch 29, wobei die Legierungszusammensetzung 0,3 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Silizium, 2,5 bis 6 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0,2 bis 3,5 Gew.-% Molybdän, 0,5 bis 5,5 Gew.-% Wolfram und 0,2 bis 2,5 Gew.-% Vanadium und das restliche Eisen umfasst.
  31. Werkzeugartikel nach Anspruch 29, wobei die Legierungszusammensetzung 0,2 bis 0,6 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 0,6 Gew.-% Silizium, 1,5 bis 13 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 8 bis 20 Gew.-% Wolfram, 0,2 bis 1,5 Gew.-% Vanadium und das restliche Eisen umfasst.
  32. Werkzeugartikel nach Anspruch 29, wobei die Legierungszusammensetzung 0,7 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 1 Gew.-% Silizium, 3 bis 5 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 3 bis 12 Gew.-% Molybdän, 1 bis 11 Gew.-% Wolfram, 0,8 bis 3,5 Gew.-% Vanadium, 0 bis 13 Gew.-% Kobalt und das restliche Eisen umfasst.
  33. Werkzeugartikel nach Anspruch 29, wobei die Legierungszusammensetzung 0,6 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 1 Gew.-% Silicium, 3 bis 5,5 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,3 Gew.-% Nickel, 0 bis 1,5 Gew.-% Molybdän, 10 bis 20 Gew.-% Wolfram, 0,5 bis 6 Gew.-% Vanadium, 0 bis 15 Gew.-% Kobalt und das restliche Eisen umfasst.
  34. Werkzeugartikel nach Anspruch 29 mit einer Bruchzähigkeit von 5 bis 25 J nach der Wärmebehandlung.
  35. Werkzeugartikel nach Anspruch 29 mit einer Zugfestigkeit von 1900 bis 2200 MPa.
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