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Titan und Tantal enthaltender Schnellarbeitsstahl Die Erfindung betrifft
Schnellarbeitsstähle, die Titan-und Tantalcarbid enthalten.
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Schnellarbeitsstähle herkömmlicher Art enthielten bisher fast ausschließlich
nur zwei Arten von Carbiden. Die eine dieser Arten ist das MBC-Typ-Carbid mit Wolfram
und Molybdän als Hauptbestandteile, während die andere ein MC-Typ-Carbid mit Vanadium
als Hauptbestandteil ist. Diese Carbide nehmen an der Schnittleistung wirksam teil.
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Für die Verwendung als Schnellarbeitsstähle dienen auch Chromvanadiumstähle
mit einer Zusammensetzung von 0,7 bis 1,5 0/0 Kohlenstoff, 3 bis 6 0/0 Chrom, 2
bis 6,00/0 Vanadium, 0,1 bis 1,00/0 Wolfram, Rest Eisen. Diese Stähle können außerdem
0,1 bis 2,00/0 Titan und Tantal einzeln oder zu mehreren enthalten. Weiterhin sind
für Schnellarbeitsstähle Legierungen bekannt, die 1,0 bis 2,0 0/0 Kohlenstoff, 0,5
bis unter 7,00/0 Wolfram, 3 bis 6,00/0 Chrom, 2,5 bis 10,00/0 Vanadium, Rest Eisen
enthalten und die noch 0,1 bis 3,00/, Molybdän, Titan, Tantal, Zink, Uran
oder Beryllium einzeln oder zu mehreren enthalten können.
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Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, einen Schnellarbeitsstahl
zu schaffen, der eine gute Hitzebeständigkeit, einen hohen Widerstand gegen Ausbrechen
an den Kanten und besonders hohe Schnittgeschwindigkeiten besitzt.
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Diese Eigenschaften weisen erfindungsgemäß Titan und Tantal enthaltende
Schnellarbeitsstähle auf, die aus 0,6 bis 50/0 Kohlenstoff, 0,5 bis 10°/o Titan
und Tantal, 10,4 bis 250/0 Wolfram, 4,13 bis 200/0 Molybdän, 3,82 bis 100/0 Chrom,
1,87 bis 100/0 Vanadium, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen bestehen. Sie enthalten
alle einen Wolframgehalt, wie er bei mit Wolfram legierten Schnellarbeitsstählen
üblich ist (über 10,4°/0). Der Gehalt an Molybdän beträgt mindestens 4,3 0/0 und
liegt damit wesentlich höher als bei den genannten Chromvanadinstählen, sofern er
bei diesen Stählen überhaupt vorhanden ist. Diese erfindungsgemäßen Stähle zeichnen
sich gegenüber den in ihrer Zusammensetzung oben aufgeführten Schnellarbeitsstählen
durch wesentlich höhere Leistungen aus und auch gegen den mit MoTi, M2, M38 in der
Tabelle 1 bezeichneten Stählen.
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Die Zusammensetzungen von Stählen, die sowohl Titan als auch Tantal
enthalten, d. h. der erfindungsgemäßen Stähle MoTiTa (A) und MoTiTa (B), und die
Zusammensetzungen von Molybdän-Titan-Schnellarbeitsstählen MoTi, Molybdän-Kobalt-Schnellarbeitsstählen
M38 und Molybdän-Schnellarbeitsstahl, auf die nachfolgend zu Vergleichszwecken Bezug
genommen wird, sind in der Tabelle 1 aufgezeigt.
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Durch Wärmebehandlung der erfindungsgemäßen Stähle (A) und (B) unter
genau den gleichen Bedingungen, wie sie für gewöhnliche Schnellstähle angewendet
werden, wurden nach dem Abschrecken und Anlasse Härtegrade von HRC 65 oder höher
erzielt und bessere Ergebnisse als beim M38-Stahl hinsichtlich der Anlaßbeständigkeit
erhalten.
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Die Zerspanbarkeit wurde mit 10-mm-Vierkantschneidwerkzeugen, die
aus den erfindungsgemäßen Stählen bestanden und durch Erhitzen während 3 Minuten
bei 1250°C sowie durch Ölhärtung und Anlassen zweimal in einer Stunde bei 550°C
zum Erzielen einer Härte von HRC 66,4 bis 66,6 hergestellt wurden, und mit anderen
Schneidwerkzeugen durchgeführt, die aus bekannten Stählen zum Vergleich mit den
erfindungsgemäßen Stählen hergestellt waren, wobei die erwähnten anderen Schneidwerkzeuge
der für sie optimalen Wärmebehandlung unterzogen wurden und ein Vergleich der Schnittleistungen
dieser Schneidwerkzeuge durchgeführt wurde.
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Das bei allen diesen Versuchen angewendete Verfahren war der unter
der Bezeichnung Plandrehen oder Planfräsen bekannte Schneidvorgang, und die Prüfbedingungen
waren wie folgt: Die Bedingung 1 war Schneiden mit hoher Geschwindigkeit eines harten
Metalls (Chrom-Molybdän-Stahl, Japan Industrial Standards Designation SCM 5,
enthaltend
0,43 bis 0,48 6/o C, 0,15 bis 0,350/, Si, 0,60 bis 0,85 % Mn, 0,030 6/a max. P,
0,030 °/o max. S, 0,90 bis 1,20 °/o Cr und 0,15 bis 0,35 °/o Mo, von einer
| Tabelle 1 |
| Art des Stahls ( Bezeichnung I C I W I Mo I Cr f V I Co I Ti
Ta |
| Erfindungsgemäßer Stahl, enthaltend |
| 0,6 °/g Ti, 0,7 °/o Ta . . . . . . . . . . . . . . . . . .
MoTiTa (A) 1,33 10,40 4,53 4,28 2,11 - 0,60 0;74 |
| Erfindungsgemäßer Stahl, enthaltend |
| 1,2°/o Ti, 1,4°/p Ta . . . . . . . . . . . . . . . . . . MoTiTa
(B) 1,55 13,00 4,13 3,82 1,87 - 1,18 1,44 |
| Molybdän-Titan-Schnellstahl ......... MoTi 1,72 8,78 5,26 4,20
2,01 - 2,00 - |
| Molybdän-Kobalt-Schnellstahl ........ Mag 0,80 6,00 5,00 4,00
2,00 8,0 - - |
| Molybdän-Schnellstahl .............. M2 0,85 6,00 5,00 4,00
2,00 - - - |
Die Bedingung 2 war Schneiden mit niedriger Schnittgeschwindigkeit ebenfalls eines
harten Metalls, wobei die Verschleißfestigkeit als Hauptmerkmal dem Vergleich zugrunde
gelegt wurde.
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Die Bedingung 3 war Schneiden mit hoher Schnittgeschwindigkeit eines
Werkstückes, das mit einer Umfangsnut versehen war, um auf diese Weise eine Stoßbeanspruchung
auf die Schneidkante des Schneidwerk zeugs auszuüben. Das Werkstück bestand aus
einem verhältnismäßig weichen Material (Kohlenstoffstahl zum Maschinenbau, Japanese
Industrial Standards Designation S 45 C, enthaltend 0,40 bis 0,50 °/b Kohlenstoff,
mit einer Brinell-Härte von 167 bis 229), wobei der Widerstand gegen Ausbrechen
an der Schneide als Hauptmerkmal dem Vergleich zugrunde gelegt wurde.
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Als Kriterium der Leistung wurde die Verschleißbreite der Flankenfläche
nach dem Schneiden oder die Schnittgeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Ablaufs der
Standzeit des Werkzeuges gemessen.
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Die erhaltenen Prüfergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
| Tabelle 2 |
| Stahlbezeichnung Bedingung'1 Bedingung2I Bedingung3 |
| 1 (in/Min.) |
| (mtn) (m/Min.) |
| MöTiTa (A) ....... 26,2 0,21 82,6 |
| MoTiTa (B) ....... 27,8 0,21 81,1 |
| MoTi ............ 28,2 0,23 78,9 |
| M3............... 25,2 0,37 78,9 |
| Mag .............. 26,5 0,2'7 83,2 |
Wie sich aus der Tabelle Z ergibt, hat die Stahllegierung MoTi, welche das Carbid
enthält, das Ti als seinen Hauptbestandteil aufweist, die größte Hitzebeständigkeit,
zeigt jedoch einen etwas niedrigen Widerstand gegen Ausbrechen der Schneide.
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Die Stahllegierung MoTiTa, die das Carbid enthält, welches Ti und
Ta als Hauptbestandteile aufweist, hat eine Hitzebeständigkeit, deren Größe von
der Menge des erwähnten Carbids abhängt und gleich oder größer ist als diejenige
des Stahls Mag, jedoch ist hinsichtlich des Widerstandes gegen Ausbrechen der Schneide
der Stahl MoTiTa dem Stahl MoTi überlegen und fast gleich dem Stahl Msg. Der Stahl
MoTiTa ist hinsichtlich der Verschleißfestigkeit dem Stähl Mag klar überlegen.
Brinell-Härte von 302 bis 363), wobei die Hitzebeständigkeit als das Hauptmerkmal
für den Vergleich betrachtet wurde. Der Schnellstahl, dessen Carbid Ti und Ta als
Hauptbestandteile enthält und der durch Zusetzen von Ti und Ta und einer Menge Kohlenstoff
hergestellt wurde, die zur Carbidbildung mit dem erwähnten Ti und Ta ausreicht,
hat einen größeren Widerstand gegen Ausbrechen der Schneide als ein Stahl, der ein
Carbid mit Ti als Hauptbestandteil enthält, sowie eine Hitzebeständigkeit und einen
Widerstand gegen Ausbrechen der Schneide oder höher als Kobalt-Schnellstahl, während
die Verschleißfestigkeit höher ist als bei dem Kobalt-Schnellstahl.
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Daher zeigen, wenn ein Schnellstahl mit einem Carbid, dessen Hauptbestandteile
Ti und Ta sind, als Werkzeugmaterial zum Schneiden mit hoher Schnittgeschwindigkeit
und zum Schneiden von harten Materialien verwendet wird, aus einem solchen Material
hergestellte Schneidwerkzeuge eine ausgezeichnete Schnittleistung.
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Diese überlegene Schnittleistung des erfindungsgemäßen Stahls dürfte
der extremen Härte des Carbids mit Ti und Ta als Hauptbestandteilen und seiner überlegenen
Zähigkeit im Vergleich zu einem Carbid mit Ti als Hauptbestandteil zuzuschreiben
sein.
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Schnellstähle, denen kleine Mengen Ti und Ta mit dem Ziel zugesetzt
wurden, eine Desoxydation, Denitrierung oder Kornverfeinerung herbeizuführen, wurden
bisher auf Versuchsbasis verwendet. Im Gegensatz dazu enthält jedoch der erfindungsgemäße
Schnellstahl außer MgC-Carbid und VC-Carbid noch Carbide mit Ti und Ta als Hauptbestandteile,
so daß die Bedeutung dieser Zusätze erstmalig dargestellt wurde, wobei es für den
erfindungsgemäßen Stahl unerläßlich ist, daß er zusammen mit Ti und Ta eine Kohlenstoff
menge enthält, die für die Verbindung mit Ti und Ta ausreicht. Der erfindungsgemäße
Schnellstahl unterscheidet sich daher wesentlich von den vorerwähnten, bisher verwendeten
Stählen.
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Der erfindungsgemäße Schnellstahl kann dadurch hergestellt werden,
daß Titan, Tantal und andere metallische Elemente und Kohlenstoff als gesonderte
Grundlegierungen zugesetzt werden und dieser gegossen wird. Wenn er jedoch durch
rasches Erhitzen und Kühlen hergestellt wird, beispielsweise durch Auftragschweißung
mit einem in feste Lösung gehenden Pulver, das aus TiC und TaC oder aus diesen Carbiden
zusammen mit anderen Arten von Carbiden als Ausgangsmaterial besteht, wird das Carbid
mit Ti und Ta als Hauptbestandteile fein verteilt und läßt sich ein Schnellstahl
mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften
und hervorragender
Schnittleistung leicht herstellen.
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Ein Erfordernis des erfindungsgemäßen Stahls besteht darin, daß er
sowohl Titan als auch Tantal enthält, während das Fehlen eines dieser Legierungselemente
zur Folge hat, daß der Stahl nicht angemessene Eigenschaften besitzt.
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Als Werkstoff für durch Walzen oder ähnliche Verarbeitungsverfahren
hergestellte korrosionsbeständige, gehärtete Schneidwerkzeuge, wie Rasierklingen
und chirurgische Instrumente, sind Stahllegierungen bekannt, die aus 0,60 bis 2,50/()
Kohlenstoff, 8 bis 220/0 Chrom, 0,05 bis 0,25 °/o Stickstoff, 0,20 bis 6 °/o Molybdän,
Rest Eisen bestehen. Hierbei kann das Molybdän ganz oder teilweise durch Wolfram
ersetzt werden, und zur Änderung der mechanischen und anderen Eigenschaften können
Zusätze von anderen Zusatzelementen, wie Aluminium, Bor, Kobalt, Kupfer, Arsen,
Beryllium, Niob, Selen, Tantal, Titan, Uran, Vanadium und Zirkonium, gemacht werden.
Diese Legierung, die keinen Wolframgehalt oder einen höchstens bis 6 °/o betragenden
Gehalt im Falle, daß kein Molybdän enthalten ist, aufweist, ist für Schnellarbeitsstähle,
an die höhere Anforderungen gestellt werden, nicht brauchbar.