DE1758626A1

DE1758626A1 - Pulvermetallurgisch hergestellter Gegenstand

Info

Publication number: DE1758626A1
Application number: DE19681758626
Authority: DE
Inventors: Gary Steven
Original assignee: Crucible Inc
Current assignee: Crucible Inc
Priority date: 1967-09-11
Filing date: 1968-07-09
Publication date: 1972-04-06
Also published as: GB1237244A; US3561934A; FR1573501A; JPS6238402B1

Description

Alfred Hr.--■.■ pener

Dr. Hera'JoaiiL'-i Wolff ^{8l Jul}'

Dr, E.^13 Chr. 3eii

Frankfurt .-*. M.- Höchst

Atklcmstriiße 38 - Tel. 301034

Unsere Hr. H 887

Crucible oteel Corporation Wilmington, DeI₀, V.St.A.

Pulvermetallurgisch hergestellter Gegenstand.

."Jie Erfindung betrifft Pulver- oder üinterrietallgegenstände und ein Verfahren zu deren Herstellung. Sie betrifft insbesondere Sintermetall-Gegenstände, die aus Stählen für Schnellarbeitawerkzeuge und Gesenke durch Heiß-Yerpre3sen der feinteiligen Stähle hergestellt werden» Die Teilchen liegen in ihrer Größe unterhalb etwa 0,59 mm (-30 mesh) und enthalten ein reaktives Lie tall wie z.,B. Titan, Vanadium, Zirkon, Niob, Molybdän oder Tantal. Der reaktive Metall-Anteil ist mit einem Nichtmetall, das aus Kohlenstoff, Sauerstoff oder stickstoff bestehen kann, umgesetzt, wodurch eine nichtmetallische Dispersion aus dem reaktionsfähigen metall und dem iJiohtmetall entsteht.

Bei der Herstellung von Gegenständen aus Stanlsorten für öchriellar bei ta stähle und Gesenke - Schneidstähle, Gesenke und dgl ο - ist ein zunächst relativ weiches Produkt, daa leicht bearbeitet werden kann, erwünscht. Bei Schneidatählen schließt man die Herstellung der erforderlichen Schneidkante in die Bearbeitungsphase ein; bei Gesenken hingegen wird vorteilhaftervveise der Gesenk-Rohling bearbeitet, ao lange er sich in einem verhältnismäßig weichen Zustand befindet. Nach der Bearbeitung

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werden sowohl Werkzeugstähle als auch Gesenke der Härtung unterzogen: durch austenitische Behandlung, Abschrecken und Anlassen (Tempern) wird der erwünschte hohe Härtegrad erzielt. Bei diesen Schnellarbeitsstählen ist es auch vorteilhaft und für viele Verwendungszwecke unbedingt erforderlich, daß die Abmessungen des Gegenstandes über austenitische Behandlung, Abschrecken und Anlassen hinaus unverändert gleich bleiben. Bei einem Schneidstahl wie etwa einem (Ab-)Wälzfräser zylindrischer Form z.B. erfordert jegliche Änderung der Symmetrie oder Unrundheit nach der Härtungsbehandlung nachträgliche Schleifarbeit. Auch wenn es sich um ein Gesenk handelt, bei dem vorgeschriebene Toleranzen normalerweise erhalten bleiben müssen, sind jegliche nach dem Härten auftretenden Unstimmigkeiten in bezug auf die Gröiie durch nachträgliches Schleifen weitgehend zu korrigieren. Sowohl bei Schneidstählen als auch bei Gesenken sind derartige Schleifarbeiten nach der Härtung wegen der erhöhten Materialhärte mit vermehrten Schwierigkeiten und Kosten verbunden.

Bei Schneidstählen verringern derartige Schleifarbeiten bekanntlich auch die Standzeit oder Lebensdauer des Werkzeugs. Daraus läßt eich ersehen, wie wichtig es ist, daß Gegenstände dieser Art entwickelt werden, bei denen als wesentliches Merkmal Unstimmigkeiten hinsichtlich der Abmessungen nach der austenitisehen Behandlung, nach Abschrecken und Anlassen im wesentlichen ausbleiben· Wie noch ausführlicher darzulegen sein wird, fand man, daß Unrundheit nach dem Härten von der Ausrichtung oder Orientierung der Karbide abhängt, d.h. es erwies sich, daß durch die Anwesenheit richtungsorientierter Karbidadern bei Gegenständen nach der Härtung Unrundheit in der Richtung dieser Adern verursacht wird. Im Gegensatz hierzu erledigt sich das Problem der Unrundheit nach der Härtung weitgehend, wenn eine durch gleichmäßige Verteilung gekennzeichnete» nicht ausgerichtete, einheitlich-gleichartige, feine Karbidstruktur vorliegt.

Durch Schaffung einer feinen, durch gleichmäßige Vertei-209815/0350 BADORfGiNAL

lung gekennzeichneten Karbidstruktur werden die zur Erzielung des erforderlichen hohen Härtegrades benötigten austenitischen Beli.'Uidlungszeiten (Austenitiaierzeiten) wesentlich verkürzt; dies entspricht einer Rationalisierung des Behandlungs-Verfahrense

Wie schon zuvor erwähnt, müssen sowohl Werkstähle als auch Gesenke im Verlauf der Fertigung einer Bearbeitung unterzogen 7/erden. Damit eine leichte Bearbeitung und insbesondere bei Schneidstählen eine gute Gebrauchstüchtigkeit der geschaffenen Schneidkante ermöglicht wird, ist bei dem endgültigen Gegenstand eine verhältnismäßig feinkörnige Mikrostruktur willkommen O

Erfindungsgemäß wird ein Pulvermetall-Gegenstand in Form eines Metallkörpers bereitgestellt, der aus kompaktgepressten Teilchen einer Ht aiii zusammensetzung gefertigt wird, die als Bestandteil ein mit einem der Nichtmetalle Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff umsetzbares Metall enthält, wobei jedes dieser Teilchen im wesentlichen gleichmäßig mit einer nichtmetallischen Verbindung dieses reaktionsfähigen Metalle mit dem Nichtmetall durchsetzt ist, und der Metallkörper eine Härte von mindestens etwa 58 R_n hat und Gleichmäßigkeit der Größenänderung nach austenitischer Behandlung, Abschrecken und Anlassen aufweist.

Der Gegenstand eignet sich zur Härtungsbehandlung nach konventionellen Methoden des Austenitisieren, Abschreckens und Anlassens auf Härtestufen über etwa 58 R für Gesenkstahl-

material und 64 R_n für Schnellarbeitsstähle. Das Austenitifieren zur Erhöhung des Härtegrades bis zu diesen hohen Werten kann in äußerst kurzen Zeitspannen in der Größenordnung von 2 lüinuten oder weniger durchgeführt werden. Außerdem bleibt während der Härtungsbehandlung die Symmetrie des Gegenstandes im wesentlichen unverändert.

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Die nun folgende Beschreibung mit beiliegenden Zeichnungen dient dem besseren und vollständigeren Verständnis der Erfindung. Es sind:

Abbildung 1Λ und 1B Mikrophotographien, die einer Vergütung unterzogene Mikrostrukturen (im Längsschnitt) von Presslingen aus M2S-Werkzeugstahl der Erfindung zeigen,

Abbildung 2 die Mikrophotographie der Mikrostruktur eines

Probestückes, das von einem Stab aus Material gemäß Stand der

ie Technik mit der gleichen Zusammensetzung und Größe wie da« der Presslinge auf Abb. IA und 1B abgeschnitten wurde,

Abbildung 3 eine graphische Darstellung, anhand derer sich die zur Erzielung der verschiedenen Härtestufen erforderlichen. Austenitisierzeiten bei erfindungsgemäßen Presslingen und bei Proben aus herkömmlichem Material vergleichen lassen; alle Probestücke wurden bei 1204° C austenitisch behandelt, mit Öl abgeschreckt und 2+2+2 Stunden bei 552 G angelassen;

Abbildung 4A und 4B Mikrophotographien erfindungsgemäßer Proben,

Abbildung 5A und 5B Mikrophotographien von Probestücken aus Material gemäß Stand der Technik mit der gleichen Zusammensetzung wie die Proben der Abb. 4A und 4B.

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit der Bereitstellung einer Stahlzusammensetzung für Sohnellarbeiteetähle oder Gesenke in Form von Teilchen, die einen Metallbestandteil enthalten, der mit einem Nichtmetall wie z.B. Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff eine Reaktion einzugehen vermag· Jedes Teilchen enthält eine nichtmetallische Verbindung des reaktionsfähigen Metalls mit dem Nichtmetall, also z.B. ein Karbid, Nitrid oder Oxyd, die in weitgehend gleichmäßiger Verteilung das Teilchen vollständig durchsetzt. Eine entsprechende Menge dieser Metallteilchen wird vorzugsweise praktisch in Abwesenheit von

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Sauerstoff auf hohe Temperaturen erhitzt und dann der Einwirkung von Druck ausgesetzt und nach geeigneten Verfahren der Pulvermetallurgie auf eine endgültige Dichte von mindestens etwa 99 γό zusammengepresst. Zum Zusammenpressen und Erhitzen werden die Teilchen beispielsweise in luftleer gepumpte Hüllen oder Behälter gefüllt und in diesen in einem Ofen auf die entsprechende Temperatur erhitzt, dann in eine i'orm gelegt und mit Hilfe eines Press-Stempels dem für das Zusammenpressen erforderlichen Druck ausgesetzt, ils gibt auch die Möglichkeit, die mit dem Pulvermetall gefüllte Hülle zum Pressen in ein Druckgefäß, allgemein "Autoklav" genannt, zu bringen; das Gut kann entweder im Autoklaven erhitzt oder zuvor in einem Ofen auf die erforderliche Temperatur gebracht und dann in den Autoklaven ein geführt werden. Soweit nicht absichtlich die Zugabe von Sauerstoff gewünscht ist, kann das Erhitzen und Pressen praktisch ohne Sauerstoff durchgeführt werden, um sicherzustellen, daß aufgrund sauerstoff-freier Teilchenoberfläche eine gute Teilchenbindung während des Pressens erfolgt und ein sauberes Endprodukt gewonnen wird,,

Die Größe der Teilchen des erfindungsgemäß«» verwendeten Stahls für Schnellarbeitostähle oder Gesenke beträgt vorzugsweise höchstens O_f59 nun oder weniger. Die Teilchengröße beeinflußt die endgültige Karbidgröße, die für das Bndprodukt wesentlich ist·

Die Erfindung läßt sich vorteilhaft anwenden auf alle Stähle für Schnellarbeitsstähle und Gesenke, die als Bestandteil ein Metall enthalten, das unter Bildung einer nichtmetallischen Verbindung mit einem Nichtmetall wie Z₀B. Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff eine Reaktion einzugehen vermag; sie ist jedoch besonders vorteilhaft für Legierungen mit einer Zusammensetzung innerhalb des Bereiches gemäß Tabelle I. Geeignete reaktionsfähige Metalle sind Titan, Vanadium, Zirkon, Niob, Molybdän, Wolfram und Tantal.

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TABKLLE I	Allgemeiner Bereich	Engerer Bereich
	0,80 - 3,0	0,97 - 1,02
Kohlenstoff	bis 2	0,20 - 0,40
Mangan	bis 1	0,20 - 0,40
Silicium	bis 0,5	0,10 - 0,15
Schwefel	bis 18	6 - 6,5
Wolfram	bis 10	4 - 4,5
Chrom	bis 12	4,75 - 5,25
Molybdän	bis 5	1,8 - 2,20
Vanadium	bis 12
Kobalt	Rest, hierbei Wolfram + Molybdän+ Chrom + Vanadium mindestens = 10$ des Gesamtgewichts	Rest
Eisen

Beispiele herkömmlicher, handelsüblicher Stahlsorten für Schnellarbeitsatähle, auf die die Erfindung angewandt werden kann, sind in Tabelle II aufgeführt:

TABELLE II " '

Bezeichnung*	Aisi Cg	Mng	BH	_c	as	v*	TBrt/ Yf jfO	0,75	Co
Tl	0,75	0,30	0,30	4		1,15	18	0,65
T4	0,75	0,30	0,30	4		1*15	18	8,70	5
T5	0,80	0,30	0,30	4		2	18,50	5	8
Ml	0,85	0,30	0,30	3	,75	1,15	1,55	5
M2(1,0$C)	I 1,00	0,30	0,30	4	,15	1,95	6,40	6,25
M35	0,85	0,30	0,30	4	,15	1,95	6,40	. 5
M3 Typ 1	1,05	0,30	0,30	4		2,4	6,25

Alle diese Zusammensetzungen können zur besseren Bearbeitbarkeit sulfuriert werden.

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Bei den erfindungsgemäßen Gegenständen sollte die durchschnittliche Karbidgröße maximal ¹J Mikron (^u) , vorzugsweise jedoch 1 - 2 Mikron Cu) betragen« Große Karbide erfordern möglicherweise Austenitisieren bei Temperaturen, die zu hoch und deshalb unwirtschaftlich sind. Es wurde gefunden, daß die durchschnittliche Knrbidgröße maximal 5/U betraget* soll, damit bei Austenitisierzeiten von 2 Minuten oder weniger und bei der entsprechenden Temperatur die gewünschte Härte für Schnellarbeitsstähle, die je nach der speziellen metallurgischen Zusammensetzung des otahls bei 64 R_n oder darüber liegt, erreicht wird. Ausserdem können bei Schneidstählen im Material vorhandene große Karbide, die sich im Schneidkantenbereich befinden, erhöhtes Abspringen an der Schneidkante des Stahls während des Einsatzes verursachen. Davon abgesehen kann durch das Vorhandensein grosser Karbide sowohl bei Werkzeugstählen als auch bei Gesenken eine Beeinträchtigung der Eigenschaften dahingehend bedingt werden, daß sich die Gegenstände nicht so gut schleifen lassen«

Die typische Korngröße des Gegenstandes liegt bei 12 (nach Snyder-Graff) oder bei feineren Werten. Man nimmt an, daß diese feine Korngröße dem Material Zähigkeit verleiht« Bei Fertigung der Pulvermetallurgie ist eine auf andere Weise nicht erreichbare Steuerung in Bezug auf die Korngröße möglich. Bei herkömmlichen Gegenständen der von der Erfindung erfaßten Art hängt die Korngröße fast ausschließlich von der auf den Gegenstand verwandten Bearbeitungsintensität ab. Je größer also bei einem Werkzeug wie z.B. einem Wälzfräser der Durchmesser und je geringer infolgedessen die Intensität der Bearbeitung umso grober ist seine Kornstruktur. Bei den erfindungsgemäßen Gegenständen ist jedoch die Korngröße vollkommen unabhängig von der Größe des Gegenstandes«

Bei den erfindungsgemäßen Erzeugnissen aus Stahl für Schnellarbeitsstähle oder Gesenke ist, wie bereits erwähnt, die Erzielung hoher Härtegrade durch austenitische Behandlung, Abschrecken und Anlassen wesentlich. Besonders wichtig ist dies im i⁽¹alle von -< erkzeugstahl-ErZeugnissen, wobei Harten von etwa 5β R bei Gesenkstahlaorten und 64 R oder mehr bei Schnell r-ir-

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beitestahl-Material erforderlich sind. Dies wird bei erfindung'sgemäßen Gegenständen entsprechend der vorgegebenen Beschreibung mit Austenitisierzeiten von nicht mehr als 2 Hinuten bei den entsprechenden Temperaturen erreicht· Die kurzen Austenitisierzeiten sind aus den bereits angeführten Gründen von Vorteil.

Die erfindungsgemäßen Gegenstände zeichnen sich ferner durcl eine homogene, nicht gerichtete Karbidstruktur aus. Wie noch ausführlich darzulegen sein wird, ist aufgezeigt worden, daß Änderungen in der Symmetrie, Form oder Unrundheit direkt aus den Riohtungseigenheiten der Karbidstruktur folgen. Der Gegenstand neigt insbesondere nach dem Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen zu Größenänderungen in Richtung der Karbidausrichtung. Dies wird erfindungsgemäß durch die homogene, nicht ge» richtete Karbidstruktur weitgehend ausgeschaltet» Diese homogene, nicht gerichtete Karbidstruktur bietet bei gewissen Arten des Schneidstahl-Uinsatzes weiterhin den Vorteil, daß aus erfindungsgemäß hergestelltem Material Schneidstähle gefertigt werden können, ohne daß die Stähle so aus dem Material geschnitten werden müssen, daß die Karbidadern praktisch senkrecht zur Schneidkante des Werkstahls verlaufen. Wenn bei herkömmlichen Methoden dieser Grundsatz außer acht gelassen wird, kann ein längliches Karbidkorn länge der Schneidkante des Werkstahls zu liegen kommen, das natürlich abplatzen müßte und als Begleiterscheinung ein Abstumpfen der Schneidkante schon nach kurzer Einsatzzeit des Stahls hervorriefe. Wenn also ein Stahl in jeder beliebigen Richtung ohne Rücksicht auf ausgerichtete Karbidablagerung aus dem Werkstüok genommen werden kann, ist bestmögliche Verwertung des Schneidstahl-Materials gegeben. Kurz, die allgemein gültigen Grundsätze hinsichtlich der Längs- und Quereigenschaften bei Werkstählen werden bei Anwendung der · Erfindung gegenstandslos.

Wie noch ausführlich aufzuzeigen sein wird, beträgt bei einem typischen Wälzfräser aus erfindungsgemäßem Material mit 76,2 mm Durchmesser die Größenänderung oder Unrundheit nach

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dem Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen im Höchstfalle lediglich 0,00254 mm; dies wird praktisch als keine Größenänderung betrachtet. Hingegen ergäbe sich bei einem herkömmlichen Walzfräser dieses Durchmessers eine Unrundheit in der Größe von 0,0203 mm oder mehr.

Die nichtmetallischen Verbindungen aus dem reaktionsfähigen Metall und Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff können auf zwei verschiedene Arten in den Teilchen der Stähle für Schnellarbeitsetähle oder Gesenke gebildet werden. Einmal kann das nichtmetallische Produkt in der Schmelze enthalten sein, aus der die Teilchen gemacht werden. Zweitens können die Teilchen praktisch in der Form des reinen reaktionsfähigen Metalls hergestellt werden, wobei anschließen* das Nichtmetall mit dem reaktionsfähigen Metall dadurch umgesetzt werden kann, daß die Teilchen in eine aus dem Nichtmetall bestehende Umgebung, also in eine Kohlenstoff-, Sauerstoff- oder Stickstoffumgebung gebraoht werden und dadurch die Umsetzung herbeigeführt wird, worauf eine praktisch gleichmäßige Verteilung der nichtmetallischen Verbindung über das ganze Teilchen durch Diffusion »folgt.

Der weite Anwendungsbereich der Erfindung auf dem Gebiet der Fertigung von Produkten aus Stahlsorten für Schnellarbeitsstähle und Gesenke wurde bereits dargelegt. Wie sich zeigte, eignet sich die Erfindung jedoch besonders gut für die Fertigung von Wälzfräsern aus Stahlmaterial für Schnellarbeitsetähle. Ein Wälzfräser ist ein zylindrisches, rotierendes Schneidwerkzeug, dessen Oberfläche spiralig angeordnete Zähne aufweist. Es wird zur Bildung von Getriebezähnen, Keilnuten und dgl. durch Fräsen verwendet. Die Schneidwirkung wird dadurch erzielt, daß man den Wälzfräser dreht, während er in das Werkstück vorgetrieben wird. Die Riefen des Wälzfräserβ rufen während dieses Vorganges die Schneidwirkung hervor. Wie man feststellte, wird die Sohneidwirkung eines Wälzfräsers, seine wichtigste Eigenschaft _f durch Abbrechen der Zahnkanten sehr beeinträchtigt.

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Die Stärke des ZaJinkanten-Abbruchs hängt in starkem Maße von Größe und Ausrichtung der im Wälzfräser und insbesondere an dessen Zahnkanten vorhandenen Karbidkörner ab. .Venn beispielsweise länglich geformte Karbide entlang einer Sclmeidzahnkante angeordnet sind, bricht dieser Teil des Schneid-Zahnes während des Schneidens leicht weg. Daraus erhellt, daß die feine homogene Karbidstruktur, die den erfindungsgemäßen Gegenständen eigen ist, auf dem speziellen Gebiet der Fuäser große Vorteile bringt. Außerdem müssen während der Fertigung des Fräsers die Sohneidzähne in die zylindrische Fläche des Rohlings gearbeitet werden. Dies geschieht vor der Härtung des Fräsers durch austeniti3che Behandlung, Abschrecken und Anlassen. Nach dem Stande der Technik wurde der Fräser während der Härtung unsymmetrisch oder unrund; er mußte nach der Härtung einer Schleifbearbeitung unterzogen werden, damit der zylindrisch· Rohling wieder die erforderliche Symmetrie erhielt. Naoh der Erfindung jedoch erübrigte sich aufgrund der homogenen, nicht ausgerichteten Karbidstruktur, bei der keine wesentliche Unrundheit nach der Härtung auftritt, ein Nachschleifen des Fräsers zur Wiederherstellung der Symmetrie nach der Härtung. Derartige Schleifarbeiten wirken sich bekanntlich nachteilig auf die Lebensdauer des Werkzeugs aus.

Als konkretes Beispiel für die Durchführung der Erfindung wurde erfindungsgemäß hoohgekohlter Stahl M2S für Schnellarbeitsstähle zur Herstellung von Stangen, für herkömmliche Zahn-Wälzfräffer und Spezial-Langlochfraser, Burohmesser 76,2 - 152,4 mm,, verwendet» Die Zusammensetzung des Stahls, aus dem diese Stangen hergestellt wurden, und einer Stahlsorte, aus der die zu Vergleicheeweken verwendete Stange» mit einem Durchmesser von 127,0 mm bestand, ist in Tabelle III angegeben.

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TABELLE III

Chemische Zusammensetzung handelsüblicher und pulvermetallurgisch hergestellter Stahlsorten M23, mit 0,9 - 1,10$ Kohlenstoff, für Schnellarbeitsstähle

angen—Nr· er Bezeich- :g des Prelä ngs	C	Mn	Chemische Zusammensetzung	S	W	W	Cr	V
61-338 .delsübli- er Stahl 23883 15 t	0,96	0,33	Si P	0,11	6,43	Mo	4,09	1,89
99-58	0,88	0,33	0,32 0_r0i6	0,021	7,35	4,90	4,49	1,76
99-121	o,.yy	O_r27	0,26 0,006	0,12	6,75	5,22	4,15	1,99
00-54	1,01	0,24	-	0,16	6,10	4,90	4,13	1,96
00-105	1,07	0,24	0,16	0,12	5,87	6,10	4,16	2,03
00-106	1,06	0,44	0,-26	0,12	6,04	5,13	4,12	2,08
00-109	1,04	0,24	0,26	0,12	6,00	5,19	4,09	2,09
		0,26	5,21

In Tabelle IV ist eine Beschreibung der Metallteilchen-Herstellung und der Vakuum-Heißpreß-Arbeitsfolgen für die Presslinge 299-58 und 300-54 der in Tabelle III beschriebenen Zusammensetzungen.

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TABELLE IV

Pulver-Aufarbeitung und Vakuum-Heißpreß-Bedingungen der Presslinge

Verfahren und Bedingungen

Ansatz

Preßling 299-58 Preßling 300-34

Zusätzliche

Pulver-Auf

bereitung

1 Stunde in NaOH gereinigt; schalltechnische Reinigung in Chromsäure

Mit Stahlkugeln gerommelt, schalltechnische Reinigung in Chromsäure, gesiebt auf Feinheit sgr ad weniger als 0,044 mm (- 325 mesh)

Pu.lverzusatz 0,05$ Lampenruss

0,2 9^ Lampenruss

Arbeitsfolge
für

Vakuum-Heißpresseni

Pulvergut in luftleer gepumptem Gefäß 152,4 mm Durchmesser, 152,4 mm Höhe, bei 1246 C erhitzt (Behälter wurde während des Aufwärmens undicht; Leckstelle wurde vor Nachpressen abgedichtet). 115 min bei 1254 G nacherhitzt und nachgepreßt. 20 Stunden bei 732,22 C getempert luftgekühlt. Preßling auf 158,75 0 gearbeitet. Alle bearbeiteten Flächen mit rostfreiem Blech abgedeckt und geschweißten Behälter geschlossen. Preßling 2 Stunden bei 1246 C aufgewärmt, unter t Druck gepreßt und 16 Stund, bei 732,22 C getempert anschließend luftgekühlt.

Behälter 101,6 mm 0, 152,4 mm hoch mit Pulver gefüllt. Behälter samt Inhalt 2 Stunden bei 593,33 C erhitzt. Vakuumpumpe für 2 Stunden eingeschaltet. Behälter in Ofen bei 1218 C gebracht. Vakuumpumpe 50 min abgestellt, dann wieder eingeschaltet. Druck ir Behälter-Innerem auf 10 mm Hg reduziert und 200 min so niedrig gehalten. Unter 200 ± •Druck gepresst; bei 1246 C •nachgeDresst. 16 Stund, bei 732,22° C getempert luftgekühlt.

Auf 127,0 mm 0 χ 47,625 mm gedreht, um Behältermaterial zu entfernen.

Bei den nachstehend beschriebenen Versuchen wurden diese Presslinge mit Absohnitten verglichen, die man von einer handelsüblichen Stange aus der in Tabelle III aufgeführten hochgekohltezii Zusammensetzung M2S (61-338) mit einem Durchmesser von 127,0 mm abgeschnitten hatte. Bs wurden insbesondere die Mikrostrukturen untersucht. Außerdem wurden die Proben auf Bearbeitbarkeit (nach dem Tempern), Quer- C-Kerbschlagfestigkeit und Schneidstahl-Leistung als Drehbankstähle getestet. Weiterhin wurden die radi-

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alen Größenänderungen an Proben der Presslinge (120,65 mm Außendurchmeaser / 31,75 mm Innendurchmesser, 50,80 mm stark) ermittelt, nachdem sie den verschiedenen Arbeitsgängen einer herkömmlichen Härtungsbehandlung unterzogen worden waren. Die mit 299-58 und 300-54 bezeichneten Presslinge in libelle III hatten nach dem Pressen eine Härte von 32 ¹R₀, Die bei diesen

Probe

Proben sowie der gemäß Stand der Technik 61-338 angewandte Folge der Temperbehandlung umfaßte Hochtempern bei 871° G, Ofen-Abkühlung um 13,9° C pro Stunde bis auf 649° 0, Luftkühlung auf Raumtemperatur. Wie aus Abb. 1A und 1B zu ersehen ist, findet sich bei den getemperten Mikrοstrukturem. der Presslinge 127,0 mm 0 eine feine, gleichmäßige Verteilung von Restkarbiden, Rand-zu-Mitte. Im Gegensatz dazu zeigen sich gemäß Abb. 2 bei der Probe 61-338, der Probe eines handelsüblichen Erzeugnisses, äußerst starke Steigerungen merklich größerer Restkarbide im Bereich des Mittelradius. Durch einen Vergleich von Abb. 1A und 1B mit Abb. 2 wird deutlich, daß die während des Kühlens gebildeten Karbidkörner bei den erfindungsgemäßen Pulver-Presslingen merklich feiner sind als bei dem handelsüblichen Erzeugnis. Durch diese günstige Karbidgröße und -verteilung bei dem erfindungsgemäßen Pressling führt eine Hitzebehandlung mit kürzeren Austenitisier-Zeiten als bei handelsüblichem Material zu voller Härtung. Dies ist aus der Abb. ;3, die den Effekt von Austenitisier-Zeiten bei 1204° C auf die Härte des erfindungsgemäßen Presslings und des handelsüblichen Produkts beim Anlassen veranschaulicht, klar ersichtlich. Das Anlassen erfolgte bei 552° C für die Dauer von 2+2+2 Stunden.

Die in Tabelle V enthaltenen Angaben zeigen, daß der erfindungsgemäße Pressling gute Eigenschaften besitzt, was die Reaktion auf Härten und Anlassen betrifft. Er erweist sich, wie bereits bemerkt wurde, in Bezug auf Karbidgröße und -verteilung herkömmlichem Material gegenüber als vorteilhaft.

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TABELLE V

Stahl

Reaktion auf Härten und Anlassen bei heißgepreiiten und handelsüblichen Erzeugnissen

Soli- Auste- abge-

dus- nitisier- schreckt Angelas^·""

'sen 565⁰O

tempe- temgeraratur tür ' (³Q) (⁶C)

1218

. χ M2S 1246 1204

Vakuum-

heißge-

presst

1,0$ C M2S 1218

Pressling

299-121 1243 1204

63,5 65,0

64,8 64,5

H ä r t e (R )

Nach zusätzlichem ErhTt

ζ en.

2+2 Std.2+2+2St. 593~C 621 C 649

66,9 66,4

67,5 66,8

66,2 65,5
66,0

63,0 61,8

66,4 65,5 61,3

60,2 !39,O

57,6

a) b)

4 mini b. Salzbad-Temperatur

je 3 Stunden bei der angegebenen Temperatur erhitzt

Durch Gegenüberstellung der in Abb. 4A und 4B wiedergegebenen Mikrophotographien der Strukturen erfindungsgemäßer heißgepresater Proben und derjenigen des handelsüblichen Produktes naoh Abb. 5A und 5B kann man feststellen, daß die Karbidkörner in Abb. 4A und 4B gleichmäßig verteilt sind, in Abb. 5A und 5B jedooh die bekannten gerichteten Karbid-Adern im Längsaohnitt aufweisen!. Ee ist darauf zu verweisen, daß diese Strukturunterschiede bei steigender Querschnittgröße noch ausgeprägter werden. Der relative Einfluß dieser Strukturunterschiede<in Bezug auf die zur vollen Härtung notwendige Austenitisierzeit ist bereits dargelegt worden.· Der Einfluß dieser Struktur auf Symmetrieverlust oder Unrundheit wird noch zu behandeln sein. Die Charpy-C-Kerbschlagfestigkeit der Proben ist au« Tabelle VI zu ersehen.

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BAD ORIGINAL TABELLE VI

Probe

Rex M2S

"CHARPY-G"- Kerbsclilagfestigkeit des vakuum-heißgepreßten und handelsüblichen Staiiis M2S mit 1,0^ Kohlenstoff

Wärmebehandlung

1,0 $> G_a 1204⁰C/4 min, mit Öl abgeschreckt; angelassen bZ552°C/ 2+2 Std_o + 538°C / 2 Std.

Härte (R ) "Charpy-G^u- Kerbschlag (mkg)

66,0 0,415; 0,415; 0,415; 0,415; 0,277; 0,277 ("Durchsehn.

0,415)

vakuum- _n 1204 0/4 min, mit Öl heißgepr.^c* abgeschreckt; angelas-1,0 io C ««η h/RHP°ri / ?+?+? Rtf

gp ,0 io C

b/552 C / 2+2+2 Std.

66,5 0,830; 0,968; 1,106; (Durchschn. 0,968)

Testproben aus 127,0 mm im Durchmesser messenden Abschnitten der Stange 61-338 und des Presslings 300-54 radial ausgeschnitten.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist es.bei Dreh-Schneidstählen wie z.Bο Abwälzfräsern erwünscht, daß durch die Härtungsbehandlung eine gleichmäßige Größenänderung des Werkstahl-Durchmessers verursacht wird, damit der Stahl nach dem Härten symmetrisch ist oder praktisch keine Unrundheit aufweist. Da, wie bereits erläutert, eine Karbidausrichtung mit Vorzugstendenz ausgeschaltet wurde, ist die Größenänderung der erfindungsgemäßen Pressling-Proben in allen Richtungen weit gleichmäßiger als bei der handelsüblichen Probe. Erfindungsgemäße Proben waren daher nach einer konventionellen Härtungsbehandlung weitgehend symmetrisch, wie man anhand der Tabelle VII feststellen kann.

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BAD ORIGINAL

Stahl

TABiJLLE VII

Größenänderung bei vakuum-heißgepreßtem Formling

und handelsüblichem Stahlmaterial H2S 1,0 # Kohlenstoff

Durchmesser-Vergrößerung (mm)

Wärmebehandlung Enden Mittelbereich

rO

In Salz 16 min b/843 G vor- 0,02794 bis 0,03556

—Ί Λ * __ J μ _—— Λ - - ^- / *t ^Λ *ϊ f\ ^^ f% ^\ ^\ ⁹V ^\ M ^^ # T T J 1

Vakuum«-heiß-

gepr. M2 O_r9# öl erhitzt, 4 min b7i2~1O°C 0^03048 (Unrundheit (Pressling austenitisch behandelt, 5 (Unrundheit keine) 299-258) ^r min. in Salz b/649 C abge- 0,00254)

schreckt, luftgekühlt, 2+2

Std, b/552 0 angelassen

1»0 # C gleich 0,02540 bis

Rex M2S I 0,05334

(Unrundheit ™~~ 0,02794)

Bei der Unrundheit handelt es sich um die U. des gehärteten Wälzfräsers

⁺ (Ab-)Wälzfräser- Probe 120,65 mm Außen - 0 / 31_f75 mm Innen - 0 / 50,8 mm stark

Laut Tabelle VII betrug die Unrundheit der Pressling-Probe 0,00254 mm, während sie bei den Proben aus herkömmlicheia Material 0,02794 mm betrug. Die in der Tabelle VII angegebenen Größenänderungs-Werte erhielt man dadurch, daß man die Unrundheit als Differenz zwischen dem größten und kleinsten Durchmesser ausdrückte, den man nach dem Härten am gesamten. Umfang des Probestückes maß. Die äußeret geringfügige Unrundheit (0,00254 mm), die bei der erfindungsgemäßen Pressling-Probe auftrat, kann als unerhebliche Größenänderung betrachtet werden.

Ein Beispiel für die ausgezeichnete Reaktion erfindungsgemäßer Presslinge auf die Härtungsbehandlung stellen Proben dar, die man in den Abmessungen 76,2 mm χ 25,4 mm stark aus M2S-Stahl für Schnellarbeitsstähle herstellte. Zum Pressen wurden die Pro-

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ben 5 Stunden auf 1171° ö und 2 Stunden auf 1188° G erhitzt. Die Proben wurden mit und ohne Zugabe elementaren Kohlenstoffs in Form von Lampenruss in einer Menge von 0,15 °/° heißgepresst. Vor dem Pressen wurde das Pulver in Chromsäure gereinigt, getrook net und auf eine Teilchengröße von über 0,044 mm bis unter 0,590 mm (+ 325 bis - 30 mesh) ausgesiebt. Chemische Zusammensetzung und Press-Temperaturbedingungen für die Presslinge sind in Tabelle VIII zusammengestellt. Von den in Tabelle VIII aufgeführten Presslingen wurden Probeabsohnitte abgetrennt, in Salz austenitisiert, in Öl abgeschreckt und angelassen.

TABELLE VIII

Chemische Zusammensetzung acht vakuum-heißgepreßter Form-Press- Erst- U. , ling Zweit- Chemische Zusammensetzung ^D

preßungst
temperatur C Mn S W Mo Cr V

. 0,82 0,27 0,12 6,6 5,0 4,03 1,97 95

5 Std. b/ 0,79 - - 96

0

40^a plus 0,96 0,27 0,12 6,5 5,0 4,09 1,91 96

64^a 'iiH$Q ^h/ 0,95 - - 98

^a Kohlenstoff (0,15 Gew.-yä) wurde dem Pulver vor dem Heißverpressen in Form von Lampenruss zugesetzt.

Eine Vakuumschmelz-Analyse der vier Presslinge ergab folgende Gasgehaltes N ι 34 bis 20 T/M, 0 : 15 bis 17 T/ivI, H : 0,3 T/M

⁰ Vor dem Testen wurden alle Presslinge wie folgt sphäroidisch getempert« 2 Std_e 871⁰C, auf 760⁰C abgekühlt, 6 Std. beibehalten, Luftkühlung auf Raumtemperatur.

In Tabelle IX ist die Korngröße nach dem Abschrecken, durchschnittliche Restkarbidgröße und die Härte nach Abschrecken in öl von 104°C (1/2 Minute bis 4 Minuten je nach Temperatur) und 2+2+2 Stunden. Anlassen bei 552° C angegeben. Es ist ersichtlich, daß

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bei Auaten!tisierzeiten von 1-2 Minuten praktisch volle Härtung erreicht wird.

TABELLE IX

Reaktion vier vakuum-heißgepreßter Formlinge und einer Stange 127,0 mm 0 aus handelaüblichem gehärteten Stahl

M23 mit 1,0 # Kohlenstoff __

Kohlen- Schnitt- Durchstoff Korn- schnittl. (Prozent)größe Restkarbidgröße

Härte (R) nach austenitischer Behandlung b/¹ 204 C, Öl-Abschrecken _t Anlassen 2+2+2 Std. b/552 C

61-338*
40
64
42
60

0,96 0,96 0,95 0,82

0,-79

11,0 12,4 14*1 12_r6 13,6

Mittel- Maxi- 0,5 min wert mal

3*4 1,4 1*2 1,6

24 2,8

2,4 3,0 2,6

64,0
64_r9
64,8

62,0

1,0 min 2,0 min 4,0 mfc

64,2 65,7 65,7 63,7 64,3

64,7 66,0 67,1 64,3 65,1

65,7 66,2

64,9

^a Abschnitt abgetrennt von einer konventionell hergestellten Stange 127*0 mm 0.

Um die erwartete Sohneidstahl-Leistung von zu Radial-Schneidstählen wie z.B. (Ab-)Wälzfräsern verarbeiteten erfindungsgemäßen Presslingen und herkömmlichen Produkten aus Werkzeugstahl M2S zu simulieren, wurden folgende Werkstoffe zu Drehstählen verarbeitetι

1. Vakuum-heißgepresste, auf 1171⁰C plus 2 Stunden auf 1188°C erhitzte Presslinge aus M2S, 76,2 mm 0 χ 25,4 mm stark.

2. Radial-Werkstähle aus einem Abschnitt einer konventionell gefertigten Stange aus M2S mit 1 i» Kohlenstoff, Durchmesser 127,0 mm.

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Alle M2S- Werkstahlproben wurden einer Y/ärme behandlung unterzogen (4 min b/12O4°C, in Öl abgeschreckt, 2+2 Std. b/565°C angelassen), auf allen Seiten plangeschliffen und an einem Ende nach den Grundsätzen der Normwerkstahl-Geometrie untersucht.

In Tabelle X sind die Standzeiten bezw. lebensdauer der einzelnen Drehstähle bei Einsatz zum Drehen von Stahlstangen mit einer Härte von 31 - 32 R . die mit vier 9,525 mm breiten, in 90 Abstand an ihrer Umfangfläche in Längsrichtung eingefrästen schlitzen versehen werden, angegeben· In Tabelle X beträgt die mittlere Lebensdauer bis zum Versagen (ausgedrückt als Zahl der e auf die trägerfreien Schlitzkanten):

1.5 440 bei Werkzeugen aus Pressmaterial

2. 2 150 beim Radial-Werkstahl aus einer handelsüblichen Stange mit einem Durchmesser von 127,0 mm.

Zwischen der durchschnittlichen Standzeit des erfindungsgemässen Produktes und eines herkömmlichen Werkstahls ergibt sich also ein Verhältnis von 2,5 : 1«

TABELLE X
Standzeit von Drehbankstählen aus M2S mit 1,0 %>

Werkstahlmaterial

Verdichtet
300/105

Verdichtet,
300/106 ^c

Verdichtet
300/109

Handelsübl.
Stangenmaterial
1 27 ₍O ram 0

Härte

66,2
66,1
66,0

65,0

Kohlenstoff*

Standzeit

(Anzahl Schläge bei Oberfläohen-Schneldgeschwindigkeit von. 18,29 m/min)

1. Test

4 850

4 962 4 305

4 218

5 075

1 406

1 804

1 880

2 280

2. Test

4 282

5 130 4 949

4 491

2 081

3, Test

5 175

6 602

6
7

6 040 6 630

2 352

Durchschnitt aller Tests 5 440

Durchschnitt 2 150

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^a Trockendrehen einer Stange Nu-Die V (H13) 31 - 32 R mit 4 ■ Längsschlitzen 9»525 mm breit in 90 Abstand

^b Werkstahl-Geometrie 3°, 6°, 10°, 10°, 10°, 10°, 0,762 mm Radius der Arbeitsspitze: 12,70'mm Vierkant-Werkstähle; Vorschub 0,254 mm/Umdrehung; Schnitttiefe 1,587 mm

^c Drehstähle angefertigt aus vakuum-heißgepreastern Forming 76,2 mm 0 χ 25,4 mm stark

Drehstahl gefertigt in Radialrichtung aus Abschnitt einer Stange 127,0 mm 0 (Ref. 1, Nr. 61-338)

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Claims

Patentansprüche:

1o Ein Pulvermetall-Gegenstand, bestehend aus einem Metallkörper aus zusammengepressten Teilchen einer Stahlzusitmmensetzung, die ein Metall enthält, das mit einem der Nichtmetalle Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff eine Reaktion einzugehen vermag, wobei jedes dieser Teilchen im wesentlichen gleichmäßig und vollständig mit einer nichtmetallischen Verbindung des reaktionsfähigen iietalls mit dem nichtmetall durchsetzt ist, und der Körper eine Härte von mindestens etwa 58 R und Gleichmäßigkeit der Größenänderung nach austenitischer Behandlung, Abschrecken und Anlassen aufweist.
2. Gegenstand nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall-Bestandteil durch Umsetzung mit Kohlenstoff Karbide zu bilden vermag.
3ο Gegenstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilchen Karbidkörner des reaktionsfähigen Metalls in einer Durchschnittsgröße von 2 /U, und nicht mehr als maximal etwa 5/U aufweist.
4. Gegenstand nach. Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet,, daß der reaktionsfähige Metall-Beatandteil aus Titan, Vanadium, Molybdän, Zirkon, Niob, Wolfram und/oder Tantal besteht.
5. Gegenstand nach Anspruch. 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper sioh aus 0,80 bis 3_r00 # Kohlenstoff, bis 10 fo Chrom, bis 2 >6 Mangan, bis 1 ^ Silizium, bis 0,5 °'o Schwefel, bis 18,0 $> Wolfram, bis 12 $ Molybdän, bis zu 5 <fi Vanadium, bis 12 fo Kobalt und zum Rest aus Bisen zusammensetzt, wobei Wolfram + Molybdän + Chrom + Vanadium mindestens gleich 10 # sind.
6. Gegenstand nach Anspruch 5» daduroh gekennzeichnet, daß der Metallkörper aus 0,97 bis 1,02 fo Kohlenstoff, 0,20 bis 0,40 fo Mangan, 0,,20 bis 0,40 fo Silizium, 0,10 bis 0,15 fo Schwefel, 6 bin 6,5 °/j WoLfram, 4 bis 4,5 fo Chrom, -J.,7^l> bLfi -'»,25 £

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BAD

Molybdän, 1,8 bis 2,20 # Vanadium und zum Rest aus Eisen bestellt und sein Härtegrad nach dem Härten mindestens 64 R_ beträgt.
7. Begenstand nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß er als Wälzfräser ausgebildet ist«
8. Verfahren zur Herstellung eines Pulvermetall-Gegenatande3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschickung aus Stahlteilchen_f die einen lietall-Bestandteil enthalten, der mit einem der Nichtmetalle Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff eine Reaktion einzugehen vermag, wobei jedes Teilchen im wesentlichen gleichmäßig und vollständig mit einer nichtmetallischen Verbindung des reaktionsfähigen Metalles mit dem Nichtmetall durchsetzt ist, auf eine erhöhte Temperatur erhitzt wird, diese Beschickung bei erhöhter Temperatur einem Druck ausgesetzt und dadurch zu einem Metallkörper verpresst wird, und diesem Metallkörper durch austenitische Behandlung, Abschrecken und Anlasaen eine Mindesthärte von etwa 58 R verliehen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindesthärte von 58 R durch die austenitische Behandlung des Metallkörpers von einer Dauer von höchstens 2 Minuten erzielt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet«· daJ3 die Teilchen mit der gleichmäßig im Material verteilten nichtmetallischen Vexbindung aus einer Schmelze hergestellt sind,in der die genannte Verbindung enthalten ist.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet daß die Teilohen mit der gleichmäßig im Material verteilten nichtmetallischen Verbindung aus Primärteilchen hergestellt sind in denen durch Umsetzung des reaktionsfähigen Metall-Bestandteils mit dem Nichtmetall die nichtmetallische Verbindung gebildet und danach im wesentlichen gleiohmäßig in den Teilchen verteilt worden ist·

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BAD ORIGINAL

.
12. Verfahren nach. Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbestandteil durch Umsetzung mit Kohlenstoff Karbide zu bilden vermag, wobei jedes Teilchen im wesentlichen gleichmäßig und vollständig mit Karbiden des reaktionsfähigen Metalls durchsetzt ist, und das Gut praktisch in Abwesenheit von Bauerstoff auf die erhöhte Temperatur erhitzt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dai; der reaktionsfähige Metallbeytandteil aus Titan, Vanadium, Molybdän, Zincon, Niob, Wolfram und/oder Tantal besteht»
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13» dadurch gekennzeich net, daß jedes Teilchen Karbidkörner des reaktionsfähigen Metalls in einer Durchschnittgröße von 2/u, jedoch nicht mehr als maximal etwa 5,u aufweist _r und der Metallkörper durch austenitische Behandlung, Abschrecken und Anlassen auf eine Mindesthärte von 64 R gebracht wird, wobei die Austenitisierzeit nicht mehr als 2 liinuten betrag!;.

Für Crucible Steel Corporation Wilmington, Del., V.St.A.

Hechtsanwalt

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