DE1758714C3 - Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines vorlegierten Werkzeugstahls - Google Patents
Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines vorlegierten WerkzeugstahlsInfo
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Description
Im allgemeinen wird Werkzeugstahl gegossen und
durch anschließende WarmbearhciMing. wie Gesenk
schmieden. V. annw aizen und dergleichen, iii du:
endgültige I
<>nn gebracht Heim Gießprozeß InII meist
eine Marke I nimisi hum; der I .eyierimnsbcMandleile
ein, die zu Strukturunregelmäßigkeiten führt und eine ausgedehnte Warmbehandlung erforderlich macht,
wenn ein Rohmaterial mit ausreichend homogenem Aufbau erzielt werden soll. Durch Warmbehandlung, die
wegen der mit ihr verbundenen Korngrößenzunahme bei Mißlingen der gewünschten Phasenumwandlung
nicht wiederholt werden kann, und durch Wegnehmen des entmischten Materials wird zwar der Aufbau und die
MikroStruktur der Rohblöcke homogenisiert, bis zu 60% des gegossenen Materials können dabei aber zu
Abfall werden.
Es sind auch bereits Verfahrensweisen der Pulvermetallurgie
für die Herstellung von Werkzeugstahl in Betracht gezogen worden, siehe z. B. »Siniereisen und
Sinterstahl« von Dr. Kieffer und Dr. H ο top.
Springer-Verlag 1948, Seiten 21 - 26, 78, 79,99. IΉ), 112,
175—180, jedoch sind derartige Versuche nur zögernd akzeptiert worden, denn sie brachten entweder kein
vollwertiges technisches Ergebnis oder sie waren aus wirtschaftlichen Gründen n'chl verwcP'tKnr AIc ahc.
gangsmaterials dienten z. B. unregelmäßig geformte, nach dem Hametag-Verfahren schlagpulverisicrte
Stahlpulverteilchen. Zur Teilchengröße wird auf Seite 112 genannter Druckschrift ausgeführt, daß Formlinge
aus feinerem Pulver eine bessere Kantenfestigkeit aufweisen, obwohl die gröberen Pulver an sich eine
bessere Verdichtbarkeit haben. Hametag-Feinpulver kann gemäß Seite 99 hauptsächlich eine Teilchengröße,
bei 160 μπι aufweisen, während auch Hametag-Feinpulver
mit einer Teilchengröße < 60 μπι erwähnt wird.
Infolge der erlittenen Schlagarbcit besitzt das nach
dem Hametag-Verfahren hergestellte Stahlpulvereinen verhältnismäßig hohen Grad an Kaltverformung.
Deswegen und zum Oxidfreimachen müssen die Stahlpulverteilchen vor dem Vorpressen einer Reduktionsglühung
unter Wasserstoff bei Temperaturen z.wischen 700 und 9000C unterzogen werden, wobei
gemäß Seite 78 das Maximum der Verbesserung der Verdichtbarkeit schon bei Glühtemperaturen von 750
bis 850" C erreicht wird.
Bisher sah man nur im Heißverpressen vorlegierter Stahlpulverteilehen eine Möglichkeit zur Erzielung
ausreichender Verdichtung und damit Festigung, siehe die vorgenannte Druckschrift, wo es auf Seite 25 unten
heißt »nach verstärkter Einführung der Heißpreßtechnik setzte sich jedoch in den Vereinigten Staaten auch
die Verwendung von pulverisierten Stahlspänen in der Massenfertigung von Sinterstahltcilcn durch«. In dem
Buch »Powder Metallurgy« von Dr. Paul Schwarzkopf
New York 1947 wird auf Seite 132 unter Hinweis
auf einen Bericht von Jones zunächst davon gesprochen, daß Sinterprodukte bemerkenswerter Festigkeit erhalten
werden können, indem diese aus Pulverteilchen kalt vorgepreßt, gesintert und heiß nachgepreßt werden. Die
Pulverteilchen werden jedoch nicht aus vorlegiertcm Stahl, sondern aus relativ weichem Gußeisenschrott mit
unbedeutenden Legierungszusätzen gewonnen. In dem nachfolgenden, mit »Steel Alloys« übcrschricbenen
Kapitel werden dann pulvermetallurgische Verfahren für legierte Stahle untersucht, wobei es auf Seite 131
wörtlich heißt: »Im Falle vorlegicrtcr Piilverteilchen erfordert die schwache Verdichtbarkeit des Materials
die Anwendung von Heißpreßverfahren und von sehr hohen 1 )riicken.«
lleißprcßvcrfahren erfordern emc komplizierte
l'rcl.ivoi ι κ ntung, in der im allgemeinen |cweil·. nur ein
ein/eine-. I eil behandelt werden kann.
Λη d.is I leißverpressen eines vorlegierlen Werkzeug
Stahls schließt sich üblicherweise eine umfangreiche Warmbearbeilung an, um dem Formling die erforderliche
Endfestigkeit zu verleihen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung eines
vorlegierten Werkzeugstahls zu schaffen, das sich aufgrund der Verwendung von Kaltpressen anstelle von
Heißpressen zur kostengünstigen Erzeugung großer Stückzahlen von Formungen hoher Maßgenauigkeit
eignet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von unregelmäßig geformten Pulverteilchen eines vorlegierten
Werkzeugstahls mit einer Durchschnittsgröße von 2 bis 60 μπι aus. Derartige Teilchen lassen sich durch
Behandeln in einer Schlagmühle, z. B. nach dem in der US-PS 31 84 169 als »Cold Stream-Verfahren« bezeichneten
Verfahren herstellen. Danach werden z. B. entfettete Drehspäne, zerriebene Teile oder Metallgrünalien
legierter Werkzeugstahl gegen eine Prallfläche geschleudert.
Das beim Schlagpulverisieren gewonnene Stahlpulver wird z. B. in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer
Temperatur zwischen 954 und IO24QC reduziergeglüht,
um den Oxidgchalt auf max. 0,3% zu verringern. Zur Unterstützung des Reduktionsvorganges kann Kohlenstoff
hinzugefügt werden, der auch in erster Linie dazu dient, die Entkohlung auszugleichen, die während der
Wasserstoffreduktion iir.d des späteren Sinterns stattfindet.
Anstelle von reinem Kohlenstoff (Ruß) kann anderes kohlenstoffhaltiges Maierial, v-ic etwa Zucker
in äthylalkoholischer Lösung oder Ben/.oi, zugeführt werden.
Für ein erfolgreiches Kaltpressen des .Stahlpulvers ist
es erforderlich, bei dem dem Kaltpressen vorausgehenden Reduzierglühen die reduzierten Pulverteilchen
langsam abzukühlen, um zu vermeiden, daß ein störender Härtegrad erreicht wird, der sich bei dem
nachfolgenden Kaltpressen hinderlich auswirken würde. Das reduzierte Pulver sollte eine Rockwellhärte C von
nicht mehr als 55 für einen Preßdruck von etwa 70 000 N/cm2 und von nicht mehr als 30 für einen
Preßdruck von etwa 42 000 N/cm2 aufweisen. Hierzu wird das reduziergeglühte Stahlpulver mit einer
Geschwindigkeit von weniger als etwa 149"C je Stunde abgekühlt.
Das Stahlpulver wird dann bei Raumtemperatur oder
etwa bei Raumtemperatur zu einem Formling kaltverpreßt, wobei mechanisches, isostatisches oder Explosivverdichten
in Frage kommt. Es wird ein so hoher Druck angewandt, daß der Formling eine ausreichende
Verdichtung und damit Festigkeit zur weiteren Behandlung erhält. Mit mechanischem oder isostatischem
Kaltpressen bei 42 000 bis 70 000 N/cm2 oder mehr können Formlinge mit einer Verdichtung bis 86% der
theoretischen vollen Dichte erhalten werden. Bei Explosivverdichiung liegt die erreichbare Dichte höher,
üblicherweise oberhalb 90% bis /wischen 98 und 100% der theoretischen vollen Dichte.
Der kaltgepreßte Formling wird bei einer Temperatur im Bereich von 1 177 bis 1288'T in einem Ofen derart
gesintert, daß kein Schmel/.en oder übermäßiges
kornwachstum und keine Phasentrerinuiig auftreten.
■aobei unter Einhaltung vorgenannter Bedingungen
,ilk'in thin ti das Sintern eine Dichte von mindcsitns
•i7°/o der il;curetischen vollen Dichte erreichbar ist. Ein
i.'Milosiv verdichteter Formling Kann auch ohne Ofen
durch Warmwalzen im Temperaturbereich zwischen 1093 und 1204°C gesintert werden.
Aufgrund der allein durch das Kaltpressen und nachfolgende Sintern erreichbaren Verdichtung des
Formlings im Bereich von 97 bis 100% der theoretischen vollen Dichte ist für einige Verwendungszwecke
des Werkzeugstahl keine weitere Nachbearbeitung erforderlich. In anderen Fällen kann das gesinterte
Erzeugnis zur weiteren Verdichtung noch warmver-ID formt werden, was jedoch wesentlich weniger problematisch
ist, als bei bekannten Verfahren zur Herstellung eines vorlegierlen Werkzeugstahls, die mit Heißpressen
arbeiten.
Dar gesinterte und evtl. warmverformte Erzeugnis
H kann noch in üblicher Weise einer Vergütungsbehandlung unterworfen werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung der einzelnen Verfahrensschritte und
eines daran anschließenden Beispiels näher erläutert.
Schlagpuiverisieren
Eine besonders erfolgreiche Methode zum Schlagpulverisieren eines vorlegierten Stahls ist in der schon
genannten US-PS 31 84 169 unter der Bezeichnung
:-i »Cold Stream-Verfahren« beschrieben. Wenn zum
Beispiel dieses Verfahren angewandt wird, kann man von Abfällen aus der Metallbearbeitung, Drehspänen
oder anderen Spänen von Werkzeugstahllegierungen ausgehen und sie in der beschriebenen Weise zu Pulver
;ip zerkleinern. Es können auch Metallgranalien von
Werkstoffabfällen verwendet werden. Besonders gut brauchbar sind grobzerkleinerte Teilchen. Sowohl
Metallgranalien als auch grobzerkleinerte Partikel können auch unmittelbar aus frisch erschmolzener
i) Legierung gewonnen werden.
Die Schlagpulverisierung wird so ausgeübt, daß die durchschnittliche Teilchengröße zwischen 2 und 60 μπι
liegt, vorzugsweise in dem engeren Bereich zwischen b
und 14 μπι. Die kleineren Teilchen lassen sich leichter zu
\<\ einer bestimmten geforderten Dichte pressen und sintern. Es hat sich gezeigt, daß die durch Schlagpulverisierung
erzeugten Teilchen stärker unregelmäßige Gestalt haben als fein zerstäubte (atomized) Teilchen;
beim Pressen verhaken und verbinden sieh die
r, unregelmäßig geformten Teilchen besonders gut miteinander.
Die Teilchengrößenverteilung ist ein wichtiges Kennzeichen für die Eignung eines Pulvers, durch das
Kaltpressen und anschließende Sintern die gewünschte
Vi Dichte zu erzielen. Am günstigsten ist eine Teilchengro·
ßenverteilung. die einer Gauß'schen Verteilung entspricht. Aus einer Anzahl Verteilungsanalysen hat sich
ergeben, daß bei einem Pulver, das einen zu großen Anteil kleiner Teilchen enthält, der Werkzeugstahl
ν; ungleichmäßig mit Bereichen hoher Dichte wird. Wenn
andererseits die Verteiliingskurve eine zu große Anzahl
großer Teilchen aufweist, neigen die Werk/eugstahler
Zeugnisse zu porösen Bereichen, die durch Sintern nur schwer zu beseitigen sind.
Redu/ierglühen
Wenn das Slahlpulver vom Schlagpuiverisieren kommt, wird es einem Reduktionsprozeß unterworfen
In den Werkstoffen liegen im allgemeinen /wischen ().">
'■'. und 8"/o Oxide .ils Verunreinigungen vor. aufgrund derer
sich keine dichte .Struktur erzielen läßt, weil das Oxid
mit geringer Dichte einen s<> wesentlichen Prozents,w/
tier KoriiKren/en bildet. Da die Oxide niedrige Dichte
aufweisen und spröde sind, besitzt die damit zusammengesetzte Legierung bei zu hohem Oxidgehalt nur
geringe Zähigkeit. Das Stahlpulver wird deshalb z. B. einer Wassersloffreduktion über 1 Stunde lang vorzugsweise
bei etwa 980°C unterworfen. Diese Temperatur kann niedriger oder höher liegen, jedoch gehl bei etwa
870" C die Reduktion zu langsam vor sich, während bei etwa 104C1C das Material zum Sintern neigt. Der
Temperaturbereich für die Oxidbeseiligung liegt zwischen 954 und 10240C. Die Behandlungsdauer ist nicht
sehr kritisch, solange die gesamte Pulvermenge die Temperatur erreicht und eine ausreichend lange Zeit
behandelt wird, damit alle Oxide aus dem Material entfernt werden. Durch die Wasserstoffbehandlung
wird der Oxidgehalt auf max. 0,3% verringert.
Die restlichen Oxide lassen sich im wesentlichen entfernen, indem eine geringe Menge Kohlenstoff in das
Pulver gegeben wird. Durch Zufügen von 0,1 bis 1% Kohlenstoff in Form von Ruß wird im wesentlichen der
gesamte Oxidgehait beseitigt Die Zugabe von Kohlenstoff
hat weiter die günstige Wirkung, daß die Entkohlung des Werkzeugstahls bei der nachfolgenden
Behandlung stark reduziert wird. Der Kohlenstoff setzt sich mit den vorliegenden Oxiden zu Kohlenstoffoxid
um und wird in Gasform aus dem Pulver ausgeschieden.
Wie später noch gezeigt wird, ist die Anwesenheit kleiner Mengen gleichmäßig in dem Werkzeugstahl
verteilter Oxide zulässig und scheint in einigen Fällen eine günstige Wirkung auszuüben.
Kaltpressen
Bisher war im allgemeinen Heißpressen erforderlich, um einen Formling ausreichender Festigkeit für die
Weiterbehandlung zu erhalten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist diese Festigkeit des Formlings
durch Kaltpressen erreichbar. Das kaltgepreßte Teil besitzt ausreichende Strukturfestigkeit, so daß es
ergriffen und in einen Sinterofen gesetzt werden kann. Im allgemeinen wird das Kaltpressen unter einem
Druck von mehr als 42 000 N/cm2 vorgenommen,
meistens in einem Druckbereich zwischen 63 000 und 70 000 N/cm2. Das Presser, kann mechanisch oder
isostatisch vorgenommen werden. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Pressen als
Explosiv verdichtung.
Die Dichte des kaltgepreßten Formlings kann bis /u
86% der theoretischen vollen Dichte erreichen, wenn das benutzte Pulver eine Rockwellhärte C von 28
aufweist. Der Dichtebcrcich für kaltgepreßtes Material (bei mechanischem oder isostatischen Pressen) liegt von
65 bis 86% der theoretischen vollen Dichte. Bei Explosivvcrdichiung liegt die erreichbare Dichte höher,
üblicherweise oberhalb 90% bis 98 und 100% der theoretischen vollen Dichte.
Sintern
Wenn das Kaltpressen vollzogen ist, wird der Formling einem Sintervorgang unterworfen. Nach
mechanischem oder isostatischem Pressen erfolgt das Sintern üblicherweise in einem Ofen. Wenn das Material
durch F.xplosivverdichtung geformt wurde, kann das Sintern in einem Ofen oder durch Warmwalzen
vorgenommen werden.
Das Sintern wird vorzugsweise in einer Wasserstoffatmosphäre oder evtl. auch in einer kohlenstoffhaltigen
Atmosphäre oder in ν akuum vorgenommen.
Das Sintern von mechanisch ocIit isostatisch gepreßten
Formungen erfolgt in einem Temperaturbereich
zwischen 1177 und I288"C, wobei die Bedingungen von
Zeit und Temperatur so gewählt sind, daß keine schädigende Reaktionen, wie das Schmelzen des
Materials und übermäßiges Kornwachstum und Phasentrennung auftreten.
Für M2-S-Werkzeugslahl AISI (= Deutsche Stoff-Nr.
1.3343) wird das Sintern am besten in dem Temperaturbereich zwischen etwa 1220 und 1270°C 30
Minunten lang durchgeführt. Die Temperatur kann bis
in auf etwa 12050C gesenkt werden, wenn die Sinterzeit
auf etwa 1 Stunde verlängert wird, oder sie kann auf etwa 1288°C erhöht werden, wenn die Sinlerzeit auf
etwa 10 Minuten verkürzt wird.
Die untere Temperaturgrenze für das Sintern mechanisch oder isostatisch gepreßter Formlinge liegt
bei 1177°C, weil noch niedrigere Temperaturen zum Erreichen der geforderten Materialdichte Sinterzeiten
erforderen, die für das Verfahren nicht geeignet sind.
Bei Überschreiten der oberen ", „oiperaiurgrenze von
2'i i288"C geht die Bildung des Euteki'kums sehr schnell
vor sich und die Steuerung des Vorgangs der Pulververdichtung wird äußerst schwierig. Die angegebenen
Temperaturbereiche gelten auch für Werkzeugstahlpulver, das durch Explosionsverformung verdichtet
2*> wurde und im Ofen gesintert werden soll. Soll das
Sintern des cxplosivverdichteten Pulvers etwa durch Warmwalzen vorgenommen werden, liegt der Temperaturbereich
üblicherweise zwische.i 1204 und 10300C, wobei der Walzvorgang bei der erstgenannten Tempe-
3" ratur einsetzt und bei der niedrigeren Temperatur
beendet A'ird. Es ist verhältnismäßig einfach, für eine bestimmte Legierungszusammensetzung die vorzuziehende
Sintertemperatur festzulegen. Als Obergrenze der Temperatur gilt diejenige, bei der eine Korngröße
und eine Phasentrennung in einem Grade auftritt, die für die Weiterbehandlung noch brauchbar ist. Die niedrigste
für das Sintern zulässige Temperatur ist eine Frage der Verdichtung und läßt sich leicht durch Versuche
festlegen.
Die Sinterzcit variiert erheblich und wird in erster Linie von der Masse oder dem Gewicht des zu
sinternden Materials bestimmt. Die Zeitspanne muß so lang gewählt werden, daß die erforderliche Verdichtung
bei der gewählten Temperatur eintreten kann. Eine gebräuchliche Sinterzeit bei einer Temperatur von
1260°C beträgt 30 Minuten bei einem rechteckigen
Stück Werkzeugstahl von 2,5 χ 2,5 χ 10 cm. Die Sinterzeit hängt außerdem von der Teilchengröße des
Materials ab.
Bei Einhaltung genannter Bedingungen, Teilchengrößen usw. lassen sich Dichten von mindestens 97% der
theoretischen Dichte allein durch das Sintern erzielen.
Warmverformung
Dieser Behandlungsschritt dient in erster Linie weiterer Venlichtung des Materials, jedoch wird auch
die Struktur wie Homogenität, soweit erforderlich, gefördert. Es hut sich gezeigt, daß die Warmverformung
von erfi.idungsgemäß hergestellten Produkten zu einer Verdichtung von 100% des theoretischen Werts führt.
Der Temperaturbereich bei der Warmverformung von Werkzeugstahl liegt etwa zwischen 985 und 1095"C.
Einen Eindruck von den besonderen Vorteilen und Merkmalen der hnindung liefert dir Tatsache, daß man
100% dichtes homogenes Material bei nur 40% Reduktion des Erzeugnisse erhalten kann. Im Gegensatz
da/u isl nach ilen bekannten Verfahren Warmbcarbeitung
in großem Umfang erforderlich, um ein
homogenes Material zu erhallen. Die nach bekannten
Verfahren gegossenen Legierungen erfordern im allgemeinen mehrere 100% Reduktion, um ausreichende
Homogenität zu erzielen. Wegen dieser umfangreichen Warmbearbeitungsmaßnahmen sind bestimmte
Legierungen, die an sich als brauchbare Werkstoffe anzusprechen wären, bisher nicht als Werkzeugstahl
benutzt worden. Einer der besonderen Vorteile der r.rfindiing liegt somit darin, daß Legierungs/.iisammensetzungcn
verwendet werden können, die für 'inifangreichc
Warmbearbeitungsvorgängc, wie sie nach he kannten Verfahren erforderlich sind, um einen brauchbaren
Werkzeugstahl zu bekommen, nicht geeignet sind. Rs gibt neben den üblichen Werkzeugstahllegierun·
gen zahlreiche andere Legierungen, die nicht gegossen werden können, weil Entmisehungsprobleme entstehen.
Derartige Legierungen köinic-ü aller, fisch ei cm crfindungsgemäücn
Verfahren behandelt, brauchbare Erzeugnisse liefern, ohne daß Entmischungspmbleme
auftreten.
Wärmebehandlung
Als abschließender Schritt kann sich eine Vergütung anschließen, die bei üblichen Bchandlungsbcdingungen
vorgenommen wird, d. h. Erhitzen auf etwa 1205"C für
die Dauer von 10 Minuten, anschließende öiabschrekkung,
der ein zweites Tempern bei 565"C folgt. Die erfindungsgemäß hergestellten Stähle haben eine
bessere Umwandlung aus der austenitischen in die Martensit-Phase gezeigt, wenn das Material nach dem
Ölabschrecken in bekannter Weise unterkühlt wurde. Zum Unterkühlen wird das Material in ein Kältebad,
etwa in flüssigen Stickstoff von — 195° C getaucht.
Es hat sich herausgestellt, daß in einem erfindungsgemäß
hergestellten Werkzeugstahl Oxide in höherem Prozentsatz auftreten dürfen als er in üblich hergestellten
Werkzeugstählen zu finden ist. Ein Werkzeugstahl M2-S der Zusammensetzung (in Gew.%): 0.9%
Kohlenstoff. 5% Molybdän. 4% Chrom. 6% Wolfram. ίο/» Vanadium η l Wn Srhwpfpl Rest Eisen enthält
normalerweise ungefähr 0.003 Gew.% Oxid. In einem Fall ergab die Untersuchung einer gleichartig zusammengesetzten
Stahllegierung, behandelt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, einen Oxidgehalt von
annähernd 0,06 Gew.%, also einen wesentlich höheren Oxidgehalt. Der Verarbeitbarkeitstest dieses Werkzeugstahls
verlief trotz dieses extrem hohen Oxidgehaltes voll befriedigend und es scheint, als ob verschiedene
Oxide, die in de:n erfindungsgemäß hergestellten Werkzeugstahl über das Material gleichmäßig verteilt
sind, sogar eine günstige Wirkung ausüben können, indem sie die Schneidwirkung der Karbide in der
Werkzeugstahllegierung verstärken oder unterstützen.
Gegossene Werkzeugstähle können nach einer Warmbehandlung nicht wieder erhitzt werden, wenn bei
der ersten Wärmebehandlung die verlangte Phasenumwandlung mißlungen ist, da wegen einer Korngrößenzunahme
die wesentlichen Werkstoffmerkmale verloren gehen. Ganz unerwartet hat sich ergeben, daß ein nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Werkzeugstahl eine Wiedererhitzung ohne Verlust seiner
wesentlichen Materialeigenschaften verträgt, um die gewünschte Struktur zu erzielen. Das liegt daran, daß
das Korngrößenwachstum bei den erfindungsgemäß hergestellten Legierungen sich von dem Korngrößenwachstum
der in bekannter Weise gegossenen Legierungen unterscheidet und weniger stark ist.
Ein weiterer Unterschied der Eigenschaften, der /wischen Jen in übliclu r Weis·.· und den erlir.ilungsge
inäß hergestellten Werkzeugstiihlen auf ι π 11. betrifft
deren Härte. Ein M2-S-Werkzeugstahl best/; normal
eine RiK'kwellhärle C" von 65 bis Mi nach (irr üblichen
Wärmebehandlung. Hei Anwendung der IJntcrkühiiingsbehandlung
läßt '.ich die Härte auf 67.5 erhöhen.
Erfindiingsgemäß hergestellter M2-S-Stahl wies Rockwellhärlen
C von (j'f nach Abschluß der llnterkühlungs
nt'hiindlung auf. Das ist völlig unerwartet und steht im
(.egensat/ /Ί dem. was nach dem Stand der Technik zu
erw.irten war. line Probe eines M2-S-Werk/eugstahls,
der n.uli dem Verfahren gemäß der Erfindung
hergestellt war und der eine Rockwellhärte C von 69
aufwies hatte nämlich einen Kohlenstoffgehalt von nur 0.57 (iew.%. Das ist ein wesentlich geringerer Kohlenstoffgehalt
als er in gewöhnlichem M2S-Werkzeugstiih!
niirnlich i)" b;·; ! 0 Gc.v % 7u finden ist
bekanntlich beeinflußt der Kohlenstoffgehalt in erster
Linie die Materialharte. Nach bisheriger Erfahrung war es nicht möglich, bei einem Kohlenstoffgehalt von nur
0,57 Gew.% eine Rockwellhärtc C über 55 zu erhalten.
Verschiedene der bekannten Werkzeugstähle können bei dem erfindiingsgeniaßen Verfahren benutzt werden,
darunter die üblicherweise als Wasserhärtungsstähle kaltgehar'icte Stähle. Warmarbeitungsstähle, Schnellilrehstähl·
und rostfrei bezeichneten Stähle. Ferner gestattet die begrenzte Notwendigkeit einer sich an das
Sintern anschließenden Warmverformung die Verwendung von Legierungen, die bisher nicht als Werkzeugstähle
verwendet werden konnten.
Nachstehend wird ein Beispiel für die Verfahrensweise gemäß der Erfindung gegeben:
Drehspäne von M2-S-Werkzeugstahl wurden im Cold-Stream-Verfahren nach der US-PS 31 84 169 zu
einem Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 44 jim verarbeitet. 0.25 Gew.% Kohlenstoff (Ruß)
wurden dem Pulver zugesetzt, wonach es in einem Ofen einer Wasserstoffatmosphäre bei 9850C ausgesetzt
wurde. Während der Behandlungsdauer von 1 Stunde wurden die Oxide reduziert. Dann wurde das Pulver aus
dem Ofen genommen und unter ca. 70 000 N/cm2 zu einer Rechteckprobe von 2,5 χ 2,5 χ 10 cm kaltverpreßt.
Die kaltverpreßte Probe wurde in einem Ofen bei 12050C gesintert; Sinterzeit 1 Stunde. Dann fand
Warmwalzen der Probe bei 985°C statt, bei dem eine 15°/oige Reduktion in jeder Walzstufe bis zu einer
Gesamtreduktion von etwa 50% erhalten wurde. Auf das Walzen folgte eine Wärmebehandlung, bei welcher
die Probe zunächst einer Temperatur von 12050C für die Dauer von 10 Minuten ausgesetzt wurde, woraufhin
ölabschrecken erfolgte. Nach dem ölabschrecken wurde die Probe in ein Bad mit flüssigem Stickstoff
gegeben, dessen Temperatur —195° C betrug. Die
erhaltene Probe hatte eine Dichte von 100% der theoretischen Dichte. Die Rockwellhärte C lag bei 69
und der Kohlenstoffgehalt wurde zu 0,57% bestimmt. Bearbeitbarkeitsversuche ließen erkennen, daß die
Probe gegossenen und geschmiedeten Werkzeugstahl der Standardzusammensetzung M2-S übertrifft.
Das nach dem Beispiel hergestellte Erzeugnis besaß einen wesentlich geringeren Kohlenstoffgehalt als die
übliche M2-S-Werkzeugstahllegierung mit 0,9% Kohlenstoffgehalt. Der Kohlenstoffverlust ergibt sich
wahrscheinlich daraus, daß der Kohlenstoff eine Verbindung mit vorhandenen Oxiden eingeht, mit denen
er CO bildet und in Gasform aus dem Material austritt.
Claims (4)
1. Verfahren zur pulvermetallurgisehen Herstellung
eines vorlegierten Werkzeugstahls verbesserter Homogenität und hoher Dichte unter Vermei- ■'
dung von Heißpressen, gekennzeichnet durch die Kombination der aufeinanderfolgenden
Verfahrensschrilte:
a) Schlagpulverisieren eines vorlegierten Werkzeugstahls auf eine durchschnittliche Teilchen- u
größe von 2 bis 60 μιη,
b) Reduzierglühen der Stahlpulverteilchen bei einer Temperatur zwischen 954 und 10240C auf
einen Oxidgehalt von maximal 03% und Zufügen von 0,1 bis 1% Kohlenstoff zwecks r
Ausgleichs der Entkohlung,
c) Abkühlung der reduzierten Stahlpulverteilchen mit einer Geschwindigkeit von weniger als
149° C je Stunde.
d) mechanisches oder isostatisches Kaltpressen y.
der Stahlpulverteilchen auf 65 bis 86% der theoretischen Dichte bei einem Druck im
Bereich von mehr als 42 200 N/cm-,
e) Sintern im Bereich von 1177 bis I288°C auf mindestens eine Dichte von 97 der theoreti- J
sehen Dichte derart, daß kein Schmelzen, übermäßiges Kornwachsium und keine Phasentrennung
auftreten.
2. Verfahren zur pulvermetallurgisehen Herstellung eines vorlegierten Werkzeugstahls verbesser- ji
tcr Homogenität und hoher Dichte unter Vermeidung von Heißpressen, gekennzeichnet durch die
Kombination der aufeinanderfolgeden Verfahrensschritte:
a) Schlagpulverisieren eines vorlcgiertcii Werk- ι
zeugstahls auf eine durchschnittliche Teilchengröße von 2 bis 60 μπι.
b) Reduzierglühen der Stahlpulvcrtcilchen bei einer Temperatur zwischen 954 und 1024"C auf
einen Oxidgehalt von maximal 0,3%. und -ti
Zufügen von 0,1 bis 1% Kohlenstoff zwecks Ausgleichs der Entkohlung.
c) Abkühlen der reduzierten Stahlpulverteilchcn mit einer Geschwindigkeit von weniger als
14TC je Stunde, ι
d) l'xplosivvcrdichten der Stahlpulvcrteüchcn auf
98 bis 100% der theoretischen Dichte,
e) Sintern im Bereich von 1177 bis 1288° C oder
durch Warmwalzen im Bereich von 1093 bis 1204 C auf eine Dichte von mehr als 98% der ν
theoretischen Dichte derart, daß kein Schmelzen, libermäßiges Kornwachstum und keine
Phasen trennung auftreten.
3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch I oder 2 auf schlagpulvensierte Slahlpulvcrteilchen ν
mit einer Gauß'schen Vcrteiliingskiirve.
4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf schlagpulverisicrtc Stahlpulverteilchcn
einer Durchschnittsgröße von 6 bis 14 μπι.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US65708767A | 1967-07-31 | 1967-07-31 | |
US74219468A | 1968-07-03 | 1968-07-03 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1758714A1 DE1758714A1 (de) | 1971-02-11 |
DE1758714B2 DE1758714B2 (de) | 1979-01-25 |
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CH (1) | CH488509A (de) |
DE (1) | DE1758714C3 (de) |
ES (1) | ES356683A1 (de) |
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