DE2344321B2 - Gesinterte Titancarbidstahllegierung und deren Verwendung - Google Patents

Gesinterte Titancarbidstahllegierung und deren Verwendung

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Description

Die Erfindung betrifft eine gesinterte Titancarbidstahllegierung mit martensitischem Microgefüge, die durch eine verbesserte Kombination physikalischer Eigenschaften gekennzeichnet ist, insbesondere eine verbesserte Querbruchfestigkeit, eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock und eine verbesserte Widerstandsfestigkeit gegenüber der Einwirkung von Schlagen und Stoßen sowie deren Verwendung als Werkstoff für abriebfeste, gegen Thermoschock beständige Formstücke.
Es sind, z. B. aus der US-PS 28 28 202, Titancarbid-Werkzeugstahllegierungen bekannt, die aus einer wärmebehandelbaren Stahlmatrix bestehen, in welcher primäre Körner aus Titancarbid verteilt sind. In typischer Weise besteht ein solcher Stahl zu etwa 33 Gew.-°/o TiC in der Form von primären Carbidicörnern und der Matrix, die zu 3 Gew.-% aus Cr, 3 Gew.-% aus Mo, zu 0,6 Gew.-% aus C und zum Rest aus Eisen besteht. Eine solche Stahllegierung wird in vorteilhafter Weise unter Anwendung von pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt, die im wesentlichen darin bestehen, daß pulverförmiges Titancarbid in Form sog. primärer Carbidkörner mit pulverförmigen, die Stahlmatrix erzeugenden Komponenten vermischt wird, z. B. mit den vorerwähnten Komponenten, daß ein kompakter Formkörper durch Verpressen der Mischung in einer Form erzeugt wird und daß dieser Formkörper unter nicht oxydierenden Bedingungen, z. B. im Vakuum, gesintert wird.
Unter »primären Carbidkörnern« sind Titancarbidkömer zu verstehen, die direkt zur Herstellung der Stähle verwendet werden und welche durch eine Wärmebehandlung praktisch nicht angegriffen werden.
Bei der Herstellung einer Titancarbid-Werkzeugstahllegierung mit einem Gehalt von beispielsweise 33 Gew.-% TiC (d.h. ungefähr 45 Vol.-% TiC), deren Stahlmatrix 67 Gew.-% der Stahllegierung ausmacht, können beispielsweise 500 g TiC (einer Teilchengröße von beispielsweise etwa 5 bis 7 Micron) mit 1000 g stahlbildenden Komponenten in einer Kugelmühle vermischt werden, die halb mit Kugelii aus rostfreiem diesen Stahl gefüllt ist. Zu den pulverförmigen Komponenten wird dann ein Paraffinwachs zugesetzt, z. B. pro 100 g Mischung I g Paraffinwachs. Unter Verwendung von Hexan als Träger kann die Mischung dann beispielsweise etwa 40 Stunden lang in der Mühle vermählen werden.
Nach Beendigung des Mahlprozesses wird die Mischung aus der Mühle entfernt und getrocknet, worauf durch Verpressen bei einem Druck von z. B.
ίο 20,7-10* kPa kompakte Formstücke einer gewünschten Form hergestellt werden können, welche dann im Vakuum mit schmelzflüssiger Phase bei einer Temperatur von etwa 1450° C gesintert werden, beispielsweise etwa eine halbe Stunde lang bei einem Unterdruck
!5 entsprechend einer Quecksilbersäule von 20 Micron oder darunter. Nach Beendigung des Sinterprozesses werden die Preßlinge abgekühlt, worauf sie gehärtet werden, beispielsweise durch ein zweistündiges Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 900° C und Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von etwa 15° C pro Stunde bis auf etwa 100° C worauf der Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Dabei werden Formstücke oder Preßlinge mit einer Microstruktur mit Sphäroiden erhalten. Die nach dem Tempern (A niassen) gemessene Härte liegt bei etwa 45 Rc. Der Werkzeugstahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt kann vor dem Härten maschinell bearbeitet und/oder zu jeder gewünschten Werkzeugform oder zu jedem gewünschten Maschinenteil geschliffen oder verarbeitet werden.
so Die Härtungsbehandlung besteht darin, das hergestellte Formstück etwa Wa Stunde lang auf eine Temperatur von etwa 954° C zu erhitzen, d. h. auf eine »austenitisierende« Temperatur, worauf das erhitzte Formstück in öl oder Wasser abgeschreckt wird unter
i", Erzielung einer Härte von etwa 70 Rc.
Obgleich die beschriebenen typischen Stähle eine gewisse kommer jfle Bedeutung erlangt haben, haben sie doch auch gewisse Nachteile. Werden die Stähle beispielsweise als Formmaterialien unter Bedingungen
4(i verwendet, bei denen auf Grund einer Reibung Wärme erzeugt wird oder wo das zu bearbeitende Metall vorerhitzt wird, tritt oftmals eine Übertemperung auf, welche zur Erweichung des Formstahles führt. Hinzu kommt, daß, wenn nicht sehr darauf geachtet wird, daß
ν-, eine rasche Erhitzung und rasche Abkühlung vermieden wird, Teile aus einem solchen Stahl leicht einem thermischen Bruch unterliegen. Hinzu kommt, daß die Querbruchfestigkeit, obgleich sie für die meisten Verwendungszwecke ausreichend ist, doch nicht so gut
κι wie an sich erwünscht ist, d. h. im allgemeinen bei nur etwa 17,2 · 105 bis 20,7-105 kPa liegt.
Aus der US-PS 36 53 982 und der DE-OS 20 48 151 ist ferner ein weiterer Typ einer Titancarbidstahllegierung mit einem Titancarbidgehalt von 25 bis 75 Vol.-%.
Vt vorzugsweise 30 bis 65 Vol.-%, und einer Stahlgrundmasse aus Eisen mit 6 bis 12 Gew.-% Chrom, 0,6 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 5 Gew.-% Molybdän sowie gegebenenfalls kleineren Mengen an Wolfram, Vanadium, Nickel, Kobalt, Silizium und/oder Mangan bekannt.
Mi Eine solche Stahllegierung unterscheidet sich von der vorerwähnten Stahllegierung mit einem geringeren Chromgehalt dadurch, daß sie bei einer Temperatur von etwa 538° C getempert (angelassen) werden kann und somit bei solchen Temperaturen eine mäßig günstige
<r> Härte beibehält. Nachteilig an diesen Stahllegierungen ist jedoch, daß sie leicht einem thermischen Schock unterliegen und gewöhnlich nur eine Querbruchfestigkeit von etwa 17,2 105 bis 20,7 IO3 kPa aufweist.
Aus der US-PS 30 53 706 ist des weiteren eine Carbidstahllegierung bekannt, welche durch eine besondere Widerstandsfähigkeit gegenüber Erweichen bei erhöhten Temperaturen gekennzeichnet ist Eine typische Stahllegierung des aus der CS-PS 30 53 706 bekannten Typs ist eine solche, bei der das hitzebeständige Carbid aus einem eine feste Lösung bildenden Carbid des Typs WTiC2 mit etwa 75% WC und 25 TiC besteht Das Carbid ist dabei vorzugsweise in einer Menge von etwa 45,6 Gew.-% in der Stahlmatrix dispergiert Die Stahlmatrix, die einer sekundären Härtung bei etwa 538 bis 650" C unterworfen werden kann, enthält in typischer Weise 12% W, 5% Cr, 2% V und 0,85% C, wobei der Rest im wesentlichen aus Eisen besteht Das in der Grundmasse gelöste Wolfram befindet sich dabei im Gleichgewicht mit der gesättigten Lösung des primären Carbides.
Obgleich der beschriebene Legierungstyp in gewisser Hinsicht zufriedenstellende Eigenschaften hat, wei! er durch den notwendigen zweiten Härtungseffekt gekennzeichnet is^ und somit einer Temperung bei Warmform-Bearbeitungstemperaturen zu widerstehen vermag, ist doch nachteilig an diesem Stahltyp, daß er zur Porosität neigt. So ergibt sich beispielsweise aus Spalte 4, Zeilen 4 bis 9 der Patentschrift, daß sich, ausgehend von der beschriebenen Stahlmischung, Sinterkörper einer Dicke von 1,27 cm mit zufriedenstellenden Eigenschaften herstellen lassen. Später hat sich jedoch gezeigt, daß bei der Herstellung größerer Elemente für die Verwendung in Formen, z. B. bei der Herstellung von Elementen einer Größe von etwa 3,81 cm2 und darüber, die Sinterendprodukte eine Tendenz zur Porosität aufw eisen, hinzu kommt, daß die Querbruchfestigkeit nicht die erwünschte Höhe hat, sondern vielmehr nur bei etwa 15,2 ■! · bis 17,2 ■ 105 kPa liegt.
Es ist schließlich ferner bekannt, z. B. aus der US-PS 3136 630, Nickel, Chrom und Molybdän enthaltende Eisenlegierungen mit ferritischem Gefüge zur Herstellung von Schweißdrähten und Schweißstäben zu verwenden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Titancarbidstahllegierung mit verbesserter Querbruchfestigkeit, verbesserter Schlagwiderstandsfähigkeit und einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock anzugeben. Des weiteren sollte die Erfindung die Herstellung von gehärteten abriebfesten Formstükken oder Formteilen ermöglichen, welche durch eine hohe Abriebfestigkeit in Kombination mit verbesserten physikalischen und mechanischen Eigenschaften und einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock gekennzeichnet sind.
Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, daß durch Zusatz von Nicke) in bestimmten Konzentrationen eine merkliche Verbesserung des Stahls gegenüber thermischem Schock erreicht und die Querbruchfestigkeit wesentlich erhöht wird.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine gesinterte Titancarbidstahllegierung der in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Zusammensetzung und deren in den Ansprüchen 3 und 4 angegebene Verwendung.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine gesinterte Titancarbidstahllegierung erwiesen, die zu 24 bis 30 Gew.-% aus Titancarbid und zu 76 bis 70 Gew.-% aus der Stahlmatrix besteht.
Eine ganz besonders vorteilhafte Stahllegierung besteht zu 25 Gew.-% aus TiC und zu 75 Gew.-% aus der Stahlmatrix, wobei letztere aus 5 Gew.-°/o Cr, 4 Gew.-% Mo, 0,5 Gew.-% Ni, 0,4 Gew.-% aus C und zum Rest aus Eisen besteht
Durch die Verwendung von Nickel in dem angegebenen Konzentrationsbereich lassen sich Querbruchfes tigkeiten von über 22,4-10SkPa und sogar von über 24,1 · 105 kPa, beispielsweise von etwa 27,5 · 105 kpa bis zu etwa 37,9 10SkPa erzielen, unter gleichzeitiger beträchtlicher Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock.
ίο Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.
Beispiel
Ein Sinterformstück mit etwa 25 Gew.-% TiC und einer Stahlmatrix von 75 Gew.-% mit 5 Gew.-% Cr, 4 Gew.-% Mo, 0,5 Gew.-% Ni, 0,4 Gew.-% C und zum Rest Eisen wurde wie folgt hergestellt:
Etwa 1000 g Titancarbidpulver einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 5 bis 7 Micron wurden mit 3000 g stahlbildender Komponenten der erwähnten Zusammensetzung einer durchschnittlichen Teilchengröße von 20 Micron in einer Stahlkugelmühle mit Kugeln aus rostfreiem Stahl vermischt Bei der Zugabe des Kohlenstoffes zur Mischung wurde der in dem verwendeten rohen Titancarbidmaterial vorhandene Gehalt an freiem Kohlenstoff berücksichtigt. Zu der Mischung wurde dann Ig Paraffinwachs pro 100 g Mischung zugegeben. Die Mischung wurde insgesamt
jo 40 Stunden lang vermählen, wobei die Kugelmühle bis zur Hälfte mit Stahlkugeln eines Durchmessers von etwa 1,27 cm gefüllt war und wobei als Träger Hexan verwendet wurde.
Nach Beendigung des Mahlprozesses wurde die
j-, Mischung aus der Mühle entnommen und im Vakuum getrocknet. Eine vorbestimmte Menge der Pulvermischung wurde in einer Form bei einem Druck von 20,7 10~4 kPa zu einem Formstück verpreßt. Das Formstück wurde dann bei einer Temperatur t»ber der Schmelzen punkttemperatur der Stahlmatrix gesintert. Die angewandte Temperatur lag bei etwa 1435° C. Die Sinterdauer betrug eine Stunde. Das Sintern erfolgte im Vakuum, z. B. einem Vakuum entsprechend einem Druck von 20 Mikron Quecksilbersäule oder darunter.
r, Nach beendeter Sinterung wurde das Formstück abgekühlt und dann dadurch gehärtet, daß es zunächst zwei Stunden lang auf 9000C erhitzt wurde, worauf es mit einer Geschwindigkeit von etwa 15°C pro Stunde auf etwa 1000C abgekühlt wurde. Das Formstück wies
-><> eine Sphäroide enthaltende Microstruktur auf. Die durch das Härten erzielte Härte lag bei etwa 40 bis 50Ro
Zu Vergleichszwecken wurde ein weiteres Formstück unter Verwendung einer verschiedenen Stahlmatrix
ν, vom Chromtyp, wie sie zur Herstellung heiß bearbeiteter Werkzeugstähle verwendet wird, mit einem Gehalt von 5 Gew.-°/o Cr, 1,5 Gew.-% Mo, 1,5 Gew. % W1 0,4 Gew.-% V, 0,35 Gew.-% C und zum Rest Eisen, hergestellt.
mi Beide Carbidstahllegierungen enthielten 25 Gew.-°/o TiC, wobei der Rest der Legierungen, nämlich 75 Gew.-%, aus der Stahlmatrix bestanden.
Die beiden Stahllegierungen wurden dann im gehärteten Zustand nach 30 Minuten bei 1025°C mit Öl
b> abgeschreckt. Die Legierungen wurden dann jeweils eine Stunde lang doppelt getempert, und zwar bei 525°C, worauf sie an der Luft abkühlen gelassen wurden.
Die Prüflinge wurden dann Testen zur Ermittlung der Querbruchfestigkeit unterworfen. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
Tabelle !
Material
10250C 30 Min. Abschreckung mit ö!
5250C -1 Std.
Luftkühlung
(2mal)
QBF·) in kPa
gemäß Erfindung
25% TiC; 75% Matrix (Matrix: 68 Rc
5% Cr, 4% Mo, 0,5% Ni, 0,4% C
Rest Eisen)
Vergleichsmaterial
25% TiC; 75% Matrix (Matrix: 70 Rc
5% Cr, 1.5% Mo, 13% W,
0,4% V, 0,35% C, Rest Eisen)
*) Querbruchfestigkeit.
65 Rc
63Rc
30,9 - 105-38,0 · 105
15,2 · 105-19,2 · 10-i
Wie sich aus den mitgeteilten Ergebnissen ergibt, weist die erfindungsgemäße Stahlcarbidlegierune praktisch die doppelte Querbruchfestigkeit wie das Vergleichsmaterial, d. h. die zu Vergleichszwecken verwendete Stahlcarbidlegierung auf.
Im gehärteten Zustand ist die Carbidlegierung der Erfindung durch ein martensitisches Microgefüge gekennzeichnet.
In weiteren Versuchen wurden weitere handelsübliche Sinterstahllegierungen getestet, welche die im folgenden angegebenen Zusammensetzungen aufwiesen. Die angegebenen Prozentangaben beziehen sich dabei jeweils auf Gewichts-%.
(A) 33% TiC - 67% Stahlmatrix aus 3% Cr. 3% Mo. 0,6% C und zum Rest aus Eisen.
(B) 34,5% TiC - 65,5% Stahlmatrix aus 10% Cr, 3% Mo, 0,85% C und zum Rest aus Eisen.
(C) 45.6% WTiC2 - 54,4% Stahlmatrix aus 12% W, 5% Cr, 2% V1 0,85% C und zum Res: Eisen, wobei WTiC2 eine feste Lösung mit 75% WC - 25% TiC darstellt.
Die vorbeschriebenen Stahllegierungen wurden durch Sintern hergestellt, entsprechend dem Verfahren, nach dem die erfindungsgemäße Stahlcarbidlegierung hergestellt wurde. Die zu Vergleichszwecken hergestellten Legierungen wurden mit einer bevorzugten Legierung der Erfindung verglichen, die aufgebaut war zu 2J Gew.-% TiC und zu 75 Gew.-% aus der Stahlmatrix, wobei letztere zu 5 Gew.-% aus Cr, zu 4 Gew.-% aus Mo, zu 0,5 Gew.-% aus Ni, zu 0,4 Gew.-% aus C und zum Rest aus Eisen bestand. Sämtliche Legierungen wurden durch Abschrecken gehärtet und getempert und einem thermischen Schocktest und einem Test zur Ermittlung der Querbruchfestigkeit unterworfen.
Die Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock wurde dadurch ermittelt, daß rechteckige geschliffene Prüflinge einer Größe von etwa 2,54 χ 2,54 χ 0,635 cm mehrmals auf eine Temperatur von 8150C erhitzt wurden, worauf sie in einem ölbad von Raumtemperatur abgeschreckt wurden. Der Aufheiz- und Abschreckzyklus wurde so oft wiederholt, bis Risse festgestellt ν jrden. Die Anzahl von Zyklen vor der Rißbildung diente dabei als Maß für die Widerstandsfähigkeit der Prüflinge gegenüber thermischem Schock. Die erhaltenen Ergebnisse, einschließlich der en littelten Querbruchfestigkeiten sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:
Tabelle Il
Legierung
Anzahl von Zyklen
vor der Bildung von
Rissen
OBF*) in kPa
17.3 ■ 105 — 20,7
17.3 ■ 105-20.7
15,2 ■ 1O5-17,3 · 105 31,0 ■ 105 --38.0 ■ 105
(A) 4
(B) I
(C) 1
gemäß 15
Erfindung
*) = Querbruchfestigkeit.
Wie sich aus den in Tabelle Il zusammengestellten Daten ergibt, weisen die erfindungsgemäßen Prüflinge eine bedeutend verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock auf und des weiteren eine merklich verbesserte Querbruchfestigkeit.
Die Stahllegierung (B) der Tabelle II wurde des weiteren mit der erfindungsgemäßen Stahllegierung bezüglich der Kerbschlagzähigkeit geprüft. Im Falle des erfindungsgemäßen Prüflinges wurde ein Wert von 0.3456 mkg nach dem Kerbschlagzähigkeitstest von Charpy ermittelt, wohingegen im Falle des Prüflinges (B) ein entsprechender Wert von nur 0^073 mkg ermittelt wurde, woraus sich ergibt, daß der Wert des Prüflinges nach der Erfindung um etwa 65% günstiger war als der des bekannten Materials.
Wesentlich !it, daß der Nickelgehalt der Stahlgrundmasse nicht über 0,75 Gew.-% erhöht wird, weil ein zu hoher Nickelgehalt die Festigkeitseigenschaften des Stahles nachteilig beeinflussen kann.
So hat sich beispielsweise gezeigt, daß eine Stahllegierung mit 25 Gew.-% TiC und 75 Gew.-% Stahlgrundmassi, die zu 5Gew.-% aus Cr, 4 Gew.-% aus Mo, 0,5 Gew.-% aus Ni, 0,4 Gew.-% aus C und zum Rest im wesentlichen aus Eisen besteht, eine Querbruchfestigkeit von 26,0105kPa aufweist und eine Wider-
Standsfähigkeit gegenüber thermischem Schock, entsprechend 18 wiederholten Aufheiz- und Abkühlzyklen.
Ein zu hoher Nickelgehalt, d. h. ein Gehalt von über 0,75 Gew.-%, soll dabei vermieden werden, da sich Nickel als Austenit-Bildner erwiesen hat und infolgedessen dazu neigt, die Eigenschaften der Legierung in negativer Weise zu beeinflussen.
Von Bedeutung ist des weiteren, daß die Titancarbidkonzentration bei 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Stahles, liegen soll. Enthält die Stahllegierung einen zu hohen Titancarbidgehalt, so nimmt die Bruchfestigkeit ab, wie auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock.
So weist beispielsweise eine Legierung aus 35 Gew.-% TiC und 65 Gew.-% Stahlmatrix aus 5 Gew.-% Cr, 4 Gew.-°/o Mo, 0,5 Gew.-% Ni, 0,4 Gew.-% C und zum Rest Eisen nach einer Abschreckhärtung und nach dem Tempern (Anlassen) eine Querbruchfestigkeit von nur etwa i9,3iö3kPa auf und eine "Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischem Schock, entsprechend 5 wiederholten Zyklen aus Aufheizen und Abkühlen.
Durch die Erfindung wird somit ein neuer und verbesserter Carbidstahl geschaffen, welcher nach einer Abschreckhärtung und Temperung beträchtlich verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu anderen vergleichbaren Stählen aufweist.
So weist beispielsweise eine Sinterstahllegierung
> nach Abschrecken von 1025° C eine Härte von mindestens etwa 65 Rc auf und nach einer Temperung bei 525°C eine Stunde lang, eine Härte von mindestens etwa 62 Rc.
In Form eines Prüflings einer Größe von etwa
ίο 2,54 χ 2,54 χ 0,63 cm kann die erfindungsgemäße Stahllegicrung beispielsweise lOmal auf eine Temperatur von 8I5°C aufgeheizt und in einem ölbad abgeschreckt werden, ohne daß eine Rißbildung auftritt.
Die erfindungsgemäße Stahllegierung hat die Ten- -, denz einer Erweichung bei erhöhten Temperaturen zu widerstehen und eignet sich zur Herstellung von abriebfesten Elementen oder Formstücken, z. B. Gußoder Gießformen, Elementen, welche gleitenden Bewe gungen ausgesetzt werden, Dieniutigseiementeri, z. B.
in Dichtungsleisten, zur Verwendung in Rotationskolbenmotoren und zur Herstellung für eine Vielzahl anderer abriebfester Formteile und Formelemente.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Gesinterte Titancarbidstahllegierung mit martensitischem Microgefüge, bestehend aus einer Matrix mit 4 bis 6 Gew.-% Chrom, 3 bis 5 Gew.-% Molybdän, 0,25 bis C.75 Gew.-% Nickel, 0,3 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff und Rest Eisen, in der 20 bis 30 Gew.-% primäre Titancarbidkömer dispergiert sind.
2. Gesinterte Titancarbidstahllegierung nach Anspruch 1, mit einer Matrix aus 5 Gew.-% Chrom, 4 Gew.-% Molybdän, 0,5 Gew.-% Nickel 0,4 Gew.-% Kohlenstoff und Rest Eisen, in der 25 Gew.-% primäre Titancarbidkömer dispergiert sind.
3. Verwendung einer gesinterten Titancarbidstahllegierung nach Ansprüchen 1 und 2 als Werkstoff für abriebfeste, gegen Thermoschock beständige Formstücke, die nach der Härtung eine Härte von mindestens 62 Rc und eine Querbruchfestigkeit von über 22,4 · 105 kPa aufweisen.
4. Verwendung einer gesinterten Titancarbidstahllegierung nach Anspruch 3 als Dichtungselement für Rotationskolbenmotoren.
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