DE2937724A1

DE2937724A1 - Pulvermetallurgisch hergestelltes stahlerzeugnis mit hohem vanadiumcarbid- anteil

Info

Publication number: DE2937724A1
Application number: DE19792937724
Authority: DE
Inventors: Walter Thomas Haswell; August Kasak
Original assignee: Crucible Inc
Current assignee: Crucible Materials Corp
Priority date: 1978-09-20
Filing date: 1979-09-18
Publication date: 1980-04-03
Also published as: GB2030175A; SE7900877L; DK391579A; FR2436824B1; SE446462B; KR820002180B1; BE878892A; ES484223A1; IT1192688B; JPS5856022B2; US4249945A; MX7004E; FR2436824A1; JPS5541980A; CA1113284A; IN152129B; DE2937724C2; DK155837C; GB2030175B; LU81268A1

Description

Es ist bekannt, daß Werkzeugstähle und aus diesen Stählen hergestellte Werkstoffe unter dem Gesichtspunkt der Verschleißfestigkeit oder Abriebbeständigkeit vom Vorliegen nennenswerter Mengen an im Material dispergierten MC-Carbiden profitieren. Ist der Carbidanteil jedoch zu groß, so wird die Verformbarkeit des Stahlwerkstoffes herabgesetzt. Daraus folgt, daß herkömmlich erschmolzene und vergossene Legierungen dieser Art einen maximalen Gehalt an MC-Carbiden aufweisen, der durch praktische Gesichtspunkte bestimmt ist.

Von Werkzeugstählen und daraus hergestellten Erzeugnissen wird erwartet, daß sie sowohl hohe Festigkeiten, hohe Verschleißfestigkeiten und hohe Zähigkeiten aufweisen, um einerseits hohen Beanspruchungen ohne Verformung zu widerstehen, andererseits schleifenden Beanspruchungen, wie beim Walzen, Extrudieren, Stampfen, Schliffen usw. gewachsen zu sein, und um, wozu die gute Zähigkeit gefordert wird, beim Kontakt mit dem Werkzeug nicht auszubrechen oder kurze Sprödspähne zu bilden. Aus diesen Gründen ist es bekannt, Werkzeugstähle zu verwenden, in deren Matrix eine Dispersion aus Carbid teilchen eingebaut ist, wobei diese Carbidteilchen dem Material seine Verschleißfestigkeit erteilen und die Matrix die angestrebten Festigkeits- und Zähigkeitswerte gewährleistet. Demzufolge gilt für Legierungen dieser Art, daß ihre Verschleißfestigkeit mit steigenden Carbidgehalten größer wird, wobei insbesondere Vanadiumcarbide vom MC-Typ Verwendung finden. Carbide dieser Art führen wegen ihrer relativ hohen Härte zu besonders verbesserten Verschleißfestigkeiten. Aus diesem Grunde werden große MC-Vanadiumcarbidmengen

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erhalten, in dem der MC-Carbidbildner Vanadium stöchiometrisch in Bezug auf Kohlenstoff vorgesehen wird. Das stöchiometrische Verhältnis für die MC-Vanadiumcarbidbildung sieht 1 % Vanadium auf 0,20 % Kohlenstoff vor.

Wie bereits erwähnt, nimmt mit steigenden Carbidgehalten die Zähigkeit des Stahles ab. Zusätzlich v/erden jedoch die Zähigkeit und die Verformbarkeit ungünstig durch Carbidausscheidungen beeinflußt, die während der Erstarrung von Gußblöcken oder anderen aus der Legierung gegossenen Erzeugnissen auftritt. Während der Erstarrungsphase ist ein Anwachsen der Carbidteilchen auf unerwünscht große Teilchenabmessungen unvermeidbar. Demzufolge ist für herkömmliche Werksteugstähle der MC-Vanaditimcarbidgehalt auf maximal etwa 8,2 Vol.-% begrenzt.

Die US-Patentschrift 3 756 518 offenbart Legierungen auf der Grundlage von Kobalt, Eisen und Nickel gemeinsam mit einer Vielzahl von Carbidbildnern in sehr allgemeiner V/eise, ohne daß zwischen den verschiedenen Matrixmaterialien und zwischen den verschiedenen Carbidbildnern differenziert wird oder eine Obergrenze für irgendeinen der Carbidbildner genannt wird. Offensichtlich wurden diese Faktoren nicht als wichtig angesehen. Im Gegensatz dazu beschäftigt sich die vorliegende Erfindung ausschließlich mit Legierungen auf Eisenbasis und mit Vanadium als Carbidbildner, wobei für Vanadium und Vanadiumcarbid kritische Gehaltgrenzen definiert werden.

Die Erfindung verfolgt somit in erster Linie das Ziel, ein pulvermetallurgisch hergestelltes Stahlerzeugnis zu schaffen, welches sich durch einen hohen Anteil an sphärisch gestalteten und gleichmäßig im Gefüge verteilten Vanadiumcarbiden vom MC-Typ auszeichnet. Aufgrund seines Aufbaus zeigt das erfindungs-

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ORIGINAL INSPECTED

gemäßte Erzeugnis eine stark gesteigerte Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig zufriedenstellender Fähigkeit und Verformbarkeit.

Ein bevorzugter Gedanke liegt in einem pulvermetallurgisch hergestelltem Werkzeugstahlerzeugnis für hohe Verschleißfestigkeiten erfordernde Verwendungszwecke mit einem Carbidanteil von 10 - 18 Vol.-% aus im v/esentlichen durchgängig MC-Vanadium-Carbiden, wobei die Carbide eine im wesentlichen sphärische Gestalt besitzen und gleichmäßig im Gefüge dispergiert sind. Der Kohlenstoffgehalt des Erzeugnisses ist so im Hinblick auf die Carbidbildner Vanadium, Chrom und Molybdän eingestellt, daß eine Kohlenstoffmenge in der Matrix des Erzeugnisses zur Verfügung steht, die ausreicht, um durch eine Wärmebehandlung dem Erzeugnis eine Rockwell-Härte von wenigstens 56 R zu erteilen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen. In dieser zeigt:

Fig. 1 eine fotografische Schliffaufnahrae eines erfindungsgemäß hergestellten Stahlerzeugnisses, welche die charakteristische Ausbildung der Vandaiumcarbide vom MC-Typ in der Legierungsraatrix erkennen läßt.

Fig. 2 eine mit Fig. 1 vergleichbare fotografische Schliffaufnahrae, jedoch mit höherem Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden,

Fig. 3 eine mit den Fig. 1 und 2 vergleichbare fotografische Schuf f auf nähme, wobei jedoch ein an der erfindungsgemäß vorgeschriebenen oberen Gehaltsgrenze liegender Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden vorhanden ist,

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Fig. 4 eine mit den Fig. 1-3 vergleichbare Schliffaufnahme, wobei jedoch der dargestellte Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden oberhalb der erfinduiigsgemäß zulässigen Höchstgrenze liegt und einige dieser Carbide eine Länge von mehr als 15 fu& besitzen, nicht im wesentlichen sphärische Gestalt besitzen und nicht gleichmäßig im Gefüge verteilt sind,

Fig. 5 eine fotografische Schliffaufnahme eines Teilstücks eines Werkzeugstahlerzeugnisses mit einer Zusammensetzung, die insbesondere im Hinblick auf den Vanadiumgehalt innerhalb der erfindungsgemäßen Gehaltsgrenzen liegt, wobei es sich jedoch um einen Abstahl handelt, der abgegossen und nicht pulvermetallurgisch erzeugt wurde,

Fig. 6 eine mit Fig. 5 vergleichbare fotografische Schliffaufnahme eines Stahlgefüges, jedoch mit höherem Vanadiumgehalt,

Fig. 7 eiⁿ grafisches Schaubild, welches die Beziehung zwischen der Schlagfähigkeit und dem Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden zeigt,

Fig.8 ein grafisches Schaubild, welches die Beziehung zwischen der Verschleißfestigkeit und dem Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden zeigt,

Fig. 9 ein grafisches Schaubild, welches den Einfluß einer Austenitisierungsbehandlung auf die Härte eines erfindungsgemäß pulvermetallurgisch hergestellten Erzeugnisses mit der Probenbezeichnung CRl 10V darstellt und

Fig.io ein grafisches Schaubild, welches den Einfluß der Anlaßtemperatur (tempering temperature) bei einer Glühdauer von 2+2 Stunden auf die Härte eines erfindungsgemäß

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pulvermetallurgisch hergestellten Erzeugnisses mit der Probenbezeichnung CPK 10V darstellt.

Der Ausdruch "MC-Vanadiumcarbid" oder auch "Vanadiumcarbid vom MC-Typ" bezieht sich auf ein Vanadiumcarbid, welches durch eine kubisch-flächenzentrierte Kristallform gekennzeichnet ist, wobei ¹¹M¹¹ für den Carbidbildner steht, bei welchem es sich in der Regel um Vanadium handelt. Unter die genannten Ausdrücke fallen jedoch auch M^C^-Vanadiumcarbide sowie solche Vanadiumcarbide, in denen ein teilweiser Ersatz des Kohlenstoffs durch Stickstoff und/oder Sauerstoff stattgefunden hat. Derartige Carbide werden als "Carbonitride" bzw. "Oxicarbonitrid" bezeichnet. Wenngleich die erfindungsgemäßen pulvermetallurgisch hergestellten Erzeugnisse im wesentlichen nur MC-Vanadiumcarbide enthalten, so versteht es sich, daß andere Carbidtypen, wie Μ,-C-ι MpC- und Mp^C^-Carbide auch in kleineren Mengen enthalten sein können. Diese Carbide haben jedoch keinerlei Signifikanz im Hinblick auf das Lösen der dieser Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe.

Mit dem Ausdruck "pulvermatallurgisch hergestelltes Erzeugnis" wird im Rahmen der Erfindung ein aus einer vorlegierten Pulvercharge verdichtetes Erzeugnis bezeichnet, welches unter Einwirkung von Wärme und Druck in eine kohärente Masse mit einer Dichte von mehr als 99 % der theoretischen Dichte verdichtete worden ist. Unter diesen Ausdruck fallen auch Zwischenerzeugnisse, wie Knüppel, Vorblöcke, Rund- und Profilstäbe und dergleichen, sowie Fertigerzeugnisse, wie Werkzeugstahlerzeugnisse unter Einschluß von Walzen, Stempeln, Matrizen, Verschleißplatten und dergleichen, wobei diese Erzeugnisse aus Zwischenerzeugnissen hergestellt sein können, die aus der ursprünglichen vorlegierten Pulvercharge erzeugt worden sind.

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Ganz allgemein ausgedrückt, wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine vorlegierte Pulvercharge erhalten, in welcher jedes Teilchen eine Legierungsstahlmatrix mit einer gleichförmigen Dispersion von MC-Vanadiumcarbiden innerhalb eines Bereiches von 10 - 18 %, vorzugsweise von 15 - 17 % oder von 13, 5 - 17,2 % (jeweils Vol.-%-te) aufweist. Die Carbide besitzen eine im wesentlichen sphärische Gestalt und sind gleichmäßig verteilt. Vorzugsweise besitzt das vorlegierte Pulver, aus welchem das erfindungsgeraäße pulvermetallurgisch hergestellte Erzeugnis gefertigt wird, eine metallurgische Zusammensetzung (Gew.-Yo) sowie einen Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden (Vol.-5») innerhalb der folgenden Bereiche:

Weiter Bereich

Bevorzugter Bereich Besonders bevorzugter Bereich

Mangan Silicium Chrom Molybdän Schwefel Vanadium Kohlenstoff Eisen*

MC-Vanadium-Carbide (Vol.·

0_r2 bis 1,5 bis 2

1.5 bis 6 0,50 bis 6 bis 0,$0

6 bis 11

1.6 bis 2,9 Rest

**10 bis 18

0,4 bis 0,6

bis 1

5 bis 5,5

1,15 bis 1,4

bis 0,09

9,25 bis 10,25

2,40 bis 2,50

Rest

N15 bis 17

0,2 bis 1 bis 2

4,5 bis 5,5 0,80 bis 1,7 bis 0,14 8 bis 10,5 2,2 bis 2,6 Rest

bis 17,2

* Unter Einschluß von herstellungsbedingten Verunreinigungen.

Das erfindungsgomäße Erzeugnis zeichnet sich ferner dadurch aus, daß die MC-Vanadiumcarbide im wesentlichen sphärisch gestaltet und gleichmäßig verteilt sind. Der Kohlenstoffgehalt ist so im Gleichgewicht mit den Gehalten an Vanadium,

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Chrom und Molybdän eingestellt, daß hinreichend Kohlenstoff zur Verfügung steht, um dar, pulvermetallurgisch hergestellte Erzeugnis durch eine Wärmebsh-uidlung auf eins Rockwell-Härte von wenigstens 56 R„ zu härten.

Liegt der Mangangehalt außerhalb der erfindungsgeraäßen Obergrenze, so läßt sich das hergestellte Erzeugnis nur schwierig auf die fii? die maschinelle Verarbeitung angestrebte niedrige Härte glühen. Liegt andererseits der Mangangehalt zu niedrig, so steht nicht ausreichend Mangan zur Verfügung, um die im Hinblick auf die spanabhebende Bearbeitung angestrebten Mangansulfide zu bilden. Liegt der Siliciumgehalt außerhalb der erfindungsgemäß definierten Obergrenze, so führt das beim geglühten Erzeugnis zu einer für die maschinelle Bearbeitung zu grossen Härte. Chrom ist für eine adäquate Aushärtung während der Wärmebehandlung erforderlich und fördert außerdem die Hochtemperaturfestigkeit. Liegt jedoch der Chromgehalt zu hoch, so führt dieses zur Ausbildung von Hochtemperatur-Ferrit oder zum Zurückhalten einer untolerierbar großen Menge von Austenit während der Wärmebehandlung. Die Ausbildung von Hochtemperatur-Ferrit beeinträchtigt die Warmverformbarkeit und der zurückgehaltene (retained) Austenit beeiträchtigt das Erzielen der angestrebten hohen Härtewerte während der Wärmebehandlung. Molybdän erteilt dem Material , wie auch Chrom, seine Hochtemperaturfestigkeit und fördert die Härtbarkeit des legierten Erzeugnisses. Schwefel fördert die Spanabhebende Verarbeitung durch Ausbildung von Mangansulfiden. Der Kohlenstoffgehalt sollte mit Vanadium so ausgewogen sein, daß im Interesse einer guten Verschleißfestigkeit MC-Vanadiumcarbide gebildet werden. Gleichfalls ist es im Interesse einer adäquaten Matrixhärtung wichtig, daß der Kohlenstoff in einer Menge vorliegt, die sich mit allem vorliegenden Vanadium zu Vanadiumcarbiden umsetzen kann, wobei weitere Kohlenstoffmenge zur Verfestigung der Matrix benötigt werden.

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Eine den erfindungsgeraäßen Bedingungen genügende Pulvercharge kann mitteln beliebiger pulvermetallurgischer Arbeitsweisen zu dem angestrebten Enderzeugnis verdichtet werden, solange gewährleistet "ist, daß die gewählte Arbeitsweise nicht zu einem übermäßigen, schädlichen Kornwachstum und zu einer schädlichen Agglomeration der Carbide führt. Vorzugsweise wird das bekannte isostatische Heißpressen einer in einem Behälter eingeschlossenen vorlegierten Fulvercharge in einem Autoklaven durchgeführt.

Die Erfindung beschäftigt sich mit pulvermetallurgisch hergestellten Legierungsstahlzusammensetzungen und pulvermetallurgisch hergestellten Erzeugnissen, die im wesentlichen lediglich MC-Vanadiumcarbide enthalten. Mit Hilfe der Erfindung v/erden durch Einstellen des Vanadiuragehaltes sowie des Gehaltes an Vanadiumcarbjden vom MC-Typ innerhalb kritischer Gehaltsbereiche bisher nicht-erzielbare Materialeigenschaften als Kombination von hoher Verschleißferjtigke.it und Zähigkeit gemeinsam mit hinreichender Oberflächenbearbeitbarksit (Schleifbarkeit) erzielt.

Die Erfindung wird durch die in Tafel 1 zusammengestellten Legierungen erläutert. Die Stähle CHl 6V, CPM 11 V und CPM 14V wurden in der Weise hergestellt, daß (1) vorlegierte Pulver durch Induktionsschmolzen und Gaszerstäubung hergestellt wurden, (2) die Pulver auf eine Teilchengröße von weniger als 420 /im ausgesiebt wurden, (3) die Pulver in Flußstahlbehälter mit den Abmessungen 159»7 mm χ 152,4 mm angebracht wurden, (4) die Behälter entgast und verschlossen wurden, (5) die Behälter auf 1.171 °C erwärmt und 9 ötd. lang auf dieser Temperatur gehalten wurden, (6) die Pulverchargen bei einem isostatischen Druck von 9?28 kg/mm auf im wesentlichen völlige Dichte verdichtet wurden und (7) das verdichtete Material auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Die Preßlinge wurden sodann bei Schmiedetemperaturen von I.O93 °C auf Würfel mit 25,4 mm Kantenlänge geschmiedet, aus welchen eine Vielzahl von Probekörpern hergestellt wurden.

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COPY

Tafel

CJ O O

Ot Ul

CFTi 6V CFM 11V CPM 14V C6V C11V CPM 10V

CFM 16V

Internale Codebez.	Er ζ e ugungswe χ s e	MC-Vanadium- Carbidgehalt (Vol.-%)
391 -79	P M	10,5
391-81	P H	17,7
515-18	P M	22,7
2455	S chin. M	10,2
2456	Seta. M	18,2
P 67216-2 (CHC 75-73)	P M	16,2
456-401	P M	25 Λ

Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)

Mn Si Cr

Mo Fe

1,62 0,26 1,97 1,56 6,30 0,81 Rest 2,50 0,27 1,76 1,66 10p4 0,92 Rest 3,04 0,42 2,08 1,26 ^,-,0 ';,<G Ho = ?" 1,60 0,49 2,10 1,50 5,10 0,60 liesz 2,66 0,53 2,34 1,20 11,16 1,00 Rest 2,40 0,45 0,89 5,25 9,85 1,26 Rest

3,49 0,50 0,91 4,83 15,94- 1,32 Rest

CO

Zu Vergleichszwecken wurden mit den Bezeichnungen C6V und 011V bezeichnete Werkstoffe in Fora von 45,35 kg-Blöcken im Induktionsofen erschmolzen und in quadratische Gußfonnen mit einer Kantenlänge von 127,0 mm, die mit einer feuerfesten Auskleidung versehen waren, abgegossen. Die erzeugten Gußblöcke wurde sodann bei 1.093°C in entsprechender Weise wie die bereits erwähnten, jedoch pulvermetallurgisch hergestellten Preßlinge CPM 6V und CFIi 117geschmiedet. Der in Talel 1 erwähnte Stahl C6V konnte bei entsprechender Sorgfalt zu einem quadratischen Körper mit 76,2 :aa» Kantenlänge ausgeschmiedet werden, wohingegen der Stahl C11V aus Tafel 1 beim Beginn des Schmiedevorgangs bereits starke Bisse zeigte und sich somit als praktisch unverformbar erwies. Die deutlich bessere Warmverformbarkeit der pulvermetallurgisch hergestellten Stähle CPH 6V sowie CFM 11V wurde durch diesen Versuch deutlich unter Beweis gestellt.

Der Stahl CFM 10V wurde dadurch hergestellt, daß (1) ein vorlegiertes Pulver durch Induktionsschaelzen sowie Gaszerstäubung hergestellt wurde, daß (2) das Pulver auf eine Teilchengröße von weniger als 1,19 mm ausgesiebt wurde, daß (3) das Pulver in einen Plußstahlbehälter mit einem Außendurchmesser von 317 »5 mm und einer Höhe von 1524 mm eingesetzt wurde, daß (4) der Behälter entgast wurde, daß (5) der Behälter auf 1177°C erwärmt wurde, daß (6) der gefüllte Behälter bei einem isostatischen

Druck von 8,44 kg/mm auf im wesentlichen völlige Dichte verdichtet wurde und daß (7) der Preßkörper auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Der Preßling wurde sodann (1) auf 1149°C erwärmt, (2) zu einem Knüppel mit einer Querschnittsfläche von 266,7 χ 76,2 mm ausgewalzt, (3) geglüht, (4) konditioniert, (5) auf 1135°C erwärmt, (6) auf einen Querschnitt von 251,1 x 50,0 mm geschmiedet und (7) auf einen Querschnitt von 203,2 χ 44,85 mm spanabhebend bearbeitet.

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- Al-

Der Stahl CHI 16V wurde dadurch hergestellt, daß (1) durch Induktionsschmelten und Gaszerstäuoung ein vorlegiertes Pulver hergestellt wurde, daß (2) das Pulver auf eine Teilchengröße von weniger als 841 Jim ausgesiebt wurde, daß (5) das Pulver in einen Flußstahlbehälter mit einem Innendurchmesser von 25 »4 mm und einer Höhe von 101,6 mm eingebracht wurde, daß (4) der Behälter entgast wurde und daß (5) der Behälter auf 1185°C erwärmt wurde, worauf (6) der gefüllte Behälter mit Hilfe einer Schmiedepresse auf im wesentlichen vollständige Dichte verdichtet wurde.

Um die Eigenschaften und das Verhalten der Legierungen abschätzen zu können, wurden die für die für die Eignung dieser Werkstoffe als Kaltverformungswerkzeuge wichtigen Schlüsseleigenschaften untersucht. Zu diesen Eigenschaften zählen: (1) das Gefüge, (2) die Härte im wärmebehandelten Zustand als Indikator für die Festigkeit, (3) die Biegefestigkeit und die Schlagfähigkeit als Indikatoren für die Zähigkeit und (4) der Abrieb beim Kreuzzylinder-Abriebtest als Indikator für die Verschleißfestigkeit.

Die Eigenschaften der MC-Vanadiumcarbide in Erzeugnissen aus den Stählen CPM 6V, CPM 10V, CPM 11V, CPM 14V, C6V und C11V sind in den Fig. 1 bis 6 dargestellt. Durch Anwendung einer bekannten speziellen, selektiven Ätztechnik (aufeinanderfolgende Anwendung von Pieral und Murakami-Reagenz) wurden die MC-Vanadiumcarbide als weiße Teilchen vor einem dunklen Hintergrund, welcher alle anderen Gefügebestandteile umschloß, sichtbar gemacht. Picral besteht aus 5 g Picrinsäure in 100 ml Äthylalkohol; Murakami-Reagenz besteht aus 10 g Kaliumferricyanid und 7 g Natriumhydroxid in 100 ml Wasser. Die Fig. zeigen deutlich, daß die MC-Vanadiumcarbide gleichförmig verteilt sind, eine kleine Teilchengröße besitzen und im wesentlichen sphärisch geformt sind, sofern die Stähle CPM 6V, CPM 10V und CPM 11V gemäß Fig. 1, 2 und 3 betrachtet werden. In diesen

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Stählen besitzen wenigstens 90 % der MC-Vanadiumcarbide eine Teilchengröße von weniger als 3 pm und kein einziges Teilchen ist im wesentlichen größer als 15 pm in beliebiger Richtung. Demgegenüber zeichnen sich die Stähle CHl 14V gemäß Fig. 14 sowie die schmelzmetallurgisch erzeugten Stähle C6V und C11V gemäß Fig. 5 und 6 durch das Vorliegen deutlich größerer, winkelförmiger Formen, d.h. nicht-sphärischer Gestaltungen, der MC-Vanadiumcarbide aus. Diese großen verwinkelten Carbide erscheinen in Clustern über das gesamte Gefüge des Erzeugnisses, was die Verteilung der Vanadiumcarbide vom MC-Typ ungleichmäßig macht» Hinsichtlich der Charakteristik der MC-Vanadiumcarbide verkörpern die Stähle CPM 6V, CPM 10V und CPM 11V die MC-Vanadiumcarbidausbildung erfindungsgemäßer Erzeugnisse, wohingegen in den Stählen CPM 14V, C6V sowie C11V die Vanadiumcarbide nicht erfindungsgemäß ausgebildet und angeordnet sind.

Zusätzlich zu der Größe, Gestalt und Verteilung der MC-Vanadiumcarbide legt die Erfindung auch Wert auf die Menge der in den Erzeugnissenen enthaltenen MC-Vanadiumcarbide:'.. Die Menge der in den Stählen CPM 6V, CPM 10V, CPM 11V, CHI 14V, C6V sowie C11V enthaltenen Vanadiumcarbide vom MC-Typ wurde auf der anerkannten Grundlage berechnet, daß der Vanadiumgehalt des Stahls in Form von MC- oder M^C^-Carbiden vorliegt, wobei M im wesentlichen ausschließlich Vanadium ist und ein Vanadium/Kohlenstoff-Verhältnis von 5:1» bezogen auf Gew.-%,vorliegt. Es versteht sich, daß in Legierungen dieser Art Wolfram üblicherweise als mitgerissenes Element auftaucht, da es nicht absichtlich als Legierungselement hinzulegiert worden ist. Für die Vergleichsstähle wurden die Vol.-%-Sätze gemäß AISI A7 und D7 auf der gleichen Basis bestimmt wie für die Versuchsstähle, wobei von Vanadium-Nenngehalten von 4,75 % bzw. 4,0 Gew.-% als Vanadiumgehalt der Stähle ausgegangen wurde. Für die Schnellarbeitsstahle gemäß AISI M2 sowie M4 wurden die Vol.-%-Sätze der MC-Vanadiumcarbidanteile aus einer wissenschaftlichen Veröffentlichtung ( Kayser und Cohen in "Metal Progress", Juni 1952, Seiten 79 - 85) entnommen.

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Die Härte ist ein Maß für das Vermögen des Stahls einer Verformung bei der Verwendung in Kaltwerkzeugen oder Warmwerkzeugen zu widerstehen. Eine Mindest-Rockwell-Härte von 56R ist im allgemeinen gefordert. Die in Tafel 2 zusammengestellten Ergebnisse wurden bei Härtemessungen entsprechend ASTM E18-67 nach einer Wärmebehandlung erhalten, die aus einer einstündigen Austenitisierungsglühung bei 954 C, einer ölabschreckung und einem 2+2 Std. dauerndem Anlassen bei 260 C bestand.

Tafel

Stahlbezeichnung Erzeugungsweise MC-Vanadiumgehalt Härte

(Vol.-%) (R_c)

CHl 6V PM 10,5 62

C6V Schm.M 10,2 56

CHl 11V P M 17,7 63

C11V Schm.M 18,2 50

Die Überlegenheit der erfindungsgeniäßen Erzeugnisse (CHl 6V und CHl 11V) über die schmelzmetallurgischen Erzeugnisse (C6V und C11V) hinsichtlich des Ansprechens auf die Wärmebehandlung ist deutlich zu erkennen.

Probekörper aus dem Stahl CPM 10V sind einer breiten Vielzahl von Wärmebehandlungen, die aus einem Austenitisieren, einem Abkühlen und einem Anlassen bestehen, unterzogen worden. Die Ergebnisse der Austenitisierungsbehandlungen sind in Fig. 9 grafisch dargestellt, wobei die Zeit-Temperatur-Belationen wie folgt waren:

Temperatur ⁰C	Dauer (Minuten)
1010	60
1066	60
1149	15
1177	10
1204	4
1260	4

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Die Ergebnisse der Anlaßbehandlung sind grafisch in Fig. 10 dargestellt. Aus diesen Fig. geht hervor, daß durch Wärmebehandlung eine Rockwell-Härte von 56R„ für erfindungsgemäße Erzeugnisse im austenitisierten sowie im angelassenen Zustand über einen weiten Wärmebehandlungsbereich erzielt werden kann.

Die 'Biegefestigkeit ist ein Maß für die Zähigkeit. Die Bestimmung dieser Eigenschaft wird bei Raumtemperatur an quadratischen Probekörpern mit 6,35 nun Kantenlänge und einer Länge von 47,62 mm unter Verwendung einer 3-Punktbelastung mit einem 38,1 mm-Support und einer Biegeintensität von 2,54 mm je Minute durchgeführt. Die Biegefestigkeit ist die den Bruch des Probekörpers hervorrufende Spannung. Sie wird gemäß folgender Gleichung berechnet:

3PL

S = ~ . 2
2bh

in welcher bedeutet

ο S die Biegefestigkeit ( kg/mn ),

P die zum Bruch erforderliche Belastung (kg),

L die Support-Spanne (mm),

b die Breite des Probekörpers (mm),

h die Höhe des Probekörpers (mm).

Die in Tafel 3 zusammengestellten Versuchsergebnisse wurden an Probekörpern erzielt, die eine Stunde lang bei 954 C austenitisiert worden waren, woran sich eine ölabschreckung und eine 2+2 stündige Anlaßbehandlung bei 260 C anschloß.

Tafel 3

Stahlbezeichnung Erzeugungsweise Biegefestigkeit (kg/mm )

CPM 6V PM 492

C6V Schm.M 295,3

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Die Überlegenheit des erfindungsgenäß pn L /ernetallurgisch hergestellten Erzeugnissen ist äugen se h^i al ich.

Die Kerbschlagzähigkeiteri wurden an Charpy-Proben bei Raumtemperatur gemäß ASTM E23-72 an Proben mit einem Kerbradius von 12,7 Tnm ermittelt. Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 4 zusammengestellt.

Tafel 4

Stahlbezeichnung	Herstellungsweise	MC-Vanadium- Carbidgehalt	Härte	Kerb Schlag zähigkeit
CPM 6V	P M	10,5	62	4,837
CPM 10V	P M	16,2	63	2,487
CRI 11V	P M	17,7	63	2,211
C6V	Schm.M	10,2	56	1,520
C11V	Schm.M	18,2	50	0,207
AISI Typ A7*	Schm.M	8,0	61	1,520
AISI Typ IM*	Schm.M	9,0	63	1,658

* Handelsüblicher Stahl

Aus Tafel 4 geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Erzeugnisse, selbst bei beachtlich größeren Carbidgehalten, im Hinblick auf die Zähigkeit herkömmlichen kaltverformten oder warmverformten Werkzeugstählen im optimal wärmebehandelten Zustand überlegen waren und somit eine bessere Eignung für Kaltverformungswerkzeuge besitzen.

Die in Tafel 4 zusammengestellten Zähigkeitswerte sind grafisch in Fig. 7 dargestellt. Diese Ergebnisse zeigen, daß bei MC-Vanadiumcarbidgehalten von aehr als etwa 18 Vol.-% die Zähigkeit der erfindungsgemäßen Erzeugnisse auf Zähigkeitswerte abnimmt, die bei herkömmlich erzeugten Gegenständen üblich sind, so daß für Vanadiumcarbidgehalte von mehr als

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18 % der mit Hilfe der Erfindung erzielbare Vorteil verloren geht.

Zur Ermittlung der Verschleißfestigkeit wurde der Kreuzzylinder-Abriebversuch verwendet. Bei diesem Versuch werden eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 15»87 mm aus dem jeweiligen kaltverformten oder warmverformten Werkzeugstahl und eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 12,7 mm aus Wolframcarbid (6% Cobaltbinder-Anteil) senkrecht zueinander angeordnet. Mit Hilfe eines Hebelarms wird eine 6,79 kg schwere Belastung aufgebracht. Sodann wird der Wolframcarbidzylinder mit einer Geschwindigkeit von 667 Umdrehungen je Minute in Rotation versetzt. Schmierung ist nicht vorgesehen. Mit Portschreiten des Versuches zeigen sich Abriebspuren auf der Probe aus dem Werkzeugstahl. Von Zeit zu Zeit wird das Ausmaß des Abriebes dadurch bestimmt, daß die Tiefe der Verschleißriefen auf dem Probekörper gemessen wird und mit Hilfe einer speziell für diesen Zweck bestimmten Gleichung in ein Abriebvolumen umgerechnet wird. Die Verschleißfestigkeit, oder der Kehrwert der Verschleißrate, wird sodann entsprechend der folgenden Gleichung berechnet:

₌ L^ d &.N

JLA§

Verschleißfestigkeit= = Δ.ν

Abriebsrate ■

worin bedeuten-

v= das Abriebvolumen (mnr), Li= die aufgebrachte Last (kg), S= die Einwirkstrecke (mm),

d= den Durchmesser des Wolframcarbidzylinders (mm) und N= die Anzahl der von dem Wolframcarbidzylinder ausgeführten Umdrehungen (upM).

Dieser Versuch erbrachte ausgezeichnete Korrelationen mit den in der Praxis auftretenen Verschleißbedingungen.

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Probekörper aus erfindungsgesiäßen Erzeugnissen sowie aus weitverbreiteten hoch-verschleißfesten kaltverfoimten oder warmverformten Warkzeugstählen aus handelsüblicher Produktion wurden den vorstehend erwähnten Verschleißversuchen unterzogen. Die erzielten Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 5 zusammengestellt .

Tafel

Stahlbezeichnung Herstellungsweise Härte MC-Vanadium- Verschleiß-

(R ) Carbidgehalt festigkeit (VoI.-%) (1QiQ kg)

CPM11V	P M	63	17,7	29,89
CPM 10V	P M	63	16,2	40,77
CPM 6V	P M	62	10,5	9,06
AISI A7*	Schm.M	61	8,0	6,79
AISI D7*	Schm.M	61	6,7	3,17
AISI M4·	Schm.M	63	9,0	4,98
AISI M2*	Schm.M	64	3,1	2,72

•Handelsüblicher Stahl

Aus Tafel 5 geht die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Erzeugnisse im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit deutlich hervor. Insbesondere ist, wie Tafel 5 und Fig. 8 zu entnehmen, die Verschleißfestigkeit des Stahls CPM 10 deutlich größer als die Verschleißfestigkeit des Stahls CPM 11, welcher wegen seines höheren Gehaltes an MC-Vanadiumcarbiden eine höhere Verschleißfestigkeit erwarten läßt. Wie aus Fig. 8 zu ersehen, ist ein Mindestanteil von 10 Vol.-% an MC-Vanadiumcarbiden erforderlich, um eine deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit gegenüber herkömmlichem Material zu erzielen. Aus diesem Grunde ist für die erfindungsgemäßen Erzeugnisse ein Mindest-MC-Vanadiumcarbidgehalt vorgeschrieben. Die obere Gehaltsgrenze für die MC-Vanadiumcarbide beruht darauf, daß gefunden wurde, daß relativ

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-νί-
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große MC-Vanadiumcarbi.de. in Gefügen von Stählen vorließen, deren Vanadiumgehalte etwa 11 % oder noch darüber betrugen oder deren Anteil an MC-Vanadiumcarbiden etwa 18 Vol.-% oder mehr betrug, wobei sich diese großdirnensionierten Carbide nachteilig auf die Schleifbarkeit oder Vermahlbarkeit auswirken. Diese Schleifbarkeit (Grindability) ist eine wichtige Eigenschaft, weil der Werkstoff bei der Herstellung von Werkzeugen und anderen verschleißfesten Erzeugnissen aus Gußstählen der in Kode stehenden Gattung oft schleifend bearbeitet wird. Der Einfluß der Teilchengröße der MC-Vanadiumcarbide auf die Schleifbarkeit ergibt sich aus den folgenden Versuchsergebnissen, die an Proben aus den Stählen CPM 10V und CPM 16V ermittelt wurden. Diese beiden Stähle besitzen im wesentlichen übereinstimmende chemische Zusammensetzungen mit der Ausnahme, daß die Vanadium- und die Kohlenstoffgehalte unterschiedlich sind. Ferner unterscheiden sich die IlC-Vanadiumcarbidgehalte, wobei diese Gehalte beim Stahl CHl 10 V innerhalb des erfindungngemäßen Rahmens und beim Stahl CPIi 16V außerhalb des erfindungsgeip.Hßen Rahmens liegen.

Probekörper aus beiden Stöhlen wurden maschinell roh bearbeitet und ¹V Minuten lang bei 1177 C austenitisiert, danach ölabge-

schreckt und 2+2 Stunden bei 53^⁰C angelassen. Nach dieser Wärmebehandlung betrug die Rockwell-Härte des CPM 10V-Stahls 63,5 R , während der Stahl CPM 16V eine Rockwell-Härte von

64,5 H besaß. Die Probekörper wurden sodann auf ihre Endab-

messung (3>13 cm Länge, 1,01 cm Breite und 0,87 cm Dicke) bearbei tet.

Die Ermittlung der Schleifbarkeit (Grindability)wurde mit Hilfe einer Horizontalspindel-Oberflächenschleifmaschine vorgenommen, die mit einem Schwingtisch und einem magnetischen Einspaunstuck verseilen war. Es wurden folgende Schleifbedingungen eingehalten:

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Quervorschub: 0,203 ram 2 93772 A

Quervorschub^o'schwindigkeit: 25,04 m/min

Vertikalvor«chub: 0,0254 ram/Durchgan;;:

Schleif scheibe : '4,.-54-H-IO-V-FM Schleifscheibengeschwindigkei i;: 2000 upM

Kühlmittel: CX-30S ₂

geschliffene Probenoberfläche: 3,16 cn

Vor jedem Versuch wurde die Probenkorperdicke mit einer Mikroraeterschraube gemessen. Nach zehn Durchgängen (mit einem Vertikalvorschub der Schleifscheibe von 0,0254 mm je Durchgang) wurde die Probekörperdicke erneut gemessen und die Veränderung der Probendicke berechnet. Die Differenz zwischen dem Vertikalvorschub der Schleifscheibe in zehn Durchgängen (10 χ 0,025'*· mm = 0,254 mn) und die sich ergebende gemessene Veränderung der Px'obendicke bezeichnet den Abrieb der Schleifscheibe, bezogen auf deren Radius. Je geringer der Abrieb der Schleifscheibe ist, desto besser ist die Schleifbarkeit des untersuchten Werkstoffes.

Drei Versuchsdurchgänge wurden mit jeder der Proben aus den Stählen CPM 10V und CHl 16V durchgeführt. Die Schleifscheibe wurde vor jedem Versuchsvorgang gerichtet. Mit Hilfe der vorstehend erwähnten Arbeitsweise wurden die folgenden Versuchserpebnisse erhalten:

Stahl Änderung der Probendicke (mm) Mittlerer Schleifscheibenabrieb (ram) *

Mittel

10V 0,2463 0,2438 0,2489 0,2463 0,00762 16V 0,2311 0,2362 0,2311 0,2336 0,02052

* Bestimmt als Differenz zwischen dem Vertikalvorschub der Schleifscheibe in zehn Durchgängen (0,25^ mm) und der mittleren Dickenveränderung der Probe in zehn Durchgängen.

Aus diesen Ergebnissen geht hervor, daß die aus dem Stahl 16V bestehende Probe, die wegen ihres oberhalb des erfindungs-

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gemäßen Obergrenze für den Vanadiumcarbidgehalt außerhalb der Erfindung liegt, unbefriedigende Schleifeigenschaften aufweist, welche beträchtlich geringer sind als die Schleifbarkeit der lOV-Probe, die die erfindungsgemäßen Kriterien erfüllt.

Rundstäbe ait einem Durchmesser von 19,05 mm aus dem Stahl CHl 11V wurden zu kaltgezogenen Stanzwerkzeugen verarbeitet, und anschließend als Stanzwerkzeug für die Herstellung von Zündkerzenschalen aus einem Stahl gemäß AISI 1008 verwendet. Die Lebensdauer der Stansv/erkzeuge sei definiert durch die Anzahl von Schalen, die hergestellt werden konnten, bevor das Werkzeug wegen zu starkem Abrieb ausgewechselt werden mußte. Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 6 zusammengestellt:

Tafel 6

Werkstoff des MG-Vanadiuin-Carbid-Stanzwerkzeuges gehalt (Vol.-%)

CHl 11V
AISI

17,7 9,0

Mittlere Anzahl von je Stanzwerkzeug hergestellter Teilen (x 1000)

42
22

* Handelsüblicher Stahl

Aus Tafel 6 geht deutlich hervor, daß das erfindungsgemäße Erzeugnis aus dem Stahl CPM 11V dem Erzeugnis aus dem herkömmlichen Stahl gemäß AISI Typenreihe MA- (Schnellarbeitsstahl) deutlich überlegen ist.

Als weiteres Vergleichsbeispiel wurde ein aus dem Stahl CHl 10V hergestelles Stanzwerkzeug als Werkzeug zum Stanzen von Schlitzen in eisenoxidbeschichtete Anhänger oder Auszeichnungsschilder verwendet. 40 Millionen derartiger Anhänger oder Schilder

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wurden ohne Verschleiß- oder Anwuchasrscheinungen auf dem Werkzeug hergestellt. Zum Vergleich sei mitgeteilt, daß ein aus einem herkö ^.Liehen Stahl ganM.3 AISI D7 (enthaltend 4% Vanadium oder 6,7 Vol.-% Vanadiumcarbid) hergestelltes Stanzwerkzeug nach dem Herstellen von 8 Killionen bis 12 Millionen Anhängern oder Schildern unbrauchbar wurde.

Als weiterer Vergleichsversuch wurde ein aus dem Stahl CKl 10V hergestelltes Stanzwerkzeug zum Stanzen von Schlitzen in Bandmaterial mit einer Dicke von 0,3810 mm aus einer Kupferberilliumlegierung für elektronische Teile verwendet. Während ein Werkzeug, daß aus einem herkömmlichen AISI D2-Werkzeugstahl besteht, der auf eine Rockwell-Härte von 60 - 62 R

wärmebehandelt wurde, nach der Herstellung von 75-000 Teilen verschliessen ist, und ein aus einem weiteren herkömmlichen Stahl, nämlich gemäß AISI M4, hergestelltesStanzwerkzeug mit einer Rockwell-Härte von 64 R Verschleißerscheinungen nach

200.000 hergestellten Teilen zeigt, erwies sich ein erfindungsgemäß aus dem Stahl CEM 10 V hergestelltes Stanzwerkzeug mit einer durch Wärmebehandlung erzielten Rockwell-Härte von 6OR

nach der Herstellung von 200.000 Teilen als nicht vom Verschleiß angegriffen.

Die erfindungsgemäßen Gegenstände werden zu Werkzeugen und Werkzeugbestandteilen ohne Mühe verarbeitet. Sie können durch Wärmebehandlung auf eine Brinell-Häre von 250 bis 300 gebracht werden und spanabhebend bearbeitet, geschliffen, gebohrt usw. werden, wie zur Herstellung der angestrebten V/erkzeuggestalt erforderlich.

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Claims

P.O. Box 88, Parkway West & Route 6o Pittsburgh, Pennsylvania 1p23o Pulvermetallurgisch hergestelltes Stahlerzeugnis mit hohem Vanadiumcarbid-Anteil Patentansprüche

1. Pulvermetallurgisch hergestelltes Erzeugnis aus verdichtetem vorlegiertem Pulver einer Legierung, bestehend im wesentlichen aus (in Gew.-%) 0,2 - 1,5 % Mangan, bis zu 2 % Silicium, 1,5 - 6 % Chrom, 0,5 - 6 % Molybdän, bis 0,30 % Schwefel, 6 - 11 % Vanadium, 1,6 - 2,8 % Kohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei das Erzeugnis eine im wesentlichen aus Vanadiumcarbiden vom MC-Typ bestehende Disperion in einem Anteil von etwa 10-18 Vol.-% aufweis·:, diese Carbide im wesentlichen

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TELEFON (OSS)

TELEX OS-9B38O

monapat

TELEKOPIERER

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sphärisch geformt und gleichföraiig verteilt sind und wobei der Kohlenstoffgehalt so im Hinblick auf Chrom, Molybdän und Vanadium ausgewogen ist, daß hinreichend Kohlenstoff vorliegt, um das Erzeugnis durch eine Wärmebehandlung auf eine Rockwell-Härte von wenigstens 56 R zu härten.

2. Pulvermetallurgisch hergestelltes Erzeugnis nach Anspruch 1, hergestellt aus einem vorlegierten Pulver einer Legierung, bestehend im wesentlichen aus (in Gew.-%) 0,4 - 0,6 % Mangan, bis zu 1 % Silicium, 5 - 5,5 % Chrom, 1,15 -Ί»* % Molybdän, bis 0,09 % Schwefel, 9,25 bis 10,25 % Vanadium, 2,40 - 2,50 % Kohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei das Erzeugnis eine etwa 15 -17 Vol.-% einnehmende Dispersion, die im wesentlichen aus Vanadiumcarbiden vom MC-Typ besteht, enthält.

3. Pulvermetallurgisch hergestelltes Erzeugnis nach Anspruch 1, hergestellt aus einem vorlegierten Pulver einer Legierung, bestehend im wesentlichen aus (in Gew.-%) 0,2 - 1 % Mangan, bis zu 2 % Silicium, 4,5 - 5,5 % Chrom, 0,80 - 1,7 % MoIydän, bis zu 0,14 % Schwefel, 8 - 10,5 % Vanadium, 2,2 - 2,6 % Kohlenstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, wobei das Erzeugnis eine etwa 13,3 - 17*2 Vol.-# einnehmende Dispersion , die im wesentlichen aus Vanadiumcarbiden vom MC-Typ besteht, enthält.

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