DE3001761A1 - Pulvermetallurgisch hergestellter vanadiumhaltiger wolfram-hochgeschwindigkeitsstahl - Google Patents

Description

Für Hochgeschwindigkeits-Trennwerkzeuge, welche vom Werkstoff überlegene Härte und Verschleißbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen erfordern, werden herkömmlicherweise Stähle verwendet, die einen hohen Kobaltgehalt aufweisen. Insbesondere sind für die-sen Zweck Stähle mit Kobaltgehalten von 5 bis hin zu 12 % üblicherweise in Gebrauch. Im Hinblick auf die erforderliche Verschleißfestigkeit ist im Stahlwerkstoff auch Vanadium enthalten und zwar typischerweise in einem Gehaltsbereich von 1 bis 5 %' Die Vanadiumcarbide bewirken die angestrebte gute Verschleißfestigkeit selbst bei extrem hohen Temperaturen und der Kobaltgehalt trägt in bedeutsamer Weise zu der Härte bei diesen hohen Temperaturen bei»

Kobalt war schon immer ein vergleichsweise kostspieliges Legierungselement aber in jüngster Zeit hat sich der Preis mehr als verfünffacht, wodurch die Herstellungskosten für Hochgeschwindigkeitsstähle, die wegen ihrer Hochtemperatureigenschaften hohe Kobaltanteile erfordern, bedeutsam gestiegen sind.

Die Erfindung verfolgt somit in erster Linie das Ziel, einen pulvermetallurgisch hergestellten Hochgeschwindigkeitsstahl (Schnellarbeitsstahl) zu schaffen, der entweder überhaupt keinen Kobalt oder nur vergleichsweise niedrige Kobaltanteile aufweist und dennoch eine Harte und eine Verschleißfestigkeit bei hohen Betriebstemperaturen aufweist, die eben so gut oder sogar besser sind als die Eigenschaften von herkömmlich legierten Werkstoffen, die typischerweise Kobaltmengen von beispielsweise 5 und 8 % enthalten.

030DAS/0612

3Q01761

Ein bevorzugter Gedanke liegt somit in einem pulvermetallurgisch hergestellten, vanadiumhaltigen Wolfram-Hochgeschwindigkeitsstahl, der eine große Härte bei erhöhter Temperatur besitzt, ohne daß er wie im Stand der Technik üblich, hohe Kobaltgehalte aufweist. Die hervorragenden Hochtemperatureigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls werden erreicht durch Zusatz einer kritischen Menge an Wolfram und/oder Molybdän, die oberhalb der herkömmlicherweise verwendeten Mengen liegt, in Kombination mit Vanadium- und Kohlenstoffgehalten in einer Menge, die ausreicht, um sich mit dem vorliegenden Vanadium 2u kombinieren, wobei ferner ein Kohlenstoffüberschuß vorgesehen ist, um das Gefüge, d.h. die Matrix, zu verfestigen. Die große Härte und die hohe Verschleißfestigkeit, jeweils bei erhöhten Temperaturen, ist dem erfindungsgemäßen Stahl durch die Carbide des Vanadiums, Wolframs und/oder Molybdäns erteilt worden. Niob kann teilweise als Ersatz für Vanadium verwendet werden»

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung= In dieser zeigt:

Fig. 1 die Temperaturabhängigkeit der Warmfestigkeit (Härte) eines erfindungsgemäßen Stahls soxfie zweier herkömmlicher Vergleichsstähle mit 5 % bzw. 8 % Kobalt,

Fig. 2 ein grafisches Schaubild, welches den Einfluß unterschiedlicher Wolfram-Äquivalente auf die Härte darstellt,

Fig. J ein grafisches Schaubild, welches den Einfluß des Kohlenstoffgehaltes auf die Härte bei verschiedenen Wolfram-Äquivalenten darstellt, und

030046/0612

3Q0176

Jig. A- ein grafisches Schaubild, welches die an einer relativ niedrige Vanadiumgehalte (etwa 1 % V) aufweisenden Legierung erzielbare Härte darstellt, wobei die Legierung jedoch ein erfindungsgemäßes Wolfram-Äquivalent aufweist=

Die Erfindung beruht auf dem Leitgedanken, daß gefunden wurde, daß es durch Erhöhung des '¹WoIfram-Äquivalentes" eines etwa 1 bis 6 % Vanadium oder gar größere als üblicherweise verwendete Gehal te an Vanadium enthaltenden Hochgesciiwindigkeitsstahls möglich ist, eine Härte und insbesondere eine Warmhärte zu erzielen, wie dieses sonst nur bei ähnlichen Stahllegierungen mit Kobaltgehalten von nominal 5 und 8 % möglich ist. Der Verlauf der Warmfestigkeit (Warmhärte) eines erfindungsgemäßen Stahls ist in Fig= 1 einem handelsüblichen 5 % Kobalt enthaltenden Super-Hochgeschwindigkeitsstahl (CPiI T15) und einem 8 % Kobalt enthaltenden L>uper-Hochgeschwindigkeitsstahl (GPM M4-2) gegenübergestellt worden. Die Warmhärte-Bestimmungen wurden mit Hilfe eines Rockwell-Eärteprüfungsgerätes vorgenommen, welches zur Verwendung bei höheren Temperaturen modifiziert worden war, indem ein eine Schutzgasatmosphäre enthaltender Ofen und eine verlängerte, eine Diamantspitze tragende Prüfspitze hinzugefügt worden waren. Der Ofen ist in X- und Y-Eichtung verschieblich, so daß die Spitze des Härteprüfers präzise auf der Probe angeordnet werden kann. Eine äußere Anzeigeeinrichtung markiert die Ortslagen vorhergegangener Prüfstellen auf dem Probekörper auf einem Äbbildungspapier, um störende Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Eindruckstellen auszuschließen. Die Versuchstemperatur wird mit Hilfe eines Thermopaares gemessen, welches mit der Probeoberfläche punktverschweißt ist. Die Härte des Probekörpers wird bei Raumtemperatur mit der verlängerten Hochtemperatur-Prüfspitze ermittelt und mit Härteangaben verglichen, die an der gleichen Probe, jedoch mit Hilfe einer normalen Prüfspitze in einem anderen Härte-Prüfgerät ermittelt

030046/0612 BAD ORIGINAL

wurden. Ist eine Übereinstimmung von 0,5 Rockwell-Einheiten zwischen den Ergebnissen beider Prüfgeräte erzielt, so wird der Ofen in Betrieb genommen und der Probekörper auf die niedrigste der angestrebten erhöhten Temperaturen erwärmt. Die Probe wird auf der Prüftemperatur 15 Minuten lang gehalten und es werden fünf Härtemessungen vorgenommen, bevor der Probekörper auf die nächsthöhere Versuchstemperatur erwärmt wird und der Vorgang wiederholt wird.

Fig„ 1 zeigt, daß die ermittelten Härten für den erfindungsgemäßen Stahl und die beiden handelsüblichen Vergieichsstähle, die 5 bzw. 8 % Kobalt enthalten, durchaus vergleichbare Härtecharakteristika bei erhöhter Temperatur aufweisen. Wird, eine gesteigerte (zusätzliche) Härte bei erhöhter Temperatur angestrebt, so kann ein Kobaltgehalt von maximal 3 % hinzugefügt werden. Außerdem ergibt sich eine Verfestigung des Werkstoffes dadurch, daß größere Kohlenstoffmengen in der Matrix vorliegen, als zum Abbinden des Vanadiums erforderlich. Wenngleich es bekannt ist, Wolfram und/oder Molybdän in Hochtemperaturstählen zu verwenden, so sind diese Metalle bisher nur verwendet worden, um sich zxirecks Ausbildung der angestrebten- Metallcarbide mit diesen Elementen umzusetzen. Andererseits beeinfluß Kobalt die Legierung, insbesondere deren Härte bei erhöhter Temperatur, mittels eines davon verschiedenen Mechanismus. Das bedeutet, daß obwohl Wolfram und/oder Molybdän und Kobalt als Bestandteile von Hochtemperaturstählen bekannt sind, bis jetzt noch nie der Vorschlag gemacht wurde, Wolfram und/oder Molybdän als Ersatz für Kobalt zu verwenden, ohne die Werkstoffhärte bei erhöhter Temperatur zu verändern.

Der erfindungsgemäße Stahl hat die folgende Zusammensetzung

030046/0612

Mindestkohlenstoff 0,60 + 0,20 χ % Vanadium und max» Kohlenstoff 1,2 + 0,20 χ % Vanadium, max= 1,25 % Mangan, max» 1,25 % Silicium, 3 t>is 5 % Chrom, Wolfram-Äquivalent von 22 bis 29? vorzugsweise 24 bis 27, etwa 0,8 bis 6 % Vanadium, Rest Eisen» Eine bevorzugte Zusammensetzung besteht aus (Gew„-%) einem Mindestkohlenstoffgehalt von 0,60 + 0,20 χ % Vanadium und einem max. Kohlenstoffgehalt von 1,2 + 0,20 χ % Vanadium, max= 1,25 % Mangan, max„ 1,25 % Silicium, 3 bis 5 % Chrom, einem Wolfram-Äquivalent von 22 bis 29? vorzugsweise von 24 bis 27? 3 bis 6 % Vanadium, Rest Eiseno Die erfindungsgemäßen Legierungen besitzen eine erreichbare Härte von wenigstens 67 R_ im austenitisieren Zustand und einem dreimaligen Anlassen bei 552 C. Außerdem kann der Kobaltanteil bis zu 3 % betragen und bis zu 4- % Mob können dem Stahl zugesetzt sein, mit der Maßgabe, daß die Summe der Vanadium- und Niobgehalte nicht mehr als 6 % beträgt. Ist Niob in der Legierung enthalten, so wird ein Kohlenstoff-Gleichgewichtsfaktor von 0,13 x % Niob verwendet O

In der folgenden Tafel 1 sind die Zusammensetzungen der untersuchten Stähle, die Prüfbedingungen und die erhaltenen Meßergebnisse zusammengestellte

030046/0612

Tafel Ί

Rockwellharte

einge-

Probenbe Gew^j, «JjJ¹ ™

zeichnung C Mn Si Cr V Mo V Go Niveau

lent

Värmebe- (A)₀^ (A) 2 hr. 2+2 hr

IL34 1,57 0,35 0,35 4,02 12,14 0,01 5,66 - 1,44

IL35 1,75 0,32 0,32 3,99 11,80 1,54 5,37 - 1,68

IL36 1,74 0,29 0,29 4,00 11,80 5,57 5,29 - 1,68

IL37 1,90 0,25 0,25 3,89 11,63 8,24 5,07 » 1,89

12,15 14,88 22,94 28,11

65

67,5 67,5 69

60 61

61,5 63

57 58 58 60

O ■Ρ» CD

IL39 1,75 0,73 1,03 4,08 11,52 3,18 5,24 - 1,70 17,88 67,5 61,5 57

IL41 1,71 0,41 0,34 4,14 11,90 6,52 5,43 - 1,63 24,94 67 61 57,5

IL42 1,97 0,39 0,33 4,1111,87 6,50 5,33- 1,72 24,87 68,5 62,5 59,5

IL43 1,86 0,40 0,30 4,24 13,03 6,63 5,86 - 1,69 26,29 68,5 63,5 60,5

IL44 1,97 0,38 0,30 4,14 12,16 6,4? 5,42 - 1,89 25,10 67,5 64,5 62

IL45 1,84 0,43 0,33 4,17 12,18 7,57 5,76 - 1,69 27,32 68 60,5 58

IL46 1,86 0,42 0,33 4,17 12,23 7,57 5,75» 1,71 27,37 6δ",5 61,5 59

IL47 1,86 0,45 0,32 4,14 12,23 8,53 5,66 - 1,73 29,29 69 63 60

CPM Π5 1,58 - 0,34 4,12 12,0 0,59 5,0 4,92 1,58 REX 25 1,81 0,30 0,35 4,05 12,56 6,52 5,04 ~ 1,80

*Austenitisiert bei 1232°C/4 min., OQ angelassen bei 552°C/2+2+2 hr.

13,18 25,60

57,5 68

61,5 62,5

58 58,5

Wenngleich die erfindungsgemäßen Stähle im austenitisieren und dreifach bei 552⁰C angelassenen Zustand eine erreichbare Härte von wenigstens 67 Rockwell aufweisen, versteht sich, daß die Stähle auch anderen Wärmebehandlungen unterzogen werden können=

Der Begriff "Wolfram-Äquivalent" bezeichnet im Rahmen dieser Erfindung den Wolframgehalt zuzüglich·dem Zweifachen des Molybdängehaltes, weil die von Wolfram hervorgerufene Wirkung von halb soviel Molybdän verdoppelt wird« 41s Matrixkohlenstoffgehalt wird derjenige Prozentsatz on Kohlenstoff verstanden, der im Überschuß über der Kohlenstoffmenge vorliegt, die zum Umsetzen mit Vanadium und Niob und anderen trimeren Carbidbildnern zwecks Bildung von Carbiden erforderlich ist» Etwa 0,2 % Kohlenstoff werden für diesen Zweck für je Λ % In der Legierung vorliegendem Vanadium benötigt und demzufolge ist der Kohlenstoffgehalt formeimäßig definiert durch einen Mindestgehalt von 0,60 % C + 0,20 χ % Vanadium und einem Maximalgehalt von 1,2 % C η- 0,20 χ % Vanadium =

Wie aus Tafel 1 und Pig» 2 hervorgeht, welche sich auf die erzielbare Härte und die Härte nach einer zweistündigen Glühdauer bei 649⁰C und einer zweiten zweistündigen Glühung bei 64-9 Cbeziehen, ist die im wärmebehandelten Zustand erzielbare Härte aller erfindungsgemäßen Legierungen, d.h» insbesondere der Legierungen IL36, ΙΙΛ2, IIA3, ΙΙΛ6 und ΙΙΛ7 vergleichbar oder etwas höher als bei der herkömmlichen Legierung T15, die einen fünfprozentigen Kobalt-Sollwert besitzt.

Zur Untersuchung des Einflusses, welchen das Wolfram-Äquivalent auf die Härte ausübt, war es erforderlich, die Einflüsse schwankender Vanadiumgehalte oberhalb der 5 % V-Grenze und bei höheren Vanadiumgehalten zu kompensieren, wozu die tatsächlichen Kohlenstoffgehalte mit

030046/061 2

einem Faktor von 0,2 (Vanadiumgehalt -5 %) eingestellt wurden. Tafel 1 enthält die eingestellten oder bereinigten Kohlenstoffangaben, die den Fig. 2 und 3 zugrunde liegen. Die erfindungsgemäßen Legierungen, die durchgängig Härtewerte zeigen, welche mit der 5 % Kobalt enthaltenden (herkömmlichen) Legierung T15 vergleichbar sind, sind jene, welche kobaltfrei sind und Wolfram-Äquivalente von 22 bis 29 % aufweisen. In diesen Legierungen ist kein Kobalt vorhanden» Es sei jedoch unterstrichen, daß die Legierungen IL35 sowie IL39 Wolfram-Äquivalente von 14,88 % bzw. 17,88 % aufweisen. Die in Fig. 2 veranschaulichten Härtewerte dieser Legierungen waren schlechter als die an den zuvor genannten erfindungsgemäßen Legierungen ermittelten Ergebnisse. Alle untersuchten Legierungen, mit Ausnahme der Legierung CPM Ώ.5, besaßen eingestellte oder bereinigte Kohlenstoffäquivalente innerhalb eines Bereiches von 1,68 bis 1,73 %. Vergleichbare Ergebnisse sind in Fig. 3 veranschaulicht, wobei das Kohlenstoffäquivalent auf ein 5 % Vanadium-lTiveau eingestellt worden war. Wiederum zeigt sich, daß Legierungen, wie die Legierung IlA-2 und die Legierung IIA3 mit innerhalb des erfindungsgemäßen Eahmens liegenden Wolfram-Äquivalenten bessere erzielbare Härten und eine bessere bleibende Härte aufweisen als die. Legierungen IL35 und IL39, deren Wolfram-Äquivalente lediglich etwa 15 bzw. 18 % betragen und außerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens liegen- Es ergibt sich somit, daß der Einfluß des Wolfram-Äquivalents auf die erreichbare Härte bei verschiedenen Kohlenstoff-Äquivalent-Niveaus innerhalb der Erfindung zur Geltung kommt.

030046/0612

	Erobenbe zeichnung	C	chemische	Si	Tafel 2	W	Mo	V Fb	C einge	y- A" quiva- lent	Wärmebe handelt* (A)	Rockwell- Härte	(A) +
	IL49	1,17	Mn	0,16		1,39	9,75	1,16 -	stellt	20,89	66,5	(A) + 6490C/ 2 hr.	2+2 hr.
	IL50	1,18	0,32	0,13		3,23	9,72	1,13 -	Co Niveau	22,67	66,5	56	52,5
	IL51	1,17	0,28	0,10	Zusammensetzung (Gew.-%)	6,03	9,65	1,10 -	1,14	25,33	67	56,5	51,5
	IL52	1,16	0,23	0,08	Cr	8,95	9,66	1,06 -	1,15	28,27	67	60	55
	,IL55	1,20	0,18	0,10	3,77	6,08	12,35	1,09 -	1,15	30,07	67	61,5	56
	IL56	1,18	0,18	0,09	3,74	8,69	12,41	1,05 -	1,15	33,51	67	60,5	55
O	IL57	1,23	0,16	0,18	3,65	6,34	9,89	1,15 -	1,18	26,12	68	58,5	55,5
ω	IL 58	1,27	0,29	0,19	3,55	6,45	9,66	0,88 0,79	1,17	25,77	68	61,5	58,5
ο	IL 59	1,23	0,29	0,16	3,54	6,43	9,47	0,87 1,53	1,00 1,20	25,37	67	60	56,5 ^
-&*■ σ)	CPM Μ42	1,09	0,23	0,17	3,41	1,69	9,22	1,10 -	1,29	20,13	67	57,5	55,5
ο			0,27		3,96		1,26			61	58,5
ι ^				3,83	7,72 1,07
				3,86
			3,74

lassen bei 552°C/2+2+2 hr<

Die in Tafel 2 und Fig. 4- enthaltenen Ergebnisse zeigen,daß die erfindung sgemäße Begrenzung des Wolfram-Äquivalentes auf 22 bis 29 % im Hinblick auf die Beibehaltung der Härte selbst bei niedrigen Vanadiumgehalten von etwa 0,8 % von großer Bedeutung ist. So liegt bei den Stählen IL51 und IL52 der Vanadiumgehalt etwa bei 1 % aber nichtsdestoweniger ist deutlich," daß die Werkstoffe, deren Wolfram-Äquivalent innerhalb der erfindungsgemäßen Grenzen liegt, eine vergleichsweise gute Fähigkeit besitzen, um ihre Härte nach Glühdauern bei erhöhter Temperatur beizubehalten. Wolfram-Äquivalente, die oberhalb der erfindungsgemäßen Grenzen liegen, beispielsweise von etwa 29 %■, führen zu keiner nennenswerten Steigerung der Härte-Erhaltung, sondern erhöhen lediglich die Herstellungskosten. Das Vorliegen von Vanadium innerhalb der erfindungsgemäßen Grenzen ist natürlich erforderlich, um der Legierung die erforderliche Verschleißfestigkeit zu erteilen. Ein anderes Element, welches ein vergleichsweise hartes Carbid bildet und der Legierung eine gute Verschleißfestigkeit zu verleihen vermag, ist Niob. Der Zusatz von Kxob zu einer erfindungsgemäßen Legierung kann als teilweiser Ersatz für Vanadium erfolgen, was zu den günstigen Werten hinsichtlich der erreichbaren Härte und der Härtebeibehaltung führt, wie in Fig. 4- dargestellt.

Die erfindungsgemäße Legierung kann desweiteren durch relativ geringe Kobaltzusätze modifiziert werden, um die erreichbare Härte und die Härtebeibehaltung zu verbessern. Beispielsweise führte ein Kobaltzusatz von 1 % zu einer Legierung mit einem Wolfram-Äquivalent von 26,12 %, d.h. zur Legierung IL57* zu einer Steigerung der Härte-Beibehaltung nach einer 2+2 stündigen Glühung bei 64-9⁰Cgemäß Fig. 4· von drei Punkten.

030046/0612

Wegen des hohen Carbidanteils in der erfindungsgemäßen Legierung ist es erforderlich, daß diese Carbide klein, homogen und gleichförmig innerhalb der Stahlmatrix verteilt vorliegen» Anderenfalls wird die Legierung nicht die für Hochgeschwindigkeits-Trennwerkzeuge erforderliche Zähigkeit aufweisen« Demzufolge wird die Legierung mit Hilfe der Pulvermetallurgie erzeugt» Vorzugsweise x-/ird die Legierung mit Hilfe der gut bekannten Arbeitsweise des Gasζerstäubens einer Schmelze der Legierung unter Ausbildung einer Teilchencharge hergestellt, wobei diese Teilchen rasch abgeschreckt v/erden» Diese Teilchencharge wird sodann mit Hilfe einer der bekannten pulvermetallurgischen Verdichtungstechniken verpreßt, wie mit dem isostatischen Heißpressen»

Claims (6)

1. Pulvermetallurgisch erzeugter, vanadiumhaltiger Wolfram-Hochgeschwindigkeitsstahl, enthaltend im wesentlichen einen Mindestkohlenstoffgehalt von 0,60 % + 0,20 χ % Vanadium + 0,13 x % Niob und einen maximalen Kohlenstoffgehalt von 1,2 % + 0,20 χ % Vanadium + 0,13 x % Niob, maximal 1,25 % Mangan, maximal 1,25 % Silicium, 3 bis 5 % Chrom, 0,8 bis 6 % Vanadium + Niob mit der Maßgabe, daß der Niobanteil nicht größer ist als 4 %, Rest Eisen, wobei der Stahl ferner ein Wolfram-Äquivalent von 22 bis 29 % und eine erreichbare Rockwellhärte von wenigstens 67 in. austenitisiertem und dreifach bei 552 ⁰C angelassenem Zustand aufweist=

2. Stahl nach .Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kobalt gehalt von bis zu 3 %■>

030046/0612

TELEFON (Ο89) 32 2632 TELEX ΟΒ-2Θ38Ο TELEQRAMMe MONAPAT TELEKOPIERER

3. Pulvermetallurgisch erzeugter, vanadiumhaltiger Wolfram-Hochgeschwindigkeitsstahl, enthaltend im wesentlichen einen Mindestkohlenstoffgehalt von 0,60 % + 0,20 χ % Vanadium + 0,13 x % Niob und einen maximalen Kohlenstoffgehalt von 1,2%+ 0,20 x% Vanadium + 0,13 x % Niob, maximal 1,25 % Mangan, maximal 1,25 % Silicium, 3 bis 5 % Chrom, 3 bis 6 %. Vanadium + Niob mit der Maßgabe, daß der Niobanteil nicht größer ist als 4· %, Rest Eisen, wobei der Stahl ferner ein Wolfram-Äquivalent von 22 bis 29 % und eine erreichbare Rockwellhärte von wenigstens 67 in austenitisiertem und dreifach bei 552 ⁰C angelassenem Zustand aufweist.

4-. Stahl nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Kobaltgehalt von bis zu 3% -

5- Pulvermetallurgisch erzeugter, vanadiumhaltiger Wolfram-Hochgeschwindigkeitsstahl, enthaltend im wesentlichen einen Mindestkohlenstoffgehalt von 0,60 % + 0,20 χ % Vanadium + 0,13 x % Niob und einen maximalen Kohlenstoffgehalt von 1,2%+ 0,20 x% Vanadium + 0.13 x % Niob, maximal 1,25 % Mangan, maximal 1,25 % Silicium, 3 bis 5 % Chrom, 0,8 bis 6 % Vanadium + Niob mit der Maßgabe, daß der Niobanteil nicht größer ist als 4 %, Rest Eisen, wobei der Stahl ferner ein Wolfram-Äquivalent von 2Pr bis 27 % und eine erreichbare Rockwellhärte von wenigstens 67 in austenititsiertem und dreifach bei 552 ⁰C angelassenem Zustand aufweist.

6. Stahl nach Anspruch 5₅ gekennzeichnet durch einen Kobaltgehalt von bis zu 3 %·

030046/0612