-
-
Hartstoff legierung
-
Die Erfindung betrifft eine Hartstofflegierung, bestehend aus einem
Metallkarbidanteil und als Rest aus einer Stahllegierung, deren Zusammensetzung
so gewählt wird, daß daraus hergestellte Teile in geglühtem Zustand spangebend bearbeitet
und danach durch eine Wärmebehandlung auf eine höhere Härte gehärtet werden können.
Die Erfindung umfaßt ferner Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung solcher
stahlgebundenen härtbaren Hartstoffe.
-
Bearbeitbare und anschließend durch eine Wärmebehandlung haltbare
Hart tIartstff legierungen mit einer Stabliegierung als Matrix sind bekannt. Dabei
kommen sowohl durch Gefgeumwandlung (Martensitbildung) als auch ausscheidungshärtbare
Stahllegierungen zum Einsatz. Zu den letzteren gehören sogenannte nickelmartensitische
Stähle, die durch Auslagerung eine Härtesteigerung erfahren. Beispiele solcher härtbaren
Hartstofflegierungen mit nickelmartensitischer Matrix sind in den DE-PSen 12 57
440 und 26 30 266 beschrieben.
-
Die nickelmartensitischen Stähle enthalten als wesentlichen Bestandteil
8 bis 30% Nickel und gegebenenfalls Chrom und sind durch einen sehr niedrigen unter
0,1% liegenden Kohlenstoffgehalt gekennzeichnet.Um auch den in Spuren vorhandenen
Kohlenstoff vollständig abzubinden wird der Legierung ein
Karbidbildner,
in der Regel Titan, zugegeben. Die nickelmartensitischen Stähle können ferner bis
25% Molybdän, bis 25% Kobalt, bis 5% Aluminium und bis 2% Kupfer enthalten.
-
Zwar haben sich diese bekannten härtbaren Hartstofflegierungen mit
nickelmartensitischer Stahlmatrix für viele Anwendungsfälle gut bewährt, jedoch
besteht ein Bedarf für solche härtbaren Hartstofflegierungen, die ohne Volumenänderung
(schwundfrei) und ohne Verzug (verzugsfrei) gehärtet werden können.
-
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine hochverschleißfeste und warmfeste
Hartstofflegierung zu finden, die im gekühlten Zustand spangebend bearbeitbar ist
und dann durch Auslagern bei niedriger Temperatur schwund- und verzugsfrei auf höhe
Härte gebracht werden kann. Dadurch soll auch die Herstellung komplizierter Teile
und verbundgesinterter Teile ermöglicht werden, die durch Härtespannungen besonders
rißgefährdet sind.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Hartstofflegierung
mit der in den Ansprüchen gekennzeichneten Zllsammensetzung vorgeschlagen.
-
Kohlenstoff im Gehaltsbereich von 0,2 bis 1,0% bewirkt zusammen mit
den in der Matrix-Stahl legierung sonst noch vorhandenen Karbidbildnern Wolfram,
und gegebenenfalls Molybdän, Chrom und Vanadium die Bildung von Sekundärkarbiden,
die härtesteigernden Einfluß ausüben. Je nach Größe des Kohlenstoffgehalts ist die
durch die Sekundärkarbidbildung erreichte Härtesteigerung mehr oder weniger groß.
-
Wolfram und Kobalt sind Hauptträger der ausscheidungsfähigen intermetallischen
Phasen (Fe-W-Co). Die unteren Grenzgehalte für Wolfram und Kobalt wurden festgelegt,
um ausscheidungs-
fähige intermetallische Phasen in genügendem Umfang
zur Erzielung einer merkbaren Härtesteigerung zu erhalten, während die oberen Grenzen
vom preislichen Gesichtspunkt bestimmt sind.
-
Durch Zusatz von bis 10 % Molybdän können mit Eisen, Wolfram und Kobalt
weitere intermetallische Phasen gebildet werden.
-
Chrom bei Zusatz in einer Menge bis 12 % erhöht die Korrosionsbeständigkeit.
Da Chrom als Karbidbildner Kohlenstoff der Matrix entzieht, muß innerhalb der angegebenen
Grenzen soviel Kohlenstoff zugesetzt werden, daß eine zur Härtung der Matrixlegierung
ausreichende Menge zur Verfügung steht.
-
Silizium bis 3 % bewirkt eine Erniedrigung der Sintertemperatur bzw.
-
Erweiterung des Sintertemperaturbereichs. In der gleichen Richtung
wirken Kupfer bis 7 % und Aluminium bis 6 % und bewirken ferner eine Härtesteigerung
durch Ausscheidungen von kupfer- bzw. aluminiumhaltigen Phasen. Ferner verbessern
Silizium, Kupfer und Aluminium die Oxidationsbeständigkeit und Warmhärte.
-
Vanadium kann bis 5 oil als Sekundärkarbidbildner mit Kohlenstoff
zugesetzt werden.
-
Bor in Mengen bis 0, 1 t0 kann als Sinterhilfe zugesetzt werden.
-
Nickel und Mangan sollten in der Matrix-Stahllegierung nicht enthalten
sein, weil sie durch Senkung der Auslagerungstemperatur eine Verringerung der Härte
steigerung hervorrufen würden.
-
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Hartstofflegierung kann einmal
auf übliche Weise durch Mischen von Metallkarbid-Pulver mit den pulverförmigen Bestandteilen
der Matrix-Stahllegierung in ihrer elementaren Form, Kaltpressen zu Form-
lingen,
Sintern, spangebende Bearbeitung und Auslagerungsbehandlung zur Härtesteigerung
erfolgen.
-
Bwvorzugt wird ein Verfahren, bei welchem eine Pulvermischung aus
Metallkarbid mit Bestandteilen der Matrix-Stahllegierung in vorlegierter Form und
den restlichen in der Vorlegierung nicht enthaltenen Einzelbestandteilen der Matrix-Stahllegierung
in elementarer Form hergestellt und dann in üblicher Weise kaltgepreßt und gesintert
wird. Dabei kann die Vorlegierung alle Bestandteile der Matrix-Stahllegierung bis
auf Eisen enthalten, und diese Vorlegierung wird dann mit Metallkarbid und Eisen
jeweils in Pulverform gemischt, gepreßt und gesintert.-Ein Alternativverfahren ist
gekennzeichnet durch Mischen von Metallkarbid-Pulver mit der fertig legierten Matrix-Stahllegierung
in feinteiliger Form, z.B. aus eine Schmelze verdüstem Pulver oder Granulat, und
Heißpressen der in eine luftdicht verschlossene verformbare Metallhülle eingefüllten
Pulvermischung. Die Heißpressung wird durch unter Druck gesetzten und auf höhere
Temperatur gebrachtes Gas, z.B.
-
Argon, bewirkt.
-
Die heißgepreßten oder gesinterten Forn,linge haben nach beschleunigtem
Abkühlen von Sinter- bzw. Heißpreßtemperatur auf Raumtemperatur eine verhältnismäßig
geringe Härte von 50 bis 55 HRC, bei der sie durch Schleifen, Drehen oder Bohren
spangebend bearbeitet werden können. Das bearbeitete Fertig- oder Halbfertigteil
wird dann anschließend im Bereich von 550 bis 7000 C, vorzugsweise 600 bis 6500
C für mehrere (vier bis sechs) Stunden zur Bildung von intermetallischen Ausscheidungsphasen
und Sekundärkarbiden, die die Härtesteigerung bewirken, ausgelagert. Es war dabei
überraschend, daß bei dieser Härtesteigerung keine Volumenänderung und kein Verzug
der Teile auftraten, so daß auch
komplizierte und verbundgesinterte
Teile keine aufgrund von Härtespannungen entstandene Risse aufwiesen. Nach der Auslagerung
betrug die Härte je nach Karbid- und Legierungsgehalt zwischen 62 und 80 HRC.
-
Neben den schon erwähnten Vorteilen einer schwund- und verzugsfreien
Härtung von Teilen aus der erfindungsgemäßen Hartstofflegierung werden durch Anwendung
der Erfindung noch folgende Vorteile erreicht: - aufkohlende Sinteratmosphäre bei
Unterdruck hat keinen negativen Einfluß wie bei nickelmartensitischen Matrix-Stahllegierungen,
- da Kohlenstoff keinen negativen Einfluß auf die erfindungsgemäße Hartstofflegierung
hat, kann preiswerteres Kohlenstoff enthaltendes Vorlegierungspulver verwendet werden,
- durch Verwendung von preiswertem Vorlegierungspulver kann die Fertigung gegenüber
dem Einsatz der Bestandteile in elementarer Form beträchtlich verbilligt werdon,
- durch geeignete Auswahl von karbidbildenden oder ausscheidungshärtenden Zusatz
elementen kann die erzielbare Härte steigerung nach dem Auslagern feinstufig vorherbestimmt
werden.
-
Anwendungsbeispiele für die erfindungsgemäße Hartstofflegierung sind
Umform- und Schneidwerkzeuge sowohl für metallische Werkstoffe wie auch Kunststoffe,
vor allem mit Füllstoffen und anderen verschleißenden Werstoffe, die große Maßgenauigkeit
verlangen und hohem Verschleiß ausgesetzt sind, wie beim Kaltfließpressen und Schneiden
auf
Schnellschneidautomaten; Warmumformwerkzeuge; Verschleißteile
aller Art, auch großvolumige, wie Schlagleisten, Preßformen, Schlegel in Zerkleinerungsmaschinen,
Baggerzähne, Mahlkugeln, Strahlschaufeln, Extruderschnecken, Extrudergehäuse, Düsenringe,
Zerhackermesser.
-
Beispiel 1 20 Gew.-% Titankarbid-Pulver und Rest aus einer Stahl-Matrix
folgender Zusammensetzung: 0,28 Kohlenstoff 12,0% Wolfram 8,0% Molybdän 24,0% Kobalt
Rest Eisen wurden mit den Bestandteilen der Stahlmatrix in elementarer Form als
Pulver gemischt und kaltgepreßt.
-
Nach der Vakuumsinterung und langsamer Luftabkühlung bis auf Raumtemperatur
wurden Körper mit einer Dichte von 7,40 - 7,50 g/cm³ erzielt, die eine Härte von
etwa 60 HRC aufwiesen. In diesem Zustand, also nach langsamer Abkühlung von der
Sintertemperatur, ist die Legierung nur schwer oder gar nicht bearbeitbar. Nach
einem Lösungsglühen bei 12800 C mit Abkühlung in öl, wurde eine Härte von 54 HRC
erzielt, in diesem Zustand lassen sich die Teile einwandfrei mechanisch bearbeiten,
z.B. durch Drehen. Nach dem Auslagern, 4 h bei 6000 C, wurde eine Härte von 67 HRC
erreicht. Dabei entstand weder eine Volumenänderung noch ein Verzug der Teile.
-
Beispiel 2 Der Kohlenstoffgehalt der Legierung 1 wurde auf 0,9* erhöht,
alle anderen Bestandteile so belassen. Ergebnis: Dichte 7,42 g/cm³ Härte 57/58 HRC
nach Lösungsglühen 12800 C/öl Härte 66/67 HRC nach 3 h 6000 C Auslagerung Es zeigt
sich hier deutlich, daß der Kohlenstoff im Gegensatz zu den nickelmartensitischen
auslagerungsfähigen Legierungen keine negative Rolle spielt. Die Härte bleibt erhalten
oder kann aufgrund zusätzlicher (Sekundär-)Karbidbildung noch steigen anstatt durch
Austenitbildung zu sinken.