DE3781117T2 - Gegenstaende aus einer abnutzungs- und korrosionsbestaendigen-legierung. - Google Patents
Gegenstaende aus einer abnutzungs- und korrosionsbestaendigen-legierung.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft Gegenstände aus einer abnutzungs- und korrosionsbeständigen Legierung, die aus verdichteten vorlegierten Teilchen hergestellt werden.
- Für verschiedene Anwendungsbereiche wie z.B. in der Bergbau-, Zerkleinerungs- und Produktionsindustrie besteht ein Bedarf für eine Legierung, die durch eine Kombination aus hoher Abnutzungs- und guter Korrosionsbeständigkeit gekennzeichnet ist. Beispiele für Produkte, die aus solchen Legierungen hergestellt werden, umfassen Schlammpumpen-Teile, Ventil-Komponenten, Geräte zur Handhabung von Erz und Kohle, Verschleißplatten, Mühlenauskleidungen und Holzschleifer. Legierungen dieser Art finden auch Verwendung bei Schraubenzuführ-Mechanismen und in den Büchsen, die beim Extrudieren von abrasiven glasverstärkten Kunststoffen zum Einsatz kommen. Solche abnutzungs- und korrosionsbeständigen Legierungen auf Eisenbasis in der Form von gegossenen Gegenständen sind z.B. in FR-A- 1 455 741 und US-A-2 709 132 beschrieben.
- Bei Legierungen dieser Art ist es wünschenswert, einen hohen Gehalt einer abnutzungsfesten Phase wie z.B. einer Karbid-Hartmetallphase zu haben. Obwohl von verschiedenen Karbidphasen bekannt ist, daß sie die gewünschte Abriebsfestigkeit vermitteln, haben sie den Nachteil, daß sie eine schlechte Formbarkeit oder Bearbeitbarkeit im Hinblick auf Vorgänge dieser Art insbesondere bezüglich einer spanabhebenden Bearbeitung aufweisen. Allgemein gilt, daß die Karbidgröße um so größer und somit die Bearbeitungseigenschaften der Legierung um so schlechter sind, je höher der Karbidgehalt ist. Die Korrosionsbeständigkeit von derartigen Legierungen ist im allgemeinen schlecht, was sich aus dem Fehlen von Elementen für diesen Zweck in der Stahlmatrix ergibt.
- Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Legierungsgegenstand zu schaffen, der sowohl eine gute Abnutzungsbeständigkeit als auch eine gute Korrosionsfestigkeit aufweist.
- Die Erfindung schafft einen Legierungsgegenstand, der durch eine Kombination aus hoher Abnutzungs- und Korrosionsbeständigkeit gekennzeichnet ist und nach Austenitisierung, Abschrecken und Tempern eine martensitische Struktur besitzt, wobei der Gegenstand vorlegierte verdichtete Teilchen aus einer Komposition umfaßt, die in Gewichtsprozent folgende Bestandteile aufweist:
- Kohlenstoff 2,5 bis 5
- Mangan 0,2 bis 1
- Phosphor 0,10 max.
- Schwefel 0,10 max.
- Silizium 1 max.
- Nickel 0,5 max.
- Chrom 15 bis 30
- Molybdän 2 bis 10
- Vanadium 6 bis 11
- Stickstoff 0,15 max.
- Eisen der sich ergebende Rest einschließlich zufälliger Verunreinigungen, wobei der Kohlenstoff Menge vorhanden ist, die mit Vanadium, Molybdän und Chrom so abgeglichen ist, daß mit diesen Bestandteilen Karbide gebildet werden und daß ausreichend verbleibender Kohlenstoff vorhanden ist, um die martensitische Struktur mit einer feinen, gleichförmig verteilten MC-Karbid-Phase sicherzustellen.
- Ein gemäß der Erfindung zusammengesetzter Legierungsgegenstand ist durch eine hohe Abnutzungsfestigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit gekennzeichnet und besitzt eine martensitische Struktur nachdem er austenitisiert, abgeschreckt und getempert worden ist. Vorzugsweise hat der Gegenstand nach der Wärmebehandlung eine erzielbare Minimalhärte von 60Rc (Rockwell). Zusätzlich ist der Legierungsgegenstand gemäß der Erfindung aus verdichteten vorlegierten Teilchen hergestellt, in denen Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die mit Vanadium, Molybdän und Chrom so abgeglichen ist, daß mit diesen Karbide gebildet werden und daß genügend Kohlenstoff verbleibt, um eine martensitische Struktur sicherzustellen. Der Gegenstand kann monolithisch oder mit den verdichteten vorlegierten Teilchen beschichtet bzw. plattiert sein. Der Gegenstand besitzt eine feine, gleichförmige Verteilung von MC und anderen Karbidphasen innerhalb der verdichteten vorlegierten Teilchen. Bei beschichteten Gegenständen gemäß der Erfindung kann das beschichtete Substrat dieselbe Zusammensetzung aufweisen wie die Teilchen, doch wird sie typischerweise aus einem hiervon verschiedenen, weniger teueren Material bestehen, das geringere Abnutzungs- und/ oder Korrosionsfestigkeits-Eigenschaften besitzt. Die vorlegierten Teilchen, unter deren Verwendung der Gegenstand hergestellt wird, bestehen im wesentlichen (in Gewichtsprozent) aus Kohlenstoff 2,5 bis 5, Mangan 0,2 bis 1, Phosphor 0,10 max., Schwefel 0,10 max., Silizium 1 max., Nickel 0,5 max., Chrom 15 bis 30, Molybdän 2 bis 10, Vanadium 6 bis 11, Stickstoff 0,15 max. wobei der Rest Eisen ist. Eine bevorzugte Komposition besteht im wesentlichen (in Gewichtsprozent) aus Kohlenstoff 3 bis 4, Mangan 0,3 bis 0,7, Schwefel 0,02 max., Silizium 0,4 bis 0,7, Chrom 22 bis 27, Molybdän 2,75 bis 3,25, Vanadium 7,5 bis 10 und der Rest ist Eisen.
- Der Legierungsgegenstand gemäß der Erfindung liefert eine Kombination aus hoher Abnutzungs- und guter Korrosionsbeständigkeit. Zu diesem Zweck wird der Legierungsgegenstand mit Hilfe von pulvermetallurgischen Techniken hergestellt, wobei vorlegierte Teilchen oder Partikel der gewünschten Zusammensetzung des Legierungsgegenstandes verdichtet werden, um eine im wesentlichen vollständige Dichte zu erzielen. Verdichtungstechniken für diesen Zweck können einen isostatischen Heiß-Verdichtungs- oder einen Extrusions- Schritt umfassen. Insbesondere ergibt sich die verbesserte Abnutzungsfestigkeit des Gegenstandes aus einer feinen, gleichmäßig verteilten Karbid-Formation, die MC-Karbide umfaßt, zusammen mit einer chromreichen Karbid-Formation. Die MC-Karbide werden bekanntermaßen durch eine Kombination von Kohlenstoff mit dem Vanadium in der Verbindung gebildet. Durch das Verdichten der vorlegierten Partikel ist es möglich, die Karbide und insbesondere die MC-Karbide in einer feinen gleichmäßigen Dispersion zu halten, was die Abnutzungsfestigkeit erhöht. In dieser Hinsicht und für diesen Zweck können die vorlegierten Teilchen, die bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Gegenstandes Verwendung finden, dadurch hergestellt werden, daß eine Schmelze der Legierung mit Hilfe eines Gases versprüht und schnell abgekühlt wird. Auf diese Weise werden feine im wesentlichen kugelige Teilchen erzielt, die so schnell abgekühlt werden, daß eine Verfestigung erreicht wird, ohne daß genügend Zeit bei erhöhter Temperatur bleibt, in der die Karbide wachsen und sich zusammenballen könnten. Folglich sind die vorlegierten Partikel durch die gewünschte gleichförmige Karbid- Feinverteilung gekennzeichnet. Durch die Verwendung von herkömmlichen pulvermetallurgischen Verdichtungsverfahren kann diese gewünschte gleichmäßige Karbid-Feinverteilung der vorlegierten Teilchen in dem letztendlich entstehenden verdichteten Legierungsgegenstand im wesentlichen aufrechterhalten werden, um die gewünschte Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und Abnutzungsbeständigkeit zu erzielen.
- Die Korrosionsbeständigkeit wird durch den relativ hohen Chrom- und Molybdängehalt der Legierung erreicht, wobei Chrom in dieser Hinsicht das Element mit der größten Bedeutung ist. Zusätzlich wird der Schwefelgehalt auf einem relativ niedrigen Niveau gehalten, was die Korrosionsbeständigkeit ebenfalls fördert.
- Wie oben erwähnt, ist der Kohlenstoff stöchiometrisch mit den Karbidbildnern, nämlich Vanadium, Molybdän und Chrom abgeglichen, um Karbide zu bilden und es ist in angemessenem Umfang zusätzlicher Kohlenstoff vorhanden, um eine vollständig getemperte martensitische Struktur nach dem Austinitisieren, Abschrecken und Tempern sicherzustellen. Nach der Wärme- bzw. Hitzebehandlung ist eine erzielbare Härte von wenigstens 60Rc erreichbar.
- Vanadium ist insofern ein kritisches Element, als es mit Kohlenstoff die MC-Karbide bildet, die hinsichtlich der Abnutzungsfestigkeit von größter Bedeutung sind. Die Abnutzungsbeständigkeit wird auch durch die martensitische Struktur des Stahls etwas erhöht. Chrom ist ein wesentliches Element für die Korrosionsbeständigkeit. Molybdän ist für diesen Zweck ebenfalls vorhanden und trägt als Karbidbildner auch zur Abnutzungsbeständigkeit bei. Obwohl die Erfindung in Bezug auf einen Legierungsgegenstand beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch die Verwendung als Überzug umschließt, der durch verschiedene Verfahren, wie z.B. isostatische Heißverdichtung und Extrudieren auf ein Substrat aufgebracht werden kann. Es ist jedoch nötig, daß das Beschichtungsverfahren mit dem Erfordernis kompatibel ist, daß die gewünschte Karbiddispersion nach dem Beschichten erhalten bleibt, um die angestrebte Abnutzungsfestigfeit zu erreichen. Der Legierungsgegenstand gemäß der Erfindung erreicht seine optimalen Verwendungseigenschaften nachdem er eine Wärmebehandlung erfahren hat, doch kann er möglicherweise auch ohne diese verwendet werde.
- Um die Erfindung darzustellen, wurden Legierungen gemäß der Erfindung und herkömmliche Legierungen für Untersuchungen verwendet. Die Zusammensetzungen dieser Legierungen sind in Tabelle I wiedergegeben. Tabelle I: Chemische Zusammensetzung von experimentellen und kommerziellen abnutzungsfesten Legierungen (Angaben in Gewichtsprozent, der Rest ist Eisen, wenn nicht anders angegeben) Bezeichnung Sonstige Standard Legierung weißes Gußeisen (Legierung 68) Stellit Co Basis
- Die experimentellen Legierungen aus Tabelle I wurden dadurch hergestellt, daß vorlegiertes Pulver durch Induktionsschmelzen und Gaszerstäubung erzeugt wurde. Das Pulver wurde auf eine -10-Maschen-Größe gesiebt und in schmiedeeisene Behälter eingebracht, die einen Innendurchmesser von entweder 2" (50,8 mm) oder 3" (76,2 mm) und eine Höhe von 4" (101,6 mm) hatten. Die pulvergefüllten Behälter wurden in der herkömmlichen Weise entgast, auf eine Temperatur im Bereich von 2050ºF bis 2185ºF (1121ºC bis 1196ºC) erhitzt und, während sie sich auf einer erhöhten Temperatur befanden, einem isostatischen Druck von 15 ksi (103,4 N/mm² ) ausgesetzt, um das Pulver vollständig zu verdichten. Danach wurden das verdichtete Pulver und die Behälter auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die so erzeugten Legierungspreßkörper wurden dann auf 2100ºF (1149ºC) erhitzt und auf einen 1 1/4" (31,75 mm) quadratischen Querschnitt heißgeschmiedet, und danach angelassen bzw. geglüht. Zur Auswertung wurden die Preßkörper von den geschmiedeten und angelassenen Produkten abgetrennt, vorbearbeitet, wärmebehandelt und fertig bearbeitet. Vor der Bearbeitung wurden die verdichteten Proben durch ein isothermisches Anlassen weich gemacht, das darin bestand, daß sie für eine Stunde auf einer Temperatur von 1800ºF (982ºC) oder 1850ºF (1010ºC) gehalten wurden, in einem Ofen für drei Stunden auf 1600ºF (871ºC) erhitzt und dann unter Luft oder im Ofen abgekühlt wurden. Zusätzlich wurde ein herkömmlicher Hochgeschwindigkeits-Stahl-Anlaßzyklus verwendet, bei dem die Proben für zwei Stunden bei 1600ºF (871ºC) erhitzt, im Ofen mit einer Rate von 25ºF/h (14ºC/h) auf 1000ºF (538ºC) abgekühlt und dann unter Luft oder im Ofen auf Umgebungstemperatur abgekühlt wurden. Tabelle II - Härtungs- und Temperungs-Ergebnisse für die experimentellen Legierungen Rockwell C-Härte Getempert ºF(ºC) 2+2 Std Legierung Austenitisiert bei 1950º F (1065ºC) 30 min. und ölabgeschreckt (Nur abgeschreckt) Austenitisiert bei 2150º (1177ºC) 10 min. und ölabgeschreckt (As-Angelassen)
- Während der auf die oben beschriebene Anlaßbehandlung folgenden Härtungs-Hitzebehandlung wurden die Proben bei 1500ºF (815ºC) vorgeheizt und bei 2150ºF (1177ºC) für zehn Minuten in ein Salzbad überführt, worauf eine Ölabschreckung folgte. Ein Tempern bei 1000ºF (538ºC) für 2+2 Stunden wurde als Standardverfahren für die Abnutzungs- und Korrosions-Testproben basierend auf den Ergebnissen der in Tabelle II dargestellten Härte-Übersicht ausgewählt. Tabelle III - Miller-Schleifschlamm-Abnutzungs- und -Korrosions-Beständigkeits-Bewertungen Legierung Kondition Miller-Abnutzungs-Lebensdauerverhältnis Korrosionsfestigkeit Rangordnung (1) Härte (Rc) Legierun 68 Weißgußeisen Stellit 1(2) Experimentell 70 wärmebehandelt (1) 1 - bester Wert, 5 - schlechtester Wert (2) Kobalt-Basis-Legierungen
- Die Abnutzungsbeständigkeit der experimentellen Legierungen gemäß der Erfindung wurden miteinander, mit einem hochlegierten, einen hohen Chromgehalt aufweisenden Weißgußeisen und mehreren herkömmlichen abnutzungsbeständigen Eisen- und Kobalt-Basis-Legierungen verglichen. Es wurden der Miller-Aufschlämmungs-Schleifabnutzungstest und ein Stift- Schleif-Abnutzungstest verwendet. Bei dem Miller-Abnutzungstest (ASTM G75-82) wird eine flache Legierungsprobe unter Last in einer Aufschlämmung von nassen Schleifmitteln vor und zurück bewegt. Das Abnutzungsverhalten wird durch die Rate des Metallverlustes bestimmt.
- Die Korrosionsbeständigkeit wurde durch Inaugenscheinnahme der Miller-Abnutzungstest-Proben hinsichtlich Rosten und Korrosion und Bewertung dieser Proben auf einer Skala von 1 bis 5 bestimmt, wobei "1" der beste und "5" der schlechteste Wert hinsichtlich des Gesichtspunktes der Korrosionsbeständigkeit ist.
- Der Stift-Abnutzungstest wird in der Weise durchgeführt, daß ein Stift der Legierung auf einer spiralförmigen Bahn unter Last auf der Oberfläche eines trockenen 150-Maschen- Granatschleifleinens bewegt wird. Bei diesem Test wird die Abnutzungsbeständigkeit durch die Größe des Gewichtsverlustes bewertet, der in dem Legierungsstift über eine gegebene Testzeitspanne hinweg auftritt. Die relative Abnutzungsbeständigkeit, ausgedrückt als das Verhältnis der Abnutzungsrate eines Standardlegierungs-Weißguß-Eisens (Legierung 68) zu der der experimentellen Legierungen gemäß der Erfindung sind in Tabelle III wiedergegeben. Wie in Tabelle III dargestellt, haben Proben mit einem Verhältnis größer Eins eine geringere Abnutzungsrate als das Standard- Weißguß-Eisen (Legierung 68).
- Es sind auch Korrosionsbeständigkeits-Bewertungen in Tabelle III wiedergegeben. In dieser Hinsicht hat die Legierung 126 die beste Kombination von Eigenschaften, mit einem Abnutzungsverhalten, das nahezu das Dreifache desjenigen von herkömmlichem Weißguß-Eisen ist und einer Korrosionsbeständigkeitsbewertung No. 2. Die Legierung CPM 10V hat die beste Abnutzungsbeständigkeit, doch hat sie auch die schlechteste Korrosionsbeständigkeit der untersuchten Proben. Die Legierung CPM 440V hat eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit wegen ihres hohen Chromgehaltes, doch ist ihre Abnutzungsfestigkeit nicht gleich derjenigen der Legierung CPM 10V oder der der experimentellen Legierungen gemäß der Erfindung, wenn diese gehärtet sind. Tabelle IV - Einfluß von Molybdän auf das Abnutzungs-Testverhalten von hitzebehandelten 2150ºF/10 min O.Q. + getemperten/2+2 Std. Proben Experimentelle Legierungen Mittlerer Gewichtsverlust bei Stift-Schleif-Test mg Mittleres Miller-Abnutzungsverhältnis Härte (Rc) extrudiert HIP bedeutet heiß-isostatisches Pressen
- Molybdän ist ein wesentliches Element bezüglich der Legierungsgegenstände gemäß der Erfindung vom Gesichtspunkt sowohl einer verbesserten Abnutzungs- als auch einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit. Dies wird durch die in Tabelle IV wiedergegebenen Daten gezeigt, wobei die Stift- Schleif-Beständigkeit der Legierung 126, die 2,97 % Molybdän enthält, besser war als die der Legierung 82, die lediglich Restmolybdän von 0,05 % enthält. In entsprechender Weise war das Miller-Schlammschleif-Abnutzungsverhältnis für die Molybdän enthaltende Legierung 126 höher.
- Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn Molybdän zu 8,79 % (Legierung 83) enthalten ist, die Korrosionsbeständigkeit und das Abnutzungsverhältnis hervorragend sind. Heißisostatisch gepreßte Preßkörper dieser Legierung brachen jedoch beim Heißbearbeiten, und während des Schneidens trat sehr leicht eine Rißbildung auf. Folglich werden gemäß der Erfindung Gegenstände, die diesen hohen Molybdängehalt besitzen, vorzugsweise im heißisostatisch gepreßten und hitzebehandelten Zustand entweder als Grundprodukt, das nicht bearbeitet werden muß, oder als Beschichtung verwendet. In entsprechender Weise wurden zur Bewertung des Legierungseffektes für den Fall, daß zum Verdichten ein Extrusionsverfahren verwendet wird, Legierungen 82, 83 und 126 extrudiert, wie dies in den Tabellen angegeben ist. Die Legierungen 126 und 82, die Molybdängehalte von 2,97 % bzw. 0,05 % hatten, ließen sich ohne Schwierigkeiten extrudieren; demgegenüber zeigte die Legierung 83 mit einem Molybdängehalt von 8,79 % während des Extrudierens Rißbildung.
- Aus den oben wiedergegebenen experimentellen Ergebnissen läßt sich entnehmen, daß die Legierungsgegenstände gemäß der Erfindung dann, wenn sie zur Verdichtung aus vorlegierten Pulvern zu völlig dichten Preßkörpern mit Hilfe von pulvermetallurgischen Verfahren bearbeitet werden, eine ausgezeichnete Kombination aus Abnutzungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zeigen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß die Legierungen Chrom, Vanadium und Molybdän innerhalb der erfindungsgemäßen Grenzen aufweisen und daß die Karbid-Verteilung fein und gleichförmig ist, wie sich dies aus der Verwendung von verdichteten vorlegierten Pulvern bei der Formung der Gegenstände ergibt.
Claims (5)
1. Legierungsgegenstand, der durch eine Kombination von
guter Abnutzungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit
gekennzeichnet ist und nach Austinitisierung, Abschreckung
und Temperung eine martensitische Struktur besitzt,
wobei dieser Gegenstand verdichtete vorlegierte Partikel
aus einer Komposition umfaßt, die in Gewichtsprozent
aus folgenden Bestandteilen besteht:
Kohlenstoff 2,5 bis 5
Mangan 0,2 bis 1
Phosphor 0,10 max.
Schwefel 0,10 max.
Silizium 1 max.
Nickel 0,5 max.
Chrom 15 bis 30
Molybdän 2 bis 10
Vanadium 6 bis 11
Stickstoff 0,15 max. und im übrigen
Eisen, das zufällige Verunreinigungen
enthalten kann,
wobei der Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die mit
Vanadium, Molybdän und Chrom so abgeglichen ist, daß mit
diesen Karbide gebildet werden und daß ausreichend
restlicher Kohlenstoff vorhanden ist, um die martensitische
Struktur mit einer feinen, gleichförmig verteilten MC-Karbid-
Phase sicherzustellen.
2. Legierungsgegenstand nach Anspruch 1, bei dem die
vorlegierten ten Partikel eine Zusammensetzung aufweisen, die
in Gewichtsprozent aus folgenden Bestandteilen besteht:
Kohlenstoff 3 bis 4
Mangan 0,3 bis 0,7
Schwefel 0,02 max.
Silizium 0,4 bis 0,7
Chrom 22 bis 27,
Molybdän 2,75 bis 3,25
Vanadium 7,5 bis 10 und der Rest
Eisen mit zufälligen Verunreinigungen.
3. Legierungsgegenstand nach Anspruch 1 oder 2 mit einer
erreichbaren Minimalhärte nach Hitzebehandlung van 60 Rc.
4. Monolythischer Legierungsgegenstand nach Anspruch 1, 2
oder 3, der aus den verdichteten vorlegierten Partikeln
besteht.
5. Beschichteter Legierungsgegenstand nach Anspruch 1, 2
oder 3, der eine Beschichtung aufweist, die aus den
verdichteten vorlegierten Partikeln besteht.
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