DE69823951T2 - Metallpulverkörper aus Schnellschnittstahl mit hoher härte - Google Patents

Metallpulverkörper aus Schnellschnittstahl mit hoher härte Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen durch Pulvermetallurgie hergestellten Schnellarbeitsstahlartikel, der durch hohe Härte und Verschleißbeständigkeit insbesondere bei hohen Temperaturen gekennzeichnet ist, der Verwendung bei der Herstellung von Vorrichtungsschneidwerkzeugen, wie Wälzfräsern, und anderen Werkzeuganwendungen, die eine sehr hohe Verschleißbeständigkeit erfordern, geeignet ist.
  • Bei Werkzeuganwendungen, die eine hohe Härte und Verschleißbeständigkeit erfordern, wobei das Werkzeug während der Verwendung erhöhten Temperaturen von über etwa 538°C (1000°F) und bis zu beispielsweise 649°C (1200°F) ausgesetzt wird, wird typischerweise ein Carbidmaterial zur Herstellung dieser Werkzeuge verwendet. Carbidmaterial hat jedoch den deutlichen Nachteil, dass es schwierig zu den gewünschten Werkzeugkonfigurationen, insbesondere komplizierten Schneideoberflächen, mechanisch zu bearbeiten ist, und es ist durch eine relativ schlechte Zähigkeit gekennzeichnet, die ein daraus hergestelltes Werkzeug für ein Reißen und Absplittern während der Verwendung empfänglich macht. Bei diesen Anwendungen werden günstigerweise Schnellarbeitsstähle statt Carbidmaterialien verwendet, da Schnellarbeitsstähle leichter zu den gewünschten Werkzeugkonfigurationen mechanisch zu bearbeiten sind und eine viel höhere Zähigkeit als Carbidmaterialien zeigen. Schnellarbeitsstähle wurden jedoch bei diesen Anwendungen bisher nicht verwendet, da sie die notwendige Härte und damit Verschleißbeständigkeit bei den erhöhten Temperaturen, bei denen herkömmliche Carbidwerkzeuge verwendet werden, nicht aufweisen.
  • Eine Schnellarbeitswerkzeugstahlzusammensetzung, die hohe Härte und hohe Zähigkeit bereitstellt, ist aus der US-A-4 880 461 bekannt.
  • Die Erfindung betrifft allgemein einen durch Pulvermetallurgie hergestellten Schnellarbeitsstahlartikel aus kompaktierten, für Schnellarbeitsstahl vorlegierten Pulverteilchen mit einer verbesserten Kombination von Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit, der im Wesentlichen aus – in Gew.-% – 2,4 bis 3,9 Kohlenstoff, bis zu 0,8 Mangan, bis zu 0,8 Silicium, 3,75 bis 4,75 Chrom, 9,0 bis 11,5 Wolfram, 4,75 bis 10,75 Molybdän, 4,0 bis 10,0 Vanadium und 8,5 bis 16,0 Cobalt, wobei kein Niob oder 2,0 bis 4,0 Niob vorhanden ist, und zum Rest Eisen und beiläufigen Verunreinigungen besteht.
  • Die folgenden sind zweckmäßige und bevorzugte Schnellarbeitsstahlzusammensetzungen in Gew.-% gemäß der Erfindung.
  • Figure 00020001
  • Der Artikel gemäß der Erfindung kann eine minimale Härte eines Rc-Werts von 70 im abschreckgehärteten und angelassenen Zustand aufweisen und vorzugsweise eine minimale Härte eines Rc-Werts von 61 nach einem Anlassen bei 649°C (1200°F) aufweisen. Vorzugsweise kann die minimale Härte im abschreckgehärteten und angelassenen Zustand ein Rc-Wert von 72 sein.
  • Vorzugsweise kann die Härte nach einem Anlassen bei 649°C (1200°F) ein Rc-Wert von 63 sein.
  • Der Artikel gemäß der Erfindung kann in der Form eines Vorrichtungsschneidwerkzeugs, wie eines Wälzfräsers, oder einer Oberflächenbeschichtung auf einem Substrat sein.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines durch Pulvermetallurgie hergestellten Schnellarbeitsstahlartikels, der zur Herstellung von Vorrichtungsschneidwerkzeugen, wie Wälzfräsern, und anderen Werkzeuganwendungen, die eine hohe Verschleißbeständigkeit erfordern, verwendbar ist. Das Material soll die hohe Härte bei erhöhten Temperaturen, die bei Carbidschneidwerkzeuganwendungen vorweggenommen ist, erreichen und beibehalten können und dennoch den Vorteil von Schnellarbeitsstählen im Hinblick auf Zähigkeit und maschinelle Bearbeitbarkeit aufweisen.
  • Es folgt nun eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung durch ein nicht-beschränkendes Beispiel, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei:
  • 1 ein Diagramm ist, das die Reaktion von Legierungen gemäß der Erfindung auf ein Anlassen im Vergleich mit herkömmlichen durch Pulvermetallurgie hergestellten Legierungen zeigt; und
  • 2 ein Diagramm ist, das die Härte von Legierungen gemäß der Erfindung in der Wärme im Vergleich zu herkömmlichen durch Pulvermetallurgie hergestellten Legierungen zeigt.
  • Zur Demonstration der Erfindung wurden durch Pulvermetallurgie hergestellte Artikel zum Testen mit den in Tabelle 1 angegebenen Legierungszusammensetzungen in Gew.-% hergestellt.
  • Figure 00040001
  • Figure 00050001
  • Die Artikel zum Testen, deren Zusammensetzungen in Tabelle 1 angegeben sind, wurden durch herkömmliche Pulvermetallurgieverfahren, die die Produktion eines vorlegierten Pulvers durch Stickstoffgaszerstäubung und eine anschließende Verfestigung zur vollen Dichte durch statisches Kompaktieren in der Wärme umfassen, hergestellt.
  • Die Prüflinge von Tabelle 1 wurden austenitisiert, in Öl abgeschreckt und viermal, jedes Mal 2 h, bei den in Tabelle 2 angegebenen Temperaturen angelassen. Sie wurden dann getestet, wobei die Härte nach dem Anlassen bei diesen Temperaturen ermittelt wurde. Die Verschleißbeständigkeit wurde, wie in Tabelle 3 angegeben, durch Stiftverschleißtests und Kreuzzylindertests bestimmt. Die Biegebruchfestigkeit und Charpy-C-Kerbschlagzähigkeit wurde an Längs- und Querprüflingen nach einer Wärmbehandlung unter Verwendung der in Tabelle 3 angegebenen Härtungs- und Anlasstemperaturen bestimmt. Tabelle 2: Reaktion auf das Anlassen von potentiellen Legierungen für eine Anwendung sehr hoher Härte
    Figure 00060001
    Figure 00070001
    Tabelle 3: Charpy-C-Kerbschlagenergie, Biegebruchfestigkeit und Verschleißbeständigkeit von ausgewählten Legierungen für eine Anwendung sehr hoher Härte
    Figure 00080001
    zur Umwandlung von °F in °C wird verwendet:
    Figure 00080002
  • Die Legierungen A1a bis A1d, A2a bis A2e und A3a bis A3c sind Legierungszusammensetzungen gemäß der Erfindung. Wie aus den in Tabelle 2 angegebenen Daten der Reaktion auf Anlassen ersichtlich und in 1 graphisch dargestellt ist, zeigten Legierungen der Reihen A1, A2 und A3 gemäß der Erfindung eine hervorragende Härte bei Anlasstemperaturen bis zu 649°C (1200°F) in Bezug auf die existierenden handelsüblichen Legierungen. In ähnlicher Weise zeigten, wie in Tabelle 3 angegeben, die Prüflinge A1c, A2a, A2d und A3a gemäß der Erfindung ebenfalls eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, die durch die Stiftabnutzungs- und Kreuzzylindertestergebnisse bestimmt wurden. Von diesen erfindungsgemäßen Legierungen zeigten die Legierungen A1 eine optimale Kombination von einer Reaktion auf Anlassen und Verschleißbestän digkeit. Die Legierungen A2 zeigten eine etwas niedrigere Härte nach einem Anlassen bei 649°C (1200°F), jedoch eine etwas verbesserte Zähigkeit und Biegebruchfestigkeit als die Legierungen A1. Alle erfindungsgemäßen Legierungen zeigten jedoch, wie in Tabelle 3 und 1 angegeben ist, verbesserte Kombinationen von einer Reaktion auf Anlassen, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit gegenüber den existierenden handelsüblichen Legierungen. Tabelle 4: Härte in der Wärme (HRC) von CPM Rex 76 und neuen Legierungen
    Figure 00090001
    zur Umwandlung von °F in °C wird verwendet:
    Figure 00090002
  • Tabelle 4 und 2 geben die Werte der Härte in der Wärme für die Legierungen A1c, A2d, A2c und A3a gemäß der Erfindung im Vergleich mit der existierenden handelsüblichen Legierung (REX76) an. Aus diesen Daten ist ersichtlich, dass alle erfindungsgemäßen Legierungen eine verbesserte Härte in der Wärme bei erhöhten Temperaturen bis zu 1300°F im Vergleich zu der existierenden handelsüblichen Legierung, zeigten.
  • In der Beschreibung angegebene Zusammensetzungen sind, falls nicht anders angegeben, in Gew.-% angegeben.

Claims (15)

  1. Durch Pulvermetallurgie hergestellter Schnellarbeitsstahlartikel aus kompaktierten, für Schnellarbeitsstahl vorlegierten Pulverteilchen mit einer verbesserten Kombination von Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit, der aus – in Gew.-% – 2,4 bis 3,9 Kohlenstoff, bis zu 0,8 Mangan, bis zu 0,8 Silicium, 3,75 bis 4,75 Chrom, 9,0 bis 11,5 Wolfram, 4,75 bis 10,75 Molybdän, 4,0 bis 10,0 Vanadium und 8,5 bis 16,0 Cobalt, wobei kein Niob oder 2,0 bis 4,0 Niob vorhanden ist, und zum Rest Eisen und beiläufigen Verunreinigungen besteht.
  2. Artikel nach Anspruch 1, der 2,6 bis 3,5 Kohlenstoff, 3,75 bis 4,75 Chrom, 9,0 bis 11,5 Wolfram, 9,5–10,75 Molybdän, 4,0 bis 6,0 Vanadium, 2 bis 4 Niob und 14,0 bis 16,0 Cobalt aufweist.
  3. Artikel nach Anspruch 2, der 3,0 bis 3,3 Kohlenstoff, maximal 0,5 Mangan, maximal 0,5 Silicium, 4,2 bis 4,6 Chrom, 10,5 bis 11,0 Wolfram, 10,0 bis 10,5 Molybdän, 5,0 bis 5,5 Vanadium, 2,8 bis 3,2 Niob und 14,5 bis 15,0 Cobalt aufweist.
  4. Artikel nach Anspruch 1, der 2,4–3,2 Kohlenstoff, 3,75 bis 4,5 Chrom, 9,75 bis 10,75 Wolfram, 6,75 bis 8,25 Molybdän, 5,0 bis 7,0 Vanadium und 13,0 bis 15,0 Cobalt aufweist.
  5. Artikel nach Anspruch 4, der 2,9–3,10 Kohlenstoff, maximal 0,5 Mangan, maximal 0,5 Silicium, 3,9 bis 4,2 Chrom, 10,0 bis 10,5 Wolfram, 7,25 bis 7,75 Molybdän, 6,0 bis 6,5 Vanadium und 14,0 bis 14,5 Cobalt aufweist.
  6. Artikel nach Anspruch 1, der 2,9–3,9 Kohlenstoff, 3,75 bis 4,5 Chrom, 9,5 bis 11,0 Wolfram, 4,75 bis 6,0 Molybdän, 8,5 bis 10,0 Vanadium und 8,5 bis 10,0 Cobalt aufweist.
  7. Artikel nach Anspruch 6, der 3,2–3,6 Kohlenstoff, maximal 0,5 Mangan, maximal 0,5 Silicium, 3,9 bis 4,2 Chrom, 10,0 bis 10,5 Wolfram, 5 bis 5,5 Molybdän, 9,0 bis 9,5 Vanadium und 9,0 bis 9,5 Cobalt aufweist.
  8. Artikel nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, oder 7, der eine minimale Härte eines Rc-Werts von 70 im abschreckgehärteten und angelassenen Zustand aufweist.
  9. Artikel nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, oder 7, der eine minimale Härte eines Rc-Werts von 61 im abschreckgehärteten und angelassenen Zustand, wenn bei 649°C (1200°F) angelassen wurde, aufweist.
  10. Artikel nach Anspruch 8, wobei die minimale Härte ein Rc-Wert von 72 ist.
  11. Artikel nach Anspruch 9, wobei die minimale Härte, wenn bei 649°C (1200°F) angelassen wurde, ein Rc-Wert von 63 ist.
  12. Artikel nach Anspruch 8, wobei dieser ein Vorrichtungsschneidwerkzeug ist.
  13. Artikel nach Anspruch 9, wobei dieser ein Vorrichtungsschneidwerkzeug ist.
  14. Artikel nach Anspruch 8, wobei dieser eine Oberflächenbeschichtung auf einem Substrat ist.
  15. Artikel nach Anspruch 9, wobei dieser eine Oberflächenbeschichtung auf einem Substrat ist.
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