EP0130177A1 - Sinterlegierung auf Eisenbasis - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an iron-based sintered alloy, especially for cold work tools.
- a sintered alloy for internal combustion engines which, in addition to carbon, chromium, niobium, molybdenum and nickel, has a minimum content of 0.1% by weight of phosphorus, whereby liquid phase sintering at temperatures below 1250 ° C. is achieved shall be.
- Such an alloy is provided for valve seats, piston rings and the like.
- Ledeburitic steels with 12% chromium and a carbon content of around 3% have a particularly high carbide content of around 30% by volume. A hardness of approx. 66 to 70 HRc can be achieved with this. These steels are characterized by high hardenability and excellent wear resistance as well as small dimensional changes during hardening. The mechanical strength and the hot formability are relatively low. In order to increase the hot formability, it has already been proposed to remodel such alloys using the electroslag remelting process melt. Thus, a slight increase, although the mechanical strength can be achieved, while at the same arnverformbarkeit to an improvement in the W to approximately twice the value.
- the object of the present invention is now to provide an iron-based sintered alloy which has an increased carbide content, has increased mechanical strength values compared to a corresponding alloy obtained by melt metallurgy and which has a longer service life due to the increased carbide content , and which has a high thermoformability based on the carbide content.
- An additional content of 0.4 to 0.7% by weight of manganese also improves the sinterability of the alloy.
- the alloy can additionally have a content of 0.05 to 2.0% by weight of tantalum.
- the alloy has a content of between 0.02 and 2.0% by weight of boron, it is completely surprising that the hot-formability is fully retained, and at the same time the service life can be increased via the boride content.
- the alloys listed in Table 1 were produced by melt metallurgy, part of the melt being poured off directly, and another part being kept in a nitrogen atomization process to obtain the desired powder. This powder was processed by hot isostatic pressing at a temperature of approximately 1050 ° C. at 1000 bar and an exposure time of 3 hours. Samples were produced from the compacts or cast blocks thus obtained, which were then subjected to the tests were thrown. In order to determine the rotational speed at 1100 ° C., the samples were heated to 1100 ° C. and kept at this temperature for 15 minutes and then rotated in a warm torsion device until they broke. To determine the bending strength ( bB ) the sample was adjusted to a hardness of 63 HRc by tempering.
- Table 2 compares the hardness, the flexural strength and the number of twists to break at 1100 ° C. of the cast samples with those obtained by sintered metallurgy. This comparison shows, on the one hand, that the hardness values of the alloys obtained by sinter metallurgy are the same or slightly higher than the comparative alloy. In contrast, the flexural strength of the powder metallurgical alloys is in any case higher. The speed of rotation of sintered metallurgical alloys is significantly higher than that of cast samples.
- Alloy 2 has good hot formability despite the increased carbon content.
- tantalum does not impair the strength and a corresponding deformability is still maintained.
- the increased tantalum and niobium contents show a reduction in the bending strength and the deformability, which is directly attributable to the increased proportion of carbides.
- wear resistance I increases wear resistance
- niobium increases the wear resistance, whereby both the flexural strength and the warm torsion resistance are reduced.
- alloys 8 and 10 the hot formability of the casting alloys is exceptional Lich bad, whereas this has been preserved with the powder metallurgical alloy.
- Silicon increases the strength, as can be seen from the values for alloys 9 and 10.
- the properties of alloy 11 essentially correspond to those of alloy 7, the addition of manganese increasing the sinterability. Due to the high carbon content of alloy 12, the cast alloy has extremely low values, whereas the powder metallurgical values still correspond.
- the statements for alloy 13 correspond to those for alloy 12. Alloy 14 has a higher strength due to the increased silicon content, the deformability still being fully given.
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Abstract
Sinterlegierung auf Eisenbasis mit Kohlenstoff, Chrom, Niob, Molybdän, Vanadin, Wolfram und gegenbenenfalls Bor und/oder Tantal, insbesondere für Kaltarbeitswerkzeuge, wobei sie einen Gehalt an Gew.-% Kohlenstoff 2,3 bis 4,4, insbesondere 3,5 bis 4,4 Chrom 11,0 bis 15,0 Molybdän 0,2 bis 2,0 Vanadin 3,5 bis 6,5 Wolfram 0,2 bis 3,0 Niob 0,1 bis 2,5, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 Silizium, vorzugsweise 0,4 bis 0,7 Mangan, vorzugsweise 0,05 bis 2,0 Tantal, vorzugsweise 0,02 bis 2,0 Bor, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen aufweist.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sinterlegierung auf Eisenbasis, insbesondere für Kaltarbeitswerkzeuge.
- Aus der DE-OS 22 04 886 wird eine Legierung mit etwa 5 Gew.-% Molybdän, 6 Gew.-% wolfram, 4 Gew.-% Chrom, 2 Gew.-% Vanadium, 1 Gew.-% Kohlenstoff und Rest Eisen bekannt, die durch Mischung einer Legierung aus 24 Gew.-% Wolfram, 17 Gew.-% Chrom, 8 Gew.-% Vanadium, 19 Gew.-% Molybdän, 2 Gew.-% Silizium und 4 Gew.-% Kohlenstoff und einem duktilen Eisenpulver mit nachfolgendem Verpressen und Sintern erhalten wird.
- Aus der DE-OS 30 15 897 wird eine Sinterlegierung für Verbrennungsmotoren bekannt, die neben Kohlenstoff, Chrom, Niob, Molybdän und Nickel einen Mindestgehalt von 0,1 Gew.-% Phosphor ausweist, wodurch ein Flüssigphasensintern bei Temperaturen unterhalb von 1250 °C erreicht werden soll. Eine derartige Legierung ist für Ventilsitze, Kolbenringe und dgl. vorgesehen.
- 12 % Chrom aufweisende ledeburitische Stähle mit einem Kohlenstoff-Gehalt von etwa 3 %, weisen einen besonders hohen Carbidanteil von ca. 30 Vol.-% auf. Damit läßt sich eine Härte von ca. 66 bis 70 HRc erreichen. Diese Stähle zeichnen sich durch hohe Härtbarkeit und ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit sowie geringe Maßänderungen beim Härten aus. Die mechanische Festigkeit sowie die Warmverformbarkeit ist relativ gering. Um die Warmverformbarkeit zu erhöhen, wurde bereits vorgeschlagen, derartige Legierungen mit dem Elektroschlackeumschmelzverfahren umzuschmelzen. Dadurch kann zwar eine leichte Steigerung der mechanischen Festigkeit erreicht werden, wobei gleichzeitig eine Verbesserung der Warnverformbarkeit auf ca. den doppelten Wert eintritt.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Sinterlegierung auf Eisenbasis zu schaffen, die einen erhöhten Gehalt an Carbiden aufweist, gesteigerte Werte in der mechanischen Festigkeit gegenüber einer entsprechenden schmelzmetallurgisch gewonnenen Legierung besitzt, die auf Grund des erhöhten Carbid-Gehaltes eine höhere Standzeit aufweist, und die bezogen auf den Carbid-Gehalt eine hohe Warmverformbarkeit aufweist.
- Die erfindungsgemäße Sinterlegierung auf Eisenbasis, insbesondere für Kaltarbeitswerkzeuge, weist in Gew.-% einen Gehalt an
- Kohlenstoff 2,3 bis 4,4, insbesondere 3,5 bis 4,4,
- Chrom 11,0 bis 15,0
- Molybdän 0,2 bis 2,0
- Vanadin 3,5 bis 6,5
- Wolfram 0,2 bis 3,0
- Niob 0,1 bis 2,5
- Durch den hohen Anteil an Kohlenstoff und an Carbidbildnern kann ein Werkzeug, z.B. Preßstempel, Schneidwerkzeuge, Gesteinsbearbeitungswerkzeuge, Stanzwerkzeuge u. dgl., erhalten werden, das eine hohe Härte und damit Formbeständigkeit aufweist. Durch die gleichzeitige Anwesenheit von Vanadium und Wolfram wird eine bessere Einhärttiefe erreicht, wobei über den Niob-Gehalt eine höhere Härte bedingt wird. Völlig überraschend war, daß bei Zusatz von zwischen 0,2 und 0,5 Gew.-% Silizium eine Steigerung der mechanischen Festigkeit zu erreichen ist. Dieser Effekt könnte darauf zurückzuführen sein, daß bei der Herstellung des Metallpulvers sich der Silizium-Gehalt günstiger auf die sphärische Ausgestaltung der einzelnen Partikelchen auswirkt, wodurch ein günstigeres Sinterverhalten eintritt.
- Ein zusätzlicher Gehalt von 0,4 bis 0,7 Gew.-% Mangan bewirkt ebenfalls eine bessere Sinterfähigkeit der Legierung.
- Um die Standzeit des Werkzeuges zu erhöhen, kann zusätzlich die Legierung einen Gehalt zwischen 0,05 bis 2,0 Gew.-% Tantal aufweisen.
- Weist die Legierung einen Gehalt zwischen 0,02 und 2,0 Gew.-% Bor auf, so zeigt sich völlig überraschend, daß die Warmverformbarkeit voll erhalten bleibt, wobei gleichzeitig über den Borid-Gehalt eine Erhöhung der Standzeit eintreten kann.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beispiele näher erläutert.
- Die in der Tabelle 1 angegebenen Legierungen wurden schmelzmetallurgisch hergestellt, wobei ein Teil der Schmelze direkt abgegossen wurde, und ein weiterer Teil zur Gewinnung des gewünschten Pulvers im Stickstoff-Verdüsungsver-Ifahren gehalten wurde. Dieses Pulver wurde durch heißisostatisches Verpressen bei einer Temperatur von ca. 1050 0c bei 1000 Bar und Einwirkungszeit 3 Stunden, verarbeitet. Aus den so gewonnenen Preßkörpern bzw. Gußblöcken wurden Proben hergestellt, die sodann den Untersuchungen unterworfen wurden. Zur Bestimmung der Verdrehzahl bei 1100 °C wurden die Proben auf 1100 °C erhitzt und 15 min auf dieser Temperatur gehalten und sodann in einer Warmtorsionseinrichtung bis zum Bruch verdreht. Zur Bestimmung der Biegebruchfestigkeit (bB) wurde die Probe durch Vergüten auf eine Härte von 63 HRc eingestellt.
- In der Tabelle 2 sind die Härte, die Biegebruchfestigkeit sowie die Anzahl der Verdrehung bis zum Bruch bei 1100 °C von den gegossenen Proben, denjenigen, die auf sintermetallurgischem Wege gewonnen wurden, gegenübergestellt. Dieser Gegenüberstellung kann man einerseits entnehmen, daß die Härtewerte der sintermetallurgisch gewonnenen Legierungen gleich bzw. geringfügig höher als der Vergleichslegierung liegen. Demgegenüber liegt die Biegebruchfestigkeit der pulvermetallurgischen Legierungen jedenfalls höher. Die Verdrehzahl liegt bei den sintermetallurgischen Legierungen wesentlich höher als bei den gegossenen Proben.
- Die Legierung 2 weist trotz des erhöhten Kohlenstoffgehaltes gute Warmverformbarkeit auf. Wie bei Legierung 3 zu entnehmen, beeinträchtigt Tantal nicht die Festigkeit und eine entsprechende Verformbarkeit bleibt weiterhin erhalten. Bei den Legierungen 4, 5 und 6 kann durch den erhöhten Tantal- und Niobgehalt eine Absenkung der Biegefestigkeit und der Verformbarkeit festgestellt werden, was unmittelbar auf den erhöhten Anteil von Carbiden zurückzuführen ist. Allerdings wird dadurch die Verschleißfestigkeit I angehoben. Ein Zusatz von Niob erhöht, wie bei Legierung 7 zu entnehmen, die Verschleißbeständigkeit, wobei sowohl die Biegebruchfestigkeit als auch die Warmtorsionsbeständigkeit erniedrigt wird. Bei den Legierungen 8 und 10 ist die Warmverformbarkeit bei den Gußlegierungen außerordentlich schlecht, wohingegen diese bei der pulvermetallurgischen Legierung erhalten geblieben ist. Silizium erhöht, wie den Werten zu den Legierungen 9 und 10 zu entnehmen, die Festigkeit. Die Eigenschaften der Legierung 11 entsprechen im wesentlichen jenen der Legierung 7, wobei der Zusatz von Mangan die Sinterbarkeit erhöht. Auf Grund des hohen Kohlenstoffgehaltes der Legierung 12 weist die Gußlegierung außerordentlich niedrige Werte auf, wohingegen die pulvermetallurgischen Werte durchaus noch entsprechen. Die Aussagen für die Legierung 13 entsprechen jenen für die Legierung 12. Die Legierung 14 weist auf Grund des erhöhten Siliziumgehaltes eine höhere Festigkeit auf, wobei die Verformbarkeit noch voll gegeben ist.
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen auf.
Claims (2)
1. Sinterlegierung auf Eisenbasis mit Kohlenstoff, Chrom, Niob, Molybdän, Vanadin, Wolfram und gegebenenfalls Bor und/oder Tantal, insbesondere für Kaltarbeitswerkezuge, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Gehalt an Gew.-%
vorzugsweise 0,02 bis 0,5 Silizium, vorzugsweise 0,4 bis 0,7 Mangan, vorzugsweise 0,05 bis 2,0 Tantal, vorzugsweise 0,02 bis 2,0 Bor, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen aufweist.
Kohlenstoff 2,3 bis 4,4, insbesondere 3,5 bis 4,4,
Chrom 11,0 bis 15,0
Molybdän 0,2 bis 2,0
Vanadin 3,5 bis 6,5
Wolfram 0,2 bis 3,0
Niob 0,1 bis 2,5,
vorzugsweise 0,02 bis 0,5 Silizium, vorzugsweise 0,4 bis 0,7 Mangan, vorzugsweise 0,05 bis 2,0 Tantal, vorzugsweise 0,02 bis 2,0 Bor, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen aufweist.
2. Verwendung der Sinterlegierung nach Anspruch 1 für Kaltarbeitswerkzeuge.
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