EP0341643B1 - Korrosionsbeständiger Kaltarbeitsstahl und diesen Kaltarbeitsstahl aufweisender Stahlmatrix-Hartstoff-Verbundwerkstoff - Google Patents

Korrosionsbeständiger Kaltarbeitsstahl und diesen Kaltarbeitsstahl aufweisender Stahlmatrix-Hartstoff-Verbundwerkstoff Download PDF

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EP0341643B1
EP0341643B1 EP89108269A EP89108269A EP0341643B1 EP 0341643 B1 EP0341643 B1 EP 0341643B1 EP 89108269 A EP89108269 A EP 89108269A EP 89108269 A EP89108269 A EP 89108269A EP 0341643 B1 EP0341643 B1 EP 0341643B1
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
    • C22C33/0278—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
    • C22C33/0292—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with more than 5% preformed carbides, nitrides or borides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
    • C22C33/0278—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5%
    • C22C33/0285—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements with at least one alloying element having a minimum content above 5% with Cr, Co, or Ni having a minimum content higher than 5%

Definitions

  • the invention relates to a cold work steel formed by hot isostatic pressing of a prealloyed powder and to a steel matrix-hard material composite material containing such a cold work steel.
  • DE-PS 29 37 724 describes a cold work steel known as CPM 10 V with the following analysis (in percent by weight): 2.45 C. 0.50 mn 0.90 Si 5.25 cr 9.75 V. 1.30 mo 0.07 p Rest of Fe. For him, the carbide content is approx. 33% by volume with an MC content of approx. 16%.
  • the materials mentioned are characterized by good machinability, since the carbide distribution is in fine form.
  • the object of the invention is to provide a cold work steel which has both a high carbide content and is corrosion-resistant, as well as a steel matrix-hard material composite material containing such cold work steel, which is corrosion-resistant and in which the service hardness of the steel matrix is the hardness of the hard material is as close as possible.
  • the pre-alloyed powder which is preferably obtained by atomizing - most preferably spherical - has a grain size of less than 500 micrometers in pure cold work steel.
  • the grain size - spherical or speckled - in adaptation to a hard material powder with a grain size of 5-10 micrometers is preferably less than 50 micrometers.
  • CPM T 440 Another well-known stainless cold steel sold under the name CPM T 440 with the composition (in percent by weight) 2.20 C. 0.50 mn 0.50 Si 17.50 cr 5.75 V. 0.50 mo 0.06 p Rest of Fe can at best be described as inert because, due to the high carbon layer of 2.20%, most of the 17.50% chromium present is bound in the form of carbides, so that the matrix sinks below the resistance limit of 13% chromium.
  • this steel Due to the favorable ratio of service hardness to annealing hardness, i.e. low annealing hardness and high service hardness, in connection with its corrosion resistance, this steel also forms the matrix basis for an advantageous metal matrix-hard material composite material of the basic type, as described for example in DE-OS 35 07 332, because this composite material is itself easily machinable in the soft-annealed state and is resistant to abrasive wear in the hardened state of the matrix, since washing out of the matrix is largely avoided due to the proximity of the hardness of the matrix and hardness of the hard material.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen durch heißisostatisches Pressen eines vorlegierten Pulvers gebildeten Kaltarbeitsstahl sowie einen einen solchen Kaltarbeitsstahl enthaltenden Stahlmatrix-Hartstoff-Verbundwerkstoff.
  • Eine frühere Entwicklung der Anmelderin ist der mittlerweile als Werkstoff 1.2380 genormte Kaltarbeitsstahl X 225 Cr V Mo 13 4 mit der Analyse (in Gewichtsprozent)
    2,25 C,
    0,4 Si,
    0,4 Mn,
    13,0 Cr,
    4,1 V,
    1,1 Mo,
    Rest Fe.
  • Ein noch höher legierter Kaltarbeitsstahl X 320 Cr V Mo 13 5 wurde ebenfalls entwickelt und hergestellt. Seine Analyse (in Gewichtsprozent) ist wie folgt:
    3,2 C
    0,4 Si
    0,4 Mn
    13,0 Cr
    5,0 V
    1,2 Mo
    0,7 W
    Rest Fe

    Der Carbid-Gehalt beim erstgenannten Stahl beträgt ca. 24 Vol.-% bei einem MC-Gehalt (Gehalt an Nichteisenmetallcarbiden) von ca. 6,5 Vol.-%, beim letztgenannten Stahl beträgt dieser Carbidgehalt ca. 48 Vol.-% bei einem MC-Gehalt von ca. 8,5 %.
  • In der DE-PS 29 37 724 ist ein unter der Bezeichnung CPM 10 V bekannter Kaltarbeitsstahl mit folgender Analyse (in Gewichtsprozent) beschrieben:
    2,45 C
    0,50 Mn
    0,90 Si
    5,25 Cr
    9,75 V
    1,30 Mo
    0,07 S
    Rest Fe.

    Bei ihm macht der Carbid-Gehalt ca. 33 Vol.-% bei einem MC-Gehalt von ca. 16 % aus.
  • Aufgrund des hohen Anteils an MC eignen sich diese Werkstoffe gut für Verschleißbeanspruchungen. Auch diese Werkstoffe werden pulvermetallurgisch nach dem HIP-Verfahren (heißisostatisches Pressen) hergestellt.
  • Die genannten Werkstoffe zeichnen sich trotz des hohen Carbid-Anteils durch eine gute Bearbeitbarkeit aus, da eine Carbidverteilung in feiner Form vorliegt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kaltarbeitsstahl, der sowohl einen hohen Carbid-Anteil besitzt als auch korrosionsbeständig ist, sowie einen einen solchen Kaltarbeitsstahl enthaltenden Stahlmatrix-Hartstoff-Verbundwerkstoff zu schaffen, welcher korrosionsbeständig ist und bei welchem die Gebrauchshärte der Stahlmatrix der Härte des Hartstoffes möglichst nahe gerückt ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kaltarbeitsstahl gemäß Anspruch 1 bzw. eines Stahlmatrix-Hartstoff-Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 4 gelöst.
  • Vorteilhafte und höchst vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3 bzw. 5 und 6.
  • Das bevorzugt durch Verdüsen gewonnene - höchst bevorzugt kugelige - vorlegierte Pulver hat beim reinen Kaltarbeitsstahl vorzugsweise eine Korngröße von kleiner 500 Mikrometer. Im Falle der Metallmatrix des Verbundwerkstoffes beträgt die Korngröße - kugelig oder spratzig - in Anpassung an ein Hartstoffpulver mit einer Korngröße von 5 - 10 Mikrometer vorzugsweise kleiner 50 Mikrometer.
  • Es sind seit langem korrosionsbeständige Stähle wie der AISI 440 C mit ca. (in Gewichtsprozent)
    1,1 C
    17,0 Cr
    0,6 Mo
    Rest Fe,
    (genormt unter 1.4125) bekannt, die sich jedoch aufgrund ihrer niedrigen Carbid-Lage nicht mit den davor erwähnten Stählen vergleichen lassen.
  • Ein ebenfalls bekannter, unter der Bezeichnung CPM T 440 vertriebener rostfreier Kaltarbeitsstahl mit der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent)
    2,20 C
    0,50 Mn
    0,50 Si
    17,50 Cr
    5,75 V
    0,50 Mo
    0,06 S
    Rest Fe

    kann bestenfalls als korrosionsträge bezeichnet werden, da wegen der hohen Kohlenstofflage von 2,20 % das meiste der vorhandenen 17,50 % Chrom in Form von Carbiden gebunden ist, so daß die Matrix wieder unter die Resistenzgrenze von 13 % Chrom absinkt.
  • Aufgrund der hohen Chrom-Lage beim erfindungsgemäßen Kaltarbeitsstahl bleibt dagegen über das als Carbid gebundene Chrom hinaus ausreichend Chrom in der Matrix vorhanden, um die gewünschte Korrosionsbeständigkeit zu erhalten.
  • Bei einer Versuchscharge dieses Stahls aus kugeligem vorlegierten Pulver einer Korngröße kleiner 500 Mikrometer und mit der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent)
    2,31 C
    0,44 Si
    0,50 Mn
    0,016 P
    0,019 S
    25,30 Cr
    0,18 Ni
    1,18 Mo,
    und ein Vanadiumgehalt im Bereich des Anspruchs 1

    die bei einer Temperatur von 1200 °C und einem Druck von 1000 bar über 3 Stunden heißisostatisch verdichtet wurde, ergaben sich nach einer Wärmebehandlung mit folgenden Parametern:
    Härtungsbedingungen:  Halten bei 1200 °C über 20 Min., Abschrecken in Öl
    Anlassen:  zweimal über 2 Stunden auf 560 °C bis 570 °C an Luft
    folgende Werkstoffeigenschaften:  
    Glühhärte (nach dem Weichglühen) 27 HRC
    Gebrauchshärte 57 HRC
    Biegefestigkeit 3050 MPa

    Korrosion
    Abtragungsrate w:
    (in 20 %-iger siedender Essigsäure) 20 mm/a

    Verschleiß
    Abtragunsrate W:  
    - Flint (80) 3,2 · 10⁻⁵ mm/a
    - Korund (80) 4,0 · 10⁻⁵ mm/a
    - SiC (80) 3,8 · 10⁻⁵ mm/a.

    Im Vergleich dazu hat der eingangs erwähnte nicht korrosionsbeständige Stahl X 225 Cr V Mo 13 4 in siedender Essigsäure eine Abtragungsrate von 344 mm/a.
    Der erfindungsgemäße Werkstoff zeichnet sich zusammenfassend durch folgendes Eigenschaftsprofil aus:
    • günstige Gebrauchshärte
    • günstiges Verhältnis Gebrauchshärte zu Glühhärte
    • ausreichende Biegefestigkeit
    • hohe Verschleißbeständigkeit
    • ausreichende Korrosionsfestigkeit,
    wobei dieser Stahl einen Carbid-Gehalt von 43 Vol.-% bei einem Gehalt von 6,5 Vol.-% an MC-Carbid besitzt.
  • Aufgrund des günstigen Verhältnisses von Gebrauchshärte zu Glühhärte, d.h. niedriger Glühhärte und hoher Gebrauchshärte, in Verbindung mit seiner Korrosionsbeständigkeit stellt dieser Stahl auch die Matrix-Basis für einen vorteilhaften Metallmatrix-Hartstoff-Verbundwerkstoff der prinzipiellen Art, wie sie etwa in der DE-OS 35 07 332 beschrieben ist, dar, weil dieser Verbundwerkstoff im weichgeglühten Zustand selbst gut spanend bearbeitbar ist und im gehärteten Zustand der Matrix widerstandsfähig gegen abrasiven Verschleiß ist, da wegen der Nähe von Gebrauchshärte der Matrix und Härte des Hartstoffes ein Auswaschen der Matrix weitgehend vermieden ist.

Claims (6)

  1. Korrosionsbeständiger Kaltarbeitsstahl, gebildet durch heißisostatisches Pressen von vorlegiertem Pulver der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) 2,0 - 3,5 C 0 - 1,5 Si 0 - 1,5 Mn 23,0 - 27,0 Cr 0,5 - 2,5 Mo 3,0 - 6,0 V Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen
  2. Korrosionsbeständiger Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1 mit der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) 2,0 - 3,5 C 0 - 1,5 Si 0 - 1,5 Mn 24,0 - 26,0 Cr 0,5 - 2,5 Mo 3,0 - 6,0 V Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
  3. Korrosionsbeständiger Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 2 mit der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) 2,3 C ≦ 0,4 Si ≦ 0,4 Mn 25,0 Cr 1,0 Mo 4,1 V. Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
  4. Stahlmatrix-Hartstoff-Verbundwerkstoff, gebildet durch heißisostatisches Pressen eines Pulvergemisches bestehend aus 60 bis 90 Vol-% eines vorlegierten Pulvers von härtbarer Kaltarbeitsstahlmatrix der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) 2,0 - 3,5 C 0 - 1,5 Si 0 - 1,5 Mn 23,0 - 27,0 Cr 0,5 - 2,5 Mo 3,0 - 6,0 V Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen
    und 40 bis 10 Vol.-% eines Pulvers eines der Hartstoffe TiC, Al₂O₃, B₄C, VC oder eines Gemisches aus zwei oder mehr dieser Hartstoffe.
  5. Stahlmatrix-Hartstoff-Verbundwerkstoff, nach Anspruch 4 mit einer Kaltarbeitsstahlmatrix der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) 2,0 - 3,5 C 0 - 1,5 Si 0 - 1,5 Mn 24,0 - 26,0 Cr 0,5 - 2,5 Mo 3,0 - 6,0 V Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
  6. Stahlmatrix-Hartstoff-Verbundwerkstoff nach Anspruch 5 mit einer Kaltarbeitsstahlmatrix der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) 2,3 C ≦ 0,4 Si ≦ 0,4 Mn 25,0 Cr 1,0 Mo 4,1 V Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
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