EP1249510B1 - Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Gegenständen aus Werkzeugstahl - Google Patents

Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Gegenständen aus Werkzeugstahl Download PDF

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EP1249510B1
EP1249510B1 EP01890158A EP01890158A EP1249510B1 EP 1249510 B1 EP1249510 B1 EP 1249510B1 EP 01890158 A EP01890158 A EP 01890158A EP 01890158 A EP01890158 A EP 01890158A EP 1249510 B1 EP1249510 B1 EP 1249510B1
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melt
temperature
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container
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EP1249510A3 (de
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Claes Dipl.-Ing. Tornberg
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Voestalpine Boehler Edelstahl GmbH
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Boehler Edelstahl GmbH
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    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working

Definitions

  • the invention relates to a process for powder metallurgy production of tool steel articles having improved homogeneity, higher purity and improved properties.
  • the invention relates to a tool steel article with improved property profile.
  • Tool steels with high carbon concentrations and high levels of carbide-forming elements are used for cutting parts and components with high wear resistance. Because in a solidification of such alloys in molds inhomogeneities and coarse primary and eutectic carbides are formed which cause manufacturing problems and poor mechanical properties of the tools or components created therefrom, powder metallurgy production of such parts is advantageous.
  • Powder metallurgy production essentially involves atomizing a tool steel melt into metal powder, introducing and compacting the metal powder into a container, sealing the capsule, and heating and hot isostatically pressing the powder in the capsule into a dense homogeneous material.
  • melt atomization which is advantageously nitrogen-based in the prior art
  • small metal droplets having a high surface to volume ratio are formed in the gas stream, causing a high rate of cooling and solidification of the liquid metal and thereby small carbide particles in the powder grains.
  • the powder compacted at first by tapping in the capsule is then formed therein by hot isostatic pressing at temperatures generally above 1080 ° C, at a pressure of greater than 85 MPa, to form a completely dense metal body.
  • This as-HIPed metal body which can still be subjected to hot working, has an advantageously low carbide size of 1-3 on average, with a high carbide content um and good mechanical material properties in comparison with a melt metallurgical production on.
  • the invention seeks to remedy and sets itself the goal of eliminating the lack of quality of the state-of-the-art PM tool steel objects and to provide a method of the type mentioned above, with which an isostatically pressed metal body with the highest material isotropy and lowest content oxide inclusions can be produced.
  • the invention aims at a tool steel object with improved processing and service properties with increased service life.
  • the advantages achieved by the method according to the invention are essentially based on the fact that synergistically improved metallurgical work on a melt introduced into a metallurgical vessel whose oxidic purity significantly and the temperature is adjusted homogeneously to an advantageous overheating value, after which an atomization of the liquid metal takes place in that the mean grain diameter is 50 to 70 ⁇ m.
  • This ensures that on the one hand in the powder, the oxygen content is surprisingly low and on the other hand, the fine grain content is substantially increased in terms of achieving a high tapping and Jottelêt in the capsule.
  • An inventive distribution of the grain diameter with an average value in the range of 50 to 70 microns allows reaching an unexpectedly high powder density in the capsule, so that on the one hand their shrinkage in hot isostatic pressing is low and on the other hand there is a largely complete isotropy of the pressed dense metal body.
  • the parameters for the hot isostatic press cycle involve warming up the powder in the container with substantially the same increase in temperature and pressure, which has already been shown to increase the Material density and homogeneity can be achieved.
  • the subsequent pressing is carried out in the temperature range of 1100 ° C to 1180 ° C at a pressure of 90 MPa and greater with a period of at least three hours, followed by a slow cooling of the compact.
  • Lower pressing temperatures than 1100 ° C and pressures below 90 MPa and less pressing times than three hours can cause discontinuities in the material
  • the pressed body has a completely dense material structure after HIPing, so it can be processed into a tool in this state or after hot working.
  • a particularly significant increase in the quality of the article is achieved in its production by the process according to the invention, when the melt of an iron-based alloy containing in wt .-% Carbon (C) 0.52 to 3.74 Manganese (Mn) to 2.9 Chrome (Cr) to 21.0 Molybdenum (Mo) to 10.0 Nickel (Ni) optionally to 1.0 Cobalt (Co) to 20.8 Vanadin (V) to 14.9 Niobium (Nb) Tantalum (Ta) singly or in total to 2.0 Tungsten (W) to 20.0 Sulfur (S) to 0.5 and accompanying elements up to a cumulative concentration of 4.8 and impurities and iron as the remainder.
  • the above chemical composition of the tool steel includes particularly carbide-rich tool steels with high abrasion resistance and high cutting strength of the tools produced therefrom. Since high carbide contents usually worsen the mechanical properties of the material, their fundamental improvement by the method according to the invention is of particular importance. It has been found that these high mechanical properties, in particular the impact resistance of the material, are due to the small mean grain diameter of the powder, a homogeneous dense bed of the same in the capsule and the high degree of oxidic purity in isotropic structure of the hot isostatically pressed article ,
  • the oxidic purity of the liquid metal can be effectively improved by metallurgical work, when conditioning the melt in the metallurgical vessel at an induced turbulent flow thereof and at a complete coverage of the metal bath by liquid slag, which is heated in particular by direct passage of current, during a time of at least 15 minutes.
  • liquid slag which is heated in particular by direct passage of current, during a time of at least 15 minutes.
  • a release of oxygen compounds or oxides is promoted from the melt and a recording of the same in the hot slag, wherein the induced flow of the metal bath increases the efficiency.
  • the conditioned melt introduced through a nozzle body in the metallurgical vessel with a melt flow diameter of 4.0 to 10.0 mm in a Verdüsungshunt and in this with at least three successive nitrogen, with a purity of At least 99.999% nitrogen, formed gas jets is acted upon with the proviso that the last loading of the melt stream is effected by a gas jet, which at least in places has a speed which is greater than the speed of sound. Compliance with the melt flow diameter and the high kinetic energy of the gas flow of the metal stream cause a favorable particle size distribution and a desired fineness of the metal powder produced.
  • the conditioning and adjustment of the temperature of the liquid metal in the metallurgical vessel and the high degree of purity of the sputtering gas nitrogen are further the causes of a surprisingly high degree of purity or a low oxygen content of the powder and as a result of the H exertisostatisch gerpeßten block.
  • the diameter of the powder grains atomization technology is adjusted or classified to a maximum value of 500 microns.
  • the powder collected in a staging area is fluidized and mixed by nitrogen and, while maintaining the nitrogen atmosphere, in a container or capsule having a total weight greater than 0, 5 t introduced, by mechanical shocks compressed and sealed gas-tight.
  • the heat-soaking time can be shortened due to increased heat conduction and the powder mass can be precompressed with respect to a substantially complete block isotropy.
  • the further object of the invention to provide a tool steel article with improved processing and service properties with increased service life is in a powder metallurgy tool made of tool steel with improved material properties consisting of an iron-based alloy containing in wt .-% Carbon (C) 0.52 to 3.74 Manganese (Mn) to 2.9 Chromium (Ce) to 21.0 Molybdenum (Mo) to 10.0 Nickel (Ni) optionally to 1.0 Cobalt (Co) to 20.8 Vanadin (V) to 14.9 Niobium (Nb) Tantalum (Ta) singly or in total to 2.0 Tungsten (W) to 20.0 Sulfur (S) to 0.5 and accompanying elements up to a total concentration of 4.8 and impurities and iron as the remainder, which material according to DIN 50 602 has a K0-W of at most 3, achieved.
  • Tool steels have a wide range of the concentration of the respective alloying elements, which always interact and are seen in terms of carbon content.
  • Lower carbon contents than 0.52 wt .-% lead to a low carbide content and / or low matrix hardness in the thermally tempered state of the steel, whereas higher than 3.74 wt .-% carbon, even in a powder metallurgical production, the material largely preclude use as a tool due to the mechanical property profile.
  • the high affinity for carbon of the elements Mo, V, Nb / Ta and W causes in appropriate proportions a desired carbide and Mischkarbid produced in an alloyed matrix.
  • concentration values in wt% 10.0, 14.9; 2.0; 20.0 will not be exceeded because On the one hand a desired compensation behavior and on the other hand, the manufacturability and the intended mechanical properties of the materials can not be achieved.
  • Ni may optionally be present in the alloy without adverse effect up to a content of 1.0% by weight
  • Co increases the hot hardness and cutting strength of the tools, but has a property of 20.8 wt .-% property-degrading ..
  • Sulfur contents up to 0.5 wt .-% improve the machinability of the tool steel, but without affecting the degree of purity of the same disadvantageous, that the mechanical material values are lowered.
  • the tool steel has a defined according to DIN 50 602 K0 value of substantially at most 3.
  • This high degree of purity of the material not only causes a great improvement of the mechanical properties in the tempered state, for example, a significantly increased toughness of the material, but it also the performance characteristics, especially the cutting edge of fine-cut tools for hard objects are skyrocketed.
  • This increase in the quality of the powder metallurgy tool steel articles according to the invention has been found, in particular, to be due to the fact that the small proportion of smaller and the absence of larger non-metallic inclusions minimizes any crack initiation caused by them.
  • Powders prepared by a method according to the invention had a proportion of the total amount of 52% and a proportion of about 72% up to a particle size of up to 100 ⁇ m up to a particle diameter of 63 ⁇ m.
  • powders prepared according to the prior art have proportions of 21.7% and 36.2% for the same classes. If one compares the determined average particle size, this is 61 ⁇ m for powder production according to the invention, whereas in a powder production according to the prior art a more than twice as large average particle size of 141 ⁇ m was determined.
  • Fig. 1 Inventive manufacturing method
  • Fig. 2 Prior art production method
  • Fig. 2 shows, in the comparative powder (prior art) segregation areas with an accumulation of coarse powder grains 1 and 2 fine fractions.
  • the powder produced according to the invention given largely homogeneity.
  • Fig. 3 Powder preparation according to the invention
  • Fig. 4 Comparative powder
  • Tool steels of the type described can, as was surprisingly found from the investigations, be alloyed with sulfur according to the invention up to a content of 0.5 wt .-%, without the content of non-metallic inclusions is substantially increased and a DIN-K0 value of greater than 3 sets.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Gegenständen aus Werkzeugstahl mit verbesserter Homogenität, höherer Reinheit und verbesserten Eigenschaften.
  • Weiters bezieht sich die Erfindung auf einen Werkzeugstahl-Gegenstand mit verbessertem Eigenschaftsprofil.
  • Werkzeugstähle mit hohen Kohlenstoffkonzentrationen und hohen Gehalten an karbidbildenden Elementen werden für Schneidteile und Komponenten mit hoher Verschleißfestigkeit eingesetzt. Weil nun bei einer Erstarrung derartiger Legierungen in Gießformen Inhomogenitäten sowie grobe primäre und eutektische Karbide gebildet werden, die Fertigungsprobleme und schlechte mechanische Eigenschaften der daraus erstellten Werkzeuge oder Komponenten bewirken, ist eine pulvermetallurgische Herstellung derartiger Teile vorteilhaft.
  • Eine pulvermetallurgische Herstellung beinhaltet im wesentlichen ein Verdüsen einer Werkzeugstahlschmelze zu Metallpulver, ein Einbringen und Verdichten des Metallpulvers in einen Behäler bzw. eine Kapsel, ein Verschließen der Kapsel und ein Erwärmen und heißisostatisches Pressen des Pulvers in der Kapsel zu einem dichten homogenen Material.
  • Bei einem Verdüsen der Schmelze, welches nach dem Stand der Technik vorteilhaft mit Stickstoff erfolgt, werden kleine Metalltröpfchen mit einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen im Gasstrom gebildet, was eine große Abkühl- und Erstarrungsgeschwindigkeit des Flüssigmetalles und dadurch kleine Karbidteilchen in den Pulverkörnern bewirkt. Wie vorher erwähnt, wird in der Folge das zumeinst durch Klopfen in der Kapsel verdichtete Pulver in dieser durch heißisostatisches Pressen bei Temperaturen von zumeist über 1080°C mit einem Druck von größer als 85 MPa zu einem vollkommen dichten Metallkörper ausgeformt. Dieser as-HIPed Metallkörper, der noch einer Warmumformung unterworfen werden kann, weist bei hohem Karbidgehalt eine vorteilhaft geringe Karbidgröße von durchschnittlich 1-3 um und gute mechanische Materialeigenschaften im Vergleich mit einer schmelzmetallurgischen Herstellung auf.
  • Pulvermetallurgisch hergestellte Gegenstände aus Werkzeugstahl besitzen zwar eine durchaus vorteilhafte Struktur mit feinverteilten Karbidphasen; einer unvollständigen Materialisotropie und eines schlechten Reinheitsgrades wegen kann jedoch das erreichbare hohe Gütepotential von PM-Werkstoffen nicht realisiert werden.
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, den Gütemangel der nach dem Stand der Technik hergestellten Gegenständen aus PM-Werkzeugstahl zu beseitigen und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem ein isostatisch gepreßter Metallkörper mit höchster Werkstoffisotropie und geringstem Gehalt an oxidischen Einschlüssen herstellbar ist.
  • Weiters zielt die Erfindung auf einen Werkzeugstahl-Gegenstand mit verbesserten Bearbeitungs- und Gebrauchseigenschaften bei erhöhter Einsatzstandzeit ab.
  • Dieses Ziel wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht.
  • Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin begründet, daß synergetisch vorerst durch metallurgische Arbeit an einer in ein metallurgisches Gefäß eingebrachten Schmelze deren oxidischer Reinheitsgrad entscheidend verbessert und deren Temperatur homogen auf einen vorteilhaften Überhitzungswert eingestellt werden, wonach eine Verdüsung des Flüssigmetalles derart erfolgt, daß der mittlere Korndurchmesser 50 bis 70 µm beträgt. Dadurch wird erreicht, daß einerseits im Pulver der Sauerstoffgehalt überraschend niedrig anfällt und andererseits auch der Feinkornanteil wesentlich im Hinblick auf ein Erreichen einer hohen Klopf- und Rütteldichte in der Kapsel erhöht ist. Wenn nun, wie erfindungsgemäß vorgesehen, das Metallpulver unter Aufrechterhaltung der Stickstoffatmosphäre klassiert, gesammelt, in einen Behälter eingebracht, in diesem verdichtet und der Behälter verschlossen wird, kann keine Oxidation oder Physisorption von Sauerstoff an der Pulverkornoberfläche entstehen.
  • Eine erfindungsgemäße Verteilung der Korndurchmesser mit einem Mittelwert im Bereich von 50 bis 70 µm ermöglicht ein Erreichen einer unerwartet hohen Pulverdichte in der Kapsel, so daß einerseits deren Schwindmaß beim heißisostatischen Pressen gering ist und andererseits eine weitgehend vollständige Isotropie des gepreßten dichten Metallkörpers vorliegt. Diese Vorteile werden auch bei Behältergrößen mit einem Durchmesser oder einer Dicke von mehr als 300 mm und einer Länge von größer als 1000 mm erreicht.
  • Die Parameter für den heißisostatischen Preßzyklus beinhalten ein Aufwärmen des Pulvers im Behälter bei im wesentlichen gleichen Anstieg von Temperatur und Druck, wodurch schon in dieser Phase, wie sich gezeigt hat, eine Erhöhung der Materialdichte und Homogenität erreicht werden. Der anschließende Preßvorgang erfolgt im Temperaturbereich von 1100°C bis 1180°C bei einem Druck von 90 MPa und größer mit einer Zeitdauer von mindestens drei Stunden, gefolgt von einer langsamen Abkühlung des Preßkörpers. Niedrigere Preßtemperaturen als 1100°C und Drücke unter 90 MPa sowie geringere Preßzeiten als drei Stunden können Ungänzen im Werkstoff bewirken
  • Der Preßkörper weist nach dem HIPen eine vollständig dichte Materialstruktur auf, kann also in diesem Zustand oder nach einer Warmumformung zu einem Werkzeug verarbeitet werden.
  • Für die hohe Güte des nach dem Verfahren gemäß der Erfindung pulvermetallurgisch hergestellten Werkzeugstahl- Gegenstandes ist dessen niedriger Gehalt an Einschlüssen sowie die geringe Einschlußgröße kennzeichnend. Der hohe oxidische Reinheitsgrad, der mit einem K0-Wert nach DIN 50 602 von im wesentlichen höchstens 3 dokumentiert ist, führt nicht nur zu stark verbesserten mechanischen Eigenschaften, insbesondere bei erhöhten Einsatztemperaturen, des Werkstoffes in allen Beanspruchungsrichtungen. sondern verbessert auch dessen Gebrauchseigenschaften, vorzugsweise die Schneidhaltigkeit von Feinschnitt-Werkzeugen, in hohem Maße.
  • Eine besonders markante Gütesteigerung des Gegenstandes wird bei dessen Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, wenn die Schmelze aus einer Eisenbasislegierung enthaltend in Gew.-%
    Kohlenstoff (C) 0,52 bis 3,74
    Mangan (Mn) bis 2,9
    Chrom (Cr) bis 21,0
    Molybdän (Mo) bis 10,0
    Nickel (Ni) gegebenenfalls bis 1,0
    Kobalt (Co) bis 20,8
    Vanadin (V) bis 14,9
    Niob(Nb) Tantal (Ta) einzeln oder in Summe bis 2,0
    Wolfram (W) bis 20,0
    Schwefel (S) bis 0,5
    sowie Begleitelemente bis zu einer Summenkonzentration von 4,8 und Verunreinigungen und Eisen als Rest, gebildet ist.
    Obige chemische Zusammensetzung des Werkzeugstahles beinhaltet besonders karbidreiche Werkzeugstähle mit hoher Abriebfestigkeit und hoher Schneidhaltigkeit der daraus gefertigten Werkzeuge. Da hohe Karbidanteile in der Regel die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes verschlechtern, ist deren grundsätzliche Verbesserung durch das erfindungsgemäße Verfahren von besonderer Bedeutung. Es hat sich gezeigt, daß diese hohen mechanischen Kennwerte, insbesondere die der Schlagbiegezähigkeit des Materials, synergetisch durch den kleinen mittleren Korndurchmesser des Pulvers, eine homogene dichte Schüttung desselben in der Kapsel und durch den hohen oxidischen Reinheitsgrad bei isotroper Struktur des heißisostatisch gepreßten Gegenstandes begründet sind.
  • Der oxidische Reinheitsgrad des Flüssigmetalles kann durch eine metallurgische Arbeit wirkungsvoll verbessert werden, wenn eine Konditionierung der Schmelze im metallurgischen Gefäß bei einer induzierten turbulenten Strömung derselben und bei einer vollständigen Abdeckung des Metallbades durch flüssige Schlacke, welche insbesondere mittels direkten Stromdurchganges beheizt wird, während einer Zeit von mindestens 15 Minuten erfolgt. Dabei wird eine Abgabe von Sauerstoffverbindungen bzw. Oxiden aus der Schmelze und eine Aufnahme derselben in die heiße Schlacke gefördert, wobei die induzierte Strömung des Metallbades die Effizienz steigert. Per se ist bekannt, eine Strömung von Flüssigmetall in einem metallurgischen Gefäß mittels Einleitens von Argon-Spülgas durch mindestens einen bodenseitig angeordneten gasdurchlässigen Spülstein zu erreichen. Es ist jedoch wichtig, um eine Reoxidation der Schmelze zu verhindern, daß deren Abdeckung durch flüssige Schlacke auch bei Schmelzenbewegungen vollständig erhalten bleibt. Um Probleme beim Einsatz eines Spülsteines im Hinblick auf die Zuverlässigkeit einer Ausbildung einer kontrollierten und effizienten Metallströmung sowie um Schwierigkeiten bei der Spül- bzw. Rührgaszufuhr, wobei kleine Gasmengen wenig metallurgische Wirkung zeigen, jedoch hohe Gasmengen Oberflächenteile der Schmelze schlackenfrei erstellen und oxidieren sowie Schlackenpartikel in den Stahl einmischen können, zu vermeiden, ist es bevorzugt, elektromagnetische Mittel, zum Beispiel elektromagnetische Rührspulen, für eine Induzieren einer turbulenten Strömung im Flüssigmetall einzusetzen. Höchst vorteilhaft kann dabei auch eine Einstellung und gleichmäßige Verteilung der Temperatur des Metallbades mittels einer Einbringung von Wärmeenergie in die Schlacke durch elektrischen Stromdurchgang erfolgen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die konditionierte Schmelze durch einen Düsenkörper im metallurgischen Gefäß mit einem Schmelzenstromdurchmesser von 4,0 bis 10,0 mm in eine Verdüsungskammer eingebracht und in dieser mit mindestens drei aufeinander folgenden aus Stickstoff, mit einem Reinheitsgrad von mind. 99,999% Stickstoff, gebildeten Gasstrahlen mit der Maßgabe beaufschlagt wird, daß die letzte Beaufschlagung des Schmelzenstromes durch einen Gasstrahl erfolgt., der zumindest stellenweise eine Geschwindigkeit aufweist, die größer als die Schallgeschwindigkeit ist. Eine Einhaltung des Schmelzenstromdurchmessers und die hohe kinetische Energie der Gasbeaufschlagung des Metallstromes bewirken eine günstige Kornverteilung und eine gewünschte Feinheit des erstellten Metallpulvers. Die Konditionierung und die Einstellung der Temperatur des Flüssigmetalles im metallurgischen Gefäß sowie der hohe Reinheitsgrad des Zerstäubungsgases Stickstoff sind weiters die Ursachen für einen überraschend hohen Reinheitsgrad bzw. einen geringen Sauerstoffanteil des Pulvers und in der Folge des heißisostatisch gerpeßten Blockes.
  • Weil auch geringe Anteile an Grobkorn im Metallpulver, insbesondere beim Befüllen der Kapsel und beim Verdichten des Pulvers in dieser, Entmischungen bewirken können, ist von Vorteil, wenn der Durchmesser der Pulverkörner verdüsungstechnisch auf einen Maximalwert von 500 µm eingestellt oder klassiert wird.
  • Allenfalls kann zur Sicherstellung einer homogenen Schüttung und zur Gütesteigerung des Erzeugnisses nach der Erfindung vorgesehen sein, daß das in einem Bereitstellungsraum gesammelte Pulver durch Stickstoff fluidisiert und gemischt und bei Aufrechterhaltung der Stickstoffatmosphäre in einen Behälter bzw. eine Kapsel mit einem Gesamtgewicht von größer als 0,5 t eingebracht, durch mechanische Stöße verdichtet und gasdicht eingeschlossen wird.
  • Derart kann sichergestellt werden, daß, wenn in wirtschaftlich günstiger Weise das homogenisierte Pulver in einen Behälter bzw. in eine Kapsel mit einem Durchmesser bzw. einer Dicke von gleich oder größer 400 mm und einer Länge von mindestens 1000 mm eingebracht wird, bei Anwendung der vorhin genannten Parameter für den heißisostatischen Preßzyklus der hergestellte Block Homogenität und vollkommene Materialdichte erlangt.
  • Wenn die pulvergefüllte Kapsel im kalten Zustand in eine HIP-Einrichtung eingebracht wird und eine darauffolgende Erwärmung der Pulverkapsel unter allseitigem Umgebungsdruck erfolgt, kann einerseits die Durchwärmungszeit auf Grund einer angehobenen Wärmeleitung verkürzt und die Pulvermasse im Hinblick auf eine weitgehend vollständige Isotropie des Blockes vorverdichtet werden.
  • Es kann, wie sich gezeigt hat, in bestimmten Fällen zur Unterstützung der Konsolidierung günstig sein, wenn die Anwärmung und/oder der Preßvorgang des Pulvers bei konstanter, gegebenenfalls sich gleichmäßig ändernder, um einen Mittelwert pendelnder Temperaturbeaufschlagung durchgeführt wird und der Preßvorgang bei einer Temperatur von mindestens 1140°C, höchstens jedoch von 1170°C, erfolgt.
  • Auf Grund der verbesserten Materialeigenschaften ist es möglich und es kann insbesondere zur Kostenminimierung vorteilhaft sein, wenn der erfindungsgemäß pulvermetallurgisch hergestellte Block im Zustand as-HIPed oder bei geringster, aus wirtschaftlichen Gründen durchzuführender Verformung als Vormaterial für Werkzeuge oder Werkzeugteile eingesetzt wird.
  • Das weitere Ziel der Erfindung, einen Werkzeugstahlgegenstand mit verbesserten Bearbeitungs- und Gebrauchseigenschaften bei erhöhter Einsatzstandzeit zu schaffen, wird bei einem pulvermetallurgisch hergestellten Gegenstand aus Werkzeugstahl mit verbesserten Werkstoffeigenschaften bestehend aus einer Eisenbasislegierung enthaltend in Gew.-%
    Kohlenstoff (C) 0,52 bis 3,74
    Mangan (Mn) bis 2,9
    Chrom (Ce) bis 21,0
    Molybdän (Mo) bis 10,0
    Nickel (Ni) gegebenenfalls bis 1,0
    Kobalt (Co) bis 20,8
    Vanadin (V) bis 14,9
    Niob (Nb) Tantal (Ta) einzeln oder in Summe bis 2,0
    Wolfram (W) bis 20,0
    Schwefel (S) bis 0,5
    sowie Begleitelemente bis zu einer Summenkonzentration von 4,8 und Verunreinigungen und Eisen als Rest, welcher Werkstoff nach DIN 50 602 einen K0-W von höchstens 3 aufweist, erreicht.
  • Werkzeugstähle haben ein breites Spektrum der Konzentration der jeweiligen Legierungselemente, wobei diese immer in Wechselwirkung stehen und im Hinblick auf den Kohlenstoffgehalt zu sehen sind. Geringere Kohlenstoffgehalte als 0,52 Gew.-% führen zu einem niedrigen Karbidanteil und/oder zu einer geringen Matrixhärte im thermisch vergüteten Zustand des Stahles, wohingegen höhere Gehalte als 3,74 Gew.-% Kohlenstoff, auch bei einer pulvermetallurgischen Herstellung, den Werkstoff für eine Verwendung als Werkzeug auf Grund des mechanischen Eigenschaftsprofiles weitgehend ausschließen.
  • Von besonderer Bedeutung für eine gute Härtbarkeit und die erreichbaren mechanischen und chemischen Eigenschaften der Gegenstände sind die Elemente Mn und Cr, wobei Gehalte über 2 Gew.-% Mn und über 21 Gew.-% Cr zu einem Abfall der für die Werkzeuge erforderlichen Materialwerte führen.
  • Die hohe Affinität zu Kohlenstoff der Elemente Mo, V, Nb/Ta und W bewirkt in entsprechenden Anteilen eine gewünschte Karbid- und Mischkarbidausbildung in einer legierten Matrix. In der obigen Reihenfolge der Elemente sollen jedoch die Konzentrationswerte in Gew.-% 10,0;14,9; 2,0; 20,0 nicht überschritten werden, weil dadurch einerseits ein gewünschtes Vergütungsverhalten und andererseits die Herstellbarkeit und die vorgesehenen mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe nicht erreicht werden können.
    Ni kann gegebenenfalls ohne nachteilige Wirkung bis zu einem Gehalt von 1,0 Gew.-% in der Legierung vorliegen
    Co steigert die Warmhärte und Schneidhaltigkeit der Werkzeuge , wirkt jedoch ab einem Gehalt von 20,8 Gew.-% eigenschaftsverschlechternd.. Schwefelgehalte bis 0,5 Gew.-% verbessern die Zerspanbarkeit des Werkzeugstahles, ohne jedoch den Reinheitsgrad desselben derartig nachteilig zu beeinflussen, daß die mechanischen Materialwerte erniedrigt sind.
  • Erfindungsgemäß weist der Werkzeugstahl einen nach DIN 50 602 definierten K0-Wert von im wesentlichen höchstens 3 auf. Dieser hohe Reinheitsgrad des Werkstoffes bewirkt nicht nur eine große Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im vergüteten Zustand, beispielsweise eine wesentlich gesteigerte Zähigkeit des Materials, sondern es sind auch die Gebrauchseigenschaften, insbesondere die Schneidhaltigkeit von Feinschnitt- Werkzeugen für harte Gegenstände sprunghaft angehoben. Diese Gütesteigerung der erfindungsgemäßen pulvermetallurgisch hergestellten Gegenstände aus Werkzeugstahl ist, wie gefunden wurde, insbesondere darin begründet, daß der geringe Anteil an kleineren und das Fehlen von größeren nichtmetallischen Einschlüssen eine von diesen bewirkte Rißinitiation minimiert.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Untersuchungsergebnissen näher erläutert:
    • Von Kaltarbeitsstählen und Schnellarbeitsstählen mit Kohlenstoffgehalten C von größer als 2,2 Gew.-%, ca 12,5 Gew.-% Cr und über 4,0 Gew.-% V bzw. 1,1 bis 1,4 Gew.-% C, ca 4,3 Gew.-% Cr, ca 5 Gew.-% Mo, 3 bis 5 Gew.-% V, 5,8 bis 6,5 Gew.-% W, gegebenenfalls bis 9 Gew.-% Co Rest jeweils Eisen und Verunreinigungen wurden zur Erprobung 50 Stück 8 t Chargen geschmolzen, in ein mit einer Verdüsungskammer verbundenes metallurgisches Gefäß eingebracht, mit reaktiver Schlacke abgedeckt und diese mittels Elektroden bei direktem Stromdurchgang beheizt. In einem Zeitraum von 15 bis 45 Minuten erfolgte ein Konditionieren der Schmelze bei einem induktiven turbulenten Rühren derselben, wobei der Schmelzenspiegel immer mit heißer Schlacke abgedeckt war. Danach wurde eine Bohrung in einem Düsenkörper des metallurgischen Gefäßes freigesetzt und ein in die Verdüsungskammer eintretender Schmelzenstrom mit einem Durchmesser von 4,0 bis 10,0 mm mittels aufeinanderfolgenden Stickstoff-Gasstrahlen beaufschlagt, wobei der letzte Gasstrahl mit Überschallgeschwindigkeit aus der Düse austrat, auf das Flüssigmetall gerichtet war und dieses in Tröpfchen zerteilte. In der Verdüsungskammer erfolgte eine Erstarrung der Tröpfchen zu Pulverkörnern in Stickstoff mit einem Reinheitsgrad von 99,999 %. Die Stickstoffatmosphäre über dem Pulver wurde auch bei einem Klassieren und Sammeln desselben aufrechterhalten, wobei aus dem Sammelbehälter jeweils Proben zur Klassierung der Pulverpartikel gezogen wurden.
  • Vom Sammelbehälter erfolgte ein Einbringen des Pulvers in einen Behälter bzw. eine Kapsel aus unlegiertem Stahl, wobei durch ein Rütteln bzw. Beklopfen desselben bzw. derselben eine Verdichtung der Pulverfüllung und nachfolgend ein Verschließen der Kapsel vorgenommen wurden. Die mit verdichtetem Legierungspulver gefüllte Kapsel mit einem Durchmesser von 420 mm⌀ und einer Länge von 2000 mm wurde im kalten Zustand in die HIP-Anlage eingebracht, wonach der Druck und die Temperatur gleichzeitig erhöht wurden. Ein heißisostatisches Pressen erfolgte bei einer Temperatur von 1155°C mit einem Druck von 105 MPa in einer Zeitspanne von 3,85 Stunden, wonach der Preßkörper langsam abgekühlt wurde. Nach einer Warmumformung mit 0,2-fachen bis 8,1-fachem Verformungsgrad erfolgte aus den Schmiedestücken eine Entnahme von Proben.
  • Die bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem Sammelbehälter entnommenen 50 Pulverproben wurden einer Siebanalyse unterworfen. Die Ergebnisse und zwar der jeweilig durchschnittliche Pulveranteil in den einzelnen Partikelklassen ist in der Tabelle 1 ( Kornverteilung der Metallpulver) in Gegenüberstellung mit 92 Ergebnissen bei Verwendung von Verfahren nach dem Stand der Technik wiedergegeben. Tab. 1 :Kornverteilung der Metallpulver, Anteil der Partikelklassen im Metallpulver, mittlere Partikelgröße
    Partikelklasse Mikron Verfahren gemäß der Erfindung Anteil in % Vergleichsverfahren Stand der Technik Anteil in %
    0-45 31,5 12,7
    46-63 20,5 9,0
    64-75 8,7 5,3
    76-100 11,0 9,2
    101-125 7,6 9,8
    126-180 9,5 14,0
    181-250 6,0 13,2
    251-355 3,7 12,8
    355-500 1,5 14,0
    Mittlere Partikelgröße 61µm 141µm
  • Pulver, welche mit einem Verfahren nach der Erfindung erstellt waren, besaßen bis zu einem Korndurchmesser von 63 um einen Anteil an der Gesamtmenge von 52% und einen Anteil von ca 72% bis zu einer Korngröße bis 100µm. Pulver, hergestellt nach dem Stand der Technik, weisen hingegen für die gleichen Klassen Anteile von 21,7 % und 36,2 % auf. Vergleicht man die ermittelte mittlere Partikelgröße, so ist diese bei erfindungsgemäßer Pulverherstellung 61 µm, wohingegen bei einer Pulverfertigung nach dem Stand der Technik eine mehr als doppelt so große mittlere Partikalgröße von 141 µm ermittelt wurde.
  • In Fig. 1 ( erfindungsgemäßes Herstellverfahren) und Fig. 2 ( Herstellverfahren nach dem Stand der Technik) sind Pulver in loser Schüttung dargestellt. Bei einer derartigen Schüttung treten, wie Fig. 2 zeigt, im Vergleichspulver (Stand der Technik) Entmischungsbereiche mit einer Häufung von groben Pulverkörnern 1 und feinen Fraktionen 2 auf. Hingegen ist beim erfindungsgemäß gefertigten Pulver weitgehend Homogenität gegeben. Gleiches gilt für Fig. 3 ( Pulvererstellung nach der Erfindung) und Fig. 4 ( Vergleichspulver) nach dem Stand der Technik.
  • Von den 50 Rohlingen mit jeweils unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden nach einer Warmverformung Proben entnommen und deren Reinheitsgrad bzw. Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen nach DIN 50 602 und ASTM E 45 /85 Meth.D untersucht. Diese Ergebnisse wurden wiederum mit Ergebnissen von 92 Proben aus artgleichen Werkstoffen, jedoch hergestellt nach dem Stand der Technik, verglichen uns sind in Tabelle 2 ( Einschlußgehalt von PM-Werkzeugstählen K0) und Tabelle 4 ( Einschlußgehalt von PM-Werkzeugstählen nach ASTM-Wert) wiedergegeben. Tab.2: Einschlußgehalt von PM-Werkzeugstählen K0 ( DIN 50 602)
    Werkzeugstahl gem.Erfindung Werkzeugstahl gem.Stand der Technik
    K0 Anzahl der Proben Anteil % Anzahl der Proben Anteil %
    0 28 56,0 15 16,3
    1 18 36,0 28 30,4
    2 3 6,0 19 20.7
    3 1 2,0 12 13,0
    4 7 7,6
    5 2 2,2
    6 3 3,3
    7 1 1,1
    8
    9
    10
    11
    12 1 1,1
    13 1 1,1
    14 1 1,1
    15 1 1,1
    16
    17
    18 1 1,1
    19
    20
    Summe 50 100 92 100
  • Bei einer Auswertung des Einschlußgehaltes im Werkstoff nach DIN 50 602 Verfahren K0 wurden bei Werkzeugstählen gemäß der Erfindung Gesamt-Summenkennwerte bis höchstens 3 mit einem Anteil bei diesem Wert von 2% ermittelt. Hingegen zeigten, wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, Werkzeugstähle, erstellt nach dem Stand der Technik, einen wesentlich höheren Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen mit vergleichsweise großem Durchmesser. Eine graphische Darstellung der Ergebnisse dieser Auswertung ist in Fig. 5 gezeigt, wobei auf der Abszisse die Summenkennwerte und auf der Ordinate deren Anteil in % aufgetragen sind. Daher zeigt die Kurve A den erfindungsgemäßen Werkstoff und die Kurve B einen Stahl hergestellt gemäß dem Stand der Technik.
  • Eine weitere Untersuchung des Gehaltes an nichtmetallischen Einschlüssen in pulvermetallurgisch hergestellten Werkzeugstählen erfolgte nach ASTM E 45/85 Meth.D.
  • Wie aus der Tabelle 3 hervorgeht, wurde an 50 Mustern von erfindungsgemäß gefertigtem Material ( Kurve A) bei einer Probenanzahl 3 und einem Anteil von 6,0 % ein höchster ASTM-Wert von 1,5 ermittelt. Mit einem ASTM-Wert 0,5 lag der Anteil bei 68 %. Das Vergleichsmaterial, gefertigt nach dem Stand der Technik wies einen höheren Gehalt und gröbere Einschlüsse ( Kurve B) auf, was graphisch auch in Fig. 6 dargestellt ist, wobei auf der Abszisse wiederum der ASTM-Wert und auf der Ordinate der prozentuale Anteil aufgetragen wird. Tabelle 3: Einschlußgehalt von PM-Werkzeugstählen (ASTM E 45 /85 Meth. D)
    Werkzeugstahl gem. Erfindung Werkzeugstahl gem. Stand der Technik
    ASTM-Werte Anzahl Proben Anteil % Anzahl Proben Anteil %
    0,5 34 68,0 24 26,1
    1,0 13 26,0 35 38,0
    1,5 3 6,0 22 23,9
    2,0 6 6,5
    2,5 4 4,4
    3,0 1 1,1
    Summe 50 100 92 100
  • Werkzeugstähle der bezeichneten Art können, wie aus den Ermittlungen überraschend gefunden wurde, erfindungsgemäß bis zu einem Gehalt von 0,5 Gew.-% mit Schwefel legiert sein, ohne daß der Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen wesentlich erhöht ist und sich ein DIN-K0-wert von größer als 3 einstellt.

Claims (14)

  1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von dichten, verformten oder unverformten Gegenständen aus hochreinem Werkzeugstahl mit einem gemäß DIN 50 602- K0-Wert von im Wesentlichen höchstens 3, wobei eine Schmelze in ein metallurgisches Gefäß eingebracht und in diesem konditioniert wird, das ist ein Verbessern des oxidischen Reinheitsgrades derselben und ein Einstellen der Temperatur auf einen Wert über der Bildungstemperatur von Primärausscheidungen in der Legierung, wonach bei im Wesentlichen konstant gehaltener Temperatur aus dieser Schmelze durch Verdüsung mittels mindestens drei aufeinanderfolgenden Gasstrahlen mit Stickstoff mit einem Reinheitsgrad von 99,999% N in einer Verdüsungskammer ein Pulver mit einem mittleren Korndurchmesser von 50 bis 70 µm hergestellt, im Stickstoffstrom desintegriert und unter Aufrechterhaltung der Stickstoffatmosphäre das Pulver mit einem maximalen Korndurchmesser von 500 µm klassiert, gesammelt, gemischt, in einen Behälter mit einem Durchmesser oder einer Dicke von größer als 300 mm und einer Länge von größer 1000 mm eingebracht, durch mechanische Stöße in diesem verdichtet und der Behälter gasdicht verschlossen wird, worauf der pulvergefüllte Behälter bzw. die Kapsel im kalten Zustand in die HIP-Einrichtung eingebracht und in einem heißisostatischen Presszyklus für diesen bzw. diese die Parameter derart eingestellt werden, dass im Aufwärmvorgang die Temperatur und der Druck erhöht werden, wobei im Pulverkörper des Behältnisses bzw. der Kapsel ein allseitiger Druck von mindestens 1 bis 40 MPa wirksam ist, und danach ein isostatischer Pressvorgang bei einer Temperatur von mindestens 1100°C, höchstens jedoch 1180°C, bei einem isostatischen Druck von mindestens 90 MPa während einer Zeitdauer von mindestens drei Stunden erfolgt und anschließend der HIP-Presskörper gekühlt und gegebenenfalls dieser Presskörper nachfolgend warm umgeformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schmelze aus einer Eisenbasislegierung enthaltend in Gew.-%: Kohlenstoff (C) 0,52 bis 3,74 Mangan (Mn) bis 2,9 Chrom (Cr) bis 21,0 Molybdän (Mo) bis 10,0 Nickel (Ni) gegebenenfalls bis 1,0 Kobalt(Co) bis 20,8 Vanadin (V) bis 14,9 Niob (Nb) / Tantal (Ta) einzeln oder in Summe bis 2,0 Wolfram (W) bis 20,0 Schwefel (S) bis 0,5
    sowie Begleitelemente bis zu einer Summenkonzentration von 4,8 und Verunreinigungen und Eisen als Rest, gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem eine Konditionierung der Schmelze im metallurgischen Gefäß bei einer induzierten, turbulenten Strömung derselben, vorzugsweise durch elektromagnetische Mittel, und bei einer vollständigen Abdeckung des Metallbades durch flüssige Schlacke, welche insbesondere mittels direkten Stromdurchganges beheizt wird, während einer Zeit von mindestens 15 Minuten erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei welchem die konditionierte Schmelze durch einen Düsenkörper im metallurgischen Gefäß mit einem Schmelzenstromdurchmesser von 4,0 bis 10,0 mm in eine Verdüsungskammer eingebracht und in dieser mit mindestens drei aufeinander folgenden aus Stickstoff gebildeten Gasstrahlen mit der Maßgabe beaufschlagt wird, dass die letzte Beaufschlagung des Schmelzenstromes durch einen Gasstrahl erfolgt, der zumindest stellenweise eine Geschwindigkeit aufweist, die größer als die Schallgeschwindigkeit ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der Durchmesser der Pulverkörner verdüsungstechnisch auf einen Maximalwert von 500 µm eingestellt oder klassiert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das in einem Bereitstellungsraum gesammelte Pulver durch Stickstoff fluidisiert und gemischt und bei Aufrechterhaltung der Stickstoffatmosphäre in einen Behälter bzw. eine Kapsel mit einem Gesamtgewicht von größer 0,5 t eingebracht, durch mechanische Stöße verdichtet und gasdicht eingeschlossen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem das Pulver in einen Behälter bzw. eine Kapsel mit einem Durchmesser bzw. einer Dicke von gleich oder größer 400 mm und einer Länge von mindestens 1500 mm eingebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Aufwärmung und/oder der Pressvorgang des Pulvers bei konstanter, gegebenenfalls sich gleichmäßig ändernder, um einem Mittelwert pendelnder Temperaturbeaufschlagung durchgeführt wird und der Pressvorgang bei einer Temperatur von mindestens 1140°C, höchstens jedoch von 1170°C, erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem der pulvermetallurgisch hergestellte Block im Zustand AS HIPed oder bei geringster, aus wirtschaftlichen Gründen durchzuführender Verformung als Vormaterial für Werkzeuge oder Werkzeugteile eingesetzt wird.
  10. Pulvermetallurgisch hergestellter Gegenstand aus Werkzeugstahl mit verbesserten Werkstoffeigenschaften, vorzugsweise hergestellt nach einem Verfahren gemäß den vorgeordneten Ansprüchen, bestehend aus einer Eisenbasislegierung enthaltend in Gew.-%: Kohlenstoff (C) 0,52 bis 3,74 Mangan (Mn) bis 2,9 Chrom (Cr) bis 21,0 Molybdän (Mo) bis 10,0 Nickel (Ni) gegebenenfalls bis 1,0 Kobalt (Co) bis 20,8 Vanadin (V) bis 14,9 Niob (Nb) / Tantal (Ta) einzeln oder in Summe bis 2,0 Wolfram (W) bis 20,0 Schwefel (S) bis 0,5
    sowie Begleitelemente bis einer Summenkonzentration von 4,8 und Verunreinigungen und Eisen als Rest, welcher hochreine Werkstoff nach DIN 50 602 einen K0-Wert von höchstens 3 oder nach ASTM E 45/85 Meth.D einen ASTM-Wert von höchstens 1,5 aufweist.
  11. Pulvermetallurgischer Gegenstand nach Anspruch 10, gebildet aus einem Werkstoff, welcher einen Einschlussgehalt - nach DIN 50 602 Verfahren K0 - für die Summe der Kennwerte 1 und 0 einen Anteil von größer 80 % aufweist.
  12. Pulvermetallurgischer Gegenstand nach Anspruch 10, gebildet aus einem Werkstoff, welcher einen Einschlussgehalt - nach DIN 50 602 Verfahren K0 - für den Kennwert 0 einen Anteil von größer 50 % aufweist.
  13. Pulvermetallurgischer Gegenstand nach Anspruch 10, gebildet aus einem Werkstoff, welcher einen Einschlussgehalt - nach ASTM E 45/85 Meth. D - für die Summe der ASTM-Werte 0,5 und 1 einen Anteil von größer 90% aufweist.
  14. Pulvermetallurgischer Gegenstand nach Anspruch 10, gebildet aus einem Werkstoff, welcher einen Einschlussgehalt - nach ASTM E 45/85 Meth. D - für den ASTM-Wert von 0,5 einen Anteil von größer 60 % aufweist.
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