EP1249511A1 - PM-Schnellarbeitsstahl mit hoher Warmfestigkeit - Google Patents

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EP1249511A1
EP1249511A1 EP01890331A EP01890331A EP1249511A1 EP 1249511 A1 EP1249511 A1 EP 1249511A1 EP 01890331 A EP01890331 A EP 01890331A EP 01890331 A EP01890331 A EP 01890331A EP 1249511 A1 EP1249511 A1 EP 1249511A1
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EP
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molybdenum
tungsten
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powder
speed steel
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Ingrid Maili
Roland Rabitsch
Werner Liebfahrt
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Boehler Edelstahl GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a high-speed steel object with high heat resistance and toughness, powder metallurgically by breaking up a liquid Metal stream of an alloy with nitrogen to metal powder and compacting the Powder made at high temperature under all-round pressure and if necessary, is thermoformed.
  • High-performance high-speed steels comprise alloys with about 0.8 to 1.0% by weight Carbon, 14 to 18% by weight tungsten, about 4.5% by weight chromium, up to 2% by weight Molybdenum, at least 1.2 to 1.5% by weight molybdenum, at least 1.2 to 1.5 % By weight vanadium and 3 to 20% by weight cobalt, balance iron.
  • the cause of having The high performance achievable with these high-speed steels lies in the interaction the strongly carbide - forming elements vanadium, tungsten, molybdenum and chrome and the element cobalt, which acts via the matrix or the matrix.
  • Tungsten and molybdenum are particularly suitable for vanadium
  • the alloy a high one Temper resistance up to a temperature of about 600 ° C to impart. at high carbon and high vanadium content also become large Amount of vanadium carbides formed by which a special Wear resistance of the material is effected.
  • finishing tools are therefore made with high-speed steels, which have an increased carbon and Show vanadium content, manufactured.
  • a powder metallurgical production essentially involves atomizing one Melting steel into metal powder, introducing and compacting the metal powder into a capsule, closing the capsule and heating and hot isostatic Pressing the powder in the capsule into a dense, homogeneous material.
  • This PM material can be used immediately after appropriate heat treatment Manufacture of objects used or previously a hot forming, for Example by forging.
  • Heavy duty high speed steel objects, especially Cutting tools with a long service life, for economical machining of Parts require a multi-layered high property profile.
  • the invention is based on the object, a high-speed steel object, preferably to create one for a high-performance cutting tool, which has a high oxide purity, so a low one Crack initiation potential and an increased degree of sharpness of the cutting edges has high hardness with adequate toughness and high wear resistance in the thermally tempered condition of the material as well as improved warm hardness or has high heat resistance.
  • Another object of the invention is to provide a High speed steel object for use as a tool for one High speed machining of materials without the addition of Lubricants, in particular for machining Light metals and such alloys.
  • this specification is achieved in the case of a high-speed steel object of the type mentioned at the outset in that the object has a high degree of purity with a content and configuration of non-metallic inclusions corresponding to a value K0 of at most 3 in accordance with the test according to DIN 50 602 and the following chemical composition % Carbon (C) 1.51 to 2.5 Silicon (Si) to 0.8 Manganese (Mn) to 1.5 Chrome (Cr) 3.5 to 4.5 Tungsten (W) 13.3 to 15.3 Molybdenum (Mo) 2.0 to 3.0 Vanadium (V) 4.5 to 6.9 Cobalt (Co) 10.05 to 12.0 Sulfur (S) to 0.52 Nitrogen (N) up to 0.3 Oxygen (N) max 100 ppm with a value: manganese minus sulfur (Mn-S) of at least 0.19, iron and manufacturing-related impurities and accompanying elements as the remainder, with the proviso that the ratio of the concentrations of tungsten to molybdenum is
  • the excellent property profile of the alloy according to the invention results synergistic from the interaction of the elements in their respective activities. It is essential that the concentration values in high-speed steel Carbon, chromium, tungsten, molybdenum, vanadium and cobalt within narrow limits are present and that the oxygen content does not exceed a maximum value.
  • the Carbon in the light of the high affinity of the elements is tungsten, Molybdenum and vanadium to see this.
  • the above alloy metals form stable However, primary carbides and secondary hardness carbides are also after interaction and the respective activity in the matrix mixed crystals.
  • the carbon concentration of the alloy is 1.51 to 2.5% by weight.
  • the chromium concentration with a maximum value of 4.5% by weight is thereby justified because higher levels lead to a chromium content in the matrix, the has a stabilizing effect on the residual austenite content during hardening.
  • Up to one The minimum value of 3.5% by weight of chromium is achieved by installing the alloy atoms a desired solidification of the same in the mixed crystal, so that according to the invention a content range of 3.5 to 4.5% by weight is provided in the material.
  • Tungsten and molybdenum have a high carbon affinity, almost form similar carbides and are in the widely represented opinion of the professional world Due to the respective atomic weight mass-exchangeable 2 to 1. It was surprisingly found that this interchangeability was not is completely given, but by the respective activity of this Alloy elements the mixed carbide formation and the proportion of elements in the Mixed crystal are controllable, whereupon when discussing the heat resistance of the High-speed steel is discussed in more detail.
  • Vanadium is one of the strongest monocarbide formers, whose carbides are characterized by high Characterize hardness and the special wear resistance of the material justify.
  • the wear resistance is due to the fine training and an im essentially homogeneous distribution of the monocarbides, such as this by a powder metallurgical manufacturing of the material is promoted.
  • vanadium but also the elements tungsten and molybdenum partially bring high temperatures into solution, which after a forced Cooling the object through a substantial secondary hardness potential Excretion of finely divided secondary carbides rich in vanadium Tempering treatments and beneficial to the heat resistance of the material is effective.
  • Vanadium concentrations below 4.5% by weight lead to a significant deterioration in the wear behavior of the tempered Part.
  • Cobalt is not a carbide-forming element in high-speed steel, but it solidifies it Matrix and significantly promotes the thermal resistance of the object. Height Cobalt contents of more than 12.0% by weight work in the given high-speed steel embrittling to the basic mass of the material, whereas less Concentrations than 10.05% by weight significantly reduce the matrix hardness cause increased temperature.
  • Cobalt within the limits of 10.05 to 12.0% by weight provided according to the invention causes due to the high diffusion coefficient that when starting the hardened part due to the increased nucleation, the diffusion processes facilitated and thus the secondary carbide excretion in large numbers and large
  • the amount should be finely divided, and only coarsen slowly beneficial to matrix strength, especially at high temperature are.
  • the fine secondary carbides are by diffusion processes at high Application temperatures increased or coagulation takes place.
  • a high tungsten content in the alloy and consequently in the Secondary carbides are smaller due to the size of the tungsten atoms Diffusion coefficient compared to the elements molybdenum and vanadium, so that a significantly slower coarsening and stabilization of the system at high Temperature, as was found, also occurs with mixed carbides.
  • the Tungsten content of 13.3 to 15.3% by weight according to the invention secures the predetermined contents of the other strongly carbide-forming elements a low Tendency to coarsen the secondary hardness carbides at elevated temperatures and therefore a small carbide particle spacing over the long term, which leads to dislocations blocked in the matrix grid and a softening of the material dilated.
  • the material remains hard for longer even under high thermal loads, so it has one increased heat resistance.
  • the molybdenum is one of the reaction kinetics or mixed carbide formation essential importance, with a content of 2.0 to 3.0 as according to the invention was effectively determined.
  • a maximum content of 100 ppm oxygen is in terms of the number of non-metallic inclusions and the property profile of the material in the Stresses provided.
  • the material is the ratio of the concentrations of tungsten and molybdenum the cobalt concentration matched to these elements. At values of tungsten for molybdenum contents from 5.2 to 6.5 is the rate of secondary carbide particle coarsening and thus a drop in hardness of the material at high Temperatures minimized, with a content less than 70% cobalt, measured on the tungsten + molybdenum concentration, an increase in the number of germ sites for one Formation of secondary carbides causes a finely dispersed distribution the same promotes what is overall a high heat resistance of the High-speed steel object.
  • Silicon in the alloy has solid-solution strengthening and deoxidizing effects, However, due to the hardenability of the material, it should contain 0.8 Do not exceed% by weight.
  • Manganese can influence the hardness behavior of the material, but it is primarily seen together with the sulfur content, with sulfur and Manganese as steel workability enhancing elements Sulphide inclusion formation can be seen. With preferably low manganese contents in steel, the value: manganese minus sulfur should not fall below 0.19, because it contributes to hot forming problems and reduced material properties high usage temperatures can arise.
  • Nitrogen can develop due to the formation of sparingly soluble at high temperatures Carbonitrides in the material according to the invention have a favorable effect on Have improvement in heat resistance, but should only be up to a content of 0.2% by weight may be added to avoid manufacturing problems.
  • the high-speed steel in embodiments of the invention to further improve the usage properties of the high-speed steel, on the basis of the above composition, it can have one or more elements with the following concentration value (s) in% by weight.
  • concentration value s in% by weight.
  • a further narrowing of the concentration range of alloy components can be used advantageously for targeted material alignment for special applications, the object having one or more elements with the following concentration value (s) in% by weight based on the first-mentioned composition C 1.69 to 2.29 Si 0.20 to 0.60 Mn 0.20 to 0.40 Cr 3.59 to 4.19 W 13.60 to 14.60 Mo 2.01 to 2.80 V 4.55 to 5.45 Co 10.40 to 11.50 N 0.02 to 0.1 (O) max 90 ppm
  • the further object of the invention is achieved by using a high-speed steel cutting tool with high heat resistance and toughness, which is produced by powder metallurgy by splitting a liquid metal stream of an alloy with nitrogen into metal powder and compacting the powder at high temperature under all-round pressure and optionally thermoformed has a high degree of purity with a content and configuration of non-metallic inclusions corresponding to a value K0 of at most 3 according to the test according to DIN 50 602 and the following chemical composition in% by weight C 1.51 to 2.5 Si to 0.8 Mn to 1.5 Cr 3.5 to 4.5 W 13.3 to 15.3 Mo 2.0 to 3.0 V 4.5 to 6.9 Co 10.05 to 12.0 S to 0.52 N up to 0.2 O max 100 ppm with a value: manganese minus sulfur (Mn-S) of at least 0.19, iron and manufacturing-related impurities and accompanying elements as the remainder, with the proviso that the ratio of the concentrations of tungsten to molybdenum is between 5.2 and 6.5 and that the cobalt content is at
  • Table 1 shows the chemical composition of an invention High-speed steel object and that of comparison materials can be seen.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen pulvermetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstahlgegenstand, vorzugsweise ein Schneidwerkzeug zur Hochgeschwindigkeitsabspanung von insbesondere Leichtmetallen und Leichtmetallegierungen. Zur Erhöhung der Warmfestigkeit und Zähigkeit sowie zur Senkung des Verschleißes, insbesondere von Schneidwerkzeugen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein PM- Gegenstand einen hohen Reinheitsgrad entsprechend einem Wert K0 'von höchstens 3 gemäß Prüfung nach DIN 50 602 aufweist und folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% C, 1,51, bis 2,5; Si, ,bis 0,8; Mn, ,bis 1,5; Cr, 3,5, bis 4,5; W, 13,3, bis 15,3; Mo, 2,0, bis 3,0; V, 4,5, bis 6,9; Co, 10,05, bis 12,0; S, ,bis 0,52; N, ,bis 0,2; O, ,max 100 ppm mit einem Wert: Mangan minus Schwefel ( Mn -S) von mindestens 0,19, Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen und Begleitelemente als Rest, mit der Maßgabe besitzt, daß das Verhältnis der Konzentrationen von Wolfram zu Molybdän zwischen 5,2 und 6,5 liegt und daß der Gehalt an Kobalt höchstens 70 % des Werte von Wolfram + Molybdän beträgt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Schnellarbeitsstahlgegenstand mit hoher Warmfestigkeit und Zähigkeit, der pulvermetallurgisch durch Zerteilung eines flüssigen Metallstromes einer Legierung mit Stickstoff zu Metallpulver und Kompaktieren des Pulvers bei hoher Temperatur unter allseitigem Druck hergestellt und gegebenenfalls warmverformt ist.
Hochleistungsschnellstähle umfassen Legierungen mit etwa 0,8 bis 1,0 Gew.-% Kohlenstoff, 14 bis 18 Gew.-% Wolfram, etwa 4,5 Gew.-% Chrom, bis zu 2 Gew.-% Molybdän, mindestens 1,2 bis 1,5 Gew.-% Molybdän, mindestens 1,2 bis 1,5 Gew.-% Vanadin sowie 3 bis 20 Gew.-% Kobalt, Rest Eisen. Die Ursache für die mit diesen Schnellarbeitsstählen erreichbare hohe Leistung liegt im Zusammenwirken der stark karbidbildenden Elemente Vanadin, Wolfram, Molybdän und Chrom und dem über die Grundmasse bzw. die Matrix wirkenden Element Kobalt. Neben Wolfram und Molybdän ist insbesondere Vanadin geeignet, der Legierung eine hohe Anlaßbeständigkeit bis zu einer Temperatur von etwa 600°C zu vermitteln. Bei gleichzeitig hohem Kohlenstoff- und hohem Vanadingehalt werden auch eine große Menge von Vanadinkarbiden gebildet, durch welche eine besondere Verschleißfestigkeit des Werkstoffes bewirkt wird. Insbesondere Schlichtwerkzeuge werden deshalb mit Schnellstählen, die einen erhöhten Kohlenstoff- und Vanadingehalt aufweisen, gefertigt. Schmelzmetallurgisch bzw. schmelztechnisch mit einer Erstarrung in Gießformen erscheint jedoch mit einer Legierung mit der chemischen Zusammensetzung in Gew.-% 1,3 bis 1,5 C, etwa 13% W, 4 % Cr, 1% Mo, 8 bis 12 % Co und etwa 4,5 % V, Rest Eisen die wirtschaftliche Herstellbarkeit erreicht zu sein, wobei schon dieser Werkstoff des hohen Karbidgehaltes und der Erstarrungsstruktur wegen erschwert und mit abgesenkt enger Schmiedetemperatur zu verformen ist und nur geringe Zähigkeitswerte, insbesondere geringe Schlagbiegezähigkeit im thermisch vergüteten Zustand, aufweist.
Um einerseits den Kohlenstoffgehalt und die Konzentration der karbidbildenden Elemente im Hinblick auf eine Steigerung des Karbidanteiles und somit die Verschleißbeständigkeit des Werkstoffes weiter erhöhen zu können, andererseits jedoch eine ausreichende Verarbeitbarkeit und Homogenität des daraus gefertigten Gegenstandes zu erreichen, ist eine pulvermetallurgische Herstellung derartig legierter Teile vorteilhaft.
Eine pulvermetallurgische Herstellung beinhaltet im wesentlichen ein Verdüsen einer Stahlschmelze zu Metallpulver, ein Einbringen und Verdichten des Metallpulvers in eine Kapsel, ein Verschließen der Kapsel und ein Erwärmen und heißisostatisches Pressen des Pulvers in der Kapsel zu einem dichten homogenen Material.
Dieses PM-Material kann direkt nach entsprechender Wärmebehandlung zur Fertigung von Gegenständen eingesetzt oder vorher einer Warmumformung, zum Beispiel durch Schmieden, unterworfen werden.
Hochbeanspruchte Schnellarbeitsstahlgegenstände, insbesondere Schneidwerkzeuge mit hoher Standzeit, für eine wirtschaftliche Bearbeitung von Teilen erfordern ein vielschichtiges hohes Eigenschaftsprofil.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Schnellarbeitsstahlgegenstand, vorzugsweise einen solchen für ein Hochleistungsschneidwerkzeug, zu schaffen, welcher einen hohen oxidischen Reinheitsgrad, damit ein geringes Rißinitiationspotential und einen gesteigerten Schärfegrad der Schneidkanten aufweist, hohe Härte bei angemessener Zähigkeit und hohe Verschleißfestigkeit im thermisch vergüteten Zustand des Werkstoffes sowie verbesserte Warmhärte bzw. hohe Warmfestigkeit besitzt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung stellt die Angabe eines Schnellarbeitsstahlgegenstandes zur Verwendung als Werkzeug für eine Hochgeschwindigkeitszerspanung von Werkstoffen ohne Beigabe von Schmiermitteln, insbesondere für eine spanabhebende Bearbeitung von Leichtmetallen und derartigen Legierungen ,dar.
Die Angabe wird erfindungsgemäß bei einem Schnellarbeitsstahlgegenstand der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Gegenstand einen hohen Reinheitsgrad mit einem Gehalt und Konfiguration an nichtmetallischen Einschlüssen entsprechend einem Wert K0 von höchstens 3 gemäß Prüfung nach DIN 50 602 aufweist und folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-%
Kohlenstoff (C) 1,51 bis 2,5
Silizium (Si) bis 0,8
Mangan ( Mn) bis 1,5
Chrom (Cr) 3,5 bis 4,5
Wolfram (W) 13,3 bis 15,3
Molybdän (Mo) 2,0 bis 3,0
Vanadin (V) 4,5 bis 6,9
Kobalt (Co) 10,05 bis 12,0
Schwefel (S) bis 0,52
Stickstoff (N) bis 0,3
Sauerstoff (N) max 100 ppm
mit einem Wert: Mangan minus Schwefel ( Mn- S) von mindestens 0,19, Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen und Begleitelemente als Rest, mit der Maßgabe besitzt, daß das Verhältnis der Konzentrationen von Wolfram zu Molybdän zwischen 5,2 und 6,5 liegt und daß der Gehalt an Kobalt höchstens 70% des Wertes von Wolfram + Molybdän beträgt.
Die mit dem erfindungsgemäßen Gegenstand erzielten Vorteile sind als Summenwirkung im Hinblick auf die Verbesserung der Werkstoffeigenschaften zu sehen, so wie in bildhafter Darstellung eine Kette nur die Tragkraft ihres schwächsten Gliedes besitzt. Oxidische Einschlüsse sind Fehlstellen mit meist kantiger Struktur und stellen, wie gefunden wurde, ab einer kritischen Größe den Ausgangspunkt von Rissen im auf hohe Härte vergüteten Werkstoff bei einem gegebenenfalls wechselnden Spannungszustand in diesem dar. Weil in einer Matrix mit hoher Warmhärte bzw. Warmfestigkeit eine Rißinitiation durch grobe Oxide im Werkstoff überproportional ansteigt, jedoch, wie sich zeigte, Einschlüsse mit geringem Durchmesser und geringer Längserstreckung wenig wirksam sind, wurde erfindungsgemäß ein Summenkennwert von höchstens 3 bei der Prüfung auf nichtmetallische Einschlüsse nach DIN 50 602 Verfahren K0 als wichtig erkannt.
Das ausgezeichnete Eigenschaftsprofil der Legierung nach der Erfindung ergibt sich synergetisch aus der Wechselwirkung der Elemente in ihren jeweiligen Aktivitäten. Wesentlich dabei ist, daß im Schnellarbeitsstahl die Konzentrationswerte Elemente Kohlenstoff, Chrom, Wolfram, Molybdän, Vanadin und Kobalt in engen Grenzen vorliegen und daß der Sauerstoffgehalt einen Höchstwert nicht überschreitet. Der Gehait an Kohlenstoff ist im Lichte der hohen Affinität der Elemente Wolfram, Molybdän und Vanadin zu diesem zu sehen. Obige Legierungsmetalle bilden stabile Primärkarbide und Sekundärhärtekarbide sind jedoch auch nach Wechselwirkung und jeweiliger Aktivität in den Matrix-Mischkristallen eingelagert.
Überschreitet die Kohlenstoffkonzentration einen Wert von 2,5 Gew.-%, tritt eine markante Versprödung des Schnellarbeitsstahlwerkstoffes ein, was bis zur Unbrauchbarkeit des Gegenstandes, zum Beispiel eines Schneidwerkzeuges, führen kann. Geringere Gehalte als 1,51 Gew.-% verringern den Karbidanteil und entscheidend die Verschleißbeständigkeit des Werkstoffes. Erfindungsgemäß beträgt der Kohlenstoffgehalt der Legierung 1,51 bis 2,5 Gew.-%.
Die Chromkonzentration mit einem Höchstwert von 4,5 Gew.-% ist dadurch begründet, weil höhere Gehalte zu einem Chromanteil in der Matrix führen, der stabilisierend auf den Restaustenitgehalt beim Härten wirkt. Bis zu einem Mindestwert von 3,5 Gew.-% Chrom erfolgt durch den Einbau der Legierungsatome im Mischkristall eine gewünschte Verfestigung derselben, so daß erfindungsgemäß ein Gehaltsbereich von 3,5 bis 4,5 Gew.-% im Werkstoff vorgesehen ist.
Wolfram und Molybdän weisen eine hohe Kohlenstoffaffinität auf, bilden fast gleichartige Karbide und sind nach vielfach vertretener Meinung der Fachwelt auf Grund des jeweiligen Atomgewichtes massengehaltsmäßig 2 zu 1 austauschbar. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß diese Austauschbarkeit nicht vollkommen gegeben ist, sondern durch die jeweilige Aktivität dieser Legierungselemente die Mischkarbidbildung und der Anteil der Elemente im Mischkristall steuerbar sind, worauf bei der Erörterung der Warmfestigkeit des Schnellarbeitsstahles noch näher eingegangen wird.
Vanadin ist einer der stärksten Monokarbidbildner, dessen Karbide sich durch hohe Härte auszeichnen und die besondere Verschleißfestigkeit des Werkstoffes begründen. Die Verschleißfestigkeit wird durch die feine Ausbildung und eine im wesentlichen homogene Verteilung der Monokarbide, wie diese durch eine pulvermetallurgische Herstellung des Werkstoffes erstellt wird, gefördert. insbesondere Vanadin, aber auch die Elemente Wolfram und Molybdän sind bei hohen Temperaturen teilweise in Lösung zu bringen, was nach einem forcierten Abkühlen des Gegenstandes ein wesentliches Sekundärhärtepotential durch Ausscheidung feinst verteilter vanadinreicher Sekundärkarbide durch Anlaßbehandlungen erbringt und auf die Warmfestigkeit des Werkstoffes vorteilhaft wirksam ist. Höhere Gehalte als 6,9 Gew.-% Vanadin bedingen entweder höhere Kohlenstoffgehalte der Legierung, wodurch diese versprödet oder es erfolgt eine Abreicherung und eine Verminderung der Festigkeit, insbesondere Verminderung der Warmfestigkeit der Matrix. Vanadinkonzentrationen unter 4,5 Gew.-% führen zu einer signifikanten Verschlechterung des Verschleißverhaltens des vergüteten Teiles.
Kobalt ist im Schnellarbeitsstahl kein karbidbildendes Element, verfestigt jedoch die Matrix und fördert wesentlich die thermische Beständigkeit des Gegenstandes. Hohe Kobaltgehalte von mehr als 12,0 Gew.-% wirken im gegebenen Schnellarbeitsstahl versprödend auf die Grundmasse des Werkstoffes, wohingegen geringere Konzentrationen als 10,05 Gew.-% eine deutliche Verringerung der Matrixhärte bei erhöhter Temperatur bewirken.
Kobalt in den erfindungsgemäß vorgesehenen Grenzen von 10,05 bis 12,0 Gew.-% bewirkt auf Grund des hohen Diffusionskoeffizienten, daß beim Anlassen des gehärteten Teiles der verstärkten Keimbildung wegen, die Diffusionsvorgänge erleichtert und somit die Sekundärkarbidausscheidungen in großer Zahl und großer Menge fein verteilt ausgebildet werden, zudem nur langsam vergröbern und vorteilhaft auf die Matrixfestigkeit, insbesondere bei hoher Temperatur, wirksam sind.
Die feinen Sekundärkarbide, die dem Werkstoff im vergüteten Zustand hohe Härte und Festigkeit verleihen, werden durch Diffusionsvorgänge bei hohen Anwendungstemperaturen vergrößert bzw. es erfolgt eine Koagulation. Durch einen hohen Wolframgehalt in der Legierung und konsequenterweise in den Sekundärkarbiden ergibt sich der Größe der Wolframatome wegen ein kleinerer Diffusionskoeffizient gegenüber den Elementen Molybdän und Vanadin, so daß eine wesentlich langsamere Vergröberung und Stabilisierung des Systemes bei hoher Temperatur, wie gefunden wurde, auch bei Mischkarbiden erfolgt. Der erfindungsgemäße Wolframanteil von 13,3 bis 15,3 Gew.-% sichert bei den vorgegebenen Gehalten der weiteren stark karbidbildenden Elemente eine geringe Neigung zur Vergröberung der Sekundärhärtekarbide bei erhöhten Temperaturen und somit einen geringen Karbidteilchenabstand langzeitig, was die Versetzungen im Matrixgitter blockiert und eine Erweichung des Materials dilatiert. Der Werkstoff bleibt auch bei hohen thermischen Belastungen länger hart, besitzt also eine erhöhte Warmfestigkeit.
Dem Molybdän kommt bei der Reaktionskinetik bzw. der Mischkarbidbildung eine wesentliche Bedeutung zu, wobei ein Gehalt von 2,0 bis 3,0 als erfindungsgemäß wirksam ermittelt wurde.
Ein Höchstgehalt von 100 ppm Sauerstoff ist im Hinblick auf die Anzahl der nichtmetallischen Einschlüsse und das Eigenschaftsprofil des Werkstoffes bei den Beanspruchungen vorgesehen.
Von wesentlicher Bedeutung für eine hohe Warmfestigkeit des vergüteten Werkstoffes ist das Verhältnis der Konzentrationen von Wolfram und Molybdän und die auf diese Elemente abgestimmte Kobaltkonzentration. Bei Werten von Wolfram zu Molybdängehalten von 5,2 bis 6,5 ist die Geschwindigkeit der Sekundärkarbid-Teilchenvergröberung und damit ein Härteabfall des Werkstoffes bei hohen Temperaturen minimiert, wobei ein geringerer Gehalt als 70 % Kobalt, gemessen an der Wolfram + Molybdänkonzentration, eine Vermehrung der Keimstellen für eine Bildung von Sekundärkarbiden bewirkt und dadurch eine feindisperse Verteilung derselben fördert, was insgesamt eine hohe Warmfestigkeit des Schnellarbeitsstahlgegenstandes sicherstellt.
Silizium in der Legierung wirkt zwar mischkristallverfestigend und desoxidierend, sollte jedoch aus Gründen der Härtbarkeit des Werkstoffes einen Gehalt von 0,8 Gew.-% nicht überschreiten.
Mangan kann zwar das Härteverhalten des Werkstoffes beeinflussen, ist jedoch vornehmlich gemeinsam mit dem Schwefelgehalt zu sehen, wobei Schwefel und Mangan als die Bearbeitbarkeit des Stahles verbessernde Elemente infolge Sulfideinschlußbildung anzusehen sind. Bei vorzugsweise geringen Mangangehalten im Stahl sollte der Wert: Mangan minus Schwefel 0,19 nicht unterschritten werden, weil dadurch Warmumformprobleme und abgesenkte Materialeigenschaften bei hohen Verwendungstemperaturen entstehen können.
Stickstoff kann infolge einer Bildung von bei hohen Temperaturen schwer löslichen Karbonitriden im erfindungsgemäßen Werkstoff günstige Wirkung auf eine Verbesserung der Warmfestigkeit besitzen, sollte aber nur bis zu einem Gehalt von 0,2 Gew.-% zulegiert sein, um Herstellungsprobleme zu vermeiden.
In Ausgestaltungen der Erfindung zur weiteren Verbesserung der Gebrauchseigenschaften des Schnellarbeitsstahles kann dieser unter Zugrundelegung obiger Zusammensetzung ein oder mehrere Element(e) mit folgendem(n) Konzentrationswert(en) in Gew.-% besitzen.
C 1,75 bis 2,38
Si 0,35 bis 0,75
Mn 0,28 bis 0,54
Cr 3,56 bis 4,25
W 13,90 bis 14,95
Mo 2,10 bis 2,89
V 4,65 bis 5,95
Co 10,55 bis 11,64
N 0,018 bis 0,195
Bei einer derartig elementspezifischen Einschränkung der chemischen Zusammensetzung können einzelne Eigenschaften des Werkstoffes besonders gefördert werden.
Eine weitere Einengung des Konzentrationsbereiches von Legierungskomponenten kann zur gezielten Werkstoffausrichtung für besondere Anwendungsfälle vorteilhaft nutzbar sein, wobei der Gegenstand basierend auf der erstgenannten Zusammensetzung ein oder mehrere Element(e) mit folgendem(n) Konzentrationswert(en) in Gew.-% besitzt
C 1,69 bis 2,29
Si 0,20 bis 0,60
Mn 0,20 bis 0,40
Cr 3,59 bis 4,19
W 13,60 bis 14,60
Mo 2,01 bis 2,80
V 4,55 bis 5,45
Co 10,40 bis 11,50
N 0,02 bis 0,1
(O) max 90 ppm
Das weitere Ziel der Erfindung wird erreicht durch eine Verwendung eines Schnellarbeitsstahl- Schneidwerkzeuges mit hoher Warmfestigkeit und Zähigkeit, welches pulvermetallurgisch durch Zerteilung eines flüssigen Metallstromes einer Legierung mit Stickstoff zu Metallpulver und Kompaktieren des Pulvers bei hoher Temperatur unter allseitigem Druck hergestellt und gegebenenfalls warmverformt ist, einen hohen Reinheitsgrad mit einem Gehalt und Konfiguration an nichtmetallischen Einschlüssen entsprechend einem Wert K0 von höchstens 3 gemäß Prüfung nach DIN 50 602 aufweist und folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-%
C 1,51 bis 2,5
Si bis 0,8
Mn bis 1,5
Cr 3,5 bis 4,5
W 13,3 bis 15,3
Mo 2,0 bis 3,0
V 4,5 bis 6,9
Co 10,05 bis 12,0
S bis 0,52
N bis 0,2
O max 100 ppm
mit einem Wert: Mangan minus Schwefel ( Mn-S) von mindestens 0,19, Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen und Begleitelemente als Rest, mit der Maßgabe besitzt, daß das Verhältnis der Konzentrationen von Wolfram zu Molybdän zwischen 5,2 und 6,5 liegt und daß der Gehalt an Kobalt höchstens 70 % des Wertes von Wolfram + Molybdän beträgt, für eine Hochgeschwindigkeitszerspanung ohne Schmiermittel von Werkstoffteilen, insbesondere aus Leichtmetallen, und derartigen Legierungen. Bei derartigen Anforderungen hat sich gezeigt, daß besonders große Standzeiterhöhungen bei erschwerten Bedingungen durch den Einsatz von erfindungsgemäßen Werkzeugen erreichbar sind, was insbesondere wirtschaftliche Vorteile bei einer spanenden Bearbeitung erbringen kann.
Anhand von vergleichenden Erprobungen soll die Erfindung näher erläutert werden.
Aus Tabelle 1 sind die chemische Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Schnellarbeitsstahlgegenstandes und jene von Vergleichswerkstoffen ersichtlich.
In Fig. 1 werden die Anlaßkurven der Werkstoffe gezeigt. Die Probengeometrie und die Wärmebehandlungsbedingungen waren wir folgt:
  • Probengeometrie: Halbscheiben Rd 30 x 10 mm
  • Austenitisierung im Vakuum bei 1210 °C
  • Abschreckung im Stickstoffstrom
  • Anlassen: 3 x 2H
    • Fig. 2 zeigt vergleichend die Biegebruchfestigkeit der Werkstoffe im 4-Punkt Biegeverfahren bei folgenden Probendaten.
    Die Erprobung erfolgte gemäß den in Fig. 2a dargestellten und nachfolgend angegebenen Bedingungen.
    Probengeometrie:
  • Rundprobe Rd 5,0 mm
  • Gehärtet im Vakuum bei 1210 °C
  • Anlassen: 3 x 2h
    • In Fig. 3 ist der Verlauf der Warmhärte der Werkstoffe bei 650 °C in logarithmischer Abhängigkeit der Zeit dargestellt, wobei alle Proben annähernd dieselbe Ausgangshärte von 67 bis 68 HRC aufwiesen. Die Warmhärteprüfung erfolgte mittels eines vom Werkstoff-Kompetenzzentrum Leoben entwickelten dynamischen Verfahrens (Zeitschrift für Metallkunde 90 (1999) 8, 637)
    Aus einem Vergleich der Erprobungsergebnisse kann ersehen werden, daß die Härte-Anlaßkurven (Fig. 1) der verschiedenen Werkstoffe eng beieinander liegen und daß bei einer Anlaßtemperatur oberhalb von 570°C die Legierung 1 die höchsten Härtewerte erbringt.
    Obwohl der erfindungsgemäße Werkstoff die höchste Biegebruchzähigkeit aufweist ( Fig. 2), sind die Unterschiede zu den Vergleichsmaterialien nicht wesentlich ausgeprägt.
    Bei einem Vergleich der Warmhärte der Schnellarbeitsstahlwerkstoffe ( Fig. 3) ist eine deutliche Überlegenheit des erfindungsgemäß zusammengesetzten Gegenstandes zu ersehen.
    Diese hohe Warmhärte und der besondere oxidische Reinheitsgrad des Werkstoffes bewirkten, daß im praktischen Einsatz bei einer Hochgeschwindigkeits-Trockenbearbeitung mit unterbrochenem Schnitt von Gußstücken aus einer Aluminium-Silizium- Legierung eine um 38 % verbesserte Standzeit des Schneidwerkzeuges festgestellt wurde, wobei der Verschleiß hauptsächlich auf vermehrte Ansammlungen von Silizium in den Al-Si-Legierungen zurückzuführen war.
    Figure 00110001

    Claims (4)

    1. Schnellarbeitsstahlgegenstand mit hoher Warmfestigkeit und Zähigkeit, der pulvermetallurgisch durch Zerteilung eines flüssigen Metallstromes einer Legierung mit Stickstoff zu Metallpulver und Kompaktieren des Pulvers bei hoher Temperatur unter allseitigem Druck hergestellt und gegebenenfallls warmverformt ist, insbesondere Schneidwerkzeug, welcher Gegenstand einen hohen Reinheitsgrad mit einem Gehalt und Konfiguration an nichtmetallischen Einschlüssen entsprechend einem Wert K0 von höchstens 3 gemäß Prüfung nach DIN 50 602 aufweist und folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% Kohlenstoff (C) 1,51 bis 2,5 Silizium (Si) bis 0,8 Mangan (Mn) bis 1,5 Chrom (Cr) 3,5 bis 4,5 Wolfram (W) 13,3 bis 15,3 Molybdän (Mo) 2,0 bis 3,0 Vanadin (V) 4,5 bis 6,9 Kobalt (Co) 10,05 bis 12,0 Schwefel (S) bis 0,52 Stickstoff (N) bis 0,2 Sauerstoff (O) max 100 ppm
      mit einem Wert: Mangan minus Schwefel ( Mn-S) von mindestens 0,19 Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen und Begleitelemente als Rest, mit der Maßgabe besitzt, daß des Verhältnis der Konzentrationen von Wolfram zu Molybdän zwischen 5,2 und 6,5 liegt und daß der Gehalt an Kobalt höchstens 70% des Wertes von Wolfram + Molybdän beträgt.
    2. Schnellarbeitsstahlgegenstand nach Anspruch 1, welcher ein oder mehrere Element(e) mit folgendem(n) Konzentrationswert(en) in Gew.-% besitzt(en) C 1,75 bis 2,38 Si 0,35 bis 0,75 Mn 0,28 bis 0,54 Cr 3,56 bis 4,25 W 13,90 bis 14,95 Mo 2,10 bis 2,89 V 4,65 bis 5,95 Co 10,55 bis 11,64 N 0,018 bis 0,195
    3. Schnellarbeitsstahlgegenstand nach Anspruch 1, welcher ein oder mehrere Element(e) mit folgendem(n) Konzentrationswert(en) in Gew.-% besitzt (en) C 1,69 bis 2,29 Si 0,20 bis 0,60 Mn 0,20 bis 0,40 Cr 3,59 bis 4,19 W 13,60 bis 14,60 Mo 2,01 bis 2,80 V 4,55 bis 5,45 Co 10,40 bis 11,50 N 0,02 bis 0,1 (O) max 90 ppm
    4. Verwendung eines Schnellarbeitsstahl-Schneidwerkzeuges mit hoher Warmfestigkeit unt Zähigkeit, welches pulvermetallurgisch durch Zerteilung eines flüssigen Metallstromes einer Legierung mit Stickstoff zu Metallpulver und Kompaktieren des Pulvers bei hoher Temperatur unter allseitigem Druck hergestellt und gegebenenfalls warmverformt ist, einen hohen Reinheitsgrad mit einem Gehalt und Konfiguration an nichtmetallischen Einschlüssen entsprechend einem Wert K0 von höchstens 3 gemäß Prüfung nach DIN 50 602 aufweist und folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% C 1,51 bis 2,5 Si bis 0,8 Mn bis 1,5 Cr 3,5 bis 4,5 W 13,3 bis 15,3 Mo 2,0 bis 3,0
      V 4,5 bis 6,9 Co 10,05 bis 12,0 S bis 0,52 N bis 0,2 O max 100 ppm
      mit einem Wert: Mangan minus Schwefel ( Mn-S) von mindestens 0,19, Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen und Begleitelemente als Rest, mit der Maßgabe besitzt, daß das Verhältnis der Konzentrationen von Wolfram zu Molybdän zwischen 5,2 und 6,5 liegt und daß der Gehalt an Kobalt höchstens 70 % des Wertes von Wolfram + Molybdän beträgt, für eine Hochgeschwindigkeitsabspanung ohne Schmiermittel von Werkstoffteilen, insbesondere aus Leichtmetallen und derartigen Legierungen.
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