EP1249511B1 - PM-Schnellarbeitsstahl mit hoher Warmfestigkeit - Google Patents

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EP1249511B1
EP1249511B1 EP01890331A EP01890331A EP1249511B1 EP 1249511 B1 EP1249511 B1 EP 1249511B1 EP 01890331 A EP01890331 A EP 01890331A EP 01890331 A EP01890331 A EP 01890331A EP 1249511 B1 EP1249511 B1 EP 1249511B1
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EP
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tungsten
molybdenum
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speed
content
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EP01890331A
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Ingrid Maili
Roland Rabitsch
Werner Liebfahrt
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Voestalpine Boehler Edelstahl GmbH
Original Assignee
Boehler Edelstahl GmbH
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Publication date
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Priority to SI200130645T priority patent/SI1249511T1/sl
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Definitions

  • the invention relates to a high speed and high ductility toughened steel article produced by powder metallurgy by dicing a liquid metal stream of an alloy with nitrogen to metal powder and compacting the powder at high temperature under full pressure and optionally thermoformed.
  • High speed steels include alloys having from about 0.8 to 1.0 weight percent carbon, from 14 to 18 weight percent tungsten, from about 4.5 weight percent chromium, up to 2 weight percent molybdenum, at least 1.2 to 1.5% by weight of molybdenum, at least 1.2 to 1.5% by weight of vanadium and from 3 to 20% by weight of cobalt, the remainder being iron.
  • the cause of the achievable with these high-speed steels high performance is the interaction of the carbide-forming elements vanadium, tungsten, molybdenum and chromium and acting on the matrix or matrix element cobalt.
  • vanadium in particular is suitable for imparting a high tempering resistance to the alloy up to a temperature of about 600 ° C.
  • high carbon and high vanadium content a large amount of vanadium carbides are formed, which causes a special wear resistance of the material.
  • sizing tools are therefore made with high-speed steels which have an increased carbon and vanadium content.
  • Powder metallurgy production essentially involves atomizing a molten steel to metal powder, introducing and compacting the metal powder into a capsule, sealing the capsule, and heating and hot isostatically pressing the powder in the capsule to a dense homogeneous material.
  • This PM material can be used directly after appropriate heat treatment for the manufacture of articles or previously subjected to hot working, for example by forging.
  • Another object of the invention is to provide a high speed steel article for use as a tool for high speed machining of materials without the addition of lubricants, particularly for machining light metals and such alloys.
  • the specification is achieved in a high-speed steel article of the type mentioned above in that the article 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 DIN 50 602 testing and the following chemical composition in terms of weight.
  • Oxide inclusions are defects with mostly edged structure and represent, as was found, starting from a critical size, the starting point of cracks in the material tempered to high hardness at an optionally changing stress state in this. Because in a matrix with high hot hardness or high temperature crack initiation was disproportionately increased by coarse oxides in the material, however, as shown, inclusions with a small diameter and low longitudinal extent are not very effective, a cumulative value of not more than 3 in the test for non-metallic inclusions according to DIN 50 602 method K0 was recognized as important according to the invention.
  • the excellent property profile of the alloy according to the invention results synergistically from the interaction of the elements in their respective activities. It is essential that in the high-speed steel, the concentration values elements carbon, chromium, tungsten, molybdenum, vanadium and cobalt are present within narrow limits and that the oxygen content does not exceed a maximum value. The content of carbon is in the light of the high affinity of the elements tungsten, Molybdenum and Vanadin to see this.
  • the above alloy metals form stable primary carbides and secondary hard carbides, however, are also intercalated after interaction and respective activity in the matrix mixed crystals.
  • the carbon concentration of the alloy is 1.51 to 2.5% by weight.
  • the maximum chromium concentration of 4.5% by weight is due to the fact that higher contents lead to a chromium content in the matrix which has a stabilizing effect on the retained austenite content during curing.
  • Up to a minimum value of 3.5 wt .-% chromium is carried out by the incorporation of the alloy atoms in the solid solution a desired solidification thereof, so that according to the invention a content range of 3.5 to 4.5 wt .-% is provided in the material.
  • Tungsten and molybdenum have a high carbon affinity, form almost identical carbides and, according to widely-held opinion of the experts, due to the respective atomic weight in terms of mass, 2 to 1 interchangeable. It has surprisingly been found that this interchangeability is not completely given, but by the respective activity of these alloying elements Mischkarbid Struktur and the proportion of elements in the solid solution are controllable, which will be discussed in more detail in the discussion of the high temperature strength of high-speed steel.
  • Vanadin is one of the strongest monocarbide formers, whose carbides are characterized by high hardness and substantiate the special wear resistance of the material.
  • the wear resistance is promoted by the fine formation and a substantially homogeneous distribution of monocarbides, as this is created by a powder metallurgical production of the material.
  • vanadium, but also the elements tungsten and molybdenum are included to bring high temperatures partially in solution, which after a forced cooling of the article has a significant secondary hardness potential by excretion of finely distributed vanadinreicher secondary carbides by tempering treatments and is beneficial to the heat resistance of the material advantageous.
  • Vanadium concentrations below 4.5 wt .-% lead to a significant deterioration of the wear behavior of the coated part.
  • Cobalt is not a carbide-forming element in high speed steel, but it solidifies the matrix and significantly enhances the thermal resistance of the article.
  • High cobalt contents of more than 12.0 wt .-% act in the given high-speed steel embrittling to the basic mass of the material, whereas lower concentrations than 10.05 wt .-% cause a significant reduction in matrix hardness at elevated temperature.
  • Cobalt in the inventively provided limits of 10.05 to 12.0 wt .-% causes due to the high diffusion coefficient that when starting the hardened part of the increased nucleation because of facilitates the diffusion processes and thus the secondary carbide precipitates in large numbers and large amount fine be formed distributed, also coarsen only slowly and advantageous to the matrix strength, especially at high temperature, are effective.
  • the fine secondary carbides which give the material in the tempered state high hardness and strength, are increased by diffusion processes at high application temperatures or there is coagulation. Due to a high tungsten content in the alloy and consequently in the secondary carbides, the size of the tungsten atoms is smaller due to a smaller diffusion coefficient than the elements molybdenum and vanadium, so that a significantly slower coarsening and stabilization of the system at high Temperature, as was found, also occurs in mixed carbides.
  • the tungsten content of 13.3 to 15.3 wt .-% of the invention ensures at the predetermined levels of other strong carbide-forming elements a low tendency to coarsening of the secondary hard carbides at elevated temperatures and thus a small carbide particles long-term, which blocks the dislocations in the matrix lattice and a Softening of the material dilated.
  • the material remains longer, even at high thermal loads hard, so has an increased heat resistance.
  • Molybdenum plays an important role in reaction kinetics or mixed carbide formation, with a content of from 2.0 to 3.0 being determined to be effective according to the invention.
  • a maximum level of 100 ppm oxygen is provided in terms of the number of non-metallic inclusions and the property profile of the material under the stresses.
  • silicon in the alloy acts as a solidifying agent and deoxidizer, it should not exceed a content of 0.8% by weight for reasons of hardenability of the material.
  • manganese can influence the hardening behavior of the material, it is primarily to be considered together with the sulfur content, sulfur and manganese elements to be considered as the workability of the steel due to sulfide inclusion. In the case of preferably low manganese contents in the steel, the value: manganese minus sulfur should not fall below 0.19, because this can lead to hot forming problems and lowered material properties at high use temperatures.
  • Nitrogen may have a favorable effect on improving the heat resistance due to the formation of carbonitrides which are difficult to dissolve at high temperatures in the material according to the invention, but should only be alloyed to a content of 0.2% by weight in order to avoid manufacturing problems.
  • the invention may have one or more elements (s) with the following concentration value (s) in% by weight, based on the above composition.
  • concentration value s
  • a further narrowing of the concentration range of alloy components can be advantageously used for specific material orientation for particular applications, wherein the article based on the first-mentioned composition one or more element (s) with the following (s) Concentration value (s) in wt .-% has 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 Not a word 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 the use of a high speed and high speed toughened steel cutting tool which is powder metallurgically produced and optionally thermoformed by dividing a liquid metal stream of an alloy with nitrogen into metal powder and compacting the powder at high temperature having 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 Not a word 2.0 to 3.0 V 4.5 to 6.9 Co 10.05 to 12.0 S to 0.52 N 0.018 to 0.195 O max 100 ppm with a value: manganese minus sulfur (Mn-S) of not less than 0,19, iron and impurities and by-products as balance, with The proviso has that the ratio of the concentrations of tungsten to molybdenum between 5.2 and 6.5 and that the content of cobalt is at most 70% of
  • Table 1 shows the chemical composition of a high speed steel article according to the present invention and those of comparative materials.
  • Fig. 3 the curve of the hot hardness of the materials at 650 ° C is shown in logarithmic dependence of the time, all samples having approximately the same initial hardness of 67 to 68 HRC.
  • the hot hardness test was carried out by means of a dynamic method developed by the Material Competence Center Leoben (Zeitschrift für Metallischen 90 (1999) 8, 637)

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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) 0,018 bis 0,195
    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 Gehalt 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 0,018 bis 0,195
    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 imgb0001

Claims (5)

  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, 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) 0,018 bis 0,195 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. Schnellarbeitsstahlgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei des Gegenstand ein Schneidwerkzeug ist.
  5. 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 0,018 is 0,195 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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