EP1785500B1 - Verschleiss- und Korrisionfester, hochlegierter pulvermetallurgischer Stahl - Google Patents

Verschleiss- und Korrisionfester, hochlegierter pulvermetallurgischer Stahl Download PDF

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EP1785500B1 EP06405384A EP06405384A EP1785500B1 EP 1785500 B1 EP1785500 B1 EP 1785500B1 EP 06405384 A EP06405384 A EP 06405384A EP 06405384 A EP06405384 A EP 06405384A EP 1785500 B1 EP1785500 B1 EP 1785500B1
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Definitions

  • the present invention relates to a steel alloy according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing the steel.
  • Powder metallurgy allows the assembly of alloying elements without segregation. Due to the alloying of the individual elements in the melt and subsequent gas atomization by nitrogen, the alloy content in the melt hardly changes to the atomizing powder.
  • Such produced powder is then filled into a capsule and hot isostatically compressed.
  • the selected HIP temperature is below the melting temperature of the powder so that segregation or segregation during the sintering process is precluded.
  • oxides and mineral substances are introduced into the material. These can amount to 95% of the volume.
  • the worm housing and the worm are subjected to a great deal of corrosion and abrasion. Therefore, the use of special steels is required, which meet the requirements for wear, corrosion and strength.
  • a powder metallurgy steel is presented, which meets the requirements for wear and corrosion very well, even if it has a lower toughness through the use of the high alloy content of the elements C, Cr, V and W.
  • the alloys used in the US 4765836 have the following proportions of the main components in addition to iron: C Cr W Not a word V Ni Mn Min [%] 2.50 15.00 0 2.0 6.00 0 0.2 Max [%] 5.00 30.00 0 10.00 11.00 0.5 1
  • the alloys may still contain small amounts of sulfur, silicon and nitrogen.
  • the carbon content is adjusted with respect to V, Mo and Cr to form carbides and ensure a martensite structure by excess carbon.
  • Patent EP0271238 B1 proposed, but a molybdenum content of 2-10% is specified and a vanadium content of 6 - 11%.
  • the high proportion of vanadium determines the resistance to wear, as does the high molybdenum content.
  • Tungsten and niobium carbide formers are reported as 0%.
  • An object of the present invention is to provide an alloy which better meets the requirements for extruder parts.
  • these alloys have a basic hardness of at least 50 HRC.
  • the basic hardness is the hardness after production by hot isostatic pressing (HIP) and soft annealing.
  • the alloy is melted and then gas atomized.
  • the solidified powder is subsequently filled into a capsule, and the capsule was evacuated and sealed gas-tight.
  • a subsequent HIP treatment preferably at 1100 ° C / 3h / 1100 bar, gives a fine, segregation-free structure.
  • the carbides are evenly distributed in the basic matrix.
  • the material can be directly annealed as desired in the HIP plant or annealed by a subsequent heat treatment at 900-920 ° C, holding for 2 h and uniform cooling at 12 ° C per hour to 600 ° C.
  • the soft annealing hardness (basic hardness) reached is approx. 52 HRC.
  • the material (“Veko 25CR”) is then heat treated and tempered.
  • the hardness values achieved are shown in the start diagram [ Fig. 1 ] recorded relative to the different hardening temperatures. Material from various heat treatment stages was then tested for bending and compression strength. As an example for a hardening temperature of 1140 ° C and a tempering temperature of 450 ° C, the hardness and compressive strength in [ Fig. 2 ] and compared the results with other PM materials.
  • the material X 245 has the highest compressive strength, but a lower hardness than VeKo 25Cr.
  • the ductility of Veko 25Cr is therefore not dependent on hardness.
  • the flexural strength also a measure of the brittleness, is considerably higher than for other hard materials with lower hardness. Only the material X 245 has a higher bending strength, but at a lower hardness. Subsequently, these samples were subjected to wear and corrosion tests and the results were compared with other corrosion-resistant materials.
  • the parameters of the hot isostatic pressing can also be chosen differently than proposed within the usual values.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stahllegierung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Stahls.
  • Die Pulvermetallurgie erlaubt die Zusammenstellung von Legierungselementen ohne Entmischung. Durch das Legieren der einzelnen Elemente in der Schmelze und anschliessende Gasverdüsung durch Stickstoff ändert sich der Legierungsanteil in der Schmelze zum verdüsenden Pulver kaum.
  • Derartig hergestelltes Pulver wird anschliessend in eine Kapsel gefüllt und heissisostatisch verdichtet. Die gewählte HIP-Temperatur liegt unter der Schmelztemperatur des Pulvers, so dass eine Entmischung oder eine Seigerung während des Sintervorgangs ausgeschlossen ist.
  • Bei der Herstellung von temperatur- und festigkeitsbeständigen Kunststoffen werden Oxide und mineralische Stoffe in das Material eingebracht. Diese können bis 95 % des Volumens betragen. Beim Mischvorgang im Extruder wird das Schneckengehäuse und die Schnecke sehr stark bezüglich Korrosion und Abrasion beansprucht. Deswegen wird der Einsatz von speziellen Stählen verlangt, die die Anforderungen bezüglich Verschleiss, Korrosion und Festigkeit erfüllen. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein pulvermetallurgischer Stahl vorgestellt, der die Anforderungen bezüglich Verschleiss und Korrosion sehr gut abdeckt, auch wenn er eine geringere Zähigkeit durch den Einsatz des hohen Legierungsanteil der Elemente C, Cr, V und W aufweist.
  • Im Patent US 4765836 ist eine Legierung beschrieben, die eine ähnliche Zusammensetzung wie die erfindungsgemässe Legierung, aber einen höheren Vanadiumgehalt aufweist und kein Wolfram enthält.
  • Die Legierungen, die in der US-4765836 beansprucht werden, weisen folgende Anteile der Hauptkomponenten neben Eisen auf:
    C Cr W Mo V Ni Mn
    Min [%] 2,50 15,00 0 2,0 6,00 0 0,2
    Max [%] 5,00 30,00 0 10,00 11,00 0,5 1
  • Daneben können die Legierungen noch geringe Anteile Schwefel, Silizium und Stickstoff enthalten. Der Kohlenstoffgehalt ist bezüglich V, Mo und Cr angepasst, um Karbide zu bilden und durch einen Kohlenstoffüberschuss eine Martensitstruktur sicherzustellen.
  • Ein ähnlicher Weg wird im Patent EP0271238 B1 vorgeschlagen, dabei wird aber ein Molybdängehalt von 2 - 10 % angegeben und ein Vanadiumgehalt von 6 - 11 %. Hier ist der hohe Vanadiumanteil verschleissfestigkeitsbestimmend wie ebenso der hohe Molybdängehalt. Wolfram und Niob als Karbidbildner werden als 0 % angegeben.
  • Eine Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, eine Legierung anzugeben, die den Anforderungen für Extruderteile besser entspricht.
  • Eine derartige Legierung ist in Anspruch 1 angegeben, die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen und Herstellungsverfahren der Legierung an.
  • Prozentangaben sind in der Beschreibung und den Ansprüchen Gewichtsprozente, soweit nicht anders angegeben.
    • Allgemein wurde mit Legierungen der Zusammensetzung
  • Komponente Anteil [%]
    C 3,4 - 4,2
    Cr 20 - 30
    W 3 - 10
    Mo 0 - 4
    Ni 0 - 6
    Si 0,6 - 1,0
    Mn 0,2 - 0,4
    V 4,75 - 5,25
    Nb 0,75 - 1,25
    Rest: Eisen und Verunreinigungen
    die geforderten verbesserten Eigenschaften erzielt. Insbesondere weisen diese Legierungen eine Grundhärte von mindestens 50 HRC auf. Die Grundhärte ist dabei die Härte nach der Herstellung durch heissisostatischen Pressen (HIP) und Weichglühen.
  • Die Erfindung wird weiter an bevorzugten Ausführungsformen mit Bezugnahme auf Figuren erläutert.
    • Fig. 1
    Anlassdiagramm einer erfindungsgemässen Legierung
    Fig. 2
    Härte- und Druckfestigkeitsdiagramm der Legierung im Vergleich mit anderen Legierungen
    Fig. 3
    Vergleichsdiagramm Biegefestigkeit
    Fig. 4
    Vergleichsdiagramm Verschleissfestigkeit
    Fig. 5
    Vergleichsdiagramm Korrosionsbeständigkeit
  • Es wird eine Legierung mit einer Analyse von vorzugsweise C = 3,75 % / Si = 0,8 % / Mn = 0,3 % / Cr = 25 % / Mo = 3 % / V = 5 % / W = 5 % / Nb = 1 % / Ni = 2 % wie folgt hergestellt:
  • Die Legierung wird erschmolzen und anschliessend gasverdüst. Das erstarrte Pulver wird nachher in eine Kapsel gefüllt, und die Kapsel wurde evakuiert und gasdicht verschlossen.
  • Eine anschliessende HIP-Behandlung, vorzugsweise bei 1100 °C / 3h / 1100 bar, ergibt ein feines, seigerungsfreies Gefüge. Die Karbide sind gleichmässig in der Grundmatrix verteilt. Das Material kann je nach Wunsch in der HIP-Anlage direkt weichgeglüht oder durch eine anschliessende Wärmebehandlung bei 900-920 °C, Halten 2 h und gleichmässiges Abkühlen mit 12 °C pro Stunde bis 600 °C weichgeglüht werden.
  • Die erreichte Weichglühhärte (Grundhärte) liegt bei ca. 52 HRC. Das Material ("Veko 25CR") wird anschliessend wärmebehandelt und angelassen. Die erreichten Härtewerte sind im Anlassdiagramm [Fig. 1] bezogen auf die verschiedenen Härtetemperaturen aufgezeichnet. Material aus den verschiedensten Wärmebehandlungsstufen wurde anschliessend auf die Biege- und Druckfestigkeit geprüft. Als Beispiel für eine Härtetemperatur 1140 °C und Anlasstemperatur 450 °C sind die Härte und Druckfestigkeit im [Fig. 2] aufgezeichnet und die Resultate mit anderen PM-Werkstoffen verglichen. Diese bekannten Vergleichslegierungen sind spezifiziert wie folgt: Tabelle 1: Legierungszusammensetzungen (PM: pulvermetallurgisch)
    Name C Si Mn Cr Cu Ti Ni W Mo Co V Nb B Fe Herstellgsverfahren
    X 235 2.5 0.5 0.3 20.0 0.0 0.0 < 0.5 0.0 1.3 0.0 4.3 1.9 Rest PM
    X 245 2.5 0.9 0.5 5.3 0.0 0.0 < 0.5 0.0 1.3 0.0 9.8 0.0 Rest PM
    X 260 Cr 2.7 0.6 0.4 26.0 0.0 0.0 < 0.5 0.0 1.1 0.0 2.4 1.3 Rest PM
    GP 27.1 2.7 0.6 0.4 26.0 0.0 0.0 < 0.5 0.0 1.1 0.0 2.4 1.3 Rest Guss
    Mit HIP hergestellte Legierungen:
    HIP 40 S 0,2 3,5 <0.1 7,5 - - Rest - - - - - 2.8 <1,0 PM
    HIP 65S 1,15 4,3 - 17 - - Rest - - - - - 3,3 <1,0 PM
    HIP 1 2.5 - - 33 - - - 13 - Rest - - - - PM
    HIP 1 Mo 2.5 - - 33 - - - 13 4 Rest - - - - PM
  • Dabei zeigt sich, dass der neue Werkstoff VeKo 25Cr trotz der hohen Härte im Vergleich mit anderen Werkstoffen eine gute Druckfestigkeit besitzt. Der Werkstoff X 245 hat die höchste Druckfestigkeit, aber eine tiefere Härte als VeKo 25Cr. Die Duktilität von Veko 25Cr ist also nicht härteabhängig.
  • Das Gleiche zeigt sich in der Biegefestigkeit (Fig. 3). Die Biegefestigkeit, auch ein Mass für die Sprödigkeit, ist wesentlich höher als für andere Hartstoffe mit tieferer Härte. Einzig der Werkstoff X 245 hat eine höhere Biegefestigkeit, allerdings bei einer tieferen Härte. Anschliessend wurden von diesen Proben Verschleiss- und Korrosionsversuche durchgeführt und die Ergebnisse mit anderen korrosionsfesten Werkstoffen verglichen.
  • Dabei stellte sich heraus, dass der neue pulvermetallurgische Werkstoff Veko 25Cr im Vergleich zu anderen PM-Werkstoffen gute Verschleiss- [Fig. 4] und Korrosionseigenschaften [Fig. 5] aufweist.
  • Diese besonderen Eigenschaften werden erreicht, indem der Vanadiumgehalt bewusst tief eingestellt wird, dafür aber eine Beigabe von Wolfram zur Beeinflussung der Karbidhärte beigegeben wird. Die Zugabe von Nickel beinflusst den Austenitgehalt und erhöht dadurch die Korrosionsbeständigkeit.
  • Aus der vorangehenden Beschreibung sind für den Fachmann Abwandlungen der Erfindung zugänglich, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.
  • Insbesondere können die Parameter des heissisostatischen Pressens im Rahmen der üblichen Werte auch anders gewählt werden als vorgeschlagen.
    • Glossar
    • HIP
    Heissisostatisches Pressen
    HRC
    Härtegrad Rockwell
    Veko 25Cr
    Bezeichnung eines bevorzugten erfindungsgemässen Materials

Claims (12)

  1. Pulvermetallurgischer Stahl, wobei die Zusammensetzung in Gewichtsprozent ist C 3,4 - 4,2 %, Cr 20 - 30 %, W 3 - 10 %, Mo 0 - 4 %, Ni 0 - 6 %, Si 0,6 - 1,0 %, Mn 0,2 - 0,4 %, V 4,75 - 5,25 %, Nb 0,75 - 1,25 %, Rest Fe und Verunreinigungen.
  2. Stahl gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Anteile der angegebenen Komponenten in. Gewichtsprozent: C 3,65 - 3,85 %, Cr 24,5 - 25,5 %, W 4,5 - 5,5 %, Mo 2,8 - 3,2 %, Ni 0,4 - 2 %.
  3. Stahl gemäss Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Anteil an Nickel von 2 Gewichtsprozent.
  4. Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Anteile der angegebenen Bestandteile in Gewichtsprozent: Si 0,8 %, Mn 0,3 %, V 5 %, Nb 1 %.
  5. Stahl gemäss Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Anteile der angegebenen Bestandteile in Gewichtsprozent: C 3,75 %, Cr 25 %, Mo 3 %, W 5 %, Ni 2 %.
  6. Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 oder 5, gekennzeichnet durch eine Härte nach Weichglühen (Grundhärte) von mindestens 50 HRC (Härte Rockwell).
  7. Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Härte von mind. 67 HRC nach einer Wärmebehandlung.
  8. Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er durch heissisostatisches Pressen herstellbar ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus einem Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch der Komponenten geschmolzen wird, die Schmelze gasverdüst wird und das erhaltene Pulver heissisostatisch gepresst wird.
  10. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus dem Stahl einer Wärmebehandlung unterworfen wird, um die Härte zu erhöhen.
  11. Verwendung des Stahls gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von Extruderbestandteilen, insbesondere des Schneckengehäuses und der Schnecke.
  12. Extruder mit einem Schneckengehäuse und/oder einer Schnecke, die wenigstens an den mit dem Arbeitsmedium in Kontakt tretenden Flächen aus einem Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8 besteht.
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