EP3263726A1 - Fe basis material and method for its production - Google Patents

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EP3263726A1
EP3263726A1 EP16176840.3A EP16176840A EP3263726A1 EP 3263726 A1 EP3263726 A1 EP 3263726A1 EP 16176840 A EP16176840 A EP 16176840A EP 3263726 A1 EP3263726 A1 EP 3263726A1
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EP
European Patent Office
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base material
matrix
hard
mass
hard material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16176840.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Horst HILL
André VAN BENNEKOM
Andreas Mohr
Arne RÖTTGER
Werner Theisen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ruhr Universitaet Bochum
Deutsche Edelstahlwerke Specialty Steel GmbH and Co KG
Original Assignee
Ruhr Universitaet Bochum
Deutsche Edelstahlwerke GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ruhr Universitaet Bochum, Deutsche Edelstahlwerke GmbH filed Critical Ruhr Universitaet Bochum
Priority to EP16176840.3A priority Critical patent/EP3263726A1/en
Publication of EP3263726A1 publication Critical patent/EP3263726A1/en
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    • B22F3/12Both compacting and sintering
    • B22F3/14Both compacting and sintering simultaneously
    • B22F3/15Hot isostatic pressing

Definitions

  • the invention relates to an Fe base material which consists of a steel matrix and of hard particles embedded in the steel matrix.
  • the invention relates to a method for producing such an Fe base material.
  • the Fe base material according to the invention is a so-called "hard composite material" in which the hard particles embedded in the steel matrix should ensure the required hardness and the steel matrix, on the one hand, a secure hold of the hard material particles and, on the other hand, the required toughness of the Fe base material.
  • Fe base material includes iron-based materials, including, in addition to the steels with carbon contents of up to 1% by mass, in particular also in the technical sense, carbon-free materials.
  • powder metallurgy in the form of a metal matrix composite (“MMC”) produced material contains up to 50% by volume (corresponding to up to about 35% by mass) of titanium carbide (TiC ) with a hardness of 2800 - 3500 HV0.05.
  • TiC titanium carbide
  • the Titanium carbide is incorporated in this material into a matrix of steel, the properties of which are adapted to the respective intended use.
  • Ferro-titanitic materials are available, as detailed in the Ferro-Titanit® datasheet collection 08/2003, in which the steel matrix consists of a martensitic, highly resistant steel, a highly corrosion-resistant steel, a hardenable, high tenacity nickel martensitic steel or made of a non-magnetizable, highly corrosion and temper resistant steel.
  • the contents of the respective materials on the particulate TiC hard material grains are typically in the range of 30-35 mass% in practice.
  • Hard composites are preferably used in areas where technical surfaces must be protected against grossly abrasive wear.
  • the structure of hard composites usually consists of a metallic matrix with embedded and finely dispersed hard materials and has in comparison to molten metallurgically urgeformten hard alloys the advantage that material structure against thermodynamic boundary conditions by mixing and compacting any hard metal matrix combinations can be produced.
  • the metal matrix is preferably Fe (white cast iron, tool steels), Ni (NiBSi, NiCrBSi) or Co (Stellite) hard alloys.
  • metallic hard materials or metal-covalently bonded hard materials such as tungsten carbides of the WC or WC-W 2 C type, are usually used because of the metallurgical compatibility and the material properties.
  • the hard composites are usually produced by sintering or build-up welding with the methods presented below, which are known per se to those skilled in the art.
  • solid materials can be produced under pressure and temperature in a known manner or by hard bonding materials on functional surfaces can be applied to functional surfaces by "diffusion welding" (see http://www.ise.rub.de/utz/ête/sintercladding. html.de).
  • a powder, strip or rod-shaped welding filler which is applied to a substrate by suitable fusion welding methods (plasma powder build-up welding, oxy-acetylene welding, metal inert gas welding).
  • the applied by means of build-up welding functional layer protects the substrate against external stress due to wear and / or corrosion.
  • Partly tough Ni base hard alloys with 50% by volume WC or tungsten carbide (“WSC”) have been able to establish themselves as welding consumables.
  • Ni base hard alloys available for hard alloys
  • these materials can be processed together with the additions of hard material at lower temperatures, so that undesirable hard metal-metal matrix interactions, such as the formation of brittle phases, can be avoided.
  • the disadvantage is the cost of these Ni-base / WSC welding consumables.
  • hard material TiC which has a higher hardness compared to W-containing hard materials but a lower fracture toughness.
  • hard composites with the hard material TiC could be produced by sintering and thermal spraying on substrates.
  • tougher grades are used in the field of mining and the treatment of building materials, in particular of materials resulting from road treatment.
  • the structure of these grades also referred to as mining grades, has a lower hard material volume content of 75 to 85 vol .-% with a larger WC carbide size of a few micrometers. Due to a higher co-binder content in the steel matrix in combination with a lower specific carbide surface, a higher wetting surface of the hard materials through the co-binder is present, which promotes the bending strength.
  • Ni base base composites with WSC additions are most commonly processed by build-up welding.
  • the hard material tungsten carbide There is no practical alternative available for the hard material tungsten carbide. This is due to the fact that tungsten carbide as a metal-ceramic material has a good combination of high hardness and high fracture toughness for ceramic materials. There are no commercially available metal-ceramic materials are known which have this combination of properties.
  • Oxide ceramics for example, have a chemically inert effect and do not undergo metallurgical reactions with the metal matrix, so that when they are processed into hard composite materials, they are only frictionally bonded into the metal matrix.
  • covalently bound hard materials in contact with molten metals behave metastable to unstable and lead to the formation of more stable phases.
  • tungsten which is essential for hard materials of the type described here, is available on the market only at high cost and to a limited extent.
  • the object of the invention was to provide an Fe base material that can be produced cost-effectively with secure raw material availability and thereby has optimized service properties.
  • the invention has achieved this object by an Fe base material having at least the features specified in claim 1.
  • the inventive, the above object solving method for producing an Fe base material according to the invention comprises at least the steps specified in claim 7.
  • the invention is based on the recognition that the properties of hard composite materials of the type in question can be purposefully improved by influencing the hard material morphology and the hard material properties.
  • the interdiffusion processes between the metal matrix and the hard material, which begin during the production of the hard composite materials, are used to adjust the hard material properties.
  • the material according to the invention is therefore also a metal-matrix composite ("MMC") in which, according to the invention, optimum bonding of the respectively provided TiC hard materials to the matrix of the material is ensured by adding at least one connecting element.
  • MMC metal-matrix composite
  • the composition of the material forming the matrix of the Fe base material according to the invention is selected such that in the course of the production of the Fe base material it leads to a "alloying" of the hard material provided by the invention in the metallic binder matrix or Metal matrix dissolved alloying elements comes.
  • the alloy of the Fe base material according to the invention is selected such that a sufficient driving force for mass transfer processes occurs at the respective boundary surfaces (steel matrix hard material). In this way, the targeted interdiffusion and the associated changes in the hard material properties achieved.
  • the invention is based on a composition of the Fe base material, which includes the well-known from the prior art members of FerroTitanit materials, but extends this composition by the sake of simplicity so called "attachment elements". These elements have sufficient solubility in the TiC hard material and diffuse during the production of the material from the metal matrix in the TiC hard material bound in the steel matrix.
  • attachment elements such elements which form homologous phases as TiC and thus have a high, partly complete solubility in the kfz lattice of the TiC are used as attachment elements.
  • These elements can be found in the periodic table of elements in the transition elements of the 4th to 6th subgroup. These include Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, with "Zr, Hf, Nb, Ta, V, W" being particularly suitable for the purposes according to the invention.
  • Specially tungsten has been included here as a possible attachment element, since it also has a certain solubility in the kfz lattice of the TiC and as far as the other invention selected connecting elements can substitute Ti atoms.
  • the invention thus provides a metal-matrix composite ("MMC") which, with a matrix based on iron and alloyed in accordance with the invention, has optimum conditions for a long and effectively usable service life and also provides optimized performance properties.
  • MMC metal-matrix composite
  • Mo and Cr are preferably not among the attachment elements added according to the invention, because with the diffusion of Mo into the TiC hard material particles, a decrease in the Mo content in the metal matrix surrounding the hard material particles and, concomitantly, a decrease in corrosion resistance would be associated.
  • the selection of the connecting elements according to the invention has succeeded in increasing the corrosion resistance and toughness of the MMC according to the invention.
  • alloying elements have been selected as attachment elements, which have a higher tendency, compared to Mo, to be present in the TiC particles during the production process.
  • tungsten is also suitable for the purposes according to the invention, but has a limited solubility in the TiC and is therefore only effective to a limited extent here.
  • the presence of W in the MMC material according to the invention is preferably completely omitted in the technical sense. W is then present at most in the impurities attributable amounts in the Fe base material according to the invention.
  • the content of the bonding elements added according to the invention as alloying elements to the Fe material of the matrix of an MMC according to the invention is, in principle, 0.5 to 5% by mass per added connecting element.
  • Optimum effects are exhibited by the attachment elements if they are present in the matrix in amounts of at least 1% by mass, the minimum content of the particular attachment element also being 1.5% by mass or 2% by mass can. At levels above the upper limit of 5% by mass of the respective attachment element, no increase in the effect could be observed.
  • Optimal effects were obtained at levels of attachment elements of up to 4% by mass, with contents of not more than 3.5% by mass or not more than 3% by mass regularly resulting in good properties of the MMC-Fe base material according to the invention.
  • the effort associated with the alloying of the connection elements it may therefore be expedient to correspondingly limit the content of the respectively provided connection element.
  • the connecting elements selected according to the invention in combination with one another to the Fe base material according to the invention.
  • the sum of the contents of the added elements is 1-5% by mass, in particular at least 2% by mass or at most 4% by mass.
  • the diffusion is promoted or facilitated.
  • the effects according to the invention of the addition of the attachment elements already set in when only one attachment element is present.
  • Nb and V have been found to be particularly suitable for the purposes of the invention. Extensive investigations have shown that both Nb and V contribute particularly effectively to a significant improvement in the performance of an Fe base material of the type according to the invention. Here, Nb proves to be particularly effective in terms of increasing the wear resistance under the regular operating conditions in practice conditions.
  • Nb alone is provided as the attachment element, it has proved to be favorable if the content of Nb, if present, is less than 5% by mass, in particular not more than 4% by mass, with contents of at least 1% by mass or at least 1.5 mass% have been found to be particularly advantageous. These specifications are especially applicable when the frayed material of the matrix is higher, i. having above 10% by mass lying Cr contents or above 4.5% by mass lying Mo contents. Experiments have shown that the limitation of the Nb content to contents of less than 3% by mass, even at such high Mo or Cr contents, prevents the formation of unfavorable sigma phases.
  • the V content of the Fe base material according to the invention also to at most 5% by mass, in particular at most 4.0% by mass or at most 3.0% by mass
  • contents of at least 1% by mass or 1.5% by mass have proven to be particularly advantageous here.
  • the C content is in the range of the impurities, ie it is not present in the technical sense and therefore ineffective, and its (in mass%) is 12.5-14 , 5, in particular at least 13% or at most 14%, its Mo content 4.5-5.5%, its Co content 8.0-10.0%, in particular at least 8.5% or 9.5%, its Ni content is 3.5-4.5% and its TiC content is 27-33%, in particular at least 29% or at most 31%.
  • the alloy produced according to the invention by the addition of at least one of the attachment elements and the concomitant change in the morphology and size of the TiC particles leads to improved wear resistance.
  • Fine grain (220 mesh) and coarse grain (80 mesh) Al 2 O 3 grains were used as abrasives, it could be shown that according to the invention Anchor elements Nb or V alloyed Fe base material compared to a material that lacked the respective attachment element with otherwise the same composition, in the fine abrasives by a factor of 3.5 and the coarse abrasives showed a factor of 2 improved wear resistance.
  • the powder mixture provided according to the invention can be produced in a conventional manner.
  • the procedures required for this purpose are known and are described, for example, in the brochure " INTRODUCTION TO THE POWDER METALLURGY PROCESSES AND PRODUCTS ", published in the German version by the Powder Metallurgy Association 2010 has been issued and available at the URL www. Pulvermetallurgie.com is available for download, generally described.
  • an explanation of the in the production and processing of hard materials containing metal powders can be found in Foller, M .; Meyer, H .; Lammer, A .: Wear and Corrosion of Ferro-Titanite and Competing Materials.
  • Tools in the next century Proceedings of the 5th International Conference on Tooling, September 29th - October 1st, University of Leoben, Austria, 1999, pp. 1-12 ,
  • the parameters of the sintering can be selected in the compacting step in a manner also known per se so that partial melting of the powder grains occurs.
  • the resulting liquid phase results in practice-oriented process management an optimized binding of the powder grains.
  • the sintering can be carried out in a likewise known manner under pressure.
  • a variant of this sintering process which is particularly suitable for the purposes according to the invention is the so-called hot isostatic pressing, also known by the name "HIP”.
  • the resulting Fe base material block is subjected, if necessary, still a heat treatment in which it is solution-annealed over a period of 1 - 4 hours at a solution annealing temperature of 800 - 1100 ° C.
  • the solution annealing can be carried out under vacuum.
  • the MMC-Fe base material block can also be quenched to obtain a product optimized in mechanical properties. Quenching is preferably carried out in such a way that a purely martensitic structure of the matrix is set up, in which small, technically unavoidable contents of other structural constituents of up to 1% by volume can be present. These other structural constituents may in particular be retained austenite. By creating a purely martensitic structure of the matrix in this sense the required hardness, strength and wear resistance of the MMC material according to the invention safely achieved.
  • the quenching can be done for example by blowing the block of material with respect to the material according to the invention in particular inert gas.
  • the gas stream can be passed at a pressure of 1 - 4.5 bar in a chamber in which the Fe base material block is located.
  • Particularly suitable for the cooling of gaseous nitrogen is particularly suitable.
  • the cooling can be carried out in the furnace chamber in which the annealing treatment has previously taken place.
  • normally openable flaps or the like are provided in heat treatment furnaces used in practice via which, for example by means of fans, the cooling gas, in particular the nitrogen, can be led into the furnace space where it can be circulated and circulated.
  • the cooling gas flow is preferably not directed as a focused nitrogen jet to the refrigerated goods, but passed diffusely into the open chamber. In this way, cooling takes place via the maintained in the furnace chamber and, if necessary, continuously exchanged cooling gas atmosphere.
  • the cooling gas in particular the nitrogen, is preferably used at room temperature. It has been found that, with regard to the goal of cooling, namely the formation of a martensitic microstructure, optimized cooling rates result. At lower cooling gas temperatures, the cooling rates would still be increased somewhat. However, experience shows that this has no appreciable influence on the cooling result, so that the expense associated with the additional cooling of the cooling gas can be avoided
  • Optional solution annealing and optional quenching may be followed by annealing at the end of the heat treatment (optional step c)), where the Fe base material block is heated at 100-550 ° C for a period of 1 - 8 hours is held.
  • the Fe base material block is heated at 100-550 ° C for a period of 1 - 8 hours is held.
  • intermetallic phases are formed which further increase the hardness and strength of the matrix.
  • MMC powders made of a steel matrix forming powder and powdered titanium carbide in an attritor by mechanical alloying have been provided to form a very homogeneous and fine-grained powder.
  • a typical d50 value of the powder was in the range of 10 - 15 ⁇ m. That is, the diameter of 50% of the particles is smaller than 10 - 15 ⁇ m.
  • the mixing was followed by drying and pressing followed by sintering in a vacuum oven in the temperature range of 1200-1500 ° C. over a period of 3 hours at a reduced pressure of about 5 ⁇ 10 -2 mbar.
  • the samples were then solution annealed at 850 ° C for two hours, quenched in oil, and then purged for 6 hours at 480 ° C in air.
  • compositions of the test pieces obtained are shown in Table 1.
  • Nikro 128 is the middle one Hard particle diameter, the mean hard particle size, the volume fraction of hard particles and the number of particles for each sample specified.
  • the Nb-alloyed samples registered a density increase with increasing Nb content due to the higher density of Nb compared to the density of the non-Nb or V-alloyed Nikro128 material. The same has been observed in the V-alloyed samples, since V also has a higher density than the non-Nb or V-alloyed Nikro128 material.
  • microstructure was evaluated metallurgically and the property changes associated with the addition of Nb or V were determined by tribological, mechanical and chemical analyzes.
  • FIGS. 1a-1d The structure of the alloyed with Nb additions Nikro128 materials is in the FIGS. 1a-1d represented by micrographs ( Fig. 1a : Nikro128 + 1Nb; Fig. 1 b: Nikro128 + 2Nb; Fig. 1 c: Nikro128 + 3Nb, Fig. 1d : Nikro128 + 4Nb).
  • Fig. 2 reproduced the microstructure of the material Nikro128 without Nb addition in a similarly prepared microsection.
  • the hard phase size of the TiC inclusions increases and, on the other hand, the free matrix path length between the TiC islands is increased by the breaking up of the reticulated hard materials.
  • the increase in the free matrix path length leads to a significant increase in the bending strength of the Nb-alloyed hard composite materials compared to the starting material Nikro128.
  • both the hardness and the modulus of elasticity of the hard materials can be increased in a targeted manner by alloying in Nb or V, in which case a maximum hardness of approximately 2% by mass V and approximately 2% by mass Nb is achieved becomes. Above these levels, both hardness and modulus drop slightly, with hardness and modulus not falling below the properties of the stoichiometric pure TiC.
  • the modification of the micromechanical properties, the hard material morphology and the chemical composition of the TiC inclusions additionally have a positive influence on the corrosion and wear properties of the Fe base material.
  • FIGS. 3a, 3b attached pictures shows the wear resistance of the tested samples ( Fig. 3a : Nikro 128 + xV; Fig. 3b : Nikro128 + xNb), testing for claw wear.
  • the tests were done in the manner already described as pen paper Wear test performed.
  • FIGS. 3a, 3b show that, compared to the coarse abrasives, the addition of V only causes a slight increase in the wear resistance compared to the Nikro128 without Nb or V.
  • the wear resistance increases with increasing Nb content due to an increase in hardness, volume content and diameter of the hard material TiC with increasing Nb content.
  • the thus prepared samples were installed as a working electrode in a test stand.
  • the counterelectrode consisted of a platinum plate, while the reference electrode was made of mercuric chloride and was spatially separated but electrically connected via a salt bridge in an external vessel. This separation was made to counteract contamination of the electrode and thus a falsification of the measurement results. Either 0.5 mol H2SO4 (5%) or 0.6 mol NaCl (3%) was used. All electrodes were connected to a potentiostat, which took over the regulation of the voltage and the measurement of the current.
  • the sulfuric acid Prior to measurement and after incorporation of the sample into the test stand, the sulfuric acid was purged with nitrogen (2 L / min) for 30 minutes to purge contained oxygen for comparability of results. Subsequently, the sample became cathodic for 60 s -1744 mV cathodized. This serves to remove impurities on the surface and at least a partial dissolution of the natural oxide layer. In the subsequent measurement of the resting potential for 30 min, the passive layer formed with the oxygen in the electrolyte and thus always under comparable conditions new.
  • the hole corrosion behavior was determined in 0.6 molar NaCl solution. Since in most cases the actual pitting potential Upit, ie the potential indicating the onset of pitting corrosion at the beginning of the steep rise of the potential curve, could not be determined correctly, based on the currently valid standards ASTM G-150-99 and DIN-50905- 2 introduced the breakthrough potential as a benchmark. This value was read at the location of the curve, from which the current density is constant> 100 ⁇ A / cm 2 .
  • Fig. 4 the measured curves determined for the V-containing samples and the sample alloyed neither with V nor Nb are shown for the determination of the breakdown potential (at 100 ⁇ A / cm 2 ). It can be seen that as the V content increases, the breakdown potential is shifted in the direction of higher potentials and therefore the corrosion resistance (in this case compared with NaCl) increases.
  • the interdiffusion process between hard materials, such as TiC, and the metal matrix occurring during the alloying of a connecting element, in particular during the alloying of Nb and V can be used selectively during the compaction of materials containing hard materials.
  • the metal matrix is targeted with sufficient levels Enriched alloying elements that interact chemically during the material compaction with the hard materials and possibly cause the formation of new phases.
  • the alloying-in of hard materials by alloying elements according to the invention from the metal matrix during the production of the Fe base material according to the invention thus makes it possible to influence the hard material properties in a targeted manner.
  • the result is improved material properties compared to conventionally produced hard composite materials.
  • the invention focuses on the use of TiC hard materials that are available in sufficient quantities and sustainable.
  • the inventive MMC-Fe base material can be produced in a particularly cost-effective manner if the TiC contained in it is at least partially obtained by recycling Ti-containing Fe base materials.
  • a method of recycling such materials is in the EP 2 678 455 B1 described.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fe-Basiswerkstoff, der aus einer Matrix auf Eisenbasis und aus in dieser Matrix eingelagerten Hartstoffpartikein besteht, wobei der Fe-Basiswerkstoff aus (in Masse-%) ‰¤ 1,0 % C, 2,0 - 25,0 % Cr, 0,5 - 7 % Mo, einem zum Anbinden der Hartstoffpartikel an die Matrix zugegebenen Anbindungselement, welches den Übergangselementen der 4. - 6. Nebengruppe des Periodensystems angehört, in Gehalten von jeweils 0,5 - 5,0 %, ‰¤ 12 % Co, ‰¤ 18 % Ni, sowie 20 - 40 % TiC-Hartstoffpartikel und als Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und wobei in den Hartstoffpartikeln Ti-Atome durch Atome des einen in der Matrix vorhandenen Anbindungselements substituiert sind. Ein solcher Fe-Basiswerkstoffs lässt sich erfindungsgemäß herstellen, indem eine Pulvermischung, die aus einem Pulver, das aus ‰¤ 0,8 % C, 0,5 - 25 % Cr, 0,5 - 7 % Mo, einem zum Anbinden der Hartstoffpartikel an die Matrix des Fe-Basiswerkstoffs zugegebenen Anbindungselement, das den Übergangselementen der 4. - 6. Nebengruppe des Periodensystems angehört, in Gehalten von 0,5 - 5,0 %, ‰¤ 12 % Co, ‰¤ 18 % Ni und als Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und einem Hartstoffpulver gemischt ist, das aus TiC-Hartstoffpartikeln besteht, wobei der Anteil der TiC-Hartstoffpartikel an der Pulvermischung 20 - 40 Masse-% beträgt, zu einem festen Fe-Basiswerkstoffblock kompaktiert wird, der dann wärmebehandelt wird, wobei die Wärmebehandlung ein Lösungsglühen über eine Dauer von 1 - 4 h bei einer 800 - 1100 °C umfasst.The invention relates to an Fe-based material which consists of an iron-based matrix and hard material particles embedded in this matrix, the Fe-based material consisting of (in% by mass) ‰ ¤ 1.0% C, 2.0-25.0 % Cr, 0.5 - 7% Mo, a connection element added to bind the hard material particles to the matrix, which belongs to the transition elements of the 4th - 6th subgroup of the periodic table, in contents of 0.5 - 5.0%, ‰ each ¤ 12% Co, ‰ ¤ 18% Ni, as well as 20 - 40% TiC hard material particles and the remainder of iron and unavoidable impurities, with Ti atoms in the hard material particles being substituted by atoms of the one connection element present in the matrix. Such an Fe base material can be produced according to the invention by adding a powder mixture, which consists of a powder consisting of 0.8% C, 0.5-25% Cr, 0.5-7% Mo, to bind the hard material particles Connection element added to the matrix of the Fe base material, which belongs to the transition elements of the 4th - 6th subgroup of the periodic table, in contents of 0.5 - 5.0%, ‰ ¤ 12% Co, ‰ ¤ 18% Ni and the remainder consists of iron and unavoidable impurities, and a hard material powder is mixed, which consists of TiC hard material particles, the proportion of TiC hard material particles in the powder mixture is 20-40% by mass, is compacted to a solid Fe-base material block, which is then heat-treated The heat treatment comprises a solution heat treatment for a period of 1 to 4 hours at a temperature of 800-1100 ° C.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fe-Basiswerkstoff, der aus einer Stahlmatrix und aus in der Stahlmatrix eingelagerten Hartstoffpartikeln besteht.The invention relates to an Fe base material which consists of a steel matrix and of hard particles embedded in the steel matrix.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fe-Basiswerkstoffs.Moreover, the invention relates to a method for producing such an Fe base material.

Wenn nachfolgend Angaben zu Gehalten an Legierungen und desgleichen gemacht werden, beziehen diese sich immer auf die Masse, soweit nichts anderes ausdrücklich angegeben ist.Whenever statements are made below on contents of alloys and the like, they always refer to the mass, unless expressly stated otherwise.

Bei dem erfindungsgemäßen Fe-Basiswerkstoff handelt es sich um einen so genannten "Hartverbundwerkstoff", bei dem die in der Stahlmatrix eingelagerten Hartstoffpartikel die geforderte Härte und die Stahlmatrix einerseits einen sicheren Halt der Hartstoffpartikel und andererseits die geforderte Zähigkeit des Fe-Basiswerkstoffs gewährleisten soll.The Fe base material according to the invention is a so-called "hard composite material" in which the hard particles embedded in the steel matrix should ensure the required hardness and the steel matrix, on the one hand, a secure hold of the hard material particles and, on the other hand, the required toughness of the Fe base material.

Unter der Bezeichnung "Fe-Basiswerkstoff" sind dabei auf Eisen basierende Werkstoffe zusammengefasst, wozu hier neben den Stählen mit C-Gehalten von bis zu 1 Masse-% insbesondere auch im technischen Sinne kohlenstofffreie Werkstoffe gehören.The term "Fe base material" includes iron-based materials, including, in addition to the steels with carbon contents of up to 1% by mass, in particular also in the technical sense, carbon-free materials.

Ein in der Praxis unter der Marke "Ferro-Titanit" erfolgreich eingesetzter, pulvermetallurgisch in Form einer Metall-Matrix Komposite ("MMC") hergestellter Werkstoff enthält bis zu 50 Volumen-% (entsprechend bis zu etwa 35 Masse-%) Titankarbid (TiC) mit einer Härte von 2800 - 3500 HV0.05. Das Titankarbid ist bei diesem Werkstoff eingebunden in eine Matrix aus Stahl, dessen Eigenschaften dem jeweiligen Verwendungszweck angepasst sind. So stehen, wie in der Datenblattsammlung "Ferro-Titanit®" 08/2003 im Einzelnen angegeben, Ferro-Titanit-Werkstoffe zur Verfügung, bei denen die Stahlmatrix aus einem martensitischen, hoch anlassbeständigen Stahl, aus einem hoch korrosionsbeständigen Stahl, aus einem aushärtbaren, hoch zähen Nickelmartensit-Stahl oder aus einem nicht-magnetisierbaren, hoch korrosions- und anlassbeständigen Stahl hergestellt ist. Die Gehalte der betreffenden Werkstoffe an den partikelförmigen TiC-Hartstoffkörnern liegen in der Praxis typischerweise im Bereich von 30 - 35 Masse-%.A successfully used in practice under the brand "Ferro-Titanit", powder metallurgy in the form of a metal matrix composite ("MMC") produced material contains up to 50% by volume (corresponding to up to about 35% by mass) of titanium carbide (TiC ) with a hardness of 2800 - 3500 HV0.05. The Titanium carbide is incorporated in this material into a matrix of steel, the properties of which are adapted to the respective intended use. Ferro-titanitic materials are available, as detailed in the Ferro-Titanit® datasheet collection 08/2003, in which the steel matrix consists of a martensitic, highly resistant steel, a highly corrosion-resistant steel, a hardenable, high tenacity nickel martensitic steel or made of a non-magnetizable, highly corrosion and temper resistant steel. The contents of the respective materials on the particulate TiC hard material grains are typically in the range of 30-35 mass% in practice.

Hartverbundwerkstoffe finden vorzugsweise in Bereichen Anwendung, in denen technische Oberflächen gegen grob abrasiven Verschleiß geschützt werden müssen.Hard composites are preferably used in areas where technical surfaces must be protected against grossly abrasive wear.

Das Gefüge von Hartverbundwerkstoffen besteht üblicherweise aus einer metallischen Matrix mit eingelagerten und feindispers verteilten Hartstoffen und besitzt im Vergleich zu schmelzmetallurgisch urgeformten Hartlegierungen den Vorteil, dass Werkstoffgefüge entgegen thermodynamischer Randbedingungen durch das Mischen und Verdichten beliebiger Hartstoff-Metallmatrix-Kombinationen hergestellt werden können. Bei der Metallmatrix handelt es sich vorzugsweise um Fe- (weiße Gusseisen, Werkzeugstähle), Ni- (NiBSi, NiCrBSi) oder Co-Basis (Stellite) Hartlegierungen. Bei den Hartstoffen wird meist wegen der metallurgischen Verträglichkeit und der Materialeigenschaften auf metallische Hartstoffe oder metall-kovalent gebundene Hartstoffe, wie z.B. auf Wolframkarbide vom Typ WC oder WC-W2C, zurückgegriffen.The structure of hard composites usually consists of a metallic matrix with embedded and finely dispersed hard materials and has in comparison to molten metallurgically urgeformten hard alloys the advantage that material structure against thermodynamic boundary conditions by mixing and compacting any hard metal matrix combinations can be produced. The metal matrix is preferably Fe (white cast iron, tool steels), Ni (NiBSi, NiCrBSi) or Co (Stellite) hard alloys. In the case of hard materials, metallic hard materials or metal-covalently bonded hard materials, such as tungsten carbides of the WC or WC-W 2 C type, are usually used because of the metallurgical compatibility and the material properties.

Die Herstellung der Hartverbundwerkstoffe erfolgt üblicherweise durch Sintern oder Auftragschweißen mit den nachfolgend vorgestellten, an sich dem Fachmann hinlänglich bekannten Verfahren.The hard composites are usually produced by sintering or build-up welding with the methods presented below, which are known per se to those skilled in the art.

Beim Sintern können gegebenenfalls unter Druckbeaufschlagung und Temperaturzufuhr in an sich bekannter Weise Volumenkörper hergestellt oder durch das so genannte Sintercladding Hartverbundwerkstoffe auf Funktionsoberflächen durch "Diffusionsschweißen" aufgebracht werden (siehe http://www.ise.rub.de/forschung/projekte/sintercladding.html.de).During sintering, if desired, solid materials can be produced under pressure and temperature in a known manner or by hard bonding materials on functional surfaces can be applied to functional surfaces by "diffusion welding" (see http://www.ise.rub.de/forschung/projekte/sintercladding. html.de).

Im Falle des Auftragschweißens wird auf einen pulver-, band- oder stabförmigen Schweißzusatzwerkstoff zurückgegriffen, der durch geeignete Schmelzschweißverfahren (Plasma-Pulver-Auftragschweißen, Autogenschweißen, Metall-Inertgasschweißen) auf ein Substrat aufgebracht wird. Die mittels Auftragschweißen aufgebrachte Funktionsschicht schützt das Substrat gegen äußere Belastungen durch Verschleiß und/oder Korrosion. Als Schweißzusatzwerkstoffe haben sich teils zähe Ni-Basishartlegierungen mit je 50 Vol.-% WC oder Wolframschmelzkarbid ("WSC") etablieren können.In the case of build-up welding, use is made of a powder, strip or rod-shaped welding filler which is applied to a substrate by suitable fusion welding methods (plasma powder build-up welding, oxy-acetylene welding, metal inert gas welding). The applied by means of build-up welding functional layer protects the substrate against external stress due to wear and / or corrosion. Partly tough Ni base hard alloys with 50% by volume WC or tungsten carbide ("WSC") have been able to establish themselves as welding consumables.

Neben der für Hartlegierungen vorliegenden hohen Bruchzähigkeit für Ni-Basishartlegierungen können diese Werkstoffe zusammen mit den Hartstoffzugaben bei geringeren Temperaturen verarbeitet werden, sodass unerwünschte Hartstoff-Metallmatrix-Wechselwirkungen, wie der Bildung spröder Phasen, vermieden werden können. Nachteilig stellen sich jedoch die Kosten dieser Ni-Basis/WSC Schweißzusatzwerkstoffe dar.In addition to the high fracture toughness for Ni base hard alloys available for hard alloys, these materials can be processed together with the additions of hard material at lower temperatures, so that undesirable hard metal-metal matrix interactions, such as the formation of brittle phases, can be avoided. However, the disadvantage is the cost of these Ni-base / WSC welding consumables.

Eine Alternative zu W-haltigen Hartstoffen bietet der Hartstoff TiC, der im Vergleich zu W-haltigen Hartstoffen eine höhere Härte, jedoch eine geringere Bruchzähigkeit aufweist. Auch Hartverbundwerkstoffe mit dem Hartstoff TiC konnten mittels Sintern und thermischen Spritzen auf Substrate erzeugt werden.An alternative to W-containing hard materials is the hard material TiC, which has a higher hardness compared to W-containing hard materials but a lower fracture toughness. Also hard composites with the hard material TiC could be produced by sintering and thermal spraying on substrates.

Im Vergleich zu den extrem harten Hartmetall-Güten mit einem Hartstoffvolumengehalt von bis zu 96 Vol.-% wird im Bereich des Bergbaus und der Aufbereitung von Baustoffen, insbesondere von bei der Straßenaufbereitung anfallenden Materialien, auf zähere Güten zurückgegriffen.In comparison with the extremely hard carbide grades with a hard material volume content of up to 96% by volume, tougher grades are used in the field of mining and the treatment of building materials, in particular of materials resulting from road treatment.

Das Gefüge dieser Güten, auch als Bergbaugüten bezeichnet, weist einen geringeren Hartstoffvolumengehalt von 75 bis 85 Vol.-% bei gleichzeitig größerer WC-Karbidgröße von einigen Mikrometern auf. Durch einen höheren Co-Bindergehalt in der Stahlmatrix in Kombination mit einer geringeren spezifischen Karbidoberfläche liegt eine höhere Benetzungsfläche der Hartstoffe durch den Co-Binder vor, was die Biegebruchfestigkeit fördert.The structure of these grades, also referred to as mining grades, has a lower hard material volume content of 75 to 85 vol .-% with a larger WC carbide size of a few micrometers. Due to a higher co-binder content in the steel matrix in combination with a lower specific carbide surface, a higher wetting surface of the hard materials through the co-binder is present, which promotes the bending strength.

Mengenmäßig werden am häufigsten Ni-Basishartverbundwerkstoffe mit WSC-Zugaben durch Auftragschweißen verarbeitet. Für den Hartstoff Wolframschmelzkarbid steht dabei keine praxisgerechte Alternative zur Verfügung. Dies ist darin begründet, dass Wolframschmelzkarbid als metallkeramischer Werkstoff eine gute Kombination aus hoher Härte und gleichzeitig hoher Bruchzähigkeit für keramische Werkstoffe aufweist. Es sind keine kommerziell erhältlichen metall-keramischen Werkstoffe bekannt, die diese Eigenschaftskombination aufweisen.In terms of quantity, Ni base base composites with WSC additions are most commonly processed by build-up welding. There is no practical alternative available for the hard material tungsten carbide. This is due to the fact that tungsten carbide as a metal-ceramic material has a good combination of high hardness and high fracture toughness for ceramic materials. There are no commercially available metal-ceramic materials are known which have this combination of properties.

Zwar kann bereits auf viele Oxidkeramiken oder kovalente Hartstoffe zurückgegriffen werden. Deren Verarbeitung zu Hartverbundwerkstoffen ist jedoch durch die damit verbundene Bindungsstruktur der jeweiligen Hartstoffe nicht gewährleistet. Oxidkeramiken wirken beispielsweise chemisch inert und gehen mit der Metallmatrix keine metallurgischen Reaktionen ein, sodass diese bei einer Verarbeitung zu Hartverbundwerkstoffen lediglich kraftschlüssig in die Metallmatrix eingebunden werden. Im Vergleich dazu verhalten sich kovalent gebundene Hartstoffe in Kontakt mit Metallschmelzen metastabil bis instabil und führen zur Bildung stabilerer Phasen.Although it is already possible to resort to many oxide ceramics or covalent hard materials. However, their processing to hard composite materials is not guaranteed by the associated bonding structure of the respective hard materials. Oxide ceramics, for example, have a chemically inert effect and do not undergo metallurgical reactions with the metal matrix, so that when they are processed into hard composite materials, they are only frictionally bonded into the metal matrix. In comparison, covalently bound hard materials in contact with molten metals behave metastable to unstable and lead to the formation of more stable phases.

Das für Hartstoffe der hier erläuterten Art wesentliche Element Wolfram ist auf dem Markt allerdings nur zu hohen Kosten und im begrenzten Umfang erhältlich.However, tungsten, which is essential for hard materials of the type described here, is available on the market only at high cost and to a limited extent.

Um auch zukünftig den Bedarf an verschleißbeständigen Hartstoffen zu sichern, wird daher eine Unabhängigkeit von bestimmten Rohstoffquellen durch Erweiterung der Hartstoffe angestrebt, die bei für Hartstoffverbundwerkstoffe typischen Anwendungen zum Einsatz kommen können.In order to secure the future demand for wear-resistant hard materials, therefore, independence from certain raw material sources The aim is to expand the hard materials that can be used in applications typical for hard-material composites.

Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der Erfindung darin, einen Fe-Basiswerkstoff zu schaffen, der bei gesicherter Rohstoffverfügbarkeit kostengünstig herstellbar ist und dabei optimierte Gebrauchseigenschaften besitzt.Against this background, the object of the invention was to provide an Fe base material that can be produced cost-effectively with secure raw material availability and thereby has optimized service properties.

Ebenso sollte ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fe-Basiswerkstoffs angegeben werden.Also, a method for producing such an Fe base material should be given.

In Bezug auf den Werkstoff hat die Erfindung diese Aufgabe durch einen Fe-Basiswerkstoff gelöst, der mindestens die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.With respect to the material, the invention has achieved this object by an Fe base material having at least the features specified in claim 1.

Das erfindungsgemäße, die voranstehend genannte Aufgabe lösende Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Fe-Basiswerkstoffs umfasst mindestens die in Anspruch 7 angegebenen Arbeitsschritte.The inventive, the above object solving method for producing an Fe base material according to the invention comprises at least the steps specified in claim 7.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims and are explained below as the general inventive concept in detail.

Ein erfindungsgemäßer Fe-Basiswerkstoff besteht aus einer Matrix auf Eisenbasis und aus in dieser Matrix eingelagerten Hartstoffpartikeln,

  • wobei der Fe-Basiswerkstoff aus (in Masse-%)
    bis zu 1,0 % C,
    2,0 - 25,0 % Cr,
    0,5 - 7 % Mo,
    mindestens einem zum Anbinden der Hartstoffpartikel an die Matrix des Fe-Basiswerkstoffs zugegebenen Anbindungselement, welches den Übergangselementen der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente angehört, in Gehalten von 0,5 - 5,0 %,
    optional bis zu 12 % Co,
    optional bis zu 18 % Ni,
    sowie 20 - 40 % TiC-Hartstoffpartikel
    und
    als Rest aus Eisen und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und
  • wobei in den Hartstoffpartikeln Ti-Atome durch Atome des jeweiligen mindestens einen in der Matrix vorhandenen Anbindungselements substituiert sind.
An Fe base material according to the invention consists of an iron-based matrix and of hard material particles embedded in this matrix,
  • wherein the Fe base material consists of (in% by mass)
    up to 1.0% C,
    2.0 - 25.0% Cr,
    0.5 - 7% Mo,
    at least one bonding element added for bonding the hard material particles to the matrix of the Fe base material, which bonding element Transition elements of the 4th to 6th subgroups of the Periodic Table of the Elements, in contents of 0.5 - 5.0%,
    optional up to 12% Co,
    optional up to 18% Ni,
    as well as 20 - 40% TiC hard material particles
    and
    as the remainder of iron and production-related unavoidable impurities, and
  • wherein Ti atoms in the hard material particles are substituted by atoms of the respective at least one connecting element present in the matrix.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass durch eine Beeinflussung der Hartstoffmorphologie und der Hartstoffeigenschaften die Eigenschaften von Hartverbundwerkstoffen der hier in Rede stehenden Art gezielt verbessert werden können. Dazu werden die während der Erzeugung der Hartverbundwerkstoffe einsetzenden Interdiffusionsprozesse zwischen der Metallmatrix und dem Hartstoff genutzt, um die Hartstoffeigenschaften einzustellen.The invention is based on the recognition that the properties of hard composite materials of the type in question can be purposefully improved by influencing the hard material morphology and the hard material properties. For this purpose, the interdiffusion processes between the metal matrix and the hard material, which begin during the production of the hard composite materials, are used to adjust the hard material properties.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff handelt es sich somit um einen Metall-Matrix Komposite ("MMC"), bei dem erfindungsgemäß durch Zugabe mindestens eines Anbindungselement eine optimale Anbindung der jeweils vorgesehenen TiC-Hartstoffe an die Matrix des Werkstoffs gewährleistet ist.The material according to the invention is therefore also a metal-matrix composite ("MMC") in which, according to the invention, optimum bonding of the respectively provided TiC hard materials to the matrix of the material is ensured by adding at least one connecting element.

Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck die Zusammensetzung des Werkstoffs, der die Matrix des erfindungsgemäßen Fe-Basiswerkstoffs bildet, so gewählt, dass es im Zuge der Herstellung des Fe-Basiswerkstoffs zu einem "Auflegieren" des erfindungsgemäß vorgesehenen Hartstoffes durch die in der metallischen Bindermatrix bzw. Metallmatrix gelösten Legierungselemente kommt.According to the invention, the composition of the material forming the matrix of the Fe base material according to the invention is selected such that in the course of the production of the Fe base material it leads to a "alloying" of the hard material provided by the invention in the metallic binder matrix or Metal matrix dissolved alloying elements comes.

Die Legierung des erfindungsgemäßen Fe-Basiswerkstoffs ist hierbei so gewählt, dass eine ausreichende Triebkraft zu Stofftransportvorgängen an den jeweiligen Grenzflächen (Stahlmatrix-Hartstoff) eintritt. Auf diese Weise werden die anvisierten Interdiffusionen und die damit verbundenen Änderungen in den Hartstoffeigenschaften erreicht.In this case, the alloy of the Fe base material according to the invention is selected such that a sufficient driving force for mass transfer processes occurs at the respective boundary surfaces (steel matrix hard material). In this way, the targeted interdiffusion and the associated changes in the hard material properties achieved.

Die Erfindung geht dabei von einer Zusammensetzung des Fe-Basiswerkstoffs aus, die die aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannten Mitglieder der FerroTitanit-Werkstoffe umfasst, erweitert diese Zusammensetzung jedoch um die hier der Einfachheit halber so bezeichneten "Anbindungselemente". Diese Elemente besitzen eine ausreichende Löslichkeit im TiC-Hartstoff und diffundieren während der Werkstoffherstellung aus der Metallmatrix in den in der Stahlmatrix gebundenen TiC-Hartstoff.The invention is based on a composition of the Fe base material, which includes the well-known from the prior art members of FerroTitanit materials, but extends this composition by the sake of simplicity so called "attachment elements". These elements have sufficient solubility in the TiC hard material and diffuse during the production of the material from the metal matrix in the TiC hard material bound in the steel matrix.

Als Anbindungselemente werden erfindungsgemäß solche Elemente eingesetzt, die wie TiC homologe Phasen ausbilden und somit eine hohe, teils vollständige Löslichkeit im kfz-Gitter des TiC aufweisen. Diese Elemente sind im Periodensystem der Elemente bei den Übergangselementen der 4. bis 6. Nebengruppe zu finden. Darunter befinden sich Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, wobei für die erfindungsgemäßen Zwecke insbesondere "Zr, Hf, Nb, Ta, V, W" geeignet sind. Speziell Wolfram ist hier als mögliches Anbindungselement einbezogen worden, da es ebenfalls eine gewisse Löslichkeit im kfz-Gitter des TiC besitzt und insoweit wie die anderen erfindungsgemäß ausgewählten Anbindungselemente Ti-Atome substituieren kann.According to the invention, such elements which form homologous phases as TiC and thus have a high, partly complete solubility in the kfz lattice of the TiC are used as attachment elements. These elements can be found in the periodic table of elements in the transition elements of the 4th to 6th subgroup. These include Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, with "Zr, Hf, Nb, Ta, V, W" being particularly suitable for the purposes according to the invention. Specially tungsten has been included here as a possible attachment element, since it also has a certain solubility in the kfz lattice of the TiC and as far as the other invention selected connecting elements can substitute Ti atoms.

Mit der Substitution der Ti-Atome durch die Anbindungselemente verbunden ist eine Veränderung der Hartstoffeigenschaften durch die Veränderung der Bindungsstrukturen.Associated with the substitution of Ti atoms by the attachment elements is a change in the hard material properties by changing the bonding structures.

So führt in Folge einer Erhöhung der Valenzelektronenkonzentration die Zugabe von V im Hartstoff TiC zu einer stärkeren Hybridisierung zwischen sp-Orbitalen des Kohlenstoffs und d-Orbitalen der Ti/V-atome. Die Konsequenz des höheren kovalenten Bindungscharakters ist der Anstieg der Härte und des E-Moduls des TiC.Thus, as a result of an increase in the valence electron concentration, the addition of V in the hard material TiC leads to a stronger hybridization between sp orbitals of the carbon and d orbitals of the Ti / V atoms. The consequence of the higher covalent bonding character is the increase in hardness and modulus of the TiC.

Mit der Erfindung steht somit ein Metall-Matrix Komposit ("MMC") zur Verfügung, der mit einer auf Eisen basierenden, in erfindungsgemäßer Weise legierten Matrix optimale Voraussetzungen für eine lange und effektiv nutzbare Einsatzdauer besitzt und dabei ebenso optimierte Gebrauchseigenschaften mitbringt.The invention thus provides a metal-matrix composite ("MMC") which, with a matrix based on iron and alloyed in accordance with the invention, has optimum conditions for a long and effectively usable service life and also provides optimized performance properties.

Mo und Cr sind bevorzugt nicht unter den erfindungsgemäß zugegebenen Anbindungselementen, weil mit dem Eindiffundieren von Mo in die TiC-Hartstoffpartikel eine Abnahme des Mo-Gehaltes in der die Hartstoffpartikel umgebenden Metallmatrix und damit einhergehend ein Abfall der Korrosionsbeständigkeit verbunden wäre.Mo and Cr are preferably not among the attachment elements added according to the invention, because with the diffusion of Mo into the TiC hard material particles, a decrease in the Mo content in the metal matrix surrounding the hard material particles and, concomitantly, a decrease in corrosion resistance would be associated.

Durch die erfindungsgemäße Auswahl der Anbindungselemente ist es demgegenüber gelungen, die Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit des erfindungsgemäßen MMCs zu erhöhen. Hierzu sind als Anbindungselemente Legierungselemente ausgewählt worden, die im Vergleich zu Mo eine höhere Tendenz haben, sich während des Herstellungsprozesses in den TiC-Partikeln anzureichen.On the other hand, the selection of the connecting elements according to the invention has succeeded in increasing the corrosion resistance and toughness of the MMC according to the invention. For this purpose, alloying elements have been selected as attachment elements, which have a higher tendency, compared to Mo, to be present in the TiC particles during the production process.

Grundsätzlich eignet sich auch Wolfram für die erfindungsgemäßen Zwecke, weist jedoch eine eingeschränkte Löslichkeit im TiC auf und ist deshalb hier nur in eingeschränktem Maße wirksam. Um negative Einflüsse der Anwesenheit von W zu vermeiden, wird vorzugsweise auf die Anwesenheit von W im erfindungsgemäßen MMC-Werkstoff im technischen Sinne vollständig verzichtet. W ist dann allenfalls in den Verunreinigungen zuzurechnenden Mengen im erfindungsgemäßen Fe-Basiswerkstoff vorhanden.In principle, tungsten is also suitable for the purposes according to the invention, but has a limited solubility in the TiC and is therefore only effective to a limited extent here. In order to avoid negative influences of the presence of W, the presence of W in the MMC material according to the invention is preferably completely omitted in the technical sense. W is then present at most in the impurities attributable amounts in the Fe base material according to the invention.

Der Gehalt der erfindungsgemäß als Legierungselemente dem Fe-Werkstoff der Matrix eines erfindungsgemäßen MMC's zugegebenen Anbindungselemente beträgt grundsätzlich pro zugegebenem Anbindungselement 0,5 - 5 Masse-%. Optimale Wirkungen zeigen die Anbindungselemente, wenn sie in Gehalten von mindestens 1 Masse-% in der Matrix vorhanden sind, wobei der Mindestgehalt an dem jeweiligen Anbindungselement auch 1,5 Masse-% oder 2 Masse-% betragen kann. Bei über der Obergrenze von 5 Masse-% liegenden Gehalten an dem jeweiligen Anbindungselement konnte keine Zunahme der Wirkung mehr beobachtet werden. Optimale Wirkungen ergaben sich bei Gehalten der Anbindungselemente von jeweils bis zu 4 Masse-%, wobei auch Gehalte von maximal 3,5 Masse-% oder maximal 3 Masse-% regelmäßig zu guten Eigenschaften des erfindungsgemäßen MMC-Fe-Basiswerkstoffs geführt haben. Im Hinblick auf dem mit der Zulegierung der Anbindungselemente verbundenen Aufwand kann es deshalb zweckmäßig sein, den Gehalt an dem jeweils vorgesehenen Anbindungselement entsprechend zu begrenzen.The content of the bonding elements added according to the invention as alloying elements to the Fe material of the matrix of an MMC according to the invention is, in principle, 0.5 to 5% by mass per added connecting element. Optimum effects are exhibited by the attachment elements if they are present in the matrix in amounts of at least 1% by mass, the minimum content of the particular attachment element also being 1.5% by mass or 2% by mass can. At levels above the upper limit of 5% by mass of the respective attachment element, no increase in the effect could be observed. Optimal effects were obtained at levels of attachment elements of up to 4% by mass, with contents of not more than 3.5% by mass or not more than 3% by mass regularly resulting in good properties of the MMC-Fe base material according to the invention. With regard to the effort associated with the alloying of the connection elements, it may therefore be expedient to correspondingly limit the content of the respectively provided connection element.

Es ist möglich, zwei oder mehrere der erfindungsgemäß ausgewählten Anbindungselemente in Kombination miteinander dem erfindungsgemäßen Fe-Basiswerkstoff zuzugeben. In diesem Fall hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Summe der Gehalte an den zugegebenen Elementen 1 - 5 Masse-%, insbesondere mindestens 2 Masse-% oder maximal 4 Masse-% beträgt. Im Falle der Anwesenheit von zwei als Legierungselement dem Fe-basierten Werkstoff der Matrix zugegebenen Anbindungselementen wird die Diffusion gefördert oder erleichtert. Auf diese Weise stellen sich die erfindungsgemäßen Wirkungen der Zugabe der Anbindungselemente bereits dann ein, wenn nur ein Anbindungselement vorhanden ist. Es hatsich jedoch als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn mehr als ein Anbindungselement, insbesondere zwei Anbindungselemente, in Kombination vorhanden sind.It is possible to add two or more of the connecting elements selected according to the invention in combination with one another to the Fe base material according to the invention. In this case, it has proved to be favorable if the sum of the contents of the added elements is 1-5% by mass, in particular at least 2% by mass or at most 4% by mass. In the case of the presence of two joining elements added as alloying element to the Fe-based material of the matrix, the diffusion is promoted or facilitated. In this way, the effects according to the invention of the addition of the attachment elements already set in when only one attachment element is present. However, it has been found to be particularly advantageous if more than one attachment element, in particular two attachment elements, are present in combination.

Als für die erfindungsgemäßen Zwecke besonders geeignete Anbindungselemente haben sich hierbei Nb und V herausgestellt. Umfangreiche Untersuchungen haben ergeben, dass sowohl Nb als auch V besonders effektiv zu einer deutlichen Verbesserung der Gebrauchseigenschaften eines Fe-Basiswerkstoffs der erfindungsgemäßen Art beitragen. Dabei erweist sich Nb insbesondere im Hinblick auf die Steigerung der Verschleißbeständigkeit unter den in der Praxis regelmäßig auftretenden Einsatzbedingungen als besonders effektiv.In this case, Nb and V have been found to be particularly suitable for the purposes of the invention. Extensive investigations have shown that both Nb and V contribute particularly effectively to a significant improvement in the performance of an Fe base material of the type according to the invention. Here, Nb proves to be particularly effective in terms of increasing the wear resistance under the regular operating conditions in practice conditions.

Wenn Nb alleine als Anbindungselement vorgesehen wird, hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Gehalt an Nb, sofern vorhanden, weniger als 5 Masse-%, insbesondere höchstens 4 Masse-%, beträgt, wobei sich Gehalte von mindestens 1 Masse-% oder mindestens 1,5 Masse-% als besonders vorteilhaft herausgestellt haben. Diese Vorgaben gelten bevorzugt insbesondere dann, wenn der Febasierte Werkstoff der Matrix höhere, d.h. oberhalb von 10 Masse-% liegende Cr-Gehalte oder oberhalb von 4,5 Masse-% liegende Mo-Gehalte aufweist. Versuche haben gezeigt, dass durch die Begrenzung der Nb-Gehalt auf Gehalte von weniger als 3 Masse-% auch bei derart hohen Mo- oder Cr-Gehalten die Entstehung von ungünstigen Sigma-Phasen verhindert wird.If Nb alone is provided as the attachment element, it has proved to be favorable if the content of Nb, if present, is less than 5% by mass, in particular not more than 4% by mass, with contents of at least 1% by mass or at least 1.5 mass% have been found to be particularly advantageous. These specifications are especially applicable when the frayed material of the matrix is higher, i. having above 10% by mass lying Cr contents or above 4.5% by mass lying Mo contents. Experiments have shown that the limitation of the Nb content to contents of less than 3% by mass, even at such high Mo or Cr contents, prevents the formation of unfavorable sigma phases.

Im Fall, dass V als Anbindungselement vorgesehen ist, hat es sich als günstig erwiesen, den V-Gehalt des erfindungsgemäßen Fe-Basiswerkstoffs ebenfalls auf höchstens 5 Masse-%, insbesondere höchstens 4,0 Masse-% oder höchstens 3,0 Masse-%, zu beschränken, wobei sich hier ebenfalls Gehalte von mindestens 1 Masse-% oder 1,5 Masse-% als besonders vorteilhaft erwiesen haben.In the case that V is provided as a connection element, it has proved to be favorable, the V content of the Fe base material according to the invention also to at most 5% by mass, in particular at most 4.0% by mass or at most 3.0% by mass In addition, contents of at least 1% by mass or 1.5% by mass have proven to be particularly advantageous here.

Bei einem die erfindungsgemäß angestrebten Eigenschaften besonders gut erfüllenden Fe-Basiswerkstoff liegt der C-Gehalt im Bereich der Verunreinigungen, ist also im technischen Sinne nicht vorhanden und damit wirkungslos, und beträgt (in Masse-%) sein Cr-Gehalt 12,5 - 14,5, insbesondere mindestens 13 % oder höchstens 14 %, sein Mo-Gehalt 4,5 - 5,5 %, sein Co-Gehalt 8,0 - 10,0 %, insbesondere mindestens 8,5 % oder 9,5 %, sein Ni-Gehalt 3,5 - 4,5 % und sein TiC-Gehalt 27 - 33 %, insbesondere mindestens 29 % oder höchstens 31 %.In the case of an Fe base material that fulfills the present invention particularly well, the C content is in the range of the impurities, ie it is not present in the technical sense and therefore ineffective, and its (in mass%) is 12.5-14 , 5, in particular at least 13% or at most 14%, its Mo content 4.5-5.5%, its Co content 8.0-10.0%, in particular at least 8.5% or 9.5%, its Ni content is 3.5-4.5% and its TiC content is 27-33%, in particular at least 29% or at most 31%.

Zur Ermittlung des abrasiven Verschleißwiderstandes kam ein Stift-Papier Verschleißversuch zum Einsatz. Bei diesem Versuch wird eine zylindrische Probe mit einer Normalkraft von 37 N und einer Rotationsgeschwindigkeit von 47,8 U/min mäanderförmig über gebundenes Abrasiv bewegt. Der dimensionslose Verschleißwiderstand Wab -1 lässt sich dann mit dem Massenverlust m, der Materialdichte p, der Verschleißfläche A, sowie dem Verschleißweg L nach folgender Formel berechnen: W ab 1 = ρ × A × L m

Figure imgb0001
To determine the abrasive wear resistance, a pencil-paper wear test was used. In this experiment, a cylindrical sample with a normal force of 37 N and a rotation speed of 47.8 rpm is moved meandering over bonded abrasive. The dimensionless wear resistance W ab -1 can then be calculated with the mass loss m, the material density p, the wear surface A, and the wear path L according to the following formula: W from - 1 = ρ × A × L m
Figure imgb0001

Die erfindungsgemäß durch die Zugabe mindestens eines der Anbindungselemente bewirkte Auflegierung und die damit einhergehende Veränderung der Morphologie und Größe der TiC-Partikel führt zu einem verbesserten Verschleißwiderstand. So konnte in Vergleichstests, die in der voranstehend erläuterten Weise ausgeführt worden sind und bei denen Al2O3-Körner in feiner (220 Mesh) und grober Körnung (80 Mesh) als Abrasive eingesetzt wurden, gezeigt werden, dass ein erfindungsgemäß zusätzlich mit den Anbindungselementen Nb oder V legierter Fe-Basiswerkstoff gegenüber einem Werkstoff, dem bei ansonsten gleicher Zusammensetzung das jeweilige Anbindungselement fehlte, bei den feinen Abrasiven einen um den Faktor 3,5 und bei den groben Abrasiven einen um den Faktor 2 verbesserten Verschleißwiderstand zeigte.The alloy produced according to the invention by the addition of at least one of the attachment elements and the concomitant change in the morphology and size of the TiC particles leads to improved wear resistance. Thus, in comparative tests carried out in the above-described manner, in which fine grain (220 mesh) and coarse grain (80 mesh) Al 2 O 3 grains were used as abrasives, it could be shown that according to the invention Anchor elements Nb or V alloyed Fe base material compared to a material that lacked the respective attachment element with otherwise the same composition, in the fine abrasives by a factor of 3.5 and the coarse abrasives showed a factor of 2 improved wear resistance.

Das von der Erfindung vorgeschlagene Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäß beschaffenen Fe-Basiswerkstoffs umfasst folgende Arbeitsschritte:

  1. a) Bereitstellen einer Pulvermischung,
    • die aus einem Pulver, das aus (in Masse-%) bis zu 0,8 % C, 0,5 - 25 % Cr, 0,5 - 7 % Mo, mindestens einem zum Anbinden der Hartstoffpartikel an die Matrix des herzustellenden Fe-Basiswerkstoffs zugegebenen Anbindungselement, welches den Übergangselementen der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente angehört, in Gehalten von 0,5 - 5,0 %, optional bis zu 12 % Co, optional bis zu 18 % Ni und als Rest aus Eisen und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und
    • einem Hartstoffpulver gemischt ist, das aus TiC-Hartstoffpartikeln besteht,
    • wobei der Anteil der TiC-Hartstoffpartikel an der Pulvermischung 20 - 40 Masse-% beträgt;
  2. b) Kompaktieren der Pulvermischung zu einem festen Fe-Basiswerkstoffblock;
  3. c) Wärmebehandeln des Fe-Basiswerkstoffblocks, wobei die Wärmebehandlung ein Lösungsglühen über eine Dauer von 1 - 4 h bei einer 800 - 1100 °C betragenden Temperatur umfasst.
The method proposed by the invention for producing an Fe base material according to the invention comprises the following steps:
  1. a) providing a powder mixture,
    • from a powder consisting of (in% by mass) up to 0.8% C, 0.5-25% Cr, 0.5-7% Mo, at least one for binding the hard material particles to the matrix of the product to be produced. Base element added to the transition elements of the 4th to 6th subgroup of the Periodic Table of the Elements, in contents of 0.5 to 5.0%, optionally up to 12% Co, optionally up to 18% Ni and the balance iron and production-related unavoidable impurities, and
    • a hard material powder is mixed, which consists of TiC-hard material particles,
    • wherein the proportion of TiC hard material particles in the powder mixture is 20-40 mass%;
  2. b) compacting the powder mixture into a solid Fe base material block;
  3. c) heat treating the Fe base material block, wherein the heat treatment comprises solution annealing for a period of 1 to 4 hours at a temperature of 800 to 1100 ° C.

Die erfindungsgemäß bereitgestellte Pulvermischung kann in konventioneller Weise erzeugt werden. Die hierzu benötigten Verfahren sind bekannt und werden beispielsweise in der Broschüre " EINFÜHRUNG IN DIE PULVERMETALLURGIE - VERFAHREN UND PRODUKTE", die in der deutschen Fassung vom Fachverband Pulvermetallurgie 2010 herausgegeben worden ist und unter der URL www. Pulvermetallurgie.com zum Download bereitsteht, allgemein beschrieben. Ebenso findet sich eine Erläuterung der bei der Herstellung und Verarbeitung von Hartstoffen enthaltenden Metallpulvern in Foller, M.; Meyer, H.; Lammer, A.: Wear and Corrosion of Ferro-Titanit and Competing Materials. In: Tool steels in the next century: Proceedings of the 5th International Conference on Tooling, September 29th - October 1st, University of Leoben, Austria, 1999, S. 1-12 .The powder mixture provided according to the invention can be produced in a conventional manner. The procedures required for this purpose are known and are described, for example, in the brochure " INTRODUCTION TO THE POWDER METALLURGY PROCESSES AND PRODUCTS ", published in the German version by the Powder Metallurgy Association 2010 has been issued and available at the URL www. Pulvermetallurgie.com is available for download, generally described. Likewise, an explanation of the in the production and processing of hard materials containing metal powders can be found in Foller, M .; Meyer, H .; Lammer, A .: Wear and Corrosion of Ferro-Titanite and Competing Materials. In: Tools in the next century: Proceedings of the 5th International Conference on Tooling, September 29th - October 1st, University of Leoben, Austria, 1999, pp. 1-12 ,

Für das Kompaktieren des Pulvers sind sämtliche pulvermetallurgische Verfahren geeignet, bei denen ein zuvor bereitgestelltes Metallpulver durch Zufuhr von Wärme oder Druck zu einem kompakten, zusammenhängenden Block geformt wird. Die hierzu geeigneten Verfahren sind unter dem Oberbegriff "Sintern" bekannt und ebenfalls in der oben bereits zitierten Fachliteratur erläutert. Gerade bei diesen Verfahren laufen die erfindungsgemäß genutzten Diffusionsprozesse in Folge der in Form von Druck und/oder Wärme zugeführten Energie besonders sicher ab.For compacting the powder, all the powder metallurgical processes are suitable in which a previously provided metal powder is formed into a compact, coherent block by the application of heat or pressure. The methods suitable for this purpose are known by the generic term "sintering" and are likewise explained in the technical literature already cited above. Especially with these methods, the diffusion processes used according to the invention run particularly reliably as a result of the energy supplied in the form of pressure and / or heat.

Die Parameter des Sinterns können im Kompaktierschritt in ebenfalls an sich bekannter Weise so gewählt werden, dass es zum partiellen Aufschmelzen der Pulverkörner kommt. Durch die dabei entstehende flüssige Phase ergibt sich bei praxisgerechter Verfahrensführung eine optimierte Bindung der Pulverkörner.The parameters of the sintering can be selected in the compacting step in a manner also known per se so that partial melting of the powder grains occurs. The resulting liquid phase results in practice-oriented process management an optimized binding of the powder grains.

Um eine maximale Verdichtung zu erreichen, kann das Sintern in ebenso bekannter Weise unter Druck erfolgen. Eine für die erfindungsgemäßen Zwecke besonders geeignete Variante dieses Sinterverfahrens sind das so genannte heißisostatische Pressen, auch unter der Bezeichnung "HIP" bekannt.In order to achieve maximum densification, the sintering can be carried out in a likewise known manner under pressure. A variant of this sintering process which is particularly suitable for the purposes according to the invention is the so-called hot isostatic pressing, also known by the name "HIP".

Nach dem Kompaktieren (Arbeitsschritt b)) wird der erhaltene Fe-Basiswerkstoffblock erforderlichenfalls noch einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der er über eine Dauer von 1 - 4 Stunden bei einer Lösungsglühtemperatur von 800 - 1100 °C lösungsgeglüht wird.After compacting (step b)), the resulting Fe base material block is subjected, if necessary, still a heat treatment in which it is solution-annealed over a period of 1 - 4 hours at a solution annealing temperature of 800 - 1100 ° C.

Durch die erfindungsgemäß durchgeführten Wärmebehandlungsschritte können im Werkstoff vorhandene Sigma-Phasen, welche Cr und Mo abbinden würden, aufgelöst und so eine optimierte Korrosionsbeständigkeit des erfindungsgemäßen MMC-Fe-Basiswerkstoffs gewährleistet werden.By means of the heat treatment steps carried out according to the invention, sigma phases present in the material, which would set Cr and Mo, are dissolved, thus ensuring optimized corrosion resistance of the MMC-Fe base material according to the invention.

Um übermäßige Zunderbildung oder sonstige Reaktionen des erfindungsgemäß erzeugten MMC-Fe-Basiswerkstoffblocks mit der Umgebungsatmosphäre zu vermeiden, kann das Lösungsglühen unter Vakuum durchgeführt werden.In order to avoid excessive scale formation or other reactions of the MMC-Fe base material block produced according to the invention with the ambient atmosphere, the solution annealing can be carried out under vacuum.

Nach dem Lösungsglühen kann der MMC-Fe-Basiswerkstoffblock ebenso abgeschreckt werden, um ein hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften optimiertes Produkt zu erhalten. Das Abschrecken wird dabei vorzugsweise so durchgeführt, dass sich eine rein martensitische Struktur der Matrix eingestellt, in der geringe, technisch unvermeidbare Gehalte an sonstigen Gefügebestandteilen von bis zu 1 Vol.-% vorhanden sein können. Bei diesen sonstigen Gefügebestandteilen kann es sich insbesondere um Restaustenit handeln. Durch die Erzeugung eines in diesem Sinne rein martensitischen Gefüges der Matrix wird die geforderte Härte, Festigkeit und Verschleißbeständigkeit des erfindungsgemäßen MMC-Werkstoffs sicher erreicht.After solution heat treatment, the MMC-Fe base material block can also be quenched to obtain a product optimized in mechanical properties. Quenching is preferably carried out in such a way that a purely martensitic structure of the matrix is set up, in which small, technically unavoidable contents of other structural constituents of up to 1% by volume can be present. These other structural constituents may in particular be retained austenite. By creating a purely martensitic structure of the matrix in this sense the required hardness, strength and wear resistance of the MMC material according to the invention safely achieved.

Das Abschrecken kann beispielsweise durch Anblasen des Werkstoffblocks mit einem in Bezug auf den erfindungsgemäßen Werkstoff insbesondere inerten Gas erfolgen. Dazu kann der Gasstrom mit einem Druck von 1 - 4,5 bar in eine Kammer geleitet werden, in der sich der Fe-Basiswerkstoffblock befindet. Besonders geeignet ist für die Kühlung gasförmiger Stickstoff.The quenching can be done for example by blowing the block of material with respect to the material according to the invention in particular inert gas. For this purpose, the gas stream can be passed at a pressure of 1 - 4.5 bar in a chamber in which the Fe base material block is located. Particularly suitable for the cooling of gaseous nitrogen.

Die Kühlung kann in der Ofenkammer durchgeführt werden, in der zuvor die Glühbehandlung stattgefunden hat. Um das Kühlgas in die Ofenkammer zu leiten, sind in der Regel bei in der Praxis eingesetzten Wärmebehandlungsöfen öffenbare Klappen oder desgleichen vorgesehenüber die, beispielsweise mittels Ventilatoren, das Kühlgas, insbesondere der Stickstoff, in den Ofenraum geleitet, dort verteilt und umgewälzt werden kann. Der Kühlgasstrom wird dabei bevorzugt nicht als fokussierter Stickstoffstrahl auf das Kühlgut gerichtet, sondern diffus in die Offenkammer geleitet. Auf diese Weise findet eine Kühlung über die im Ofenraum aufrechterhaltene und erforderlichenfalls laufend ausgetauschte Kühlgasatmosphäre statt.The cooling can be carried out in the furnace chamber in which the annealing treatment has previously taken place. In order to direct the cooling gas into the furnace chamber, normally openable flaps or the like are provided in heat treatment furnaces used in practice via which, for example by means of fans, the cooling gas, in particular the nitrogen, can be led into the furnace space where it can be circulated and circulated. The cooling gas flow is preferably not directed as a focused nitrogen jet to the refrigerated goods, but passed diffusely into the open chamber. In this way, cooling takes place via the maintained in the furnace chamber and, if necessary, continuously exchanged cooling gas atmosphere.

Das Kühlgas, insbesondere der Stickstoff, wird bevorzugt mit Raumtemperatur eingesetzt. Es ist festgestellt worden, dass sich dabei im Hinblick auf das Ziel der Abkühlung, nämlich die Ausbildung eines martensitischen Gefüges, optimierte Abkühlgeschwindigkeiten ergeben. Bei geringeren Kühlgastemperaturen würden die Abkühlgeschwindigkeiten zwar noch etwas erhöht. Jedoch hat dies erfahrungsgemäß keinen nennenswerten Einfluss auf das Abkühlergebnis, so dass der mit der zusätzlichen Abkühlung des Kühlgases verbundene Aufwand vermieden werden kannThe cooling gas, in particular the nitrogen, is preferably used at room temperature. It has been found that, with regard to the goal of cooling, namely the formation of a martensitic microstructure, optimized cooling rates result. At lower cooling gas temperatures, the cooling rates would still be increased somewhat. However, experience shows that this has no appreciable influence on the cooling result, so that the expense associated with the additional cooling of the cooling gas can be avoided

Auf das optionale Lösungsglühen und das optionale Abschrecken kann zum Abschluss der Wärmebehandlung (optionaler Arbeitsschritt c)) ein Anlassglühen folgen, bei dem der Fe-Basiswerkstoffblock bei 100 - 550 °C für eine Dauer von 1 - 8 Stunden gehalten wird. Dabei entstehen in der martensitischen Matrix intermetallische Phasen, durch die die Härte und Festigkeit der Matrix weiter gesteigert wird.Optional solution annealing and optional quenching may be followed by annealing at the end of the heat treatment (optional step c)), where the Fe base material block is heated at 100-550 ° C for a period of 1 - 8 hours is held. In the martensitic matrix, intermetallic phases are formed which further increase the hardness and strength of the matrix.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments.

Es wurden MMC-Pulver bereitgestellt, die aus einem eine Stahlmatrix bildenden Pulver und pulverförmig vorliegendem Titankarbid in einem Attritor durch mechanisches Legieren erzeugt worden sind, so dass ein sehr homogenes und feinkörniges Pulver entsteht. Ein typischer d50-Wert des Pulvers lag im Bereich von 10 - 15 µm. D.h., dass der Durchmesser von 50 % der Partikel kleiner ist als 10 - 15 µm.MMC powders made of a steel matrix forming powder and powdered titanium carbide in an attritor by mechanical alloying have been provided to form a very homogeneous and fine-grained powder. A typical d50 value of the powder was in the range of 10 - 15 μm. That is, the diameter of 50% of the particles is smaller than 10 - 15 μm.

Dabei wurden aus dem bekannten Fe-Basiswerkstoff Nikro128 bestehende Stahlpulver mit 1 Masse-%, 2 Masse-%, 3 Masse-% bzw. 4 Masse-% pulverförmig an vorliegendem Nb oder V als Anbindungselemente vermischt.In this case, consisting of the known Fe base material Nikro128 existing steel powder with 1% by mass, 2% by mass, 3% by mass and 4% by mass of powdery Nb or V as connecting elements were mixed.

Dem Mischen folgte die Trocknung und das Pressen mit anschließendem Sintern im Vakuumofen im Temperaturbereich von 1200 - 1500 °C über eine Dauer von 3 Stunden bei einem Unterdruck von etwa 5*10-2 mbar.The mixing was followed by drying and pressing followed by sintering in a vacuum oven in the temperature range of 1200-1500 ° C. over a period of 3 hours at a reduced pressure of about 5 × 10 -2 mbar.

Die Proben sind anschließend in bei 850 °C über eine Dauer von zwei Stunden lösungsgeglüht, in Öl abgeschreckt und daraufhin für 6 Stunden bei 480 °C an Luft ausgelagert worden.The samples were then solution annealed at 850 ° C for two hours, quenched in oil, and then purged for 6 hours at 480 ° C in air.

Die Zusammensetzungen der erhaltenen Probekörper sind in Tabelle 1 angegeben.The compositions of the test pieces obtained are shown in Table 1.

In Tabelle 2 sind für die Proben, denen V als Anbindungselement zugegeben worden ist, und die Vergleichsprobe Nikro 128 der mittlere
Hartpartikeldurchmesser, die mittlere Hartpartikelgröße, der Volumenanteil an Hartpartikeln und die Partikelanzahl für die einzelnen Proben angegeben.
In Table 2, for the samples to which V has been added as the attachment element and the control sample, Nikro 128 is the middle one
Hard particle diameter, the mean hard particle size, the volume fraction of hard particles and the number of particles for each sample specified.

In Tabelle 3 sind für die Proben, denen Nb oder V als Anbindungselement zugegeben worden ist, und die Vergleichsprobe Nikro 128 die chemischen Zusammensetzungen der in den Proben jeweils vorhandenen TiC-Partikel angegeben.In Table 3, for the samples to which Nb or V has been added as the attachment member and the comparative sample Nikro 128, the chemical compositions of each TiC particle present in the samples are indicated.

In Tabelle 4 sind für die mit Nb oder V als Anbindungselemente legierten Proben sowie die Vergleichsprobe Nikro 128 die gemäß DIN EN ISO 14577-2, Ausgabe Mai 2003, ermittelten Härte- und die E-Modul-Werte angegeben. Zur Ermittlung der betreffenden Werte wurde in den Versuchen eine maximale Last von 20 mN bei einer Eindringtiefe von 60 - 170 nm ermittelt..In Table 4, for the samples alloyed with Nb or V as attachment elements, as well as the comparative sample Nikro 128, the hardness and the E modulus values determined according to DIN EN ISO 14577-2, May 2003 edition, are indicated. To determine the relevant values, a maximum load of 20 mN at a penetration depth of 60 - 170 nm was determined in the tests.

Als Besonderheit wurde bei den Nb-legierten Proben eine Dichtezunahme mit steigendem Nb-Gehalt registriert, was auf die höhere Dichte von Nb im Vergleich zur Dichte des nicht mit Nb oder V legierten Nikro128-Werkstoffs zurückzuführen ist. Entsprechendes wurde bei den V-legierten Proben festgestellt, da auch V eine höhere Dichte aufweist als der nicht mit Nb oder V legierte Nikro128-Werkstoff.As a special feature, the Nb-alloyed samples registered a density increase with increasing Nb content due to the higher density of Nb compared to the density of the non-Nb or V-alloyed Nikro128 material. The same has been observed in the V-alloyed samples, since V also has a higher density than the non-Nb or V-alloyed Nikro128 material.

Anschließend wurde das Gefüge metallkundlich bewertet und die mit der Zulegierung von Nb oder V verbundenen Eigenschaftsveränderungen über tribologische, mechanische und chemische Untersuchungen bestimmt.Subsequently, the microstructure was evaluated metallurgically and the property changes associated with the addition of Nb or V were determined by tribological, mechanical and chemical analyzes.

Das Gefüge der mit Nb-Zugaben legierten Nikro128-Werkstoffe ist in den Figuren 1a - 1d anhand von Schliffbildern dargestellt (Fig. 1a: Nikro128+1Nb; Fig. 1 b: Nikro128+2Nb; Fig. 1 c: Nikro128+3Nb, Fig. 1d: Nikro128+4Nb).The structure of the alloyed with Nb additions Nikro128 materials is in the FIGS. 1a-1d represented by micrographs ( Fig. 1a : Nikro128 + 1Nb; Fig. 1 b: Nikro128 + 2Nb; Fig. 1 c: Nikro128 + 3Nb, Fig. 1d : Nikro128 + 4Nb).

Zum Vergleich ist in Fig. 2 in einem in entsprechender Weise aufbereiteten Schliffbild das Gefüge des Werkstoffs Nikro128 ohne Nb-Zugabe wiedergegeben.For comparison, in Fig. 2 reproduced the microstructure of the material Nikro128 without Nb addition in a similarly prepared microsection.

Der Vergleich des nicht mit Nb-legierten Ausgangswerkstoffs Nikro128 mit den Nb-legierten Varianten macht deutlich, dass durch die Zugaben von Nb die Hartphasenmorphologie stark beeinflusst wird.The comparison of the Nb-alloyed starting material Nikro128 with the Nb-alloyed variants makes it clear that the additions of Nb strongly influence the hard-phase morphology.

So nimmt einerseits mit zunehmendem Nb-Gehalt die Hartphasengröße der TiC-Einschlüsse zu und andererseits wird die freie Matrixweglänge zwischen den TiC-Inseln durch das Aufbrechen der netzförmigen Hartstoffe vergrößert.Thus, on the one hand, with increasing Nb content, the hard phase size of the TiC inclusions increases and, on the other hand, the free matrix path length between the TiC islands is increased by the breaking up of the reticulated hard materials.

Besonders die Vergrößerung der freien Matrixweglänge führt zu einer deutlichen Erhöhung der Biegebruchfestigkeit der Nb-legierten Hartverbundwerkstoffe gegenüber dem Ausgangswerkstoff Nikro128.In particular, the increase in the free matrix path length leads to a significant increase in the bending strength of the Nb-alloyed hard composite materials compared to the starting material Nikro128.

Die mit V als Anbindungselement legierten Proben zeigten entsprechendes Verhalten.The samples alloyed with V as attachment element showed corresponding behavior.

Zu erkennen ist, dass sowohl die Härte als auch der E-Modul der Hartstoffe durch das Zulegieren von Nb oder V gezielt gesteigert werden kann, wobei hier eine maximale Härte bei ca. 2 Masse-% V und ca. 2 Masse-% Nb erreicht wird. Oberhalb dieser Gehalte fällt sowohl die Härte als auch der E-Modul leicht ab, wobei die Härte und der E-Modul nicht unterhalb der Eigenschaften des stöchiometrischen reinen TiC's fallen.It can be seen that both the hardness and the modulus of elasticity of the hard materials can be increased in a targeted manner by alloying in Nb or V, in which case a maximum hardness of approximately 2% by mass V and approximately 2% by mass Nb is achieved becomes. Above these levels, both hardness and modulus drop slightly, with hardness and modulus not falling below the properties of the stoichiometric pure TiC.

Die Änderung der mikromechanischen Eigenschaften, der Hartstoffmorphologie und der chemischen Zusammensetzung der TiC-Einschlüsse haben zusätzlich einen positiven Einfluss auf die Korrosions- und Verschleißeigenschaften des Fe-Basiswerkstoffs.The modification of the micromechanical properties, the hard material morphology and the chemical composition of the TiC inclusions additionally have a positive influence on the corrosion and wear properties of the Fe base material.

In den als Figuren 3a, 3b beigefügten Bildern ist der Verschleißwiderstand der untersuchten Proben dargestellt (Fig. 3a: Nikro 128+xV; Fig. 3b: Nikro128+xNb), wobei auf Furchungsverschleiß getestet wurde. Die Tests wurden in der oben bereits beschriebenen Weise als Stift-Papier Verschleißversuch durchgeführt. Als Abrasiv fand Al2O3 mit zwei unterschiedlichen Körnungen (grob = 80 Mesh, fein = 220 Mesh) Anwendung.In the as FIGS. 3a, 3b attached pictures shows the wear resistance of the tested samples ( Fig. 3a : Nikro 128 + xV; Fig. 3b : Nikro128 + xNb), testing for claw wear. The tests were done in the manner already described as pen paper Wear test performed. The abrasive used was Al 2 O 3 with two different grain sizes (coarse = 80 mesh, fine = 220 mesh).

Die Figuren 3a, 3b zeigen, dass gegenüber den groben Abrasiven durch die Zugabe von V nur eine geringe Steigerung des Verschleißwiderstands gegenüber der Nikro128 ohne Nb oder V eintritt.The FIGS. 3a, 3b show that, compared to the coarse abrasives, the addition of V only causes a slight increase in the wear resistance compared to the Nikro128 without Nb or V.

Anders verhält sich dies bei den Nb-legierten Varianten. In diesem Fall nimmt der Verschleißwiderstand mit zunehmendem Nb-Gehalt zu, was auf eine Zunahme der Härte, des Volumengehaltes und des Durchmessers des Hartstoffs TiC mit zunehmendem Nb-Gehalt zurückzuführen ist.This is different with the Nb-alloyed variants. In this case, the wear resistance increases with increasing Nb content due to an increase in hardness, volume content and diameter of the hard material TiC with increasing Nb content.

Generell ist der Anstieg des Verschleißwiderstands gegenüber den groben Abrasiven jedoch vergleichbar gering. Dies erklärt sich daraus, dass die Hartstoffe gegenüber den angreifenden Abrasiven eine unzureichende Größe aufweisen und daher von den groben Abrasiven zusammen mit der Metallmatrix herausgespant werden.In general, however, the increase in wear resistance compared to the coarse abrasives is comparably low. This is explained by the fact that the hard materials are of insufficient size compared to the attacking abrasives and are therefore spun out of the coarse abrasives together with the metal matrix.

Ein anderes Bild ergibt sich bei der Betrachtung der Verschleißwiderstände gegen das feine Abrasiv. In diesem Fall steigt der Verschleißwiderstand mit zunehmenden V- und Nb-Gehalt an. Dieses Verhalten ist primär auf die Änderung der Hartstoffmorphologie (Hartstoffvergrößerung) zurückzuführen. Hier besitzen die Hartstoffe, bedingt durch das Zulegieren von V und Nb, eine ausreichende Hartstoffgröße und werden nicht mehr aus dem Werkstoffverbund herausgespant. Somit wird die BedingungAnother picture arises when considering the wear resistance against the fine abrasive. In this case, the wear resistance increases with increasing V and Nb contents. This behavior is primarily due to the change in hard material morphology (hard material enlargement). Here, the hard materials, due to the alloying of V and Nb, a sufficient hard material size and are no longer herausgespant from the composite material. Thus, the condition becomes

"Hartstoffdurchmesser ≥ Furchenbreite des angreifenden Abrasivs" erfüllt."Hard material diameter ≥ furrow width of the attacking abrasive".

Wie schon erwähnt, nimmt durch die Vergröberung der Hartstoffe und die damit verbundene Zunahme der freien Matrixweglänge die spezifische innere Grenzflächenlänge zwischen den zugegebenen TiC-Partikeln und der Metallmatrix ab, was besonders Vorteile im Bereich des Korrosionsschutzes und der mechanischen Eigenschaften bietet.As already mentioned, due to the coarsening of the hard materials and the associated increase in the free matrix path length, the specific internal one decreases Interface length between the added TiC particles and the metal matrix, which offers particular advantages in terms of corrosion protection and mechanical properties.

Zur Bewertung des Korrosionsverhaltens sind Stromdichte-Potentialkurven erstellt worden. Dazu sind zunächst Korrosionsproben hergestellt worden. Hierzu wurde auf die Rückseite der vollständig wärmebehandelten Proben ein Draht angeschweißt, der für eine leitende Verbindung benötigt wird. Diese Proben wurden anschließend in nicht-leitendes Einbettmittel (z. B. Technovit 5071, Fa. Heraeus Kulzer GmbH) kalt eingebettet, wobei der freiliegende Teil des Drahts isoliert wurde. Die Probenoberfläche wurde mit SiC-Schleifpapier bis zu einer Körnung von 1000 Mesh geschliffen, um für einen gleichbleibenden Oberflächenzustand zu sorgen. Das Einbettmittel sowie der Spalt zwischen Probe und Einbettmittel wurden mit Lack versiegelt, um Spaltkorrosion und vom Einbettmittel ausgehende Effekte zu minimieren. Da für die Erstellung von SPK die Stromdichte benötigt wird, wurde die leitende Probenoberfläche mit Hilfe der Software a4i der Fa. Aquinto vermessen.To evaluate the corrosion behavior, current density potential curves have been created. For this purpose, first corrosion samples have been produced. For this purpose, a wire was welded to the back of the completely heat-treated samples, which is needed for a conductive connection. These samples were then cold-embedded in nonconductive embedding agent (eg Technovit 5071, Heraeus Kulzer GmbH), whereby the exposed part of the wire was isolated. The sample surface was ground to a 1000 mesh grit with SiC abrasive paper to provide a consistent surface condition. The potting agent as well as the gap between sample and potting agent were sealed with varnish to minimize crevice corrosion and effects emanating from the potting agent. Since the current density is required for the creation of SPK, the conductive sample surface was measured using the a4i software from Aquinto.

Die so präparierten Proben wurden als Arbeitselektrode in einen Versuchsstand eingebaut. Die Gegenelektrode bestand aus einem Platinplättchen, während die Bezugselektrode aus Quecksilberchlorid besteht und räumlich getrennt, aber elektrisch leitend über eine Salzbrücke verbunden in einem externen Gefäß platziert war. Diese Trennung wurde vorgenommen, um eine Verunreinigung der Elektrode und damit einer Verfälschung der Messergebnisse entgegen zu wirken. Es kamen entweder 0,5 mol H2SO4 (5 %) oder 0,6 mol NaCl (3 %) zum Einsatz. Alle Elektroden wurden mit einem Potentiostaten verbunden, der die Regelung der Spannung und die Messung des Stroms übernahm.The thus prepared samples were installed as a working electrode in a test stand. The counterelectrode consisted of a platinum plate, while the reference electrode was made of mercuric chloride and was spatially separated but electrically connected via a salt bridge in an external vessel. This separation was made to counteract contamination of the electrode and thus a falsification of the measurement results. Either 0.5 mol H2SO4 (5%) or 0.6 mol NaCl (3%) was used. All electrodes were connected to a potentiostat, which took over the regulation of the voltage and the measurement of the current.

Vor einer Messung und nach dem Einbau der Probe in den Versuchsstand wurde die Schwefelsäure 30 min mit Stickstoff gespült (2 L/ min), um enthaltenen Sauerstoff auszuspülen und so eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse herzustellen. Anschließend wurde die Probe für 60 s kathodisch bei -1744 mV kathodisiert. Dies dient der Entfernung von Verunreinigungen auf der Oberfläche sowie zumindest einer teilweisen Auflösung der natürlichen Oxidschicht. Bei der nachfolgenden Messung des Ruhepotentials für 30 min bildete sich die Passivschicht mit dem im Elektrolyten befindlichen Sauerstoff und somit stets unter vergleichbaren Bedingungen neu.Prior to measurement and after incorporation of the sample into the test stand, the sulfuric acid was purged with nitrogen (2 L / min) for 30 minutes to purge contained oxygen for comparability of results. Subsequently, the sample became cathodic for 60 s -1744 mV cathodized. This serves to remove impurities on the surface and at least a partial dissolution of the natural oxide layer. In the subsequent measurement of the resting potential for 30 min, the passive layer formed with the oxygen in the electrolyte and thus always under comparable conditions new.

Direkt im Anschluss erfolgt die eigentliche Messung der Stromdichtepotenzialkurve ausgehend von knapp unterhalb des Ruhepotentials. Hier wurde eine Potentialänderungsgeschwindigkeit von 600 mV/h Probe angelegt und der sich zwischen Arbeits- und Gegenelektrode einstellende Strom unter Bezug auf die Referenzelektrode gemessen.Immediately afterwards, the actual measurement of the current density potential curve starts from just below the quiescent potential. Here, a potential change rate of 600 mV / h sample was applied and measured the adjusting between working and counter electrode current with respect to the reference electrode.

Das Loch-Korrosionsverhalten wurde in 0,6 molarer NaCl-Lösung bestimmt. Da in den meisten Fällen das eigentliche Lochkorrosionspotential Upit, also das den Beginn der Lochkorrosion anzeigende Potential am Beginn des Steilanstiegs der Potenzialkurve, nicht einwandfrei bestimmt werden konnte, wurde in Anlehnung an die aktuell gültigen Normen ASTM G-150-99 und DIN-50905-2 das Durchbruchpotenzial als Vergleichswert eingeführt. Dieser Wert wurde an der Stelle der Kurve abgelesen, ab der die Stromdichte konstant > 100 µA/cm2 beträgt.The hole corrosion behavior was determined in 0.6 molar NaCl solution. Since in most cases the actual pitting potential Upit, ie the potential indicating the onset of pitting corrosion at the beginning of the steep rise of the potential curve, could not be determined correctly, based on the currently valid standards ASTM G-150-99 and DIN-50905- 2 introduced the breakthrough potential as a benchmark. This value was read at the location of the curve, from which the current density is constant> 100 μA / cm 2 .

In Fig. 4 sind die für die V-haltigen Proben und die weder mit V noch Nb legierte Probe ermittelten Messkurven zur Bestimmung des Durchbruchpotentials (bei 100 µA/cm2) dargestellt. Zu erkennen ist, dass mit zunehmendem V-Gehalt das Durchbruchpotential in Richtung höherer Potentiale verschoben und daher die Korrosionsbeständigkeit (hier gegenüber NaCl) ansteigt.In Fig. 4 the measured curves determined for the V-containing samples and the sample alloyed neither with V nor Nb are shown for the determination of the breakdown potential (at 100 μA / cm 2 ). It can be seen that as the V content increases, the breakdown potential is shifted in the direction of higher potentials and therefore the corrosion resistance (in this case compared with NaCl) increases.

Mit der Erfindung lässt sich somit der bei der Zulegierung eines Anbindungselements, insbesondere bei der Zulegierung von Nb und V, eintretende Interdiffusionsprozess zwischen Hartstoffen, wie z.B. TiC, und der Metallmatrix während der Verdichtung von hartstoffhaltigen Werkstoffen gezielt nutzen. Dazu wird die Metallmatrix gezielt mit ausreichenden Gehalten an Legierungselementen angereichert, die während der Werkstoffverdichtung chemisch mit den Hartstoffen wechselwirken und gegebenenfalls die Bildung neuer Phasen bewirken.Thus, with the invention, the interdiffusion process between hard materials, such as TiC, and the metal matrix occurring during the alloying of a connecting element, in particular during the alloying of Nb and V, can be used selectively during the compaction of materials containing hard materials. For this purpose, the metal matrix is targeted with sufficient levels Enriched alloying elements that interact chemically during the material compaction with the hard materials and possibly cause the formation of new phases.

Durch die erfindungsgemäße Auflegierung von Hartstoffen durch Legierungselemente aus der Metallmatrix während der Erzeugung des erfindungsgemäßen Fe-Basiswerkstoffs lassen sich die Hartstoffeigenschaften somit gezielt beeinflussen. Das Resultat sind verbesserte Materialeigenschaften im Vergleich zu konventionell hergestellten Hartverbundwerkstoffen. Dabei konzentriert sich die Erfindung auf die Verwendung von TiC-Hartstoffen, die in ausreichenden Mengen und nachhaltig verfügbar sind.The alloying-in of hard materials by alloying elements according to the invention from the metal matrix during the production of the Fe base material according to the invention thus makes it possible to influence the hard material properties in a targeted manner. The result is improved material properties compared to conventionally produced hard composite materials. The invention focuses on the use of TiC hard materials that are available in sufficient quantities and sustainable.

Besonders kostengünstig lässt sich der erfindungsgemäße MMC-Fe-Basiswerkstoff herstellen, wenn das in ihm enthaltene TiC mindestens teilweise durch Recycling von TiC-haltigen Fe-Basiswerkstoffen gewonnen wird. Ein Verfahren zum Recycling von solchen Werkstoffen ist in der EP 2 678 455 B1 beschrieben. Tabelle 1 Werkstoff Cr Co Ni Mo Nb V TiC Nikro128 13,5 9 4 5 0 0 30 Nikro128+1Nb 13,5 9 4 5 1 0 30 Nikro128+2Nb 13,5 9 4 5 2 0 30 Nikro128+3Nb 13,5 9 4 5 3 0 30 Nikro128+4Nb 13,5 9 4 5 4 0 30 Nikro128+1V 13,5 9 4 5 0 1 30 Nikro128+2V 13,5 9 4 5 0 2 30 Nikro128+3V 13,5 9 4 5 0 3 30 Nikro128+4V 13,5 9 4 5 0 4 30 Angaben in Masse-%, Rest Eisen und herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen Tabelle 2 Werkstoff Hartpartikeldurchmesser [µm] Hartpartikelgröße [µm2] Volumenanteil [%] Partikelzahl Nikro128 2,993 ± 0,211 7,07 ± 1,00 44,54 ± 3,46 910 Nikro128+1V 6,152 ± 1,017 30,54 ±10,16 46,13 ± 3,64 235 Nikro128+2V 4,913 ± 0,629 19,27 ± 4,94 41,15 ± 4,36 318 Nikro128+3V 5,583 ± 0,720 24,89 ± 6,17 43,40 ± 3,04 262 Nikro128+4V 6,408 ± 0,742 32,69 ± 7,71 46,45 ± 3,34 210 Tabelle 3 Probe Ti Mo Nb/V C Nikro128 48,53 ± 0,31 2,11 ± 0,19 0 48,64 ± 2,56 Nikro128+1Nb 49,01 ±1,41 2,34 ± 0,40 1,36 ± 0,65 47,25 ± 0,86 Nikro128+2Nb 47,68 ± 2,38 1,89 ± 0,58 2,09 ± 0,91 48,30 ± 1,10 Nikro128+3Nb 46,82 ± 1,20 1,70 ± 0,20 3,26 ± 0,67 48,25 ± 0,77 Nikro128+4Nb 46,69 ± 1,00 1,44 ± 0,13 4,16 ± 0,56 47,69 ± 0,73 Nikro128+1V 48,42 ± 0,38 2,18 ± 0,32 0,79 ± 0,11 48,07 ± 0,86 Nikro128+2V 48,17 ± 019 1,92 ± 0,2 1,3 ± 0,07 48,08 ± 1,1 Nikro128+3V 48,36 ± 1,01 1,99 ± 012 2,07 ± 0,29 46,86 ± 0,77 Nikro128+4V 47,71 ± 0,11 1,78 ± 0,17 2,32 ± 0,15 47,67 ± 0,73 Angaben in Masse-% Tabelle 4 Werkstoff Härte [GPa] E-Modul [GPa] Nikro128 33,63 518,61 Nirko128+1Nb 35,13 522,39 Nikro128+2Nb 37,46 539,96 Nikro128+3Nb 34,46 515,84 Nirko128+4Nb 34,92 523,91 Nirko128+1V 34,92 534,24 Nikro128+2V 35,44 514,72 Nikro128+3V 35,44 504,19 Nikro128+4V 34,79 520,53 The inventive MMC-Fe base material can be produced in a particularly cost-effective manner if the TiC contained in it is at least partially obtained by recycling Ti-containing Fe base materials. A method of recycling such materials is in the EP 2 678 455 B1 described. Table 1 material Cr Co Ni Not a word Nb V TiC Nikro128 13.5 9 4 5 0 0 30 Nikro128 + 1Nb 13.5 9 4 5 1 0 30 Nikro128 + 2Nb 13.5 9 4 5 2 0 30 Nikro128 + 3Nb 13.5 9 4 5 3 0 30 Nikro128 + 4Nb 13.5 9 4 5 4 0 30 Nikro128 + 1V 13.5 9 4 5 0 1 30 Nikro128 + 2V 13.5 9 4 5 0 2 30 Nikro128 + 3V 13.5 9 4 5 0 3 30 Nikro128 + 4V 13.5 9 4 5 0 4 30 Data in% by mass, remainder iron and inevitable impurities due to production material Hard particle diameter [μm] Hard particle size [μm 2 ] Volume fraction [%] particle number Nikro128 2,993 ± 0.211 7.07 ± 1.00 44.54 ± 3.46 910 Nikro128 + 1V 6.152 ± 1.017 30.54 ± 10.16 46.13 ± 3.64 235 Nikro128 + 2V 4.913 ± 0.629 19.27 ± 4.94 41.15 ± 4.36 318 Nikro128 + 3V 5,583 ± 0.720 24.89 ± 6.17 43.40 ± 3.04 262 Nikro128 + 4V 6.408 ± 0.742 32.69 ± 7.71 46.45 ± 3.34 210 sample Ti Not a word Nb / V C Nikro128 48.53 ± 0.31 2,11 ± 0,19 0 48.64 ± 2.56 Nikro128 + 1Nb 49.01 ± 1.41 2.34 ± 0.40 1.36 ± 0.65 47.25 ± 0.86 Nikro128 + 2Nb 47.68 ± 2.38 1.89 ± 0.58 2.09 ± 0.91 48.30 ± 1.10 Nikro128 + 3Nb 46.82 ± 1.20 1.70 ± 0.20 3.26 ± 0.67 48.25 ± 0.77 Nikro128 + 4Nb 46.69 ± 1.00 1.44 ± 0.13 4.16 ± 0.56 47.69 ± 0.73 Nikro128 + 1V 48.42 ± 0.38 2.18 ± 0.32 0.79 ± 0.11 48.07 ± 0.86 Nikro128 + 2V 48.17 ± 019 1.92 ± 0.2 1.3 ± 0.07 48.08 ± 1.1 Nikro128 + 3V 48.36 ± 1.01 1.99 ± 012 2.07 ± 0.29 46.86 ± 0.77 Nikro128 + 4V 47.71 ± 0.11 1.78 ± 0.17 2.32 ± 0.15 47.67 ± 0.73 Data in% by mass material Hardness [GPa] Modulus of elasticity [GPa] Nikro128 33.63 518.61 Nirko128 + 1Nb 35.13 522.39 Nikro128 + 2Nb 37.46 539.96 Nikro128 + 3Nb 34.46 515.84 Nirko128 + 4Nb 34.92 523.91 Nirko128 + 1V 34.92 534.24 Nikro128 + 2V 35.44 514.72 Nikro128 + 3V 35.44 504.19 Nikro128 + 4V 34.79 520.53

Claims (15)

Fe-Basiswerkstoff, der aus einer Matrix auf Eisenbasis und aus in dieser Matrix eingelagerten Hartstoffpartikeln besteht, - wobei der Fe-Basiswerkstoff aus (in Masse-%)
bis zu 1,0 % C,
2,0 - 25,0 % Cr,
0,5 - 7 % Mo,
mindestens einem zum Anbinden der Hartstoffpartikel an die Matrix zugegebenen Anbindungselement, welches den Übergangselementen der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente angehört, in Gehalten von jeweils 0,5 - 5,0 %,
optional bis zu 12 % Co,
optional bis zu 18 % Ni,
sowie 20 - 40 % TiC-Hartstoffpartikel
und
als Rest aus Eisen und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen
besteht, und
- wobei in den Hartstoffpartikeln Ti-Atome durch Atome des jeweiligen mindestens einen in der Matrix vorhandenen Anbindungselements substituiert sind.
Fe base material consisting of an iron-based matrix and hard particles embedded in this matrix, - where the Fe base material consists of (in% by mass)
up to 1.0% C,
2.0 - 25.0% Cr,
0.5 - 7% Mo,
at least one connecting element added to the matrix for binding the hard material particles, which belongs to the transition elements of the 4th to 6th subgroups of the Periodic Table of the Elements, in contents of 0.5% to 5.0% in each case,
optional up to 12% Co,
optional up to 18% Ni,
as well as 20 - 40% TiC hard material particles
and
as the remainder of iron and production-related unavoidable impurities
exists, and
- Where in the hard material particles Ti atoms are substituted by atoms of the respective at least one existing in the matrix attachment element.
Fe-Basiswerkstoff nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass das Anbindungselement der Gruppe "Zr, Hf, Nb, Ta, V, W" angehört.Fe-base material according to claim 1, characterized in that the connection element belongs to the group "Zr, Hf, Nb, Ta, V, W". Fe-Basiswerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungselemente Nb oder V sind.Fe-base material according to claim 2, characterized in that the connecting elements Nb or V are. Fe-Basiswerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehalte an Nb, sofern vorhanden, 1 - 4,0 Masse-% betragen.Fe base material according to claim 3, characterized in that the contents of Nb, if present, are 1 to 4.0% by mass. Fe-Basiswerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehalte an V, sofern vorhanden, 1 - 4,0 Masse-% betragen.Fe-base material according to claim 2, characterized in that the contents of V, if present, 1 to 4.0% by mass. Fe-Basiswerkstoff nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (in Masse-%) sein C-Gehalt im Bereich der Verunreinigungen liegt und sein Cr-Gehalt 12,5 - 14,5 %, sein Mo-Gehalt 4,5 - 5,5 %, sein Co-Gehalt 8,0 - 10,0 %, sein Ni-Gehalt 3,5 - 4,5 % und sein TiC-Gehalt 27 - 33 % beträgt.Fe-base material according to one of the preceding claims, characterized in that (in% by mass) its C content is in the range of impurities and its Cr content is 12.5-14.5%, its Mo content is 4.5 - 5.5%, its Co content is 8.0-10.0%, its Ni content is 3.5-4.5% and its TiC content is 27-33%. Verfahren zum Herstellen eines gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildeten Fe-Basiswerkstoffs umfassend folgende Arbeitsschritte: a) Bereitstellen einer Pulvermischung, - die aus einem Pulver, das aus (in Masse-%) bis zu 0,8 % C, 0,5 - 25 % Cr, 0,5 - 7 % Mo, mindestens einem zum Anbinden der Hartstoffpartikel an die Matrix des Fe-Basiswerkstoffs zugegebenen Anbindungselement, welches den Übergangselementen der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente angehört, in Gehalten von 0,5 - 5,0 %, optional bis zu 12 % Co, optional bis zu 18 % Ni und als Rest aus Eisen und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und - einem Hartstoffpulver gemischt ist, das aus TiC-Hartstoffpartikeln besteht, - wobei der Anteil der TiC-Hartstoffpartikel an der Pulvermischung 20 - 40 Masse-% beträgt; b) Kompaktieren der Pulvermischung zu einem festen Fe-Basiswerkstoffblock; c) Wärmebehandeln des Fe-Basiswerkstoffblocks, wobei die Wärmebehandlung ein Lösungsglühen über eine Dauer von 1 - 4 h bei einer 800 - 1100 °C betragenden Temperatur umfasst. A method for producing an Fe base material formed according to any one of claims 1 to 6, comprising the following steps: a) providing a powder mixture, consisting of a powder consisting of (in% by mass) up to 0.8% C, 0.5-25% Cr, 0.5-7% Mo, at least one for bonding the particles of hard material to the matrix of Fe, Base material added attachment element, which the transition elements of the 4th to 6. Subgroup of the Periodic Table of the Elements belongs, in contents of 0.5 - 5.0%, optionally up to 12% Co, optionally up to 18% Ni and the balance of iron and production-related unavoidable impurities, and mixed with a hard material powder consisting of TiC hard material particles, - wherein the proportion of TiC hard material particles in the powder mixture is 20 - 40 mass%; b) compacting the powder mixture into a solid Fe base material block; c) heat treating the Fe base material block, wherein the heat treatment comprises solution annealing for a period of 1 to 4 hours at a temperature of 800 to 1100 ° C. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompaktieren (Arbeitsschritt b)) als ein Sinterverfahren durchgeführt wird.A method according to claim 7, characterized in that the compacting (step b)) is performed as a sintering process. VerfahrennachAnspruch8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern unter Druck durchgeführt wird.A method according to claim 8, characterized in that the sintering is carried out under pressure. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern mit flüssiger Phase durchgeführt wird.A method according to claim 8 or 9, characterized in that the sintering is carried out with liquid phase. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern als heißisostatisches Pressen durchgeführt wird.Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that the sintering is carried out as hot isostatic pressing. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das im Zuge der Wärmebehandlung (Arbeitsschritt c)) durchgeführte Lösungsglühen unter Vakuum durchgeführt wird.Method according to one of claims 7 to 11, characterized in that in the course of the heat treatment (step c)) carried out solution annealing is carried out under vacuum. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fe-Basiswerkstoffblock nach dem im Zuge der Wärmebehandlung (Arbeitsschritt c)) durchgeführten Lösungsglühen abgeschreckt wird.Method according to one of claims 7 to 12, characterized in that the Fe base material block is quenched after the solution annealing carried out in the course of the heat treatment (step c)). Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschrecken Stickstoff mit einem Druck von 1 - 4,5 bar auf den Fe-Basiswerkstoffblock geblasen wird.A method according to claim 13, characterized in that for quenching nitrogen is blown with a pressure of 1 - 4.5 bar on the Fe base material block. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Fe-Basiswerkstoffblock zum Abschluss der Wärmebehandlung (Arbeitsschritt c)) einem Anlassglühen bei 100 - 550 °C für eine Dauer von 1 - 8 Stunden unterzogen wird.Method according to one of claims 7 - 14, characterized in that the Fe base material block to complete the heat treatment (step c)) is subjected to tempering at 100 - 550 ° C for a period of 1-8 hours.
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