NO135018B - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til pulvermetallurgisk fremstilling av verktøystål med god legeringshomogenitet.

Det er almindelig kjent å støpe verktøystålemner av en legering og å varmbearbeide emnet til dets endelige form. Det er vanlig under fremstillingen at opptil 60 % av det støpte emne går tilspille. Alvorlig seigring som resulterer i en uensartet struktur skaper også problemer og omfattende varmbearbeiding og maskinbearbeiding av materialet er nødvendig for å komme frem til et tilfredsstillende homogent råemne. Varmbearbeiding og fjernelse av seigret materiale ved maskinell bearbeiding, tjener begge til å homogenisere mikrostrukturen i råblokkene.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er i første rekke

å komme frem til en fremstillingsmåte som opphever disse ulem-per ved at svinnet av kanskje kostbart materiale reduseres til et minimum, samtidig med at homogeniteten i strukturen bedres vesentlig. Videre vil behovet for varmbearbeiding bli mindre enn det som kreves ved behandling av støpte emner og det blir mulig som utgangsmateriale å anvende skrap av verktøystål til fremstilling av nytt verktøystål som i det minste er likt og noen ganger bedre enn det opprinnelige.

Pulvermetallurgisk fremstilling av verktøystål har tidligere vært beyttet, men bare i en begrenset utstrekning, fordi fremstillingsmåten ikke har vært tilfredsstillende hverken teknisk eller økonomisk. Utgangsmaterialet har vanligvis vært atomiserte partikler av forlegert verktøystål. Det har ikke vist seg praktisk å kaldpresse atomiserte partikler, som er

stort sett kuleformet. Vanskeligheten med å forme en blokk eller et emne med tilstrekkelig egenstyrke til å bevare sin struktur, har ført den pulvermetallurgiske teknikk over til en varmpresseoperasjon. Ved varmpressing anvendes det et komplisert presseapparat som i almindelighet bare er istand til å behandle en enkel gjenstand om gangen. Ved å gjøre varm-pressingen unødvendig, vil den pulvermetallurgiske fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen, gi en bemerkelsesverdig fordel og for første gang er det blitt praktisk mulig å anvende pulvermetallurgisk teknikk til fremstilling av verktøy-stål. Den pulvermetallurgiske fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen gjør det også mulig å utvikle nye legeringer av verk-tøystål med bedre ytelser, og man kan få legeringer som hittil ikke har vært mulige på grunn av den store seigring i støpte ,legeringer, og på grunn av at det ikke har vært mulig å varmbearbeide disse legeringer for å oppnå en homogen struktur.

Ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen anvendes det som utgangsmateriale, uregelmessig formede knuste, for-legerte pulverformete verktøystålpartikler med en homogen sammensetning. Partiklene kan dannes ved slagpulverisering. Slagpulverisering utføres normalt etter avfetting, med f.eks. legert verktøystålskrap, såsom maskinspon, atomiserte partikler eller partikler som er dannet i vann. Slagpulverisering kan utføres i henhold til U.S. patent nr. 3.184.169. I denne fremgangsmåte bombarderes et mål med partiklene, mens andre fremgangsmåter til slagpulverisering går ut på å bombardere legeringspartiklene med hverandre. Pulveret som er et resultat av slagpulveriseringen renses så i en hydrogenatmosfære, for å fjerne mesteparten av oksydene. Karbon kan også tilsettes i renseoperasjonen for å hjelpe til med dette; Hvis man anvender karbon, tjener den først og fremst til å avbalansere avkarboniseringen under hydro-genreduksjonen og sintringen, for derved å opprettholde et ønsket karboninnhold i verktøystålet. Andre karbonholdige materialer enn karbon som sådant, kan anvendes, f.eks. en organisk oppløs-ning som vil tilføre karbon i en vektprosent som tilsvarer rent karbon. Passende karbonholdige materialer er sukker i en etyl-alkoholoppløsning og hydrokarboner, såsom bensol. Etter.at materialet er renset, kaldpresses det stDrt sett ved den om-givende temperatur til en blokkform som kan ha forskjellige former, herunder også være formet som stenger, som emner med forskjellige fasonger og størrelser etc. Hydrostatisk pressing kan med fordel anvendes til denne operasjon. En måte å utføre fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen på er å kaldpresse ved hjelp av eksplosjonskomprimering. Det anvendes tilstrekkelig trykk under kaldpresseoperasjonen til å gi den pressede pulvergjenstand en egenstyrke som vil bevare sin struktur under videre bearbeiding av blokken. For å få til en tilfredsstillende kaldpressing av pulveret, er det viktig under hydrogen-reduksjonen av materialet før kaldpressingen at de reduserte pulverpartikler avkjøles langsomt, for at de ikke skal få en uønsket hardhet, som virker forstyrrende inn på den følgende kaldpressing. Generelt sett bør det reduserte pulver ha en Rockwell -C-hardhet på ikke mer enn 55 ved et pressetrykk på 7030 kg/cm 2 og 30 ved et pressetrykk på 4218 kg/cm 2. Hvis av-kjølingen går for hurtig, vil pulverpartiklene herdes til en Rockwell-C-hardhet på 60, og dette materiale vil være nesten

2

umulig å presse ved et så høyt trykk som 7030 kg/cm . Det hydrogenreduserte pulver avkjøles så langsomt som med 149°C/time. Ved en utøvelsesform for fremgangsmåten overføres så råblokken til en ovn med kontrollert atmosfære, hvori en kaldpresset blokk sintres, for å gi den en teoretisk tetthet på minst 85%. Her oppvarmes den kaldpressede blokk under sintringen i ovnen til en temperatur i området 1177°C til 1288°C, for å oppnå den ønskede teoretiske tetthet.

Et mekanisk eller isostatisk trykk på mellom 4218 og

70 30 kg/cm 2 og eventuelt høyere vil i almindelighet være istand til å gi verktøystålet en teoretisk tetthet på 86 %. De pressede blokker vil så enten sintres til en ønsket tetthet eller sintres og bearbeides til den ønskede tetthet. Den sistnevnte fremgangsmåte som omfatter sintring og bearbeiding foretrekkes, fordi den reduserer behovet for varmebehandling og hjelper til med å holde kornstørrelsen i materialet nede. Hvis man for eksplosjonskomprimert pulver ønsker en enda høyere tetthet, kan man.få dette ved en ovnssintring ved en temperatur på mellom 1177°C og 1288°C, eller man kan sintre ved varmvalsing. Sintring

ved varmvalsing foregår fortrinnsvis i temperaturområdet mellom r"1093°C og 1204°C. Ved de nevnte valsetemperaturer foregår sintringen i virkeligheten under varmbearbeidingen.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen egner seg spesielt for masseproduksjon, der flere arbeidsstykker kan presses og deretter sintres i tur og orden, uten at man behøver et stort og komplisert maskineri for hvert enkelt stykke slik detr er nødvendig ved varmpressing. Som forklart anbringes de pressede gjenstander i en sintririgsovn. Under visse forhold og for noen verktøystålanvendelser, er ytterligere bearbeiding ikke nødvendig. I andre tilfeller varmdeformeres deretter det sintrede produkt først og fremst for å gjøre det tettere. Varmdef ormer ingen er en mild bearbeiding av produktet, sammenlignet med tidligere teknikk. Det varmbearbeidede eller sintrede produkt varmebehandles så på vanlig måte. Som det.skal forklares mer i detalj, har det resulterende verktøystålprodukt som er frémstilt i henhold til foreliggende oppfinnelse , ofte egenskaper som man hittil ikke har oppnådd i verktøystål med lignende karboninnhold. Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk, og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til ea rekke eksempler.

Slagpulverisering.

En egnet slagpulverisering til fremstilling av de knuste pulverpartikler er beskrevet i det nevnte U.S. patent 3.184.169 og ved denne fremgangsmåte kan utgangsmaterialet være sponformet skrap eller fliser av verktøystållegering som pulversiseres. Partikler av skrapmaterialer som er dannet i vann, kan også anvendes. Grovatomiserte partikler er spesielt egnet for slagpulverisering. Både grovatomiserte partikler og partikler som er dannet i vann, kan dessuten lages direkte av en nysmeltet legering, der det er ønskelig å hindre det spill av materiale som er uunngåelig ved'Støping av store blokker, og det spill som skyldes den omfattende bearbeiding disse blokker måtte underkastes ved tidligere metoder. Slagpulveriseringen utføres slik at pulverets partikkelstørrelse blir mindre enn 0,044 mm, selv om partikkelstørrelser mindre enn 0,149 mm har vært brukt, men da med mindre hell. Det er ønskelig å holde en gjennomsnittlig partikkelstsørrelse på pulveret i området mellom 2 og 60 (im og fortrinnsvis i det mer begrensede område på 6 - 14 fim De mindre partikler er lettere å presse og å sintre, slik at man får den ønskede tetthet. Man har funnet at knuste partikler som er fremkommet ved slagpulverisering har uregelmessig form i motsetning til atomiserte partikler og på grunn av dette filtes de lettere sammen og låses lettere til hverandre når de presses. Videre har de knuste partikler som ei" fremstilt ved slagpulverisering ytterflater som ikke skiller seg fra den resterende indre struktur i motsetning til atomiserte partikler som har en hard overflate på grunn av atomiseringen, og dette gjør de knuste partikler bedre egnet for kaldpressing. Partikler som er fremkommet ved slagpulverisering danner et utgangsmateriale som er egnet for lett bearbeiding og dette gjør den metallurgiske pulverteknikk økonomisk mulig når det gjelder forming av verktøystål.

Fordelingen av partikkelstørrelsene har vist seg å være en angivelse av et pulvers evne til å få den tetthet det skulle ha i forhold til dets gjennomsnittlige partikkelstørrelse* og sintringssyklus. Den mest ønskede størrelsesfordeling av partiklene i pulveret følger en gaussisk kurve som fortrinnsvis har en klokkeform. Det er kjent fra et antall fordelingsana-lyser, at hvis pulveret inneholder en for stor del partikler med liten diameter, hvilket betyr at fordelingskurven er mis-formet, slik at den inneholder en altfor stor del små partikler, er det tilbøyelighet til at verktøystålet får lokale områder med høy tetthet. Hvis på den annen side innholdet av partikler med stor størrelse er for høyt, er det en tilbøyelighet til at verktøystålet har lokale områder med porøsitet som det er vanskelig å lukke ved sintring. Den ønskede gaussiske fordeling letter produksjonen av verktøystål ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, og en avvikelse fra den generelle gaussiske fordeling vil føre til at kaldpressing og sintring blir tyngre.

Rensing.

Etter at pulveret kommer ut av slaggpulveriseringsproses-sen er det nødvendig med en' renseoperasjon som er megqt viktig ved fremstilling av legeringer. Materialene har generelt- fra 0,5 til 8 % oksyder som urenheter. Urenhetene skaper en rekke problemer ved fremstillingen av et egnet verktøystål som slutt-

produkt. For det første får man ikke en tett struktur, fordi oksydene med lav tetthet utgjør en stor prosent av korngrensene. Fordi oksydene har liten styrke og er sprø, vil den sammen-satte legering som har for mye oksyder ha liten seighet. En del av rensingen består i. hydrogenreduksjon av pulveret i ca.

1 time ved 9 82°C. Temperaturområdet kan strekke seg under og

over 982°C. Ved 871°C er imidlertid reduksjonen langsom, mens materialet ved ca. 10 36°C har tilbøyelighet til å sintre. Et foretrukket område for fjernelse av oksyder er 854°C til 1024°C. Varigheten av behandlingen er ikke kritisk, sålenge hele pulver-ladningen når opp til temperaturen og man anvender nok tid til i stor utstrekning å befri materialene for oksydene. Hydrogen-reduks jonen vil senke oksydinnholdet til 0,3 - 0,25 %. Resten av oksydene kan i stor utstrekning fjernes ved å tilsette en liten mengde karbon til pulveret. Ved å sette til fra 0,1 til 1 % karbon i form av sot eller lignende i pulveret før hydrogen-reduks jonen, fjernes nesten hele oksydinnholdet. Tilsetning av karbon har også den heldige virkning at den forminsker karboniseringen av verktøystålet under den påfølgende behandling. Karbonet reagerer med oksydene som er tilstede og danner CO og avgis som en gass fra pulveret. Fjernelsen av urenheter i form av oksyder gjør det mulig at man ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan fremstille et verktøystål som når det gjelder styrkeegenskaper kan sidestilles med hittil kjente verk-tøystål. Som forklart i det følgende, kan innholdet av små mengder oksyder som er ensartet fordelt over hele det legerte stålprodukt, tillates og i noen tilfelle synes det å være for-delaktig.

Pressing.

En stor fordel med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen sammenlignet med tidligere forsøk på å anvende pulvermetallurgisk teknikk ved fremstilling av verktøystål er at man unngår varmpressing. Hittil har varmpressing vært nødvendig for å fremstille en råblokk som hadde tilstrekkelig egenstyrke til å bevare sin struktur under påfølgende håndtering av blokken. Ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan man få tilstrekkelig egenstyrke i blokken ved kaldpressing. Det kaldpressede i' legeme som fremstilles av slagpulveriserte partikler, har til^ strekkelig strukturfasthet til å kunne føres frem til og anbringes i en sintringsovn. Kaldpressingen utføres med et trykk i overkant av 4218 kg/cm 2, og vanligvis fra 6327 Lii 7030 kg/cm 2. Pressingen kan utføires enten mekanisk eller isostatisk. Ved en utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen utføres kaldpressingen ved eksplosjonskomprimering. Den teoretiske tetthet i den kaldpressede råblokk er i overkant av 55 %, og fortrinnsvis i overkant av 6 3 %, og vil stort sett ligge i området mellom 55 og 75 % for mekanisk og isostatisk pressing. Det har vist seg at det er mulig å kaldpresse til en teoretisk tetthet på 86 %, hvor det anvendte pulver har en Rockwell-C-hardhet på 28. Et foretrukket teoretisk tetthetsom-råde for kaldpresset materiale fremstilt ved isostatisk eller mekanisk pressing, er 65 til 86 %. Ved eksplosjonskomprimering r som gir høyere pressetrykk, vil den teoretiske tetthet være atskillig høyere, og kan ligge i overkant av 90% og til og med i området 98 % til 100 %.

Sintring.

Etter avslutningen av kaldpressingen i henhold til oppfinnelsen utsettes det komprimerte materiale som allerede har fått en god tetthet og sammenhengende struktur, for en sintringsoperasjon. Sintringen vil typisk når det gjelder isostatisk og mekanisk pressing foregå i en ovn. I tilfelle av at materialet er formet ved eksplosjonskomprimering kan sintringen utføres i en ovn eller ved varmvalsing av materialet. Eksplosjonskomprimert pulver har typisk en høy tetthet, f.eks. 99% teoretisk, og med en slik høy materialtetthet er det mulig å frembringe sintring ved varmbearbeiding uten å anvende en ovn.

Sintringen av en kaldpresset råblokk og tilsvarende gir verk-tøystålet en teoretisk tetthet på minst 85%. Minimumssintrings-temperaturen er den som er nødvendig for å oppnå ovennevnte 85% teoretisk tetthet som er den minimale tetthet som kreves for å varmbearbeide blokken uten sprekking. Sintringen utføres under slike forhold at kornvekst og faseseparasjon forminskes til en grad som ikke påvirkes av etterfølgende bearbeidelse. Det vil si, en høy sintringstemperatur som fremmer en noe begrenset kornvekst og faseseparasjon, kan tolereres hvis det ikke er mer enn det som kan korrigeres ved hjelp av etterfølgende bearbeidelse av sintrede materialer. Det er noen ganger mulig å få en meget høy akseptabel teoretisk tetthet, f.eks. tetthet på rundt 98 % pluss med bare sintring og i slike tilfelle vil det ikke være noen ytterligere bruk for å varmvalse, smi eller på annen måte varmbearbeide det sintrede materiale for å få en enda høy-ere tetthet. Selvfølgelig hvis forholdene var slik at det sintrede materiale har fått en skadelig kornvekst og faseseparasjon, vil det fremdeles være nødvendig selv med den teoretiske tetthet å utsette den sintrede blokk for varmbearbeidelse for å få en homogen struktur. Men varmbearbeiding for å få homogenitet i et slikt tilfelle vil være meget mindre omfaLtende enn ved tidligere fremgangsmåter.

Sintringen utføres fortrinnsvis i en hydrogenatmosfære eller hvis ønsket i en karbonholdig atmosfære. En vakuumatmo-sfære anbefales ikke, fordi med verktøystållegeringer kan det være en tendens til å fordampe noe av materialet slik som f.eks. krom.

Sintring når det gjelder isostatisk eller mekaniske pressede blokker, kan typisk utføres over et generelt temperaturområde på ca. 1177°C til ca. 1288°G. For dem som er velbevandret i faget er det åpenbart at sintringsforholdene kan varieres for å oppnå en ønsket tetthet i blokken, idet sintringen er blant annet en funksjon av tid, temperatur, partikkelstørrelse og massen av materiale som sintres. Minimums akseptabel sintring oppnås véd å velge tid og temperatur som er nødvendig til å få den minimale 85 % teoretiske tetthet som er kritisk for videre bearbeiding. Maksimalsintring oppnås véd å velge forholdene for tid og temperatur som nærmer seg, men unngår skadelige reaksjoner, slik at etterfølgende bearbeiding som er typisk for verktøystål vil være ineffektiv når det gjelder å skaffe tilveie de karakteris-tiske verktøystålegenskaper. Eksempler på skadelige reaksjoner omfatter smelting av materialet, kornvekst og faseseigring eller separasjon i en slik grad at materialet er ufølsomt for etter-følgende behandlinger som er typisk for verktøystål.

For eksempel har man funnet i praksis at for M2-S verk-tøystål som mer spesielt skal drøftes nedenfor/ er det ønskelig å utføre sintringen innenfor et temperaturområde på ca.l218°C til ca. 1279°C i ca. 30 min. Temperaturen kan senkes til ca.l204°C hvis tiden forlenges til ca. 1 time eller økes til ca. 1288°C . z-hvis tiden nedsettes til ca. 10 min.

Den nedre temperaturgrense for sintring når det gjelder isostatisk og mekanisk pressede blokker, er fastslått til ca. 1177°C, fordi lavere temperaturer krever alt for lang sintrings-periode til at fremgangsmåten er praktisk for å oppnå den nød-vendige materialtetthet. En øvre grense på ca. 1288°C er fastslått som den maksimale sintringstemperatur, fordi med meget høyere temperaturer fåes eutektisk smelting ganske hurtig og kontroll med pulverfortetningsprosessen blir meget vanskelig å regulere.

De ovennevnte temperaturområder kan også anvendes for eksplo-' ;

sjonskomprimerte verktøystålpulvere som utsettes for en ovns^ sintringsoperasjon. I det tilfelle hvor sintringen av eksplosjonskomprimerte pulvere foregår ved bearbeidelse f.eks. ved varmvalsing, er temperaturområdet typisk.ca. 1204°C til ca. 1039°C, idet bearbeidingen begynner ved den førstnevnte temperatur og avsluttes ved den laveste temperatur. For enhver le-geringssammensetning er det relativt lett å bestemme den fore-trukne sintringstemperatur. Den øvre grense for temperaturen er den som gir kornvekst og faseseperasjon i en grad som er ufølsom for etterfølgende bearbeidelse. Den nedre temperatur som er mulig for sintring av materiale, er ganske enkelt spørsmål om fortetning og bestemmes lett ved hjelp av eksperi-mentering.

Man har funnet at de ovenfor nevnte forhold normalt gir en sintret tetthet på minst 85 % teoretisk. Det er også mulig med en sintret tetthet på 85 % eller over å heve tettheten til ca. 95 % teoretisk med en relativt begrenset bearbeiding av det sintrede materiale. Det er mulig med skjønsomt valg'av forhold partikkelstørrelser etc., med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen å oppnå tettheter på opptil 97 til 98 % av den teoretiske bare i sintringsoperasjonen.

En annen måte å øke tettheten på, er den smeltefase-s intrings fremgangsmåte som er kjent i f.aget. I smeltefasesintring innarbeides en sammensetning eller et metall i press-legemet som har et lavere smeltepunkt enn grunnme<t>anet. Til-setningen danner en tynn film av flytende metall over grunn-metalloverflaten ved sintringstemperaturen og øker derved masse-diffusjon og fortetning. Et spesielt foretrukket smeitefase-sintringsmiddel som unngår introduksjon av et fremmed element i verktøystålet er molybdensulfid MoS.,. Molyb.densulfid kan passende tilsettes i en mengde på ca. 0,1 vektprosent sammen med karbon (0,1 vektprosent) til det hydrogenreduserte stålpulver før kaldpressing. Et annet passende smeltefasesintringsmiddel er vanadiumdiborid som er en eksepsjonell herder og tjener til å akselerere sintringen.

Sintringstiden vil variere atskillig og bestemmes først

og fremst av massen eller vekten av det materiale som skal sintres. Tiden må være tilstrekkelig til at den ønskede fortetning inntreffer ved den valgte temperatur. Et eksempel på

en typisk sintringstid ved en temperatur på 1260°C er 30 min.

for en rektangulær gjenstand av verktøystållegering på 25,4 x 25,4 x 101,6 mm. Sintringstiden er også en funksjon av partikkel-størrelsen i materialet. Mindre partikler krever lavere sintringstemperatur. Partikkelstørrelsesfaktoren kommer således

med i betraktning når man skal velge en passende sintringstemperatur for å oppnå den ønskede fortetning.

Varmdeformasjon.

Varmdeformasjon refererer til bearbeidelse av et materiale under høy temperatur. Eksempler på dette omfatter senkesmiing, smiing og varmevalsing. Andre fremgangsmåter er vel-kjente i faget. Dette trinn i fremgangsmåten er først og fremst for fortetning. Dog raffinerer det også strukturen ved å fremme homogenitet hvor det er nødvendig. Man har også funnet at varmdef ormasjon av det sintrede produkt i henhold til oppfinnelsen vil oppnå 100 % teoretisk fortetning. Arbeidstempera-turområdet for verktøystål er typisk i området av 9 82°C til 1093°C. For. å trekke frem en av de spesielle fordeler og used-vanlige trekk ved foreliggende oppfinnelse, kan et homogent materiale med 100 % tetthet ofte fremstilles med bare en 40 % reduksjon av produktet i.motsetning til tidligere støpte verktøy-stållegeringer, hvor en meget stor varmbearbeidelse var nød-vendig for å oppnå homogenisering av materialet. Tidligere støpte legeringer krever normalt flere hundrede prosent reduksjon for å oppnå tilstrekkelig homogenisering. Dette voldsomme krav til bearbeidelse har hindret bruk av visse legeringer som ellers ville være ønskelige materialer til. verktøystål. En av de spesielle fordeler ved foreliggende oppfinnelse med dens begrensede krav til bearbeidelse, er således at den gjør legeringssammensetninger tilgjengelige som normalt ikke er egnet for de voldsomme varmbearbeidingsforhold som krevdes for homogenisering i tidligere fremgangsmåter for å gi et akseptabelt verktøystål. Det er mange legeringer, foruten de normale verktøystållegeringer, som ikke støpes på grunn av seigringsproblemet. Det må sees at i henhold til foreliggende oppfinnelse kan man atomisere disse legeringer eller danne partikler av disse i vann, deretter anvende fremgangsmåten i. henhold til oppfinnelsen og frembringe et brukbart produkt, fordi seigringsproblemet ikke lenger eksisterer.

Varmebehandling.

Sluttrinnet omfatter varmebehandling, en fremgangsmåte som er vanlig for verktøystållegeringer. Standardbehandlingen omfatter en oppvarming til 1204°C i 10 min., etterfulgt av en oljeherding som i sin tur etterfølges av en dobbeltherding ved 566°C. Man har funnet at verktøystål som er formet i henhold til oppfinnelsen, oppnår en overlegen transformasjon fra auste-nitt- til martensittfasen når materialet underkjøles etter olje-herdingen. Underkjølingen er ikke ny i faget og anvendes ofte. Generelt kommer underkjølingen istand ved å senke materialet i et kaldt bad, f.eks. flytende nitrogen, som har en temperatur på -195°c.

Man har funnet at et verktøystål som er fremstillet i henhold til fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, kan tåle en høyere prosent oksydinnhold enn det man normalt finner i vanlige verktøystålsammensetninger. En verktøystålsammensetning kjent som M2-S verktøystål er sammensatt i vektprosent av 0,9 % karbon, 5 % molybden, 4 % krom, 6 % wolfram, 2 % vanadium, 0,13 % svovel og resten jern. Normalt vil en M2-S verktøystål-sammensetning inneholde ca. 0,00 3 vektprosent oksyd. I ett tilfelle viste en eksaminasjon av den sanane stålsammensetning fremstilt i henhold til fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, et oksydinnhold på ca. 0,06 vektprosent, et bemerkelsesverdig høyere oksydinnhold. Til tross for denne meget høye oksydprosent, viste .verktøystålet i henhold til oppfinnelsen seg å være meget brukbart når det ble underkastet maskinbearbeid-elsesprøven. Man vet at ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen får verktøystållegeringer! en eksepsjonell homogen struktur og man tror at forskjellige oksyder som kan være tilstede i verktøystålet i henhold til oppfinnelsen er jevnt fordelt overalt og kan til og med være til nytte ved å for-sterke eller supplementere skjærefunksjonen til karbidene som er tilstede i verktøystållegeringen. Det er åpenbart,at dette er tilfelle fordi i flere tilfeller har verktøystål som er fremstilt i henhold til foreliggende fremgangsmåte vist relativt høye oksydinnhold og til tross for relativt lave karboninnhold, har produktene vist gode maskinbearbeidelsesegenskaper.

Dét har ikke vært mulig å gjenoppvarme verktøystål som er laget på tidligere måte ved støping, for når man har prøvet på en slik varmebehandling, inntreffer massekornvekst med et resulterende tap av alle vesentlige egenskaper. Ganske uventet

har man funnet at verktøystållegeringer som er et resultat av fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse, tillater en gjenoppvarmningsbehandling uten tap av de vesentlige egenskaper. Hvis den ønskede fasetransformasjon uteblir under den første varmebehandling med legeringer i henhold til foreliggende oppfinnelse, kan således varmebehandlingen gjentas for å oppnå den ønskede struktur. Dette kommer av at kornveksten i legeringene laget i henhold til foreliggende oppfinnelse er forskjellig fra kornveksten i de tidligere støpte legeringer ved at den er mindre kraftig.

En annen forskjell, når det gjelder egenskaper som man finner mellom verktøystål laget i henhold til foreliggende oppfinnelse og tidligere typer, angår hardhet. Kommersielt støpt eller smidd verktøystål såsom M2-S verktøystål, har en typisk Rockwell-C-hardhet på 65 - 66 når man anvender den vanlige varmebehandling. Ved bruk av en underkjølt varmebehandling kan dog hardheten økes til 67,5 M2-S legeringer som.er be-handlet i henhold til foreliggende oppfinnelse har man funnet å ha en Rockwell-C-hardhet på 69, når man anvender den under-kjølte varmebehandling. Dette er fullstendig uventet og mot-satt av det som man tidligere har trodd var mulig, hvilket skal vises. En prøve av et M2-S verktøystål laget i henhold til oppfinnelsen som fikk en Rockwell-C-hardhet på 69, hadde et karboninnhold på bare 0,57 vektprosent. Dette er atskillig mindre enn karboninnholdet i vanlig M2-S verktøyståj. som har et karboninnhold på 0,8 - 1 vektprosent. Som man vet er karbonet først og fremst tilstede i verktøystålet for å gi det styrkeegenskaper. I henhold til all tilgjengelig littera-tur og opplysning før denne oppfinnelse, er det teoretisk umulig å oppnå en Rockwell-C-hardhet som er større enn 55

med et karboninnhold på bare 0,57 vektprosent. Oppnåelsen av en Rockwell-C-hardhet som til og med er større, enn for vanlig verktøystål, nemlig 69, er således enda mer imponerende tatt i betraktning at teoretisk skulle Rockwell-C-hardheten ikke overstige 55.

I sin almindelighet vil varmedeformeringstrinnet anvendes etter sintringen for ytterligere å øke den teoretiske tetthet når det gjelder mekanisk eller isostatisk pressede blokker. Eksplosjonskomprimerte blokker har en karakteristisk høy teoretisk tetthet og for noen anvendelser behøver de ikke bearbeidelse ytterligere. I en utførelse av foreliggende oppfinnelse hvor man anvender flytende fasesintring, kan man sløyfe varmedeformeringen. Sintringstemperaturene er generelt 28 til 65°C lavere enn for sintring uten anvendelse av smelte. Mindre legeringselementer tilsettes før sintringen. Et hvilket som helst element som har et smeltepunkt som er lavere enn legeringene og som vil danne en legering med grunnmaterialet kan anvendes for smeltefasesintring. Et eksempel er metall-halidene som kan tilsettes i en mengde av 5 vektprosent eller mindre. I tillegg kan nikkel, kobber, kobolt i mengder på ca. 0,25 vektprosent tjene som smeltefasesintringsmidler. Den spesielle partikkelstørrelse for disse tilsetninger er ikke kritisk. De tilsettes normalt i form av pulver i mikron-størrelsesområdet. Det er mulig å få en så høy sintret tetthet som 97 og høyere, når man anvender smeltefasesintring.

Flere av de kjente verktøystål kan anvendes i fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen inkludert de som vanligvis er benevnt vannherdende, kaldarbeidende, varmarbeidende, high speed og rustfrie stål. Som før nevnt tillater de begrensede

krav til bearbeidelse i henhold til fremgangsmåten i henhold " til oppfinnelsen i tillegg, at legeringer som normalt ikke

er tilgjengelige for dette bruk, anvendes som verktøystål.

Følgende er eksempler på fremgangsmåten og produktet i henhold til oppfinnelsen.

Eksempel I.

Skrap av M2-S verktøystål fra maskinspon ble forutsett for en kaldstrømsprosess i henhold til U.S. patent nr.3.184.169 for å få et pulver med kornstørrelse mindre enn 0,044 mm. Karbon i form av sot ble tilsatt pulveret i en mengde av

0,2 5 vektprosent. Pulveret ble så plasert i en ovn under en hydrogenatmosfære ved 9 82°C. Oppholdstiden i ovnen var 1 time, hvorunder reduksjonen av oksydene inntraff. Pulveret

ble så • tatt ut av ovnen og kaldpresset mekanisk ved 70 30 kg/cm<2 >så det ble dannet et rektangulært prøvestykke på 25,4 x 25,4 x 101,6 mm. Den kaldpressede prøve ble så anbragt i en ovn hvor sintring inntraff ved 1204°C i 1 time. Prøven ble varmbear-beidet ved valsing ved 982°C. Under valsingen ble anvendt en 15 % reduksjon for hvert trinn så man oppnådde en total reduksjon på ca. 50%. Valsingen ble etterfulgt av varmebehandling som anvendte en underkjølingsteknikk. Mer presist ble prøven

utsatt først for en temperatur på 1204°C i 10 min., etterfulgt av en oljeavkjøling. Etter oljeavkjølingen ble prøven anbragt i et flytende nitrogenbad som holdt en temperatur på -195,5°C. En resulterende prøve hadde en tetthet på 100%. Rockwell-C-hardheten var 69, mens karboninnholdet ble bestemt til å være 0,57 % ved anvendelse av måling av ledeevnen. Maskinbearbei-delsesprøver indikerte at prøven utklasserte støpt og smidd verktøystål med standard M2-S sammensetning.

Det skal bemerkes at produktet laget i henhold til foreliggende oppfinnelse i dette Eksempel I har et meget lavere karboninnhold enn den opprinnelige M2-S verktøystållegering. Som bemerket har den opprinnelige M2-S legering typisk et karboninnhold på 0,9, mens eksemplets produkt bare har et karboninnhold på 0,57 %. Tapet av karbon er antatt å være et resultat av dets kombinasjon med oksydene som er tilstede, slik at det danner CO som forlater materialet som en gass. Det er således ikke mulig å hindre en viss dekarbonisering av verk-tøystållegeringen, selv om karbon tilsettes for renseformål. Hvis ønsket kan ytterligere karbon tilsettes for å opprettholde et hvilket som helst ønsket karbonnivå. I dette eksempel viste det seg at karbontapet ikke var skadelig, fordi det resulterende produkt viste forbedrede egenskaper i forhold til det mer konvensjonelle materiale som hadde høyere karboninnhold. Dette eksempel viste at en ny form for verktøystål som har uventede egenskaper fremkommer som et resultat av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Skrap av M-30 verktøystål og skrap av H12 verktøystål som ble bearbeidet i henhold til fremgangsmåten i Eksempel I ga kvalitetsprodukter.

Eksempel II.

Atomisert M-110W verktøystål ble slagpulverisert idet man . anvendte fremgangsmåten i henhold til U.S. patent 3.184.169 for å få et pulver med kornstørrelse mindre enn 0,149 mm. Fraksjonen hydrogenredusertes ved 982°C i en ovn etter at pulveret var tilsatt 0,50 vektprosent sot. Oppholdstiden i ovnen var 1 time. Etter reduksjonen kulemaltes pulveret og ble siktet til en kornstørrelse mindre enn 0,149 mm, som så eks-plos jonskomprimertes til en 101,6 mm lang prøvestang med 6,35 mm diameter. Den eksplosjonskomprimerte pulver-råblokk hadde en teoretisk tetthet på 99%. Etter komprimeringen ble den eksplosjonskomprimerte stang sintret i hydrogen i 30 min.

ved 1250°C for å få en 100% teoretisk tetthet. Det sintrede produkt ble så varmbehandlet i henhold til fremgangsmåten i Eksempel I og ga et produkt som hadde en Rockwell-C-hardhet

på 66. Det eksplosjonskomprimerte stålmateriale hadde egenskaper som i høy grad kunne sammenlignes med egenskapene hos presset og sintret materiale av samme slag.

Skrap av Tl verktøystål kan bearbeides i henhold til Eksempel II slik at man får et kvalitets verktøystålprodukt. Eksempel III.

Råblokken som ble tilberedt i dette eksempel var stort sett lik den i foregående Eksempel II, unntatt at sintringen foregikk under varmvalsing istedet for i en sinterovn. Den anbefalte valsetemperatur lå mellom 1204°C og 1093°C. Produktet fremstilt ved hjelp av varmvalsing kunne sammenlignes med det som man fikk ved hjelp av ovnssintring i Eksempel II.

Eksempel IV.

Dette eksempel viste anvendelsen av smeltefasesintring

i henhold til oppfinnelsen. Atomisert M2-S verktøystål ble slagpulverisert så man fikk en pulverfraksjon mindre enn 0,149 mm. Pulveret ble hydrogenredusert i en ovn med en temperatur på 9 50°C i 2 timer. MoS2 (0,1 vektprosent av pulveret) ble tilsatt sammen med karbon (0,1 vektprosent pulver) til det hydrogenreduserte M2-S verktøystålpulver. Pulverbland-ingen ble kaldpresset isostatisk ved ca. 7030 kg/cm 2 slik at det ble formet flere prøvestenger. Noen av disse prøve-stenger ble sintret i 30 min. i en ovn ved 1243°C og andre orøvestenger ble sintret ved 1255°C i 30 min. Stengene som var sintret ved den lavere temperatur viste en teoretisk tetthet på 77 og 84%, mens stengene som var sintret ved den høyere temperatur viste en teoretisk tetthet på 87 til 100%. Den sintrede struktur syntes å være relativt ren og viste ingen indikasjon på sulfider. Kjemiske analyser viste bare 0,08 vektprosent svovel, hvilket er under den akseptable spesi-fikasjonsgrense. Visse eutektiske punktområder ble oppdaget i strukturen. Varmbearbeiding brøt opp de eutektiske områder og fordelte dem slik at de ble oppløst i den etterfølgende vannbehandling. Flytende fasesintring må ansees å være suksess-full, hvilket viste seg ut fra varmebearbeidelses- og maskin-bearbeidelsesresultatene av prøvene.

Vanadiumdibromid kan erstatte molybdensulfid MoS2 som smeltefasesintringsmiddel. Smeltefasesintring kan utføres med flere av verktøystålene inkludert den slagmotstandsdyktige legering av typen S5, kaldbearbeidingslegering av typen 01 og wolframgrunnlagslegering T3.

Den utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen som for tiden er foretrukket, omfatter å blande slagpulverisert pulver som har en gjennomsnittlig partikkelstørrelse på 8 M-ni méd 0,25 vektprosent karbontilsetning og hydrogenredusering ved 1010°C i 1 time etterfulgt av en langsom ovnsavkjøling. Det finfordelte pulver kan tilberedes av skrap eller av ny-fremstilt verktøystål eller av en blanding av disse to. Det hydrogenreduserte pulver kulemales i 30 min. og siktes gjennom en sikt med maskevidde 0,044 mm før pressingen. Pulveret presses så isostatisk ved 7030 kg/cm 2 trykk, slik at man får en teoretisk tetthet noe større enn 65 %. Den pressede form sintres så i en karbondigelovn til minst 85 %

av teoretisk tetthet. Sintringen utføres i en hydrogenatmosfære. Oppvarmingen er hurtig til 1100°C med en 15 min. varighet av forvarmetemperaturen og så igjen hurtig stigning til sintringstemperaturen på 1204°C ved en x30 min. varighet ved denne temperatur, etterfulgt av en ovnsavkjøling. De sintrede former reduseres så til ca. 40-50 % ved enten stuksmiing eller senkesmiing. Denne mekaniske reduksjon ut-føres i en endotermisk atmosfære hvor det er mulig å få for-minsket karboniseringen. Oppvarmingen mellom de mekaniske reduksjoner vil variere med delenes vekt, men vil gjennomsnittlig være cå. 5 min. Den fortettede blokk utsettes så for en spenningsutløsning ved hjelp av glødning i 1 time ved 371°C i en endotermisk eller nøytral atmosfære umiddelbart etter den forutgående varmbearbeiding. Kjølingshastigheten fra glødetemperaturen er langsom, ca. 28°C i timen. Etter spenhingsfrigjøringen utsettes så verktøyemnene for en vanlig varmebehandling, f.eks. i saltbad, hvor man anvender et standard kommersielt behandlingsskjerna eller alternativt bråkjøling i olje og underkjøling i flytende nitrogen. Metallurgiske pulververktøystålprodukter fremstilt i henhold til fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse har større.legeringshomogenitet og følgelig forbedret dimensjons-stabilitet og ytelsesegehskaper sammenlignet med hittil tilgjengelige støpte og smidde verktøystål.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte til pulvermetallurgisk fremstilling av et verktøystål med god legeringshomogenitet, karakterisert ved at man kaldpresser slagpulveriserte, uregelmessig formede, nedbrutte, legerte verktøystålpartikler med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse mellom 2 og 60 (im med homogen sammensetning og som er reduksjor\sbehandlet ved på-virkning fra en reduserende hydrogenatmosfære ved høy temperatur for senking av oksygeninnholdet i et presset legeme med en for håndtering tilstrekkelig holdfasthet, hvoretter det kaldpressede presselegeme sintres i hydrogenatmosfære slik at man

får en tetthet på minst 85 % av verktøystålets teoretiske tetthet.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at de uregelmessig formede pulverpartikler fremstilles ved slagpulverisering av verktøystål i form av vannhagl, atomiserte partikler eller skrap eller blandinger av disse materialer.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at kjølingen av de reduserte pulverpartikler gjennomføres med så lav hastighet at pulverpartiklenes Rockwell-C-hardhet går opp til høyst 55 enheter.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at kaldpressingen gjennomføres som mekanisk pressing eller isostatisk pressing, og at sintringstemperaturen går opp til 1177-1288°C.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4,karakterisert ved at pulverpartiklenes fordelingskurve for kornstørrelse tilnærmet er en Gauss-fordelingskurve.

6. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den gjennomsnittlige partikkelstørrelse ligger mellom 6 og 14 [ im

7. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at avkullingen reduseres ved innføring av en liten mengde karbonholdig materiale i pulvermaterialet, fortrinnsvis i en mengde på 0,1- 1,0 vektprosent av pulvermaterialets vekt.

8. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at reduksjonen i hydrogengass gjennomføres ved en temperatur på 955-1024°C.

9. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at pulveret etter hydrogen-gassreduksjonen kjøles med en hastighet som er mindre enn 16 5°C/time.

10. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at kaldpressingen gjennom-føres til en tetthet på minst 6 3% av den teoretiske tetthet.

11. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav karakterisert ved at kaldpressingen gjennom-føres ved eksplosjonspregsing.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 11/karakterisert ved at det kaldpressede presselegeme underkastes sintring i ovn.