AT393642B

AT393642B - Verwendung einer eisenbasislegierung zur pulvermetallurgischen herstellung von teilen mit hoher korrosionsbestaendigkeit, hoher verschleissfestigkeit sowie hoher zaehigkeit und druckfestigkeit, insbesondere fuer die kunststoffverarbeitung

Info

Publication number: AT393642B
Application number: AT0159988A
Authority: AT
Inventors: Alfred Dr Kulmburg; Johann Dipl Ing Stamberger; Hubert Dipl Ing Lenger
Original assignee: Boehler Gmbh
Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1991-11-25
Also published as: DE58902742D1; ATE82595T1; ZA894703B; ES2052971T3; PT90925A; JPH0277556A; PT90925B; ATA159988A; JP2583451B2; ES2052971T5; AU615756B2; EP0348380A1; AU3666289A; EP0348380B1; EP0348380B2

Description

AT 393 642 B

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Eisenbasislegierung mit spezieller Zusammensetzung als Werkstoff für die pulvermetallurgische Herstellung von Teilen mit hoher Korrosionsbeständigkeit, hoher Verschleißfestigkeit sowie hoher Zähigkeit und Druckfestigkeit, vorzugsweise für Kunststofformen, Maschinenteile und Werkzeuge zur spanlosen Formgebung. Insbesondere in der Kunststoffindustrie sind formgebende Teile gleichzeitig chemischen und abrasiven Beanspruchungen ausgesetzt, wobei diese Teile aufgrund der mechanischen Beanspruchungen, gegebenenfalls hohe Materialzähigkeit, hohe Druckfestigkeit und besondere Werkstoffhomogenität aufweisen müssen. Derartige Anforderungen werden beispielsweise an Materialien gestellt, welche in Einrichtungen zum Verpressen von faserverstärkten oder Füllstoffe enthaltenden Kunststoffen eingesetzt werden. Für Maschinenbauelemente, wie beispielsweise Schnecken etc. und auch für Umform- und Preßwerkzeuge, welche insbesondere korrosiven Beanspruchungen ausgesetzt sind, werden austenitische Stähle oder Chromstähle mit einem Chromgehalt von ca. 18 %, beispielsweise Legierungen nach DIN Werkstoff-Nr. 1.4528, verwendet Derartige Werkstoffe weisen zwar eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit auf, das Verschleißverhalten ist jedoch zumeist im praktischen Betrieb nicht befriedigend.

Um die Verschleißfestigkeit und die Härte des Stahles zu verbessern bzw. zu erhöhen, wurde auch versucht durch höhere Kohlenstoffgehalte den Karbidanteil der Legierung zu vergrößern. Diese Stähle, beispielsweise Legierungen nach DIN Werkstoff-Nr. 1.2080 und Werkstoff-Nr. 1.2379, mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 2 % und einem Chromgehalt von ca. 12 % haben eine verbesserte Verschleißfestigkeit sind jedoch für korrosive Beanspruchungen weniger geeignet, wobei die Teile aufgrund einer gegebenenfalls ungünstigen Karbidstruktur sich anisotropisch verhalten, spröde sind bzw. eine hohe Bruchneigung aufweisen, wobei auch zumeist keine ausreichende Formbeständigkeit bei der Wärmebehandlung gegeben ist

Aus der WO 86/04360 sind pulvermetallurgisch hergestellte Werkzeugstähle bekannt die aufgrund einer besonderen Karbidstruktur eine hohe Abriebfestigkeit, gute Schleifbarkeit und hohe Festigkeit insbesondere Biegefestigkeit, aufweisen. Die Karbide eines derartigen Kaltarbeitsstahles sind im wesentlichen M^Cß-Karbide, um den Werkstoff leicht schleifbar zu machen.

Es wurde auch vorgeschlagen, Stähle zu verwenden, welche äußerst weite Bereichsgrenzen in ihrer chemischen Zusammensetzung, insbesondere für den Kohlenstoffgehalt, den Chromgehalt und den Vanadingehalt aufweisen, wobei jedoch keinerlei Hinweise gegeben wurden, wie eine Legierung, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Verschleißfestigkeit mit ausreichenden Zähigkeitseigenschaften und hoher Druckfestigkeit aufweist, zusammengesetzt sein muß. Auch der Fachmann konnte daraus keine Lehre entnehmen, wie und wodurch eine Kombination der geforderten Materialeigenschafien erzielbar ist

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, obige Nachteile zu vermeiden und insbesondere für die kunststoffverarbeitende Industrie vorteilhaft verwendbare Werkstoffe zu schaffen, die durch eine spezielle Zusammensetzung bei Anwendung bestimmter Herstellverfahren eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Druckfestigkeit bei guten Zähigkeitseigenschaften aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung einer Eisenbasislegierung mit einer Zusammensetzung in Gew.-%

Silizium max. 1,0 Mangan max. 1,0 Schwefel max. 0,03 Phosphor max. 0,03 Chrom 16,0 - 29,0 Molybdän 0,4 - 2,5 Wolfram 0,3 - 2,0 Vanadin 3,0 - 10,0 Titan bis 5,0 Aluminium bis 1,0 Nickel max. 0,8 Kobalt max. 0,8 Kupfer max. 0,5 Bar bis 0,05 Stickstoff 0,01 - 0,18 Niob bis 5,0 Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest, wobei der Wert, gebildet aus (% Cr -13) + 4,4x (% V - 3) + 2x (% Nb) + 4,2x (% Ti) -2-

AT 393 642 B größer als 8,8 ist und der minimale Kohlenstoffgehalt der Legierung entbrechend dem Zusammenhang

Cmin = 0,3 + [(% Cr -13) x 0,06] + [(2x % Mo + W) x 0,03] + (% V x 0,24) + (% Nb x 0,13) + + (% Ti x 0,25) und der maximale Kohlenstoffgehalt der Legierung entsprechend dem Zusammenhang

Cmax = 0,7 + [(% Cr -13) x 0,06] + [(2 x % Mo + W) x 0,03] + (% V x 0,24) + (% Nb x 0,13) + + (% Ti x 0,25) beträgt, zur pulvermetallurgischen Herstellung von Teilen mit hoher Korrosionsbeständigkeit, hoher Verschleißfestigkeit sowie hoher Zähigkeit und hoher Druckfestigkeit, insbesondere für Kunststofformen, Maschinenteile und Werkzeuge zur spanlosen Formgebung mit der Maßgabe, daß die Matrix nach dem Härten und Anlassen einen Chromgehalt von mindestens 13 % aufweist und der Karbidgehalt mindestens 25 Vol.-% beträgt, wobei die Karbidkomgröße kleiner als 14 pm ist und mindestens 5 Vol.-% der Karbide als MC-Karbide ausgebildet sind. Bevorzugt ist es, wenn die Legierungsanteile in Gew.-%

Chrom 18,0 - 25,0 Molybdän 0,6 - 1,7 Wolfram 0,5 - 1,5 Vanadin 3,5 - 5,6 Stickstoff 0,03 . 0,1 Niob bis 5,0 Titan bis 5,0 Bor bis 0,03 betragen, wobei in weiteren Ausführungsformen der Werkstoff einen Niobgehalt von 0,2 bis 3,0 und/oder einen Titangehalt von 0,2 bis 3,5 und/oder einen Borgehalt von 0,001 bis 0,002 aufweist. Besonders bevorzugt ist, wenn der Wert, gebildet aus (% Cr -13) + 4,4x (% V - 3) + 2x (% Nb) + 4,2 x (% Ti) mindestens 10,0 beträgt. Die Teile, die aus der erfindungsgemäßen Legierung bzw. aus dem »findungsgemäßen Werkstoff nach einem pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren gefertigt sind, müssen dabei nach dem Härten und Anlassen eine Chromkonzentration in allen Teilen der Matrix von mindestens 13 % aufweisen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Legierung ab einem Mindestwert, der die Konzentrationen und die jeweilige Wirkung mit der gegenseitigen Beeinflussung der karbidbildenden Elemente Chrom, Vanadin, Niob und Titan berücksichtigt und durch den insbesondere die Verschleißfestigkeit des Werkstoffes bestimmt ist, bei bestimmten in engen Grenzen eingestellten Kohlenstoffgehalten und bei Anwendung pulvermetallurgischer Herstellverfahren, Werkstoffe ergibt, die gleichzeitig eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Verschleißfestigkeit, eine hohe Druckbeständigkeit und eine hohe Zähigkeit aufweisen und vorteilhaft, insbesondere für den Bau von Kunststofformen, einsetzbar sind, wobei im gehärteten und angelassenen Zustand der Chromgehalt in allen Bereichen der Matrix und der Anteil sowie die Zusammensetzung und die Korngröße der Karbide erfindungsgemäß eingestellt werden können.

Beschreibung der Legierung bzw. der Wirkung der Legierungselemente:

Silizium als Desoxidationsmittel beeinflußt die Zusammensetzung der Oxide und kann in geringen Konzentrationen vorteilhaft für eine gute Polierbarkeit der aus der Legierung gefertigten Teile sein. Gehalte üb» 1 Gew.-% wirken jedoch nachteilig auf das Erstarrungsv»halten und gegebenenfalls auf die Umwandlungsvorgänge bei der Wärmebehandlung. Mangangehalte bis zu 1 Gew.-% sind gegebenenfalls bei Schwefelgehalten bis 0,03 Gew.-% wichtig, um den Schwefel als Sulfid abzubinden und dadurch die Zähigkeit des Werkstoffes zu verbessern. Phosphor wirkt versprödend und soll im Stahl so niedrig wie möglich, jedoch unter 0,03 Gew.-%, vorliegen. Chrom wirkt als Legierungselement, das ab einem Gehalt von ca. 13 Gew.-% in der Matrix eine Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes bewirkt Gleichzeitig ist Chrom ein Karbidbildner, der mit Kohlenstoff bei bestimmten Kohlenstoffaktivitäten und bei Anwesenheit von Molybdän und Vanadin neben M7C3 Karbiden auch ft^Cg Karbide bilden kann. Es ist somit wichtig, daß der Stahl mindestens 16 Gew.-% Chrom enthält, höchstens jedoch einen Gehalt von 29 Gew.-% Chrom aufweist, weil höhere Chromkonzentrationen zu einer Versprödung des Werkstoffes führen. Molybdän in Gehalten von 0,4 bis 2,5 Gew.-% und Wolfram in Gehalten von 03 bis 2,0 Gew.-% bewirken einen Sekundärhärteanstieg bei der Wärmebehandlung durch die Bildung feiner Karbide und sind für die Einstellung der Kohlenstoffaktivität der Legierung wichtig. Vanadium als starker Karbid- -3-

AT 393 642 B bildner bewirkt insbesondere in Gehalten über 0,7 bis 3 Gew.-% die Entstehung von MC-Karbiden. Höhere Gehalte, insbesondere über 10 %, führen zwar zu einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit, die Zähigkeit der Teile wird jedoch wesentlich verschlechtert. Titan bis 5 Gew.-% verbessert die Verschleißfestigkeit des Werkstoffes, insbesondere durch eine MC-Karbidbildung. Aufgrund einer Nitridbildung wirken Stickstoffgehalte ab 0,01 % komfeinend bzw. verhindern ein Komwachstum beim Glühen bei hohen Temperaturen, wodurch ein Abfall der Zähigkeit der Legierung vermieden wird. Weiters kann durch Stickstoffkonzentrationen bis 0,18 % insbesondere die Verschleißfestigkeit verbessert werden. Aluminium kann als Element mit hoher Sauerstoff-affinität und hoher Stickstoffaffinität in Konzentrationen bis 1 Gew.-% zur Einstellung niedriger Sauerstoff-gehalte des Stahles und zur Vermeidung des Komwachstumes zulegiert sein, wobei auch vorteilhafte Wirkungen auf das Umwandlungsverhalten und die Zähigkeit des Werkstoffes endelbar sind.

Es wurde auch gefunden, daß für die Einstellung der gewünschten mechanischen Eigenschaften des Teiles ein Mindestwert der Legierung, gebildet aus den Konzentrationen der kaibid- und nitridbildenden Elemente Chrom, Wolfiam, Niob, Titan und bestimmten Wirkungsfaktoren dieser Elemente erforderlich ist, wobei durch eine Erhöhung dieses Wertes eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit und der Druckfestigkeit bei gering abfallender Zähigkeit bewirkt wird. Weiters ist es wichtig, daß der Kohlenstoffgehalt in engen Grenzen in Abhängigkeit von den Gehalten und von bestimmten Wirkungsparametem der karbidbildenden Elemente im Stahl eingestellt wird, um die gewünschten Eigenschaften der Teile zu eihalten. Dadurch werden einerseits für eine Matrixhärtung und zum Erhalt hoher Druckfestigkeit M7C3, M2jCg und MgC Karbide und zur Einstellung hoher Verschleißfestigkeit MC-Karbide gebildet, wobei jedoch andererseits ein für die Korrosionsbeständigkeit erforderlicher Chromgehalt von größer als 13 % in allen Bereichen der Matrix vorliegt.

Eine pulvermetallurgische Herstellung der Teile ist wesentlich, weil dadurch deren Isotropie der Eigenschaften des Werkstoffes wesentlich verbessert wird und die Korngröße der Ausscheidungen bzw. intermetallischen Phasen klein gehalten werden kann. Karbide mit Korngrößen über 14 μτη verschlechtern wesentlich die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Biegefestigkeit der Teile. Die Pulverherstellung kann dabei mit allen geeigneten Verfahren, insbesondere mit Gasverdüsungsverfahren erfolgen, wonach gegebenenfalls ein Kompaktieren durch heißisostatisches Pressen und/oder durch Warmverformung des Pulvers in geeigneten Umhüllungen durchgeführt wird.

Die Erfindung wird zwecks weiterer Verdeutlichung anhand eines Beispieles nachfolgend beschrieben.

Aus einer Schmelze mit folgenden Gehalten in Gew.-%

Chrom 20,0 Molybdän 1,0

Wolfiam 0,6

Vanadin 4,0

Stickstoff 0,04 und einer entsprechend eingestellten Kohlenstoffkonzentration von 1,9 sowie Silizium 0,3

Mangan 0,35

Phosphor 0,012

Schwefel 0,011

Aluminium 0,001

Nickel 0,2

Kobalt 0,1

Kupfer 0,12

Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest wurde im Gasverdüsungsverfahren ein Legierungspulver hergestellt. Nach dem Einfüllen des Pulvers in eine Kapsel mit einem Durchmesser von 250 mm und dem Evakuieren und gasdichten Abschließen der Kapsel erfolgte eine Warmverformung bei 1110 °C unter Anwendung eines 6-fachen Verformungsgrades. Nach einem Weichglühen bei 880 bis 900 °C und langsamen Abkühlen wurden aus dem Schmiedestab Kunststofformen hergestellt. Die Härte des Materials lag dabei bei ca. 280 HB. Das Härten der Teile erfolgte nach einem Aufheizen auf eine Temperatur von 1140 °C durch Abkühlung im Warmbad, worauf ein Härtewert von 61HRC gemessen wurde. Nach dem Anlassen bei einer Temperatur von 540 °C lag die Materialhärte bei 59 HRC. Die mittlere Biegebruchfestigkeit, quer zur Verformungsrichtung, betrug 3,5 Kilo N/mm^ und lag somit wesentlich über jenen Werten, die an konventionell gefertigten Teilen mit vergleichbarer Härte gemessen wurden. Zur Ermittlung der Druckfestigkeit wurde die 0,2 % Stauchgrenze herangezogen, wobei der Wert bei 2015 N/mm^ lag. Die -4-

Claims

AT 393 642 B Prüfung des Verschleißverhaltens des Teiles erfolgte im Schleifradtest, bei dem in einem Korund-Wasser-Ge-misch sich eine Stahlscheibe dreht, gegen welche die Probe gedrückt wird Folgende Verschleißbedingungen wurden angewendet: 30 N C 15 126 (HV10) 15 mm 168 mm 50 U/min 20 x 20 x 8 = 1 0,7 μηι. Anpreßkraft der Probe Schleifradweikstoff Härte des Schleifrades Breite des Schleifrades Durchmesser des Schleifrades Drehzahl des Schleifrades Probengröße A^Oj-Schlämme: (Feststoffanteil /H2O) A^Og-Komgröße Bei der Erprobung wurde nach einer Zeit von 100 sec. ein spezifischer Verschleiß (relativ zum hoch verschleißfesten, jedoch weniger korrosionsbeständigen Werkstoff mit einer Zusammensetzung von 2,3 % C, 12,5 % Cr, 1,1 % Mo, 4,0 % V) von 200 %, nach 1000 h 128 % und nach 10.000 h 120 % festgestellt. Das Korrosionsverhalten des Werkstoffes wurde im Salzsprühtest ermittelt, wobei die korrodierte Oberfläche in % nach 480 min. einen Wert von 50 ergab. Eine weitere Prüfung des Korrosionsverhaltens in 20%iger Essigsäure über einen Zeitraum von 24 h erbrachte einen Wert von 6,98 g/m2 h. Die metallographischen, elektronenmikroskopischen und röntgenanalytischen Untersuchungen ergaben, daß der Karbidanteil ca. 39 Vol.-% betrug, wovon ca. 10 Vol.-% als MC-Karbide Vorlagen, wobei die maximale Katbidkomgröße 10 μη» aufwies. PATENTANSPRÜCHE 1. Verwendung einer Eisenbasislegierung mit einer Zusammensetzung in Gew.-% Silizium max. 1,0 Mangan max. 1,0 Schwefel max. 0,03 Phosphor max. 0,03 Chrom 16,0 bis 29,0 Molybdän 0,4 bis 2,5 Wolfram 0,3 bis 2,0 Vanadin 3,0 bis 10,0 Titan bis 5,0 Aluminium bis 1,0 Nickel max. 0,8 Kobalt max. 0,8 Kupfer max. 0,5 Bor bis 0,05 Stickstoff 0,01 bis 0,18 Niob bis 5,0 Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest, wobei der Wert, gebildet aus (% Cr -13) + 4,4x (% V - 3) + 2x (% Nb) + 4,2x (% Ti) größer als 8,8 ist und der minimale Kohlenstoffgehalt der Legierung entsprechend dem Zusammenhang cmin = 0,3 + [(% Cr -13) x 0,06] + [(2x % Mo + W) x 0,03] + (% V x 0,24) + (% Nb x 0,13) + + (% Ti x 0,25) -5- AT 393 642 B und der maximale Kohlenstoffgehalt der Legierung entsprechend dem Zusammenhang CmflY = 0,7 + [(% Cr -13) x 0,06] + [(2x % Mo + W) x 0,03] + (% V x 0,24) + (% Nb x 0,13) + +(%Tixoas) beträgt, zur pulvermetallurgischen Herstellung von Teilen mit hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Verschleißfestigkeit sowie hoher Zähigkeit und hoher Druckfestigkeit, insbesondere für Kunststofformen, Maschinenteile und Werkzeuge zur spanlosen Formgebung mit der Maßgabe, daß die Matrix nach dem Härten und Anlassen einen Chromgehalt von mindestens 13 % aufweist und der Karbidgehalt mindestens 25 Vol.-% beträgt, wobei die Karbidkomgröße kleiner als 14 pm ist und mindestens 5 VoL-% der Karbide als MC-Karbide ausgebildet sind.
2. Verwendung einer Eisenbasislegierung nach Anspruch 1, mit einer Zusammensetzung in Gew.-% Silizium max. 0,6 Mangan max. 0,6 Schwefel max. 0,015 Phosphor max. 0,02 Chrom 18,0 bis 25,0 Molybdän 0,6 bis 1,7 Wolfram 0,5 bis 1,5 Vanadin 3,5 bis 5,6 Titan bis 5,0 Aluminium bis 1,0 Nickel max. 0,5 Kobalt max. 0,5 Kupfer max. 0,4 Bor bis 0,03 Stickstoff 0,03 bis 0,1 Niob bis 5,0 Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest wobei der Wert, gebildet aus (% Cr -13) + 4,4x (% V -3) +2x {% Nb) + 43x (% Ti) größer als 8,8 ist und der maximale Kohlenstoffgehalt der Legierung entsprechend dem Zusammenhang Cmin = 0,3 + [(% Cr -13) x 0,06] + [(2x % Mo + W) x 0,03] + (% V x 0,24) + (% Nb x 0,13) + + (% Ti x 0,25) und der maximale Kohlenstoffgehalt der Legierung entsprechend dem Zusammenhang Cm„ = 0,7 + [(% Cr -13) x 0,06] + [(2x % Mo + W) x 0,3] + (% V x 0,24) + (% Nb x 0,13) + + (% Ti x 0,25) beträgt, zur pulvermetallurgischen Herstellung von Teilen mit hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Verschleißfestigkeit sowie hoher Zähigkeit und hoher Druckfestigkeit, insbesondere für Kunststofformen, Maschinenteile und Werkzeuge zur spanlosen Formgebung mit der Maßgabe, daß die Matrix nach dem Härten und Anlassen einen Chromgehalt von mindestens 13 % aufweist und der Karbidgehalt mindestens 25 % beträgt, wobei die Karbidkorngröße kleiner als 14 μηα ist und mindestens 5 Vol.-% der Karbide als MC-Karbide ausgebildet sind.
3. Verwendung einer Eisenbasislegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert, gebildet aus (% Cr - 13) + 4,4x (% V - 3) + 2x (% Nb) + 4,2x (% Ti) größer als 10,0 ist -6- AT 393 642 B
4. Verwendung einer Eisenbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Niobgehalt in Gew.-% von 0,2 bis 0,3.
5. Verwendung einer Eisenbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Titangehalt von 0,2 bis 5 3,5.
6. Verwendung einer Eisenbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Borgehalt von 0,001 bis 0,002.
7. Verwendung einer gehärteten und angelassenen Eisenbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Chromgehalt der Matrix von mindestens 13 % und einem Karbidgehalt von mindestens 25 %, wobei die Karbidkomgrüße kleiner als 14 μπι ist und mindestens 5 % der Karbide als MC-Karbide ausgebildet sind.
8. Verwendung einer Eisenbasislegierung gemäß Anspruch 1 bis 7, mit einem Kohlenstoffgehalt in Gew.-% von 15 mindestens 1,8, höchstens jedoch 6,2.
9. Verwendung einer Eisenbasislegierung gemäß Anspruch 1 bis 8, als Werkstoff für die pulvermetallurgische Herstellung von Kunststofformen. -7-