DE69417003T2

DE69417003T2 - Titanfreier, nickelenthaltender, martensitanohärtbarer Stahl für Stempelblöcke und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69417003T2
Application number: DE69417003T
Authority: DE
Inventors: Carl J. Pittsburgh Pennsylvania 15237 Dorsch; Jari 33300 Tampere Liimatainen; Kenneth E. Pittsburgh Pennsylvania 15237 Pinnow
Original assignee: Rauma Materials Technology Oy; Crucible Materials Corp
Current assignee: Metso Powdermet Oy; Crucible Materials Corp
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2014-11-23
Also published as: EP0665301B1; US5482531A; ATE177479T1; DE69417003D1; US5538683A; EP0665301A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen mit Pulvermetallurgie hergestellten Gesenkblockgegenstand aus titanfreiem, nickelhaltigem martensitaushärtendem Stahl mit besonders guten Eigenschaften für Druckgußformen aus Metall und andere Warmbearbeitungswerkzeugkomponenten und ein Verfahren zur Herstellung derselben.

Diskussion des Standes der Technik

Preßformen oder Gesenke, die für Druckgußlegierungen aus Aluminium, Magnesium und anderen Metallen verwendet werden, erfordern Stähle, die eine sehr gute Festigkeit und Zähigkeit bei Umgebungstemperatur und erhöhter Temperatur und eine hohe Beständigkeit gegenüber einer Temperaturermüdung habe. Sie erfordern auch Stähle, die leicht maschinell bearbeitet werden können und nach der Bearbeitung mit minimalen Schwierigkeiten und minimaler Verformung wärmebehandelt werden können. Derzeit werden die meisten Druckgußformkomponenten und andere Warmbearbeitungswerkzeugkomponenten aus Druckblöcken gearbeitet, die aus heiß bearbeiteten Platten oder Brammen oder Schmiedeteilen geschnitten werden.
Hochnickelhaltige, titantragende martensitaushärtende Stähle sind ausgezeichnete Materialien zur Verwendung für Druckgußanwendungen, da die gesamte spanende Bearbeitung an den Gesenkblöcken oder Ziehblöcken vor der Aushärtung vorgenommen werden kann. Außerdem haben diese Stähle im ausgehärteten Zustand eine hohe Festigkeit in Kombination mit einer hohen Schlagzähigkeit und einer guten Temperaturermüdungsbeständigkeit, was eine lange Lebensdauer fördert. Derzeit bekannte hochnickelhaltige titantragende martensitaushärtende Stähle haben jedoch einen ernsten Nachteil, da ihre Verfestigungseigenschaften zu einer beträchtlichen Entmischung der Legierungselemente während des Gießens führen.
Diese Entmischung kann für die Eigenschaften des Stahls schädlich sein und insbesondere für die Temperaturermüdungsbeständigkeit. Außerdem verhindert diese Entmischung die mögliche Verwendung dieser Stähle für Druckgußformen, die in Fast- Fertigform gegossen werden. Wenn sie in Rohblockform erzeugt werden, werden die hochnickelhaltigen, titantragenden martensitaushärtenden Stähle typischerweise im Vakuumlichtbogen umgeschmolzen, um die Entmischung in dem fertigen Produkt zu minimieren. Dies erhöht die Kosten der daraus hergestellten Gegenstände beträchtlich.
Es wurden Versuche unternommen, um die Probleme mit der Entmischung bei hochnickelhaltigen, titantragenden martensitaushärtenden Stählen zu minimieren, indem sie durch heißisostatische Verdichtung elementarer oder vorlegierter Pulver, die mit üblichen Methoden hergestellt wurden, z. B. durch Zerstäubung mit einer sich drehenden Elektrode oder Argongaszerstäubung, verarbeitet wurden. Die Duktilität und die Schlagzähigkeit der so verdichteten, mit Pulvermetallurgie erzeugten Materialien war jedoch im allgemeinen geringer als die Duktilität und Schlagzähigkeit von in üblicher Weise erzeugtem, als Rohblock gegossenem Material im geschmiedeten Zustand. Dies scheint das Ergebnis der Ausscheidung von Titan und der Bildung titanreicher Carbide und anderer Verbindungen an den Pulverteilchengrenzen des aus dem Pulver hergestellten verfestigten Gegenstands zu sein. Es wurde festgestellt, daß eine heißplastische Verformung die Schlagzähigkeit und Zugduktilität von hochnickelhaltigen, titantragenden, mit Pulvermetallurgie hergestellten martensitaushärtenden Stählen verbessern kann soweit, daß sie sich denen von in üblicher Weise hergestellten Materialien annähern. Jedoch beeinflußt die Gegenwart von titanreichen Verbindungen in diesen Materialien immer noch ihre spanende Bearbeitbarkeit. Außerdem ist es schwierig, den Anteil an Heißbearbeitung, der notwendig ist, um ihre Eigenschaften zu verbessern, im Inneren großer Formen oder Formblöcke zu erreichen, wo das Ausmaß der heißen Verformung typischerweise geringer und weniger gleichmäßig ist als in anderen Bereichen des Querschnitts. Daher gibt es offensichtlich bis jetzt noch keine vollständig durchführbare Methode für die Herstellung von hochnickelhaltigen martensitaushärtenden Stählen mit Pulvermetallurgie für Druckgußformlöcke und verwandte Gegenstände.
Komatsubara et al. beschreiben in "Microstructures and Mechanical Properties of HIP Consolidated 18% Nitrogen Maraging Steel", Powder Metall., (1987), Band 30, Nr. 2, Seiten 119 bis 124, die möglichen nützlichen Effekte, wenn man bei verfestigten martensitaushärtenden Stählen den Ti-Gehalt erhöht und Nb zugibt.
Bei der Entwicklung von verbesserten Stählen für Druckgußformen und Gegenständen, die daraus hergestellt wurden gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß ein wirtschaftlicherer nickelhaltiger martensitaushärtender Stahl mit wesentlich besseren Eigenschaften für die Metalldruckgußanwendungen hergestellt werden kann durch Gaszerstäubung und heißisostatische Verdichtung von titanfreiem, niobhaltigem, nickelhaltigem martensitaushärtendem Stahlpulver. Der Stand der Technik gibt an, daß das Weglassen von Titan aus nickelhaltigen, martensitaushärtenden Stählen ihre Festigkeit und die Aushärtungsreaktion wesentlich beeinträchtigen würde. Im Gegensatz zu diesen Lehren des Standes der Technik hat jedoch der titanfreie, niobhaltige, nickelhaltige martensitaushärtende Stahl, der erfindungsgemäß hergestellt wird, unerwartet gute Eigenschaften und zeigt Zugeigenschaften, eine Aushärtungsreaktion und eine Temperaturermüdungsbeständigkeit, die wesentlich besser sind als die von in üblicher Weise hergestellten titantragenden, nickelhaltigen martensitaushärtenden Stählen und daraus hergestellten Gegenständen. Außerdem zeigt der titanfreie, niobhaltige, nickelhaltige martensitaushärtende Stahlgegenstand, der erfindungsgemäß hergestellt wurde, eine wesentlich bessere spanende Bearbeitbarkeit zusammen mit den oben erwähnten Eigenschaften, als in üblicher Weise hergestellte Gegenstände aus titantragendem, nickelhaltigem martensitaushärtendem Stahl. Es wurde gefunden, daß durch Zugabe einer kontrollierten Menge von Niob zu dem mit Pulvermetallurgie hergestellten, titanfreien, nickelhaltigen martensitaushärtenden Stahlgegenstand der Erfindung eine wesentliche Verbesserung der Temperaturermüdungsbeständigkeit erhalten werden kann, ohne mechanische Eigenschaften aufzugeben.

Gegenstände der Erfindung

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gesenkblockgegenstand aus titanfreiem, nickelhaltigem martensitaushärtendem Stahl bereitzustellen, der ins besondere geeignet ist für die Herstellung, mit Pulvermetallurgiemethoden, was eine Gaszerstäubung und eine heißisostatische Verdichtung von vorlegiertem Pulver beinhaltet, und der bessere Zugeigenschaften, eine bessere Reaktion auf das Aushärten und eine Beständigkeit gegenüber Temperaturermüdung liefert, als bei Gegenständen, einschließlich Matrizen, die aus in üblicher Weise hergestellten, titantragenden, nickelhaltigen martensitaushärtenden Stählen hergestellt wurden.
Eine spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mit Pulvermetallurgie hergestellten Gesenkblockgegenstand aus titanfreiem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl bereitzustellen, der besonders geeignet ist für die Herstellung mit Pulvermetallurgiemethoden, was die Stickstoffgaszerstäubung und heißisostatische Verdichtung von vorlegiertem Pulver beinhaltet, und eine überlegene Kombination aus Zugeigenschaften, Alterungsreaktion, Bearbeitbarkeit und Temperaturermüdungsbeständigkeit liefert, als bei in üblicher Weise hergestellten oder in üblicher Weise mit Pulvermetallurgie hergestellten titantragenden, nickelhaltigen martensitaushärtenden Stahlgegenständen, wie Gesenkblöcken. Der Gegenstand der Erfindung ist in Anspruch 1 angegeben. Der bevorzugte mit Pulvermetallurgie hergestellte nickelhaltige martensitaushärtende Stahlgegenstand der Erfindung, wie er in den abhängigen Ansprüchen angegeben ist, ist titanfrei und hält eine beabsichtigte Zugabe von Niob, um die Temperaturermüdungsbeständigkeit weiter zu verbessern.
Ein weiterer damit in Beziehung stehender Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines titanfreien, nickelhaltigen martensitaushärtenden Stahlgegenstandes mit einer verbesserten Kombination von Zugeigenschaften, Alterungsreaktion, Bearbeitbarkeit und Temperaturermüdungsbeständigkeit durch Gaszerstäubung, heißisostatische Verdichtung, heißplastische Verformung und Wärmebehandlung des vorlegierten Pulvers bereitzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 10 angegeben. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein mit Pulvermetallurgie hergestellter, titanfreier, nickelhaltiger, martensitaushärtender Stahlgegenstand, wie ein Gesenkblock, bereitgestellt, der geeignet ist zur Verwendung zur Herstellung von Druckgußformkomponenten und anderen Warmbearbeitungswerkzeugkomponenten. Der Gegenstand ist eine vollständig verdichtete Masse aus vorlegierten Teilchen, die, in Gew.-%, aus bis zu 0,02 oder 0,01% Kohlenstoff, 10 bis 23% Nickel, bevorzugt 10 bis 15% und 16 bis 23% Nickel, 7 bis 20% oder 7 bis 12% Cobalt, bis zu 10 oder 8% Molybdän, bis zu 2,5% Aluminium, bis zu. 0,003% Bor, 0,05 bis 0,5% Nb, bis zu 0,5 oder bis zu 0,03% Stickstoff bestehen, wobei der Ausgleich Eisen und zufällige Verunreinigungen sind. Bevorzugt umfassen die vorlegierten Teilchen die chemische Zusammensetzung, die oben beschrieben wurde, mit einer beabsichtigten Zugabe von 0,05 bis 0,25 oder 0,15 bis 0,25 oder 0,15 bis 0,19 Gew.-% Niob.
Der Gegenstand kann Niobcarbide mit einer maximalen Größe von 3 um, bevorzugt in der längsten Dimension, enthalten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Gegenstand aus einem heißisostatisch verdichteten und durch Lösungsglühen erhaltenen Preßkörper aus vorlegiertem Pulver geschnitten oder spanend bearbeitet werden, wobei das Pulver durch Gaszerstäubung, erzeugt wurde und der Preßkörper durch heißisostatische Verdichtung erzeugt wurde. In einer alternativen Ausführungsform kann der Gegenstand auf einer heißisostatisch verdichteten, wärmeplastisch verformten und durch Lösungsglühen bearbeiteten Platte oder Bramme, einem Barren oder einer Stange, die durch heißisostatische Verdichtung eines durch Gas zerstäubten Pulvers erzeugt wurden, geschnitten werden. In einer weiteren Ausführungsform kann der Gegenstand aus einem Preßkörper in die Form geschmiedet werden, wobei der Preßkörper durch heißisostatische Verdichtung eines vorlegierten, mit Gas zerstäubten Pulvers erzeugt wurde.
Die vorlegierten Teilchen werden durch Gaszerstäubung der gewünschten Zusammensetzung innerhalb der Grenzen der Erfindung, wie in Anspruch 10 definiert, erzeugt. Durch Verwendung einer Gaszerstäubung werden kugelige Teilchen in einer Art, die zur Verwendung für die Durchführung der Erfindung bevorzugt ist, erzielt. Stickstoff ist das Zerstäubungsgas.
Gemäß der Erfindung wird geschmolzener Stahl mit einer Zusammensetzung, die zur Verwendung für die Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist, mit Stickstoffgas zerstäubt, um ein vorlegiertes Pulver zu erzeugen. Das Pulver wird in Behälter aus Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt geladen, die heiß entgast werden und dann durch Schweißen abgedichtet werden. Die gefüllten Behälter werden auf die Volldichte verfestigt durch heißisostatische Verdichtung bis zu 12 Stunden lang in einem Temperaturbereich von 982ºC bis 1316ºC und bei einem Druck von mehr als 69 MPa. Die Preßkörper werden durch Lösungsglühen behandelt, indem sie auf eine Temperatur von mehr als 816ºC erwärmt werden, wobei diese Temperatur etwa ½ Stunde lang pro 25 mm der maximalen Dicke und mindestens 3 Stunden lang gehalten wird und auf Umgebungstemperatur gekühlt werden in einer Rate, die mindestens gleich ist der, die in ruhiger Luft erreicht wird. Reste des Stahlbehälters mit geringem Kohlenstoffgehalt werden durch spanende Bearbeitung oder Beizen entfernt und dann werden Gesenkblöcke mit der gewünschten Größe und Form aus dem Preßkörper geschnitten. Alternativ können vor dem Lösungsglühen die Preßkörper heiß bearbeitet werden durch Schmieden, Walzen oder Extrusion bei einer Temperatur im Bereich von 760ºC bis 1260ºC, um einen Gesenkblock oder eine Platte, aus der ein Gesenkblock geschnitten werden kann, zu formen.
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren können Gesenkblöcke aus nickelhaltigem martensitaushärtendem Stahl ohne Titan hergestellt werden und haben immer noch Zugeigenschaften, Härte, Duktilität und Temperaturermüdungsbeständigkeit, die denen von in üblicher Weise hergestellten Gegenständen aus titantragendem, nickelhaltigem, martensitaushärtendem Stahl überlegen sind, wie z. B. Gesenkblöcke. Ein erfindungsgemäß hergestellter Gegenstand ist durch die Abwesenheit von Titancarbiden oder anderen titanhaltigen sekundären Phasen an den früheren Pulverteilchengrenzen in der Mikrostruktur gekennzeichnet. Ein Gegenstand mit der niobhaftigen Zusammensetzung ist durch die Verteilung von Niobcarbiden gekennzeichnet, die gleichmäßig in dem gesamten Gegenstand verteilt sind, im Gegensatz zum Stand der Technik, wo sie an den Teilchengrenzen verteilt sind, im Fall von Gegenständen, die aus üblichen titanhaltigen Legierungen erzeugt wurden.
Obwohl die Erfindung Nutzen für Gegenstände mit einem Nickelgehalt von 10 bis 23% hat, würde ein beschränkter Nickelgehalt von 10 bis 15% zu Gegenständen führen, die geeigneter zur Verwendung für Hochtemperaturanwendungen wären. Ein Nickelgehalt von 16 bis 23% liefert wünschenswerte Kombinationen von Eigenschaften für einige Anwendungen bei niedrigerer Temperatur.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1a, 1b und 1c sind Mikrogefügeaufnahmen mit einer Vergrößerung von 1000x, die Mikrostrukturen eines mit Pulvermetallurgie erzeugten (PM) Gesenkblocks aus titantragendem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl, einen PM-Gesenkblock aus titanfreiem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl bzw. einen erfindungsgemäßen PM-Gesenkblock aus titanfreiem, niobmodifiziertem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl zeigen;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Aushärtungsreaktion von Proben aus einem PM- Gesenkblock aus titantragendem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl, einem PM-Gesenkblock aus titanfreiem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl; einem erfindungsgemäßen PM-Gesenkblock aus titanfreiem, niobmodifiziertem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl und einen im Handel erhältlichen in üblicher Weise hergestellten Gesenkblock aus titantragendem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse von Bohrbearbeitbarkeitstests an Proben eines PM-Gesenkblocks aus titantragendem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl; einem PM-Gesenkblock aus titanfreiem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl; einem erfindungsgemäßen PM-Gesenkblock aus titanfreiem, niobmodifiziertem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl und einem im Handel erhältlichen in üblicher Weise hergestellten Gesenkblock aus titantragendem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl zeigt und
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Temperaturermüdungstests an Proben eines PM-Gesenkblocks aus titantragendem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl; einem Gesenkblock aus titanfreiem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl; einem erfindungsgemäßen PM-Gesenkblock aus titanfreiem, niobmodifiziertem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl und einem im Handel erhältlichen, üblichen Gesenkblock aus titantragendem, nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Um die Prinzipien der Erfindung zu zeigen, wurden mehrere Laborchargen geschmolzen, mit Stickstoffgas zerstäubt, in flüssigem Stickstoff abgeschreckt und heißgeschmiedet, um Gesenkblöcke zu erzeugen, mit den in Tabelle I angegebenen Zusammensetzungen. In der Tabelle ist auch die Zusammensetzung eines im Handel erhältlichen, in üblicher Weise hergestellten, titantragenden, nickelhaltigen martensitaushärtenden Stahlgesenkblocks gezeigt, mit dem die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gesenkblöcke in den Labortests verglichen wurden. Tabelle I - Chemische Zusammensetzung der martensitaushärtenden PM-Stähle und des im Handel erhältlichen üblichen martensitaushärtenden Stahls Chemische Zusammensetzung, Gewichtsprozent
Die Versuchsgesenkblöcke wurden aus mit Vakuuminduktion geschmolzenen Laborchargen hergestellt, die mit Stickstoffgas zerstäubt wurden, um vorlegiertes Pulver zu erzeugen. Pulver aus jeder Charge wurden auf eine Mesh-Größe von -16 mesh (U. S. Standard) gesiebt und in einen Behälter aus Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt, der einen Durchmesser von 75 mm und eine Länge von 200 mm hatte, gegeben. Jeder Behälter wurde heiß entgast und durch Schweißen versiegelt. Die Preßkörper wurden heißisostatisch 4 Stunden lang bei 1185ºC und 100 MPa gepreßt und auf Umgebungstemperatur gekühlt. Die Preßkörper wurden dann bei einer Temperatur von 1149ºC geschmiedet, um Gesenkblöcke mit einer Breite von 75 mm und einer Dicke von 22 mm herzustellen. Die geschmiedeten Gesenkblöcke wurden auf Umgebungstemperatur in ruhiger Luft gekühlt und wurden dann mit Lösungsglühen behandelt, indem sie auf 843ºC erhitzt wurden, auf dieser Temperatur 4 Stunden lang gehalten wurden und in ruhiger Luft auf Umgebungstemperatur gekühlt wurden.
Mehrere Auswertungen und Tests wurden durchgeführt, um die Vorteile der erfindungsgemäßen Gesenkblöcke mit denen eines im Handel erhältlichen, in üblicher Weise hergestellten Gesenkblocks aus titantragendem, hochnickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl zu vergleichen und die Bedeutung der Zusammensetzung und des Verfahrens der Herstellung zu zeigen. Es wurden Tests durchgeführt, um die Wirkungen der Zusammensetzung und der Art der Herstellung auf die Mikrostruktur, die Aushärtungsreaktion, die Zugeigenschaften, die Schlagzähigkeit, Bearbeitbarkeit und Temperaturermüdungsbeständigkeit zu zeigen. Proben für die verschiedenen Labortests wurden aus den Versuchsgesenkblöcken und aus dem im Handel erhältlichen in üblicher Weise hergestellten Gesenkblock aus titantragendem, hochnickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl geschnitten. Sie wurden dann ausgehärtet, fertig bearbeitet und getestet.
Die Mikrostrukturen der Versuchsgesenkblöcke im lösungsgeglühten Zustand sind in Fig. 1 dargestellt. Fig. 1a zeigt, daß dann, wenn ein typischer, titantragender, hochnickelhaltiger martensitaushärtender Stahl mit einer chemischen Zusammensetzung außerhalb des Schutzbereichs der Erfindung zerstäubt und zu einem Gesenkblock geformt wird unter Verwendung, des erfindungsgemäßen Verfahrens, sich an den vorherigen Pulverteilchengrenzen titanreiche Teilchen (Carbide, Nitride und/oder Oxide) im Stahl bilden. Fig. 1b zeigt die Mikrostruktur des Gesenkblocks, der titanfrei ist. Wie gezeigt, gibt es keine titanreichen Teilchen an den vorherigen Pulverteilchengrenzen. Fig. 1c zeigt die Mikrostruktur des Gesenkblocks der Erfindung, der titanfrei ist und 0,18% Niob enthält. Die beiden Gesenkblöcke der Fig. 1b und 1c enthalten Oxidteilchen, die gleichförmig, in der gesamten Mikrostruktur verteilt sind. Diese Oxide sind ein inhärentes Produkt der im Labor verwendeten Zerstäubungsmethode. Die Mikrostruktur in Fig. 1c enthält auch Niobcarbidteilchen, die durch die Niobzugabe zu dem Stahl entstehen. Diese Figur zeigt, daß die Niobcarbide alle kleiner als 3 arm in der größten Dimension sind und daß sie Niobcarbide und andere Zweitphasenteilchen sich nicht an den vorherigen Pulverteilchengrenzen in diesem Gesenkblock bilden.
Um die Aushärtungsreaktionen der Versuchsgesenkblöcke und des im Handel erhältlichen, in üblicher Weise hergestellten titantragenden Gesenkblocks auszuwerten, wurden Proben aus den lösungsgeglühten Gesenkblöcken geschnitten und ausgehärtet, indem sie auf eine von 6 verschiedenen Härtungstemperaturen erhitzt wurden, auf der Härtungstemperatur 3 Stunden lang gehalten wurden und durch Luftkühlung auf Umgebungstemperatur gebracht wurden. Die Ergebnisse der Härtemessungen, die an diesen Proben vorgenommen wurden, sind in Tabelle II und in Fig. 2 gezeigt. Tabelle II - Ausleitungsreaktion von martensitaushärtenden PM-Stählen und von im Handel erhältlichen üblichen martensitaushärtendem Stahl
¹ Lösungsgeglühte Härte Tabelle II (Fortsetzung) Tabelle II (Fortsetzung)
Diese Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Gesenkblöcke (Blöcke 92-98 und 92-34) eine höhere Aushärtung haben als der im Handel erhältliche, übliche titanhaltige Gesenkblock bei im wesentlichen allen Aushärtungstemperaturen bei der Aushärtungsuntersuchung.
Die Ergebnisse der Zugversuche, die an den Versuchsgesenkblöcken und den im Handel erhältlichen, üblichen, titanhaltigen Gesenkblöcken durchgeführt wurden, sind in Tabelle III gezeigt. Die Proben für diese Tests wurden ausgehärtet, indem sie auf 527ºC erhitzt wurden, auf dieser Temperatur 6 Stunden lang gehalten wurden und mit Luft auf Umgebungstemperatur gekühlt wurden. Diese Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Gesenkblöcke (Blöcke 92-34 und 92-98) bessere Zugeigenschaften aufweisen als der im Handel erhältliche, übliche titanhaltige Gesenkblock. Tabelle III - Biegezugeigenschaften
Die Ergebnisse der Schlagversuche, die bei 22ºC an Versuchsgesenkblöcken und dem im Handel erhältlichen üblichen titanhaltigen Gesenkblock durchgeführt wurden, sind in Tabelle IV angegeben. Tabelle IV Charpy-Kerbschlagzähigkeit
Die Proben für diese Tests wurden ausgehärtet, indem sie auf 527ºC erhitzt wurden, 6 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten wurden und mit Luft auf Umgebungstemperatur gekühlt wurden. Diese Testergebnisse zeigen, daß die Kerbzähigkeit der titanfreien Gesenkblöcke der Erfindung, gemessen mit dem Charpy-Kerbschlagtest, deutlich der eines titanhaftigen Gesenkblocks (Block 92-71), dessen Zusammensetzung außerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegt, der aber mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, überlegen ist. Die Gesenkblöcke der Erfindung, zeigen eine Kerbzähigkeit, die vergleichbar ist mit der von im Handel erhältlichen, üblichen titanhaltigen Gesenkblöcken.
Die Ergebnisse der Bohrbearbeitbarkeitstests, die an Versuchsgesenkblöcken und an dem im Handel erhältlichen, üblichen titanhaltigen Gesenkblock durchgeführt wurden, sind in Tabelle V und in Fig. 3 gezeigt. Tabelle V - Ergebnisse des Bohrbearbeitbarkeitstests
* Werte nicht korrekt aufgrund eines Fehlers
Die Bearbeitbarkeitsindizes, die in dieser Tabelle und in der Figur angegeben sind, wurden erhalten, indem die Zeiträume verglichen wurden, die erforderlich waren, um Löcher gleicher Größe und Tiefe in die Versuchsgesenkblöcke und den im Handel erhältlichen, üblichen titanhaltigen Gesenkblock zu bohren, und indem die Verhältnisse davon mit 100 malgenommen wurden. Indizes von mehr als 100 zeigen, daß die. Bohrbearbeitharkeit des Gesenkblocks besser ist als die des im Handel erhältlichen, üblichen, titanhaltigen Gesenkblocks. Diese Testergebnisse zeigen, daß die Bohrbearbeitbarkeiten der titanfreien Gesenkblöcke denen eines titanhaltigen PM- Gesenkblocks mit einer Zusammensetzung außerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, der aber mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, überlegen sind.
Die Ergebnisse der an den Versuchsgesenkblöcken und dem im Handel erhältlichen, üblichen, titanhaltigen Gesenkblock durchgeführten Temperaturermüdungstests sind in Fig. 4 angegeben. Dieser Test wird durchgeführt, indem gleichzeitig, Proben abwechselnd in ein Bad aus geschmolzenem Aluminium, das auf 677ºC gehalten wird, und ein Wasserbad mit ungefähr 93ºC eingetaucht werden. Nach 10 000 Zyklen werden die Proben entnommen und mikroskopisch auf die Gegenwart von Temperaturermüdungsrissen untersucht, die sich entlang der Kanten der rechteckigen Querschnitte der Proben bilden. Risse von mehr als 0,381 mm wurden gezählt und eine höhere durchschnittliche Zahl von Rissen pro Ecke zeigt eine schlechtere Beständigkeit gegenüber der Temperaturermüdungsrißbildung. Die zyklische Art des Tests simuliert die thermische Wechselbeanspruchung, der Druckgußformkomponenten und andere Warmbearbeitungswerzeugkomponenten unterliegen, wenn sie abwechselnd durch Kontakt mit heißen Werkstücken erwärmt und mit Wasser oder Luftkühlung gekühlt werden. Die Ergebnisse in Fig. 4 zeigen deutlich die überlegene Temperaturermüdungsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Gesenkblöcke im Gegensatz zu der eines titanhaltigen PM-Gesenkblocks, dessen Zusammensetzung außerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegt, der aber mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, und dem im Handel erhältlichen, üblichen titanhaltigen Gesenkblock.
Die Versuchsergebnisse zeigen deutlich, daß ein Gesenkblockgegenstand mit wesentlich verbesserter Temperaturermüdungsbeständigkeit mit pulvermetallurgischen Methoden erzeugt werden kann, was eine Zerstäubung mit Stickstoffgas und eine heißisostatische Verdichtung von vorlegierten titanfreien nickelhaltigen martensitaushärtenden Stahlpulvern, wie beansprucht, beinhaltet. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet die Probleme, die mit der Pulvermetallurgieherstellung bestehender titanhaltiger, hochnickelhaltiger, martensitaushärtender Stähle verbunden sind und macht die Herstellung von Gesenkblöcken aus nickelhaltigem martensitaushärtenden Stahl mit einer verbesserten Kombination von Aushärtungsreaktion, Verarbeitbarkeit und Temperaturermüdungsbeständigkeit, möglich, die bisher weder mit Pulvermetallurgie noch mit der üblichen Herstellung mit Blockguß mit bestehenden nickelhaltigen, titanhaltigen martensitaushärtenden Stählen erhältlich war.
Alle Prozentangaben beziehen sich auf Gewicht, wenn nicht anders angegeben.
Martensitaushärtende Stähle wie sie hier beschrieben werden, werden definiert als martensitische Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt, die während der Aushärtungsbehandlung durch Ausfällung intermetallischer Verbindungen verfestigt werden.
Der Ausdruck "titanfrei", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf nickelhaltige martensitaushärtende Stähle, denen kein Titan absichtlich zugegeben wurde bei ihrer Herstellung und/oder bei denen Titan nicht in einer solchen Menge vorhanden ist, daß sie zu titanhaltigen Sekundärphasen führt, die die Eigenschaften des Gegenstandes materiell beeinflussen würden.

Claims

1. Gesenkblockgegenstand aus titanfreiem, nickelhaltigem martensitaushärtendem Stahl, der geeignet ist zur Verwendung zur Herstellung von Druckgußformkomponenten und anderen Warmbearbeitungswerkzeugkomponenten, wobei der Block eine vollständig verdichtete, verfestigte Masse aus vorlegierten mit Stickstoff zerstäubten Teilchen umfaßt, die bezogen auf Gewicht aus bis zu 0,02% Kohlenstoff, 10 bis 23% Nickel, 7 bis 20% Kobalt, bis zu 10% Molybdän, bis zu 2,5% Aluminium, bis zu 0,003% Bor, 0,05 bis 0,5% Niob, bis zu 0,05% Stickstoff bestehen, wobei der Ausgleich Eisen und zufällige Verunreinigungen sind.

2. Gegenstand nach Anspruch 1 mit einer minimalen V-Kerbschlagzähigkeit nach Charpy von 22 J, wenn bei Raumtemperatur getestet wird und wenn auf eine minimale Härte von 46 Rc gealtert wurde.

3. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 oder 2, der weiterhin eine Wärmeermüdungsbeständigkeit über den gesamten Artikel aufweist, mit titanhaltigen Sekundärphasen.

4. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer verbesserten Bohrbearbeitbarkeit über den gesamten Gegenstand mit titanhaltigen Sekundärphasen.

5. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit bis zu 0,01% Kohlenstoff, 7 bis 12% Kobalt, bis zu 8% Molybdän und bis zu 0,03% Stickstoff.

6. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit 0,05 bis 0,25% Niob.

7. Gegenstand nach Anspruch 6 mit 0,15 bis 0,25% Niob.

8. Gegenstand nach Anspruch 7 mit 0,15 bis 0,19% Niob.

9. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Niobcarbide eine maximale Größe von 3 um aufweisen.

10. Verfahren zur Herstellung eines Gesenkblockgegenstandes aus titanfreiem, nickelhaltigem, martensitaushärtendem Stahl zur Verwendung zur Herstellung von Druckgußformkomponenten und anderen Warmbearbeitungswerkzeugkomponenten, wobei der Gegenstand eine vollständig verdichtete, verfestigte Masse aus vorlegierten Teilchen umfaßt, die, in Gew.-%, aus bis zu 0,02% Kohlenstoff, 10 bis 23% Nickel, 7 bis 20% Kobalt, bis zu 10% Molybdän, bis zu 2,5% Aluminium, bis zu 0,003% Bor, 0,05 bis 0,5% Niob, bis zu 0,05% Stickstoff bestehen, wobei der Ausgleich Eisen und zufällige Verunreinigungen sind; wobei das Verfahren umfaßt, daß man die vorlegierten Teilchen durch Zerstäuben mit Stickstoffgas und heißisostatisches Verdichten der vorlegierten Teilchen auf die Volldichte erzeugt unter Bildung eines Presskörpers, den Presskörper lösungsglüht und den Gesenkblockgegenstand aus dem durch Lösungsglühen erhaltenen Presskörper schneidet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin der Gegenstand bis zu 0,01% Kohlenstoff, 7 bis 12% Kobalt, bis zu 8% Molybdän und bis zu 0,03% Stickstoff aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, worin der Gegenstand 0,05 bis 0,25% Niob aufweist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, worin der heißisostatisch verdichtete Presskörper einer wärmeplastischen Verformung unterzogen wird vor der Behandlung durch Lösungglühen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, worin die Gaszerstäubung unter Verwendung von Stickstoffgas durchgeführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, worin die heißisostatische Verdichtung, bis zu 12 Stunden lang in einem Temperaturbereich von 982ºC bis 1316ºC bei einem Druck von mehr als 69 MPa durchgeführt wird und das Lösungsglühen durchgeführt wird, indem auf eine Temperatur von mehr als 816ºC erhitzt wird, etwa eine halbe Stunde pro 25 mm maximaler Dicke und minimal 3 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten wird und auf Umgebungstemperatur gekühlt wird in einer Rate, die mindestens gleich ist der, die in unbewegter Luft erreicht wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, worin die wärmeplastische Verformung in einem Temperaturbereich von 760ºC bis 1260ºC durchgeführt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, worin die maximale Größe der Niobcarbide 3 um ist.