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DE69419474T2 - Articles made of tool steel powder containing sulfur and process for its manufacture - Google Patents

Articles made of tool steel powder containing sulfur and process for its manufacture

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DE69419474T2
DE69419474T2 DE69419474T DE69419474T DE69419474T2 DE 69419474 T2 DE69419474 T2 DE 69419474T2 DE 69419474 T DE69419474 T DE 69419474T DE 69419474 T DE69419474 T DE 69419474T DE 69419474 T2 DE69419474 T2 DE 69419474T2
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tool steel
sulfur
nitrogen
hot
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William Stasko
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Crucible Materials Corp
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Abstract

A powder-metallurgy produced tool steel article of a hot worked, fully dense, consolidated mass of prealloyed particles of a tool steel alloy having a sulfur content within the range of 0.10 to 0.30 weight percent and a maximum sulfide size below about 15 microns. <IMAGE> <IMAGE>

Description

Bereich der ErfindungScope of the invention

Die Erfindung betrifft einen Werkzeugstahlgegenstand, der aus einem heiß bearbeiteten pulvermetallurgischen Werkzeugstahl hergestellt ist, der einen höheren als den üblichen Schwefelgehalt aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung dieses Gegenstandes.The invention relates to a tool steel article made from a hot-worked powder metallurgical tool steel having a higher than usual sulfur content and a method for producing this article.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the state of the art

Werkzeugstähle werden üblicherweise bei der Herstellung von Werkzeugen verwendet, die sowohl bei schneidenden als auch nicht schneidenden Werkzeug-Anwendungsfällen zum Einsatz kommen. Dies umfaßt die Herstellung sowohl von Räumnadeln bzw. Dornen und Fräsern als auch von Walzen bzw. Rollen, Stanzen bzw. Stempeln und Formkomponenten. Bei diesen Werkzeug-Anwendungsfällen ist es erforderlich, daß der Werkzeugstahl eine ausreichende Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit besitzt, um den Einsatzbedingungen zu widerstehen, die bei diesen typischen Anwendungsfällen auftreten. Zusätzlich müssen sie eine angemessene spanabhebende Bearbeitbarkeit und Schleifbarkeit aufweisen, um die Herstellung der gewünschten Werkzeugkomponenten zu erleichtern.Tool steels are commonly used in the manufacture of tools used in both cutting and non-cutting tool applications. This includes the manufacture of broaches and cutters as well as rolls, punches and die components. In these tool applications, it is necessary that the tool steel possess sufficient strength, toughness and wear resistance to withstand the service conditions encountered in these typical applications. In addition, they must have adequate machinability and grindability to facilitate the manufacture of the desired tool components.

Es ist bekannt, daß das Vorhandensein von Schwefel in Werkzeugstählen ihre spanabhebende Bearbeitbarkeit und Schleifbarkeit dadurch verbessert, daß Sulfide gebildet werden, die als Schmiermittel zwischen den Schneidewerkzeugen, die zur Herstellung der Werkzeugkomponenten verwendet werden, und den Spänen dienen, die während dieses Vorgangs vom Stahl abgehoben werden. Die Sulfide fördern auch das Brechen der Späne während des Schneidevorgangs bei der Werkzeugherstellung und erleichtern dadurch diesen Vorgang zusätzlich.It is known that the presence of sulphur in tool steels improves their machinability and grindability by forming sulphides which act as a lubricant between the cutting tools used to manufacture the tool components and the chips which are removed from the steel during this process. The sulphides also promote the breaking of the chips during the cutting process in tool manufacturing, thereby further facilitating this process.

Es ist bekannt, daß die Verwendung von Schwefel in Mengen von mehr als 0,10% die Heißbearbeitbarkeit von herkömmlichen barrengegossenen Werkzeugstählen vermindert und ihre mechanischen Eigenschaften, insbesondere ihre Zähigkeit nachteilig beeinflußt. Bei herkömmlichen Werkzeugstählen mit hohem Schwefelgehalt sind die Sulfide typischerweise größer und in der Richtung der Heißbearbeitung langgestreckt. In ähnlicher Weise werden bei herkömmlichen, geschmiedeten Werkzeugstählen die primären Karbide im Stahl während der Heißbearbeitung in die Länge gezogen, so daß sie in der Richtung der Bearbeitung Karbidfäden bilden. Die Karbidfäden in diesen Stählen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften in ungünstiger Weise und ihre negativen Effekte sind so ausgeprägt, daß sie im allgemeinen alle nachteiligen Effekte der Sulfide in dieser Hinsicht übertreffen.It is known that the use of sulfur in amounts greater than 0.10% reduces the hot workability of conventional ingot cast tool steels and adversely affects their mechanical properties, particularly their toughness. In conventional tool steels with high sulfur content, the sulfides are typically larger and elongated in the direction of hot working. Similarly, in conventional wrought tool steels, the primary carbides in the steel are elongated during hot working so that they form carbide threads in the direction of machining. The carbide threads in these steels adversely affect the mechanical properties and their negative effects are so pronounced that they generally outweigh any adverse effects of the sulfides in this respect.

Andererseits sind bei der Herstellung von Werkzeugstahlgegenständen mit höherem Schwefelgehalt durch pulvermetallurgische Verfahren, bei denen vorlegierte Teilchen des Stahls konsolidiert werden, um einen völlig dichten Gegenstand herzustellen, die Karbide im Vergleich zu denen von herkömmlichen Werkzeugstählen relativ klein und gut verteilt. Wegen der günstigen Größe und Verteilung der in diesen Werkzeugstählen erzielten Karbide werden die nachteiligen Effekte der Karbidfäden, die bei herkömmlichen geschmiedeten Stählen angetroffen werden, vermieden. Die Eigenschaften der auf pulvermetallurgischem Weg hergestellten Werkzeugstähle sprechen daher stärker auf Änderungen im Schwefelgehalt und in der Größe und Verteilung der Sulfide an, die zum Zweck der Verbesserung ihrer spanabhebenden Bearbeitbarkeit oder Schleifbarkeit eingebracht wurden. Aus diesem Grund werden Schwefelgehalte von mehr als ungefähr 0,07% im allgemeinen nicht in pulvermetallurgisch hergestellten Werkzeugstählen verwendet, weil die Sulfide nachteilige Einflüsse auf ihre mechanischen Eigenschaften ausüben, wie dies beispielsweise durch eine Abnahme der Biegebruchfestigkeit des Stahls angezeigt wird. Pulvermetallurgisch hergestellte Werkzeugstahlgegenstände mit höherem Schwefelgehalt würden in stärkerem Umfang verwendet, wenn die verschlechternden Einflüsse des Schwefels auf ihre mechanischen Eigenschaften vermieden werden könnten.On the other hand, when tool steel articles with higher sulfur content are produced by powder metallurgy processes, in which pre-alloyed particles of the steel are consolidated to produce a completely dense article, the carbides are relatively small and well distributed compared to those of conventional tool steels. Because of the favorable size and distribution of the carbides achieved in these tool steels, the adverse effects of the carbide threads encountered in conventional wrought steels are avoided. The properties of the tool steels produced by powder metallurgy are therefore more responsive to changes in the sulfur content and in the size and distribution of the sulfides introduced for the purpose of improving their machinability or grindability. For this reason, sulfur contents of more than about 0.07% are not generally used in powder metallurgy tool steels because the sulfides have adverse effects on their mechanical properties, as indicated, for example, by a decrease in the bending strength of the steel. Powder metallurgy tool steel articles with higher sulfur contents would be used to a greater extent if the detrimental effects of sulfur on their mechanical properties could be avoided.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Somit ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, einen Werkzeugstahlgegenstand zu schaffen, der aus einem heiß bearbeiteten, durch ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestellten Werkzeugstahl mit hohem Schwefelgehalt hergestellt ist, wobei das Vorhandensein von Schwefel und der sich hieraus ergebenden Sulfide die mechanischen Eigenschaften nicht in merklicher Weise negativ beeinflußt, während ein günstiger Einfluß bezüglich einer verbesserten spanabhebenden Bearbeitbarkeit und Schleifbarkeit erzielt wird.Thus, it is a primary object of the present invention to provide a tool steel article made from a hot worked high sulfur tool steel produced by a powder metallurgy process, wherein the presence of sulfur and the resulting sulfides does not significantly adversely affect the mechanical properties, while a beneficial effect in terms of improved machinability and grindability is achieved.

Ein spezielleres Ziel der Erfindung ist es, einen Werkzeugstahlgegenstand zu schaffen, der aus einem heiß bearbeiteten, durch ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestellten Werkzeugstahl mit höherem Schwefelgehalt hergestellt ist, wobei das Vorhandensein von Schwefel und der sich ergebenden Sulfide die Zähigkeit, wie sie durch die Biegebruchfestigkeit gekennzeichnet wird, nicht merklich verschlechtert.A more specific object of the invention is to provide a tool steel article made from a hot worked, powder metallurgical tool steel having a higher sulfur content, wherein the presence of sulfur and the resulting sulfides does not appreciably degrade toughness as characterized by flexural rupture strength.

Die Erfindung schafft einen spanabhebend bearbeitbaren, pulvermetallurgisch hergestellten, Schwefel enthaltenen Werkzeugstahlgegenstand gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 der beigefügten Ansprüche.The invention provides a machinable, powder metallurgically produced, sulfur-containing tool steel article according to claims 1 or 2 of the appended claims.

Allgemein wird gemäß der Erfindung ein spanabhebend bearbeitbarer, pulvermetallurgisch hergestellter, Schwefel enthaltender Werkzeugstahlgegenstand hergestellt, der eine heißbearbeitete, völlig dichte, konsolidierte Masse von vorlegierten, mit Stickstoffgas zerstäubten Teilchen einer Werkzeugstahllegierung mit einem Schwefelgehalt von 0,10 bis 0,30 Gewichts-% mit einer maximalen Sulfidgröße enthält, die so gesteuert ist, daß sie weniger als ungefähr 15 um beträgt.Generally, according to the invention, a machinable, powder metallurgically produced, sulfur-containing tool steel article is made which contains a hot worked, fully dense, consolidated mass of prealloyed, nitrogen gas atomized particles of a tool steel alloy having a sulfur content of 0.10 to 0.30 weight percent with a maximum sulfide size controlled to be less than is approximately 15 µm.

Die Werkzeugstahllegierung des heiß bearbeiteten Gegenstandes kann die Zusammensetzung eines geschmiedeten Hochgeschwindigkeitsstahls oder eines geschmiedeten kalt bearbeiteten Werkzeugstahls besitzen, dem Schwefel absichtlich in einem Bereich von 0,10 bis 0,30 Gewichts-% zugesetzt worden ist. Allgemein kann der Werkzeugstahl des heiß bearbeiteten Gegenstandes in Gewichts-% folgende Bestandteile enthalten: 0,80 bis 3,00 Kohlenstoff, 0,20 bis 2,00 Mangan, 0,10 bis 0,30 Schwefel, bis zu 0,04 Phosphor, 0,20 bis 1,50 Silizium, 3,00 bis 12,00 Chrom, 0,25 bis 10,00 Vanadium, bis zu 11,00 Molybdän, bis zu 18,00 Wolfram, bis zu 10,00 Kobalt, bis zu 1,10 Stickstoff und bis zu 0,025 Sauerstoff, wobei der Rest aus Eisen und zufälligen Verunreinigungen besteht. Wolfram kann an Stelle von Molybdän im stöchiometrischen Verhältnis von 2 : 1 substituiert werden.The tool steel alloy of the hot worked article may have the composition of a forged high speed steel or a forged cold worked tool steel to which sulfur has been intentionally added in a range of 0.10 to 0.30 weight percent. In general, the tool steel of the hot-worked article may contain, in weight percent, 0.80 to 3.00 carbon, 0.20 to 2.00 manganese, 0.10 to 0.30 sulfur, up to 0.04 phosphorus, 0.20 to 1.50 silicon, 3.00 to 12.00 chromium, 0.25 to 10.00 vanadium, up to 11.00 molybdenum, up to 18.00 tungsten, up to 10.00 cobalt, up to 1.10 nitrogen and up to 0.025 oxygen, with the balance being iron and incidental impurities. Tungsten may be substituted for molybdenum in a stoichiometric ratio of 2:1.

Der spanabhebend bearbeitbare, durch ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestellte, aus schwefelhaltigem Werkzeugstahl bestehende Gegenstand kann eine minimale Querbiegungsbruchfestigkeit von 3450 MPa (500 ksi) besitzen, wenn er zur Erzielung einer Härte von 64 bis 66 HRC hitzebehandelt worden ist. Der Gegenstand umfaßt eine heißbearbeitete, völlig dichte, konsolidierte Masse von vorlegierten, mit Stickstoffgas zerstäubten Partikeln einer Werkzeugstahllegierung, die in Gewichts-% folgende Bestandteile umfaßt: 1,25 bis 1,50 Kohlenstoff, 0,20 bis 1,00 Mangan, 0,10 bis 0,26 Schwefel, bis zu 0,0 4 Phosphor, bis zu 1,00 Silizium, 3,0 bis 6,0 Chrom, 4,0 bis 6,0 Molybdän, 3,50 bis 4,50 Vanadium, 4,0 bis 6,5 Wolfram, bis zu 0,025 Sauerstoff und bis zu 1,10 Stickstoff, wobei der Rest aus Eisen und zufälligen Verunreinigungen besteht. Der Gegenstand hat eine maximale Sulfidgröße, die so eingestellt ist, daß sie weniger als ungefähr 15 um beträgt.The machinable article made from sulfur-containing tool steel by a powder metallurgy process may have a minimum transverse bending strength of 3450 MPa (500 ksi) when heat treated to a hardness of 64 to 66 HRC. The article comprises a hot worked, fully dense, consolidated mass of prealloyed, nitrogen gas atomized particles of a tool steel alloy comprising, by weight, 1.25 to 1.50 carbon, 0.20 to 1.00 manganese, 0.10 to 0.26 sulfur, up to 0.04 phosphorus, up to 1.00 silicon, 3.0 to 6.0 chromium, 4.0 to 6.0 molybdenum, 3.50 to 4.50 vanadium, 4.0 to 6.5 tungsten, up to 0.025 oxygen, and up to 1.10 nitrogen, with the balance being iron and incidental impurities. The article has a maximum sulfide size adjusted to be less than about 15 µm.

Vorzugsweise kann der Schwefelgehalt der Gegenstände gemäß der Erfindung im Bereich von 0,14% bis 0,26% liegen.Preferably, the sulfur content of the articles according to the invention may be in the range from 0.14% to 0.26%.

Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen, Schwefel enthaltenen Werkzeugstahlgegenstandes gemäß den Ansprüchen 4 oder 5 der beigefügten Ansprüche.The invention further provides a method for producing a powder metallurgical, sulfur-containing tool steel article according to claims 4 or 5 of the appended claims.

Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen, Schwefel enthaltenen Werkzeugstahlgegenstandes aus einer heiß bearbeiteten, völlig dichten, konsolidierte Masse aus vorlegierten, mit Stickstoff zerstäubten Partikeln einer Werkzeugstahllegierung, die einen Schwefelgehalt von 0,10 bis 0,30 Gewichts-% mit einer maximalen Sulfidgröße besitzt, die so eingestellt ist, daß sie kleiner als ungefähr 15 um ist. Gemäß diesem Verfahren werden vorlegierte Partikeln durch Stickstoffgas-Zerstäubung erzeugt und heiß isostatisch auf völlige Dichte bei einer Temperatur von 1185ºC (2165ºF) und einem Druck von 1035 MPa (15 ksi) verdichtet. Der sich ergebende, verdichtete Körper wird bei einer Temperatur von 1121ºC (2050ºF) zur Erzielung einer gewünschten Gegenstandsform heiß bearbeitet und der Gegenstand wird dann spannungsfrei geglüht.The invention comprises a process for producing a powder metallurgical sulfur-containing tool steel article from a hot worked, fully dense, consolidated mass of prealloyed, nitrogen atomized particles of a tool steel alloy having a sulfur content of 0.10 to 0.30 weight percent with a maximum sulfide size adjusted to be less than about 15 microns. According to this process, prealloyed particles are produced by nitrogen gas atomization and hot isostatically densified to full density at a temperature of 1185°C (2165°F) and a pressure of 1035 MPa (15 ksi). The resulting densified body is hot worked at a temperature of 1121°C (2050°F) to achieve a desired article shape and the article is then stress relieved.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf vorlegierte Partikel einer Werkzeugstahllegierung mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichts-% angewandt werden: 0,80 bis 3,00 Kohlenstoff, 0,20 bis 2,00 Mangan, 0,10 bis 0,30 Schwefel, bis zu 0,04 Phosphor, 0,20 bis 1,50 Silizium, 3,0 bis 12,0 Chrom, 0,25 bis 10,0 Vanadium, bis zu 11,0 Molybdän, bis zu 18,0 Wolfram, bis zu 10,0 Kobalt, bis zu 0,10 Stickstoff und bis zu 0,025 Sauerstoff, wobei der Rest aus Eisen und zufälligen Verunreinigungen besteht.The process according to the invention can also be applied to prealloyed particles of a tool steel alloy having the following composition in weight %: 0.80 to 3.00 carbon, 0.20 to 2.00 manganese, 0.10 to 0.30 sulfur, up to 0.04 phosphorus, 0.20 to 1.50 silicon, 3.0 to 12.0 chromium, 0.25 to 10.0 vanadium, up to 11.0 molybdenum, up to 18.0 tungsten, up to 10.0 cobalt, up to 0.10 nitrogen and up to 0.025 oxygen, the balance being iron and incidental impurities.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch in Verbindung mit vorlegierten Partikeln einer Werkzeugstahllegierung zum Einsatz kommen, die in Gewichts-% folgende Bestandteile umfaßt: 1,25 bis 1,50 Kohlenstoff, 0,20 bis 1,00 Mangan, 1,10 bis 0,26 Schwefel, bis zu 0,04 Phosphor, bis zu 1,00 Silizium, 3,0 bis 6,0 Chrom, 4,0 bis 6,0 Molybdän, 3,50 bis 4,50 Vanadium, 4,0 bis 6,5 Wolfram, bis zu 0,025 Sauerstoff und bis zu 0,10 Stickstoff, wobei der Rest aus Eisen und zufälligen Verunreinigungen besteht.The method according to the invention can also be used in conjunction with prealloyed particles of a tool steel alloy which comprises in weight percent the following components: 1.25 to 1.50 carbon, 0.20 to 1.00 manganese, 1.10 to 0.26 sulfur, up to 0.04 phosphorus, up to 1.00 silicon, 3.0 to 6.0 chromium, 4.0 to 6.0 molybdenum, 3.50 to 4.50 vanadium, 4.0 to 6.5 tungsten, up to 0.025 oxygen and up to 0.10 nitrogen, the remainder consisting of iron and incidental impurities.

Vorzugsweise kann der Schwefelgehalt im Bereich von 0,14 bis 0,26 Gewichts-% liegen.Preferably, the sulfur content may be in the range of 0.14 to 0.26% by weight.

Gemäß der Erfindung verbindet sich der in der Legierung vorhandene Kohlenstoff mit Chrom, Vanadium, Molybdän und Wolfram um die gewünschte Verteilung von abnutzungsfesten Karbiden zu bilden und die sekundäre Härtung zu fördern. Auch ist ausreichend Kohlenstoff vorhanden, um für eine Festigung der Stahlmatrix zu sorgen. Der im Stahl vorhandene Schwefel verbindet sich primär mit dem Mangan, um Mangansulfide oder manganreiche Sulfide zu bilden, welche die spanabhebende Bearbeitbarkeit und Schleifbarkeit des Stahls erleichtern bzw. ermöglichen.According to the invention, the carbon present in the alloy combines with chromium, vanadium, molybdenum and tungsten to form the desired distribution of wear-resistant carbides and to promote secondary hardening. Sufficient carbon is also present to provide strengthening of the steel matrix. The sulfur present in the steel combines primarily with the manganese to form manganese sulfides or manganese-rich sulfides which facilitate or enable the machinability and grindability of the steel.

Um die Eigenschaften zu erzielen, welche für die mit einem pulvermetallurgischen Verfahren erzeugten Werkzeugstahlgegenstände gemäß der Erfindung erforderlich sind, ist es wesentlich, daß die pulvermetallurgisch erzeugten, einen hohen Schwefelgehalt besitzenden Werkzeugstähle, die zu ihrer Herstellung verwendet werden, nach der Konsolidierung heiß bearbeitet werden, um die hohe mechanische Festigkeit zu erzielen, die für Werkzeugkomponenten erforderlich ist. Es ist auch wesentlich, daß die Herstellungs- und Verarbeitungsbedingungen für die pulvermetallurgisch erzeugten Werkzeugstähle, die in den Gegenständen gemäß der Erfindung verwendet werden, so gesteuert bzw. eingestellt werden, daß die Größen und die Verteilung der durch das Hinzufügen des Schwefels induzierten Sulfide die mechanischen Eigenschaften nicht merklich verschlechtern. Bei dem pulvermetallurgisch erzeugten Werkzeugstahl, der in den Werkzeugstahlgegenständen gemäß der Erfindung verwendet wird, wird dies dadurch erreicht, daß die maximale Größe der Sulfide in ihrer größten Erstreckung unterhalb von ungefähr 15 um gehalten wird.In order to achieve the properties required for the powder metallurgically produced tool steel articles according to the invention, it is essential that the powder metallurgically produced, high sulfur tool steels used to make them are hot worked after consolidation to achieve the high mechanical strength required for tool components. It is also essential that the manufacturing and processing conditions for the powder metallurgically produced tool steels used in the articles according to the invention are controlled or adjusted so that the sizes and distribution of the sulfides induced by the addition of the sulfur do not appreciably deteriorate the mechanical properties. In the powder metallurgically produced tool steel used in the tool steel articles according to the invention, this is achieved by keeping the maximum size of the sulfides in their greatest extent below about 15 µm.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description of preferred embodiments

Um die Erfindung darzustellen, wurde eine Reihe von experimentellen Werkzeugstählen mit variierendem Schwefelgehalt erzeugt und verschiedenen Tests hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und spanabhebenden Bearbeitbarkeit unterworfen. Auch wurden Mu ster von mehreren kommerziellen, pulvermetallurgisch erzeugten Hochgeschwindigkeitsstählen den gleichen Tests für Vergleichszwecke unterworfen. Mit Ausnahme des Schwefelgehalts haben die kommerziellen pulvermetallurgischen Werkzeugstähle die gleiche nominelle Zusammensetzung wie die experimentellen Werkzeugstähle. Die tatsächlichen chemischen Zusammensetzungen der experimentellen Werkzeugstähle und der kommerziell erzeugten Werkzeugstähle sind in den Tabellen I und II dargestellt. Tabelle I Chemische Zusammensetzung von experimentellen pulvermetallurgischen Werkzeugstählen Tabelle II Chemische Zusammensetzung von kommerziellen Werkzeugstählen mit hohem Schwefelgehalt To demonstrate the invention, a series of experimental tool steels with varying sulfur content were produced and subjected to various tests for their mechanical properties and machinability. Mu sters of several commercial powder metallurgical high speed steels were subjected to the same tests for comparison purposes. With the exception of the sulfur content, the commercial powder metallurgical tool steels have the same nominal composition as the experimental tool steels. The actual chemical compositions of the experimental tool steels and the commercially produced tool steels are shown in Tables I and II. Table I Chemical composition of experimental powder metallurgical tool steels Table II Chemical composition of commercial tool steels with high sulfur content

Die Herstellungsbedingungen für die experimentellen Werkzeugstähle wurden so gewählt, daß die Größe der Sulfide in der Mikrostruktur möglichst klein wurde. Sie wurden aus mit Stickstoffgas zerstäubten, vorlegierten Pulvern erzeugt, die aus 136 kg (300 pounds) durch Induktionsschmelzen erzeugten Schmelzen hergestellt wurden. Ungefähr 91 kg (200 pounds) des Pulvers aus jeder Schmelze wurden auf einen Feinheitsgrad von -16 mesh (U. S. Standard) gesiebt und in Behälter aus Stahl mit niederem Kohlenstoffgehalt mit einem Durchmesser von 20 cm (8 Inch) eingefüllt, die bei einer Temperatur von 204ºC (400ºF) heiß entgast und dann durch Schweißen dicht verschlossen wurden. Die Behälter wurden dann auf 1185ºC (2165ºF) erhitzt, bei dieser Temperatur vier Stunden lang bei einem Druck von 103,5 MPa (15 ksi) isostatisch verdichtet und dann langsam auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die sich ergebenden verdichteten Körper wurden dann auf eine Temperatur von 1121ºC (2050ºF) erhitzt, heiß zu Stäben mit einem Durchmesser von 8 cm (3 Inch) verarbeitet und schließlich unter Verwendung eines herkömmlichen Normalisierungszyklusses für Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl spannungsfrei geglüht.The conditions of manufacture for the experimental tool steels were chosen to minimize the size of the sulfides in the microstructure. They were produced from nitrogen gas atomized prealloyed powders prepared from 136 kg (300 pounds) of induction melted heats. Approximately 91 kg (200 pounds) of powder from each heat was sieved to a fineness of -16 mesh (US standard) and placed in 20 cm (8 inch) diameter low carbon steel containers heated at 204ºC (400ºF). hot degassed and then sealed by welding. The containers were then heated to 1185ºC (2165ºF), isostatically densified at that temperature for four hours at a pressure of 103.5 MPa (15 ksi), and then slowly cooled to ambient temperature. The resulting densified bodies were then heated to a temperature of 1121ºC (2050ºF), hot worked into 8 cm (3 inch) diameter bars, and finally stress relieved using a conventional high speed tool steel normalizing cycle.

Die herkömmlichen pulvermetallurgischen Werkzeugstähle wurden aus Pulvern, die mit Stickstoff zerstäubt waren und einen Feinheitsgrad von -16 mesh besaßen, hergestellt und sind typisch für Materialien, die unterschiedliche Ausmaße der Heißreduktion nach einer Konsolidierung durch isostatisches Pressen erfahren haben. Bei der Herstellung dieser Stähle wurden keine besonderen Maßnahmen getroffen, um die Sulfidgröße zu steuern bzw. einzustellen.The conventional powder metallurgy tool steels were made from nitrogen atomized powders of -16 mesh and are typical of materials that have undergone varying degrees of hot reduction after consolidation by isostatic pressing. No special measures were taken in the manufacture of these steels to control or adjust the sulfide size.

Es wurden mehrere Tests durchgeführt, um die Eigenschaften der Werkzeugstahlgegenstände gemäß der Erfindung mit denen der Gegenstände zu vergleichen, die aus pulvermetallurgischen Werkzeugstählen mit hohem Schwefelgehalt nach anderen Herstellungsverfahren hergestellt worden waren. Es wurden Tests durchgeführt, um die Einflüsse der Zusammensetzung und der Herstellungsverfahren auf die Sulfidgröße, die Biegebruchfestigkeit, Kerbfestigkeit und spanabhebende Bearbeitbarkeit zu zeigen. Die Tests bezüglich der spanabhebenden Bearbeitbarkeit wurden an Proben im völlig spannungsfrei geglühten Zustand durchgeführt, während die Biegebruch- und Kerbtests an Proben im gehärteten und getemperten Zustand durchgeführt wurden. Die Wärmebehandlung für die zuletzt genannten Proben umfaßte eine Austenitisierung für 4 Minuten in geschmolzenem Salz bei 1024ºC (2200ºF), Ölabschreckung auf Zimmertemperatur und dreifaches Tempern in geschmolzenem Salz für zwei Stunden plus zwei Stunden plus zwei Stunden bei 552ºC (1025ºF). Nach dieser Wärmebehandlung lag die Härte der Proben zwischen 64 und 66 Rockwell C. Die Größen und die Verteilung der Sulfide in den experimentellen und dem handelsüblichen Werkzeugstählen sind in den Fig. 1 bzw. 2 dargestellt. Wie erwartet, nimmt die Anzahl der Sulfide in den experimentellen Werkzeugstählen mit dem Schwefelgehalt zu, wie man durch einen Vergleich der Mikrostrukturen für die Stähle 92-17, 92-18, 92-19 und 92-20 in Fig. 1 sieht. Es ist auch klar, daß gemäß der Erfindung alle Sulfide in den experimentellen Werkzeugstählen unabhängig von deren Schwefelgehalt in ihrer längsten Abmessung weniger als 15 um aufweisen. Weiterhin ist klar, daß die Größe der Sulfide in den experimentellen Werkzeugstählen in ihrer größten Abmessung beträchtlich kleiner ist als die der Sulfide in den handelsüblichen Werkzeugstählen mit ähnlicher Zusammensetzung. Wie in Fig. 2 gezeigt, variiert die Größe der Sulfide in den zuletzt genannten Stählen in einem Längenbereich von 20 um bis 30 um in Abhängigkeit von der beider Herstellung durchgeführten Heißreduktion.Several tests were conducted to compare the properties of the tool steel articles of the invention with those of articles made from high sulfur powder metallurgy tool steels by other manufacturing processes. Tests were conducted to demonstrate the effects of composition and manufacturing processes on sulfide size, transverse rupture strength, notch strength and machinability. The machinability tests were conducted on samples in the fully stress relieved annealed condition, while the transverse rupture and notch tests were conducted on samples in the hardened and tempered condition. The heat treatment for the latter samples included austenitizing for 4 minutes in molten salt at 1024°C (2200°F), oil quenching to room temperature and triple tempering in molten salt for two hours plus two hours plus two hours at 552°C (1025°F). After this heat treatment, the hardness of the samples was between 64 and 66 Rockwell C. The sizes and distribution of the sulfides in the experimental and commercial tool steels are shown in Figs. 1 and 2, respectively. As expected, the number of sulfides in the experimental tool steels increases with sulfur content, as can be seen by comparing the microstructures for steels 92-17, 92-18, 92-19 and 92-20 in Fig. 1. It is also clear that according to the invention, all sulfides in the experimental tool steels, regardless of their sulfur content, are less than 15 µm in their longest dimension. It is also clear that the size of the sulfides in the experimental tool steels in their longest dimension is considerably smaller than that of the sulfides in the commercial tool steels of similar composition. As shown in Fig. 2, the size of the sulfides in the latter steels varies in a length range of 20 µm to 30 µm depending on the hot reduction carried out during production.

Die Charpy C-Notch-Kerbeigenschaften und Biegebruchfestigkeiten der experimentellen und handelsüblichen Werkzeugstähle sind in den Tabellen III bzw. IV dargestellt. Ein Ver gleich der Ergebnisse für die experimentellen Werkzeugstähle zeigt, daß es dadurch, daß man die maximale Sulfidgröße unter 15 um hält, möglich ist, den Schwefelgehalt zum Zweck der Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit zu erhöhen, ohne daß Einbußen hinsichtlich der Zähigkeit auftreten. Dies wird durch die Tatsache angezeigt, daß die Kerbfestigkeit und Biegebruchfestigkeit der experimentellen Stähle sowohl in Längs- als auch in Querrichtung für Schwefelgehalte in einem Bereich von 0,005 bis 0,26% im wesentlichen äquivalent sind. Tabelle III Kerbfestigkeit und Biegebruchfestigkeit von experimentellen Werkzeugstählen1) Tabelle IV Kerbfestigkeit und Biegebruchfestigkeit von handelsüblichen Werkzeugstählen1) The Charpy C-notch properties and flexural strengths of the experimental and commercial tool steels are shown in Tables III and IV, respectively. A comparison similar to the results for the experimental tool steels shows that by keeping the maximum sulphide size below 15 µm it is possible to increase the sulphur content for the purpose of improving machinability without sacrificing toughness. This is indicated by the fact that the notch strength and transverse rupture strength of the experimental steels are essentially equivalent in both the longitudinal and transverse directions for sulphur contents in the range 0.005 to 0.26%. Table III Notch strength and transverse rupture strength of experimental tool steels1) Table IV Notch strength and bending strength of commercially available tool steels1)

¹ (für 4 Minuten bei 1024ºC (2200ºF) austenitisiert, ölabgeschreckt und bei 552ºC (1025ºF) dreifach 2 plus 2 Stunden getempert)¹ (austenitized at 1024ºC (2200ºF) for 4 minutes, oil quenched and triple tempered at 552ºC (1025ºF) for 2 plus 2 hours)

Ein Vergleich der mechanischen Eigenschaften, die für handelsübliche Werkzeugstähle in Tabelle IV dargestellt sind, zeigt, daß ihre Kerbfestigkeit und Biegebruchfestigkeit im allgemeinen durch eine Erhöhung des Ausmaßes der Heißreduktion verbessert werden, obwohl dies zu einer gewissen Verlängerung der Sulfide führt. Wegen der größeren Ausdehnung der Sulfide in diesen Stählen sind jedoch deren mechanische Eigenschaften signifikant schlechter als die der experimentellen Werkzeugstähle, die im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung und das gleiche Maß von Heißreduktion aufweisen. Man vergleiche zum Beispiel die mechanischen Eigenschaften des Stahls 92-20 (0,26% S), der eine maximale Sulfidgröße von ungefähr 15 um und Biegebruchfestigkeiten in Längs- und Querrichtung von 5320 MPa (771 ksi) bzw. 3871 MPa (561 ksi) besitzt, mit denen des Stahls 92-78 (0,24% S) mit einer maximalen Sulfidgröße von ungefähr 30 um und Biegebruchfestigkeiten in Längs- und Querrichtung von 4492 MPa (651 ksi) bzw. 2643 MPa (383 ksi).A comparison of the mechanical properties presented for commercial tool steels in Table IV shows that their notch strength and transverse rupture strength are generally improved by increasing the extent of hot reduction, although this results in some elongation of the sulfides. However, because of the greater extent of the sulfides in these steels, their mechanical properties are significantly worse than those of the experimental tool steels having essentially the same composition and the same extent of hot reduction. Compare, for example, the mechanical properties of steel 92-20 (0.26% S), which has a maximum sulfide size of about 15 µm and longitudinal and transverse rupture strengths of 5320 MPa (771 ksi) and 3871 MPa (561 ksi), respectively, with those of steel 92-78 (0.24% S) with a maximum sulfide size of approximately 30 µm and longitudinal and transverse bending strengths of 4492 MPa (651 ksi) and 2643 MPa (383 ksi), respectively.

Die Ergebnisse der Bohrearbeitbarkeitstests, die an den experimentellen Werkzeugstählen im spannungsfrei geglühten Zustand durchgeführt wurden, sind in Tabelle V dargestellt. Die Bohrbearbeitbarkeits-Indizes in dieser Tabelle wurden dadurch erhalten, daß die Zeiten, die erforderlich sind, um Löcher der gleichen Größe und Tiefe in diese Stähle zu bohren, verglichen wurden und daß die Verhältnisse dieser Zeiten für jeden Stahl zu der Zeit für den experimentellen Stahl mit einem Schwefelgehalt von 0,005% mit 100 multipliziert wurden. Indizes größer als 100 zeigen an, daß die Bohrbearbeitbarkeit des getesteten Stahls größer ist als die des experimentellen Werkzeugstahlgegenstandes, der 0,005% Schwefel enthält (Stahl 91-60). Die Ergebnisse zeigen, daß eine Zunahme des Schwefels von 0,005% auf 0,26% die spanabhebende Bearbeitbarkeit der experimentellen Werkzeugstähle verbessert und daß die stärkste Verbesserung bei einem Schwefelgehalt von ungefähr 0,14% oder darüber erreicht wird. Tabelle V Einfluß des Schwefelgehalts auf die Bohrbearbeitbarkeit von experimentellen Werkzeugstählen The results of the drilling machinability tests conducted on the experimental tool steels in the stress-relieved condition are shown in Table V. The drilling machinability indices in this table were obtained by comparing the times required to drill holes of the same size and depth in these steels and multiplying the ratios of these times for each steel to the time for the experimental steel having a sulfur content of 0.005% by 100. Indices greater than 100 indicate that the drilling machinability of the steel tested is greater than that of the experimental tool steel article containing 0.005% sulfur (Steel 91-60). The results show that an increase in sulfur from 0.005% to 0.26% improves the machinability of the experimental tool steels and that the greatest improvement is achieved at a sulfur content of about 0.14% or above. Table V Influence of sulphur content on the drilling machinability of experimental tool steels

¹Bohrbearbeitbarkeitsindex = (Zum Bohren des Testmaterials benötigte Zeit/Zum Bohren des Referenz-Standardmaterials benötigte Zeit) · 100¹Drilling machinability index = (Time required to drill the test material/Time required to drill the reference standard material Time) · 100

Aus der obigen Tabelle entnimmt man, daß es dadurch, daß die Größe der Sulfide in den Gegenständen vermindert wird, die aus heiß bearbeiteten, pulvermetallurgischen Werkzeugstählen hergestellt sind, möglich ist, die negativen Effekte des hohen Schwefelgehalts auf ihre Eigenschaften im wesentlichen zu vermeiden. Somit ist es gemäß der Erfindung möglich, pulvermetallurgisch erzeugte Werkzeugstahlgegenstände mit einem Schwefelgehalt herzustellen, der höher als der normalerweise zugelassene ist, um eine verbesserte spanabhebende Bearbeitbarkeit zu erzielen, ohne daß es zu einer merklichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften kommt, wie dies insbesondere durch die Biegebruchfestigkeit des Stahls gezeigt wird.From the above table it can be seen that by reducing the size of the sulphides in the articles made from hot worked powder metallurgical tool steels it is possible to substantially avoid the negative effects of the high sulphur content on their properties. Thus, according to the invention it is possible to produce powder metallurgically produced tool steel articles with a sulphur content higher than that normally permitted in order to achieve improved machinability without any appreciable deterioration in the mechanical properties as demonstrated in particular by the flexural strength of the steel.

Der Ausdruck "Schwefel enthaltender Werkzeugstahlgegenstand" ist auf kalt bearbeitete Werkzeugstähle und Hochgeschwindigkeitswerkzeugstähle beschränkt.The term "sulfur-containing tool steel article" is limited to cold worked tool steels and high speed tool steels.

Claims (6)

1. Bearbeitbarer, pulvermetallurgisch hergestellter, Schwefel enthaltender Werkzeugstahlgegenstand, der eine heiß bearbeitete, völlig dichte, konsolidierte Masse aus mit gasförmigem Stickstoff zerstäubten, vorlegierten Teilchen einer Werkzeugstahllegierung umfaßt, wobei diese Werkzeugstahllegierung in Gewichtsprozent 0,80 bis 3,00 Kohlenstoff, 0,20 bis 2,00 Mangan, 0,10 bis 0,30 Schwefel, bis zu 0,04 Phosphor, 0,20 bis 1, 50 Silizium, 3,0 bis 12,00 Chrom, 0,25 bis 10,00 Vanadium, bis zu 11,00 Molybdän, bis zu 18,00 Wolfram, bis zu 10,00 Kobalt, bis zu 0,10 Stickstoff, bis zu 0,025 Sauerstoff enthält und der Rest von Eisen und zufälligen Verunreinigungen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand eine maximale Sulfidgröße aufweist, die so gesteuert ist, daß sie weniger als 15 um beträgt.1. A machinable, powder-metallurgically produced, sulphur-containing tool steel article comprising a hot-worked, fully dense, consolidated mass of prealloyed particles of a tool steel alloy atomised with gaseous nitrogen, said tool steel alloy containing in weight percent 0.80 to 3.00 carbon, 0.20 to 2.00 manganese, 0.10 to 0.30 sulphur, up to 0.04 phosphorus, 0.20 to 1.50 silicon, 3.0 to 12.00 chromium, 0.25 to 10.00 vanadium, up to 11.00 molybdenum, up to 18.00 tungsten, up to 10.00 cobalt, up to 0.10 nitrogen, up to 0.025 oxygen and the remainder being iron and incidental impurities, characterized in that the article has a maximum sulfide size controlled to be less than 15 µm. 2. Bearbeitbarer pulvermetallurgisch hergestellter, Schwefel enthaltender Werkzeugstahlgegenstand, der eine minimale Querbiegungs-Bruchfestigkeit von 3450 MPa (500 ksi) besitzt, wenn er zur Erzielung einer Härte von 64 bis 66 HRC hitzebehandelt worden ist, wobei dieser Gegenstand eine heißbearbeitete, völlig dichte, konsolidierte Masse aus mit gasförmigem Stickstoff zerstäubten, vorlegierten Teilchen einer Werkzeugstahllegierung umfaßt, die in Gewichtsprozent 1,25 bis 1,50 Kohlenstoff, 0,20 bis 1,00 Mangan, 1,10 bis 0,26 Schwefel, bis zu 0,04 Phosphor, bis zu 1,00 Silizium, 3,0 bis 6,00 Chrom, 4,0 bis 6,0 Molybdän, 3,50 bis 4,50 Vanadium, 4,0 bis 6,5 Wolfram, bis zu 0,025 Sauerstoff, bis zu 0,10 Stickstoff umfaßt, wobei der Rest aus Eisen und zufälligen Verunreinigungen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand eine maximale Sulfidgröße besitzt, die so gesteuert ist, daß sie weniger als ungefähr 0,15 um beträgt.2. A machinable powder metallurgically produced sulfur-containing tool steel article having a minimum transverse bending ultimate strength of 3450 MPa (500 ksi) when heat treated to achieve a hardness of 64 to 66 HRC, said article comprising a hot worked, fully dense, consolidated mass of gaseous nitrogen atomized prealloyed particles of a tool steel alloy containing, by weight percent, 1.25 to 1.50 carbon, 0.20 to 1.00 manganese, 1.10 to 0.26 sulfur, up to 0.04 phosphorus, up to 1.00 silicon, 3.0 to 6.00 chromium, 4.0 to 6.0 molybdenum, 3.50 to 4.50 vanadium, 4.0 to 6.5 tungsten, up to 0.025 oxygen, up to 0.10 nitrogen, the balance being iron and incidental impurities, characterized in that the article has a maximum sulfide size controlled to be less than about 0.15 µm. 3. Pulvermetallurgisch hergestellter, Schwefel enthaltender Werkzeugstahlgegenstand nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schwefelgehalt im Bereich von 0,14 Prozent bis 0,26 Prozent liegt.3. A powder metallurgically produced sulfur-containing tool steel article according to claim 1 or 2, wherein the sulfur content is in the range of 0.14 percent to 0.26 percent. 4. Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen, Schwefel enthaltenden Werkzeugstahlgegenstandes, der eine heißbearbeitete, völlig dichte, konsolidierte Masse aus mit Stickstoff zerstäubten, vorlegierten Teilchen einer Werkzeugstahllegierung umfaßt, die in Gewichtsprozent 0,80 bis 3,00 Kohlenstoff, 0,20 bis 2,00 Mangan, 0,10 bis 0,30 Schwefel, bis zu 0,04 Phosphor, 0,20 bis 1,50 Silizium, 3 bis 12,00 Chrom, 0,25 bis 10,00 Vanadium, bis zu 11,00 Molybdän, bis zu 18,00 Wolfram, bis zu 10,00 Kobalt, bis zu 0,10 Stickstoff und bis zu 0,025 Sauerstoff umfaßt, wobei der Rest aus Eisen und zufälligen Verunreinigungen besteht, und wobei der Gegenstand eine maximale Sulfidgröße besitzt, die so gesteuert ist, daß sie weniger als ungefähr 15 um beträgt, und wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß die vorlegierten Teilchen durch Zerstäubung mit gasförmigem Stickstoff hergestellt werden, die vorlegierten Teilchen isostatisch bei einer Temperatur von 1185ºC (2165ºF) und einem Druck von 103,5 Mpa (15 ksi) heiß auf volle Dichte verdichtet werden und daß der sich ergebende verdichtete Körper bei einer Temperatur von 1121ºC (2050ºF) auf die gewünschte Form des Gegenstandes heiß bearbeitet und der Gegenstand geglüht wird.4. A process for making a powder metallurgical sulfur-containing tool steel article comprising a hot worked, fully dense, consolidated mass of nitrogen atomized prealloyed particles of a tool steel alloy comprising, by weight percent, 0.80 to 3.00 carbon, 0.20 to 2.00 manganese, 0.10 to 0.30 sulfur, up to 0.04 phosphorus, 0.20 to 1.50 silicon, 3 to 12.00 chromium, 0.25 to 10.00 vanadium, up to 11.00 molybdenum, up to 18.00 tungsten, up to 10.00 cobalt, up to 0.10 nitrogen and up to 0.025 oxygen, the balance being iron and incidental impurities, and wherein the article has a maximum sulfide size controlled so as to is less than about 15 µm, and the process comprises the steps of preparing the prealloyed particles by atomization with gaseous nitrogen, hot isostatically compacting the prealloyed particles to full density at a temperature of 1185ºC (2165ºF) and a pressure of 103.5 MPa (15 ksi), and hot working the resulting compacted body to the desired article shape at a temperature of 1121ºC (2050ºF), and annealing the article. 5. Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen, Schwefel enthaltenden Werkzeugstahlgegenstandes, der eine minimale Querbiegungsbruchfestigkeit von 3450 MPa (500 ksi) besitzt, wenn er zur Erzielung einer Härte von 64 bis 66 HRC hitzebehandelt worden ist, wobei dieser Gegenstand eine heißbearbeitete, völlig dichte, konsolidierte Masse von mit Stickstoff zerstäubten, vorlegierten Teilchen einer Werkzeugstahllegierung enthält, die in Gewichtsprozent 1,25 bis 1,50 Kohlenstoff, 0,20 bis 1,00 Mangan, 0,10 bis 0,26 Schwefel, bis zu 0,04 Phosphor, bis zu 1,00 Silizium, 3,0 bis 6,0 Chrom, 4,0 bis 6,0 Molybdän, 3,5 bis 4,50 Vanadium, 4,0 bis 6,5 Wolfram, bis zu 0,025 Sauerstoff, bis zu 0,10 Stickstoff enthält, wobei der Rest aus Eisen und zufälligen Verunreinigungen besteht, und wobei dieser Gegenstand eine maximale Sulfidgröße besitzt, die so gesteuert ist, daß sie kleiner als ungefähr 15 um ist, und wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß vorlegierte Teilchen durch Stickstoff- Gaszerstäubung hergestellt und die vorlegierten Teilchen bei einer Temperatur von 1185ºC (2165ºF) und einem Druck von 103,5 MPa (15 ksi) auf volle Dichte verdichtet werden, daß der verdichtete Körper bei einer Temperatur von 1121ºC (2050ºF) heiß bearbeitet wird, um die gewünschte Form des Gegenstandes zur erzielen, und daß der Gegenstand geglüht wird.5. A process for producing a powder metallurgical sulfur-containing tool steel article having a minimum transverse bending rupture strength of 3450 MPa (500 ksi) when heat treated to achieve a hardness of 64 to 66 HRC, said article comprising a hot worked, fully dense, consolidated mass of nitrogen atomized, prealloyed particles of a tool steel alloy containing, by weight percent, 1.25 to 1.50 carbon, 0.20 to 1.00 manganese, 0.10 to 0.26 sulfur, up to 0.04 phosphorus, up to 1.00 silicon, 3.0 to 6.0 chromium, 4.0 to 6.0 molybdenum, 3.5 to 4.50 vanadium, 4.0 to 6.5 tungsten, up to 0.025 oxygen, up to 0.10 nitrogen, the balance being iron and incidental impurities, and wherein said article has a maximum sulfide size controlled to be less than about 15 µm, and the process comprising the steps of preparing prealloyed particles by nitrogen gas atomization, compacting the prealloyed particles to full density at a temperature of 1185ºC (2165ºF) and a pressure of 103.5 MPa (15 ksi), hot working the compacted body at a temperature of 1121ºC (2050ºF) to achieve the desired shape of the article, and annealing the article. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der Schwefelgehalt in einem Bereich von 0,14 bis 0,26 Gewichtsprozent liegt.6. A process according to claim 4 or 5, wherein the sulfur content is in a range of 0.14 to 0.26 percent by weight.
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