DE102019213030A1 - Process for the powder metallurgical production of components from stainless martensitic steel - Google Patents

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Thomas Woehrle
Patrick Fayek
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Verfahrensschritte aufweist, Bereitstellen eines Pulvers aus einem nichtrostenden martensitischen Stahl, Herstellen des Bauteils aus dem Pulver mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens, wobei das Bauteil eine Mikrolegierung aufweist, die mit einem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C unter Ausbildung kornstabilisierender Ausscheidungen wärmebehandelbar ist. Mit der Erfindung wird ferner ein Bauteil vorgeschlagen, dass nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt wurde.The present invention proposes a method for producing a component, characterized in that the method has the method steps, providing a powder made of a stainless martensitic steel, producing the component from the powder by means of a powder metallurgical process, the component having a microalloy that contains a thermochemical heat treatment step at a temperature in a range from greater than or equal to 1020 ° C. to less than or equal to 1300 ° C. with the formation of grain-stabilizing precipitates. The invention also proposes a component that was manufactured according to the proposed method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Bauteilen aus nichtrostendem martensitischen Stahl sowie ein pulvermetallurgisch hergestelltes Bauteil aus nichtrostendem martensitisch Stahl.The present invention relates to a method for the powder-metallurgical production of components from stainless martensitic steel and a powder-metallurgically produced component from stainless martensitic steel.

Stand der TechnikState of the art

Die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus Stahl können durch Wärmebehandlungen verbessert werden. Pulvermetallurgische Verfahren haben sich zur Herstellung von Bauteilen aus Stahl bewährt. Ein Vorteil von pulvermetallurgisch hergestellten Bauteilen ist es, dass die Bauteile zumeist ein feinkörnigeres Gefüge aufweisen im Vergleich zu konventionell hergestellten Bauteilen. Pulvermetallurgische Verfahren sind unter anderem aus der DE 10 2016 225616 A1 bekannt. Durch Wärme, beispielsweise bei der pulvermetallurgischen Herstellung oder einer anschließenden Behandlung, kann das Korn des vorteilhaften Gefüges jedoch ungewollt vergröbert werden.The mechanical properties of components made of steel can be improved by heat treatments. Powder metallurgical processes have proven themselves for the production of components from steel. One advantage of components manufactured using powder metallurgy is that the components usually have a finer-grain structure compared to conventionally manufactured components. Powder metallurgical processes are among others from the DE 10 2016 225616 A1 known. However, due to heat, for example during powder metallurgical production or a subsequent treatment, the grain of the advantageous structure can inadvertently be coarsened.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte aufweist:

  1. a. Bereitstellen eines Pulvers aus einem nichtrostenden martensitischen Stahl
  2. b. Herstellen des Bauteils aus dem Pulver mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens,
wobei das Bauteil eine Mikrolegierung aufweist, die mit einem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C unter Ausbildung kornstabilisierender Ausscheidungen wärmebehandelbar ist.The present invention relates to a method for producing a component, the method comprising the method steps:
  1. a. Providing a powder made of a martensitic stainless steel
  2. b. Manufacture of the component from the powder by means of a powder metallurgical process,
wherein the component has a micro-alloy which can be heat-treated with a thermochemical heat treatment step at a temperature in a range from greater than or equal to 1020 ° C. to less than or equal to 1300 ° C. with the formation of grain-stabilizing precipitates.

Im Gegensatz zu bekannten Methoden kann dadurch erreicht werden, dass das pulvermetallurgisch hergestellte Bauteil bei einer Herstellung und/oder einer Behandlung nach der Herstellung, in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C, eine verringerte Grobkornbildung aufweist. Dadurch können für pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile verbesserte mechanische Eigenschaften erreicht werden. Somit können die besonders vorteilhaften Formgebungsmöglichkeiten von pulvermetallurgischen Verfahren auch zu Herstellung von mechanisch besonders beanspruchten Bauteilen verwendet werden.In contrast to known methods, it can be achieved that the component produced by powder metallurgy has reduced coarse grain formation during production and / or treatment after production, in a temperature range from greater than or equal to 1020 ° C. to less than or equal to 1300 ° C. As a result, improved mechanical properties can be achieved for components manufactured using powder metallurgy. Thus, the particularly advantageous shaping possibilities of powder metallurgical processes can also be used for the production of mechanically particularly stressed components.

Unter pulvermetallurgischen Verfahren sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Verfahren zu verstehen, bei denen ein metallisches Pulver eingesetzt wird und zu einem Bauteil verarbeitet wird.For the purposes of the present invention, powder metallurgical processes are to be understood as meaning processes in which a metallic powder is used and processed into a component.

Unter nichtrostenden Stählen sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Stähle zu verstehen, die durch einen hohen Anteil von Chrom gegen Korrosion und Säure beständiger sind. Üblicherweise weisen nichtrostende Stähle einen Chromanteil von mehr als 10,5 Gew.-% auf. Stähle sind dabei Werkstoffe, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elementes, und deren Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2 Gew.-% ist. Nichtrostende Stähle im Sinne der vorliegenden Erfindung können dabei noch weitere Legierungsbestandteile wie Nickel, Molybdän, Mangan, Niob, Vanadium, Wolfram, Titan und/oder Kupfer aufweisen.In the context of the present invention, stainless steels are to be understood as meaning steels which are more resistant to corrosion and acids due to a high proportion of chromium. Stainless steels usually have a chromium content of more than 10.5% by weight. In this context, steels are materials whose iron mass fraction is greater than that of any other element and whose carbon content is generally less than 2% by weight. Stainless steels within the meaning of the present invention can also have further alloy components such as nickel, molybdenum, manganese, niobium, vanadium, tungsten, titanium and / or copper.

Unter martensitischen Stählen sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Stähle zu verstehen, die eine Martensitstruktur aufweisen.For the purposes of the present invention, martensitic steels are to be understood as meaning steels which have a martensite structure.

Der nichtrostende martensitische Stahl des Verfahrens weist eine Mikrolegierung auf, die mit einem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C unter Ausbildung kornstabilisierender Ausscheidungen wärmebehandelbar ist, vorzugsweise in einem Bereich von größer oder gleich 1050 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C.The stainless martensitic steel of the process has a micro-alloy which can be heat-treated with a thermochemical heat treatment step at a temperature in a range from greater than or equal to 1020 ° C. to less than or equal to 1300 ° C. with the formation of grain-stabilizing precipitates, preferably in a range greater than or equal to equal to 1050 ° C to less than or equal to 1300 ° C.

Unter einer Mikrolegierung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Legierung aufweisend Hauptlegierungselemente zu verstehen, die zusätzlich Mikrolegierungselemente und ausscheidungsbildende Elemente aufweist. Mikrolegierungselemente sind dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung Elemente, die mit den ausscheidungsbildenden Elementen kornstabilisierende Ausscheidungen bilden können. Unter kornstabilisierenden Ausscheidungen sind dabei insbesondere mikroskopische Ausscheidungen zu verstehen, die ein Kornwachstum hemmen.In the context of the present invention, a micro-alloy is to be understood as an alloy having main alloy elements, which additionally has micro-alloy elements and precipitation-forming elements. In the context of the present invention, microalloy elements are elements which can form grain-stabilizing precipitates with the precipitate-forming elements. Grain-stabilizing precipitates are to be understood in particular as microscopic precipitates which inhibit grain growth.

Unter einem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt ist dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Behandlung des Stahls bei ausreichend hoher Temperatur unter gleichzeitiger Einbringung nichtmetallischer, ausscheidungsbildender Legierungselemente (z.B. N, C, B) zu verstehen. Dabei kann unter einem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Behandlungwährend der Verfahrensschritte a) und/oder b), sowie alternativ oder zusätzlich auch eine Behandlung nach diesen Verfahrensschritten verstanden werden. Der thermochemische Wärmebehandlungsschritt kann dabei nach einem herkömmlichen, dem Fachmann bekannten Verfahren durchführbar sein. Beispielsweise kann das Bauteil in einer Kammer in einem Ofen wärmebehandelt werden.In the context of the present invention, a thermochemical heat treatment step is understood to mean a treatment of the steel at a sufficiently high temperature with the simultaneous introduction of non-metallic, precipitation-forming alloying elements (eg N, C, B). A thermochemical heat treatment step in the sense of the present invention can be understood to mean a treatment during process steps a) and / or b), and alternatively or additionally also a treatment after these process steps. The thermochemical heat treatment step can be carried out according to a conventional method known to the person skilled in the art. For example, the component can be in a chamber in an oven.

Demnach kann durch das vorbeschriebene Verfahren vorteilhafter Weise erreicht werden, dass das erhaltene Bauteil bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C hergestellt und/oder in diesem Bereich behandelt werden kann, beispielsweise zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, ohne, dass es zu einer Grobkornbildung kommt.Accordingly, it can advantageously be achieved by the method described above that the component obtained can be produced and / or treated in this range at a temperature in a range from greater than or equal to 1020 ° C. to less than or equal to 1300 ° C., for example to improve the mechanical properties without coarse grain formation.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass das Pulver aus einem nichtrostenden martensitischen Stahl die Mikrolegierung aufweist. Darunter ist zu verstehen, dass bereits das Pulver in Verfahrensschritt a) die Mikrolegierung aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Bauteil die Mikrolegierung nach Schritt b) oder bei einer anschließenden Wärmebehandlung aufweist beziehungsweise erhält durch das Einstellen des Gehalts an ausscheidungsbildenden Elementen, wie später im Detail beschrieben. It can be provided that the powder made of a stainless martensitic steel has the microalloy. This is to be understood as meaning that the powder in process step a) already has the microalloy. Alternatively or additionally, it can be provided that the component has or receives the microalloy after step b) or during a subsequent heat treatment by setting the content of precipitation-forming elements, as described in detail later.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Bauteil mit dem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C wärmebehandelt wird, wobei sich die kornstabilisierenden Ausscheidungen bilden. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Bauteil mit dem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1050 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C wärmebehandelt wird.It can preferably be provided that the component is heat-treated with the thermochemical heat treatment step at a temperature in a range from greater than or equal to 1020 ° C. to less than or equal to 1300 ° C., the grain-stabilizing precipitates being formed. It can preferably be provided that the component is heat-treated with the thermochemical heat treatment step at a temperature in a range from greater than or equal to 1050 ° C. to less than or equal to 1300 ° C.

Dadurch kann erreicht werden, dass das Bauteil verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist, wobei eine Grobkornbildung im Wesentlichen verhindert werden kann. Somit können mit dem Verfahren vorteilhafter Weise wärmebehandelte Bauteile mit einem feinen Gefüge bereitgestellt werden.It can thereby be achieved that the component has improved mechanical properties, with the formation of coarse grains being able to be essentially prevented. Thus, with the method, heat-treated components with a fine structure can advantageously be provided.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der thermochemische Wärmebehandlungsschritt wenigstens einen thermochemischen Wärmebehandlungsschritt umfasst aus der Gruppe bestehend aus, Hochtemperaturnitrieren, Einsatzhärten oder Borieren.It can preferably be provided that the thermochemical heat treatment step comprises at least one thermochemical heat treatment step from the group consisting of high-temperature nitriding, case hardening or boriding.

Unter einem Hochtemperaturnitrieren ist im Sinn der vorliegenden Erfindung ein Nitrieren bei einer erhöhten Temperatur zu verstehen. Unter Nitrieren ist dabei ein Aufsticken zu verstehen, also ein Härten durch Eindiffundieren von Stickstoff.In the context of the present invention, high-temperature nitriding is to be understood as nitriding at an elevated temperature. Nitriding is to be understood as embroidering, i.e. hardening through the diffusion of nitrogen.

Unter einem Einsatzhärten ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei ein Verfahrensschritt umfassend ein Aufkohlen bei einer erhöhten Temperatur zu verstehen, also ein Härten durch Eindiffundieren von Kohlenstoff.In the context of the present invention, case hardening is understood to mean a method step comprising carburizing at an elevated temperature, that is to say hardening by diffusing in carbon.

Unter einem Borieren ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Härten durch Eindiffundieren von Bor bei einer erhöhten Temperatur zu verstehen.In the context of the present invention, boronizing is understood to mean hardening by diffusing boron at an elevated temperature.

Die vorbeschriebenen Temperaturen beziehen sich auf den vorstehend definierten Temperaturbereich von größer oder gleich 1020°C bis kleiner oder gleich 1300°C.The above-described temperatures relate to the temperature range defined above from greater than or equal to 1020 ° C. to less than or equal to 1300 ° C.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Verfahren einen Wärmebehandlungsschritt aus der Gruppe bestehend aus Lösungsglühen und heißisostatischem Pressen umfasst. Es kann vorgesehen sein, dass dieser Wärmebehandlungsschritt zusammen mit dem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt durchgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass dieser Wärmebehandlungsschritt zumindest zum Teil oder vollständig nach dem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt durchgeführt wird.It can preferably be provided that the method comprises a heat treatment step from the group consisting of solution heat treatment and hot isostatic pressing. It can be provided that this heat treatment step is carried out together with the thermochemical heat treatment step. Alternatively or additionally, it can be provided that this heat treatment step is carried out at least partially or completely after the thermochemical heat treatment step.

Unter einem Lösungsglühen ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Wärmebehandeln zur gleichmäßigen Verteilung von Legierungselementen der Legierung bei einer erhöhten Temperatur zu verstehen.For the purposes of the present invention, a solution heat treatment is to be understood as a heat treatment for the uniform distribution of alloying elements of the alloy at an elevated temperature.

Unter einem heißisostatischen Pressen ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein verdichten des Bauteils bei einem erhöhten Druck und einer erhöhten Temperatur zu verstehen.In the context of the present invention, hot isostatic pressing is understood to mean compressing the component at an elevated pressure and an elevated temperature.

Die vorbeschriebenen Temperaturen beziehen sich auf den vorstehend definierten Temperaturbereich von größer oder gleich 1020°C bis kleiner oder gleich 1300°C.The above-described temperatures relate to the temperature range defined above from greater than or equal to 1020 ° C. to less than or equal to 1300 ° C.

Durch die vorgenannten thermochemischen Wärmebehandlungsschritte kann erreicht werden, dass die mechanischen Eigenschaften des Bauteils verbessert werden. Indem der nichtrostende martensitische Stahl die Mikrolegierung aufweist kann so eine Grobkornbildung vermieden werden, wodurch sich weiter verbesserte mechanische Eigenschaften ergeben. Dadurch kann insbesondere das vorteilhafter Weise das feine Gefüge von pulvermetallurgisch hergestellten Bauteilen bei einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften beibehalten werden.The aforementioned thermochemical heat treatment steps can improve the mechanical properties of the component. Since the stainless martensitic steel has the micro-alloy, coarse grain formation can be avoided, which results in further improved mechanical properties. In this way, in particular, the fine structure of components produced by powder metallurgy can advantageously be retained with an improvement in the mechanical properties.

Dem Vorstehenden folgend kann es vorgesehen sein, dass der thermochemische Wärmebehandlungsschritt ein Einstellen von zumindest einem vom Stickstoffanteil, Kohlenstoffanteil oder Boranteil der Mikrolegierung umfasst.In accordance with the above, it can be provided that the thermochemical heat treatment step includes setting at least one of the nitrogen, carbon or boron components of the microalloy.

Darunter ist zu verstehen, dass zumindest einer vom Stickstoffanteil, Kohlenstoffanteil oder Boranteil der Mikrolegierung bei der thermochemischen Wärmebehandlung eingestellt wird. Unter einem Einstellen zumindest eines vom Stickstoffanteil, Kohlenstoffanteil oder Boranteil der Mikrolegierung ist zu verstehen, dass der Gehalt des jeweiligen Legierungsbestandteils auf einen vorbestimmten Wert oder Bereich eingestellt wird.This is to be understood as meaning that at least one of the nitrogen content, carbon content or Boron content of the micro-alloy is set in the thermochemical heat treatment. Setting at least one of the nitrogen content, carbon content or boron content of the microalloy is to be understood as meaning that the content of the respective alloy component is set to a predetermined value or range.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der thermochemische Wärmebehandlungsschritt ein thermochemischer Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur unterhalb einer Auflösungstemperatur der kornstabilisierenden Ausscheidungen ist, vorzugsweise größer oder gleich 100 °C unterhalb der Auflösungstemperatur, insbesondere größer oder gleich 200 °C unterhalb der Auflösungstemperatur.It can preferably be provided that the thermochemical heat treatment step is a thermochemical heat treatment step at a temperature below a dissolution temperature of the grain-stabilizing precipitates, preferably greater than or equal to 100 ° C below the dissolution temperature, in particular greater than or equal to 200 ° C below the dissolution temperature.

Unter der Auflösungstemperatur der kornstabilisierenden Ausscheidungen ist dabei die Temperatur zu verstehen, bei der sich im Durchschnitt die kornstabilisierenden Ausscheidungen wieder auflösen. Darunter ist insbesondere eine Temperatur zu verstehen, die kleiner oder gleich der Schmelztemperatur der Mikrolegierung ist.The dissolution temperature of the grain-stabilizing precipitates is to be understood as the temperature at which, on average, the grain-stabilizing precipitates dissolve again. This is to be understood as meaning, in particular, a temperature that is less than or equal to the melting temperature of the microalloy.

Dadurch kann erreicht werden, dass die Wärmebehandlung besonders effizient durchgeführt werden kann, ohne die kornstabilisierenden Ausscheidungen aufzulösen. Durch eine Temperatur, die entsprechend dem obigen Bereich kleiner ist als die Auflösungstemperatur der kornstabilisierenden Ausscheidungen kann erreicht werden, dass sich Ausscheidungen, die auf Grund von Inhomogenitäten in der Mikrolegierung abweichende Auflösungstemperaturen aufweisen, nicht ungewollt auflösen, und es so erreicht wird dass die Vorteile beibehalten werden.It can thereby be achieved that the heat treatment can be carried out particularly efficiently without dissolving the grain-stabilizing precipitates. With a temperature that is lower than the dissolution temperature of the grain-stabilizing precipitates in accordance with the above range, it can be achieved that precipitates that have different dissolution temperatures due to inhomogeneities in the microalloy do not unintentionally dissolve, and the advantages are maintained in this way become.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Pulver aus nichtrostendem martensitischen Stahl in Verfahrensschritt a) die Mikrolegierung mit einem Stickstoffanteil aufweist, wobei der Stickstoffanteil durch Nitrieren während des Gasverdüsen unter Stickstoffatmosphäre eingestellt wurde.It can preferably be provided that the powder made of stainless martensitic steel in method step a) has the microalloy with a nitrogen content, the nitrogen content being adjusted by nitriding during the gas atomization under a nitrogen atmosphere.

Dadurch kann erreicht werden, dass direkt ein Pulver mit dem gewünschten Stickstoffanteil bereitgestellt werden kann. Somit kann zudem erreicht werden, dass der Stickstoffanteil bei der Herstellung des Bauteils möglichst homogen im Bauteil verteilt ist, was dazu führt, dass sich die kornstabilisierenden Ausscheidungen homogen im Bauteil bilden. Beispielsweise können sich die kornstabilisierenden Ausscheidungen beim herstellen des Bauteils mittels des pulvermetallurgischen Verfahrens ausbilden.It can thereby be achieved that a powder with the desired nitrogen content can be provided directly. In this way it can also be achieved that the nitrogen content is distributed as homogeneously as possible in the component during the production of the component, which means that the grain-stabilizing precipitates form homogeneously in the component. For example, the grain-stabilizing precipitations can be formed when the component is manufactured using the powder-metallurgical process.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Bauteil für eine Dauer in einem Bereich von größer oder gleich 15 min bis kleiner oder gleich 10 h mit dem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt wärmebehandelt wird.It can preferably be provided that the component is heat-treated with the thermochemical heat treatment step for a duration in a range from greater than or equal to 15 minutes to less than or equal to 10 hours.

Dadurch kann erreicht werden, dass die durch den thermochemischen Wärmebehandlungsschritt zu verbessernden mechanischen Eigenschaften verbessert werden und ausreichend kornstabilisierende Ausscheidungen gebildet werden um dabei eine Bildung von Grobkorn zu verhindern.It can thereby be achieved that the mechanical properties to be improved by the thermochemical heat treatment step are improved and sufficient grain-stabilizing precipitates are formed in order to prevent the formation of coarse grains.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das pulvermetallurgische Verfahren eine additive Fertigung ist.It can preferably be provided that the powder metallurgical process is an additive manufacturing.

„Additive Fertigung“ ist auch unter den Bezeichnungen „3D Druck“ oder „Additive Manufacturing“ (AM) bekannt. Durch die additive Fertigung liegt der Stahl im weichen, lösungsgeglühten Zustand oder im unzureichend gehärteten Zustand vor, weswegen ein nachträgliches Wärmebehandeln zum Erreichen der vollen mechanischen Eigenschaften bekannter Weise erforderlich ist. Bei der additiven Fertigung ist vorgesehen, dass das Material Schicht für Schicht aufgetragen und selektiv schichtweise verschmolzen wird, so dass dreidimensionale Werkstücke aufgebaut werden. Das schichtweise Verschmelzen erfolgt beispielsweise durch das selektive Laserstrahlschmelzen."Additive manufacturing" is also known under the terms "3D printing" or "Additive Manufacturing" (AM). As a result of additive manufacturing, the steel is in a soft, solution-annealed condition or in an insufficiently hardened condition, which is why subsequent heat treatment is required in a known manner to achieve the full mechanical properties. In additive manufacturing, it is provided that the material is applied layer by layer and selectively fused layer by layer so that three-dimensional workpieces are built up. The fusing in layers takes place, for example, by means of selective laser beam melting.

Durch das vorbeschriebene Verfahren kann dabei erreicht werden, dass in thermochemischen Wärmebehandlungsschritten, die sich insbesondere einer additiven Fertigung anschließen, das feine Gefüge des Bauteils weniger stark beeinträchtigt wird. Dadurch können sich auch für additiv gefertigte Bauteile besonders gute mechanische Eigenschaften durch Wärmebehandlungsverfahren erreichen lassen ohne zugleich das durch das Verfahren erreichte feine Gefüge wieder zu vergröbern.With the method described above, it can be achieved that in thermochemical heat treatment steps, which in particular follow additive manufacturing, the fine structure of the component is impaired less severely. As a result, particularly good mechanical properties can be achieved for additively manufactured components through heat treatment processes without at the same time coarsening the fine structure achieved by the process.

Wenn das pulvermetallurgische Verfahren eine additive Fertigung ist, kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass der thermochemische Wärmebehandlungsschritt während der Pulverherstellung und/oder des pulvermetallurgischen Verfahrens durchgeführt wird.If the powder metallurgical process is an additive manufacturing, it can particularly preferably be provided that the thermochemical heat treatment step is carried out during the powder production and / or the powder metallurgical process.

Dadurch kann vorteilhafter Weise erreicht werden, dass schon während der Herstellung das feine Gefüge durch die kornstabilisierenden Ausscheidungen stabilisiert wird. Somit können Bauteile mit einem ganz besonders feinen Gefüge und zugleich guten mechanischen Eigenschaften bereitgestellt werden.As a result, it can advantageously be achieved that the fine structure is stabilized by the grain-stabilizing precipitations during production. In this way, components with a particularly fine structure and at the same time good mechanical properties can be provided.

Dabei kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das Pulver aus nichtrostendem martensitischen Stahl die Mikrolegierung aufweist. Bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass die Mikrolegierung einen Stickstoffanteil aufweist, wobei der Stickstoffanteil durch Gasverdüsen unter Stickstoffatmosphäre eingestellt wurde.It can preferably be provided that the powder made of stainless martensitic steel has the microalloy. It can preferably be provided that the micro-alloy has a nitrogen content, the nitrogen content being adjusted by gas atomization under a nitrogen atmosphere.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass das pulvermetallurgische Verfahren ein Metallpulverspritzguss ist (MIM). Dabei können vorteilhafter Weise vor dem Sintern bereits die kornstabilisierenden Ausscheidungen gebildet werden.Alternatively, it can be provided that the powder metallurgical process is a metal powder injection molding (MIM). In this case, the grain-stabilizing precipitates can advantageously already be formed before the sintering.

Wenn das pulvermetallurgische Verfahren ein Metallpulverspritzguss ist, kann ganz besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass der thermochemische Wärmebehandlungsschritt ein Einstellen von zumindest einem vom Stickstoffanteil, Kohlenstoffanteil oder Boranteil der Mikrolegierung umfasst. Ganz besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das pulvermetallurgische Verfahren ein Metallpulverspritzguss ist und das Wärmebehandlungsverfahren ein Hochtemperaturnitrieren.If the powder metallurgical process is a metal powder injection molding, it can very particularly preferably be provided that the thermochemical heat treatment step comprises setting at least one of the nitrogen, carbon or boron components of the microalloy. It can very particularly preferably be provided that the powder metallurgical process is metal powder injection molding and the heat treatment process is high-temperature nitriding.

Dadurch kann vorteilhafter Weise der Metallpulverspritzguss mit üblichen Verfahren durchgeführt werden und bei der anschließenden thermochemischen Wärmebehandlung durch Hochtemperaturnitrieren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften die Mikrolegierung eingestellt werden, so dass sich beim Hochtemperaturnitrieren die kornstabilisierenden Ausscheidungen bilden. Dadurch kann vorteilhafter Weise eine Vergröberung des Gefüges verhindert werden.As a result, metal powder injection molding can advantageously be carried out using conventional methods and the microalloy can be adjusted during the subsequent thermochemical heat treatment by high-temperature nitriding to improve the mechanical properties, so that the grain-stabilizing precipitates are formed during high-temperature nitriding. A coarsening of the structure can thereby advantageously be prevented.

Hinsichtlich weiterer Merkmale oder Vorteile des Verfahrens wird hiermit auf die Ausführungen betreffend das Bauteil, die Figur und die Beispiele verwiesen.With regard to further features or advantages of the method, reference is hereby made to the statements relating to the component, the figure and the examples.

Mit der Erfindung wird ferner ein Bauteil, hergestellt nach dem vorbeschriebenen Verfahren, vorgeschlagen.The invention also proposes a component produced according to the method described above.

Das Bauteil weist einen nichtrostenden martensitischen Stahl auf, wobei das Bauteil eine Mikrolegierung aufweist, die mit einem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1050 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C unter Ausbildung kornstabilisierender Ausscheidungen wärmebehandelbar, insbesondere wärmebehandelt, ist.The component has a stainless martensitic steel, the component having a micro-alloy which can be heat-treated, in particular heat-treated, with a thermochemical heat treatment step at a temperature in a range from greater than or equal to 1050 ° C to less than or equal to 1300 ° C with the formation of grain-stabilizing precipitates, is.

Derartige Bauteile weisen auf Grund ihrer pulvermetallurgischen Herstellung ein feines Gefüge auf. Zudem können die mechanischen Eigenschaften derartiger Bauteile vorteilhafter Weise durch Wärmebehandlungen verbessert werden, ohne dass das feine Gefüge vergröbert wird, weil in dem Temperaturbereich, in dem eine Vergröberung zu erwarten ist, durch die Mikrolegierung kornstabilisierende Ausscheidungen gebildet werden.Such components have a fine structure due to their powder-metallurgical production. In addition, the mechanical properties of such components can advantageously be improved by heat treatments without the fine structure being coarsened, because grain-stabilizing precipitates are formed by the micro-alloy in the temperature range in which coarsening is to be expected.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Mikrolegierung besteht aus:

  • den ausscheidungsbildenden Elementen Kohlenstoff in einem Bereich von größer oder gleich 0,1 gew.-% bis kleiner oder gleich 1 gew.-%, Stickstoff in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 1 gew.-%, Bor in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 1 gew.-%;
  • den Hauptlegierungselementen Chrom in einem Bereich von größer oder gleich 10 gew.-% bis kleiner oder gleich 30 gew.-%, Nickel in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 8 gew.-%, Mangan in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 10 gew.-%, Molybdän in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 10 gew.-%, Cobalt in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 20 gew.-%, Kupfer in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 7 gew.-%;
  • den Mikrolegierungselementen Aluminium in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 20 gew.-%, Titan in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 2 gew.-%, Vanadium in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 1 gew.-%, Niob in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 1 gew.-%; und Rest Eisen,
wobei die Mikrolegierung ein Gesamtanteil an Mikrolegierungselementen aufweist in einem Bereich von größer oder gleich 0,01 gew.-% bis kleiner oder gleich 23 gew.-%.It can preferably be provided that the micro-alloy consists of:
  • the precipitation-forming elements carbon in a range from greater than or equal to 0.1% by weight to less than or equal to 1% by weight, nitrogen in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 1% by weight , Boron in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 1% by weight;
  • the main alloy elements chromium in a range from greater than or equal to 10% by weight to less than or equal to 30% by weight, nickel in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 8% by weight, manganese in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 10% by weight, molybdenum in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 10% by weight, cobalt in a range greater than or equal to 10% by weight or equal to 0% by weight to less than or equal to 20% by weight, copper in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 7% by weight;
  • the micro-alloy elements aluminum in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 20% by weight, titanium in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 2% by weight, vanadium in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 1% by weight, niobium in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 1% by weight; and the rest iron,
wherein the micro-alloy has a total proportion of micro-alloy elements in a range from greater than or equal to 0.01% by weight to less than or equal to 23% by weight.

Dadurch kann erreicht werden, dass die Mikrolegierung besonders gut kornstabilisierende Ausscheidungen bildet oder gebildet hat.In this way it can be achieved that the micro-alloy forms or has formed precipitates that are particularly good at stabilizing grain.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Bauteils werden durch die Figur und das Beispiel veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figur und das Beispiel nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.Further advantages and advantageous configurations of the method and component according to the invention are illustrated by the figure and the example and explained in the following description. It should be noted that the figure and the example are only intended to be of a descriptive nature and are not intended to restrict the invention in any way.

Es zeigt:

  • 1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
It shows:
  • 1 a flow chart of the method according to the invention.

1 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils. In Schritt 1 wird das Pulver aus nichtrostendem martensitischen Stahl bereitgestellt. In Schritt 2 wird das Bauteil aus dem Pulver mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens hergestellt. Der nichtrostende martensitische Stahl weist dabei eine Mikrolegierung auf, die mit einem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C unter Ausbildung kornstabilisierender Ausscheidungen wärmebehandelbar ist. 1 shows a flow diagram of the method for producing a component according to the invention. In step 1 the martensitic stainless steel powder is provided. In step 2 the component is manufactured from the powder using a powder metallurgical process. Of the Stainless martensitic steel has a micro-alloy that can be heat-treated with a thermochemical heat treatment step at a temperature in a range from greater than or equal to 1020 ° C. to less than or equal to 1300 ° C. with the formation of grain-stabilizing precipitates.

Beispiel A:Example A:

Es wird in einem ersten Schritt ein Pulver aus einem nichtrostenden martensitischen Stahl (1.4057) bereitgestellt, aufweisend eine Mikrolegierung mit 150 ppm Niob und 0,1 gew% N. In einem zweiten Schritt wird aus dem Pulver ein Bauteil mittels additiver Fertigung als pulvermetallurgisches Verfahrens hergestellt. Dabei wird eine Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1300°C erreicht. Somit wird das Bauteil bei der Herstellung bereits wärmebehandelt, wobei sich kornstabilisierende Ausscheidungen bilden.In a first step, a powder made of a stainless martensitic steel (1.4057) is provided, comprising a micro-alloy with 150 ppm niobium and 0.1% by weight N. In a second step, a component is made from the powder using additive manufacturing as a powder metallurgical process . A temperature in a range from greater than or equal to 1020 ° C. to less than or equal to 1300 ° C. is reached. Thus, the component is already heat-treated during manufacture, with grain-stabilizing precipitates forming.

Das Bauteil weist im Vergleich zu einem Bauteil aus einem nichtrostenden martensitischen Stahl ohne die Mikrolegierung ein feineres Gefüge auf.In comparison to a component made of a stainless martensitic steel without the micro-alloy, the component has a finer structure.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren konnten folglich überraschender Weise erreicht werden, dass das Gefüge von pulvermetallurgisch hergestellten Bauteilen nach einer anschließenden Wärmebehandlung immer noch fein ist.As a result of the method according to the invention, it was surprisingly possible to achieve that the structure of components produced by powder metallurgy is still fine after a subsequent heat treatment.

Beispiel BExample B.

Es wird in einem ersten Schritt ein Pulver aus einem nichtrostenden martensitischen Stahl (1.4021) bereitgestellt, aufweisend eine Mikrolegierungmit 200 ppm AI und 300 ppm Nb. In einem zweiten Schritt wird aus dem Pulver ein Bauteil mittels Metallspritzguss als pulvermetallurgisches Verfahrens hergestellt. Nach der Herstellung wird das Bauteil einer Hochtemperaturnitrierung bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1050 °C bis kleiner oder gleich 1100 °C unterzogen. Dabei wird in dem Bauteil eine Mikrolegierung erzeugt mit 0,2 gew.% N. Bei der Hochtemperaturnitrierung wird das Bauteil also zugleich Wärmebehandelt, wobei sich kornstabilisierende Ausscheidungen bilden.In a first step, a powder made of a stainless martensitic steel (1.4021) is provided, comprising a microalloy with 200 ppm Al and 300 ppm Nb. In a second step, a component is produced from the powder by means of metal injection molding as a powder metallurgical process. After production, the component is subjected to high-temperature nitriding at a temperature in a range from greater than or equal to 1050 ° C. to less than or equal to 1100 ° C. A micro-alloy with 0.2% by weight N is produced in the component. In the case of high-temperature nitriding, the component is therefore heat-treated at the same time, with grain-stabilizing precipitates being formed.

Das Bauteil weist im Vergleich zu einem Bauteil aus einem nichtrostenden martensitischen Stahl ohne die Mikrolegierung ein feineres Gefüge auf.In comparison to a component made of a stainless martensitic steel without the micro-alloy, the component has a finer structure.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren konnten folglich überraschender Weise erreicht werden, dass das Gefüge von pulvermetallurgisch hergestellten Bauteilen nach einer Wärmebehandlung immer noch fein ist.As a result of the method according to the invention, it was surprisingly possible to achieve that the structure of components produced by powder metallurgy is still fine after a heat treatment.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102016225616 A1 [0002]DE 102016225616 A1 [0002]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Verfahrensschritte aufweist: a. Bereitstellen eines Pulvers aus einem nichtrostenden martensitischen Stahl b. Herstellen des Bauteils aus dem Pulver mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens, wobei das Bauteil eine Mikrolegierung aufweist, die mit einem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C unter Ausbildung kornstabilisierender Ausscheidungen wärmebehandelbar ist.Method for producing a component, characterized in that the method has the method steps: a. Providing a powder made of a martensitic stainless steel b. Manufacture of the component from the powder by means of a powder metallurgical process, the component having a micro-alloy which can be heat-treated with a thermochemical heat treatment step at a temperature in a range from greater than or equal to 1020 ° C to less than or equal to 1300 ° C with the formation of grain-stabilizing precipitates. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mit dem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C wärmebehandelt wird, wobei sich die kornstabilisierenden Ausscheidungen bilden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the component is heat-treated with the thermochemical heat treatment step at a temperature in a range from greater than or equal to 1020 ° C to less than or equal to 1300 ° C, the grain-stabilizing precipitates being formed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermochemische Wärmebehandlungsschritt wenigstens einen thermochemischen Wärmebehandlungsschritt umfasst aus der Gruppe bestehend aus, Hochtemperaturnitrieren, Einsatzhärten oder Borieren.Method according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the thermochemical heat treatment step comprises at least one thermochemical heat treatment step from the group consisting of high-temperature nitriding, case hardening or boriding. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Wärmebehandlungsschritt aus der Gruppe bestehend aus Lösungsglühen und heißisostatischem Pressen umfasst..Method according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that the method comprises a heat treatment step from the group consisting of solution heat treatment and hot isostatic pressing. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der thermochemische Wärmebehandlungsschritt ein thermochemischer Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur unterhalb einer Auflösungstemperatur der kornstabilisierenden Ausscheidungen ist, vorzugsweise größer oder gleich 100 °C unterhalb der Auflösungstemperatur, insbesondere größer oder gleich 200 °C unterhalb der Auflösungstemperatur.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the thermochemical heat treatment step is a thermochemical heat treatment step at a temperature below a dissolution temperature of the grain-stabilizing precipitates, preferably greater than or equal to 100 ° C below the dissolution temperature, in particular greater than or equal to 200 ° C below the dissolution temperature. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver aus nichtrostendem martensitischen Stahl in Verfahrensschritt a) die Mikrolegierung mit einem Stickstoffanteil aufweist, wobei der Stickstoffanteil durch Nitrieren beim Gasverdüsen unter Stickstoffatmosphäre eingestellt wurde.Method according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the powder of stainless martensitic steel in process step a) has the microalloy with a nitrogen content, the nitrogen content being adjusted by nitriding during gas atomization under a nitrogen atmosphere. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das pulvermetallurgische Verfahren eine additive Fertigung ist.Method according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the powder metallurgical process is additive manufacturing. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das pulvermetallurgische Verfahren Metallpulverspritzguss ist.Method according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the powder metallurgical process is metal powder injection molding. Bauteil hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Bauteil einen nichtrostenden martensitischen Stahl aufweist, wobei da Bauteil eine Mikrolegierung aufweist, die mit einem thermochemischen Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 1020 °C bis kleiner oder gleich 1300 °C unter Ausbildung kornstabilisierender Ausscheidungen wärmebehandelbar ist.Component manufactured with a method according to one of the Claims 1 to 8th , the component comprising a stainless martensitic steel, the component comprising a micro-alloy which can be heat-treated with a thermochemical heat treatment step at a temperature in a range from greater than or equal to 1020 ° C to less than or equal to 1300 ° C with the formation of grain-stabilizing precipitates. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolegierung besteht aus: den ausscheidungsbildenden Elementen Kohlenstoff in einem Bereich von größer oder gleich 0,1 gew.-% bis kleiner oder gleich 1 gew.-%, Stickstoff in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 1 gew.-%, Bor in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 1 gew.-%; den Hauptlegierungselementen Chrom in einem Bereich von größer oder gleich 10 gew.-% bis kleiner oder gleich 30 gew.-%, Nickel in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 8 gew.-%, Mangan in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 10 gew.-%, Molybdän in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 10 gew.-%, Cobalt in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 20 gew.-%, Kupfer in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 7 gew.-%; den Mikrolegierungselementen Aluminium in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 20 gew.-%, Titan in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 2 gew.-%, Vanadium in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 1 gew.-%, Niob in einem Bereich von größer oder gleich 0 gew.-% bis kleiner oder gleich 1 gew.-%; und Rest Eisen, wobei die Mikrolegierung ein Gesamtanteil an Mikrolegierungselementen aufweist in einem Bereich von größer oder gleich 0,01 gew.-% bis kleiner oder gleich 23 gew.-%.Component after Claim 9 , characterized in that the micro-alloy consists of: the precipitation-forming elements carbon in a range from greater than or equal to 0.1% by weight to less than or equal to 1% by weight, nitrogen in a range from greater than or equal to 0% by weight % to less than or equal to 1% by weight, boron in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 1% by weight; the main alloy elements chromium in a range from greater than or equal to 10% by weight to less than or equal to 30% by weight, nickel in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 8% by weight, manganese in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 10% by weight, molybdenum in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 10% by weight, cobalt in a range greater than or equal to 10% by weight or equal to 0% by weight to less than or equal to 20% by weight, copper in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 7% by weight; the micro-alloy elements aluminum in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 20% by weight, titanium in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 2% by weight, vanadium in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 1% by weight, niobium in a range from greater than or equal to 0% by weight to less than or equal to 1% by weight; and the remainder iron, the micro-alloy having a total proportion of micro-alloy elements in a range from greater than or equal to 0.01% by weight to less than or equal to 23% by weight.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114574781A (en) * 2022-03-04 2022-06-03 江苏铭展特钢制造有限公司 Wear-resistant stainless steel bar for rail transit and preparation method thereof

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