DE2522073A1

DE2522073A1 - Blech aus einer legierung

Info

Publication number: DE2522073A1
Application number: DE19752522073
Authority: DE
Inventors: Eugene W Kelley
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1974-05-17
Filing date: 1975-05-17
Publication date: 1975-11-27
Also published as: FR2271300B1; SE7505709L; CA1052136A; US3966422A; FR2271300A1; GB1511734A

Description

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17. Mai 1975 Gzy/Al

Cabot Corporation

Blech aus einer Legierung

Die Erfindung betrifft ein nach dem Verfahren der Pulvermetallurgie hergestelltes Blech aus einer Legierung. Sie betrifft insbesondere ein solches Blech, das eine bisher nicht erreichte metallurgische Struktur hat und deutlich verbesserte physikalische Eigenschaften aufweist.

Bestimmte Kobaltlegierungen, welche in fein verteilter Form Carbide in einer Matrix einer festen Lösung enthalten, sind in der Industrie brauchbar bei Gegenständen mit einer schneidenden Kante. Obwohl diese Legierungen eine harte etwas unter derjenigen von gehärtetem Stahl haben, ist ihre Lebensdauer erheblich größer, als die von schneidenden Stahlkanten, insbesondere in einer korrodierenden oder oxydierenden Umgebung. Eine typische Legierung dieser Art hat die nachstehende Zusammensetzung, in Gewichtsprozent:

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	Nominal	Bevorzugter	Weiterer
Element	30	Bereich	Bereich
Chrom	4,5	28 bis 32	27 bis 32
Wolfram	1,65	3,5 bis 5,5	3,5 bis 5,5
Kohlenstoff	1,5 max	1,4 bis 1,9	,9 bis 2,4
Molybdän	1 "	1,5 max	1,5 max
Bor	3 "	1 "	1 "
Nickel	2 »	3 ,.	3 "
Silicium	3 "	2 "	2 π
Eisen	2 »	3 "	3 "
Mangan	Rest	ro	2 "
Kobalt	Rest	Rest

Die dispergierten Carbide sind Komplexecarbide insbesondere von Chrom, Wolfram und Molybdän. Obwohl eine solche Legierung gegossen werden kann und mit Schwierigkeit bearbeitet werden kann, so ist es bisher schwierig gewesen, in wirtschaftlichen Mengen sie in geschmiedeter Form herzustellen. Das beruht darauf _f daß die Schneidefähigkeit des fertigen geschmiedeten Endproduktes und seine Fähigkeit zur Bearbeitung in der Wärme sich verschlechtern, wenn die Teilchendurchmesser der dispergierten Carbide zu-nehmen. Wenn diese Carbide größer oder während der "Verfestigung erheblich gröber v/erden und wenn hierbei das Gußstück abgekühlt wird, so sind die Abmessungen solcher Stücke weitgehend beschränkt.

In allen mit Ausnahme der kleinsten Gußstücke nehmen der Verfestigung und des Abkühlens die Teilchengrößen der Carbide erheblich zu über das jenige Ausmaß, das für die besten Schneidefähigkeiten und Bearbeitungsfähigkeiten erforderlich ist. Manche der Gegenstände, für welche diese Legierung geeignet ist,

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erfordern die Form eines Bleches mit einer Breite bis zu 36 Zoll. Das bringt Schwierigkeiten mit sich, weil bei der weitgehenden Bearbeitung in der Wärme die Carbidteilchen weiter, anwachsen können. In einer bekannten Anlage werden Gußstücke mit einem Gewicht von etwa 6 Kilogramm hergestellt, die 8 Zoll x, 6 Zoll x, 1 Zoll müssen, worauf diese Gußstücke unter sorgfältig geregelten Bedingungen weiterverarbeitet werden. Sie werden einzeln von Hand gewalzt, wobei die dicken Abnahmen bei jedem Durchgang etwa 0,02 Zoll beträgt. Nach jedem zweiten Durchgang muß das Material von neuem erhitzt werden. Die mittlere Teilchengröße der Carbide in einem Blech mit einer Dicke von etwa 0,07 Zoll, die im Handel erforderlich ist, beträgt etwa 10 Mikron. Die Größe der Carbidteilchen ist nicht sehr abhängig von den Abmessungen der Stücke, wenn die Dauer des heißen Walzens, des Wiedererhitzens und des Temperns nicht unzulässig verlängert wird. Es ist klar, das ein Gußstück mit einem Gewicht von nicht mehr als etwa 6 Kilogramm kein Blech einer erheblichen Länge und Breite mit einer Dicke von etwa 0,07 Zoll ergeben kann.

Die wesentliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, in wirtschaftlichen Mengen ein Blech der beschriebenen Legierung herzustellen* die in dispergierter Form Carbide mit Teilchendurchmessern von nicht mehr als etwa 10 Mikron enthält. Andere Aufgaben gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor.

Die Pulvermetallurgie besteht in der Herstellung von fertigen Gegenständen, häufig von komplexer Form, durch Verfestigen von pulverförmigen Legierungen. Verhältnismäßig kleine kompakte Gegenstände sind auf diese Art hergestellt worden, teilweise in erheblichen Mengen. Die Temperatur beim Verfestigen kann

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unter den Schmelzpunkten der Legierungen gehalten werden. Große Gleichmäßigkeit kann erreicht werden bei Verwendung eines sogenannten vorlegierten Pulvers. Ein solches Pulver wird hergestellt durch feines verteilen einer Schmelze der gewünschten Zusammensetzung mit einem Gas und anschließendes sofortiges Abschrecken der Teilchen. Alle so erhaltenen Teilchen haben die gleiche Zusammensetzung. Obwohl die Legierung bis auf ihre Schmelztemperatur erhitzt werden muß, so sind die fein verteilten oder atomisierten Teilchen so kein, das sie fast sofort erstarren und das dashalb die dispergierten Teilchen der Carbide klein bleiben.

Der erfindungsgemäße Gegenstand ist ein Blech aus einer Legierung der erwähnten Zusammensetzung. Es ist hergestellt durch Verfestigen einer Bramme aus atomisierten Teilchen der Legierung, die ein fein verteiltes Carbid enthalten. Diese Brammen sind erheblich größer als die bekannten von etwa 6 Kilogramm. Die Bramme wird in der Hitze, zum Beispiel durch Walzen, zu einem Blech verarbeitet. Das Erstarren und die Bearbeitung in der Hitze werden so ausgeführt, daß in der nachstehend beschriebenen Art das Wachstum der Carbidteilchen verringert wird. Auf diese Art gelingt es in dem Blech Carbidteilchen zu erhalten, die um ein mehrfaches kleiner sind als nach den üblichen Verfahren. Messer aus Blechen gemäß der Erfindung haben schneidende Kanten, die den Bekannten deutlich überlegen sind.

Es ist bekannt, eine pulverförmige Legierung durch Anwendung von Wärme und Druck nach verschiedenen Verfahren zu verfestigen und dann in der Wärme zu bearbeiten. Pulverförmige

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Legierungen in Anteilen von wenigen Kilogramm sind nach verschiedenen Verfahren für die weitere Bearbeitung verfestigt worden, zum Beispiel durch Extrudieren der Wärme, durch Pressen in der Wärme, durch Schmieden und durch Anwendung eines isostatischen Druckes. Üblicherweise verfährt man so, daß man einen metallischen Behälter der gewünschten Abmessung mit der pulverförmigen Legierung füllt, ihn auf die Bearbeitungstemperatur erhitzt und verfestigt. Für einen kleinen Gegenstand kann die erforderliche Kraft ohne Schwierigkeiten erzeugt werden. Wenn aber Brammen von 10 oder 100 Kilogramm oder darüber hergestellt werden sollen, so ist für die Kraft eine Vorrichtung von erheblichem Ausmaß erforderlich. Die Schwierigkeiten werden besonders groß, wenn Legierungen der beschriebenen Zusammensetzung verfestigt werden sollen, weil die Bearbeitungstemperatur unter derjenigen gehalten werden muß, bei welcher die dispergierten Carbidteilchen erheblich wachsen. Das Wachstum der Carbidteilchen in der erwähnten Legierung wird sehr groß bei Temperaturen über 2300⁰F.

Versuche haben gezeigt, daß ein Pulver in einem Behälter mit einem Durchmesser von 2,5 Zoll auf 2300⁰F erhitzt werden kann unter 2 Minuten lang gegen einen festen Block in einer Extrusionspresse gedrückt werden kann, wenn Drücke von 22.000 psi oder darüber angewendet werden, um ein bearbeitbares Stück zu erhalten. Das Zusammenpressen einer pulverförmigen Legierung in einem Behälter mit den Abmessungen 3 Zoll x, 8 Zoll x, 8 Zoll bei 2275⁰F unter einem Druck von 37.000 psi ergibt ein Stück mit einem Durchmesser von 2 Quadrat-Zoll, das heiß gewalzt werden kann, in welchem aber während des Walzens zahlreiche Risse entstanden.

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Das heiße Pressen im Vakeuum ist erfolgreicher. Etwa 7 Kilogramm einer pulverförmigen Legierung wurden in die Höhlung einer Presse von 5 Zoll x, 42 Zoll mit einer Tiefe von 0,5 Zoll gebracht. Die Form wurde in einen Behälter mit Verbindung zum Vakeuum gebracht, auf 2175⁰F erhitzt und 3 Stunden lang unter einem Druck von 1250 psi gehalten, wobei kontinuierlich gepumpt wurde. Der entstandene Gegenstand hatte eine Dicke von 0,25 Zoll, eine Dichte von etwa 98 % der theoretischen Dichte und ließ sich zu einem Blech mit einer Dicke von 0,03 Zoll ohne Schv/ierigkeiten auswalzen. Die in den Blech enthaltenen dispergierten Carbide waren überraschender Weise erheblich kleiner, als in Gegenständen, die nach der bekannten Art hergestellt waren. Für dieses Verfahren sind aber kostspielige Anlagen erforderlich.

Wenn die Oberfläche des Stückes vergrößert werden soll, so müssen auch die Drücke entsprechend erhöht werden. Wenn die Dicke des Stückes erheblich vergrößert werden soll, so entstehen Schwierigkeiten durch das Pulver an den Kanten des Behälters während der Verfestigung, und das Erhitzen des in dem Behälter enthaltenen Pulvers ist schwierig. Das Heißpressen im Vakeuum erfordert Zeit, nicht nur zum Erhitzen und zum Pressen, sondern auch zum Hereinsetzen und Herausnehmen des Behälters in die Vakeuum-Apperatur. Hierfür ist etwa ein Tag erforderlich und besondere Vorrichtungen wären notwendig, um größere Mengen herzustellen.

Zum Verfestigen von Metallpulvern ist auch schon heißes isostatisches Pressen verwendet worden. Es wird so durchgeführt, daß man das Pulver in einer heißen Kammer mit einer Flüssigkeit zusammenpresst. Der heizbare Autoklav ist kostspielig, besonders

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dann, wenn er große Gegenstände unter hohen Drücken aufnehmen soll. Es wurde gefunden, da pulverförmige Legierungen der hier in Betracht kommenden Art durch heisses isostatisches Pressen auf eine Dichte von 95 % oder darüber der theoretischen Dichte verfestigt werden können, bei Temperaturen erheblich unter der kritischen Temperatur für das Wachstum der Carbidteilchen und bei Drücken von etwa 15.000 psi . Es wurde ferner gefunden, da aus pulverförmigen Legierungen durch heißes isostatisches Pressen Gegenstände von verhältnismäßig großen Querschnitten hergestellt werden können, die bearbeitbar sind und Brammen mit verbesserten Eigenschaften ergeben.

Es wurde gefunden, das eine pulverförmige Legierung mit Teilchengrößen unter 30 Maschen der erwähnten Zusammensetzung zu bestücken von 2 Zoll x, 3,5 Zoll x, 12 Zoll durch heißes isostatisches Pressen erhalten werden können. Es wurde ferner gefunden, das in einem größeren Isostaten aus einer pulverförmigen Legierung der gleichen Zusammensetzung eine Bramme von 4,75 Zoll x, 15, 8 Zoll x, 21,⁷'8 Zoll unter den gleichen Bedingungen der Temperatur, des Druckes und der Zeit, hergestellt werden kann. Es wurde ferner gefunden, das eine große isostatische Kammer mehrere Behälter mit dem Kupfer zur Herstellung von Brammen der obigen Abmessungen aufnehmen kann, und alle diese gleichzeitig unter den gleichen Druck und bei der gleichen Temperatur auf die gewünschte Dichte zusammengepreßt werden können. Der erste Verfahrensschritt zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gegenstandes besteht also darin, daß auf diese Art eine pulverförmige Legierung verfestigt wird.

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Wie schon erwähnt, besteht die Aufgabe der Erfindung in der Herstellung von Blechen aus einer Legierung mit darin dispergierten Carbiden, die eine Breite bis zu etwa 36 Zoll haben. Die Länge und die anderen Abmessungen der Bleche richten sich nach den Anforderungen der Verbraucher, wirtschaftlich ist aber die Herstellung der Bleche in großen Längen, die nachher auf die gewünschte Größe geschnitten werden. Es muß daher ausgegangen werden von einer erheblichen Menge des verfestigten Pulvers.

Der erste Verfahrensschritt bei dem bevorzugten Verfahren besteht darin, daß man durch die pulverförmige Legierung durch heißes isostatisches Pressen zu Brammen verfestigt. Die Brammen \tferden so groß hergestellt, wie es für die Herstellung der Bleche erforderlich und wirtschaftlich ist, wobei auch die Größe der isostatischen Kammer und die Handhabungsmöglichkeiten berücksichtigt werden. Die pulverförmige Legierung mit Teilchendurchmessern unter 30 Maschen wird in einen Behälter gebracht,

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vorzugsweise aus weichem Stahlblech mit einer Dicke von '8 Zoll. Dieser Behälter wird durch Verscheißen geschlossen und mit Verbindungen zu einer Vakeuumpumpe versehen, um das Pulver zu entgasen. Dann wird der an die Pumpe angeschlossene Behälter in einem Ofen auf eine Temperatur von etwa 1400⁰F erhitzt, und es wird gepumpt, bis der Druck in dem Behälter einen niedrigen Wert unter 20 Mikron, vorzugsweise unter 3 Mikron erreicht hat. Dann läßt man den Behälter auf Raumtemperatur oder auf eine Temperatur über Raumtemperatur abkühlen, bei welcher das Verschließen stattfindet, wobei durch das fortgesetzte Pumpen der Druck in den Behälter auf den erwähnten niedrigen Viert gehalten wird. Wenn der Behälter fertig

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für das Verschließen ist, werden die Verbindungen zu der Pumpe abgedichtet und der Behälter wird von ihnen abgelöst. Dieses Verfahren muß angewendet werden, wenn eine Richtbildung und ein Brechen der Legierung während der anschließenden Heißbearbeitung vermieden werden soll.

Das ausgegaste Pulver wird verfestigt durch Einbringen des Behälters in die Kammer eines Isostaten. Dort \\rird es auf eine Temperatur von etwa 210O⁰F unter einem Flüssigkeitsdruck von etwa 15.000 psi erhitzt. Man hält etwa 2 Stunden lang bei dieser Temperatur und diesem Druck, und kühlt dann auf Raumtemperatur ab. Während des Abkühlens kann der Druck auf etwa 15.000 psi sinken. Die Abmessungen des Behälters v/erden bei diesem Verfahrensschritt verringert. Das Pulver wird auf eine Dichte von etwa 95 % der theoretischen Dichte verfestigt. Ein Behälter mit Pulver von 5¹'4 x, 17 x, 24 Zoll wird zu

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einer Bramme von etwa 4 '4 x, 15 8 x» 21'⁷S Zoll verfestigt.

Dann wird die Bramme in einen Heizofen gebracht ohne den Behälter zu entfernen, und dort auf etwa 2150⁰F erhitzt. Man läßt 4 Stunden lang bei dieser Temperatur und walzt dann in der Hitze auf eine Dichte aus, die näher der theoretischen Dichte liegt und zwar zu Abmessungen entsprechend denen der Stahlindustrie. In einem Stahlwalzwerk wird ein Rohblech aus einem Gußstück nur in einer Richtung ausgewalzt und dann zerschnitten zu Längen, die der Breite des gewünschten Bleches entsprechen. Die Dicke und die Breite des Rohbleches werden so ausgewählt, das Bleche der gewünschten Dicke und Länge entstehen. Die Rohbleche haben Dicken von etwa 1/4 bis etwa 1 Zoll. Wegen der Begrenzungen des isostatischen Verfahrens

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können hierbei die Abmessungen der Bramme so groß sein, wie die gewünschte Breite des Bleches und es kann notwendig sein, die Bramme in Längsrichtung auszuwalzen, um die erforderlichen Abmessungen des Rohbleches zu erhalten.

Zum erfolgreichen Auswalzen sollte die Querschnittsabnahme niedrig gehalten werden, bei etwa 1 % oder 0,05 Zoll je Durchgang. Nach etwa je 4 Durchgängen wird das Werkstück wieder erhitzt. Die Querschnittsabnahme wird stufenweise vergrößert bis auf etwa 0,20 Zoll je Durchgang, wenn die Dicke des Werkstückes etwa die Hälfte der Dicke der Bramme erreicht hat, d.h. auf etwa 6 bis 8 %, und dann wird die Dickenabnahme stufenweise verringert auf etwa 0,05 Zoll je Durchgang, wenn das Werkstück eine Dicke von etwa 0,5 Zoll erreicht hat, oder etwa 10 %. Das Rohblech mit einer Dicke von 0,06 Zoll wird vorzugsweise auf eine Dicke von etwa 0,375 Zoll ausgewalzt.

Während dieses VerfahrensSchrittes, bei welchem die Dichte auf etwa die theoretische Dichte der Legierung gebracht wird, wird das Werkstück durch den Behälter aus Stahl gegen Oxydation geschützt, wobei die Dicke des Behälters entsprechend verringert wird. Ein Teil des Behälters fällt als Zunder ab. Der restliche Stahl des Behälters wird dann von dem Rohblech abgezogen. Dieses wird weiter bearbeitet, gewünschtenfalls in einem Ofen getempert und in ein Walzenstuhl bei einer Temperatur von etwa 215O⁰F bis auf eine Dicke von etwa 0,10 Zoll ausgewalzt. Wenn ein dünneres Blech gewünscht wird, so können Bleche dieser Dicke in Paaren durch die Walzen geführt werden, wobei die Dicke verringert wird.

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Die CarMdteilchen in dem entstandenen Blech sind überraschender Weise sehr viel kleiner, als in Blechen aus gußgekühlten nach den bekannten Verfahren. Figuren zeigen diese Unterschiede. Alle sind Fhotomikrographien eines Bleches mit einer Dicke von 0,07 Zoll der hier in Betracht kommenden Legierung mit einer Vergrößerung von 500.

Die Figur 1 zeigt ein Blech aus einem Gußstück von etwa 6 Kilogramm nach dem Stand der Technik. Die dunkeinen Inseln sind Carbide mit mittleren Teilchendurchmessern von etwa 10 Mikron.

Figur 2 ist ein Blech aus einem im Vakeuum in der Wärme zusammengepressen Stück von etwa 7 Kilogramm, das zu einem

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Röhblech mit einer Dicke von '4 Zoll verarbeitet und dann ausgewalzt war. Die Carbide haben mittlere Teilchendurchmesser von 2 Mikron oder etwas darunter.

Die Figur 3 zeigt ein Blech, das Heiß isostatisch verfestigt worden war unter einem Druck von etwa 400 psi, wobei die so erhaltene Bramme von 4 '4 x, 15 8 x» 21 '8 Zoll in der beschriebenen Art zu einem Blech ausgewalzt worden war. Die Carbide haben mittlere Teilchendurchmesser von 2 Mikron.

Der erfindungsgemäße Gegenstand kann gewünschten Falls auch hergestellt werden durch Verfestigen der pulverförmigen Legierung in Behältern mit kreisförmigen Querschnitten zu Körpern von eher kreisförmigem als rechtwinkeligem Querschnitt. Dieser Körper kann dann zu Rohblechen durch Schmieden oder Walzen oder mit einer Kombination dieser Verfahren verarbeitet werden. Das Rohblech wird dann zu einem Blech in der beschriebenen

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Art ausgewalzt.

Der erfindungsgemäße Gegenstand enthält nicht nur Carbide eines vielgeringeren mittleren Durchmessers als aus einem Gußstück, sondern er kann auch in Form eines kontinuierlichen Bleches von größerer Länger als bisher hergestellt werden. Erfindungsgemäß können Brammen mit einem Gewicht bis -etwa 200 Kilogramm aus fein verteilten Legierungen hergestellt werden. Demgegenüber könnten bisher nur Gußstücke von etwa 6 Kilogramm hergestellt werden. Sie Abmessungen der Brammen und die Menge des aus ihnen hergestellten Bleches ist lediglich begrenzt durch die Abmessungen des heißen Isostaten oder der anderen Vorrichtungen zum Verfestigen des Pulvers.

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Claims

Patentansprüche

1. Blech aus einer Legierung mit in ihr fein verteilten Carbitteilchen mit mittleren Durchmessern von weniger als 10 Mikron, durch Verarbeiten in der Hitze einer pulverförmigen Legierung zu einer Bramme, wobei die pulverförmige Legierung aus etwa 27 bis etwa 32 Prozent Chrom, etwa 3,5 bis etwa 5,5 % Wolfram, etwa 0,9 bis etwa 2,4 % Kohlenstoff, bis zu 1,5 % Molybdän, bis zu etwa 2 % Mangan, bis zu etwa 3 % Eisen, bis zu etwa 2 % Silicium, bis zu etwa 3 % Nickel, bis zu etwa 1 % Bor, Rest Kobalt, besteht, und wobei die Verfestigung und die Heißbearbeitung bei Temperaturen unter etwa 2300 ⁰F durchgeführt werden.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein etwa 28 bis 32 % Chrom und etwa 1,4 bis 1,9 % Kohlenstoff enthält.

3. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbitteilchen einen mittleren Durchmesser von etwa 2 Mikron haben.

4. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver der Legierung durch ein Sieb mit dreizig Maschen hindurchgeht.

5. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bramme ein Gewicht von dem mehrfachen von 6 Kilogramm hat.

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6. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bramme unter einem isostatischen Druck von wenigstens 15.000 psi bei einer Temperatur von wenigstens etwa 2100 ⁰F während wenigstens 2 Stunden auf eine Dichte von 95 % der theoretischen Dicht oder darüber verfestigt wird.

7. Gegenstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bramme vor der Verfestigung durch Erhitzen auf wenigstens 1400 ⁰F entgast wird.

8. Gegenstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Druck von weniger als etwa 3 Mikron entgast wird.

9. Gegenstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck von weniger als etwa 3 Mikron aufrechterhalten wird, während des Abkühlens des entgasten Pulvers bis auf eine Temperatur, bei welcher das Pulver für die Verfestigung vorbereitet wird.

10. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bramme zu einem Blech mit einer Dicke von weniger als einem halben Zoll durch Heißwalzen verarbeitet wird, wobei die Querschnittsverringerung je Durchgang von etwa 1 % beim Beginn des Walzens auf etwa 6 bis 8 % erhöht wird, wenn die Dicke der Bramme um etwa 50 % verringert wird, und auf etwa 10 %, wenn ein Blech mit einer Dicke von etwa einem halben Zoll hergestellt wird.

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