DE2937724C2

DE2937724C2 - Pulvermetallurgisch hergestelltes Stahlerzeugnis mit hohem Vanadiumcarbid- Anteil

Info

Publication number: DE2937724C2
Application number: DE2937724A
Authority: DE
Inventors: Walter Thomas Jamesville N.Y. Haswell; August Pittsburgh Pa. Kasak
Original assignee: Crucible Inc
Current assignee: Crucible Materials Corp
Priority date: 1978-09-20
Filing date: 1979-09-18
Publication date: 1983-04-21
Also published as: GB2030175A; LU81268A1; MX7004E; US4249945A; IT1192688B; SE7900877L; DK155837C; JPS5856022B2; ES484223A1; DK391579A; FR2436824A1; GB2030175B; IT7919891A0; SE446462B; DE2937724A1; JPS5541980A; DK155837B; ATA332479A; CA1113284A; NL7907018A

Description

Die Erfindung betrifft Werkzeugstähle, welche eine Carbidphase aufweisen.

Aus der GB-PS 13 13 981 ist ein auf pulvermetallurgischem Wege herstellbarer Werkzeugstahl bekannt, der 0,6 bis 5% Kohlenstoff sowie bis zu 30% Chrom, bis zu 20% Molybdän und bis zu 20% Vanadium enthält. An Wahlkomponenten kann dieser bekannte Stahl bis zu 20% Wolfram, bis zu 10% Titan, bis zu 10% Tantal, bis zu 10% Niob, bis zu 10% Zirkonium, bis zu 10% Hafnium, bis zu 10% Kobalt sowie bis zu 10% Aluminium enthalten. Der bekannte Stahl verfügt über eine gute Anlaßbeständigkeit und eine hohe Rotgluthärte.

Werkzeugstähle mit hoher Härte und hoher Verschleißbeständigkeit besitzen in der Regel keine hervorragenden Zähigkeitseigenschaften, während Werkzeugstähle mit guter Zähigkeit in der Regel über unzureichende Verschleißfestigkeiten verfügen. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß sich gesteigerte

Verschleißfestigkeiten durch gesteigerte Anteile an Primärcarbiden im Stahlgefüge erreichen lassen, diese

erhöhten Carbidgehalte jedoch die Zähigkeit des

Werkstoffes nachteilig beeinflussen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

pulvermetallurgisch hergestelltes Erzeugnis zu schaffen, welches sich durch eine hohe Verschleißbeständigkeit und gleichzeitig durch eine hohe Zähigkeit auszeichnet

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1

ίο angegebene Erfindung gelöst

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, daß dann, wenn in einem aus pulvermetallurgisch erzeugten Werkzeugstahl hergestellten Erzeugnis der gesamte Primärcarbidgehalt praktisch als Vanadiumcarbid vom MC-Typ in feiner gleichmäßiger Dispersion vorliegt, bestimmte Gehaltsbereiche vorausgesetzt eine gesteigerte Verschleißbeständigkeit durch erhöhte Carbidanteile im Gefüge erreicht werden kann, ohne daß dadurch die Zähigkeit des Werkstoffes herabgesetzt wird.

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare Fortschritt ist in erster Linie darin zu sehen, daß trotz gesteigerter Carbidgehalte und damit gesteigerter Verschleißfestigkeit ein Erzeugnis geschaffen werden konnte, dessen Zähigkeit und Bearbeitbarkeit insbesondere Schleifbar keit dennoch im üblichen Rahmen liegen. Die Schleifbarkeit eines Werkzeugstahls spielt bei der Werkzeugherstellung eine wichtige Rolle. Eine gute Zähigkeit des Werkstoffes ist von Bedeutung, um beim Fertigerzeugnis das durch ungenügende Zähigkeit geförderte Auftreten von Rissen bei der Beanspruchung zu verhindern.

Beim Erzeugnis nach der Erfindung sind hohe Verschleißfestigkeiten und gute Bearbeitbarkeit und Zähigkeit dadurch gewährleistet daß praktisch alle Primärcarbide als Vanadiumcarbide vom MC-Typ vorliegen, was bedeutet daß keine gegebenenfalls von anderen Carbidbildnern gebildeten Carbide im Werkstoff vorhanden sind. Diese für die hervorragende Ausgewogenheit von hoher Festigkeit und guter Zähigkeit beim Erzeugnis nach der Erfindung wesentlichen Vanadiumcarbide werden dadurch erreicht daß der Gehalt an Vanadium stöchiometrisch an den Kohlenstoffgehalt angepaßt ist, wobei das stöchiometrische Verhältnis von Vanadium zu Kohlenstoff im Hinblick auf die Bildung von Vanadiumcarbiden vom MC-Typ 1% Vanadium auf 0,2% Kohlenstoff beträgt.

Bei den in den Patentansprüchen angegebenen Zusammensetzungen verbindet sich der vorhandene Kohlenstoff praktisch ausschließlich mit Vanadium und nicht mit den Molybdän- oder Chromgehalten, so daß praktisch ausschließlich Vanadiumcarbide im Material vorliegen und die Molybdän- und Chromgehalte zur Gefügeausbildung zur Verfügung stehen, ohne für die Carbidbildung beansprucht zu werden.

Im Hinblick auf die stoffliche Zusammensetzung unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Erzeugnisse vom Stahl der GB-PS 13 13 981 ferner dadurch, daß nach der Erfindung 0,2 bis 1,5% Mangan vorgeschrieben sind, wohingegen Mangan bei dem bekannten Stahl gänzlich fehlt. Ferner sei unterstrichen, daß beim Erzeugnis nach der Erfindung bis zu 2% Silicium sowie bis zu 0,3% Schwefel im Material vorgesehen sein können, wohingegen Silicium und Schwefel bei dem bekannten Stahl gemäß GB-PS 13 13 981 gänzlich fehlen.

Bevorzugte Ausführungsformen und Verwendungszwecke der Erzeugnisse nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert In dieser zeigt

Fig. 1 eine fotografische Schliffaufnahme eines erfindungsgemäß hergestellten Stahlerzei-gnisses, welche die charakteristische Ausbildung der Vanadiumcarbide vom MC-Typ in der Legierungsmatrix erkennen läßt,

Fig.2 eine mit Fig. 1 vergleichbare fotografische Schliffaufnahme; jedoch mit höherem Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden,

Fig.3 eine mit den Fig. 1 und 2 vergleichbare fotografische Schliffaufnahme, wobei jedoch ein an der erfindungsgemäß vorgeschriebenen oberen Gehaltsgrenze liegender Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden vorhanden ist,

Fig.4 eine mit den Fig. 1 -3 vergleichbare Schliffaufnahme, wobei jedoch der dargestellte Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden oberhalb der erfindungsgemäß zulässigen Höchstgrenze liegt und einige d^ser Carbide eine Länge von mehr als 15 μπι besitzen, nicht im wesentlichen sphärische Gestalt besitzen r.nd nicht gleichmäßig im Gefüge verteilt sind,

Fig.5 eine fotografische Schliffaufnahme eines Teilstücks eines Werkzeugstahlerzeugnisses mit einer Zusammensetzung, die insbesondere im Hinblick auf den Vanadiumgehalt innerhalb der erfindungsgemäßen Gehaltsgrenzen liegt, wobei es sich jedoch um einen Stahl handelt, der abgegossen und nicht pulvermetallurgisch erzeugt wurde,

Fig.6 eine mit Fig.5 vergleichbare fotografische Schliffaufnahme eines Stahlgefüges, jedoch mit höherem Vanadiumgehalt,

Fig.7 ein graphisches Schaubild, welches die Beziehung zwischen der Schlagzähigkeit und dem Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden zeigt,

Fig.8 ein graphisches Schaubild, welches die Beziehung zwischen der Verschleißfestigkeit und dem Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden zeigt,

F i g. 9 ein graphisches Schaubild, welches den Einfluß einer Austenitisieningsbehandlung auf die Härte eines erfindungsgemäß pulvermetallurgisch hergestellten Erzeugnisses mit der Probenbezeichnung CPM 10V darstellt und

Fig. 10 ein graphisches Schaubild, welches den Einfluß der Anlaßtemperatur bei einer Glühdauer von 2 + 2 Stunden auf die Härte eines erfindungsgemäß pulvermetallurgisch hergestellten Erzeugnisses mit der Probenbezeichnung CPM ICV darstellt

Der Ausdruck »MC-Vanadiumcarbid« oder auch »Vanadiumcarbid vom MC-Typ« bezieht sich auf ein Vanadiumcarbid, welches durch eine kubisch-flächenzentrierte Kristailform gekennzeichnet ist, wobei »M« für den Carbidbildner steht, bei weichem es sich in der Regel um Vanadium handelt Unter die genannten Ausdrücke fallen jedoch auch M4C3-Vanadiumcarbide sowie solche Vanadiumcarbide, in denen ein teilweiser Ersatz des Kohlenstoffs durch Stickstoff und/oder Sauerstoff stattgefunden hat Derartige Carbide werden als »Carbonitride« bzw. »Oxicarbonitrid« bezeichnet Wenngleich die erfindungsgemäßen pulvermetallurgisch hergestellten Erzeugnisse im wesentlichen nur MC-Vanadiumcarbide enthalten, so versteht es sich, daß andere Carbidtypen, wie M₆C-, M₂C- und M^Ce-Carbide auch in kleineren Mengen enthalten sein können. Diese Carbide haben jedoch keinerlei Signifikanz im Hinblick auf das Lösen der dieser Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe.

Mit dem Ausdruck »pulvermetallurgisch hergestelltes Erzeugnis« wird im Rahmen der Erfindung ein aus einer vorlegierten Pulvercharge verdichtetes Erzeugnis bezeichnet, welches unter Einwirkung von Wärme und Druck in eine kohärente Masse mit einer Dichte von mehr als 99% der theoretischen Dichte verdichtet worden ist Unter diesen Ausdruck fällt auch Halbzeug, wie Knüppel, Vorblöcke, Rund- und Profilstäbe und dergleichen, sowie Fertigerzeugnisse, wie Stahlwerk-.ieuge unter Einschluß von Walzen, Stempeln, Matrizen, Verschleißplatten und dergleichen, wobei diese Erzeugnisse aus Zwischenerzeugnissen hergestellt sein können, die aus der ursprünglichen vorlegierten Pulvercharge erzeugt worden sind.

Ganz allgemein ausgedrückt, enthält das erfindungsgemäße Erzeugnis eine vorlegierte Pulvercharge, in welcher jedes Teilchen eine Legierungsstahlmatrix mit einer gleichförmigen Dispersion von MC-Vanadiumcarbiden innerhalb eines Bereiches von 10 — 18%, vorzugsweise von 15-17% oder von 13,3-17,2% (jeweils Vol.-%) aufweist Die Carbide besitzen eine im wesentlichen sphärische Gestalt und sind gleichmäßig verteilt Vorzugsweise besitzt das vorlegierte Pulver, aus welchem das erfindungsgemäße pulvermetallurgisch hergestellte Erzeugnis gefertigt wird, eine metallurgische Zusammensetzung (Gew.-%) sowie einen Gehalt an MC-Vanadiumcarbiden (Vol.-%) innerhalb der folgenden Bereiche:

	Weiter Bereich	Besonders bevorzugter	Bevorzugter Bereich
		Bereich
Mangan	0,2 bis 1,5	0,4 bis 0,6	0,2 bis 1
Silicium	bis 2	bis 1	bis 2
Chrom	1,5 bis 6	5 bis 5,5	4,5 bis 5,5
Molybdän	0,50 bis 6	1,15 bis 1,4	0,80 bis 1,7
Schwefel	bis 0,30	bis 0,09	bis 0,14
Vanadium	6 «,is Il	9,25 bis 10,25	8 bis 10,5
Kohlenstoff	1,6 bis 2,8	2,40 bis 2,50	2,2 bis 2,6
Eisen*)	Rest	Rest	Rest
MC-Vanadium-Carbide (Vol.-%)	-10 bis 18	-15 bis 17	-13,3 bis 17,2

*) Unter Einschluß von herstellungsbedingten Verunreinigungen.

Der Kohlenstoffgehalt ist so in bezug auf die Gehalte an Vanadium, Chrom und Molybdän eingestellt, daß hinreichend Kohlenstoff zur Verfügung steht, um das pulvermetallurgisch hergestellte Erzeugnis durch eine

■ Wärmebehandlung auf eine Rockwell-Härte von wenigstens 56 R₀ zu härten.

Liegt der Mangangehalt !außerhalb der erfindungsgemäßen Obergrenze, so läßt sich das hergestellte Erzeugnis nur schwierig auf die für die maschinelle Verarbeitung angestrebte niedrige Härte glühen. Liegt andererseits der Mangangehalt zu niedrig, so steht nicht ausreichend Mangan zur Verfügung, um die im Hinblick auf die spanabhebende Bearbeitung angestrebten Mangansulfide zu bilden. Liegt der Siliciumgehalt außerhalb der erfindungsgemäß definierten Obergrenze, so führt das beim geglühten Erzeugnis zu einer für die maschinelle Bearbeitung zu großen Härte. Chrom ist für eint adäquate Aushärtung während der Wärmebehandlung erforderlich und fördert außerdem die Hochtemperaturfestigkeit Liegt jedoch der Chromgehalt zu hoch, so führt dieses zur Ausbildung von Hochtemperatur-Ferrit oder zum Zurückhalten einer untolerierbar großen Menge von Austenit während der Wärmebehandlung. Die Ausbildung von Hochtemperatur-Ferrit beeinträchtigt die: Warmverformbarkeit und der Rest-Austenit beeinträchtigt das Erzielen der angestrebten hohen Härtewerte während der Wärmebehandlung. Molybdän erteilt dem Material, wie auch Chrom, seine Hochtemperaturfestigkeit und fördert die Härtbarkeit des legierten Erzeugnisses. Schwefel fördert die Spanabhebende Verarbeitung durch Ausbildung von Mangansulfiden. Der Kohlenstoffgehalt sollte mit Vanadium so ausgewogen sein, daß im Interesse einer guten Verschleißfestigkeit MC-Vanadiumcarbide gebildet werden. Gleichfalls ist es im Interesse einer adäquaten Matrixhärtung wichtig, daß der Kohlenstoff in einer Menge vorliegt, die sich mit allem vorliegenden

Tafel 1

Vanadium zu Vanadiumcarbiden umsetzen kann, wobei weitere Kohlenstoffmengen zur Verfestigung der Matrix benötigt werden.

Eine den erfindungsgemäßen Bedingungen genügende Pulvercharge kann mittels beliebiger pulvermetallur gischer Arbeitsweisen zu dem angestrebten Enderzeugnis verdichtet werden, solange gewährleistet ist, daß die gewählte Arbeitsweise nicht zu einem übermäßigen, schädlichen Kornwachstum und zu einer schädlichen

ίο Agglomeration der Carbide führt. Vorzugsweise wird das bekannte isostatische Heißpressen einer in einem

Behälter eingeschlossenen vorlegierten Pulvercharge in

einem Autoklaven durchgeführt

Die Erfindung wird durch die in Tafel 1 zusammenge-

stellten Legierungen erläutert Die Stähle CPM 6V, CPM 11V und CPM 14V wurden in der Weise hergestellt, daß (1) vorlegierte Pulver durch Induktionsschmelzen und Gaszerstäubung hergestellt wurden, (2) die Pulver auf eine Teilchengröße von weniger als 420 μίτι ausgesiebt wurden, (3) die Pulver in Flußstahlbehälter mit den Abmessungen 139,7 mm χ 152,4 mm eingebracht wurden, (4) die Behälter entgast und verschlossen wurden, (5) die Behälter auf 1171°C erwärmt und 9 Std. lang auf dieser Temperatur gehalten wurden, (6) die Pulverchargen bei einem isostatischen Druck von 9,28 kg/mm² auf im wesentlichen völlige Dichte verdichtet wurden und (7) das verdichtete Material auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Die Preßlinge wurden sodann bei Schmiedetemperaturen von 1093⁰C auf Würfel mit 25,4 mm Kantenlänge geschmiedet, aus welchen eine Vielzahl von Probekörpern hergestellt wurden.

Stahlbezeichnung

Intemale Codebez.

Erzeugung!· MC-Vana- Chemische Zusammensetzung (Gew.-%) weise dium-Carbid-

gefaalt (VoL-S) C Mn Si Cr V Mo

Fe

CPM 6V CPMIlV CPM 14 V*) C6V·) C 11V») CPM 10 V

CPM 16 V*)

391-79

391-81

515-18

2455

2456

P 67216-:· (CRC 75-73)

456-401

PM	10^	1,62	0,26	1,97	146	6,30	0,81	Rest
PM	17,7	2,50	0,27	1,76	1,66	10,84	0,92	Rest
PM	22,7	3,04	0,42	2,08	1,28	14,10	1,16	Rest
Scfam. M	10,2	1,60	0,49	2,10	140	6,10	0,60	Rest
Schm. M	18,2	2,66	0,53	2,34	UO	11,16	1,00	Rest
PM	16,2	2,40	0,45	0,89	5,25	9,85	1,26	Rest
PM	25,4 .	3,49	040	0,91	4,83	15,94	1,32	Rest

*) nicht erfindungsgemäße Zusammensetzungen

Zu Vergleichszwecken wurden mit den Bezeichnungen C6V und Cl IV bezeichnete Werkstoffe in Form von 4535 kg-Blöcken im Induktionsofen erschmolzen und in quadratische Gußformen mit einer Kantenlänge von 127,0 mm, die mit einer feuerfesten Auskleidung versehen waren, abgegossen. Die erzeugten Gußblöcke wurden sodann bei 1093⁰C in entsprechender Weise wie die bereits erwähnten, jedoch pulvermetallurgisch hergestellten Preßlinge CPM6V und CPMIlV geschmiedet Der in Tafel 1 erwähnte Stahl C6V konnte bei entsprechender Sorgfall: zu einem quadratischen Körper mit 76,2 mm Kantenlänge ausgeschmiedet werden, wohingegen der Stahl CIlV aus Tafel 1 beini| Beginn des Schmiedevorgangs bereits starke Risse; zeigte und sich somit als praktisch unverformbar erwies. Die deutlich bessere Wannverformbarkeit der pulvermetallurgisch hergestellten Stähle CPM 6V sowie CPM 11V wurde durch diesen Versuch deutlich unter Beweis gestellt

Der Stahl CPM 10V wurde dadurch hergestellt, daß (1) ein vorlegiertes Pulver durch Induktionsschmelzen sowie Gaszerstäubung hergestellt wurde, daß (2) das Pulver auf eine Teilchengröße von weniger als 1,19 mm ausgesiebt wurde, daß (3) das Pulver in einen Flußstahlbehälter mit einem Außendurchmesser von 3174 mm und einer Höhe von 1524 mm eingesetzt wurde, daß (4) der Behälter entgast wurde, daß (5) der Behälter auf 1177° C erwärmt wurde, daß (6) der gefüllte Behälter bei einem isostatischen Druck von 8,44 kg/mm² auf im wesentlichen völlige Dichte verdich-

tet wurde und daß (7) der Preßkörper auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Der Preßling wurde sodann (1) auf 1149⁰C erwärmt, (2) zu einem Knüppel mit einer Querschnittsfläche von 266,7 χ 76,2 mm ausgewalzt, (3) geglüht, (4) konditioniert, (5) auf 1135° C erwärmt, (6) auf einen Querschnitt von 251,1 χ 50,0 mm geschmiedet und (7) auf einen Querschnitt von 203,2 χ 44,85 mm spanabhebend bearbeitet. Der Stahl CPM 16V wurde dadurch hergestellt, daß

(1) durch Induktionsschmelzen und Gaszerstäubung ein vorlegiertes Pulver hergestellt wurde, daß (2) das Pulver auf eine Teilchengröße von weniger als 841 μηι ausgesiebt wurde, daß (3) das Pulver in einen Flußstahlbehälter mit einem Innendurchmesser von 25,4 mm und einer Höhe von 101,6 mm eingebracht wurde, daß (4) der Behälter entgast wurde und daß (5) der Behälter auf 1185° C erwärmt wurde, worauf (6) der gefüllte Behälter mit Hilfe einer Schmiedepresse auf im wesentlichen vollständige Dichte verdichtet wurde.

Um die Eigenschaften und das Verhalten der Legierungen abschätzen zu können, wurden die für die für die Eignung dieser Werkstoffe als Kaltverformungswerkzeuge wichtigen Schlüsseleigenschaften untersucht Zu diesen Eigenschaften zählen: (1) das Gefüge,

(2) die Härte im wärmebehandelten Zustand als Indikator für die Festigkeit, (3) die Biegefestigkeit und die Schlagfähigkeit als Indikatoren für die Zähigkeit und (4) der Abrieb beim Kreuzzylinder-Abriebtest als Indikator für die Verschleißfestigkeit

Die Eigenschaften der MC-Vanadiumcarbide in Erzeugnissen aus den Stählen CPM 6V, CPM 10V, CPM 1IV, CPM 14V, C6V und Cl IV sind in den F i g. 1 bis 6 dargestellt Durch Anwendung einer bekannten speziellen, selektiven Ätztechnik (aufeinanderfolgende Anwendung von Picral und Murakami-Reagenz) wurden die MC-Vanadiumcarbide als weiße Teilchen vor einem dunklen Hintergrund, welcher alle anderen Gefügebestandteile umschloß, sichtbar gemacht Picral besteht aus 5 g Picrinsäure in 100 ml Äthylalkohol; Murakami-Reagenz besteht aus 10 g Kaliumferricyanid und 7 g Natriumhydroxid in 100 ml Wasser. Die Figuren zeigen deutlich, das die MC-Vanadiumcarbide gleichförmig verteilt sind, eine kleine Teilchengröße besitzen und im wesentlichen sphärisch geformt sind, sofern die Stähle CPM 6V, CPM 10V und CPM 1IV gemäß F i g. 1, 2 und 3 betrachtet werden. In diesen Stählen besitzen wenigstens 90% der MC-Vanadiumcarbide eine Teilchengröße von weniger als 3μπι und kein einziges Teilchen ist im wesentlichen größer als 15 μπι in beliebiger Richtung. Demgegenüber zeichnen sich die Stähle CPM 14V gemäß F i g. 4 sowie die schmelzmetallurgisch erzeugten Stähle C6V und Cl 1V gemäß F i g. 5 und 6 durch das Vorliegen deutlich größerer, winkelförmiger Formen, d. h. nicht-sphärischer Gestaltungen, der MC-Vanadiumcarbide aus. Diese großen verwinkelten Carbide erscheinen in Clustern über das gesamte Gefüge des Erzeugnisses, was die Verteilung der Vanadiumcarbide vom MC-Typ ungleichmäßig macht Hinsichtlich der Charakteristik der MC-Vanadiumcarbide verkörpern die Stähle CPM 6V, CPMlOV und CPM 1IV die MC-Vanadiumcarbidausbildung erfindungsgemäßer Erzeugnisse, wohingegen in den Stählen CPM 14V, C6V sowie CIlV die Vanadiumcarbide nicht erfindungsgemäß ausgebildet und angeordnet sind.

Zusätzlich zu der Größe, Gestalt und Verteilung der MC-Vanadiumcarbide legt die Erfindung auch Wert auf die Menge ■ der in den Erzeugnissen enthaltenen MC-Vanadiumcarbide. Die Menge der in den Stählen CPM 6V, CPM 10V, CPM 11V, CPM 14V, C6V sowie CIlV enthaltenen Vanadiumcarbide vom MC-Typ wurde auf der anerkannten Grundlage berechnet, daß der Vanadiumgehalt des Stahls in Form von MC- oder M4C3-Carbiden vorliegt, wobei M im wesentlichen ausschließlich Vanadium ist und ein Vanadium/Kohlenstoff-Verhältnis von 5 :1, bezogen auf Gew.-%, vorliegt. Es versteht sich, daß in Legierungen dieser Art Wolfram üblicherweise als mitgerissenes Element auftaucht, da es

ίο nicht absichtlich als Legierungselement hinzulegiert worden ist. Für die Vergleichsstähle wurden die Vol.-%-Sätze gemäß AISIA7 und D7 auf der gleichen Basis bestimmt wie für die Versuchsstähle, wobei von Vanadium-Nenngehalten von 4,75% bzw. 4,0 Gew.-%

is als Vanadiumgehalt der Stähle ausgegangen wurde. Für die Schnellarbeitsstähle gemäß AISI M2 sowie M4 wurden die Vol.-%-Sätze der MC-Vanadiumcarbidanteile aus einer wissenschaftlichen Veröffentlichung (Kayser und Cohen in »Metal Progress«, Juni 1952,

Seiten 79 — 85) entnommen.

Die Härte ist ein Maß für das Vermögen des Stahls einer Verformung bei der Verwendung in Kaltwerkzeugen oder Warmwerkzeugen zu widerstehen. Eine Mindest-Rockwell-Härte von 56Rc ist im allgemeinen gefordert Die in Tafel 2 zusammengestellten Ergebnisse wurden bei Härtemessungen entsprechend AST-M E18-67 nach einer Wärmebehandlung erhalten, die aus einer einstündigen Austenitisierungsglühung bei 954° C, einer ölabschreckung und einem 2 + 2 Std.

dauerndem Anlassen bei 260° C bestand.

Tafel 2

Stahlbezeichnung

Erzeugungsweise

MC-Vanadiumgehalt
(Vol.-·/.)

Härte

CPM 6V	PM	10,5	62
C6V	Schm. M	10,2	56
40 CPMIlV	PM	17,7	63
CIlV	Schm. M	18,2	50

Die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Erzeugnisse (CPM 6V und CPM HV) über die schmelzmetallurgischen Erzeugnisse (C6V) und Cl IV) hinsichtlich des Ansprechens auf die Wärmebehandlung ist deutlich zu erkennen.

Probekörper aus dem Stahl CPM 10V sind einer breiten Vielzahl von Wärmebehandlungen, die aus einem Austenitisieren, einem Abkühlen und einem Anlassen bestehen, unterzogen worden. Die Ergebnisse der Austenitisierungsbehandlungen sind in Fig.9 grafisch dargestellt, wobei die Zeit-Temperatur-Relationen wie folgt waren:

Temperatur ⁰C	Dauer (Minuten)
1010	60
1066	60
1149	15
1177	10
1204	4
1260	4

Die Ergebnisse der Anlaßbehandlung sind grafisch in F i g. 10 dargestellt Aus diesen Figuren geht hervor, daß durch Wärmebehandlung eine Rockwell-Härte von

56 Rc für erfindungsgemäße Erzeugnisse im austenitisieren sowie im angelassenen Zustand über einen weiten Wärmebehandlungsbereich erzielt werden kann. Die Biegefestigkeit ist ein Maß für die Zähigkeit. Die Bestimmung dieser Eigenschaft wird bei Raumtemperatur an quadratischen Probekörpern mit 6,35 mm Kantenlänge und einer Länge von 47,62 mm unter Verwendung einer 3-Punktbelastung mit einem 38,1 mm-Support und einer Biegeintensität von 2,54 mm je Minute durchgeführt. Die Biegefestigkeit ist die den Bruch des Probekörpers hervorrufende Spannung. Sie wird gemäß folgender Gleichung berechnet:

5 =

in welcher bedeutet

S die Biegefestigkeit (kg/mm²),

P die zum Bruch erforderliche Belastung (kg),

L die Support-Spanne (mm),

b die Breite des Probekörpers (mm),

h die Höhe des Probekörpers (mm).

Tafel 4

10

Die in Tafel 3 zusammengestellten Versuchsergebnisse wurden an Probekörpern erzielt, die eine Stunde lang bei 954° C austenitisiert worden waren, woran sich eine ölabschreckung und eine 2 + 2stündige Anlaßbehandlung bei 260°C anschloß.

Tafel 3

Stahlbezeichnung Erzeugungsweise Biegefestigkeit

(kg/mm²)

15 CPM 6 V

C6V

PM
Schm. M

492
295,3

Die Überlegenheit des erfindungsgemäß pulvermetallurgisch hergestellten Ergebnisses ist augenscheinlich.

Die Kerbschlagzähigkeiten wurden an Charpy-Proben bei Raumtemperatur gemäß ASTM E23-72 an Proben mit einem Kerbradius von 12,7 mm ermittelt.

Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 4 zusammengestellt.

Stahlbezeichnung

Herstellungsweise

MC-Vanadium-Carbidgehalt

(Voi.-y.) Härte (R-)

Kerbschlagzähigkeit
(mkg)

CPM 6V	PM	10,5	62	4,837
CPM 10 V	PM	16,2	63	2,487
CPM 11V	PM	17,7	63	2,211
C6V	Schm. M	iO,2	56	1,520
CIlV	Schm. M	18,2	50	0.207
AISI Typ A 7*)	Schm. M	8,0	61	1,520
AISI Typ M 4*)	Schm. M	9,0	63	1,658
*) Handelsüblicher Stahl

Aus Tafel 4 geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Erzeugnisse, selbst bei beachtlich größeren Carbidgehalten, im Hinblick auf die Zähigkeit herkömmlichen kaltverformten oder warmverformten Werkzeugstählen im optimal wärmebehandelten Zustand überlegen waren und somit eine bessere Eignung für Kaltverformungswerkzeug besitzen.

Die in Tafel 4 zusammengestellten Zähigkeitswerte sind grafisch in Fig.7 dargestellt Diese Ergebnisse zeigen, daß bei MC-Vanadiumcarbidgehalten von mehr als etwa 18 VoL-% die Zähigkeit der erfindungsgemäßen Erzeugnisse auf Zähigkeitswerte abnimmt, die bei herkömmlich erzeugten Gegenständen üblich sind, so daß für Vanadiumcarbidgehalte von mehr als 18% der mit Hilfe der Erfindung erzielbare Vorteil verlorengeht

Zur Ermittlung der Verschleißfestigkeit wurde der Kreuzzylinder-Abriebversuch verwendet Bei diesem Versuch werden eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 15,87 mm aus dem jeweiligen kaltverformten oder warmverformten Werkzeugstahl und eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 12,7 mm aus Wolframcarbid (6% Cobaltbinder-Anteil) senkrecht zueinander angeordnet Mit Hilfe eines Hebelarms wird eine 6,79 kg schwere Belastung aufgebracht Sodann wird der Wolframcarbidzylinder

mit einer Geschwindigkeit von 667 Umdrehungen je Minute in Rotation versetzt Schmierung ist nicht vorgesehen. Mit Fortschreiten des Versuches zeigen sich Abriebspuren auf der Probe aus dem Werkzeugstahl. Von Zeit zu Zeit wird das Ausmaß des Abriebes dadurch bestimmt, daß die Tiefe der Verschleißriefen auf dem Probekörper gemessen wird und mit Hilfe einer speziell für diesen Zweck bestimmten Gleichung in ein Abriebvolumen ungerechnet wird. Die Verschleißfestigkeit, oder der Kehrwert der Verschleißrate, wird sodann entsprechend der folgenden Gleichung berechnet:

Verschleißfestigkeit =

Abriebsrate

worin bedeuten

ν das Abriebvolumen (mm³),

LÄs ₌ LndAN Av Av

L die aufgebrachte Last (kg),

s die Einwirkstrecke (mm),

d den Durchmesser des Wolframcarbidzylinders

(mm) und

N die Anzahl der von dem Wolframcarbidzylinder ausgeführten Umdrehungen (upM).

Dieser Versuch erbrachte ausgezeichnete Korrelationen mit den in der Praxis auftretenden Verschleißbedingungen.

Probekörper aus erfindungsgemäßen Erzeugnissen sowie aus weitverbreiteten hoch-verschleißfesten kaltverformten oder warmverformten Werkzeugstählen aus handelsüblicher Produktion wurden den vorstehend erwähnten Verschleißversuchen unterzogen. Die erzielten Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 5 zusammengestellt.

Tafel 5

Stahlbezeichnung	Herstellungsweise	Härte (R₁)	MC-Vanadium-	Verschleiß
			Carbidgehalt	festigkeit
			(VoI.-⁰/.)	(kg/cm²) X 10¹⁰
CPM 11V	PM	63	17,7	4,64
CPM 10 V	PKi	63	16,2	6,32
CPM 6 V	PM	62	10,5	1,41
AISI A 7·)	Schm. M	61	8,0	1,05
*AISI D 7)**	Schm. M	61	6,7	0,49
*AISI M 4)**	Schm. M	63	9,0	0,77
AISI M 2*)	Schm. M	64	3,1	0,42
*) Handelsüblicher Stahl

Aus Tafel 5 geht die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Erzeugnisse im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit deutlich hervor. Insbesondere ist, wie Tafel 5 und F i g. 8 zu entnehmen, die Verschleißfestigkeit des Stahls CPM 10 deutlich größer als die Verschleißfestigkeit des Stahls CPM 11, welcher wegen seines höheren Gehaltes an MC-Vanadiumcarbiden eine höhere Verschleißfestigkeit erwarten läßt. Wie aus F i g. 8 zu eresehen, ist ein Mindestanteil von 10 Vol.-% an MC-Vanadiumcarbiden erforderlich, um eine deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit gegenüber herkömmlichem Material zu erzielen. Aus diesem Grunde ist für die erfindungsgemäßen Erzeugnisse ein Mindest-MC-Vanadiumcarbidgehalt vorgeschrieben. Die obere Gehaltsgrenze für die MC-Vanadiumcarbide beruht darauf, daß gefunden wurde, daß relativ große MC-Vanadiumcarbide in Gefügen von Stählen vorliegen, deren Vanadiumgehalte etwa 11% oder noch darüber betrugen oder deren Anteil an MC-Vanadiumcarbiden etwa 18 Vol.-% oder mehr betrug, wobei sich diese großdimensionierten Carbide nachteilig auf die Schleifbarkeit oder Vermahlbarkeit auswirken. Diese Schleifbarkeit ist eine wichtige Eigenschaft, weil der Werkstoff bei der Herstellung von Werkzeugen und anderen verschleißfesten Erzeugnissen aus Gußstählen der in Rede stehenden Gattung oft schleifend bearbeitet wird Der Einfluß der Teilchengröße der MC-Vanadiumcarbide auf die Schleifbarkeit ergibt sich aus den folgenden Versuchsergebnissen, die an Proben aus den Stählen CPM 10V und CPM 16V ermittelt wurden. Diese beiden Stähle besitzen im wesentlichen übereinstimmende chemische Zusammensetzungen mit der Ausnahme, daß die Vanadium- und die Kohlenstoffgehalte unterschiedlich sind. Ferner unterscheiden sich die MC-Vanadiumcarbidgehalte, wobei diese Gehalte beim Stahl CPM 10V innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens und beim Stahl CPM 16V außerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens liegen.

Probekörper aus beiden Stählen wurden maschinell roh bearbeitet und 4 Minuten lang bei 1177⁰C austenitisiert, danach ölabgeschreckt und 2 + 2 Stunden bei 538° C angelassen. Nach dieser Wärmebehandlung betrug die Rockwell-Härte des CPM 10V-Stahls 63,5 R₀ während der Stahl CPM 16V eine Rockwell-Härte von 64,5 Rc besaß. Die Probekörper wurden sodann auf ihre Endabmessung (3,13 cm Länge, 1,01cm Breite und 0,87 cm Dicke) bearbeitet

Die Ermittlung der Schleifbarkeit wurde mit Hilfe

einer Horizontalspindel-Oberflächenschleifmaschine vorgenommen, die mit einem Schwingtisch und einem magnetischen Einspannstück versehen war. Es wurden folgende Schleifbedingungen eingehalten:

Quervorschub:

Quervorschubgeschwindigkeit:

Vertikalvorschub:
Schleifscheibe:
Schleifscheibenge-

schwindigkeit:
Kühlmittel:
geschliffene
Probenoberfläche:

0,203 mm

28,04 m/min

0,0254 mm/Durchgang

4A-54-H-10-V-FM

2000 upM
CX-30S

3,16 cm²

Vor jedem Versuch wurde die Probenkörperdicke mit einer Mikrometerschraube gemessen. Nach zehn Durchgängen (mit einem Vertikalvorschub der Schleifscheibe von 0,0254 mm je Durchgang) wurde die Probekörperdicke erneut gemessen und die Veränderung der Probendicke berechnet Die Differenz zwischen dem Vertikalvorschub der Schleifscheibe in zehn Durchgängen (10 χ 0,0254 mm = 0,254 mm) und die sich ergebende gemessene Veränderung der Probendikke bezeichnet den Abrieb der Schleifscheibe, bezogen auf deren Radius. Je geringer der Abrieb der Schleifscheibe ist, desto besser ist die Schleifbarkeit des untersuchten Werkstoffes.

Drei Versuchsdurchgänge wurden mit jeder der Proben aus den Stählen CPMlOV und CPM 16V durchgeführt Die Schleifscheibe wurde vor jedem Versuchsvorgang gerichtet Mit Hilfe der vorstehend erwähnten Arbeitsweise wurden die folgenden Versuchsergebnisse erhalten:

	13	29 37 724	0,2489 0,2311	0,2463 0,2336	14
Stahl	Änderung Mittel	der Probendicke (mm)		Mittlerer Schleif *scheibenabrieb (mm))**
10 V 16V	0,2463 0,2311	0,2438 0,2362		0,00762 0,02032

*) Bestimmt als Differenz zwischen dem Vertikalvorschub der Schleifscheibe in zehn Durchgängen (0,254 mm) und der mittleren Dickenveränderung der Probe in zehn Durchgängen.

Aus diesen Ergebnissen geht hervor, daß die aus dem Stahl 16V bestehende Probe, die wegen ihres oberhalb des erfindungsgemäßen Obergrenze für den Vanadiumcarbidgehalt außerhalb der Erfindung liegt, unbefriedigende Schleifeigenschaften aufweist, welche beträchtlich geringer sind als die Schleifbarkeit der lOV-Probe, die die erfindungsgemäßen Kriterien erfüllt

Rundstäbe mit einem [Durchmesser von 19,05 mm aus dem Stahl CPM 11V wurden zu kaltgezogenen Stanzenwerkzeugen verarbeitet, und anschließend als Stanzwerkzeuge für die Herstellung von Zündkerzenschalen aus einem Stahl gemäß AISl 1008 verwendet Die Lebensdauer der Stanzwerkzeuge sei definiert durch die Anzahl von Schalen, die hergestellt werden konnten, bevor das Werkzeug wegen zu starkem Abrieb ausgewechselt werden mußte. Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 6 zusammengestellt:

Tafel 6

Werkstoff des Stanzwerkzeuges

MC-Vanadium-Carbidgehalt

CPM 11V AISI M 4*)

17,7 9,0

*) Handelsüblicher Stahl

Aus Tafel 6 geht deutlich hervor, daß das erfindungsgemäße Erzeugnis aus dem Stahl CPMIlV dem Erzeugnis aus dem herkömmlichen Stahl gemäß AISI Typenreihe M4 (Schnellarbeitsstahl) deutlich überlegen ist

Als weiteres Vergleichsbeispiel wurde ein aus dem

Stahl CPM 10V hergestelltes Stanzwerkzeug als Werkzeug zum Stanzen von Schlitzen in eisenoxidbeschichte- te Anhänger oder Auszeichnungsschilder verwendet 40 Millionen derartiger Anhänger oder Schilder wurden ohne Verschleiß- oder Anwachserscheinungen auf dem Werkzeug hergestellt Zum Vergleich sei mitgeteilt daß ein aus einem herkömmlichen Stahl gemäß AISI D7 (enthaltend 4% Vanadium oder 6,7 Vol.-% Vanadiumcarbid) hergestelltes Stanzwerkzeug nach dem Herstellen von 8 Millionen bis 12 Millionen Anhängern oder Schildern unbrauchbar wurde. Als weiterer Verglejchsversuch wurde ein aus dem Stahl CPM10V hergestelltes Stanzwerkzeug zum Stanzen von Schlitzen in Bandmaterial mit einer Dicke von 03810 mm aus einer Kupferberylliumlegierung für elektronische Teile verwendet Während ein Werkzeug, daß aus einem herkömmlichen AISI D2-Werkzugstahl besteht der auf eine Rockwell-Härte von 60-62R₀ wärmebehandelt wurde, nach der Herstellung von

75 000 Teilen verschlissen ist und ein aus einem

Mittlere Anzahl weiteren herkömmlichen Stahl, nämlich gemäß

von je Stanzwerk- AISI M4, hergestelltes Stanzwerkzeug mit einer Rockzeug hergestellter 35 well-Härte von 64 Rc Verschleißerscheinungen nach Teilen (x 1000) 200 000 hergestellten Teilen zeigt, erwies sich ein

erfindungsgemäß aus dem Stahl CPM 10V hergestelltes

Stanzwerkzeug mit einer durch Wärmebehandlung erzielten Rockwell-Härte von 60 R₀ nach der Herstel lung von 200000 Teilen als nicht vom Verschleiß angegriffen.

Die erfindungsgemäßen Gegenstände werden zu Werkzeugen und Werkzeugbestandteilen ohne Mühe verarbeitet Sie können durch Wärmebehandlung auf eine Brinell-Härte von 250 bis 300 gebracht werden und spanabhebend bearbeitet, geschliffen, gebohrt usw. werden, wie zur Herstellung der angestrebten Werkzeuggestalt erforderlich.

42 22

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Pulvermetallurgisch herstelltes Erzeugnis aus verdichtetem vorlegiertem Pulver, bestehend aus 0,2 bis 1,5% Mangan, bis zu 2% Silicium, 1,5 bis 6% Chrom, 0,5 bis 6% Molybdän, bis zu 030% Schwefel, 6 bis 11% Vanadium, 1,6 bis 23% Kohlenstoff und Eisen als Rest sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen, wobei das Erzeugnis eine im wesentlichen aus Vanadiumcarbiden vom MC-Typ bestehende Dispersion in einem Anteil von etwa 10 bis 18 VoL-% aufweist, diese Carbide im wesentlichen sphärisch geformt und gleichförmig verteilt sind und der Kohlenstoffgehalt so im Hinblick auf Chrom, Molybdän und Vanadium eingestellt ist, daß das Erzeugnis durch eine Wärmebehandlung auf eine Rockwell-Härte von wenigstens 56 R₀ härtbar ist

2. Pulvermetallurgisch hergestelltes Erzeugnis nach Anspruch 1, hergestellt aus einem vorlegierten Pulver, bestehend aus 0,2 bis 1 % Mangan, bis zu 2% Silicium, 4,5 bis 5,5% Chrom, 0,80 bis 1,7% Molybdän, bis zu 0,14% Schwefel, 8 bis 103% Vanadium, 2,2 bis 2,6% Kohlenstoff und Eisen als Rest sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen, wobei das Erzeugnis etwa 133 bis 17,2 VoL-% einer Dispersion, die im wesentlichen aus Vanadiumcarbiden vom MC-Typ besteht, enthält

3. Pulvermetallurgisch hergestelltes Erzeugnis nach Anspruch 1, hergestellt aus einem vorlegierten Pulver, bestehend aus 0,4 bis 0,6% Mangan, bis zu 1% Silicium, 5 bis 5,5% Chrom, 1,15 bis 1,4% Molybdän, bis 0,09 Schwefel, 9,25 bis 10,25% Vanadium, 2,40 bis 2,50% Kohlenstoff und Eisen als Rest sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen, wobei das Erzeugnis etwa 15 bis 17 Vol.-% einer Dispersion, die im wesentlichen aus Vanadiumcarbiden vom MC-Typ besteht, enthält

4. Verwendung des Erzeugnisses nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Halbzeug, wie Knüppel, Vorblöcke, Rund- oder Profilstäbe.

5. Verwendung des Erzeugnisses nach einem der Ansprüche 1 bis 3, als Fertigerzeugnis, wie Stahlwerkzeuge unter Einschluß von Walzen, Stanzen, Matrizen und Verschleißplatten.