DE69608642T2

DE69608642T2 - Korrosionsbeständige vanadiumreiche Werkzeugstahlkörper aus Metallpulver mit grosser Metall-Metall-Verschleissfestigkeit und Verfahren ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69608642T2
Application number: DE69608642T
Authority: DE
Inventors: John Hauser; Kenneth Pinnow; William Stasko
Original assignee: Crucible Materials Corp
Current assignee: Crucible Materials Corp
Priority date: 1995-11-08
Filing date: 1996-10-15
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2016-10-16
Also published as: ES2148718T3; SG52855A1; ATE193563T1; KR970027340A; TW340812B; EP0773305A1; JP3351970B2; EP0773305B1; MY113816A; HK1008885A1; CN1158361A; US5679908A; KR100433161B1; US5936169A; JPH09165657A; DE69608642D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft hoch verschleiss- und korrosionsbeständige, pulvermetallurgische Werkzeugstahlartikel und ein Verfahren für ihre Herstellung durch Verdichtung von mit Stickstoff zerstäubten, vorlegierten Pulverpartikeln mit hohem Vanadiumgehalt. Die Artikel sind durch eine aussergewöhnlich hohe Metall-Verschleissfestigkeit gekennzeichnet, wodurch sie in Verbindung mit ihrer guten Abriebbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit insbesondere in Maschinen nützlich sind, die zur Verarbeitung von verstärkten Kunststoffen und anderen abschleifenden und korrosiven Materialien verwendet werden.

Hintergrund der Erfindung

Grundsätzlich gibt es drei Arten an Verschleiss, die bei den Fässern, Schrauben, Ventilen, Formen und anderen Bestandteilen, die bei der Verarbeitung von verstärkten Kunststoffen und anderen aggressiven Materialien verwendet werden, oft in Verbindung auftreten können. Sie umfassen den Metall- Verschleiss, der in Gebieten verursacht wird, wo die Metallbestandteile während dem Betrieb in direkten Kontakt miteinander kommen, den Abrieb, der durch fortgesetzten Kontakt der Bestandteile mit harten Partikeln in den Prozessmedien bei hohen Drücken verursacht wird, und korrosiver Verschleiss, der durch Säuren oder andere Korrosionsmittel verursacht wird, die entweder ursprünglich vorliegen oder bei erhöhten Betriebstemperaturen aus den Prozessmedien freigesetzt werden. Um zufriedenstellend zu wirken, müssen die bei der Verarbeitung dieser Materialien verwendeten Artikel hoch widerstandsfähig gegen diese Verschleissarten sein. Zusätzlich müssen sie ausreichende mechanische Festigkeit und Zähigkeit besitzen, um den Beanspruchungen zu widerstehen, denen sie während dem Betrieb ausgesetzt sind. Des weiteren müssen sie leicht verarbeitet, hitzebehandelt und gemahlen werden, um die Fertigung von Teilen mit erforderter Gestalt und Abmessungen zu erleichtern.
Ein breiter Bereich an Materialien wurde für den Bau der Bestandteile bewertet, die bei der Verarbeitung von verstärkten Kunststoffen und anderen abschleifenden oder korrosiven Materialien eingesetzt werden. Sie umfassen Chrom plattierte, legierte Stähle, herkömmliche Martensitedelstähle mit hohem Chromgehalt wie die Edelstähle AISI Typen 440B und 440C und eine Anzahl an Martensitedelstählen mit hohem Chromgehalt, die in pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt werden. Die Zusammensetzungen dieser letzteren Gruppe an Materialien sind im grossen und ganzen ähnlich jenen der herkömmlichen Martensitedelstähle mit hohem Chromgehalt mit der Ausnahme, dass grössere als übliche Mengen an Vanadium und Kohlenstoff zugesetzt werden, um ihre Abriebbeständigkeit zu verbessern. Die pulvermetallurgischen Edelstähle mit hohem Chrom-, hohem Vanadiumgehalt wie CPM 440V, das auf Seite 781 im Band 1 der 10. Ausgabe des ASM Metals handbook offenbart wird, und MPL-1, das in jüngsten Veröffentlichungen offenbart wurde, überragen bei der Kunststoffverarbeitung deutlich herkömmliche Edelstähle, aber keines dieser Materialien entspricht vollständig allen Bedürfnissen der neueren Maschinen für die Kunststoffverarbeitung, die sich in der Geometrie der Betriebsteile nicht an grosse, den Verschleiss betreffende Änderungen anpassen können und wo die Verunreinigung der Prozessmedien mit Abriebstaub minimiert werden muss. Von allen erforderten Eigenschaften ist die Metall-Verschleissfestigkeit der Martensitedelstähle mit hohem Chromgehalt, die entweder durch herkömmliche oder durch pulvermetallurgische Verfahren hergestellt werden, bemerkenswert gering.

Zusammenfassung der Erfindung

In dieser Hinsicht wurde entdeckt, dass die Metall-Verschleissfestigkeit der pulvermetallurgischen Edelstähle mit hohem Chrom-, hohem Vanadiumgehalt durch ihren Chromgehalt deutlich beeinflusst wird und dass in diesen Materialien durch Absenken ihres Chromgehalts und genauem Abstimmen ihrer Gesamtzusammensetzung eine wesentlich verbesserte und einzigartige Kombination an Metall-Verschleiss-, Abrieb- und korrosiver Verschleissfestigkeit erreicht werden kann. Zusätzlich wurde entdeckt, dass für manche Anwendungen die Korrosionsbeständigkeit dieser Materialien durch Erhöhung des Stickstoffgehalts der vorlegierten Pulver merklich verbessert werden kann, aus denen sie hergestellt werden. Des weiteren wurde entdeckt, dass es nötig ist, die Zerstäubungs- und Verdichtungsbedingungen der vorlegierten Pulver, aus denen diese verbesserten Artikel erzeugt werden, genau zu regeln, um die gewünschten Kombinationen an Verschleissfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zusammen mit guter Festigkeit, Zähigkeit und Vermahlbarkeit der Artikel der Erfindung zu erhalten.
Es ist demgemäss ein Hauptziel der Erfindung, korrosionsbeständige, pulvermetallurgische Werkzeugstahlartikel mit hohem Vanadiumgehalt zu liefern, deren Metall-Verschleissfestigkeit merklich verbessert ist. Dies wird durch genaue Regelung des Chromgehalts erreicht, der im allgemeinen die Korrosionsbeständigkeit verbessert, von dem aber unerwarteter Weise nachgewiesen wurde, dass er auf die Metall-Verschleissfestigkeit eine stark negative Wirkung aufweist, und indem die Gesamtzusammensetzung der Artikel so abgestimmt wird, dass der erwünschte Härtegrad und die Abriebfestigkeit erreicht werden, ohne die Korrosionsbeständigkeit zu verringern.
Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist die Lieferung von korrosionsbeständigen, pulvermetallurgischen Werkzeugstahlartikeln mit hohem Vanadiumgehalt mit merklich verbesserter Metall-Verschleissfestigkeit, dem mehr als Restmengen an Stickstoff zugesetzt sind, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, ohne den Abrieb zu verringern.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Lieferung eines Verfahrens zur Herstellung der korrosionsbeständigen Werkzeugstahlartikel mit hohem Vanadiumgehalt der Erfindung mit guter Festigkeit, Zähigkeit und Vermahlbarkeit aus mit Stickstoff zerstäubten, vorlegierten Pulverpartikeln. Dies wird hauptsächlich durch genaue Regelung der Grösse der chromreichen und vanadiumreichen Karbide oder Karbonitride erreicht, die während dem Zerstäuben gebildet werden, und durch heisse isostatische Verdichtung der mit Stickstoff zerstäubten Pulver, aus denen die Artikel der Erfindung erzeugt werden.
Diese und andere Ziele der Erfindung werden mit den pulvermetallurgischen Artikeln in Übereinstimmung mit der folgenden Verarbeitung und den Zusammensetzungen erreicht.
In Übereinstimmung mit dem Verfahren der Erfindung wird deren Artikel hergestellt, indem eine geschmolzene Werkzeugstahllegierung bei einer Temperatur von 1538 bis 1649ºC (2800 bis 3000ºF), vorzugsweise von 1560 bis 1582ºC (2840 bis 2880ºF) mit Stickstoffgas zerstäubt wird, wobei das entstehende Pulver schnell auf Raumtemperatur abgekühlt wird, das Pulver auf etwa -16 Mesh (US-Standard) gesiebt wird, das Pulver bei einer Temperatur von 1093 bis 1149ºC (2000 bis 2100ºF) bei einem Druck von 89,6 bis 110,3 MPa (13 bis 16 ksi), vorzugsweise bei 103,4 MPa (15 ksi) heiss isostatisch verdichtet wird, wobei die Artikel nach dem Heissbearbeiten, Ausglühen und Härten auf 58 HRC einen Volumenbruch von primären M&sub7;C&sub3;- und MC-Karbiden von 16 bis 36 % aufweisen, wobei das Volumen der MC-Karbide zumindest ein Drittel des primären Karbidvolumens beträgt und wobei die maximalen Grössen der primären Karbide in ihrer grössten Abmessung etwa 6 Mikrometer nicht überschreiten und wobei eine Metall-Verschleissfestigkeit von zumindest 69 · 10¹³ Pa (10 · 10¹&sup0; psi) erreicht wird, wie hier bestimmt wird.
* (%C + 6/7%N)minimum = 0,40 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V); (%C + 6/7%N)maximum = 0,60 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);
** umfasst unwesentliche Elemente und Verunreinigungen, die für die Praxis der Stahlerzeugung charakteristisch sind.
Es ist in Hinsicht auf die Erfindung wichtig, die Menge an Kohlenstoff, Stickstoff und anderen Austenit bildenden Elementen in den Artikeln bezüglich der Ferrit bildenden Elemente wie Silizium, Chrom, Vanadium, und Molybdän abzustimmen, um die Bildung von Ferrit in der Mikrostruktur zu vermeiden. Ferrit verringert die Heissbearbeitbarkeit der Artikel der Erfindung und vermindert ihre erreichbare Härte. Es ist ebenso wichtig, die Mengen an Kohlenstoff, Stickstoff und anderen Legierungselementen in den Artikeln der Erfindung zu regeln, um die Bildung unmässig grosser Mengen an Rest-Austenit während der Hitzebehandlung zu verhindern und auch die verbesserte Kombination von Metall-Verschleiss-, Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit zu erhalten. Insbesondere ist Kohlenstoff innerhalb der angegebenen Bereiche erforderlich, um Ferrit zu regeln, harte verschleissfeste Karbide oder Karbonitride mit Vanadium, Chrom und Molybdän zu bilden und um die Härte des Martensits in der Matrix zu erhöhen. Mengen an Kohlenstoff, die grösser als die angegebene Grenze sind, vermindern die Korrosionsbeständigkeit wesentlich.
Die legierenden Wirkungen von Stickstoff in den Artikeln der Erfindung sind in etwa jenen von Kohlenstoff ähnlich. Stickstoff erhöht die Härte von Martensit und kann mit Kohlenstoff, Chrom, Molybdän und Vanadium harte Nitride und Karbonitride bilden, die die Abriebfestigkeit erhöhen können. Stickstoff ist jedoch in Stählen mit hohem Vanadiumgehalt für diesen Zweck nicht so wirksam wie Kohlenstoff, weil die Härten des Vanadiumnitrids oder -karbonitrids wesentlich geringer sind als jene von Vanadiumkarbid. Im Gegensatz zu Kohlenstoff ist Stickstoff bei der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit der Artikel der Erfindung verwendbar, wenn es in der Matrix aufgelöst wird. Aus diesem Grund kann Stickstoff in einer Menge von bis zu etwa 0,46% verwendet werden, um die Korrosionsbeständigkeit der Artikel der Erfindung zu verbessern. Für die grösste Abriebfestigkeit wird jedoch Stickstoff am besten auf etwa 0,19% oder auf die Restmengen begrenzt, die während der Stickstoffzerstäubung der Pulver eingeführt werden, aus denen die Artikel der Erfindung erzeugt werden.
Um die Härte und die Karbid- und Karbonitridvolumina zu erreichen, die nötig sind, um die gewünschte Kombination an Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit zu erreichen, müssen der Kohlenstoff und Stickstoff in den Artikeln der Erfindung mit den Chrom-, Molybdän- und Vanadiumgehalten gemäss den folgenden Formeln abgestimmt werden:
(%C + 6/7%N)minimum = 0,40 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V); (%C + 6/7%N)maximum = 0,60 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist es wesentlich, die Mengen an Chrom, Molybdän und Vanadium innerhalb der oben angegebenen Bereiche zu regeln, um die gewünschte Kombination an Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit zusammen mit angemessener Härtbarkeit, Härte, Zähigkeit, Verarbeitbarkeit und Vermahlbarkeit zu erhalten.
Vanadium ist sehr wichtig, um die Metall-Verschleissfestigkeit zu erhöhen, indem grössere Mengen an vanadiumreichen Karbiden oder Karbonitriden des MC- Typs gebildet werden, als früher in korrosions- und abriebfesten, pulvermetallurgischen Werkzeugstahlartikeln erhaltbar war.
Mangan liegt vor, um die Härtbarkeit zu verbessern und ist zur Regelung der negativen Wirkungen von Schwefel auf die Heissverarbeitbarkeit durch die Bildung von Mangansulfid verwendbar. Es ist ebenso zur Erhöhung der Flüssigkeitslöslichkeit von Stickstoff in der Schmelze und zur Zerstäubung der pulvermetallurgischen Artikel der Erfindung mit hohem Stickstoffgehalt verwendbar. Überschüssige Mengen an Mangan können jedoch während der Hitzebehandlung zur Bildung von übermässig hohen Mengen an Rest-Austenit führen und die Schwierigkeit des Ausglühens der Artikel der Erfindung auf die geringe Härte erschweren, die für eine gute Verarbeitbarkeit nötig ist.
Silizium wird für Deoxidationszwecke während dem Schmelzen der vorlegierten Materialien verwendet, aus denen die mit Stickstoff zerstäubten Pulver erzeugt werden, die in den Artikeln der Erfindung verwendet werden. Es ist ebenso nützlich, um die Anlassbeständigkeit der Artikel der Erfindung zu verbessern. Übermässige Mengen an Silizium vermindern jedoch die Zähigkeit und erhöhen unmässig die Menge an Kohlenstoff oder Stickstoff, die nötig ist, um die Bildung von Ferrit in der Mikrostruktur der pulvermetallurgischen Artikel der Erfindung zu verhindern.
Chrom ist sehr wichtig zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, Härtbarkeit und Anlassbeständigkeit der Artikel der Erfindung. Es wurde jedoch nachgewiesen, dass es eine sehr schlechte Wirkung auf die Metall- Verschleissfestigkeit der korrosions- und abriebfesten Stähle mit hohem Vanadiumgehalt aufweist, und aus diesem Grund muss es in den Artikeln der Erfindung auf die Minima begrenzt werden, die für eine gute Korro sionsbeständigkeit nötig sind.
Molybdän ist wie Chrom zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, Härtbarkeit und Anlassbeständigkeit der Artikel der Erfindung verwendbar. Überschüssige Mengen vermindern jedoch die Bearbeitbarkeit. Wie gut bekannt ist, kann ein Teil des Molybdäns durch Wolfram in einem Verhältnis von 2 : 1 in einer Menge zum Beispiel von bis zu etwa 1% ersetzt werden.
Schwefel ist zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit und Vermahlbarkeit durch die Bildung von Mangansulfid verwendbar. Es kann jedoch die Heissbearbeitbarkeit und die Korrosionsbeständigkeit wesentlich verringern. In Anwendungen, wo die Korrosionsbeständigkeit an erster Stelle steht, muss er auf maximal 0,03% oder geringer gehalten werden.
Wenn es wünschenswert ist, kann Bor in Mengen von bis zu etwa 0,005% zugegeben werden, um die Heissverarbeitbarkeit der Artikel der Erfindung zu verbessern.
Die Legierungen, die verwendet wurden, um die mit Stickstoff zerstäubten, vorlegierten Pulver mit hohem Vanadiumgehalt herzustellen, die bei der Erzeugung der Artikel der Erfindung verwendet werden, können in einer Vielzahl an Verfahren geschmolzen werden, werden aber am bevorzugtesten in Luft-, Vakuum- oder Druckinduktionsschmelzverfahren geschmolzen. Die beim Schmelzen und Zerstäuben der Legierungen, insbesondere für jene, die mehr als 12% Vanadium enthalten, verwendeten Temperaturen und die Temperaturen, die bei der heissen isostatischen Verdichtung der Pulver verwendet werden, müssen genau geregelt werden, um die geringen Karbid- oder Karbonitridgrössen zu erhalten, die nötig sind, um gute Zähigkeit und Vermahlbarkeit zu erreichen, während grössere Mengen dieser Karbide oder Karbonitride beibehalten werden, um die erwünschten Gehalte an Metall- Verschleissfestigkeit zu erreichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Elektronenmikrophotographie, die die Grösse und Verteilung der primären Karbide in einem PM-Werkzeugstahlartikel der Erfindung mit hohem Vanadiumgehalt zeigt, der 13,57% Chrom und 8,90% Vanadium enthält (Stab 95-6).
Fig. 2 ist eine Elektronenmikrophotographie, die die Grösse und Verteilung der primären Karbide in einem PM-Werkzeugstahlartikel der Erfindung mit hohem Vanadiumgehalt zeigt, der 13,31% Chrom und 14,47% Vanadium enthält (Stab 95-23).
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkung des Chromgehalts auf die Metall-Verschleissfestigkeit (gekreuzte Zylinder) von PM- Werkzeugstählen zeigt, die etwa 9,0% Vanadium enthalten.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkung des Vanadiumgehalts auf die Metall-Verschleissfestigkeit (gekreuzte Zylinder) von PM-Werkzeugstählen zeigt, die etwa 12 bis 14% und von etwa 16 bis 24% Chrom enthalten. Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungen Tabelle I: Chemische Zusammensetzung der Materialien der Beispiele
Um die Grundlagen der Erfindung zu zeigen, wurde eine Serie an Legierungen durch Induktionsschmelzen und dann Zerstäuben mit Stickstoff hergestellt. In Tabelle I oben werden die chemischen Bestandteile in Gewichtsprozent und die Zerstäubungstemperaturen für diese Legierungen gegeben. Es wurden zum Vergleich ebenso einige handelsübliche, blockgegossene oder pulvermetallurgische, abrieb- oder abrieb- und korrosionsbeständige Legierungen erworben und geprüft. Die chemischen Zusammensetzungen dieser handelsüblichen Legierungen werden in Tabelle II gegeben. Tabelle II: Chemische Zusammensetzung der Materialien, die zum Vergleich geprüft wurden
Die Legierungen aus dem Labor in Tabelle I wurden hergestellt, indem die vorlegierten Pulver (1) auf eine Grösse von -16 Mesh (US-Standard) gesiebt wurden, (2) verschweissbare Weichstahlbehälter mit fünf Zoll Durchmesser und sechs Zoll Höhe mit den gesiebten Pulvern beladen wurden, (3) die Behälter bei 260ºC (500ºF) vakuumentgast wurden, (4) die Behälter verschweisst wurden, (5) die Behälter auf 1129ºC (2065ºF) vier Stunden lang in einem Hochdruckautoklaven erhitzt wurden, der bei etwa 103,4 MPa (15 ksi) betrieben wird, und (6) sie dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt werden. In manchen Fällen wurden geringe Mengen an Kohlenstoff (Graphit) mit den Pulvern vermischt, bevor die Behälter mit ihnen beladen wurden, um ihren Kohlenstoffgehalt systematisch zu erhöhen. Alle Presslinge wurden unter Verwendung einer Wiederaufheiztemperatur von 1121ºC (2050ºF) leicht heiss geschmiedet zu Stäben. Prüfproben wurden aus den Stäben gearbeitet, nachdem sie unter Verwendung eines herkömmlichen Ausglühzyklus für Werkzeugstahl ausgeglüht waren, der Erhitzen auf 899ºC (1650ºF) für 2 Stunden, langsames Abkühlen auf 649 ºC (1200ºF) in einer Geschwindigkeit, die 14ºC (25ºF) pro Stunde nicht überschreitet und dann Abkühlen an der Luft auf Umgebungstemperatur umfasst.
Mehrere Untersuchungen und Prüfungen wurden durchgeführt, um die Vorteile der PM-Werkzeugstahlartikel der Erfindung und die kritischen Zustände ihrer Zusammensetzungen und Herstellungsverfahren zu zeigen. Insbesondere wurden Prüfungen und Untersuchungen angestellt, um (1) ihre Mikrostruktur, (2) Härte unter Bedingung der Hitzebehandlung, (3) Charpy-Kerbschlagfestigkeit, (4) Leistung in einer Abriebprüfung mit gekreuzten Zylindern als Mass der Metall-Verschleissfestigkeit, (5) Leistung in einer Nadelabriebprüfung als Mass für die Abriebfestigkeit und (6) Korrosionsbeständigkeit in Prüfungen in abgewandelten, wässrigen Bereichen und kochender Essigsäure als Mass für die Korrosionsbeständigkeit in korrosiven Kunststoffen und anderen aggressiven Materialien zu bewerten.

Mikrostruktur

Die Eigenschaften der primären Karbide des chromreichen M&sub7;C&sub3;-Typs und des vanadiumreichen MC-Typs, die in den PM-Artikeln der Erfindung vorliegen, werden in den Elektronenmikrophotographien gezeigt, die in den Fig. 1 und 2 gegeben sind. Die chromreichen Karbide sind in diesen Mikrophotographien grau, während die vanadiumreichen Karbide schwarz gefärbt sind. Mit der Ausnahme der angegebenen Unterschiede in den Mengen dieser Karbide ist es ersichtlich, dass die Karbide in den hitzebehandelten Proben aus Stab 95-6, der 13,57% Chrom und 8,90% Vanadium enthält, und des Stabs 92-23, der 13,31% Chrom und 14,47% Vanadium enthält, gut verteilt und in Grösse und Gestalt ähnlich sind. Die maximalen Grössen der chromreichen Karbide neigen dazu, grösser als jene der vanadiumreichen Karbide zu sein, aber im allgemeinen überschreiten die Grössen von fast allen Karbiden nicht etwa 6 Mikrometer in ihrer längsten Abmessung. Die geringen Grössen der primären Karbide stimmen mit den Lehren aus US-Patent Nr. 5,238,482 überein, das angibt, dass die Grössen der vanadiumreichen Karbide des MC-Typs in kaltbearbeiteten PM- Werkzeugstählen mit hohem Vanadiumgehalt durch die Verwendung von grösseren als normalen Zerstäubungstemperaturen geregelt werden können und dass geringe Karbidgrössen wünschenswert sind, um eine gute Zähigkeit und Vermahlbarkeit zu erzielen. Beruhend auf den Zerstäubungstemperaturen für die Pulver, aus denen die Stäbe 95-6 und 95-23 hergestellt wurden (1582 und 1571ºC (2880 und 2860ºF) jeweils) ist es jedoch klar, dass die Zusammensetzung dieser Stäbe, insbesondere ihr hoher Chromgehalt, die Verwendung von Zerstäubungstemperaturen erlaubt, die geringer als das Minimum von 1599ºC (2910ºF) sind, das erforderlich ist, um die Grösse der Karbide des MC-Typs in den Werkzeugstahlpartikeln mit geringerem Chrom- und hohem Vanadiumgehalt zu regeln, die in diesem Patent offenbart werden. Die Fähigkeit, geringere Zerstäubungstemperaturen zu verwenden, erleichtert die Herstellung und senkt die Herstellungskosten der Pulver, aus denen die Artikel der Erfindung gemacht sind.
Um die Mikrostruktur der pulvermetallurgischen Artikel der Erfindung weiter zu kennzeichnen, wurde durch Bildanalyse der Volumenbruch der primären, chromreichen M&sub7;C&sub3;-Karbide und der vanadiumreichen MC-Karbide bestimmt, die in den hitzebehandelten Proben von vier Artikeln innerhalb des Rahmens der Erfindung vorliegen (Stäbe 95-6, 95-7, 95-23 und 95-342), und mit jenem in einem pulvermetallurgischen, abrieb- und korrosionsbeständigen Material mit hohem Vanadium, hohem Chromgehalt der gegenwärtigen Entwicklung (Stab 9348) verglichen. Die Ergebnisse der Messungen, die in Tabelle 111 gegeben werden, zeigen, dass der Volumenbruch der vanadiumreichen MC-Karbide in den Artikeln der Erfindung im allgemeinen zumindest ein Drittel des Gesamtvolumens des primären Karbids überschreitet, das in diesen Artikeln vorliegt, wenn sie bei 1121ºC (2050ºF) austenitisiert werden und dann bei 260ºC (500ºF) angelassen werden. Im Gegensatz dazu enthält das handelsübliche PM-Material nach der gleichen Hitzebehandlung einen viel geringeren Anteil an vanadiumreichen MC-Karbiden. Vergleichen Sie zum Beispiel den Unterschied der Karbidgehalte von Stab 93-48 mit jenen vom Stab 95-6, der innerhalb des Rahmens der Erfindung liegt und der etwa das gleiche Gesamtvolumen an primärem Karbid enthält. Tabelle III: Volumen des primären Karbids der Versuchs- und handelsüblichen Materialien
* (Hitzebehandlung- 1121ºC(2050ºF)/30 min. OQ, 260ºC(500ºF)/2+2h)

Härte

Die Härte ist ein wichtiger Faktor, der die Festigkeit, Zähigkeit und Abriebfestigkeit von Martensitwerkzeugstählen beeinflusst. Im allgemeinen wird bei kaltbearbeiteten Werkzeugstählen eine minimale Härte von etwa 58 HRC benötigt, damit sie im Betrieb einer Verformung geeignet widerstehen. Höhere Härten sind verwendbar, um die Abriebfestigkeit zu erhöhen, aber für korrosionsbeständige, kalt bearbeitete Werkzeugstähle ergeben die Zusammensetzungen und Hitzebehandlungen, die nötig sind, um diese höheren Härten zu erreichen, oft einen Verlust an Zähigkeit oder Korrosionsbeständigkeit. In dieser Hinsicht enthält Tabelle IV Werte über die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte, die in den PM-Artikeln der Erfindung nötig sind, um eine minimale Härte von etwa 58 HRC zu erreichen, wenn sie zwischen 1121 und 1177ºC (2050 und 2150ºF) austenitisiert werden, ölvergütet und dann in einem Temperaturbereich (260 bis 316ºC (500 bis 600ºF) angelassen werden, um die beste Korrosionsbeständigkeit zu erzeugen. Sie zeigen an, dass die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte dieser Artikel gleich sein müssen oder die Minima überschreiten müssen, die durch die folgende Beziehung angegeben werden, um die gewünschte Härtereaktion zu erreichen:
(%C + 6/7%N)minimum = 0,40 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V)
Die Wichtigkeit dieser Beziehung wird durch die Werte für die Härte der Stäbe 95-8 und 95-24 gezeigt, deren vereinigte Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte unter den berechneten Minima liegen und die in der Folge nach den angegebenen Hitzebehandlungen nicht die erforderliche Härte liefern. Um bei diesen zwei Materialien eine Härte von zumindest 58 HRC zu erreichen, war es nötig, ihre Kohlenstoffgehalte zu erhöhen. Beim Stab 95-8, der 0,093% Stickstoff enthält und der einen berechneten, minimalen Kohlenstoffgehalt von 2,86% enthält, lieferte das Erhöhen des Kohlenstoffgehaltes von 2,74% auf 2,94% wie beim Stab 95-207 die gewünschte Härte. Bei Stab 95-24, der 0,32% Stickstoff enthält und der einen berechneten, minimalen Kohlenstoffgehalt von 2,01% aufweist, erzeugte das Erhöhen des Kohlenstoffgehaltes von 1,91% auf 2,01% wie beim Stab 95-240 und von 1,91% auf 2,10% wie beim Stab 93-241 die gewünschte Härte. Tabelle IV: Reaktion auf die Hitzebehandlung bei den Versuchsmaterialien
*(%C + 6/7%N)minimum = 0,40 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V)

Schlagzähigkeit

Um die Schlagzähigkeit der PM-Artikel der Erfindung zu bewerten, wurden bei Raumtemperatur mit hitzebehandelten Proben Charpy-Kerbschlagprüfungen mit einem Radius der Kerbe von 0,5 Zoll durchgeführt. Die Vorgangsweise für die Prüfungen war ähnlich jener, die in ASTM Standard E23-88 gegeben ist. Ergebnisse, die für Proben, die aus drei unterschiedlichen PM-Artikeln hergestellt wurden, die innerhalb des Rahmens der Erfindung hergestellt wurden, und für mehrere handelsübliche abrieb- oder abrieb- und korrosionsbeständige Legierungen erhalten wurden, sind in Tabelle V gegeben. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schlagzähigkeit der PM-Artikel der Erfindung im allgemeinen mit erhöhtem Vanadiumgehalt abnimmt. Sie zeigen ebenso, dass die Zähigkeit der PM-Artikel der Erfindung abhängig vom Vanadiumgehalt vergleichbar oder besser ist als jene von mehreren, häufig verwendeten, herkömmlichen Blockguss- oder kalt bearbeiteten PM-Werkzeugstählen, die, wie in Tabelle VI gezeigt wird, eine viel schlechtere Metall-Verschleissfestigkeit aufweisen.
Tabelle V: Charpy-Kerbschlageigenschaften der Versuchs- und handelsüblichen Werkzeugstähle
* herkömmliches Blockguasmaterial
** Die Hitzebehandlungen waren wie folgt:
A: 1121ºC (2050ºF)/30 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
B: 1177ºC (2150ºF)/10 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
C: 1121ºC (2050ºF)/30 min., OQ, 552ºC (1025ºF)/2+2h.
D: 1177ºC (2150ºF)/10 min., OQ, 538ºC (1000ºF)/2+2+2h.
E: 1010ºC (1850ºF)/1h, AC, 204ºC (400ºF)/2+2 h.
F: 1010ºC (1850ºF)/1h, OQ, 260ºC (500ºF)/2+2 h.
G: 1038ºC (1900ºF)/1h, OQ, 204ºC (400ºF)/2+2h.
H: 1149ºC (2100ºF)/10 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
I: 1079ºC (1975ºF)/30 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.

Metall-Verschleissfestigkeit

Die Metall-Verschleissfestigkeit der PM-Artikel der Erfindung und der getesteten Materialien zum Vergleich wurde unter Verwendung einer Abriebprüfung mit nicht geschmierten, gekreuzten Zylindern gemessen, die jener ähnlich ist, die in ASTM Standard G83 beschrieben wurde. In dieser Prüfung werden ein Zylinder aus dem Werkzeugstahl, der geprüft werden soll, und ein Zylinder, der aus Wolframkarbid in einer 6% Kobaltmatrix hergestellt wird, senkrecht zueinander aufgestellt. Eine Last von 15 Pfund wird über ein Gewicht auf einem Hebelarm auf die Proben aufgebracht. Während der Prüfung dreht sich der Wolframkarbidzylinder mit einer Geschwindigkeit von 667 Umdrehungen pro Minute. Während die Prüfung fortschreitet, bildet sich auf der Probe des Werkzeugstahls eine Abriebstelle. Am Ende der Prüfung, die für eine festgesetzte Zeitdauer durchgeführt wird, wird das Ausmass des Abriebs durch Messen der Tiefe der Abriebstelle auf der Probe und Umwandeln in ein Abriebvolumen mit Hilfe einer Beziehung bestimmt, die zu diesem Zweck abgeleitet wurde. Die Metall- Verschleissfestigkeit oder der Kehrwert der Abriebgeschwindigkeit wird dann durch die folgende Formel berechnet:
mit:
v = das Abriebvolumen (Zoll³)
L = die angelegte Last (Pfund)
s = der Gleitabstand (Zoll)
d = Durchmesser des Wolframkarbidzylinders (Zoll); und
N = Anzahl der Umdrehungen des Wolframkarbidzylinders (ppm).
Die Ergebnisse der Metall-Verschleissprüfungen (gekreuzte Zylinder) werden in Tabelle VI gegeben. Sie zeigen, dass die Metall-Verschleissfestigkeit der PM- und herkömmlichen, abriebfesten Materialien wesentlich von ihren Chrom- und Vanadiumgehalten beeinflusst wird. Die stark negative Wirkung von Chrom auf die Festigkeit gegen den Metall-Verschleiss wird in Fig. 3 dargestellt, die die Metall- Verschleissfestigkeit von CPM 10 V (Stab 85-34), CPM 420 V (Stab 95-21), CPM 440VM (Stab 91-90) und MLP-1 (Stab 91-12) vergleicht. Diese Materialien enthalten annäherungsweise die gleiche Menge an Vanadium, aber enthalten sehr verschiedene Mengen an Chrom. Im Gegensatz zur vorigen Information, die anzeigt, dass höhere Kohlenstoff- und Chromgehalte notwendigerweise die Abriebfestigkeit verbessern, zeigt die Figur, dass durch das Erhöhen des Chromgehalts der abrieb- und korrosionsbeständigen PM-Werkzeugstähle mit hohem Vanadiumgehalt ihre Metall- Verschleissfestigkeit wesentlich abnimmt. Um die Metall-Verschleissfestigkeit zu erhöhen, muss so der Chromgehalt der korrosionsbeständigen PM- Martensitwerkzeugstähle mit hohem Vanadiumgehalt auf die Minima begrenzt sein, die für eine gute Korrosionsbeständigkeit nötig sind. Aus diesem Grund sind die Chromgehalte der PM-Artikel der Erfindung auf Mengen zwischen 11,5 und 14,5% und vorzugsweise zwischen 12,5 und 14,5% beschränkt.
Fig. 4 zeigt die Wirkung des Vanadiumgehalts auf die Metall-Verschleissfestigkeit von zwei Gruppen von abrieb- und korrosionsbeständigen Legierungen, die in Tabelle VI enthalten sind. Eine Gruppe enthält etwa 12 bis 14% Chrom und die andere etwa 16 bis 24% Chrom. Für die Gruppe von PM-Materialien, die etwa 16 bis 24% Chrom enthält, ist klar, dass ein steigender Vanadiumgehalt von etwa 3 bis 9% nur eine geringe Wirkung auf die Metall-Verschleissfestigkeit aufweist. Für die andere Gruppe von PM-Materialien mit etwa 12 bis 14% Chrom andererseits erhöht das Steigern des Vanadiumgehalts über etwa 4% und insbesondere über etwa 8% wesentlich die Metall-Verschleissfestigkeit. Für einen gegebenen Vanadiumgehalt ist es wieder ersichtlich, dass Chrom eine negative Wirkung ausübt und dass die Metall- Verschleissfestigkeit für die Gruppe von Legierungen mit Chromgehalten im Bereich von 12 bis 14% höher ist als für die Gruppe mit Chromgehalten im Bereich von 16 bis 24%. Aus diesen Gründen sind die Chromgehalte der PM-Artikel der Erfindung auf einen Bereich zwischen 11,5 und 14,5% und die Vanadiumgehalte auf einen breiten Bereich zwischen etwa 8 und etwa 15% und vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von etwa 12 bis 15% beschränkt.

Abriebfestigkeit

Die Abriebfestigkeit der Versuchsmaterialien wurde unter Verwendung einer Nadelabriebprüfung bewertet. Bei dieser Prüfung wird eine kleine zylindrische Probe (Durchmesser von 6,35 mm (0,25 Zoll)) gegen ein trockenes Granatschleifleinen mit 150 Mesh unter einer Last von 0,37 kg (15 Pfund) gepresst. Das Leinen ist an einem beweglichen Tisch angebracht, der die Bewegung der Probe in einem nicht überlappenden Weg von etwa 12,7 m (500 Zoll) über frisches Schleifmittel verursacht. Während sich die Probe über das Schleifmittel bewegt, wird es um seine eigene Achse gedreht. Der Gewichtsverlust der Proben wurde als Mass für die Leistung des Materials verwendet.
Die Ergebnisse der Nadelabriebprüfungen werden in Tabelle VI gegeben. Für die PM- Artikel der Erfindung ist es klar, dass ihre Abriebfestigkeit im allgemeinen mit dem Vanadiumgehalt verbessert wird, wie durch Vergleich der Gewichtsverluste von Stab 95-6, der 8,90% Vanadium enthält (52 bis 53,7 Gramm), mit jenen von Stab 95-7, der 11,96% Vanadium enthält (44 bis 51,5 Gramm), und Stab 95-23, der 14,47% Vanadium enthält (39,5 bis 47 Gramm), gesehen werden kann. Des weiteren ist klar, dass die Abriebbeständigkeit der PM-Artikel der Erfindung jener von mehreren handelsüblichen korrosions- und abriebfesten PM-Materialien überlegen ist, wie durch Vergleich der Gewichtsverluste von Stab 95-6 (52 bis 53,7 Gramm) mit jenen von Elmax (70 Gramm), CPM 440VM (64 Gramm) und M390 (60 Gramm) gesehen werden kann. Tabelle VI: Abriebfestigkeit von Versuchs- und handelsüblichen Werkzeugstählen
** Die Hitzebehandlungen waren wie folgt:
A: 1121ºC (2050ºF)/30 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
B: 1177ºC (2150ºF)/10 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
C: 1121ºC (2050ºF)/30 min., OQ, 552ºC (1025ºF)/2+2h.
D: 1177ºC (2150ºF)/10 min., OQ, 538ºC (1000ºF)/2+2+2h.
E: 1010ºC (1850ºF)/1h, AC, 204ºC (400ºF)/2+2h.
F: 1010ºC (1850 ºF)/1h, OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
G: 1038ºC (1900ºF)/1h, OQ, 204ºC (400ºF)/2+2h.
H: 1149ºC (2100ºF)/10 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
I: 1079ºC (1975ºF)/30 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.

Korrosionsbeständigkeit

Die Korrosionsbeständigkeit der PM-Artikel der Erfindung und mehrerer handelsüblicher Legierungen, die zum Vergleich aufgenommen wurden, wurden in zwei verschiedenen Korrosionsprüfungen bewertet. Bei einer Prüfung wurden Proben drei Stunden lang bei Raumtemperatur in eine wässrige Lösung getaucht, die 5 Volums% Salpetersäure und 1 Volums% Salzsäure enthielt. Die Gewichtsverluste der Proben wurden bestimmt, und dann wurden die Korrosionsgeschwindigkeiten unter Verwendung der Materialdichte und der spezifischen Oberfläche der Probe berechnet. Bei der anderen Korrosionsprüfung wurden die Proben 24 Stunden lang in kochende, wässrige Lösungen von 10 Volums% Eisessig getaucht. Jede Probe wurde in die Prüflösung getaucht. Der Gewichtsverlust jeder Probe wurde bestimmt, und unter Verwendung der Materialdichte und der spezifischen Oberfläche wurde die Korrosionsgeschwindigkeit berechnet und als Mass für die Materialeigenschaft verwendet. Tabelle VII: Korrosionsbeständigkeit von Versuchs- und handelsüblichen Werkzeugstählen
** Die Hitzebehandlungen waren wie folgt:
A: 1121ºC (2050ºF)/30 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
B: 1177ºC (2150ºF)/10 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
C: 1121ºC (2050ºF)/30 min., OQ, 552ºC (1025ºF)/2+2h.
D: 1177ºC (2150ºF)/10 min., OQ, 538ºC (1000ºF)/2+2+2h.
E: 1010ºC (1850ºF)/1h, AC, 204ºC (400ºF)/2+2h.
F: 1010ºC (1850 ºF)/1h, OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
G: 1038ºC (1900ºF)/1h, OQ, 204ºC (400ºF)/2+2h.
H: 1149ºC (2100ºF)/10 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
I: 1079ºC (1975ºF)/30 min., OQ, 260ºC (500ºF)/2+2h.
Die Ergebnisse der Korrosionsprüfungen werden in Tabelle VII gegeben. Sie zeigen, dass die Leistung der PM-Artikel der Erfindung bei der Prüfung in verdünnten, wässrigen Bereichen stark von der Ausgewogenheit zwischen Kohlenstoff und Stickstoff und den Mengen an Chrom, Molybdän und Vanadium abhängt, die sie enthalten. Die PM-Artikel, die durch die Stäbe 95-24 und 95-8 dargestellt werden, zeigen in dieser Prüfung ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, aber wie in den Tabellen IV und V früher gezeigt wurde, liegen ihre Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte unter jenen, die nötig sind, um nach den angegebenen Hitzebehandlungen eine Härte von zumindest 58 HRC zu erreichen und um den gewünschten Grad an Metall- Verschleissfestigkeit zu liefern. Das Erhöhen des Kohlenstoff- oder Stickstoffgehalts, um den minimalen Mengen zu entsprechen oder sie zu überschreiten, die nötig sind, um wie mit den Stäben 95-23, 95-7 und 95-240 eine Härte von zumindest 58 HRC zu erreichen, vermindert die Korrosionsbeständigkeit bei dieser Prüfung leicht, aber der Grad an Korrosionsbeständigkeit, der von diesen Materialien gezeigt wird, ist immer noch sehr hoch, solange ihre Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte die Maxima nicht überschreiten, die gemäss der folgenden Beziehung berechnet werden:
(%C + 6/7%N)maximum = 0,60 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V)
Die stark negative Wirkung, wenn die berechneten Grenzen an Kohlenstoff und Stickstoff überschritten werden, kann beim Vergleich der Korrosionsgeschwindigkeiten von Stab 95-342 (11,32 bis 14,86 mm (446 bis 585 Mil/Monat), dessen Kohlenstoffgehalt von 1,95% den berechneten maximalen Wert von 2,07% nicht überschreitet, mit den Korrosionsgeschwindigkeiten von Stab 95-341 (19,51 bis 20,27 mm (768 bis 798 Mil/Monat), dessen Kohlenstoffgehalt von 2,10% den berechneten maximalen Wert von 2,07% überschreitet, gesehen werden. Die ausgezeichnete Leistung der PM-Artikel innerhalb des Rahmens der Erfindung in Beziehung zu jener der zwei handelsüblichen abrieb- oder abrieb- und korrosionsbeständigen PM- Legierungen kann durch Vergleich der Korrosionsgeschwindigkeiten von Stab 95-23 (5,54 bis 5,56 mm (218 bis 219 Mil/Monat) und Stab 95-240 (6,40 bis 7,82 mm (252 bis 308 Mil/Monat) mit jenen von Stab 90-136 (26,57 mm (1046 Mil/Monat), der stellvertretend für derzeitige, abriebfeste PM-Legierungen mit hohem Chrom- und Vanadiumgehalt ist, und Stab 93-73 (23,27 bis 31,57 mm (916 bis 1243 Mil/Monat) gesehen werden, der stellvertretend für abrieb- und korrosionsbeständige PM- Legierungen mit hohem Chrom- und Vanadiumgehalt ist.
Ähnlich den Ergebnissen, die in den Prüfungen in verdünnten, wässrigen Bereichen erhalten wurden, zeigen die Ergebnisse, die in den Prüfungen mit kochender Essigsäure erhalten wurden ebenso, dass die Korrosionsbeständigkeit der PM-Artikel der Erfindung stark von der Ausgewogenheit ihres Kohlenstoff- und Stickstoffgehalts abhängt. Wieder zeigt der Stab 95-24, der weniger als den minimal berechneten Kohlenstoffgehalt enthält, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Wie zuvor angegeben wurde, ist jedoch die Härte dieses Materials zu gering, um den gewünschten Grad an Metall-Verschleissfestigkeit zu liefern. Die Korrosionsbeständigkeit von PM-Artikeln innerhalb des Rahmens der Erfindung ist ebenso in kochender Essigsäure ziemlich gut, vorausgesetzt, ihr Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt überschreitet nicht die Maxima, die entsprechend der oben erörterten Beziehung berechnet werden. Die stark negative Wirkung der Überschreitung der berechneten Grenze an Kohlenstoff kann durch Vergleich der Korrosionsgeschwindigkeiten in Essigsäure für den Stab 95-342 (1,07 bis 1,96 mm (42 bis 77 Mil/Monat), dessen Kohlenstoffgehalt von 1,95% den berechneten maximalen Wert von 2,07% nicht überschreitet, mit jenen von Stab 95-341 (3,48 bis 7,90 mm (137 bis 311 Mil/Monat), dessen Kohlenstoffgehalt von 2,10% den berechneten maximalen Wert von 2,07% überschreitet, gesehen werden. Die ausgezeichnete Leistung der PM- Artikel der Erfindung in den Prüfungen in Essigsäure in Beziehung zu jener der abrieb- oder abrieb- und korrosionsbeständigen PM-Legierungen, die typisch für das derzeitige Fach sind, kann durch Vergleich der Korrosionsgeschwindigkeiten der Stäbe 95-23 (0,48 bis 1,07 mm (19 bis 42 Mil/Monat) und 95-240 (0,46 bis 0,69 mm (18 bis 27 Mil/Monat) mit jenen der Stäbe 90-136 (16,26 mm (640 Mil/Monat) und 93-73 (8,66 bis 10,90 mm (341 bis 429 Mil/Monat) gesehen werden.
Die vorteilhafte Wirkung auf die Korrosionsbeständigkeit der PM-Artikel der Erfindung, wenn ein Teil des Kohlenstoffs durch Stickstoff ersetzt wird, kann durch Vergleich der Korrosionsgeschwindigkeiten der Stäbe 95-240, 95-241 und 95-6 in den Prüfungen in Essigsäure gesehen werden. Diese Stäbe enthalten annäherungsweise die gleichen Mengen an Chrom, Molybdän und Vanadium, weisen aber wesentlich unterschiedliche Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte auf. Wie in Tabelle VI gesehen werden kann, weist der Stab 95-240, der 2,01% Kohlenstoff und 0,32% Stickstoff enthält, die geringsten Korrosionsgeschwindigkeiten auf (0,46 bis 0,69 mm (18-27 Mil/Monat), nacheinander gefolgt von Stab 95-241 (1,22 bis 2,77 mm (48 bis 109 Mil/Monat), der 2,10% Kohlenstoff und 0,32% Stickstoff enthält, und von Stab 95-6 (2,11 bis 3,89 mm (83 bis 153 Mil/Monat), der 2,25% Kohlenstoff und 0,098% Stickstoff enthält.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der Abrieb- und Korrosionsprüfungen, dass die PM-Artikel der Erfindung mit hohem Vanadiumgehalt eine bemerkenswert verbesserte Kombination von Metall-Verschleiss-, Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit zeigen, die von den korrosions- und abriebfesten Werkzeugstählen der derzeitigen Entwicklung unerreicht ist. Die verbesserten Eigenschaften dieser PM-Artikel beruhen auf der Entdeckung, dass die Metall-Verschleissfestigkeit von korrosionsbeständigen PM-Werkzeugstählen mit hohem Vanadiumgehalt deutlich durch den Chromgehalt verringert wird und dass für eine beste Metall-Verschleissfestigkeit ihre Chromgehalte auf die minimalen Gehalte verringert werden müssen, die für eine gute Korrosionsbeständigkeit nötig sind. Um eine gute Korrosionsbeständigkeit bei diesen geringeren Chromgehalten zu erreichen und um die Härte zu erhalten, die für eine gute Metall-Verschleiss- und Abriebfestigkeit nötig ist, ist es des weiteren wesentlich, dass die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte der PM-Artikel der Erfindung gemäss den angegebenen Beziehungen genau mit den Chrom-, Molybdän- und Vanadiumgehalten der Artikel abgestimmt sind. Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte unter den berechneten Minima verbessern leicht die Korrosionsbeständigkeit, liefern aber keine ausreichende Härte und Abriebfestigkeit. Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte über den berechneten Maxima erhöhen die erreichbare Härte, weisen aber eine stark nachteilige Wirkung auf die Korrosionsbeständigkeit auf. Des weiteren wurde nachgewiesen, dass Stickstoff die Korrosionsbeständigkeit der PM-Artikel der Erfindung verbessert und ein Teil des Kohlenstoffs in diesen Artikeln damit ersetzt werden kann, wenn die Korrosionsbeständigkeit von primärer Wichtigkeit ist.
Die Eigenschaften der PM-Artikel der Erfindung machen sie insbesondere nützlich für monolithischen Werkzeuge oder bei heiss isostatisch gepressten (HIP) oder mechanisch plattierten Zusammensetzungen, die bei der Herstellung von verstärkten Kunststoffen verwendet werden, wie bei mit legiertem Stahl plattierten Fässern, Fassauskleidungen, Schraubenelementen, Stossringen und Einwegventilen. Andere mögliche Anwendungen umfassen korrosionsbeständige Lager, Messer und Schaber, die bei der Nahrungsmittelverarbeitung verwendet werden, und korrosionsbeständige Düsen und Formen.
Der Ausdruck M&sub7;C&sub3;-Karbid, wie er hier verwendet wird, betrifft chromreiche Karbide, die durch eine hexagonale Kristallstruktur gekennzeichnet sind, wobei "M" das Karbid bildende Element Chrom und geringere Mengen von anderen Elementen wie Vanadium, Molybdän und Eisen darstellt, das ebenso im Karbid sein kann. Der Ausdruck umfasst ebenso Abwandlungen davon wie Karbonitride, in denen ein Teil des Kohlenstoffs durch Stickstoff ersetzt ist.
Der Ausdruck MC-Karbide, wie er hier verwendet wird, betrifft vanadiumreiche Karbide, die durch eine kubische Kristallstruktur gekennzeichnet sind, wobei "M" das Karbid bildende Element Vanadium und geringe Mengen anderer Elemente wie Molybdän, Chrom und Eisen darstellt, das im Karbid ebenso vorliegen kann. Der Ausdruck umfasst ebenso vanadiumreiche M&sub4;C&sub3;-Karbide und Abwandlungen, die als Karbonitride bekannt sind, in denen ein Teil des Kohlenstoffs durch Stickstoff ersetzt ist.
Alle Prozente sind Gewichtsprozente, ausser anders angegeben.

Claims

1. Vollständig dichter, korrosionsbeständiger, pulvermetallurgischer Werkzeugstahlartikel für Kaltarbeit mit hohem Vanadiumgehalt mit hoher Metall- Verschleissfestigkeit, hergestellt aus stickstoffverdüsten vorlegierten Pulvern, bestehend aus, in Gewichtsprozent, 1,47 bis 3,77 Kohlenstoff, 0,2 bis 2,0 Mangan, bis zu 0,10 Phosphor, bis zu 0,10 Schwefel, bis zu 2,0 Silizium, 11,5 bis 14,5 Chrom, bis zu 3,00 Molybdän, wobei Wolfram durch einen Anteil des Molybdäns in einem 2 zu 1 Verhältnis ersetzt werden kann, 8,0 bis 15,0 Vanadium, 0,03 bis 0,46 Stickstoff und Resteisen sowie unwesentliche Verunreinigen; wobei Kohlenstoff und Stickstoff gemäss folgenden Formeln abgestimmt werden:

(%C + 6/7%N)Minimum 0,40 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

(%C + 6/7%N)Maximum 0,60 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

und wobei Bor bis zu ungefähr 0,005% hinzugefügt werden kann, wobei die Artikel, wenn sie auf eine Härte von mindestens 58 HRC gehärtet und angelassen werden, einen Volumenbruch von primären M&sub7;C&sub3; und MC-Karbiden zwischen 16 und 36% aufweisen, wobei das Volumen von MC-Karbid mindestens ein Drittel des gesamten primären Karbid-Volumens ausmacht, und wobei die maximalen Grössen der primären Karbide in ihrer grössten Abmessung nicht über sechs Mikron hinausgehen, und wobei gemäss ASTM- Standard G83 eine Metall-Verschleissfestigkeit von mindestens 69 · 10¹³Pa(10 · 10¹&sup0;psi) erzielt wird.

2. Vollständig dichter, korrosionsbeständiger, pulvermetallurgischer Werkzeugstahlartikel für Kaltarbeit mit hohem Vanadiumgehalt, hergestellt aus stickstoffverdüsten vorlegierten Pulvern, bestehend aus, in Gewichtsprozent, 1,83 bis 3,77 Kohlenstoff, 0,2 bis 1,0 Mangan, bis zu 0,05 Phosphor, bis zu 0,03 Schwefel, 0,2 bis 1,00 Silizium, 12,5 bis 14,5 Chrom, 0,5 bis 3,00 Molybdän, 8,0 bis 15,0 Vanadium, 0,03 bis 0,19 Stickstoff und Resteisen mit unwesentlichen Verunreinigungen, wobei Kohlenstoff und Stickstoff gemäss folgenden Formeln abgestimmt werden:

(%C + 6/7%N)Minimum 0,40 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

(%C + 6/7%N)Maximum 0,60 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

wobei die Artikel, wenn sie auf eine Härte von mindestens 58 HRC gehärtet und angelassen werden, einen Volumenbruch von primären M&sub7;C&sub3; und MC-Karbiden zwischen 16 und 36% aufweisen, wobei das Volumen von MC-Karbid mindestens ein Drittel des gesamten Karbid-Volumens ausmacht, und wobei die maximalen Grössen der primären Karbide in ihrer grössten Abmessung nicht über sechs Mikron hinausgehen, und wobei gemäss ASTM-Standard G83 eine Metall-Verschleissfestigkeit von mindestens 69 · 10¹³Pa(10 · 10¹&sup0;psi) erzielt wird.

3. Vollständig dichter, korrosionsbeständiger, pulvermetallurgischer Werkzeugstahlartikel für Kaltarbeit mit hohem Vanadiumgehalt, hergestellt aus stickstoffverdüsten vorlegierten Pulvern, bestehend aus, in Gewichtsprozent, 1,60 bis 3,62 Kohlenstoff, 0,2 bis 1,0 Mangan, bis zu 0,05 Phosphor, bis zu 0,03 Schwefel, 0,2 bis 1,00 Silizium, 12,5 bis 14,5 Chrom, 0,5 bis 3,00 Molybdän, 8,0 bis 15,0 Vanadium, 0,20 bis 0,46 Stickstoff und Resteisen mit unwesentlichen Verunreinigungen, wobei Kohlenstoff und Stickstoff gemäss folgenden Formeln abgestimmt werden:

(%C + 6/7%N)Minimum = 0,40 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

(%C + 6/7%N)Maximum = 0,60 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

wobei die Artikel, wenn sie auf eine Härte von mindestens 58 HRC gehärtet und angelassen werden, einen Volumenbruch von primären W&sub7;C&sub3; und MC-Karbiden zwischen 16 und 36% aufweisen, wobei das Volumen von MC-Karbid mindestens ein Drittel des gesamten primären Karbid-Volumens ausmacht, und wobei die maximalen Grössen der primären Karbide in ihrer grössten Abmessung nicht über sechs Mikron hinausgehen und wobei gemäss ASTM-Standard G83 eine Metall-Verschleissfestigkeit von mindestens 60 · 10¹³Pa (10 · 10¹&sup0;psi) erzielt wird.

4. Artikel nach Anspruch 2, wobei der Vanadiumgehalt innerhalb der Bandbreite von 12,0 bis 15,0 Gewichtsprozent und Kohlenstoff innerhalb der Bandbreite von 2,54 bis 3,77 Gewichtsprozent liegt.

5. Artikel nach Anspruch 3, wobei der Vanadiumgehalt innerhalb der Bandbreite von 12,0 bis 15,0 Gewichtsprozent und Kohlenstoff innerhalb der Bandbreite von 2,31 bis 3,62 Gewichtsprozent liegt.

6. Verfahren zur Herstellung eines vollständig dichten, korrosionsbeständigen, pulvermetallurgischen Werkzeugstahlartikels für Kaltarbeit mit hoher Metall-Verschleissfestigkeit nach Anspruch 1, wobei das Verfahren aus Stickstoffverdüsung einer geschmolzenen Werkzeugstahllegierung besteht, die, in Gewichtsprozent, aus 1,47 bis 3,77 Kohlenstoff, 0,2 bis 2,0 Mangan, bis zu 0,10 Phosphor, bis zu 0,10 Schwefel, bis zu 2,0 Silizium, 11,5 bis 14,5 Chrom, bis zu 3,00 Molybdän, 8,0 bis 15,0 Vanadium, 0,03 bis 0,46 Stickstoff und Resteisen sowie unwesentlichen Verunreinigen besteht, wobei Kohlenstoff und Stickstoff gemäss folgenden Formeln:

(%C + 6/7%N)Minimum = 0,40 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

(%C + 6/7%N)Maximum = 0,50 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

bei einer Temperatur zwischen 1538 und 1649ºC (2800 und 3000ºF) abgestimmt werden, um Pulver zu erzeugen, das Pulver schnell auf Umgebungstemperatur zu kühlen, das Pulver auf ungefähr -16 Mesh (U.S.-Standard) zu sieben, isostatisches Heisspressen des Pulvers bei einer Temperatur von 1093 bis 1149ºC (2000 bis 2100ºF) bei einem Druck von 89,6 bis 110,3 MPa (13 bis 16 ksi), Warmverarbeitung, Glühen und Härten des resultierenden Artikels auf mindestens 58 HRC, wobei der resultierende Artikel einen Volumenbruch von primären M&sub7;C&sub3; und MC-Karbiden zwischen 16 und 36% aufweist, wobei das Volumen von MC-Karbiden mindestens ein Drittel des primären Karbid-Volumens ausmacht, und wobei die maximalen Grössen der primären Karbide in ihrer grössten Abmessung nicht über sechs Mikron hinausgehen, und wobei gemäss ASTM-Standard G83 eine Metall-Verschleissfestigkeit von mindestens 60 · 10¹³Pa(10 · 10¹&sup0;psi) erzielt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der pulvermetallurgische Werkzeugstahlartikel, in Gewichtsprozent, aus 1,83 bis 3,77 Kohlenstoff, 0,2 bis 1,0 Mangan, bis zu 0,05 Phosphor, bis zu 0,03 Schwefel, 0,2 bis 1,00 Silizium, 12,5 bis 14,5 Chrom, 0,5 bis 3,00 Molybdän, 8,0 bis 15,0 Vanadium, 0,03 bis 0,19 Stickstoff und Resteisen mit unwesentlichen Verunreinigungen besteht, wobei Kohlenstoff und Stickstoff gemäss folgenden Formeln abgestimmt werden:

(%C + 6/7%N)Minimum = 0,40 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

(%C + 6/7%N)Maximum = 0,60 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der pulvermetallurgische Werkzeugstahlartikel, in Gewichtsprozent, aus 1,60 bis 3,62 Kohlenstoff, 0,2 bis 1,0 Mangan, bis zu 0,05 Phosphor, bis zu 0,03 Schwefel, 0,2 bis 1,0 Silizium 12,5 bis 14,5 Chrom, 0,5 bis 3,00 Molybdän, 8,0 bis 15,0 Vanadium, 0,20 bis 0,46 Stickstoff und Resteisen mit unwesentlichen Eigenschaften besteht, wobei Kohlenstoff und Stickstoff gemäss folgenden Formeln abgestimmt werden:

(%C + 6/7%N)Minimum = 0,40 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

(%C + 6/7%N)Maximum = 0,60 + 0,099(%Cr - 11,0) + 0,063(%Mo) + 0,177(%V);

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Vanadiumgehalt des pulvermetallurgischen Artikels zwischen 12,0 und 15,0 Gewichtsprozent und Kohlenstoff innerhalb der Bandbreite von 2,54 bis 3,77 Gewichtsprozent liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Vanadiumgehalt des pulvermetallurgischen Artikels innerhalb der Bandbreite von 12,0 bis 15,0 Gewichtsprozent und Kohlenstoff innerhalb der Bandbreite von 2, 31 bis 3,62 Gewichtsprozent liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Stickstoffverdüsen bei einer Temperatur zwischen 1560 und 1582ºC (2840 und 2880ºF) und das Pressen bei einer Temperatur von ungefähr 1129ºC (2065ºF) bei einem Druck von 103,4 MPa (15 ksi) erfolgt.