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Gebiet der
Erfindung
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Die Erfindung betrifft verschleißfeste Metallkeramik-Kaltbearbeitungswerkzeugstahlgegenstände und ein
Verfahren zur Herstellung derselben durch Kompaktierung von stickstoffzerstäubten vorlegierten
Pulverteilchen. Die Gegenstände
sind durch eine sehr hohe Schlagzähigkeit gekennzeichnet, die
sie in Kombination mit der guten Verschleißfestigkeit derselben besonders
geeignet für
Prägestempel,
Formwerkzeuge und andere Metallbearbeitungswerkzeuge, die diese
Eigenschaften erfordern, macht.
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Hintergrund
der Erfindung
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Werkzeugeigenschaften sind ein komplexer
Punkt, der von vielen unterschiedlichen Faktoren, wie der Gestaltung
und Herstellung des Werkzeugs, dem Vorhandensein oder Fehlen einer
wirksamen Oberflächenbehandlung
oder -beschichtung, den aktuellen Arbeitsbedingungen und schließlich den
Grundeigenschaften der Werkzeugmaterialien, abhängt. Bei Kaltbearbeitungsanwendungen
sind die Verschleißfestigkeit,
Zähigkeit und
Festigkeit des Werkzeugmaterials im allgemeinen die wichtigsten
Faktoren, die die Nutzungslebensdauer beeinflussen, auch wenn Beschichtungen
oder Oberflächenbehandlungen
verwendet werden. Bei vielen Anwendungen ist die Verschleißfestigkeit
die Eigenschaft, die die Nutzungslebensdauer kontrolliert, während bei anderen
eine Kombination von guter Verschleißfestigkeit und sehr hoher
Zähigkeit
für optimale
Eigenschaften erforderlich ist.
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Die die Verschleißfestigkeit, Zähigkeit
und Festigkeit von Kaltbearbeitungswerkzeugstählen kontrollierenden metallur gischen
Faktoren sind ziemlich gut verstanden. Beispielsweise erhöht die Wärmebehandlungshärte eines
Werkzeugstahls die Verschleißfestigkeit
und Druckfestigkeit. Bei einem gegebenen Härtegrad können unterschiedliche Werkzeugstähle jedoch
in Abhängigkeit
von der Zusammensetzung, der Größe und der Menge
von primären
(nicht-gelösten)
Carbiden in der Mikrostruktur derselben sehr unterschiedliche Schlagzähigkeit
und Verschleißfestigkeit
zeigen. Legierte Werkzeugstähle
mit hohem Kohlenstoffgehalt bilden in Abhängigkeit von den Mengen von
Chrom, Wolfram, Molybdän
und Vanadium, die sie enthalten, primäre Carbide des M7C3-, M6C- und/oder
MC-Typs in der Mikrostruktur derselben. Das vanadiumreiche Carbid
des MC-Typs ist das härteste
und daher am stärksten
verschleißfeste
der primären
Carbide, die sich üblicherweise
in hochlegierten Werkzeugstählen
befinden, gefolgt von – in
abnehmender Größenordnung
der Härte
oder Verschleißfestigkeit – den wolfram-
und molybdänreichen
Carbiden (M6C-Typ) und den chromreichen
Carbiden (M7C3-Typ).
Aus diesem Grund wurde eine Legierungsbildung mit Vanadium unter
Bildung von primären
Carbiden des MC-Typs für
eine erhöhte
Verschleißfestigkeit
bei sowohl herkömmlichen
(als Barren gegossenen) als auch Metallkeramik-Werkzeugstählen während vieler
Jahre in der Praxis durchgeführt.
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Die Zähigkeit von Werkzeugstählen ist
in großem
Umfang abhängig
von der Härte
und Zusammensetzung der Matrix sowie der Menge, Größe und Verteilung
der primären
Carbide in der Mikrostruktur. Im Hinblick darauf ist die Schlagzähigkeit
herkömmlicher
(als Barren gegossener) Werkzeugstähle im allgemeinen niedriger
als die von pulvermetallurgisch hergestellten (PM) Stählen ähnlicher
Zusammensetzung wegen der großen primären Carbide
und stark ausgeseigerten Mikrostrukturen, die die als Barren gegossenen
Werkzeugstähle häufig enthalten.
Infolgendessen wurde eine Anzahl von vanadiumreichen Kaltbearbeitungswerkzeugstählen mit
hoher Performance durch das Pulvermetallurgieverfahren hergestellt,
die die im US-Patent 4 863 515 offenbarten PM-8Cr4V-Stähle, die im US-Patent 4 249
945 offenbarten PM-5Cr10V-Stähle und
die im US-Patent 5 344 477 offenbarten PM-5Cr15-Stähle umfassen.
Trotz der durch diese PM-Stähle
angebotenen großen
Verbesserungen hinsichtlich Verschleißfestigkeit oder Zähigkeit
oder beiden Eigenschaften bietet keiner von diesen die Kombination
von sehr hoher Zähigkeit
und guter Verschleißfestigkeit,
die bei vielen Schneid-, Stanz- und Prägeanwendungen notwendig ist.
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Um die Zähigkeit von Kaltbearbeitungswerkzeugstählen weiter
zu verbessern, wurde gemäß der Erfindung
ermittelt, dass eine deutliche Verbesserung der Schlagzähigkeit
von verschleißfesten
vanadiumhaltigen Metallkeramik-Kaltbearbeitungsstählen erreicht
werden kann, indem die Menge des in der Mikrostruktur derselben
vorhandenen primären
Carbids beschränkt
und deren Zusammensetzung und Behandlung derart gesteuert wird,
dass vanadiumreiche Carbide des MC-Typs im wesentlichen die einzigen
in der Mikrostruktur nach dem Härten
und Tempern verbleibenden primären
Carbide sind. Die deutliche Verbesserung der Zähigkeit, die bei den Gegenständen der
Erfindung erhalten wird, beruht auf der Erkenntnis, dass die Schlagzähigkeit
von Metallkeramik-Kaltbearbeitungswerkzeugstählen bei einer gegebenen Härte mit
einer Zunahme der Gesamtmenge an primären Carbiden im wesentlichen
unabhängig
vom Carbidtyp abnimmt, und dass durch Steuern der Zusammensetzung
und Behandlung derart, dass im wesentlichen alle vorhandenen primären Carbide
vanadiumreiche Carbide des MC-Typs sind, die Menge der primären Carbide,
die zum Erreichen eines gegebenen Grades der Verschleißfestigkeit
nötig ist,
minimiert werden kann. Es wurde auch entdeckt, dass im Vergleich
zu herkömmlichen
als Barren gegossenen Werkzeugstählen
mit Zusammensetzungen, die ähnlich denen
der Gegenstände
der Erfindung sind, die Herstellung der Gegenstände durch isostatische Warmkompaktierung
von stickstoffzerstäubten
vorlegierten Pulverteilchen eine signifikante Veränderung
der Zusammensetzung sowie der Größe und der
Verteilung der primären
Carbide ergibt. Die erstere Wirkung ist ein bisher unbekannter Vorteil
der pulvermetallurgischen Behandlung für Kaltbearbeitungswerkzeugstähle und
sie ist für die
Gegenstände
der Erfindung sehr wichtig, da sie die Bildung von primären vanadiumreichen
Carbiden des MC-Typs maximiert und die Bildung von weicheren M7C3-Carbiden, die
zusätzlich
zu Carbiden des MC-Typs in größeren Mengen
in als Barren gegossenen Werkzeugstählen ähnlicher Zusammensetzung vorhanden sind,
beseitigt.
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ZUSAMMNFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung erfolgt die
Bereitstellung eines warmbearbeiteten, vollständig dichten, verschleißfesten
vanadiumreichen Metallkeramik-Kaltbearbeitungswerkzeugstahlgegenstandes,
der eine hohe Schlagzähigkeit
aufweist und aus stickstoffzerstäubten
vorlegierten Pulvern hergestellt wird. Die Grenzen der Stahlzusammensetzung
sind 0,60 bis 0,95%, vorzugsweise 0,70 bis 0,90% Kohlenstoff; 0,10
bis 2,0%, vorzugsweise 0,2 bis 1,0% Mangan; bis zu 0,10%, vorzugsweise
0,05% Phosphor; bis zu 0,15%, vorzugsweise bis zu 0,03% Schwefel;
maximal 2%, vorzugsweise maximal 1,5% Silicium; 6 bis 9%, vorzugsweise
7 bis 8,5% Chrom; bis zu 3%, vorzugsweise 0,5 bis 1,75% Molybdän; bis zu
1 %; vorzugsweise bis zu 0,5% Wolfram; 2 bis 3,20%; vorzugsweise
2,25 bis 2,90% Vanadium; bis zu 0,15%, vorzugsweise bis zu 0,10%
Stickstoff; und zum Rest Eisen und beiläufige Verunreinigungen. Der
Gegenstand weist, wenn er auf eine Härte von mindestens 58 HRC ausgehärtet und
geglüht
wurde, eine Dispersion von Carbiden, die im wesentlichen alle vom MC-Typ
sind, in einem Bereich von 4 bis 8 Vol.-% auf, wobei die maximale
Größe der Carbide
des MC-Typs in ihrer längsten
Abmessung etwa 6 μm
nicht übersteigt.
Der maximale Kohlenstoffgehalt übersteigt
nicht die durch die folgende Formel angegebene Menge: C
= 0,60 + 0,177 (% V – 1,0)
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Der Gegenstand weist eine Charpy-C-Kerbschlagfestigkeit
von mehr als 68 J (50 ft-lb) auf.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden die Gegenstände
desselben innerhalb der im vorhergehenden angegebenen Zusammensetzungsgrenzen
durch Zerstäuben
einer geschmolzenen Werkzeugstahllegierung durch Stickstoffgas bei
einer Temperatur von 1538 bis 1649°C (2800 bis 3000°F), vorzugsweise 1566
bis 1621°C
(2850 bis 2950°F),
rasches Abkühlen
des gebildeten Pulvers auf Umgebungstemperatur, Sieben des Pulvers
auf etwa –16
mesh (US-Standard), isostatisches Warmkompaktieren des Pulvers bei
einer Temperatur zwischen 1093 und 1177°C (2000 und 2150°F) bei einem
Druck zwischen 90 und 110 MPa (13 bis 16 ksi) hergestellt, wodurch
die nach der Warmbearbeitung, dem Glühen und anschließenden Härten auf
mindestens 58 HRC gebildeten Gegenstände eine Dispersion von vanadiumreichen
primären
Carbiden, die im wesentlichen alle vom MC-Typ sind, in einem Bereich
von etwa 4 bis 8 Vol.-% aufweisen und wobei die maximale Größe der primären Carbide
in ihrer größten Abmessung
etwa 6 μm
nicht übersteigt
und wobei eine C-Kerbschlagfestigkeit von mindestens 68 J (50 ft-lb),
die hier im folgenden definiert ist, erreicht wird.
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Ein Hauptvorteil der Erfindung ist
daher die Bereitstellung von verschleißfesten vanadiumhaltigen Metallkeramik-Kaltbearbeitungswerkzeugstahlgegenständen und
ein Verfahren zur Herstellung dieser Gegenstände mit einer wesentlich verbesserten
Schlagzähigkeit.
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Dies wird durch starkes Kontrollieren
der Zusammensetzung und der Behandlung dieser Gegenstände zur
Steuerung der Menge, Zusammensetzung und Größe der primären Carbide in diesen Materialien
und zur Sicherstellung, dass im wesentlichen alle in diesen Gegenständen nach
dem Aushärten
und Glühen
verbleibenden primären
Carbide vanadiumreiche Carbide des MC-Typs sind, erreicht.
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Im Hinblick auf die Gegenstände der
Erfindung ist wichtig, dass deren chemische Zusammensetzung innerhalb
der breiten und bevorzugten Bereiche, die im folgenden angegeben
sind, gehalten wird. Innerhalb dieser Bereiche kann es vorteilhaft
sein, die Zusammensetzung weiter auszutarieren, um die Bildung von
Ferrit und ungünstig
großen
Mengen von zurückbehaltenem
Austenit während
des Aushärtens
und Glühens
zu vermeiden. Ferner ist es wichtig, dass die Zusammensetzung derart
austariert ist, dass im wesentlichen alle in der Mikrostruktur der
Gegenstände
nach dem Aushärten
und Tempern verbleibenden primären
Carbide vanadiumreiche Carbide des MC-Typs sind, aus diesem Grund
muss die maximale Menge von Kohlenstoff mit dem Vanadiumgehalt der
Gegenstände
nach der folgenden Formel austariert sein: (%C)maximum = 0,60 + 0,177 (%V – 1,0)
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Die Verwendung von Kohlenstoff in
größeren Mengen,
als dies durch diese Beziehung gestattet ist, verringert die Zähigkeit
der Gegenstände
der Erfindung in weitem Umfang, indem die Zusammensetzungen verändert und
die Mengen des in der Mikrostruktur nach dem Aushärten und
Glühen
verbleibenden primären Carbids
erhöht
werden. Ausreichend Kohlenstoff muss jedoch vorhanden sein, um mit
Vanadium unter Bildung der harten verschleißfesten Carbide eine Verbindung
einzugehen und auch um die Härte
der Werkzeugstahlmatrix auf die zur Vermeidung einer übermäßigen Verformung
und eines übermäßigen Abriebs
bei der Nutzung notwendigen Grade zu erhöhen. Die Legierungswirkungen
von Stickstoff in den Gegenständen
der Erfindung sind in gewisser Weise ähnlich denen von Kohlenstoff.
Stickstoff erhöht
die Härte
von Martensit und kann mit Kohlenstoff, Chrom, Molybdän und Vanadium
harte Nitride und Carbonitride bilden, die die Verschleißfestigkeit verbessern
können.
Stickstoff ist jedoch für
diese Zwecke nicht so wirksam wie Kohlenstoff in vanadiumreichen Stählen, da
die Härte
von Vanadiumnitrid oder -carbonitrid signifikant geringer als die
von Vanadiumcarbid ist. Aus diesem Grund ist Stickstoff in den Gegenständen der
Erfindung am besten auf nicht mehr als etwa 0,15% oder die verbliebenen
Mengen, die während
des Schmelzens und der Stickstoffzerstäubung der Pulver, aus denen
die Gegenstände
der Erfindung gefertigt sind, eingeführt wurden, beschränkt.
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Gemäß der Erfindung ist es auch
wichtig, die Mengen von Chrom, Molybdän und Vanadium auf die obigen
Bereiche zu steuern, um die gewünschte
Kombination von hoher Zähigkeit
und Verschleißfestigkeit
zusammen mit passender Härtbar keit,
Glühbeständigkeit,
Spanbarkeit und Schleifbarkeit zu erhalten.
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Vanadium ist zum Erhöhen der
Verschleißfestigkeit
durch die Bildung von vanadiumreichen Carbiden des MC-Typs oder
Carbonitriden sehr wichtig. Kleinere Mengen Vanadium unter dem angegebenen
Minimum ergeben keine ausreichende Carbidbildung, während größere Mengen
als das angegebene Maximum übermäßige Mengen
von Carbiden ergeben, die die Zähigkeit
unter den gewünschten
Grad verringern können.
In Kombination mit Molybdän
wird Vanadium auch zur Verbesserung der Glühbeständigkeit der Gegenstände der Erfindung
benötigt.
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Mangan ist zur Verbesserung der Härtbarkeit
vorhanden und es ist zur Bekämpfung
der negativen Wirkungen von Schwefel auf die Warmbearbeitbarkeit über die
Bildung von manganreichen Sulfiden geeignet. Jedoch können übermäßige Mengen
von Mangan ungünstig
große
Mengen von zurückgehaltenem
Austenit während
einer Wärmebehandlung
ergeben und die Schwierigkeit des Glühens der Gegenstände der
Erfindung zu den für
eine gute Spanbarkeit benötigten
niedrigen Härtewerten
erhöhen.
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Silicium ist zur Verbesserung der
Wärmebehandlungseigenschaften
der Gegenstände
der Erfindung geeignet. Jedoch verringern übermäßige Mengen von Silicium die
Zähigkeit
und sie erhöhen
in ungünstiger Weise
die Menge von Kohlenstoff oder Stickstoff, die zur Verhinderung
der Bildung von Ferrit in der Mikrostruktur der pulvermetallurgischen
Gegenstände
der Erfindung nötig
sind.
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Chrom ist sehr wichtig zum Erhöhen der
Härtbarkeit
und Glühbeständigkeit
der Gegenstände
der Erfindung. Übermäßige Mengen
von Chrom begünstigen
jedoch die Bildung von Ferrit während
einer Wärmebehandlung
und sie fördern
die Bildung von primären
chromreichen M7C3-Carbiden,
die für
die für
die Gegenstände
der Erfindung erforderliche Kombination von guter Verschleißfestigkeit
und Zähigkeit
schädlich
sind.
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Molybdän ist wie Chrom zum Erhöhen der
Härtbarkeit
und Glühbeständigkeit
der Gegenstände
gemäß der Erfindung
sehr günstig. Übermäßige Mengen
von Molybdän
verringern jedoch die Warmbearbeitbarkeit und sie erhöhen den
Volumenanteil von primären
Carbiden auf nicht akzeptable Höhen.
Wie bekannt ist, kann Wolfram einen Teil des Molybdäns in einem
Verhältnis
von 2 : 1, beispielsweise in einer Menge bis zu etwa 1% ersetzen.
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Schwefel ist in Mengen bis zu 0,15%
zur Verbesserung der Spanbarkeit und Schleifbarkeit über die Bildung
von Mangansulfid geeignet. Bei Anwendungen, in denen die Zähigkeit
an erster Stelle steht, wird er jedoch vorzugsweise bei einem Maximum
von 0,03% oder niedriger gehalten.
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Die zur Bildung der stickstoffzerstäubten vanadiumreichen
vorlegierten Pulver, die bei der Herstellung der Gegenstände der
Erfindung verwendet werden, verwendeten Legierungen können durch
eine Vielzahl von Verfahren aufgeschmolzen werden, jedoch werden
sie vorzugsweise durch Luft- oder Vakuuminduktionsschmelzverfahren
aufgeschmolzen. Die zum Schmelzen und Zerstäuben der Legierungen verwendeten
Temperaturen und die beim isostatischen Warmpressen der Pulver verwendeten
Temperaturen müssen
stark kontrolliert werden, um die zum Erreichen der für die Gegenstände der
Erfindung benötigten
hohen Zähigkeit
und Schleifbarkeit notwendigen geringen Carbidgrößen zu erhalten.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Lichtphotomikrographie, die die Verteilung und Größe der primären vanadiumreichen Carbide
des MC-Typs in einem gehärteten
und geglühten
vanadiumreichen Metallkeramik-Werkzeugstahlgegenstand der Erfindung,
der 2,82% Vanadium enthält,
zeigt (Stab 90–80).
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2 ist
eine Lichtphotomikrographie, die die Verteilung und Größe der primären vanadiumreichen Carbide
des MC-Typs und chromreichen Carbide des M7C3-Typs in einem herkömmlichen, als Barren gegossenen
Werkzeugstahl (85CrVMo) mit einer der von Stab 90–80 ähnlichen
Zusammensetzung zeigt.
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3 ist
ein Diagramm, das die Wirkung des Gehalts an primärem Carbid
auf die Schlagzähigkeit
von gehärteten
und geglühten
vandiumreichen Metallkeramik-Kaltbearbeitungswerkzeugstählen mit
einer Härte von
60–62
HRC zeigt (longitudinale Testrichtung).
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4 ist
ein Diagramm, das die Wirkung der Mengen des primären vanadiumreichen
Carbids des MC-Typs auf die Metall-Metall-Verschleißfestigkeit
von gehärteten
und geglühten
vanadiumreichen Metallkeramik-Kaltbearbeitungswerkzeugstählen mit
einer Härte
von 60–62
HRC zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zum Belegen der Prinzipien der Erfindung
wurde eine Reihe von pulvermetallurgischen Versuchslegierungen im
Labor durch Stickstoffzerstäubung
von induktionsgeschmolzenen Materialien hergestellt. Die chemischen
Zusammensetzungen in Gew.-% und die Zerstäubungstemperaturen sind, falls
verfügbar,
für diese
Legierungen in Tabelle I angegeben. Auch wurden mehrere handelsübliche als
Barren gegossene und abriebfeste Metallkeramik-Legierungen erhalten
und zum Vergleich getestet. Die chemischen Zusammensetzungen dieser
handelsüblichen
Legierungen sind auch in Tabelle I angegeben. Die nominellen chemischen
Zusammensetzungen sind für die
handelsüblichen
Legierungen, für
die aktuelle chemische Zusammensetzungen nicht verfügbar waren,
angegeben.
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Tabelle
I – Zusammensetzungen
der Versuchsmaterialien
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Die Laborlegierungen in Tabelle I
wurden durch (1) Sieben der vorlegierten Pulver auf eine Größe von –16 mesh
(US-Standard), (2)
Laden des gesiebten Pulvers in Behälter aus elastischem Stahl
mit einem Durchmesser von 5 Inch und einer Höhe von 6 Inch, (3) Evakuieren
der Behälter
bei 260°C (500°F), (4) Verschließen der
Behälter,
(5) Erhitzen der Behälter
auf 1130°C
(2065°F)
während
4 h in einem mit etwa 103 MPa (15 ksi) betriebenen Hochdruckautoklaven
und (6) anschließendes
langsames Abkühlen
derselben auf Raumtemperatur verarbeitet. Alle Kompaktgebilde wurden
unter Verwendung einer Neuerhitzungstemperatur von 1120°C (2050 °F) problemlos
zu Stangen heißgeschmiedet.
Die Warmreduktion der geschmiedeten Stangen lag im Bereich von etwa
70 bis 95%. Testprüflinge
wurden aus den Stangen nach dem Anlassen unter Verwendung eines
herkömmlichen
Werkzeugstahlanlasszyklus, der aus Erhitzen bei 900°C (1650°F) während 2
h, langsames Abkühlen
auf 650 0°C
(1200°F)
mit einer Rate von nicht mehr als 14°C (25°F) pro Stunde und anschließendes Luftkühlen auf
Umgebungstemperatur bestand, mechanisch hergestellt.
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Mehrere Prüfungen und Tests wurden durchgeführt, um
die Vorteile der PM-Werkzeugstahlgegenstände der Erfindung und die kritische
Bedeutung ihrer Zusammensetzungen und Herstellungsverfahren zu belegen.
Insbesondere wurden Tests und Prüfungen
durchgeführt,
um deren (1) Mikrostruktur, (2) Härte im wärmebehandelten Zustand, (3)
Charpy-C-Kerbschlagfestigkeit, (4) und Metall-Metall-Verschleißfestigkeit
in einem Kreuzzylinderverschleißtest
zu bewerten. Die meisten Materalien für die Zähigkeits- und Verschleißtests wurden
mit dem Ziel einer Härte
von 60–62
HRC gehärtet
und geglüht.
Dies erfolgte, um die Härte
als Testvariable auszuschalten und eine für viele Kaltbearbeitungswerkzeuganwendungen
typische Härte
widerzuspiegeln.
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Mikrostruktur
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Wie hier bereits früher angegeben,
sind die Verschleißfestigkeit
und Schlagzähigkeit
der Metallkeramik-Werkzeugstahlgegenstände der Erfindung sowie die
von anderen Werk zeugstahlgegenständen
stark von der Menge, Art, Größe und Verteilung
der primären
Carbide in deren Mikrostruktur abhängig. In dieser Hinsicht bestehen
wichtige Unterschiede zwischen den Eigenschaften der primären Carbide
in den PM-Gegenständen der
Erfindung und denjenigen in anderen Metallkeramik- oder herkömmlichen
als Barren gegossenen Kaltbearbeitungswerkzeugstahlgegenständen.
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Einige der wichtigen Unterschiede
zwischen den in einem gehärteten
und geglühten
PM-Gegenstand der Erfindung (Stab 90–80) und den in einem gehärteten und
geglühten
herkömmlichen
als Barren gegossenen Werkzeugstahlgegenstand einer ähnlichen
Zusammensetzung (Stab 85–65)
vorhandenen primären
Carbiden sind in den in den 1 und 2 angegebenen Lichtphotomikrographien
angegeben. Um die Unterschiede zwischen den primären Carbiden in diesen Photomikrographien
zu betonen, wurde so verfahren, dass sie als weiße Teilchen auf einem schwarzen
Hintergrund unter Verwendung eines speziellen Ätzverfahrens erscheinen. In 1 ist ersichtlich, dass
die primären
Carbide in Stab 90–80
im allgemeinen unter einer Größe von 6 μm und im
wesentlichen alle unter einer Größe von 4 μm liegen
und gleichmäßig über die
Matrix verteilt sind. Die Röntgenstreuungsanalyse
der primären
Carbide in diesem PM-Werkzeugstahlgegenstand zeigt an, dass sie
im wesentlichen alle vanadiumreiche Carbide des MC-Typs gemäß der Lehre
der Erfindung sind. 2 zeigt
die unregelmäßige Größe und Verteilung
der primären
Carbide in Stab 85–65.
Die Röntgenstreuungsanalyse
der primären
Carbide in diesem Stahl zeigt an, dass viele, jedoch nicht alle
der sehr großen
winkelförmigen
Carbide chromreiche Carbide des M7C3-Typs sind, während die meisten der kleineren,
besser verteilten primären
Carbide vanadiumreiche Carbide des MC-Typs ähnlich den in Stab 90–80 vorhandenen
sind. Diese Beobachtungen stützen
die Erkenntnis, dass die für
die Gegenstände
der Erfindung verwendeten pulverme tallurgischen Verfahren deutliche
Unterschiede hinsichtlich der Art und Zusammensetzung sowie der
Größe und Verteilung
der primären
Carbide bewirken.
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Zur Umwandlung von °F in °C wird verwendet: °C = 5/9 (°F – 32)
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Zur Umwandlung von ft-lb in J wird
verwendet: J = 1,3558 (ft-lb)
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Die Tabelle II fasst die Ergebnisse
von Rasterelektronenmikroskop (REM)- und Bildanalysevorrichtungsuntersuchungen, die
an mehreren der PM-Werkzeugstähle
und an einem der als Barren gegossenen Werkzeugstähle (85CrMoV),
die in Tabelle I angeführt
sind, zusammen. Es ist ersichtlich, dass der Gesamtvolumenprozentanteil
der primären
Carbide, der für
diese Stähle
ermittelt wurde, von etwa 5% in PM 3 V (Stab 90–80) bis 30% in PM 18 V (Stab
89–192)
reicht.
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Der Typ des vorhandenen primären Carbids
(MC, M7C3 und M6C) variiert entsprechend der Behandlungs-
und Legierungsbalance, wobei nur PM 3 V (Stab 90–80), PM 10 V (Stab 95–154) und
PM 15 V (Stab 89–169),
PM 18 V (Stab 89–182)
Carbide, die im wesentlichen alle vom MC-Typ sind, aufweisen.
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Die wichtigen Unterschiede, die durch
relativ kleine Unterschiede im Kohlenstoff- oder im Kohlenstoff- und
Legierungsgehalt hinsichtlich der Menge und des Typs der primären Carbide
in den Metallkeramikstählen bewirkt
wurden, sind durch Vergleichen der Ergebnisse für PM 3 V (Stab 90– 80), das
etwa 5,1 Vol.-% Carbid des MC-Typs enthält und dessen Zusammensetzung
in den Umfang der Ansprüche
fällt,
PM 110CrMoV (Stab 91–65),
das etwa 3,4 Vol.-% Carbid des MC-Typs und 5,9 Vol.-% Carbid des
M7C3-Typs enthält und das
etwa 1% Wolfram und etwas mehr Kohlenstoff als Stab 90–80 enthält, und
PM 8Cr4V (Stab 89–19),
das etwa 6,6 Vol.-% Carbid des MC-Typs und 5,7% Carbid des M7C3-Typs enthält, und
das beträchtlich
mehr Kohlenstoff und Vanadium als Stab 90–80 enthält, ersichtlich. Die Wirkungen
der Metallkeramikbehandlung gegenüber einem Gießen als
Barren sind durch Vergleich der Ergebnisse für PM 3 V (Stab 90–80), das
etwa 5,1 Vol.-% Carbid des MC-Typs enthält, und für 85CrMoV (Stab 85–95), das
ein als Barren gegossenes Material von etwa der gleichen Zusammensetzung
wie Stab 90–80
ist, jedoch etwa 2,8 Vol.-% Carbid des MC-Typs und 1,7 Vol.-% M7C3-Carbid enthält, ersichtlich.
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Härte
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Härte
kann als Maß der
Beständigkeit
eines Werkzeugstahls gegenüber
Verformung während
der Nutzung bei Kaltbearbeitungsanwendungen verwendet werden. Im
allgemeinen ist eine minimale Härte
im Bereich von 56–58
HRC für
Werkzeuge bei derartigen Anwendungen notwendig. Höhere Härtewerte
von 60– 62 HRC
ergeben eine etwas bessere Festigkeit und Verschleißbeständigkeit
unter einem gewissen Verlust an Zähigkeit. Die Ergebnisse einer
an PM 3 V (Stab 96–267)
durchgeführten
eingehenden Prüfung
von Härten
und Glühen
sind in Tabelle III angegeben und zeigen klar, dass die PM-Kaltbearbeitungswerkzeugstahlgegenstände der
Erfindung problemlos eine Härte
von mehr als 56 HRC erreichen, wenn sie über einen weiten Bereich von
Bedingungen gehärtet
und geglüht
wurden.
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Zur Umwandlung von °F in °C wird verwendet: °C = 5/9 (°F – 32)
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Schlagzähigkeit
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Um die Schlagzähigkeit der Artikel gemäß der Erfindung
zu bewerten und zu vergleichen, wurden Charpy-C-Kerbschlagtests
bei Raumtemperatur an wärmebehandelten
Prüflingen
mit einem Kerbradius von 12,7 mm (0,5 Inch) durchgeführt. Diese
Art von Prüflingen
ermöglicht
vergleichende Kerbschlagtests von hochlegierten und wärmebehandelten
Werkzeugstählen,
von denen normalerweise erwartet wird, dass sie niedrige V-Kerbzähigkeitswerte
aufweisen. Die erhaltenen Ergebnisse für Prüflinge, die aus drei innerhalb
des Umfangs der Erfindung gefertigten unterschiedlichen PM-Gegenständen her gestellt
wurden, und für
mehrere handelsübliche
verschleißfeste
Legierungen sind in Tabelle II angegeben. Sie zeigen, dass die Schlagzähigkeit
der Gegenstände
der Erfindung der all der anderen herkömmlichen als Barren gegossenen
und PM-Kaltbearbeitungswerkzeugstähle, die
zum Vergleich getestet wurden, klar überlegen ist.
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Ein wichtiger Aspekt der Erfindung
ist in 3 erläutert, die
die Ergebnisse des Charpy-C-Kerbschlagtests gegenüber dem
Gesamtcarbidvolumen für
die PM-Werkzeugstähle,
die auf 60–62
HRC wärmebehandelt wurden,
sowie Testergebnisse, die für
mehrere herkömmlicherweise
hergestellte Werkzeugstähle
mit etwa der gleichen Härte
erhalten wurden, zeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zähigkeit
der PM-Werkzeugstähle
mit zunehmendem Gesamtcarbidvolumen im wesentlichen unabhängig vom
Carbidtyp abnimmt.
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Im Hinblick darauf weist das PM-3V-Material
(Stab 90–80),
das innerhalb des Umfangs der Erfindung liegt, im wesentlichen nur
vanadiumreiche primäre
Carbide des MC-Typs in einem Bereich von 4 bis 8 Vol.-% auf. Die
Verschleißfestigkeit
dieses Materials gemäß der Erfindung
ist identisch mit dem der Legierung PM 110CrVMo (Stab 91–65), die
außerhalb
des Umfangs der Erfindung liegt und die ein signifikant größeres Volumen
primärer
Carbide aufweist. Dies belegt, dass die erfindungsgemäße Legierung
eine zu der der Legierung außerhalb
des Umfangs der Erfindung, die das nahezu zweifache Volumen primärer Carbide
aufweist, identische Verschleißfestigkeit
erreichen kann. Darüber
hinaus hat die erfindungsgemäße Legierung
unerwarteterweise eine gegenüber
der Legierung PM 110CrVMo drastisch verbesserte Schlagzähigkeit.
Genauer gesagt hat die erfindungsgemäße Legierung eine Charpy-C-Kerbschlagfestigkeit
von 73 J (54 ft-lb) im Vergleich zu 60 J (44 ft-lb) für die nicht-erfindungsgemäße Legierung.
Diese Daten belegen klar, dass gemäß der Erfin dung eine bisher
nicht erreichbare Kombination von Verschleißfestigkeit und Schlagzähigkeit
erreichbar ist. In den Legierungen PM 10 V, PM 15 V und PM 18 V,
die ähnlich
der erfindungsgemäßen Legierung
nur Carbide des MC-Typs, jedoch in einer wesentlich über der
der erfindungsgemäßen Legierung
liegenden Volumenmenge enthalten, ist die Schlagzähigkeit
gegenüber
der gemäß der Erfindung
erreichten drastisch verringert. Daher müssen, um die erfindungsgemäßen Ergebnisse
zu erreichen, nicht nur die primären
Carbide Carbide des MC-Typs sein, sondern das Volumen derselben
muss innerhalb der erfindungsgemäßen Grenzen,
beispielsweise 4 bis 8 Vol.-%, sein.
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Metall-Metall-Verschleißfestigkeit
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Die Metall-Metall-Verschleißfestigkeit
der experimentellen Materialien wurde unter Verwendung eines ungeschmierten
Kreuzzylinderverschleißtests ähnlich dem
in ASTM G83 beschriebenen ermittelt. Bei diesem Test wird ein Carbidzylinder
gegen einen senkrecht ausgerichteten und stationären Testprüfling mit einem spezifizierten
Druck gepresst und gedreht. Die Volumenabnahme des Prüflings,
der vorzugsweise abgenutzt wird, wird in regelmäßigen Abständen bestimmt und zur Berechnung
eines Verschleißfestigkeitsparameters
auf der Grundlage des Drucks und des Gesamtgleitabstands verwendet.
Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle II angegeben.
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4 zeigt
die Metall-Metall-Verschleißtestergebnisse
für die
PM- und auf herkömmliche
Weise hergestellten Kaltbearbeitungswerkzeugstähle, die in Tabelle I angegeben
sind, die gegen den Gesamtgehalt an primärer. Carbiden und die Menge
an Carbiden des MC-Typs, die sie enthalten, aufgetragen sind. Die
Verschleißfestigkeit,
die durch diesen Test ermittelt wurde, nimmt mit zunehmendem Volumenprozentanteil von (vanadiumreichen)
primären
Carbiden des MC-Typs dramatisch zu, was mit der aktuellen Erfahrung
auf diesem Gebiet bei Metallbearbeitungsvorgängen übereinstimmt. Obwohl die PM-Gegenstände gemäß der Erfindung,
die durch die Legierung PM 3 V (Stab 90–80) mit 2,82% V dargestellt
werden, etwas weniger verschleißfest
als die 4% oder mehr Vanadium enthaltenden PM-Materialien sind,
sind sie immer noch verschleißfester als
A-2 oder D-2, die weniger als 1% V enthalten. Bei einer Konzentration
von 4% V zeigt PM M4 signifikant bessere Eigenschaften als PM 8Cr4V
und PM 12Cr4V bei diesem Test, obwohl es ein mit PM 8 Cr4V vergleichbares
und gegenüber
PM 12Cr4V halb so großes
Gesamtcarbidvolumen hat. Die vergleichsweise gute Verschleißfestigkeit
von PM M4 wird primär
einer Kombination von etwa 4% Carbid des MC-Typs und 9% (W- und Mo-reichem)
Carbid des M6C-Typs, das härter als
das in den anderen zwei 4%-V-Materialien vorhandene (Cr-reiche)
Carbid des M7C3-Typs
ist, zugeschrieben. Obwohl auf herkömmliche Weise hergestelltes
D-2 und D-7 auch
relativ hohe Gesamtcarbidvolumina enthalten, führen die relativ niedrigen
Gehaltmengen an Carbid des MC-Typs in konsistenter Weise zu signifikant
niedrigeren Verschleißfestigkeitszahlen
im Vergleich zu PM 3 V und den Materialien PM 10 V, PM 15 V und
PM 18 V mit viel höherem
Vanadiumgehalt mit ähnlichen
Carbidvolumina.
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Zusammenfassend gesagt, zeigen die
Ergebnisse der Zähigkeits-
und Verschleißtests,
dass eine deutliche Verbesserung der Schlagzähigkeit von verschleißfesten
vanadiumhaltigen Metallkeramik-Kaltbearbeitungswerkzeugstahlgegenständen durch
Beschränken
der Menge der in ihrer Mikrostruktur vorhandenen primären Carbide
und durch Steuern von deren Zusammensetzung und Behandlung derart,
dass vanadiumreiche Carbide des MC-Typs im wesentlichen die einzigen
primären
Carbide, die in der Mikrostruktur nach dem Härte und Glühen verbleiben, sind, erreicht
werden kann. Die von den PM-Ge genständen gemäß der Erfindung gebotene Kombination
von guter Metall-Metall-Verschleißfestigkeit und hoher Zähigkeit übersteigt
klar die von vielen üblicherweise
verwendeten als Barren gegossenen Kaltbearbeitungswerkzeugstählen, wie
AISI A-2 und D-2. Auch übersteigt
die hohe Zähigkeit
der PM-Gegenstände
gemäß der Erfindung
klar die von vielen bekannten PM-Kaltbearbeitungswerkzeugstählen, wie
PM 8Cr4V, die eine etwas bessere Metall-Metall-Verschleißfestigkeit
bieten, denen jedoch eine ausreichende Zähigkeit zur Verwendung in vielen
Anwendungen fehlt. Infolgedessen machen die Eigenschaften der PM-Gegenstände gemäß der Erfindung
diese besonders geeignet für
Zuschnittwerkzeuge (Prägestempel
und Formwerkzeuge bzw. Patrizen und Matrizen), Stanz- und Prägewerkzeuge,
Scherklingen zum Zuschnitt von leichten Materialien und anderen
Kaltbearbeitungsanwendungen, wo eine sehr hohe Zähigkeit der Werkzeugmaterialien
für eine
gute Werkzeugperformance erforderlich ist.
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Der hier verwendete Ausdruck Carbide
des MC-Typs bezeichnet vanadiumreiche Carbide, die durch eine kubische
Kristallstruktur gekennzeichnet sind, wobei "M" das
carbidbildende Element Vanadium und kleine Mengen anderer Elemente,
wie Molybdän,
Chrom und Eisen, die in dem Carbid auch vorhanden sein können, bedeutet.
Der Ausdruck umfasst auch das vanadiumreiche M9C3-Carbid und als Carbonitride bekannte Variationen,
wobei ein Teil des Kohlenstoffs durch Stickstoff ersetzt ist.
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Der hier verwendete Ausdruck Carbide
des M7C3-Typs bezeichnet
chromreiche Carbide, die durch eine hexagonale Kristallstruktur
gekennzeichnet sind, worin "M" das carbidbildende
Element Chrom und kleinere Mengen anderer Elemente, wie Vanadium,
Molybdän
und Eisen, die in dem Carbid ebenfalls sein können, bedeutet. Der Ausdruck
umfasst auch als Carbonitride bekannte Variationen derselben, wobei
ein Teil des Kohlenstoffs durch Stickstoff ersetzt ist.
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Der hier verwendete Ausdruck M6C-Carbide bedeutet ein wolfram- oder molybdänreiches
Carbid mit einem kubisch flächenzentrierten
Gitter; dieses Carbid kann auch mäßige Mengen Chrom, Vanadium
und Cobalt enthalten.
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Der hier verwendete Ausdruck "im wesentlichen alle" bedeutet, dass ein
kleiner Volumenanteil (< 1,0%)
an primären
Carbiden, die von dem vanadiumreichen Carbid des MC-Typs verschieden
sind, vorhanden sein können,
ohne die vorteilhaften Eigenschaften der Gegenstände gemäß der Erfindung, d. h. Zähigkeit
und Verschleißfestigkeit,
in nachteiliger Weise zu beeinflussen.
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Alle Prozentangaben sind Gewichtsprozent,
falls nicht anders angegeben.
