Verschleiss- und Korrisionfester, hochlegierter pulvermetallurgischer Stahl

Abstract

 Ein neuartiger, pulvermetallurgisch hergestellter Stahl weist eine Zusammensetzung von 3,4 - 4,2 % C, 20 - 30 % Cr, 3 - 10 % W, 0 - 4 % Mo, 0 - 6 % Ni, 0, 6 - 1,0 % Si, 0,2 - 0,4 % Mn, 4,75 - 5,25 % V, 0,75 - 1,25 % Nb, Rest Fe und Verunreinigungen auf. Die Herstellung erfolgt bevorzugt durch heissisostatisches Pressen eines Pulvers einer Legierung der angegebenen Zusammensetzung. Das Material ist insbesondere für die Herstellung von Extruderteilen, z. B. Schneckengehäuse und Schnecke, geeignet.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stahllegierung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Stahls.

[0002] Die Pulvermetallurgie erlaubt die Zusammenstellung von Legierungselementen ohne Entmischung. Durch das Legieren der einzelnen Elemente in der Schmelze und anschliessende Gasverdüsung durch Stickstoff ändert sich der Legierungsanteil in der Schmelze zum verdüsenden Pulver kaum.

[0003] Derartig hergestelltes Pulver wird anschliessend in eine Kapsel gefüllt und heissisostatisch verdichtet. Die gewählte HIP-Temperatur liegt unter der Schmelztemperatur des Pulvers, so dass eine Entmischung oder eine Seigerung während des Sintervorgangs ausgeschlossen ist.

[0004] Bei der Herstellung von temperatur- und festigkeitsbeständigen Kunststoffen werden Oxide und mineralische Stoffe in das Material eingebracht. Diese können bis 95 % des Volumens betragen. Beim Mischvorgang im Extruder wird das Schneckengehäuse und die Schnecke sehr stark bezüglich Korrosion und Abrasion beansprucht. Deswegen wird der Einsatz von speziellen Stählen verlangt, die die Anforderungen bezüglich Verschleiss, Korrosion und Festigkeit erfüllen. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein pulvermetallurgischer Stahl vorgestellt, der die Anforderungen bezüglich Verschleiss und Korrosion sehr gut abdeckt, auch wenn er eine geringere Zähigkeit durch den Einsatz des hohen Legierungsanteil der Elemente C, Cr, V und W aufweist.

[0005] Im Patent US 4765836 ist eine Legierung beschrieben, die eine ähnliche Zusammensetzung wie die erfindungsgemässe Legierung, aber einen höheren Vanadiumgehalt aufweist und kein Wolfram enthält.

[0006] Die Legierungen, die in der US-4765836 beansprucht werden, weisen folgende Anteile der Hauptkomponenten neben Eisen auf:

	C	Cr	W	Mo	V	Ni	Mn
Min [%]	2,50	15,00	0	2,0	6,00	0	0,2
Max [%]	5,00	30,00	0	10,00	11,00	0,5	1

[0007] Daneben können die Legierungen noch geringe Anteile Schwefel, Silizium und Stickstoff enthalten. Der Kohlenstoffgehalt ist bezüglich V, Mo und Cr angepasst, um Karbide zu bilden und durch einen Kohlenstoffüberschuss eine Martensitstruktur sicherzustellen.

[0008] Ein ähnlicher Weg wird im Patent EP0271238 B1 vorgeschlagen, dabei wird aber ein Molybdängehalt von 2 - 10 % angegeben und ein Vanadiumgehalt von 6 - 11 %. Hier ist der hohe Vanadiumanteil verschleissfestigkeitsbestimmend wie ebenso der hohe Molybdängehalt. Wolfram und Niob als Karbidbildner werden als 0 % angegeben.

[0009] Eine Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, eine Legierung anzugeben, die den Anforderungen für Extruderteile besser entspricht.

[0010] Eine derartige Legierung ist in Anspruch 1 angegeben, die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen und Herstellungsverfahren der Legierung an.

[0011] Prozentangaben sind in der Beschreibung und den Ansprüchen Gewichtsprozente, soweit nicht anders angegeben.

Allgemein wurde mit Legierungen der Zusammensetzung

[0012] 

Komponente	Anteil [%]
C	3,4 - 4,2
Cr	20 - 30
W	3 - 10
Mo	0 - 4
Ni	0 - 6
Si	0,6 - 1,0
Mn	0,2 - 0,4
V	4,75 - 5,25
Nb	0,75 - 1,25
Rest:	Eisen und Verunreinigungen

die geforderten verbesserten Eigenschaften erzielt. Insbesondere weisen diese Legierungen eine Grundhärte von mindestens 50 HRC auf. Die Grundhärte ist dabei die Härte nach der Herstellung durch heissisostatischen Pressen (HIP) und Weichglühen.

[0013] Die Erfindung wird weiter an bevorzugten Ausführungsformen mit Bezugnahme auf Figuren erläutert.

Fig. 1

Anlassdiagramm einer erfindungsgemässen Legierung

Fig. 2

Härte- und Druckfestigkeitsdiagramm der Legierung im Vergleich mit anderen Legierungen

Fig. 3

Vergleichsdiagramm Biegefestigkeit

Fig. 4

Vergleichsdiagramm Verschleissfestigkeit

Fig. 5

Vergleichsdiagramm Korrosionsbeständigkeit

[0014] Es wird eine Legierung mit einer Analyse von vorzugsweise C = 3,75 % / Si = 0,8 % / Mn = 0,3 % / Cr = 25 % / Mo = 3 % / V = 5 % / W = 5 % / Nb = 1 % / Ni = 2 % wie folgt hergestellt:

[0015] Die Legierung wird erschmolzen und anschliessend gasverdüst. Das erstarrte Pulver wird nachher in eine Kapsel gefüllt, und die Kapsel wurde evakuiert und gasdicht verschlossen.

[0016] Eine anschliessende HIP-Behandlung, vorzugsweise bei 1100 °C / 3h / 1100 bar, ergibt ein feines, seigerungsfreies Gefüge. Die Karbide sind gleichmässig in der Grundmatrix verteilt. Das Material kann je nach Wunsch in der HIP-Anlage direkt weichgeglüht oder durch eine anschliessende Wärmebehandlung bei 900-920 °C, Halten 2 h und gleichmässiges Abkühlen mit 12 °C pro Stunde bis 600 °C weichgeglüht werden.

[0017] Die erreichte Weichglühhärte (Grundhärte) liegt bei ca. 52 HRC. Das Material ("Veko 25CR") wird anschliessend wärmebehandelt und angelassen. Die erreichten Härtewerte sind im Anlassdiagramm [Fig. 1] bezogen auf die verschiedenen Härtetemperaturen aufgezeichnet. Material aus den verschiedensten Wärmebehandlungsstufen wurde anschliessend auf die Biege- und Druckfestigkeit geprüft. Als Beispiel für eine Härtetemperatur 1140 °C und Anlasstemperatur 450 °C sind die Härte und Druckfestigkeit im [Fig. 2] aufgezeichnet und die Resultate mit anderen PM-Werkstoffen verglichen. Diese bekannten Vergleichslegierungen sind spezifiziert wie folgt:

Tabelle 1: Legierungszusammensetzungen (PM: pulvermetallurgisch)

Name	C	Si	Mn	Cr	Cu	Ti	Ni	W	Mo	Co	V	Nb	B	Fe	Herstellgs.-verfahren
X 235	2.5	0.5	0.3	20.0	0.0	0.0	< 0.5	0.0	1.3	0.0	4.3	1.9		Rest	PM
X 245	2.5	0.9	0.5	5.3	0.0	0.0	< 0.5	0.0	1.3	0.0	9.8	0.0		Rest	PM
X 260 Cr	2.7	0.6	0.4	26.0	0.0	0.0	< 0.5	0.0	1.1	0.0	2.4	1.3		Rest	PM
GP 27.1	2.7	0.6	0.4	26.0	0.0	0.0	< 0.5	0.0	1.1	0.0	2.4	1.3		Rest	Guss
Mit HIP hergestellte Legierungen:
HIP 40 S	0,2	3,5	<0.1	7,5	-	-	Rest	-	-	-	-	-	2.8	<1,0	PM
HIP 65S	1,15	4,3	-	17	-	-	Rest	-	-	-	-	-	3,3	<1,0	PM
HIP 1	2.5	-	-	33	-	-	-	13	-	Rest	-	-	-	-	PM
HIP 1 Mo	2.5	-	-	33	-	-	-	13	4	Rest	-	-	-	-	PM

[0018] Dabei zeigt sich, dass der neue Werkstoff VeKo 25Cr trotz der hohen Härte im Vergleich mit anderen Werkstoffen eine gute Druckfestigkeit besitzt. Der Werkstoff X 245 hat die höchste Druckfestigkeit, aber eine tiefere Härte als VeKo 25Cr. Die Duktilität von Veko 25Cr ist also nicht härteabhängig.

[0019] Das Gleiche zeigt sich in der Biegefestigkeit (Fig. 3). Die Biegefestigkeit, auch ein Mass für die Sprödigkeit, ist wesentlich höher als für andere Hartstoffe mit tieferer Härte. Einzig der Werkstoff X 245 hat eine höhere Biegefestigkeit, allerdings bei einer tieferen Härte. Anschliessend wurden von diesen Proben Verschleiss- und Korrosionsversuche durchgeführt und die Ergebnisse mit anderen korrosionsfesten Werkstoffen verglichen.

[0020] Dabei stellte sich heraus, dass der neue pulvermetallurgische Werkstoff Veko 25Cr im Vergleich zu anderen PM-Werkstoffen gute Verschleiss- [Fig. 4] und Korrosionseigenschaften [Fig. 5] aufweist.

[0021] Diese besonderen Eigenschaften werden erreicht, indem der Vanadiumgehalt bewusst tief eingestellt wird, dafür aber eine Beigabe von Wolfram zur Beeinflussung der Karbidhärte beigegeben wird. Die Zugabe von Nickel beinflusst den Austenitgehalt und erhöht dadurch die Korrosionsbeständigkeit.

[0022] Aus der vorangehenden Beschreibung sind für den Fachmann Abwandlungen der Erfindung zugänglich, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.

[0023] Insbesondere können die Parameter des heissisostatischen Pressens im Rahmen der üblichen Werte auch anders gewählt werden als vorgeschlagen.

Glossar

[0024] 

HIP

Heissisostatisches Pressen

HRC

Härtegrad Rockwell

Veko 25Cr

Bezeichnung eines bevorzugten erfindungsgemässen Materials

Ansprüche

1. Pulvermetallurgischer Stahl, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung in Gewichtsprozent C 3,4 - 4,2 %, Cr 20 - 30 %, W 3 - 10 %, Mo 0 - 4 %, Ni 0 - 6 %, Si 0,6 - 1,0 %, Mn 0,2 - 0,4 %, V 4,75 - 5,25 %, Nb 0,75 - 1,25 %, Rest Fe und Verunreinigungen.

2. Stahl gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Anteile der angegebenen Komponenten in Gewichtsprozent: C 3,65 - 3,85 %, Cr 24,5 - 25,5 %, W 4,5 - 5,5 %, Mo 2,8 - 3,2 %, Ni 0,4 - 2 %.

3. Stahl gemäss Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Anteil an Nickel von 2 Gewichtsprozent.

4. Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Anteile der angegebenen Bestandteile in Gewichtsprozent: Si 0,8 %, Mn 0,3 %, V 5 %, Nb 1 %.

5. Stahl gemäss Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Anteile der angegebenen Bestandteile in Gewichtsprozent: C 3,75 %, Cr 25 %, Mo 3 %, W 5 %, Ni 2 %.

6. Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 oder 5, gekennzeichnet durch eine Härte nach Weichglühen (Grundhärte) von mindestens 50 HRC (Härte Rockwell).

7. Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Härte von mind. 67 HRC nach einer Wärmebehandlung.

8. Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er durch heissisostatisches Pressen herstellbar ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus einem Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch der Komponenten geschmolzen wird, die Schmelze gasverdüst wird und das erhaltene Pulver heissisostatisch gepresst wird.

10. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus dem Stahl einer Wärmebehandlung unterworfen wird, um die Härte zu erhöhen.

11. Verwendung des Stahls gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von Extruderbestandteilen, insbesondere des Schneckengehäuses und der Schnecke.

12. Extruder mit einem Schneckengehäuse und/oder einer Schnecke, die wenigstens an den mit dem Arbeitsmedium in Kontakt tretenden Flächen aus einem Stahl gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8 besteht.

Zeichnung