Verwendung einer Eisenbasislegierung zur pulvermetallurgischen Herstellung von Teilen mit hoher Korrosionsbeständigkeit, hoher Verschleissfestigkeit sowie hoher Zähigkeit und Druckfestigkeit, insbesondere für die Kunststoffverarbeitung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Eisenbasis­legierung mit spezieller Zusammensetzung als Werkstoff für die pulvermetallurgische Herstellung von Teilen mit hoher Korrosionsbeständigkeit, hoher Verschleißfestigkeit sowie hoher Zähigkeit und Druckfestigkeit, vorzugsweise für Kunststofformen, Maschinenteile und Werkzeuge zur spanlosen Formgebung. Insbesondere in der Kunststoff­industrie sind formgebende Teile gleichzeitig chemischen und abrasiven Beanspruchungen ausgesetzt, wobei diese Teile aufgrund der mechanischen Beanspruchungen, gege­benenfalls hohe Materialzähigkeit, hohe Druckfestigkeit und besondere Werkstoffhomogenität aufweisen müssen. Der­artige Anforderungen werden beispielsweise an Materialien gestellt, welche in Einrichtungen zum Verpressen von faserverstärkten oder Füllstoffe enthaltenden Kunst­stoffen eingesetzt werden.
Für Maschinenbauelemente, wie beispielsweise Schnecken etc. und auch für Umform- und Preßwerkzeuge, welche ins­besondere korrosiven Beanspruchungen ausgesetzt sind, werden austenitische Stähle oder Chromstähle mit einem Chromgehalt von ca. 18 %, beispielsweise Legierungen nach DIN Werkstoff-Nr. 1.4528, verwendet. Derartige Werkstoffe weisen zwar eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit auf, das Verschleißverhalten ist jedoch zumeist im prak­tischen Betrieb nicht befriedigend.
Um die Verschleißfestigkeit und die Härte des Stahles zu verbessern bzw. zu erhöhen, wurde auch versucht, durch höhere Kohlenstoffgehalte den Karbidanteil der Legierung zu vergrößern. Diese Stähle, beispielsweise Legierungen nach DIN Werkstoff-Nr. 1.2080 und Werkstoff-Nr. 1.2379, mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 2 % und einem Chrom­gehalt von ca. 12 % haben eine verbesserte Verschleiß­festigkeit, sind jedoch für korrosive Beanspruchungen weniger geeignet, wobei die Teile aufgrund einer ge­gebenenfalls ungünstigen Karbidstruktur sich anisotro­pisch verhalten, spröde sind bzw. eine hohe Bruchneigung aufweisen, wobei auch zumeist keine ausreichende Formbe­ständigkeit bei der Wärmebehandlung gegeben ist.

[0002] Es wurde auch vorgeschlagen, Stähle zu verwenden, welche äußerst weite Bereichsgrenzen in ihrer chemischen Zusam­mensetzung, insbesondere für den Kohlenstoffgehalt, den Chromgehalt und den Vanadingehalt aufweisen, wobei jedoch keinerlei Hinweise gegeben wurden, wie eine Legierung, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Ver­schleißfestigkeit mit ausreichenden Zähigkeitseigenschaf­ten und hoher Druckfestigkeit aufweist, zusammengesetzt sein muß. Auch der Fachmann konnte daraus keine Lehre entnehmen, wie und wodurch eine Kombination der geforder­ten Materialeigenschaften erzielbar ist.

[0003] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin­dung die Aufgabe zugrunde, obige Nachteile zu vermeiden und insbesondere für die kunststoffverarbeitende Indu­strie vorteilhaft verwendbare Werkstoffe zu schaffen, die durch eine spezielle Zusammensetzung bei Anwendung be­stimmter Herstellverfahren eine hohe Korrosionsbeständig­keit, eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Druck­festigkeit bei guten Zähigkeitseigenschaften aufweisen.

[0004] Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung einer Eisenbasis­legierung mit einer Zusammensetzung in Gew.-%

Silizium	max. 1,0
Mangan	max. 1,0
Schwefel	max. 0,03
Phosphor	max. 0,03
Chrom	16,0 - 29,0
Molybdän	0,4 - 2,5
Wolfram	0,3 - 2,0
Vanadin	3,0 - 10,0
Titan	bis 5,0
Aluminium	bis 1,0
Nickel	max. 0,8
Kobalt	max. 0,8
Kupfer	max. 0,5
Bor	bis 0,05
Stickstoff	0,01 - 0,18
Niob	bis 5,0
Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest,

wobei der Wert, gebildet aus
(%Cr - 13) + 4,4x (%V - 3) + 2x (%Nb) + 4,2x (%Ti)
großer als 8,8 ist und der minimale Kohlenstoffgehalt der Legierung entsprechend dem Zusammenhang
C_min = 0,3 + [(%Cr - 13) x 0,06] + [(2x %Mo + W)
x 0,03] + (%V x 0,24) + (%Nb x 0,13)
+ (%Ti x 0,25)
und der maximale Kohlenstoffgehalt der Legierung ent­sprechend dem Zusammenhang
C_max = 0,7 + [(%Cr - 13) x 0,06] + [(2x %Mo + W)
x 0,03] + (%V x 0,24) + (%Nb x 0,13)
+ (%Ti x 0,25)
beträgt, zur pulvermetallurgischen Herstellung von Teilen mit hoher Korrosionsbeständigkeit, hoher Verschleißfe­stigkeit sowie hoher Zähigkeit und hoher Druckfestigkeit, insbesondere für Kunststofformen, Maschinenteile und Werkzeuge zur spanlosen Formgebung mit der Maßgabe, daß die Matrix nach dem Härten und Anlassen einen Chromgehalt von mindestens 13 % aufweist und der Karbidgehalt minde­stens 25 Vol.-% beträgt, wobei die Karbidkorngröße klei­ner als 14 µm ist und mindestens 5 Vol.-% der Karbide als MC-Karbide ausgebildet sind. Bevorzugt ist es, wenn die Legierungsanteile in Gew.-%

Chrom	18,0 - 25,0
Molybdän	0,6 - 1,7
Wolfram	0,5 - 1,5
Vanadin	3,5 - 5,6
Stickstoff	0,03 - 0,1
Niob	bis 5,0
Titan	bis 5,0
Bor	bis 0,03

betragen, wobei in weiteren Ausführungsformen der Werk­stoff einen Niobgehalt von 0,2 bis 3,0 und/oder einen Titangehalt von 0,2 bis 3,5 und/oder einen Borgehalt von 0,001 bis 0,002 aufweist. Besonders bevorzugt ist, wenn der Wert, gebildet aus
(%Cr - 13) + 4,4x (%V - 3) + 2x (%Nb) + 4,2x (Ti)
mindestens 10,0 beträgt. Die Teile, die aus der erfin­dungsgemäßen Legierung bzw. aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff nach einem pulvermetallurgischen Herstellungs­verfahren gefertigt sind, müssen dabei nach dem Härten und Anlassen eine Chromkonzentration in allen Teilen der Matrix von mindestens 13 aufweisen.

[0005] Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die erfindungs­gemäße Legierung ab einem Mindestwert, der die Konzentra­tionen und die jeweilige Wirkung mit der gegenseitigen Beeinflussung der karbidbildenden Elemente Chrom, Vana­din, Niob und Titan berücksichtigt und durch den insbe­sondere die Verschleißfestigkeit des Werkstoffes bestimmt ist, bei bestimmten in engen Grenzen eingestellten Koh­lenstoffgehalten und bei Anwendung pulvermetallurgischer Herstellverfahren, Werkstoffe ergibt, die gleichzeitig eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Verschleiß­festigkeit, eine hohe Druckbeständigkeit und eine hohe Zähigkeit aufweisen und vorteilhaft, insbesondere für den Bau von Kunststofformen, einsetzbar sind, wobei im gehär­teten und angelassenen Zustand der Chromgehalt in allen Bereichen der Matrix und der Anteil sowie die Zusammen­setzung und die Korngröße der Karbide erfindungsgemäß eingestellt werden können.

[0006] Beschreibung der Legierung bzw. der Wirkung der Legie­rungselemente:

[0007] Silizium als Desoxidationsmittel beeinflußt die Zusammen­setzung der Oxide und kann in geringen Konzentrationen vorteilhaft für eine gute Polierbarkeit der aus der Le­ gierung gefertigten Teile sein. Gehalte über 1 Gew.-% wirken jedoch nachteilig auf das Erstarrungsverhalten und gegebenenfalls auf die Umwandlungsvorgänge bei der Wär­mebehandlung. Mangangehalte bis zu 1 Gew.-% sind gege­benenfalls bei Schwefelgehalten bis 0,03 Gew.-% wichtig, um den Schwefel als Sulfid abzubinden und dadurch die Zähigkeit des Werkstoffes zu verbessern. Phosphor wirkt versprödend und soll im Stahl so niedrig wie möglich, jedoch unter 0,03 Gew.-%, vorliegen. Chrom wirkt als Le­gierungselement, das ab einem Gehalt von ca. 13 Gew.-% in der Matrix eine Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes bewirkt. Gleichzeitig ist Chrom ein Karbidbildner, der mit Kohlenstoff bei bestimmten Kohlenstoffaktivitäten und bei Anwesenheit von Molybdän und Vanadin neben M₇C₃ Karbiden auch M₂₃C₆ Karbide bilden kann. Es ist somit wichtig, daß der Stahl mindestens 16 Gew.-% Chrom ent­hält, höchstens jedoch einen Gehalt von 29 Gew.-% Chrom aufweist, weil höhere Chromkonzentrationen zu einer Ver­sprödung des Werkstoffes führen. Molybdän in Gehalten von 0,4 bis 2,5 Gew.-% und Wolfram in Gehalten von 0,3 bis 2,0 Gew.-% bewirken einen Sekundärhärteanstieg bei der Wärmebehandlung durch die Bildung feiner Karbide und sind für die Einstellung der Kohlenstoffaktivität der Legie­rung wichtig. Vanadium als starker Karbidbildner bewirkt insbesondere in Gehalten über 0,7 bis 3 Gew.-% die Ent­stehung von MC-Karbiden. Höhere Gehalte, insbesondere über 10 %, führen zwar zu einer Verbesserung der Ver­schleißfestigkeit, die Zähigkeit der Teile wird jedoch wesentlich verschlechtert. Titan bis 5 Gew.-% verbessert die Verschleißfestigkeit des Werkstoffes, insbesondere durch eine MC-Karbidbildung. Aufgrund einer Nitridbildung wirken Stickstoffgehalte ab 0,01 % kornfeinend bzw. ver­hindern ein Kornwachstum beim Glühen bei hohen Tempera­ turen, wodurch ein Abfall der Zähigkeit der Legierung vermieden wird. Weiters kann durch Stickstoffkonzentra­tionen bis 0,18 % insbesondere die Verschleißfestigkeit verbessert werden. Aluminium kann als Element mit hoher Sauerstoffaffinität und hoher Stickstoffaffinität in Konzentrationen bis 1 Gew.-% zur Einstellung niedriger Sauerstoffgehalte des Stahles und zur Vermeidung des Kornwachstumes zulegiert sein, wobei auch vorteilhafte Wirkungen auf das Umwandlungsverhalten und die Zähigkeit des Werkstoffes erzielbar sind.
Es wurde auch gefunden, daß für die Einstellung der ge­wünschten mechanischen Eigenschaften des Teiles ein Min­destwert der Legierung, gebildet aus den Konzentrationen der karbid- und nitridbildenden Elemente Chrom, Wolfram, Niob, Titan und bestimmten Wirkungsfaktoren dieser Ele­mente erforderlich ist, wobei durch eine Erhöhung dieses Wertes eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit und der Druckfestigkeit bei gering abfallender Zähigkeit bewirkt wird. Weiters ist es wichtig, daß der Kohlenstoffgehalt in engen Grenzen in Abhängigkeit von den Gehalten und von bestimmten Wirkungsparametern der karbidbildenden Elemen­te im Stahl eingestellt wird, um die gewünschten Eigen­schaften der Teile zu erhalten. Dadurch werden einerseits für eine Matrixhärtung und zum Erhalt hoher Druckfestig­keit M₇C₃, M₂₃C₆ und M₆C Karbide und zur Ein­stellung hoher Verschleißfestigkeit MC-Karbide gebildet, wobei jedoch andererseits ein für die Korrosionsbestän­digkeit erforderlicher Chromgehalt von größer als 13 % in allen Bereichen der Matrix vorliegt.
Eine pulvermetallurgische Herstellung der Teile ist we­sentlich, weil dadurch deren Isotropie der Eigenschaften des Werkstoffes wesentlich verbessert wird und die Korn­größe der Ausscheidungen bzw. intermetallischen Phasen klein gehalten werden kann. Karbide mit Korngrößen über 14 µm verschlechtern wesentlich die mechanischen Eigen­schaften, insbesondere die Biegefestigkeit der Teile. Die Pulverherstellung kann dabei mit allen geeigneten Ver­fahren, insbesondere mit Gasverdüsungsverfahren erfolgen, wonach gegebenenfalls ein Kompaktieren durch heißisosta­tisches Pressen und/oder durch Warmverformung des Pulvers in geeigneten Umhüllungen durchgeführt wird.

[0008] Die Erfindung wird zwecks weiterer Verdeutlichung anhand eines Beispieles nachfolgend beschrieben.
Aus einer Schmelze mit folgenden Gehalten in Gew.-%

Chrom	20,0
Molybdän	1,0
Wolfram	0,6
Vanadin	4,0
Stickstoff	0,04
und einer entsprechend eingestellten Kohlenstoffkonzentration von 1,9 sowie
Silizium	0,3
Mangan	0,35
Phosphor	0,012
Schwefel	0,011
Aluminium	0,001
Nickel	0,2
Kobalt	0,1
Kupfer	0,12
Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest

wurde im Gasverdüsungsverfahren ein Legierungspulver her­gestellt. Nach dem Einfüllen des Pulvers in eine Kapsel mit einem Durchmesser von 250 mm und dem Evakuieren und gasdichten Abschließen der Kapsel erfolgte eine Warmver­formung bei 1110°C unter Anwendung eines 6-fachen Ver­formungsgrades. Nach einem Weichglühen bei 880 bis 900°C und langsamen Abkühlen wurden aus dem Schmiedestab Kunst­stofformen hergestellt. Die Härte des Materials lag dabei bei ca. 280 HB. Das Härten der Teile erfolgte nach einem Aufheizen auf eine Temperatur von 1140°C durch Abkühlung im Warmbad, worauf ein Härtewert von 61 HRC gemessen wur­de. Nach dem Anlassen bei einer Temperatur von 540°C lag die Materialhärte bei 59 HRC. Die mittlere Biegebruch­festigkeit, quer zur Verformungsrichtung, betrug 3,5 Kilo N/mm² und lag somit wesentlich über jenen Werten, die an konventionell gefertigten Teilen mit vergleichbarer Härte gemessen wurden. Zur Ermittlung der Druckfestigkeit wurde die 0,2 % Stauchgrenze herangezogen, wobei der Wert bei 2015 N/mm² lag. Die Prüfung des Verschleißverhal­tens des Teiles erfolgte im Schleifradtest, bei dem in einem Korund-Wasser-Gemisch sich eine Stahlscheibe dreht, gegen welche die Probe gedrückt wird.
Folgende Verschleißbedingungen wurden angewendet:

Anpreßkraft der Probe	30 N
Schleifradwerkstoff	C 15
Härte des Schleifrades	126 (HV10)
Breite des Schleifrades	15 mm
Durchmesser des Schleifrades	168 mm
Drehzahl des Schleifrades	50 U/min
Probengröße	20 x 20 x 8
Al₂O₃-Schlämme:	(Feststoffanteil/H₂O) = 1
Al₂O₃-Korngröße	0,7 µm.

[0009] Bei der Erprobung wurde nach einer Zeit vom 100 sec. ein spezifischer Verschleiß (relativ zum hoch verschleißfe­ sten, jedoch weniger korrosionsbeständigen Werkstoff mit einer Zusammensetzung von 2,3 % C, 12,5 % Cr, 1,1 % Mo, 4,0 % V) von 200 %, nach 1000 h 128 % und nach 10.000 h 120 % festgestellt. Das Korrosionsverhalten des Werk­stoffes wurde im Salzsprühtest ermittelt, wobei die kor­rodierte Oberfläche in % nach 480 min. einen Wert von 50 ergab. Eine weitere Prüfung des Korrosionsverhaltens in 20 %iger Essigsäure über einen Zeitraum von 24 h erbrach­te einen Wert von 6,98 g/m² h. Die metallographischen, elektronenmikroskopischen und röntgenanalytischen Unter­suchungen ergaben, daß der Karbidanteil ca. 39 Vol.-% be­trug, wovon ca. 10 Vol.-% als MC-Karbide vorlagen, wobei die maximale Karbidkorngröße 10 µm aufwies.

Ansprüche

1. Verwendung einer Eisenbasislegierung mit einer Zusam­mensetzung in Gew.-%

Silizium	max. 1,0
Mangan	max. 1,0
Schwefel	max. 0,03
Phosphor	max. 0,03
Chrom	16,0 - 29,0
Molybdän	0,4 - 2,5
Wolfram	0,3 - 2,0
Vanadin	3,0 - 10,0
Titan	bis 5,0
Aluminium	bis 1,0
Nickel	max. 0,8
Kobalt	max. 0,8
Kupfer	max. 0,5
Bor	bis 0,05
Stickstoff	0,01 - 0,18
Niob	bis 5,0
Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest,

wobei der Wert, gebildet aus
(%Cr - 13) + 4,4x (%V - 3) + 2x (%Nb) + 4,2x (%Ti)
größer als 8,8 ist und der minimale Kohlenstoffgehalt der Legierung entsprechend dem Zusammenhang
C_min = 0,3 + [(%Cr - 13) x 0,06] + [(2x %Mo + W)
x 0,03] + (%V x 0,24) + (%Nb x 0,13)
+ (%Ti x 0,25)
und der maximale Kohlenstoffgehalt der Legierung ent­sprechend dem Zusammenhang
C_max = 0,7 + [(%Cr - 13) x 0,06] + [(2x %Mo + W)
x 0,03] + (%V x 0,24) + (%Nb x 0,13)
+ (%Ti x 0,25)
beträgt, zur pulvermetallurgischen Herstellung von Teilen mit hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Verschleiß­festigkeit sowie hoher Zähigkeit und hoher Druckfestig­keit, insbesondere für Kunststofformen, Maschinenteile und Werkzeuge zur spanlosen Formgebung mit der Maßgabe, daß die Matrix nach dem Härten und Anlassen einen Chrom­gehalt von mindestens 13 % aufweist und der Karbidgehalt mindestens 25 Vol.-% beträgt, wobei die Karbidkorngröße kleiner als 14 µm ist und mindestens 5 Vol.-% der Karbide als MC-Karbide ausgebildet sind.

2. Verwendung einer Eisenbasislegierung nach Anspruch 1, mit einer Zusammensetzung in Gew.-%

Silizium	max. 0,6
Mangan	max. 0,6
Schwefel	max. 0,015
Phosphor	max. 0,02
Chrom	18,0 - 25,0
Molybdän	0,6 - 1,7
Wolfram	0,5 - 1,5
Vanadin	3,5 - 5,6
Titan	bis 5,0
Aluminium	bis 1,0
Nickel	max. 0,5
Kobalt	max. 0,5
Kupfer	max. 0,4
Bor	bis 0,03
Stickstoff	0,03 - 0,1
Niob	bis 5,0
Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest

wobei der Wert, gebildet aus
(%Cr - 13) + 4.4x (%V - 3) + 2x (%Nb) + 4,2x (%Ti)
größer als 8,8 ist und der maximale Kohlenstoffgehalt der Legierung entsprechend dem Zusammenhang
C_min = 0,3 + [(%Cr - 13) x 0,06] + [(2x %Mo + W)
x 0,03] + (%V x 0,24 + (%Nb x 0,13)
+ (%Ti x 0,25)
und der maximale Kohlenstoffgehalt der Legierung ent­sprechend dem Zusammenhang
C_max = 0,7 + [(%Cr - 13) x 0,06] + [(2x %Mo + W)
x 0,3] + (%V x 0,24) + (%Nb x 0,13)
+ (%Ti x 0,25)
beträgt, zur pulvermetallurgischen Herstellung von Teilen mit hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Verschleiß­festigkeit sowie hoher Zähigkeit und hoher Druckfestig­keit, insbesondere für Kunststofformen, Maschinenteile und Werkzeuge zur spanlosen Formgebung mit der Maßgabe, daß die Matrix nach dem Härten und Anlassen einen Chrom­gehalt von mindestens 13 % aufweist und der Karbidgehalt mindestens 25 % beträgt, wobei die Karbidkorngröße klei­ner als 14 µm ist und mindestens 5 Vol.-% der Karbide als MC-Karbide ausgebildet sind.

3. Verwendung einer Eisenbasislegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert, gebildet aus
(%Cr - 13) + 4,4x (%V - 3) + 2x (%Nb) + 4,2x (%Ti)
größer als 10,0 ist.

4. Verwendung einer Eisenbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Niobgehalt in Gew.-% von 0,2 bis 3,0.

5. Verwendung einer Eisenbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Titangehalt von 0,2 bis 3,5.

6. Verwendung einer Eisenbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Borgehalt von 0,001 bis 0,002.

7. Verwendung einer gehärteten und angelassenen Eisen­basislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit ei­nem Chromgehalt der Matrix von mindestens 13 % und einem Karbidgehalt von mindestens 25 % wobei die Karbidkorn­größe kleiner als 14 µm ist und mindestens 5 % der Karbi­de als MC-Karbide abgebildet sind.

8. Verwendung einer Eisenbasislegierung nach Anspruch 1 bis 7, mit einem Kohlenstoffgehalt in Gew.-% von minde­stens 1,8, höchstens jedoch 6,2.

9. Verwendung einer Eisenbasislegierung gemäß Anspruch 1 bis 8, als Werkstoff für die pulvermetallurgische Her­stellung von Kunststofformen.