[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vormaterial nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Bei den bekannten schmelzmetallurgischen Verfahren der genannten Gattung ist der
in einer Matrix einlagerbare Anteil an Metallverbindungen, zum Beispiel Karbide, Nitride,
Karbonitride und/oder Boride, auf Grund der Bildungsmechanismen vor und während der
Erstarrung einer Schmelze begrenzt, weil die Eigenschaften des
[0003] Werkstoffes, insbesondere die Warmverformbarkeit und die Zähigkeit mit steigendem
Anteil an Metallverbindungen stark verschlechert werden. Eine einen bestimmten Wert
überschreitende Konzentration von obige Verbindungen bildenden Elementen, insbesondere
solchen der IV., V. und VI. Gruppe des Periodensystems, führt bei Vorhandensein von
Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/oder Bor in der Schmelze zu primären Ausscheidungen.
Diese Ausscheidungen können als Erstausscheidungen aus der homogenen Schmelze und/oder
als interdendritische Ausscheidungen aus der Restschmelze entstehen und sind auf Grund
eines weitgehend ungehinderten Wachstums grob und/oder strukturiert ausgebildet. Beispielsweise
können sich aus einer einen Kohlenstoffgehalt von 1 Gew.-% aufweisenden Schmelze bei
einer Niobkonzentration von größer als ca. 2,5 Gew.-% primäre grobe Niobkarbide mit
einem Durchmesser von größer als 50 µm ausscheiden.
[0004] Grobe und entsprechend der interdendritischen Resterstarrung strukturiert ausgeschiedene
Verbindungen verschlechtern entscheidend die Warmverformbarkeit des Materials und
die mechanischen Eigenschaften von daraus hergestellten Werkstücken, insbeondere von
Werkzeugen und Werkzeugteilen, sodaß erhebliche Schwierigkeiten bei der Warmumformung
und Härtung sowie hohe Bruchgefahr bei der Verwendung gegeben sind.
[0005] Um in eine Matrix höhere Anteile von Metallverbindungen bei Verminderung der nachteiligen
Wirkung einbringen zu können, wurden pulvermetallurgische Herstellverfahren vorgeschlagen.
Mit derartigen Verfahren gelingt es zwar, die Anisotropie im Werkstück zu vermeiden
und die Korngröße der Metallverbindungen wesentlich zu verkleinern, der Anteil an
Metallverbindungen in der Matrix ist jedoch aus Gründen der Ausscheidungskinetik begrenzt.
Werden nämlich höhere Konzentrationen von Metallverbindungen bildenden Elementen einer
Schmelze zulegiert, so entstehen in dieser Erstausscheidungen, die auf Grund ihres
freien Wachstums sehr grob dendritisch und/oder scharfkantig ausgebildet sind. Wird
nun eine derartige Schmelze z.B. verdüst, so enthält auch das Pulver diese erstausgeschiedenen
grobkörnigen Verbindungen, welche auch mit ihren, die Güte des Materials verschlechternden
Wirkungen den aus einem derartigen Pulver hergestellten Werkstoff kennzeichnen.
[0006] Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Vormaterial der eingangs genannten Art zu schaffen, das gut warmverformbar ist, einen
hohen Anteil an Metallverbindungen mit kleinem Korndurchmesser aufweist, leicht gehärtet
werden kann und die daraus gefertigten Werkstücke gute mechanische Eigenschaften,
insbesondere hohe Zähigkeit, besitzen.
[0007] Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale
gelöst.
[0008] Es war durchaus überraschend, daß es gelingt, hochschmelzende Metallverbindungen,
die in den Sprühstrom eingeleitet werden, mit den flüssigen Partikeln auf eine Unterlage
aufzubringen, und daß nach dem Erstarren und heißisostatischen Pressen und/oder Verformen
ein Vormaterial für die Werkstücke hergestellt werden kann, welches trotz hohen Anteils
an Metallverbindungen gute mechanische Eigenschaften, insbesondere hohe Zähigkeit,
aufweist. Dabei ist die Korngröße der erstarrten Matrix weitgehend unwesentlich, wenn
die Konzentration von Metallverbindungen bildenden Elementen in der Schmelze niedrig
ist und somit keine groben Ausscheidungen bei der Erstarrung gebildet werden. Der
Fachmann mußte erwarten, daß schon beim Einleiten des hochschmelzenden Pulvers in
den Metallsprühstrom und beim Transport in Richtung zur Unterlage Schwierigkeiten
entstehen, weil zumeist die Oberfläche des Metallverbindungen enthaltenden oder aus
diesen gebildeten Pulverkornes schlecht benetzbar ist. Weiters mußte der Fachmann
annehmen, daß auch auf Grund eines Unterschiedes im spezifischen Gewicht zwischen
Schmelze und Pulver eine Schwerkraftseigerung entsteht, welche zu einer extremen
Inhomogenität des auf der Unterlage erstarrten Körpers führt. Bei Überwindung dieses
Vorurteils wurde gefunden, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens auch im aus mehreren
Schichten aufgebauten Körper eine weitgehend homogene Verteilung von großen Anteilen
von hochschmelzenden Metallverbindungen mit geringem Korndurchmesser erreicht werden
kann, wobei die Korngröße der Matrix des auf die Unterlage aufgebrachten Körpers keinen
wesentlichen Einfluß auf die Zähigkeit des hergestellten Werkstückes besitzt.
[0009] Anhand eines Beispieles soll das erfindungsgemäße Vefahren zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Gegenstandes näher erläutert werden.
[0010] Eine Schmelze mit einer Zusammensetzung von in Gew.-%
C = 0,89
Si = 0,25
Mn = 0,26
Cr = 4,10
Mo = 4,90
V = 1,84
W = 6.20
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen wurde nach dem Austreten aus
einem Schmelzenbehälter mit Stickstoff in flüssige Einzelpartikel zerlegt und ein
Metallsprühstrom gebildet. In diesen Metallsprühstrom wurde ein Pulver mit einer Korngröße
von 14 bis 28 µm und mit einer Zusammensetzung von in Gew.-%
C = 8,5
Si = 1,8
Al = 0,4
Nb = 61
Fe = 28
Rest herstellungsbedingte Verunreinigungen eingeleitet, mit den flüssigen Einzelpartikeln
in mehreren Schichten auf eine Unterlage aufgebracht und erstarren gelassen. Das Verhältnis
des Gewichtes von flüssigen Einzelpartikeln zu Pulver betrug etwa 1 : 0,4. Der auf
der Unterlage durch Relativbewegung des Pulver/Metallsprühstromes erhaltene Körper
wies eine Gesamtdicke von 110 mm auf und wurde mit einer 8,5-fachen Verformung durch
Schmieden zu einem Vormaterial für Werkzeuge warmverformt. Ein aus dem Vormaterial
gefertigtes Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Gußstücken wies nach der Wärmebehandlung
einen Anteil von 31 Vol.-% Niobkarbid auf, wobei die maximale Karbidkorngröße 12
µm betrug. Die Körner aus Niobkarbid (NbC) mit einem Schmelzpunkt von ca. 3600°C waren
in der Schnellstahlmatrix weitgehend homogen verteilt. Als Werkstoffwerte wurden am
Werkzeug eine Härte von 65 HRC und eine Biegebruchfestigkeit von 3600 MPa ermittelt,
die Standzeit im praktischen Einsatz war im Vergleich mit einem gleichartigen Werkzeug
aus einem Stahl DIN Werkstoff Nr. 1.3343 3,6-mal so hoch.
1. Verfahren zur Herstellung von Vormaterial für Werkstücke, vorzugsweise Werkzeuge,
insbesondere aus Schnellarbeitsstahl mit hohem Anteil an Metallverbindungen, dadurch
gekennzeichnet, daß eine flüssige Schmelze unmittelbar nach dem Austreten aus einer
Öffnung in einem Schmelzenbehälter, auf an sich bekannte Weise, durch beispielsweise
einen oder mehrere Gasstrom(ströme) in Einzelpartikel zerlegt und mit diesen Einzelpartikeln
ein Metallsprühstrom gebildet wird, wobei in den Metallsprühstrom ein oder mehrere,
aus Metallverbindung(en) , welche einen höheren Schmelzpunkt als die Schmelze aufweist,
bestehendes(e), oder derartige Metallverbindung(en) enthaltendes(e) Pulver eingeleitet
und die Pulverkörner von den flüssigen Partikeln in Richtung des Metallsprühstromes
transportiert werden und die flüssigen Partikel mit den Pulverkörnern auf eine Unterlage,
gegebenenfalls in mehreren Schichten, aufgebracht und unter Bildung eines hochschmelzende
Verbindungen enthaltenden Körpers erstarren gelassen werden und dieser Körper heißisostatisch
gepreßt und/oder warmverformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß durch den (die) Gasstrom(ströme)
flüssige Partikel mit einem Durchmesser von 5 bis 250 µm, insbesondere von höchstens
80 µm, gebildet werden und daß in den Metallsprühstrom zumindest ein aus einer hochschmelzenden
Metallverbindung bestehendes und/oder mindestens eine derartige Verbindung enthaltendes
Pulver mit einem Korndurchmesser von 5 bis 50 µm, vorzugsweise von 10 bis 30 µm, insbesondere
von 15 bis 30 µm, eingeleitet wird (werden).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder, 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein karbidhaltiges
und/oder nitridhaltiges und/oder boridhaltiges und/oder Karlid-und/oder Nitrid- und/oder
Borid-Pulver in den Metallsprühstrom eingeleitet wird (werden).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, daß das (die)
Pulver Karbide und/oder Nitride der Elemente der IV., V. oder VI. Gruppe des Periodensystems
enthält (enthalten) oder daraus gebildet ist (sind).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den
Metallsprühstrom ein Pulver eingeleitet wird, welches im wesentlichen die Elemente
Niob, Eisen und Kohlenstoff, herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest enthält
und vorzugsweise eine Konzentration in Gew.-% von
Nb = 50 bis 70
Fe = 20 bis 40
C = 8 bis 15
aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze
bzw. die flüssigen Partikel aus einer Legierung einer Zusammensetzung in Gew.-% von
C = 0,8 bis 3,0
Cr = 3,5 bis 14
Mn = 0,15 bis 4,0
Ni = max. 4,0
W = bis 22,0
Mo = bis 12,0
(W+2Mo)= 1,0 bis 24,0
V = 0,4 bis 6,0
Nb = max. 3,0
Co = bis 14,0
Rest Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen gebildet wird(werden).
7. Gegenstand hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß dessen Anteil an Metallverbindung(en) größer als 15 Vol.-%,
vorzugsweise großer als 20 Vol.-%, insbesondere größer als 30 Vol.-%, und der Korndurchmesser
dieser Verbindungen wie Karbide und/oder Nitride und/oder Boride kleiner als 30/µm
ist.