Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Gegenständen aus Werkzeugstahl mit verbesserter Homogenität, höherer Reinheit und verbesserten Eigenschaften.
Werkzeugstähle mit hohen Kohlenstoffkonzentrationen und hohen Gehalten an karbidbildenden Elementen werden für Schneidteile und Komponenten mit hoher Verschleißfestigkeit eingesetzt. Weil nun bei einer Erstarrung derartiger Legierungen in Gießformen Inhomogenitäten sowie grobe primäre und eutektische Karbide gebildet werden, die Fertigungsprobleme und schlechte mechanische Eigenschaften der daraus erstellten Werkzeuge oder Komponenten bewirken, ist eine pulvermetallurgische Herstellung derartiger Teile vorteilhaft.
Eine pulvermetallurgische Herstellung beinhaltet im wesentlichen ein Verdüsen einer Werkzeugstahlschmelze zu Metallpulver, ein Einbringen und Verdichten des Metallpulvers in einen Behäler bzw. eine Kapsel, ein Verschließen der Kapsel und ein Erwärmen und heißisostatisches Pressen des Pulvers in der Kapsel zu einem dichten homogenen Material.
Bei einem Verdüsen der Schmelze, welches nach dem Stand der Technik vorteilhaft mit Stickstoff erfolgt, werden kleine Metalltröpfchen mit einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen im Gasstrom gebildet, was eine große Abkühl- und Erstarrungsgeschwindigkeit des Flüssigmetalles und dadurch kleine Karbidteilchen in den Pulverkörnern bewirkt. Wie vorher erwähnt, wird in der Folge das zumeinst durch Klopfen in der Kapsel verdichtete Pulver in dieser durch heißisostatisches Pressen bei Temperaturen von zumeist über 1080°C mit einem Druck von größer als 85 MPa zu einem vollkommen dichten Metallkörper ausgeformt. Dieser as-HIPed Metallkörper, der noch einer Warmumformung unterworfen werden kann, weist bei hohem Karbidgehalt eine vorteilhaft geringe Karbidgröße von durchschnittlich 1-3 um und gute mechanische Materialeigenschaften im Vergleich mit einer schmelzmetallurgischen Herstellung auf.
Pulvermetallurgisch hergestellte Gegenstände aus Werkzeugstahl besitzen zwar eine durchaus vorteilhafte Struktur mit feinverteilten Karbidphasen; einer unvollständigen Materialisotropie und eines schlechten Reinheitsgrades wegen kann jedoch das erreichbare hohe Gütepotential von PM-Werkstoffen nicht realisiert werden.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, den Gütemangel der nach dem Stand der Technik hergestellten Gegenständen aus PM-Werkzeugstahl zu beseitigen und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem ein isostatisch gepreßter Metallkörper mit höchster Werkstoffisotropie und geringstem Gehalt an oxidischen Einschlüssen herstellbar ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren erhält von einer Werkzeugstahl-Gegenstand mit verbesserten Bearbeitungs- und Gebrauchseigenschaften bei erhöhter Einsatzstandzeit.
Dieses Ziel wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin begründet, daß synergetisch vorerst durch metallurgische Arbeit an einer in ein metallurgisches Gefäß eingebrachten Schmelze deren oxidischer Reinheitsgrad entscheidend verbessert und deren Temperatur homogen auf einen vorteilhaften Überhitzungswert eingestellt werden, wonach eine Verdüsung des Flüssigmetalles derart erfolgt, daß der mittlere Korndurchmesser 50 bis 70 µm beträgt. Dadurch wird erreicht, daß einerseits im Pulver der Sauerstoffgehalt überraschend niedrig anfällt und andererseits auch der Feinkornanteil wesentlich im Hinblick auf ein Erreichen einer hohen Klopf- und Rütteldichte in der Kapsel erhöht ist. Wenn nun, wie erfindungsgemäß vorgesehen, das Metallpulver unter Aufrechterhaltung der Stickstoffatmosphäre klassiert, gesammelt, in einen Behälter eingebracht, in diesem verdichtet und der Behälter verschlossen wird, kann keine Oxidation oder Physisorption von Sauerstoff an der Pulverkornoberfläche entstehen.
Eine erfindungsgemäße Verteilung der Korndurchmesser mit einem Mittelwert im Bereich von 50 bis 70 µm ermöglicht ein Erreichen einer unerwartet hohen Pulverdichte in der Kapsel, so daß einerseits deren Schwindmaß beim heißisostatischen Pressen gering ist und andererseits eine weitgehend vollständige Isotropie des gepreßten dichten Metallkörpers vorliegt. Diese Vorteile werden auch bei Behältergrößen mit einem Durchmesser oder einer Dicke von mehr als 300 mm und einer Länge von größer als 1000 mm erreicht.
Die Parameter für den heißisostatischen Preßzyklus beinhalten ein Aufwärmen des Pulvers im Behälter bei im wesentlichen gleichen Anstieg von Temperatur und Druck, wodurch schon in dieser Phase, wie sich gezeigt hat, eine Erhöhung der Materialdichte und Homogenität erreicht werden. Der anschließende Preßvorgang erfolgt im Temperaturbereich von 1100°C bis 1180°C bei einem Druck von 90 MPa und größer mit einer Zeitdauer von mindestens drei Stunden, gefolgt von einer langsamen Abkühlung des Preßkörpers. Niedrigere Preßtemperaturen als 1100°C und Drücke unter 90 MPa sowie geringere Preßzeiten als drei Stunden können Ungänzen im Werkstoff bewirken
Der Preßkörper weist nach dem HIPen eine vollständig dichte Materialstruktur auf, kann also in diesem Zustand oder nach einer Warmumformung zu einem Werkzeug verarbeitet werden.
Für die hohe Güte des nach dem Verfahren gemäß der Erfindung pulvermetallurgisch hergestellten Werkzeugstahl- Gegenstandes ist dessen niedriger Gehalt an Einschlüssen sowie die geringe Einschlußgröße kennzeichnend. Der hohe oxidische Reinheitsgrad, der mit einem K0-Wert nach DIN 50 602 von im wesentlichen höchstens 3 dokumentiert ist, führt nicht nur zu stark verbesserten mechanischen Eigenschaften, insbesondere bei erhöhten Einsatztemperaturen, des Werkstoffes in allen Beanspruchungsrichtungen. sondern verbessert auch dessen Gebrauchseigenschaften, vorzugsweise die Schneidhaltigkeit von Feinschnitt-Werkzeugen, in hohem Maße.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die konditionierte Schmelze durch einen Düsenkörper im metallurgischen Gefäß mit einem Schmelzenstromdurchmesser von 4,0 bis 10,0 mm in eine Verdüsungskammer eingebracht und in dieser mit mindestens drei aufeinander folgenden aus Stickstoff, mit einem Reinheitsgrad von mind. 99,999% Stickstoff, gebildeten Gasstrahlen mit der Maßgabe beaufschlagt wird, daß die letzte Beaufschlagung des Schmelzenstromes durch einen Gasstrahl erfolgt., der zumindest stellenweise eine Geschwindigkeit aufweist, die größer als die Schallgeschwindigkeit ist. Eine Einhaltung des Schmelzenstromdurchmessers und die hohe kinetische Energie der Gasbeaufschlagung des Metallstromes bewirken eine günstige Kornverteilung und eine gewünschte Feinheit des erstellten Metallpulvers. Die Konditionierung und die Einstellung der Temperatur des Flüssigmetalles im metallurgischen Gefäß sowie der hohe Reinheitsgrad des Zerstäubungsgases Stickstoff sind weiters die Ursachen für einen überraschend hohen Reinheitsgrad bzw. einen geringen Sauerstoffanteil des Pulvers und in der Folge des heißisostatisch gerpeßten Blockes.
Eine besonders markante Gütesteigerung des Gegenstandes wird bei dessen Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, wenn die Schmelze aus einer Eisenbasislegierung enthaltend in Gew.-%
Obige chemische Zusammensetzung des Werkzeugstahles beinhaltet besonders karbidreiche Werkzeugstähle mit hoher Abriebfestigkeit und hoher Schneidhaltigkeit der daraus gefertigten Werkzeuge. Da hohe Karbidanteile in der Regel die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes verschlechtern, ist deren grundsätzliche Verbesserung durch das erfindungsgemäße Verfahren von besonderer Bedeutung. Es hat sich gezeigt, daß diese hohen mechanischen Kennwerte, insbesondere die der Schlagbiegezähigkeit des Materials, synergetisch durch den kleinen mittleren Korndurchmesser des Pulvers, eine homogene dichte Schüttung desselben in der Kapsel und durch den hohen oxidischen Reinheitsgrad bei isotroper Struktur des heißisostatisch gepreßten Gegenstandes begründet sind.
Der oxidische Reinheitsgrad des Flüssigmetalles kann durch eine metallurgische Arbeit wirkungsvoll verbessert werden, wenn eine Konditionierung der Schmelze im metallurgischen Gefäß bei einer induzierten turbulenten Strömung derselben und bei einer vollständigen Abdeckung des Metallbades durch flüssige Schlacke, welche insbesondere mittels direkten Stromdurchganges beheizt wird, während einer Zeit von mindestens 15 Minuten erfolgt. Dabei wird eine Abgabe von Sauerstoffverbindungen bzw. Oxiden aus der Schmelze und eine Aufnahme derselben in die heiße Schlacke gefördert, wobei die induzierte Strömung des Metallbades die Effizienz steigert. Per se ist bekannt, eine Strömung von Flüssigmetall in einem metallurgischen Gefäß mittels Einleitens von Argon-Spülgas durch mindestens einen bodenseitig angeordneten gasdurchlässigen Spülstein zu erreichen. Es ist jedoch wichtig, um eine Reoxidation der Schmelze zu verhindern, daß deren Abdeckung durch flüssige Schlacke auch bei Schmelzenbewegungen vollständig erhalten bleibt. Um Probleme beim Einsatz eines Spülsteines im Hinblick auf die Zuverlässigkeit einer Ausbildung einer kontrollierten und effizienten Metallströmung sowie um Schwierigkeiten bei der Spül- bzw. Rührgaszufuhr, wobei kleine Gasmengen wenig metallurgische Wirkung zeigen, jedoch hohe Gasmengen Oberflächenteile der Schmelze schlackenfrei erstellen und oxidieren sowie Schlackenpartikel in den Stahl einmischen können, zu vermeiden, ist es bevorzugt, elektromagnetische Mittel, zum Beispiel elektromagnetische Rührspulen, für eine Induzieren einer turbulenten Strömung im Flüssigmetall einzusetzen. Höchst vorteilhaft kann dabei auch eine Einstellung und gleichmäßige Verteilung der Temperatur des Metallbades mittels einer Einbringung von Wärmeenergie in die Schlacke durch elektrischen Stromdurchgang erfolgen.
Weil auch geringe Anteile an Grobkorn im Metallpulver, insbesondere beim Befüllen der Kapsel und beim Verdichten des Pulvers in dieser, Entmischungen bewirken können, ist von Vorteil, wenn der Durchmesser der Pulverkörner verdüsungstechnisch auf einen Maximalwert von 500 µm eingestellt oder klassiert wird.
Allenfalls kann zur Sicherstellung einer homogenen Schüttung und zur Gütesteigerung des Erzeugnisses nach der Erfindung vorgesehen sein, daß das in einem Bereitstellungsraum gesammelte Pulver durch Stickstoff fluidisiert und gemischt und bei Aufrechterhaltung der Stickstoffatmosphäre in einen Behälter bzw. eine Kapsel mit einem Gesamtgewicht von größer als 0,5 t eingebracht, durch mechanische Stöße verdichtet und gasdicht eingeschlossen wird.
Derart kann sichergestellt werden, daß, wenn in wirtschaftlich günstiger Weise das homogenisierte Pulver in einen Behälter bzw. in eine Kapsel mit einem Durchmesser bzw. einer Dicke von gleich oder größer 400 mm und einer Länge von mindestens 1000 mm eingebracht wird, bei Anwendung der vorhin genannten Parameter für den heißisostatischen Preßzyklus der hergestellte Block Homogenität und vollkommene Materialdichte erlangt.
Wenn die pulvergefüllte Kapsel im kalten Zustand in eine HIP-Einrichtung eingebracht wird und eine darauffolgende Erwärmung der Pulverkapsel unter allseitigem Umgebungsdruck erfolgt, kann einerseits die Durchwärmungszeit auf Grund einer angehobenen Wärmeleitung verkürzt und die Pulvermasse im Hinblick auf eine weitgehend vollständige Isotropie des Blockes vorverdichtet werden.
Es kann, wie sich gezeigt hat, in bestimmten Fällen zur Unterstützung der Konsolidierung günstig sein, wenn die Anwärmung und/oder der Preßvorgang des Pulvers bei konstanter, gegebenenfalls sich gleichmäßig ändernder, um einen Mittelwert pendelnder Temperaturbeaufschlagung durchgeführt wird und der Preßvorgang bei einer Temperatur von mindestens 1140°C, höchstens jedoch von 1170°C, erfolgt.
Auf Grund der verbesserten Materialeigenschaften ist es möglich und es kann insbesondere zur Kostenminimierung vorteilhaft sein, wenn der erfindungsgemäß pulvermetallurgisch hergestellte Block im Zustand as-HIPed oder bei geringster, aus wirtschaftlichen Gründen durchzuführender Verformung als Vormaterial für Werkzeuge oder Werkzeugteile eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren schafft einen Werkzeugstahlgegenstand mit verbesserten Bearbeitungs- und Gebrauchseigenschaften bei erhöhter Einsatzstandzeit. Diese Vorteile wesden bei einem pulvermetallurgisch hergestellten Gegenstand aus Werkzeugstahl mit verbesserten Werkstoffeigenschaften bestehend aus einer Eisenbasislegierung enthaltend in Gew.-%
Werkzeugstähle haben ein breites Spektrum der Konzentration der jeweiligen Legierungselemente, wobei diese immer in Wechselwirkung stehen und im Hinblick auf den Kohlenstoffgehalt zu sehen sind. Geringere Kohlenstoffgehalte als 0,52 Gew.-% führen zu einem niedrigen Karbidanteil und/oder zu einer geringen Matrixhärte im thermisch vergüteten Zustand des Stahles, wohingegen höhere Gehalte als 3,74 Gew.-% Kohlenstoff, auch bei einer pulvermetallurgischen Herstellung, den Werkstoff für eine Verwendung als Werkzeug auf Grund des mechanischen Eigenschaftsprofiles weitgehend ausschließen.
Von besonderer Bedeutung für eine gute Härtbarkeit und die erreichbaren mechanischen und chemischen Eigenschaften der Gegenstände sind die Elemente Mn und Cr, wobei Gehalte über 2 Gew.-% Mn und über 21 Gew.-% Cr zu einem Abfall der für die Werkzeuge erforderlichen Materialwerte führen.
Die hohe Affinität zu Kohlenstoff der Elemente Mo, V, Nb/Ta und W bewirkt in entsprechenden Anteilen eine gewünschte Karbid- und Mischkarbidausbildung in einer legierten Matrix. In der obigen Reihenfolge der Elemente sollen jedoch die Konzentrationswerte in Gew.-% 10,0;14,9; 2,0; 20,0 nicht überschritten werden, weil dadurch einerseits ein gewünschtes Vergütungsverhalten und andererseits die Herstellbarkeit und die vorgesehenen mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe nicht erreicht werden können.
Ni kann gegebenenfalls ohne nachteilige Wirkung bis zu einem Gehalt von 1,0 Gew.-% in der Legierung vorliegen
Co steigert die Warmhärte und Schneidhaltigkeit der Werkzeuge , wirkt jedoch ab einem Gehalt von 20,8 Gew.-% eigenschaftsverschlechternd.. Schwefelgehalte bis 0,5 Gew.-% verbessern die Zerspanbarkeit des Werkzeugstahles, ohne jedoch den Reinheitsgrad desselben derartig nachteilig zu beeinflussen, daß die mechanischen Materialwerte erniedrigt sind.
Der Werkzeugstahl weist einen nach DIN 50 602 definierten K0-Wert von im wesentlichen höchstens 3 auf. Dieser hohe Reinheitsgrad des Werkstoffes bewirkt nicht nur eine große Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im vergüteten Zustand, beispielsweise eine wesentlich gesteigerte Zähigkeit des Materials, sondern es sind auch die Gebrauchseigenschaften, insbesondere die Schneidhaltigkeit von Feinschnitt- Werkzeugen für harte Gegenstände sprunghaft angehoben. Diese Gütesteigerung der erfindungsgemäßen pulvermetallurgisch hergestellten Gegenstände aus Werkzeugstahl ist, wie gefunden wurde, insbesondere darin begründet, daß der geringe Anteil an kleineren und das Fehlen von größeren nichtmetallischen Einschlüssen eine von diesen bewirkte Rißinitiation minimiert.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Untersuchungsergebnissen näher erläutert:
Vom Sammelbehälter erfolgte ein Einbringen des Pulvers in einen Behälter bzw. eine Kapsel aus unlegiertem Stahl, wobei durch ein Rütteln bzw. Beklopfen desselben bzw. derselben eine Verdichtung der Pulverfüllung und nachfolgend ein Verschließen der Kapsel vorgenommen wurden. Die mit verdichtetem Legierungspulver gefüllte Kapsel mit einem Durchmesser von 420 mm⌀ und einer Länge von 2000 mm wurde im kalten Zustand in die HIP-Anlage eingebracht, wonach der Druck und die Temperatur gleichzeitig erhöht wurden. Ein heißisostatisches Pressen erfolgte bei einer Temperatur von 1155°C mit einem Druck von 105 MPa in einer Zeitspanne von 3,85 Stunden, wonach der Preßkörper langsam abgekühlt wurde. Nach einer Warmumformung mit 0,2-fachen bis 8,1-fachem Verformungsgrad erfolgte aus den Schmiedestücken eine Entnahme von Proben.
Die bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem Sammelbehälter entnommenen 50 Pulverproben wurden einer Siebanalyse unterworfen. Die Ergebnisse und zwar der jeweilig durchschnittliche Pulveranteil in den einzelnen Partikelklassen ist in der Tabelle 1 ( Kornverteilung der Metallpulver) in Gegenüberstellung mit 92 Ergebnissen bei Verwendung von Verfahren nach dem Stand der Technik wiedergegeben.
Pulver, welche mit einem Verfahren nach der Erfindung erstellt waren, besaßen bis zu einem Korndurchmesser von 63 um einen Anteil an der Gesamtmenge von 52% und einen Anteil von ca 72% bis zu einer Korngröße bis 100µm. Pulver, hergestellt nach dem Stand der Technik, weisen hingegen für die gleichen Klassen Anteile von 21,7 % und 36,2 % auf. Vergleicht man die ermittelte mittlere Partikelgröße, so ist diese bei erfindungsgemäßer Pulverherstellung 61 µm, wohingegen bei einer Pulverfertigung nach dem Stand der Technik eine mehr als doppelt so große mittlere Partikalgröße von 141 µm ermittelt wurde.
In
Von den 50 Rohlingen mit jeweils unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden nach einer Warmverformung Proben entnommen und deren Reinheitsgrad bzw. Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen nach DIN 50 602 und ASTM E 45 /85 Meth.D untersucht. Diese Ergebnisse wurden wiederum mit Ergebnissen von 92 Proben aus artgleichen Werkstoffen, jedoch hergestellt nach dem Stand der Technik, verglichen uns sind in Tabelle 2 ( Einschlußgehalt von PM-Werkzeugstählen K0) und Tabelle 4 ( Einschlußgehalt von PM-Werkzeugstählen nach ASTM-Wert) wiedergegeben.
Bei einer Auswertung des Einschlußgehaltes im Werkstoff nach DIN 50 602 Verfahren K0 wurden bei Werkzeugstählen gemäß der Erfindung Gesamt-Summenkennwerte bis höchstens 3 mit einem Anteil bei diesem Wert von 2% ermittelt. Hingegen zeigten, wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, Werkzeugstähle, erstellt nach dem Stand der Technik, einen wesentlich höheren Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen mit vergleichsweise großem Durchmesser. Eine graphische Darstellung der Ergebnisse dieser Auswertung ist in
Eine weitere Untersuchung des Gehaltes an nichtmetallischen Einschlüssen in pulvermetallurgisch hergestellten Werkzeugstählen erfolgte nach ASTM E 45/85 Meth.D.
Wie aus der Tabelle 3 hervorgeht, wurde an 50 Mustern von erfindungsgemäß gefertigtem Material ( Kurve A) bei einer Probenanzahl 3 und einem Anteil von 6,0 % ein höchster ASTM-Wert von 1,5 ermittelt. Mit einem ASTM-Wert 0,5 lag der Anteil bei 68 %. Das Vergleichsmaterial, gefertigt nach dem Stand der Technik wies einen höheren Gehalt und gröbere Einschlüsse ( Kurve B) auf, was graphisch auch in
Werkzeugstähle der bezeichneten Art können, wie aus den Ermittlungen überraschend gefunden wurde, erfindungsgemäß bis zu einem Gehalt von 0,5 Gew.-% mit Schwefel legiert sein, ohne daß der Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen wesentlich erhöht ist und sich ein DIN-K0-wert von größer als 3 einstellt.