Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Werkstücken, oder Werkzeugen und PM-Teile

Abstract

 Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Werkstücken, insbesondere Werkzeugen, mit in einer Matrix homogen verteilten hochschmelzenden Karbiden und/oder Karbonitriden, wobei in einer Schmelze ein Gehalt der Elemente der IV. und V. Gruppe bzw. Neben­gruppe des periodischen Systems von mindestens 3 Gew.-%, eine niedrige Kohlenstoff-und Stickstoffkonzentration eingestellt und primäre Ausscheidungen verhindert werden und ein gewünschter Kohlenstoff-und/oder Stickstoffgehalt bei einer Verdüsung der Schmelze zu Pulver und/oder einer Diffusionsglühung des Pulvers mit einem Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen und/oder Stickstoff oder Stickstoffverbindungen aufweisenden Medium erfolgt und mindestens 10 Vol.-% Karbid und/oder Karbinitridanteil auf­weisende Pulver gegebenenfalls nach Zumischen eines weiteren Pulvers in an sich bekannter Weise zu einem PM-Teil verarbeitet wird. Nach diesem Verfahren hergestellte Werkstücke, insbesondere Werkzeuge, weisen einen Gehalt der Elemente Vanadin und Niob und/­oder Titan und/oder Zirkon und/oder Hafnium und/oder Tantal mit einem Karbid- und/oder Karbonitridanteil von mindestens 10 Vol.-% bei einer maximalen Karbid-und/oder Karbonitrid-Korngröße von 5µm auf.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Werkstücken oder Werkzeugen mit in der Matrix homogen verteilten, hochschmelzenden Karbiden und/oder Karbonitriden und nach diesem Verfahren hergestellte PM-Teile.

[0002] Bei der Herstellung von Werkstücken oder Werkzeugen, insbesondere aus Legierungen mit hohem Kohlenstoffgehalt wie beispielsweise Kaltarbeitsstähle, Schnellstähle und dgl. und/oder hoher Stickstoffkonzentration können vorteilhaft pulvermetallurgische Verfahren angewendet werden. Dabei wird eine geschmolzene Le­gierung zu Pulver verdüst, dieses Pulver in Kapseln gefüllt und durch Sintern, HIP-en und/oder Warmumformen und dgl. ein PM- Teil hergestellt. Bei einer raschen Abkühlung der beim Verdüsen einer homogenen Schmelze entstehenden Teilchen steht für eine Reaktion des Kohlenstoffes und/oder Stickstoffes mit karbidbildenden und/oder nitridbildenden Elementen der Legierung nur eine kurze Zeitspanne zur Verfügung, sodaß ein Wachsen von groben Karbiden und/oder Karbonitriden während der Erstarrung verhindert und eine gleichmäßige Verteilung von feinen Partikeln dieser Verbindungen in den Pulverkörnern erzielt wird. Die gefertigten PM-Teile weisen dadurch eine homogene Verteilung von Karbiden und /oder Karbo­nitriden mit geringer Korngröße in einer Matrix auf, wodurch insbe­sondere die Zähigkeit und die Gebrauchseigenschaften verbessert sind.

[0003] Die anwendbaren Gehalte an Kohlenstoff und/oder Stickstoff in Ver­bindung mit den Gehalten an karbid- und/oder nitridbildenden Elementen der IV. und V. Gruppe bzw. Nebengruppe des periodischen Systems der Legierung sind jedoch begrenzt, weil bei höheren Konzentrationen auf Grund einer hohen Affinität dieser Elemente zu Kohlenstoff und/oder Stickstoff schon in der flüssigen Schmelze Karbide und/oder Karbonitride gebildet werden. Diese primär ausgeschiedenen Verbindungen weisen einen hohen Schmelzpunkt auf und wachsen in der Schmelze zu großen, meist blockigen und/oder dendritischen Körnern, welche auch durch einen Verdüsungsvorgang nicht zerkleinert werden können. Dadurch können Inhomogenitäten mit Kerbstellen von groben Karbiden im nachfolgend gefertigten PM-Teil entstehen, die dessen Gebrauchseigenschaften, insbesondere dessen Zähigkeit, negativ beeinflussen.

[0004] Es wurde versucht, bei höheren Konzentrationen, insbesondere der Elemente C und Nb, durch legierungstechnische Maßnahmen bzw. durch Beeinflussung des Keimzustandes der Schmelze die Bildung von groben primären Karbidausscheidungen zu vermeiden, jedoch konnten dadurch keine wesentlichen Verbesserungen erreicht werden.

[0005] Auch wurde vorgeschlagen, Legierungen mit Konzentrationen an Elementen, die Karbide vom Typ MeC und Me₄C₃ bilden, von über 3,0 Gew.-% weit über die üblichen Schmelzentemperaturen, beispielsweise auf 1750°bis 1800°C, zu überhitzen, dadurch primäre Ausscheidungen von Karbiden aufzulösen bzw. zu vermeiden und von dieser Temperatur die Legierung rasch abzukühlen. Dies hat den Nachteil, daß es zu einem raschen Verschleiß der feuerfesten Auskleidungen der Schmelz- und Verdüsungsaggregate kommt. Weiters wird bei hohen Temperaturen die Affinität der Ele­mente, beispielsweise des Niobs und des Titans zu Sauerstoff wesentlich erhöht, sodaß es zu vermehrten Oxidbildungen, zu Verun­reinigungen der Schmelze und zu einem unkontrollierbaren Abbrand der Elemente kommt.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, obige Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, nach welchem Werkstücke oder Werkzeuge mit in der Matrix homogen verteilten hochschmelzenden Karbiden, Nitriden und/oder Karbonitriden der Elemente der IV. und V. Gruppe bzw. Nebengruppe des periodischen Systems mit geringer Korngröße hergestellt werden können.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 gekenn­zeichnete Verfahren gelöst. Dabei ist wichtig, daß der Kohlen­stoff-und Stickstoffgehalt der geschmolzenen Legierung, welche zu Pulver verdüst wird, unter einer von der Gesamtkonzentration der Elemente der IV. und V. Gruppe des periodischen Systems abhängigen Grenze eingestellt werden und zur Einstellung eines gewünschten Kohlenstoff-und/oder Stickstoffgehaltes das Verdüsungsmedium Kohlenstoffverbindungen und/oder Stickstoff enthält und/oder eine Diffusionsglühung des Pulvers bei einer Temperatur von mindestens der Austenitisierungstemperatur, höchstens jedoch 50°C unterhalb der Erweichungstemperatur der Legierung erfolgt und diese Glühung gegebenenfalls bei bestimmten Gehalten bzw. Partialdrücken von gasförmigen Kohlenstoffverbindungen und/oder Stickstoff, insbesondere bei Durchströmung des Pulvers, durchgeführt wird. Ein besonderer Vorteil ist gegeben, wenn zwei oder mehrere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellte Pulver mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und/oder verschiedenen Kohlenstoff-und Stickstoffgehalten homogen vermischt werden und eine Herstellung eines PM-Teiles aus diesem gemischten Pulver erfolgt, weil dadurch eine optimale Einstellung der Zusammensetzung bzw. der Gebrauchseigenschaften des Teiles bei geringer Lagerhaltung bzw. bei geringen Kosten erreicht wird.

[0008] Es hat sich gezeigt, daß auch bei Konzentrationen an, insbesondere mehreren Elementen der IV. und V. Gruppe bzw. Nebengruppe des periodischen Systems, von größer als 3 Gew.-% durch eine Erniedrigung des Kohlenstoffgehaltes der Legierung eine Ausscheidung von Karbiden und Karbonitriden aus einer Schmelze verhindert wird. Ab einem Mindestgehalt dieser Elemente ist eine gegenseitige Beeinflussung gegeben, wodurch die oberen Grenzwerte für Kohlenstoff und Stickstoff , ab welchen eine Karbid- und/oder Karbonitridausscheidung erfolgen kann , bestimmt und errechenbar sind. Unerwarteterweise wurde gefunden, daß bei einer Verdüsung der flüssigen Legierung unter Verwendung von flüssigen und/oder gasförmigen kohenwasserstoff-und/oder stickstoffhältigen Verdüsungsmedien die oberflächennahe Zone der Pulverkörner in entsprechendem Maße Kohlenstoff und Stickstoff aufnehmen kann und daß dieser Effekt bei einer Kornoberfläche von kleiner als 0,9 mm² besonders wirkungsvoll ist. Für den Fachmann war überraschend, daß eine auch durch Glühung des Pulvers in einer z,B. kohlenwasserstoff-und/oder stickstoffhältigen Atmosphäre herstellbare Anreicherung von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in der kornoberflächennahen Zone durch eine Diffusionsglühung oder bei einem Sintern, HIP-en und Warmwalzen ausgeglichen werden kann,wobei die in das Korninnere wandernden Kohlenstoff-und/oder Stickstoffatome hochschmelzende Karbide und/oder Karbonitride bilden. Diese gebildeten Karbide und/oder Karbonitride sind homogen verteilt und weisen eine sehr geringe Korngröße auf. Für diesen Effekt fehlt derzeit noch eine wissenschaftliche Begründung, es ist jedoch vorstellbar, daß eine der Ursachen unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten verschiedener Atome ist.

[0009] Bei Überwindung von Vorurteilen der Fachwelt wurde auch gefunden, daß ein homogener PM-Teil oder ein Werkzeug mit gleichmäßiger Ver­teilung von Karbiden und/oder Nitriden mit einer Korngröße von kleiner 5µm aus Mischungen von unterschiedlich zusammengesetzten oder verschiedene Kohlenstoffgehalte und/oder Stickstoffgehalte aufweisenden Pulvern erzeugt werden kann, wenn die Oberfläche der Pulverkörner kleiner als 0,9 mm² ist. Bei der Erprobung derartiger PM-Teile wurde weiters gefunden, daß besonders gute mechanische Eigenschaften des Werkstoffes bzw. Werkzeuges bei hohen Karbid und/oder Karbonitridanteilen vorlagen.

[0010] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert:

Beispiel 1:

[0011] Eine Legierung mit nachfolgend angegebener Zusammensetzung in Gew.-%
C = 0,75
W = 6,64
Mo = 4,80
Cr = 4,76
V = 1,16,
Nb = 3,14
und einer N- Konzentration von 30 ppm, Rest im wesentlichen Fe, wurde erschmolzen.
Eine Untersuchung von Saugproben, die bei einer Temperatur von 1450 C der Schmelze entnommen wurden, zeigte keine primären Karbid-oder Karbonitridausscheidungen.
Die Schmelze wurde mittels eines Mediums aus Helium, Stickstoff und Härteöl zu Pulver verdüst, wobei die Oberfläche der größeren Pulverkörner 0,6 mm² betrug. Nach dem Kompaktieren, Heißisostatik­pressen und Verformen des Pulvers wies der zu einem Werkzeug geformte Teil einen Kohlenstoffgehalt von 1,32 Gew.-% und eine Stickstoffkonzentration von 26o ppm auf, wobei die Korngröße der hauptsächlich Vanadin und Niob enthaltenden Karbide und Karbonitride maximal 5µm bei einem Anteil von 11 Vol.-% betrug. Das Werkzeug wies im wärmebehandelten Zustand im Vergleich mit konventionell hergestelltem Schnellstahl S 6-5-1-3 Nb wesent­lich verbesserte Gebrauchseigenschaften bei um ca. 28 % verbesser­ten Zähigkeitwerten auf.

Beispiel 2:

[0012] In einem Induktionsofen wurde eine Legierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% geschmolzen:
C = 0,56
Si = 0,44
Mn = 0,52
P = 0,003
S = 0,0029
Cr = 4,50
Mo = 3,70
W = 2,40
V = 1,76
Nb = 3,22
Ti = 1,74
Rest Eisen
Der Stickstoffgehalt betrug 50 ppm; bei 1440°C konnten keine primären Karbid,- Karbonitrid -oder Nitridausscheidungen festgestellt werden. Das Verdüsen der Schmelze zu Pulver mit einer maximalen Kornoberfläche von 0,65 mm² erfolgte mit Methan, worauf das Pulver bei einer Temperatur von 910°C bei Durchströmung eines aus Endogas bestehenden Gasgemisches diffusionsgeglüht wurde. Nach der Weiterverarbeitung dieses in einer evakuierten Kapsel befindlichen Pulvers durch Warmverformung bei einer Temperatur von 1185°C zu einem PM-Teil wurde dieser nach einer entsprechenden Wärmebehandlung untersucht. Die Materialer­probungen ergaben folgende Werte: Kohlenstoffgehalt 1,48 Gew.-%, Stickstoffgehalt 250 ppm, maximale Korngröße der hauptsächlich Vanadin, Niob und Titan enthaltenden ( mit Röntgen­spektralanalyse festgestellt) Karbide, Karbonitride und Nitride 4,5µm, Karbid,-Karbonitrid-und Nitridanteil 13 Vol.-%.

Beispiel 3:

[0013] In einem Ofen wurde eine Legierung vorerst unter Vakuum und in der Folge unter Schutzgas mit einer Zusammensetzung in Gew.-% von C = 0,78
Si = 0,52
Mn = 0,34
P = 0,003
S = 0,0025
Cr = 4,6
Mo = 3,74
W = 2,86
V = 2,14
Nb = 6,9
Ti = 0,86
Rest Eisen
erschmolzen und anschließend mit Stickstoff zu Pulver mit einer Teilchenoberfläche von durchschnittlich 0,18 mm² verdüst.In einer Glüheinrichtung erfolgte an einem Teil des Pulvers eine Glühung bei 1210°C mit durchströmendem Methan- Stickstoff-Gasgemisch, wonach dessen Kohlenstoffgehalt 2,64 Gew.-% betrug

[0014] Aus dem verdüsten Pulver ( 0,78 % C), aus dem verdüsten und geglühten Pulver ( 2,64%C) und aus einem im Verhältnis von ca. 50 : 50 gemischten Pulver ( 1,70% C) wurden durch HIP-en und anschließendes Verformen PM-Teile und Werkzeuge gefertigt. Gefüge­untersuchungen erbrachten, daß in allen Teilen eine gleichmäßige Verteilung von Karbiden und Karbonitriden mit einer maximalen Korngröße von 3,5µm vorlag. Der Karbid-und Karbonitridanteil des Werkstoffes mit einem Gehalt von 0,78 % C war 6 Vol.-%, jener des Werkstoffes mit 1,70 % C war 14 Vol.-% , wobei der PM-Teil mit 2,64 % C einen Karbid-und Karbonitridanteil von ca. 21 % aufwies. Aus dem Werkstoff mit der Kohlenstoffkonzentration von 0,78 Gew.-% wurde eine eine besonders hohe Materialzähigkeit aufweisender Fließpreßstempel gefertigt. welcher im praktischen Einsatz eine Leistungssteigerung im Vergleich mit Kaltarbeitsstahl von 285 % erbrachte.

[0015] Der PM-Teil mit einem C-Gehalt von 1,70 % wurde zu einem Fräs­werkzeug weiterverarbeitet, wärmebehandelt und mit einer Hartstoff­schicht aus TiN mit einer Stärke von 3µm nach dem PVD-Verfahren versehen. Die Standzeit des Fräsers, auch bei unterbrochenem Schnitt, war wesentlich erhöht, wobei eine besonders gute Haftung der TiN-Beschichtung vorlag.

[0016] Ein, insbesondere auf Abrieb beanspruchtes, Umformwerkzeug wurde aus dem 2,64 Gew.-% Kohlenstoff aufweisenden PM-Teil gefertigt und mehrlagig mit Ti(CN)-Hartstoff beschichtet. Die gute Haftung der Hartstoffschicht sowie die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften in der Kombination von hoher Härte und hoher Abriebfestigkeit durch den hohen Karbidanteil bei guter Materialzähigkeit führte im praktischen Gebrauch des Umformwerkzeuges zu überlegenen Standzeiten.

Ansprüche

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Werkstücken, insbesondere Werkzeugen, mit in einer Matrix homogen verteilten hochschmelzenden Karbiden und/oder Karbonitriden,da­durch gekennzeichnet, daß in einer Schmelze mit einem Gehalt an Elementen der IV. und V. Gruppe bzw Nebengruppe des periodischen Systems von mindestens 3,0 Gew,-%, vorzugsweise mindestens 5,0 Gew.-%, eine niedrige Kohlenstoffkonzentration und Stickstoffkonzentration eingestellt und bei Tempera- turen oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung eine primäre Ausscheidung von Karbiden, Nitriden und Karbonitriden verhindert wird und die Einstellung eines gewünschten Kohlenstoff-und/oder Stickstoffgehaltes bzw.eines Karbid-und/oder Karbonitridanteiles von mindestens 10 Vol.-% bei einer Verdüsung der Schmelze zu Pulver mit einer maximalen Teilchenoberfläche von 0.9 mm², vorzugsweise von maximal 0,6 mm², und/oder einer Diffusionsglühung des Pulvers in einer bzw. einem Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen und/oder Stickstoff oder Stickstoffverbindungen aufweisenden Atmosphäre bzw. Medium erfolgt, welches Pulver gegebenenfalls nach Zumischen eines oder mehrerer weiteren (weiterer) Pulver in an sich bekannter Weise durch Kompak­tieren,beispielsweise Sintern, HIP-en und/oder Warmverformen und dgl. zu einem PM-Teil verarbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der für die Verdüsung geschmolzenen Legierung, die mindestens 2 Elemente der IV. und V. Gruppe bzw. Nebengruppe des periodischen Systems mit einem gesamten Gehalt von mindestens 3,0 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 5,0 Gew.-% , aufweist , der Kohlenstoff­ gehalt K in Gew.-% und der Stickstoffgehalt S in ppm kleiner als die gemäß den Formeln

errechneten Werte eingestellt werden, wobei die für die Berechnung verwendeten Gehalte in Gew.-% mindestens 0,7 Ti, 1 Zr, 1,1 V, 0,8 Nb, 1 Hf und 1 Ta betragen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdüsungsmedium Kohlenwasserstoffverbindungen und/oder Stickstoff enthält bzw. aus diesen gebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsglühung des Pulvers bei mindestens der Austenitisierungstemperatur, höchstens jedoch bei einer Temperatur von 50 C° unterhalb der Erweichungstemperatur der Legierung in einem Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff abgebenden festen, flüssigen oder gasförmigen Medium erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung des Karbidanteiles der Gehalt bzw. der Partialdruck an Kohlenstoffverbindungen und/oder Stickstoff im Verdüsungsmedium und/oder in der Glühatmosphäre eingestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Diffusionsglühens das Gas bzw. das Gasgemisch der Atmosphäre durch eine Relativbewegung mit der Oberfläche der Pulverkörner in intensive Berührung gebracht wird, vorzugsweise das Pulver durchströmt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Pulver mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und/oder verschiedenen Kohlenstoff- und Stickstoffgehalten homogen vermischt werden und die Herstellung eines PM-Teiles aus diesem ge­mischten Pulver erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der PM-Teil in an sich bekannter Weise durch beispielsweise CVD- oder PVD-Verfahren mit einer Hartstoffschicht , zum Beispiel TiN, beschichtet wird.

9. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 8 hergestelltes Werk­stück oder Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an mindestens zwei Elementen der IV. und V. Gruppe des periodischen Systems in Summe mindestens 3,0 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 5,0 Gew.-%, beträgt, einen Karbid -und/oder Karbonitrid-und/oder Nitridanteil von mindestens 10 Vol.-%, vorzugsweise von mindestens 13 Vol.-%, bei einer maximalen Korngröße von 5µm aufweist.