DE2621472A1

DE2621472A1 - Abriebfeste legierung

Info

Publication number: DE2621472A1
Application number: DE19762621472
Authority: DE
Inventors: Carl Sven Gustaf Ekemar; Rolf Greger Oskarsson
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1975-05-16
Filing date: 1976-05-14
Publication date: 1976-11-25
Also published as: US4145213A; SE392482B; FR2311098B1; JPS6018742B2; IT1061368B; JPS51149111A; GB1531151A; DE2621472C2; FR2311098A1; SE7505630L

Description

14. Mai 1976 A 119 76 Be/De

Firma SANDVIK AKTIEBOLAG, Fack, S-811 01 Sandviken 1, Schweden

Abriebfeste Legierung

Die Erfindung betrifft eine Legierung mit ausgezeichneten Eigenschaften bei der Anwendung in Werkzeugen, wie Schneidwerkzeugen, Scherwerkzeugen oder Verformungswerkzeugen, oder bei Konstruktionselementen oder bei Abriebteilen.

Für die Verwendung bei solchen Werkzeugen oder Teilen stehen seit langer Zeit eine große Zahl von Materialien zur Verfügung, die verschiedene Verwendungsbereiche und Bedarfsbereiche überdecken, und zwar abhängig von den Eigenschaften oder der Wirksamkeit der Materialien in Bezug auf ihren Preis oder ihre Herstellungskosten. Unter solchen Materialien können genannt werden Diamanten, Keramiken, Hartmetall, Schnellarbeitsstahl, "Stellite" und warm bearbeitbare titan-karbidreiche Legierungen, beispielsweise "Ferro-TiC".

Es ist versucht worden, den Bereich oder den"Spalt" zu überdecken, der zwischen der großen Materialgruppe "Hartmetall" mit einem Anteil von harten Bestandteilen oder Karbiden oft um 90% und der

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Bankhaus Merck, Finck & Co.. München, Nr. 25464 I Bankhaus H. Aufhäuser, München. Nr. 261300 Postscheck: München 20904-800

Telegrammadresse: Patentsenior

ORIGINAL INSPECTED

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anderen großen Materialgruppe "Schnellarbeitsstahl" mit einem Anteil von harten Bestandteilen oder Karbiden oft um 25% zu überdecken durch Verwendung verschiedener Arten von Materialien mit dazwischenliegenden Gehalten an harten Bestandteilen oder Karbiden. Unter solchen Materialien sind insbesondere zu erwähnen die bereits genannten kommerziellen Legierungen "Stellite" und "Ferro-TiC". Es steht aber soweit kein bekanntes Material zur Verfügung, das solche Eigenschaften aufweist, daß es eine allgemeine Anwendung in dem genannten Bereich gefunden hat. So ist "Ferro-TiC" nicht vorgeschlagen worden für die spanabhebende Bearbeitung, weil seine großen auf Titankarbid basierenden Karbidkörner - oft zusammenhängend - das Material für diese Verwendung weniger geeignet machen. In gleicher Weise hat das Material "Stellite" beschränkt Anwendungen, wie beispielsweise Aufschweißen von Hartmetallplättchen, und seine verhältnismäßig grobe Gußstruktur hat das Material für die Bearbeitung von Metall oder dergleichen unter normalen Bedingungen geringerwertig gemacht.

Nach der Erfindung steht nun eine Legierung mit solchen Eigenschaften zur Verfügung, daß sie den Anwendungsbereich für SchnellarbeitEBtahl überdeckt, dabei aber auch den "Spalt" zwischen Schnellarbeitsstahl und Hartmetall in sehr zufriedenstellender Weise ausfüllt. Somit ist die Legierung in den meisten variierenden Bereichen verwendbar, wobei sie ihre funktionellen Eigenschaften beibehält und nicht auf einen engen Anwendungsbereich beschränkt ist.

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Die Legierung, die bezüglich ihrer Volumengehalte an Legierungselementen und strukturellen Komponenten innerhalb eines bekannten Bereiches liegt, erreicht ihre überraschend günstigen Eigenschaften durch eine Kombination einschließlich der eingestellten Gehalte und Proportionen der Legierungselemente als auch durch eine besondere und einzigartige Charakterisierung der Korngröße und Größenverteilung der harten Bestandteile. Es besteht somit die Legierung aus 30 bis 70 Volumenprozent und vorzugsweise 35 bis 60 Volumenprozent harten Bestandteilen, die Verbindungen von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und/oder W mit C, N und/oder B sind in einer Matrix, die auf Fe, Co und/oder Ni basiert. Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Bor können bis zu 20% der Zahl an Kohlenstoff-, Stickstoff- oder Bor-Atome durch Sauerstoff ersetzt werden, ohne daß die Eigenschaften negativ geändert werden. Die harten Bestandteile sind üblicherweise gleichachsig, abgerundet und gleichmäßig verteilte Körner. Die Matrix kann verschiedene Legierungselemente in Lösung enthalten, und sie kann neben den genannten harten Bestandteilen weitere strukturelle Elemente enthalten, die üblicherweise in Legierungen enthalten sind, die auf Fe, Co und/ oder Ni basieren. Die Legierungselemente, die in der Lösung oder in diesen weiteren strukturellen Elementen enthalten sein können, sind Elemente, wie Mn, Si, Al und/oder Cu neben den Legierungselementen in den harten Bestandteilen. In den erwähnten strukturellen Bestandteilen kann auch" Fe, Co und/oder Ni vorhanden sein. Die Legierung kann auch übliche Verunreinigungen enthalten, die nor-· malerweise in anderen auf den gleichen Elementen basierenden Legierungen vorhanden sind, ohne daß sich verschlechterte Eigen-

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schäften ergeben. Die Binderphase oder Matrix der Legierung beträgt oft wenigstens 50 Gewichtsprozent.

Unter den harten Bestandteilen der Legierung befinden sich immer solche, in denen Ti, Zr und/oder Hf die Metallkomponente als Ganzes oder wenigstens einen gewissen kleinen Teil davon bilden. Es hat sich gezeigt, daß das Mol-Verhältnis (V+Nb+Ta+Cr+Mo+W): (Ti+Zr+Hf) der Legierung in dem Bereich 0-1, vorzugsweise 0,01 bis 0,75 liegen soll. Das Mol-Verhältnis (Ti+Zr+Hf+V+Nb+Ta+Cr+ Mo+W+Al): (Fe+Co+Ni+Mn), das weiter die Konstruktion der Legierung präzisiert, die notwendig ist, um die überraschend guten Eigenschaften zu erreichen, muß in dem Intervall 0,25 bis 0,70, vorzugsweise 0,30 bis 0,65, liegen. Vorzugsweise bestehen die harten Bestandteile im wesentlichen aus Nitriden und/oder Karbonitriden, die so ausgeglichen sind, daß das Mol-Verhältnis N/N+C ^L 0,35 ist. Oft ist dieses Verhältnis ^L 0,60. Das Mol-Verhältnis der Metallatome (Ti+Zr+Hf+V+Nb+Ta): (Cr+Mo+W) ist normalerweise > 25.

Die Gehalte an Al,Mn und Si können bis zu 10 bzw. 15 bzw. 4 Atomprozent betragen. Der Gehalt an Cu kann bis zu einem Atomprozent betragen. Vorzugsweise sollte der Gehalt an Al unterhalb 8 Atomprozent liegen, während der Gehalt an Mn höchstens 12 Atomprozent betragen sollte. Vorzugsweise beträgt der Gehalt an Cu höchstens 0,75 Atomprozent und der Gehalt an Si höchstens 3 Atomprozent.

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Wie gezeigt, ist die Zusammensetzung der Legierung in einer allgemeinen Form in Volumenprozent an harten Bestandteilen in einer Metallmatrix angegeben, während die Anwesenheit individueller Elemente in Atomprozent angegeben ist oder zusammen mit anderen Elementen als Mol-Verhältnisse bezeichnet sind. Der Grund für die Angabe der harten Bestandteile in Volumenprozent sind die verschiedenen Gewichte der teilhabenden harten Elemente. So sind z.B. 30 Volumenprozent Ti+70 Volumenprozent Fe = 21,4 Gewichtsprozent TiC+78,6 Gewichtsprozent Fe, während 30 Volumenprozent HfC+70 Volumenprozent Fe = 41 Gewichtsprozent HfC+59 Gewichtsprozent Fe sind. In Mol-Prozent sind 30 Volumenprozent TiC+70 Volumenprozent Fe = 20 Mol-Prozent TiC+80 Mol-Prozent Fe, während 30 Volumenprozent HfC+70 Volumenprozent Fe = 70 Mol-Prozent HfC+83 Mol-Prozent Fe.

Es ist bestimmend für die Eigenschaften der Legierung, daß die harten Bestandteile extrem feinkörnig sind und eine sorgfältig angegebene Verteilung der Korngröße haben. Die mittlere Korngröße M der harten Bestandteile soll in dem Bereich von 0,01 bis 1,00 lim, vorzugsweise 0,04 bis 0,70 μπι liegen, und es muß die Verteilung ihrer Korngröße charakterisiert werden von der Standardab-

2"

weichung S, wobei s <L( ~—) . Es ist bestimmend für

1+1 _f 5If
die Eigenschaften der Legierung, daß der Teil an Körnern der harten

Bestandteile ^* 1 _r2 μΐη 15% aller Körner der harten Bestandteile nicht überschreitet. Vorzugsweise sind nicht mehr als 15% der Anzahl der Körner größer als 1 ,0 μπι.

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Unter den Legxerungszusammensetzungen, die sich als besonders geeignet zur Erreichung einer großen Verteilung oder Zerkleinerung und einer Korngrößenverteilung gemäß der Erfindung erwiesen haben, können die folgenden Zusammensetzungen angegeben werden:

1) 15-30% Ti, Zr und/oder Hf, 15-33% C und/oder N, höchstens 6% Cr, höchstens 6% Mo, höchstens 4% W, höchstens 12% Co, höchstens 3% Ni, höchstens 4% Si, höchstens 2% Mn (alles in Atomprozent) und Rest Fe neben normalerweise in geringen Mengen vorhandenen Verunreinigungen.

2) 18-30% Ti, Zr und/oder Hf, 15-33% C und/oder N, 2-15% Mn, höchstens 3% Cr, höchstens 2% Mo, höchstens 3% Ni (alles in Atomprozent} und Rest Fe neben normalerweise vorhandenen Verunreinigungen.

3) 12-30% Ti, Zr und/oder Hf, 12-33% C und/oder Hf, 12-33% C und/oder N, höchstens 16% Cr, höchstens 10% W, höchstens 10% Mo, höchstens 10% Al (alles in Atomprozent) und Rest Fe, Co und/oder Ni neben normalerweise vorhandenen Verunreinigungen.

Die erfindungsgemäße Legierung kann mit Hilfe pulvermetallurgischer Verfahren hergestellt werden. Die Elemente als solche, harte Bestandteile, Vorlegierungen oder die Legierung in Pulverform kann Rohmaterial sein. Für den Fall, daß die erfindungsgemäße Legierung als Rohmaterial verwendet wird, kann sie als ein Pulver durch das Verfahren der Lichtbogenschmelz-Verbrauchselektroden, die entlang ihrer Längsachsen rotieren, vorbereitet werden. Die Pulverroh-

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materialien werden in geeigneter Weise in einer Mahlvorrichtung gemahlen, wie sie normalerweise in der Hartmetallindustrie verwendet wird. Organische Flüssigkeiten, wie Aceton, Äthylalkohol, Benzol usw. kann als Mahlmedium verwendet werden, und es können Hartmetallkugeln als Mahlkörper verwendet werden. Es ist wesentlich, daß der Mahlvorgang zu einem feinkörnigen, gut vermischten Pulver führt, was eine Vorbedingung für die ausgezeichneten Eigenschaften der zum Schluß gesinterten Legierung ist.

Bei der Vorbereitung einer Legierung mit der Nennzusammensetzung (in Gewichtsprozent) 20 Ti, 7 C, 4 Cr, 4Mo, 6 W und Rest im wesentlichen Eisen kann ein Rohmaterial, das aus Karbiden von Ti, Cr, Mo und W besteht, zerkleinert werden, worauf das Pulver zusammen mit Karbonylexsenpulver in einer Kugelmühle fein gemahlen wird. Beim Mahlen, das mit Benzol als Mahlflüssigkeit und mit Hartmetallkugeln als Mahlkörper erfolgt, ist die mittlere Korngröße des Pulvers nach 25 Tagen Mahlvorgang auf "< 0,1 um reduziert worden. Das Pulver wird getrocknet durch Austreiben der Mahlflüssigkeit durch Erhitzung im Vakuum.

Das Sintern der Legierung zu einem dichten Material mit den richtigen Merkmalen kann erfolgen durch Schmelzphasensinterung eines Pulverkörpers unter Druck, sogenannte PreßSinterung, durch isostatisches Heißpressen oder durch Schmieden eines Pulverkörpers in Anwesenheit einer Schmelzphase oder nicht. Die endgültigen harten Bestandteile können vorteilhafterweise bei dem Sinterschritt gebildet werden.

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Die Sinterung in Anwesenheit einer Schmelzphase muß in einer kurzen Zeit bei der Sintertemperatür vorgenommen werden, um ein unerwünschtes Kornwachstum der harten Bestandteile zu vermeiden. Ein Verfahren, daß sich als sehr geeignet erwiesen hat, ist das Preßsintern gemäß der sogenannten Funkensinterung. Dieses Verfahren bedeutet, daß die Erhitzung durch eine unmittelbare Hindurchleitung elektrischer Ströme durch ein solches Pulver erfolgt, so daß zwischen den Pulverkörnern Lichtbögen hoher Wirkung erzeugt werden. Beim Preßsintern gemäß dem Funkensinterverfahren werden elektrisch leitende Stempel und ein elektrisch isolierendes, gekühltes Werkzeug verwendet. Eine kurze Stromzuführungszeit, wobei die Wärmeerzeugung nur auf den Pulverkörper lokalisiert ist, und eine schnelle Abkühlung durch das Werkzeug bedeutet, daß die Korngröße der harten Bestandteile in der fertig gesinterten Legierung innerhalb der Anforderungen gemäß der Erfindung gehalten werden kann.

Dichte und homogene Testkörper aus fein verteiltem Pulver mittels der Funkensinterung können dadurch erhalten werden, daß Preßlinge zwischen die elektrisch leitenden Stempel und das elektrisch isolierte, wassergekühlte Werkzeug eingesetzt werden. Mit Hilfe eines elektrischen Stromes wird eine Temperatur von 1285°C (gemessen mit einem Pyrometer an der Innenwand des Werkzeuges) bald erreicht, und es kann der Sintervorgang erfolgen. Geeignete Bedingungen sind ein Druck von 20 NPa und eine Verweilzeit von etwa .5 Minuten bei der erreichten Temperatur. Auf diese Weise kann ein Material mit zufriedenstellenden Eigenschaften erhalten werden.

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Beim Heißpressen sind Testkörper ohne Anwesenheit einer Schmelzphase behandelt worden, und zwar durch isostatisches Heißpressen bei einem Druck von 100 MPa, einer Temperatur von 1215°C und einer Verweilzeit bis zu einer Stunde, was zu einem wünschenswerten Ergebnis geführt hat, d.h. daß eine volle Dichte erreicht worden ist ohne irgendein Kornwachstum der harten Bestandteile.

Bei der spanabhebenden Bearbeitung hat die Legierung ihre hervorragenden Eigenschaften in solchen Anwendungen bewiesen, in denen heutzutage Schnellarbeitsstahl vorherrschend ist. Im Vergleich mit Schnellarbeitsstahl, der auf übliche Weise oder auf teilchenmetallurjxjsche Weise hergestellt worden ist, hat die Legierung eine beträchtlich bessere Abriebfestigkeit sowohl bei niedrigen als auch bei hoheri Schnittgeschwindigkeiten. Abriebfestigkeit bedeutet in diesem Zusammenhang Widerstand gegen sogenannte Flankenabnutzung auf der Freifläche des Schneideinsatzes und auch Widerstand gegen Auskolkung auf der Spanfläche des Schneideinsatzes. Es ist einzigartig bei der Legierung, daß Schneideinsätze aus diesem Material abgenutzt sind und dabei eine scharfe und gleichförmige Schneidkante behalten haben, was bedeutet, daß die Kanten der Legierung selbst schärfend sind. Auf diese Weise können Kanten auf Einsätzen aus der Legierung stärker abgenutzt werden als Kanten auf Einsätzen aus anderen Werkzeugmaterialien, wie Schnellarbeitsstahl. Es ist somit möglich, die Zahl der Einzelteile pro Schneidkante aufgrund der besseren Abnutzungsfestigkeit und der beibehaltenen scharfen Kante zu erhöhen.

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Schneidkanten der Legierung haben eine ungewöhnlich niedrige Empfindlichkeit gegen das Festsetzen von Material vom Werkstück bewiesen. Dies bedeutet, daß die auf die Schneideinsätze wirkenden Schneidkräfte weniger ansteigen durch zwischen Werkzeug und Werkstückmaterial gebildete Verbindungen als bei Verwendung von Werkzeugen aus Schnellarbeitsstahl. Die Schnittkräfte sind somit begrenzt auf die für die Spanbildung erforderlichen Kräfte. Eine geringe Neigung von Schweißung oder Haftung zwischen Werkstück und Schneidflächen oder Schneidkanten bedeutet eine verringerte Wärmeentwicklung und einen verringerten Temperaturanstieg im Schneidwerkzeug. Im Vergleich zu Schneideinsätzen aus Schnellarbeitsstahl haben Werkzeuge aus der erfindungsgemäßen Legierung eine bessere Zähigkeit bewiesen, und zwar nicht nur wegen der ausgezeichneten Festigkeit, sondern auch verringerte Schnittkräfte durch die geringe Reibung am Werkstück, die ausgezeichnete Abriutzungsfestigkeit und die Aufrechterhaltung einer scharfen Kante. Da Schneidwerkzeuge aus der erfindungsgemäßen Legierung eine sehr geringe Empfindlichkeit gegen das Festhaften von Material haben, kann die Spanbildung bei unterbrochenen Schneidvorgängen in vielen Fällen ohne Unterbrechungen vor sich gehen, in denen bei Schnellarbeitsstahlwerkzeugen Unterbrechungen wegen Beschädigungen auftreten. Die Kapazität der Legierung, der Bildung von thermischen Ermüdungsbrüchen bei schnell unterbrochenen Schneidoperationen, wie Fräsen oder Kopierdrehen zu widerstehen, hat sich als wesentlich besser im Vergleich zu Schnellarbeitsstahl erwiesen. Solche Schneidvorgänge haben auch unerwartet lange Standzeiten der Schneidwerkzeuge aus der erfindungsgemäßen Legierung ergeben.

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DLe Forderung nach scharfen Kanten ist oft nicht zu umgehen bei der spanabhebenden Bearbeitung, bei welcher Schnellarbeitsstahlwerkzeuge verwendet werden und auch beim Abscheren von Plattenmaterial usw., bei welchem übliche warm bearbeitbare, titankarbidreiche Legierungen verwendet werden. Geeignete Eigenschaften des Materials im Werkzeug erleichtern das Schleifen einer scharfen Kante. Das Schleifen von Einsätzen und Werkzeugen aus der erfindungsgemäßen Legierung hat sich als Vorteil der Legierung bei der Herstellung scharfer Kanten erwiesen. In dieser Hinsicht verhält sich die Legierung unterschiedlich zum Schnellarbeitsstahl als auch zu anderen Materialien ähnlich den erwähnten titankarbidreichen Legierungen.

Beispiel 1

Die Legierung nach der Erfindung mit den unten angegebenen Daten ist getestet worden durch Drehen zusammen mit einem kobaldlegierten Schnellarbeitsstahl. Im vorliegenden Falle ist die Matrix der Legierung eine Stahlmatrix gewesen,und sie enthielt Strukturbestandteilmerkmale eines gehärteten und getemperten Stahles. Die Zusammensetzungen (Gewichtsprozent) und Daten der verglichenen Materialien waren folgende:

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Legierung nach Mit Kobalt legierter der Erfindung Schnellarbeitsstahl

Ti 19.5

C 7.0 1.25

Cr 4.2 4

Mo 4.6

W 6.0 9

V -

CO - 9

Fe Rest Rest

Härte 1050-1070 880 Vickers

Die erfindungsgemäße Legierung enthielt 47 Volumenprozent harte Bestandteile derart, wie sie in dem vorhergehenden Text beschrieben sind, und 53 Volumenprozent Matrix. Die mittlere Korngröße der harten Bestandteile ist mit 0,12 μπι in einem Transmissionselektronenmikroskop gemessen worden, und es ist die Ver teilung der Korngröße gemessen worden mit einer Standardabweichung von - 0,05 um. Weniger als 1% der harten Bestandteilkörner hatte eine Korngröße ·>■ 1.0 μπι.

Ein charakteristisches Strukturbild der erfindungsgemäßen Legierung ist in Fig. 1 gezeigt, das ein Elektronenmikroskopbild ist wegen der extrem feinkörnigen Struktur. Fig. 2 zeigt ein Lichtmikroskopbild des kobaltlegierten Schnellarbeitsstahles.

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Der Test ist ausgeführt worden durch Schlichten und auch als Drehen unter aussetzenden Bedingungen. Das Drehen erfolgt bei verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten. Der Test 1 was ein Schlichten von Rohren mit einem Durchmesser von 100mm in Stahl. Die Schneiddaten waren folgende:

Schnittgeschwindigkeit 5 m/min

Vorschub 0.15 mm/Umdrehung

Schnittiefe 1.5mm

Die Schneidkanten wurden nach einer Schneidzeit von 40 Minuten verglichen. Die Fig. 3 und 4 zeigen die getesteten Einsätze. Jede Figur ist aus zwei Ansichten zusammengesetzt, und zwar eine Ansicht senkrecht zur Schneidfläche und eine Ansicht senkrecht zur Freifläche der Hauptschneidkante. Der Schneideinsatz aus der erfindungsgemäßen Legierung (Fig. 3) war frei von anhaftendem Material, hatte eine leichte Auskolkung und Flankenabnutzung, wobei die Auskolkung deutlich in der Spanfläche lag. Der Schneideinsatz aus kobaltlegiertem Schnellarbeitsstahl (Fig. 4) war mit anhaftendem oder angeschweißtem Werkstückmaterial beschichtet, hatte eine größere Auskolkung und Flankenabnutzung als der erste Einsatz, und es begann die Auskolkung an der Schneidkante. Eine Auskolkung, die in einigem Abstand von der Schneidkante beginnt, bedeutet, daß die Kante bis zu beträchtlich größerer Abnutzung verwendet werden kann, als es normal der Fall ist. Die Flankenabnutzung wurde an drei Stellen entlang der Schneidkante gemessen, wie im Bereich der Eckenzone (a) in einem Viertel der Kantenlänge, in einer Mittel-

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zone (b) auf der halben Länge der Kante und einer Werkstückoberflächenzone (c) an einem Viertel der Kantenlänge. Die folgenden Werte der Auskolkung und der Flankenabnutzung sind erhalten worden:

Flankenabnutzung, nun in Zone Auskolkung

maximale Tiefe

μπι

Einsatzlegierung

nach der Erfindung 0.05 0.05 0.12

kobaltlegierter

Schnellarbeitsstahl 0.12 0.13 0.18 15

Test 2 war eine Schlichtbearbeitung von Rohren mit einem Durchmesser von 100mm in Stahl SIS 1550 unter Verwendung folgender Schneiddaten:

Schnittgeschwindigkeit 50 m/min

Vorschub 0.15 mm/Umdrehung

Schnittiefe 1.5 mm

Die Schneidkanten wurden nach einer Schneidzeit von 20 Minuten verglichen. Die Fig. 5 und 6 zeigen die getesteten Schneideinsätze. Der Einsatz aus der erfindungsgemäßen Legierung (Fig. 5) war frei von anhaftendem oder angeschweißtem Werkstückmaterial, hatte fast keine Auskolkung und eine leichte Flankenabnutzung

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auch in der Öberflächenzone zwischen Werkstück und Einsatz. Der Einsatz aus kobaltlegiertem Schnellarbeitsstahl (Fig. 6) war beträchtlich mit Werkstückmaterial bedeckt, hatte eine deutliche Auskolkung und eine gewisse Eindrückung an der Schneidkante und eine nachweisbare Flankenabnutzung in der Werkstückzone. Es wurden die folgenden Werte der Auskolkung und der Flankenabnutzung festgestellt:

Einsatz Flankenabnutzung mm in Zone Auskolkung maxi

maler Tiefe

abc μΐη

Legierung nach

der Erfindung 0.04 0.04 0.22 < 5

kobaltlegierter Schnellarbeitsstahl ■ 0.05 0.05 0.51 35

Test 3 wurde durchgeführt bei hohen Schnittdaten für Schnellarbeitsstahl. Die Bearbeitung war auch in diesem Falle eine Schlichtbearbeitung von Rohren in Stahl unter Anwendung folgender Schnittdaten:

Schnittgeschwindigkeit 80 m/min

Vorschub 0.15 mm/Umdrehung

Schnittiefe 1.5 mm

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Die Testzeit betrug 25 Minuten. Der Schneideinsatz aus der erfindungsgemäßen Legierung (Fig. 7) wies eine unbedeutende Auskolkung und Flankenabnutzung auf, was bei dem kobaltlegierten Schnellarbeitsstahl (Fig. 8) nicht der Fall war. Die folgenden Werte der Abnutzung sind gemessen worden:

Einsatz Flankenabnutzung Auskolkung max.Tiefe

mm in Zone

μπι

Legierung nach

der Erfindung 0.09 0.06 0.07

kobaltlegierter
Schnellarbeitsstahl 0.14 0.14 0.39 172

Test 4 wurde als Schneidoperation mit unterbrochenem Verlauf der Bearbeitung durchgeführt. Das Werkstück war ein genutetes Rohr aus Stahl mit einem Durchmesser von 100mm. Die Zahl der Nuten betrug 4. Die Nuten waren symmetrisch angeordnet und hatten jede eine Breite von etwa 40mm. Die Schnittdaten waren folgende:

Schnittgeschwindigkeit 50 m/min

Vorschub 0,15 mm/Umdrehung

Schnittiefe 1,5 mm

Die Testzeit betrug 15 Minuten. Der Einsatz aus der Legierung hatte kein anhaftendes Werkstückmaterial, wies eine leichte Auskolkung und eine gleichförmige Flankenabnutzung auf und zeigte

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eine gleichförmig scharfe Kante (siehe Fig. 9). Der Schneideinsatz aus kobaltlegiertem Schnellarbeitsstahl war bedeckt mit anhaftendem oder angeschweißtem Werkstückmaterial, hatte eine deutliche Auskolkung und eine ungleichmäßige, starke Flankenabnutzung (siehe Fig. 10). Die folgenden Werte der Abnutzung wurden geschätzt:

Einsatz Flankenabnutzung Auskolkung max.

mm in Zone Tiefe

abc μΐη

Legierung nach

der Erfindung 0.23 0.23 0.28 5

kobaltlegierter

Schnellarbeitsstahl 0.30 0.40 0.39 73

Beispiel 2

Eine Legierung gemäß der Erfindung ist als Werkzeugmaterial getestet worden im Vergleich zu einer üblichen härtbaren, titankarbidenthaltenden Legierung beim Stanzen von Platten. Die Daten der getesteten Legierungen waren folgende:

Legierung nach der Erfindung (A) Bekannte

Legierung (B)

Ti 22.3% 26.0%

C 7.0% 7.0%

Cr 2.8% 2.0%

Mo 3.3% 2.0%

Fe 64.6% 63.0%

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Mittlere Korngröße der harten Bestandteile

Standardabweichung der Korngrößenverteilung Strukturbild
Härte HV

Die Platte wies folgende Daten auf:

0.25	μια	4.0	μπι
- 0.	10 μπι	-
Fig.	11	Fig.	12
1050		1070

C	0.008
Si	3.15
Mn	0.12
S	0.04
Cr	0.08
N	0.03
Mo	0.02

Härte HV : 185

Dicke der Platte : 0.50 mm

In Bezug auf die Werkzeuge kann mitgeteilt werden, daß die Kontur des Stanzstempeis ein Halbkreis war mit einer ebenen Endfläche und einem Durchmesser von 10mm. Der Stanzstempel und die Werkzeugelemente waren eingebaut in einen starken Säulenständer mit vorgespannten Kugellagern. Die Spaltbreite zwischen Stanzstempel und Werkzeug betrug 30 μπι. Die Geschwindigkeit der

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Stanzung betrug 100 Hübe pro Minute, und es betrug die Hublänge 30mm. Während des Testverlaufes wurden nach jeweils 50 000 Stanzungen 20 Lochausschnittstücke herausgenommen und es wurde die Randhöhe an fünf Stellen gemessen. Das Ergebnis des Tests ist in einem Diagramm (Fig. 13) gezeigt, wobei jeder Punkt einen Mittelwert der Randhöhe für fünf Messpunkte von 20 Lochausschnittstücken darstellt.

Aus dem Ergebnis ist ersichtlich, daß die Stanzstempel gemäß der Legierung A zweimal soviel Teile produziert haben wie die Stanzstempel aus der üblichen Legierung B. Die Abnutzungsgrenze der Werkzeuge war die Zahl von Stanzungen, bei denen die Randhöhe 75 μπι überschritten war.

Beispiel 3

Eine erfindungsgemäße Legierung mit den unten angegebenen Daten wurde bei einer Drehbearbeitung getestet, und zwar zusammen mit einem sehr hoch legierten Pulver-Schnellarbeitsstahl (so hoch legiert wie es mit dieser Technik möglich gewesen ist). Die Matrix der Legierung war eine Stahlmatrix und enthielt Strukturbestandteile, wie sie für einen gehärteten und getemperten Stahl charakteristisch sind. Die Zusammensetzungen der beiden verglichenen Materialien waren folgende:

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	Legierung nach der Erfindung
Ti (Gew.-%)	19.8
C	0.5
N	4.8
Cr	3.8
Mo	4.5
W	6.0
V	-
Co	4.0
Fe	Rest
Härte	1175

hochlegiertes Schnellarbeitsstahl-Pulver

2.3

4.0 7.0 6.5 6.5 10.5 Rest 1020 Vickers

Die erfindungsgemäße Legierung enthielt 42 Volumenprozent harte Bestandteile und 58 Volumenprozent Matrix. Die mittlere Korngröße wurde mit 0,09 μπι und die Standardabweichung mit - 0.04 μπι gemessen. Weniger als 1% der Zahl an harten Bestandteilkörnern hatte eine Korngröße über 1.0 μπι.

Tests wurdendurch Schlichtbearbeitung von Rohren mit einem Durchmesser von 100mm in Kohlenstoffstahl unter Verwendung folgender Schnittdaten durchgeführt:

Schnittgeschwindigkeit: 50 m/min Vorschub 0.15 mm/Umdrehung

Schnittiefe 1.5 mm

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Die Schneidkanten wurden nach ein r Schnittzeit von 20 Minuten verglichen. Das Werkzeug aus dem erfindungsgemäßen Material war frei von angeschweißtem Werkzeugmaterial, und es war keine Auskolkung vorhanden. Der Sch.nellarbeitsstc.hl war bedeckt mit Werkzeugmaterial und zeigte schwere Auskolkungen.

Beispiel 4

Eine erfindungsgemäße Legierung mit der unten angegebenen Zusammensetzung wurde auf Abnutzung getestet in Form von Zähnen einer Baggerschaufel und wurde verglichen mit einem üblicherweise verwendeten Material, wie sogenanntem "Hadfield"-Stahl:

Legierung nach der Erfindung

Ti 24 Gewichtsprozent

Mn 8

Cr 2

N 6

0 1 .0

C 0.8

Fe Rest

Die Legierung enthielt 45 Volumenprozent harte Bestandteile. Die mittlere Korngröße der harten Bestandteile wurde mit 0.11 μπι und ihre Standardabweichung mit ^± 0.04 um gemessen. Weniger als 1% der Zahl der harten Bestandteilkörner hatte eine Korngröße I»· 0.7 um.

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Der "Hadfield"-Stahl war ein austenitischer Manganstahl mit der Nennanalyse 1% C, 12 - 14% Mn, Rest Fe. In dem Test waren die Hälfte der Zähne der Schaufel aus üblichem Material und die andere Hälfte aus der erfindüngsgemäßen Legierung hergestellt. Die Arbeit bewegte sich zwischen Tunnelbau (Laden von Stein),Laden an einem Backenbrecher (Steinpulver), Straßenbau (Stein und Sand) und Arbeit in einer Sandgrube (Kies und Sand). Die aus bekanntem Material hergestellten Zähne mußten nach 600 Stunden ausgewechselt werden, während die aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Zähne noch nach 2000 Stunden in Betrieb waren.

Beispiel 5

Eine erfindungsgemäße Legierung mit der unten angegebenen Zusammensetzung wurde getestet als Siebrost in einer Sintermaschine und verglichen mit dem normalerweise verwendeten Material, nämlich ¹¹ Hadfield"-Stahl.

Die erfindungsgemäße Legierung hatte folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent: 18.5 Ti; 9.2 W; 3.0 Mo; 3.5 Co; 8.0 Cr; 3.0 Al; 2.0 B; 5.2 N; 0.3 C; 9.0 Fe und Rest Ni.

Die Legierung enthielt 42 Volumenprozent Hartbestandteile mit einer mittleren Korngröße von 0.10 μπι, und es betrug ihre Standardabweichung - 0.04 μΐη. Die Legierung wurde während 4 Stunden bei 1.100°C und 16 Stunden bei 800°C behandelt.

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Die erfindungsgemäße Legierung zeigte nach 4 Wochen keine Ab nutzung,was die normale Lebensdauer des "Hadfield"-Stahles bei dieser Anwendung war.

Beispiel 6

Eine erfindungsgemäße Legierung wurde verglichen mit einer üblichen warmbearbeitbaren, Titan-Karbid enthaltenden Legierung in einem Schleif- und Poliertest. Die Daten der verglichenen Legierungen waren folgende:

Legierung nach der Erfindung übliche Legierung

Härte HV

mittlere Korngröße der harten Bestandteile

Standardabweichung der Korngröß enverte ilung

24
1.5 6.0 8.0 1.0 0.5

Rest 1150

0.10 μΐη - 0.04 μπι

27.5 7.5

14.0 3.0 1.0 0.5 0.8 Rest 1030

5 μπι

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Unter den gleichen Schleif- und Polierbedingungen zeigte die bekannte Legierung Kratzer gleicher Größe wie die Korngröße der harten Bestandteile, während die extrem feinkörnige Legierung nach der Erfindung überhaupt keine Kratzer ergab.

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Claims

262H72

PATENTANSPRÜCHE

hy Legierung, bestehend aus 30 bis 70 Volumenprozent harten Bestandteilen in einem Metallbinder oder einer Metallmatrix, wobei die harten Bestandteile Verbindungen von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und/oder W mit C, N und/oder B sind, wobei O bis 20% der Menge an C, N und/oder B durch 0 ersetzt sein können, wobei die Matrix auf Fe, Co und/oder Ni aufgebaut ist und wobei die Legierung höchstens 10 Atomprozent Al, höchstens 15 Atomprozent Mn, höchstens 4 Atomprozent Si und höchstens ein Atomprozent Cu neben normalen Verunreinigungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Bestandteile eine mittlere Korngröße M in dem Bereich zwischen 0,01 und 1.00 μπι und eine Korngrößenverteilung, dargestellt durch die Standardabweichung S aufweisen, wobei

2 ^r 11

S ^- ( M) um , wobei höchstens 15% der Zahl der

1+1.5 μ^
Körner der harten Bestandteile größer als 1.2 μΐη sind, wobei das Mol-Verhältnis (Ti+Zr+Hf+V+Nb+Ta+Cr+Mo+W+Al): (Fe+Co+Ni+Mn) in dem Bereich 0.25 bis 0.70 und das Mol-Verhältnis (V+Nb+Cr+Mo+W): (Ti+Zr+Hf) im Bereich 0 bis 1, vorzugsweise 0,01 bis 0.75, liegt.

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— 9fi —

262U72
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 15 bis 30 Atomprozent Ti, Zr und/oder Hf, 15 bis 33 Atomprozent C und/oder N, höchstens 6 Atomprozent Cr, höchstens 6 Atomprozent Mo, höchstens 4 Atomprozent W, höchstens 12 Atomprozent Co, höchstens 3 Atomprozent Ni, höchstens 4 Atomprozent Si, höchstens 2 Atomprozent Mn und Rest Eisen mit normalerweise vorhandenen niedrigen Gehalten an Verunreinigungen besteht.
3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 18 bis 30 Atomprozent Ti, Zr und/oder Hf, 15 bis 33 Atomprozent C und/oder N, 2 bis 15 Atomprozent Mn, höchstens 3 Atomprozent Cr, höchstens 3 Atomprozent Mo, höchstens 3 Atomprozent Ni und Rest Eisen mit normalerweise vorhandenen niedrigen Gehalten an Verunreinigungen enthält.
4. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 12 bis 30 Atomprozent Ti, Zr und/oder Hf, 12 bis 33 Atomprozent C und /oder N, höchstens 16 Atomprozent Cr, höchstens 10 Atomprozent W, höchstens 10 Atomprozent Mo, höchstens 10Atomprozent Al und Rest Fe, Co und/oder Ni mit normalerweise vorhandenen niedrigen Gehalten an Verunreinigungen enthält.
5. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Bestandteile im wesentlichen aus Nitriden und/oder Karbonitriden bestehen, wobei das Mol-Verhältnis N:N+C höchstens 0.35 ist.

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²⁷ " 262H72
6. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Bestandteile im wesentlichen aus Nitriden und/oder Karbonitriden bestehen, wobei das Mol-Verhältnis N:N+C höchstens 0.60 ist.
7. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbinder oder die Matallmatrix wengjistens 50 Gewichtsprozent ausmacht.
8. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harten Bestandteile im wesentlichen aus fein verteilten Nitriden und/oder Karbonitriden bestehen, wobei das Mo!-Verhältnis (Ti+Zr+ Hf+V+Nb+Ta):(Cr+Mo+W) größer als 25 ist.

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