DE2263576B2

DE2263576B2 - Verfahren zur Erzeugung eines M2 C-freien Gefüges in Schnellarbeitsstahl

Info

Publication number: DE2263576B2
Application number: DE2263576A
Authority: DE
Inventors: Edmund Dr.-Ing. Haberling; Heinrich Dipl.-Ing. Kiesheyer; Hanshermann Dr.-Ing. 4154 Toenisvorst Weigand
Original assignee: THYSSEN EDELSTAHLWERKE AG 4000 DUESSELDORF
Current assignee: THYSSEN EDELSTAHLWERKE AG 4000 DUESSELDORF
Priority date: 1972-12-27
Filing date: 1972-12-27
Publication date: 1978-06-01
Also published as: JPS4997719A; ATA1077273A; US3850621A; FR2212440A1; DE2263576A1; FR2212440B1; AT348566B

Description

2,7

mindestens jedoch 0,5%, dosiert zugegeben und der Stahl so erwärmt wird, daß das bei der Erstarrung der Schmelze gebildete instabile M2C in einer peritektoidischen Reaktion zu feinen und gleichmäßig verteilten Karbiden des Typs MC und MbC zerfällt. 2»

1 bis 10% Molybdän

0,5 bis 5% Vanadium

0 bis 10% Kobalt

0 bis 0,1 % Stickstoff

Rest Eisen mit den erschmelzungsbedingten

Verunreinigungen sowie Silizium,

die hohe Verschleißfestigkeit bei guter Zähigkeit und Bearbeitbarkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erschmelzung des Stahls Silizium nach der Formel

4 (%Mo)-0,5 (%V) + 0,3,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe des Chromgehalts nach der Formel

%Cr =

dosiert wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines MiC-freien Gefüges in Schnellarbeitsstahl.

Schnellarbeitsstähle zeichnen sich durch einen hohen Verschleißwiderstand bis zu Arbeitstemperaturen von 600⁰C aus. Sie verdanken diese Eigenschaft der hochanlaßbeständigen, martensitischen Grundmasse, in jo die aus der ledeburitischen Erstarrung herrührende, harte Karbide eingelagert sind.

Schon frühzeitig wurde erkannt, daß durch eine Erhöhung des Anteils an harten Karbiden im Gefüge der Verschleißwiderstand gesteiert werden kann. Diese Erkenntnis wurde durch erhöhte Vanadiumgehalte bis 5% bei entsprechend abgestimmtem Kohlenstoffgehalt technisch genutzt. Derartige Stähle besitzen zwar einen hohen Verschleißwiderstand, sie sind jedoch aufgrund ihres hohen Anteils an meist grob ausgebildetem Vanadiumkarbid, das eine Härte von rd. 3000 HV hat, schlecht schleifbar und nur wenig zäh.

In neuerer Zeit wurde über eine Steigerung des Kohlenstoffgehaltes der Karbidanteil und damit der Verschleißwiderstand erhöht. Beispiele hierfür sind die Stähle der AISI Bezeichnung M 41 bis M 45, die bei Vanadium gehalten von 1 bis 2% einen Kohlenstoffgehalt von 1,1 bis 1,2% aufweisen. Inzwischen hat sich aber herausgestellt, daß bei einer Steigerung des Kohlenstoffgehaltes anstelle des üblichen Schnellstahlkarbids to M₆C stengeiförmige Karbide vom Typ M₂C auftreten (DEW-Technische Berichte 12 [1972], S. 111/33), die aufgrund ihrer Härte von rd. 2000 HV und ihrer ungünstigen äußeren Form Schleifbarkeit und Zähigkeit ebenfalls nachteilig beeinflussen. y,

Aus den US-PS 22 12 228 und 22 41187 sind Schnellarbeitsstähle bekannt, die aus 0,2 bis 1,0% Kohlenstoff, 2,0 bis 10% Chrom, 0,5 bis 2,0% Silizium, 2,5 bis 5% Molybdän, über 5 und unter 8% Wolfram, 0,5 bis 2,5% Vanadium, 0,1 bis 2% Kobalt, Rest Eisen wi bestehen. In bezug auf die dort genannten Stähle T 564 A und T 517 wird ausgesagt, daß ein höherer Siliziumgehalt einen besseren Werkzeugstahl zufolge hat als ein Werkzeugstahl, der nur 0,15% Silizium aufweist. Bei Befolgung der anmeldungsgemäßen f>^r> Abstimmungsregel für Silizium müßte der bekannte Stahl T 564 A einen geringeren und der bekannte Stahl T 517 einen höheren Siliziumgehalt aufweisen. Der Stahl T 564 A müßte statt 1,02% Silizium rein rechnerisch 0,21 bzw. 0,5% besitzen und der Stahl T 517 müßte statt 0,15% Silizium rechnerisch 1,0% Silizium aufweisen.

Die DT-PS 8 57 063 weist einen Schnellarbeitsstahl als bekannt nach, der 0,7 bis 1,5% Kohlenstoff, 3,0 bis 6,0% Chrom, 2,0 bis 6,0% Vanadium, 0,1 bis 1,0% Wolfram, 0,1 bis 1,0% Molybdän, 1 bis 2% Silizium, Rest Eisen enthält. Der Siliziumgehalt dient zur besseren Erschmelzung und leichteren Bearbeitbarkeit des Werkstoffes.

Aus »Technische Mitteilungen«, Heft 10, Oktober 1972, Seiten 482 bis 499 (487) geht hervor, daß die Wirksamkeit des Siliziums in Schnellarbeitsstähle bisher nicht schlüssig nachgewiesen worden ist.

Aus der DT-OS 2129 426 ist ein Werkzeugstahl bekannt, der aus 0,4 bis 2,5% Kohlenstoff, 0 bis 2,0% Silizium, 0 bis 4,0% Mangan, 0 bis 25% Wolfram, 0 bis 15 % Chrom, Rest Eisen besteht. Silizium stellt dabei eine reine Wahlkomponente dar. Über seine Wirksamkeit ist der Druckschrift im einzelnen nichts zu entnehmen. Vielmehr beweisen die bevorzugten Legieningszusammensetzungen, daß dem Silizium keine Bedeutung zukommt.

Die Aufgabe, Schnellarbeitsstähle mit hohem Verschleißwiderstand bei guter Schleifbarkeit und Zähigkeit zu entwickeln, ist daher nach wie vor ungelöst.

Die vorliegende Erfindung bringt eine Lösung dieser Aufgabe. Sie geht von der überraschenden Erkenntnis aus, daß bei Einhaltung bestimmter Legierungsvorschriften, die eine Abstimmung der Legierungselemente Kohlenstoff, Wolfram, Molybdän und Vanadium mit dem Siliziumgehalt beinhalten, der Karbidanteil im Gefüge erhöht werden kann, ohne daß Karbide gebildet werden, deren Form und Härte Schleifbarkeit und Zähigkeit beeinträchtigen. Durch die erfindungsgemäße Abstimmung der genannten Legierungselemente wird eine peritektoidische Karbidumsetzung ermöglicht, die zu feinen und gleichmäßig verteilten Karbiden führt und damit Schleifbarkeit und Zähigkeit verbessert.

Durch den Zusatz von genau abgestimmten Mengen an Silizium ist es möglich, den Kohlenstoffgehalt zu erhöhen und dabei so einzustellen, daß zwar das Karbid M2C bei der Erstarrung entsteht, dieses jedoch instabil

ist und bei der Erwärmung vor der Warmformgebung in einer peritektoidischen Reaktion vollständig in die Karbide MC und M&C zerfällt, die in der gewünschten Form und Verteilung auftreten.

Erfindungsgemäß wird von einem Schnellarbeitsstahl mit hoher Verschleißfestigkeit bei guter Zähigkeit und Bearbeitbarkeit, bestehend aus 0,8 bis 1,8% C, 3,5 bis 10% Cr, 1 bis 13% W, 1 bis 10% Mo, 0,5 bis 5% V, 0 bis 10% Co, Rest Eisen mit den üblichen erschmelzungsbedingten Verunreinigungen ausgegangen. Bei der Erschmelzung des Stahls wird jedoch Silizium nach der Formel

°/o Si = 2,7

(<1OW)-O.14 (%Mo)-0,5

mindestens jedoch 0,5% Si dosiert zugegeben und der Stahl so erwärmt, daß das bei der Erstarrung der Schmelze gebildete instabile M2C in einer peritektoidischen Reaktion zu feinen und gleichmäßig verteilten Karbiden des Typs MC und M₆C zerfällt. Durch diese Abstimmung des Siliziumgehalts auf die Gehalte der übrigen Legierungselemente wird die Bildung von unerwünschten M2C- Karbiden sicher verhindert. Eine Steigerung des Siliziumgehaltes über den sich aus obiger Beziehung ergebenden Wert hinaus führt zu einer unerwünschten Karbidausbildung und damit zu einer Beeinträchtigung der Stahleigenschaften. Hierbei entstehen nämlich bei der Erstarrung grob ausgebildete Primärkarbide vom Typ MeC und MC.

Die Bedeutung der Erfindung soll anhand einiger Gefügeaufnahmen, die an drei Versuchsschmelzen des Stahles S 2-9-1-8 (M 42-Typ), deren chemische Zusammensetzung in Tafel 1 dargestellt ist, näher erläutert werden:

Tafel 1

Chemische Zusammensetzung in Gew.-%

Si

Cr

W Mo

Co

Stahl 1 1,08 0,26 4,89 1,35 9,24 1,18 8,21

Stahl 2 1,09 1,07 5,11 1,48 9,41 1,24 8,16

(erfindungsgemäß)
Stahl 3 1,08 2,82 5,31 1,42 9,16 1,12 7,99

Bild 1 zeigt, daß der Stahl t über das stengeiförmige M2C-Karbid erstarrt, das bis zu hohen Verformungsgraden stabil bleibt (Bilder la—c).

Aus Bild 2 geht hervor, daß der Stahl 2 mit einem der erfindungsgemäßen Formel entsprechenden Siliziumgehalt zwar ebenfalls über das M2C-Eutektikum erstarrt, jedoch ist dessen Karbidanteil so instabil, daß er bereits beim Abkühlen des Gußblockes zerfällt (Bild 2a). Dieser peritektoidische Zerfall läuft bei der weiteren Warmformgebung vollständig ab. Dabei entstehen sehr feine und gleichmäßig verteilte Karbide vom Typ M&C und MC (Bilder 2b und c), die dem Stahl einen hohen Verschleißwiderstand bei guter Schleifbarkeit und Zähigkeit verleihen.

Bild 3 zeigt schließlich, daß Siliziumgehalte, die höher als die nach Formel berechneten liegen, zu einer Erstarrung des Stahles über das Mf₁C-Eutektikum führen, wobei grobe primäre MC-Karbide entstehen (Bild 3a). Diese groben Karbide lassen sich auch bei stärkerer Verformung nicht vollständig zertrümmern und führen zu einem ungleichmäßigen grobkörnigen Gefüge, das die Eigenschaften des Stahles nachteilig beeinflußt.

Die meisten herkömmlichen Schnellarbeitsstähle haben zur optimalen Karbidausbiidung zu niedrige Siliziumgehalte. Bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre auf diese Stähle wird eine Verbesserung der Stahleigenschaften erreicht.

Erhöhte Siliziumgehalte führen zwar zu einer Steigerung der Sekundärhärte, bewirken jedoch eine Verschiebung des Sekundärhärtemaximums zu niedrigeren Anlaßtemperaturen. Diese Verringerung der Anlaßbeständigkeit durch Silizium ist für die Verwendung derartiger Stähle von Nachteil. Es wurde daher versucht, diesen Nachteil durch weitere Legierungsmaßnahmen auszugleichen. Durch umfangreiche Untersuchungen wurde festgestellt, daß die durch Silizium verringerte Anlaßbeständigkeit erhöht werden kann, wenn der Chromgehalt der Stähle, der üblicherweise bei rd. 4% liegt, auf höhere Werte angehoben wird. Der zur Sicherstellung der Anlaßbeständigkeit erforderliche optimale Chromgehalt sollte daher gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit dem Siliziumgehalt des Stahles nach der Beziehung

%Cr = 4 + 2(%Si)

verknüpft sein.

Durch Siliziumzusätze wird der nach dem Härten der Stähle vorliegende Restaustenitanteil verringert. Zur Abschwächung dieses Effekts ist es daher von Vorteil, den erfindungsgemäßen siliziumhaltigen Stählen Stickstoff bis zu einer Höhe von 0,1 % zuzusetzen.

Nach der Erfindung ist es möglich, Schnellarbeitsstähle mit optimaler Gefügeausbildung und damit hervorragenden Gebrauchseigenschaften zu erzeugen.

Schnellarbeitsstähle gemäß der Erfindung eignen sich vorzugsweise für Werkzeuge, bei deren Formgebung größere Schleifarbeiten notwendig sind, wie Spiralbohrer, Gewindebohrer, Schneideisen, Räumnadeln, Fräser und dergleichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines M₂C-freien, Karbide des Typs MC und M₆C enthaltenden > Gefüges in Schnellarbeitsstählen der Zusammensetzung:

0,8 bis 1,8% Kohlenstoff

3,5 bis 10% Chrom in

1 bis 13% Wolfram