GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines

pulvermetallurgischen Stahls, eine Rohmasse zur Herstellung eines Stahls, ein

pulvermetallurgischer Stahl zur Herstellung eines Werkzeugs und einen Stahl.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Im Stand der Technik werden zylindrische Stäbe aus HSS oder HSS-E zur Herstellung von Zerspanungswerkzeugen durch Walzen oder Ziehen hergestellt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Herstellung von Rohlingen zur Herstellung von Werkzeugen aus HSS oder HSS-E erfolgt bislang dadurch, dass der Stahl in wiederholten Bearbeitungszyklen gewalzt oder gezogen wird. Diese Bearbeitungsvorgänge sind zum einen zeitintensiv und zum anderen kostenintensiv, da hierzu aufwändige Anlagen und Prozesse erforderlich sind.

Die Herstellung von Rohlingen aus Hartmetall oder Cermets kann im Gegensatz dazu durch weit weniger aufwändige Anlagen und Prozesse erfolgen. Eine Herstellung von Rohlingen aus Hartmetall oder Cermets kann durch Extrudieren mit nachfolgendem Sintern erreicht werden. Einschlägige Herstellungsverfahren sind beispielsweise in den Dokumenten US 2,422,994, DE 36 01 385 A1 , EP 465 946 A1 , EP 1 017 527 B1 , EP-A-0 340 495, EP-A-0 458 774, WO-A-92/22390 oder US-A-4 779 440 bekannt.

Vorteilhaft ist bei einem Extrudiervorgang, dass hierdurch kontinuierliche Stäbe hergestellt werden können, die vorteilhaft bei der Herstellung von Bohr-, Fräs-, Reib-, oder Senkwerkzeugen sind, da hierdurch das Rohmaterial (Grünling/Grünform) bereits in die gewünschte zylindrische Form gebracht werden kann, die ein idealer Ausgangspunkt zur Herstellung von Bohr-, Fräs-, Reib- oder Senkwerkzeugen darstellen kann. Vorteilhaft ist ferner beim Extrudieren, dass durch einfache Erweiterungen der Extrudierdüse bereits während des Extrudiervorgangs z.B. Innenkanäle in den extrudierten Stäben angeordnet werden können. Diese Innenkanäle können beim fertigen Werkzeug dazu genutzt werden, Kühl- und/oder Schmiermittel durch das Werkzeuginnere zu den schneidaktiven Teilen des Werkzeugs führen zu können.

Eine Aufgabe ist daher, eine Möglichkeit bereit zu stellen, Stäbe zur Fertigung von Werkzeugen aus HSS oder HSS-E einfacher zu erhalten. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Rohmasse bereit zu stellen, mit der solche Werkzeuge wirtschaftlich herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 , durch die Rohmasse nach Anspruch 12 und durch einen mit einer solchen Rohmasse herstellbaren Stahl nach Anspruch 13 oder 14 gelöst.

Erfindungsgemäß gelingt es, auf sehr wirtschaftliche Art und Weise Bauteile oder

Halbzeuge mit sehr komplexen Formen aus Werkzeugstahl herzustellen. Das

erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen Stahls, insbesondere Werkzeugstahls, wie HSS- oder HSS-E-Stahl, zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst Stahlpulver mit einem vorbestimmtem Gefüge hergestellt wird. Durch das Mischen des Stahlpulvers mit einem Bindemittel, wie z.B. Wachs oder Parafin, wird eine plastisch verformbare Rohmasse hergestellt, die - vorzugsweise aufgrund der geeigneten Auswahl der Partikelgröße und/oder Partikelgrößenverteilung des Stahlpulvers unmittelbar einem Urformprozess unterzogen werden kann. Es kann auf diese Weise ohne

Verfahrensunterbrechung ein Rohling für ein Stahlbauteil hergestellt werden, das eine beliebig komplexe räumliche Form hat.

Beim Sintern des Rohlings, dem ein gesonderter Schritt des Austreibens des Bindemittels vorangehen kann, findet die eigentliche Gefügebildung statt, d.h., die Stahlpartikel, die vorzugsweise eine möglichst annähernd sphärische Form haben, um den

Extrusionsprozess zu fördern, verschmelzen miteinander und wachsen dicht zusammen, so dass ein hochdichtes und hochfestes Stahl-Bauteil entsteht. Das Gefüge im Inneren der Stahlpulverpartikel bleibt dabei im Wesentlichen erhalten, so dass vorhersehbare Werkstoffeigenschaften vorliegen. Es hat sich gezeigt, dass der bei einem Extrudieren durch eine Düse auftretende Druck bereits genügt, um einen aus einer Stahl-/Bindemittel- Rohmasse bestehenden Rohling herzustellen, der nach einem unter annäherndem

Atmosphärendruck durchgeführten Sinterprozess eine ausreichende Dichte und Festigkeit hat. Selbstverständlich kann durch Überlagerung oder nachträglicher Anwendung eines HIP(Heißisostatisches Pressen)-Prozesses eine weitere Gefügeverbesserung erzielt werden.

Um die Rohmasse für den Urformvorgang noch besser vorzubereiten, ist es von Vorteil, wenn das Stahlpulver während des Mischens mit dem Bindemittel und/oder vor dem Mischen einer Bearbeitung zur Homogenisierung der Geometrie der Pulverteilchen unterzogen wird.

Mit der Weiterbildung des Anspruchs 4, wonach das Stahlpulver vor dem Mischen einem Sichtungsprozess unterzogen wird, so dass es in vorbestimmter Partikelgröße und/oder Partikelgrößenverteilung des Mischprozess unterworfen wird, gelingt es, auf die Festigkeit des Stahlgefüges weiteren positiven Einfluss auszuüben.

Wenn das Stahlpulver durch Aufmahlen bzw. Zermahlen von Stahlpartikeln gewonnen wird, kann das Ausgangsgefüge des Stahlpulvers frei vom Herstellungsverfahren des Pulvers optimal gewählt werden.

Wenn das Stahlpulver zusätzlich mit einem Bindemetall, wie z.B. Kobalt vermischt wird, kann die Werkstoffeigenschaft des hergestellten Stahls zusätzlich in weiten Grenzen beeinflusst werden.

Zur Bereitstellung besonders hochdichter Werkstoffe ist es von Vorteil, wenn der Rohling vor, während oder nach dem Sintern einer HIP( Heißisostatisches Pressen)-Behandlung unterzogen wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Rohling während des Sinterprozeses zur Steuerung des Stahlgefüges einer Temperaturbehandlung, wie z.B. einem Härtungsprozess unterworfen wird. Dies geschieht durch das Durchlaufen eines geeigneten Temperatur- /Zeit-Programms, das nach werkstofftechnischen Vorgaben je nach Bedarf ausgewählt werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Auswahl des Stahlpulvers gelingt also, die plastisch verformbare Masse einem vorzugsweise kontinuierlichen Extrusionsprozess zu

unterwerfen, und dennoch sehr gute Gefügedichtheiten des Stahlwerkstoffs zu

garantieren. Hierbei wird die plastisch verformbare Masse vorzugsweise durch ein

Strangpresswerkzeug mit einer Düse zu einem kontinuierlichen Stab extrudiert, der dann laufend auf die erforderlichen Abmessungen abgelängt wird. Die Rohlinge können auf diese Weise sehr wirtschaftlich hergestellt werden.

Erfindungsgemäß wird also eine Möglichkeit bereit gestellt, pulvermetallurgischen Stahl einfacher zu erhalten. Hierzu wird pulverförmiger Stahl analog wie bei der Herstellung von Hartmetall unter Zugabe eines Bindemittels verarbeitet. Der pulverförmige Stahl mit dem Bindemittel wird dann extrudiert und gesintert.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Rohmasse zur Herstellung eines Stahles gemäß Anspruch 12.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren abhängigen Ansprüche.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei zusätzlich als Bindemetall Kobalt verwendet wird.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei das Pressen durch ein Strangpresswerkzeug mit einer Düse vorgenommen wird, wodurch die Rohmasse zu einem kontinuierlichen Stab extrudiert werden kann.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein

Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei während des Extrudierens zumindest abschnittsweise ein Innenkanal zum Leiten von Kühl- und/oder Schmiermittel in den Stab angeordnet wird.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur

Verfügung gestellt, wobei der Innenkanal wenigstens abschnittsweise wendeiförmig oder geradlinig ausgebildet wird.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Stahl zur Verfügung gestellt, wobei der Stahl aus einer Rohmasse nach Anspruch 6 herstellbar ist.

Als entscheidender Vorteil der Erfindung kann also angesehen werden, dass pulvermetallurgischer Stahl einfacher und kostengünstiger hergestellt werden kann. Als Ausgangsmaterial kann neben einem Werkzeugstahl, wie HSS-E, auch ein z.B. hochlegierter Stahl dienen. Das Pulver kann durch ein Versprühen der Stahlschmelze oder aber auch aufgemahlen werden. Die erfindungsgemäße Herstellung eines pulvermetallurgischen Stahls benötigt wenige Produktionsanlagen und ist daher im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstiger in der Herstellung. Ferner kann durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise bei der Herstellung von pulvermetallurgischem Stahl im Vergleich zu den Herstellverfahren des Stands der Technik eine höhere Produktivität erzielt werden.

Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, und Fig. 2 eine Düse zur Extrusion eines kontinuierlichen pulvermetallurgischen Stabes DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im Stand der Technik ist es bekannt pulverförmigen Stahl zu verwenden, um daraus pulvermetallurgische Stähle herzustellen. Bei diesem Stahl handelt es sich typischerweise um einen hochlegierten Stahl, der beispielsweise 0,46 % Kohlenstoff und 13% Chrom enthalten kann. Hierbei wird der pulverförmige Stahl durch wiederholtes mehrmaliges Walzen verdichtet. Aus den derart entstandenen Blöcken können dann z.B. Werkzeuge hergestellt werden. Die Anordnung von Kühlkanälen kann dadurch erfolgen, dass zwischen den ersten Walzvorgängen Bohrungen am bereits teilweise verdichteten Stahl vorgenommen werden. Insgesamt erfordert diese Herstellungsweise eines pulvermetallurgischen Stahls einen hohen Aufwand an Produktionsanlagen. Außerdem ist die Herstellungsweise gemäß des Stands der Technik zeitaufwändig.

Figur 1 zeigt den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Herstellung eines

pulvermetallurgischen Stahls, insbesondere Werkzeugstahls, wie HSS- oder HSS-E-Stahl. Dabei wird zunächst in einem ersten Verfahrensschritt Stahlpulver hergestellt, das vorzugsweise ein zuvor ausgesuchtes Gefüge hat, wie z.B. das Gefüge eines

Schnellarbeitsstahls im abgegossenen Zustand oder aber dasjenige eines bereits stark umgeformten Schnellarbeitsstahls.

Anschließend erfolgt das Zumischen eines Bindemittels, wie z.B. Parafin oder Wachs, so dass eine plastisch verformbare Rohmasse entsteht, die unmittelbar in einem

Urformprozess weiterverarbeitbar ist. Mit gestrichelten Linien ist eine Variante angedeutet, gemäß der das Stahlpulver zusätzlich mit einem Bindemetall, wie z.B. Kobalt vermischt wird.

Während des Mischens mit dem Bindemittel und/oder vor dem Mischen mit dem

Bindemittel kann das Stahlpulver - beispielsweise in einer Kugelmühle - einer Bearbeitung zur Homogenisierung der Geometrie der Pulverteilchen unterzogen werden. Die Kanten der Pulverteilchen werden auf diese Weise beseitigt und den Teilchen wird eine im

Wesentlichen sphärische Form gegeben, so dass der nachfolgende Urformprozess erleichtert wird. Es ist ferner möglich und vorteilhaft, das Stahlpulver vor dem Mischen einem

Sichtungsprozess zu unterziehen, so dass es in vorbestimmter Partikelgröße und/oder Partikelgrößenverteilung dem Misch prozess unterworfen wird

Die so entstandene Rohmasse wird nun zu einem Rohling mit vorgegebener räumlicher Form urgeformt, vorzugsweise mittels einer Strangpresseinheit extrudiert, so dass

Rohlinge mit beliebig komplexer räumlicher Struktur entstehen.

Während des sich anschließenden Sinterns oder aber in einem vorgeschalteten

Arbeitsschritt wird bei ausgewählten Temperaturen das Bindemittel ausgetrieben. Dann erfolgt der eigentliche Sintervorgang, bei dem das Stahlgefüge endgültig entsteht. Der Rohling kann dabei vor, während oder nach dem Sintern einer HIP( Heißisostatisches Pressen)-Behandlung unterzogen werden. Dieser optionale Verfahrensschritt ist mit gestrichelter Linie in Fig. 1 angedeutet.

Ebenfalls optional ist die Variante, wonach der Rohling während des Sinterprozeses zur Steuerung des Stahlgefüges einer Temperaturbehandlung, wie z.B. einem

Härtungsprozess unterworfen wird. Dabei durchfährt die Sinteranlage ein vorbestimmtes zeitlich gesteuertes Temperaturprofil, so dass der Stahl abschließend die erwünsche Gefügequalität besitzt.

Das Stahlpulver kann auch durch Aufmahlen bzw. Zermahlen von Stahlpartikeln

gewonnen werden.

Es hat sich gezeigt, dass qualitativ hochwertige Stahlbauteile aus HSS oder HSS-E schon dann hergestellt werden können wenn die plastisch verformbare Masse einem

vorzugsweise kontinuierlichen Extrusionsprozess unterworfen wird, bei dem die plastisch verformbare Masse - unter verhältnismäßig geringer Verdichtung - durch ein

Strangpresswerkzeug mit einer Düse (102) zu einem kontinuierlichen Stab extrudiert wird.

Die im Extrusionsschritt entstehenden Rohlinge (Grünlinge/Grünformen) in der Ausgestaltung als Stahl/Bindemittel-Mischung können also analog zur Herstellung von Hartmetall oder Cermets verarbeitet werden. Die Verarbeitung mit einem Strangpresswerkzeug, das eine Düse zur Extrusion aufweisen kann, und der nachfolgende Sintervorgang ermöglichen eine einfache, schnelle und vorteilhafte Herstellung eines pulvermetallurgischen Stahls. Auch die Ausgabeform bei der Extrusion als kontinuierliche Stäbe ist vorteilhaft, da hierdurch bereits die grobe geometrische Form eines Bohr-, Fräs-, Senk- oder Reibwerkzeugs vorliegen kann. Erfindungsgemäß wird also pulverförmig vorliegender Stahl behandelt und bearbeitet wie z.B. Wolframkarbide als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Hartmetall (unter Zugabe eines Bindemittels wie z.B. Kobalt).

Weil erfindungsgemäß ein Herstellen unter Anwendung eines Extrusionsprozesses möglich ist, können ferner vorteilhafterweise in einfacher Weise in den extrudierten Stab Innenkanäle eingeformt werden, die sich insbesondere in ihren Abmessungen (Durchmesser, kreisflächiger oder elliptischer Querschnitt) durch die weiteren Verarbeitungsvorgänge, z.B. das Sintern, nicht mehr in so großem Maße ändern können wie dies im Vergleich hierzu bei der Bearbeitungsweise des Stands der Technik durch Walzen der Fall sein kann. Es kann daher eine höhere Maßgenauigkeit bei der Herstellung der Innenkanäle der pulvermetallurgischen Stähle sicher gestellt werden.

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Düse zur Extrusion eines kontinuierlichen Stabes, wobei durch eine Eintrittsöffnung 103, 104, die die Fläche eines Kreisrings aufweisen kann, eine Rohmasse in die Düse eingepresst wird. Erfindungsgemäß umfasst die Rohmasse pulverförmigen Stahl, wobei der Stahl auch hochlegiert sein kann, und mindestens ein weiteres Bindemetall, wie z.B. Kobalt, aufweisen kann. Die Rohmasse wird im Bereich 105 zusammengeführt, wobei durch z.B. kontinuierlich rotierende Stäbe 107 in die gepresste Rohmasse verdrahte Innenkanäle 101 eingeformt werden können. Aus der Düse 102 kann dann ein kontinuierlicher Stab 106 mit Innenkanälen 101 austreten. Falls die Stäbe 107 nicht rotieren, sondern still stehen, können kontinuierliche Stäbe 106 mit geradlinigen Innenkanälen gebildet werden.

Solche Extrusionsdüsen bzw. einschlägig verwendbare Düsen sind an sich bekannt und beispielsweise in den Druckschriften US 2,422,994, DE 36 01 385 A1 , EP 465 946 A1 , EP 1 017 527 B1 , EP-A-0 340 495, EP-A-0 458 774, WO-A-92/22390 oder US-A-4 779 440 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt ausdrücklich in vorliegende Anmeldung einbezogen wird.

Die Erfindung schafft somit ein Verfahren zur Herstellung eines pulvermetallurgischen Stahls. Das Verfahren umfasst die Schritte: Herstellen von Stahlpulver, vorzugsweise mit vorbestimmtem Gefüge; Mischen des Stahlpulvers mit einem Bindemittel zu einer plastisch verformbaren Rohmasse; Urformen der Rohmasse zu einem Rohling mit vorgegebener räumlicher Form; und Sintern des Rohlings.

Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen" weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein" und„eine" mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.

Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

101 Innenkanal

102 Düse

103 Eintrittsöffnung

104 Eintrittsöffnung

105 Vermischungsbereich

106 extrudierter Stab

107 Stab