Kann Schnellstahl durch Metallspritzguss hergestellt werden?

Die kurze Antwort lautet „Ja“, aber der Prozess erfordert Präzision, die erfahrene MIM-Einrichtungen von den anderen unterscheidet. Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstähle wie M2, M4, T15 und M42 werden nach jahrzehntelanger Entwicklung in der Pulvermetallurgie seit Ende der 1990er Jahre erfolgreich im Pulverspritzguss hergestellt. Die Technologie ermöglicht es Herstellern, komplexe Schneidwerkzeuge, Präzisionszahnräder und verschleißfeste Komponenten herzustellen, die andernfalls eine aufwändige Bearbeitung aus bearbeitetem Stangenmaterial erfordern würden.

 Warum sollten Sie MIM für Schnellarbeitsstahl in Betracht ziehen?

Beim herkömmlichen Blockgießen von Werkzeugstählen kommt es während der Erstarrung zu Entmischungen, die zu großen Karbidausscheidungen führen, die bei der Warmumformung Längsstreifen bilden. Im Jahr 1960 zeigten Forscher von Crucible Steel, dass durch die Zerstäubung von Werkzeugstahl zu Pulver und deren Verfestigung durch heißisostatisches Pressen (HIP) diese Entmischung vollständig beseitigt werden könnte. Die resultierende Mikrostruktur zeigte fein verteilte Karbide mit deutlich verbesserter Zähigkeit im Vergleich zu Gussmaterial identischer Zusammensetzung.

Das Metallspritzgießen geht noch einen Schritt weiter, indem es die nahezu endkonturnahe Herstellung von Geometrien ermöglicht, deren maschinelle Bearbeitung unpraktisch wäre. ABIS Mould Technology hat diese Fähigkeit in allen Bereichen eingesetzt, in denen komplexe Komponenten mit hoher -Härte erforderlich sind, insbesondere in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie bei industriellen Werkzeuganwendungen. Als ein russischer Kunde im Jahr 2023 unser Werk in Shenzhen besuchte, um MIM-Produktionslinien zu bewerten, konzentrierte sich die Diskussion genau auf diesen Punkt: MIM kann M4- und T15-Teile mit Dichten von mehr als 96 % der Theorie, Härtewerten von 63–65 HRC nach der Wärmebehandlung und maßlicher Wiederholbarkeit über alle Produktionsmengen hinweg liefern.

 Sinterfenster

Die Hauptschwierigkeit bei Schnellarbeitsstahl-MIM liegt in dem, was die Industrie als „Sinterfenster“ bezeichnet-dem zulässigen Temperaturbereich, der eine akzeptable Dichte erzeugt, ohne dass es zu einer Verschlechterung der Mikrostruktur kommt. Für M2-Stahl mit 0,85 % Kohlenstoffgehalt beträgt dieses Fenster etwa 13 Grad (von 1245 Grad bis 1258 Grad). Außerhalb dieses Bereichs kommt es entweder zu einer unzureichenden Verdichtung oder es bildet sich an den Korngrenzen ein Überschuss an flüssiger Phase, wodurch Karbidfilme entstehen, die unter Last als Rissausbreitungspfade dienen.

Diese enge Toleranz erfordert Ofensysteme mit Mehrzonen-Temperaturregelung und präzisem Atmosphärenmanagement. ABIS betreibt Vakuumsinteranlagen mit mit Graphit ausgekleideten Heißzonen, die das zur Verhinderung einer Entkohlung erforderliche Kohlenstoffpotenzial aufrechterhalten. Unsere ISO 9001- und IATF 16949-Zertifizierungsprozesse erfordern die Dokumentation der Sinterprofile für jede Produktionscharge mit der Überprüfung des Kohlenstoffgehalts an Proben jeder Charge.

T15-Stahl bietet eine etwas nachsichtigere Situation. Der höhere Vanadiumgehalt (ca. 4,6 %) erzeugt Karbide vom Typ MC-, die beim Sintern als Mittel zur Fixierung der Korngrenzen wirken. Von Kar et al. veröffentlichte Forschung. (1993) zeigten, dass T15 über einen Temperaturbereich von 55 Grad in Stickstoff--Wasserstoffatmosphären gesintert werden kann, verglichen mit weniger als 20 Grad für M2 unter ähnlichen Bedingungen. Wenn Kunden maximale Verschleißfestigkeit für Anwendungen wie Schneideinsätze oder Formwerkzeuge benötigen, empfehlen wir oft T15 sowohl wegen seiner Prozessstabilität als auch wegen seiner mechanischen Eigenschaften.

 Überlegungen zum Ausgangsmaterial und zur Entbinderung

Gas-zerstäubte Hochgeschwindigkeitsstahlpulver verhalten sich bei der Rohstoffaufbereitung ähnlich wie Edelstahl 316L und 17-4PH. Typische D90-Werte von 18-24 μm ermöglichen Feststoffbeladungen von 60-67 Vol.-% mit Bindemittelsystemen auf Wachs--Polymer- oder Polyacetalbasis. Die kugelförmige Morphologie gaszerstäubter Partikel erzeugt rheologische Eigenschaften, die für eine dünnwandige Injektion mit minimaler Strahlbildung oder Bindenahtbildung geeignet sind.

Die Entbinderung stellt die größte Herausforderung bei der Kohlenstoffkontrolle dar. Reine Wasserstoffatmosphären bewirken eine Entkohlung, während inerte Atmosphären zu Restkohlenstoff durch unvollständiges Ausbrennen des Bindemittels führen können. Die Industriepraxis hat sich auf gemischte Atmosphären mit 5–25 % Wasserstoff in Stickstoff geeinigt, obwohl einige Anlagen während des Vorsinterns CO/CO₂- oder CH₄/H₂-Mischungen verwenden, um ein besseres Kohlenstoffmanagement zu gewährleisten. Die thermogravimetrische Analyse der Bindemittelzersetzung in der Produktionsatmosphäre bleibt für die Bestimmung geeigneter thermischer Profile unerlässlich.

 Wärmebehandlung und Endeigenschaften

Teile aus MIM-Schnellarbeitsstahl können unter den gleichen Bedingungen wärmebehandelt werden wie herkömmlich verarbeitetes Material. Eine Salzbadbehandlung bei 1177–1205 Grad und anschließendes Abschrecken auf 579–593 Grad führt zu einer gleichmäßigen Umwandlung in Martensit. Doppeltes oder dreifaches Anlassen bei 538–566 Grad reduziert Restaustenit und maximiert die Härte.

 Praktische Anwendungen

Die Produktionsökonomie von MIM-Schnellarbeitsstahl begünstigt mittlere{1}bis{2}}großvolumige Anwendungen mit komplexen Geometrien. Auf der Chinaplas-Ausstellung 2023 in Shenzhen, auf der ABIS unsere Lösungen für die Präzisionsfertigung vorführte, erkundigten sich mehrere Teilnehmer speziell nach MIM-Werkzeugkomponenten für automatisierte Montageanlagen. Bei diesen Anwendungen handelt es sich typischerweise um kleine Teile (unter 50 Gramm) mit Merkmalen wie internen Kühlkanälen, Hinterschnitten oder dünnen Abschnitten, die mehrere Bearbeitungsvorgänge aus dem Vollmaterial erfordern würden.

Zu den aktuellen kommerziellen Anwendungen gehören Mikrobohrer für die Elektronikfertigung, Uhrenkomponenten, die sowohl ein ästhetisches Finish als auch Verschleißfestigkeit erfordern, sowie Präzisionszahnräder für medizinische Geräte, bei denen Edelstahl 17-4PH die Härteanforderungen nicht erfüllen kann. Der Materialkostenaufschlag gegenüber Edelstahl-MIM wird durch eine geringere Sekundärbearbeitung und den Verzicht auf teure Werkzeugstähle ausgeglichen, die andernfalls als Späne enden würden.