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Hochchromhaltiger verschleiss-und warmfester Werkzeugstahl
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die spanabhebende Bearbeitung.
Die bekannten Werkzeuge für die spanabhebende Bearbeitung, von denen hohe Leistungen verlangt werden, stellt man aus zwei voneinander prinzipiell verschiedenen Typen von Stahllegierungen her, u. zw. :
1. Legierungen mit einem 4% nicht übersteigenden Chromgehalt, die ausserdem Zusätze von sogenannten Edellegierungsbestandteilen, wie Wolfram, Kobalt, Molybdän, Vanadin u. dgl. enthalten, und
2. Legierungen mit sehr hohem Chromgehalt als Legierungsbasis und relativ kleinen Zusätzen von Edellegierungsbestandteilen.
Die letztgenannten Werkzeugstahllegierungen haben sich gegenüber der ersteren Klasse von Stahllegierungen erst in jüngerer Zeit einen festen Platz erobert, indem sie sich bei gleicher oder sogar höherer Leistungsfähigkeit hauptsächlich preislich günstiger stellen. Versuche zur Herstellung solcher Legierungen reichen zwar schon weit zurück, indessen verfolgten diese früheren Versuche nicht den Endzweck, eine Stahllegierung für die Herstellung von höchstwertigen spanabhebenden Werkzeugen zu erhalten.
Während bei den Stahllegierungen mit einem unter 4% liegendenChromgehalt die zugesetzten Mengen der Edellegierungsbestandteile rein empirisch ermittelt wurden, haben neuere Forschungen für die Klasse der Stahllegierungen mit hohem Chromgehalt und relativ geringen Zusätzen an Edellegierungsbestandteilen gezeigt, dass für die geeigneten Werkzeugstahllegierungen bestimmte Gesetzmässigkeiten in den Mengenproportionen der Legierungsbestandteile herrschen. Man muss somit gewisse optimale Verhältnisse zwischen den Gehalten der Edellegierungsbestandteile und der Chrombasis einhalten, und ferner auch die thermische Behandlung entsprechend der geforderten Zusammensetzung der Legierung anpassen.
Die Hauptschwierigkeit bei der Entwicklung dieser Stahllegierung lag in der Auffindung der richtigen Zusatzlegierungselemente sowie in der richtigen Wahl der entsprechenden thermischen Nachbehandlung, um bei den daraus hergestellten Werkzeugen auch in der Wärme bzw. während der Zerspanung, auf eine genügende Warmfestigkeit und nötige Verschleissbeständigkeit zu kommen. Derartige Stahllegierungen weisen in der Regel die Legierungselemente Wolfram, Molybdän, Vanadium und Kobalt auf, wobei der Gehalt dieser Elemente zusammen zwischen 60% und 1001o des Chromgehaltes der Legierung ausmacht, und wobei ferner der Wolframgehalt höher liegt als die Summe der Gehalte an Molybdän, Vanadiumund Kobalt in der Legierung.
Ein weiterer Typus solcher Stahllegierungen auf Chrombasis, bei denen hauptsächlich eine Verbesserung der Verschleissbeständigkeit bezweckt ist, enthält 8-13% Chrom, wobei der Wolframgehalt unter 24% beträgt und die Legierungselemente Wolfram, Molybdän und Vanadium zusammen höher sind als der Chromgehalt, der Gehalt an Vanadium und Molybdän zusammen kleiner als der Wolframgehalt ist und die gelöste Kohlenstoffmenge 1% überschreiten soll.
Man ersieht aus obigen Ausführungen, dass bisher hauptsächlich eine Steigerung der Warmfestigkeit und der Verschleissbeständigkeit versucht wurde. Dagegen schenkte man der wichtigsten Eigenschaft bei einem spanabhebenden Höchstleistungswerkzeug, nämlich der Zähigkeit, zu wenig Beachtung.
Beim neueren Stand der Zerspanungstechnik setzt man indessen bei Stahllegierungen zur Herstellung von Werkzeugen eine bestimmte Härte und Warmfestigkeit als selbstverständlich voraus, erhebt daneben aber bei Höchstleistungswerkzeugen für die spanabhebende Bearbeitung auch Anspruch auf grösste Zähigkeit. In der Praxis wurde dabei erkannt, dass die Stahllegierungen mit hohem Chromgehalt dank letzterem Umstand eine grössere Zähigkeit besitzen und daher bessere Leistungen ergeben.
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Das Ziel vorliegender Erfindung ist nun eine Stahllegierung auf Chrombasis für die Herstellung spanabhebender Höchstleistungswerkzeuge, die neben hoher Härte und Verschleissbeständigkeit und hoher Warmfestigkeit eine sehr grosse Zähigkeit aufweist, wobei diese Begriffe von Härte, Verschleissbeständigkeit und Warmfestigkeit zum mindesten gleich gross sein soll wie bei den analog klassierten heutigen Stahllegierungen.
Die Erfahrungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben nun gezeigt, dass eine grössere Zähigkeit, ausser wie oben erwähnt, durch einen höheren Chromgehalt, auch dadurch erreicht wird, wenn man die Zahl der Zusatzlegierungselemente möglichst niedrig wählt und zudem die Gehalte dieser Legierungselemente an den untersten zulässigen Grenzen hält.
Insbesondere wurde dabei gefunden, dass bei Stahllegierungen auf Chrombasis bei entsprechender thermischer Nachbehandlung zur Erreichung einer normalen Härte und Warmfestigkeit nur eine kleine Anzahl der oben erwähnten zusätzlichen Legierungselemente erforderlich ist. Erhöht man diese Anzahl, so werden Härte und Warmfestigkeit nur gering beeinflusst, wohl aber die gewünschte Zähigkeit herabgesetzt.
Für die Erhöhung der Zähigkeit erweist sich neben einem möglichst hohen Prozentgehalt an Chrom die Anwesenheit der Elemente Wolfram und Vanadium als günstig.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist nun ein hochchromhaltiger verschleiss-und warmfester Werkzeugstahl hoher Härte und Zähigkeit, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass er bei einem Chromgehalt von 13 bis 2We, einem Kohlenstoffgehalt von 1, 1 bis 1, 4% und den üblichen Verunreinigungen nur 4 bis 6go Wolfram und 1, 1 bis 1, 5% Vanadin enthält und der Gehalt an Wolfram und Vanadin zusammen 501o des vorhandenen Chromgehaltes nicht übersteigt.
Die erfindungsgemässe Legierung enthält also keine weiteren Legierungsbestandteile als Chrom, Wolfram, Vanadium und Kohlenstoff und um eine gute Flüssigkeit zu erhalten in bekannten kleinen Mengen, 0, 5% nicht übersteigen, ein desoxydierendes Element, wobei solche desoxydierende Elemente vorzugsweise Mangan und Titan sind.
Der erfindungsgemässe Stahl kann z. B. folgende Zusammensetzung aufweisen :
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Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen.
Die Verwendung der erfindungsgemässen Stahllegierungen für spanabhebende Werkzeuge erlaubt erheblich grössere Schneidwinkel vorzusehen, als dies mit den bisherigen entsprechenden Stahllegierungen möglich war. Bekanntlich ergeben grösstmögliche Schneidwinkel optimale Zerspanungsleistungen. Dem steht indessen entgegen, dass grosse Schneidwinkel die Schneiden selbst schwächen, indem dieselben "scharf" werden. Bei Werkzeugstahllegierungen ohne eine grössere Zähigkeit zeigen sich derart bei der Zerspanung mit den verlangten und üblichen Arbeitsgeschwindigkeiten sofort sägenhafte Ausbrüche an der Schneidkante, während bei geringsten Steigerungen der Arbeitsgeschwindigkeiten oder Schlägen der Schneidkörper selbst ausbricht.
In der Fig. 1 ist ein aus der erfindungsgemässen Legierung hergestellter Fräserzahn mit grossem
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ist, wie er bei den bisherigen Stahllegierungen für Werkzeuge üblich war. Man ersieht aus der Gegenüberstellung der Fig. l und Fig. 2 wie der Fräserzahn mit scharfem Schneidwinkel gegenüber demjenigen mit stumpferem Schneidwinkel im Schneidkörper selbst geschwächt ist.
Aus diesem Grunde lassen sich derart grosse Schneidwinkel nur an Werkzeugen anbringen, die aus den erfindungsgemässen Stahllegierungen mit grosser Zähigkeit bestehen. m der Fig. 3 ist graphisch die Abhängigkeit der Temperatur t in Celsius an der Schneide vom Schneidwinkel y in Bogengraden gezeigt, um darzulegen, wieso Werkzeuge mit grösserem Schneidwinkel eine grössere Schnittleistung als solche mit kleinerem Schneidwinkel ergeben. Man sieht dabei aus Fig. 3, dass z. B. an Fräswerkzeugen aus der erfindungsgemässen Legierung, die einen Schneidwinkel von 200 aufweisen, bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit bedeutend geringere Temperaturen auftreten als an Fräswerkzeugen aus bisherigen Legierungen mit einem Schneidwinkel von 80.
Mit Werkzeugen aus den heutigen Legierungen kann man praktisch bis zu einer an der Schneide des Werkzeuges auftretenden Temperatur von zirka 5500C gehen, ohne dass dabei die Schneide zerstört wird.
Aus dem Diagramm der Fig. 3 geht nun hervor, dass z. B. bei einem Schneidwinkel von 80 diese noch zulässige Schneidentemperatur von 5500C bereits erreicht ist, während bei einem aus der erfindungsge-
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