AT403058B

AT403058B - IRON BASED ALLOY FOR USE AT HIGHER TEMPERATURE AND TOOLS MADE OF THIS ALLOY

Info

Publication number: AT403058B
Application number: AT0051695A
Authority: AT
Inventors: Hubert Dipl Ing Lenger; Herbert Ing Schweiger
Original assignee: Boehler Edelstahl
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 1997-11-25
Also published as: DE59601353D1; EP0733719B1; ES2128828T3; ATE177159T1; EP0733719A1; ATA51695A

Abstract

The ferrous alloy contains (wt.%) 0.3-0.5 C; 0.4-1.6 Si; 0.3-0.8 Mn; 3.2-6.5 Cr; 0-2 Mo; 0-3 W; 0.95-2 (Mo + W/2); 0.25-1.2 V; 0.75-1.6 Al; 1.2-2.6 (Al + Si); 0-0.2 Nb; 0-0.15 Ti; max 0.35 Ni; max 0.015N; and balance Fe.

Description

AT 403 058 BAT 403 058 B

Die Erfindung betrifft eine Eisenbasislegierung zur Verwendung bei erhöhter Temperatur, insbesondere Warmarbeitsstahl für Werkzeuge zur spanlosen Warmformgebung von Metallen und Legierungen, zum Beispiel Eisen,- Kupfer- oder Aluminiumlegierungen enthaltend zumindest die Elemente Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram, Vanadin sowie herstellungsbedingte Stahlbegleiter und Verunreinigungen.The invention relates to an iron-based alloy for use at elevated temperature, in particular hot-work steel for tools for non-cutting hot forming of metals and alloys, for example iron, copper or aluminum alloys containing at least the elements carbon, silicon, manganese, chromium, molybdenum and / or tungsten, Vanadium as well as manufacturing-related steel companions and impurities.

Weiters betrifft die Erfindung ein Werkzeug, insbesondere zur spanlosen Warmverformung von Metallen und Legierungen.Furthermore, the invention relates to a tool, in particular for the non-cutting hot forming of metals and alloys.

Eisenbasislegierungen, die bei erhöhter Temperatur verwendbar sind, insbesondere Warmarbeitsstähle, zeichnen sich dadurch aus, daß die daraus gefertigten Werkzeuge nach entsprechender thermischer Vergütung auch bei Arbeitstemperaturen von 400 ° C bis 500 *C eine im wesentlichen gleich hohe Härte wie bei Raumtemperatur aufweisen. Die hohe Warmhärte bzw. die beim Anlassen des gehärteten Werkstoffes gebildete Sekundärhärte wird durch die Legierungselemente Chrom, Molybdän sowie Wolfram und insbesondere Vanadin und gegebenenfalls auch Niob erreicht.Iron-based alloys that can be used at elevated temperatures, especially hot-work steels, are characterized by the fact that the tools made from them have a hardness that is essentially the same as at room temperature, even at working temperatures of 400 ° C to 500 * C, after appropriate thermal treatment. The high hot hardness or the secondary hardness formed when the hardened material is tempered is achieved by the alloy elements chromium, molybdenum and tungsten and in particular vanadium and possibly also niobium.

Es ist bekannt, daß beim Erwärmen einer Eisenbasislegierung bzw. eines Warmarbeitsstahls diese bzw. dieser in das Gammagebiet mit kubisch flächenzentrierter Atomstruktur umwandelt. Das kubisch flächenzentrierte Atomgitter ermöglicht eine vermehrte feste Lösung von Kohlenstoff bei Bildung von Gamma-Mischkristallen, so daß durch Diffusion die in der Legierung bzw. im Stahl vorliegenden Karbide aufgelöst werden und/oder eine größere Menge von Kohlenstoff homogen verteilt in Lösung geht. Erfolgt nun eine Abkühlung des Werkstoffes und ein Rückumwandeln von dessen Atomstruktur in ein raumzentriertes bzw. Alpha- Gitter mit geringer Löslichkeit bzw. Einlagerungsmöglichkeit für Kohlenstoffatome, so bilden sich bei niedrigen Abkühlgeschwindigkeiten wieder Metallkarbide oder es ist bei hohen Abkühlraten die verfügbare Zeitspanne für eine Atom- bzw. Kohlenstoffdiffusion nicht ausreichend für eine Karbidbildung, so daß das Gitter durch Kohlenstoffatome mit keinem Atomvolumen verzerrt, in eine Alpha- Konfiguration diffusionslos unter Bildung von harter Martensitstruktur umklappt, wobei kubisch flächenzentrierte Restbereiche, sogenannte Restaustenitteile erhalten bleiben. Ein derartig vorliegendes Material ist vielfach spröde und weist auf Grund des Restaustenitgehaltes gegebenenfalls geringe bzw. steigerbare Härte auf.It is known that when an iron-based alloy or hot-work steel is heated, it converts it into the gamma region with a face-centered cubic atomic structure. The face-centered cubic atomic lattice enables an increased solid solution of carbon with the formation of gamma mixed crystals, so that the carbides present in the alloy or in the steel are dissolved by diffusion and / or a larger amount of carbon is homogeneously distributed in solution. If the material is then cooled and its atomic structure is converted back into a body-centered or alpha lattice with low solubility or storage possibility for carbon atoms, metal carbides are formed again at low cooling rates or the available time span for an atomic atom is at high cooling rates. or carbon diffusion is not sufficient for carbide formation, so that the lattice is distorted by carbon atoms with no atomic volume, folded into an alpha configuration without diffusion with formation of a hard martensite structure, with cubic surface-centered remaining areas, so-called remaining parts, being retained. A material of this type is often brittle and, due to the residual austenite content, may have low or increased hardness.

Durch ein vorzugsweise mehrmaliges Anlassen des gehärteten Werkstoffes erfolgen einerseits eine Umwandlung von weichem Restaustenit in harten Martensit, andererseits, auf Grund der erhöhten Anlaßtemperatur, eine Diffusion von Kohlenstoffatomen und dadurch eine Bildung von feinen, die Gitterversetzungen blockierenden, vielfach submikroskopischen, homogen mit hoher Dichte verteilten Karbidausscheidungen. Diese von der chemischen Zusammensetzung der Legierung abhängenden Vorgänge, die bei Temperaturen von 400'C bis ca. 500 ° C ablaufen, sind der Fachwelt hinreichend bekannt. Es wird dadurch bei verbesserter Materialzähigkeit eine Erhöhung der Härte bzw. ein sogenannter Sekundärhärtebuckel beim Anlassen des gehärteten Materials bewirkt. Warmarbeitsstähle, wie zum Beispiel eine Eisenbasislegierung gemäß DIN Werkstoff Nr. 1.2343 oder gemäß AISI Type H 11 sind bezüglich der Zusammensetzung, Herstellung und der erforderlichen thermischen Vergütungsparameter für höchste erreichbare Härte,-Festigkeits- und Zähigkeitswerte bei Einsatztemperaturen bis ca. 500 * C dem Fachmann bekannt.By preferably tempering the hardened material several times, on the one hand a conversion of soft austenite to hard martensite takes place, on the other hand, due to the elevated tempering temperature, a diffusion of carbon atoms and thereby the formation of fine, blocking the lattice dislocations, often submicroscopic, homogeneously distributed with high density Carbide precipitates. These processes, which depend on the chemical composition of the alloy and which take place at temperatures of 400'C to approx. 500 ° C, are well known to the experts. This results in an increase in hardness or a so-called secondary hardness hump when the hardened material is tempered with improved material toughness. Hot-work steels, such as an iron-based alloy in accordance with DIN material no. 1.2343 or in accordance with AISI Type H 11, are the specialist in terms of composition, manufacture and the required thermal tempering parameters for the highest achievable hardness, strength and toughness values at operating temperatures up to approx. 500 * C known.

Bei hohen Beanspruchungen der Warmarbeitswerkzeuge können jedoch oftmals die durch eine thermische Vergütung einstellbaren Gebrauchseigenschaften des Materials nicht ausreichen und hohen Werkzeugverschleiß oder Bruch desselben verursachen. Auch kann eine erreichbare hohe Warmzähigkeit des Werkstoffes vielfach nicht mit hoher Sicherheit in allen Vergütungsfällen leicht eingestellt werden.In the case of high stresses on the hot working tools, however, the use properties of the material that can be adjusted by means of thermal tempering can often not suffice and cause high tool wear or breakage of the same. Also, an achievable high heat toughness of the material can often not be easily adjusted with high certainty in all compensation cases.

Es besteht seit längerem das Bestreben, Werkzeuge mit verbesserten Gebrauchseigenschaften für Temperaturen über 500 “C herzustellen. Aus den CHEMICAL ABSTRACTS (Vol. 109. No. 18, 31. October 1988, Page 372. 153749v) sind beispielsweise Versuche bekannt geworden, Stähle mit hoher Warmhärte und mit aus wirtschaftlichen Gründen geringen Legierungsgehalten zu entwickeln. Um ein gewünschtes Anlaßverhalten zu erreichen, erfolgte dabei ein Zulegieren von nicht karbidbildenden Elementen und zwar von AI und/oder Si, wobei einer Kornvergröberungsneigung durch MO?C mittels V-Zusätzen entgegengewirkt wurde. Es hat sich in diesem Zusammenhang herausgestellt, daß Si zwar wichtig für eine Erhöhung der Anlaßtemperatur ist, gleichzeitig jedoch eine Verzögerung der Primärkarbidausscheidung nach dem Austenitisieren und in entsprechender Konzentration spröde Korngrenzenbrüche des Werkstoffes bewirken kann.For a long time there has been an effort to produce tools with improved performance properties for temperatures above 500 ° C. For example, attempts have become known from CHEMICAL ABSTRACTS (Vol. 109. No. 18, October 31, 1988, Page 372. 153749v) to develop steels with a high degree of hardness and low alloy contents for economic reasons. In order to achieve a desired tempering behavior, non-carbide-forming elements, namely Al and / or Si, were alloyed in, a grain coarsening tendency by MO? C being counteracted by means of V additives. It has been found in this connection that Si is important for an increase in the tempering temperature, but at the same time a delay in primary carbide precipitation after austenitizing and in corresponding concentration can cause brittle grain boundary breaks in the material.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Eisenbasislegierung zur Verwendung bei erhöhter Temperatur, insbesondere einen Warmarbeitsstahl für Werkzeuge zur spanlosen Warmformgebung von Metallen und Legierungen, anzugeben, welche bzw. welcher im Vergleich mit bekannten Legierungen höhere Arbeitstemperaturen zuläßt und verbesserte Materialeigenschaften aufweist. Insbesondere sollen beim Gebrauch der daraus gebildeten Werkzeuge bei einer Temperatur von über 500 ”C die Arbeitshärte erhöht, die Brandrißbeständigkeit verbessert sowie die Werkstoffzähigkeit angehoben werden. Weiters ist es Ziel der Erfindung, ein Werkzeug, insbesondere für eine spanlose Warmformgebung von Metallen und 2The invention is based on the object of specifying an iron-based alloy for use at elevated temperature, in particular a hot-working steel for tools for non-cutting hot-forming of metals and alloys, which, in comparison with known alloys, permits higher working temperatures and has improved material properties. In particular, when using the tools formed from it at a temperature of over 500 ° C, the working hardness should be increased, the fire crack resistance improved and the material toughness increased. It is also the object of the invention to provide a tool, in particular for non-cutting hot forming of metals and 2

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Legierungen, zu schaffen, welches bei Einsatztemperaturen von über 500 *C günstige mechanische Kennwerte, verbesserte Gebrauchseigenschaften sowie eine erhöhte Lebensdauer besitzt.Alloys to create, which has favorable mechanical characteristics, improved performance properties and an increased service life at operating temperatures of over 500 * C.

Diese Aufgabe wird bei einer Eisenbasislegierung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß diese Gehalte im wesentlichen folgender Elemente in Gew.-%In the case of an iron-based alloy of the type mentioned at the outset, this object is achieved in that these contents of essentially the following elements in% by weight

Kohlenstoff 0,30 bis 0,50 Silizium (Si) 0,40 bis 1,60 Mangan 0,30 bis 0,80 Chrom 3,20 bis 6,50 Molybdän (Mo) 0 bis 2,00 Wolfram (W) 0 bis 3,00 (Mo + W/2) 0,95 bis 2,00 Vanadin 0,25 bis 1,20 Aluminium (AI) 0,75 bis 1,60 (AI + Si) 1,20 bis 2,60 Niob 0 bis 0,20 Titan Obis 0,15 Nickel max 0,35 Stickstoff max 0,015Carbon 0.30 to 0.50 silicon (Si) 0.40 to 1.60 manganese 0.30 to 0.80 chromium 3.20 to 6.50 molybdenum (Mo) 0 to 2.00 tungsten (W) 0 to 3.00 (Mo + W / 2) 0.95 to 2.00 Vanadium 0.25 to 1.20 Aluminum (AI) 0.75 to 1.60 (AI + Si) 1.20 to 2.60 Niobium 0 up to 0.20 titanium obis 0.15 nickel max 0.35 nitrogen max 0.015

Rest Eisen und Begleitelemente aufweist.Remaining iron and accompanying elements.

Es hat sich volkommen überraschend gezeigt, daß offensichtlich durch die synergetische Wirkung aller Elemente, insbesondere in Verbindung mit den beiden stark ferritbildenden Elementen Silizium und Aluminium, das Eigenschaftsniveau des Warmarbeitswerkstoffes wesentlich angehoben und/oder zu höheren Einsatztemperaturen verschoben werden kann. Wichtig dabei ist, daß der Nickelgehalt und insbesondere der Stickstoffgehalt der austenitisierenden Wirkung dieser Elemente wegen einen niedrigen Grenzwert nicht überschreiten.It has surprisingly been found that obviously the synergetic effect of all elements, in particular in connection with the two strongly ferrite-forming elements silicon and aluminum, significantly increases the property level of the hot work material and / or shifts it to higher operating temperatures. It is important that the nickel content and especially the nitrogen content do not exceed a low limit due to the austenitizing effect of these elements.

Die Ursachen für die Verbesserungen bzw. Erhöhungen der Anlaßbeständigkeit, der Brandrißbeständigkeit, der Arbeitshärte und Warmzähigkeit sowie der Zeitbrucheinschnürung, der Zeitbruch- und Kriechdehnung bei höheren Temperaturen der erfindungsgemäßen Legierung sind wissenschaftlich noch nicht vollkommen geklärt. Es kann jedoch angenommen werden, daß eine Gitterverzerrung und die Ausscheidungskinetik der Karbide bei einer Umwandlung der Legierung von einem kubisch flächenzentrierten in ein kubisch raumzentriertes Kristallgitter und beim Anlassen nach einem Härten vorteilhaft geändert ist.The causes of the improvements or increases in temper resistance, fire crack resistance, working hardness and heat toughness, as well as the reduction in the time break, the time break and creep elongation at higher temperatures of the alloy according to the invention have not yet been completely clarified scientifically. However, it can be assumed that lattice distortion and the precipitation kinetics of the carbides are advantageously changed when the alloy is converted from a face-centered cubic to a body-centered cubic crystal lattice and when tempered after hardening.

Dem Fachmann ist bekannt, daß durch steigende Aluminiumgehalte die Löslichkeit für Kohlenstoff in Gamma-Mischkristall vermindert ist, woraus auf eine schlechtere Vergütbarkeit des Werkstoffes geschlossen werden könnte. Infolge der Abschnürung des Gammagebietes mußte weiters auch befürchtet werden, daß durch Silizium und zusätzlich Aluminium im Stahl Fetritreste bei der Wärmebehandlung im Gefüge verbleiben bzw. keine vollständige Umwandlung mehr erfolgt und dadurch eine geringere erreichbare Werkstoffhärte verursacht wird. Entgegen dieser Fachmeinung wurde gefunden, daß die geänderte Ausscheidungskinetik offenbar eine feine, homogen dichte Karbidkonfiguration bewirkt und eine Ausbildung von Karbidnetzen und Korngrenzenbelegungen durch Karbide behindert, dadurch höhere Zähigkeitswerte des Werkstoffes erreichen läßt sowie die Anlaßtemperatur zu höheren Werten verschiebt. Dabei ist wichtig, daß bei einem Siliziumgehalt von mindestens 0,40, vorzugsweise von 0,75 bis 1,60, Gew.-% ein Atuminiumge-halt von 0,75 bis 1,6 Gew.-% gegeben ist und die Summenkonzentration obiger Elemente im Werkstoff einen Wert innerhalb des Bereiches von 1,20 bis 2,60 Gew.-% aufweist. Summenwerte (AI + Si) unter 1,20 Gew.-% erniedrigen sprunghaft das Eigenschaftsniveau des Werkstoffes bei hohen Temperaturen und höhere Gehalte an Aluminium und Silizium über 2,6 Gew.-% führen zu Versprödungserscheinungen und niedrigen mechanischen Werten.It is known to the person skilled in the art that the solubility for carbon in gamma mixed crystal is reduced by increasing aluminum contents, from which it could be concluded that the material is poorer in tempering. As a result of the constriction of the gamma area, there was also the fear that silicon and additional aluminum in the steel would leave residual iron in the structure during heat treatment or that there would no longer be a complete conversion, thereby causing a lower material hardness to be achieved. Contrary to this expert opinion, it was found that the changed excretion kinetics apparently results in a fine, homogeneously dense carbide configuration and hinders the formation of carbide networks and grain boundary assignments by carbides, thereby allowing the material to achieve higher toughness values and shifting the tempering temperature to higher values. It is important here that at a silicon content of at least 0.40, preferably from 0.75 to 1.60,% by weight, there is an aluminum content of 0.75 to 1.6% by weight, and the total concentration is as above Elements in the material has a value within the range of 1.20 to 2.60 wt .-%. Total values (AI + Si) below 1.20% by weight suddenly decrease the property level of the material at high temperatures and higher levels of aluminum and silicon above 2.6% by weight lead to embrittlement and low mechanical values.

Von besonderer Bedeutung sind niedrige Nickel- und Stickstoffgehalte. Nickel über 0,35 Gew.-% verschlechtert die Vergütbarkeit des Werkstoffes wahrscheinlich durch eine Stabilisation des Restaustenites. Eine Stickstoffkonzentration von größer als 0,015 Gew.-% bewirkt eine Bildung von Aluminiumnitrid, welches an Komgrenzen angelagert ein überproportionales Absinken der Zähigkeitswerte des Materiales hervorrufen kann.Low levels of nickel and nitrogen are of particular importance. Nickel above 0.35% by weight probably deteriorates the temperability of the material by stabilizing the remaining austenite. A nitrogen concentration of greater than 0.015% by weight leads to the formation of aluminum nitride, which can accumulate at the grain boundaries and cause a disproportionate decrease in the toughness values of the material.

Eine Anhebung des durchschnittlichen Eigenschaftsniveaus von Werkzeugen kann durch ein Einengen der Konzentrationen von Si, Mo, Mo + W/2, (AI + Si) sowie Nb in der Legierung erreicht werden. Demzufolge besitzt der Werkstoff Gehalte folgender Elemente in Gew.-%: 3An increase in the average property level of tools can be achieved by narrowing the concentrations of Si, Mo, Mo + W / 2, (AI + Si) and Nb in the alloy. Accordingly, the material contains the following elements in% by weight: 3

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Kohlenstoff 0,30 bis 0,50 Silizium (Si) 0,75 bis 1,60 Mangan 0,30 bis 0,80 Chrom 3,20 bis 6,50 Molybdän (Mo) 0 bis 1,65 Wolfram (W) 0 bis 3,00 (Mo + W/2) 0,95 bis 1,65 Vanadin 0,25 bis 1,20 Aluminium (AI) 0,75 bis 1,60 (AI + Si) 1,60 bis 2,60 Niob 0 bis 0,15 Titan 0 bis 0,15 Nickel max 0,35 Stickstoff max 0,015Carbon 0.30 to 0.50 silicon (Si) 0.75 to 1.60 manganese 0.30 to 0.80 chromium 3.20 to 6.50 molybdenum (Mo) 0 to 1.65 tungsten (W) 0 to 3.00 (Mo + W / 2) 0.95 to 1.65 vanadium 0.25 to 1.20 aluminum (AI) 0.75 to 1.60 (AI + Si) 1.60 to 2.60 niobium 0 up to 0.15 titanium 0 to 0.15 nickel max 0.35 nitrogen max 0.015

Rest Eisen und Begleitelemente.Remainder iron and accompanying elements.

Besonders bevorzugt weist die Eisenbasislegierung zur Verwendung bei erhöhter Temperatur Gehalte im wesentlichen folgender Elemente in Gew.-% auf:The iron-based alloy for use at elevated temperature particularly preferably has contents of essentially the following elements in% by weight:

Kohlenstoff 0,35 bis 0,40 Silizium (Si) 0,90 bis 1,20 Mangan 0,35 bis 0,55 Chrom 4,50 bis 5,50 Molybdän (Mo) 0,75 bis 1,50 Wolfram (W) 0 bis 1,50 (Mo + W/2) 1,20 bis 1,50 Vanadin 0,30 bis 0,60 Aluminium (AI) 0,80 bis 1,25 (AI + Si) 1,85 bis 2,40 Niob 0,03 bis 0,1 Titan 0 bis 0,09 Nickel max 0,18 Stickstoff max 0,009 Sauerstoff max 0,006Carbon 0.35 to 0.40 Silicon (Si) 0.90 to 1.20 Manganese 0.35 to 0.55 Chromium 4.50 to 5.50 Molybdenum (Mo) 0.75 to 1.50 Tungsten (W) 0 to 1.50 (Mo + W / 2) 1.20 to 1.50 vanadium 0.30 to 0.60 aluminum (AI) 0.80 to 1.25 (AI + Si) 1.85 to 2.40 Niobium 0.03 to 0.1 Titanium 0 to 0.09 Nickel max 0.18 Nitrogen max 0.009 Oxygen max 0.006

Bei obiger Zusammensetzung in engen Grenzen wird ein besonders hohes Eigenschaftsniveau bei einer Verwendung eines vergüteten Werkzeuges im Temperaturbereich von 450 *C bis 570 * C und darüber hinaus erreicht. Ein Niobgehalt im Bereich von 0,03 bis 0,1 Gew.-% bewirkt nicht nur eine Feinkörnigkeit des Materials mit dessen vorteilhaften Auswirkungen sondern unterstützt auch die Bildung des Sekundärhärtebuckels beim Anlassen des gehärteten Werkstoffes und dessen Verschiebung zu höheren Temperaturen. Titankonzentrationen bis 0,09 Gew.-% fördern eine Feinkörnigkeit, höhere Gehalte vermindern eine Härteannahme der Legierung. Höhere Sauerstoffgehalte als 0,006 Gew.-% wirken sich ungünstig auf die mechanischen Hochtemperatureigenschaften aus und verschlechtern insbesondere eine Polierbarkeit des Materials.With the above composition within narrow limits, a particularly high property level is achieved when using a tempered tool in the temperature range from 450 * C to 570 * C and beyond. A niobium content in the range of 0.03 to 0.1% by weight not only results in a fine grain of the material with its advantageous effects but also supports the formation of the secondary hardness hump when the hardened material is tempered and its shift to higher temperatures. Titanium concentrations of up to 0.09% by weight promote fine-grain, higher contents reduce the hardness of the alloy. Oxygen contents higher than 0.006% by weight have an unfavorable effect on the mechanical high-temperature properties and in particular impair the polishability of the material.

Weiters ist, wie sich gezeigt hat, bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Eisenbasislegierung zur Verwendung bei erhöhter Temperatur ein Gehalt an Schwefel im Bereich von in Gew.-% 0,05 bis 0,16 vorteilhaft für eine verbesserte mechanische Bearbeitung derselben. Höchste Kerbschlagzähigkeitswerte auch bei hohen Anwendungstemperaturen der Eisenbasislegierung werden erreicht, wenn weiters, wie in günstiger Weise vorgesehen werden kann, eine geringe Phosphorkonzentration im Stahl von höchstens 0,01 Gew.-% eingestellt wird.Furthermore, as has been shown, in the inventive design of the iron-based alloy for use at elevated temperature, a sulfur content in the range from 0.05 to 0.16% by weight is advantageous for improved mechanical processing thereof. The highest notched impact strength values are achieved even at high application temperatures of the iron-based alloy if, furthermore, as can be provided in a favorable manner, a low phosphorus concentration in the steel of at most 0.01% by weight is set.

Im Zuge der Entwicklungsarbeiten hat es sich überraschend gezeigt, daß die Summenkonzentration der wichtigen ferritbildenden Elemente im Werkstoff einen entscheidenden Einfluß auf die Ausbildung der Struktur des Vergütungsgefüges und damit auf die Gebrauchseigenschaften des Teiles besitzt. Wenn nämlich, wie gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, der Summengehalt an Cr, Mo, Si und AI der Legierung Werte zwischen 7,6 und 8,8 Gew.-% aufweist, wird ein äußerst sicheres, verfahrensmäßig weitgehend unempfindliches Umwandlungsverhalten mit einer besonders feinen Gefügeausbildung beimIn the course of the development work, it has surprisingly been found that the total concentration of the important ferrite-forming elements in the material has a decisive influence on the formation of the structure of the tempering structure and thus on the performance properties of the part. If, as in a further embodiment of the invention, the total content of Cr, Mo, Si and Al of the alloy has values between 7.6 and 8.8% by weight, an extremely safe, largely process-insensitive conversion behavior with a particular fine microstructure at

AT 403 058 B Härten und Anlassen des Werkstoffes erreicht.AT 403 058 B Hardening and tempering of the material achieved.

Das weitere Ziel der Erfindung wird bei einem Werkzeug der eingangs genannten Art erreicht, wenn dieses eine chemische Zusammensetzung des Werkstoffes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist und eine Materialhärte von mindestens 53, vorzugsweise von mindestens 54, HRC, eine Zugfestigkeit von mindestens 1195, vorzugsweise von mindestens 1200, N/mm2, eine 0,2 % Dehngrenze von mindestens 1060, vorzugsweise von 1070, N/mm2, eine Dehnung und Einschnürung von mindestens 18,5 bzw. 60 %, vorzugsweise von mindestens 20 bzw. 66 %, bei einer Temperatur von 500 *C bis 550 "C, besitzt.The further aim of the invention is achieved in a tool of the type mentioned at the outset if it has a chemical composition of the material according to one of claims 1 to 4 and a material hardness of at least 53, preferably at least 54, HRC, a tensile strength of at least 1195, preferably of at least 1200, N / mm2, a 0.2% proof stress of at least 1060, preferably of 1070, N / mm2, an elongation and contraction of at least 18.5 or 60%, preferably of at least 20 or 66%, at a temperature of 500 * C to 550 " C.

Bei einer thermischen Vergütung der erfindungsgemäßen Legierung auf mindestens oben gekennzeichnete Werte wird ein optimales Eigenschaftsniveau des Warmarbeitswerkzeuges erreicht. Dies betrifft nicht nur die mechanischen Werte bei hoher Arbeitstemperatur sondern auch einen geringeren Warmverschleiß, erhöhte Zeitstandsfestigkeit, verminderte Brandrißempfindlichkeit und geringere Klebeneigung zum Beispiel des Schmiederohlings am Gesenk. Obwohl exakte wissenschaftliche Daten noch fehlen, dürfte der Warmarbeitsstahl durch einen vorgesehenen hohen Aluminiumgehalt im Hochtemperaturbetrieb eine Oxidschicht an den Arbeitsflächen bilden, welche im Verein mit anderen Legierungselementen eine hohe Haftung und Abriebfestigkeit besitzt und die Klebeneigung am Werkstück vermindert.If the alloy according to the invention is thermally tempered to at least the values indicated above, an optimum property level of the hot working tool is achieved. This applies not only to the mechanical values at high working temperatures but also to lower heat wear, increased creep rupture strength, reduced susceptibility to fire cracking and less tendency to stick, for example, of the forging blank on the die. Although exact scientific data are still lacking, the hot work steel is likely to form an oxide layer on the work surfaces due to the intended high aluminum content in high-temperature operation, which in combination with other alloy elements has high adhesion and abrasion resistance and reduces the tendency to stick to the workpiece.

Als weiters vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Arbeitsflächen zumindest teilweise mit erhöhter Härte ausgebildet sind. Dafür hat sich als besonders günstig eine Nitrierschicht mit hoher Härte herausgestellt, weil einerseits ein erhöhter Aluminiumgehalt des Werkstoffes eine Aufnahme von Stickstoff bzw. eine Nitrierschichtbildung fördert und eine Hartschicht auf besonders einfache Weise gebildet werden kann, andererseits die Schicht mit erhöhter Härte ein vergrößertes Volumen aufweist und dadurch im arbeitsflächennahen Bereich des Werkzeuges Druckspannungen erzeugt und eine Rißbildungsneigung wesentlich vermindert werden. Der Stickstoff der Luft bewirkt beim Werkzeug mit hoher Arbeitstemperatur auf Grund des Aluminiumgehaltes des Werkstoffes wahrscheinlich eine weitere Aufstickung der Oberfläche, so daß auch bei einem gegebenenfalls geringen Abrieb im praktischen Einsatz die Dicke der Hartschicht weitgehend erhalten bleibt.It has also proven to be advantageous if the work surfaces are at least partially designed with increased hardness. For this purpose, a nitriding layer with high hardness has proven to be particularly favorable because, on the one hand, an increased aluminum content of the material promotes absorption of nitrogen or the formation of a nitriding layer and a hard layer can be formed in a particularly simple manner, on the other hand the layer with increased hardness has an increased volume and, as a result, compressive stresses are generated in the area of the tool near the work surface and a tendency to crack formation is significantly reduced. The nitrogen in the air probably causes a further nitriding of the surface in the case of a tool with a high working temperature due to the aluminum content of the material, so that the thickness of the hard layer is largely retained even if there is little abrasion in practical use.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen vergleichend näher erläutert.In the following, the invention is explained in more detail by means of examples.

Es wurden jeweils durch Elekfroschlacke-Umschmelzen Blöcke mit einer Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 gefertigt, wonach aus diesen Blöcken durch Schmieden mit 6-facher Verformung Proben hergestellt wurden. Die Proben wurden thermisch vergütet bzw. gehärtet und mehrfach angelassen und erbrachten die in den Tabellen 2.1 bis 2.6 dargestellten Ergebnisse. Dabei ist anzumerken, daß die Ergebnisse betreffend die Temperatur, die Wechselbeständigkeit, den Warmverschleiß, die Zähigkeit und das Nitrierverhalten der zum Stand der Technik zählenden Legierung A und zwar der Legierung entsprechend DIN Werkstoff Nr. 1.2343 mit 100 % bezeichnet wurden und Abweichungen von diesem Wert durch kleinere oder größere Prozentzahlen relativ dazu gekennzeichnet sind.In each case, blocks with a composition according to Table 1 were produced by electrographic slag remelting, after which samples were produced from these blocks by forging with 6-fold deformation. The samples were heat treated or hardened and tempered several times and produced the results shown in Tables 2.1 to 2.6. It should be noted that the results relating to the temperature, the resistance to alternation, the hot wear, the toughness and the nitriding behavior of alloy A, which belongs to the state of the art, namely the alloy according to DIN material no. 1.2343, were designated as 100% and deviations from this value are characterized by smaller or larger percentages relative to it.

Die Warmhärtewerte erfindungsgemäßer Eisenbasislegierungen bei Temperaturen zwischen 475 *C und 575 · C lagen durchwegs um mindestens 9 % höher als diejenigen der Vergleichslegierung (W.Nr. 1.2343). Bei der Legierung A ( Stand der Technik) wurden beispielsweise die maximalen Härtewerte bei 475 "C erreicht, wogegen bei der erfindungsgemäßen Legierung D bis zu einer höheren Temperatur von 575 *C größere Werkstoffhärten Vorlagen. Die Kurve (Fig. 1) zeigt deutlich die Anhebung der Härtewerte beim Einsatz der erfindungsgemäßen Legierung. 5The hot hardness values of iron-based alloys according to the invention at temperatures between 475 * C and 575 · C were consistently at least 9% higher than those of the comparative alloy (W.Nr. 1.2343). With alloy A (prior art), for example, the maximum hardness values were reached at 475 ° C, whereas with alloy D according to the invention, higher material hardness was used up to a higher temperature of 575 * C. The curve (FIG. 1) clearly shows the increase in hardness values when using the alloy according to the invention. 5

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-pruffCrr>pA>'Ofcsr- 7 500 °C 2.2 8-pruffCrr > pA > 'Ofcsr- 7 500 ° C 2.2 8

Claims

AT 403 058 BaX A 3 c 7 > £ r < 5, H • / C 0.3 $ 0.92 0.2b 0.39 0.38 0.28 0.39 0.40 0.37 5 / 1.05 o.es 1.2b 1.1Z 4.19 1.08 1.10 0.93 0.9? Mn 0.9 0 0.39 0.18 0.9o 0.33 0.9l O.lrt 0.96 0.92 • p am 0.011 0.0 / 3 0.010 0.008 oon 0.01 0.011 0012 5 0.019 0.011 9.022 00011 0.018 \ β, ΟΪ 0.016 0.0OS 0.017 Cr 5.1? 9.36; 5,270 5.10 5t20 5.15 i \ 5.00 5.15 5.15 Mn | 12S 0.70 4. Z 1.30 1. 3Z I Ί.Ζ8 \ 1.31 1.28 18? h / 0.30 088 0.U 0.13 0.16 \ '0.22 0.7S 0.35 Μφψ%! i.% 5 I 115 i 1st & 9 U3 • T3? | * 36 \ 1M 1.50 2.09 V! o.to 029 0.82- \ 0.95 o.98 OAZ 0.9t o *? 0.52 Al 0.031 0.18 i.io 102. 1.10 1.15 3.10 I 1.21 1.02 AL + Si \ 1.081 < 63 2.53 z: 74 2. ^ 9! 2.23; | 2.20 1.6? 1 $ 9 N6 - - - - 1 0.062 0.08 Ö.18 T > ' - - - - < Ό050 [0.09 0.016 - < 0.005 /// 0.51 0.10 0.19 on 0.17 0.17 0.12 02 * 0.21 N 0.018 0013 0.011 0008 a.oo7 0008 0.009 0007 O.ofZ O 0.008 0 , 00 * 0 O'OOte 00045 0.0091 0.0033 Ö.OQb6 00015 00055 To 6c / 9: 7 Claims 1. Iron-based alloy for use at elevated temperature, in particular hot-work steel for tools for non-cutting hot forming of metals and alloys, for example iron, copper - or aluminum alloys containing at least the elements carbon, silicon, manganese, chromium, molybdenum and / or tungsten, vanadium as well as production-related steel components and impurities, characterized by contents of essentially the following elements in% by weight: 9 AT 403 058 B carbon 0, 30 to 0.50 silicon (Si) 0.40 to 1.60 manganese 0.30 to 0.80 chromium 3.20 to 6.50 molybdenum (Mo) 0 to 2.00 tungsten (W) 0 to 3.00 (Mo + W / 2) 0.95 to 2.00 Vanadium 0.25 to 1.20 Aluminum (AI) 0.75 to 1.60 (Al + Si) 1.20 to 2.60 Niobium 0 to 0, 20 titanium 0 to 0.15 nickel max 0.35 nitrogen max 0.015 rest iron and accompanying elements.

2. Iron-based alloy according to claim 1, characterized by contents of the following elements in% by weight: carbon 0.30 to 0.50 silicon (Si) 0.75 to 1.60 manganese 0.30 to 0.80 chromium 3.20 to 6.50 molybdenum (Mo) 0 to 1.65 tungsten (W) 0 to 3.00 (Mo + W / 2) 0.95 to 1.65 vanadium 0.25 to 1.20 aluminum (Al) 0.75 up to 1.60 (AI + Si) 1.60 to 2.60 niobium 0 to 0.15 titanium 0 to 0.15 nickel max 0.35 nitrogen max 0.015 rest iron and accompanying elements.

3. iron-based alloy according to claim 1 or 2, characterized by contents of the following elements in wt .-%; Carbon 0.35 to 0.40 Silicon (Si) 0.90 to 1.20 Manganese 0.35 to 0.55 Chromium 4.50 to 5.50 Molybdenum (Mo) 0.75 to 1.50 Tungsten (W) 0 to 1.50 / Mo + W / 2 1.20 to 1.50 vanadium 0.30 to 0.60 aluminum (AI) 0.80 to 1.25 (AI + Si) 1.85 to 2.40 niobium 0.03 to 0.1 titanium 0 to 0.09 nickel max 0.18 nitrogen max 0.009 oxygen max 0.006 10 AT 403 058 B

4. Alloy according to one of claims 1 to 3, characterized by a sulfur content in% by weight of 0.05 to 0.16.

5. Alloy according to one of claims 1 to 4, characterized by a phosphorus content of at most 0.01 wt .-%.

6. Alloy according to one of claims 1 to 5, characterized by a total content of Cr + Mo + Si + Al in wt .-% of 7.6 to 8.8.

7. Tool, in particular for non-cutting hot forming of metals and alloys, for example iron, copper or aluminum alloys, characterized by a chemical composition of the material according to one of claims 1 to 6 and a material hardness of at least 53, preferably at least 54, HRC , a tensile strength of at least 1195, preferably of at least 1200 N / mm2, a 0.2% proof stress of at least 1060, preferably of 1070, N / mm2, an elongation and necking of at least 18.5 and 60%, preferably of at least 20 or 66%, at a temperature of 500 * C to 550 * C.

8. Tool according to claim 7, characterized by work surfaces with at least partially increased hardness.

9. Tool according to claim 7 or 8, characterized by work surfaces which at least partially have a nitriding layer with high hardness. Including 1 sheet of drawings 11