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Die Erfindung betrifft einen Kaltarbeitsstahl-Gegenstand. Näher präzisiert bezieht sich die Er- findung auf einen Kaltarbeitsstahl-Gegenstand mit verbessertem Eigenschaftsprofil, insbesondere mit hoher Festigkeit sowie hoher Duktilität.
Für eine Kaltmassivumformung, beispielsweise mit Fliesspressmatrizen und Stempel zur Her- stellung von Bauteilen und auch für Schneidwerkzeuge mit zusätzlich hohen Anforderungen an die Werkstoffzähigkeit, wie Gewindebohrer und dergleichen, werden in der modernen Technik Ge- genstände mit insgesamt hohem Material-Eigenschaftsniveau benötigt Dies ergibt sich auch aus den Aufwendungen, die für die Wekzeugherstellung anfallen, weil eine komplizierte Geometrie eines zu fertigenden Bauteiles zumeist hohe Kosten für eine Werkzeugherstellung bedingen.
Dieses Erfordernis ist in erster Linie im Hinblick auf eine verbesserte Wirtschaftlichkeit bei einer Grosszahl-Herstellung von Bauteilen oder Komponenten zu sehen. Um die Gesamtkosten gering zu halten, soll somit für den jeweiligen Bedarfsfall eine Werkstoffauswahl für das Teil getroffen wer- den, welche auf Grund der Materialeigenschaften eine höchstmögliche Lebensdauer desselben erreichen lässt.
Zur Verbesserung der Standzeit eines Kaltarbeitsstahl-Gegenstandes im Einsatz mit insgesamt hoher Beanspruchung sind gleichermassen die Materialeigenschaften Duktilität zur Verhinderung von Werkzeugbrüchen und Festigkeit zur Sicherung der Masshaltigkeit auf ein hohes Niveau einzu- stellen und ein Verschleiss zu minimieren.
Erhöhte Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiss weisen Eisenbasis-Werkstoffe mit hohem Karbidanteil, insbesondere mit hohem Monokarbidanteil in einer harten Matrix auf. Derartige Stähle besitzen zumeist einen hohen Kohlenstoffgehalt bis 2,5 Gew.-% bei einer Konzentration von mo- nokarbidbildenden Elementen bis 15 Gew.-%, also einen hohen Primär-Karbidanteil, haben jedoch eine geringe Materialzähigkeit im thermisch vergüteten Zustand. Durch eine pulvermetallurgische Herstellung lässt sich die Gefügestruktur, insbesondere die Karbidgrösse und die Karbidverteilung im Werkstoff des Gegenstandes verbessern, vielfach kann jedoch eine erforderliche Materialzähig- keit nicht erzielt werden.
Verbesserte Zähigkeitseigenschaften können bei typischen hochlegierten Schnellarbeitsstahl- Werkstoffen, zum Beispiel nach DIN Werkstoff No. 1. 3351 bei pulvermetallurgischer Fertigung der Teile erzielt werden, jedoch reicht diese Zähigkeitserhöhung des Materials für besonders bean- spruchte Gegenstände nicht aus, sodass im Langzeitbetrieb vielfach ein Ausfall durch Bruch der- selben erfolgt.
Ziel der Erfindung ist nun, einen Kaltarbeitsstahl-Gegenstand zu schaffen, dessen Werkstoff bei hoher Verschleissbeständigkeit und Härte eine erhöhte Zähigkeit sowie eine dergleichen Druck- festigkeit besitzt und eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit aufweist. Mit anderen Worten darge- legt: es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kaltarbeitsstahl-Gegenstand mit gleichzeitig hohen Festigkeits- und Duktilitäts-Werten zu kennzeichnen, welcher Gegenstand, insbesondere in einer Ausführungsform als Matrizen und Stempel, hohe Wirtschaftlichkeit bei einer Grosszahlfertigung von Teilen erbringt.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäss bei einem Kaltarbeitsstahl-Gegenstand mit einer chemi- schen Zusammensetzung des Werkstoffes in Gew.-%:
Kohlenstoff (C) mehr als 0,6 und weniger als 1,0
Silizium (Si) mehr als 0,3 und weniger als 0,85
Mangan (Mn) mehr als 0,2 und weniger als 1,5
Phosphor (P) MAX 0,03
Schwefel (S) weniger als 0,5
Chrom (Cr) mehr als 4,0 und weniger als 6,2
Molybdän (Mo) mehr als 1,9 und weniger als 3,8
Nickel (Ni) weniger als 0,9
Vanadin (V) mehr als 1,0 und weniger als 2,9
Wolfram (W) mehr als 1,8 und weniger als 3,4
Kupfer (Cu) weniger als 0,7
Kobalt (Co) mehr als 3,8 und weniger als 5,8
Aluminium (AI) weniger als 0,045
Stickstoff (N) weniger als 0,2
Sauerstoff (0) MAX 0,012
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Eisen (Fe) sowie erschmelzungsbedingte Begleit- und Verunreinigungselemente als Rest,
wobei der Werk- stoff nach einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt ist und nach einem thermischen Vergüten auf eine Härte von 64 HRC eine Schlagbiegearbeit bei Raumtemperatur von grösser 40,0 Joule (J) besitzt, erreicht.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen im Wesentlichen darin, dass eine Werkstoff- zusammensetzung in engen Grenzen sowie eine pulvermetallurgische Herstellung synergetisch die Voraussetzungen für einen Kaltarbeitsstahl-Gegenstand erstellen, welcher nach einem thermi- schen Vergüten ein gewünschtes Eigenschaftsprofil aufweist.
In der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffes sind die Aktivitäten der Legierungsele- mente im Hinblick auf eine Gefügeausbildung im vergüteten Zustand und auf geforderte Material- eigenschaften aufeinander wirkungskinetisch abgestimmt.
Der Kohlenstoffgehalt ist auf die Summe der Karbidbildner in der Legierung ausgerichtet, um einerseits Karbide zu formen und andererseits die Härtbarkeit und die gewünschten Eigenschaften der Matrix zu bestimmen. Konzentrationen von Kohlenstoff von mehr als 0,6 Gew.-% sind erforder- lich, um bei den vorgesehenen Maximalgehalten der karbidbildenden Elemente beim Vergüten hohe Härtewerte der Matrix zu erreichen, hingegen sind Gehalte von geringer als 1,0 Gew.-% wichtig, um eine gewünschte Karbidmenge und Karbidmorphologie einzustellen.
Die karbidbildenden Elemente Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Vanadin (V) und Wolfram (W) sind legierungstechnisch gemeinsam zu betrachten, weil deren Kohlenstoffaktivität, wie sich zeigte, in Summe die Zusammensetzung des Austenits- bzw. der kubisch-flächenzentrierten Atomstruktur bei Härtetemperatur und in der Folge die Matrixeigenschaften und die sekundären Karbid- Ausscheidungen nach einem mindestens einmaligen Anlassen bestimmen.
Dabei ist es wichtig, dass der Vanadin-Gehalt der Legierung in Gew.-% grösser als 1,0, jedoch geringer als 2,9 ist, um einerseits ausreichend Monokarbide und andererseits genügend Sekun- därhärtepotential darzustellen. Das Sekundärhärtepotential muss dabei mit einem Residual- Vanadin und den Gehalten der Elemente Molybdän (Mo) und Wolfram (W) gesehen werden, weil durch Konzentrationen in Gew.-% von 3,8 Molybdän (Mo), sowie 3,4 Wolfram (W) und grösser bereits eine Verschlechterung der Matrixzähigkeit verursacht wird, wo hingegen grössere Gehalte als 1,9 Molybdän (Mo) und 1,8 Wolfram (W) für eine vorteilhafte Vanadinmaskierung zur Vermei- dung grosser scharfkantiger Monokarbide erforderlich sind.
Für diese Wechselwirkung der Elemente kann es auch wichtig sein, dass der Molybdän-Gehalt um höchstens 10% grösser ist als jener von Wolfram (W).
Für eine Härteannahme und Durchhärtbarkeit des Werkstoffes sind die Elemente Chrom (Cr), Silizium (Si), Mangan (Mn) und in geringem Ausmass Nickel (Ni) sowie Kobalt (Co) von Bedeutung.
Silizium-Gehalte von mehr als 0,3 Gew.-% sind zur Sicherstellung niedriger Sauerstoffgehalte im Material erforderlich. Weniger als 0,85 Gew.-% Silizium sollen in der Legierung vorgesehen sein, um einer Ferrit-stabilisierenden Wirkung und einer Verringerung der Härteannahme der Matrix durch dieses Element entgegenzuwirken.
Mangan als wichtiges, eine erforderliche Abkühlgeschwindigkeit bei der Härtung des Gegens- tandes steuerndes Element, soll erfindungsgegemäss Gehalte im Werkstoff in Gew.-% von weniger als 1,5 aufweisen. Weil jedoch auch für eine Bindung Restschwefels in der Legierung geringe Mangankonzentrationen erforderlich sind, ist ein Minimalwert von grösser als 0,2 Gew.-% vorzusehen.
Um eine Martensitbildung bei der Abkühlung von einer Härtetemperatur nicht unerwünscht zu beeinflussen, sind Nickelgehalte im Werkstoff von weniger als 0,9 Gew.-% einzustellen.
Kobalt ist zwar auch wirksam im Hinblick auf die anzuwendende Vergütetechnologie, jedoch wurde erfindungsgemäss diese Wirkung legierungstechnisch berücksichtigt. Für einen Erhalt einer hohen Härte durch Mischkristallverfestigung des Werkstoffes ist eine Konzentration in der Matrix von mehr als 3,8 und weniger als 5,8 Gew.-% Kobalt bedeutungsvoll. In den erfindungsgemässen Grenzen wird durch Kobalt die Kinetik und die Grösse von sekundären Karbidausscheidungen günstig im Hinblick auf die Materialeigenschaften beeinflusst. Es werden sehr feine, die Sekundär- härte darstellende Karbide gebildet und deren Vergröberungsneigung verringert, wodurch eine wesentlich verzögerte Entfestigung der vergüteten Legierung durch erhöhte Temperaturen erfolgt.
Geringere Kobaltgehalte als 3,8 Gew.-% erniedrigen die Härte sowie die Dauerstandsfestigkeit des
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Materials. Kobaltwerte von 5,8 Gew.-% und höher vermindern wiederum besonders die Zähigkeit des Werkstoffes.
Es ist bekannt, dass Aluminium teilweise als Substitutionselement für Kobalt fungieren kann und bei Schnellarbeitsstählen die Schneidleistung erhöht. Auf Grund einer Nitridbildungsneigung sowie einer einfachen Verdüsungstechnologie und einer niedrigen Stickstoffkonzentration im Metall von geringer als 0,2 Gew.-% wegen sollte der Aluminiumgehalt in der Legierung weniger als 0,045 Gew.-% betragen.
Sauerstoffkonzentrationen von grösser als 0,012 Gew.-% erniedrigen, wie gefunden wurde, auch bei PM-Erzeugung die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäss zusammenge- setzten Werkstoffes.
Durch Phosphorgehalte von über 0,03 Gew.-% wird die Herstellbarkeit verschlechtert.
Für ein Erreichen von besonders vorteilhaften mechanischen Materialeigenschaften, insbeson- dere von hoher Festigkeit und Duktilität ist erfindungsgemäss eine pulvermetallurgischen Herstel- lung des Kaltarbeitsstahl-Gegenstandes wichtig. Durch eine legierungstechnisch bewirkte Ausfor- mung von im Wesentlichen runden primären Karbiden mit geringem Durchmesser und einem hohen Reinheitsgrad bei günstiger Gefügeausbildung des Werkstoffes war es möglich, eine übli- cherweise von scharfkantigen Karbid- und Verunreinigungspartikeln ausgelöste Rissinitiation zu vermeiden. Derart ist bei hoher Materialhärte eine hohe Schlagbiegearbeit des Werkstoffes sowie eine günstige Ermüdungsfestigkeit des Stahl- Gegenstandes im Einsatz erreichbar.
Die Gebrauchseigenschaften eines Kaltarbeitsstahl-Gegenstandes nach der Erfindung können weiter gesteigert werden, wenn ein oder mehrere Element(e) im Werkstoff in einer Konzentration in Gew.-% vorliegen von:
Kohlenstoff (C) mehr als 0,75 und weniger als 0,94 insbesondere mehr als 0,8 und weniger als 0,9
Silizium (Si) mehr als 0,35 und weniger als 0,7 insbesondere mehr als 0,4 und weniger als 0,65
Mangan (Mn) mehr als 0,25 und weniger als 0,9 insbesondere mehr als 0,3 und weniger als 0,5
Phosphor (P) MAX 0,025
Schwefel (S) weniger als 0,34 insbesondere MAX 0,025
Chrom (Cr) mehr als 0,4 und weniger als 5,9 insbesondere mehr als 4,1 und weniger als 4,5
Molybdän (Mo) mehr als 2,2 und weniger als 3,4 insbesondere mehr als 2,5 und weniger als 3,0
Nickel (Ni) weniger als 0,5
Vanadin (V) mehr als 1,5 und weniger als 2,6 insbesondere mehr als 1,8 und weniger als 2,4
Wolfram (W)
mehr als 2,0 und weniger als 3,0
Kupfer (Cu) weniger als 0,45 insbesondere MAX 0,3
Kobald (Co) mehr als 4,0 und weniger als 5,0 insbesondere mehr als 4,2 und weniger als 4,8
Aluminium (AI) weniger als 0,065 insbesondere mehr als 0,01 und weniger als 0,05
Stickstoff (N) mehr als 0,01 und weniger als 0,1 insbesondere mehr als 0,05 und weniger als 0,08
Sauerstoff (0) MAX 0,01 insbesondere MAX 0,09
Von besonderem Vorteil für hohe Zähigkeitswerte und gute Dauerstandseigenschaften des Gegenstandes ist, wenn ein oder mehrere Verunreinigungselement(e) im Werkstoff eine Konzent- ration in Gew.-% aufweisen von:
Zinn (Sn) MAX 0,02
Antimon (Sb) MAX 0,022
Arsen (As) MAX 0,03
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Selen (Se) MAX 0,012
Wismuth (Bi) MAX 0,01
Die Reinheit und somit auch die mechanischen Eigenschaften des Materials, insbesondere die Zähigkeit, können gefördert werden, wenn das pulvermetallurgische Verfahren ein Verdüsen der Schmelze mit hochreinem Stickstoff zu Metallpulver mit einer Pulverkomgrösse von höchstens 500 um und in der Folge im Wesentlichen ein Einbringen des Pulvers unter Vermeidung von Sau- erstoffzutritt in ein Gefäss und ein heissisostatisches Pressen des Metallpulvers im verschlossenen Gefäss zur Erstellung eines Rohlings umfasst.
Für eine wirtschaftliche Fertigung eines Kaltarbeitsstahl-Gegenstandes, aber auch der Materi- aleigenschaften wegen, kann es günstig sein, wenn der heissisostatisch gepresste Rohling durch Warmumformung weiterverarbeitet ist.
Wenn, wie vorgesehen sein kann, der Kaltarbeitsstahl-Gegenstand eine Druckfliessgrenze von mehr als 2700 MPa, gemessen bei einer Härte von 61 HRC besitzt, sind höchst zuverlässige Fliesspressmatrizen mit komplizierten feingliedrigen Formteilen herstellbar, welche auch im Lang- zeitbetrieb geringe Abnützung der Oberfläche und dergleichen Rissgefahr zeigen.
Von Vorteil für einen harten Prägeeinsatz mit stossartiger Belastung im Langzeitbetrieb kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass der Kaltarbeitsstahl-Gegenstand nach einem thermi- schen Vergüten auf eine Härte von 64 HRC eine Schlagbiegearbeit bei Raumtemperatur von grösser 80,0 Joule (J), vorzugsweise von grösser 100 Joule (J), besitzt.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von wissenschaftlichen Erprobungen sowie Erpro- bungsergebnissen im Vergleich und Schlussfolgerungen erläutert werden.
Zur Kennzeichnung des erfindungsgemässen Gegenstandes wurde die Schlagbiegearbeit bei Raumtemperatur gemäss DIN 51222 von ungekerbten Proben 7 x 10 x 55 mm herangezogen, weil derartige Werte die genaue Beurteilung des Zähigkeitsverhaltens ermöglichen.
Für eine Ermittlung der Bruchdehnung und der plastischen Arbeit aus dem statischen einachsi- gen Zugversuch wurden Sonderzugproben mit im Durchmesser verlaufend vergrösserten Ein- spannköpfen in Kugelform verwendet, wobei die Einspannvorrichtung in der Prüfmaschine der Kugelkopfgeometrie Rechnung trug. Derartige Untersuchungen sind in der Literatur (6th Intema- tional Tooling Conference, The Use of Tool Steels: Experience and Research, Karlstad University 10 - 13 September 2002, Material Behaviour of Powder- Metallurgically Processed Tool Steels in Tensile and Bending Tests, Seite 169 -178) beschrieben.
Die 0,2% Stauchgrenze des Werkstoffes wurde im Druckversuch nach DIN 50106 bei Raum- temperatur ermittelt.
Eine Prüfung des Abrasionsverschleisses erfolgte mit SiC- Schleifpapier P 120.
Die Werkstoffprüfung verwendet unterschiedliche Methoden zur Charakterisierung von Festig- keit und Duktilität von metallischen Werkstoffen. Der wichtigste Versuch ist der einachsige Zugver- such. Mit diesem Versuch können wesentliche Festigkeits- und Duktilitätskennwerte bestimmt werden. Darüber hinaus erlaubt dieser Versuch Aussagen über das Verfestigungsverhalten der Werkstoffe unter einachsiger Zugbeanspruchung.
In Fig. 1 ist die Bruchdehnung des erfindungsgemässen Werkstoffes im Vergleich mit einem Schnellstahl HS-6-5-4 in Abhängigkeit von einer mit einer thermischen Vergütung eingestellten Materialhärte dargestellt, wobei die Prüfung unter Verwendung der oben beschriebenen Proben erfolgte.
Die Bruchdehnung der erfindungsgemässen Legierung liegt im gesamten Härtebereich der Werkstoffe höher als diejenige des Vergleichsstahles und weist insbesondere im oberen Härtebe- reich von 58 HRC bis 62 HRC eine bis 4mal höhere Bruchdehnung auf.
Die gegenüber dem Stand der Technik vorteilhafte Eigenschaftskombination von hoher Festig- keit und hoher Duktilität des erfindungsgemässen Werkstoffes zeigt sich im Vergleich der plasti- schen Arbeit, welche aus dem statischen einachsigen Zugversuch ermittelt wird, besonders signifi- kant. Bei im Wesentlichen gleichem Anlasszustand wurde am Werkstoff gemäss der Erfindung bei Raumtemperatur eine um etwa 20% höhere plastische Arbeit im Zugversuch bei einer Materialhär- te von 63 HRC ermittelt. Bei einer Materialhärte von 61,5 HRC wurde eine Steigerung der plasti- schen Arbeit um etwa 50% festgestellt, wobei als Vergleichsmaterial die pulvermetallurgisch her- gestellten Schnellarbeitsstähle HS-10-2-5-8-PM und HS-6-5-3-PM herangezogen wurden.
Neben der herausragenden Eigenschaftskombination von Festigkeit und Duktilität, welche
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oben gezeigt wurde, verfügt die erfindungsgemässe Legierung über eine sehr gute abrasive Ver- schleissfestigkeit, welche im SiC-Schleifpapiertest ermittelt wurde. Diese Eigenschaft wurde trotz eines gegenüber in diesem Anwendungsfeld verwendeten Standard-PM-Legierungen verminderten Primärkarbidgehaltes erzielt.
Der mittlere Verschleisswert beträgt für die angegebenen Legierungen einen Wert von 7g-1 bei einer Härte von 61 HRC.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kaltarbeitsstahl-Gegenstand mit einer chemischen Zusammensetzung des Werkstoffes in
Gew.-%:
Kohlenstoff (C) mehr als 0,6 und weniger als 1,0
Silizium (Si) mehr als 0,3 und weniger als 0,85
Mangan (Mn) mehr als 0,2 und weniger als 1,5
Phosphor (P) MAX 0,03
Schwefel (S) weniger als 0,5
Chrom (Cr) mehr als 4,0 und weniger als 6,2
Molybdän (Mo) mehr als 1,9 und weniger als 3,8
Nickel (Ni) weniger als 0,9
Vanadin (V) mehr als 1,0 und weniger als 2,9
Wolfram (W) mehr als 1,8 und weniger als 3,4
Kupfer (Cu) weniger als 0,7
Kobalt (Co) mehr als 3,8 und weniger als 5,8
Aluminium (AI) weniger als 0,045
Stickstoff (N) weniger als 0,2
Sauerstoff (0) MAX 0,012
Eisen (Fe) sowie erschmelzungsbedingte Begleit- und Verunreinigungselemente als Rest,
wobei der
Werkstoff nach einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt ist und nach einem thermischen Vergüten auf eine Härte von 64 HRC eine Schlagbiegearbeit bei Raumtempe- ratur von grösser 40,0 Joule (J) besitzt.