DE1014577B - Verfahren zur Herstellung von Warmarbeitswerkzeugen unter Verwendung einer aushaertenden Stahllegierung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von im Betrieb aushärtenden Warmarbeitswerkzeugen mit hoher Riß- und Bruchfestigkeit sowie mit hoher Streckgrenze bei statischen Druckbeanspruchungen in der Wärme. .

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Matrizen zum Warmpreßschmieden und soll deshalb unter besonderer Bezugnahme auf diese besprochen werden. Jahrelange Erfahrung hat klar gezeigt, daß das Preßschmieden einen Matrizenstahl erfordert, der bessere Eigenschaften bezüglich der Hitzebeständigkeit besitzt, als sie für die in der Fallhammergesenkschmiede üblichen Matrizenstähle nötig sind. Dies ist zum großen Teil darauf zurückzuführen, daß einerseits beim Preßschmieden die Zeit des Kontaktes zwischen dem Schmiedestück und der Matrize langer ist als beim Fallhammergesenkschmieden und andererseits hohe statische Drücke auftreten. Diese Faktoren zusammen bewirken eine stärkere Wärmeübertragung auf die Oberfläche der Preßmatrize, die sich zwischen den Arbeitsgängen des Schmiedens abkühlt. Demgemäß ist die Matrizenoberfläche immer wieder in einem weiten Bereich Temperaturwechseln ausgesetzt, und die Preßmatrize neigt daher stärker zur Brandrissigkeit als ein Fal.hammergesenk. Die Gefährdung durch extreme Temperaturen, denen die Matrize während des Pressens ausgesetzt ist, und ebenso die Neigung zur Entstehung von Brandrissen wächst weiter an, wenn dampfförmiges oder flüssiges Kühlmittel zur Kühlung der Matrizenoberfiäche verwendet wird.

Ein übliches Maß für die Lebensdauer einer Preßmatrize ist die Zeit, bis es zur Bildung von Brandrissen kommt, insoweit diese ein Festhaften der Schmiedestücke und Unebenheiten ihrer Oberflächen verursachen. Infolge davon ist die nutzbare Lebensdauer der Matrize beendet, und sie muß entweder ausgewechselt oder die Prägung muß in einer größeren Tiefe nachgearbeitet werden, was nicht immer zweckmäßig ist. Infolge davon hing die Entwicklung des Preßschmiedens als Ersatz für Fallhammer- oder Reckschmieden weitgehend von der Weiterentwicklung eines Stahles ab, der Brandrissen gegenüber widerstandsfähiger ist, als es die bekannten Stähle und die für Fallhammergesenke verwendeten waren.

Weiterhin ist erforderlich, daß die Matrizen nicht verhältnismäßig schnell unter dem Fluß des Metalls innerhalb des Gesenkes erodiert werden, daß sie selbst plastischer Verformung gegenüber widerstandsfähig sind, und beim Gebrauch nicht brechen.

Es ist eine Vielzahl von Stählen für Zwecke einer Warmverformung, wie Reck- oder Stoßschmieden, verwendet worden. Aber aus den angegebenen Gründen besteht ein Bedürfnis für Stähle, die sich besser zum Preßschmieden eignen. Darüber hinaus erfordern mehrere der für Fallhammergesenke verwendeten Stähle wie auch solche, die Verfahren zur Herstellung

von Warmarb eitswerkzeugen

unter Verwendung einer aushärtenden

Stahllegierung

Anmelder:

Heppenstall Company,
Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. F. Zumstein, Patentanwalt,
München 2, Bräuhausstr. 4

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. August 1952

John August Succop, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

bisher normalerweise zum Preßschmieden verwendet wurden, beträchtliche Mengen von gegenwärtig kritischen Metallen, wie beispielsweise Wolfram, und es würde wünschenswert sein, für statischen Druck in der Hitze befriedigende Elemente zu besitzen, um die Verwendung solcher kritischen Metalle zu vermeiden.

Es ist Hauptziel der vorliegenden Erfindung, Warm·' Verformungsstähle und daraus hergestellte Gegenstände zu schaffen, die sich besonders als Werkzeuge zur Warmverformung bei statischen Drücken eignen, die von einfacher, verhältnismäßig billiger Zusammensetzung und leicht zu vergüten sind und ausnehmend hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Brandrissen, Brechen während des Betriebs besitzen und in bezug auf das bearbeitete Metall widerstandsfähig sind.

Ein weiteres Ziel sind Warmverformungswerkzeuge für ein Arbeiten unter statischem Druck, die im abgeschreckten und angelassenen Zustand in Betrieb genommen werden können und während des Betriebes durch Aushärtung eine sekundäre Oberflächenhärte entwickeln, die sich in dem Maße laufend weiter ausbildet,

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als die Oberfläche abgenutzt oder die Matrizenprägung dem sie im Tiefofen in ihrer Temperatur ausgeglichen neu geschnitten wird. wurden, bei etwa 1218 bis 1232° C gewalzt, dann im Tief- |·

Die graphischen Darstellungen zeigen die Abhängigkeit ofen bei 675 bis 700° ausgeglichen und langsam auf etwa * bestimmter Eigenschaften der Stähle von der Temperatur. 315° C abgekühlt. Dann können sie mit Luft aöge- 1 Gemäß der Erfindung wird zur Herstellung von in 5 schreckt werden. Das Ausschmieden wird unter Anwän-^: s Betrieb aushärtenden Warmarbeitswerkzeugen eine Stahl- dung einer im wesentlichen gleichen Wärmebehandlung legierung verwendet, die im wesentlichen folgende Zu- durchgeführt. ^!

sammensetzung aufweist: Die auf diese Weise hergestellten Matrizenblöcke ■:"'■

werden dann einer Lösungs- bzw. AustenitisierungsBe-;. ,11

Kohlenstoff 0,15 bis 0,3 % io handlung unterworfen, indem sie langsam auf 962 bis ' ^;

Mangan 0,6 bis 0,8 % iO38° C, vorzugsweise 1004 bis 1016° C, erhitzt rand ^r

.. Molybdän 3,25 bis 3,5 % 15 bis 20 Minuten je 25,4 mm Dicke auf dieser Temperate ;'

Nickel 3,0 bis 3,25 % gehalten werden. Dann werden sie mit Luft abgeschreckt. *

Silizium 0,2 bis 0,35 % I_n diesem Zustand beträgt die Härte etwa 38 bis 40 4

i5 Rockwell C, und die Blöcke sind verhältnismäßig gut -

Die Stähle sollten nicht über 0,03% Phosphor und bearbeitbar, so daß ein befriedigendes Nachbealftgijen nicht über 0,03% Schwefel enthalten. Der Rest der der Matrizenprägung gewährleistet ist. In diesem 'fitiit it Stähle besteht aus Eisen zusammen mit Verunreinigungen angelassenen Zustand können die Matrizen unmitteÜSBir ;« und zufälligen Legierungselementen, wie Wolfram, Chrom in Betrieb genommen werden, und infolge des KontaBKsV·' und Vanadin, in Mengen, die die charakteristischen 20 mit dem heißen Werkstück erfährt der Stahl unmitteÄttr' Eigenschaften des Stahles der erfindungsgemäßen Arbeits- an der Oberfläche der Matrizenprägung eine Aushärttiiqg^: elemente nicht nachteilig beeinflussen. - und entwickelt eine Härte, die mit derjenigen vergleichbar;,, :';

Warmverformungselemente, die aus dem Stahl der ist, die auf Grund des im folgenden beschriebenen Antoben angegebenen Zusammensetzung bestehen, haben lassens erreicht wird. Dieses Verfahren kann bei großen : sich hervorragend als Warmschmiedepreßmatrizen be- 25 Matrizen und solchen, die eine tiefe Prägung besitzen¹) '■■* währt, und es hat sich gezeigt, daß sie für einen solchen erfolgreich durchgeführt werden, ist jedoch dort weniger * Verwendungszweck Matrizen aus irgendwelchen anderen befriedigend, wo lange Lebensdauer von kleinen; Matrizen. =^; Stählen weit überlegen sind. Sie sind ausnehmend wider- und flacher Prägung gewünscht wird, da die Abnutzung f standsfähig gegenüber Brandrissigkeit. Sie besitzen eine der Prägung zu groß wird, bevor die Oberfläche ihre volle > gute Stoßfestigkeit, wodurch Brüche während des Betriebs 30 Härte erreicht hat. In diesem Falle werden daher die ,,; vermieden werden, und sie sind plastischer Verformung Matrizen mit einer höheren Anfangshärte in Betrieb¹ i: unter dem Einfluß der Druckspannungen gegenüber genommen. 9

widerstandsfähig. Außerdem entwickeln und behalten Für die meisten Zwecke wird der Block daher vorzugs-

sie während des Betriebs eine Oberflächenhärte, die weise, wie oben beschrieben, abgeschreckt und dann bei geeignet ist, die Abnutzung der Gesenköffnungen unter 35 Temperaturen unterhalb und vorzugsweise nahe denen, ■ dem Einfluß des plastischen Fließens des Metalls während die ein Maximum an Vergütungshärte hervorrufen, söge- ;,; des Schmiedens auf ein Minimum herabzusetzen. lassen. Obwohl die Blöcke in diesem Zustand härter sind ·'■.[

Eint, hervorstechende Eigenschaft ist es, daß die erfin- als im abgeschreckten Zustand, so sind sie doch noch -· dungsgemäßen Warmarbeitswerkzeuge, wenn sie in ge- weich genug, um eine Bearbeitung der MatrizenprägiiSg ■■ eigneter Weise wärmebehandelt sind, weich genug sind, 40 zuzulassen. Sie werden dann ohne weitere Behandlung ifi um leicht bearbeitet werden zu können. Sie erfahren aber Betrieb genommen, wobei der Kontakt der MatrizeS- O während des Betriebs unter dem Einfluß der aus dem prägung mit dem heißen Schmiedematerial laufend Ms-Arbeitsmaterial absorbierten Wärme eine Aushärtung zu einer begrenzten Eindringtiefe die Ausbildung der oder die Bildung einer sekundären Härte an der Ober- vollen Härte des Blocks veranlaßt. Diese Härtezunahme fläche mit dem Erfolg, daß sich eine hohe Oberflächen- 45 und die daraus folgende Abnutzungsfestigkeit treten in ; härte ausbildet. Dieses Aushärten setzt sich fort, wenn erster Linie nahe der Oberfläche der Prägung auf, da die : die Matrize einmal in Betrieb genommen ist, und in dem Temperatur in einiger Tiefe im Innern des Blocks nicht Maße, wie die Matrizenoberfläche erwärmt wird, bildet genügend hoch ist, um den Aushärtungsvorgang mit sich die maximale Härte aus. Demgemäß besitzen Preß- einer merklichen Geschwindigkeit erfolgen zu lassen, matrizen und andere erfindungsgemäß hergestellte sta- 50 Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die die Wifl||fig ^: tisch beanspruchte Warmarbeitswerkzeuge eine Ober- der Anlaßtemperatur auf die Härte veranschaulieKit: ■ ■ flächenhärte, die die Abnutzung auf ein Mmimum herab- Wie daraus hervorgeht, beginnt die Aushärtung bei ver^ * setzt, während das Metall an der Oberfläche und unmittel- hältnismäßig niedrigen Temperaturen, erfolgt aber lau-¹ bar darunter von einem geschmeidigen Metallinnern ge- fend von etwa 316 bis 343° C an schneller, und bei etwa -V tragen wird, und auf diese Weise eine ausgezeichnete 55 565° C wird die maximale Härte erreicht. Diese graphi? Schlagfestigkeit zustande kommt. Bedeutender ist jedoch sehe Darstellung ist charakteristisch für die erfmdaftgsdie außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit dieser Warm- gemäßen Stähle. Für die meisten Zwecke wird vorzogs* ^l! arbeitswerkzeuge gegenüber Materialrissen, die durch weise bei etwa 510 bis 538° C angelassen und so eine ·;■ Erwärmung oder Härtung hervorgerufen werden. Härte von etwa 45 bis 48 Rockwell C erzeugt. Wenn die ί

Diese Ergebnisse sind vom Standpunkt der Metallurgie 60 Matrize in Betrieb genommen wird, erreicht sie, wie oben aus überraschend, da bekannt ist, daß Nickel dazu neigt, beschrieben, ihre maximale Härte. - f

Stähle Warmbrüchen gegenüber empfänglicher zumachen, Diese Behandlung, d.h. Anlassen bis nahe an die

und daß es sich gewöhnlich nicht dazu eignet, Warm- maximale Härte, führt zu den besten Ergebnissen. .'* festigkeit zu erzeugen. Die erfindungsgemäßen Preß- Schlagfestigkeit wird für den beabsichtigten Zweck¹ 2

matrizen zeigen jedoch beim Warmpreßschmieden be- 65 gewünscht, und Anlassen bei einer verhältnismäßig tiefen

merkenswerte Widerstandsfähigkeit gegenüber Brand- Temperatur vermeidet Schälen und Entkohlen dex rissen. Prägung. Um die Wirkung des Anlassens bei verseife- ί

Um optimale Ergebnisse zu erzielen, werden die Stähle denen Temperaturen durch Beispiele zu belegen, seife ■ i besonders durch Schmelzen mittels elektrischer Induktion die folgenden Daten angeführt, die für die Eigenschaften··*·""If hergestellt. Vorzugsweise werden die Rohblöcke, nach- 70 von Prüfstäben gelten, die bei 1016° C einer LÄ|^*|

■.#- ,ίίίίίί &

behandlung unterworfen und bei den angegebenen Temperaturen angelassen worden sind:

	Zug festig keit	0,2- Streck grenze	Bruch dehnung	Quer-	Schlag arbeit (Izod)
Tempe ratur	kg/mm2	kg/mm2	7o	schnitts- ver- minde- rung	mkg
0C	126	82	17,0	°/o	5,4
	126	83	17,0	41,0	5,5
149	130	91	17,5	44,0	2,5
371	136	98	17,0	49,0	2,2
483	142	112	16,5	45,0	1,9
SlO	156	123	15,0	43,0	1,7
538	176	144	7,5	36,0	0,6
565	149	118	11,5	12,0	1,0
593			24,0

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Die in Fig. 2 wiedergegebenen Kurven veranschaulichen die erforderliche Schlagarbeit bei verschiedenen Temperaturen. Kurve 1 zeigt die Schlagarbeit bei verschiedenen Temperaturen, wenn die Lösungsbehandlung bei 1016° C und kein Anlassen erfolgte. Kurve 2 zeigt die Schlagarbeit bei verschiedenen Temperaturen für ein Material, das bei 1016° C einer Lösungsglühbehandlung unterworfen und 4 Stunden bei 510° C angelassen wurde. Aus diesen beiden Kurven geht hervor, daß die Schlagarbeit der einer Lösungsglühbehandlung unterworfenen und nicht angelassenen Probe sich zwischen etwa 65 bis 316° C wenig ändert, die Schlagarbeit der einer Lösungsglühbehandlung unterworfenen und angelassenen Probe dagegen laufend zunimmt, bis sie der des nicht angelassenen Materials gleichkommt. Kurve 3 zeigt die Wirkung zu starken Anlassens, die Proben wurden einer Lösungsglühbehandlung unterworfen und 4 Stunden lang bei 602° C angelassen. Die Schlagarbeit ist offensichtlich ' weit geringer als die der Proben der Kurven 1 und 2.

Genaue Messungen haben gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Stähle im Gegensatz zu den meisten Stahllegierungen während der Erwärmung, der Kühlung und den Vergütungsstufen keine wesentliche Änderung ihrer Abmessungen erfahren. Daher sind diese Stähle für alle die Anwendungsgebiete geeignet, bei denen Stabilität der Abmessungen erforderlich ist, und auf dieser Eigenschaft beruht zweifellos auch die außergewöhnliche Wider-Standsfähigkeit gegenüber Brandrissigkeit, die die erfindungsgemäßen Warmarbeitswerkzeuge kennzeichnet.

Die Erfindung ist im einzelnen unter Bezugnahme auf Matrizen für das Warmpreßschmieden beschrieben worden. Sie ist jedoch ebenso für andere unter statischem Druck stehende Warmarbeitswerkzeuge, wie Strangpreßmatrizen, Schermesser, Schleudergußformen, Stauchmatrizen, Stempel u. dgl. anwendbar.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung seien die folgenden Angaben angeführt, die erfindungsgemäße Matrizen mit anders legierten Warmarbeitswerkzeugen, die für dieselben Arbeiten verwendet werden, vergleichen.

Als Beispiel dafür, daß die gemäß der Erfindung hergestellten Warmarbeitswerkzeuge eine längere Lebensdauer als anders legierte Warmarbeitswerkzeuge haben, sei erwähnt, daß Werkzeuge aus 5°/₀igen Chromstählen nur eine beschränkte Produktion zuließen, da sich Risse in den Werkzeugen bildeten. Es konnten mit einem Werkzeug aus Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl mit 0,5 °/₀ Kohlenstoff nur 10 000 Schmiedestücke hergestellt werden, während man mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Matrize die doppelte Fertigungsmenge erhält.

Auch bei der Herstellung von Verbindungskappen, Klammern und Fahrzeuggetriebeteilen konnte die Produktion rund auf das Doppelte gesteigert werden, wenn gemäß der Erfindung ausgebildete Matrizen verwendet wurden.

Bei der Wärmebehandlung können die Warmarbeitswerkzeuge von Temperaturen unterhalb 982° C abgeschreckt werden, obwohl dies weniger wirkungsvoll ist, als wenn sie von 982 bis 1038° C abgeschreckt werden. Ebenso können sie von oberhalb 1038° C abgeschreckt werden. Dieses ist jedoch gewöhnlich nicht erwünscht, weil dabei die Gefahr eines Kornwachstums auftritt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von im Betrieb aushärtenden Warmarbeitswerkzeugen, wie Warmstauchmatrizen, Strangpreßformen und Warmverformungsstempel, mit hoher Riß- und Bruchfestigkeit sowie Streckgrenze bei statischen Druckbeanspruchungen in der Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stahllegierung mit 0,15 bis 0,30 % Kohlenstoff, 0,60 bis 0,80 ⁰I₀ Mangan, 3,25 bis 3,50% Molybdän, 3,00 bis 3,25 °/₀ Nickel, 0,2 bis 0,35 % Silizium, Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen und zufällig vorhandenen, die Eigenschaften der Legierung nicht nachteilig beeinflussenden Elementen verwendet und das hieraus ausgeschmiedete Werkzeug langsam auf Lösungstemperatur von 982 bis 1038° C, vorzugsweise auf 1005 bis 1015° C, erhitzt, auf dieser Temperatur mit einer Dauer von 15 bis 20 Minuten je 25,4 mm Werkstückdicke gehalten, mittels Luft abgeschreckt, darauf nachbearbeitet und anschließend in Betrieb genommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug von einer Lösungstemperatur von 1015 bis 1025° C mit Luft oder Öl abgeschreckt, darauf nachbearbeitet, anschließend bei einer Temperatur unterhalb von 595° C, vorzugsweise bei Temperaturen von 510 bis 540° C, angelassen und dann in Betrieb genommen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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