DE19531260C2 - Verfahren zur Herstellung eines Warmarbeitsstahls - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs aus einem Warmarbeitsstahl.

Warmarbeitsstähle werden vorwiegend für Gieß- und Umform-Werkzeuge zur Metallbearbeitung im Werk­ zeug Temperaturbereich zwischen 350 und 600°C eingesetzt. Ihre wichtigsten Eigenschaften zur Sicherstellung wirtschaftlicher Werkzeugstandzeiten sind eine dem Verwendungszweck angepaßte hohe Anlaßbeständigkeit, hohe Warmfestigkeitswerte mit daraus resultierender guter Verschleißfestigkeit sowie eine ausreichende Bruch­ zähigkeit. Die am Markt bekannten vergütbaren Warmarbeitsstähle können aufgrund ihres Anlaßverhaltens, wie in Fig. 1 dargestellt in folgende 3 Gruppen eingeteilt werden:

• A) Nickel/Chrom/Molybdän und Nickel/Chrom/Molybdän/Vanadium (NiCrMo/NiCrMoV) legierte Warmar­ beitsstähle
• B) Chrom/Molybdän/Vanadium (CrMoV) legierte Warmarbeitsstähle
• C) Wolfram/Chrom/Kobalt/Vanadium (WCrCoV) legierte Warmarbeitsstähle.

Die NiCrMo/NiCrMoV-legierten Warmarbeitsstähle haben wegen ihrer relativ guten Zähigkeit, aber gerin­ gen Verschleißfestigkeit in der Anwendung für Umformwerkzeuge lediglich für dynamisch beanspruchte, riß­ empfindliche Schmiedegesenke wirtschaftliche Bedeutung erlangt. Diese Werkstoffgruppe kommt für die Her­ stellung von hochwarmfesten Werkzeugen für den Temperaturbereich von 350 bis 600°C nicht in Frage, da bei diesen Temperaturen ihre Härte deutlich abfällt (siehe Fig. 1).

Die CrMoV-legierten Warmarbeitsstähle mit erhöhter Anlaßbeständigkeit, Warmfestigkeit und daraus resul­ tierender Verschleißfestigkeit finden Einsatz im Bereich Druckgießen und Strangpressen von Leichtmetall, sowie für hoch verschleißbeanspruchte Schmiedepressengesenke im Bereich der Stahl-Gesenkschmiedetechnik. Der gravierende Nachteil der konventionellen CrMoV-Warmarbeitsstähle ist ihre auf den hohen Karbidgehalt im Vergütungsgefüge zurückzuführende, vergleichsweise geringe Zähigkeit mit der Folge einer erhöhten Riß­ empfindlichkeit der Werkzeuge. Zur Verminderung der Rißempfindlichkeit insbesondere bei Beanspruchung quer zur Verformungsachse, wurden in den letzten Jahren Herstellungsverfahren entwickelt, mit denen gleich­ mäßigere und feinere Karbidausbildungen bei CrMoV-Warmarbeitstählen erreicht werden können, wie z. B. die Elektro-Schlacke-Umschmelztechnik, Diffusionsglühbehandlung von Rohblöcken, dreidimensionale Schmiede­ technik und Feinstruktur-Glühverfahren. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere bei Druckgießwerkzeugen aus CrMoV-Warmarbeitsstählen mit derart erzeugtem Feinstrukturgefüge das Tiefenwachstum der Temperatur­ wechselrisse an der formgebenden Oberfläche langsamer voranschreitet und somit eine Verlängerung der Lebensdauer der Werkzeuge erreicht werden kann. Dieser positive Effekt ist der verbesserten Zähigkeit zuzuschreiben. Die unter Zuhilfenahme der genannten Behandlungsverfahren erreichbaren Zähigkeitswerte liegen aber für viele Anwendungen unter den gewünschten Anforderungen. Bei Stranggußwerkzeugen aus Cr-MoV-Warmarbeitsstählen beispielsweise führen Gefügeschwächungen durch Korngrenzenkarbidausschei­ dungen noch häufig zur Rißbildung in filigran strukturierten Preßmatrizen und Innenbüchsen mit Flachdurch­ brüchen.

Die WCrCoV-Warmarbeitsstähle werden aufgrund ihrer höheren Herstellungskosten nur selten eingesetzt. Sie haben eine größere Warmfestigkeit als die CrMoV Warmarbeitsstähle, andererseits zum Teil eine noch geringere Zähigkeit.

NiCrMoV-legierte Stähle finden nicht nur als Warmarbeitsstähle für Werkzeuge Anwendung, sondern mit anderen Anteilen der Legierungselemente auch als Werkstoffe für Maschinenbauteile, beispielweise Turbinen­ teile, und für die Wehrtechnik z. B. Kanonenrohre. In diesen Anwendungsbereichen steht die Zähigkeit im Vordergrund, aber die Zugfestigkeit und Härte sind deutlich niedriger als bei Werkzeugstählen, wie aus Tabelle 2 hervorgeht. Insbesondere ist die etwa bei Schmiedewerkzeugen notwendige hohe Verschleißfestigkeit bei Arbeitstemperaturen von z. B. 500°C bei diesen Werkstoffen nicht gegeben. Die Stähle haben gemäß Tabelle 1 einen verhältnismäßig niedrigen Kohlenstoffgehalt in Kombination mit einem niedrigen Molybdän- und Vanadi­ umgehalt und werden auch nicht wie Warmarbeitsstähle behandelt.

Aus der US-PS 4 729 872 ist ein Werkzeugstahl für Warmarbeit bekannt innerhalb eines Zusammensetzungsbereichs von 0,10-0,70 Gew-% C, bis 4% Ni, bis 7% Cr, 0,2-12% Mo, bis 3% V, bis 2% Mn, bis 2% Si und als Rest Eisen und übliche Verunreinigungen. Daneben sind weitere Zusammensetzungen angesprochen. Eine besondere Auswahl im Hinblick auf optimale Zähigkeit in Verbindung mit hoher Warmfestigkeit im Rahmen des vorstehend genannten Zusammensetzungs­ bereichs und in Verbindung mit geeigneten Verfahrensschritten ist nicht getroffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines hochwarmfesten und gleichzeitig mit hoher Zähigkeit versehenen Warmarbeitsstahls für den dauerhaften Einsatz bei hohen Temperaturen von 350 bis 600°C zu schaffen, das zu vergleichbaren Kosten wie bei derzeit verwendeten Warmarbeitsstählen durchgeführt werden kann.

Vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das vorgeschlagene Verfahren führt zu einer hervorragenden Kombination von hoher Warmfestigkeit und Zähigkeit im vergüteten Zustand. Der Nickelgehalt von 2,5 bis 4,0% erlaubt es, das für eine hohe Zähigkeit notwendige martensitische Gefüge in angelassenem Zustand zu erhalten. Mit dem vorgesehenen Kohlenstoffge­ halt von 0,30-0,45% lassen sich Vergütungsfestigkeiten in dem für CrMoV-Warmarbeitsstähle üblichen Festig­ keitsbereich von ca. 1400-1600 N/mm², entsprechend 43-47 HRC erzielen, und gleichzeitig sind die Anteile der übrigen Legierungselemente so gewählt, daß eine sehr gute Warmfestigkeit ohne versprödende Karbidaus­ scheidungen im Gefüge erreicht wird. Dabei ist die optimale Abstimmung der Legierungsgehalte an Kohlenstoff, Chrom, Molybdän und Vanadium von besonderer Bedeutung für die Kombination der Eigenschaftsmerkmale hohe Warmfestigkeit und hohe Zähigkeit Korngrenzenkarbide und grobes Korn im Vergütungsgefüge sind zähigkeitsmindernde Faktoren. Zur Vermeidung dieser negativen Effekte muß gewährleistet sein, daß eine vollständige Auflösung der im Glühgefüge ausgeschiedenen Karbide bei den zur Anwendung kommenden Austenitisierungstemperaturen von 850-880°C erfolgt gleichzeitig aber Austenitkornwachstum verhindert wird. Es hat sich gezeigt, daß zur Realisierung dieses Zieles eine Begrenzung des Vanadiumgehaltes auf maximal 0,40% und des Kohlenstoffgehaltes auf höchstens 0,45% erforderlich ist Unabdingbare Voraussetzung ist aber das Vorhandensein einer feinkörnigen Gefügestruktur bereits bei der Vergütungsbehandlung.

Zur Einstellung vorgegebener Anlaßtemperaturen von über 550°C, sind Kohlenstoffgehalte über 0,30%, Chromgehalte über 1.0%, Molybdängehalte über 0,6% und Vanadiumgehalte über 0,20% notwendig. Chrom und Molybdän sind Träger der Warmfestigkeit bis ca. 500°C. Sie werden mit den genannten Mindest-Gehalten zulegiert, so daß eine Warmstreckgrenze von über 900 N/mm² bei Temperaturen bis 500°C vorhanden ist. Vanadium ist verantwortlich für die Gewährleistung einer ausreichenden Warmfestigkeit bei Beanspruchungs­ temperaturen von über 500°C. Es konnte ermittelt werden, daß z. B. für eine Warmstreckgrenze über 750 N/mm² bei 550°C ein Vanadiumgehalt von mindestens 0,20% erforderlich ist.

Für die Festlegung der Mindest-Legierungsgehalte an Chrom, Molybdän und Nickel ist darüber hinaus auch der Werkstückquerschnitt des herzustellenden Schmiedestückes maßgeblich. Während die in Tabelle 1 für den erfindungsgemäßen Stahl angegebenen unteren Grenzwerte mit 1,0% Chrom, 2,5% Nickel und 0,6% Molybdän für kleine Werkzeug-Querschnitte bis ca. 200 mm Durchmesser aufgrund der gegebenen Härtbarkeit ausrei­ chend sind, erfordern größere Querschnitte Legierungsanteile, die an der oberen angegebenen Grenze liegen, nämlich 2,50% Chrom, 4,0% Nickel und 1,0% Molybdän. Noch höhere Legierungsgehalte verschlechtern wiederum die Verarbeitungs-, Zähigkeits- und Gebrauchseigenschaften des Stahles maßgeblich.

Schließlich wird durch niedrige Anteile an Silizium und Mangan sowie der üblichen Verunreinigungen Schwe­ fel, Phosphor, Zinn, Antimon und Arsen ein anlaßversprödungsfreier Werkstoffzustand sichergestellt. Auch bei langem Einsatz im Temperaturbereich zwischen 350 und 550°C tritt keine Versprödung auf. Das erfindungsge­ mäße Verfahren eignet sich somit hervorragend für Warmarbeitswerkzeuge, bei denen CrMoV-Warmarbeitsstähle unter Betriebsbedingungen oft frühzeitig durch Rißbildung ausfallen und unzureichende Standzeiten haben.

Während der erfindungsgemäß hergestellte 3% NiCrMoV-Warmarbeitsstahl bei Überprüfung von Warmfestigkeit und Zeitstandeigenschaften bis 550°C gemäß Fig. 1 mindestens gleichwertige Ergebnisse wie herkömmliche CrMoV-Warmarbeitsstähle zeigt, sind seine Zähigkeitseigenschaften weit überlegen. So lassen sich im Kerb­ schlagbiegeversuch an ISO-V-Proben etwa 2- bis 5-fach höhere Schlagenergiewerte feststellen, siehe Tabelle 2. Die sehr guten Werkstoffeigenschaften konnten an Warmarbeitswerkzeugen unter Betriebsbedingungen durch ungewöhnlich hohe Lebensdauerkennzahlen belegt werden.

Besonders gute Festigkeits- und Zähigkeitswerte werden erzielt wenn in bevorzugter Ausführung der Erfin­ dung der Warmarbeitsstahl (in Gew-%) aus 0,35 bis 0,44% Kohlenstoff, 3,00 bis 3,50% Nickel, 1,50 bis 1,70% Chrom, 0,70 bis 0,90% Molybdän, 0,22 bis 0,30% Vanadium, höchstens bis zu 0,30% Mangan, maximal bis zu 0,30% Silizium und zum Rest aus Eisen und Üblichen Verunreinigungen besteht.

Nach den bisher vorliegenden Versuchsergebnissen werden optimale Werkstoffeigenschaften erhalten, wenn der Warmarbeitsstahl 0,37 bis 0,39% Kohlenstoff, 3,20 bis 3,50% Nickel, 1,60 bis 1,70% Chrom, 0,75 bis 0,85% Molybdän, 0,22 bis 0,25% Vanadium, nur bis zu 0,05% Mangan, bis zu 0,05% Silizium und zum Rest Eisen und übliche Verunreinigungen enthält.

Bei den Verunreinigungen sollte der Anteil von Schwefel und Phosphor jeweils auf maximal 0,030%, vorzugs­ weise 0,010% oder sogar 0,002% und der Anteil von Zinn, Antimon und Arsen jeweils auf maximal 0,010%, vorzugsweise 0,005% begrenzt sein.

Obgleich der so hergestellte Warmarbeitsstahl in der Zusammensetzung einem Kanonen- oder Maschinenbaustahl ähnelt wird er behandelt wie ein CrMoV-legierter Werkzeugstahl. Die Behandlung beginnt mit einem Diffusionsglühen bei etwa 1300°C. Die Dauer richtet sich nach der Größe des Gußblocks, beträgt aber mindestens etwa 24 Stunden. Das Diffusionsglühen dient der Homogenisierung des Gefüges, d. h. dem Ausgleich der Kristallseigerung.

Anschließend findet eine Warmumformung, vorzugsweise durch Schmieden, bei Temperaturen von etwa 850°C bis 1150°C und mit einem mindestens dreifachen Verformungsgrad statt. Das Schmiedestück wird nach der anschließenden Abkühlung, in der laufenden Produktion z. B. auf etwa 500°C, bei ca. 850 bis 880°C austeniti­ siert und dann bei einer Temperatur im Bereich 630 bis 650°C während einer Dauer von etwa 100 bis 200 Stunden isothermisch in die Perlitstufe umgewandelt.

Nach der Abkühlung an Luft werden die Rohlinge für die herzustellenden Warmarbeitswerkzeuge mecha­ nisch aus dem Schmiedestück herausgearbeitet, entsprechend den jeweiligen Fertigungszeichnungen bearbeitet und dann vergütet. Dabei werden die etwa bei 850°C austenitisierten Werkstücke entweder z. B. in einem Blei- oder Satzbad oder alternativ im Wege einer sog. Warmbadsimulationsvergütung im Vakuum durch eingeblasenen Stickstoff auf etwa 450°C abgekühlt und ausgeglichen. Anschließend werden die Stücke an Luft auf Raumtem­ peratur abgekühlt und dann entsprechend dem Anlaßdiagramm auf Einsatzfestigkeit angelassen. Schließlich gewährleistet langsames Abkühlen einen spannungsarmen Zustand.

Anstelle des vorstehend erwähnten Diffusionsglühens könnte zum Ausgleich der Kristallseigerung auch ein homogenisierendes Verfahren der Umschmelztechnik angewendet werden.

Das neue Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Werkzeugen für die Metallumfor­ mung im erwärmten Zustand und für das Druckgießen, insbesondere von Schmiedegesenken, Druckgießformen, Stanggußinnenbüchen und Strangpressmatrizen. Die Vergleichsversuche mit den gebräuchlichen Warmar­ beitsstählen haben, was die Relation zwischen Anlaßtemperatur und Härte sowie dementsprechend Zugfestig­ keit anbetrifft, zudem Kurvenschaubild nach Fig. 1 geführt. Die Tabelle 1 erlaubt einen Vergleich der Anteile der verschiedenen Legierungselemente des erfindungsgemäß hergestellten Warmarbeitsstahls und der bisher gebräuchli­ chen Warmarbeitsstähle sowie der oben erwähnten NiCrMoV-legierten Stähle für Maschinenteile und die Wehrtechnik. Schließlich sind in Tabelle 2 die durch Versuche ermittelten charakteristischen Festigkeits- und Zähigkeitswerte denen der herkömmlichen Warmarbeitsstähle und der genannten NiCrMoV-legierten Stähle für den Maschinenbau und die Wehrtechnik gegenübergestellt. Den bildlichen und zahlenmäßigen Darstellun­ gen in zu entnehmen, daß der erfindungsgemäß hergestellte Warmarbeitsstahl hinsichtlich Härte, Zug- und Warmfestigkeit den auf diesem Sektor dominierenden CrMoV-legierten Warmarbeitsstählen nicht nachsteht, aber um ein mehrfaches bessere Zähigkeitswerte aufweist.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs aus einem Warmarbeitsstahl, bestehend aus 0,30 bis 0,45 Gew.-% Kohlenstoff, 2,50 bis 4,00 Gew.-% Nickel, 1,00 bis 2,50 Gew.-% Chrom, 0,60 bis 1,00 Gew.-% Molybdän, 0,20 bis 0,40 Gew.-% Vanadium, bis zu 0,55 Gewichtsprozent Mangan, bis zu 1,00 Gew.-% Silizium und zum Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen, wobei ein Gußblock zum Ausgleich von Kristallseigerungen einer mindestens 24 Stunden dauernden Diffusionsglühbehandlung bei einer Temperatur von mindestens 1300°C oder einem Umschmelzverfahren unterzogen wird,
nach der Diffusionsglühbehandlung eine Warmumformung, z. B. durch Schmieden, mit einem mindestens dreifachen Verformungsgrad durchgeführt wird, und
nach der Warmumformung eine Feinstruktur­ behandlung durch Austenitisierung und anschließende Perlitisierungsglühung bei 630 bis 650°C während einer Dauer von 100-200 Stunden durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Warmarbeitsstahl eine Zusammensetzung aus 0,35 bis 0,44% Kohlenstoff, 3,00 bis 3,50% Nickel, 1,50 bis 1,70% Chrom, 0,70 bis 0,90% Molybdän, 0,22 bis 0,30% Vanadium, bis zu 0,30% Mangan, bis zu 0,30% Silizium und zum Rest von Eisen und üblichen Verunreinigungen verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Warmarbeitsstahl eine Zusammensetzung aus 0,37 bis 0,39% Kohlenstoff, 3,20 bis 3,50% Nickel, 1,60 bis 1,70% Chrom, 0,75 bis 0,85% Molybdän, 0,22 bis 0,25% Vanadium, bis zu 0,05% Mangan, bis zu 0,05% Silizium und zum Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Verunreinigun­ gen der Anteil von Schwefel und Phosphor jeweils auf maximal 0,03 Gew.-% und der Anteil von Zinn, Antimon und Arsen jeweils auf maximal 0,01 Gew-% begrenzt wird.