DE2048151B2

DE2048151B2 - Waermebehandelbarer anlassbestaendiger chromhaltiger karbid werkzeugstahl und dessen verwendung

Info

Publication number: DE2048151B2
Application number: DE19702048151
Authority: DE
Inventors: Arnold Louis Suffern N Y PnIl (V St A)
Original assignee: Chromalloy American Corp
Current assignee: Chromalloy American Corp
Priority date: 1969-12-18
Filing date: 1970-09-30
Publication date: 1972-03-23
Also published as: CH527907A; JPS5036410B1; GB1282269A; US3653982A; ES383805A1; DE2048151A1; SE374138B; FR2072889A5

Description

8 bis 12% Chrom,
0,6 bis 1,2% Kohlenstoff, 0,5 bis 5% Molybdän,

0 bis 5% Wolfram,

wobei die Summe von Wolfram- und Molybdängehalt 5% nicht überschreitet,

0 bis 2% Vanadium,
0 bis 3% Nickel,
0 bis 5% Kobalt,
0 bis 1,5% Silizium,
0 bis 2% Mangan,

Rest Eisen und erschmelzungsbedingtc Verunreinigungen besteht, wobei das Gewichtsverhältnis von Chrom zu Kohlenstoff in der Matrix 7:1 bis 25:1 beträgt und die Matrix ein aus Austenit umgewandeltes Gefüge aufweist.

2. Karbidwerkzeugstalil nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß in der Matrix der Kohlenstoffgehalt 0,7 bis 1 un4 das Cr zu C-Verhältnis 9 : 1 bis 18: I bet.dgl.

3. Karbidwerkzeug-tahl π ;h Anspruch 1 oder 2 mit der Maßgabe, daß das aus Austenit umgewandelte Gefüge der Mairix ! .-rlit ist.

4 Karbidwerkzeugstahl nach Anspruch I oder 2, mit ler Maßgabe, daß das aus Auslernt umgewandelte Gefüge der Matrix Martensit ist.

5. Karbidwerkzeugstahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit der Maßgabe, daß er 30 bis 65 Volumprozent Titankarbid enthält.

6. Verwendung eines Karbidwerkzeugstahls nu-h einem der Ansprüche I bis 5 zur Herstellung von Slabmaterial.

7 Verwendungeines Karbidwerk/eugstahlsnach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Matrizenclernentcn, welche während ihres Gebrauchs durch den Kontakt mit /u bearbeitendem Material erhitzt werden und anlaßbeständig sind

8 Verwendungeines Karbidwerkzeugstahls nach Anspruch 7 zur Herstellung von Angußeinsät/en Von Spritz- bzw. Sprit/gußformen

9 Verwendung eines Karbidwcrk/cugstahlsnach Anspruch 7 zur Herstellung von Abstreifmatn/en.

M). Verwendung eine¹. Karbidwerk/eugstahls Bach einem der Ansprüche I bis 5 für verschleißfest r Elemente

Die Erfindung bezieht sich auf einen warmcbehandelbaren, anlaßbeständigen, chromhiultigen Karbidwerk/eugstahl und dessen Verwendung.

f-s ist bereits ein wärmcbchandelbarcr, chromhaltiger Karbidwerkzeiigsiahl mil aiislenilischem Matrixgefüge bekannt (britische Patentschrift I 104 259), bei dem 30 bis 60 Volumprozent primäre Karbidkörncr auf Titankarhidbasis in einer Matrix aus 0,3 bis 0,8% Kohlenstoff, I bis 6% Chrom, 0.3 bis 6% Molybdän und dem Rest Risen enthalten sind, Außer TitankarbiJ können auch andere Karbide, beispielsweise Wolfram-, Molybdän-, Chrom-, Zirkon-, Vanadium-, Niob-, Tantal- u.dgl. -karbide vorhanden sein. Die s Herstellung des Werkzeugstahl erfolgt vor allem nach Verfahren der Pulvermetallurgie, d. h. dadurch, daß pulverförmige primäre Karbidkörner, vor allem Titankarbid, mit pulverförmigen Stahl-, d. h. die Matrix bildenden Bestandteilen, vermi; ⁽:ht, zu einem

ίο Preßling gepreßt und in flüssiger Phase unter nicht oxydierenden Bedingungen, z. B. im Vakuum, gesintert weiden. Das Sintern erfolgt beispielsweise '/τ Stunde lang bei einer Temperatur von 1450"C und einem Vakuum von 0,02 mm Hg und weniger.

^5 Nach dem Kühlen der Sinterprodukte werden diese etwa 2 Stunden auf900" C angelassen und anschließend mit einer Geschwindigkeit von etwa 15grd/h auf l00ⁿC und anschließend im Ofen auf Zimmertemperatur abgekühlt, so daß ein geglühtes Mikrogefüge entsteht, das kugeligen Perlit (Spheroidal enthält. Die Glühhärte eines solchen Produkts beträgt etwa 45 Rockwell »C«. Die gewünschie Werkzeugform wird anschließend durch spanabhebende Bearbeitung erzielt. Dnran schließt sich eine etwa viertelstündige Härtebehandlung auf der Austenitisierungstempcratur vor 955"C und¹ anschließendes Abschrecken in öl oder Wasser an, um die verhältnismäßig große Härte von etwa 70 Rockwell »C« zu erzielen Der Nachteil dieses an sich vorzüglichen Werkzeug-Stahls besteht jedoch darin, daß er zum Ubertempern neigt, d. h. bei höheren Temperaturen, die insbesondere bei dessen Verwendung als Werkzeug auftreten, erweicht. Die Lebensdauer von aus diesem Werkzeugstahl hergestellten Werkzeugen ist daher stark abhängig von den im Betrieb auftretenden Temperaturen Bei solchen üblichen Erwärmungen .m Betrieb wird die Härte auf beispielsweise 62 bis 65 Rockwell »C« vermindert, bei der das Werkzeug dann rascher verschleiß!

Darüber hinaus ist ein wärmebehandelbarer Karhidwcrkzeugstahi ähnluher Art bekannt (USA-Patentschrift 3 053 706), dessen in der Stahlmatrix verteilten primären Karbidkörner aus einer gesättigten festen Lösung von Wolfram- und Titan-Karbid bestehen Wird -in solcher Karbidwerkzeugstahl bei erhöhten Temperaturen von beispielsweise 540 bis 650''C nach Art einer Sekundärhärtung gehärtet, dann wird /w,ir der Gefahr des Erweichtns bei im Betrieb auftretenden, etwas niedrigeren Temperature vorgebeugt, dann neigt der Karbidwerkzeugstahl allerdings zum Poröswerden, insbesondere, wenn es sich um größere Werk zcuglcilc handelt, die beispielsweise lur Matrizen vcr wendet werden Solche Teile weisen beispielsweise einen quadratischen (Juerschriitl von 3.8 cm Kanlcnlänge und nvhr auf

Sil'licßhch ist es auch bekannt, auf pulvcrmetallurgistht:m Wege unter Sinterung mit flüssiger Phase hergestellte, durch Austenitzerfall härtbare und durch Anlassen in ihrer Härte einstellbare Karbidwerkzeugfw stähle, in deren Stahlmatrix Wolfram, Molybdän, Vanadium, Chrom und Kobalt einzeln oder zu mehreren einlegiert ist, für zum spanabhebenden und spanlosem Formgeben dienende Werkzeuge, beispielsweise Schneidwerkzeuge, Slauchmatrizen, Reibahlen u.dgl. zu verwenden und den Karbidwerkzeugstahl in Stangenform herzustellen (deutsche Patentschrift I 216 550). Auch hierbei treten jedoch die eingangs erwähnten Nachteile auf.

Per Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Karbidwerk/eugsiabl der eingangs genannten Arl du hingehend zu verbessern, daß das Erweichen bei höheren Temperaturen, die z.B. beim Vorerhitzen durch den zu bearbeitenden Werkstoff oder beim Bearbeiten selbst auftreten, und das Poröswerden größerer Stücke vermieden werden. Durch die Lösung dieser Aufgabe ist es möglich, die Lebensdauer von aus diesem Karbidwerkzeugstahl hergestellten Werkaeeugen insbesondere dann zu verlängern, wenn im Beirieb solche erhöhte Temperaturen auftreten.

überraschenderweise wurde gefunden, daß diese Aufgabe dann lösbar ist, wenn die Stüihlmatrix einen verhältnismäßig hohen Chromgehalt aufweist und das Verhältnis zwischen Chrom und Kohlenstoff in der Matrix in besonderer Weise gewählt isit.

Die Erfindung besteht darin, daß der Karbidwerk-Kugstahl 25 bis 75 Volumprozent eines im wesentlichen aus Titankarbid bestehenden primären Karbids enthält, die in einer Matrix verteilt sind, die aus

8 bis 12% Chrom,

0,6 bis 1,2% Kohlenstoff,

0,5 bis 5% Molybdän,

0 bis 5% Wolfram,

wobei die Summe von Wolfram- und Molybdängehalt 5% nicht überschreitet,

0 bis 2% Vanadium,
0 bis 3% Nickel.
0 bis 5% Kobalt
0 bis 1.5% Silicium,
0 bis 2% Mangan,

Rest Eisen und erschmelzungsbedingile Verunreinigungen aufweist, und bei der das Gewichtsverhältnis von Chrom zu Kohlenstoff in der Matrix 7:1 bis 25:1 beträgt und die Matrix ein aus Austenit umgewandeltes Gefiige aufweist.

Ein derartiger Karbidwerkzeugstahl weist einen Sekundärhärtungseffekt auf und widersteht dem bei üblichen Arbeitstemperaturen von beispielsweise Matrizen auftretenden Tempern. Er ist als anlaßbeständig tu bezeichnen.

Das Karbid ist zweckmäßigerweise in Form von Körnern fein in der Stahlmatrix verteilt, und der Gelamtkohienstoffgehalt des Karbidwerkzeugstahls beträgt /weckmäßigerweise mindestens 6%. Dieser Gelamtkohlensti (Tgehalt in der Stahlmatrix hängt von der Menge des Titankarbids als auch von der Kohlen-Itoffmenge it> der Stahtmatrix ab. Es empfiehlt sich tor allem, den Kohlenstoffgehalt in der Matrix zwischen 0.6 und 1,2, insbesondere zwischen 0,7 und 1% tu wählen und das Chrom-Kohlenstoff-Verhällnis «wischen 9:1 und 18:1 auszuwählen. Ein Anteil der primären Karbidkörner am Karbidwerlkzeugstahl zwi-•chen M) und 65 Volumprozent werden besonders befor/ugt Der Molybdängehalt der Matrix beträgt Iwcckmäßigcrweise 2 bis 5%.

Das aus dem Austenit umgewandelte Gefiige der Matrix sollte ein MikrogefUge, insbesondere Perlit, Bainit oder Martcnsit sein. Der erfindungsgemäße Karbidwerkzeugstahl dient vor allem zur Herstellung von Stabmaterial und von Matrizenelementen, die während ihres Gebrauchs durch den Kontakt mit zu bearbeitendem Material erhitzt werden und anlaßbeständig sind Solche Matrizenelcmenle sind vor allem Angußeinsätze von Spritz- bzw. SprilzguB-formen und Abstreifmatrizen, die insbesondere bei der Herstellung von KraΠfahrzcuykitιn.isiri ieri verwendet werden. Die heim Einspritzen von beispielsweise Kunststoff oder dem Verformen des zu bearbeitenden Metalls auftretende Erwärmung führt selbst

dann noch nicht zu einer Beeinträchtigung der Harte und damit Verminderung der Verschleißfestigkeit, wenn diese Temperaturen bis zu 538C betragen.

Allgemein ist der erfindungsgemäße Karbidwerkzeugstahl für anlaßbestiiiulige verschleißfeste Werkzeuge verwendbar.

Herslellungsbeispiele

Es werden Karbid werkzeugstähle mit einer Stahlmatrix hergestellt, die wechselnde Chrom-, Molyb-

dan- und Kohlenstoffgehalt aufweisen. Je 50 Volumprozent sind Titankarbid und Matrixstahl vorhanden.

Hierzu werden 1000 g Tilankarbid von 5 bis 7 «m durchschnittlicher Korngröße in einer Slahlkugel-

mühle (mit Kugeln aus rostfreiem Stahl) mit 1500 g der stahlmatrixbildenden Bestandteile vermischt, die aus Carbonyleisenpulver von 20 μΐη durchschnittlicher Korngröße und _bemäß Tabelle 1 wechselnden Mengen von Chrom, Molybdän und Kohlenstoff, mit

oder ohne Zusatz von Vanadin, bestanden Bei der Zugabe des Kohlenstoffes zur Matrix wird die im Titankarbid-Rohmaterial vorhandene Mengean freiem Kohlenstoff berücksichtigt. Das Gemisch wird mit 1 g Paraffinwachs auf je 100 g Gemisch versetzt. Das

Vermählen wird 40 Stunden lang fortgesetzt, wobei die Mühle mit Stahlkugeln von 12,7 mm Durchmesser (one-half inch) zur Hälfte gefüllt war und Hexan als Anfeuchtungsmittel diente.

Nach dem Vermählen wird das Gemisch im Vakuum getrocknet. Ein Teil des gemischten Produktes w>rd in einer Freßform unter einem Druck von 2,1 t/ci \² zur gewünschten Gestalt verformt. Der Preßling wird in flüssiger Phase gesintert, d. h., er wird oberhalb des Schmelzpunktes der Matrix bei einer Temperatur von

1435 C '/2 Stunde im Vakuum gesintert, beispielsweise in einem Vakuum von 0,02 mm Quecksilbersäule oder einem noch besseren Vakuum. Nach Beendigung des Sinterns wird das Formstück gekühlt und dann geglüht durch 2stündiges Erhitzen auf 900°C

und anschließendes Abkühlen mit einer Geschwindig keit von 15grd/h bis auf 100^cC, um ein geglühtes Mikrogefüge zu erzeugen, das kugeligen Perlit (Sphäroidit) aufweist; die Gliihhärte d<r Ma'trix befindet sich in der Größenordnung von etwa 40 bis 50 Rockwell >>C«.

Tabelle 1

Stdhl Nf

2
3
4
5
6

Cr %	Mo %	ν %	C %
IO	3	1	1.0
10	3	1	0,8
10	3	ι	0,6
10	3	_	0,8
8	3	_	0,8
6	3	....	0,8

Cr /u C-Verhältnis

10:!
12.5:1
16,7:1
12,5:1
10:1
7,5:1

Die Werkzeugstahl Nr. 2 und 4, die sich allein in ihrem Vanadingehalt unterscheiden, der aber nicht von wesentlicher Bedeutung ist, sind gemäß Tabelle 2 besonders vorteilhaft*. Die Anwesenheit von Vanadin

bewirkt eine zusätzliche Warmhiirte bei Temperaturen von wenig über 538 C. Die Vanadinmenge soll jedoch vorzugsweise einen Wert von 2% nicht überschreiten, da Vandin dazu neigt, die Festigkeit und Zähigkeit herabzusetzen und weil überdies vanadinhaltigc Legierungen schwerer zu sintern sind.

Tabelle 2

Stuhl
Nr

Härte

KW4 C¹. .K) Min
Abschrecken in Ol

(RcI

71 70

538 C. I Ski

Abschrecken

in I Iifl (/ucirmill

IRcI

to

Hicpebriich festigkeit

(ItV kg mm'l

158 ; 210 175 : 245

Wie /u ersehen ist, hat der Werkzeugstahl Nr. 4 ohne Vanadin eine bessere Bruchfestigkeit, d. h., er ist zäher als der Stahl Nr. 2, der Vanadin enthält.

In F i g. 1 ist die Härte von Werkzeugstählen in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Der Stahl Nr. 4 ist mit Stählen bekannter Art verglichen. Der Stahl der erfindungsgemäßen Zusammensetzung erreicht den Scheitelwert »A« einer verhältnismäßig hohen Härte von 69 bis 70 Rockwell »C«. wenn er einer lstündigen Sekundärhärtung bei 538 C unterworfen wurde, während die Raumtemperatur-Härte vor dem Anlassen 67 bis 68 Rockwell »C« beträgt. y> Nachdem der erfindungsgemäße Stahl einmal der Sekundärhärtung unterworfen worden ist, ist er gegen ein Weichwerden bei Arbeitstemperaturen unter 538 C beständig.

Der Titankarbid-Werkzeugstahl »X« mit einer Matrix. die 3% Chrom. 3% Molybdän, 0,6% Kohlenstoff und als Rest im wesentlichen Eisen enthält, zeigte überhaupt keinen Sekundärhärtungs-Effekt, sondern weist im Gegenteil eine beträchtliche Abnahme der Härte bei Anlaß-Temperaturen über 312^rC auf. Der Karbidwerkzeugstahl »Y« enthält 50 Volumprozent einer gesättigten festen Lösung von primären Karbidkörnern von WC -TiC (35% WC -15% TiC) in einer den Rest ausmachenden Matrix verteilt, die aus einem Schnellarbeitsstahl besteht, der 18% Wolfram, 5% Chrom, 0,8% Kohlenstoff und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Dieser Stahl hat zwar auch einen Sekundärhhärlungs-Effekt, weist allerdings den Nachteil auf, daß er sehr schwer in großen Abschnitten her- ■ zustellen ist, weil das erzeugte Produkt dazu neigt, porös zu sein, wodurch seine Zähigkeit nachteilig beeinflußt wird.

Der erfindungsgemäße Karbidwerkzeugstahl ähnelt dagegen in bezug auf die Leichtigkeit seiner Herstellung dem Stahl »X«, obwohl er überraschenderweise der Sekundärhärtung gut zugänglich ist und wie der Stahl »X« in großen Formaten hergestellt werden kann, ohne porös zu werden. Er ist daher besonders geeignet zur Fabrikation von Matrizen für das Stanzen. Formen und Abgraten von Metallen, vor allem in den Fällen, in denen die Matrizen-Temperatur auf Grund der während der Arbeitsgänge auftretenden Reibung zu einem ins Gewicht fallenden Faktor wird; er eignet sich ferner als Matrizeneinsatz Für die Angußkcgel in Sprilzformen bzw. Spritzgußformen wo die Hitze des zu formenden Kunststoffes nachteilig auf das Metall einwirkt, das an dem angußbildenden Abschnitl der Form verwendet wird. Der Karbidwerkzeugstahl ist auch besonders geeignet für Anwendungszwecke, bei denen er mit Metallen während der Metallbearbeitung, z. B. bei der Metallverformung, beim Tiefziehen. Stanzen usw. z. B. als Material für Abstreif-Matrizen. bei denen eine beträchtliche Wärme durch die Reibung an der Matrize entwickelt wird, oder beim Abgraten von Metallen in Berührung kommt.

In F i g. 2 und 3 ist ein solches Beispiel dargestellt. Das Matrizcnelement 10 ist aus einem Karbidwerk-/cugs'flhl der erfindungsgemäßen Zusammensetzung mil 41 Volumprozent Titankarbid und 55 Volumpnvciil der chromhaltigen Matrix hergestellt, die 10% Chrom. 3% Molybdän. 0.8 bis 1% Kohlenstoff und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Das Matri7cnelemenl 10 dient zum Abbiegen des Endstückes einer rostfreien Winkelstahleinfassung 11 für Automobilkarosscrien. Die Einfassung 11 wird auf einen Amboß 12 mit dreieck form igem Querschnitt aufgelegt und ragt über die Endfläche 14 des Werkzeughalters hinaus. Das geriffelte zum Abstreifen dienende Matri/endemenl 10 wird auf den überhängenden Teil niedergedrückt, so daß ihr geriffelter Teil 10 4. der in seiner Kontur dem Querschniltsprofil der Einfassung 11 entspricht, den überhängenden Teil derselben verformt, um eine flache Endfläche auf der Einfassung 11 zu erzeugen. Die Einfassung 11 wird an den Werkzeughalter vermittels einer nicht eingezeichneten, durch den Pfeil 15 angedeuteten Druckkraft angepreßt. Das Matrizenelement 10 wird vermittels einer gleichfalls nicht eingezeichneten, druckübertragenden Welle bewegt, wobei die Krafteinwirkung durch den Pfeil 16 angedeutet ist. Dabei erfolgt ein starkes Zusammenpressen des Metalls an der Endfläche der Einfassung 11, wodurch Reibungswärme entwickelt wird, die unter normalen Verhältnissen andere Matrizcnstähle zum Glühen bringen und zu einer Metallaufnahmc durch die Matrize führen würde Es ist zu beachten, daß das Matrizenelement 10 sich in einem kurzen Abstand von der Endfläche 14 des Werkzeughalters befindet und genügend Platz für die Metallverformung zur Verfügung steht, wenn sich die Matrize abwärts bewegt, um ein vollständiges Niederbiegen und demzufolge Verformen des überhängenden Teilabschnittes zu bewirken und das Ende der Einfassung 11 abzuschließen, überschüssiges Metall, das bei der Verformung anfallt, wird nachträglich di'rch Abgraten entfernt.

Eine erfindungsgemäße Matrize dieser Ar» mit einer Härte von 68 Rockwell »C« verformte 1276 Einfassungen Jl, d.h. Stücke kaltgewalzten Winkelstahls ohne jedes Zeichen einer Metaflaufnahme auf der Matrizenfläche. Im Vergleich hierzu zeigte ein bekannter Matrizenstahl stabiler, aber nicht erfindungsgemäßer Art bereits nach einer Bearbeitung von nur 55 Werkstücken eine Metallaufnahme; ein weiterer bekannter Matrizenstahl zeigte bereits nach der Bearbeitung von 25 Werkstücken eine Metallaufnahme, und ein dritter bekannter Matrizenstahl zeigte eine Metallaufnahme nach einer Bearbeitung von 208 Werkstücken.

In F i g. 4 ist ein Teilstück einer Spritzgußvorrichtung 17 dargestellt, wobei der wesentliche Teil der Form aus den Einsatzstücken 18 besteht, die in Form von herausnehmbaren, hohlraumumgrenzenden Teilen bestehen. Der Kunststoff wird in den Hohlraum 19 über den Angußkanal 20 eingespritzt und fließt dann durch die Eingußtrichter, die als herausnehmbare Angußblöcke 21 ausgebildet sind. Da der Kunststoff irr

153

allgemeinen bei erhöhten Temperaturen eingespritzt wird, ist es wichtig, die Angußblockeinsätze 21 aus einem Lnlaßbeständigen Material, das gegen Erosion beständig ist, herzustellen. Beispielsweise kann ein mit Asbest vermischter Kunststoff, der bei einer Temperatur von etwa 260 bis 315⁰C injiziert wird, das Angußeinsatzmaterial erodieren, sofern dieses nicht imstande ist, seine Härte unter den vorerwähnten Temperaturen beizubehalten. Für solche Zwecke finden daler die Karbidwerkzeugstählc der erfindungsgemäßen Zusammensetzung technische Anwendung.

Der Karbidwerkzeugstahl nach der Erfindung weist ftoch weitere Vorteile auf. So kann z. B. da^r. Fertig-•chleifen des Werkstoffstahls »X«, sofern es nicht sorgfältig durchgefijhrt wird, ein Ubertempern der Arbeitsfläche des zu schleifenden Matrizenwerkzeuges verursachen. Dies kann zu einem vorzeitigen Bruch des Werkzeuges führen. Tests haben nun ergeben, daß ein Karbidwerkzeugstahl der erfindungsgemäßen Zusammensetzung im wesentlichen unempfindlich bzw. weit weniger empfindlich gegen Beschädigungen durch das Fertigschleifen ist, vor allem, wenn das Schleifen ais Tauchschleifen durchgeführt wird. Darüber hinaus ist eine Vakuum-Hitzebehandlung von mäßig schweren Abschnitten mit einem Querschnitt von ζ. Β 50,8 x 50,8 mm möglich, vorausgesetzt, daß die üblichen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, urr eine Entkohlung zu unterbinden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 5

2153

Claims

2 04ß 151

Patentansprüche:

I. Wärmebehandelbarer, anlaßbeständiger, t-liromhalliyer Karbidwerkzeugstahl, dadurch fckcnnzeichncl, daß er 25 bis 75 Volumprozent eines im wesentlichen aus Titankarbid bestehenden primären Karbids enthüll, die in einer Matrix verteilt sind, welche aus