DE2048151C - Warmebehandelbarer, anlaßbestandiger, chromhaltiger Karbidwerkzeugstahl und des sen Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen wärmebehandelbaren, anlaßbeständigen, chromhaltigen Karbidwerkzeugstahi und dessen Verwendung.

Es ist bereits ein wärmebehandelbarer, chromhaltiger Karbidwerkzeugstahl mit austenitischem Matrixgefüge bekannt (britische Patentschrift 1 !04 259), bei dem 30 bis 60 Volumprozent prinwe Karbidkörner avf Titankarbidbasis i". einer Matrix aus 0,3 bis n.H'1.. Kohlenstoff, 1 bis 6% Chrom. 0,3 bis 6% Molybdän und dem Rest Eisen enthalten sind. Außer Titankarbid können auch andere Karbide, beispielsweise Wolfram-, Molybdän-, Chrom-, Zirkon-, Vanadium-, Niob- Tantal- u.dgl. -karbide vothanden sein. Die Herstellung des Werkzeugstahls erfolgt vor allem nach Verfahren der Pulvermetallurgie, d. h. dadurch, daß pulverförmige primäre Karbidkörner, vor allem Titankarbid, mi.' pulverförmigen Stahl-, d.h. die Matrix bildenden Bestandteilen, vermischt; zu einem Preßling gepreßt und in flüssiger Phase unter nicht oxydierenden Bedingungen, z.B. im Vakuum, gesintert werden. Das Sintern erfolgt beispielsweise V₂ Stunde lang bei einer Temperatur von 145O⁰C und einem Vakuum von 0,02 mm Hg und weniger. Nach dem Kühlen der Sinterprodukte werden diese etwa 2 Stunden auf 900° C angelassen und anschließend mit einer Geschwindigkeit von etwa 15grd'h auf 100 C und anschließend im Ofen auf Zimmertemperatur abgekühlt, so daß ein geglühtes Mikrogefüge entsteht, das kugeligen Perlit (Spheroidit) enthält. Die Glühhärte eines solchen Produkts beträgt etwa 45 Rockwell »C«. Die gewünschte Werkzeugform wird anschließend durch spanabhebende Bearbeitung erzielt. Daran schließt sich eine etwa viertelstündige Härtebehandlung auf der Austenitisierungstemperatur von 955 C ui.d 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 Werkzeugstahls besteht jedoch darin, daß er zum übertempern 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 aufblenden Temperaturen. Bei solchen üblichen Erwärmungen im Betrieb wird die Härte auf beispielsweise 62 bis 65 Rockwell »C« vermindert, bei der das Werkzeug dann rascher verschleißt.

Darüber hinaus ist ein wärmebehandelbarer Karbidwerkzeugstahl ähnlicher 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 ein solcher Karbidwerkzeugstahl bei erhöhten Temperaturen von beispielsweise 540 bis 650° C nach Art einer Sekundärhärtung gehärtet, dann wird zwar der Gefahr des Erweichens bei im Betrieb auftretenden, etwas niedrigeren Temperaturen vorgebeugt, dann neigt der Karbidwerkzeugstahl allerdings zum Poröswerden, insbesondere, wenn es sich um größere Werkzeugteile handelt, die beispielsweise für Matrizen verwendet werden. Solche Teile weisen beispielsweise einen quadratischen Querschnitt von 3,8 cm Kantenlänge und mehr auf.

Schließlich ist es auch bekannt, auf pulvermetallurgischem Wege unter Sinterung mit flüssiger Phase hergestellte, durch Austenitzerfall härtbare und durch Anlassen in ihrer Härte einstellbare Karbidwerkzeugstähle, 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, Stauchmatrizen. Reibahlen u. dgl. zu verwenden und den Karbidwerkzeugstahl in Stangenform herzustellen (deutsche Patentschrift 1 216 550). Auch hierbei treten jedoch die eingangs erwähnten Nachteile auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Karbidwerkzeugstahl der eingangs genannten Art dahingehend 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 urößerer Stücke vermieden werden. Durch die Lösung dieser Aufgabe ist es möglich, die Lebensdauer von aus diesem Karbidwerkzeugstahl hergestellten Werkzeugen insbesondere dann zu verlängern, wenn im Betrieb solche erhöhte Temperaturen auftreten.

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

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

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

w ibei die Summe von Wolfram- und Molybdängehalt 5"/Ii 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 erschmelzungsbedingte Verunreinigungen aufweist, und bei der das Gewichtsverhältnis von Chrom zu Kohlenstoff in der Matrix 7:1 bis 25:1 bewägt und die Matrix ein aus Austenit umgewandeltes Gefüge aufweist.

Ein derartiger Karbidwerkzeugslahl weist einen Sekundärhärtungseffekt auf und widersteht dem bei üblichen Arbeitstemperaturen von beispielsweise Matrizen ;>.uftretenden Tempern. Er ist als anlaßbeständig Z^- bezeichnen.

Das Karbid ist zweckmäßigerweise in Form von Körnern fein in der Stahlmatrix verteilt, und der Gesamtkohlenstoffgehrüt des Karbidwerkzeugstahls beträgt zvveckmäßijerweise mindestens 6%. Dieser Gesamtkjhlenstoffgehalt in der Stahlmatrix hängt von der Menge des Titankarbids als auch von der Kohlenstoffmenge in der Stahlmatrix ab. Es empfiehlt sich vor allem, den Kohlenstoffgehalt in der Matrix zwischen 0,6 und 1,2, insbesondere zwischen 0,7 und 1 % zu wählen und das Chrom-Kohlenstoff-Verhältnis zwischen 9:1 und 18:1 auszuwählen. Ein Anteil der primären Karbidkörner am Karbidwerkzeugstahl zwischen 30 und 65 Volumprozent werden besonders bevorzugt. Der Molybdängehalt der Matrix beträgt zweckmäßigerweise 2 bis 5%.

Das aus dem Ai.stenit umgewandelte Gefüge der Matrix sollte ein Mikrogefüge, insbesondere Perlit, Bainit oder Martensit sein. Der erfindungsgemäßc Karbidvverkzeugst^hl dient vor allem zur Herstellung von Stabmatcrial und von Matrizenelementen, die während ihres Gebrauchs durch den Kontakt mit zu bearbeitendem Matrial erhitzt werden und anlaßbeständig sind. Solche Matrizenelemente sind vor allem Angußeinsätze von Spritz- bzw. Spritzgußformen und Abstreifmalrizcn, die insbesondere bei der Herstellung von Kraftfahrzeugkarosserien verwendet werden. Die beim Einspritzen von beispielsweise Kunststoff oder dem Verformen des zu bearbeitenden Metalls auftretende Erwärmung führt selbst dann noch nicht zu einer Beeinträchtigung der Härte und damit Verminderung der Verschleißfestigkeit, wenn diese Temperaturen bis zu 538°C betragen.

Allgemein ist der erfindungsgemäße Karbidwerkzeugstahl für aniaßbeständige verschleißfeste Werkro zeuge verwendbar.

Herstellungsbeispiele

Es werden Karbidwerkzeugstähle mit einer Stahlmatrix hergestellt, die wechselnde Chrom-, Molybdän- und Kohlenstoffgehalte aufweisen. Je 50 Volumprozent sind Titankarbid und Matrixstahl vorhanden.

Hierzu werden 1000 g Ti'^nkarbid von 5 bis 7 ;,im durchschnittlicher Korngröße in einer Stahlkugelmühle (mit Kugeln aus rostfreiem Stahl) mit 1500 g der stahlmatrixbildenden Bestandteile vermischt, die aus Carbonyleisenpulver von 20 μΐη durchschnittlicher Korngröße und gemäß 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 wird in einer Preßform unter einem Druck von 2,\ t/cm² 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 ¹I₂ 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 Geschwindigkeit von 15grd/h bis auf 10Q⁰C, um ein geglühtes Mikrogefüge zu erzeugen, das kugeligen Perlit (Sphäroidit) aufweist; die Glühliärte der Matrix befindet sich in der Größenordnung von etwa 40 bis 50 Rockwell »C«.

Tabelle 1

■ Stahl	Cr	Mo	V	C	Cr zu
Nr.	%	%	%	%	C-Verhältnis
1	10	3	1	1,0	10:1
2	10	3	1	0,8	12,5:1
3	10		I	0,6	16.7:1
4	i'J	3	—	0,8	12,5:1
5	8	3	—	0,8	10:1
•;	6	3		0,8	7,5:1

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

bewirkt eine zusätzliche Warmhärte 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 vanadinhaltige Legierungen schwerer zu sintern sind.

Tabelle 2

	10940C, 30 Abschrecken	Härte	in	538°C, I Std. Abschrecken	Biegebruch- festigkeil
Stahl		Min. in Ol		Luft (zweimal)
Nr.	(Rc)			(Rc)	(•103 kg/mm2)
	71			69	158-4-210
2	70			68	175 ^- 245
4

Wie zu 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 !stündigen Sekundärhärtung bei 538⁰C unterworfen wurde, während die Raumtemperatur-Härte vor dem Anlassen 67 bis 68 Rockwell »C« beträgt. 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°C 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 Sekundärhhäriungs-Effekt, weist allerdings den Nachteil auf, daß er sehr schwer in großen Abschnitten herzustellen ist, weil das erzeugte Produkt dazu neigt, so 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 Tür 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 Angußkegel in Spritzformen bzw. Spritzgußformen wo die Hitze des zu formenden Kunststoffes nachteilig auf das Metall einwirkt, das an dem angußbildenden Abschnitt der Form verwendet wird. Der Karbidwerkzeugstahl ist auch besonders geeignet für Anwendungszwecke, bei denen er mit Metallen während der Metallbearbeitung, z. B. bei der Metallvcrformung, 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 Matrizenelement 10 ist aus einem Karbidwerkzeugstahl der erfindungsgemäßen Zusammensetzung mit 45 Volumprozent Titankarbid und 55 Volumprozent der chromhaltigen Matrix hergestellt, die 10% Chrom, 3% Molybdän, 0,8 bis 1% Kohlenstoff und als Rest im wesentlichen Eisen enthält. Das Matrizenelement 10 dient zum Abbiegen des Endstückes einer rostfreien Winkelstahleinfassung 11 für Automobilkarosserien. Die Einfassung 11 wird auf einen Amboß 12 mit dreieckförmigem Querschnitt aufgelegt und ragt über die Endfläche 14 des Werkzeughalters hinaus. Das geriffelte zum Abstreifen dienende Matrizenclement 10 wird auf den überhängenden Teil niedergedrückt, so daß ihr geriffelter Teil 10/4, der in sei ..er Kontur dem Querschnittsprofil der Einfassung 11 entspricht, den überhängenden Teil derselben verformt, um eine flache Endfläche auf der Einfassung 11 zu erzeugen. Die Einfassung 11 wird an Hen 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 Matrizenstähle zum Glühen bringen und zu einer Metallaufnahmc durch die Matrize rühren 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 anfällt, wird nachträglich durch Abgraten entfernt.

Eine erfindunnsgemäße Matrize dieser Art mit einei Härte von 68 Rockwell »C« verformte 1276 Einfassunger. 11. d. h. Stücke kaltgewalzten Winkelstahls ohne jedes Zeichen einer Metallaufnahme auf der Ma trizenfläche. Im Vergleich hierzu zeigte ein bekannte! Matrizenstahl stabiler, aber nicht erfindungsgemäßei Art bereits nach einer Bearbeitung von nur 55 Werk stücken eine Metallaufnahme; ein weiterer bekannte] Matrizenstahl zeigte bereits nach der Bearbeitung vor 25 Werkstücken eine Metallaufnahme, und eindrit ter bekannter Matrizenstahl zeigte eine Metallauf nähme nach einer Bearbeitung von 208 Werkstücken

In F i g. 4 ist ein Teilstück einer Spritzgußvorrich tung 17 dargestellt, wobei der wesentliche Teil ie Form aus den Einsatzstücken 18 besteht, die in Forn von herausnehmbaren, hohlraumumgrenzenden Tei len bestehen. Der Kunststoff wird in den Hohlraum 1! über den Angußkanal 20 eingespritzt und fließt dam durch die Eingußtrichter, die als herausnehmbare An gußblöcke 21 ausgebildet sind. Da der Kunststoff in

allgemeinen bei erhöhten Temperaturen eingespritzt wird, ist es wichtig, die Angußblockeinsätze 21 aus einem anlaßbeständigen Material, das gegen Erosion bestäncüj ist, herzustellen. Beispielsweise kann ein mit Asbest vermischter Kunststoff, der bei einer Temperatur von etwa 260 bis 315° C injiziert wird, das Angußeinsatzmaterial erodieren, sofern die»;s nicht imstande ist, seine Härte unter den vorerwähnten Temperaturen beizubehalten. Für solche Zwecke finden daher die Karbidwerkzeugstähle der erfindungsgemäßen Zusammensetzung technische Anwendung.

Der Karbidwerkzeugstahl nach der Erfindung weist noch weitere Vorteile auf. So kann z. B. das Fertigschleifen des Werkstoffstahls »X«, sofern es nicht sorg-

fällig durchgeführt 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 als Tauchschleifen durchgeführt wird. Darüber hinaus ist eine Vakuum-Hitzebehandlung von mäßig schweren Abschnitten mit einem Querschnitt von z. B. 50,8 x 50,8 mm möglich, vorausgesetzt, daß die üblichen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um eine Entkohlung zu unterbinden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 643/439

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Wärmebehandelbarer, anlaßbeständiger, chromhaltiger Karbidwerkzeugstahl, dadurch gekennzeichnet, daß er 25 bis 75Volumprozent eines im wesentlichen aus Titankarbid bestehenden primären Karbids enthält, die in einer Matrix verteilt sind, welche 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% Silizium, 0 bis 2% Mangan,

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

2. Karbidwerkzeugstahl nach Anspruch 1 mit ier Maßgabe, daß in der Matnx der Kohlenstoffgehalt 0,7 bis 1 und, das Cr zu C-Verhältnis 9:1 bis 18: 1 beträgt.

3. Karbidwerkzeugstahl nach Anspruch 1 oder 2 mit der Maßgabe, daß das aus Austenit umgewandelte Gefüge der Matrix Perlit ist.

4. Karbidwerkzeugstahl nach Anspruch 1 oder 2, mit der Maßgabe, daß das aus Austenit 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 nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Stabmaterial.

7. Verwendungeines Karbidwerkzeugstahls nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Matrizenelementen, welche während ihres Gebrauchs durch den Kontakt mit zu bearbeitendem Material erhitzt werden und anlaßbeständig sind.

8. Verwendungeines Karbidwerkzeugstahls nach Anspruch 7 zur Herstellung von Angußeinsätzen von Spritz- bzw. Spritzgußformen.

9. Verwendungeines Karbidwerkzeugstahls nach Anspruch 7 zur Herstellung von Abstreifmatrizen.

10. Verwendung eines Karbidwerkzeugstahls nach einem der Ansprüche 1 bis .5 für verschleißfeste Elemente.