DE2149697A1 - Verbesserter Stahl,insbesondere fuer Warmformwerkzeuge - Google Patents

Verbesserter Stahl,insbesondere fuer Warmformwerkzeuge

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DE2149697A1
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Blatz William Earl
Bornemann Paul Richard
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Sunbeam Oster Co Inc
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Allegheny Ludlum Industries Inc
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
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Description

P 4260-50/Ml 5- Oktober 1971
Allegheny LudIum Industries, Inc. Oliver Building
Pittsburgh, Pennsylvania 15222 U. S. A.
"Verbesserter Stahl, insbesondere für Warmformwerkzeuge"
Bei der Auswahl von Stählen zur Herstellung von Warmformwerkzeugen ist die-Beständigkeit gegen thermische Ermüdung bzw. Warmermüdung und die Stoß- bzw. Schockfestigkeit (shock resistance) zu berücksichtigen. Eine der Hauptursachen für das Versagen von Werkzeugen bei Warmverformungsvorgängen ist die thermische Ermüdung, die allgemein unter der eng- . lischen Bezeichnung "heat checking" bekannt ist. Diese Erscheinung umfaßt einen Vorgang, bei dem sich auf der V/erkzeugoberfläche durch plastische Ermüdung Hisse bilden und weiterentwickeln. Unter der fortgesetzten Einwirkung der thermischen Zyklen während des Warmformens kann sich ein Hetz von Rissen bilden, die sich dann ausbreiten und vertiefen, so daß das Werkzeug instandgesetzt oder ausgewechselt werden muß.
■Die Festigkeit von legierten Stählen und ihre Abriebsbzw. Verschleißbeständigkeit nimmt mit der Härte des Stahls ab. Zum Warmverformen werden meist Stähle mit
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ORIGINAL INSPECTBD
. ^- 2U9697
verhältnismäßig geringer Härte verwendet, uin eine Eigenschaftakombination von guter Schockbeständigkeit bzw. Stoßfestigkeit und guter Beständigkeit gegen thermische Ermüdung zu erzielen. Dies führt jedoch in der Regel zu einem starken Verlust bezüglich der Abriebs- bzw. Verschleißbeständigkeit, die bei höheren Härtegraden größer wäre. Als Stähle für Warniverformungswerkzeuge werden gewöhnlich Legierungen, wie Stähle der A.I.S.I.-Typen E-13, H-19 und H-21 verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Stahllegierungen zu schaffen, die im Vergleich zu den. normalerweise für die vorstehend genannten Zwecke verwendeten Stählen eine überlegene Hochtemperaturkerbschlagzähigkeit und Härte besitzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stahl gelöst, der im wesentlichen aus 0,3 - 0,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 3-5 Gewichtsprozent Chrom, 3 - 5 °/° Gewichtsprozent Wolfram, 1-2 Gewichtsprozent Molybdän, 0,2 1 Gewichtsprozent Vanadin, 1-5 Gewichtsprozent Kobalt, bis zu 0,01 Gewichtsprozent Bor, sowie als Rest im wesentlichen Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen . besteht.
Bevorzugte erfindungsgemäße Stähle bestehen im wesentlichen aus 0,37 - 0,43 % Kohlenstoff, 3,75 - 4,25 % Chrom,
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5,75 - 4,25 % Wolfram, 1,3 - 1,7 % Molybdän, 0,4 - 0,6 % Vanadin, 2 - H % Kobalt, "bis zu 0,01 % Bor und, als Rest, im wesentlichen Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen.
Spezielle erfindungsgemäße Stähle enthalten 0,4- % Kohlenstoff , 4 % Chrom, 4 % Wolfram, 1,5 % Molybdän, 0,5 % Vanadin und 2 ~ 4 % Kobalt, kein Bor, sowie als Rest im wesentlichen Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Eine übliche Technik zur Ermittlung der Beständigkeit gegen thermische Ermüdung (heat checking) ist die Bestimmung der Schlagzähigkeit bei erhöhter Temperatur. Da die Prüfung der thermischen Ermüdung zeitraubend ist und es bislang keine allgemein anerkannte Standardtestmethode gibt, benutzt man die Prüfung der Schlagzähigkeit bei erhöhten Temperaturen, die sich als brauchbares Kriterium für die Bex^ertung der thermischen Ermüdungseigenschaften einer Legierung erwiesen hat. Als repräsentative Versuchsbedingung, wird eine Temperatur von 427°C ausgewählt, wobei ein modifizierter Charpy-Kerbschlagzähigkeitsprobekörper (mit G-Kerbe) verwendet wird, da sich gezeigt hat, daß sich auf diese Weise der Bereich meßbarer Schlagzähigkeitswerte bei der Prüfung verhältnismäßig hochgehärteter Werkzeugstähle über den bei der Verwendung von V-Kerbprobekörpern meßbaren hinaus erweitern läßt.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Tabelle I die Zusammensetzung einer Reihe erfindungsgemäßer Stähle wiederge-
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gehen. Es sei angemerkt, daß in der Tabelle I auch die Zusammensetzungen von 2 ITormaOahlSorten (H-21 und H-19) mit aufgeführt sind. Die Schlagzahl; ;;ko.Ttr,eigenschaften der in der Tabelle I wiedergeeebenen Stahle beim Charpy-C— Kerbschlagzähigkeitstest bei'einer Temperatur von 427°C sind, aus der Tabelle II zu ersehen. Aus dieser Tabelle geht klar hervor, daß die erfindungsgesiäßen Stähle weit überlegene Schlagsähigkeitswerte aufweisen, und somit im Vergleich zu derzeit erhältlichen Stählen, z.B. A.I.S..I.-Stahl 11-19, eine stark verbesserte Schlagzähigkeit und Härte besitzen.
Tabelle I
Chemische Analyse von verschiedenen Schmelzen (.Fe = Rest; P -t- S = so gering wie möglich)
Schmelze Mn Si Cr C W Mo V Co Sonstige
H 21 0,35 0,25 3,00 0,30 9,50 — 0,50 —
H 19 0,35 0,25 4,25 0,40 4,25 0,40 2,25 4,25 —
NS 48 0,15 0,13 3,98 0,40 4,05 1,41 0,51 2,07 0,0002 B
NS 57 0,15 0,15 4,06 0,39 4,05 1,41 0,51 4,00 0,0001 B
NS 60 0,15 0,15 4,04 0,40 4,05 1,40 0,50 2,04 0,007 B
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Höchst"wezvbe beim Schlagzähigkeitstest (IKFACT "C" TEST) bei 42?0C
ü££ 3L12. M_48 SS-5Z NS 60
49-49,9 123 . 153 __ 170
50-50,9 131 160 142 171
51-51,9 127 167 158 187
52-52,9 116 174 170 185
55-53,9 104 180 180 188
54-54,9 95 182 191 184
55-55,9 89 186 190 178
56-56,9 85 182 193 172
57-57,9 181 184 · 172
Aus der Zusammensetzung der in der Tabelle I wiedergegebenen Stähle, ist zu ersehen, daß einigen Bor in unterschiedlichen Mengen zulegiert wurde„ Dies geschah deswegen, weil in zahlreichen heute handelüblichen Legierungen Bor als Rückstandselement enthalten ist, das beim Einschmelzen der Legierungaus feuerfesten Auskleidungen und/oder mitweingeschmolzenem Schrott aufgenommen wird. Bor kann in der Tat die Hochternperaturschlagzähigkeit ungünstig beeinflussen, da es dazu neigt eine Korngrenzphase von geringer Festigkeit zu bilden. Somit ist ein weiterer Vorteil der Erfindung darin zu sehen, daß in den erfindungsgemäßen Stählen eine verhältnismäßig große Menge Bor geduldet werden kann, ohne daß deswegen ein signifikanter Verlust an Kerbschlagzähigkeit in Kauf genommen zu werden braucht.
Die erfindungsgemäßen Legierungen bzw. Stähle besitzen außer-
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dem gute mechanische Eigenschaften bzw. Gu te wer te. υηα schneiden, wie aus Tabelle III zu ersehen ist, auch, uiesbezüglich bei einem Vergleich mit derzeit verfügbaren Werkstoffen bzw.'Stählen sehr gut ab.
Härte
Ec		 Tabelle III Deh
nung		 Flächen-
reduktion
52,8 Gütewerte 4 28
Mechanische 52,5 6Ό,2 -
Grenze
p
kp/mm"		 5 30
Legie
rung Nr.		 53,0 178,6 bei Raumtemperatur 4 23
NS-48^ 177,2 Zug f.
ρ
kp/mm
NS-57(a) 163,8 216,5
Η-19^ 212,3
189,8
(a) 11210C (in Salz) - Luftabkühlung + 566°C - 2 Std. ~ 5 Glühungen
(b) 11210C (in Salz) - Luftabkühlung + 566°C - 2 Std. 2 Glühungen
Auch die Brinell-Härtewerte bei erhöhten Temperaturen sind wertvolle Kenndaten für die Beurteilung der Brauchbarkeit eines Materials für Warmformwerkzeuge. In der nachfolgenden Tabelle IV sind die diesbezüglichen Werte mehrerer erfindungsgemäßer Stähle denen eines handelsüblichen Stahls gegenübergestellt.
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llrinnell Tabelle IV bei 750 kp Belastung . 478
p, Test- -Warmhärte -· JL. Te st temperatur, Si
Le>iat»n teinp. Zeit 4 78 24... 143
427°C 1/2 478 478 478
KS-^S1 538°C 478. 229 478 415
649°C 478 478 170 143
4270C 255 478 478 478
KS-571 5380C 478 229 478 415
649°C 478 478 170 170
4270C 241 415 478 415
NS-601 538°C 476 255 415 388
649°C 478 415 255 207
4270C 321 415 415
H-192 5380C 415 207 415
649°C 415 207
Wärnebeh andlunpren 255
121
478
415 82
478
415 82
478
415
415 363 121
- 11770C (GaIz) - 6 Min. TAT - Luftobkühlung - 5660C -
Std. + 2 Std. Schluß Rc 57,0
- 1177°C (Salz) - 6 Min. TAT - Luftabkühlung - 5660C Std. + 2 Std. Schluß Ec 54,5
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß im Rahmen des Erfindungsgedankens verschiedene Änderungen und Abwandlungen gemacht v/erden können.
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Claims (3)

P 4260-50/Ml 5. Oktober 1971 P a t .e nt an s ρ r ü ehe
1. Stahl, bestehend im wesentlichen.aus 0,3 bis 0,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 3 bis 5 Gewichtsprozent Chrom, 3 bis 5 Gewichtsprozent Wolfram, 1 bis 2 Gewichtsprozent Molybdän, 0,2 bis·1 Gewichtsprozent Vanadin, 1 bis 5 Gewichtsprozent Kobalt, bis zu 0,01 Gewichtsprozent Bor, sowie, als Rest, im wesentlichen Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß er im wesentlichen aus 0,37 "bis 0,43 % Kohlenstoff, 3,75 his 4,25 % Chrom, 3,75 "bis 4,25 % Wolfram, 1,3 bis 1,7 % Molybdän, 0,4 bis 0,6 % Vanadin, 2 bis 4 % Kobalt, bis zu 0,01 % Bor und als Rest im wesentlichen aus Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht.
3. Borfreier Stahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß er im wesentlichen aus 0,4 % Kohlenstoff, 4 % Chrom, 4 % Wolfram, 1,5 % Molybdän, 0,5 % Vanadin und 2 bis 4 % Kobalt, sowie als Rest im wesentlichen Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht.
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