DE2750965A1

DE2750965A1 - Schnellarbeitsstahl

Info

Publication number: DE2750965A1
Application number: DE19772750965
Authority: DE
Inventors: Henry L Wisell
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 1976-11-22
Filing date: 1977-11-15
Publication date: 1978-05-24
Also published as: ATA815177A; FR2371518A1; AT373293B; GB1593536A; JPS5365216A; SE417332B; US4276085A; SE7613046L

Description

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UDDEHOLMS AKTIEBOLAG S-683 05 Hagfors (Schweden)

P 315-125

Schnellarbeitsstahl

HJM/fi

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-r- 27bÜ9bb

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Metall-Legierungen, die in erster Linie dazu bestimmt sind für Metallbearbeitungswerkzeuge bzw. Metallzerspanungswerkzeuge, wie Fräser, Bohr-, Dreh- und Hobelwerkzeuge, Räumwerkzeuge und dergleichen verwendet zu werden, bei denen hohe Anforderungen an Härte und Verschleißfestigkeit bzw. Widerstand gegen Abrieb gestellt werden.

Etwa um die Jahrhundertwende wurde eine neue Legierungsgruppe eingeführt, die als Hochleistungs- bzw. Hochgeschwindigkeits-Stähle bezeichnet und zur Verwendung für Werkzeuge,in erster Linie für Metallzerspanungswerkzeuge bestimmt sind. Ursprünglich bestanden diese neuen Legierungen aus Kohlenstoffstahl, der mit etwa 4% Chrom und 18% Wolfram legiert ist. In der Beschreibung werden die Prozente als Gewichtsprozente verstanden, sofern nichts anderes angegeben ist. Der Chromgehalt wurde auf etwa diesem Wert gehalten, während der Wolframgehalt fortlaufend z.T. durch Molybdän ersetzt wurde. Es bestand die Regel, daß zwei Teile Wolfram durch einen Teil Molybdän ersetzt werden. Die Ursache dafür besteht darin, daß das Atomgewicht von Molybdän etwa das 2-fache des Atomgewichts von Wolfram aufweist und da die gebildeten Karbide die Formel M_ßC besitzen, wobei M für Molybdän oder Wolfram steht, wird Wolfram zweimal soviel wie Molybdän in Gewichtsanteilen verbraucht, um die M_gc-Karbide zu bilden. Eine weitere Entwicklung dieser Stähle besteht darin, daß W der Legierung zur selben Zeit zugefügt wird, bei der der Kohlenstoffgehalt zunimmt. Dies war die Ursache für eine andere Gattung von Karbiden, die im allgemeinen als MC be-

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kannt sind, und zusätzlich zu MgC in die Stahllegierung eingefügt wurde (M in dem MC-Karbid besteht vornehmlich aus Vanadium während M im MgC-Karbid vornehmlich aus Molybdän und Wolfram besteht). Es wird angenommen, daß dies die Verschleißfestigkeit verbesserte, da MC ein härteres Karbid als MgC ist. Darüber hinaus ist es in vielen Hochgeschwindigkeitsstählen möglich, den Gesamtkarbidanteil, der ebenfalls die Verschleißfestigkeit verbessert, zu vergrößern.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß es möglich ist, den Gesamtkarbidanteil noch weiter zu vergrößern und daher auch die Verschleißfestigkeit, indem man einer neuen Entwicklungslinie folgt. Das gewünschte Ergebnis kann durch den Ausschluß von Vanadium im Stahl zur selben Zeit erzielt werden, zu der der Anteil von Wolfram und/oder Molybdän vergrößert wird, so daß der gesamte Anteil von W + 2Mo mehr als 20% und der Kohlenstoffanteil entsprechend zunimmt.

Die Erfindung bezieht sich daher auf Legierungen, die als charakteristisches Merkmal einen verbesserten Verschleiß-Widerstand im Vergleich zu den bekannten konventionellen Hochgeschwindigkeitsstählen haben und die folgenden Komponenten aufweisen:

0,8 bis 1,2 Gewichtsprozent C 3 bis 6 Gewichtsprozent Cr 0 bis 20 Gewichtsprozent Mo (wobei W + χ Mo = 20 - 40 Gew.-%) 0 bis 40 Gewichtsprozent W

0 bis 15 Gewichtsprozent Co maximal 0,5 Gewichtsprozent V

Rest im wesentlichen Eisen und übliche Verunreinigungen. Vorzugsweise ist der Vanadiumanteil geringer als etwa 0,1%.

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Solche karbidbildenden Metalle wie Titan, Niob, Tantal, Zirkon und Aluminium sollten vorzugsweise nicht im Stahl vorhanden sein, aber können als Verunreinigung bis zu einem Gesamtanteil von 0,5% toleriert werden. Der Anteil an Mangan ist normalerweise nicht größer als 0,5%, kann aber bis zu einem Maximum von 1,0% vergrößert werden, vorzugsweise wenn Schwefel in beträchtlichen Quantitäten bis zu einem Maximum von 0,2% vorhanden ist. Wenn Mangan in normalen Quantitäten bis zu einem Maximum von 0,5% vorliegt, ist Schwefel jedoch vorzugsweise nur mit einem Betrag vorhanden, der als Verunreinigung bezeichnet werden kann.

In der Zeichnung ist ein Diagramm dargestellt, in dem die Gewichtsprozente an Kohlenstoff entlang der Abszisse und die Gewichtsprozente an W + 2Mo längs der Ordinate aufgetragen sind. Aus dem Diagramm kann der geeignete Kohlenstoffanteil für verschiedene Anteile an W + 2Mo herausgelesen werden. Die breitesten Grenzen der chemischen Zusammensetzung des Stahls gemäß der Erfindung werden durch die oben angegebene Tabelle bestimmt. Ein begrenzterer Bereich wird durch die Fläche im Diagramm bestimmt, die durch die Koordinaten der Punkte C-D-E-F-C bestimmt werden, wobei

Punkt C die Koordinate 0,8/20

Punkt D die Koordinate 1,2/20

Punkt E die Koordinate 1,2/40

Punkt F die Koordinate 0,8/40
aufweisen.

Die Anteile an Kohlenstoff und (W + 2 Mo) werden vorzugsweise so gewählt, daß sie in die Fläche C-D'-E'-E-F'-C'-C fallen, wobei

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Punkt C die Koordinaten 0,8/30 Punkt D' die Koordinaten 1,0/20 Punkt E* die Koordinaten 1,2/30 Punkt F* die Koordinaten 1,0/40 aufweisen.

Der gewünschte Ausgleich an Kohlenstoff und W + 2 Mo können sich in der Fläche c"-D"-E"-F"-C" befinden, wobei der Punkt C die Koordinaten 0,8/25 der Punkt D" die Koordinaten 1,0/25 der Punkt E" die Koordinaten 1,2/35 und

der Punkt F" die Koordinaten 1,0/35 aufweisen.

Eine bevorzugte Zusammensetzung weist maximal etwa 35 Gewichtsprozent Wolfram, maximal 17,5 Gewichtsprozent Molybdän, W + 2 Mo, insgesamt bestehend aus maximal 35 Gewichtsprozent, gleichzeitig wird sich der Kohlenstoffanteil im Bereich 0,8 bis 1,1% befinden.

Um die Erfindung auszubauen, wurde eine groSe Anzahl von Legierungsexperimentendurchgeführt. Diese Legierungen wurden gemäß STORA-Verfahren hergestellt, das beispielsweise in "Iron & Steel Special Issue" Seiten 49-52 und in "Jernkontorets Annaler 156" (1972), Seiten 84 - 9O, beschrieben.

In Tabelle 1 ist die Analyse für die meisten adäquaten Experiment-Legierungen (die sieben ersten Legierungen) und einige mehr nach der üblichen Art (die letzten vier Legierungen) angegeben. Alle diese Legierungen wurden in einem intermittierenden Laborarbeitstest, dem sogenannten SFA-Test untersucht (sofern der SFA-Test betroffen ist, wird auf Proceeding 3rd MTDR Conference, Birmingham,

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Sept. 1962, Pergamon Press, London 1963, Seiten 55-67; Standardized Milling Test von Gösta Niklasson; Metal Cutting Research Department, Svenska Flygmotor AB, Trollhättan, Schweden, verwiesen). Das Arbeitsmaterial hatte die Güte SIS 2541-03, 300 HB. Der Test wurde ohne Kühlung mit Schnittgeschwindigkeit von 42,95 m/min, und mit dem Verschleißkriterium 0,7 mm Flankenabnutzung (Verschleißmarkenbreite) durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 beschrieben, in denen:

sich die erste Spalte auf die Legierung gemäß Tabelle 1,

die zweite Spalte auf die Härtungstemperatur in ⁰C,

Temper- _o die dritte Spalte auf die Temperatur in C

beziehen.

Das Tempern bzw. Anlassen wurde dreimal durchgeführt und die Haltezeit bei der gegebenen Temperatur war jeweils 1 Stunde;

die vierte Spalte auf die Oberflächenhärte nach Rockwell C und die fünfte Spalte auf die Lebenflauer in Minuten

beziehen.

Es ist klar, daß die Legierung L2 im Vergleich zu den anderen Stahlgüten,die Vanadium enthalten, eine wesentlich bessere Lebensdauer aufweist.

Tabelle 1
Gew.-%

Legierung	7	C	Si	Mn	Cr	Mo	W	,5	Co	V
A	13	2,55	0,58	0,25	4,0	5,3	6	,1	8,0	7.5
F	10	1 ,99	0,50	0,29	3,7	7,8	10		8,0	5,0
H	2	2,18	0,50	0,30	4,5	4,3	-	,7	8,0	5,9
L	6	0,96	0,42	0,38	3,8	8,5	10	,0	7,8	< 0,1
L	1 ,20	0,52	0,36	4,1	8,0	10	8,5	1.8

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	11	2	7	2	1	,72 0,	53	0	- .8- - 3	1	2	8,4	11	,0	ι	4,	UDO	,2
L	3	35	13	35	1	,15 0,	31	0	,36 4,	0		10,4	14	,0	8,1	O,	3	,0
K	ASP 30		10		1	,27 0,	48	0	,40 4,	1		5,1	6	,2	7,9	3,	1	.6
	ASP 60	Legierung	2	2	,28 0,	56	0	,27 4,	1		7,2	6	,0	8,4	6,	O	,8
M	A	6	0	,87 0,	24	0	,36 4,	1		4,9	6	,6	10,1	1,	7	,4
M	F	11	0	,91 0,	27	0	,29 4,	1		4,8	6	,1		1,	93	.2
	H	ASP 30					,33 4,							85	.1
L	ASP 60				Härtungs- temperatur (°C)	Tabelle				Oberflächen härte (RC)			,4
L	M		1160	Anlaß- temp <°C)		66,5		Lebensdauer (min.)	,4
L	M		1180	560		68		37	,5
	1150	560		66	0,23	37
	1200	560		66,5	5,1	31
	1190	560		68		60
	1180	560	66.5		49
	1180	560	66		42
	1180	560	67,5		43
	1220	560	65	32
	1230	560	67	25
		560		32

Bei einer zweiten Testreihe wurde Abkühlen durchgeführt. Das Arbeitsmaterial, wie in der vorhergehenden Testreihe, war das der Güte SIS 2541-03, 300 HB. Das Verschleißkriterium war 0,3 mm Flankenabnutzung und die Tests wurden mit Schnittgeschwindigkeiten von 35,81 m/min und 42,95 m/min und 50,11 m/min durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.

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Tabelle 3

Lebensdauer bei der Bearbeitungs(Schnitt-)Geschwindigkeit von:

Legierung

35,81 m/min	42,95 m/min	50,11 m/min
73,7	64,4	42,2
51,9	44,9	27,4
70,5	64,0	24,6
41 ,9	27,3	18,8
29,9	22,8	19,4
40,2	24,4	25,7
36,7	28,7	21,1

ASP 30
ASP 60
M 35
M 2

Dieser Test zeigt denselben Zustand wie beim vorangegangenen Test, nämlich den, daß jene Stahllegierungen (L2 und K3), die keinen beträchtlichen Anteil an Vanadium und daher auch keine MC-Karbide aufweisen zu den besten Ergebnissen führen.

Die Legierung K3 weist einen größeren Betrag von Karbiden als die Legierung L2 auf, wie sich aus der Analyse von Tabelle 1 ergibt. Bei der höchsten Schnittgeschwindigkeit von Tabelle 3 (50,11 m/min), bei der sich die Schlag- bzw. Stoßbeanspruchung auf ihrem Maximum befindet, hat sich die Legierung K3 nicht als so gut wie die Legierung L2 erwiesen. Dies ist auf den Umstand zurückzuführen, daß Splitter (Schuppen oder Flocken) von der Kante abgedreht wurden. Diese Bedingung ist auf eine ungenügende Materialzähigkeit zurückzuführen, die sich ihrerseits aus dem großen Karbidanteil ergibt. Die K3-Legierung wird daher als diejenige betrachtet, die nah dem maximal vertretbaren Betrag an Karbiden kommt, der für praktische Zwecke ver-

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wendet wird.

Die durchgeführten Tests zeigen eindeutig, daß die Leistung des Hochgeschwindigkeitsstahls durch Vergrößern des Anteils an MgC-Karbiden beträchtlich verbessert werden kann, wenn gleichzeitig MC-Karbide aus der Stahllegierung ausgeschlossen werden. Der Modus zur Erzielung dieses Ergebnisses ist das Vergrößern des Anteils an den M^C-Karbide bildenen Elemente Molybdän und Wolfram und das Eliminieren des Elements Vanadium in der chemischen Stahlzusammensetzung.

Das Verändern des Kohlenstoffanteils bei Konstanthalten der Stahlzusammensetzung in andere Beziehungen und mit Hilfe des SFA-Tests wurde der Kohlenstoffanteil bestimmt, der die etwa längste Lebensdauer ergibt. Auf diese Weise wurde der Kohlenstoffanteil der L2-Legierung wie bei den sechs anderen Legierungstypen bestimmt. Durch Analysieren der Matrix der L2-Legierung ergaben si oh die im folgenden in Gewichtsprozent ausgedrückten Ergebnisse:

C - 0,63%

Si = 0,26%

Mn * 0,45%

Cr - 4,0%

Mo - 4,3%

W ■ 3,0%

Co =9,0%

Pe = 78,3#

Die gerade Linie L im Diagramm wurde auf folgende Weise gebildet:

Längs der X-Achse wurde der Kohlenstoffanteil in Gewichtsprozent und längs der Y-Achse der Totalanteil an Wolfram zuzüglich des doppelten Anteils an Molybdän aufgetragen. Der Punkt A veranschaulicht den Zustand, der in der Matrix der Stahllegierung L2 existiert, während der Punkt B die

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"I

chemische Zusanunensetzung der gesamten Stahllegierung L2 darstellt. Unter der Annahme, daß ein konstantes Verhältnis zwischen C, Mo und W in der Matrix vorhanden ist, kann der Kohlenstoffanteil durch eine gerade Linie durch die Punkte A und B veranschaulicht werden. Gemäß der Erfindung soll der Gesamtanteil von Wolfram plus dem doppelten Anteil von Molybdän zwischen 20 und 40% betragen. Durch Anwendung der oben erwähnten geraden Linie L ist es möglich festzustellen, daß der Kohlenstoffanteil approximativ zwischen den Grenzen 0,8 und 1,2% liegen sollte, um etwa zu einer genügenden Kohlenstoffquantität zu gelangen, damit sowohl die Matrix des Stahls als auch die MgC-Karbide erreicht werden.

Gemäß der Erfindung sollte ein Hochgeschwindigkeitsstahl mit sehr guten Eigenschaften daher die in den Ansprüchen angegebene Zusammensetzung aufweisen.

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Claims

Patentansprüche

1. Werkzeugstahl mit sehr großer Verschleißfestigkeit für spanabhebende bzw. zerspanende Zwecke, dadurch gekennzeichnet , daß er: 0,8- 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff 3,0 - 6,0 Gewichtsprozent Chrom bis zu 40 Gewichtsprozent Wolfram bis zu 20 Gewichtsprozent Molybdän (gemäß W + 2Mo =

20,0 - 40 Gew.-%)

Kobalt bis 15 Gewichtsprozent Vanadium nicht mehr als 0,5 Gewichtsprozent Rest Eisen und normale Verunreinigungen enthält.

2. Werkzeugstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Vanadiumanteil maximal etwa 0,1 Gewichtsprozent beträgt.

3. Werkzeugstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Wolframanteil maximal etwa 35 Gewichtsprozent und der Molybdänanteil maximal etwa 17,5 Gewichtsprozent beträgt, so daß der Gesamtanteil von W + 2Mo maximal etwa 35 Gewichtsprozent ist, und daß der Kohlenstoffanteil sich im Bereich zwischen 0,8 und 1,1 Gewichtsprozent befindet.

4. Werkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Anteile an Kohlenstoff und W + 2Mo innerhalb des Bereichs C-D-E-F-C in der beiliegenden Zeichnung befinden.

5. Werkzeugstahl nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η -

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ORIGINAL INSPECTED

ι "i 5 υ υ b

zeichnet , daß sich die Anteile von Kohlenstoff und W ♦ 2Mo innerhalb des Bereichs C-D'-E'-E-F'-C'-C in der beiliegenden Zeichnung befinden.

6. Werkzeugstahl nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Anteile von Kohlenstoff und W + 2Mo innerhalb des Bereichs C"-D"-E"-F"-C" in der beiliegenden Zeichnung befinden.

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