DE3901470C1 - Cold-working steel and its use - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen korrosionsbeständigen hochfesten martensitischen Kaltarbeitsstahl und seine Verwendung.

Kaltarbeitsstähle sind Werkzeugstähle, die bei Raumtemperatur oder leicht erhöhten Temperaturen zur Formgebung von Werkstücken eingesetzt werden. Sie lassen sich im weichgeglühten Zustand zer­ spanend bearbeiten und erhalten danach durch eine Wärme­ behandlung (Härten und Anlassen) ihre Gebrauchseigenschaften. Kalt­ arbeitsstähle finden eine breite Anwendung beim Schneiden von Werkstoffen, insbesondere in Scherschneid- und Keilschneidver­ fahren. Ferner werden sie eingesetzt zur Herstellung von Werkzeu­ gen für die Kaltumformung von metallischen Werkstoffen, so für Prägewerkzeuge, Formstanzen, Gewinderollen und -backen, Schrau­ ben- und Mutternpreßwerkzeuge, Kaltfließpreßwerkzeuge, Sinter­ preßwerkzeuge und Tiefziehwerkzeuge, zur Herstellung von Maschi­ nensägen, Handwerkzeugen und von Werkzeugen für die Kunststoff­ verarbeitung.

Eine Übersicht über heute gebräuchliche Kaltarbeitsstähle gibt die Literaturstelle DE-Fachbuch "Werkstoffkunde der gebräuchli­ chen Stähle" Teil 2, Seiten 205 bis 231, Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf, 1977.

Bei der Verarbeitung von Kunststoffen, wie z. B. Polyvinylchlo­ rid (PVC), bei denen sich Salzsäure abspaltet, ist es erforder­ lich, die Werkzeuge aus korrosionsbeständigen Stählen zu ferti­ gen. Hierfür wird der Stahl X 36 CrMo 17 (Werkstoff-Nr. 1.2316 gemäß DE-Fachbuch "Stahleisenliste", 7. Auflage, 1981, Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf) mit rund 0,36 Gew.-% Kohlenstoff, 1 Gew.-% Silizium, 1 Gew.-% Mangan, 17 Gew.-% Chrom und 1,2 Gew.-% Molybdän häufig eingesetzt. Seine Zugfestigkeit im Ein­ bauzustand beträgt je nach Wärmebehandlung 900 bis 1600 N/mm².

Weitere korrosionsbeständige Kaltarbeitsstähle sind die Stähle X 45 CrMoV 15 (Werkstoff-Nr. 1.4116), X 64 CrMoV 14 (Werkstoff-Nr. 1.2319), X 90 CrMoV 18 (Werkstoff-Nr. 1.4112) und X 89 CrMoV 18 l (Werkstoff-Nr. 1.3549), und der Stahl gemäß der AT-PS 159 794 mit 0,6 bis 2,5% C, 10 bis 22% Cr, 0,05 bis 0,25% N und 0,2 bis 6% Mo und/oder W.

Die Korrosionsbeständigkeit dieser Stähle ist jedoch für bestimm­ te Anwendungsfälle zu niedrig, so daß auf sehr teure mit hohen Nickel-, Kobalt- und Molybdängehalten legierte korrosionssichere Stähle zurückgegriffen werden muß.

Ein Beispiel für derartige hochlegierte korrosionsbeständige Stähle ist die aus der DE-OS 15 53 841 bekannte Stahllegierung mit bis 1% C, bis 2% Si, bis 25% Mn, 10 bis 26% Cr, Bis 6% Mo, bis 26% Ni, bis 0,8% N, bis 2,5% V, Rest Fe. Als Werkstoff zur Herstellung von hochkorrosionsbeständigen praktisch unmagnetischen Messerklingen sollen dabei die Legierungselemente so aufeinander abgestimmt sein, daß ein stabil austenitisches Gefüge vorliegt. Die Stabilität des Austenits wird durch erhöhte Mangan- und Nickelgehalte und ggfs. durch Zusatz von Stickstoff gewährleistet.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mit ver­ tretbarem wirtschaftlichen Aufwand herzustellenden Kaltarbeits­ stahl zu schaffen, der in seiner Korrosionsbeständigkeit den ein­ gangs genannten Stählen bei ansonsten vergleichbaren Festigkeits- und Zähigkeitsmerkmalen überlegen ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen korrosionsbeständigen hoch­ festen martensitischen Kaltarbeitsstahl mit der im Hauptanspruch angegebenen Ana­ lyse, wobei die Summe der Legierungselemente Kohlenstoff und Stickstoff kleiner 1,0% ist und das Verhältnis Kohlen­ stoff/Stickstoff zwischen 0,3 und 2,0 liegt.

Zur Erzielung von besonders gutem Korrosionsverhalten in Verbin­ dung mit hohen Zähigkeits- und Festigkeitswerten über 1000 N/mm² ist es vorteilhaft, den Gehalt an Kohlenstoff auf 0,10 bis 0,40% zu begrenzen. Das Verhältnis Kohlenstoff/Stickstoff soll vorzugsweise auf Werte zwischen 0,3 und 1,0 eingestellt werden.

Im folgenden wird die verbesserte Korrosionsbeständigkeit der er­ findungsgemäßen Kaltarbeitsstähle anhand zweier in den Analysen­ rahmen fallender Stähle A und B im Vergleich zum bekannten Stahl X 45 CrMoV 15 (Stahl C) näher erläutert.

Tabelle 1 enthält eine Analysenübersicht mit Angabe der im Druck­ versuch ermittelten Festigkeitswerte der Stähle A, B und C, die nach einer Härtung 1050°C/30 min/Ölabschreckung in Verbindung mit einer Anlaßbehandlung bei 150°C/2 h/Luftabkühlung ein mar­ tensitisches Gefüge aufweisen.

Man sieht, daß die Werte der Stickstoff enthaltenden Stähle A und B mit denen des bekannten Stahles C vergleichbar sind. Durch ein Tiefkühlen von Austenitisierungstemperatur lassen sich die Festigkeitswerte weiter steigern, da der Restaustenitgehalt reduziert wird.

Fig. 1 zeigt zur Kennzeichnung des Korrosionswiderstandes Strom­ dichte-Potentialkurven der Stähle A, B und C in verdünnter Schwe­ felsäure (1n · H₂SO₄, 23°C) als Elektrolyt. Zur Aufnahme sol­ cher Kurven schaltet man die Stahlprobe als Elektrode unter Zu­ hilfenahme einer Hilfselektrode in den zu untersuchenden Elektro­ lyten innerhalb eines Stromkreises und mißt die sich zwischen Stahlprobe und einer Kalomelektrode bei einer Stromdichte i (µA/cm²) einstellende Spannung (Potential E in mV). Die sich da­ bei einstellende Potentialbereiche sind ein Maß für die "Passi­ vität" des Stahls im Elektrolyten. Ein Stahl ist um so "passiver", oder mit anderen Worten, umso korrosionsbeständiger in einem korrosiven Medium, je weiter der sogeannten Passivierungsbe­ reich p und je niedriger für diesen Bereich die entsprechende Passivstromdichte i ist (siehe dazu auch DE-Fachbuch "Handbuch der Sonderstahlkunde", Band 1, Seiten 745 bis 759, Verlag Stahl­ eisen mbH, Düsseldorf, 1956).

Im vorliegenden Fall wiesen die Stromdichte-Potentialkurven aus, daß die erfindugnsgemäßen stickstofflegierten Stähle A und B er­ weiterte Pasivierungsbereiche p₁ bei abgesenkten Passivstrom­ dichten gegenüber dem Passivierungsbereich p₂ mit einer höhe­ ren Passivstromdichte des bekannten Stahls C aufweisen, was im Vergleich eine bessere Korrosionsbeständigkeit der erfindungsge­ mäßen Stähle A und B gegenüber dem Stahl C erkennen läßt.

Tabelle 2, die die Masseverlustraten (g/m²) nach jeweils 90 h in 10%iger Schwefelsäure und 10%iger Salzsäure für die Stähle A, B und C enthält, läßt noch deutlicher das gegenüber dem Stahl C verbesserte Korrosionsverhalten der erfindungsgemäßen Stähle A und B erkennen. Die Stähle wurden dabei im gehärteten Zustand (1050 °C/30 min/Oel) geprüft. Die Abtragungsverluste der Stähle A und B sind um das 5- bis 8fache geringer als die des Stahles C.

Fig. 2 zeigt Stromdichte-Potentialkurven für die Stähle A und B im Vergleich zum Stahl C, aufgenommen bei Messungen in künstli­ chem Meerwasser (ca. 3% NaCl, 23°C) zur Kennzeichnung des Ver­ haltens der Stähle gegen Lochfraßkorrosion.

Man sieht, daß die sogenannten Durchbruchspotentiale (in chlorid­ haltigen Medien gleich Lochfraßpotentiale), die ein Maß für den Widerstand eines Stahls gegen Lochfraßkorrosion darstellen, für die Stähle A und B bei Spannungen von 1500 bis 1700 mV (E₁, E₂) und sehr niedrigen Passivstromdichten liegen, was eine sehr gute Beständigkeit gegen Lochfraßkorrosion bedeutet, wohin­ gegen der bekannte Stahl C mit seinem Durchbruchspotential E₃ von -50MV und einer hohen Passivstromdichte als wesentlich schlechter einzustufen ist.

Wegen ihrer guten Korrosionseigenschaften eignen sich die erfin­ dungsgemäßen Stähle insbesondere für die folgenden Anwendungen:

• - Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung,
• - Schneidwerkzeuge, wie Rasierklingen, Messer und chirurgi­ sche Instrumente,
• - zur Herstellung von Kugellagern (Kugeln und Ringe), die mit korrosiven Medien in Berührung kommen, wie Lager, die in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden, oder Lager für den Fahrzeugbau, die im Winter mit Tausalzen in Berüh­ rung kommen.
• - Werkzeuge für die Lebensmittelverarbeitung.

Claims (7)

1. Korrosionsbeständiger, hochfester martensitischer Kaltarbeitsstahl, bestehend aus (in Gew.-%)
0,10 bis 0,80 Kohlenstoff,
0,20 bis 1,00 Silizium,
0,20 bis 0,70 Mangan,
max. 0,025 Phosphor,
max. 0,025 Schwefel,
10,0 bis 20,0 Chrom,
0,5 bis 4,0 Molybdän,
max. 0,50 Nickel,
0,20 bis 0,70 Stickstoff,
0,01 bis 0,10 Vanadium,
Rest Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, wobei die Summe der Legierungselemente Kohlenstoff und Stick­ stoff kleiner 1,0% ist und das Verhältnis Kohlenstoff/ Stickstoff zwischen 0,3 und 2,0 liegt.

2. Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Kohlenstoff 0,10 bis 0,40% beträgt.

3. Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Kohlenstoff/Stickstoff zwischen 0,3 und 1,0 liegt.

4. Verwendung eines Kaltarbeitsstahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Werkstoff zur Herstellung von Werkzeugen für die Kunststoffverarbeitung.

5. Verwendung eines Kaltarbeitsstahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Werkstoff für die Herstellung von Schneidwerkzeugen, wie Rasierklingen, Messer, oder von chirurgischen Instrumenten.

6. Verwendung eines Kaltarbeitsstahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Werkstoff zur Herstellung von Wälzlagerteilen.

7. Verwendung eines Kaltarbeitsstahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Werkzeug zur Herstellung von Werkzeugen für die Lebensmittelverarbeitung.