DE4321433C1 - Verwendung eines Warmarbeitsstahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Warmarbeitsstahls für die Urformung, die Umformung und die Bearbeitung von Werkstoffen, z. B. beim Druckgießen, beim Strangpressen bei Gesenkschmieden oder als Scherenmesser, der bei erhöhten Temperaturen bis 1100°C eine hohe Wärmeleitfähigkeit sicherstellt.

Neben einer hohen thermischen Stabilität müssen Warmarbeitswerkzeuge gute Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Warmverschleißwiderstand besitzen. Während der Warmverschleißwiderstand das Werkzeug vor einer vorzeitigen Abnutzung schützen soll, ist die Wärmeleitfähigkeit erforderlich, um die bei der Berührung mit dem umzuformenden Werkstoff aufgenommene Wärmemenge rasch von der Werkzeugoberfläche in das Werkzeuginnere abzutransportieren. Bei guter Wärmeleitfähigkeit wird nicht nur eine geringere thermische Beanspruchung der Werkzeugoberfläche erzielt, sondern aufgrund des flacheren Temperaturgradienten im Werkzeug kommt es auch zu geringeren Spannungen, wodurch die Gefahr von Thermoschock- und Spannungsrissen herabgesetzt wird. Eine gute Wärmeleitfähigkeit ermöglicht es ferner, die vom Werkzeug aufgenommene Wärmemenge über die Oberfläche oder mit Hilfe eines Kühlkanalsystems aus dem Werkzeug abzuführen.

Bei der Entwicklung thermisch beständiger und warmverschleißwiderstandsfähiger Warmarbeitswerkzeuge taucht das Problem auf, daß die verhältnismäßig gute Wärmeleitfähigkeit des reinen Eisens mit steigendem Legierungsgehalt rasch abnimmt. Damit weisen gerade die hochlegierten und daher warmverschleißbeständigen Warmarbeitsstähle die geringsten Wärmeleitfähigkeitswerte auf. Der Konstrukteur steht daher vor der Entscheidung, einen Werkstoff mit hohem Verschleißwiderstand aber geringer Wärmeleitfähigkeit einsetzen zu müssen oder zugunsten einer besseren Wärmeleitfähigkeit auf höchsten Warmverschleißwiderstand zu verzichten.

In der Praxis bedeutet dies, daß für Aluminiumdruckgießformen vorwiegend die Warmarbeitsstähle mit 5% Cr, z. B. der Stahl X 38 CrMoV 5 1, Werkstoff-Nr. 1.2343 mit (in Masse-%) 0,36 bis 0,42% C, 0,90 bis 1,20% Si, 0,30 bis 0,50% Mn, 4,8 bis 5,5% Cr, 1,1 bis 1,4% Mo, und 0,25 bis 0,50% V eingesetzt werden. Diese Stähle weisen aufgrund ihrer abgestimmten Legierungsgehalte an Chrom, Molybdän und Vanadium bereits einen guten Warmverschleißwiderstand auf, sind aber noch nicht so hoch legiert, daß die Wärmeleitfähigkeit wesentlich vermindert wird. Für Gesenke in schnellaufenden wassergekühlten Schmiedepressen werden dagegen Stähle mit einem auf 3% abgesenkten Chromgehalt, z. B. der Stahl X 32 Cr MoV 3 3, Werkstoff-Nr. 1.2365 mit (in Masse-%) 0,28 bis 0,35% C, 0,10 bis 0,40% Si, 0,15 bis 0,45% Mn, 2,7 bis 3,2% Cr, 2,6 bis 3,5% Mo und 0,40 bis 0,70% V eingesetzt. Diese Stähle haben die höchste Wärmeleitfähigkeit.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Warmarbeitsstahl zu entwickeln, der neben ausreichender thermischer Beständigkeit und gutem Warmverschleißwiderstand eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist als bekannte Warmarbeitsstähle.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines Stahls mit 0,30 bis 0,55% C, weniger als 0,90% Si, bis 1,0% Mn, 2,0 bis 4,0% Cr, 3,5 bis 7,0% Mo, 0,3 bis 1,5% insgesamt eines oder mehrerer der Elemente Vanadium, Titan, Niob, 0,005 bis 0,1% Al, Rest Eisen einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, gelöst. Dieser Stahl hat im vergüteten Zustand zwischen 400 und 600°C eine Zugfestigkeit von über 700 N/mm² und eine Wärmeleitfähigkeit von über 35 W/m.K.

Eine bevorzugte Zusammensetzung des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls besteht aus 0,4 bis 0,5% C, 0,2 bis 0,4% Si, 0,2 bis 0,4% Mn, 2,8 bis 3,2% Cr, 4,9 bis 5,1% Mo, 0,9 bis 1,1% V, 0,005 bis 0,025% Al, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Um die hohe Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten, muß der Stahl einen Molybdängehalt von 3,5 bis 7% besitzen. Die Härtbarkeit wird durch Chromgehalte von mindestens 2%, höchstens jedoch 4%, gewährleistet. Bei höheren Chromgehalten tritt eine nennenswerte Verringrung der Wärmeleitfähigkeit ein. Zur Gewährleistung eines hohen Verschleißwiderstandes sind Zusätze der Monocarbidbilder V, Nb oder Ti einzeln oder in Summe von mindestens 0,3%, höchstens jedoch 1,5%, erforderlich. Der Kohlenstoffgehalt ist mit 0,30 und 0,50% auf den Gehalt an Monocarbidbildern abgestimmt.

Die Vergütung erfolgt durch Härten bevorzugt im Bereich von 1000 bis 1100°C und durch nachfolgendes Anlassen im Bereich von 600 bis 650°C für 1 bis 2 h. Die günstigsten Härtebedingungen wurden im Bereich von 1050 bis 1075°C 15 min/Wasser ermittelt. Die Anlaßbeständigkeit ist gut.

Ein innerhalb der beanspruchten Analysengrenzen erzeugter Stahl mit 0,46% C, 0,21% Si, 0,31% Mn, 2,89% Cr, 5,10% Mo, 0,006% Al und 0,91% V, Rest Fe weist nach Fig. 1 eine höhere Wärmeleifähigkeit auf als alle bisher bekannten Warmarbeitsstähle, z. B. die in der Stahleinsatzliste 201 des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute von Oktober 1992 aufgeführten Stähle Werkstoff-Nrn. 1.2343 und 1.2365. Im Temperaturbereich von 400 bis 600°C liegt die Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls deutlich oberhalb von 35 W/m.K, während die der zum Vergleich angeführten Stähle 1.2343 und 1.2365 deutlich darunter liegen.

Ferner übertrifft der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl wie Fig. 2 zeigt, die herkömmlichen Warmarbeitsstähle auch in der Anlaßbeständigkeit. Die Härte liegt nach dem Anlassen auf 400 bis 600°C über 55 HRC, bei den bekannten Vergleichsstählen aber deutlich niedriger.

Auch die Warmfestigkeit ist gemäß Fig. 3 im genannten Temperaturbereich besser als die der Vergleichstähle und liegt bei 600°C noch bei 800 N/mm² gegenüber 700 N/mm² für den Vergleichsstahl 1.2365 und 600 N/mm² bei dem Stahl 1.2343.

Beim Einsatz als Werkstoff für Schmiedegesenke erwies sich der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl gegenüber den bisher verwendeten Stählen auch im Hinblick auf Verschleißwiderstand und Standzeit deutlich überlegen.

Der Stahl kann auch als Werkstoff für Lochdorne wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit und seiner günstigen Zunderausbildung beim Lochen hochlegierter Chromstähle erfolgreich eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Verwendung eines Warmarbeitsstahls, der im vergüteten Zustand im Temperaturbereich von 400 bis 600°C eine Zugfestigkeit von über 700 N/mm² hat, bestehend aus
0,30 bis 0,55% C
weniger als 0,90% Si
bis 1,0% Mn
2,0 bis 4,0% Cr
3,5 bis 7,0% No
0,3 bis 1,5% insgesamt eines oder mehrerer der Elemente Vanadium, Titan, Niob,
0,005 bis 0,1% Al
Rest Eisen, einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen.

Als Werkstoff für Warmarbeitswerkzeuge, die eine Wärmeleitfähigkeit von über 35 W/m.K aufweisen müssen.

2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1, jedoch mit
0,4 bis 0,5% C
0,1 bis 0,4% Si
0,2 bis 0,4% Mn
2,8 bis 3,2% Cr
4,9 bis 5,1% Mo
0,9 bis 1,1% V
0,005 bis 0,025% Al
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen,
für den Zweck nach Anspruch 1.