DE4334062A1

DE4334062A1 - Verwendung eines Stahls für warmfeste Werkzeuge

Info

Publication number: DE4334062A1
Application number: DE4334062A
Authority: DE
Inventors: Juergen Prof Dr Ing Poetschke; Wolfram Dr Rer Nat Graf; Heinz-Juergen Dipl Phy Kraemer
Original assignee: Krupp Pulvermetall 45128 Essen De GmbH; Krupp Pulvermetall GmbH
Current assignee: Fried Krupp AG Hoesch Krupp
Priority date: 1992-10-06
Filing date: 1993-10-06
Publication date: 1994-04-07

Description

Die Erfindung betrifft einen pulvermetallurgisch durch heißiso statisches Verpressen eines legierten Stahlpulvers hergestellten korrosionsbeständigen Werkzeugstahl, der neben einer hohen Verschleiß- und Druckbeständigkeit eine hohe Warmfestigkeit aufweist.

Unter Werkzeugstählen versteht man Stähle, die zum Trennen oder Umformen oder ganz allgemein zum Bearbeiten oder Verarbeiten von Werkstoffen verwendet werden.

Aufgrund ihres feinen und seigerungsfreien Gefüges zeigen pulver metallurgisch durch heißisostatisches Verpressen eines legierten Stahlpulvers hergestellte Werkzeugstähle besonders gute Gebrauchs eigenschaften:

- hoher Verschleißwiderstand und Härte als Folge eines hohen An teils an Primärkarbiden,
- gute Warmformgebungseigenschaften und ausreichende Zähigkeit als Folge des feinkristallinen Gefüges,
- weitgehend isotrope Werkstoffeigenschaften,
- hohe Anlaßbeständigkeit,
- gute Schleifbarkeit und geringer Härteverzug als Folge des fein kristallinen homogenen Gefügeaufbaus sowie
- eine hohe Korrosionsbeständigkeit wegen des seigerungsfreien Ge füges.

Aus der EP-A1 0 348 380 sind pulvermetallurgisch durch heißisosta tisches Verpressen eines legierten Stahlpulvers hergestellte Werk zeugstähle mit hoher Korrosionsbeständigkeit, hoher Verschleiß festigkeit sowie hoher Zähigkeit und Druckfestigkeit bekannt, die die folgende Legierungszusammensetzung (Angaben in Masse-%) auf weisen: Kohlenstoff 1,8 bis 6,2%, Silizium max. 1%, Mangan max. 1%, Phosphor und Schwefel je max. 0,03%, Chrom 16 bis 29%, Molybdän 0,4 bis 2,5%, Wolfram 0,3 bis 2,0%, Vanadin 3 bis 10%, Titan bis 5%, Aluminium bis 1%, Nickel max. 0,8%, Kobalt max. 0,8%, Kupfer max. 0,5%, Bor bis 0,05%, Stickstoff 0,01 bis 0,18% sowie Niob bis 5%, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Diese Stähle sind wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit, der hohen Zähigkeit und Druckfestigkeit ein geeigneter Ausgangswerkstoff zur Herstellung von korrosiv beanspruchten Teilen, wie Kunststoffor men, ferner von Maschinenteilen und Werkzeugen zur spanlosen Formgebung, die im Einsatz bei Temperaturen von höchstens 200°C beansprucht werden, und somit zur Gattung der sogenannten Kaltar beitsstähle zu rechnen sind.

Als sogenannte Warmarbeitsstähle, die für die spanlose Umformung von Metallen bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden und im Einsatz eine über 200°C liegende Dauertemperatur annehmen, wie z. B. Druckgießformen, Schmiedegesenke und Werkzeuge für Metall strangpressen, sind die Stähle gemäß der EP-A1 0 348 380 jedoch nur bedingt wegen niedriger Warmfestigkeitswerte geeignet.

Dies gilt auch für die Werkzeugstähle nach der EP-B1 0 271 238 und der EP-A1 0 341 643, die ähnliche Zusammensetzungen wie die EP-A1 0 348 380 aufweisen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen pulvermetallur gisch hergestellten korrosionsbeständigen Werkzeugstahl zu schaf fen, der neben einer hohen Verschleiß- und Druckfestigkeit gleich zeitig eine hohe Warmfestigkeit aufweist, und somit sowohl als Warmarbeitsstahl als auch Kaltarbeitsstahl verwendet werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen pulvermetallurgisch durch heißisostatisches Verpressen eines legierten Stahlpulvers herge stellten Werkzeugstahl der Zusammensetzung (in Masse-%)

Kohlenstoff\|1,6 bis 5,7
Silizium	bis 0,5
Mangan	0,1 bis 0,5
Phosphor	bis 0,03
Schwefel	bis 0,03
Chrom	18 bis 26
Molybdän	1 bis 6
Wolfram	3 bis 10
Vanadium	2 bis 10
Titan	0 bis 1
Niob	bis 3
Aluminium	bis 0,5
Nickel	bis 3
Kobalt	1 bis 7
Stickstoff	0,01 bis 0,5
Bor	bis 0,1
Rest Eisen und übliche herstellungsbedingte Verunreinigungen.

In einer bevorzugten Legierungsvariante der erfindungsgemäßen Ei senbasislegierung ist vorgesehen, daß die Gehalte (in Masse-%) an

Kohlenstoff\|2,5 bis 3
Silizium	bis 0,5
Mangan	0,1 bis 0,5
Phosphor	bis 0,03
Schwefel	bis 0,03
Chrom	23 bis 26
Molybdän	2 bis 4
Wolfram	3 bis 5
Vanadium	2 bis 4
Titan	0,05 bis 1
Niob	1 bis 2
Aluminium	bis 0,5
Nickel	0,4 bis 1,5
Kobalt	2 bis 6
Stickstoff	0,01 bis 0,5
Bor	bis 0,05
Rest Eisen und übliche herstellungsbedingte Verunreinigungen,

betragen.

Die Wirkung der Legierungselemente in dem erfindungsgemäßen Werk zeugstahl ist wie folgt (Angaben in Masse-%):

Silizium ist ein Desoxidationsmittel und beeinflußt die Zusammen setzung der Oxide. In Mengen bis 0,5% ist Silizium vorteilhaft für eine gute Polierbarkeit der aus der Eisenbasislegierung gefer tigten Teile. Mangangehalte bis 0,5% sind wichtig, um bei Schwe felgehalten bis 0,03% den Schwefel als Sulfid abzubinden und dadurch die Zähigkeit des Werkstoffes zu verbessern. Phosphor wirkt versprödend und sollte daher in der Legierung so niedrig wie möglich, jedoch unter 0,03% liegen.

Chrom ist das Legierungselement, das ab einem Gehalt von ca. 13% in der Matrix die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes bewirkt. Da gleichzeitig Chrom ein Karbidbildner ist, der bei den vorgese henen Kohlenstoffgehalten Karbide zur Härtesteigerung bildet, ist es wichtig, daß die Legierung mindestens 18% Chrom aufweist, damit über das als Karbid gebundene Chrom hinaus ausreichend Chrom (mindestens 13%) in der Matrix vorhanden ist, um die gewünschte Korrosionsbeständigkeit zu erhalten. Der Höchstgehalt an Chrom sollte jedoch 26% nicht übersteigen, weil höhere Chromkonzentra tionen zu einer Versprödung des Werkstoffes führen. Molybdän in den vorgesehenen Gehalten von 1 bis 6% und Wolfram in Gehalten von 3 bis 10% bewirken einen Sekundärhärteanstieg bei der Wärme behandlung der aus dem erfindungsgemäßen Werkzeugstahl hergestell ten Teile durch die Bildung feiner Karbide.

Vanadium ist ebenfalls ein starker Karbidbildner und bewirkt in den vorgesehenen Gehalten von 2 bis 10% die Entstehung von MC- Karbiden, die zu einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit führen.

Niob in Gehalten bis 3% verbessert ebenfalls die Verschleißfe stigkeit der Legierung, insbesondere durch eine MC-Karbidbildung.

Titan in Gehalten bis 1% wirkt als MC-Karbid kornverfeinernd und erhöht die Zähigkeit.

Aufgrund einer Nitridbildung wirken die Stickstoffgehalte bis 0,5% ebenfalls kornverfeinernd bzw. verhindern ein Kornwachstum beim Glühen der Stähle bei hohen Temperaturen, wodurch ein Abfall der Zähigkeit der Legierung vermieden wird. Weiterhin wird durch die vorgesehenen Stickstoffgehalte die Verschleißfestigkeit ver bessert.

Aluminium kann als Element mit hoher Sauerstoffaffinität und hoher Stickstoffaffinität in Konzentrationen bis 0,5% zur Einstellung niedriger Sauerstoffgehalte des Stahls und zur Vermeidung des Kornwachstums zulegiert sein, wobei auch vorteilhafte Wirkungen auf das Umwandlungsverhalten und die Zähigkeit des Werkstoffes erzielbar sind.

Wesentlich für den erfindungsgemäßen Werkzeugstahl ist ein Kobalt gehalt von 1 bis 7%, bevorzugt von 2 bis 6%. Durch den Zusatz von Kobalt wird die gewünschte Warmfestigkeit erreicht und außer dem die Anlaßbeständigkeit erhöht.

Borgehalte bis 0,1% sind in Verbindung mit Nickelgehalten bis 3% vorgesehen, um durch Bildung von harten Nickel-Boriden bzw. Boro karbiden die Warmfestigkeit zu stabilisieren.

Nachfolgend werden die technologischen Eigenschaften des erfin dungsgemäßen Werkzeugstahls im Vergleich mit dem zum Stand der Technik gehörenden Werkzeugstahl gemäß EP 0 348 380 näher erläu tert:

Verglichen werden eine unter die Erfindung fallende Legierung A und eine Legierung B, entsprechend einem Beispiel aus der EP 0 348 380.

Die Ist-Analysen sind in Tabelle 1 enthalten.

Für beide Legierungen wurde zunächst im Gasverdüsungsverfahren ein Legierungspulver der angegebenen Zusammensetzung hergestellt. Nach dem Einfüllen des Pulvers in eine Kapsel wurde das Pulver heißisostatisch zu einem kompakten Stahl verdichtet. Nach einem Weichglühen bei ca. 900°C wurden dem Stahl Proben entnommen. Die Proben wurden durch Aufheizung auf ca. 1150°C austenitisiert, anschließend im Warmbad gehärtet und bei ca. 550°C einer Anlaß behandlung unterworfen.

An den so vorbehandelten Proben wurden Werte für die Härte und die Druckfestigkeit ermittelt. Es zeigte sich, daß die Härte bei Raum temperatur sowohl für die Legierung A als auch für die Legierung B bei rd. 60 HRC (Rockwell) lag.

Die Druckfestigkeit bei Raumtemperatur (0,2%-Stauchgrenze) ergab für die Legierungen A und B ebenfalls gleiche Werte von ca. 2000 N/mm².

Bei der Ermittlung der Härte bei erhöhten Temperaturen ergaben sich jedoch Unterschiede.

Bei einer Prüftemperatur von 400°C wurde für die Legierung B eine Härte von 45 HRC, für die Legierung A eine Härte von 53 HRC er mittelt.

Die höheren Werte der Warmhärte des erfindungsgemäßen Werkzeug stahls sind bedingt durch die Gehalte an Kobalt und Wolfram.

Diese höhere Härte der erfindungsgemäßen Legierung A ist aus schlaggebend dafür, daß der erfindungsgemäße Werkzeugstahl auch für Anwendungszwecke bei erhöhten Temperaturen einsetzbar ist.

Tabelle 1

Eine bevorzugte Zusammensetzung besteht aus

Kohlenstoff
2,9 bis 3,1%
Silizium	etwa 0,4%
Mangan	etwa 0,4%
Phosphor	bis 0,03
Schwefel	bis 0,03
Chrom	25 bis 26
Molybdän	etwa 1,7%
Wolfram	etwa 3,3%
Vanadium	etwa 4%
Nickel	bis 1%
Kobalt	etwa 1%
Stickstoff	etwa 0,02%
Rest Eisen und übliche herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Claims

1. Verwendung eines Stahles der Zusammensetzung (in Masse %) Kohlenstoff|1,6 bis 5,7 Silizium bis 0,5 Mangan 0,1 bis 0,5 Phosphor bis 0,03 Schwefel bis 0,03 Chrom 18 bis 26 Molybdän 1 bis 6 Wolfram 3 bis 10 Vanadium 2 bis 10 Titan 0 bis 1 Niob bis 3 Aluminium bis 0,5 Nickel bis 3 Kobalt 1 bis 7 Stickstoff 0,01 bis 0,5 Bor bis 0,1 Rest Eisen und übliche herstellungsbedingte Verunreinigungen,

zur Herstellung eines korrosionsbeständigen warmfesten Werkzeugstahles, der bei einer Prüftemperatur von 400°C eine Härte von mindestens 50 HRC aufweist, mit der Maßgabe, daß nach dem Erschmelzen durch Inertgasverdüsen ein Legierungspulver hergestellt worden ist, bei dem jedes Pulverteilchen die Zusammensetzung des erschmolzenen Stahles aufweist und das Legierungspulver einem heißisostatischen Pressen unterworfen worden ist.

2. Verwendung eines inertgasverdüsten und einem heißisostatischem Pressen unterworfenen Stahles der Zusammensetzung (in Masse %) Kohlenstoff|2,5 bis 3 Silizium bis 0,5 Mangan 0,1 bis 0,5 Phosphor bis 0,03 Schwefel bis 0,03 Chrom 23 bis 26 Molybdän 2 bis 4 Wolfram 3 bis 5 Vanadium 2 bis 4 Titan 0,05 bis 1 Niob 1 bis 2 Aluminium bis 0,5 Nickel 0,4 bis 1,5 Kobalt 2 bis 6 Stickstoff 0,01 bis 0,5 Bor bis 0,05 Rest Eisen und übliche herstellungsbedingte Verunreinigungen,

für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung eines inertgasverdüsten und einem heißisostatischem Pressen unterworfenen Stahles in der Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 und 2, jedoch mit Gehalten an Silizium|0,05 bis 0,5 Bor 0,005 bis 0,05

für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung eines Stahls mit Kohlenstoff 2,9 bis 3,1% Silizium etwa 0,4% Mangan etwa 0,4% Phosphor bis 0,03 Schwefel bis 0,03 Chrom 25 bis 26 Molybdän etwa 1,7% Wolfram etwa 3,3% Vanadium etwa 4% Nickel bis 1% Kobalt etwa 1% Stickstoff etwa 0,02% Rest Eisen und übliche herstellungsbedingte Verunreinigungen,

für den Zweck nach Anspruch 1.