DE60126646T2

DE60126646T2 - Stahllegierung, halter und haltereinzelteile für kunststoff-formwerkzeuge und vergütete rohlinge für halter und haltereinzelteile

Info

Publication number: DE60126646T2
Application number: DE60126646T
Authority: DE
Inventors: Odd Sandberg; Magnus Tidesten
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2021-11-23
Also published as: AU2002224270B8; PL361985A1; EP1341944B1; PL196489B1; SE518023C2; AU2427002A; HUP0301825A3; ES2280304T3; JP2004515654A; KR20030051904A; KR100831823B1; HUP0301825A2; SE0004586D0; DE60126646D1; WO2002048418A1; CN1207420C; SE0004586L; CA2425893A1; TWI286576B; PT1341944E

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Stahllegierung und insbesondere eine Stahllegierung für die Herstellung von Haltevorrichtungen und Elementen von Haltevorrichtungen für Kunststoffformwerkzeuge. Die Erfindung betrifft auch Haltevorrichtungen und Elemente von Haltevorrichtungen, die aus dem Stahl gefertigt werden, ebenso wie Rohlinge bzw. Vorformen, die aus der Stahllegierung für die Fertigung solcher Haltevorrichtungen und Elemente von Haltevorrichtungen hergestellt sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Haltevorrichtungen und Elemente von Haltevorrichtungen für Kunststoffformwerkzeuge werden als Einspann- und/oder Einfassungskomponenten für das Kunststoffformwerkzeug in Werkzeugsätzen eingesetzt, bei welchem Werkzeug das Kunststoffprodukt durch eine Art eines Formungsverfahren gefertigt werden soll. Unter den denkbaren Elementen von Haltevorrichtungen seien Auflageplatten und andere Konstruktionsteile genannt ebenso wie schwere Blöcke mit großen Vertiefungen, welche das eigentliche Formwerkzeug aufnehmen und halten können. Die Haltevorrichtungen und Elemente von Haltevorrichtungen bestehen aus zahlreichen unterschiedlichen Stahllegierungen, einschließlich martensitischer Edelstähle. Ein Stahl, welcher durch den Anmelder gefertigt und unter dem eingetragenen Handelsnamen RAMAX S^® vertrieben wird, gehört zu dieser Gruppe und besitzt die folgende nominelle Zusammensetzung in Gew.-%: 0,33 C, 0,35 Si, 1,35 Mn, 16,6 Cr, 0,55 Ni, 0,12 N, 0,12 S, Rest Eisen und Verunreinigungen aus der Fertigung des Stahls. Der nächstkommende, vergleichbare standardisierte Stahl ist AISI 420F. Stähle dieses Typs besitzen eine angemessene Korrosionsbeständigkeit, weisen aber keine martensitische Mikrostruktur auf, welche so homogen ist wie erwünscht, können aber Ferrit und harte Stellen bzw. Verunreinigungen enthalten, die auf restlichen, nicht getemperten Martensit zurückzuführen sind, was wiederum durch eine bestimmte Ausscheidungstendenz des Stahls erklärt werden kann. Daher besteht eine Nachfrage nach Verbesserungen, was Stähle für Haltevorrichtungen angeht. Es ist ebenfalls erwünscht, dass der gleiche Stahl, möglicherweise mit einer gewissen Modifizierung der Zusammensetzung, auch für das eigentliche Formwerkzeug nützlich sein soll.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Stahl bereitzustellen, welcher nach dem Härten und Tempern bzw. Anlassen eine gleichmäßigere Struktur als der oben genannte Stahl aufweist, im Wesentlichen ohne Ferrit und/oder Unreinheiten in dem Material, welche eine deutlich höhere Härte besitzen.
Die Erfindung zielt auch darauf ab, eine oder mehrere der folgenden Wirkungen zu ereichen:

– eine gute maschinelle Bearbeitbarkeit;
– eine angemessene Korrosionsbeständigkeit;
– eine angemessene Härtbarkeit, wenn in Erwägung gezogen wird, dass der Stahl für die Fertigung von Halterblöcken aus Platten verwendbar sein soll, die eine Dicke von bis zu mindestens 300 mm und in einigen Fällen gar eine Dicke bis zu 400 mm haben können;
– eine angemessene Duktilität/Zähigkeit;
– eine Härte von 30–42 HRC, vorzugsweise 38–40 HRC im zähgehärteten Zustand;
– eine gute Polierbarkeit, zumindest gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, um auch für Formwerkzeuge verwendet werden zu können, an welche hohe Anforderungen gestellt werden, was die Polierbarkeit angeht.

Die oben genannten Ziele können erreicht werden, wenn der Stahl die chemische Zusammensetzung besitzt, welche in den anhängigen Patentansprüchen angegeben ist.
Was die Bedeutung der getrennten Elemente und ihre Wechselwirkung im Stahl angeht, kann das Folgende als zutreffend angenommen werden, ohne den beanspruchten Patentschutz an irgendeine spezifische Theorie zu binden.
Kohlenstoff und Stickstoff sind Elemente, die eine große Bedeutung für die Härte und Duktilität des Stahls haben. Kohlenstoff ist auch ein wichtiges, die Härtbarkeit förderndes Element. Kohlenstoff jedoch bindet Chrom in der Form von Chromcarbiden (M₇C₃-Carbide) und kann daher die Korrosionsbeständigkeit des Stahls beeinträchtigen. Der Stahl kann daher max. 0,15 % Kohlenstoff, vorzugsweise max. 0,13 % Kohlenstoff enthalten (in diesem Text ist immer Gew.-% gemeint, wenn nichts anderes angegeben ist). Allerdings hat Kohlenstoff auch einige vorteilhafte Wirkungen, wie etwa, dass er zusammen mit Stickstoff als ein gelöstes Element in dem angelassenen Martensit vorhanden ist, um zu dessen Härte beizutragen, und auch als ein Austenit-Stabilisator fungiert und damit Ferrit in der Struktur entgegenwirkt. Die Mindestmenge von Kohlenstoff in dem Stahl soll daher 0,06 %, vorzugsweise mindestens 0,07 betragen.
Stickstoff trägt zur Vorsehung einer gleichmäßigeren, homogeneren Verteilung von Carbiden und Kohlenstoffnitriden durch Beeinflussung der Verfestigungsbedingungen in dem Legierungssystem bei, so dass größere Aggregate von Carbiden vermieden werden oder während der Verfestigung verringert werden. Der Anteil von M₂₃C₆-Carbiden wird auch zugunsten von M(C,N), d. h. Vanadium-Kohlstoffnitriden, verringert, was eine günstige Auswirkung auf die Duktilität/Zähigkeit hat. Insgesamt trägt Stickstoff zur Einrichtung eines noch günstigeren Verfestigungsprozesses bei, der kleinere Carbide und Nitride beinhaltet, die während des Verarbeitens zu einer feiner dispergierten Phase aufgespalten werden können. Aus diesen Gründen soll Stickstoff in einer Menge von mindestens 0,07 %, vorzugsweise mindestens 0,08 %, aber nicht mehr als 0,22 %, vorzugsweise max. 0,15 % vorliegen, während die Gesamtmenge an Kohlenstoff und Stickstoff die Bedingung 0,16 ≤ C + N ≤ 0,26 erfüllen soll. Vorzugsweise soll C + N mindestens 0,17 %, aber geeigneterweise max. 0,23 % betragen. Nominell enthält der Stahl 0,20–0,22 (C + N). In dem gehärteten und angelassenen Stahl ist Stickstoff im Wesentlichen in dem Martensit in der Form von Stickstoff-Martensit in fester Lösung gelöst und trägt somit zu der gewünschten Härte bei.
Zusammengefasst kann, was den Gehalt an Stickstoff angeht, festgestellt werden, dass Stickstoff in der genannten Mindestmenge vorliegen soll, um zu der gewünschten Korrosionsbeständigkeit durch eine Erhöhung des so genannten PRE-Werts der Matrix des Stahls beizutragen, um als ein gelöstes Element in dem angelassenen Martensit vorzuliegen, was zu der Härte des Martensits beiträgt, und um Kohlenstoffnitride, M(C,N), in einem gewünschten Maß zusammen mit Kohlenstoff zu bilden, aber nicht den maximalen Gehalt zu überschreiten, wobei der Gehalt an Kohlenstoff + Stickstoff maximiert wird, wo Kohlenstoff den wichtigsten Beitrag zur Härte leistet.
Silizium erhöht die Kohlenstoffaktivität des Stahls und somit die Tendenz, mehr primäre Carbide auszufällen. Dies ist ein erster Grund, warum es erwünscht ist, dass der Stahl einen niedrigen Gehalt an Silizium aufweist. Weiterhin ist Silizium ein Ferrit stabilisierendes Element, was ein nachteiliges Merkmal von Silizium ist. Da der Stahl auch die Ferrit stabilisierenden Elemente Chrom und Molybdän in ausreichenden Mengen enthalten soll, um die gewünschten Wirkungen durch diese Elemente vorzusehen, sollte, während der Stahl einen niedrigeren Gehalt an Kohlenstoff enthält, als bei Stählen für die betreffende Anwendung üblich ist, der Gehalt an Silizium beschränkt werden, um nicht zu bewirken, dass der Stahl Ferrit in seiner Matrix enthält. Der Stahl darf daher nicht mehr als 1 % Si, vorzugsweise max. 0,7 % Si, geeigneterweise max. 0,5 % Si, und am zweckmäßigsten einen noch geringeren Gehalt an Silizium enthalten. Allgemein soll die Regel gelten, dass die Ferrit stabilisierenden Elemente an die Austenit stabilisierenden angepasst werden sollen, um die Bildung von Ferrit in dem Stahl zu vermeiden. Allerdings liegt Silizium als ein Rückstand aus der Desoxidationsbehandlung vor, wofür der optimale Gehalt an Silizium im Bereich von 0,05–0,5 %, normalerweise im Bereich von 0, 1–0, 4 % liegt und nominell etwa 0,2– 0,3 % beträgt.
Mangan ist ein Element, welches Austenit und die Härtbarkeit fördert, was eine vorteilhafte Wirkung von Mangan ist, und kann auch für das Schwefel-Raffinieren durch Bilden harmloser Mangansulfide in dem Stahl eingesetzt werden. Mangan soll daher in einer Mindestmenge von 0,1 %, vorzugsweise mit mindestens 0,3 vorliegen. Mangan besitzt allerdings eine Neigung zum Ausfällen zusammen mit Phosphor, was zu einer Versprödung durch Anlassen führen kann. Mangan darf daher nicht in einer Menge von mehr als 2 %, vorzugsweise max. 1,5 %, geeigneterweise max. 1,3 % vorliegen.
Chrom ist das Hauptlegierungselement des Stahls und ist im Wesentlichen für die Bereitstellung des rostfreien Charakters des Stahls verantwortlich, was ein wichtiges Merkmal von Haltevorrichtungen und Elementen von Haltevorrichtungen für Kunststoffformwerkzeuge ebenso wie für das Kunststoffformwerkzeug selbst ist, das häufig in feuchten Umgebungen eingesetzt wird, was bei weniger korrosionsbeständigen Stählen zur Rostbildung führen kann.
Chrom ist ferner das wichtigste, die Härtbarkeit fördernde Element des Stahls. Jedoch sind keine wesentlichen Mengen an Chrom in der Form von Carbiden gebunden, weil der Stahl einen vergleichsweise niedrigen Kohlenstoffgehalt besitzt, weshalb der Stahl einen Chromgehalt von nur 12,5 % aufweisen kann und trotzdem die gewünschte Korrosionsbeständigkeit bekommen kann. Vorzugsweise enthält der Stahl dennoch mindestens 13,0 % Chrom. Die Obergrenze wird in erster Linie durch die Ferrit bildende Tendenz von Chrom bestimmt. Der Stahl darf daher nicht mehr als max. 14,5 % Cr, vorzugsweise max. 14,0 % Cr enthalten. Nominell sollte der Stahl 13,1–13,7 % Cr enthalten.
Nickel sollte in dem Stahl in einer Mindestmenge von 0,8 %, vorzugsweise mindestens 1,0 % vorliegen, um dem Stahl eine sehr hohe Härtbarkeit zu verleihen. Aus Kostengründen jedoch sollte der Gehalt auf max. 2,5 %, vorzugsweise auf max. 2,0 % beschränkt sein. Nominell enthält der Stahl 1,4–1,8 % oder etwa 1,6 % Ni.
Wahlweise kann der Stahl der Erfindung auch einen aktiven Gehalt an Vanadium enthalten, um eine sekundäre Härtung durch Ausfällung von sekundären Carbiden in Verbindung mit dem Anlass-Vorgang zu bewirken, wobei die Anlassbeständigkeit erhöht wird. Vanadium, wenn vorhanden, fungiert auch als ein Kornwachstumsinhibitor durch die Ausfällung von MC-Carbiden. Wenn der Gehalt an Vanadium jedoch zu hoch ist, bilden sich große primäre MC-Kohlenstoffnitride während der Verfestigung des Stahls, und dies tritt auch auf, wenn der Stahl einem ESR-Umschmelzen unterworfen wird, wobei die primären Carbide während der Härtungsprozedur nicht gelöst werden. Für die Erzielung der gewünschten sekundären Härtung und für die Bereitstellung eines günstigen Beitrags zu der Kornwachstumshemmung, aber unter gleichzeitiger Vermeidung der Bildung großer, unlöslicher primärer Carbide in dem Stahl, sollte der optionale Gehalt von Vanadium im Bereich von 0,07–0,7 % V liegen. Ein geeigneter Gehalt ist 0,10–0,30 % V, nominell etwa 0,2 % V.
Vorzugsweise enthält der Stahl auch einen aktiven Gehalt an Molybdän, z. B. mindestens 0,1 %, um eine die Härtbarkeit fördernde Wirkung zu ergeben. Molybdän bis zu einer Menge von mindestens 1,0 % fördert ebenfalls die Korrosionsbeständigkeit, kann aber auch eine Wirkung erzielen, wenn der Gehalt höher ist. Beim Anlassen trägt Molybdän auch zur Erhöhung der Anlassbeständigkeit des Stahls bei, was von Vorteil ist. Andererseits kann ein zu hoher Gehalt an Molybdän zu einer ungünstigen Carbidstruktur führen, indem eine Tendenz zur Ausfällung von Korngrenzen-Carbiden und zu Absonderungen verursacht wird. Außerdem ist Molybdän ferrit-stabilisierend, was ungünstig ist. Der Stahl soll daher einen ausgewogenen Gehalt an Molybdän enthalten, um von dessen vorteilhaften Wirkungen zu profitieren, aber gleichzeitig sollten jene vermieden werden, die unvorteilhaft sind. Vorzugsweise sollte der Gehalt an Molybdän 1,7 % nicht übersteigen. Ein optimaler Gehalt kann im Bereich von 0,1–0,9 %, wahrscheinlich im Bereich von 0,4–0,6 % Mo liegen.
Normalerweise enthält der Stahl Wolfram nicht in Mengen, die über den Verunreinigungsanteil hinausgehen, es kann aber möglicherweise in Mengen bis zu 1 toleriert werden.
Der Stahl der Erfindung soll in seinem zähgehärteten Zustand geliefert werden können, wodurch die Fertigung großer Haltevorrichtungen und Formwerkzeuge durch maschinelle Bearbeitungsvorgänge ermöglicht wird. Das Härten wird durch Austenitisieren bei einer Temperatur von 850–1000°C, vorzugsweise bei 900–975°C, oder bei etwa 950°C durchgeführt, gefolgt von einem Abkühlen in Öl oder in einem Polymerbad, durch Abkühlen in Gas in einem Vakuumofen oder in Luft. Das Hochtemperatur-Anlassen für das Zustandebringen eines zähgehärteten Materials mit einer Härte von 30–42 HRC, vorzugsweise 38–41 oder etwa 40 HRC, das für maschinelle Bearbeitungsvorgänge geeignet ist, wird bei einer Temperatur von 510–650°C, vorzugsweise bei 520–540°C für mindestens eine Stunde, vorzugsweise durch doppeltes Anlassen zweimal für zwei Stunden durchgeführt. Der Stahl kann alternativ einem Niedertemperatur-Anlassen bei 200–275°C, z. B. bei etwa 250°C, unterzogen werden, um eine Härte von 38–42 oder etwa 40 HRC zu erhalten.
Der Stahl kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform auch einen aktiven Gehalt an Schwefel, womöglich in Kombination mit Calcium und Sauerstoff, enthalten, um die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls in dessen zähgehärtetem Zustand zu verbessern. Um die beste Wirkung bezüglich einer Verbesserung der maschinellen Bearbeitbarkeit zu erzielen, sollte der Stahl mindestens 0,07 % S enthalten, wenn der Stahl ferner keine absichtlich zugegebene Menge an Calcium und Sauerstoff enthält, bzw. mindestens 0,035 %, wenn der Stahl ferner eine aktive Menge an Calcium und Sauerstoff enthält. Der maximale Schwefelgehalt des Stahls ist 0,25 %, wenn der Stahl absichtlich mit einem Gehalt an Schwefel legiert wird. Ein geeigneter Schwefelgehalt kann in diesem Fall 0,12 % sein. Es kann jedoch auch eine ungeschwefelte Variante des Stahls konzipiert werden. In diesem Fall enthält der Stahl keinen Schwefel oberhalb des Verunreinigungsgrads, und dieser Stahl enthält auch keine aktiven Gehalte an Calcium und/oder Sauerstoff.
Es ist somit denkbar, dass der Stahl 0,035–0,25 % S in Kombination mit 3–100 Gew.-ppm Ca, vorzugsweise 5– 75 ppm Ca, geeigneterweise max. 40 ppm Ca und 10–100 ppm 0 enthalten kann, wobei das Calcium, das als Silizium-Calcium, CaSi, bereitgestellt werden kann, um vorhandene Sulfide zur Bildung von Calciumsulfiden zu Kügelchen zu formen („globulize"), dem entgegenwirkt, dass die Sulfide eine unerwünschte längliche Gestalt bekommen, was die Duktilität beeinträchtigen könnte.
Der Stahl der Erfindung kann auf herkömmliche Weise in einem Produktionsmaßstab durch Herstellen einer Metallschmelze auf normalen Weg, wobei die Schmelze eine chemische Zusammensetzung gemäß der Erfindung aufweist, und Gießen der Schmelze in große Barren oder kontinuierliches Gießen der Schmelze gefertigt werden. Es ist ebenfalls möglich, Elektroden aus dem geschmolzenen Stahl zu gießen und anschließend die Elektroden durch Elektro-Schlacke-Umschmelzen („Electro-Slag-Remelting" ESR) umzuschmelzen. Es ist auch möglich, Barren-Pulver-metallurgisch herzustellen durch Gasatomisierung der Schmelze zur Herstellung eines Pulvers, welches dann durch eine Technik verdichtet wird, die ein heißisostatisches Pressen, das so genannte HIP-Verfahren, umfasst, oder alternativ Barren durch Sprühformen herzustellen.
Weitere Charakteristika, Aspekte und Merkmale des Stahls gemäß der Erfindung und deren Nützlichkeit für die Herstellung von Haltevorrichtungen und Formwerkzeugen werden ausführlicher im Folgenden durch eine Beschreibung der durchgeführten Experimente und erzielten Resultate erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In der folgenden Beschreibung der durchgeführten Experimente und erzielten Resultate wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
1 einen Halterblock mit einem typischen Design zeigt, welcher aus dem Stahl gemäß der Erfindung gefertigt werden kann;
2A ein Diagramm ist, welches die Härte eines ersten Satzes von Stählen, die in der Form so genannter Q-Barren (50 kg Schmelzchargen) hergestellt werden, nach dem Härten aber vor dem Anlassen über der Austenitisierungstemperatur bei einer Haltezeit von 30 min zeigt;
2B entsprechende Diagramme für eine weitere Anzahl getesteter Stähle zeigt, die als Q-Barren gefertigt sind;
3A Anlass-Kurven für jene Stähle im ersten Satz zeigt, welche von 1030°C gehärtet wurden;
3B den Anlass-Temperaturbereich 500–550°C der Anlass-Kurven von 3A in einem größeren Maßstab zeigt;
3C die Anlass-Kurven innerhalb des Anlass-Temperaturbereichs 500–550°C für jene weiteren getesteten Stähle zeigt, deren Härte über der Austenitisierungstemperatur in 2B gezeigt wurde;
4 ein Diagramm ist, welches die Härtbarkeitskurven für die Stähle zeigt, welche wie oben angegeben getestet wurden;
5 ein Balkendiagramm ist, welches die Ergebnisse von Schlagzähigkeitstests der oben genannten Stähle darstellt; und
6A und die 6B Balkendiagramme sind, welche die kritische Stromdichte, Icr darstellen, gemessen bei der Korrosionsprüfung von Proben, welche langsam in einem Vakuumofen mit zwei unterschiedlichen Kühlgeschwindigkeiten von der Austenitisierungstemperatur abgekühlt worden waren und welche anschließend einem Hochtemperatur-Anlassen bis etwa 40 HRC unterzogen worden waren.
UNTERSUCHUNG VON IM LABORMASSSTAB GEFERTIGTEN STÄHLEN
Die 1 zeigt einen Halterblock 1 mit einem typischen Design, dessen Fertigung aus dem Stahl gemäß der Erfindung möglich sein soll. Im Block 1 gibt es eine Vertiefung 2, welche ein Formwerkzeug, in der Regel ein Kunststoffformwerkzeug, aufnehmen soll. Der Block 1 weist beträchtliche Abmessungen auf und die Vertiefung 2 ist groß und tief. Daher werden eine Reihe unterschiedlicher Anforderungen an das Material gemäß der Erfindung gestellt, d. h. eine ausreichende Härtbarkeit mit Bezug auf die beträchtliche Dicke des Blocks und eine gute Fähigkeit, mittels Schneidewerkzeugen, wie Schaftfräser und Bohrer, maschinell bearbeitet zu werden.
Material
17 Q-Barren (50 kg Labor-Schmelzchargen) mit Zusammensetzungen gemäß Tabelle I wurden in vier Durchgängen gefertigt. Im ersten Durchgang (Q9043–Q9080) wurden Barren mit chemischen Zusammensetzungen innerhalb eines weiten Bereichs gefertigt; z. B. wurden Varianten mit vergleichsweise hohen Gehalten an Stickstoff getestet. Es wurde deutlich, dass die Legierung mit den interessantesten Merkmalen Q9068 war, d. h. mit Kohlenstoffgehalten, die im mittleren Bereich um 0,10 % liegen, und mit mäßigen Gehalten an Stickstoff.
Im zweiten Durchgang (Q9129–Q9132) versuchte man, die Merkmale zu optimieren, die durch Q9068 erhalten wurden. Der Kohlenstoffgehalt wurde leicht variiert, Vanadium wurde zugegeben, um eine feinere Korngröße zu erhalten, und der Nickelgehalt wurde für eine der Varianten verringert.
Im dritten Durchgang (Q9129–Q9139) wurden Varianten mit erhöhten Schwefelgehalten getestet.
In einem vierten Durchgang wurden nur zwei Stähle, Q9153 und Q9154, getestet, um die Beziehungen zwischen Kohlenstoff und Stickstoff zu evaluieren.
Die Stähle Q9043 und Q9063 sind Referenzmaterialien. Q9043 hat eine Zusammensetzung gemäß SIS2314 und AISI 420, während Q9063 W.Nr. 1.2316 entspricht.
Die Q-Barren wurden zu einer Form von Stäben mit einer Größe von 60 × 40 mm geschmiedet, woraufhin die Stäbe in Vermiculit gekühlt wurden.
Tabelle I – Testmaterialien; chemische Zusammensetzung in Gew.-%, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen

n. a. = nicht analysiert

Härte nach der Wärmebehandlung
Die Härte in Abhängigkeit von der Austenitisierungstemperatur ist in 2A und 2B gezeigt. Es wird anhand der Diagramme dieser Zeichnungen deutlich, dass die Härte mit einer zunehmenden Austenitisierungstemperatur für einige Stähle mit einem höheren Kohlenstoffgehalt, wie für Q9043, Q9063, Q9103, Q9104 und Q9135, zunimmt. 1030°C ist eine Austenitisierungstemperatur, die in diesen Fällen angemessen sein kann. Für andere Stähle nimmt die Härte mit einer zunehmenden Austenitisierungstemperatur ab oder bleibt konstant. In diesem Fall kann es passender sein, 950°C als Austenitisierungstemperatur zu wählen.
Die Härte nach dem Anlassen dieser Stähle, die von 1030°C gehärtet worden waren, ist in 3A und 3B gezeigt, während alle Anlass-Kurven für jene der Q-Barren 9129–9154, die von 950°C gehärtet worden waren, in dem Diagramm in 3C gezeigt sind. Aus den Kurven für das Tempern kann der Schluss gezogen werden, dass alle Stähle bis zu 40 HRC hinab durch Anlassen im Temperaturbereich von 520–600°C angelassen werden können.
Eine geeignete Härte des Stahls nach dem Zähhärten ist etwa 40 HRC. In Tabelle II unten sind die Wärmebehandlungen angegeben, welche die genannte Härte für die unterschiedlichen Stähle liefern.
Tabelle II – Wärmebehandlung zum Zähhärten, gemessener Rest-Austenit, Vol.-%

* t8/5 = 1964s
** t8/5 = 1885s (t8/5 entspricht der Zeit zum Abkühlen einer Probe von 800 auf 500°C)

Härtbarkeit
Die Härte nach dem Härten von den Austenitisierungstemperaturen, die in Tabelle II angegeben sind, von welchen Temperaturen die Proben mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgekühlt wurden, ist in den Härtbarkeitskurven von 4 gezeigt.
Schlagzähigkeitstests
Schlagzähigkeitstests von nicht gekerbten Testexemplaren, Durchschnittswerte für vier bis sechs Teststäbe von jedem Stahl, wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Wärmebehandlungen und Abkühlungsgeschwindigkeiten, die für verschiedene Stähle durchgeführt wurden, sind in Tabelle III angegeben. Die Ergebnisse werden durch das Balkendiagramm in 5 offenbart. Anhand dieses Diagramms lässt sich erkennen, dass einige Varianten, wie Q9067, 9068, 9069, 9129, 9131, 9132 und Q9153 eine sehr hohe Duktilität, > 350 J, aufweisen und dass die Teststäbe nicht gebrochen waren, dass aber auch einige andere Stähle, einschließlich z. B. der Stahl Q9154, eine wesentlich bessere Duktilität als die Referenzstähle, Q9063 und 9043, aufweisen, welche auf dem 180–200 J-Level liegen.
Tabelle III
Korrosionstests
Polarisationskurven wurden in einer ersten Testrunde für die in Tabelle IV angegebenen Stähle in Bezug auf die kritische Stromdichte, Icr, für die Evaluierung der Korrosionsbeständigkeit der Stähle erstellt. Was dieses Messverfahren angeht, gilt die Regel, je geringer Irc ist, umso besser ist die Korrosionsbeständigkeit. Die Untersuchungen wurden in zwei Testreihen durchgeführt, in welchen die Testexemplare unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten unterzogen wurden. Die Wärmebehandlungen der ersten Reihe sind in Tabelle IV aufgeführt.
Tabelle IV – Wärmebehandlung von Polarisationstestexemplaren. Kühlen im Vakuumofen
Die Resultate aus der ersten Testrunde sind anhand des Balkendiagramms in 6A erkennbar. An diesem Balkendiagramm wird deutlich, dass fünf Stähle eine bessere Korrosionsbeständigkeit als das Referenzmaterial Q9063, nämlich Q9068, Q9070, Q9129, Q9132 und Q9153, aufwiesen.
Noch langsamere Abkühlungsgeschwindigkeiten t8/5 wurden in einer zweiten Testrunde angewandt; siehe Tabelle V und 6B.
Tabelle V – Wärmebehandlung von Polarisationstestexemplaren. Kühlen im Vakuumofen
Die 6B erläutert, dass die besten Korrosionsbeständigkeiten für die Proben von Q9063, 9129, 9153 und 9154 festgestellt wurden.
Diskussion
In der einleitenden Beschreibung der Erfindung wurde eine Reihe von Zwecken der Erfindung aufgezählt. Neben einer guten maschinellen Bearbeitbarkeit soll der Stahl eine gute Duktilität, eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine gute Härtbarkeit aufweisen. Es kann festgestellt werden, dass es ein Ziel ist, dass der Stahl neben einer guten maschinellen Bearbeitbarkeit eine bessere Duktilität, Korrosionsbeständigkeit und Härtbarkeit als der Stahl Q9063 aufweisen soll. Vier Stähle erfüllen diese Kriterien, nämlich Q9068, Q9129, Q9153 und Q9154, die eine ziemlich ähnliche Zusammensetzung haben; obwohl der Stahl Q9154 einen höheren Stickstoffgehalt und einen niedrigeren Gehalt an Kohlenstoff aufweist. Auf der Grundlage dieser Erfahrungen kann angenommen werden, dass eine optimale Zusammensetzung die folgende sein könnte, nämlich 0,10 C, 0,075 N, 0,16 Si, 1,1 Mn, 13,1 Cr, 0,13 V, 1,8 Ni, 0,5 Mo, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Eine Alternative könnte ein Stahl sein, welcher 0,06 C und 0,14 Ni enthält, aber was den Rest angeht, die gleiche Zusammensetzung wie die vorgenannte. Andere Alternativen – als geeignet denkbare nominelle Zusammensetzungen – könnten die Folgenden sein: 0,12 C, 0,20 Si, 1,30 Mn, 0,10 S, 13,4 Cr, 1,60 Ni, 0,50 Mo, 0,20 V, 0,10 N, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, und/oder 0,14 C, 0,18 Si, 1,30 Mn, 0,10 S, 13,5 Cr, 1,67 Ni, 0,50 Mo, 0,22 V, 0,10 N, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
HERSTELLUNG VON STAHL IM PRODUKTIONSMASSSTAB
Eine 35-Tonnen-Schmelzcharge von geschmolzenem Metall wurde in einem elektrischen Lichtbogenofen hergestellt. Vor dem Abstechen hatte die Schmelze die folgende chemische Zusammensetzung: 0,15 C, 0,18 Si, 0,020 P, 0,08 S, 13,60 Cr, 1,60 Ni, 0,48 Mo, 0,20 V, 0,083 N, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Aus der Schmelze wurden Barren gefertigt, welche zu der Form von flachen Stäben mit unterschiedlichen Abmessungen geschmiedet wurden. Das Schmieden führte zu keinen Problemen. Die geschmiedeten Stäbe wurden auf eine Härte von etwa 380 HB durch Austenitisieren bei 950°C, Haltezeit 2 h, rasches Löschen in Luft und Anlassen bei 540°C, 2 × 2h, zähgehärtet. Die auf diese Weise zähgehärteten Stäbe wurden maschinell auf die Endkaliber bzw. -maße maschinell verarbeitet.

Claims

Stahllegierung mit einer chemischen Zusammensetzung, die Folgendes in Gew.-% enthält: 0,06–0,15 C 0,16 ≤ C + N ≤ 0,26 0,1–1,0 Si 0,1–2,0 Mn 12,5–14,5 Cr 0,8–2,5 Ni 0,1–1,5 Mo wahlweise Vanadium bis zu max. 0,7 V wahlweise eines oder mehrere der Elemente S, C und 0 zum Verbessern der maschinellen Bearbeitbarkeit des Stahls in Mengen von bis zu max. 0,25 S, max. 0,01 (100 ppm) Ca, max. 0,01 (100 ppm) 0, Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,07–0,13 C enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,08–0,15 N enthält.
Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge an C + N der Bedingung 0,17 < C + N < 0,23 entspricht.
Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,1–0,7 Si, bevorzugt max. 0,5 Si enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,1–0,4 Si enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie max. 1,5 Mn, bevorzugt max. 1,3 Mn enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 13,0–14,0 Cr enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie 13,1–13,7 Cr enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 1,0–2,0 Ni enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie 1,4–1,8 Ni enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,1–0,9 Mo enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,4–0,6 Mo enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens 0,07 V enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens 0,10 V enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,10–0,30 V enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie max. 0,15 S enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,08–0,12 S enthält.
Stahllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie kein S, Ca oder 0 über dem Verunreinigungsniveau enthält.
Stahllegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes enthält: 0,06–0,13 C 0,08–0,15 N 0,1–0,4, bevorzugt 0,2–0,3 Si 0,2–1,3 Mn 12,5–13,6 Cr 0,1–0,3 V 0,2–0,8 Mo 1,4–1,8 Ni
Haltevorrichtungen und Elemente von Haltevorrichtungen für Kunststoffformwerkzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Stahllegierung nach einem der Ansprüche 1–20 bestehen.