DE69116042T2 - Process for the production of tool steel, in particular for the production of molds and steel according to the process - Google Patents
Process for the production of tool steel, in particular for the production of molds and steel according to the processInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugstahles, insbesondere für die Herstellung von Spritzgußformen, sowie einen durch ein derartiges Verfahren erhaltenen Werkzeugstahl.The present invention relates to a method for producing a tool steel, in particular for producing injection molds, and to a tool steel obtained by such a method.
In der Kunststoffindustrie ist es üblich, zur Herstellung von Spritzgußteilen spezielle Formen aus Stahl zu verwenden, der spezielle Eigenschaften aufweist.In the plastics industry, it is common to use special molds made of steel with specific properties to produce injection molded parts.
Die zur Herstellung von Formen bestimmten Stähle müssen einerseits eine ausgezeichnete Eignung für eine harte maschinelle Bearbeitung und andererseits eine Eignung zur Endbearbeitung der Hohlraumflächen der Form besitzen, und zwar sowohl aus mechanischer Sicht, beispielsweise bei einem Poliervorgang, als auch aus chemischer Sicht, beispielsweise bei einem Sandstrahlvorgang. Das physikalische und/oder chemische Verhalten dieser Stähle kann widersprüchlich sein, wodurch ihre unterschiedlichen Eigenschaften optimiert werden müssen, um einen zufriedenstellenden Kompromiß zu erzielen.The steels used to make moulds must, on the one hand, have excellent suitability for hard machining and, on the other hand, suitability for finishing the mould cavity surfaces, both from a mechanical point of view, for example by polishing, and from a chemical point of view, for example by sandblasting. The physical and/or chemical behaviour of these steels can be contradictory, which means that their different properties must be optimised in order to achieve a satisfactory compromise.
Es sind Werkzeugstähle zur Herstellung von Formen bekannt, die einen Schwefelgehalt in einem Bereich von 0 - 0,1 Gew.% aufweisen, einen relativ großen Bereich für die auf diesem Gebiet der Technik verwendeten Stähle.Tool steels for the production of molds are known that have a sulfur content in a range of 0 - 0.1 wt.%, a relatively large range for the steels used in this field of technology.
Aufgrund der Größe dieses Bereiches des Schwefelgehaltes haben diese Stahle den Nachteil, daß sie die vorstehend genannten Eigenschaften nicht gleichzeitig aufweisen und daß für bestimmte Werte des Schwefelgehaltes die Eigenschaften dieser Stähle nicht geeignet sind, insbesondere für das Polieren und/oder Sandstrahlen.Due to the size of this range of sulphur content, these steels have the disadvantage that they do not have the above-mentioned properties simultaneously and that for certain values of sulphur content the properties these steels are not suitable, especially for polishing and/or sandblasting.
Darüber hinaus verschlechtern andere Eigenschaften von Natur aus die Eignung zum Polieren und Sandstrahlen.In addition, other properties inherently reduce the suitability for polishing and sandblasting.
Diesbezüglich kann man insbesondere das Vorhandensein von Sauerstoffeinschlüssen in diesen Stählen nennen, welche auf einen unzureichenden Reduktionsgrad des Stahles im geschmolzenen Zustand während seiner Herstellung zurückzuführen sind. Dies kann durch die Tatsache erklärt werden, dar die Reduktion freiwillig beschränkt wird, um die Elimination von Schwefel zu verhindern, die gleichzeitig stattfindet.In this regard, one can mention in particular the presence of oxygen inclusions in these steels, which are due to an insufficient degree of reduction of the steel in the molten state during its manufacture. This can be explained by the fact that the reduction is voluntarily limited in order to prevent the elimination of sulphur which takes place at the same time.
Des weiteren kann sich durch das Phänomen einer örtlichen Segregation eine heterogene Verteilung des Schwefels ergeben, die während einer unzureichend kontrollierten Verfestigung des Stahles in Blockform stattfindet.Furthermore, a heterogeneous distribution of sulphur can result from the phenomenon of local segregation, which occurs during insufficiently controlled solidification of the steel in ingot form.
Ziel der Erfindung ist es, u. a. diese unterschiedlichen Nachteile zu beseitigen und einen Werkzeugstahl mit verbesserter Qualität, insbesondere zur Herstellung von Formen, vorzuschlagen.The aim of the invention is, among other things, to eliminate these various disadvantages and to propose a tool steel with improved quality, in particular for the production of molds.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, bei dem manThe invention relates to a method in which
- einen Stahl herstellt, der die folgende Zusammensetzung in Gew.% besitzt:- produces a steel having the following composition in weight %:
0,2 - 2% Kohlenstoff,0.2 - 2% carbon,
0,2 - 2% Mangan,0.2 - 2% manganese,
0,35 - 20% Chrom,0.35 - 20% chromium,
weniger als 5% Nickel,less than 5% nickel,
weniger als 5% Vanadium und/oderless than 5% vanadium and/or
Wolfram zusätzlich zuWolfram in addition to
weniger als 5% Molybdän,less than 5% molybdenum,
0,01 - 0,02% Schwefel und fakultativ0.01 - 0.02% sulphur and optional
weniger als 0,02% Selen,less than 0.02% selenium,
weniger als 0,02% Tellur,less than 0.02% tellurium,
weniger als 0,02% Bor,less than 0.02% boron,
weniger als 0,01% Cerless than 0.01% cerium
Rest Eisen,Rest iron,
- man bei der Herstellung unter Vakuum den Stahl im geschmolzenen Zustand durch Verrühren in Gegenwart eines Reduktionsmittels reduziert;- during manufacture under vacuum, the steel is reduced in the molten state by stirring in the presence of a reducing agent;
- man den Stahl im geschmolzenen Zustand unter kontrollierter Atmosphäre erneut mit Schwefel anreichert, um einen bestimmten Schwefelgehalt zu erreichen, und- the steel is re-enriched with sulphur in the molten state under a controlled atmosphere in order to achieve a certain sulphur content, and
- man den Stahl unter Gewährleistung einer progressiven und regelmäßigen Verfestigung gießt, um lokale Verzögerungen in der Verfestigung auszuschließen.- the steel is cast in such a way that progressive and regular hardening is ensured in order to avoid local delays in hardening.
Gemäß weiteren MerkmalenAccording to other characteristics
- wird das Reduktionsmittel aus der Gruppe ausgewählt, die Calcium, Silicium, Aluminium, Zirkon und Titan enthält,- the reducing agent is selected from the group containing calcium, silicon, aluminium, zirconium and titanium,
- liegt der Calciumgehalt in einem Bereich von 5,10&supmin;&sup4; - 0,035 Gew.%,- the calcium content is in the range of 5.10⊃min;⊃4; - 0.035 wt%,
- besteht die kontrollierte Atmosphäre vorzugsweise aus einem neutralen Gas, welches aus Argon, Stickstoff, Helium ausgewählt ist.- the controlled atmosphere preferably consists of a neutral gas selected from argon, nitrogen, helium.
Die Erfindung betrifft ferner einen Werkzeugstahl, insbesondere für die Herstellung von Spritzgußformen, der mit Hilfe des Verfahrens hergestellt wird, sowie die Verwendung eines derartigen Stahles für die Herstellung von Spritzgußformen.The invention further relates to a tool steel, in particular for the production of injection molds, which is produced using the method, as well as the use of such a steel for the production of injection molds.
Die nachfolgende Beschreibung, die lediglich beispielhaft und nicht beschränkend ist, dient zum besseren Verständnis der Erfindung.The following description, which is given only as an example and not as a limitation, serves to provide a better understanding of the invention.
Die einzige Figur ist ein Diagramm, das die Dichte von Mikrolöchern mit einem mittleren Durchmesser unter 25um nach einem Poliervorgang in Abhängigkeit vom Schwefelgehalt der Zusammensetzung des Stahles zeigt.The only figure is a diagram showing the density of microholes with an average diameter below 25um after a polishing process as a function of the sulphur content of the composition of the steel.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren stellt man einen Werkzeugstahl her, der zur Herstellung von Formen bestimmt ist, indem man einen Reduktionsvorgang, während dem sich die Elemente der Zusammensetzung im geschmolzenen Zustand befinden, unter Vakuum auf einem Unterdruck von 1,3 x 10³ Pa (10mm Hg) steuert. Der Reduktionsvorgang besteht aus einem Umrühren des Stahles in Gegenwart von Calcium. Das Calcium kann durch andere Reduktionsmittel ersetzt werden, wie beispielsweise Silicium, Aluminium, Zirkon, Titan in einem Anteil unter 0,35%.The process according to the invention involves producing a tool steel intended for the manufacture of molds by controlling a reduction process, during which the elements of the composition are in the molten state, under vacuum at a reduced pressure of 1.3 x 10³ Pa (10 mm Hg). The reduction process consists in stirring the steel in the presence of calcium. The calcium can be replaced by other reducing agents, such as silicon, aluminum, zirconium, titanium in a proportion of less than 0.35%.
Während dieses Vorganges hat der Schwefel die Neigung, aus dem Stahl im geschmolzenen Zustand zu entweichen. Nach der Reduktion ist er nur noch in Spuren vorhanden, d. h. zu weniger als 0,002%.During this process, sulphur tends to escape from the steel in the molten state. After reduction, it is only present in trace amounts, i.e. less than 0.002%.
Ein weiterer Vorgang des Verfahrens besteht in einer erneuten Anreicherung des geschmolzenen Stahles unter einer kontrollierten Atmospäre eines neutralen Gases, wie beispielsweise von Argon, mit Schwefel. Durch diesen Vorgang kann nach der Eliminierung des Schwefels über den Reduktionsvorgang der Stahl ohne Risiko einer merklichen Reoxidation erneut mit Schwefel auf einen gewünschten Gehalt angereichert werden.A further step in the process is to re-enrich the molten steel with sulphur under a controlled atmosphere of a neutral gas, such as argon. This process allows the steel to be re-enriched with sulphur to a desired content after the sulphur has been eliminated via the reduction process, without the risk of significant reoxidation.
Die kontrollierte Argonatmosphäre kann durch eine kontrollierte Atmosphäre aus Stickstoff, Helium ersetzt werden.The controlled argon atmosphere can be replaced by a controlled atmosphere of nitrogen, helium.
Ein dritter Vorgang gemäß dem Verfahren umfaßt das Gießen des Stahles unter Bedingungen, die eine progressive und regelmäßige Verfestigung sicherstellen, wobei lokale Verzögerungen der Verfestigung und Segregationseffekte von Sulfiden vermieden werden.A third operation according to the method involves casting the steel under conditions ensuring progressive and regular solidification, avoiding local solidification delays and segregation effects of sulphides.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Elemente, die aus der aus Seien, Tellur, Bor, Cer bestehenden Gruppe ausgewählt sind, in die Zusammensetzung des Stahles als Einzelelement oder in Kombination eingearbeitet, um die Auswirkung des Schwefels auf die maschinelle Bearbeitbarkeit zu verbessern, ohne die anderen Eigenschaften des Stahles wesentlich zu schädigen.In one embodiment of the process according to the invention, elements selected from the group consisting of selenium, tellurium, boron, cerium are incorporated into the composition of the steel as a single element or in combination in order to improve the effect of sulfur on machinability without significantly damaging the other properties of the steel.
Vorzugsweise sind diese Elemente in folgenden Anteilen vorhanden:Preferably, these elements are present in the following proportions:
weniger als 0,02% Selen,less than 0.02% selenium,
weniger als 0,02% Tellur,less than 0.02% tellurium,
weniger als 0,01% Bor,less than 0.01% boron,
weniger als 0,01% Cer.less than 0.01% cerium.
Ein Ausführungsbeispiel eines Stahles, der nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, besitzt die nachfolgende Zusammensetzung:An example of a steel produced according to the process described above has the following composition:
Kohlenstoff 0,4%Carbon 0.4%
Mangan 1,4%Manganese 1.4%
Chrom 1,9%Chromium 1.9%
Molybdän 0,2%Molybdenum 0.2%
Rest Eisen,Rest iron,
wobei der Stahl einen Schwefelgehalt von 0,01 - 0,02 Gew.%, insbesondere von 0,014 Gew.%, besitzt.wherein the steel has a sulphur content of 0.01 - 0.02 wt.%, in particular 0.014 wt.%.
Überraschenderweise wurde festgestellt, daß ein solcher Schwefelgehalt in einem Stahl, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, diesem Stahl mechanische und chemische Eigenschaften verleiht, die besonders geeignet sind für einen Einsatz im Bereich der Spritzgußformen.Surprisingly, it was found that such a sulphur content in a steel produced according to the process of the invention imparts mechanical and chemical properties that are particularly suitable for use in injection molding.
Die Homogenisierung des Schwefels im festgelegten Anteil im Stahl wird durch Verfestigung des Stahles in Blockform verbessert, wodurch eine schwache Neigung zur Meso-Segregation und diese über die Kontrolle eines regelmäßigen Vorrückens der Erstarrungsfront gesichert wird.The homogenization of sulfur in the specified proportion in the steel is improved by solidifying the steel in ingot form, thus ensuring a weak tendency to meso-segregation and this by controlling a regular advance of the solidification front.
Es können unterschiedliche Verfahren Anwendung finden, beispielsweise Rühren zum Durchperlen oder elektromagnetische Verfahren.Different methods can be used, for example stirring to bubble or electromagnetic methods.
Die spezielle Wirkung des Schwefels in dem Anteilsbereich gemäß der Erfindung ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß sich der Schwefel besonders günstig auf die Bearbeitbarkeit in einem großen Bereich auswirkt, der den erfindungsgemäßen Gehaltsbereich umfaßt, und daß man im Gegensatz dazu festgestellt hat, daß er sich oberhalb des erfindungsgemäß festgelegten Bereiches besonders negativ auf Verfahren, wie Polieren und Sandstrahlen, auswirkt.The special effect of sulfur in the proportion range according to the invention is due to the fact that sulfur has a particularly favorable effect on the workability in a large range which includes the content range according to the invention and that, in contrast, it has been found that above the range defined according to the invention it has a particularly negative effect on processes such as polishing and sandblasting.
Die einzige Figur ist ein Diagramm, das die Dichte von Mikrolöchern mit einem mittleren Durchmesser unter 25um nach einem Poliervorgang in Abhängigkeit vom Schwefelgehalt einer beispielhaften Stahlzusammensetzung zeigt:The only figure is a diagram showing the density of microholes with an average diameter of less than 25um after a polishing process as a function of the sulphur content of an exemplary steel composition:
- ein Schwefelgehalt unter 0,01% verleiht dem Stahl keine akzeptablen Bearbeitungseigenschaften;- a sulphur content below 0.01% does not give the steel acceptable machining properties;
- ein Schwefelgehalt über 0,02% verbessert zwar die Bearbeitbarkeit, wie man jedoch festgestellt hat, beeinflußt ein Überschuß an Schwefel gleichzeitig die Fähigkeit zum Polieren und Sandstrahlen nachteilig;- a sulphur content above 0.02% improves the machinability, but it has been found that an excess of sulphur also has a detrimental effect on the ability to polish and sandblast;
- ein Schwefelgehalt zwischen 0,01% und 0,02% ermöglicht es, die erforderlichen Eigenschaften miteinander in Einklang zu bringen.- a sulphur content between 0.01% and 0.02% makes it possible to harmonise the required properties.
Diese Beobachtungen haben eine Kontrolle des Schwefelgehaltes im Stahl gemäß der Erfindung und die Notwendigkeit zum Homogenisieren des Schwefels im Stahl unter Begrenzung des Prozesses einer Meso-Segregation dieses Schwefels während der Verfestigung des flüssigen Stahles aufgedrängt, um auf diese Weise eine homogene Verteilung der Sulfide sicherzustellen. Diese Begrenzung der Meso-Segregation, eines örtlichen Segregationstyps in Aderf orm, wird durch Kontrolle der Kinetik der Verfestigung über ein regelmäßiges Vorrücken der Erstarrungsfront erhalten, wobei das Einfangen von mit segregiertem Metall angereicherten Flüssigkeitstaschen hinter der Erstarrungsfront vermieden wird.These observations have dictated a control of the sulphur content in the steel according to the invention and the need to homogenise the sulphur in the steel by limiting the process of meso-segregation of this sulphur during solidification of the liquid steel, in order to ensure a homogeneous distribution of the sulphides. This limitation of meso-segregation, a local type of segregation in vein form, is obtained by controlling the kinetics of solidification by a regular advance of the solidification front, avoiding the trapping of liquid pockets enriched with segregated metal behind the solidification front.
Claims (6)
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| FR9010780A FR2666351B1 (en) | 1990-08-29 | 1990-08-29 | PROCESS FOR THE DEVELOPMENT OF A TOOL STEEL, ESPECIALLY FOR THE MANUFACTURE OF MOLDS AND STEEL OBTAINED BY THIS PROCESS. |
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| DE69116042D1 DE69116042D1 (en) | 1996-02-15 |
| DE69116042T2 true DE69116042T2 (en) | 1996-05-15 |
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