DE69707678T2

DE69707678T2 - Stahllegierung

Info

Publication number: DE69707678T2
Application number: DE69707678T
Authority: DE
Inventors: Henrik Jesperson; Lars-Ake Norstroem
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1997-06-23
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2017-06-24
Also published as: SE506918C2; WO1997049839A1; US6048491A; AU715927B2; EP0909338A1; AU3366997A; EP0909338B1; JP4316014B2; SE9602518L; DE69707678D1; JP2001505617A; SE9602518D0; ES2164354T3; ATE207550T1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stahllegierung mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung, auf ein Stahlprodukt, hergestellt aus der Stahllegierung und die Verwendung des Stahlproduktes. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Verwendung des Stahlproduktes für die Herstellung von Plastik-Gießwerkzeugen.

Hinterrund der Erfindung

Eine Anzahl von Anforderungen, die schwierig zu kombinieren sind, werden an Materialien für die Herstellung von Plastik-Gießwerkzeugen gestellt. Unter diesen Anforderungen sollten an erster Stelle die folgenden erwähnt werden:
- eine große und gleichmäßige Härte und begleitende Festigkeit unabhängig von den physikalischen Abmessungen des Produktes, ein Merkmal welches besonders wichtig ist, da die Gießausnehmung gewöhnlicherweise aus dem Kern des Stahlstückes herausgestochen werden muß.
- Eine sehr hohe Härtfähigkeit, d. h. eine Härtfähigkeit auch in sehr großen Abmessungen.
- Sehr homogene Merkmale durch das gesamte Stahlstück.
- Eine hohe Zähigkeit bei Raumtemperatur, aber auch ebenso bei geringeren Temperaturen, da Plastik-Gießformen oftmals mit Kühlkanälen versehen sind, um das Werkzeug zwischen den Abgüssen zu kühlen, um die Produktionskapazität zu erhöhen.
- Eine gute mechanische Bearbeitbarkeit und ebenfalls eine gute Bearbeitbarkeit durch elektrische Entladung (EDM).
- Eine gute Schweißbarkeit.
- Eine gute Oberflächenhärtbarkeit einschließlich einer guten Gehäuse- Härtbarkeit und Oberflächen-Nitrierbarkeit wie z. B. der Fähigkeit der Oberflächenhärtung durch Ionennitrierung.
Es ist ebenfalls erwünscht, die Wärmebehandlung zu vereinfachen und wenn möglich, die Härtung und das Tempern vollständig zu eliminieren, welche wesentlich die gesamten Produktionskosten beeinflussen und welche ebenfalls Risse oder andere Defekte in dem Material hervorrufen können.
Das Material, das bis dahin als das Material angesehen wurde, welches die obigen Anforderungen am besten befriedigt hat, ist, das Material, welches seit Jahrzehnten unter seinem Handelsnamen IMPAX® SUPREME bekannt ist und welches die folgende nominelle Zusammensetzung besitzt: 0,37 C, 0,3 Si, 1,4 Mn, 2,0 Cr, 1,0 Ni, 0,2 Mo, 0,008 5, Resteisen und unvermeidbare Verunreinigungen und Zusatzelemente. Dieses Material ist zähgehärtet bis 290- 330 HB in seinem Abgabezustand. Nachfolgend sind jedoch Anforderungen an Plastik-Gießwerkzeuge errichtet worden, die eine bessere Leistung besitzen als die, die IMPAX® SUPREME bieten kann. Vor allem eine bessere Härtbarkeit, eine größere und gleichmäßigere Härte, unabhängig von den Abmessungen, eine bessere Schweißbarkeit und Bearbeitbarkeit durch elektrische Entladung und eine bessere Zähigkeit sind erwünscht.
Es ist ebenfalls in der Vergangenheit vorgeschlagen worden, daß ein Stahl, der die nominelle Zusammensetzung 0,05 C, 0,3 Si, 2,0 Mn, 3,0 Cr; 1,5 Ni, 0,3 Mo, Resteisen und unvermeidbare Verunreinigungen besitzt und der z. B. für Rohre und Ketten vorgesehen ist, insbesondere für Ankerketten, für Plastik- Gießwerkzeuge ebenfalls nützlich sein soll. Dieser Stahl ist jedoch nicht in der Lage gewesen, die obige Spezifikation von Merkmalen zu erfüllen und ist soweit es dem Anmelder bekannt ist, niemals als ein Plastik-Gießwerkzeug verwendet worden.
Das Dokument JP-A-6346185 offenbart eine Stahllegierung, die für Plastik- Gießwerkzeuge benutzt wurde mit der Zusammensetzung in Gew.-%: 0,05- 0,20% C, ≤005% Si, 0,50-2,00% Mn, 3,0-4,0% Cr, ≤1,5% Ni, 0,05- 1,005% Mo, 0,03-0,50% V, ≤0,035% P, ≤0,035% S, wahlweise wenigstens ein Element unter ≤0 002% B, ≤0,15% Pb und ≤0,15% Zr und Rest-Fe mit unvermeidbaren Verunreinigungen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Der Gegenstand der Erfindung liegt in der Vorgabe einer Stahllegierung und eines Stahlproduktes, welches die oben erwähnte Kombination von Merkmalen erfüllt. Die Erfindung zielt ebenfalls auf die Vorgabe eines Materials, welches in einer rationelleren Weise als das oben erwähnte IMPAX® SUPREME ebenso wie andere herkömmliche Plastik-Gießwerkstähle hergestellt werden kann. Insbesondere zielt die Erfindung auf die Vorgabe eines Stahles, welcher nicht gehärtet und getempert werden muß, sondern der mit der Struktur verwendet werden kann, welche der Stahl nach der Kühlung und nach der endgültigen Heißbearbeitung durch Schmieden und/oder Rollen zu der Form von Blöcken, Stangen oder Platten erhält. Diese und andere Ziele können hierbei erreicht werden, indem der Stahl die Zusammensetzung besitzt, die in den angefügten Ansprüchen vermerkt ist, wobei der Stahl nach der endgültigen Heißbearbeitung und Kühlung auf Raumtemperatur eine homogene Struktur durch das gesamte Stahlstück unabhängig von seinen physikalischen Abmessungen erhält, wobei die Struktur aus einem sogenannten Gittermartensit mit niedrigem Kohlenstoff besteht, der eine Härte besitzt, welche typischerweise in dem Bereich von 350- 380 HB liegt.
Im folgenden sei die Wichtigkeit der einzelnen Elemente und ihre Zusammenwirkung miteinander erläutert. Alle Prozentsätze, die sich auf die chemische Zusammensetzung des Stahles beziehen, beziehen sich auf Gewichtsprozente, es sei denn, etwas anderes ist erwähnt.
Kohlenstoff soll in dem Stahl in einem Betrag von wenigstens 0,075%, vorzugsweise wenigstens 0,08% und geeigneterweise wenigstens 0,09% vorliegen, damit der Stahl eine gewünschte Härte und Festigkeit erzielt. Der C- Gehalt darf nicht 0,15% übersteigen. Wenn der C-Gehalt höher ist, wird der Stahl zu hart und brüchig und schwierig zu bearbeiten nach der Kühlung von der Heißbearbeitungstemperatur auf Raumtemperatur. Die Alternative würde sein, den Stahl zu tempern, aber dies würde Extrakosten hervorrufen, was nicht erwünscht ist und im Gegensatz zu dem Wunsch ist, den Stahl für die Herstellung von Plastik-Gießwerkzeugen verwenden zu können, ohne irgendeine vorhergehende Wärmebehandlung. Vorzugsweise sollte der Stahl nicht mehr als 0,12% C enthalten. Ein nomineller C-Gehalt des Stahles liegt bei 0,10%.
Silizium ist nicht ein wesentliches Element des Stahles gemäß der Erfindung, sondern liegt normalerweise als ein Rest aus der Desoxidation der Stahlschmelze vor. Der Stahl sollte jedoch nicht mehr als 1,0% Si enthalten. Normalerweise enthält der Stahl Spuren von Si bis maximal 1,0% Si.
Mangan, Chrom und Nickel sind Elemente, die dazu beitragen, eine gute Härtbarkeit des Stahles zu gewährleisten und sollen in einem Gesamtbetrag von wenigstens 6% vorliegen.
Mangan soll in einem Betrag von wenigstens 1% vorliegen. Wenn der Mn-Gehalt geringer ist, wird der Stahl eine zu geringe Härtfähigkeit bekommen, welche nicht vollständig kompensiert werden kann durch höheren Gehalt an Nickel und/oder Chrom. Der Stahl darf jedoch nicht mehr als 3% Mn enthalten. Wenn der Mn-Gehalt höher ist, besteht eine Gefahr für eine Temper-Sprödigkeit und somit eine Gefahr für Korngrenzenfrakturen, wenn der Stahl für Plastik- Gießwerkzeuge verwendet wird.
Chrom soll in dem Stahl in einem Betrag von wenigstens 2% vorliegen. Wenn der Cr-Gehalt geringer ist, wird der Stahl eine zu geringe Härtfähigkeit bekommen, welche nicht vollständig durch höhere Beträge an Mangan und/oder Nickel kompensiert werden kann. Der Stahl darf jedoch nicht mehr als 5% Cr, vorzugsweise maximal 4% Cr enthalten. Wenn der Gehalt höher ist, so besteht die Gefahr, daß der Stahl nach der Kühlung einen bedeutenden Betrag an Ferrit in der Struktur enthalten wird, welche gemäß der Erfindung aus einem Gittermartensit mit geringem Kohlenstoff bestehen soll. Ein optimaler Cr-Gehalt ist 3%.
Nickel trägt ebenfalls zu der Härtfähigkeit des Stahles bei, aber an erster Stelle zu einer gewünschten Zähigkeit. Der Stahl soll daher wenigstens 1% Ni vorzugsweise wenigstens 1,5% Ni enthalten. Der niedrigere Ni-Gehalt kann bei extrem geringem Gehalt an Phosphor toleriert werden, während der obere Ni- Gehalt an erster Stelle durch Kostengründe festgelegt ist. Der Stahl soll daher maximal 4% Ni, vorzugsweise maximal 3% Ni enthalten. Ein optimaler Gehalt liegt bei 2% Ni.
Molybdän ist ein Element, das die Zähigkeit des Stahles begünstigt, insbesondere in dem Fall einer langsamen Kühlung und soll daher in einem Betrag von wenigstens 0,1%, vorzugsweise von wenigstens 0,2% vorliegen. Höhere Beträge an Molybdän werden in einem Maß mehr als bei Chrom eine Gefahr der Bildung von Ferrit hervorrufen, weshalb der Mo-Gehalt auf 1%, geeigneterweise auf maximal 0,5% oder noch passender maximal 0,4% maximiert ist. Ein optimaler Mo-Gehalt liegt bei 0,3%.
Phosphor ist ein Element, welches Sprödigkeit hervorrufen kann. Sein schädlicher Effekt kann bis zu einem bestimmten Maß durch Nickel und/oder Molybdän kompensiert werden. Phosphor darf jedoch nicht in einem Gehalt höher als 0,012%, geeignerweise maximal 0,010% vorliegen.
Schwefel ist ein Versprödungselement und darf daher nicht in einem Gehalt vorliegen, der 0,02% übersteigt. Schwefel verbessert jedoch die Bearbeitbarkeit und kann daher in einem Betrag als ein Element vorliegen, das aus diesem Gesichtspunkt günstig ist. Um eine adäquate Verbesserung der Bearbeitbarkeit des Stahles zu erzielen, sollte der Schwefelgehalt bei wenigstens 0,005% liegen. Ein optimaler S-Gehalt liegt bei 0,005-0,010%.
Wolfram ist ein Element, welches normalerweise nicht in dem Stahl vorliegen sollte, da es teuer ist und ebenfalls die Verschrottung beim Recycling kompliziert macht. Prinzipiell kann jedoch Wolfram als ein Ersatz für Molybdän toleriert werden, wobei der doppelte Betrag von Wolfram vollständig oder teilweise Molybdän ersetzt.
Aluminium kann auf einem Verunreinigungspegel als ein Rest aus der Desoxidationsbehandlung des geschmolzenen Metalles vorliegen.
Starke Härtebildner wie z. B. Vanadium, Niob. Tantal, Titan, Zirkon sollen in dem Stahl nicht in Beträgen vorliegen, die die Verunreinigungspegel übersteigen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden sei die Erfindung in Einzelheiten durch eine Beschreibung der ausgeführten Experimente und der erzielten Resultate näher erläutert. Hierbei sei Bezug genommen auf die beiliegenden Zeichnungen, in welchen
Fig. 1 die Härte von Stangen zeigt, die aus einigen repräsentativen getesteten Legierungen hergestellt sind und unterschiedlichen Wärmebehandlungen unterworfen wurden,
Fig. 2 die Schlagfestigkeit der gleichen Materialien wie in Fig. 1 zeigt,
Fig. 3 die Mikrostruktur eines Stahles gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 4 die Schlagfestigkeit von vergleichsweise dünnen Stangen zeigt, die einerseits aus einem Stahl der Erfindung und andererseits aus einem Referenzstahl hergestellt sind und
Fig. 5 die Schlagfestigkeit von Materialien zeigt, die größere Abmessungen besitzen und einerseits aus einem Stahl der Erfindung und andererseits aus einem Referenzstahl hergestellt sind.

Ausgeführte Experimente

Eine Anzahl von Laborschmelzen mit 50 kg wurde hergestellt. Die chemischen Zusammensetzungen in Gewichts-% und in ppm sind entsprechend in der Tabelle 1 wiedergegeben. Die Gußblöcke wurden auf ungefähr 1200ºC erhitzt und wurden sodann in dem austenitischen Zustand des Stahles ohne Wiedererhitzung in die Form von Stangen geschmiedet, die eine Rechteckabmessung von 60 · 40 mm besitzen. Nach der End-Schmiedebearbeitung wurden die Stangen in Vermiculit abgekühlt, um eine Abkühlgeschwindigkeit zu erzielen, die der Abkühlgeschwindigkeit entspricht, welche ein äußeres Stahlstück besitzen wird, wenn es von Schmiedetemperatur auf Raumtemperatur in Luft abgekühlt wird. Nach der Kühlung auf Raumtemperatur hatten die Muster eine homogene Mikrostruktur, die im wesentlichen aus dem sogenannten Gittermartensit mit geringem Kohlenstoff besteht, welches eine Struktur ist, die vergleichsweise leicht durch Schneidwerkzeuge zu bearbeiten ist. Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung der getesteten Stahllegierungen. Resteisen und Verunreinigungen
* Al, N und O wurden nur für die Stähle mit den Nummern 8, 9 und 10 analysiert
** Vergleichsbeispiele
Die Testmaterialien wurden geprüft im Hinblick auf Härte, hohe Temperfestigkeit, Temperwiderstand, Abnutzungswiderstand und Schlagfestigkeit in Längsrichtung gemäß dem Charpy V-Verfahren. Die Stähle mit den Nummern 11, 12, und 13 befriedigten das vorgegebene Erfordernis, soweit die Erzielung einer Härte in dem Bereich 350-380 HB betroffen ist, ohne irgendeine andere Wärmebehandlung als die Abkühlung auf Raumtemperatur. Die Schlagfestigkeit der Muster war gut.
Die Ergebnisse sind in den Diagrammen in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Fig. 1 zeigt die Härte der Muster, die von Stangen mit 60 · 40 mm genommen wurden und in Vermiculit gekühlt wurden. Die Spalten auf der linken Seite für jeden Stahl beziehen sich auf Stangen, die nicht wärmebehandelt worden sind, die nächsten Spalten beziehen sich auf Stangen, die 10 Minuten bei 850ºC wiedererhitzt und sodann in Luft abgekühlt wurden und die Spalten auf der rechten Seite beziehen sich auf Stangen, die auf 850ºC wiedererhitzt wurden und sodann zur Kühlung in einem Ofen bis 200ºC während einer Zeitperiode von 16 h veranlaßt wurden. Fig. 2 zeigt die Schlagfestigkeit von Mustern, die der gleichen Wärmebehandlung unterworfen worden sind, auf die im Zusammenhang mit dem Test des Charpy V Längenmusters Bezug genommen wurde. Die vier Stähle, für die die Ergebnisse berichtet worden sind, wurden als repräsentative Stähle ausgewählt, die veränderliche Nickel, Mangan und Phosphor-Gehalt besitzen. Die berichteten Ergebnisse sind mittlere Werte von dreifachen Tests.
Sodann wurde eine Schmelze in voller Größe mit 70 Tonnen aus einem Stahl hergestellt, der eine Zusammensetzung gemäß der Erfindung besitzt. Die Schmelzenanalyse, d. h. die Zusammensetzung des geschmolzenen Stahles vor dem Gießen war die folgende (in Gew.-%), mit Resteisen und anderen Verunreinigungen und Zusatzelementen:
Aus diesem Stahl wurden Blöcke durch Gießen hergestellt. Die Blöcke wurden geschmiedet und/oder gerollt in die Form von Schienen oder Stangen mit verschiedenen Abmessungen. Beim Gießen wurde fehlerhaft ein Gießpulver mit hohem Kohlenstoffanteil verwendet, was eine Carbonisierung des Gießmaterials hervorrief. Aufgrund des Unterschiedes im Kohlenstoffgehalt zwischen der Schmelzanalyse und der Zusammensetzung des gegossenen Materials wurde der Kohlenstoffgehalt ebenfalls in den endgültigen Stangen analysiert. Vor dem Rollen wurden die Blöcke auf 1120ºC wieder aufgeheizt. Nach dem endgültigen Durchlauf betrug die Temperatur ungefähr 890ºC für alle Abmessungen. Ebenfalls wurden jene Blöcke, die geschmiedet wurden, auf 1120ºC aufgeheizt. Keine Blöcke wurden wiederaufgeheizt. Nach dem Rollen und nach dem Schmieden durften die Schienen oder Stangen frei in Luft auf dem Kühlbett bis auf Raumtemperatur abkühlen. Mikromuster wurden von den Stangen genommen, und die Härte wurde gemessen, die die Härte im Mittelpunkt der Stangen repräsentiert. Die folgenden Werte wurden erhalten, Tabelle 2. Tabelle 2
Ebenfalls wurde die metallografische Struktur der Mikromuster, die von der Mitte aller Abmessungen genommen wurde, studiert. In allen Fällen bestand die Struktur aus Gittermartensit. Ein Beispiel ist in Fig. 3 gezeigt.
Die Schlagfestigkeit im Abgabezustand des Stahles wurde gemäß der Charpy V- Methode getestet, wobei Muster aus der Mitte der Stange sowohl in Längs- als auch in Querrichtung genommen wurden. Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen die Zähigkeit einiger Stangen gemäß der Erfindung mit unterschiedlicher abmessung und zum Vergleich wurde ebenfalls ein Schlagfestigkeits-Diagramm für das kommerzielle Stahlmuster IMPAX® SUPREME eingeschlossen. Die Zusammensetzung des Referenzmaterials ist eingangs in dieser Beschreibung angegeben. Aus den Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, daß die Zähigkeit des Materials gemäß der Erfindung wesentlich besser als die von IMPAX® SUPREME ist, wobei dies in dünnen ebenso wie in großen Queschnittsmessungen zutrifft.
Ebenso wurde die Oberflächenhärtfähigkeit durch verschiedene Oberflächen- Nitriertechniken getestet namentlich durch die folgenden Techniken:
- Gasnitrierung - 510ºC, 10 h, 30 h, and 60 h
- Plasmanitrietung - (25% N&sub2;, 75% H&sub2;) 480ºC, 10 h, 30 h, and 60 h
- Nitrocarborierung in Gas -(52% N&sub2;, 43% NH&sub3;, 5% CO&sub2;) 580º, 150 Min
- Nitrocarborierung im Salzbad (Teniferbehandlung) - 580ºC, 60 Min
Die folgenden Ergebnisse wurden erzielt. Nitriertiefe: Härte ungefähr 30 um unterhalb der Oberfläche:

Claims

1. Stahllegierung mit folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

0,075-0,15C

von Spuren bis max. 1,0 Si

1-3 Mn

2-5 Cr

1-4 Ni

wobei der Gesamtbetrag von Mn + Cr + Ni ≥ 6

0,1-1,0 Mo, welches gänzlich oder teilweise durch den doppelten Betrag an W ersetzt werden kann

maximal 0,012 P

maximal 0,02 S

wobei starke Karbidbildner, die zu der Gruppe der Elemente gehören, die aus V, Nb, Ta, Ti und Zr bestehen, in dem Stahl nicht in Beträgen vorliegen, die die Verunreinigungspegel übersteigen, Rest Eisen und Verunreinigungen in normalen Mengen.

2. Stahllegierung nach Anspruch 1, enthaltend wenigstens 0,08, vorzugsweise wenigstens 0,09 Gew.-% C.

3. Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend maximal 0,12 Gew.-% C.

4. Stahllegierung nach Anspruch 1, enthaltend 1,5-4 Gew.-% Cr.

5. Stahllegierung nach Anspruch 1, enthaltend 1,5-3 Gew.-% Ni.

6. Stahllegierung nach Anspruch 1, enthaltend 0,2-0,5 Gew.-% Mo.

7. Stahllegierung nach Anspruch 1, enthaltend maximal 0,010 Gew.-% P.

8. Stahllegierung nach Anspruch 1, enthaltend 0,005-0,01 Gew.-% S.