DE69716806T2

DE69716806T2 - Niedrig legierter Stahl für die Herstellung von Pressformen für Plastikwerkstoffe

Info

Publication number: DE69716806T2
Application number: DE69716806T
Authority: DE
Inventors: Jean Beguinot; Frederic Chenou; Gilbert Primon
Original assignee: Industeel France SAS
Current assignee: Industeel France SAS
Priority date: 1996-04-29
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2017-04-12
Also published as: ATE227354T1; KR100429050B1; US5855845A; AU708786B2; AU1903897A; CA2203488C; CN1074059C; JP4189776B2; CA2203488A1; FR2748036B1; TW426746B; MX9703092A; JPH1096049A; FR2748036A1; EP0805220B1; ES2186851T3; PT805220E; CN1174896A; KR970070229A; EP0805220A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen niedrig legierten Stahl, der insbesondere zur Herstellung von Formen für Kunststoffe verwendet wird.
Die Formen für Kunststoffe oder für Gummi werden durch Bearbeitung von bis zu 1,5 Meter dicken, massiven Metallblöcken hergestellt. Aufgabe der Bearbeitung ist es vor allem, eine Höhlung zu bilden, die die Form des zu formenden Gegenstands aufweist. Die Oberfläche der Höhlung wird meistens entweder poliert, oder chemisch genarbt, um den durch Gießen entstandenen Gegenständen das gewünschte Oberflächenaussehen zu verleihen. Da das Formen dadurch erfolgt, dass heißer Kunststoff mit Druck in die Form gespritzt wird, muss die Form einerseits den durch den Druck des Kunststoffs erzeugten Belastungen standhalten und andererseits die Wärme des Kunststoffs so schnell wie möglich ableiten, um die Produktivität des Formverfahrens zu erhöhen, und schließlich dem durch die Reibung des Kunststoffs gegen die Oberfläche der Höhlung verursachten Verschleiß widerstehen. Außerdem müssen die Eigenschaften des Stahls während des Gebrauchs stabil bleiben, das heißt, sie müssen gegenüber dem beim Formen entstehenden Temperaturverlauf unempfindlich sein und selbst in den Bereichen größerer Dicke so homogen wie möglich bleiben. Um all diesen Bedingungen zu genügen, bräuchte man, zur Herstellung von Formen zum Einspritzen von Kunststoff, einen Stahl, der insbesondere und gleichzeitig eine sehr große Härte, eine sehr gute Zerspanbarkeit, eine sehr gute Polierbarkeit oder Narbätzbarkeit, eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine sehr große Homogenität all dieser Eigenschaften selbst bei größerer Dicke aufweist. Solch ein idealer Stahl ist nicht bekannt.
Zur Herstellung der Formen werden im Allgemeinen Blöcke aus niedrig legiertem, genügend härtbarem Stahl verwendet, mit dem nach dem Härten und Anlassen ein martensitisches oder bainitisches Gefüge erhalten wird, das im Wesentlichen ferritfrei ist und eine genügende Härte, eine hohe Elastizitätsgrenze und eine gute Festigkeit aufweist.
Die meist verwendeten Stahlsorten sind Stahl P20 nach der AISI Norm und die Stahlsorten W1.2311 oder W1.2738 nach der deutschen Norm WERKSTOFF.
Der Stahl P20 enthält 0,28 bis 0,4 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Silicium, 0,6 bis 1 Gew.-% Mangan, 1,4 bis 2 Gew.-% Chrom, 0,3 bis 0,55 Gew.-% Molybdän, wobei sich der Rest aus Eisen und aus bei der Herstellung anfallenden Verunreinigungen besteht.
Die Stahlsorten W1.2311 und W1.2738 enthalten 0,35 bis 0,45 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Silicium, 1,3 bis 1,6 Gew.-% Mangan, 1,8 bis 2,10 Gew.-% Chrom und 0,15 bis 0,25 Gew.-% Molybdän; der Stahl W1.2738 enthält zudem noch 0,9 bis 1,2 Gew.-% Nickel, wobei sich der Rest aus Eisen und aus bei der Herstellung anfallenden Verunreinigungen besteht.
Diese Stahlsorten haben einen hohen Verschleißwiderstand. Die Erfinder haben jedoch insbesondere festgestellt, dass die Kombination ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihrer Härtbarkeit unzureichend ist. Der Stahl W1.2738 ist wesentlich härtbarer als der Stahl W1.2311, der wiederum härtbarer ist als der Stahl P20. Aber der Stahl W1.2738 weist eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit auf als der Stahl W1.2311, dessen Wärmeleitfähigkeit wiederum wesentlich geringer ist als die des Stahls P20. Da der besser wärmeleitfähige Stahl die geringste Härtbarkeit aufweist und umgekehrt, ist es nicht möglich, sehr massive Formen mit einer guten Wärmeleitfähigkeit zu fertigen. Wollte man eine große Form mit einer guten Wärmeleitfähigkeit fertigen, so müsste anstelle des Stahls W1.2738 der Stahl P20 verwendet werden und die Form müsste aus mehreren, nicht sehr massiven Teilen bestehen, und nicht als ein einziges sehr massives Teil ausgeführt sein. Aber diese Technik wird nie verwendet und nicht einmal in Betracht gezogen, da sie den Nachteil hat, die Herstellung der Formen wesentlich zu komplizieren und die Fertigungskosten derselben zu erhöhen. Die verschiedenen Teile müssten nämlich genau aufeinander abgestimmt werden, um Markierungen an der Oberfläche der geformten Gegenstände zu vermeiden, und dies ist praktisch unmöglich.
Aus der JP 2-57632 oder aus der JP 2-50910 ist ebenfalls ein Formenstahl bekannt, der 0,15 bis 0,5% Kohlenstoff, 0,05 bis 0,75% Silicium, 0,25 bis 2% Mangan, 0,25 bis 4% Nickel, 1 bis 4% Chrom, 0,15 bis 3% Molybdän, 0,005 bis 1,5% Aluminium, 0,002 bis 0,05% Stickstoff, eventuell Titan, Bor, Zirconium und Vanadium enthält. Durch eine geeignete Wärmebehandlung erhält dieser Stahl einen verbesserten Widerstand gegen thermische Ermüdung. Zusammensetzungen von niedrig legiertem Stahl wurden auch in US 4673433, JP 7-102342, US 110379; GB 1009991 vorgeschlagen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diesen Nachteil dadurch zu beheben, dass ein Stahl vorgeschlagen wird, der sowohl die wesentlichen Eigenschaften, die von einem Stahl zur Fertigung von Formen erwartet werden, insbesondere einen sehr hohen Verschleißwiderstand, aufweist als auch eine bessere Kombination von Härtbarkeit und Wärmeleitfähigkeit vorzuweisen hat, als sie nach dem Stand der Technik erzielbar ist.
Daher ist der Gegenstand der Erfindung ein Stahl zur Herstellung von Formen zum Einspritzen von Kunststoff oder Gummi, dessen chemische Zusammensetzung folgende Gewichtsanteile enthält:
0,35% ≤ C ≤ 0,5%
0% ≤ Si ≤ 0,5%
0,2% ≤ Mn ≤ 2,5%
0% ≤ Ni ≤ 4%
0% ≤ Cr ≤ 4%
0% ≤ Mo + W/2 ≤ 2%
0 ≤ Cu ≤ 1%
0% ≤ V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 0,5%
0,005% ≤ Al ≤ 0,2%
0% ≤ B ≤ 0,015%
- eventuell mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan und Zirkonium, wobei die Summe des Anteils an Titan und der Hälfte des Anteils an Zirkonium kleiner-gleich 0,3% ist,
- eventuell mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Blei und Wismut, wobei die Summe des Anteils der enthaltenen Elemente kleiner-gleich 0,2% ist,
- eventuell einen Anteil an Kalzium kleiner-gleich 0,1%,
wobei der Rest aus Eisen und aus der Herstellung herrührenden Verunreinigungen, darunter Stickstoff, besteht, wobei die Analyse gleichzeitig den folgenden Verhältnissen gerecht wird:
Cr + 3 · (Mo + W/2) + 10 · (V + Nb/2 + Ta/4) ≥ 1
R = 3,8 · C + 10 · Si + 3,3 · Mn + 2,4 · Ni + 1,4 · (Cr + Mo + W/2) ≤ 9
Tr = 3,8 · C + 1,1 · Mn + 0,7 · Ni + 0,6 · Cr + 1,6 · (Mo + W/2) + kB ≥ 3
(wobei kB = 0,5 wenn B ≥ 0,0005% und kB = 0 wenn nicht)
und
R ≤ Max (2,33 · Tr - 1; 0,9 · Tr + 4)
Die chemische Zusammensetzung ist vorzugsweise wie folgt:
Mo + W/2 ≥ 0,4%
Es wird ebenfalls bevorzugt, dass Si ≤ 0,15% und besser, dass Si ≤ 0,1%.
Es ist schließlich wünschenswert, dass der Borgehalt größer oder gleich 0,0005% ist.
Die Stahlzusammensetzung sollte vorzugsweise so ausgewählt werden, dass Tr ≥ 4,3.
Die vorgenannten Bedingungen werden in besonders günstiger Weise erzielt, wenn die chemische Zusanunensetzung des Stahls wie folgt ist:
0,37% ≤ C ≤ 0,45%
0% ≤ Si ≤ 0,15%
0,2% ≤ Mn ≤ 1,5%
0% ≤ Ni ≤ 0,5%
0% ≤ Cr ≤ 2,5%
0% ≤ Mo + W/2 ≤ 1%
0 ≤ Cu ≤ 1%
0% ≤ V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 0,2%
0,005% ≤ Al ≤ 0,2%
0,0005% ≤ B ≤ 0,015%
0% ≤ Ti + Zr/2 ≤ 0,3%,
wobei die Zusammensetzung außerdem die folgende Relation erfüllt:
R ≤ 2,33 · Tr - 2,4.
Wenn der Stahl Titan oder Zirconium enthält, was vorzuziehen ist, ist es wünschenswert, dass bei der Herstellung Titan und Zirconium allmählich in den flüssigen Stahl eingeführt werden, womit eine sehr feine Abscheidung der Titan- oder Zirconiumnitride erzielt wird. Dann muss vorzugsweise der Gehalt an Titan, Zirconium und Stickstoff (in Gewichtsprozenten) wie folgt sein:
0,00003 ≤ (N) · (Ti + Zr/2) ≤ 0,0016
Unter diesen Bedingungen und im festen Zustand ist die Zahl der abgeschiedenen Titan- oder Zirconiumnitrid-Teilchen, die größer sind als 0,1 um und auf einer Fläche von 1 mm² mit mikrographischem Schnitt gezählt wurden, kleiner als das Vierfache der Summe des Gesamtgehalts an als Nitride abgeschiedenem Titan und der Hälfte des Gesamtgehalts an als Nitride abgeschiedenem Zirconium, wobei diese Summe in tausendstel Gewichtsprozenten ausgedrückt wird.
Schließlich betrifft die Erfindung einen Stahlblock mit einer erfindungsgemäßen chemischen Zusammensetzung, wobei die charakteristische Abmessung des Blocks zwischen etwa 20 mm und 1500 mm liegt und das Gefüge des Stahls im gesamten Block martensitisch oder bainitisch und ferritfrei ist, und die Härte im gesamten Block zwischen 250 Brinell und 370 Brinell, vorzugsweise zwischen 270 und 350 Brinell liegt.
Der erfindungsgemäße Stahl kann auch zum Gießen von Formen für Kunststoff verwendet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung näher, jedoch in nicht einschränkender Weise anhand der folgenden Beispiele beschrieben.
Um alle Gebrauchseigenschaften zu erhalten, die zur Herstellung von Formen zum Einspritzen von Kunststoff nötig sind, muss die chemische Zusammensetzung des Stahls folgendes enthalten:
- mehr als 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, zum Erzielen einer genügenden Härte und gleichzeitig eines sehr hohen Verschleißwiderstands, wobei, bei gleicher Härte, der Verschleißwiderstand sich mit steigendem Kohlenstoffgehalt verbessert; dennoch darf der Kohlenstoffgehalt nicht zu groß sein, damit die Zerspanbarkeit und die Festigkeit zufriedenstellend bleiben; auch muss der Kohlenstoffgehalt kleiner oder gleich 0,5 Gew.-% sein; vorzugsweise sollte der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,37 und 0,45 Gew.-% liegen;
- vorzugsweise mehr als 0,4 Gew.-% Molybdän zur Erhöhung der Härtbarkeit und insbesondere zur Erweiterung des bainitischen Bereichs, wodurch eine gute Homogenität der Eigenschaften auf sehr dicken Blöcken erzielt werden kann; das Molybdän hat auch den Vorteil, den Widerstand gegenüber dem Anlassen zu erhöhen und mit dem Kohlenstoff Karbide zu bilden, die bei gleichem Widerstand den Verschleißwiderstand erhöhen; der Molybdängehalt braucht aber nicht größer als 2 Gew.-% zu sein, um seine ganze Wirkung zu entfalten und wird vorzugsweise auf 1% begrenzt, insbesondere deshalb, weil dieses Element sehr teuer ist und es Seigerungen begünstigt, die für die Zerspanbarkeit und die Polierbarkeit ungünstig sind; das Molybdän kann ganz oder teilweise durch Wolfram ersetzt werden und zwar in einem Verhältnis von 2% Wolfram für 1% Molybdän, wobei die Bedingungen für die chemische Zusammensetzung also für die Größe Mo + W/2 definiert sind;
- zwischen 0 und 4 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 1,5 und 2,5 Gew.-% Chrom zur Erhöhung der Härtbarkeit und des Widerstands gegenüber dem Anlassen und dem Verschleiß, ohne dabei die Wärmeleitfähigkeit zu sehr zu verschlechtern;
- gegebenenfalls Vanadium, Niob oder Tantal, einzeln oder kombiniert, wobei die Summe V + Nb/2 + Ta/4 zwischen 0 und 0,5% liegt und vorzugsweise kleiner oder gleich 0,2% ist, zur Erhöhung der Härte und zur Verbesserung des Verschleißwiderstands;
- mehr als 0,2 Gew.-% Mangan, das vorteilhafterweise den Schwefel bindet und die Härtbarkeit erhöht, das aber auch den Nachteil hat, dass es die Wärmeleitfähigkeit des Stahls deutlich reduziert, weshalb sein Gehalt auf 2,5 Gew.-%, vorzugsweise auf 1,5 Gew.-% beschränkt wird;
- weniger als 0,5 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 0,15% und besser, weniger als 0,1 Gew.-% Silicium, ein Element, das zur Desoxidation des flüssigen Stahls verwendet wird, das aber den Nachteil hat, dass es sehr deutlich den Wärmewiderstand des Stahls erhöht und Mesoseigerungen auf den großen Blöcken begünstigt; vorzugsweise sollte der Gehalt an Silicium so gering wie möglich sein;
- gegebenenfalls zwischen 0 und 4 Gew.-% Nickel zur Erhöhung der Härtbarkeit und vorzugsweise weniger als 0,5 Gew.-%, um die Wärmeleitfähigkeit nicht zu sehr herabzusetzen; dieses Element kann auch als Rest vorliegen, wenn der Stahl aus Alteisen hergestellt wird;
- gegebenenfalls zwischen 0 und 1 Gew.-% Kupfer, als Restbestand der Ausgangsstoffe, das aber eine günstige härtende Wirkung haben kann, wenn es zusammen mit Nickel vorkommt;
- zwischen 0,005 und 0,2 Gew.-% Aluminium zur Desoxidation des Stahls und gegebenenfalls zum Schutz des zur Erhöhung der Härtbarkeit eingesetzten Bors;
- wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan und Zirconium, wobei die Summe des Titangehalts und der Hälfte des Zirconiumgehalts kleiner oder gleich 0,3 Gew.-% ist, um den stets im Stahl enthaltenen Stickstoff, der die Wirkung des Bors aufheben könnte, in einer Falle abzuscheiden; enthält der Stahl Titan oder Zirconium, so ist es vorzuziehen, wenn der Gehalt an Titan, Zirconium und Stickstoff (Element, das immer, zumindest als Verunreinigung, zu einem Anteil von zwischen mehreren ppm und mehreren hundert ppm vorliegt) wie folgt ist:
0,00003 ≤ (N) · (Ti + Zr/2) ≤ 0,0016
und wenn Titan oder Zirconium durch allmähliches Auflösen einer oxidierten Stufe von Titan oder Zirconium in den Stahl eingeführt wird, indem beispielsweise das Titan oder das Zirconium dem nicht desoxidierten Stahl zugegeben wird und danach ein starkes Desoxidationsmittel wie z. B. Aluminium beigegeben wird; durch die so erhaltenen Bedingungen wird eine sehr feine Verteilung der Titannitride erzielt, die der Zähigkeit, der Zerspanbarkeit und der Polierbarkeit zuträglich ist; werden das Titan oder das Zirconium auf diese bevorzugte Weise eingeführt, so ist die Zahl der Titan- oder Zirconiumnitrid-Teilchen, die größer sind als 0,1 um, auf einer Fläche von 1 mm² eines mikrographischen Schnitts eines festen Stahls gezählt, geringer als das Vierfache der Summe des Gesamtgehalts an als Nitride abgeschiedenem Titan und der Hälfte des Gesamtgehalts an als Nitride abgeschiedenem Zirconium, ausgedrückt in tausendstel Prozent;
- gegebenenfalls zwischen 0 und 0,015 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 0,0005 Gew.-%, und besser mehr als 0,002 Gew.-% Bor zur Erhöhung der Härtbarkeit, ohne die Wärmeleitfähigkeit zu verschlechtern;
- Schwefel, entweder als Verunreinigung, d. h. zu einem Anteil von weniger als 0,005 Gew.- %, oder als Zugabe, eventuell zusammen mit Selen oder Tellur zur Verbesserung der Zerspanbarkeit, wobei die Summe des Gehalts an Schwefel, Selen und Tellur kleiner oder gleich 0,2% ist; die Zerspanbarkeit kann auch durch Zugabe von Blei oder Wismut zu einem Anteil kleiner oder gleich 0,2 Gew.-% oder durch eine Zugabe von Kalzium zu einem Anteil kleiner oder gleich 0,1 Gew.-% verbessert werden;
wobei der Rest aus Eisen und aus der Herstellung herrührenden Verunreinigungen besteht.
Innerhalb dieses Zusammensetzungsbereichs muss der Anteil eines jeden Elements derart sein, dass, wenn R den Wärmewiderstand des Stahls und Tr seine Härtbarkeit darstellen, die folgenden Bedingungen eingehalten werden:
R ≤ 9
Tr ≥ 3, und vorzugsweise Tr ≥ 4,3
In diesen Ausdrücken sind R und Tr dimensionslose Koeffizienten, die sich mit den folgenden Formeln berechnen lassen:
R = 3,8 · C + 10 · Si + 3,3 · Mn + 2,4 · Ni + 1,4 · (Cr + Mo + W/2)
Tr = 3,8 · C + 1,1 · Mn + 0,7 · Ni + 0,6 · Cr + 1,6 · (Mo + W/2) + kB
wobei kB = 0,5 wenn B ≥ 0,0005% und kB = 0 wenn nicht.
Unter diesen Bedingungen kann eine ausreichende Härtbarkeit erzielt werden, so dass nach einem Härtungsvorgang das Gefüge entweder martensitisch oder bainitisch (das Gefüge kann auch gemischt martensitisch-bainitisch sein) und im Wesentlichen ferritfrei ist (Ferrit ist nicht erwünscht, kann aber als kleiner Rest vorliegen), und dass der Stahl eine Wärmeleitfähigkeit erhält, mit der die Produktivität der Spritzgussanlagen erhöht werden kann.
Beim Berechnen, für jedes Element, des Koeffizientenverhältnisses einer jeden der vorgenannten Formeln, wird festgestellt, dass Silicium, Nickel, und in einem gewissen Maß auch Mangan, ungünstige Elemente sind, deren Gehalt so niedrig wie möglich eingestellt werden muss, um gerade noch mit den verschiedenen metallurgischen Anforderungen vereinbar zu sein, und dass dafür in der Reihenfolge der Aufzählung Bor, Molybdän (oder Wolfram), Kohlenstoff und Chrom bevorzugt werden sollten, da diese Elemente sich sehr günstig auf die Härtbarkeit mit gegebener Wirkung auf den Wärmewiderstand auswirken. Beim Berechnen der in den Formeln von R und Tr vorkommenden Koeffizientenverhältnisse Ihr Molybdän, Kohlenstoff und Chrom stellten die Erfinder fest, dass die chemische Zusammensetzung des Stahls die folgende Relation erfüllen muss:
R ≤ Max (2,33 · Tr - 1; 0,9 · Tr + 4)
Dieser Ausdruck bedeutet, dass R kleiner oder gleich dem größten der beiden Werte 2,33 · Tr - 1 und 0,9 · Tr + 4 sein muss.
Um schließlich nach einem Anlassen bei einer Temperatur von über 500ºC eine Härte zu erzielen, die höher ist als 250 HB und die notwendig ist, um eine gute Stabilität der Stahleigenschaften und eine ausreichende Zähigkeit zu erhalten, muss der Gehalt an Molybdän, Wolfram, Chrom, Vanadium, Niob und Tantal wie folgt sein:
Cr + 3 · (Mo + W/2) + 10 · (V + Nb/2 + Ta/4) ≥ 1
Diese Relationen müssen alle gleichzeitig erfüllt sein.
Im so definierten Zusammensetzungsbereich kann ein bevorzugter Bereich durch die folgenden Bedingungen bestimmt sein:
0,37% ≤ C ≤ 0,45%
0% ≤ Si ≤ 0,15%
0,2% ≤ Mn ≤ 1,5%
0% ≤ Ni ≤ 0,5%
0% ≤ Cr ≤ 2,5%
0% ≤ Mo + W/2 ≤ 1%
0 ≤ Cu ≤ 1%
0% ≤ V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 0,2%
0,005% ≤ Al ≤ 0,015%
0,005% ≤ B ≤ 0,015%
0% ≤ Ti + Zr/2 ≤ 0,3%
Cr + 3 · (Mo + W/2) + 10 · (V + Nb/2 + Ta/4) ≥ 1
R ≤ 2,33 · Tr - 2,4
wobei der Stahl außerdem die anderen bereits weiter oben erwähnten Elemente (Schwefel, Selen, Tellur, Wismut, Blei und Kalzium) enthalten kann. Titan wird vorzugsweise in der weiter oben angegebenen Weise eingeführt.
Obwohl Stahl, dessen Kohlenstoffgehalt 0,4% beträgt, im Allgemeinen als schwer schweißbar gilt, können die mit dem erfindungsgemäßen Stahl gefertigten Formen durch Schweißen repariert werden, indem diese bei einer Temperatur, die gleich oder höher als 300 ºC ist, vor- und nachgeheizt werden. Unter diesem Gesichtspunkt hat der gewählte Zusammensetzungsbereich den Vorteil, nach der Reparatur die Verarbeitung (das Zerspanen, Polieren, Narbätzen) zu erleichtern, weil der Härteunterschied ΔH zwischen dem Grundmetall und den beim Schweißen thermisch beeinflussten Bereichen sich in Grenzen hält (weniger als 100 HB) und bei gleicher Härtbarkeit wesentlich unterhalb der Härteunterschiede zwischen den thermisch beeinflussten Bereichen und dem Grundmetall der Stahlsorten aus dem Stand der Technik liegt.
Zur Herstellung eines Stahlblocks, der in der Fertigung von Formen eingesetzt werden kann, wird flüssiger Stahl bereitet, dieser wird dann als Halbzeug, als Barren oder Bramme, gegossen, danach wird das Halbzeug gewalzt oder geschmiedet, und man erhält einen Block, der beispielsweise ein Blech sein kann. Das Halbzeug wird dann einer Wärmebehandlung bestehend aus Härten und Anlassen unterworfen, durch welche es ein martensitisches oder bainitisches Gefüge erhalten soll, das im Wesentlich ferritfrei ist, da Ferrit ein Bestandteil ist, der sich ungünstig auf die Zerspanbarkeit auswirkt. Der Block, der im Allgemeinen eine Quaderform aufweist, hat eine charakteristische Abmessung d, meistens die kleinste Abmessung, die, zusammen mit der Beschaffenheit des Abschreckmittels, die Abkühlgeschwindigkeit zum Kern hin bestimmt. Damit das Kerngefüge ferritfrei sein kann, muss die Härtbarkeit des Stahls ausreichend sein, damit die kritische Geschwindigkeit des Auftretens des Ferrits geringer ist als die Abkühlgeschwindigkeit zum Kern hin.
Das Anlassen muss oberhalb von 500ºC erfolgen und, besser noch, oberhalb von 550ºC, jedoch unterhalb von Ac1.
Der erfindungsgemäße Stahl ist von besonderer Bedeutung für das Gießen von Formen. Die so erhaltenen Formen sind aus Gussstahl und nicht wie eingangs beschrieben aus Gerbstahl. Nach diesem Verfahren wird nicht wie bisher die Höhlung der Form in einem massiven, quaderförmigen Block angefertigt, in den Kanäle für die Wasserumlaufkühlung gebohrt werden, sondern es wird ein Rohling einer Form gegossen, die eine Rohform der Höhlung und Außenbereiche aufweist, deren Form dazu geeignet ist, bei viel dünneren Wänden als sie mit der Verarbeitungstechnik einer Höhlung in einem massiven Block zu erzielen sind, einen ausreichenden mechanischen Widerstand zu gewährleisten. Die Form an sich entsteht durch eine Feinbearbeitung des Rohlings und durch eine Wärmebehandlung. Da die Dicke der Wandungen der Form relativ gering ist, kann mit der Verwendung des erfindungsgemäßen Stahls, dessen Wärmeleitfähigkeit sehr gut ist, die Wasserumlaufkühlung in den in den Wandungen der Form gebohrten Kanälen verringert, ja sogar weggelassen werden, und dafür die Kühlung der Form während ihres Gebrauchs durch einen Gasumlauf um die äußeren Teile der Form herum gewährleistet werden. Beim Herstellen der Höhlung entstehen oft Undichtheiten, die durch Schweißen behoben werden. Die relativ gute Schweißbarkeit des Stahls erleichtert diesen Vorgang. Die Wärmebehandlung ist mit derjenigen der Gerbstahlformen identisch, ihr können jedoch eine oder mehrere Austenisierungen zur Kornverfeinerung vorausgehen.
Als Beispiel wurden die erfindungsgemäßen Stahlsorten A, B, C, D und die bekannten Stahlsorten E, F, G hergestellt. Die chemischen Zusammensetzungen dieser Stahlsorten waren (in tausendstel Gew.-%):
Mit diesen Stahlsorten wurden gehärtete, angelassene Blöcke hergestellt, die in der Fertigung von Formen eingesetzt werden können. Die Dicke (charakteristische Abmessung d) der Blöcke, die Art des Härtens, die Bedingungen beim Anlassen, die Koeffiziente R des Wärmewiderstands und Tr der Härtbarkeit, die Werte der Wärmeleitfähigkeit, die erhaltenen Härtewerte und die Härteunterschiede ΔH zwischen den thermisch beeinflussten Bereichen und dem Grundmetall waren:
WL = Wärmeleitfähigkeit in W/m/ºK
Härte in Brinell-Härte
Diese Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäßen Stahlsorten A, B, C und D Härtbarkeitswerte aufweisen, die mit denen der bekannten Stahlsorten E und F vergleichbar sind, aber dass die Werte für ihre Wärmeleitfähigkeit sehr viel höher sind (um fast 30%). Der bekannte Stahl G hat eine Wärmeleitfähigkeit, die mit der der Stahlsorten B, C und D vergleichbar ist, aber seine Härtbarkeit ist sehr viel geringer als die dieser Stahlsorten. Aufgrund dieser geringen Härtbarkeit liegt die maximal herstellbare Dicke unterhalb von 200 mm und das Anlassen muss unbedingt im Wasser erfolgen, was für eine geringe Dicke ein Nachteil ist.
Die erfindungsgemäßen Stahlsorten A bis D weisen zwischen den thermisch beeinflussten Bereichen und dem Grundmetall einen Härteunterschied ΔH auf, der unterhalb von 55 HB liegt, während bei den Stahlsorten E und F ΔH bei über 100 HB liegt. Die bekannte Stahlsorte G hat einen geringen ΔH (44 HB), aber sie hat auch eine sehr unzureichende Härtbarkeit.
Der erfindungsgemäße Stahl kann zur Fertigung von Blöcken verwendet werden, deren charakteristische Abmessung zwischen 20 mm und mindestens 1500 mm liegt und deren Gefüge im gesamten Block martensitisch oder bainitisch und im Wesentlich ferritfrei ist, und deren Härte im gesamten Block zwischen 250 und 370 Brinell liegt. Diese Blöcke können zur Fertigung von Formen zum Einspritzen von Kunststoff oder Gummi oder von irgendeinem anderen Material, das vorzugsweise bei einer Temperatur von weniger als etwa 500ºC gegossen wird, verwendet werden.
Werden die Formen durch Schweißen repariert, so ist es sehr wünschenswert, dass das Zusatzmetall die gleiche Zusammensetzung wie das Grundmetall aufweist; daher kann der erfindungsgemäße Stahl als Draht zum Schweißen oder zur Herstellung von Schweißelektroden verwendet werden.

Claims

1. Stahl zur Herstellung von Formen zum Einspritzen von Kunststoff oder Gummi, dadurch gekennzeichnet, dass seine chemische Zusammensetzung folgende Gewichtsanteile enthält:

0,35% ≤ C ≤ 0,5%

0% ≤ Si ≤ 0,5%

0,2% ≤ Mn ≤ 2,5%

0% ≤ Ni ≤ 4%

0% ≤ Cr ≤ 4%

0% ≤ Mo + W/2 ≤ 2%

0 ≤ Cu ≤ 1%

0% ≤ V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 0,5%

0,005% ≤ Al ≤ 2%

0% ≤ B ≤ 0,015%

- eventuell mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan und Zirkonium, wobei die Summe des Anteils an Titan und der Hälfte des Anteils an Zirkonium kleiner-gleich 0,3% ist,

- eventuell mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schwefel, Selen und Tellur, wobei die Summe des Anteils der enthaltenen Elemente kleiner-gleich 0,2% ist,

- eventuell mindestens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Blei und Wismut, wobei die Summe des Anteils der enthaltenen Elemente kleiner-gleich 0,2% ist,

- eventuell einen Anteil an Kalzium kleiner-gleich 0,1%,

wobei der Rest aus Eisen und aus der Herstellung herrührenden Verunreinigungen, darunter Stickstoff, besteht, wobei die Analyse gleichzeitig den folgenden Verhältnissen gerecht wird:

Cr + 3 · (Mo + W/2) + 10 · (V + Nb/2 + Ta/4) ≥ 1

R = 3,8 · C + 10 · Si + 3,3 · Mn + 2,4 · Ni + 1,4 · (Cr + Mo + W/2) ≤ 9

Tr = 3,8 · C + 1,1 · Mn + 0,7 · Ni + 0,6 · Cr + 1,6 · (Mo + W/2) + kB ≥ 3

wobei kB = 0,5 wenn B ≥ 00005% und kB = 0 wenn nicht,

und

R ≤ Max (2,33 · Tr - 1; 0,9 · Tr + 4),

{wobei R für den Wärmewiderstand und Tr für die Härtbarkeit stehen}.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

Si ≤ 0,15%

3. Stahl nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

B ≥ 0,0005%

4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

Tr ≥ 4,3

5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

Si ≤ 0,1%

6. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass

0,37% ≤ C ≤ 0,45%

0% ≤ Si ≤ 0,15%

0,2% ≤ Mn ≤ 1,5%

0% ≤ Ni ≤ 0,5%

0% ≤ Cr ≤ 2,5%

0% ≤ Mo + W/2 ≤ 1%

0 ≤ Cu ≤ 1%

0% ≤ V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 0,2%

0,005% ≤ Al ≤ 0,2%

0,0005% ≤ B ≤ 0,015%

0% ≤ Ti + Zr/2 ≤ 0,3%,

und

R ≤ 2,33 · Tr - 2,4.

7. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Titan, Zirconium und Stickstoff (in Gewichtsprozenten) wie folgt ist:

0,00003 ≤ (N) · (Ti + Zr/2) ≤ 0,0016

und dass, im festen Zustand, die Zahl der abgeschiedenen Titan- oder Zirconiumnitrid- Teilchen, die größer sind als 0,1 um und auf einer Fläche von 1 mm² mit mikrographischem Schnitt gezählt wurden, kleiner als das Vierfache der Summe des Gesamtgehalts an als Nitride abgeschiedenem Titan und der Hälfte des Gesamtgehalts an als Nitride abgeschiedenem Zirconiuni ist, wobei diese Summe in tausendstel Gewichtsprozenten ausgedrückt wird.

8. Stahlblock nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass seine charakteristische Abmessung zwischen 20 mm und 1500 mm liegt, das Gefüge des Stahls im gesamten Block martensitisch oder bainitisch ist, und die Härte im gesamten Block zwischen 250 und 370 Brinell liegt.

9. Draht zum Schweißen oder zur Herstellung von Schweißelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 7 besteht.