DE69907896T4

DE69907896T4 - Kaltarbeitsstahl

Info

Publication number: DE69907896T4
Application number: DE69907896T
Authority: DE
Inventors: Odd Sandberg; Börje Johansson
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2019-03-09
Also published as: BR9909159A; SE511747C2; CN1295625A; WO1999050469A1; CA2325453A1; KR20010072559A; CA2325453C; TW500810B; CN1098369C; DE69907896D1; HK1033964A1; EP1068367B1; AU740280B2; JP2002509987A; AU3737499A; KR100562760B1; EP1068367A1; ES2197637T3; SE9801045L; SE9801045D0

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen neuen Kaltarbeitsstahl, d. h. einen Stahl, der zur Herstellung von Werkzeugen für die Kaltarbeit vorgesehen ist. Typische Anwendungen sind Stanzmesser, Lochwerkzeuge, Tiefziehformen usw.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das wichtigste Merkmal eines Kaltarbeitsstahls ist, dass er eine hohe Härte haben soll. Für die meisten Anwendungen sind auch eine gute Abnutzungsbeständigkeit und eine für die Anwendung ausreichende Zähigkeit erforderlich. Um diese primären und eine Reihe anderer Anforderungen zu erfüllen, sind eine sehr große Anzahl von Stahllegierungen entwickelt worden. Die meisten dieser Legierungen haben, insbesondere wenn Zähigkeit wichtiger als Verschleißbeständigkeit ist, eine Zusammensetzung innerhalb der folgenden Legierungsbereiche: 0,8 bis 1,2 C, 0,2 bis 1,2 Si, 0,2 bis 0,5 Mn, 5 bis 12 Cr, 0,5 bis 4 Mo, 0 bis 3 W und 0,2 bis 2 V. Zudem können geringe oder mäßig hohe Gehalte an Ni, Nb, Cu und/oder Al vorhanden sein. Ein Stahl des letzteren Typs, der mäßige bis erhebliche Gehalte an Niob und Aluminium enthält, ist in US-A-5 160 553 beschrieben.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist der Zweck der Erfindung, einen Kaltarbeitsstahl mit einer chemischen Zusammensetzung zu liefern, die ausgewogen ist, so dass der Stahl die folgenden Anforderungen erfüllt:

– er soll leicht in nicht-pulvermetallurgischer Weise hergestellt werden können und eine gute Heißbearbeitbarkeit aufweisen, um eine hohe Produktionsausbeute zu erhalten;
– er soll sich in Abmessungen herstellen lassen, die im Bereich von allerkleinsten Abmessungen, d. h. Durchmesser 10 mm oder weniger, bis zu Durchmesser 500 mm oder entsprechenden Größen in quadratischen oder flachen Querschnitten liegen;
– er soll keine große Menge grober primärer Carbide enthalten;
– er soll gute Wärmebehandlungseigenschaften haben, was unter anderem bedeutet, dass er sich aus einer mäßig hohen Austenitisierungstemperatur härten lassen soll;
– er soll eine gute Härtbarkeit aufweisen, d. h. eine Fähigkeit, sich auch im Fall großer Abmessungen durchhärten zu lassen;
– er soll gute Maßhaltigkeit (Dimensionsbeständigkeit) bei Wärmebehandlung sowie im Gebrauch haben, wobei die letztere Bedingung unter anderem besagt, dass er eine geringe Anfälligkeit für Alterung haben soll;
– er soll sich im Zusammenhang mit dem Anlassen, um eine Härte von 60 bis 64 HRC zu erreichen, sekundärhärten lassen;
– er soll gute Oberflächenauftragungsmerkmale aufweisen, was bedeutet, dass er sich nitridieren, einsatzhärten und mittels PVD und CVD oberflächenbeschichten lassen soll;
– er soll gute Funkenerosion aufweisen;
– er soll angemessene Abnutzungsverschleißbeständigkeit haben;
– er soll angemessene Zähigkeit haben;
– er soll eine hohe Kompressionsfestigkeit haben und
– er soll gute Ermüdungseigenschaften, gute Schneidbarkeit und gute Schleifbarkeit haben.

Zuerst wurde eine Reihe von im Stand der Technik bekannten Kaltarbeitsstählen untersucht. Die chemischen Zusammensetzungen dieser Stähle sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung, Gew.%, von untersuchten Stählen des Standes der Technik
Die Stähle der Tabelle wurden untersucht oder in Bezug auf Mikrostruktur einschließlich Typ und Charakter der Einschlüsse, Reaktion auf Wärmebehandlung, Härtbarkeit, Härte nach Austenitisierung und nach Anlassen, Maßhaltigkeit, Funkenerosion, Zähigkeit als Schlagzähigkeit und Biegefestigkeit, Abnutzungsverschleißbeständigkeit, Quetschfestigkeit, Schleifbarkeit und Schneidbarkeit verglichen.
Keiner der untersuchten Stähle hatte eine in allen Aspekten erwünschte Kombination von Eigenschaften.
Während der fortgesetzten Entwicklungsarbeit wurde dann in Anbetracht der erreichten Ergebnisse eine geänderte Reihe von Anforderungen aufgestellt, in der an erster Stelle der Einfluss von Härte und Volumen der Carbide auf Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit betrachtet wurde. In dieser zweiten Phase der Entwicklungsarbeit wurde detaillierter untersucht, wie geringe Veränderungen der Gehalte an C, N, Mn, V und Mo eine Reihe entscheidender Eigenschaften beeinflussten, wie Zähigkeit, Reaktion auf Wärmebehandlung, Härtbarkeit, Sekundärhärtung, Anlassbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit. Bei dieser Arbeit wurden sieben 50 kg Laborchargen mit einer chemischen Zusammensetzung in Gewichtsprozent gemäß Tabelle 2 hergestellt.
Tabelle 2 Chemische Zusammensetzung in Gew.%
Alle Chargen wurden in Form von Stäben, 60 × 60 mm, gebracht. Die Materialuntersuchungen zeigten, dass ein Stahl, der den erhöhten Anforderungen hinsichtlich der zuvor genannten unterschiedlichen Merkmale am besten gerecht wurde, die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent haben sollte: 0,82 bis 0,97 C, 0,70 bis 1,10 Si, 0,38 bis 0,62 Mn, mindestens 7,6, aber weniger als 8,0 Cr, maximal 0,40 Ni, 2,30 bis 2,70 Mo, maximal 0,25 W, 0,35 bis 0,55 V, Rest Eisen, Verunreinigungen und Begleitelemente in normalen Mengen. Der Stahl enthält normalerweise maximal 0,15 N, vorzugsweise maximal 0,03 N, maximal 0,30 Cu und maximal 6 ppm H. Der Al-Gehalt darf maximal 0,1 %, vorzugsweise maximal 0,045 % betragen, liegt jedoch in der Regel in Mengen von 0,010 bis 0,045 % als Restelement aus der Desoxidationsbehandlung des Stahls vor. Der Stahl sollte in der Regel 0,92 C, 0,95 Si, 0,5 Mn, 7,8 Cr, 2,5 Mo, 0,45 V enthalten.
Was die Mikrostruktur des Stahls angeht, so besteht diese nach Austenitisieren bei 1000 bis 1080°C, Abkühlen auf Raumtemperatur und einmaligem oder mehrmaligem Anlassen bei 180 bis 650°C aus angelassenem Martensit, das ein Gesamtcarbidvolumen von 3 bis 6 Vol.%, vorzugsweise 3 bis 5 Vol.% enthält, von dem 0,25 bis 0,45 Vol.% aus MC-Carbiden und der Rest im Wesentlichen aus M₇C₃-Carbiden besteht. Die Menge der Primärcarbide ist geeigneterweise etwa 4 Vol.%.
Der erfindungsgemäße Stahl kann in konventioneller Weise durch Erzeugung einer Schmelze hergestellt werden, die zu Blöcken gegossen wird, die zur Form von Stäben, Platten, usw. heißbearbeitet werden können, woraus Werkzeuge oder andere Artikel gefertigt werden können, die zum Erreichen eines Endprodukts mit der gewünschten Kombination von Eigenschaften wärmebehandelt werden können. Die konventionelle Erzeugung von Blöcken kann durch jede beliebige nachfolgende metallurgische Verfahrensstufe der Schmelze abgeschlossen werden, wie z. B. Elektroschlacke-Frischung (ESR), oder als alternatives Verfahren Aufbau von Gusserzeugnissen aus erstarrten Tropfen der Schmelze, wie nach dem Verfahren, das unter dem Namen Osprey bekannt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
In der folgenden Beschreibung der durchgeführten Experimente wird auf die Zeichnung verwiesen, die in Form eines Diagramms den Lochverschleiß gegen die Anzahl der Hübe im Zusammenhang mit dem Lochen von Stahlplatten mit ultrahoher Festigkeit illustriert.
BESCHREIBUNG DER DURCHGEFÜHRTEN EXPERIMENTE
Der erfindungsgemäße Stahl soll zur Herstellung von Werkzeugen für die Kaltarbeit verwendet werden. Kaltarbeitwerkzeuge werden z. B. in der Automobilindustrie zum Stanzen, Lochen, Pressen und Biegen dünner Stahlplatten verwendet. Auf diesem Gebiet sind in den letzten Jahren neue Stähle mit ultrahoher Festigkeit entwickelt worden. Einer dieser Stähle ist von SSAB Tunnplåt AB entwickelt worden und ist unter seinem Handelsnamen Docol^TM 1400 DP bekannt und enthält neben Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen in Gew.% typischerweise: 0,18 C, 0,50 Si, 1,80 Mn, 0,015 P, 0,002 S, 0,040 Al und 0,030 Nb. Dieser Stahl wird in Stärken zwischen 0,50 und 2,00 mm hergestellt, in seinem Auslieferungszustand hat er die in Tabelle 3 angegebenen mechanischen Eigenschaften.
Tabelle 3 Mechanische Eigenschaften von Werkmaterial
Details in Seitenaufprallschutzsystemen, Stoßstangenverstärkungen, Sitzrahmen und Tragbalken und anderen Strukturteilen in Motorfahrzeugen sind typische Anwendungen für diesen Stahl. Die durchgeführten Untersuchungen sollten die Brauchbarkeit des Stahls für Werkzeuge zur Herstellung von Produkten der besagten Art bewerten und die Eigenschaften des Stahls mit anderen, im Handel erhältlichen Stählen für Kaltarbeitswerkzeuge vergleichen.
Die chemischen Zusammensetzungen der untersuchten Stähle sind in Tabelle 4 aufgeführt. Stahl Nr. 19 ist ein erfindungsgemäßer Stahl. Der Stahl wurde aus einer 35 Tonnen-Produktionscharge in einem elektrischen Lichtbogenofen hergestellt. Aus dem Stahl wurden Blöcke gegossen, die geschmiedet und zur Form von Stäben gewalzt wurden. Die Gehalte an Nickel, Niob, Titan und Kupfer sind Rückstände aus verwendeten Rohmaterialien und sind nicht beabsichtigt. Aluminium ist zur Desoxidation des Stahls zugefügt worden, und der angegebene Aluminiumgehalt ist ein Rückstand aus diesem Verfahren. Stahl Nr. 20 ist ein Stahl gemäß der oben genannten US-A-S 160 553, der von einem anderen Hersteller hergestellt worden ist. Der Stahl, der kommerziell erhält lich ist, ist von der Anmelderin in Bezug auf seine chemische Zusammensetzung analysiert worden. Stähle Nr. 21, 22 und 23 sind kommerzielle Stähle, die von der Anmelderin hergestellt wurden. Die in Tabelle 4 angegebenen Gehalte der Stähle Nr. 21 bis 23 sind nominelle Gehalte. Stahl Nr. 21 ist ein konventionell hergestellter Stahl, während Stähle Nr. 22 und 23 pulvermetallurgisch hergestellt worden sind. Neben den Gehalten der verschiedenen Elemente, die in den Tabellen angegeben sind, enthalten diese Stähle auch Verunreinigungen in normalen Mengen, die aus den Rohmaterialien kommen, die zur Herstellung des Stahls verwendet wurden.
Tabelle 4 Chemische Zusammensetzung, Gew.%
Löcher mit dem Lochdurchmesser 10 mm wurden aus Stahlstäben Nr. 19 bis 23 hergestellt. Die Stababmessungen sind in Tabelle 5 aufgeführt. Alle Löcher wurden aus der Mitte des Stabs sowie kreuzweise in Stabrichtung genommen, wobei die Längsrichtung des Lochs mit der Höhenrichtung des Stabs zusammenfiel. Das Werkmaterial bestand aus dem Docol^TM 1400 DP mit einer Dicke von 1,0 mm. Das Material wurde kaltgewalzt und zum Erreichen des höchsten Festigkeitsniveaus wärmebehandelt und ergab daher gute Angaben in Bezug auf Abnutzungsverschleißbeständigkeit und Duktilität/Zähigkeit. Die Lochvorgänge wurden in einer 15 Tonnen Excenterpresse durchgeführt. Die Lochungsrate betrug 200 Hübe/Minute, Lochungsspiel 6 %, keine Schmierung. Die Verschleißmessung erfolgte mit einem Prisma, wobei die Kurvenabweichung vor und nach der Lochungsreihe gemessen wurde. Die Differenz wurde in eine Anzahl μm² überführt, die den Verschleiß wiedergibt.
Tabelle 5 zeigt die Testparameter und den registrierten Lochverschleiß nach 200 000 Lochungshüben. Die Tabelle zeigt auch die Wärmebehandlung der Werkzeuge. Alle Werkzeuge wurden von der angegebenen Austenitisierungstemperatur (T_A, wie in der Tabelle gezeigt ist) gehärtet und nach dem Abkühlen zwei Mal angelassen, jeweils zwei Stunden bei der in der Tabelle angegebenen Anlasstemperatur.
Tabelle 5
Im der Zeichnung ist der Verschleiß während des Verlaufs des vollständigen Lochungstests gezeigt. Die Ergebnisse lassen sich auf die folgende Weise erklären. Die pulvermetallurgisch hergestellten Stähle Nr. 22 und 23 haben ausreichende Duktilität, um Mikroabblättern des Lochrandes zu vermeiden, und der geringste Abnutzungsverschleiß, der für Stahl Nr. 23 abgegeben ist, kommt durch den höheren Vanadiumgehalt dieses Stahls. Der erfindungsgemäße Stahl Nr. 19, der eine gut ausgewogene chemische Zusammensetzung der Legierungselemente aufweist, hat auch eine ausgewogene Kombination von Eigenschaften, wobei Abnutzungsverschleiß gegenüber Mikroabblättern des Lochrandes dominiert. Die Verschleißbeständigkeit war besser als diejenige des wesentlich höher legierten Stahls Nr. 21 und war mit denjenigen der exklusiven, pulvermetallurgisch hergestellten Stähle Nr. 22 und 23 vergleichbar, die hohe Vanadiumgehalte enthielten. Stahl Nr. 20 hatte insbesondere eine ausgeprägte Neigung zu Mikroabblättern des Lochrandes, was erklärt, warum das Material in diesem Test weniger gut ist.

Claims

Kaltarbeitsstahl, dadurch gekennzeichnet, dass er die folgende Zusammensetzung in Gew.% aufweist: 0,82 bis 0,97 C Spuren bis maximal 1,10 Si Spuren bis maximal 0,62 Mn mindestens 7,6, jedoch weniger als 8,0 Cr 2,30 bis 2,70 Mo 0,35 bis 0,55 V Eisen und Verunreinigungen in normalen Mengen in Form von Restelementen aus der Stahlherstellung als restliche Bestandteile.
Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens 0,70 Si und mindestens 0,38 Mn enthält.
Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er maximal 0,25 W enthält.
Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er maximal 0,40 Ni enthält.
Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er maximal 0,15 N, vorzugsweise maximal 0,03 N enthält.
Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er maximal 0,30 Cu enthält.
Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,85 bis 0,95 C enthält.
Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,46 bis 0,54 Mn enthält.
Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 2,40 bis 2,60 Mo enthält.
Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,4 bis 0,5 V enthält.
Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 0 bis 0,1 Al, vorzugsweise maximal 0,045 Al, geeigneterweise 0,010 bis 0,045 Al enthält.
Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,92 C, 0,95 Si, 0,5 Mn, 7,8 Cr, 2,5 Mo, 0,45 V enthält.
Kaltarbeitsstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er nach der Austenitisierung bei 1000 bis 1080 °C, dem Abkühlen auf Raumtemperatur und dem einmaligen oder mehrmaligen Anlassen und bei 180 bis 650 °C 3 bis 6 Vol.% Carbide, vorzugsweise 3 bis 5 Vol.% Carbide, davon 0,25 bis 0,45 Vol.% MC-Carbide und als Rest im wesentlichen M₇C₃-Carbide enthält.
Verwendung von Kaltarbeitsstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Herstellung von Kaltarbeitswerkzeugen.
Verwendung nach Anspruch 14 zum Stanzen, Schneiden oder Formen von Blech.
Verwendung nach Anspruch 14 zur Bearbeitung von Bauelementen, vorzugsweise Stahlblechen.
Verwendung nach Anspruch 14 zur Bearbeitung von Blech für Bauelemente in der Automobilindustrie, der Weißwarenindustrie und der Elektronikindustrie.