DE69908124T3

DE69908124T3 - Stahlmaterial für warmwerkzeug

Info

Publication number: DE69908124T3
Application number: DE69908124T
Authority: DE
Inventors: Odd Sandberg; Bengt Klarenfjord
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: PT1084282E; EP1084282B1; JP4516211B2; JP2002509986A; AU740442B2; ES2198147T3; US6365096B1; WO1999050468A1; DE69908124D1; EP1084282A1; DE69908124T2; DK1084282T3; ATE241023T1; SE9801044D0; KR100562761B1; ES2198147T5; BR9909160A; CN1097641C; HK1033966A1; CN1295624A

Description

TECHNISCHES ANWENDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft ein Stahlmaterial für Werkzeuge zum Warmumformen, d. h. Werkzeuge zum Umformen oder Bearbeiten von Metallen bei vergleichsweise hohen Temperaturen.
TECHNISCHE POSITIONIERUNG

Der Term ”Warmwerkzeug (oder Warmarbeitswerkzeug)” bezieht sich auf viele verschiedene Arten von Werkzeugen für das Bearbeiten oder Umformen von Metallen bei vergleichsweise hohen Temperaturen, z. B. Werkzeuge für das Druckgießen, wie z. B. Formen, Einspritzteile, Kernformen, Einfüllöffnungen, Düsen, Auswerfer, Kolben, Druckkammern usw.; Extrusions-Werkzeuge, z. B. Matrizen, Gestelle, Auskleidungen, Pressscheiben und Dorne, Arbeitsspindeln, usw.; Werkzeuge für das Warmpressen z. B. Werkzeuge für Aluminium, Magnesium, Kupfer, Kupferlegierungen und Stahl; Formen für Kunststoff, wie z. B. Spritzgießwerkzeug beim Spritzgießen, Pressen und Extrudieren und verschiedene andere Werkzeugarten wie Werkzeuge für das Warmscheren, Schrumpfringe/-bänder und Verschleißteile die bei hohen Temperaturen verwendet werden. Es gibt einige Normstahl-Qualitäten, die für diese Warmarbeitswerkzeuge benutzt werden, z. B. AISI Typ H10–H19, und auch mehrere handelsübliche Spezialstähle. Tabelle 1 zeigt einige dieser Normstähle bzw. handelsüblichen Warmarbeitsstähle. Tabelle 1 – Nominell chemische Zusammensetzung in Gew.-% bekannter Warmarbeitsstähle

Stahl Typ	Stahl Nr.	C	Si	Mn	Cr	Mo	W	Ni	V	Co	Fe
W. Nr 1,2344/H13	1	0,40	1,0	0,40	5,3	1,4	-	-	1,0	-	Rest
W. Nr 1,2365/H10	2	0,32	0,25	0,30	3,0	2,8	-	-	0,5	-	Rest
W. Nr 1,2885/H10A	3	0,32	0,25	0,30	3,0	2,8	-	-	0,5	3,0	Rest
W. Nr 1,2367	4	0,38	0,40	0,45	5,0	3,0	-	-	0,6	-	Rest
W. Nr 1,2889/H19	5	0,45	0,40	0,40	4,5	3,0	-	-	2,0	4,5	Rest
W. Nr 1,2888	6	0,20	0,25	0,50	9,5	2,0	5,5	-	-	10,0	Rest
W. Nr 1,2731	7	0,50	1,35	0,70	13,0	-	2,1	13,0	0,7	-	Rest
H42	8	0,60	0,30	0,30	4,0	5,0	6,0	-	2,0	-	Rest
Zus. 1*	9	0,35	0,1	0,6	5,5	3,0	-	-	0,8	-	Rest
Zus. 2*	10	0,32	0,3	0,6	5,1	2,6	-	-	0,7	-	Rest
Zus. 3*	11	0,39	0,2	0,7	5,2	2,2	-	0,6	0,8	0,6	Rest
W. nr 1,2396	12	0,28	0,40	0,45	5,0	3,0	-	-	0,7	-	Rest
W. Nr 1,2999	13	0,45	0,30	0,50	3,1	5,0	-	-	1,0	-	Rest
QRO^®90*	14	0,39	0,30	0,75	2,6	2,25	-	-	0,9	-	Rest
CALMAX^®*	15	0,28	0,60	0,40	11,5	-	7,5	-	0,55	9,5	Rest
H11	16	0,40	1,0	0,25	5,3	1,4	-	-	0,4	-	Rest
Zus. 4*	17	0,37	0,30	0,35	5,1	1,3	-	-	0,5		Rest
Zus. 5*	18	0,35	0,17	0,50	5,2	1,6	-	-	0,45	-	Rest

* Handelsüblicher, nicht normgemäßer Stahl. QRO^®90 und CALMAX^® sind eingetragene Warenzeichen der Uddeholm Tooling AB.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der ersten Phase der Erfindung wurden die Stähle 1–15 der Tabelle 1 untersucht. Diese Untersuchung wies darauf hin, dass keiner der untersuchten Stähle den Anforderungen, die man an Werkzeuge für all die verschiedenen oben genannten Anwendungsgebiete stellen kann, gerecht wurde. Schließlich konzentrierte man sich nachhaltig auf die Entwicklung einer Legierung, die hauptsächlich beim Druckguss von Leichtmetallen eingesetzt werden soll, einem Anwendungsgebiet, das einen besonderen Bedarf an einem neuen Stahlmaterial mit der Kombination von Eigenschaften hat, die besser als bei bekannten, derzeit verwendeten Stählen ist. Das Ziel des Stahlmateriales gemäß der Erfindung ist es, optimale Eigenschaften bezüglich Härtbarkeit und Gefüge aufzuweisen, um auch bei Mittelblechen ein hohes Maß an Zähigkeit und Duktilität zu bieten. Gleichzeitig darf keine Verschlechterung der Anlassbeständigkeit und der hohen Temperaturfestigkeit eintreten.
Genauer, der Zweck der Erfindung ist es, einen Warmarbeitsstahl mit einer chemischen Zusammensetzung anzubieten, die so beschaffen ist, dass der Stahl folgenden Anforderungen gerecht wird:

– er muss gute Warmformbarkeit haben, um dadurch eine hohe Ausbeute bei der Herstellung zu erreichen,
– er sollte gut zur Herstellung sehr großer Dicken dienen, d. h. dicker als z. B. 760 × 410 mm oder dicker als ⌀ 550 mm,
– er sollte einen sehr niedrigen Gehalt an Verunreinigungen aufweisen,
– er sollte keine Primärkarbide enthalten,
– er sollte gute Eigenschaften zur Wärmebehandlung haben, was unter anderem bedeutet, dass er bei mäßig hoher Austenitisierungstemperatur gehärtet werden kann.
– er sollte eine sehr gute Härtbarkeit aufweisen, d. h. man sollte ihn durchhärten können, sogar bei den oben genannten großen Dicken,
– er sollte während der Wärmebehandlung formstabil bleiben,
– er sollte eine gute Anlassbeständigkeit haben,
– er sollte eine gute Temperaturfestigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen,
– er sollte eine sehr gute Zähigkeit und Duktilität in den in Frage kommenden Dimensionen haben,
– er sollte eine gute Wärmeleitfähigkeit zeigen,
– sein Wärmeausdehnungskoeffizient sollte nicht übermäßig groß sein,
– er sollte gute Beschichtungseigenschaften beim PVD-Verfahren/CVD-Verfahren und der Nitrierhärtung aufweisen,
– er sollte gute Funkenerosionseigenschaften, gute Schneide- und Schweißeigenschaften haben, und
– er sollte günstig in der Herstellung sein.

Aus folgenden Gründen kann das erfundene Stahlmaterial oben genannte Bedingungen erfüllen: erstens: die Stahllegierung muss eine solche Grundzusammensetzung haben, dass das Material weiterverarbeitet werden kann um ein adäquates Gefüge mit einer sehr gleichmäßigen Verteilung von Karbiden in einer ferritischen Matrix zu erreichen, die geeignet für eine wietere Wärmebehandlung des fertigen Werkzeugs ist.
zweitens: das Stahlmaterial mit der besagten Grundzusammensetzung muss auch den beschriebenen niedrigen Gehalt an Silizium haben, das als Verunreinigung im Stahl der Erfindung betrachtet wird, und auch der Gehalt der nicht-metallischen Verunreinigungen Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel muss niedrig sein. Tatsächlich ist schon lange bekannt, dass nicht-metallische Verunreinigungen wie Schwefel, Phosphor, Sauerstoff und Stickstoff bestimmte negative Auswirkungen auf viele Stähle haben, und zwar besonders auf die Zähigkeit des Stahls. Dies gilt auch für das Wissen, dass einige Metalle in geringen Mengen von Spuren negative Auswirkungen auf viele Stähle haben, wie z. B. eine verringerte Zähigkeit. Dies gilt z. B. für Titan, Zirkonium und Niobium in vergleichsweise kleinen Mengen. Trotzdem war es im Falle der meisten Stähle, auch beim Warmarbeitsstahl, nicht möglich, die Zähigkeit nur durch die alleinige Reduzierung von Verunreinigungen dieser Art im Stahl bedeutend zu verbessern. Die bei bereits existierenden Stahllegierungen durchgeführte Untersuchung, zeigte auch, dass eine gute Zähigkeit nicht nur durch die Optimierung der Grundzusammensetzung der Stahllegierung erzielt werden kann. Es war nur möglich besagte Bedingungen durch eine Kombination einer optimalen Grundzusammensetzung mit einem niedrigen bis sehr niedrigen Gehalt besagter nicht-metallischer Verunreinigungen zu erfüllen und auch bevorzugt mit einem sehr niedrigen Gehalt an Titan, Zirkonium und Niobium.
Um obengenannte Bedingungen zu erfüllen, hat das erfundene Stahlmaterial eine Legierungszusammensetzung, die in Gewichts-% im Wesentlichen besteht aus:
0,3–0,4 C, bevorzugt 0,33–0,37 C, normalerweise 0,35 C
0,2–0,8 Mn, bevorzugt 0,40–0,60 Mn, normalerweise 0,50 Mn 4–6 Cr, bevorzugt 4,5–5,5 Cr, passend 4,85–5,15 Cr, normalerweise 5,0 Cr
1,8–3 Mo, bevorzugt max. 2,5 Mo, passend 2,2–2,4 Mo, normalerweise 2,3 Mo
0,4–0,6 V, bevorzugt 0,5–0,6 V, passend 0,55 V, der Rest Eisen und unvermeidbare metallische und nicht metallische Verunreinigungen, wobei die nicht metallischen Verunreinigungen Silizium, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel umfassen, die in folgenden maximalen Anteilen vorhanden sein dürfen:
max. 0,25 Si, bevorzugt 0,20 Si, passend max. 0,15 Si,
max. 0,010 N, bevorzugt max. 0,008 N
max. 10 ppm O, bevorzugt max. 8 ppm O
max. 0,010 P, bevorzugt max. 0,008 P, und
max. 0,0008 S, bevorzugt max. 0,0005 S.
Vorzugsweise sollen Titanium, Zirkonium und Niobium in den folgenden maximalen Anteilen in Gew.-% vorhanden sein:
max. 0,05 Ti, bevorzugt max. 0,01, passend max. 0,008, und sehr bevorzugt max. 0,005,
max. 0,1, bevorzugt max. 0,02, passend max. 0,010, und sehr bevorzugt 0,005 Zr,
max. 0,1, bevorzugt max. 0,02, passend max. 0,010, und sehr bevorzugt max. 0,005 Nb.
Was die Wahl einzelner gewünschter Legierungselemente betrifft, wurde kurz gesagt der Gehalt von Kohlenstoff, Chrom, Molybdän und Vanadium so gewählt, dass der Stahl eine ferritische Matrix im Lieferzustand des Materials haben sollte, eine martensitische Matrix mit geeigneter Härte nach dem Härten und Anlassen ohne Primärkarbide aber mit sekundärausgefällten Karbiden des Typs MC und M₂₃C₆ von submikroskopischer Größe im gehärteten und angelassenen Material haben sollte, während gleichzeitig die Grundzusammensetzung des Stahls Potential zur Verfügung stellen soll um auch die gewünschte Zähigkeit zu erreichen.
Der Minimumgehalt von Chrom soll bei 4% liegen, bevorzugt 4,5% und passend mindestens 4,85% damit der Stahl eine geeignete Härte aufweist aber der Chromgehalt sollte nicht bei mehr als 6% liegen, vorzugsweise max. 5,5% und passend max. 5,15% damit der Stahl keinen Karbidgehalt der Typen M₂₃C₆ und M₇C₃ in unerwünschtem Ausmaß nach dem Anlassen aufweist. Der Nenngehalt des Chroms liegt bei 5,0%.
Wolfram beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit und die Härtbarkeit in Bezug auf Molybdän ungünstig und ist daher kein wünschenswertes Element im Stahl, kann aber in Mengen bis zu 0,5%, bevorzugt max. 0,2% erlaubt werden. Jedoch sollte der Stahl geeigneterweise kein absichtlich beigegebenes Wolfram enthalten, d. h. die wünschenswerteste Form des Stahls enthält Wolfram nur in Mengen von Verunreinigungen.
Molybdän sollte nur minimal mit 1,8% enthalten sein, bevorzugt mindestens 2,2%, um eine ausreichende Härtbarkeit, Anlassbeständigkeit und die gewünschte Festigkeit bei hohen Temperaturen zu gewährleisten. Ein einem Molybdän-Gehalt von mehr als 3% birgt das Risiko zur Bildung von Korngrenzenkarbiden und Primärkarbiden, die die Zähigkeit und Duktilität reduzieren. Der Molybdän-Gehalt sollte daher nicht höher als 3,0%, vorzugsweise max. 2,5%, passend max. 2,4% sein. Hat der Stahl einen Wolfram-Gehalt wie oben benannten, ersetzt Wolfram teilweise das Molybdän gemäß der Regel „zwei Teile Wolfram entspricht einem Teil Molybdän”.
Der Stahl soll einen Vanadium-Gehalt von mindestens 0,4% haben um eine ausreichende Anlassbeständigkeit und die gewünschte Festigkeit bei hohen Temperaturen zu gewährleisten. Zudem sollte Vanadium mindestens in benannter Menge enthalten sein um eine Kornvergröberung während der Wärmebehandlung des Stahls zu verhindern. Die Obergrenze für Vanadium wurde auf 0,6% festgesetzt, um das Risiko der Bildung von Primär- und Korngrenzenkarbid und/oder Karbonitride zu verringen, was die Duktilität und Zähigkeit des Stahls beeinträchtigen würden. Der Stahl sollte bevorzugt 0,5–0,6 V, passend 0,55 V enthalten.
Der Stahl sollte Mangan in bereits benannter Menge enthalten, hauptsächlich um die Härtbarkeit um einen bestimmten Grad zu erhöhen.
Um die potentiell gute Zähigkeit zu verwerten, die ein Stahlmaterial mit dem benannten Kohlenstoff-, Mangan-, Chrom-, Molybdän-, und Vanadium-Gehalt liefern kann, sollten die erwähnten nicht-metallischen Verunreinigungen gleichzeitig auf besagtem geringen oder sehr geringen Niveau gehalten werden. Wenn man die Bedeutung der Verunreinigungselemente in Betracht zieht, kann folgendes gesagt werden:
Silizium kommt als Restprodukt vor, das bei der Desoxidierung des Stahls entsteht und der Gehalt darf bei höchstens 0,25%, bevorzugt max. 0,20% und passend max. 0,15% liegen um die Kohlenstoffaktivität und nachfolgend sogar den Gehalt von Primärkarbiden, die während der Festigung ausfällen können gering zu halten und in einer späteren Phase auch die Korngrenzenkarbide, die die Zähigkeit verbessern.
Stickstoff ist ein Element, das gerne die Primärkarbidbildung stabilisiert. Primärkarbonitride, insbesondere Karbonitride, in denen, außer Vanadium auch Titanium, Zirkonium und Niobium enthalten sein kann, sind schwieriger aufzulösen als reine Karbide. Diese Karbide können große negative Auswirkungen auf die Kerbschlagzähigkeit des Materials haben, wenn sie im fertigen Werkzeug vorkommen. Mit einem sehr geringen Stickstoff-Gehalt können diese Karbide eher bei der Austenitisierung des Stahls in Verbindung mit der Wärmebehandlung aufgelöst werden, wobei die kleinen Sekundärkarbide, hauptsächlich vom Typ MC und M₂₃C₆ submikroskopischer Größe, d. h. weniger als 100 nm, normalerweise 2–100 nm, niederschlagen, was vorteilhaft ist. Das Stahlmaterial gemäß der Erfindung sollte deshalb maximal 0,010% N, bevorzugt max. 0,008% N enthalten.
Sauerstoff im Stahl bildet Oxide, durch die Risse als Ergebnis von Wärmeermüdung entstehen können. Dieser negativen Auswirkung auf die Zähigkeit wirkt man mit einem sehr geringen Sauerstoff-Gehalt entgegen, der max. bei 10 ppm O, bevorzugt max. 8 ppm O liegt.
Phosphor sondert sich an Phasenkornflächen und Korngrenzen aller Art ab und verringert die Kohäsionsfestigkeit und nachfolgend die Zähigkeit. Der Phosphor-Gehalt sollte daher nicht mehr als 0,010%, bevorzugt max. 0,008% betragen.
Schwefel, der mit Mangan kombiniert Mangansulfid bildet, wirkt sich negativ auf die Duktilität aber auch auf die Zähigkeit aus, weil es die Biegeeigenschaften negativ beeinflusst. Der Schwefel-Gehalt darf deshalb bei nur max. 0,0008% liegen.
Der Titanium-, Zirkonium- und Niobium-Gehalt im Stahl sollte nicht höher sein als die oben erwähnten Maxima, d. h. max. 0,05% Ti, bevorzugt max. 0,01, passend max. 0,008 und am besten max. 0,005 Ti; max. 0,1, bevorzugt max. 0,02, passend max. 0,010 und am besten max. 0,005 Zr; und max. 0,1, bevorzugt max. 0,02, passend max. 0,010 und am besten max. 0,005 Nb, um hauptsächlich die Bildung von Nitriden und Karbonitriden zu verhindern.
Das Stahlmaterial gemäß der Erfindung hat in seinem Lieferzustand eine ferritische Matrix mit gleichmäßig verteilten Karbiden, die bei der Wärmebehandlung des Stahls in Verbindung mit dem Härten aufgelöst werden. Bei dieser Wärmebehandlung wird der Stahl bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1080°C, passend bei einer Temperatur zwischen 1020 und 1030°C austenitisiert. Das Material wird danach auf Zimmertemperatur abgekühlt und ein oder mehrere Male angelassen, bevorzugt 2×2 Std., bei 550–650°C, bevorzugt bei etwa 600°C.
Weitere Eigenschaften und Aspekte der Erfindung werden bei folgender Beschreibung der durchgeführten Experimente und beigefügter Patentansprüche offensichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
In der folgenden Beschreibung der durchgeführten Experimente bezieht man sich auf die Abbildungen der Anlage wie folgt:
ist ein dreidimensionales Diagram, das die Nenngehalte von Silizium, Molybdän und Vanadium von mehreren unter suchten Stählen zeigt,
zeigt das Gefüge im weichgeglühten Zustand im Kern eines Stahls der Erfindung,
zeigt die Anlassbeständigkeit der untersuchten Stähle,
zeigt den Einfluss auf die Härte der untersuchten Stähle bei einer Haltezeit bei 600°C nach dem Härten und Anlassen,
und zeigen ein CCT-Diagramm bzw. ein ZTU-Diagramm, für einen Stahl der Erfindung,
zeigt die Charpy-V-Kerbschlagarbeit gegen die Prüftemperatur der untersuchten Stähle,
und zeigen die Kerbschlagarbeit bei +20°C gegen die Dicke der getesteten Grobbleche mit Charpy-V-Kerbschlagarbeitsversuch und Versuche mit ungekerbten Proben,
ist ein Diagramm, das die Warmdehnbarkeit und die Warmfließfestigkeit der untersuchten Stähle zeigt, und
ist ein Plan, der das Eigenschaftsprofil der untersuchten Stähle zeigt.
BESCHREIBUNG DER DURCHGEFÜHRTEN UNTERSUCHUNGEN
Die chemischen Zusammensetzungen der untersuchten Stähle sind in Tabelle 2 aufgelistet.
In Tabelle 2 sind H11 ”Premium” und H13 „Premium” Varianten des Stahls AISI H13 bzw. H11. ”Premium” bedeutet, dass den Stahlschmelzen, die in Verbindung mit der Herstellung entstehen, SiCa eingespritzt werden, wodurch ein extrem niedriger Schwefelgehalt entsteht, und dass die Endprodukte einem modifizierten Warmbearbeitungsverfahren unterzogen wurden. Die Stähle zeichnen sich im Vergleich zu Normstählen des selben Typs durch ein höheres Niveau an Zähigkeit in alle Richtungen aus, durch das größere Potential eine größere Härte zu verwerten und dabei die Zähigkeit beizubehalten und durch eine höhere thermische Stoßfestigkeit.
Es wurden zwei Arten von Schmelzgut des Stahles vom Typ A der Erfindung erzeugt, und daraus wurden drei Brammen durch ESR-Umschmelzen hergestellt. Diese nannte man A1, A2 ... A6 in Tabelle 2. Die beschriebenen Untersuchungen konzentrierten sich hauptsächlich auf Stahl A2. In den Fällen, in denen man sich auf Stahl A bezieht, bezieht man sich auf einen Mittelwert der Untersuchungsergebnisse mehrerer Stähle von A1–A6. Der Schmelzvorgang entspricht hauptsächlich dem Verfahren, das für H11 „Premium” und H13 „Premium” angewandt wurde. Die ESR Schmelzgüter wogen zwischen 480 und 6630 kg. Aus diesen Brammen verschiedenster Formen wurden durch Schmieden und Walzen Stabstähle hergestellt.
Die sechs letzten Stähle der Tabelle 2, und zwar die Stähle 4X, 17X, 11X, 10X, 9X und 18X sind Stähle, die durch den Anmelder auf dem Markt erfasst wurden und deren chemische Zusammensetzung vom Anmelder analysiert wurden.
Alle Stähle außer QRO^®90 haben einen Chromgehalt in der Größenordnung von 5%. Andere untersuchte Stähle unterscheiden sich durch variierende Anteile von hauptsächlich Silizium, Molybdän und Vanadium. Dies zeigt , die als dreidimensionales Koordinaten-Diagramm die Nennwerte von Silizium, Molybdän und Vanadium dieser Stähle zeigt. Bezüglich der Nennwerte siehe Tabelle 1.

Die Abmessungen und auch die Härte im weichgeglühten Zustand werden in Tabelle 3 beschrieben. Tabelle 3 – Die Härte im weichgeglühten Zustand

Stahl Nr.	Abmessungen (mm)	Härte (HB)
A3	762 × 407	164
A3	762 × 305	162
A2	610 × 254	159
A2	610 × 203	164
A2	610 × 153	157
A2	508 × 127	163
A1	⌀508	163
A1	⌀350	156
A4	762 × 407	174
A5	762 × 305	159
A5	700 × 300	163
A6	610 × 102	170
A4	⌀750	170
A6	⌀270	170
A6	⌀125	170
A6	⌀80	170
16X	500 × 110	192
1X	762 × 305	174
14X	356 × 127	174
4X	510 × 365	183
17X	~500 × 200	164
11X	485 × 200	189
10X	510 × 210	172
9X	510 × 210	207
18X	260 × 210	174

Untersuchungen des Aufbaus zeigten, dass der Gehalt an Primärkarbid in allen Stählen gleich null war, mit der Ausnahme von Stahl Nr. 11X und 9X, der eine bedeutende Menge an Primärkarbiden und Primärkarbonitriden enthielt. Das Gefüge im weichgeglühten Zustand im Kern des Stahls Nr. A2, 610 × 203 mm, wird in gezeigt.
Die Anlassbeständigkeit nach der Austenitisierung bei 1025°C/30 min. und auch der Einfluss der Haltezeit bei 600°C nach dem Härten bei 1025°C/30 min. (1010°C für Stahl Nr. 16X) und das Anlassen zu 45 HRC ist im Diagramm durch die und beschrieben. Mit diesen Diagrammen wird gezeigt, dass der Stahl der Erfindung A2 und Stahl 9X die beste Anlassbeständigkeit haben. Der Stahl A2 der Erfindung wurde auch am wenigsten durch die Haltezeit bei 600°C beeinträchtigt, während Stahl Nr. 9X schnell an Härte verlor. Dies gilt auch für Stahl Nr. 10X.
Sogar die Härtbarkeit des Stahls der Erfindung A2 war sehr gut, wie man den CCT- und ZTU-Diagrammen der und entnehmen kann.
Die Zähigkeitsmessungen wurden als Charpy-V-Kerbschlagarbeitstest gegen eine Prüftemperatur und den Ergebnissen, dargelegt in den bzw. 8, durchgeführt.
zeigt die Kerbschlagzähigkeit bei Raumtemperatur für ungekerbte Proben gegen die Stabstahlabmessungen. Die Kurven zeigen, dass der Stahl der Erfindung, A2, eine größere Zähigkeit und Dehnbarkeit unter den untersuchten Stählen hat. Man sollte besonderes Augenmerk darauf richten, dass Stahl-Nr. 4X in in die TL1 Richtung getestet wurde, was einen um 10% größeren Wert ergibt, als die Proben, die in ST2 Richtung getestet wurden.

Warmzugversuche bei einer Temperatur von 600°C wurden bei Proben durchgeführt, die zu 45 HRC wärmebehandelt wurden. Die Ergebnisse werden in Tabelle 4 und gezeigt. Sogar bezogen auf diese Eigenschaft hat der Stahl der Erfindung eine bedeutend bessere Kombination von hoher Temperaturfestigkeit und Duktilität als die anderen untersuchten Stähle. Tabelle 4 – Warmzugeigenschaften nach dem Versuch bei 600°.

Stahl Nr.	Härte (HRC)	R_p0,2(Mpa)	R_m(Mpa)	A_s(%)	Z(%)
A2	45,5	649	897	17	80
16X	43,5	517	715	18	80
1X	44,5	584	795	17	83
11X	44,2	555	801	17	78
10X	45,5	637	896	13	67
9X	45,2	615	897	14	67
18X	45,6	613	859	15	77

Bestimmte wichtige Eigenschaften des erfundenen Stahls werden im Polardiagramm in verglichen. Was die Zähigkeit betrifft, hatten die Stähle Nr. 11X und 9X einen hohen Gehalt an Primärkarbiden und Karbonitriden, die bedeutend die Zähigkeit beider Stähle verringerten. Stahl Nr. 10X und zu einem gewissen Maß auch Stahl Nr. 18X haben eine Zähigkeit, die man mit der des Stahls Nr. 1X vergleichen kann, aber der Stahl der Erfindung A2, hat eine höhere Duktilität und Zähigkeit. Letzteres wurde auch durch einen gründlichen Druckschmiedeversuch bestätigt. Bei diesen Versuchen, die sich auf das Schmieden von Nabenbestandteilen großer Lastwagen bezogen, wurde ein Stahl des Typs H13 „Premium” und Stahl A1 als Werkzeugmaterial verwendet. Die Anzahl der gefertigten Bestandteile beläuft sich auf 2452 zw. 7721. Die Werkzeuge des H13 „Premium” versagten vollständig, während die Werkzeuge des A1 Stahls nur deshalb außer Betrieb genommen wurden, da sich der innere Durchmesser des Formenhohlraumes plastisch verformt hatte.
Der Stahl der Erfindung, A2, hat die beste Dehnfestigkeit, Duktilität (Flächenreduzierung) und Härtbarkeit (in Bezug auf Härtereduzierung). Die Anlassbeständigkeit des A2 ist auch sehr gut. Unter den untersuchten Stählen hat der Stahl der Erfindung, A2, das beste Eigenschaftsprofil.
Ohne die Erfindung mit irgendeiner bestimmten Theorie zu verbinden, kann man annehmen, dass dieses großartige Eigenschaftsprofil das Ergebnis folgender Faktoren sein kann:

– eine ausgewogene chemische Zusammensetzung karbidbildender Elemente, wie z. B. Chrom, Molybdän und Vanadium, die darauf abzielen eine ausgezeichnete Ausgangsstruktur für das nachfolgende Härten der Werkzeuge zu liefern, und dabei eine sehr gute Härtbarkeit und eine gute Anlassbeständigkeit und eine hohe Temperaturfestigkeit zu erreichen,
– die Abwesenheit von Primärkarbid und/oder Primärkarbonitriden des Typs MX wobei M Vanadium und X Kohlenstoff und/oder Stickstoff ist, mit einem optimal gewählten Kohlenstoff- und Vanadiumgehalt und einem niedrigen Gehalt an Stickstoff,
– ein vergleichsweise hoher Gehalt an Molybdän, ein relativ geringer Gehalt an Kohlenstoff und ein sehr niedriger Gehalt an Silizium, was die Kohlenstoffaktivität reduziert und dadurch auch die Tendenz zur Ausfällung von Zähigkeit verringernden Primärkarbiden und Korngrenzeausfällungen,
– einem niedrigen Gehalt von Elementen wie z. B. Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel, die Zähigkeit verringernde Oxide, Nitride und Sulfide bilden,
– ein niedriger Gehalt von Elementen die Anlassbrüchigkeit verursachen, wie z. B. Phosphor.

Claims

Stahlmaterial für Werkzeuge zum Warmumformen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Legierungszusammensetzung aufweist, die in Gewichts-% besteht aus: 0,3–0,4 C 0,2–0,8 Mn 4–6 Cr 1,8–3 Mo 0,4–0,6 V Rest Eisen und unvermeidbare metallische und nicht metallische Verunreinigungen, wobei die nicht metallischen Verunreinigungen Silicium, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel umfassen, die in folgenden maximalen Anteilen vorhanden sein können: max. 0,25 Si max. 0,010 N max. 10 ppm O max. 0,010 Gewichts-% P max. 0,0008 Gewichts-% S
Stahlmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es max. 0,20 Si enthält.
Stahlmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es enthält: 0,33–0,37 C 0,4–0,6 Mn 4,5–5,5 Cr und 1,8–2,5 Mo.
Stahlmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es 4,85–5,15 Cr und 2,2–2,4 Mo enthält.
Stahlmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das es max. 0,008 N enthält.
Stahlmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es max. 8 ppm O enthält.
Stahlmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es max. 0,008 P enthält.
Stahlmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,35 C, max. 0,15 Si, 0,5 Mn, max. 0,008 P, max. 0,0008 S, 5 Cr, 2,3 Mo, 0,55 V, max. 0,008 N, max. 8 ppm O enthält.
Stahlmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es enthält max. 0,05 Ti, bevorzugt max. 0,01 Ti max. 0,1 Zr, bevorzugt max. 0,02 Zr max. 0,1 Nb, bevorzugt max. 0,02 Nb.
Stahlmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es max. 0,008, bevorzugt max. 0,005 Ti, max. 0,016, bevorzugt max. 0,010 Zr, und max. 0,010, bevorzugt max. 0,005 Nb enthält.
Verwendung eines Stahlmaterials nach einem Ansprüche 1 bis 10 für Werkzeuge und Werkzeugteile zum Druckschmieden von Metallen.