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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Werkzeugstahl, der
für Formwerkzeuge
zum Schneiden, Stanzen, Biegen, Ziehen oder Besäumen von Stahlblechen benutzt
wird, die für
Kraftfahrzeuge, Haushaltsgeräte,
landwirtschaftliche Geräte
usw. verwendet werden.
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Beschreibung des Stands
der Technik
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Automobilhersteller
usw. haben Kostensenkungen in allen Bereichen vorgenommen, um in
Kostenvergleichen besser abzuschneiden und Gewinne zu erzielen.
Zu diesen Bereichen gehören
auch Formwerkzeuge, und es sind verschiedene Kostensenkungsmaßnahmen
durchgeführt
worden, um die Schritte bei der Herstellung von mit Hilfe von Gesenken
hergestellten Produkten zu verkürzen,
um die Anzahl der Schritte für
die Herstellung von Formwerkzeugen zu verringern und um außerdem Verfahren
für Formwerkzeuge
und Werkzeuge zu entwickeln.
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Für solche
Formwerkzeuge müssen
Werkstoffe für
herkömmliche
Formwerkzeuge und insbesondere für
Formwerkzeuge für
die Kaltbearbeitung einen großen
Anteil an Karbiden zur Erzielung einer guten Verschleißfestigkeit
und darüber
hinaus hohe Anteile an Cr zur Erzielung einer ausgezeichneten Härtbarkeit
und Zähigkeit
aufweisen. Für
diese Formwerkzeuge werden zum Beispiel kohlenstoffreiche Chromstähle wie
etwa SKD11, ein Legierungswerkzeugstahl nach JIS G 4404, benutzt.
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Neuerdings
wird jedoch immer häufiger
gefordert, die Anzahl der Arbeitsschritte bei der spanenden bzw.
Schneidbearbeitung weiter zu verringern. Bei Formgebungsverfahren
sind die Schneidarbeiten, die grundsätzlich mit hohen Kosten verbunden
sind, wegen der Fortschritte bei der plasti schen Bearbeitung noch relevanter
geworden, und um diesem Trend zu begegnen, sind neue Technologien
entwickelt worden, wie an der Entwicklung von CBN und Beschichtungswerkzeugen,
dem Auftauchen von Schnellschneidgeräten, den Fortschritten bei
NC-Algorithmen usw. zu sehen ist. Als Reaktion auf diesen Strom
von Technologien gibt es als Werkzeugstähle mit verbesserter Bearbeitbarkeit
Automatenstähle
(Freischnitt-Werkzeugstähle),
die durch Zugabe von Schwefel zu einer chemischen Zusammensetzung ähnlich der
von SKD11 erhalten werden. Da es jedoch verschiedene Arten der Schneidbearbeitung
gibt, ist es nicht möglich,
diese verschiedenen Schneidmethoden und Schneidbedingungen wie Stirnfräsen, Fräsen, Bohren
usw. einfach zu berücksichtigen,
was die bloße
Zugabe von Schwefel angeht.
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Berichten
zufolge, die nach und nach eintreffen, ermöglicht außerdem die Einführung von
Schnellschneidgeräten
die Bearbeitung von Werkstoffen mit einer Härte von 60 HRC im gehärteten und
vergüteten Zustand.
Das Schneiden ist aber nach wie vor schwierig, obwohl Schruppen
oder Grobbearbeitung usw. möglich
sind. Dies liegt daran, dass die Bearbeitbarkeit von Werkstoffen
mit hoher Härte
nicht immer durch einfache Zugabe von Schwefel zu dem oben genannten
SKD11 verbessert werden kann und weil es nötig ist, auch den Anteil an
Karbiden selbst. zu verringern.
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Neben
diesen Problemen im Hinblick auf die Schneidbearbeitung stellen
auch Größenänderungen aufgrund
der Wärmebehandlung
ein Problem dar. Dies liegt daran, dass es bei großen Größenänderungen aufgrund
der Wärmebehandlung
nötig ist,
große
Bearbeitungszugaben vorzusehen, mit dem Ergebnis, dass die Anzahl
der Arbeitsschritte für
die Fertigbearbeitung zunimmt. Obwohl JIS-SKS3 ein niedriglegierter
Werkzeugstahl ist und eine deutlich bessere Bearbeitbarkeit als
JIS-SKD11 aufweist, besitzt er eine schlechte Härtbarkeit und ein Ölhärten ist
nötig,
so dass bei SKS3 ein Verziehen auftreten kann. Weiter können bei
einem in den 80er Jahren entwickelten Werkzeugstahl mit 8% Cr Größenänderun gen
aufgrund der Wärmebehandlung und
Verformung im Laufe der Zeit (säkulare Änderung)
auftreten, obwohl dieser Stahl eine gute Härtbarkeit aufweist. Folglich
ist JIS-SKD11, das schwieriger zu bearbeiten ist, besser hinsichtlich
der Größenänderungen, die
aufgrund der Wärmebehandlung
auftreten.
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Darüber hinaus
sind bei Formwerkzeugen zum Schneiden, Stanzen, Biegen, Ziehen,
Besäumen
usw. von Stahlblechen bei der formgebenden Bearbeitung von sich
dreidimensional ändernden
Werkstücken
häufig Risse
aufgetreten und es besteht eine wachsende Notwendigkeit hinsichtlich
der Durchführbarkeit
von Schweißreparaturen
usw. Mit anderen Worten ist aus dem jüngsten Trend abzulesen, dass
wenn eine Formänderung
wegen einer Konstruktionsänderung
nötig ist,
was gerade aufgrund von kürzeren
Zeiträumen
der Werkzeugherstellung als früher
vorkommen kann, und wenn Brüche
und Risse aufgrund von harten Einsatzbedingungen usw. während des
Gebrauchs der Formwerkzeuge auftreten, die Schweißbarkeit
wichtig geworden ist, weil sie eine Wiederverwendung von Formwerkzeugen
nach der Reparatur ermöglicht.
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Insbesondere
weisen die herkömmlichen
Werkzeugstähle
bestimmte Vor- und Nachteile auf, und ein Werkzeugstahl, der sowohl
mit SKD11 gleichwertige Wärmebehandlungseigenschaften
als auch eine SKS3 entsprechende Bearbeitbarkeit aufweist, ist derzeit
erwünscht.
Was die Wärmebehandlungseigenschaften
angeht, so ist es besonders wünschenswert,
dass ein neuer Werkzeugstahl aus Gründen der Rationalisierung der
Wärmebehandlung
in denselben Wärmebehandlungsofen
wie SKD11 gegeben werden kann.
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Das
Dokument JP-A-4-362153 beschreibt einen Stahl mit der folgenden
Zusammensetzung bezogen auf das Gewicht: C 0,45 bis 0,65%, Si ≤ 0,25%, Mn ≤ 0,25%, Ni ≤ 0,6%, Cr
4 bis 11%, Mo 0,2 bis 1,0%, A ≤ 0,03%,
Ca 0,001 bis 0,020%, P ≤ 0,03%,
S ≤ 0,005%,
0 ≤ 0,005%,
Rest Fe mit unvermeidbaren Verunreinigungen, weiterhin gegebenenfalls
V 0,05 bis 0,5%, Nb 0,05 bis 0,5% und Seltenerdmetall 0,01 bis 0,05%.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Werkzeugstahls
mit ausgezeichneter Schweißbarkeit,
Bearbeitbarkeit und Wärmebehandlungseigenschaft
ohne Beeinträchtigung
der mechanischen Eigenschaften wie z. B. der Zähigkeit.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die grundlegenden Bedingungen
untersucht, die zur Verbesserung der Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit und
Wärmebehandlungseigenschaften
bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der wesentlichen mechanischen
Eigenschaften wie z. B. Zähigkeit
und Verschleißfestigkeit nötig sind.
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Bei
herkömmlichen
Werkstoffen für
Formwerkzeuge ist die Zusammensetzung so gewählt, dass sie große Mengen
an harten und spröden
Karbiden enthalten, um die wichtige Eigenschaft der Verschleißfestigkeit zu
berücksichtigen.
Weil jedoch in jüngster
Zeit Fortschritte bei den Oberflächenbehandlungsverfahren
als Möglichkeit
erzielt worden sind, Formwerkzeugen Verschleißfestigkeit zu verleihen, ist
es nicht unbedingt nötig,
viel über
die Verschleißfestigkeit
von Werkstoffen für
Formwerkzeuge im Vergleich zu den heutigen Werkstoffen nachzudenken.
Vom Standpunkt der Rissbeständigkeit
und Schweißbarkeit
her sind diese Karbide Faktoren, die zur Ausbreitung von Rissen
beitragen, weshalb es nötig
ist, die Karbide auf geeignete Mengen zu reduzieren.
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Als
Nächstes
haben die Erfinder verschiedene Schneidverfahren zum Schneiden bzw.
Bearbeiten von Werkzeugstählen
untersucht und herausgefunden, dass die Art der Schäden an Schneidwerkzeugen
allgemein in zwei Kategorien fällt:
Schäden
durch Ausbrechen und Wärmeschäden. Die
Erfinder haben festgestellt, dass ein Prozess, bei dem diese beiden
Arten von Schäden
gleichzeitig an verschiedenen Stellen eines Werkzeugs verursacht
werden, unter bestimmten Bedingungen mit einem Vierkantstirnfräser realisiert
werden kann. Insbesondere haben die Erfinder festgestellt, dass
die mechanische Beschädigung
an der Schneidkante und die thermische Beschädigung an der Grenzfläche auftritt,
wo der Kontakt derselben mit dem Werkstück aufhört. Mit Hilfe dieses Prozesses
haben die Erfinder verschiedene Freischnittverfahren untersucht,
die diese beiden Schadenmechanismen verringern.
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Als
Ergebnis haben die Erfinder die Bestandteile und Zusammensetzungsbereiche
festgestellt, die ausreichen, um gute mechanische Eigenschaften,
insbesondere Härte
und Zähigkeit,
zu erzielen, selbst wenn der Anteil an C, das ein Grundbestandteil
von Werkzeugstählen
ist, gesenkt wird. Darüber
hinaus haben die Erfinder festgestellt, dass eine Verringerung der
in Werkzeugstählen
enthaltenen Primärkarbide
die mechanischen Schäden
verringern kann. Bei der Untersuchung verschiedener Schneidmethoden
und Schneidbedingungen, die es ermöglichen, die beiden oben genannten
Wirkungen gleichzeitig zu erzielen, haben die Erfinder schließlich einen
Werkzeugstahl erhalten, der am besten zur Erzielung dieser Wirkungen
geeignet ist.
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Der
erfindungsgemäße Werkzeugstahl
ist in Anspruch 1 definiert.
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Eine
Ausführungsform
des Werkzeugstahls nach der vorliegenden Erfindung besteht, bezogen
auf das Gewicht, aus Folgendem: C und Cr, wobei die Menge an (Cr
+ 5,9 × C)
9,1 bis 12,5%, (Cr – 4,2 × C) nicht mehr
als 5% und (Cr – 6,3 × C) nicht
weniger als 2,387% beträgt;
0,1 bis 0,6% Si; 0,1 bis 1,2% Mn; Mo und/oder W, wobei die Menge
an (Mo + 1/2 W) 0,6 bis 1,25% beträgt; weniger als 0,5% V, und
im Rest Fe und zufällige Verunreinigungen.
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Bei
den vorstehenden Zusammensetzungsbereichen beträgt der Anteil an C vorzugsweise
0,55 bis 0,75 Gew.-%, der Anteil an Cr vorzugsweise 6,8 bis 8,0
Gew.-% und der eutektische Wert Z [= 8 × (C %) + 0,6 × (Cr %)]
nicht mehr als 10,8. Darüber
hinaus ist es bevorzugt, dass der Flächenanteil an Karbiden mit
einer Querschnittsfläche
von jeweils nicht weniger als 20 μm2 gegenüber
dem Querschnitt der Metallstruktur nicht mehr als 3% beträgt. Weiter
ist es bevorzugt, dass der Flächenanteil
an Sulfiden mit einer Quer schnittsfläche von jeweils nicht weniger
als 1 μm2 gegenüber
dem Querschnitt der Metallstruktur nicht weniger als 0,2% beträgt.
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Bei
der Ausführungsform
des Werkzeugstahls nach der vorliegenden Erfindung beträgt weiter
der Cr-Segregationsbereich in der Matrix (definiert durch einen
Bereich [%] der Schwankung des Anteils an Cr in der Matrix im Verhältnis zum
durchschnittlichen Cr-Rnteil) nach dem Härten nicht mehr als 1 Gew.-%
oder die maximale Temperhärte
nicht weniger als 57 HRC, wenn das Tempern bzw. Vergüten bei
einer Temperatur von nicht weniger als 500°C erfolgt. Ein Formwerkzeug
wird aus einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Werkzeugstahls
hergestellt, bei dem eine Größenänderung
aufgrund der Wärmebehandlung
durch Tempern bei einer Temperatur von nicht weniger als 500°C gegenüber der
unmittelbar vor dem Härten
gemessenen Größe, ausgedrückt durch
den linearen Expansionskoeffizienten, nicht mehr als 0,1% beträgt und bei
dem eine Größenänderung
aufgrund einer Wärmebehandlung
durch Tempern bei 490°C
nicht mehr als 0 beträgt,
wenn dieser Stahl auf eine Härte
von nicht weniger als 55 HRC vergütet und anschließend spanabhebend
bearbeitet wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein erläuterndes
Diagramm für
die Wirkung der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine Detailansicht von 1.
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3 zeigt
ein erläuterndes
Diagramm für
das Verhalten von Größenänderungen
aufgrund der Wärmebehandlung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Ausführungsform
des Werkzeugstahls nach der vorliegenden Erfindung weist sowohl
solche Wärmebehandlungseigenschaften
auf, wie sie JIS-SKD11 entsprechen, als auch eine solche Bearbeitbarkeit, wie
sie im Wesentlichen gleichwertig ist mit der von JIS-SKS3. Im Übrigen besteht JIS-SKD11
bezogen auf das Gewicht (was auch im Folgenden gilt) aus 1,40 bis
1,60% C, nicht mehr als 0,40% Si, nicht mehr als 0,60% Mn, nicht
mehr als 0,030% P, nicht mehr als 0, 030% S, 11,00 bis 13,00% Cr,
0,80 bis 1,20% Mo, 0,20 bis 0,50% V, im Rest Fe und zufälligen Verunreinigungen,
während
JIS-SKS3 besteht aus 0,90 bis 1,00% C, nicht mehr als 0,35% Si,
0,90 bis 1,20% Mn, nicht mehr als 0,030% P, nicht mehr als 0,030%
S, 0,50 bis 1,00% Cr, 0,50 bis 1,00% W, im Rest Fe und zufälligen Verunreinigungen.
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Die
Einzelheiten, wie die Erfinder eine Verbesserung dieser Bearbeitbarkeit
herausgefunden haben, sind nachstehend beschrieben.
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Die
Erfinder haben Zusammensetzungen untersucht, die einer Wärmebehandlung
unterzogen werden können,
die praktisch identisch ist mit der von SKD11 in dem Bereich mit
verringertem Anteil an Karbiden. Im Übrigen ist der Werkzeugstahl
SKD11 ein De-facto-Standard. Die Erfinder haben dies als Rusgangsbasis
verwendet, weil Bestandteile, die zum Zeitpunkt des Härtens in
einem Mischkristallzustand in der Matrix vorliegen, in ähnlicher
Weise wie die von SKD11 hergestellt werden, um dieselben Wärmebehandlungseigenschaften
zu erzielen. 1 zeigt das Ganze als ein Zusammensetzungsdiagramm,
ermittelt mit einem Wärmerechner,
und 2 ist ein Zusammensetzungsdiagramm, in dem der
der vorliegenden Erfindung entsprechende Bereich vergrößert dargestellt
ist. Die Linie (A) zeigt eine Linie (auf der Ebene der zugegebenen
Bestandteile), auf der dieselbe Menge an gelöstem C (d. h. Kohlenstoff in
einer festen Lösung)
wie bei SKD11 nach einem Härten erhalten
wird. In gleicher Weise zeigt die Linie (B) eine Linie für dieselbe
Menge an gelöstem
Cr wie bei SKD11. Die beiden Linien sind gebogen, was darauf zurückzuführen ist,
dass über
der Linie (C) Restkarbide vorhanden sind, mit dem Ergebnis, dass
Legierungselemente verbraucht werden, um die Karbide zu bilden,
wodurch gelöste
Elemente der Matrix nicht auf den gleichen Mengen gehalten werden
können,
sofern die Mengen der zugegebenen Bestandteile nicht erhöht werden.
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Die
beiden Linien (A) und (B) schneiden sich grundsätzlich nur in der Zusammensetzung
von SKD11, weshalb es nicht möglich
ist, dieselbe Matrixzusammensetzung wie bei SKD11 mit derselben
Härtungstemperatur
zu wählen.
Dennoch nähern
sich die Linien (A) und (B) im Bereich über der Linie (C) einander
an, wodurch die Matrixzusammensetzung sich der von SKD11 nähert. Werden
jedoch die Zugabemengen an C und Cr erhöht, um diese Linien näher aneinander
zu bringen, nimmt die Menge an Restkarbiden zu, was den Verschleiß des Werkzeugs
in Form von Ausbrechen begünstigt
und zu einer schlechteren Bearbeitbarkeit führt. Darüber hinaus können in
diesem Fall Ermüdungsbrüche in Bezug
auf die Haltbarkeit auftreten, so dass die Anwendung von Stählen für Formwerkzeuge,
bei denen Spannungskonzentrationen auftreten können, begrenzt ist. Dieser
widersprüchliche
Zusammenhang wurde experimentell untersucht, und es wurde festgestellt,
dass der Bereich, in dem die Bearbeitbarkeit ausgezeichnet ist und
in dem die Wärmebehandlungseigenschaften
denen von SKD11 nahe kommen, in dem in 2 gezeigten
Zusammensetzungsbereich des erfindungsgemäßen Werkzeugstahls erreicht
wird.
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In
den vergangenen Jahren wurde den Größenänderungen aufgrund einer Wärmebehandlung
im Vergleich zu anderen Wärmebehandlungseigenschaften
besonderer Wert beigemessen. Was die Qualität von Formwerkzeugen angeht,
erhielt die Formgenauigkeit in jüngerer
Zeit besondere Aufmerksamkeit, zusätzlich zur Haltbarkeit, und
SKD11 schneidet auch in dieser Hinsicht gut ab. Ein Ansatz zur Steuerung
der Größenänderungen
aufgrund einer Wärmebehandlung
ist nachstehend beschrieben.
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Das
Prinzip des Verhaltens der Größenänderungen
aufgrund einer Wärmebehandlung
ist in 3 gezeigt. Im gehärteten Zustand sind alle Kristallgitter
durch den Kohlenstoff in einem Mischkristallzustand in der Martensitstruk tur
einer Matrix erweitert. Wenn die Anlasstemperatur erhöht wird,
kommt es zur Ausscheidung von Zementit im Bereich niedriger und
mittlerer Temperatur (Bereich (A) in 3), und
die Größenänderung nimmt
eine Tendenz zum Schrumpfen an. Im Hochtemperaturbereich erreicht
die Größenänderungsrate
ein Maximum bei einer Temperatur, die nahezu dieselbe wie beim Sekundärhärten ist.
Dieser Höchstwert
ist auf zwei Mechanismen zurückzuführen, die
hauptsächlich
auf der Tieftemperaturseite (Bereich (B) in 3) und der
Hochtemperaturseite (Bereich (C) in 3) dieses
Höchstwerts
auftreten. Auf der Tieftemperaturseite dieses Höchstwerts kommt es zur Zersetzung
des Restaustenits, wenn die Temperatur erhöht wird, mit dem Ergebnis,
dass eine Tendenz zur Ausdehnung vorliegt. Auf der Hochtemperaturseite
des Höchstwerts
nimmt die Menge an gelöstem
C im Martensit wegen der Ausscheidung und Aggregation der M7C3- und M23C6-Karbide ab,
weshalb eine Tendenz zum Schrumpfen einsetzt.
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Bei
SKD11 ist die Zusammensetzung so beschaffen, dass die Größenänderungen
zwischen den Mechanismen (B) und (C) unterdrückt werden, während die
Härte mit
Hilfe der Mechanismen (A), (B) und (C) aufrechterhalten wird. Hier
liegt das Wesen der vorliegenden Erfindung, bei der die Matrixzusammensetzung
weitgehend der von JIS-SKD11 entspricht. Aus diesem Grund erfolgt
eine Optimierung nicht nur für
C und Cr, welches die Hauptlegierungselemente von JIS-SKD11 sind,
sondern auch für
Mo und W, die das Ausscheiden der M7C3- und
M23C6-Karbide steuern,
die wiederum die Ausscheidung von Zementit steuern, wie in 3 gezeigt.
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In
dem Zusammensetzungssystem nach der Erfindung kristallisieren die
Primärkarbide
nicht ohne weiteres in einem Gleichgewichtsdiagramm, weshalb eine
weitere Verbesserung der Bearbeitbarkeit durch Abschrecken und Erstarren
oder Diffusionsglühen
bei ca. 1.100 bis 1.400°C
erreicht wird, wodurch Maßnahmen zur
vollständigen
Beseitigung oder Verringerung der Primärkarbide ergriffen werden.
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Zusätzlich haben
die Erfinder die Funktion der Zugabe von S im Hinblick auf die Größenänderungen aufgrund
einer Wärmebehandlung
untersucht. Dabei haben sie festgestellt, dass die Größenänderung
aufgrund einer Wärmebehandlung
zunimmt, wenn die Zugabemenge an S 0,2% überschreitet. Hierüber ist
bisher noch nicht berichtet worden, und der Grund hierfür scheint
darin zu liegen, dass die Größenänderungen
aufgrund einer Wärmebehandlung
bei Automatenstahlsystemen, bei denen eine Zugabe von S häufig vorgenommen
wird, nur selten ein Problem darstellt. Andererseits ist denkbar,
dass es aufgrund von größeren Mengen an
Restkarbiden in Werkzeugstahlsystemen zu erzwungenen Größenänderungen
kommt, wodurch es unmöglich
ist, die Wirkung von S auf die Größenänderungen festzustellen. Folglich
haben die Erfinder festgestellt, dass Anpassungen an einer Zusammensetzung
vorgenommen werden müssen,
damit der Anteil an S nicht mehr als 0,2% beträgt, bei dem die Größenänderung
klein ausfällt.
Die Zugabemenge an S beträgt
vorzugsweise 0,005 bis 0,12%.
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Als
Nächstes
werden die Wärmebehandlungs-
und Oberflächenbehandlungseigenschaften
von Ausführungsformen
des Werkzeugstahls nach der Erfindung beschrieben.
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Nach
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind gute Oberflächenbehandlungseigenschaften
auch sichergestellt für
einen Fall, bei dem die Verschleißfestigkeit aufgrund des begrenzten
Anteils an C unzureichend wird. Mögliche Arten der Wärmebehandlung
sind unter anderem Einsatzhärten,
Nitrierhärten,
Vakuumaufdampfen (PVD-Verfahren) und chemisches Aufdampfen (CVD-Verfahren).
Beim CVD-Verfahren
wird die Behandlung je nach den Eigenschaften des zu behandelnden
Grundwerkstoffs schwierig. Bei dieser Behandlung wird ein aufzubringendes
Element, das im Vakuum bei ca. 1.000°C verdampft wird, chemisch auf
der Oberfläche
des Werkstoffs abgeschieden. Aus diesem Grund treten, im Wesentlichen ähnlich wie
bei der Wärmebehandlung
des Werkstoffs, Probleme wie z. B. ein unzureichendes Härten und
starke Größenänderungen
aufgrund der Wärmebehandlung
auf.
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Obwohl
den Werkstoffen Härtbarkeit
verliehen wird, die ein repräsentativer
Index für
die Wärmebehandlungseigenschaften
ist, so dass alle Arten von Wärmebehandlungsanlagen
benutzt werden können,
ist insbesondere die Härtbarkeit
einer Ausführungsform
des Werkzeugstahls nach der vorliegenden Erfindung hinreichend gut,
weil eine Zusammensetzung ähnlich
der von JIS-SKD11 verwendet wird, das eine gute Härtbarkeit
aufweist. Weil es außerdem
die industrielle Anwendbarkeit verbessert, wenn der Umfang der Größenänderung
aufgrund einer Wärmebehandlung
beim Härten
und Tempern dem von JIS-SKD11 angeglichen wird, ist es wichtig,
den in 2 gezeigten Zusammensetzungsbereich so zu wählen, dass
die Anteile an C und Cr in der Matrix näher an denen von JIS-SKD11 liegen. JIS-SKD11
wird auch als Lehrenstahl benutzt, weil die Größenänderung aufgrund einer Wärmebehandlung
gering ist.
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Der
Grund, weshalb die Größenänderung
von SKD11 aufgrund einer Wärmebehandlung
gering ist, liegt darin, dass die Härte im Bereich des Hochtemperaturglühens durch
ein solches Verfahren aufrechterhalten wird, um die Ausscheidung
von Zementit fast ausschließlich
durch gelöstes
Cr zu unterdrücken.
Insbesondere bei sekundärgehärteten Stählen, bei
denen Mo, W und V zugegeben werden, was üblicherweise bei für das Hochtemperaturglühen geeigneten
Schnellstählen
geschieht, verursacht das durch den Abbau von Restaustenit während des
Sekundärhärtens gebildete
frische Martensit nicht ohne weiteres ein Schrumpfen beim Anlassen,
und daher kommt es zu einer erheblichen Größenänderung aufgrund der Wärmebehandlung.
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Wird
jedoch die Erzielung einer ähnlichen
Wirkung mit Hilfe von Cr versucht, scheiden sich Cr-Karbide wie
zum Beispiel M7C3-Karbide
schnell in frischem Martensit aus, mit dem Ergebnis, dass das Martensit-Anlassen
rasch einsetzt und daher die Menge an gelöstem C in dem Martensit verringert
wird und eine extreme Dehnung verhindert werden kann. Dies ist der
Grund, weshalb die Größenänderung
von JIS-SKD11 aufgrund einer Wärmebehandlung
gering ist. Weil die Größenänderung
aufgrund einer Wärmebehandlung
eine Wirkung auf den Betrag der Bearbeitungszugabe bei der Fertigbearbeitung
vor der Wärmebehandlung
hat, bildet sie einen wichtigen Faktor bei der Beeinflussung der
Bearbeitungseffizienz genau wie die Bearbeitbarkeit.
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In
jedem Fall ist durch Angleichen der Mengen an gelös tem C
und Cr an die Werte von JIS-SKD11 sichergestellt, dass die erhaltenen
Eigenschaften derart sind, dass die Größenänderung aufgrund einer Oberflächenbehandlung
(die ein Problem hinsichtlich der Größenänderung aufgrund einer Wärmebehandlung
im Falle des CVD-Verfahrens usw. darstellt), Härtbarkeit, Härte und
Größenänderung
im Laufe der Zeit als praktisch identisch mit denen von JIS-SKD11
angesehen werden können.
Dadurch ist es möglich,
die Ausführungsformen
des Werkzeugstahls nach der Erfindung in denselben Wärmebehandlungsofen
wie SKD11 zu geben, wodurch die Kosten für die Oberflächenbehandlung
ganz erheblich gesenkt werden können.
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Die
Menge an gelöstem
C in der Austenitstruktur bei einer Oberflächenbehandlungstemperatur während des
CVD-Ver fahrens usw. ist wichtig für die Bildung von MX-Verbindungen
(TiC, VC usw.) mit einer ausreichenden Schichtdicke. Mit anderen
Worten, weil das gelöste
C insbesondere durch eine CVD-Oberflächenbehandlung MX-Verbindungen
bildet, muss Kohlenstoff aus dem Stahl zugeführt werden, und eine optimale Menge
an C richtet sich nach der Menge an gelöstem C in der Martensitstruktur,
bevor der Stahl bei der Oberflächenbehandlungstemperatur
gehalten wird. Bei einer Ausführungsform
des Werkzeugstahls nach der Erfindung beträgt die Menge an gelöstem C nicht
weniger als 0,4%, und daher ist eine ausreichende Schichtablagerung
möglich.
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Auf
der Grundlage der vorstehenden Ausführungen werden die Gründe für die Auswahl
der Elemente, die die Ausfüh rungsformen
des Werkzeugstahls nach der Erfindung bilden, und die Einschränkungen
im Hinblick auf die Anteile dieser Elemente nachstehend beschrieben.
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Für die Anteile
an C und Cr wird vom Standpunkt der Ähnlichkeit mit JIS-SKD11 und
wegen des Merkmals, dass die Menge an ungelösten Karbiden unmittelbar nach
dem Härten
nicht mehr als 5 Masseprozent beträgt, der in 1 und 2 gezeigte
Zusammensetzungsbereich verwendet. Insbesondere beträgt für eine Verbesserung
der Bearbeitbarkeit die Menge an Karbiden, die sich nicht in einem
Mischkristallzustand befinden, vorzugsweise nicht mehr als 5 Masseprozent
in einer Struktur unmittelbar nach dem Härten bei 1.000 bis 1.050°C bei Berechnung
zum Beispiel mit einem Wärmerechner.
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Die
Wärmebehandlungseigenschaften
von JIS-SKD11 sind so, dass die Größenänderung aufgrund einer Wärmebehandlung
in der Walzrichtung negativ wird in einem Bereich, in dem die Anlasstemperatur
nicht mehr als 490°C
beträgt,
während
die Größenänderung
aufgrund einer Wärmebehandlung
in der Walzrichtung bei einer Anlasstemperatur über 490°C positiv wird. Ein weiteres
Merkmal der Wärmebehandlungseigenschaften
von JIS-SKD11 besteht darin, dass der Betrag der maximalen Größenänderung
aufgrund einer Wärmebehandlung
bei einer Anlasstemperatur über
490°C einen
positiven Wert von nicht mehr als 0,1% annimmt. Gleichzeitig weisen
die Wärmebehandlungseigenschaften
von SKD11 auch das Merkmal auf, dass in diesen Anlassbereichen Wärmebehandlungsbedingungen
vorliegen, mit denen eine Härte
im Bereich von 57 bis 60 HRC erzielt werden kann.
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Der
Zusammensetzungsbereich, der alle diese Merkmale erfüllen kann,
ist in 1 und 2 gezeigt. Die Eigenschaft,
dass die Größenänderung
auf der negativen Seite immer bei einer Temperatur von nicht mehr als
490°C auftritt
und dass sie sich bei einer Temperatur über 490°C zur positiven Seite hin verändert, bedeutet,
dass bei Durchführung
der Behandlung durch allmähliches
Erhöhen
der Anlass temperatur solche Bedingungen, bei dem der Betrag der
Größenänderung
aufgrund einer Wärmebehandlung
null wird, sicherlich irgendwo existieren. Daher ist es möglich, eine
Wärmebehandlungsbedingung
zu finden, bei der die Größenänderungen
nahe an null gebracht werden können.
Dies berücksichtigt
die Tatsache, dass JIS-SKD11 von Wärmebehandlungstechnikern mit
hochmodernen Verfahren unterstützt
wird, und bildet den Hintergrund für die De-facto-Standardisierung
von JIS-SKD11. Daher ist das hier gezeigte Gleichgewicht zwischen
C und Cr besonders wichtig.
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Der
Anteil an Si wird ebenfalls grundsätzlich auf der Grundlage der Ähnlichkeit
mit JIS-SKD11 festgelegt (Si = 0,25 Masseprozent). Si ist ursprünglich als
Desoxidationsmittel und zur Verbesserung der Gießbarkeit enthalten, und die
Zähigkeit
verbessert sich, wenn der Anteil an Si gesenkt wird. Gleichzeitig
verschlechtert sich jedoch die Bearbeitbarkeit, wenn die Anteil
an Si verringert wird, weshalb der Anteil an Si nicht weniger als
0,1% betragen darf. Andererseits unterdrückt eine zu große Menge
an Si die Ausscheidung von Zementit, mit dem Ergebnis, dass die
Größenänderung
aufgrund einer Wärmebehandlung
in einem Anlassbereich von 500 bis 550°C zunimmt. Aus diesem Grund
ist der Anteil an Si auf den Bereich von 0,1 bis 0,6% beschränkt.
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Der
Anteil an Mn wird ebenfalls grundsätzlich auf der Grundlage der Ähnlichkeit
mit JIS-SKD11 festgelegt (Mn = 0,4 Masseprozent). Obwohl Mn zur
Verbesserung der Härtbarkeit
dient, sind Anteile an Mn von weniger als 0,1% nicht ausreichend,
um eine stabile Abschreckhärte
zu erzielen. Andererseits verursachen zu hohe Anteile an Mn eine
Verschlechterung der Schweißbarkeit
und führen
zu einer so intensiven Segregation der Bestandteile in der Matrix
wie bei Si. Daher ist der Anteil an Mn auf nicht mehr als 1,2% begrenzt,
vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 1,2%. Obwohl Mn ein preiswertes
Element ist, das die teuren Elemente wie Cr, Mo usw. ersetzen kann,
darf im Übrigen
kein Mn zugege ben werden, wenn Cr, Mo usw. ihre vollen Wirkungen entfalten
sollen und kein S zugegeben wird.
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Die
Anteile an Mo und W werden ebenfalls auf der Grundlage der Ähnlichkeit
mit JIS-SKD11 festgelegt (Mo = 0,85 Masseprozent). Mo und W verbessern
die Härtbarkeit.
Darüber
hinaus kommt es nicht so schnell zum Erweichen, auch wenn das Tempern
auf der Hochtemperaturseite erfolgt. Aus diesem Grund wird ein Anpassen
der Härte
einfach. Weil das Atomgewicht von W etwa das Zweifache dessen von
Mo beträgt,
hat ein Anteil an Mo von 1% eine Wirkung, die der eines Anteils
an W von 2% gleichwertig ist, und es ist möglich, die Wirkung durch (Mo
+ 1/2 W) auszudrücken.
In den Ausführungsformen
des Werkzeugstahls nach der Erfindung kann Mo und/oder W enthalten
sein. Mit anderen Worten, der gesamte Anteil an Mo kann durch einen Anteil
an W ersetzt werden, der dem Zweifachen des Anteils an Mo entspricht,
und ein Teil des Anteils an Mo kann durch eine Menge ersetzt werden,
die der Menge an Mo entspricht. Die Entscheidung, welche Menge an (Mo
+ 1/2 W) vorzugsweise verwendet wird, kann unter Berücksichtigung
von Kostenaspekten getroffen werden. Es ist jedoch wünschenswert,
Mo zuzugeben, weil der Ersatz durch W grundsätzlich die Flammhärtbarkeit verschlechtert.
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Beträgt die Zugabemenge
an (Mo + 1/2 W) weniger als 0,6%, kommt es zu einer abrupten Abnahme der
Härte durch
Hochtemperaturglühen,
und die Steuerung der Härte
wird schwierig. Andererseits verzögern zu hohe Zugabemengen an
(Mo + 1/2 W) die Ausscheidung und Aggregation der Karbide im Martensit,
mit dem Ergebnis, dass die Größenänderung
aufgrund einer Wärmebehandlung
durch Tempern bei 500 bis 550°C groß wird.
Als Ergebnis bleibt aufgrund des verzögerten Abbaus von Austenit,
bedingt durch die Verzögerung beim
Tempern von Martensit, instabiles Austenit erhalten, entgegen den
Erwartungen des Verarbeiters, dass ein gründliches Tempern erfolgt sein
muss, wodurch die Größenänderung
im Laufe der Zeit während
des Gebrauchs der Formwerk zeuge nach der Herstellung derselben eintritt.
Daher ist der Anteil an (Mo + 1/2 W) auf den Bereich von 0,6 bis
1,25% begrenzt. Der Anteil an (Mo + 1/2 W) beträgt vorzugsweise 0,6 bis 1,10%.
-
Bei
den Ausführungsformen
des Werkzeugstahls nach der Erfindung kann die vorstehende Zusammensetzung
V enthalten, wenn andere Wirkungen erwünscht sind. Der Anteil an V
wird ebenfalls auf der Grundlage der Ähnlichkeit mit JIS-SKD11 festgelegt
(V = 0,25 Masseprozent). Obwohl V ein Element ist, das die für Werkzeugstähle nötige Erweichungsfestigkeit
erhöht,
bildet es V-Karbide, wodurch eine Verschlechterung der Bearbeitbarkeit
verursacht wird. Daher beträgt
der Anteil an V weniger als 0,5%.
-
Obwohl
S bei Schweißstählen und
hochharten Stählen
als ein Vertreter der Elemente, die zu Versprödung führen, nicht gerne gesehen wird,
besitzt es den Freischnitteffekt. Daher ist es möglich, S in einer Menge zuzugeben,
die einer Verbesserung der Zähigkeit
entspricht, die durch eine Verringerung der Menge an Karbiden erzielt
wird. Aus diesem Grund ist die Zugabe von S in Mengen bis zu 0,2%
erlaubt, wobei zu berücksichtigen
ist, dass die Größenänderung
aufgrund einer Wärmebehandlung
durch die Zugabe von S zunimmt.
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Ca
ist ein ideales Element für
Automatenstähle,
das keine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften oder der
Gefügestruktur
verursacht. Der Freischnittmechanismus dieses Elements liegt in
der Senkung der Schmelzpunkte der in Spurenmengen im Stahl gelösten Oxide,
mit dem Ergebnis, dass diese Oxide bei der Schneidwärme schmelzen
und einen Schutzfilm auf der Schneidkante bilden. Ca kann jedoch
aufgrund seines hohen Dampfdrucks aus der Stahlschmelze freigesetzt
werden, weshalb mit Hilfe derzeitiger Zugabemethoden die Zugabe
von Ca in Mengen von bis zu höchstens
etwa 100 ppm möglich
ist.
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Seltenerdelemente
können
in Mengen von nicht mehr als 0,2% enthalten sein, um die Bearbeitbarkeit der
Ausführungsformen
des Werkzeugstahls nach der Erfindung zu ver verbessern. Die Gesamtmenge
an zufälligen
Verunreinigungen beträgt
vorzugsweise nicht mehr als 0,5%. Ni kann jedoch in Mengen von nicht
mehr als 5,0% zugegeben werden, wenn Zähigkeit und Schweißbarkeit
nötig sind.
Wenn es darüber
hinaus nötig
ist, den Ausführungsformen
des Werkzeugstahls nach der Erfindung eine höhere Verschleißfestigkeit
zu verleihen, kann auch Al in Mengen von nicht mehr als 1,0% zugegeben
werden, wodurch sich die erzielte Härte nach dem Nitrierhärten erhöht. Darüber hinaus
verändern
sich die grundlegenden Eigenschaften der Ausführungsformen des Werkzeugstahls
nach der Erfindung auch nicht, wenn eines oder mehrere der Elemente
aus der Gruppe Pb, Se, Te, Bi, In, Be, Ce, Zr und Ti in einer Menge
von nicht mehr als 0,2% zugegeben werden, um andere gewünschte Wirkungen
zu erzielen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
des Werkzeugstahls nach der Erfindung bewirkt das Einstellen des
Zustands nach dem Härten
eine weitere Verbesserung der Wirkungen der vorliegenden Erfindung,
d. h. das Anpassen der Mengen an gelöstem C und Cr in der Martensitstruktur
nach dem Härten,
so dass sie näher an
denen von JIS-SKD11 liegen, und das Einstellen der Menge an Restkarbiden
unmittelbar nach dem Härten auf
nicht mehr als 5 Masseprozent. Diese Menge an Restkarbiden unmittelbar
nach dem Härten
kann auch bei der Stahlherstellung verringert werden. Es ist möglich, die
Menge an Restkarbiden unmittelbar nach dem Härten auf nicht mehr als 5 Masseprozent
zu verringern, indem man ein Pulver- oder Durchwärmverfahren anwendet, bei dem
ein Block unmittelbar nach dem Schmelzen für etwa 1 bis 10 Stunden einer
Wärmebehandlung bei
einer Temperatur von nicht weniger als 1.100°C unterzogen wird, sowie einem
Abschreckhärten
und durch Verringern der Größe eines
Blocks. Weiter ist es für
eine Verbesserung der Bearbeitbarkeit auch wünschenswert, einen Cr-Segregationsbereich
in der Matrix nach dem Härten
auf nicht mehr als 1 Gew.-% zu verringern.
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Im
Falle der vorstehenden Ausführungsform
des Werkzeugstahls nach der Erfindung ist es möglich, eine Härte von nicht
weniger als 57 HRC sicherzustellen, zusätzlich zu einer ausgezeichneten
Schweißbarkeit, indem
ein Härten
bei 1.000 bis 1.050°C
und ein Tempern bei nicht weniger als 500°C unter denselben Wärmebehandlungsbedingungen
wie bei herkömmlichem
JIS-SKD11 erfolgt. Zusätzlich
zu der ausgezeichneten Bearbeitbarkeit mit einer Härte von
nicht weniger als 57 HRC weist die Ausführungsform des Werkzeugstahls nach
der Erfindung auch ausgezeichnete Oberflächenbehandlungseigenschaften
für das
Salzbadhärten
und das CVD-Verfahren auf.
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Wenn
die Ausführungsformen
des Werkzeugstahls nach der Erfindung für Formwerkzeuge usw. benutzt
werden, kann ein Flammhärten
nur in den nötigen
Bereichen entsprechend den gewünschten
Funktionen erfolgen, oder es kann ein Wärmebehandlungsverfahren zur
Erzielung der gewünschten
Härte unter
Berücksichtigung
der Anzahl der Produktionsschritte oder der geforderten Eigenschaften
gewählt
werden. Formwerkzeuge können
zum Beispiel durch Tempern einer Ausführungsform des Werkzeugstahls
nach der Erfindung auf eine Härte
von nicht weniger als 55 HRC und anschließende spanabhebende Bearbeitung
hergestellt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
nach der Erfindung beruht auf der Tatsache, dass eine Bestandteilauswahl
und Zusammensetzung gefunden wurde, die ausreicht, um gute mechanische
Eigenschaften, insbesondere Härte
und Zähigkeit,
zu erzielen, obwohl der Anteil an C als Hauptbestandteil jedes Werkzeugstahls
im Vergleich zu JIS-SKD11 verringert ist, und dass eine Ausführungsform
eines Werkzeugstahls mit ausgezeichneter Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit und
Oberflächenbehandlungseigenschaften,
d. h. Wärmebehandlungseigenschaften,
erzielt wurde.
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Insbesondere
wird bei einer anderen Ausführungsform
des Werkzeugstahls nach der Erfindung eine ausgezeichnete Schweißbarkeit
durch die Verringerung des Anteils an C sichergestellt, und wenn
dieser Werkzeugstahl für
Formwerkzeuge benutzt wird, können
diese aufgrund der ausgezeichne ten Zähigkeit, und weil die Reparaturfähigkeit
von Brüchen,
Rissen und Verschleiß während des
Gebrauchs durch Schweißen
ohne weiteres gegeben ist, problemlos wiederverwendet werden. Um
eine Situation zu berücksichtigen,
bei der die Verschleißfestigkeit
aufgrund des geringeren Anteils an C nicht ausreichend ist, sind
außerdem
ausgezeichnete Oberflächenbehandlungseigenschaften
sichergestellt.
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In
der vorliegenden Erfindung bedeutet die Formulierung „ausgezeichnete
Schweißbarkeit" oder „Schweißen ist
möglich", dass bei der Y-Fugenprüfung nach
JIS Z 3158, bei der die vorgeschriebenen Vorwärm- und Nachwärmbehandlungen
durchgeführt
werden, keine Schweißrisse
beobachtet werden. Beim Schweißen
erfolgt das Vorwärmen
und Nachwärmen
in der Regel, um das Entstehen von Schweißrissen beim Schweißen zu verhindern.
Das Vorwärmen
wird durchgeführt,
um die Bildung von Warmrissen beim Schweißen zu verhindern, während das
Nachwärmen
erfolgt, um die Bildung von Kaltrissen zu verhindern, wobei Letzteres
eine Art von Tempern ist, um insbesondere die Härte der Wärmeeinflusszone der Schweißnaht zu verringern.
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Im
Allgemeinen werden Formwerkzeuge geschweißt, um Formänderungen vorzunehmen, oder
sie werden je nach Zustand bei der Herstellung oder im Gebrauch
repariert. Im Falle von Formwerkzeugen aus Legierungsstählen erfolgt
das Schweißen,
wenn die Formwerkzeuge auf eine hohe Temperatur vorgewärmt sind,
um die Bildung von Rissen beim Schweißen zu verhindern. Insbesondere
wenn die Formwerkzeuge Cr usw. enthalten, ist es allgemein üblich, ein
solches Schweißen
nach einem Vorwärmen
auf eine Temperatur von nicht weniger als 450 bis 550°C durchzuführen. Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung ist es jedoch möglich,
einen Werkzeugstahl bereitzustellen, bei dem bei der Y-Fugenprüfung nach
JIS Z 3158 keine Schweißrisse
beobachtet werden, auch wenn die Vorwärmtemperatur auf 250°C gesenkt
wird. Daher wird die Bearbeitbarkeit im Hinblick auf das Schweißen verbessert,
und dieser Stahl ist außerdem
wirtschaftlich.
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Bei
kohlenstoffreichen Chromstählen
ist auch das Nachwärmen
nach dem Schweißen
wichtig. In diesem Fall können
die Temperatur und die Dauer des Nachwärmens verringert werden, indem
die Härte
der Wärmeeinflusszone
der Schweißnaht
verringt wird. Insbesondere zur Kontrolle der Wärmeeinflusszone ist es sinnvoll,
den Anteil an C auf nicht mehr als 0,75% und den Anteil an Cr auf
nicht weniger als 6,8% zu verringern. Dies ist wirksam zur Einstellung
der in der Martensitstruktur gelösten
Mengen an C und Cr, die einen Einfluss auf die Schweißbarkeit
haben.
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Nachstehend
werden einige Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ausführlich
beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist durch diese Ausführungsformen
jedoch in keiner Weise festgelegt.
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Beispiel 1
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Zunächst wurden
die Werkstoffe in einem 100 kg-Hochfrequenzofen geschmolzen, und
Blöcke
mit der in Tabelle 1 gezeigten chemischen Zusammensetzung wurden
hergestellt. Der Vergleichswerkstoff 1 entspricht SKD11. Als Nächstes erfolgte
ein Warmwalzen, um einen Verschmiedungsgrad von etwa 5 zu erreichen.
Nach dem Abkühlen
erfolgte ein Glühen
bzw. Anlassen bei 850°C
für 4 Stunden.
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Als
Nächstes
wurden aus jedem Werkstoff 21 Probekörper mit einem Durchmesser
von 10 mm und einer Länge
von 80 mm so hergestellt, dass die Walzrichtung mit der Längsrichtung
der Probekörper übereinstimmt.
Anschließend
wurden 10 der 21 Probekörper
erwärmt
und bei 1.025°C
in einem Vakuumofen gehalten, ehe ein Gashärten in einem Inertgas erfolgte.
Außerdem
wurde zweimal ein Tempern bei 530°C
für eine
Stunde durchgeführt.
Die Härte
der erhaltenen Probekörper
wurde gemessen, und es wurde festgestellt, dass bei den Vergleichsbeispielen
2 und 3 die Härte
weniger als 57 HRC beträgt.
Als Nächstes
wurde für
die Werkstoffe, die Härtewerte
von nicht weniger als 57 HRC aufwiesen, die Länge in der Längsrichtung
gemessen. Auf der Grundlage der vor dem Härten gemessenen Längen wurde
sodann eine Größenänderung
berechnet. Außerdem
wurde untersucht, wie viele Probekörper eine Größenänderung
von mehr als 0,1% aufwiesen.
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Wie
aus Tabelle 2 ersichtlich, betrug die Größenänderung bei allen Werkstoffen
für den
erfindungsgemäßen Stahl
nicht mehr als 0,1%. Bei den Vergleichsbeispielen 4, 5 und 6 trat
eine Größenänderung
von mehr als 0,1% auf.
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Als
Nächstes
wurden zusätzlich
zu den Probekörpern
mit einer Größenänderung
von nicht mehr als 0,1% bei 530°C
die restlichen Probekörper
aus den Vergleichsbeispielen 4 und 5 im geglühten Zustand untersucht. Jeweils
10 Probekörper
wurden erwärmt
und bei 1.025°C
in einem Vakuumofen gehalten, ehe ein Gashärten in einem Inertgas erfolgte.
Weiter wurde zweimal ein Tempern bei 490°C für eine Stunde durchgeführt. Danach
wurde die Länge
in der Längsrichtung
der Probekörper
gemessen, und eine Größenänderung
wurde auf der Grundlage der zuvor vor dem Härten gemessenen Längen berechnet.
Anschließend
wurde untersucht, wie viele Probekörper eine zunehmende Größenänderung
auf der Plusseite aufwiesen. Das Ergebnis der Untersuchung ist in
Tabelle 3 angegeben.
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Wie
aus Tabelle 3 ersichtlich, ist die Einstellung der Größenänderungen
bei dem Vergleichsbeispiel 5 schwierig, weil die Größenänderung
auf der Plusseite zunimmt, während
sich die Größenänderungen
bei den Beispielen 1 bis 10 nach der Erfindung und dem Vergleichsbeispiel
1 ohne weiteres einstellen lassen und dieselbe Wärmebehandlung wie bei JIS-SKD11 möglich ist,
weil die Größenänderung
auf der Plusseite nicht zunimmt, zusätzlich zu dem in Tabelle 2
gezeigten Ergebnis.
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Beispiel 2
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Als
Nächstes
wurde die Bearbeitbarkeit untersucht.
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Zuerst
wurden die in Tabelle 1 angegebenen Werkstoffe, bei denen das Verhalten
der Größenänderung
in Beispiel 1 als identisch mit SKD11 angesehen werden kann (die
erfindungsgemäßen Werkstoffe
1 bis 10 und der Vergleichswerkstoff 1), und der Vergleichswerkstoff
4 untersucht. Diese Werkstoffe wurden in einen geglühten Zustand
mit einer Härte
von nicht mehr als 24 HRC gebracht, und die Bearbeitbarkeit wurde
mit einem Vierkantstirnfräser
untersucht. Die Bearbeitungsprüfung
erfolgte bei den in Tabelle 4 angegebenen Bedingungen. Wie aus den
Ergebnisse in Tabelle 5 ersichtlich ist, weisen die erfindungsgemäßen Werkstoffe
1 bis 10 eine hohe Bearbeitbarkeit mit einer Werkzeugstandzeit (Schneidenverschleiß 0,3 mm)
von nicht weniger als 10 m auf. Bei den Vergleichswerkstoffen 1
und 4 ist die Bearbeitbarkeit aufgrund des Vorhandenseins von Chromkarbiden
schlechter. Tabelle
4
| Parameter | Bedingungen |
| Werkzeug: | 2NKR10
(Schnellstahl) |
| Schnittgeschwindigkeit: | 25
m/min |
| Vorschub: | 0,08
mm/Zahn |
| Schnitttiefe: | 0,8 × 1,5 mm |
| Schnittrichtung: | Gleichlauffräsen |
| Kühlung: | Trockenkühlung |
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-
Als
Nächstes
wurden aus den Werkstoffen, bei denen das Verhalten der Größenänderung
als identisch mit JIS-SKD11 angesehen werden kann (die erfindungsgemäßen Werkstoffe
1 bis 10 und der Vergleichswerkstoff 1), und dem Vergleichswerkstoff
4 durch Härten
bei 1.030°C
und Tempern bei einer Temperatur von nicht weniger als 500°C Prüfwerkstoffe
mit einer Härte
von 57 bis 60 HRC hergestellt, und die Bearbeitbarkeit wurde mit
einem Vierkantstirnfräser
untersucht. Die Bearbeitungsbedingungen sind in Tabelle 6 angegeben. Aus
den Testergebnissen in Tabelle 7 ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen Werkstoffe
eine gute Werkzeugstandzeit (Schneidenverschleiß 0,1 mm) und hohe Bearbeitbarkeit aufweisen,
während
die Vergleichswerkstoffe 1 und 4 eine schlechtere Bearbeitbarkeit
aufweisen. Tabelle
6
| Parameter | Bedingungen |
| Werkzeug: | HES2100-C
(Hartmetallvergütung) |
| Schnittgeschwindigkeit: | 75
m/min |
| Vorschub: | 0,05
mm/Zahn |
| Schnitttiefe: | 0,2 × 15 mm |
| Schnittrichtung: | Gleichlauffräsen |
| Kühlung: | Trockenkühlung |
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Beispiel 3
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Aus
einigen der in Tabelle 1 gezeigten Werkstoffen, d. h. den erfindungsgemäßen Werkstoffen
1 und 2 mit relativ schlechter Bearbeitbarkeit, dem Vergleichswerkstoff
1 mit guten Wärmebehandlungseigenschaften
und dem Vergleichswerkstoff 4, wurden Blöcke hergestellt. Diese Blöcke wurden
für 10
Stunden bei 1.160°C
durchgewärmt.
Nach dem Anlassen wurde die Härte
durch Härten
bei 1.030°C
und Tempern bei einer Temperatur von nicht weniger als 500°C auf 57
HRC eingestellt. Die Bearbeitbarkeit dieser Werkstoffe wurde untersucht.
Die Prüfbedingungen
sind in Tabelle 8 angegeben, und die Bearbeitungslänge bis
zu einem Schneidenverschleiß von
0,1 mm wurde als Werkzeugstandzeit bezeichnet.
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Zusätzlich wurde
das charakteristische Röntgenbild
von Cr auf einer 1 mm-Linie mittels Elektronenstrahlmikroanalyse
(EPMA) der gehärteten
Werkstoffe aufgenommen, um die Segregation der Bestandteile in der
Matrix zu untersuchen; außerdem
wurde eine statistische Analyse durchgeführt, indem der Betrag der Breitenänderung
von Cr an anderen Stellen außer
Karbiden mit 2σ angesetzt
wurde. Die Ergebnisse der beiden Prüfungen sind in Tabelle 9 angegeben. Tabelle
8
| Parameter | Bedingungen |
| Werkzeug: | HES2100-C
(Hartmetallvergütung) |
| Schnittgeschwindigkeit: | 75
m/min |
| Vorschub: | 0,05
mm/Zahn |
| Schnitttiefe: | 0,2 × 15 mm |
| Schnittrichtung: | Gleichlauffräsen |
| Kühlung: | Trockenkühlung |
-
-
Obwohl
die erfindungsgemäßen Werkstoffe
in diesem Beispiel mit einem Cr-Segregationsbereich im gehärteten Zustand
von nicht mehr als 1% eine Werkzeugstandzeit aufweisen, die im Vergleich
zu den vorherigen Beispielen weiter verbessert ist, konnte, wie
aus Tabelle 9 ersichtlich, bei den Vergleichswerkstoffen 1 und 4
keine Verbesserung der Werkzeugstandzeit erwartet werden, weil die
Segregationsbereiche von Cr über 1%
betragen.
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Beispiel 4
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Die
Werkstoffe wurden in einem 50 kg-Hochfrequenzofen geschmolzen, und
Blöcke
mit den in Tabelle 10 gezeigten chemischen Zusammensetzungen wurden
hergestellt. Der Vergleichswerkstoff 7 entspricht SKD11. Als Nächstes erfolgte
ein Warmwalzen, um einen Verschmiedungsgrad von etwa 5 zu erreichen.
Nach dem Abkühlen
erfolgte ein Glühen
bzw. Anlassen bei 850°C
für 4 Stunden.
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Als
Nächstes
wurden Probekörper
für die
Y-Fugenprüfung
nach JIS Z 3158 aus den oben genannten geglühten Werkstoffen hergestellt.
Nach Erwärmen
und Halten bei 1.025°C
in einem Vakuumofen erfolgte ein Gashärten in einem Inertgas. Anschließend erfolgte
ein Tempern bei 500 bis 550°C,
um die Sollhärte
jedes einzelnen Probekörpers
auf nicht weniger als 57 HRC einzustellen. Die so hergestellten
Probekörper
wurden bei den in Tabelle 11 angegebenen Bedingungen geschweißt, und
die Schweißbarkeit
wurde untersucht. Bei den Vergleichswerkstoffen 10 bis 16 war es
nicht möglich,
durch Tempern bei einer Temperatur von nicht weniger als 500°C Härtewerte
von nicht weniger als 57 HRC zu erhalten. Tabelle
11
| Parameter | Beschreibung |
| Vorwärmen: | Nach
Aufgabe in einen aufgeheizten und bei einer bestimmten Temperatur
gehaltenen Elektroofen wurden die Probekörper eine Stunde lang bei dieser
Temperatur gehalten. |
| Schweißverfahren: | Lichtbogenschweißen |
| Elektrode: | Mantelelektrode
nach JIS Z 3251 DF3B, Elektrodendurchmesser 4 mm |
| Schweißstrom: | 110
Ampere |
| Nachwärmen nach
dem Schweißen: | Die
Probekörper
wurden in gleicher Weise wie beim Vorwärmen eine Stunde lang bei 450°C gehalten. |
| Kühlzeit: | 7
Stunden |
| Beurteilungsverfahren
für die
Schweißrisse: | Durch
Nachweis mittels Einbrandprüfung
und mikroskopische Untersuchung von Innenquerschnitten |
-
Die
Schweißbarkeit
wurde anhand dessen untersucht, ob nach dem Schweißen Risse
vorlagen oder nicht. Tabelle 12 zeigt das Ergebnis der Untersuchung,
zusammen mit den durch Härten
und Tempern erhaltenen Härtewerten.
Bei den erfin dungsgemäßen Werkstoffen
11 bis 18 und den Vergleichswerkstoffen 17 und 18 traten selbst
bei einer Vorwärmtemperatur
von 350°C
keine Schweißrisse
auf. Bei den Vergleichswerkstoffen 7, 8 und 9 traten bei einer Vorwärmtemperatur
von 350°C
oder 450°C
Risse auf.
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Beispiel 5
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Als
Nächstes
wurde die Bearbeitbarkeit untersucht.
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Zunächst wurden
aus den in Tabelle 10 angegebenen Werkstoffen Prüfwerkstoffe mit einer Härte von nicht
mehr als 24 HRC im geglühten
Zustand hergestellt, und die Bearbeitbarkeit wurde mit einem Vierkantstirnfräser untersucht.
Die Bearbeitungsprüfung
erfolgte im Übrigen
bei den in Tabelle 13 angegebenen Bedingungen. Aus den Ergebnissen
in Tabelle 14 ist ersichtlich, dass mit den erfindungsgemäßen Werk stoffen
11 bis 18 und den Vergleichswerkstoffen 17 und 18 eine Werkzeugstandzeit
von mindestens dem Dreifachen der von Vergleichswerkstoff 7, der
SKD11 entspricht, erzielt werden kann. Tabelle
13
| Parameter | Bedingungen |
| Werkzeug: | 2NKR10
(Schnellstahl) |
| Schnittgeschwindigkeit: | 40
m/min |
| Vorschub: | 0,08
mm/Zahn |
| Schnitttiefe: | 0,8 × 1,5 mm |
| Schnittrichtung: | Gleichlauffräsen |
| Kühlung: | Trockenkühlung |
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Als
Nächstes
wurden aus den in Tabelle 10 angegebenen Werkstoffen bei den Wärmebehandlungsbedingungen
nach der Erfindung zur Erzielung einer Härte von 57 bis 60 HRC gehärtete und
vergütete
Prüfwerkstoffe
hergestellt und deren Bearbeitbarkeit mit einem Vierkantstirnfräser untersucht.
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Die
Bedingungen sind in Tabelle 15 angegeben. Aus den Prüfergebnissen
in Tabelle 16 ist ersichtlich, dass mit den erfindungsgemäßen Werkstoffen
11 bis 18 und den Vergleichswerkstoffen 17 und 18 eine Werkzeugstandzeit
von mindestens dem Sechsfachen der von Vergleichswerkstoff 7, der
SKD11 entspricht, erzielt werden kann. Tabelle
15
| Parameter | Bedingungen |
| Werkzeug: | HES2100-C
(Hartmetallvergütung) |
| Schnittgeschwindigkeit: | 25
m/min |
| Vorschub: | 0,05
mm/Zahn |
| Schnitttiefe: | 0,2 × 15 mm |
| Schnittrichtung: | Gleichlauffräsen |
| Kühlung: | Trockenkühlung |
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Beispiel 6
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Als
Nächstes
wurde eine Untersuchung hinsichtlich der Wirkung der Vorwärmtemperatur
vordem Schweißen
und der Abkühlzeit
nach dem Schweißen
auf die Schweißbarkeit
durchgeführt.
Für diese
Untersuchung wurden Prüfwerkstoffe
aus den vorstehend geglühten
Werkstoffen hergestellt, indem ein Erwärmen und Halten bei 1.025°C in einem
Vakuumofen durchgeführt
wurde, ehe ein Gashärten
in einem Inertgas erfolgte. Anschließend erfolgte ein Tempern bei
500 bis 550°C
auf eine bestimmte Härte.
Das Nachwärmen
nach dem Schweißen
erfolgte bei 450°C,
und nach Halten bei dieser Temperatur für eine Stunde erfolgte über einen
Zeitraum von 3 Stunden oder 7 Stunden ein allmähliches Abkühlen auf Raumtemperatur. In
Tabelle 17 ist das Auftreten oder Nicht-Auftreten von Rissen bei
diesen Bedingungen angegeben, zusammen mit den Härtewerten und Vorwärmtemperaturen.
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Obwohl
weder bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen
11 bis 18 noch bei den Vergleichswerkstoffe 17 und 18 Risse aufgetreten
sind, auch nicht bei einer Abkühlzeit
von 3 Stunden, ist es, wie in Tabelle 17 gezeigt, bei den Vergleichswerkstoffen
7, 15 und 16 zu Rissbildung gekommen, auch bei einer Abkühlzeit von
7 Stunden.
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Beispiel 7
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Als
Nächstes
wurden aus den geglühten
erfindungsgemäßen Werkstoffen
11 bis 18 und den geglühten Vergleichswerkstoffen
7 bis 9 und 17 und 18 jeweils 10 Probekörper mit einem Durchmesser
von 10 mm und einer Länge
von 80 mm so hergestellt, dass die Längsrichtung der Probekörper mit
der Walzrichtung übereinstimmt.
Das Längsmaß dieser
Probekörper
wurde vor dem Härten
gemessen, und die Härte
wurde durch Lufthärten
nach Halten bei 1.030°C
für eine
Stunde und Tempern bei einer Temperatur von nicht weniger als 500°C auf 60
HRC ± 1
eingestellt. Nach ausreichendem Abkühlen der Probekörper auf
Raumtemperatur wurde die Größe erneut
gemessen. Ein Größenänderungsverhältnis bezogen
auf die unmittelbar vor dem Härten
gemessene Größe wurde
sodann für
jeden Probekörper
bestimmt, und die Anzahl der Probekörper mit einem Größenänderungsverhältnis über 0,1%
wurde gezählt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 18 zusammengestellt.
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Wie
in Tabelle 18 gezeigt, wurde weder bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen
11, 12, 13, 15, 16 und 18 noch bei dem Vergleichswerkstoff 7, der
SKD11 entspricht, eine über
dem Grenzwert liegende Größenänderung
festgestellt. Auch bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff 14 mit einem
etwas höheren
Anteil an Si und dem erfindungsgemäßen Werkstoff 17 mit einem
etwas höheren
Anteil an Mo betrug die Anzahl der Probekörper mit einem Größenänderungsverhältnis über 0,1%
nur 1 und war damit gering. Im Gegensatz dazu traten bei den Vergleichswerkstoffen
8, 17 und 18 aufgrund der hohen Anteile an Si bzw. Mo bei allen
zehn Probekörpern über dem
Grenzwert liegende Größenänderungen
auf. Obwohl der Vergleichswerkstoff 9 im Übrigen einen niedrigeren Anteil
an Si als ein zum Beispiel in JP-A-11-181548 beschriebener Werkzeugstahl
aufweist, traten aufgrund eines hohen Anteils an Mo bei vier Probekörpern über dem
Grenzwert liegende Größenänderungen
auf.
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Weil
bei dem erfindungsgemäßen Stahl
die Karbide reduziert sind, um die Schweißbarkeit und Bearbeitbarkeit
zu verbessern, kann dies im Bedarfsfall zu einer schlechteren Verschleißfestigkeit
führen.
Weil jedoch die Freiheit hinsichtlich der Oberflächenbehandlung aufgrund der
die Größenänderung
verringernden Wirkung der Erfindung sichergestellt ist, kann sowohl
die Einfachheit, mit der sich Werkzeuge und Formwerkzeuge aus dem
erfindungsgemäßen Stahl
herstellen lassen, als auch die Werkzeugleistung des Stahls erzielt werden.
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Beispiel 8
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Als
Nächstes
wurde an Plattenprobekörpern
mit einer Größe von 25 × 100 × 100 mm,
die aus den geglühten
erfindungsgemäßen Werkstoffen
11 bis 18 und den geglühten
Vergleichswerkstoffen 7, 8, 9, 17 und 18 hergestellt wurden, eine
Untersuchung hinsichtlich des Größenänderungsverhältnisses
in der Walzrichtung durchgeführt,
wenn die TD-Behandlung tatsächlich
durchgeführt
wurde. Als Vorwärmbehandlung
erfolgte ein Härten
bei 1.020° und
ein zweimaliges Tempern bei 530°C.
Danach wurde die Fertigbearbeitung durchgeführt, und die Größe in der
Walzrichtung wurde an fünf
verschiedenen Stellen gemessen. Anschließend erfolgte eine TD-Behandlung
bei 1.020°C
für 7 Stunden,
um VC zu erzeugen, für
das die Soll-Schichtdicke auf 3 μm
eingestellt war, und ein zweimaliges Tempern bei 530°C. Auch bei
der Nachwärmbehandlung
erfolgte ein Härten
in gleicher Weise bei 1.020°C
und ein Tempern bei 530°C.
Anschließend
wurden die Größen in der
Walzrichtung gemessen und das Größenänderungsverhältnis berechnet.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 19 angegeben.
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Bei
den erfindungsgemäßen Werkstoffen
11 bis 18 und dem Vergleichswerkstoff 7 (der SKD11 entspricht) beträgt der Größenänderungsbereich
nicht mehr als 0,1% und ist zufrieden stellend. Bei den Vergleichswerkstoffen
8, 9, 17 und 18 liegt das Größenänderungsverhältnis deutlich über 0,1%
und ist für
den praktischen Gebrauch ungeeignet. Der Hauptgrund, weshalb JIS-SKD11
weithin als ein konventioneller Werkzeugstahl benutzt wird, ist
der, dass dieser Werkstoff gute Wärmebehandlungseigenschaften
aufweist. Es ist zu erkennen, dass der erfindungsgemäße Stahl
ebenfalls solche Merkmale aufweist, die allgemein benutzt werden
können.
Weil es den JIS-SKD11 gleichwertigen Werkstoffen jedoch an Schweißbarkeit
und Bearbeitbarkeit mangelt, wie in den Beispielen 4 und 5 gezeigt,
ist zu erkennen, dass der Werkzeugstahl nach der Erfindung, der
in diesen Punkten erheblich verbessert ist, einen sehr hohen industriellen
Wert als Werkstoff für Werkzeuge
besitzt.
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Beispiel 9
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Vorgegebene
Blöcke
wurden aus den Legierungen mit den in Tabelle 20 angegebenen chemischen Zusammensetzungen
in einem Hochfrequenzofen hergestellt. In Tabelle 20 ist der Vergleichswerkstoff
19 eine Entsprechung zu JIS-SKD11. Diese Blöcke wurden bei einem Verschmiedungsgrad
von 5 geschmiedet und zu Stahlprodukten verarbeitet, die anschließend geglüht bzw.
angelassen wurden.
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Nachdem
die vorstehenden geglühten
Werkstoffe erwärmt
und bei 1.030°C
in einem Vakuumofen gehalten worden waren, erfolgte als Nächstes ein
Druckgashärten
und ein Tempern bei 500 bis 550°C,
um eine Sollhärte
von nicht weniger als 57 HRC zu erzielen. Bei dem Vergleichswerkstoff
24 konnte dabei jedoch keine Härte
von nicht weniger als 57 HRC erzielt werden. Danach wurde die Mengen
an Karbiden und Sulfiden in diesen Stahlwerkstoffen nach der Wärmebehandlung
gemessen. Zum Messen der Menge an Karbiden wurden die Abschnitte
der Stahlwerkstoffe poliert und dann in einem zehnprozentigen Salpeterätzmittel
geätzt.
Aufnahmen mit einem Gesichtsfeld von 2 mm2 unter
einem Mikroskop (bei 200facher Vergrößerung) wurden in einen Computer
eingelesen, und die Menge an Karbiden mit einer Querschnittsfläche von
nicht weniger als 20 μm2 wurde mit Hilfe einer Bildanalyse-Software
bestimmt. Die Sulfide wurden in gleicher Weise wie die Karbide analysiert.
In diesem Fall wurde nach dem Polieren der Abschnitte der Stahlwerkstoffe
die Menge an Sulfiden mit einer Querschnittsfläche von nicht weniger als 1 μm2 ohne Ätzen
analysiert. Die Ergebnisse der beiden Analysen sind in Tabelle 20
angegeben.
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Bei
allen erfindungsgemäßen Werkstoffen
beträgt
der Flächenanteil
an Karbiden mit einer Querschnittsfläche von nicht weniger als 20 μm2 nicht mehr als 3% und der Flächenanteil
an Sulfiden mit einer Querschnittsfläche von nicht weniger als 1 μm2 nicht weniger als 0,2% bei allen erfindungsgemäßen Werkstoffen mit
Ausnahme von Stahl 20. Im Gegensatz dazu beträgt der Flächenanteil an Karbiden mit
einer Querschnittsfläche
von nicht weniger als 20 μm2 bei dem Vergleichswerkstoff 19, der JIS-SKD11
entspricht, und den Vergleichswerkstoffen 20, 26 und 27 über 3%.
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In
Tabelle 21 sind die Messergebnisse für das Verhältnis lange Achse/kurze Achse
von Sulfiden mit einer Querschnittsfläche von nicht weniger als 1 μm2 für
die Werkstoffe in Tabelle 20 mit einem Verschmiedungsgrad von 25
und die Ergebnisse des 10R-Kerbschlagversuchs nach Charpy für dieselben
Werkstoffe angegeben. Hierbei sind die Wärmebehandlungsbedingungen dieselben
wie oben angegeben. Das Verhältnis lange
Achse/kurze Achse der Sulfide wurde nach demselben Verfahren wie
bei der Messung der Sulfide in Tabelle 20 untersucht. Bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen
22 und 23 beträgt
das Verhältnis
lange Achse/kurze Achse wegen der Wirkung von Ca nicht mehr als
4, 5, und das Verhältnis
des Schlagzähigkeitswerts in
der Richtung senkrecht zur Schmiededehnungsrichtung zu einem anderen
Schlagzähigkeitswert
in der Schmiededehnungsrichtung ist hoch. Der Rückgang der Zähigkeit
in der Richtung senkrecht zur Schmiederichtung ist im Vergleich
zu den Vergleichswerkstoffen 20 und 27 geringer.
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Beispiel 10
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Nachdem
die in Tabelle 20 gezeigten Werkstoffe einer Wärmebehandlung unterzogen worden
waren, wurden als Nächstes
Probekörper
für die
Y-Fugenprüfung
nach JIS Z 3158 aus diesen Werkstoffen hergestellt, und die Schweißbarkeit
wurde durch Schweißen
dieser Probekörper
bei den in Tabelle 22 angegebenen Bedingungen untersucht. Hierbei
wurden dieselben Bedingungen wie in Beispiel 9 für das Härten und Tempern benutzt. Die
Härte nach
dem Härten
und Tempern und die Ergebnisse der Schweißbarkeitsprüfung sind in Tabelle 23 gezeigt.
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Bei
allen erfindungsgemäßen Werkstoffen
wurde durch Tempern bei einer Temperatur von nicht weniger als 500°C eine Härte von
nicht weniger als 57 HRC erzielt, und die Wärmebehandlungseigenschaften
waren praktisch dieselben wie bei SKD11. Im Gegensatz dazu wurde
bei dem Vergleichswerkstoff 24 keine Härte von nicht weniger als 57
HRC erzielt. Im Hinblick auf die Schweißbarkeit traten bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen
keine Risse auf, wenn die Vorwärmtemperatur
450°C betrug.
Schweißrisse
traten jedoch auf bei dem Vergleichswerkstoff 19, der JIS-SKD11
entspricht, und zwar aufgrund der hohen Anteile an C und Cr, bei dem
Vergleichswerkstoff 20 aufgrund eines hohen Anteils an Si, bei dem
Vergleichswerkstoff 21 aufgrund eines hohen Anteils an Cr zusätzlich zu
einem hohen Anteil an S, bei dem Vergleichswerkstoff 22 aufgrund
eines hohen Anteils an V, bei dem Vergleichswerkstoff 26 aufgrund
eines hohen Anteils an (Mo + 1/2 W) und bei dem Vergleichswerkstoff
27 aufgrund eines hohen Anteils an C. Im Gegensatz dazu traten bei
dem Vergleichswerkstoff 23 Schweißrisse aufgrund eines geringen
Anteils an Cr auf.
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Beispiel 11
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Als
Nächstes
wurde die Bearbeitbarkeit untersucht. Probekörper mit einer Größe von 50
mm × 100 mm × 200 mm
wurden aus den Werkstoffen mit den in Tabelle 20 angegebenen chemischen
Zusammensetzungen in einem geglühten
Zustand (Härte
ca. 15 HRC) hergestellt, und die Bearbeitbarkeit mit einem Vierkantstirnfräser wurde
bei den in Tabelle 24 angegebenen Bedingungen untersucht. Bei der
Durchführung
der Untersuchung wurde die Bearbeitungslänge bis zum Erreichen eines
Verschleißwertes
von 0,3 mm für
die Schneidkante als Werkzeugstandzeit angesehen. Die Ergebnisse
sind Tabelle 25 gezeigt. Tabelle
24
| Parameter | Bedingungen |
| Werkzeug: | Schnellstahl-Stirnfräser mit
zwei Schneiden, Durchmesser 10 mm |
| Schnittgeschwindigkeit: | 16,5
m/min |
| Vorschub: | 0,08
mm/Zahn |
| Schnittmethode: | 0,8
mm × 10
mm |
| Schnittrichtung: | Gleichlauffräsen |
| Schmierung: | Nassschmierung |
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Es
ist zu erkennen, dass die erfindungsgemäßen Werkstoffe eine bessere
Bearbeitbarkeit aufweisen als der Vergleichswerkstoff 19, der JIS-SKD11
entspricht. Bei den Vergleichswerkstoffen 19, 20, 26 und 27 mit einem
hohen Anteil an C oder Cr, deren Flächenanteil an Karbiden mit
einer Querschnittsfläche
von nicht weniger als 20 μm2 nach Härten
und Tempern 3% übersteigt,
ist der Flächenanteil
an Karbiden auch im geglühten Zustand
hoch, mit dem Ergebnis, dass ihre Bearbeitbarkeit schlechter wird.
Der Vergleichswerkstoff 22 weist eine schlechtere Bearbeitbarkeit
auf, weil sein Anteil an V hoch ist, und außerdem ist der Flächenanteil
an Sulfiden niedrig, auch im geglühten Zustand. Andererseits
weist der Vergleichswerkstoff 25 eine schlechtere Bearbeitbarkeit
auf, weil sein Anteil an Si niedrig ist und auch der Flächenanteil
an Sulfiden niedrig ist.
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Nachdem
die Werkstoffe mit den in Tabelle angegebenen chemischen Zusammensetzungen
in einem geglühten
Zustand erwärmt
und bei 1.030°C
in einem Vakuumofen gehalten worden sind, wurde weiter ein Druckgashärten durchgeführt, und
die Härte
wurde durch Tempern bei einer Temperatur von nicht weniger als 500°C auf etwa
58 HRC eingestellt. Die Bearbeitbarkeit wurde bei den in Tabelle
26 angegebenen Bedingungen untersucht. Bei der Untersuchung der
Bearbeitbarkeit wurde eine Bearbeitungslänge bis zum Erreichen eines
Verschleißwerts
von 0,1 mm für
die Schneidkante des Werkzeugs als Werkzeugstandzeit angesehen. Die
Ergebnisse sind in Tabelle 27 angegeben. Tabelle
26
| Parameter | Bedingungen |
| Werkzeug: | Stirnfräser mit
zwei Schneiden mit Hartmetallvergütung, Durchmesser 10 mm |
| Schnittgeschwindigkeit: | 75
m/min |
| Vorschub: | 0,05
mm/Zahn |
| Schnittmethode: | 0,2
mm × 15
mm |
| Schnittrichtung: | Gleichlauffräsen |
| Schmierung: | Trockenkühlung |
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Aus
Tabelle 27 ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen Werkstoffe
eine gute Bearbeitbarkeit aufweisen, auch in einem gehärteten und
vergüteten
Zustand, und dass diese Bearbeitbarkeit deutlich besser ist als
bei dem Vergleichswerkstoff 19, der SKD11 entspricht. Der Vergleichswerkstoff
20 weist ebenfalls eine schlechtere Bearbeitbarkeit als die erfindungsgemäßen Werkstoffe
auf, weil dieser Vergleichswerkstoff einen hohen Anteil an Cr hat
und sein Flächenanteil
an Karbiden mit einer Querschnittsfläche von nicht weniger als 20 μm2 mehr als 3% beträgt.
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Beispiel 12
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Als
Nächstes
wurde eine Prüfung
zur Untersuchung der Größenänderung
aufgrund einer Wärmebehandlung
durchgeführt.
Aus jedem der geglühten
Werkstoffe mit den in Tabelle 20 angegebenen chemischen Zusammensetzungen
wurden 20 Probekörper
mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 60 mm hergestellt.
Anschließend
wurden diese Probekörper
erwärmt
und bei 1.030°C
in einem Vakuumofen gehalten. Danach erfolgte ein Druckgashärten und
ein zweimaliges Tempern bei 530°C
für 1 Stunde.
Danach wurden die Größen in der
Längsrichtung
gemessen, und die Größenänderungen
im Verhältnis
zu der unmittelbar vor dem Härten
gemessenen Größe wurden
untersucht. Tabelle 28 zeigt die Anzahl der Probekörper mit
einem Größenänderungsverhältnis von
nicht weniger als 0,2%.
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Bei
allen erfindungsgemäßen Werkstoffen
betrugen die Größenänderungen
aufgrund einer Wärmebehandlung
weniger als 0,2%. Daher sind ihre Wärmebehandlungseigenschaften
nahezu gleichwertig mit denen des Vergleichswerkstoffs 19, der JIS-SKD11
entspricht. Es ist jedoch zu erkennen, dass der Vergleichswerkstoff
19 eine schlechtere Schweißbarkeit
und Bearbeitbarkeit als in den Beispielen 10 und 11 aufweist und
dass die erfindungsgemäßen Werkstoffe
ausgezeichnete Eigenschaften aufweisen. Andererseits sind Größenänderungen
von nicht weniger als 0,2% aufgrund einer Wärmebehandlung bei einer großen Anzahl
von Probekörpern
aus dem Vergleichswerkstoff 20 aufgetreten, weil dieser einen hohen
Anteil an Si aufweist, und aus dem Vergleichswerkstoff 26, weil
dieser einen hohen Anteil an Mo aufweist.
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Beispiel 13
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In
diesem Beispiel wurde anhand der Werkstoffe 6a, 8, 25 und 26 in
Tabelle 29 die durch Nitrierhärten erzielte
Härte untersucht.
Die Werkstoffe 25 und 26 wurden durch Zugabe von Aluminium zu den
Werkstoffen 6 bzw. 8 hergestellt. Diese Stähle wurden in einem Verfahren
mit den folgenden Arbeitsschritten hergestellt: Halten bei 1.030°C in einem
Ofen, Kühlen
und Härten
mit Hilfe von Druckgas und Tempern bei 500 bis 550°C, damit
die Sollhärte
nicht weniger als 57 HRC beträgt.
Anschließend
wurde ein Ionennitrierhärten
durchgeführt, bei
dem die Werkstoffe für
5 Stunden bei 520°C
in einer Atmosphäre
aus Wasserstoff, Stickstoff und Argon in einem Volumenverhältnis von
1 : 1 : 2 gehalten wurden. Die Härte
wurde für
jeden der Werkstoffe an einer innen liegenden Stelle in einer Tiefe
von 0,025 mm von der Oberfläche
mit einem Vickers-Härteprüfer mit
einer Prüfkraft
von 2,942 N gemessen. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle
30 gezeigt. Wie aus Tabelle 30 ersichtlich, wird die Härte von
nitriergehärteten
Werkstoffen durch Zugabe von Aluminium erhöht.
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Wie
oben erwähnt,
ist es nach der vorliegenden Erfindung möglich, einen Stahlwerkstoff
bereitzustellen, der im geglühten
Zustand eine bessere Bearbeitbarkeit als JIS-SKD11 und auch eine hohe Zähigkeit
und gute Schweißbarkeit
in Zusammenhang mit den Werkstoffeigenschaften nach dem Härten und
Tempern aufweist. Weil außerdem
der erfindungsgemäße Stahl
Eigenschaften aufweist, die nahe an JIS-SKD11 heranreichen, was
die Größenänderungen
aufgrund einer Wärmebehandlung,
die Härtbarkeit
und die Härteänderung bei
der Anlasstemperatur angeht, ist es möglich, diesen Stahl im selben
Ofen wie SKD11 zu behandeln, was die Produktivität steigert und eine Behandlung
des Stahls unter besonderen Bedingungen überflüssig macht.
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Darüber hinaus
ist die Bearbeitbarkeit des erfindungsgemäßen Stahls nach dem Härten und
Tempern deutlich höher
als die von JIS-SKD11, und die Filmeigenschaften verschlechtern
sich auch bei einer Oberflächenbehandlung
nicht, die in hohem Maße
durch die Menge an gelöstem
C in dem Stahl beeinflusst wird, z. B. beim CVD-Verfahren. Folglich
kann dieser Stahl ohne weiteres als ein Werkstoff für Formwerkzeuge
mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit
hergestellt werden. Daher hat die vorliegende Erfindung einen hohen
industriellen Wert.
