EP0395623A1 - Maraging steel - Google Patents
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- EP0395623A1 EP0395623A1 EP90890088A EP90890088A EP0395623A1 EP 0395623 A1 EP0395623 A1 EP 0395623A1 EP 90890088 A EP90890088 A EP 90890088A EP 90890088 A EP90890088 A EP 90890088A EP 0395623 A1 EP0395623 A1 EP 0395623A1
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Definitions
- the invention relates to a martensitic steel, in particular for the production of plastic molds, and the use thereof.
- Cobalt- and molybdenum-free steels with a content of 12% Mn, 5% Ni and 4% Ti can be hardened, but these steels have a difficult formation of martensite and therefore have too high levels of residual austenite for practical use as a material for plastic molds the high titanium concentrations lead to uneconomically long outsourcing times.
- plastic mold steel DIN material no. 1.2311 or a sulfur-containing variant DIN material no. 1.2312 are used. These steels can be tempered by the producer to a tensile strength of 900 to a maximum of 1100 N / mm2 and processed in this state into molds or tools in order to avoid dimensional changes or surface impairments during the heat treatment of finished coated tools.
- the object of the invention was therefore to specify a steel which is particularly suitable for the production of plastic molds and which steel in the tempered state has a strength of at least 1050 N / mm2 and a hardness of at least 38 HRC with improved isotropy of the mechanical values, slightly cutting is editable and can be polished accordingly and can be used in this state without thermal aftertreatment.
- a steel with a composition according to claim 1 is proposed according to the invention.
- the conventional martensitic-hardenable steels are only of limited use because of their high alloy content and the associated costs, because of the complex manufacturing technology for the plastic molds and / or because of the poor machinability due to machining with high tool wear.
- the steel according to the invention or the steel to be used according to the invention is an iron-based alloy with the components specified in claim 1.
- the steel contains the alloying elements in a concentration corresponding to the invention in order to achieve good machinability with little tool wear even in the hardened state exhibiting high tensile strength and hardness of the material, while at the same time the isotropy of the mechanical values, the polishability or achievable surface quality and the service life of the plastic molds are improved.
- Large plastic molds can also be produced as a result, since no thermal post-treatment or outsourcing of the machined mold, which can cause distortion, is required.
- the alloy according to the invention there is a carbon content in the Range of at least 0.06% and at most 0.2%, preferably 0.08% to 0.18%, in particular 0.1% to 0.15%, important for achieving the corresponding matrix strength and hardness.
- Levels below 0.06% C reduce the attainable strength, contents above 0.2% C lead to embrittlement of the material.
- Silicon concentrations below 0.15% lead to a poor degree of purity and those above 0.8% cause a decrease in the toughness of the material despite an increase in hardness.
- Manganese has a stabilizing effect on austenite, but in particular it forms sulfide, so that with appropriate manganese and sulfur concentrations, the machining properties of the material are improved by inclusions of sulfide.
- the sulfide morphology is favorably influenced, so that this results in improved machining properties of the material Increased isotropy of its mechanical properties and a reduction in tool wear during machining can be achieved.
- Vanadium contents from 0.03 to 0.15%, in particular from 0.05 to 0.1% provide one Increase in secondary hardness during heat treatment and cause grain refinement and associated high material toughness.
- Niobium is similar to vanadium, but the grain-refining effect is more pronounced due to the high carbon activity of the niobium, with concentrations from 0.03 to 0.12% improved and contents from 0.05 to 0.08% with the best results.
- the steel according to the invention is further alloyed with carbon, manganese, nickel, copper and aluminum, which elements are dissolved in the austenite when heated to a temperature of over 800 ° C. and kept in solution by rapid cooling to room temperature.
- the steels were tested according to DIN material no. 1.2311 and material no. 1.2312 with a strength of 1250 N / m 2nd m machined, the wear mark width of the tools was 0.26 mm and 0.24 mm.
- the results of alloy A obtained were significantly improved when the mechanical properties and the surface quality achieved during polishing were examined.
- the wear mark width V of the tools with a machined volume of 350 cm3 was 0.23 mm for steel B, 0.35 mm for material no. 1.2311 and 0.33 mm for material no. 1.2312.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen martensitaushärtbaren Stahl, insbesondere für die Herstellung von Kunststofformen, sowie dessen Verwendung.The invention relates to a martensitic steel, in particular for the production of plastic molds, and the use thereof.
Martensitaushärtbare Stähle mit 18 % Ni, 8 % Co, 5 % Mo und bis zu 1 % Ti, bei welchen ein Teil des Nickelgehaltes durch Mangan ersetzbar ist, weisen eine hohe Zugfestigkeit auf , sind jedoch wegen ihrer für die Aushärtung erforderlichen hohen Kobalt- und Molybdängehalte teuer. Kobalt- und molybdänfreie Stähle mit einem Gehalt von 12 % Mn, 5 % Ni und 4 % Ti können zwar ausgehartet werden, jedoch weisen diese Stähle eine erschwerte Martensitbildung auf, haben daher für die praktische Verwendung als Werkstoff für Kunststofformen zu hohe Restaustenitgehalte, wobei auch die hohen Titankonzentrationen zu unwirtschaftlich langen Auslagerungszeiten führen.Martensite-hardenable steels with 18% Ni, 8% Co, 5% Mo and up to 1% Ti, in which part of the nickel content can be replaced by manganese, have a high tensile strength, but are due to their high cobalt and Molybdenum levels expensive. Cobalt- and molybdenum-free steels with a content of 12% Mn, 5% Ni and 4% Ti can be hardened, but these steels have a difficult formation of martensite and therefore have too high levels of residual austenite for practical use as a material for plastic molds the high titanium concentrations lead to uneconomically long outsourcing times.
Für die Herstellung von Kunststofformen werden vorwiegend der Kunststofformenstahl DIN Werkstoff Nr. 1.2311 oder eine schwefelhaltige Variante DIN Werkstoff Nr. 1.2312 verwendet. Diese Stahle können vom Erzeuger auf eine Zugfestigkeit von 900 bis hochstens 1100 N/mm² vergütet und in diesem Zustand zu Formen bzw. Werkzeugen verarbeitet werden, um Maßänderungen oder Oberflächenbeeinträchtigungen bei einer Wärmebehandlung von fertigbeschichteten Werkzeugen zu vermeiden.For the production of plastic molds, mainly plastic mold steel DIN material no. 1.2311 or a sulfur-containing variant DIN material no. 1.2312 are used. These steels can be tempered by the producer to a tensile strength of 900 to a maximum of 1100 N / mm² and processed in this state into molds or tools in order to avoid dimensional changes or surface impairments during the heat treatment of finished coated tools.
Dabei ist einerseits auf Grund der in steigendem Maße erschwerten Bearbeitbarkeit des Werkstoffes dessen Festigkeit limitiert, andererseits tritt ein hoher Werkzeugverschleiß bei der Zerspanung von Rohkörpern mit hoheren Festigkeitswerten, z.B. 1050 N/mm
Aufgabe der Erfindung war daher, einen Stahl anzugeben, der insbesondere für die Erzeugung von Kunststofformen geeignet ist und welcher Stahl im vergüteten Zustand eine Festigkeit von mindestens 1050 N/mm² sowie eine Harte von mindestens 38 HRC bei verbesserter Isotropie der mechanischen Werte aufweist, leicht spanabhebend bearbeitbar sowie entsprechend polierbar ist und in diesem Zustand ohne thermische Nachbehandlung eingesetzt werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Stahl mit einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.The object of the invention was therefore to specify a steel which is particularly suitable for the production of plastic molds and which steel in the tempered state has a strength of at least 1050 N / mm² and a hardness of at least 38 HRC with improved isotropy of the mechanical values, slightly cutting is editable and can be polished accordingly and can be used in this state without thermal aftertreatment. To achieve this object, a steel with a composition according to claim 1 is proposed according to the invention.
Die herkommlichen martensitaushärtbaren Stähle kommen wegen ihres hohen Legierungsgehaltes und der damit verbundenen Kosten, wegen der aufwendigen Herstelltechnologie für die Kunststofformen und/oder wegen der schlechten Bearbeitbarkeit durch spanabhebende Formgebung mit hohem Werkzeugverschleiß nur begrenzt in Frage. Beim erfindungsgemäßen Stahl bzw. beim erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl handelt es sich um eine Eisenbasislegierung mit den im Anspruch 1 angegebenen Komponenten. Im Stahl sind im Hinblick auf eine synergistische Wirkung die Legierungselemente in erfindungsgemäß ensprechender Konzentration enthalten, um gute Bearbeitbarkeit bei geringem Werkzeugverschleiß auch im ausgehärteten, hohe Zugfestigkeit und Härte des Materials aufweisenden Zustand zu erreichen, wobei gleichzeitig die Isotropie der mechanischen Werte, die Polierbarkeit bzw. erreichbare Oberflächenqualität und die Standzeit der Kunststofformen verbessert werden. Es können dadurch auch große Kunststoffformen hergestellt werden, weil keinerlei thermische Nachbehandlung bzw. Auslagerung der bearbeiteten Form , die Verzugserscheinungen bewirken kann, erforderlich ist.The conventional martensitic-hardenable steels are only of limited use because of their high alloy content and the associated costs, because of the complex manufacturing technology for the plastic molds and / or because of the poor machinability due to machining with high tool wear. The steel according to the invention or the steel to be used according to the invention is an iron-based alloy with the components specified in claim 1. With regard to a synergistic effect, the steel contains the alloying elements in a concentration corresponding to the invention in order to achieve good machinability with little tool wear even in the hardened state exhibiting high tensile strength and hardness of the material, while at the same time the isotropy of the mechanical values, the polishability or achievable surface quality and the service life of the plastic molds are improved. Large plastic molds can also be produced as a result, since no thermal post-treatment or outsourcing of the machined mold, which can cause distortion, is required.
In der erfindungsgemäßen Legierung ist ein Kohlenstoffgehalt im Bereich von mindestens 0,06 % und hochstens 0,2 %, vorzugsweise 0,08 % bis 0,18 %, insbesondere 0,1 % bis 0,15 %, für ein Erreichen der entsprechenden Matrixfestigkeit - und Härte wichtig. Gehalte unter 0,06 % C erniedrigen die erreichbare Festigkeit, Gehalte über 0,2 % C führen zur Versprödung des Materials. Siliziumkonzentrationen unter o,15 % bewirken einen schlechten Reinheitsgrad und solche über 0,8 % einen Abfall der Zähigkeit des Werkstoffes trotz Anstieges der Härte. Mangan wirkt austenitstabilisierend, insbesondere jedoch sulfidbildend, sodaß bei entsprechender Mangan- und Schwefelkonzentration die Zerspanungseigenschaften des Werkstoffes durch Sulfideinschlüsse verbessert werden. Bei Schwefelgehalten von 0,12 % bis 0,4 % ist eine Mangankonzentration von 1,4 % bis 3,6 % für eine Sulfidausscheidung mit entsprechender Morphologie und ein gewünschtes Ausmaß einer Austenitstabilisierung gegeben, wobei die günstigsten Werte bei 0,15 bis 0,25 % Schwefel und 1,8 bis 2,2 % Mangan gefunden wurden. Sulfide bzw. Sulfideinschlüsse können nach einer Warmumformung zu einer Zeilenstruktur des Werkstoffes und zu einer Anisotropie der mechanischen Eigenschaften führen und weiters Kolkverschleiß des Werkzeuges bei einer spanabhebenden Bearbeitung verursachen. Bei Zirkon- und Titangehalten von 0,01 bis 0,1 %, vorzugsweise von 0,02 bis 0,06 %, insbesondere von 0,03 bis 0,05 % wird die Sulfidmorphologie günstig beeinflußt, sodaß dadurch bei verbesserter Zerspanungseigenschaft des Werkstoffes eine gesteigerte Isotropie seiner mechanischen Eigenschaften und eine Verringerung des Werkzeugverschleisses bei der Bearbeitung erreicht werden. Kalziumgehalte bis 0,01 %, insbesondere in einem Bereich von 0,002 bis 0,006 %, bewirken ein Einformen von Tonerdespinelleinschlüssen und eine günstige Sulfidmorphologie in der erfindungsgemäß zusammengesetzten Schmelze. Durch diese Einschlußmodifizierung wird die Isotropie der mechanischen Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit des Werkstoffes weiter verbessert, insbesondere erfolgt dabei eine wesentliche Verschleißminderung bzw. Standzeiterhöhung der spanabhebenden Werkzeuge. Vanadingehalte von 0,03 bis 0,15 %, insbesondere von 0,05 bis 0,1 %, erbringen einen Sekundärhärteanstieg bei der Wärmebehandlung und bewirken eine Kornfeinung und damit verbunden eine hohe Materialzähigkeit. Niob erhält sich ähnlich wie Vanadin, jedoch ist die kornfeinende Wirkung durch die hohe Kohlenstoffaktivität des Niobs stärker ausgeprägt, wobei Konzentrationen von 0,03 bis 0,12 % verbesserte und Gehalte von 0,05 bis 0,08 % die günstigsten Ergebnisse erbringen. Der erfindungsgemäße Stahl ist weiters mit Kohlenstoff, Mangan, Nickel, Kupfer und Aluminium legiert, welche Elemente beim Erwärmen auf eine Temperatur von über 800° C im Austenit gelöst und durch rasche Abkühlung auf Raumtemperatur in Lösung gehalten werden. Ein Wiedererwärmen bzw. Auslagern bei Temperaturen um 500° C führt zu einem Ausscheiden der Legierungselemente aus dem Martensit bzw. zur Bildung intermetallischer Phasen oder Verbindungen, die einen Anstieg der Härte des Werkstoffes bewirken. Bei Mangangehalten von 1,4 bis 3,6 % und Nickelgehalten von 2,8 bis 4,3 % wirken dabei Kupferkonzentrationen von 0,1 bis 4,0 % und Aluminiumkonzentrationen von 0,1 bis 4,0 % festigkeits- und härtesteigernd. Um jedoch bei einem gewünschten Härte- und Festigkeitsanstieg auf mindestens 38 HRC, insbesondere 40 HRC,bzw mindestens 1100 N/mm², insbesondere 1200 N/mm
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments.
Ein Stahl A mit einer Zusammensetzung gemäß der Tabelle 1 wurde auf eine Festigkeit von 1271 N/mm² und eine Härte von 40 HRC ausscheidungsgehärtet. Eine spanabhebende Bearbeitung erfolgte durch Drehen ( Trockenschnitt) mit folgenden Parametern:
Schneidstoff : WSP SB20 SPUN 12 03 08
Schnittgeschwindigxeit V = 180 m /min
Schnittiefe: a = 2,0 mm
Vorschub: s = 0,220 mm/UA steel A with a composition according to Table 1 was precipitation hardened to a strength of 1271 N / mm² and a hardness of 40 HRC. Machining was carried out by turning (dry cutting) with the following parameters:
Cutting material: WSP SB20 SPUN 12 03 08
Cutting speed V = 180 m / min
Cutting depth: a = 2.0 mm
Feed: s = 0.220 mm / rev
Nach einer Schnittzeit von 20 Minuten wies das Werkzeug eine Verschleißmarkenbreite von VB = 0,15 mm auf. Im gleichen Test mit gleichen Parametern wurden die Stähle gemäß DIN Werkstoff Nr. 1.2311 und Werkstoff Nr. 1.2312 mit einer Festigkeit von 1250 N/m
Ein Stahl B mit den Legierungskonzentrationen gemäß Tabelle 1 wurde auf eine Festigkeit von 1264 N/m
Schnittgeschwindigkeit: V = 118 m /min
Vorschub: s = 0,24 mm/Zahn
Schnittiefe: a = 2,0 mmA steel B with the alloy concentrations according to Table 1 was tested for a strength of 1264 N / m
Cutting speed: V = 118 m / min
Feed: s = 0.24 mm / tooth
Cutting depth: a = 2.0 mm
Die Verschleißmarkenbreite V der Werkzeuge bei einem zerspanten Volumen von 350 cm³ betrug bei Stahl B 0,23 mm, bei Werkstoff Nr.1.2311 0,35 mm und bei WErkstoff Nr. 1.2312 0,33 mm.The wear mark width V of the tools with a machined volume of 350 cm³ was 0.23 mm for steel B, 0.35 mm for material no. 1.2311 and 0.33 mm for material no. 1.2312.
Vergleichende Erprobungen erfolgten beim Tieflochbohren mit hartmetallbestückten Einlippenbohrern ( Durchmessser 10 mm ) an einem Stahl C gemäß Tabelle 1 mit einer Festigkeit von 1280 N/mm²(40,5 HRC) und den Werstoffen Nr. 1.2311 bzw. Nr. 1.2312 mit einer Festigkeit von 1040 bzw. 1080 N/mm
Claims (5)
Kohlenstoff 0,06 - 0,2
Silizium 0,15 - 0,8
Mangan 1,4 - 3,6
Schwefel 0,12 - 0,4
Chrom 0 - 0,9
Nickel 2,8 - 4,3
Vanadin 0,03 - 0,15
Kupfer 0,1 - 4,0
Aluminium 0,1 - 4,0
Aluminium + Kupfer 0,9 - 4,1
Niob 0,03 - 0,12
Zirkon 0,01 - 0,1
Kalzium 0 - 0,01
Titan 0,01 - 0,1
Molybdän 0 - 1,0
Wolfram 0 - 1,0
Mo +
Rest Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht.1. Martensite-hardenable steel, in particular for the production of plastic molds, which consists of in% by weight
Carbon 0.06-0.2
Silicon 0.15-0.8
Manganese 1.4-3.6
Sulfur 0.12 - 0.4
Chromium 0 - 0.9
Nickel 2.8 - 4.3
Vanadium 0.03-0.15
Copper 0.1 - 4.0
Aluminum 0.1 - 4.0
Aluminum + copper 0.9 - 4.1
Niobium 0.03 - 0.12
Zircon 0.01-0.1
Calcium 0-0.01
Titanium 0.01-0.1
Molybdenum 0-1.0
Tungsten 0-1.0
Mon +
Rest of iron and manufacturing-related impurities.
Kohlenstoff 0,08 - 0,18
Silizium 0,25 - 0,40
Mangan 1,6 - 2,8
Schwefel 0,15 - 0,3
Chrom 0 - 0,5
Nickel 3,3 - 3,7
Vanadin 0,05 - 0,1
Kupfer 0,3 - 3,0
Aluminium 0,1 - 2,8
Aluminium + Kupfer 1,0 - 3,1
Niob 0,04 - 0,09
Zirkon 0,02 - 0,06
Titan 0,02 - 0,06
Kalzium 0 - 0.008
Molybdän 0 - 0,8
Wolfram 0 - 0,8
Molybdän +
Rest Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht.2. Martensite hardenable steel according to claim 1, which consists of in wt .-%
Carbon 0.08-0.18
Silicon 0.25-0.40
Manganese 1.6-2.8
Sulfur 0.15 - 0.3
Chromium 0 - 0.5
Nickel 3.3 - 3.7
Vanadium 0.05-0.1
Copper 0.3-3.0
Aluminum 0.1 - 2.8
Aluminum + copper 1.0 - 3.1
Niobium 0.04-0.09
Zircon 0.02 - 0.06
Titanium 0.02 - 0.06
Calcium 0 - 0.008
Molybdenum 0-0.8
Tungsten 0-0.8
Molybdenum +
Rest of iron and manufacturing-related impurities.
Kohlenstoff 0,10 - 0,15
Silizium 0,25 - 0,35
Mangan 1,8 - 2,2
Schwefel 0,15 - 0,25
Chrom 0 - 0,5
Nickel 3,4 - 3,6
Vanadin 0,05 - 0,1
Kupfer 0,4 - 2,4
Aluminium 0,1 - 2,1
Aluminium + Kupfer 1,5 - 2,5
Niob 0,05 - 0,08
Zirkon 0,03 - 0,05
Titan 0,03 - 0,05
Kalzium 0,002 - 0.006
Molybdän 0 - 0,8
Wolfram 0 - 0,8
Molybdän +
Rest Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht.3. Martensite hardenable steel according to claim 1, which consists of in wt .-%
Carbon 0.10 - 0.15
Silicon 0.25-0.35
Manganese 1.8-2.2
Sulfur 0.15-0.25
Chromium 0 - 0.5
Nickel 3.4-3.6
Vanadium 0.05-0.1
Copper 0.4-2.4
Aluminum 0.1 - 2.1
Aluminum + copper 1.5 - 2.5
Niobium 0.05-0.08
Zircon 0.03-0.05
Titan 0.03-0.05
Calcium 0.002 - 0.006
Molybdenum 0-0.8
Tungsten 0-0.8
Molybdenum +
Rest of iron and manufacturing-related impurities.
0,12 - 0,4, vorzugsweise 0,15 - 0,30, insbesondere 0,15 - 0,25 Schwefel
0.01 - 0,1, vorzugsweise 0,02 - 0,06, insbesondere 0,05 - 0,08 Zirkon,
0,01 - 0,1, vorzugsweise 0,02 - 0,06,insbesondere 0,05 - 0,08 Titan,
0.001 -0.01 Kalzium, enthält.4. Martensite-hardenable steel, in particular for the production of plastic molds, which additionally in% by weight
0.12-0.4, preferably 0.15-0.30, in particular 0.15-0.25 sulfur
0.01-0.1, preferably 0.02-0.06, in particular 0.05-0.08 zircon,
0.01-0.1, preferably 0.02-0.06, in particular 0.05-0.08 titanium,
0.001-0.01 calcium.
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