EP1493833A1 - Stahl für spanabhebende Werkzeuge - Google Patents

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EP1493833A1 EP04450101A EP04450101A EP1493833A1 EP 1493833 A1 EP1493833 A1 EP 1493833A1 EP 04450101 A EP04450101 A EP 04450101A EP 04450101 A EP04450101 A EP 04450101A EP 1493833 A1 EP1493833 A1 EP 1493833A1
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Franz Lendl
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Voestalpine Boehler Bleche GmbH and Co KG
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Voestalpine Boehler Bleche GmbH
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten

Definitions

  • the invention relates to a steel for cutting tools.
  • Cutting edges of tools are at a chip removal of Workpieces essentially thermal, abrasive and toughness and High pressure load, the stress of the Tool material is carried out simultaneously.
  • Loading profiles to achieve maximum tool life are respective Alloy compositions that meet the peak profile requirements wear, largely belonging to the state of the art.
  • High cutting strength of a tool can generally with the use High speed steels are achieved, however, high levels of the the expensive alloying element (s) molybdenum and / or tungsten in Have concentrations up to 20 wt .-%. Vanadin is one of them Elements and is used in common or PM high speed steels with grades of 1.2 up to 10.0 wt .-% alloyed.
  • high speed steels can be required for one Stress profile to the tool in terms of composition favorable but have the disadvantage of high alloy and therefore Material costs. Now, for economic reasons, a concentration of Main alloying elements lowered, so can often jump the thermal Quenchability, hardness and general usability of the steel deteriorate.
  • the invention is based on the object, the shortcomings of the prior art eliminate and create a steel by alloying Measures for cutting tools has particularly good suitability and has high economy.
  • Vanadium may be partially replaced by niobium in the alloy up to 0.45% by weight, however, in these cases the carbon content is in the lower range of To set the concentration limit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stahl für spanabhebende Werkzeuge. Um die jeweiligen Einzelwerte des Eigenschaftsprofiles des Werkzeugwerkstoffes den jeweiligen Belastungen bei der Spannung entsprechend auszubilden und hohe Wirtschaftlichkeit zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, einen Stahl enthaltend die Elemente in Gew.-% von: C = 0,88 bis 1,12, Cr = 3,4 bis 4,5, Mo = 2,5 bis 3,0, V = 0,7 bis 1,0, Al = 0,04 bis 0,1, N = 0,02 bis 0,12 Fe sowie Begleit- und Verunreinigungselemente als Rest für spanabhebende Werkzeuge vorzusehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stahl für spanabhebende Werkzeuge.
Schneidenbereiche von Werkzeugen werden bei einer Spanabnahme von Werkstücken im Wesentlichen thermisch, abrasiv sowie auf Zähigkeit und Druckbelastung hoch belastet, wobei die Beanspruchung des Werkzeug-Werkstoffes simultan erfolgt. Um bei unterschiedlichen Belastungsprofilen höchste Standzeiten des Werkzeuges zu erreichen sind jeweilige Legierungszusammensetzungen, die den Spitzenanforderungen im Profil Rechnung tragen, weitgehend zum Stand der Technik gehörend.
Hohe Schneidhaltigkeit eines Werkzeuges kann im Allgemeinen mit dem Einsatz von Schnellarbeitsstählen erreicht werden, die allerdings hohe Gehalte an dem (den) teuren Legierungselement(en) Molybdän und/oder Wolfram in Konzentrationen bis 20 Gew.-% aufweisen. Auch Vanadin zählt zu diesen Elementen und wird in üblichen oder PM-Schnellarbeitsstählen mit Gehalten von 1,2 bis 10,0 Gew.-% zulegiert.
Wie oben dargelegt können Schnellarbeitstähle für ein gefordertes Beanspruchungsprofil an das Werkzeug hinsichtlich der Zusammensetzung günstig ausgewählt werden, haben aber den Nachteil hoher Legierungs- und daher Werkstoffkosten. Wird nun aus wirtschaftlichen Gründen eine Konzentration der Hauptlegierungselemente abgesenkt, so können sich oft sprunghaft die thermische Vergütbarkeit, die Härte und allgemein die Gebrauchseigenschaften des Stahles verschlechtern.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, die Mängel im Stand der Technik zu beseitigen und einen Stahl zu schaffen, der durch legierungstechnische Maßnahmen für spanabhebende Werkzeuge besonders gute Eignung besitzt und hohe Wirtschaftlichkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Stahl, enthaltend die Elemente in Gew.-% von:
  • C = 0,88 bis 1,12
  • Cr = 3,4 bis 4,5
  • Mo = 2,5 bis 3,0
  • V = 0,7 bis 1,0
  • Al = 0,04 bis 0,1
  • N = 0,02 bis 0,12
    • Fe sowie Begleit- und Verunreinigungselemente als Rest
    gelöst.
    Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass durch eine Kombination der Elemente Molybdän und Vanadin einerseits, bei einer gegenüber Schnellarbeitstahl wesentlich erniedrigten Konzentration, mit Aluminium und Stickstoffgehalten andererseits, mit vergleichsweise gegenüber dem Stand der Technik hohen Gehalten, eine günstige Warmhärte und insbesondere ein hoher Verschleißwiderstand bei ausreichender Zähigkeit und Druckbelastbarkeit des vergüteten Stahles erreicht werden kann. Spanabhebende Werkzeuge aus der erfindungsgemäßen Legierung sind auf Grund der niedrigen Gehalte an teureren Legierungselementen wirtschaftlich herstellbar, besitzen jedoch auch gerade für die herausragenden Anforderungen im Belastungsprofil hohe Beständigkeit.
    Es wurde gefunden, dass ein Spanablauf an der Spanfläche bzw. im Bereich nach der Schneidkante eines aus dem erfindungsgemäßen Stahl gebildeten Werkzeuges günstiger erfolgt und Auskolkungen vergleichsweise wesentlich geringer sind. Eine Ursache dafür ist wissenschaftlich noch nicht geklärt, könnte aber, wie angenommen wird, mit einem Synergie-Effekt der Elemente Aluminium, Stickstoff, Kohlenstoff und Vanadin erklärbar sein. Die hohe Affinität von Vanadin zu Kohlenstoff und Stickstoff, die bei Bildung von feinsten, homogen verteilten Karbiden und Karbonitriden bei der Vergütung einerseits vorteilhaft eine hohe Warmhärte erbringt, kann andererseits eine ausreichende Menge an reaktionsfähigem Aluminium in der Matrix belassen, welches Aluminium bei einer Temperaturbelastung im Schneidenbereich des Werkszeuges durch Oxidation eine Tonerde-Oberflächenschicht, quasi eine den Spanablauf fördernde Beschichtung bildet. Aluminium in der Matrix fördert, wie sich gezeigt hat, auch eine Warmhärte und Anlaßbeständigkeit der erfindungsgemäßen Werkstoffes.
    Vanadin kann in der Legierung teilweise bis 0,45 Gew.-% durch Niob ersetzt sein, allerdings ist in diesen Fällen der Kohlenstoffgehalt im unteren Bereich der Konzentrationsgrenze einzustellen.
    Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist erfindungsgemäß vorgesehen, einen Stahl, enthaltend ein oder mehrere der Elemente in einem Konzentrationsbereich in Gew.-% von:
  • C = 0,93 bis 1,07
  • Si = 0,15 bis 0,42
  • Mn = 0,15 bis 0,44
  • P = MAX 0,03
  • S = 0,001 bis 0,3
  • Al = 0,05 bis 0,07
  • N = 0,03 bis 0,1
    • für spanabhebende Werkzeuge zu verwenden.
    Durch eine Einmengung des vorgesehenen Konzentrationsbereiches der Elemente in der Legierung können die besonders wichtigen Bereiche im Eigenschaftsprofil des Werkzeuges weiter erhöht werden.
    Wenn das Verhältnis Aluminium zu Stickstoff 0,5 bis 1,9 beträg (Al/N = 0,5 bis 1,9) weist der erfindungsgemäße Werkstoff im thermisch vergüteten Zustand bzw. nach einem Härten und mindestens einmaligem Anlassen im Bereich zwischen 450°C und 500°C hohe Warmhärte sowie Zähigkeit auf, wobei der Spanverschleiß am Werkzeug äußerst gering ist.
    Mit besonderer Wirtschaftlichkeit und mit hoher Standzeit im schweren Betrieb können Kreissägen mit einer Härte von größer 63 HRC, vorzugsweise größer 64 HRC, aus einem erfindungsgemäßen Stahl hergestellt werden.
    Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches lediglich eine Zusammensetzung des Stahles im Vergleich mit dem üblich verwendeten Werkstoff DIN No. 1.3343 zeigt, wird im Folgenden näher beschrieben:
  • Kreissägeblätter mit thermisch vergüteten Zähnen mit einem Durchmesser von 400 mm wurden auf einer gemeinsamen Welle aufgespannt und damit in der Trenneinrichtung zähfeste Metallstangen in Stücke geteilt.
    • Zwischen den Sägeblättem aus einer Legierung, die sich im Bezug auf Lebensdauer des Sägeblattes als günstig erwiesen hat und in Tab. 1 mit der Bezeichnung Typ A 1 angegeben ist, wurde ein Sägeblatt aus einer Legierung, gemäß der Erfindung, welches mit Vers. L. 3 bezeichnet ist, eingesetzt.
    Bis zum Ausscheiden der Sägen-Welle wegen Verschleiß erfolgten in Tab. 2 vergleichende Begutachtungen, deren Ergebnisse aus Tab. 2 hervorgehen, wobei die Werte von Typ A1 mit 100% bezeichnet sind. Die Ergebnisse zeigen, dass für spanabhebende Werkzeuge, insbesondere für Kreissägen, hohe Schnittleistungen bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkstoffes erreichbar sind.
    Werkstoff Chem. Zusammensetzung
    C Si Mn P S Cr Mo V W A1 N
    Typ A1 0,91 0,32 0,4 0,011 0,012 4,13 5,21 1,81 6,44 - -
    Vers. L. 3 0,96 0,27 0,24 0,01 0,009 4,01 2,78 0,88 - 0,082 0,086
    Werkstoff Einsatz Zeit % Härte HRC Schneiden Verschleiß % Auskolkung Schneiden Bruch %
    Typ A 1 0 65 - - -
    Vers. L. 3 0 64 - - - -
    Typ A 1 30 - 100 100 100
    Vers. L. 3 30 - 103 95 100
    Typ A 1 60 - 100 100 100
    Vers. L. 3 60 - 107 89 200
    Typ A 1 90 - 100 100 100
    Vers. L. 3 90 - 106 86 100

    Claims (4)

    1. Stahl für spanabhebende Werkzeuge enthaltend die Elemente in Gew.-% von:
      C = 0,88 bis 1,12
      Cr = 3,4 bis 4,5
      Mo = 2,5 bis 3,0
      V = 0,7 bis 1,0
      Al = 0,04 bis 0,1
      N = 0,02 bis 0,12
      Fe sowie Begleit- und Verunreinigungselemente als Rest.
    2. Stahl nach Anspruch 1 enthaltend ein oder mehrere der Elemente in einem Konzentrationsbereich in Gew.-% von:
      C = 0,93 bis 1,07
      Si = 0,15 bis 0,42
      Mn = 0,15 bis 0,44
      P = MAX 0,03
      S = 0,001 bis 0,3
      Al = 0,05 bis 0,07
      N = 0,03 bis 0,1
    3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis Aluminium zu Stickstoff 0,5 bis 1,9 beträgt (Al/N = 0,5 bis 1,9)
    4. Kreissägen mit einer Härte zumindest der Zahnspitzenbereiche von größer 63 HRC, bestehend aus einem Stahl gemäß der Ansprüchen 1 bis 3.
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