EP1493833B1 - Stahl für spanabhebende Werkzeuge - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a steel for cutting tools.
- Cutting areas of tools are subjected to high stress in a chip removal of workpieces substantially thermally, abrasive and toughness and compressive load, the stress of the tool material is carried out simultaneously.
- respective alloy compositions which take account of the peak requirements in the profile are largely state-of-the-art.
- the high cutting strength of a tool can generally be achieved with the use of high-speed steels, which, however, have high contents of the expensive alloying element (s) molybdenum and / or tungsten in concentrations up to 20% by weight. Vanadium is also one of these elements and is alloyed in conventional or PM high speed steels at levels of 1.2 to 10.0 wt .-%.
- high speed steel is disclosed in wide content limits for molded tools which has levels of tungsten plus 2x molybdenum of 14.0 to 30 weight percent and has conventionally added vanadium in concentrations greater than 2.0 weight percent.
- high speed steels for a required stress profile to the tool can be conveniently selected for composition, but have the disadvantage of high alloy and hence material costs. If, for economic reasons, a concentration of the main alloying elements lowered, so often the thermal Vergütbarkelt, the hardness and generally the performance characteristics of the steel can worsen.
- the invention is based on the object, the shortcomings of the prior art and to create a steel which has particularly good suitability by means of alloying measures for cutting tools and has high economic efficiency.
- the advantages achieved by the invention are essentially to be seen in the fact that by a combination of the elements molybdenum and vanadium on the one hand, at a compared to high-speed steel significantly reduced concentration, with aluminum and nitrogen contents on the other hand, with comparatively high compared to the prior art, a favorable Hot hardness and in particular a high wear resistance can be achieved with sufficient toughness and compressive strength of the tempered steel.
- Cutting tools made from the alloy according to the invention can be produced economically on account of the low contents of more expensive alloying elements, but are also highly resistant to the outstanding requirements in the load profile.
- the high affinity of vanadium for carbon and nitrogen which on the one hand advantageously produces a high hot hardness when forming the finest, homogeneously distributed carbides and carbonitrides, can leave a sufficient amount of reactive aluminum in the matrix, which aluminum can withstand in the temperature load Cutting area of the tool by oxidation, an alumina surface layer, quasi forms the chip flow-promoting coating.
- aluminum in the matrix also promotes a hot hardness and tempering resistance of the material according to the invention.
- Vanadium may be partially replaced by niobium in the alloy up to 0.45 wt .-%, but in these cases, the carbon content in the lower region of the concentration limit is set.
- the particularly important areas in the property profile of the tool can be further increased.
- the material according to the invention in the thermally tempered state or after hardening and at least once tempering in the range between 450 ° C. and 500 ° C hot hardness and toughness, the chip wear on the tool is extremely low.
- circular saws with a hardness of greater than 63 HRC, preferably greater than 64 HRC can be produced from a steel according to the invention.
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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.
- In der
JP-A-9003 604 - Wie oben dargelegt können Schnellarbeitsstähle 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 Vergütbarkelt, 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 Si = 0,15 bis 0,42 Mn = 0,15 bis 0,44 P = MAX 0,03 S = 0,001 bis 0,3 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 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 Al = 0,05 bis 0,07 N = 0,03 bis 0,1 - Durch eine Einengung 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 Sägeblättern 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.
Tab.1 Werkstoff Chem. Zusammensetzung C Si Mn P S Cr Mo V W Al 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 Tab. 2 Werkstoff Einsatz Zeit% Härte HRC Schneiden VersoWeiß % 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)
- Stahl für spanabhebende Werkzeuge enthaltend die Elemente in Gew.-% von:
C = 0,88 bis 1,12 Si = 0,15 bis 0,42 Mn = 0,15 bis 0,44 P = MAX 0,03 S = 0,001 bis 0,3 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 - Stahl nach Anspruch 1 enthaltend ein oder mehrere der Elemente in einem Konzentrationsbereich in Gew.-% von:
C = 0,93 bis 1,07 Al = 0,05 bis 0,07 N = 0,03 bis 0,1 - 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)
- 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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