EP3228724A1 - Method for setting the thermal conductivity of a steel, tool steel, in particular hot-work steel, and steel object - Google Patents
Method for setting the thermal conductivity of a steel, tool steel, in particular hot-work steel, and steel object Download PDFInfo
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Definitions
- the present invention relates to a method for adjusting the thermal conductivity of a steel, to a tool steel, in particular hot-work tool steel, and to a use of a tool steel. Moreover, the present invention relates to a steel article.
- Hot-work tool steels are alloyed tool steels, which in addition to iron as alloying elements contain in particular carbon, chromium, tungsten, silicon, nickel, molybdenum, manganese, vanadium and cobalt with different proportions.
- Hot work tool steels may be used to make hot work steel objects, such as tools, which are suitable for machining materials, in particular die casting, extrusion or die forging.
- tools such as extrusion dies, forging tools, die casting dies, press dies, or the like, which must have special mechanical strength properties at high working temperatures.
- Another field of application for hot working steels are tools for the injection molding of plastics.
- An essential functionality of tool steels, in particular of hot-work steels, and of steel articles manufactured therefrom, is a sufficient dissipation of previously introduced when used in industrial processes or to ensure heat generated in the process itself.
- Hot work tools which are made of a hot-work steel, must have a high thermal conductivity and a high heat wear resistance in addition to a high mechanical stability at higher working temperatures.
- Other important properties of hot-work steels are not only a sufficient hardness and strength but also a high hot hardness and high wear resistance at high working temperatures.
- a high thermal conductivity of the used for the production of tools hot-work steel is for some applications of particular importance, as this can cause a significant cycle time reduction. Since the operation of hot forming devices for hot working of workpieces is relatively expensive, a significant cost saving can be achieved by reducing the cycle times.
- a high thermal conductivity of hot-work steel is also advantageous in high-pressure casting, since the casting molds used there have a much longer life due to a greatly increased thermal fatigue strength.
- the tool steels commonly used to make tools typically have a thermal conductivity on the order of about 18 to 24 W / mK at room temperature.
- the thermal conductivities of the hot working steels known from the prior art are about 16 to 37 W / mK.
- Chromium is a comparatively inexpensive carbide former and also provides the hot work tool steel with good oxidation resistance. Further, chromium forms very thin secondary carbides, so that the mechanical strength to toughness ratio is very good in the conventional hot working tool steels.
- thermoset hot working tools especially dies for hot forging, having high crack and fracture strength and high yield strength under static compressive stresses in the heat.
- the hot-forming steels described in this document are characterized by a simple, relatively inexpensive chemical composition (0.15-0.30% C, 3.25-3.50% Mo, no chromium) and easy to heat-treat. The most important thing here is the optimal process for the production received from hot press matrices including the associated annealing treatments (curing). Special properties depending on the chemical composition are not explained.
- the CH 481222 refers to a chromium-molybdenum-vanadium-alloyed hot work tool steel with good cold insensitivity for making tools such as dies and dies. It should be noted that the tuning of the alloying elements - especially chromium (1.00 to 3.50% Cr), molybdenum (0.50 to 2.00% Mo) and vanadium (0.10 to 0.30% V) - Has a decisive influence on the desired properties, such as a low heat resistance (55 kp / mm 2 ), good flow properties, good thermal conductivity and so on.
- the Japanese publication JP 4147706 deals with improving the wear resistance of spikes for the production of seamless steel tubes by the geometry of the mandrel and by the chemical composition of the alloy (0.1 to 0.4% C, 0.2 to 2.0% Mn, 0 to 0 , 95% Cr, 0.5 to 5.0% Mo, 0.5 to 5.0% W). Special measures to increase the thermal conductivity of the steel are not the subject of this document.
- the Japanese publication JP 2004183008 describes a low-cost ferritic-pearlitic steel alloy of tools (0.25 to 0.45% C, 0.5 to 2.0% Mn, 0 to 0.5% Cr) for the casting of plastics.
- the focus is on the optimum ratio of processability and thermal thermal conductivity.
- the Indian JP 2003253383 described steel includes a precured tool steel for plastic casting with ferritic-pearlitic basic structure (0.1 to 0.3% C, 0.5 to 2.0% Mn, 0.2 to 2.5% Cr, 0 to 0.15% Mo, 0.01 to 0.25% V), in which the excellent workability and weldability are in the foreground.
- the publication CH 165893 relates to an iron alloy which is particularly suitable for hot working tools (dies, dies or the like) and has a low-chromium (up to chromium-free) and tungsten cobalt nickel-containing (preferably with additions of molybdenum and vanadium) chemical composition.
- the reduced chromium content or the complete abandonment of chromium as an alloying element is held responsible for significant property improvements and the combination of positive alloy properties. It was found that even slight reductions in the chromium content have a significantly greater influence on the desired properties (for example, a high hot tensile strength, toughness and insensitivity to temperature fluctuations and thus a good thermal conductivity) than the addition of large amounts of W, Co and Ni.
- EP 0787813 B1 is a heat resistant ferritic steel with a low Cr and Mn content and with excellent strength at high temperatures Temperatures known.
- the purpose of the invention disclosed in the aforementioned document was to provide a heat-resistant, low chromium ferritic steel having improved creep rupture strength under the conditions of long time periods at high temperatures as well as improved toughness, machinability and weldability even with thick products having.
- the description of alloying influences on carbide formation (coarsening), precipitation and solid solution strengthening highlights the need to stabilize the structure of the ferritic steel.
- the reduction of the Cr content to less than 3.5% is attributed to the suppressed lowering of the creep rupture strength due to the coarsening of Cr carbides at temperatures above 550 ° C, and to the improvement of toughness, workability and thermal conductivity.
- at least 0.8% Cr is considered a prerequisite for maintaining the oxidation and corrosion toughness of the steel at high temperatures.
- the German patent DE 4321433 C1 relates to a steel for hot work tools, such as those used for the primary forming, forming and machining of materials (especially in die casting, extrusion, drop forging or as a shear blade) at temperatures up to 1100 ° C. It is characteristic that the steel in the temperature range of 400 to 600 ° C has a thermal conductivity of over 35 W / mK (although this generally decreases with increasing alloy content) and at the same time has a high wear resistance (tensile strength over 700 N / mm 2 ). The very good thermal conductivity is attributed on the one hand to the increased molybdenum content (3.5 to 7.0% Mo) and, on the other hand, to a maximum chromium content of 4.0%.
- the JP 61030654 relates to the use of a steel with high hot crack and hot break strength and high thermal conductivity as a material for the production of shells for rolls in continuous aluminum casting plants.
- the opposing tendencies in influencing the hot cracking or hot breaking strength and the thermal conductivity through the alloy composition are discussed.
- Silicon contents above 0.3% and chromium contents above 4.5% are considered to be particularly disadvantageous in terms of thermal conductivity.
- Possible procedures for setting a hardened martensitic microstructure of the roll shells produced from the steel alloy according to the invention are listed.
- the EP 1300482 B1 relates to a hot working steel, in particular for tools for forming at elevated temperatures, with the simultaneous occurrence of the properties: increased hardness, strength and toughness and good thermal conductivity, improved wear resistance at elevated temperatures and service life extension under impact loads. It is shown that by certain concentrations within narrow limits of carbon (0.451 to 0.598% C) as well as special carbide and monocarbide forming elements (4.21 to 4.98% Cr, 2.81 to 3.29% Mo, 0.41 to 0.69% V) promoted a desired Mischkristallhärt zucchini thermal annealing and a carbide curing or a hardness increasing excretion of coarser carbides at the expense of matrix hardness can be largely suppressed. An improvement of the thermal conductivity by a reduction of the carbide content could be based on an interface kinetics and / or on the properties of the carbides.
- a disadvantage of the tool steels known from the prior art, in particular hot working steels, and the steel articles produced therefrom is that they have only insufficient thermal conductivity for some fields of application. Furthermore, it has not been possible to adjust the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work tool, targeted and thus defined to adapt to the particular application.
- the present invention sets and makes it its task to provide a method by means of which a targeted adjustment of the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work tool steel, can be achieved.
- the object of the present invention is to provide a tool steel, in particular a hot-work tool steel, and to provide a steel article having a higher thermal conductivity than the tool steels known from the prior art (in particular hot-work tool steels) or steel articles.
- an inventive method for adjusting the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work steel characterized in that an inner structure of the structure defined steel is generated metallurgically, the carbide components have a defined electron and phonon density and / or their crystal structure by a specifically generated lattice defects have certain mean free path for the phonon and electron flow.
- An advantage of the solution according to the invention is that the thermal conductivity of a steel can be tailored to the desired size by defining the internal structure of the steel in the manner defined above metallurgically is produced.
- the method according to the invention is suitable, for example, for tool and hot-work tool steels.
- a method according to the invention for adjusting, in particular for increasing the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work steel characterized in that an inner structure structure of the steel defined metallurgically generated, which has an increased electron and phonon density in their carbide components and or which has an increased mean free path for the phonon and electron flow due to a low defect content in the crystal structure of the carbides and the surrounding metallic matrix.
- the heat conductivity of the steel at room temperature can be set to more than 42 W / mK, preferably to more than 48 W / mK, in particular to more than 55 W / mK.
- the particular advantage of the tool steels according to the invention consists primarily in the drastically increased thermal conductivity in comparison to the tool and hot working steels known from the prior art. It is clear that the tool steel according to the invention in addition to iron as the main component the elements C (or C and N according to claim 5 and C, N and B according to claim 6), Cr, Mo and W in the above-mentioned ranges and unavoidable impurities.
- the other alloying elements are thus optional components of the tool steel, since their content may possibly also be 0% by weight.
- An essential aspect of the solution described here is to keep carbon and preferably also chromium in the solid solution state largely out of the steel matrix and to replace the Fe 3 C carbides by carbides with higher thermal conductivity. Chromium can only be kept out of the matrix by not being present at all. Carbon can be bound in particular with carbide formers, where Mo and W are the most cost-effective elements and have a comparatively high thermal conductivity both as elements and as carbides.
- Quantum mechanical simulation models for tool steels and in particular for hot working steels can show that solid state carbon and chromium lead to matrix distortion, resulting in a shortening of the mean free path of phonons. A larger elastic modulus and a higher thermal expansion coefficient are the result.
- the influence of carbon on electron and phonon scattering has also been investigated using suitable simulation models.
- the advantages of a carbon-chromium-depleted matrix could be verified by increasing the thermal conductivity. While the thermal conductivity of the matrix is dominated by electron flow, the conductivity of the carbides is determined by the phonons. In the solid solution state, chromium has a very negative effect on the thermal conductivity achieved by electron flow.
- the tool steels according to the invention (in particular hot working steels) according to claims 4, 5 and 6 can have a thermal conductivity at room temperature of more than 42 W / mK, preferably a thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular a thermal conductivity of more than 55 W / mK , Surprisingly, it has been found that thermal conductivities in the order of more than 50, in particular about 55 to 60 W / mK and even beyond can be achieved.
- the thermal conductivity of the hot work steel according to the invention can thus be almost twice as large as in the known from the prior art hot working steels.
- the steel described here is particularly suitable for applications in which a high thermal conductivity is required. In the drastically improved thermal conductivity thus there is the particular advantage of the tool steel according to the invention over the solutions known from the prior art.
- the thermal conductivity of the tool steel is adjustable by a method according to one of claims 1 to 3.
- the thermal conductivity of the tool steel can be specifically adapted and adjusted to the specific application.
- the tool steel may contain the carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta individually or in a proportion of up to 3% by weight.
- the elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta are known in metallurgy as strong carbide formers. Strong carbide formers have been found to be beneficial in increasing the thermal conductivity of the tool steel as they have a better ability to remove solid state carbon from the matrix. Carbides with a high Thermal conductivity can further increase the conductivity of the tool steel. It is known from metallurgy that the following elements are carbide formers, the carbon affinity of which is listed below in ascending order: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr, Hf.
- the tool steel may contain the alloying element vanadium at a level of up to 4% by weight.
- vanadium accounts for fine carbide networks.
- numerous mechanical properties of the tool steel can be improved for some applications.
- Vanadium is characterized not only by its higher carbon affinity compared to molybdenum, but also has the advantage that its carbides have a higher thermal conductivity.
- vanadium is a relatively inexpensive element.
- a disadvantage of vanadium over molybdenum is that the vanadium remaining in the solid solution state has a comparatively much greater negative effect on the thermal conductivity of the tool steel. For this reason, it is not advantageous to alloy the tool steel with vanadium alone.
- the tool steel may contain one or more solid solution strengthening elements, in particular Co, Ni, Si and / or Mn.
- the tool steel Mn has a content of up to 2% by weight.
- a content of up to 6 wt% Co may be advantageous.
- the tool steel may have Co with a content of up to 3% by weight, preferably with a content of up to 2% by weight.
- the hot working steel has Si content of up to 1.6% by weight.
- the tool steel may optionally contain sulfur S at a level of up to 1% by weight.
- FIG. 1 For a given cross section through a metallographically prepared sample of a tool steel made in Fig. 1 is shown schematically, it is possible in a light or scanning electron microscopic observation of the microstructural structure structure by means of optical image analysis techniques, the area fractions of the carbides A c and the matrix material Am to be quantified.
- the large-area carbides are referred to as primary carbides 1 and the small-area carbides as secondary carbides 2.
- the matrix material shown in the background is shown in FIG Fig. 1 denoted by the reference numeral 3.
- ⁇ int A m / A dead * ⁇ m + A c / A dead * ⁇ c ⁇ m is the thermal conductivity of the matrix material 3 and ⁇ c is the thermal conductivity of the carbides 1, 2.
- EMT Effective-Medium Theory
- f c describes the volume fraction of carbides1, 2.
- the volume fraction of the carbides f c ultimately decides which of the two heat conductivities A c and ⁇ m is more relevant.
- the amount of carbides is ultimately defined by the application-specific mechanical resistance requirements and in particular the wear resistance of the tool steel.
- the carbide structure for the different main fields of application of the inventively developed tool steels quite different design specifications.
- hot sheet forming which also includes the conceptual variants of press hardening and mold hardening
- the tools are subject to high stress due to contact-bonded wear mechanisms both in adhesive and in abrasive form. Therefore, large area primary carbides are highly desirable because they can increase resistance to these wear mechanisms. The consequence of such a primary carbide-rich microstructure is a high amount of f c .
- the ultimate goal is to maximize the thermal conductivity of all system components.
- the application-specific design specifications for the carbide development result in a weighting of the influence of the thermal conductivities of the system components on the integral thermal conductivity of the overall system.
- molybdenum and tungsten should be considered as preferred carbide formers. Molybdenum is particularly preferred in this context because it is a much stronger carbide former than tungsten. The effect of depletion of molybdenum in the matrix results in improved electron conductivity in the matrix and thus contributes to a further improvement in the integral thermal conductivity of the overall system.
- the liquid aluminum itself provides adequate corrosion protection.
- the surface edge layers of the tools that are nitrided for wear protection.
- Corrosion-protecting lubricants as well as coolants and release agents also play their part in corrosion protection.
- very thin protective layers can be applied by electroplating or by vacuum coating.
- the higher thermal conductivity of the tools produced from the tool steels according to the invention allows, for example, a reduction in the cycle times during the machining / production of workpieces.
- Another advantage is a significant reduction of the surface temperature of the tool as well as the reduction of the surface temperature gradient, which has a considerable effect on the longevity of the tool. This is particularly the case when tool damage is primarily due to thermal fatigue, thermal shock or welding. This is the case in particular with regard to tools for aluminum die-casting applications.
- the remaining mechanical and / or thermal properties of the tool steels according to the invention could either be improved or at least remain unchanged in comparison with the tool steels known from the prior art.
- the modulus of elasticity could be reduced; the density of the tool steels according to the invention (in particular hot-work steels) could be increased in comparison to conventional ones Hot working steels increased and the thermal expansion coefficient could be reduced.
- further improvements can be achieved, such as increased mechanical strength at high temperatures or increased wear resistance.
- the tool steel has less than 1.5% by weight Cr, preferably less than 1% by weight Cr. In a particularly preferred embodiment, there is the possibility that the tool steel has less than 0.5% by weight Cr, preferably less than 0.2, in particular less than 0.1% by weight Cr.
- the presence of chromium in the solid solution state in the matrix of tool steel negatively affects its thermal conductivity.
- the intensity of this negative effect on thermal conductivity by increasing the chromium content in the tool steel is greatest for the interval of less than 0.4 wt% Cr.
- An interval graduation in the decrease in the intensity of adverse effect on the thermal conductivity of the tool steel is in the two intervals of more than 0.4 wt .-%, but less than 1 wt .-%, as well as more than 1 wt .-% and less than 2% by weight is preferred.
- a balance of the demands made on the tool steel with regard to the thermal conductivity and the oxidation resistance and can be reflected in an optimizedsolution of chromium be made.
- a content of about 0.8% by weight of chromium provides the tool steel with good corrosion protection. It has been found that additives exceeding this content of about 0.8% by weight of chromium an undesirable dissolution of chromium in the carbides can result.
- the molybdenum content of the tool steel is from 0.5 to 7% by weight, in particular from 1 to 7% by weight.
- molybdenum has a comparatively high carbon affinity.
- molybdenum carbides have a higher thermal conductivity than iron and chromium carbides.
- the adverse effect of molybdenum in the solid solution state on the thermal conductivity of the tool steel compared to chromium in the solid solution state is considerably lower.
- molybdenum is one of those carbide formers that are suitable for a large number of applications.
- other carbide formers with smaller secondary carbides, such as vanadium (about 1-15 nm colonies versus up to 200 nm large colonies on molybdenum) are the more preferable choice.
- Molybdenum can be replaced by tungsten in many applications.
- the carbon affinity of tungsten is slightly lower and the thermal conductivity of tungsten carbide is considerably larger.
- the content of Mo, W and V in the sum is 2 to 10% by weight.
- the content of these three elements in the sum is in particular dependent on the desired number of carbides, that is, on the respective application requirements.
- the impurities of the tool steel may contain one or more of the elements Cu, P, Bi, Ca, As, Sn or Pb with a content of at most 1% by weight. individually or in total.
- Cu is in addition to Co, Ni, Si and Mn another suitable element for solid solution solidification, so that at least a small amount of Cu in the alloy may optionally be advantageous.
- S which may optionally be present with a content of at most 1 wt .-%
- the elements Ca, Bi or As can simplify the workability of the tool steel.
- both Mo and W carbides are more advantageous than chromium and iron carbides in terms of mechanical stability and strength properties. Depletion of chromium, along with the reduction in carbon content in the matrix, results in improved thermal conductivity, especially when it is due to tungsten and / or molybdenum carbides.
- the methods by which the tool steels presented here (in particular hot-work steels) are also produced play an important role in its thermal and mechanical properties.
- the mechanical and / or thermal properties of the tool steel can thus be selectively varied and thereby adapted to the respective intended use.
- the tool steels described in the context of the present invention can be produced, for example, by powder metallurgy (hot isostatic pressing).
- powder metallurgy hot isostatic pressing
- the tool steel can also be processed by per se known refining methods, such as VAR (Vacuum Arc Remelting), AOD (Argon Oxygen Decarburization), or so-called ESR (ESR: Electro Slag Remelting) processes.
- VAR Vauum Arc Remelting
- AOD Aron Oxygen Decarburization
- ESR Electro Slag Remelting
- a tool steel according to the invention can be produced, for example, by sand or precision casting. It can be produced by hot pressing or another powder metallurgy process (sintering, cold pressing, isostatic pressing) and all these manufacturing processes with or without the use of thermomechanical processes (forging, rolling, extrusion). Also, less conventional manufacturing methods such as thixo casting, plasma or laser deposition and local sintering can be used. In order to produce objects with a composition which changes within the volume from the tool steel, the sintering of powder mixtures can be advantageously used.
- the steel developed in the context of the present invention can also be used as a filler metal filler (for example in powder form for laser welding, as rod or profile for metal inert gas welding (MIG welding), metal active gas welding (MAG welding), tungsten inert gas welding ( TIG welding) or for welding with coated electrodes).
- MIG welding metal inert gas welding
- MAG welding metal active gas welding
- TIG welding tungsten inert gas welding
- a steel article according to the invention is characterized by the features of claim 25 and consists at least in part of a tool steel, in particular of a hot-work tool steel, according to one of claims 4 to 23.
- the steel article has a substantially constant thermal conductivity over its entire volume.
- the steel article in this embodiment can be made entirely of a tool steel, in particular a hot-work tool, according to one of claims 4 to 23.
- the steel article has an at least partially changing thermal conductivity.
- the steel article at room temperature at least in sections, a thermal conductivity of more than 42 W / mK, preferably have a thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular a thermal conductivity of more than 55 W / mK.
- the steel article may at room temperature over its entire volume, a thermal conductivity of more than 42 W / mK, preferably a thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular have a thermal conductivity of more than 55 W / mK.
- the steel article may, in advantageous embodiments, be, for example, a forming tool in processes of pressure forming, shear forming, or bend forming metals, preferably in forging processes, drop forging processes, thixo forging processes, extrusion processes, extrusion processes, die bending processes, roll forming processes, or in flat, profile, and cast roll processes ,
- the steel article may, in further advantageous embodiments, be a forming tool in processes of draw-forming and tensile-forming of metals, preferably in press-hardening processes, form-hardening processes, deep-drawing processes, stretch-drawing processes and neck-pulling processes.
- the steel article may be a forming tool in processes of forming metallic starting materials, preferably in die casting processes, vacuum die casting processes, thixocasting processes, cast roll processes, sintering processes, and hot isostatic pressing processes.
- the steel article is a shaping tool in processes of primary shaping of polymeric starting materials, preferably in injection molding processes, extrusion processes and extrusion blow molding processes, or a forming tool in processes of primary shaping of ceramic starting materials, preferably in sintering processes.
- the steel article may be a component for machines and plants for power generation and energy conversion, preferably for internal combustion engines, reactors, heat exchangers and generators.
- the steel object is a component for machines and plants of chemical engineering, preferably for chemical reactors.
- the hot-work steel contains unavoidable impurities and iron as its main component.
- the hot work tool steel may contain strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, at a level of up to 3% by weight singly or in total.
- the abrasion resistance of the tool made of hot-work steel plays a particularly important role.
- the volume of the primary carbides formed should therefore be as large as possible.
- the hot working steel contains iron (as a main component) and inevitable impurities.
- the hot work tool steel may contain strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, at a level of up to 3 weight percent, singly or in total.
- Fe 3 C should not be present if possible.
- Cr and V with additions of Mo and W are the preferred elements to replace Fe 3 C.
- Cr is also replaced by Mo and / or W.
- W and / or Mo can also be used.
- stronger carbide formers such as Ti, Zr, Hf, Nb or Ta can also be used. The choice of carbide formers and their proportions, in turn, depends on the particular application and requirements with respect to the thermal and / or mechanical properties of the tool made from the hot work tool steel.
- the hot-work steel contains unavoidable impurities and iron as its main component.
- the hot work tool steel may include strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, individually or in the amount up to 3% by weight Sum. A greater toughness of the hot work steel is required in this application, so that primary carbides should be suppressed as completely as possible and thus stable carbide formers are more advantageous.
- the hot-work tool steel contains iron as the main ingredient and inevitable impurities.
- the hot work tool steel may have strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, at a level of up to 3% by weight singly or in total.
- the proportion of vanadium should be kept as low as possible.
- the vanadium content of the hot work tool steel may be less than 1% by weight and more preferably less than 0.5% by weight, and in a most preferred embodiment less than 0.25% by weight.
- the hot working steel contains iron as the main component and inevitable impurities.
- the hot work tool steel may have strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, at a level of up to 3 percent by weight, singly or in total.
- the hot-work steel in this example contain elements for solid solution strengthening, in particular Co, but also Ni, Si, Cu and Mn.
- elements for solid solution strengthening in particular Co, but also Ni, Si, Cu and Mn.
- a content of up to 6% by weight of Co has proved to be advantageous in order to improve the high-temperature strength of the tool.
- Table 1 shows some thermoelastic characteristics of five exemplary samples (Sample F1 through Sample F5) of a hot work tool according to the present invention as compared to conventional tool steels.
- Sample F1 through Sample F5 the hot working steels have a higher density than the known tool steels.
- the results show that the thermal conductivity of the samples of the hot work tool steel according to the invention is drastically increased compared to the conventional tool steels.
- Table 2 summarizes the mechanical properties of two hot work steel samples (samples F1 and F5) according to the present invention compared to conventional tool steels.
- Fig. 2 shows the abrasion resistance of two samples (F1 and F5) of a hot work tool compared to conventional tool steels.
- the abrasion resistance was determined using a pin made of the corresponding steel and a washer made of a USIBOR 1500P sheet.
- the sample "1.2344" is the reference sample (abrasion resistance: 100%).
- a 200% abrasion resistance material thus has twice as high abrasion resistance as the reference sample and thus experiences only half the weight loss during the abrasion test procedure. It can be seen that the samples of hot-work steel according to the invention have a very high abrasion resistance compared to most known steels.
- tool steels in particular hot work steels, according to the present invention and their properties will be explained in more detail.
- Thermal and thermal conductivity are the most important thermophysical material parameters for describing the heat transport properties of a material or component.
- LFA laser flash technique
- the relevant test specifications are specified in the relevant standards DIN 30905 and DIN EN 821.
- the LFA 457 MicroFlash® from NETZSCH-Gerätebau GmbH, Wittelsbacherstrasse 42, 95100 Selb / Bavaria (Germany) was used.
- Fig. 3 the dependence of the thermal conductivity on the percentage by weight of chromium determined by this method is shown for a selection of tool steels of the chemical composition marked FC or FC + xCr in Table 3.
- the composition differs above all in the percentage by weight of the alloying element chromium.
- These steels additionally have a high resistance to abrasive and adhesive wear due to a comparatively large volume fraction of primary carbides over the possible adjustment of desired thermal conduction properties according to the present invention and are therefore suitable for high mechanical stresses, as typically occur in hot forming processes.
- Fig. 4 is the dependence of the thermal conductivity determined by the method described above on the proportion by weight of chromium for a selection of tool steels of the chemical composition identified in Table 4 with FM or FM + xCr.
- the compositions differ mainly in the percentage by weight of the alloying element chromium.
- These tool steels are particularly suitable for use in die-casting processes, since they are characterized by a comparatively small proportion of primary carbides.
- Table 5 summarizes the chemical composition of a tool steel F according to the invention for the comparative investigation of the process behavior.
- the present invention also includes the aspect of fine adjustment by a defined heat treatment.
- Table 6 shows by way of example the influence of different heat treatment conditions for the alloy variants F with the chemical composition summarized in Table 5 and FC with the chemical composition summarized in Table 3 on the resulting thermal conductivity.
- the reason for the varying thermal conductivity depending on the heat treatment is the resulting volume fraction of carbides and their changed distribution and morphology.
- the weight fraction of carbon including the carbon equivalent components N and B should be adjusted so that as little carbon in the matrix remains in solution.
- xC is the weight percentage of C
- xN is the weight percentage of N
- xB is the Weight percentage of B
- HC xCeq - AC ⁇ xMo / 3 ⁇ AMo + xW / 3 ⁇ AW + xV - 0 . 4 / AV to be discribed.
- the amount of HC should advantageously be between 0.03 and 0.165.
- the amount of HC may also be between 0.05 and 0.158, in particular between 0.09 and 0.15.
- the factor 3 appears in the above-mentioned equation in the case where carbides of the M3C or M3Fe3C type are expected in the microstructure of the tool steel according to the invention; M stands for any metallic element.
- the factor 0.4 appears due to the fact that the desired weight percentage vanadium (V) in the alloy production is usually added in chemical compound in the form of carbides and thus also present up to this proportion as metal carbide MC.
- a steel having a well-defined thermal conductivity can be obtained.
- a steel object which consists at least partly of one of the tool steels (hot working steels) presented here, with a volume-changing thermal conductivity.
- It can be any procedure that has a Variation of the chemical composition within the steel article, such as sintering of powder mixtures, local sintering or local melting, or so-called “rapid-tooling” method or “rapid-prototyping” method or a combination of "rapid-tooling” Method and "rapid prototyping” method can be used.
- hot sheet metal forming press hardening, tempering
- light metal die casting there are generally tool and forming metal casting processes, plastic injection molding and massive forming processes, in particular hot massive forming (for example forging, extrusion, extrusion, rolling), the preferred application areas represent for the hot working steels according to the invention.
- the steels presented here represent ideal conditions for their use in the production of cylinder liners in internal combustion engines, for cutting tools or brake discs.
- Table 7 lists, in addition to the alloy variants already listed in Tables 3 and 4, further exemplary embodiments of tool steels according to the invention (hot working steels).
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkzeugstahl, insbesondere einen Warmarbeitsstahl, mit folgender Zusammensetzung : 0,26 bis 0, 55 Gew.-% C; < 2 Gew.-% Cr; 0 bis 10 Gew.-% Mo; 0 bis 15 Gew.-% W; wobei der Gehalt von W und Mo in der Summe 1,8 bis 15 Gew.-% beträgt; karbidbildende Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Gehalt von 0 bis 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe; 0 bis 4 Gew.- % V; 0 bis 6 Gew.-% Co; 0 bis 1,6 Gew.-% Si; 0 bis 2 Gew.-% Mn; 0 bis 2,99 Gew.-% Ni; 0 bis 1 Gew.-% S; Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen. Der Warmarbeitsstahl weist im Vergleich zu bekannten Werkzeugstählen eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit auf. The present invention relates to a tool steel, in particular a hot work tool, having the following composition: 0.26 to 0.55 wt .-% C; <2% by weight Cr; 0 to 10% by weight of Mo; 0 to 15 wt% W; wherein the content of W and Mo in the sum of 1.8 to 15 wt .-% is; carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of 0 to 3 wt .-%, individually or in total; 0 to 4% by weight V; 0 to 6% by weight of Co; 0 to 1.6% by weight of Si; 0 to 2% by weight of Mn; 0 to 2.99% by weight of Ni; 0 to 1% by weight of S; Remainder: iron and unavoidable impurities. The hot-work steel has a much higher thermal conductivity compared to known tool steels.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, auf einen Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, und auf eine Verwendung eines Werkzeugstahls. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Stahlgegenstand.The present invention relates to a method for adjusting the thermal conductivity of a steel, to a tool steel, in particular hot-work tool steel, and to a use of a tool steel. Moreover, the present invention relates to a steel article.
Warmarbeitsstähle sind legierte Werkzeugstähle, die neben Eisen als Legierungselemente insbesondere Kohlenstoff, Chrom, Wolfram, Silizium, Nickel, Molybdän, Mangan, Vanadium und Kobalt mit unterschiedlichen Anteilen enthalten.Hot-work tool steels are alloyed tool steels, which in addition to iron as alloying elements contain in particular carbon, chromium, tungsten, silicon, nickel, molybdenum, manganese, vanadium and cobalt with different proportions.
Aus Warmarbeitsstählen können Warmarbeitsstahlgegenstände, wie zum Beispiel Werkzeuge, hergestellt werden, welche für die Bearbeitung von Werkstoffen, insbesondere beim Druckgießen, beim Strangpressen oder beim Gesenkschmieden, geeignet sind. Beispiele für derartige Werkzeuge sind Strangpressmatrizen, Schmiedewerkzeuge, Druckgießformen, Pressstempel, oder dergleichen, die bei hohen Arbeitstemperaturen besondere mechanische Festigkeitseigenschaften aufweisen müssen. Ein weiteres Anwendungsgebiet für Warmarbeitsstähle sind Werkzeuge zum Spritzgießen von Kunststoffen.Hot work tool steels may be used to make hot work steel objects, such as tools, which are suitable for machining materials, in particular die casting, extrusion or die forging. Examples of such tools are extrusion dies, forging tools, die casting dies, press dies, or the like, which must have special mechanical strength properties at high working temperatures. Another field of application for hot working steels are tools for the injection molding of plastics.
Eine wesentliche Funktionalität von Werkzeugstählen, insbesondere von Warmarbeitsstählen, und aus diesen gefertigten Stahlgegenständen besteht darin, bei der Verwendung in technischen Prozessen eine hinreichende Abfuhr von zuvor eingebrachter beziehungsweise im Prozess selbst generierter Wärme sicherzustellen.An essential functionality of tool steels, in particular of hot-work steels, and of steel articles manufactured therefrom, is a sufficient dissipation of previously introduced when used in industrial processes or to ensure heat generated in the process itself.
Warmarbeitswerkzeuge, die aus einem Warmarbeitsstahl hergestellt sind, müssen neben einer hohen mechanischen Stabilität bei höheren Arbeitstemperaturen eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie einen hohen Warmverschleißwiderstand aufweisen. Weitere wichtige Eigenschaften von Warmarbeitsstählen sind neben einer ausreichenden Härte und Festigkeit auch eine hohe Warmhärte sowie ein hoher Verschleißwiderstand bei hohen Arbeitstemperaturen.Hot work tools, which are made of a hot-work steel, must have a high thermal conductivity and a high heat wear resistance in addition to a high mechanical stability at higher working temperatures. Other important properties of hot-work steels are not only a sufficient hardness and strength but also a high hot hardness and high wear resistance at high working temperatures.
Eine hohe Wärmeleitfähigkeit des zur Herstellung von Werkzeugen eingesetzten Warmarbeitsstahls ist für manche Anwendungen von besonderer Bedeutung, da diese eine erhebliche Taktzeitverkürzung bewirken kann. Da der Betrieb von Warmumformvorrichtungen für das Warmumformen von Werkstücken relativ kostspielig ist, kann durch eine Reduzierung der Taktzeiten eine erhebliche Kosteneinsparung erreicht werden. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Warmarbeitsstahls ist ferner beim Hochdruckgießen von Vorteil, da die dort verwendeten Gießformen auf Grund einer stark erhöhten thermischen Dauerfestigkeit eine wesentlich längere Lebensdauer haben.A high thermal conductivity of the used for the production of tools hot-work steel is for some applications of particular importance, as this can cause a significant cycle time reduction. Since the operation of hot forming devices for hot working of workpieces is relatively expensive, a significant cost saving can be achieved by reducing the cycle times. A high thermal conductivity of hot-work steel is also advantageous in high-pressure casting, since the casting molds used there have a much longer life due to a greatly increased thermal fatigue strength.
Die zur Herstellung von Werkzeugen häufig eingesetzten Werkzeugstähle weisen typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit in einer Größenordnung von etwa 18 bis 24 W/mK bei Raumtemperatur auf. Im Allgemeinen betragen die Wärmeleitfähigkeiten der aus dem Stand der Technik bekannten Warmarbeitsstähle etwa 16 bis 37 W/mK.The tool steels commonly used to make tools typically have a thermal conductivity on the order of about 18 to 24 W / mK at room temperature. In general, the thermal conductivities of the hot working steels known from the prior art are about 16 to 37 W / mK.
Aus der
- 0,30 bis 0,55 Gew.-% C;
- weniger als 0,90 Gew.-% Si;
- bis 1,0 Gew.-% Mn;
- 2,0 bis 4,0 Gew.-% Cr;
- 3,5 bis 7 Gew.-% Mo;
- 0,3 bis 1,5 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Vanadium, Titan und Niob.
- 0.30 to 0.55 wt% C;
- less than 0.90% by weight of Si;
- to 1.0% by weight of Mn;
- 2.0 to 4.0% by weight Cr;
- 3.5 to 7 wt% Mo;
- 0.3 to 1.5 wt .-% of one or more of the elements vanadium, titanium and niobium.
Herkömmliche Warmarbeitswerkzeugstähle weisen typischerweise einen Chromgehalt von mehr als 2 Gew.-% auf. Chrom ist ein vergleichsweise kostengünstiger Karbidbildner und stellt dem Warmarbeitsstahl darüber hinaus eine gute Oxidationsbeständigkeit zur Verfügung. Ferner bildet Chrom sehr dünne Sekundärkarbide aus, so dass das Verhältnis der mechanischen Festigkeit zur Zähigkeit bei den herkömmlichen Warmarbeitswerkzeugstählen sehr gut ist.Conventional hot working tool steels typically have a chromium content of more than 2% by weight. Chromium is a comparatively inexpensive carbide former and also provides the hot work tool steel with good oxidation resistance. Further, chromium forms very thin secondary carbides, so that the mechanical strength to toughness ratio is very good in the conventional hot working tool steels.
Aus dem deutschen Patent
Die
Die japanische Druckschrift
Die japanische Druckschrift
Der in der
Um die Ac1-Umwandlungstemperatur in einem Werkzeugstahl, der durch eine hohe Oberflächentemperatur beim Walzen gekennzeichnet ist, zu erhöhen sowie eine exzellente Verarbeitbarkeit und geringe Fließspannungen einzustellen, wird in der
Die Druckschrift
Aus dem europäischen Patent
Aus der
Das deutsche Patent
Die
Die
Ein Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugstähle, insbesondere Warmarbeitsstähle, und der daraus hergestellten Stahlgegenstände besteht darin, dass diese für manche Anwendungsgebiete nur eine unzureichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ferner ist es bislang nicht möglich, die Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, gezielt einzustellen und somit definiert an den jeweiligen Anwendungszweck anzupassen.A disadvantage of the tool steels known from the prior art, in particular hot working steels, and the steel articles produced therefrom is that they have only insufficient thermal conductivity for some fields of application. Furthermore, it has not been possible to adjust the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work tool, targeted and thus defined to adapt to the particular application.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels dessen eine gezielte Einstellung der Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, erreicht werden kann. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Werkzeugstahl, insbesondere einen Warmarbeitsstahl, sowie einen Stahlgegenstand zur Verfügung zu stellen, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) beziehungsweise Stahlgegenstände aufweisen.This is where the present invention sets and makes it its task to provide a method by means of which a targeted adjustment of the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work tool steel, can be achieved. Moreover, the object of the present invention is to provide a tool steel, in particular a hot-work tool steel, and to provide a steel article having a higher thermal conductivity than the tool steels known from the prior art (in particular hot-work tool steels) or steel articles.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Hinsichtlich des Werkzeugstahls wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Werkzeugstahl (insbesondere Warmarbeitsstahl) mit den Merkmalen des Anspruchs 4, durch einen Werkzeugstahl (insbesondere Warmarbeitsstahl) mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und durch einen Werkzeugstahl (insbesondere Warmarbeitsstahl) mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Hinsichtlich des Stahlgegenstands wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Stahlgegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 25 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved with regard to the method by a method having the features of
Gemäß Anspruch 1 zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, dadurch aus, dass eine innere Aufbaustruktur des Stahls definiert metallurgisch erzeugt wird, deren karbidische Bestandteile eine definierte Elektronen- und Phononendichte aufweisen und/oder deren Kristallstruktur eine durch gezielt erzeugte Gitterdefekte bestimmte mittlere freie Weglänge für den Phononen- und Elektronenfluss aufweist. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Wärmeleitfähigkeit eines Stahls gezielt auf die gewünschte Größe eingestellt werden kann, indem die innere Aufbaustruktur des Stahls in der vorstehend beschriebenen Weise definiert metallurgisch erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Beispiel für Werkzeug- und Warmarbeitsstähle.According to
Gemäß Anspruch 2 zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einstellung, insbesondere zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, dadurch aus, dass eine innere Aufbaustruktur des Stahls definiert metallurgisch erzeugt wird, die in ihren karbidischen Bestandteilen eine erhöhte Elektronen- und Phononendichte aufweist und/oder die durch einen geringen Defektgehalt in der Kristallaufbaustruktur der Karbide und der sie umgebenden metallischen Matrix eine vergrößerte mittlere freie Weglänge für den Phononen- und Elektronenfluss aufweist. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme kann die Wärmeleitfähigkeit eines Stahls im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Stählen in definierter Weise eingestellt und insbesondere im Vergleich zu den bekannten Warmarbeitsstählen wesentlich erhöht werden.According to
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Wärmeleitfähigkeit des Stahls bei Raumtemperatur auf mehr als 42 W/mK, vorzugsweise auf mehr als 48 W/mK, insbesondere auf mehr als 55 W/mK eingestellt werden.In a preferred embodiment, the heat conductivity of the steel at room temperature can be set to more than 42 W / mK, preferably to more than 48 W / mK, in particular to more than 55 W / mK.
Gemäß Anspruch 4 zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, durch folgende Zusammensetzung aus:
- 0,26
0,55 Gew.-% C;bis - < 2 Gew.-% Cr;
- 0
bis 10 Gew.-% Mo; - 0 bis 15 Gew.-% W;
- wobei der Gehalt von W und Mo in
1,8 bis 15 Gew.-% beträgt;der Summe - karbidbildende Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit
einem Gehalt von 0bis 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe; - 0
bis 4 Gew.- % V; - 0
bis 6 Gew.-% Co; - 0
1,6% Gew.-% Si;bis - 0
bis 2 Gew.-% Mn; - 0
bis 2,99 Gew.-% Ni; - 0
bis 1 Gew.-% S; - Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 0.26 to 0.55 wt% C;
- <2% by weight Cr;
- 0 to 10% by weight of Mo;
- 0 to 15 wt% W;
- wherein the content of W and Mo in the sum of 1.8 to 15 wt .-% is;
- carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of 0 to 3 wt .-%, individually or in total;
- 0 to 4% by weight V;
- 0 to 6% by weight of Co;
- 0 to 1.6% by weight of Si;
- 0 to 2% by weight of Mn;
- 0 to 2.99% by weight of Ni;
- 0 to 1% by weight of S;
- Remainder: iron and unavoidable impurities.
Da es sich gezeigt hat, dass Kohlenstoff zumindest teilweise durch so genannte kohlenstoffäquivalente Bestandteile Stickstoff (N) und Bor (B) ersetzt werden kann, liefert ein Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, mit den Merkmalen des Anspruchs 5 beziehungsweise mit den Merkmalen des Anspruchs 6, der die nachfolgend aufgeführten chemischen Zusammensetzungen aufweist, eine gleichwertige Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe.Since it has been shown that carbon can be replaced at least partially by so-called carbon-equivalent constituents nitrogen (N) and boron (B), a tool steel, in particular hot-work steel, with the features of claim 5 or with the features of
Gemäß Anspruch 5 zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, durch folgende Zusammensetzung aus:
- 0,25
bis 1,00 Gew.-% C und N in der Summe; - < 2 Gew.-% Cr;
- 0
bis 10 Gew.-% Mo; - 0 bis 15 Gew.-% W;
- wobei der Gehalt von W und Mo in
1,8 bis 15 Gew.-% beträgt;der Summe - karbidbildende Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit
einem Gehalt von 0bis 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe; - 0
bis 4 Gew.- % V; - 0
bis 6 Gew.-% Co; - 0
1,6% Gew.-% Si;bis - 0
bis 2 Gew.-% Mn; - 0
bis 2,99 Gew.-% Ni; - 0
bis 1 Gew.-% S; - Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 0.25 to 1.00% by weight of C and N in total;
- <2% by weight Cr;
- 0 to 10% by weight of Mo;
- 0 to 15 wt% W;
- wherein the content of W and Mo in the sum of 1.8 to 15 wt .-% is;
- carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of 0 to 3 wt .-%, individually or in total;
- 0 to 4% by weight V;
- 0 to 6% by weight of Co;
- 0 to 1.6% by weight of Si;
- 0 to 2% by weight of Mn;
- 0 to 2.99% by weight of Ni;
- 0 to 1% by weight of S;
- Remainder: iron and unavoidable impurities.
Gemäß Anspruch 6 zeichnet sich ein weiterer erfindungsgemäßer Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, durch folgende Zusammensetzung aus:
- 0,25
bis 1,00 Gew.-% C, N und B in der Summe; - < 2 Gew.-% Cr;
- 0
bis 10 Gew.-% Mo; - 0 bis 15 Gew.-% W;
- wobei der Gehalt von W und Mo in
1,8 bis 15 Gew.-% beträgt;der Summe - karbidbildende Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit
einem Gehalt von 0bis 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe; - 0
bis 4 Gew.- % V; - 0
bis 6 Gew.-% Co; - 0
1,6% Gew.-% Si;bis - 0
bis 2 Gew.-% Mn; - 0
bis 2,99 Gew.-% Ni; - 0
bis 1 Gew.-% S; - Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 0.25 to 1.00% by weight of C, N and B in the sum;
- <2% by weight Cr;
- 0 to 10% by weight of Mo;
- 0 to 15 wt% W;
- wherein the content of W and Mo in the sum of 1.8 to 15 wt .-% is;
- carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of 0 to 3 wt .-%, individually or in total;
- 0 to 4% by weight V;
- 0 to 6% by weight of Co;
- 0 to 1.6% by weight of Si;
- 0 to 2% by weight of Mn;
- 0 to 2.99% by weight of Ni;
- 0 to 1% by weight of S;
- Remainder: iron and unavoidable impurities.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Werkzeugstähle besteht in erster Linie in der drastisch erhöhten Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeug- und Warmarbeitsstählen. Es wird deutlich, dass der erfindungsgemäße Werkzeugstahl neben Eisen als Hauptbestandteil die Elemente C (beziehungsweise C und N gemäß Anspruch 5 und C, N und B gemäß Anspruch 6), Cr, Mo und W in den oben angegebenen Bereichen sowie unvermeidbare Verunreinigungen enthält. Die übrigen Legierungselemente (Legierungsbegleitelemente) sind somit optionale Bestandteile des Werkzeugstahls, da ihr Gehalt gegebenenfalls auch 0 Gew.-% betragen kann.The particular advantage of the tool steels according to the invention consists primarily in the drastically increased thermal conductivity in comparison to the tool and hot working steels known from the prior art. It is clear that the tool steel according to the invention in addition to iron as the main component the elements C (or C and N according to claim 5 and C, N and B according to claim 6), Cr, Mo and W in the above-mentioned ranges and unavoidable impurities. The other alloying elements (alloying accompanying elements) are thus optional components of the tool steel, since their content may possibly also be 0% by weight.
Ein wesentlicher Aspekt der hier beschriebenen Lösung besteht darin, Kohlenstoff und vorzugsweise auch Chrom im Festlösungszustand weitgehend aus der Stahl-Matrix herauszuhalten und die Fe3C-Karbide durch Karbide mit höherer Wärmeleitfähigkeit zu ersetzen. Chrom kann nur dadurch aus der Matrix herausgehalten werden, dass es überhaupt nicht vorhanden ist. Kohlenstoff kann insbesondere mit Karbidbildnern gebunden werden, wobei Mo und W die kostengünstigsten Elemente sind und sowohl als Elemente als auch als Karbide eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.An essential aspect of the solution described here is to keep carbon and preferably also chromium in the solid solution state largely out of the steel matrix and to replace the Fe 3 C carbides by carbides with higher thermal conductivity. Chromium can only be kept out of the matrix by not being present at all. Carbon can be bound in particular with carbide formers, where Mo and W are the most cost-effective elements and have a comparatively high thermal conductivity both as elements and as carbides.
Quantenmechanische Simulationsmodelle für Werkzeugstähle und insbesondere für Warmarbeitsstähle können zeigen, dass Kohlenstoff und Chrom im Festlösungszustand zu einer Matrixverzerrung führen, was eine Verkürzung der mittleren freien Weglänge von Phononen zur Folge hat. Ein größerer Elastizitätsmodul und ein höherer Wärmeausdehnungskoeffizient sind die Folge. Der Einfluss von Kohlenstoff auf die Elektronen- und Phononenstreuung ist mit Hilfe geeigneter Simulationsmodelle ebenfalls untersucht worden. Damit konnten die Vorteile einer im Hinblick auf Kohlenstoff sowie Chrom verarmten Matrix auf die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit verifiziert werden. Während die Wärmeleitfähigkeit der Matrix vom Elektronenfluss dominiert wird, wird die Leitfähigkeit der Karbide durch die Phononen bestimmt. Im Festlösungszustand hat Chrom eine sehr negative Wirkung auf die durch Elektronenfluss erzielte Wärmeleitfähigkeit.Quantum mechanical simulation models for tool steels and in particular for hot working steels can show that solid state carbon and chromium lead to matrix distortion, resulting in a shortening of the mean free path of phonons. A larger elastic modulus and a higher thermal expansion coefficient are the result. The influence of carbon on electron and phonon scattering has also been investigated using suitable simulation models. Thus, the advantages of a carbon-chromium-depleted matrix could be verified by increasing the thermal conductivity. While the thermal conductivity of the matrix is dominated by electron flow, the conductivity of the carbides is determined by the phonons. In the solid solution state, chromium has a very negative effect on the thermal conductivity achieved by electron flow.
Die erfindungsgemäßen Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) gemäß den Ansprüchen 4, 5 und 6 können eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 48 W/mK, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 55 W/mK haben. Überraschend hat es sich gezeigt, dass Wärmeleitfähigkeiten in einer Größenordnung von mehr als 50, insbesondere etwa 55 bis 60 W/mK und sogar darüber hinaus erreicht werden können. Die Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Warmarbeitsstahls kann somit fast doppelt so groß wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Warmarbeitsstählen sein. Damit eignet sich der hier beschriebene Stahl insbesondere auch für solche Anwendungen, bei denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit gefordert ist. In der drastisch verbesserten Wärmeleitfähigkeit besteht somit der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeugstahls gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen.The tool steels according to the invention (in particular hot working steels) according to
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 einstellbar. Dadurch kann die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls anwendungsspezifisch gezielt angepasst und eingestellt_werden.In a particularly advantageous embodiment, the thermal conductivity of the tool steel is adjustable by a method according to one of
Optional kann der Werkzeugstahl die karbidbildenden Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Anteil von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe enthalten. Die Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta sind in der Metallurgie als starke Karbidbildner bekannt. Es hat sich gezeigt, dass sich starke Karbidbildner im Hinblick auf die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls positiv auswirken, da diese eine bessere Fähigkeit besitzen, Kohlenstoff im Festlösungszustand aus der Matrix zu entfernen. Karbide mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit können die Leitfähigkeit des Werkzeugstahls darüber hinaus noch verstärken. Aus der Metallurgie ist bekannt, dass folgende Elemente Karbidbildner sind, wobei deren Kohlenstoffaffinität im Folgenden aufsteigend geordnet ist: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr, Hf.Optionally, the tool steel may contain the carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta individually or in a proportion of up to 3% by weight. The elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta are known in metallurgy as strong carbide formers. Strong carbide formers have been found to be beneficial in increasing the thermal conductivity of the tool steel as they have a better ability to remove solid state carbon from the matrix. Carbides with a high Thermal conductivity can further increase the conductivity of the tool steel. It is known from metallurgy that the following elements are carbide formers, the carbon affinity of which is listed below in ascending order: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr, Hf.
Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Generierung relativ großer und damit lang ausgedehnter Karbide, da die gesamte Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls einem Mischungsgesetz mit negativen Grenzeffekten folgt. Je stärker die Affinität eines Elements für Kohlenstoff ist, desto größer ist die Tendenz, relativ große Primärkarbide zu bilden. Die großen Karbide wirken sich allerdings in gewissen Maßen nachteilig auf einige mechanische Eigenschaften des Werkzeugstahls, insbesondere auf dessen Zähigkeit, aus, so dass für jeden Verwendungszweck des Werkzeugstahls ein geeigneter Kompromiss zwischen den gewünschten mechanischen und den thermischen Eigenschaften gefunden werden muss.Particularly advantageous in this context is the generation of relatively large and thus long extended carbides, since the entire thermal conductivity of the tool steel follows a law of mixing with negative limit effects. The stronger the affinity of an element for carbon, the greater the tendency to form relatively large primary carbides. However, the large carbides have a certain adverse effect on some mechanical properties of the tool steel, in particular on its toughness, so that a suitable compromise between the desired mechanical and thermal properties must be found for each intended use of the tool steel.
Optional kann der Werkzeugstahl das Legierungselement Vanadium mit einem Gehalt von bis zu 4 Gew.-% enthalten. Wie oben bereits erläutert, begründet Vanadium feine Karbidnetzwerke. Dadurch können zahlreiche mechanische Eigenschaften des Werkzeugstahls für manche Anwendungszwecke verbessert werden. Vanadium zeichnet sich im Vergleich zu Molybdän nicht nur durch seine höhere Kohlenstoffaffinität aus, sondern hat ferner den Vorteil, dass dessen Karbide eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Darüber hinaus ist Vanadium ein vergleichsweise kostengünstiges Element. Ein Nachteil von Vanadium gegenüber Molybdän besteht jedoch darin, dass das im Festlösungszustand verbleibende Vanadium einen vergleichsweise erheblich größeren negativen Effekt auf die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls ausübt. Aus diesem Grund ist es nicht von Vorteil, den Werkzeugstahl mit Vanadium allein zu legieren.Optionally, the tool steel may contain the alloying element vanadium at a level of up to 4% by weight. As explained above, vanadium accounts for fine carbide networks. As a result, numerous mechanical properties of the tool steel can be improved for some applications. Vanadium is characterized not only by its higher carbon affinity compared to molybdenum, but also has the advantage that its carbides have a higher thermal conductivity. In addition, vanadium is a relatively inexpensive element. A disadvantage of vanadium over molybdenum, however, is that the vanadium remaining in the solid solution state has a comparatively much greater negative effect on the thermal conductivity of the tool steel. For this reason, it is not advantageous to alloy the tool steel with vanadium alone.
Optional kann der Werkzeugstahl eines oder mehrere Elemente zum Festlösungsverfestigen, insbesondere Co, Ni, Si und/oder Mn enthalten. So besteht optional die Möglichkeit, dass der Werkzeugstahl Mn mit einem Gehalt von bis zu 2% Gew.-% aufweist. Um die Hochtemperaturfestigkeit des Werkzeugstahls zu verbessern, kann in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung zum Beispiel ein Gehalt von bis zu 6 Gew.-% Co vorteilhaft sein. Der Werkzeugstahl kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform Co mit einem Gehalt von bis zu 3 Gew.-%, vorzugsweise mit einem Gehalt von bis zu 2 Gew.-% aufweisen.Optionally, the tool steel may contain one or more solid solution strengthening elements, in particular Co, Ni, Si and / or Mn. Thus, there is optionally the possibility that the tool steel Mn has a content of up to 2% by weight. In order to improve the high-temperature strength of the tool steel, for example, depending on the concrete application, a content of up to 6 wt% Co may be advantageous. In a further preferred embodiment, the tool steel may have Co with a content of up to 3% by weight, preferably with a content of up to 2% by weight.
Um die Zähigkeit des Werkzeugstahls bei niedrigen Temperaturen zu erhöhen, kann optional vorgesehen sein, dass der Warmarbeitsstahl Si mit einem Gehalt von bis zu 1,6% Gew.-% aufweist.In order to increase the toughness of the tool steel at low temperatures, it may optionally be provided that the hot working steel has Si content of up to 1.6% by weight.
Um die Bearbeitbarkeit des Werkzeugstahls zu verbessern, kann der Werkzeugstahl optional Schwefel S mit einem Gehalt von bis zu 1 Gew.-% enthalten.In order to improve the machinability of the tool steel, the tool steel may optionally contain sulfur S at a level of up to 1% by weight.
Um das grundlegende Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, sollen nachfolgend einige wesentliche Gesichtspunkte der neuartigen metallurgischen Gestaltungsstrategie für Werkzeugstähle mit hoher Wärmeleitfähigkeit (Warmarbeitsstähle), die auch den erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt, näher erläutert werden.In order to facilitate the basic understanding of the present invention, some essential aspects of the novel metallurgical design strategy for tool steels with high thermal conductivity (hot working steels), which is also the basis of the method according to the invention, will be explained in more detail below.
Für einen gegebenen Querschnitt durch eine metallographisch präparierte Probe eines Werkzeugstahls, der in
Unter Vernachlässigung weiterer Mikrostrukturbestandteile (zum Beispiel Einschlüsse) lässt sich der Flächeninhalt der gesamten Oberfläche Atot des Werkzeugstahls in guter Näherung gemäß folgender Gleichung bestimmen:
Durch eine einfache mathematische Umformulierung erhält man folgende Gleichung;
Die Summanden dieser Gleichung sind als Gewichtungsfaktoren für einen Mischungsregelansatz geeignet.The summands of this equation are suitable as weighting factors for a mixture control approach.
Geht man nun davon aus, dass das Matrixmaterial 3 und die Karbide 1, 2 unterschiedliche Eigenschaften im Hinblick auf ihre Wärmeleitfähigkeit haben, so kann die integrale Gesamtwärmeleitfähigkeit λint dieses Systems nach einem solchen Mischungsregelansatz wie folgt beschrieben werden:
Diese Formulierung stellt zweifellos eine vereinfachte Systemsichtweise dar, die jedoch zum phänomenologischen Verständnis der vorliegenden Erfindung durchaus geeignet ist.This formulation undoubtedly represents a simplified system vision, but quite suitable for the phenomenological understanding of the present invention.
Eine realitätsgetreuere mathematische Modellierung der integralen Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems kann zum Beispiel unter Anwendung von so genannten Effective-Medium Theorien (EMT) erfolgen. Mit einem derartigen Ansatz wird die mikrostrukturelle Zusammensetzung des Werkzeugstahls als Verbundsystem bestehend aus die Karbideigenschaften abbildenden kugelförmigen Einzelstrukturelementen mit isotroper Wärmeleitfähigkeit, welche in ein Matrixmaterial mit anderer, jedoch ebenfalls isotroper Wärmeleitfähigkeit eingebettet sind, beschrieben:
In dieser Gleichung beschreibt fc den Volumenanteil der Karbide1, 2.In this equation, f c describes the volume fraction of carbides1, 2.
Diese Gleichung ist allerdings nicht eindeutig lösbar und daher auch nur begrenzt für eine gezielte Systemgestaltung nutzbar. Geht es um die Maximierung der Systemwärmeleitfähigkeit λint, so kann aus den zuvor formulierten Mischungsregeln grundsätzlich abgeleitet werden, dass eine solche Maximierung der Systemwärmeleitfähigkeit λint dann erreicht werden kann, wenn es gelingt, dass die Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Systemkomponenten λc und λm jeweils maximiert werden.However, this equation is not uniquely solvable and therefore only limited for a targeted system design usable. When it comes to maximizing the system thermal conductivity λ int , it can basically be deduced from the previously formulated mixture rules that such a maximization of the system thermal conductivity λ int can be achieved if the thermal conductivities of the individual system components λ c and λ m succeed be maximized.
Für die vorliegende Erfindung ist es dabei von besonderer Bedeutung, dass der Volumenanteil der Karbide fc letztlich darüber entscheidet, welche der beiden Wärmeleitfähigkeiten Ac und λm relevanter ist.For the present invention, it is of particular importance that the volume fraction of the carbides f c ultimately decides which of the two heat conductivities A c and λ m is more relevant.
Die Menge der Karbide wird letztlich durch die anwendungsspezifischen Anforderungen an die mechanische Beständigkeit und insbesondere an die Verschleißbeständigkeit des Werkzeugstahls definiert. So ergeben sich vor allem im Hinblick auf die Karbidstruktur für die unterschiedlichen Hauptanwendungsgebiete der erfindungsgemäß entwickelten Werkzeugstähle durchaus unterschiedliche Gestaltungsvorgaben.The amount of carbides is ultimately defined by the application-specific mechanical resistance requirements and in particular the wear resistance of the tool steel. Thus, especially with regard to the carbide structure for the different main fields of application of the inventively developed tool steels quite different design specifications.
Im Bereich des Aluminiumdruckgusses ist die Verschleißbeanspruchung durch kontaktgebundene Verschleißmechanismen insbesondere durch Abrasion nur relativ gering ausgeprägt. Die Anwesenheit großflächiger Primärkarbide als hochverschleißbeständige Mikrostukturbestandteile ist daher nicht zwingend erforderlich. Damit wird der Volumenanteil der Karbide fc überwiegend durch die Sekundärkarbide bestimmt. Der Betrag von fc ist daher relativ klein.In the field of die-cast aluminum, the wear stress due to contact-bonded wear mechanisms, in particular due to abrasion, is only relatively small. The presence of large-area primary carbides as highly wear-resistant microstructural components is therefore not absolutely necessary. Thus, the volume fraction of carbides f c is determined mainly by the secondary carbides. The amount of f c is therefore relatively small.
Bei der Warmblechumformung, die auch die begrifflichen Varianten des Presshärtens und des Formhärtens umfasst, unterliegen die Werkzeuge einer hohen Beanspruchung durch kontaktgebundene Verschleißmechanismen sowohl in adhäsiver als auch in abrasiver Ausprägung. Daher sind großflächige Primärkarbide überaus erwünscht, da sie die Beständigkeit gegen diese Verschleißmechanismen steigern können. Folge einer solchen primärkarbidreichen Mikrostruktur ist ein hoher Betrag von fc.In hot sheet forming, which also includes the conceptual variants of press hardening and mold hardening, the tools are subject to high stress due to contact-bonded wear mechanisms both in adhesive and in abrasive form. Therefore, large area primary carbides are highly desirable because they can increase resistance to these wear mechanisms. The consequence of such a primary carbide-rich microstructure is a high amount of f c .
Unabhängig von der Karbidstruktur geht es letztlich um die Maximierung der Wärmeleitfähigkeit aller Systemkomponenten. Durch die anwendungsspezifischen Gestaltungsvorgaben für die Karbidausprägung ergibt sich jedoch eine Gewichtung des Einflusses der Wärmeleitfähigkeiten der Systemkomponenten auf die integrale Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems.Regardless of the carbide structure, the ultimate goal is to maximize the thermal conductivity of all system components. However, the application-specific design specifications for the carbide development result in a weighting of the influence of the thermal conductivities of the system components on the integral thermal conductivity of the overall system.
Schon diese Herangehensweise unterscheidet sich drastisch vom Stand der Technik, bei dem die Wärmeleitfähigkeit immer als integrale physikalische Werkstoffeigenschaft angesehen wird. Wenn es im Stand der Technik darum geht, den Einfluss einzelner Legierungselemente auf die Wärmeleitfähigkeit zu erfassen, so geschieht dies bezeichnender Weise eben auch immer durch die Bestimmung integraler Eigenschaften. Die Betrachtung des Einflusses solcher Legierungselemente auf die mikrostrukturelle Ausprägung, also auf die Karbidstruktur und auf die Matrix und daraus resultierende physikalische Eigenschaftsänderungen für diese mikrostrukturellen Systemelemente war bisher nicht existent und daher im Stand der Technik auch niemals Ausgangspunkt eines metallurgischen Gestaltungskonzeptes für einen Werkzeugstahl.Even this approach differs drastically from the prior art, in which the thermal conductivity is always regarded as an integral physical material property. If it is a matter of the prior art to detect the influence of individual alloying elements on the thermal conductivity, then, significantly, this is always done by the determination of integral properties. The consideration of the influence of such alloying elements on the microstructural manifestation, ie on the carbide structure and on the matrix and the resulting physical property changes for these microstructural system elements, has hitherto been nonexistent and therefore never a starting point of a metallurgical design concept for a tool steel in the prior art.
Unter solchen integralen Gestaltungsgesichtspunkten konnte festgestellt werden, dass eine Verringerung des Chromgehalts und eine Erhöhung des Molybdängehalts zu einer Verbesserung der integralen Wärmeleitfähigkeit führen. Nach einem solchen metallurgischen Gestaltungsansatz entwickelte Werkzeugstähle haben üblicherweise eine Wärmeleitfähigkeit von 30 W/mK, was gegenüber einer Wärmeleitfähigkeit von 24W/mK eine Steigerung von 25 % darstellt. Eine solche Steigerung wird im Stand der Technik bereits als wirksame Eigenschaftsverbesserung angesehen.Under such integral design considerations, it has been found that a reduction in chromium content and an increase in molybdenum content result in an improvement in integral thermal conductivity. Tool steels developed according to such a metallurgical design approach usually have a thermal conductivity of 30 W / mK, which represents an increase of 25% compared to a thermal conductivity of 24 W / mK. Such an increase is already considered in the art as an effective property improvement.
Man ging bislang davon aus, dass eine weitere Verringerung des Chromgehalts nicht zu einer weiteren signifikanten Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit führen kann. Da eine weitere Verringerung des Chromgehalts zusätzlich zu einer Herabsetzung der Korrosionsbeständigkeit des Warmarbeitsstahls führt, wurden entsprechende metallurgische Rezepturen nicht weiter im Hinblick auf die Gestaltung neuartiger Werkzeugstähle untersucht und umgesetzt.So far, it has been assumed that a further reduction of the chromium content can not lead to a further significant improvement in the thermal conductivity. Since a further reduction in chromium content in addition to a reduction in the corrosion resistance of the hot-work tool steel, corresponding metallurgical formulations have not been further investigated and implemented with regard to the design of novel tool steels.
Für die erfindungsgemäßen Werkzeugstähle mit einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 4, 5 beziehungsweise 6 wurde zur Erreichung einer drastisch verbesserten Wärmeleitfähigkeit ein vollkommen neuartiges metallurgisches Konzept angewandt, das in der Lage ist, in exakt definierter Weise die Wärmeleitfähigkeit der mikrostrukturellen Systemkomponenten zu gestalten und damit die integrale Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls drastisch zu verbessern. Ein wichtiger Grundgedanke des hier vorgestellten metallurgischen Konzepts ist, dass die bevorzugten Karbidbildner Molybdän und Wolfram sind und dass als Folge bereits geringer Anteile von in diesen Karbiden gelöstem Chrom aufgrund der Verlängerung der mittleren freien Weglänge der Phononen durch die so entstehenden Störungen in der Kristallstruktur der reinen Karbide die Wärmeübertragungseigenschaften nachteilig beeinflusst werden.For the tool steels according to the invention with a composition according to
Mit diesem neuartigen metallurgischen Gestaltungsansatz können in vorteilhafter Weise integrale Wärmeleitfähigkeiten von Warmarbeitsstählen bei Raumtemperatur von bis zu 66 W/mK und mehr erreicht werden. Dies übersteigt die Steigerungsrate aller im Stand der Technik bekannten Konzepte um etwa das Zehnfache. Keiner der im Stand der Technik auffindbaren Ansätze sieht eine vergleichbare Verringerung des Chromgehalts für Warmarbeitsstähle mit der Zielsetzung der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit vor.With this novel metallurgical design approach, integral heat conductivities of hot working steels at room temperature of up to 66 W / mK and more can be achieved in an advantageous manner. This exceeds the rate of increase of all concepts known in the art by about ten times. None of the approaches found in the prior art provide a comparable reduction in chromium content for hot work tool steels with the objective of improving thermal conductivity.
Für diejenigen Fälle, in denen ein der erfindungsgemäß beschriebenen chemischen Zusammensetzung ähnlich niedriger Chromgehalt vorgesehen wird, geht es explizit nicht um eine Beeinflussung der Wärmeleitfähigkeit, sondern um andere funktionale Zielsetzungen, wie zum Beispiel in der
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass je höher der Reinheitsgehalt eines Werkstoffes ist, umso höher auch seine Wärmeleitfähigkeit ist. Jegliche Verunreinigung - also im Falle der metallischen Werkstoffe auch die Zugabe jeglichen Legierungselements - führt unweigerlich zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit. Reines Eisen hat zum Beispiel eine Wärmeleitfähigkeit von 80 W/mK, geringfügig verunreinigtes Eisen hat bereits eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 70 W/mK. Bereits die Mindestzugabe von Kohlenstoff (0,25 Volumenprozent) und weiterer Legierungselemente, wie zum Beispiel Mangan (0,08 Volumenprozent), führt bei Stahl zu einer Wärmeleitfähigkeit von gerade einmal 60 W/mK.It is known in the art that the higher the purity content of a material, the higher its thermal conductivity. Any contamination - in the case of metallic materials also the addition of any alloying element - inevitably leads to a reduction of the thermal conductivity. For example, pure iron has a thermal conductivity of 80 W / mK, and slightly contaminated iron already has a thermal conductivity of less than 70 W / mK. Even the minimum addition of carbon (0.25% by volume) and other alloying elements, such as manganese (0.08% by volume), leads to a thermal conductivity of just 60 W / mK for steel.
Dennoch ist es mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise überraschend möglich, trotz der Zugabe weiterer Legierungselemente wie zum Beispiel Molybdän oder Wolfram Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 70 W/mK zu erreichen. Der Grund für diesen unerwarteten Effekt besteht darin, dass es gemäß der vorliegenden Erfindung eine Zielsetzung ist, Kohlenstoff so weit wie möglich nicht in der Matrix in Lösung gehen zu lassen, sondern ihn in den Karbiden durch starke Karbidbildner zu binden und Karbide mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zu verwenden.Nevertheless, it is surprisingly possible with the procedure according to the invention to achieve heat conductivities of up to 70 W / mK despite the addition of further alloying elements such as, for example, molybdenum or tungsten. The reason for this unexpected effect is that according to the present invention, it is an objective not to dissolve carbon in the matrix as much as possible, but to bind it in the carbides by strong carbide formers and carbides with a high thermal conductivity to use.
Konzentriert man nun die Betrachtung auf die Karbide, so ist es die Phononenleitfähigkeit, die letztlich die Wärmeleitfähigkeit dominiert. Will man diese verbessern, so gilt es genau an dieser Stelle gestalterisch einzugreifen. Einige Karbide weisen jedoch eine recht hohe Dichte an leitenden Elektronen auf, insbesondere hochschmelzende Karbide mit einem hohen Metallgehalt wie zum Beispiel W6C oder Mo3C. In jüngsten Untersuchungen wurde festgestellt, dass bereits sehr geringe Zugaben von Chrom zu eben solchen Karbiden zu signifikanten Störungen der Kristallgitterstruktur führen und damit zu einer drastischen Verlängerung der mittleren freien Weglänge für den Phonenenfluss führen. Folge ist eine Verringerung der Wärmeleitfähgikeit. Dies führt zu der eindeutigen Schlussfolgerung, dass eine möglichst weitgehende Verringerung des Chromgehalts zu einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls führt.Focusing now on the carbides, it is the phonon conductivity that ultimately dominates the thermal conductivity. If you want to improve this, then it is precisely at this point to intervene creatively. However, some carbides have a fairly high density of conductive electrons, particularly high metal content high melting carbides such as W6C or Mo3C. Recent research has found that even very small additions of chromium to even Such carbides lead to significant disturbances of the crystal lattice structure and thus lead to a drastic extension of the mean free path for the phonon flux. The result is a reduction in thermal conductivity. This leads to the clear conclusion that as far as possible a reduction of the chromium content leads to an improvement in the thermal conductivity of the tool steel.
Darüber hinaus sollten Molybdän und Wolfram als bevorzugte Karbidbildner berücksichtigt werden. Molybdän ist in diesem Zusammenhang besonders bevorzugt, da es ein wesentlich stärkerer Karbidbildner ist als Wolfram. Der Effekt der Abreicherung von Molybdän in der Matrix bewirkt eine verbesserte Elektronenleitfähigkeit in der Matrix und trägt damit zu einer weiteren Verbesserung der integralen Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems bei.In addition, molybdenum and tungsten should be considered as preferred carbide formers. Molybdenum is particularly preferred in this context because it is a much stronger carbide former than tungsten. The effect of depletion of molybdenum in the matrix results in improved electron conductivity in the matrix and thus contributes to a further improvement in the integral thermal conductivity of the overall system.
Wie bereits zuvor erwähnt, führt ein zu geringer Chromgehalt gleichzeitig zu einer Herabsetzung der Korrosionsbeständigkeit des Werkzeugstahls. Wenngleich dies für bestimmte Anwendungen von Nachteil sein kann, so stellt die höhere Oxidationsneigung für die Hauptanwendungen des erfindungsgemäß gestalteten Werkzeugstahls keinen wirklich funktionalen Nachteil dar, da hier zusätzliche Korrosionsschutzwirkungen und -maßnahmen ohnehin Bestandteil bestehender betrieblicher Abläufe sind.As mentioned above, too low a chromium content simultaneously leads to a reduction in the corrosion resistance of the tool steel. Although this may be disadvantageous for certain applications, the higher oxidation tendency for the main applications of the tool steel designed according to the invention does not represent a real functional disadvantage since additional corrosion protection effects and measures are part of existing operational processes anyway.
So stellt zum Beispiel bei Anwendungen im Aluminiumdruckguss das flüssige Aluminium selber einen hinreichenden Korrosionsschutz dar, im Bereich der Warmblechumformung sind es die zum Verschleißschutz nitrierten Oberflächenrandschichten der Werkzeuge. Korrosionsschützende Schmierstoffe sowie Kühl- und Trennmittel tragen ebenfalls ihren Teil zum Korrosionsschutz bei. Zusätzlich können sehr dünne Schutzschichten galvanisch oder im Vakuumbeschichtungsverfahren auftragen werden.For example, in applications in aluminum die-casting, the liquid aluminum itself provides adequate corrosion protection. In the area of hot sheet forming, it is the surface edge layers of the tools that are nitrided for wear protection. Corrosion-protecting lubricants as well as coolants and release agents also play their part in corrosion protection. additionally For example, very thin protective layers can be applied by electroplating or by vacuum coating.
Die erfindungsgemäße Verwendung der hier beschriebenen Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) als Werkstoff zur Herstellung von Stahlgegenständen, insbesondere Warmarbeitswerkzeugen, liefert zahlreiche und zum Teil äußerst bemerkenswerte Vorteile im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Warmarbeitsstählen, die bislang als Werkstoffe für entsprechende Warmarbeitsstahlgegenstände eingesetzt wurden.The use according to the invention of the tool steels described here (in particular hot work steels) as a material for producing steel objects, in particular hot working tools, provides numerous and sometimes extremely remarkable advantages in comparison to the hot working steels known from the prior art, which hitherto have been used as materials for corresponding hot work steel objects ,
Die höhere Wärmeleitfähigkeit der aus den erfindungsgemäßen Werkzeugstählen (insbesondere Warmarbeitsstählen) hergestellten Werkzeuge gestattet zum Beispiel eine Verringerung der Taktzeiten beim Bearbeiten/Herstellen von Werkstücken. Ein weiterer Vorteil besteht in einer signifikanten Reduktion der Oberflächentemperatur des Werkzeugs sowie der Reduktion des Oberflächentemperaturgefälles, woraus sich eine beachtliche Auswirkung auf die Langlebigkeit des Werkzeugs ergibt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn Werkzeugschäden in erster Linie auf thermische Ermüdung, thermische Schocks oder Aufschweißen zurückzuführen sind. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Werkzeuge für Aluminium-Druckgussanwendungen der Fall.The higher thermal conductivity of the tools produced from the tool steels according to the invention (in particular hot-work steels) allows, for example, a reduction in the cycle times during the machining / production of workpieces. Another advantage is a significant reduction of the surface temperature of the tool as well as the reduction of the surface temperature gradient, which has a considerable effect on the longevity of the tool. This is particularly the case when tool damage is primarily due to thermal fatigue, thermal shock or welding. This is the case in particular with regard to tools for aluminum die-casting applications.
Es ist ebenfalls überraschend, dass die übrigen mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugstählen entweder verbessert werden konnten oder zumindest unverändert blieben. Der Elastizitätsmodul konnte beispielsweise verringert werden, die Dichte der erfindungsgemäßen Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) konnte im Vergleich zu herkömmlichen Warmarbeitsstählen erhöht und der Wärmeausdehnungskoeffizient konnte verkleinert werden. Für manche Anwendungen können weitere Verbesserungen erreicht werden, wie zum Beispiel eine erhöhte mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen oder eine erhöhte Verschleißfestigkeit.It is also surprising that the remaining mechanical and / or thermal properties of the tool steels according to the invention (in particular hot-work steels) could either be improved or at least remain unchanged in comparison with the tool steels known from the prior art. For example, the modulus of elasticity could be reduced; the density of the tool steels according to the invention (in particular hot-work steels) could be increased in comparison to conventional ones Hot working steels increased and the thermal expansion coefficient could be reduced. For some applications, further improvements can be achieved, such as increased mechanical strength at high temperatures or increased wear resistance.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Werkzeugstahl weniger als 1,5 Gew.-% Cr, vorzugsweise weniger als 1 Gew.-% Cr aufweist. Es besteht in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Werkzeugstahl weniger als 0,5 Gew.-% Cr, vorzugsweise weniger als 0,2, insbesondere weniger als 0,1 Gew.-% Cr aufweist.In a preferred embodiment, it is proposed that the tool steel has less than 1.5% by weight Cr, preferably less than 1% by weight Cr. In a particularly preferred embodiment, there is the possibility that the tool steel has less than 0.5% by weight Cr, preferably less than 0.2, in particular less than 0.1% by weight Cr.
Wie oben erläutert, wirkt sich die Anwesenheit von Chrom im Festlösungszustand in der Matrix des Werkzeugstahls negativ auf dessen Wärmeleitfähigkeit aus. Die Intensität dieser negativen Wirkung auf die Wärmeleitfähigkeit durch eine Steigerung des Chromgehalts im Werkzeugstahl ist für das Intervall von weniger als 0,4 Gew.-% Cr am größten. Eine Intervallabstufung in der Abnahme der Intensität der nachteiligen Wirkung auf die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls ist in den beiden Intervallen von mehr als 0,4 Gew.-%, aber weniger als 1 Gew.-%, sowie von mehr als 1 Gew.-% und weniger als 2 Gew.-% bevorzugt. Für Anwendungen, bei denen die Oxidationsbeständigkeit des Werkzeugstahls (Warmarbeitsstahls) eine große Rolle spielt, kann so zum Beispiel eine Abwägung der Anforderungen, die an den Werkzeugstahl im Hinblick auf die Wärmeleitfähigeit und die Oxidationsbetändigkeit gestellt werden und sich in einem optimierten Gewichtsprozentanteit von Chrom widerspiegeln, vorgenommen werden. In der Regel stellt ein Gehalt von etwa 0,8 Gew.-% Chrom dem Werkzeugstahl einen guten Korrosionsschutz zur Verfügung. Es hat sich gezeigt, dass Zusätze, die über diesen Gehalt von etwa 0,8 Gew.-% Chrom hinausgehen, eine unerwünschte Auflösung von Chrom in den Karbiden zur Folge haben können.As explained above, the presence of chromium in the solid solution state in the matrix of tool steel negatively affects its thermal conductivity. The intensity of this negative effect on thermal conductivity by increasing the chromium content in the tool steel is greatest for the interval of less than 0.4 wt% Cr. An interval graduation in the decrease in the intensity of adverse effect on the thermal conductivity of the tool steel is in the two intervals of more than 0.4 wt .-%, but less than 1 wt .-%, as well as more than 1 wt .-% and less than 2% by weight is preferred. For applications in which the oxidation resistance of the tool steel (hot work tool steel) plays a major role, for example, a balance of the demands made on the tool steel with regard to the thermal conductivity and the oxidation resistance and can be reflected in an optimized Gewichtsprozentanteit of chromium, be made. As a rule, a content of about 0.8% by weight of chromium provides the tool steel with good corrosion protection. It has been found that additives exceeding this content of about 0.8% by weight of chromium an undesirable dissolution of chromium in the carbides can result.
Es besteht in einer bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Molybdängehalt des Werkzeugstahls 0,5 bis 7 Gew.-%, insbesondere 1 bis 7 Gew.-% beträgt. Unter den kostengünstigeren Karbidbildnern besitzt Molybdän eine vergleichsweise hohe Kohlenstoffaffinität. Darüber hinaus weisen Molybdänkarbide eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Eisen- und Chromkarbide auf. Ferner ist die nachteilige Wirkung von Molybdän im Festlösungszustand auf die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls im Vergleich zu Chrom im Festlösungszustand erheblich geringer. Aus diesen Gründen gehört Molybdän zu denjenigen Karbidbildnern, die für eine große Anzahl von Anwendungen geeignet sind. Für Anwendungen, die eine hohe Zähigkeit erfordern, sind jedoch andere Karbidbildner mit kleineren Sekundärkarbiden, wie zum Beispiel Vanadium (etwa 1 bis 15 nm große Kolonien gegenüber bis zu 200nm großen Kolonien bei Molybdän) die vorteilhaftere Wahl.In a preferred embodiment, there is the possibility that the molybdenum content of the tool steel is from 0.5 to 7% by weight, in particular from 1 to 7% by weight. Among the less expensive carbide formers, molybdenum has a comparatively high carbon affinity. In addition, molybdenum carbides have a higher thermal conductivity than iron and chromium carbides. Furthermore, the adverse effect of molybdenum in the solid solution state on the thermal conductivity of the tool steel compared to chromium in the solid solution state is considerably lower. For these reasons, molybdenum is one of those carbide formers that are suitable for a large number of applications. However, for applications requiring high toughness, other carbide formers with smaller secondary carbides, such as vanadium (about 1-15 nm colonies versus up to 200 nm large colonies on molybdenum) are the more preferable choice.
Molybdän kann in zahlreichen Anwendungen durch Wolfram ersetzt werden. Die Karbonaffinität von Wolfram ist etwas geringer und die Wärmeleitfähigkeit von Wolframkarbid erheblich größer.Molybdenum can be replaced by tungsten in many applications. The carbon affinity of tungsten is slightly lower and the thermal conductivity of tungsten carbide is considerably larger.
Es besteht in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Gehalt von Mo, W und V in der Summe 2 bis 10 Gew.-% beträgt. Der Gehalt dieser drei Elemente in der Summe ist dabei insbesondere von der gewünschten Karbidanzahl, das heißt, von den jeweiligen Anwendungsanforderungen abhängig.In a further particularly advantageous embodiment, there is the possibility that the content of Mo, W and V in the sum is 2 to 10% by weight. The content of these three elements in the sum is in particular dependent on the desired number of carbides, that is, on the respective application requirements.
Die Verunreinigungen des Werkzeugstahls, insbesondere Warmarbeitsstahls, können eines oder mehrere der Elemente Cu, P, Bi, Ca, As, Sn oder Pb mit einem Gehalt von maximal 1 Gew.-% einzeln oder in der Summe enthalten. Insbesondere Cu ist neben Co, Ni, Si und Mn ein weiteres geeignetes Element zum Festlösungsverfestigen, so dass zumindest ein geringer Anteil Cu in der Legierung gegebenenfalls vorteilhaft sein kann. Neben S, das optional mit einem Gehalt von maximal 1 Gew.-% vorhanden sein kann, können auch die Elemente Ca, Bi oder As die Bearbeitbarkeit des Werkzeugstahls vereinfachen.The impurities of the tool steel, in particular hot-work steel, may contain one or more of the elements Cu, P, Bi, Ca, As, Sn or Pb with a content of at most 1% by weight. individually or in total. In particular, Cu is in addition to Co, Ni, Si and Mn another suitable element for solid solution solidification, so that at least a small amount of Cu in the alloy may optionally be advantageous. In addition to S, which may optionally be present with a content of at most 1 wt .-%, also the elements Ca, Bi or As can simplify the workability of the tool steel.
Ebenfalls von Bedeutung ist die mechanische Stabilität des Werkzeugstahls bei hohen Temperaturen der legierungsbildenden Karbide. In diesem Zusammenhang sind zum Beispiel sowohl Mo- als auch W-Karbide im Hinblick auf die mechanischen Stabilitäts- und Festigkeitseigenschaften vorteilhafter als Chrom- und Eisenkarbide. Eine Verarmung von Chrom zusammen mit der Verringerung des Kohlenstoffgehalts in der Matrix führt zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit, besonders wenn dies durch Wolfram- und/oder Molybdänkarbide geschieht.Also of importance is the mechanical stability of the tool steel at high temperatures of the alloying carbides. In this context, for example, both Mo and W carbides are more advantageous than chromium and iron carbides in terms of mechanical stability and strength properties. Depletion of chromium, along with the reduction in carbon content in the matrix, results in improved thermal conductivity, especially when it is due to tungsten and / or molybdenum carbides.
Die Verfahren, mit denen die hier vorgestellten Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) hergestellt werden, spielen ebenfalls eine wichtige Rolle für dessen thermische und mechanische Eigenschaften. Durch eine gezielte Wahl des Herstellungsverfahrens können somit die mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des Werkzeugstahls gezielt variiert und dadurch an den jeweiligen Verwendungszweck angepasst werden.The methods by which the tool steels presented here (in particular hot-work steels) are also produced play an important role in its thermal and mechanical properties. By a specific choice of the manufacturing process, the mechanical and / or thermal properties of the tool steel can thus be selectively varied and thereby adapted to the respective intended use.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Werkzeugstähle können zum Beispiel durch Pulvermetallurgie (heißisostatisches Pressen) hergestellt werden. Es besteht zum Beispiel auch die Möglichkeit, einen erfindungsgemäßen Werkzeugstahl durch Vakuuminduktionsschmelzen oder durch Ofenschmelzen herzustellen. Es hat sich überraschend gezeigt, dass das jeweils gewählte Herstellungsverfahren die resultierende Karbidgröße beeinflussen kann, die ihrerseits - wie oben bereits dargelegt - Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften des Werkzeugstahls haben kann.The tool steels described in the context of the present invention can be produced, for example, by powder metallurgy (hot isostatic pressing). For example, it is also possible to produce a tool steel according to the invention by vacuum induction melting or by furnace melting. It has surprisingly been found that each selected Manufacturing process may affect the resulting carbide size, which in turn - as stated above - may have effects on the thermal conductivity and mechanical properties of the tool steel.
Der Werkzeugstahl kann zudem auch durch an sich bekannte Veredelungsverfahren, wie zum Beispiel durch VAR-Verfahren (VAR=Vacuum Arc Remelting; Vakuum-Lichtbogenumschmelzen), AOD-Verfahren (AOD=Argon Oxygen Decarburation; Argon-Sauerstoff-Entkohlung), oder so genannte ESR-Verfahren (ESR: engl. Electro Slag Remelting) veredelt werden.In addition, the tool steel can also be processed by per se known refining methods, such as VAR (Vacuum Arc Remelting), AOD (Argon Oxygen Decarburization), or so-called ESR (ESR: Electro Slag Remelting) processes.
Ebenso kann ein erfindungsgemäßer Werkzeugstahl zum Beispiel durch Sand- oder Feinguß hergestellt werden. Er kann durch Heißpressen oder ein anderes pulvermetallurgisches Verfahren (Sintern, Kaltpressen, isostatisches Pressen) und bei all diesen Herstellungsverfahren mit oder ohne Anwendung von thermomechanischen Prozessen (Schmieden, Walzen, Fließpressen) hergestellt werden. Auch weniger konventionelle Herstellungsmethoden wie Thixo-Guß (engl.: thixo-casting), Plasma- oder Laser-Auftragung sowie lokales Sintern können verwendet werden. Um aus dem Werkzeugstahl auch Gegenstände mit einer sich innerhalb des Volumens ändernden Zusammensetzung herzustellen, kann vorteilhaft das Sintern von Pulvermischungen verwendet werden.Likewise, a tool steel according to the invention can be produced, for example, by sand or precision casting. It can be produced by hot pressing or another powder metallurgy process (sintering, cold pressing, isostatic pressing) and all these manufacturing processes with or without the use of thermomechanical processes (forging, rolling, extrusion). Also, less conventional manufacturing methods such as thixo casting, plasma or laser deposition and local sintering can be used. In order to produce objects with a composition which changes within the volume from the tool steel, the sintering of powder mixtures can be advantageously used.
Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung entwickelte Stahl kann auch als Schweißzusatzwerkstoff verwendet werden (zum Beispiel in Pulverform zum Laserschweißen, als Stab oder Profil für das Metall-Inertgasschweißen (MIG-Schweißen), Metall-Aktivgasschweißen (MAG-Schweißen), Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißen) oder zum Schweißen mit ummantelten Elektroden).The steel developed in the context of the present invention can also be used as a filler metal filler (for example in powder form for laser welding, as rod or profile for metal inert gas welding (MIG welding), metal active gas welding (MAG welding), tungsten inert gas welding ( TIG welding) or for welding with coated electrodes).
Gemäß Anspruch 24 wird eine Verwendung eines Werkzeugstahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, nach einem der Ansprüche 4 bis 23 als Werkstoff zur Herstellung eines Warmarbeitsstahlgegenstands, insbesondere eines Warmarbeitswerkzeugs vorgeschlagen, der eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 48 W/mK, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 55 W/mK, aufweist.According to claim 24, a use of a tool steel, in particular a hot work tool according to one of
Ein erfindungsgemäßer Stahlgegenstand zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 25 aus und besteht zumindest teilweise aus einem Werkzeugstahl, insbesondere aus einem Warmarbeitsstahl, nach einem der Ansprüche 4 bis 23.A steel article according to the invention is characterized by the features of claim 25 and consists at least in part of a tool steel, in particular of a hot-work tool steel, according to one of
Es besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Stahlgegenstand eine über sein gesamtes Volumen im Wesentlichen konstante Wärmeleitfähigkeit aufweist. Insbesondere kann der Stahlgegenstand in dieser Ausführungsform vollständig aus einem Werkzeugstahl, insbesondere aus einem Warmarbeitsstahl, nach einem der Ansprüche 4 bis 23 bestehen.In an advantageous embodiment, there is the possibility that the steel article has a substantially constant thermal conductivity over its entire volume. In particular, the steel article in this embodiment can be made entirely of a tool steel, in particular a hot-work tool, according to one of
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Stahlgegenstand eine sich zumindest abschnittsweise ändernde Wärmeleitfähigkeit aufweist.In a particularly advantageous embodiment it can be provided that the steel article has an at least partially changing thermal conductivity.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der Stahlgegenstand bei Raumtemperatur zumindest abschnittsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 48 W/mK, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 55 W/mK aufweisen. Der Stahlgegenstand kann bei Raumtemperatur auch über sein gesamtes Volumen eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 48 W/mK, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 55 W/mK aufweisen.According to a particularly advantageous embodiment, the steel article at room temperature at least in sections, a thermal conductivity of more than 42 W / mK, preferably have a thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular a thermal conductivity of more than 55 W / mK. The steel article may at room temperature over its entire volume, a thermal conductivity of more than 42 W / mK, preferably a thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular have a thermal conductivity of more than 55 W / mK.
Der Stahlgegenstand kann in vorteilhaften Ausführungsformen zum Beispiel ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Druckumformung, der Schubumformung, oder der Biegeumformung von Metallen, vorzugsweise in Freiformschmiedeprozessen, Gesenkschmiedeprozessen, Thixoschmiedeprozessen, Fließpressprozessen, Strangpressprozessen, Gesenkbiegeprozessen, Walzprofilierprozessen oder in Flach-, Profil- und Gießwalzprozessen sein.The steel article may, in advantageous embodiments, be, for example, a forming tool in processes of pressure forming, shear forming, or bend forming metals, preferably in forging processes, drop forging processes, thixo forging processes, extrusion processes, extrusion processes, die bending processes, roll forming processes, or in flat, profile, and cast roll processes ,
Der Stahlgegenstand kann in weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Zugdruckumformung und Zugumformung von Metallen, vorzugsweise in Presshärtprozessen, Formhärtprozessen, Tiefziehprozessen, Streckziehprozessen und Kragenziehprozessen sein.The steel article may, in further advantageous embodiments, be a forming tool in processes of draw-forming and tensile-forming of metals, preferably in press-hardening processes, form-hardening processes, deep-drawing processes, stretch-drawing processes and neck-pulling processes.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Stahlgegenstand zum Beispiel ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung metallischer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Druckgießprozessen, Vakuumdruckgießprozessen, Thixogießprozessen, Gießwalzprozessen, Sinterprozessen und heißisostatischen Pressprozessen sein.For example, in further preferred embodiments, the steel article may be a forming tool in processes of forming metallic starting materials, preferably in die casting processes, vacuum die casting processes, thixocasting processes, cast roll processes, sintering processes, and hot isostatic pressing processes.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass der Stahlgegenstand ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung polymerer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Spritzgießprozessen, Extrusionsprozessen und Extrusionsblaseprozessen, oder ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung keramischer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Sinterprozessen, ist.Furthermore, there is the possibility that the steel article is a shaping tool in processes of primary shaping of polymeric starting materials, preferably in injection molding processes, extrusion processes and extrusion blow molding processes, or a forming tool in processes of primary shaping of ceramic starting materials, preferably in sintering processes.
Der Stahlgegenstand kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein Bauteil für Maschinen und Anlagen der Energieerzeugung und der Energieumwandlung, vorzugsweise für Verbrennungskraftmaschinen, Reaktoren, Wärmetauscher und Generatoren, sein.In a further preferred embodiment, the steel article may be a component for machines and plants for power generation and energy conversion, preferably for internal combustion engines, reactors, heat exchangers and generators.
Ferner besteht die Möglichkeit, dass der Stahlgegenstand ein Bauteil für Maschinen und Anlagen der chemischen Verfahrenstechnik, vorzugsweise für chemische Reaktoren, ist.Furthermore, there is the possibility that the steel object is a component for machines and plants of chemical engineering, preferably for chemical reactors.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
- Fig. 1
- eine schematisch stark vereinfachte Konturdarstellung einer Karbidstruktur im mikrostrukturellen Querschnitt eines typischen Werkzeugstahls;
- Fig. 2
- die Abriebfestigkeit zweier Proben (F1 und F5) eines Warmarbeitsstahls gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen;
- Fig. 3
- die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Chromgehalt erfindungsgemäßer Werkzeugstähle (Warmarbeitsstähle), der für den Einsatz in Warmumformprozessen geeignet ist;
- Fig. 4
- die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Chromgehalt für eine weitere Auswahl von Werkzeugstählen gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 5
- eine Darstellung der über Wärmeleitung in einem beidseitigen Kontakt mit zwei Werkzeugstahlplatten erzielten Wärmeabfuhr in einem vorerwärmten Werkstück.
- Fig. 1
- a schematically highly simplified contour representation of a carbide structure in the microstructural cross-section of a typical tool steel;
- Fig. 2
- the abrasion resistance of two samples (F1 and F5) of a hot work tool according to the present invention compared to conventional tool steels;
- Fig. 3
- the dependence of the thermal conductivity on the chromium content of tool steels according to the invention (hot working steels), which is suitable for use in hot forming processes;
- Fig. 4
- the dependence of the thermal conductivity on the chromium content for a further selection of tool steels according to the present invention;
- Fig. 5
- a representation of the heat conduction achieved in a two-sided contact with two tool steel plates heat dissipation in a preheated workpiece.
Einleitend sollen fünf Beispiele von Werkzeugstählen (Warmarbeitsstählen), die für unterschiedliche Verwendungszwecke geeignet sind, näher erläutert werdenAs an introduction, five examples of tool steels (hot working steels) suitable for different applications are explained in more detail
Es hat sich gezeigt, dass zur Herstellung von Werkzeugen (Warmarbeitsstahlgegenständen), die zur Warmumformung ("Hotstamping") von Stahlblechen eingesetzt werden, die Verwendung eines Warmarbeitsstahls mit der nachfolgenden Zusammensetzung besonders vorteilhaft ist:
- 0,32
bis 0,5 Gew.-% C; weniger als 1 Gew.-% Cr;- 0
bis 4 Gew.-% V; - 0
bis 10 Gew.-%,insbesondere 3 bis 7 Gew.-% Mo; - 0 bis 15 Gew.-%,
insbesondere 2bis 8 Gew.-% W; - wobei der Gehalt von Mo und W in der Summe 5 bis 15 Gew.-% beträgt.
- From 0.32 to 0.5% by weight of C;
- less than 1% by weight Cr;
- 0 to 4% by weight V;
- 0 to 10 wt .-%, in particular 3 to 7 wt .-% Mo;
- 0 to 15% by weight, in particular 2 to 8% by weight W;
- wherein the content of Mo and W in the sum of 5 to 15 wt .-% is.
Darüber hinaus enthält der Warmarbeitsstahl unvermeidliche Verunreinigungen und als Hauptbestandteil Eisen. Optional kann der Warmarbeitsstahl starke Karbidbildner, wie zum Beispiel Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, mit einem Gehalt von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe enthalten. Bei dieser Anwendung spielt die Abriebfestigkeit des aus dem Warmarbeitsstahl hergestellten Werkzeugs eine besonders wichtige Rolle. Das Volumen der gebildeten Primärkarbide sollte daher möglichst groß sein.In addition, the hot-work steel contains unavoidable impurities and iron as its main component. Optionally, the hot work tool steel may contain strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, at a level of up to 3% by weight singly or in total. In this application, the abrasion resistance of the tool made of hot-work steel plays a particularly important role. The volume of the primary carbides formed should therefore be as large as possible.
Das Aluminiumdruckgießen ist in der heutigen Zeit ein sehr wichtiger Markt, in dem die Eigenschaften der zur Herstellung der Werkzeuge verwendeten Warmarbeitsstähle eine wichtige Rolle für die Wettbewerbsfähigkeit spielen. Die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen des zur Herstellung eines Druckgusswerkzeugs verwendeten Warmarbeitsstahls sind hierbei von besonderer Bedeutung. In einem solchen Fall ist der Vorteil einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit besonders wichtig, da nicht nur eine Reduktion der Taktzeit ermöglicht wird, sondern auch die Oberflächentemperatur des Werkzeugs und das Temperaturgefälle im Werkzeug verringert wird. Die positiven Auswirkungen auf die Haltbarkeit der Werkzeuge sind dabei von erheblichem Ausmaß. Bei Druckgussanwendungen, insbesondere im Hinblick auf Aluminiumdruckguss, ist die Verwendung eines Warmarbeitsstahls als Werkstoff zur Herstellung eines entsprechenden Werkzeugs mit folgender Zusammensetzung besonders vorteilhaft:
- 0,3
bis 0,42 Gew.-% C; weniger als 2 Gew.-%, insbesondere wenigerals 1 Gew.-% Cr;- 0
bis 6 Gew.-%,insbesondere 2,5bis 4,5 Gew.-% Mo; - 0
bis 6 Gew.-%,insbesondere 1bis 2,5 Gew.-% W; - wobei der Gehalt von Mo und W in
3,2 bis 5,5 Gew.-% beträgt;der Summe - 0
bis 1,5 Gew.-%,insbesondere 0bis 1 Gew.-% V.
- 0.3 to 0.42% by weight C;
- less than 2% by weight, especially less than 1% by weight Cr;
- 0 to 6 wt .-%, in particular 2.5 to 4.5 wt .-% Mo;
- 0 to 6 wt .-%, in particular 1 to 2.5 wt .-% W;
- wherein the content of Mo and W in the sum of 3.2 to 5.5 wt .-% is;
- 0 to 1.5 wt .-%, in particular 0 to 1 wt .-% V.
Darüber hinaus enthält der Warmarbeitsstahl Eisen (als Hauptbestandteil) und unvermeidliche Verunreinigungen. Optional kann der Warmarbeitsstahl starke Karbidbildner, wie zum Beispiel Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Gehalt von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe enthalten.In addition, the hot working steel contains iron (as a main component) and inevitable impurities. Optionally, the hot work tool steel may contain strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, at a level of up to 3 weight percent, singly or in total.
Bei Aluminium-Druckgussanwendungen sollte Fe3C möglichst nicht vorhanden sein. Cr und V mit Zusätzen von Mo und W sind dabei die bevorzugten Elemente, um Fe3C zu ersetzen. Vorzugsweise wird jedoch Cr ebenfalls durch Mo und/oder W ersetzt. Um bei manchen Anwendungen Vanadium vorzugsweise vollständig oder aber zumindest teilweise zu ersetzen, können ebenfalls W und/oder Mo eingesetzt werden. Alternativ können aber auch stärkere Karbidbildner, wie zum Beispiel Ti, Zr, Hf, Nb oder Ta eingesetzt werden. Die Wahl der Karbidbildner und deren Anteile hängen wiederum von der konkreten Anwendung und von den Erfordernissen im Hinblick auf die thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften des Werkzeugs ab, das aus dem Warmarbeitsstahl hergestellt wird.For aluminum die casting applications Fe 3 C should not be present if possible. Cr and V with additions of Mo and W are the preferred elements to replace Fe 3 C. Preferably, however, Cr is also replaced by Mo and / or W. In order to replace vanadium in some applications, preferably completely or at least partially, W and / or Mo can also be used. Alternatively, however, stronger carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb or Ta can also be used. The choice of carbide formers and their proportions, in turn, depends on the particular application and requirements with respect to the thermal and / or mechanical properties of the tool made from the hot work tool steel.
Beim Druckgießen von Legierungen mit einem vergleichsweise hohen Schmelzpunkt ist die Verwendung eines Warmarbeitsstahls zur Herstellung eines entsprechenden Werkzeugs mit folgender Zusammensetzung vorteilhaft:
- 0,25
0,4 Gew.-% C;bis weniger als 2 Gew.-%, insbesondere wenigerals 1 Gew.-% Cr;- 0 bis 5 Gew.-%,
insbesondere 2,5bis 4,5 Gew.-% Mo; - 0 bis 5 Gew.-%,
insbesondere 0bis 3 Gew.-% W; - wobei der Gehalt von Mo und W in
der Summe 3bis 5,2 Gew.-% beträgt; - 0
bis 1 Gew.-%,insbesondere 0 0,6 Gew.-% V.bis
- 0.25 to 0.4% by weight C;
- less than 2% by weight, especially less than 1% by weight Cr;
- 0 to 5 wt .-%, in particular 2.5 to 4.5 wt .-% Mo;
- 0 to 5 wt .-%, in particular 0 to 3 wt .-% W;
- wherein the content of Mo and W in the sum of 3 to 5.2 wt .-% is;
- 0 to 1 wt .-%, in particular 0 to 0.6 wt .-% V.
Darüber hinaus enthält der Warmarbeitsstahl unvermeidliche Verunreinigungen sowie als Hauptbestandteil Eisen. Optional kann der Warmarbeitsstahl starke Karbidbildner, wie zum Beispiel Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, mit einem Gehalt von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe aufweisen. Eine größere Zähigkeit des Warmarbeitsstahls ist bei dieser Anwendung erforderlich, so dass Primärkarbide möglichst vollständig unterdrückt werden sollten und somit stabile Karbidbildner vorteilhafter sind.In addition, the hot-work steel contains unavoidable impurities and iron as its main component. Optionally, the hot work tool steel may include strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, individually or in the amount up to 3% by weight Sum. A greater toughness of the hot work steel is required in this application, so that primary carbides should be suppressed as completely as possible and thus stable carbide formers are more advantageous.
Beim Spritzgießen von Kunststoffen sowie beim Druckgießen von Legierungen mit einem verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt ist die Verwendung eines Warmarbeitsstahls zur Herstellung eines entsprechenden Werkzeugs mit folgender Zusammensetzung besonders vorteilhaft:
- 0,4
0,55 Gew.-% C;bis weniger als 2 Gew.-%, insbesondere wenigerals 1 Gew.-% Cr;- 0
bis 4 Gew.-%,insbesondere 0,5bis 2 Gew.-% Mo; - 0
bis 4 Gew.-%,insbesondere 0bis 1,5 Gew.-% W; - wobei der Gehalt von Mo und W in
der Summe 2bis 4 Gew.-% beträgt; - 0
bis 1,5 Gew.-% V.
- 0.4 to 0.55 wt% C;
- less than 2% by weight, especially less than 1% by weight Cr;
- 0 to 4 wt .-%, in particular 0.5 to 2 wt .-% Mo;
- 0 to 4 wt .-%, in particular 0 to 1.5 wt .-% W;
- wherein the content of Mo and W in the sum is 2 to 4 wt .-%;
- 0 to 1.5% by weight of V.
Darüber hinaus enthält der Warmarbeitsstahl Eisen als Hauptbestandteil sowie unvermeidliche Verunreinigungen. Optional kann der Warmarbeitsstahl starke Karbidbildner, wie Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Gehalt von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe aufweisen. Bei diesen Anwendungsbereichen sollte der Anteil von Vanadium möglichst gering gehalten werden. Vorzugsweise kann der Vanadiumgehalt des Warmarbeitsstahls weniger als 1 Gew.-% und insbesondere weniger als 0,5 Gew.-% und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform weniger als 0,25 Gew.-% betragen.In addition, the hot-work tool steel contains iron as the main ingredient and inevitable impurities. Optionally, the hot work tool steel may have strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, at a level of up to 3% by weight singly or in total. In these applications, the proportion of vanadium should be kept as low as possible. Preferably, the vanadium content of the hot work tool steel may be less than 1% by weight and more preferably less than 0.5% by weight, and in a most preferred embodiment less than 0.25% by weight.
Die Erfordernisse im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften der Werkzeuge sind beim Spritzgießen relativ gering. Eine mechanische Festigkeit von etwa 1500 MPa ist in der Regel ausreichend. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit ermöglicht jedoch eine Verkürzung der Taktzeiten beim Herstellen von Spritzgussteilen, so dass die Kosten für die Herstellung der Spritzgussteile verringert werden können.The requirements with regard to the mechanical properties of the tools are relatively low in injection molding. A mechanical one Strength of about 1500 MPa is usually sufficient. Higher thermal conductivity, however, makes it possible to shorten the cycle times in the production of injection-molded parts, so that the costs for producing the injection-molded parts can be reduced.
Beim Warmschmieden ist es besonders vorteilhaft, zur Herstellung eines entsprechenden Werkzeugs einen Warmarbeitsstahl zu verwenden, der folgende Zusammensetzung aufweist:
- 0,4
0,55 Gew.-% C;bis weniger als 1 Gew.-% Cr,- 0
bis 10 Gew.-%,insbesondere 3 bis 5 Gew.-% Mo; - 0 bis 7 Gew.-%,
insbesondere 2bis 4 Gew.-% W; - wobei der Gehalt von Mo und W in
der Summe 6bis 10 Gew.-% beträgt; - 0
bis 3 Gew.-%,insbesondere 0,7bis 1,5 Gew.-% V.
- 0.4 to 0.55 wt% C;
- less than 1% by weight Cr,
- 0 to 10 wt .-%, in particular 3 to 5 wt .-% Mo;
- 0 to 7% by weight, in particular 2 to 4% by weight W;
- wherein the content of Mo and W in the sum of 6 to 10 wt .-% is;
- 0 to 3 wt .-%, in particular 0.7 to 1.5 wt .-% V.
Darüber hinaus enthält der Warmarbeitsstahl Eisen als Hauptbestandteil und unvermeidliche Verunreinigungen. Optional kann der Warmarbeitsstahl starke Karbidbildner, wie zum Beispiel Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Anteil von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe aufweisen.In addition, the hot working steel contains iron as the main component and inevitable impurities. Optionally, the hot work tool steel may have strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, at a level of up to 3 percent by weight, singly or in total.
Vorteilhaft kann der Warmarbeitsstahl in diesem Beispiel Elemente zum Festlösungsverfestigen, insbesondere Co, aber auch Ni, Si, Cu und Mn enthalten. Insbesondere hat sich ein Gehalt von bis zu 6 Gew.-% Co als vorteilhaft erwiesen, um die Hochtemperaturfestigkeit des Werkzeugs zu verbessern.Advantageously, the hot-work steel in this example contain elements for solid solution strengthening, in particular Co, but also Ni, Si, Cu and Mn. In particular, a content of up to 6% by weight of Co has proved to be advantageous in order to improve the high-temperature strength of the tool.
Mit Hilfe der hier beispielhaft beschriebenen Warmarbeitsstähle, die für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen geeignet sind, kann eine Wärmeleitfähigkeit erhalten werden, die etwa zwei Mal so groß ist wie diejenige der bekannten Warmarbeitsstähle.With the aid of the hot working steels described here by way of example, which are suitable for a large number of different applications, one can a thermal conductivity is obtained, which is about twice as large as that of the known hot-working steels.
In Tabelle 1 sind einige thermoelastische Kenngrößen von fünf exemplarischen Proben (Probe F1 bis Probe F5) eines Warmarbeitsstahls gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen gezeigt. Man erkennt beispielsweise, dass die Warmarbeitsstähle eine höhere Dichte als die bekannten Werkzeugstähle aufweisen. Ferner zeigen die Ergebnisse, dass die Wärmeleitfähigkeit der Proben des erfindungsgemäßen Warmarbeitsstahls im Vergleich zu den herkömmlichen Werkzeugstählen drastisch vergrößert ist.Table 1 shows some thermoelastic characteristics of five exemplary samples (Sample F1 through Sample F5) of a hot work tool according to the present invention as compared to conventional tool steels. For example, it can be seen that the hot working steels have a higher density than the known tool steels. Furthermore, the results show that the thermal conductivity of the samples of the hot work tool steel according to the invention is drastically increased compared to the conventional tool steels.
In Tabelle 2 sind die mechanischen Eigenschaften zweier Warmarbeitsstahlproben (Probe F1 und F5) gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen zusammengefasst.Table 2 summarizes the mechanical properties of two hot work steel samples (samples F1 and F5) according to the present invention compared to conventional tool steels.
In
Die Wärme- und Temperaturleitfähigkeit sind die wichtigsten thermophysikalischen Materialparameter für die Beschreibung der Wärmetransporteigenschaften eines Werkstoffs oder Bauteils. Für die exakte Messung der Temperaturleitfähigkeit hat sich die so genannte "Laser Flash Technik" (LFA) als rasche, vielseitige und genaue Absolutmethode durchgesetzt. Die entsprechenden Prüfvorschriften sind in den einschlägigen Normen DIN 30905 und DIN EN 821 festgelegt. Für die vorliegenden Messungen wurde das LFA 457 MicroFlash® der Firma NETZSCH-Gerätebau GmbH, Wittelsbacherstrasse 42, 95100 Selb/Bayern (Deutschland) verwendet.Thermal and thermal conductivity are the most important thermophysical material parameters for describing the heat transport properties of a material or component. For the exact measurement of the thermal diffusivity, the so-called "laser flash technique" (LFA) has become established as a fast, versatile and accurate absolute method. The relevant test specifications are specified in the relevant standards DIN 30905 and DIN EN 821. For the present measurements, the LFA 457 MicroFlash® from NETZSCH-Gerätebau GmbH, Wittelsbacherstrasse 42, 95100 Selb / Bavaria (Germany) was used.
Aus den gemessenen Temperaturleitfähigkeiten a und der spezifischen Wärme cp sowie der probenspezifisch ermittelten Dichte ρ kann die Wärmeleitfähigkeit A dann auf der Grundlage der Berechnungsgleichung
In
Diese Stähle weisen durch einen vergleichsweise großen Volumenanteil von Primärkarbiden über die gemäß der vorliegenden Erfindung mögliche Einstellung gewünschter Wärmeleiteigenschaften hinaus zusätzlich einen hohen Widerstand gegen abrasiven und adhäsiven Verschleiß auf und sind somit für hohe mechanische Beanspruchungen, wie sie typischerweise bei Warmumformprozessen auftreten, geeignet.These steels additionally have a high resistance to abrasive and adhesive wear due to a comparatively large volume fraction of primary carbides over the possible adjustment of desired thermal conduction properties according to the present invention and are therefore suitable for high mechanical stresses, as typically occur in hot forming processes.
In
In Tabelle 5 ist die chemische Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Werkzeugstahls F zur vergleichenden Untersuchung des Prozessverhaltens zusammengefasst.Table 5 summarizes the chemical composition of a tool steel F according to the invention for the comparative investigation of the process behavior.
Unter prozessnahen Bedingungen, wie sie unter anderem auch bei der Warmblechumformung vorherrschen, konnte mit einem Werkzeugstahl, der die in Tabelle 5 mit F gekennzeichnete chemische Zusammensetzung aufweist, im Vergleich zu einem konventionellen Werkzeugstahl mit der Bezeichnung 1.2344 gemäß DIN 17350 EN ISO 4957 eine beschleunigte Abfuhr der im Werkstück über die Vorerwärmung gespeicherten Wärme über eine pyrometrische Temperaturmessung nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der pyrometrischen Temperaturmessungen sind in
Berücksichtigt man die in diesen Prozessen übliche Werkzeugtemperatur von etwa 200°C, so kann über den hier verwendeten erfindungsgemäßen Werkzeugstahl eine Verkürzung der Abkühldauer von etwa 50 % erreicht werden.Taking into account the usual in these processes tool temperature of about 200 ° C, it can be achieved over the tool steel according to the invention used here a shortening of the cooling time of about 50%.
Neben dem erfinderischen Aspekt der Grundeinstellung der Wärmeleitfähigkeit durch die geeignete Wahl der chemischen Zusammensetzung umfasst die vorliegende Erfindung auch den Aspekt der Feineinstellung durch eine definierte Wärmebehandlung.In addition to the inventive aspect of the basic setting of the thermal conductivity by the suitable choice of the chemical composition, the present invention also includes the aspect of fine adjustment by a defined heat treatment.
In Tabelle 6 ist beispielhaft der Einfluss unterschiedlicher Wärmebehandlungsbedingungen für die Legierungsvarianten F mit der in Tabelle 5 zusammengefassten chemischen Zusammensetzung sowie FC mit der in Tabelle 3 zusammengefassten chemischen Zusammensetzung auf die resultierende Wärmeleitfähigkeit dargestellt.Table 6 shows by way of example the influence of different heat treatment conditions for the alloy variants F with the chemical composition summarized in Table 5 and FC with the chemical composition summarized in Table 3 on the resulting thermal conductivity.
Der Grund für die wärmebehandlungsabhängig sich unterschiedlich einstellende Wärmeleitfähigkeit ist der sich hierdurch änderende Volumenanteil an Karbiden und ihre geänderte Verteilung und Morphologie.The reason for the varying thermal conductivity depending on the heat treatment is the resulting volume fraction of carbides and their changed distribution and morphology.
Es wurde zuvor bereits darauf hingewiesen, dass im Hinblick auf eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit in der chemischen Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen Legierung der Gewichtsanteil von Kohlenstoff einschließlich der kohlenstoffäquivalenten Bestandteile N und B (Kohlenstoffäquivalent xCeq = xC + 0,86· xN + 1,2· xB, wobei xC den Gewichtsprozentanteil von C, xN den Gewichtsprozentanteil von N und xB den Gewichtsprozentanteil von B bezeichnen) so eingestellt werden soll, dass möglichst wenig Kohlenstoff in der Matrix in Lösung verbleibt. Das gleiche gilt für den Gewichtsanteil von Molybdän xMo (%Mo) und Wolfram xW (%W); auch diese sollen möglichst nicht in gelöster Form in der Matrix verbleiben, sondern vielmehr zur Karbidbildung beitragen. Dies gilt in ähnlicher Form auch für alle weiteren Elemente; auch diese sollen zur Karbidbildung beitragen und daher nicht gelöst in der Matrix verbleiben, sondern vielmehr dazu dienen, Kohlenstoff zu binden und gegebenenfalls die Verschleißbeständigkeit bei mechanischer Beanspruchung zu erhöhen.It has previously been pointed out that in view of increasing the thermal conductivity in the chemical composition of an alloy according to the invention, the weight fraction of carbon including the carbon equivalent components N and B (carbon equivalent x Ceq = x C + 0.86 x x N + 1.2 x x B where xC is the weight percentage of C, xN is the weight percentage of N and xB is the Weight percentage of B) should be adjusted so that as little carbon in the matrix remains in solution. The same applies to the proportion by weight of molybdenum xMo (% Mo) and tungsten xW (% W); these too should not remain in dissolved form in the matrix if possible, but rather contribute to carbide formation. This applies in a similar way to all other elements; These should also contribute to the carbide formation and therefore not remain dissolved in the matrix, but rather serve to bind carbon and optionally to increase the wear resistance under mechanical stress.
Die zuvor getroffenen Aussagen lassen sich - wenn auch mit einigen Einschränkungen - in einen generellen Beschreibungsansatz in Form einer Gleichung für eine Kenngröße HC des Werkzeugstahls überführen:
In dieser Gleichung bezeichnen:
- xCeq - Gewichtsprozentanteil Kohlenstoffäquivalent (wie oben definiert);
- xMo - Gewichtsprozentanteil Molybdän;
- xW - Gewichtsprozentanteil Wolfram;
- xV - Gewichtsprozentanteil Vanadium;
- AC - Atommasse von Kohlenstoff (12,0107 u);
- AMo - Atommasse von Molybdän (95,94 u);
- AW - Atommasse Wolfram (183,84 u);
- AV - Atommasse von Vanadium (50,9415 u).
- xCeq - weight percent carbon equivalent (as defined above);
- xMo - weight percent molybdenum;
- xW - weight percent tungsten;
- xV - weight percent vanadium;
- AC - atomic mass of carbon (12.0107 u);
- AMo - atomic mass of molybdenum (95.94 u);
- AW - atomic mass tungsten (183.84 u);
- AV - atomic mass of vanadium (50.9415 u).
Der Betrag von HC sollte vorteilhaft zwischen 0,03 and 0,165 liegen. Der Betrag von HC kann auch zwischen 0,05 and 0,158, insbesondere zwischen 0,09 und 0,15, liegen.The amount of HC should advantageously be between 0.03 and 0.165. The amount of HC may also be between 0.05 and 0.158, in particular between 0.09 and 0.15.
Der Faktor 3 erscheint in der oben aufgeführten Gleichung für den Fall, dass Karbide vom Typ M3C oder M3Fe3C in der Mikrostruktur des erfindungsgemäßen Werkzeugstahls erwartet werden; M steht hierbei für ein beliebiges metallisches Element. Der Faktor 0,4 erscheint aufgrund der Tatsache, dass der gewünschte Gewichtsprozentanteil Vanadium (V) bei der Legierungsherstellung zumeist in chemischer Verbindung in Form von Karbiden zugegeben wird und somit ebenfalls bis zu diesem Anteil als Metallkarbid MC vorliegt.The
In Bezug auf die weitere Verwendung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) sind grundsätzlich solche Anwendungsbiete denkbar, bei denen sich eine hohe Wärmeleitfähigkeit oder ein definiert eingestelltes Profil variierender Wärmeleitfähigkeiten positiv auf das Anwendungsverhalten der verwendeten Werkzeug und auf die Eigenschaften der hiermit hergestellten Produkte auswirkt.With regard to the further use of preferred exemplary embodiments of tool steels according to the invention (in particular hot work steels), those application fields are conceivable in which a high thermal conductivity or a defined set profile of varying thermal conductivities has a positive effect on the application behavior of the tools used and on the properties of the products produced therewith.
Mit der vorliegenden Erfindung kann ein Stahl mit einer genau definierten Wärmeleitfähigkeit erhalten werden. Es besteht sogar die Möglichkeit, durch eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung einen Stahlgegenstand, der zumindest teilweise aus einem der hier vorgestellten Werkzeugstähle (Warmarbeitsstähle) besteht, mit einer sich über das Volumen ändernden Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Dabei kann jedes Verfahren, das eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung innerhalb des Stahlgegenstands ermöglicht, wie zum Beispiel das Sintern von Pulvermischungen, lokales Sintern oder lokales Schmelzen oder so genannte "Rapid-Tooling"-Verfahren beziehungsweise "Rapid-Prototyping"-Verfahren oder eine Kombination von "Rapid-Tooling"-Verfahren und "Rapid-Prototyping"-Verfahren, eingesetzt werden.With the present invention, a steel having a well-defined thermal conductivity can be obtained. There is even the possibility, by changing the chemical composition, of obtaining a steel object which consists at least partly of one of the tool steels (hot working steels) presented here, with a volume-changing thermal conductivity. It can be any procedure that has a Variation of the chemical composition within the steel article, such as sintering of powder mixtures, local sintering or local melting, or so-called "rapid-tooling" method or "rapid-prototyping" method or a combination of "rapid-tooling" Method and "rapid prototyping" method can be used.
Neben den bereits erwähnten Anwendungen im Bereich der Warmblechumformung (Presshärten, Formhärten) und dem Leichtmetalldruckguss sind es generell Werkzeug- und formengebundene Metallgießprozesse, Kunststoffspritzguss und Prozesse der Massivumformung, insbesondere der Warmmassivumformung (zum Beispiel Schmieden, Fließpressen, Strangpressen, Walzen), die bevorzugte Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäßen Warmarbeitsstähle darstellen.In addition to the above-mentioned applications in the field of hot sheet metal forming (press hardening, tempering) and light metal die casting, there are generally tool and forming metal casting processes, plastic injection molding and massive forming processes, in particular hot massive forming (for example forging, extrusion, extrusion, rolling), the preferred application areas represent for the hot working steels according to the invention.
Auf der Produktseite stellen die hier vorgestellten Stähle ideale Voraussetzungen für ihre Verwendung zu Herstellung von Zylinderlaufbuchsen in Verbrennungsmotoren, für Zerspanungswerkzeuge oder Bremsscheiben dar.On the product side, the steels presented here represent ideal conditions for their use in the production of cylinder liners in internal combustion engines, for cutting tools or brake discs.
In Tabelle 7 sind über die bereits in den Tabellen 3 und 4 aufgeführten Legierungsvarianten hinaus weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Werkzeugstähle (Warmarbeitsstähle) aufgeführt.Table 7 lists, in addition to the alloy variants already listed in Tables 3 and 4, further exemplary embodiments of tool steels according to the invention (hot working steels).
Bevorzugte Anwendungen der in Tabelle 7 zusammengefassten Legierungsvarianten sind:
- FA: Aluminiumdruckguss;
- FZ: Umformung von Kupfer- und Kupferlegierungen (einschließlich Messing);
- FW: Druckguss von Kupfer- und Kupferlegierungen; (einschließlich Messing) sowie höherschmelzenden Metalllegierungen;
- FV: Umformung von Kupfer- und Kupferlegierungen (einschließlich Messing);
- FAW: Druckguss von Kupfer- und Kupferlegierungen; (einschließlich Messing) sowie höherschmelzenden Metalllegierungen;
- FA Mod1: Druckguss großvolumiger Bauteile aus Kupfer- und Kupferlegierungen (einschließlich Messing) und Aluminium;
- FA Mod2: Umformung von Aluminium;
- FC Mod1: Warmblechumformung (Presshärten, Formhärten) mit hohem Verschleißwiderstand;
- FC Mod2: Warmblechumformung (Presshärten, Formhärten) mit hohem Verschleißwiderstand.
- FA: die-cast aluminum;
- FZ: forming of copper and copper alloys (including brass);
- FW: die casting of copper and copper alloys; (including brass) and higher melting metal alloys;
- FV: transformation of copper and copper alloys (including brass);
- FAW: die casting of copper and copper alloys; (including brass) and higher melting metal alloys;
- FA Mod1: Die casting of large volume components from copper and copper alloys (including brass) and aluminum;
- FA Mod2: forming of aluminum;
- FC Mod1: hot sheet metal forming (press hardening, form hardening) with high wear resistance;
- FC Mod2: hot sheet metal forming (press hardening, tempering) with high wear resistance.
- 1. Verfahren zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Aufbaustruktur des Stahls definiert metallurgisch erzeugt wird, deren karbidische Bestandteile eine definierte Elektronen- und Phononendichte aufweisen und/oder deren Kristallstruktur eine durch gezielt erzeugte Gitterdefekte bestimmte mittlere freie Weglänge für den Phononen- und Elektronenfluss aufweist.1. A method for adjusting the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work steel, characterized in that an inner structure of the structure defined steel is generated metallurgically, the carbide constituents have a defined electron and phonon density and / or their crystal structure determined by selectively generated lattice defects mean has free path for the phonon and electron flow.
- 2. Verfahren zur Einstellung, insbesondere zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Aufbaustruktur des Stahls definiert metallurgisch erzeugt wird, die in ihren karbidischen Bestandteilen eine erhöhte Elektronen- und Phononendichte aufweist und/oder die durch einen geringen Defektgehalt in der Kristallaufbaustruktur der Karbide und der sie umgebenden metallischen Matrix eine vergrößerte mittlere freie Weglänge für den Phononen- und Elektronenfluss aufweist.2. A method for adjusting, in particular for increasing the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work steel, characterized in that an inner structure of the structure defined steel is metallurgically generated, which has in their carbide components an increased electron and phonon density and / or by a low defect content in the crystal structure of the carbides and the surrounding metallic matrix has an increased mean free path for the phonon and electron flow.
-
3. Verfahren nach Ausführungsform 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Stahls bei Raumtemperatur auf mehr als 42 W/mK, vorzugsweise auf mehr als 48 W/mK, insbesondere auf mehr als 55 W/mK eingestellt wird.3. The method according to
1 or 2, characterized in that the thermal conductivity of the steel at room temperature to more than 42 W / mK, preferably to more than 48 W / mK, in particular to more than 55 W / mK is set.embodiment -
4. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:
- 0,26 bis 0,55 Gew.-% C;
- < 2 Gew.-% Cr;
- 0 bis 10 Gew.-% Mo;
- 0 bis 15 Gew.-% W;
- wobei der Gehalt von W und Mo in der Summe 1,8 bis 15
- Gew.-% beträgt;
- karbidbildende Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Gehalt von 0 bis 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe;
- 0 bis 4 Gew.- % V;
- 0 bis 6 Gew.-% Co;
- 0 bis 1,6 Gew.-% Si;
- 0 bis 2 Gew.-% Mn;
- 0 bis 2,99 Gew.-% Ni;
- 0 bis 1 Gew.-% S;
- Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 0.26 to 0.55 wt% C;
- <2% by weight Cr;
- 0 to 10% by weight of Mo;
- 0 to 15 wt% W;
- wherein the content of W and Mo in the sum of 1.8 to 15
- Wt .-% is;
- carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of 0 to 3 wt .-%, individually or in total;
- 0 to 4% by weight V;
- 0 to 6% by weight of Co;
- 0 to 1.6% by weight of Si;
- 0 to 2% by weight of Mn;
- 0 to 2.99% by weight of Ni;
- 0 to 1% by weight of S;
- Remainder: iron and unavoidable impurities.
-
5. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:
- 0,25 bis 1,00 Gew.-% C und N in der Summe;
- < 2 Gew.-% Cr;
- 0 bis 10 Gew.-% Mo;
- 0 bis 15 Gew.-% W;
- wobei der Gehalt von W und Mo in der Summe 1,8 bis 15 Gew.-% beträgt;
- karbidbildende Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Gehalt von 0 bis 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe;
- 0 bis 4 Gew.- % V;
- 0 bis 6 Gew.-% Co;
- 0 bis 1,6 Gew.-% Si;
- 0 bis 2 Gew.-% Mn;
- 0 bis 2,99 Gew.-% Ni;
- 0 bis 1 Gew.-% S;
- Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 0.25 to 1.00% by weight of C and N in total;
- <2% by weight Cr;
- 0 to 10% by weight of Mo;
- 0 to 15 wt% W;
- wherein the content of W and Mo in the sum of 1.8 to 15 wt .-% is;
- carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of 0 to 3 wt .-%, individually or in total;
- 0 to 4% by weight V;
- 0 to 6% by weight of Co;
- 0 to 1.6% by weight of Si;
- 0 to 2% by weight of Mn;
- 0 to 2.99% by weight of Ni;
- 0 to 1% by weight of S;
- Remainder: iron and unavoidable impurities.
-
6. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:
- 0,25 bis 1,00 Gew.-% C, N und B in der Summe;
- < 2 Gew.-% Cr;
- 0 bis 10 Gew.-% Mo;
- 0 bis 15 Gew.-% W;
- wobei der Gehalt von W und Mo in der Summe 1,8 bis 15 Gew.-% beträgt;
- karbidbildende Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Gehalt von 0 bis 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe;
- 0 bis 4 Gew.- % V;
- 0 bis 6 Gew.-% Co;
- 0 bis 1,6 Gew.-% Si;
- 0 bis 2 Gew.-% Mn;
- 0 bis 2,99 Gew.-% Ni;
- 0 bis 1 Gew.-% S;
- Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
- 0.25 to 1.00% by weight of C, N and B in the sum;
- <2% by weight Cr;
- 0 to 10% by weight of Mo;
- 0 to 15 wt% W;
- wherein the content of W and Mo in the sum of 1.8 to 15 wt .-% is;
- carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of 0 to 3 wt .-%, individually or in total;
- 0 to 4% by weight V;
- 0 to 6% by weight of Co;
- 0 to 1.6% by weight of Si;
- 0 to 2% by weight of Mn;
- 0 to 2.99% by weight of Ni;
- 0 to 1% by weight of S;
- Remainder: iron and unavoidable impurities.
-
7. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Warmarbeitsstahl bei Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 48 W/mK, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 55 W/mK hat.7. tool steel, in particular hot-work steel, according to one of
embodiments 4 to 6, characterized in that the hot-work steel at room temperature, a thermal conductivity of more than 42 W / mK, preferably a thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular a thermal conductivity of more than 55 W / mK has. -
8. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach Ausführungsform 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls durch ein Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 3 einstellbar ist.8. tool steel, in particular hot-work steel, according to embodiment 7, characterized in that the thermal conductivity of the tool steel by a method according to one of
embodiments 1 to 3 is adjustable. -
9. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Warmarbeitsstahl 2 bis 15 Gew.-% Mo und W in der Summe enthält.9. Tool steel, in particular hot-work steel, according to one of
embodiments 4 to 8, characterized in that the hot-work steel contains 2 to 15 wt .-% Mo and W in the sum. -
10. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl 2,5 bis 15 Gew.-% Mo und W in der Summe enthält.10. tool steel, in particular hot-work tool steel, according to one of
embodiments 4 to 9, characterized in that the tool steel contains 2.5 to 15 wt .-% Mo and W in the sum. -
11. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl weniger als 1,5 Gew.-% Cr enthält.11. Tool steel, in particular hot-work tool steel, according to one of
embodiments 4 to 10, characterized in that the tool steel contains less than 1.5 wt .-% Cr. -
12. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl weniger als 1 Gew.-% Cr enthält.12. tool steel, in particular hot-work tool steel, according to one of
embodiments 4 to 11, characterized in that the tool steel contains less than 1 wt .-% Cr. -
13. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl weniger als 0,5 Gew.-% Cr, vorzugsweise weniger als 0,2 Gew.-% Cr und insbesondere weniger als 0,1 Gew.-% Cr enthält.13. Tool steel, in particular hot-work tool steel, according to one of
embodiments 4 to 12, characterized in that the tool steel less than 0.5 wt .-% Cr, preferably less than 0.2 wt .-% Cr and in particular less than 0.1 Wt .-% Cr contains. -
14. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl 0,5 bis 10 Gew.-%, insbesondere 1 bis 10 Gew.- % Mo enthält.14. Tool steel, in particular hot-work steel, according to one of
embodiments 4 to 13, characterized in that the tool steel 0.5 to 10 wt .-%, in particular 1 to 10 wt% Mo contains. -
15. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt von Mo, W und V in der Summe 2 bis 10 Gew.-% beträgt.15. Tool steel, in particular hot-work steel, according to one of
embodiments 4 to 14, characterized in that the content of Mo, W and V in the sum of 2 to 10 wt .-% is. -
16. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl maximal 3 Gew.-% Co enthält.16. Tool steel, in particular hot-work tool steel, according to one of
embodiments 4 to 15, characterized in that the tool steel contains a maximum of 3 wt .-% Co. -
17. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl maximal 2 Gew.-% Co enthält.17. Tool steel, in particular hot-work steel, according to one of
embodiments 4 to 16, characterized in that the tool steel contains a maximum of 2 wt .-% Co. -
18. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Molybdängehalt des Werkzeugstahls > 1 Gew.-%, vorzugsweise >1,5 Gew.-%, insbesondere >= 2 Gew.-% ist.18. Tool steel, in particular hot-work steel, according to one of
embodiments 4 to 17, characterized in that the molybdenum content of the tool steel> 1 wt .-%, preferably > 1.5 wt .-%, in particular> = 2 wt .-% is. -
19. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Vanadiumgehalt des Werkzeugstahls <= 2 Gew.-%, vorzugsweise <=1,2% Gew.-% ist.19. Tool steel, in particular hot-work steel, according to one of
embodiments 4 to 18, characterized in that the vanadium content of the tool steel <= 2 wt .-%, preferably <= 1.2% wt .-% is. -
20. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigungen eines oder mehrere der Elemente Cu, P, Bi, Ca, As, Sn oder Pb mit einem Gehalt von maximal 1 Gew.-% einzeln oder in der Summe enthalten.20. Tool steel, in particular hot-work steel, according to one of
embodiments 4 to 19, characterized in that the impurities one or more of the elements Cu, P, Bi, Ca, As, Sn or Pb with a content of at most 1 wt .-% individually or included in the sum. -
21. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kenngröße HC = xCeq - AC [xMo / (3- AMo) + xW / (3- AW) + (xV-0,4) / AV] zwischen 0,03 and 0,165 liegt, wobei xCeq den Gewichtsprozentanteil Kohlenstoffäquivalent, xMo den Gewichtsprozentanteil Molybdän, xW den Gewichtsprozentanteil Wolfram, xV den Gewichtsprozentanteil Vanadium, AC die Atommasse von Kohlenstoff, AMo die Atommasse von Molybdän, AW die Atommasse von Wolfram und AV die Atommasse von Vanadium bezeichnen.21. Tool steel, in particular hot-work tool steel, according to one of
embodiments 4 to 20, characterized in that a parameter HC = xCeq - AC [xMo / (3-AMo) + xW / (3-AW) + (xV-0.4) / AV] is between 0.03 and 0.165, where xCeq is the weight percentage of carbon equivalent, xMo is the weight percent molybdenum, xW is the weight percent tungsten, xV is the weight percent vanadium, AC is the atomic mass of carbon, AMo is the atomic mass of molybdenum, AW is the atomic mass of tungsten and AV is the atomic mass of vanadium. - 22. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach Ausführungsform 21, dadurch gekennzeichnet, dass HC zwischen 0,05 und 0,158 liegt.22. Tool steel, in particular hot-work tool steel, according to embodiment 21, characterized in that HC is between 0.05 and 0.158.
- 23. Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, nach Ausführungsform 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass HC zwischen 0,09 und 0,15 liegt.23. Tool steel, in particular hot-work tool steel, according to embodiment 21 or 22, characterized in that HC is between 0.09 and 0.15.
-
24. Verwendung eines Werkzeugstahls, insbesondere Warmarbeitsstahls, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 23 als Werkstoff zur Herstellung eines Warmarbeitsstahlgegenstands, insbesondere eines Warmarbeitswerkzeugs, der eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 48 W/mK, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 55 W/mK aufweist.24. Use of a tool steel, in particular Hot work steel, according to one of
embodiments 4 to 23, as a material for producing a hot-work tool, in particular a hot working tool, which has a thermal conductivity at room temperature of more than 42 W / mK, preferably a thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular a thermal conductivity of more than 55 W / mK. -
25. Stahlgegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand zumindest teilweise aus einem Werkzeugstahl, insbesondere aus einem Warmarbeitsstahl, nach einer der Ausführungsformen 4 bis 23 besteht.25. A steel article, characterized in that the steel article at least partially consists of a tool steel, in particular of a hot-work tool steel, according to one of
embodiments 4 to 23. - 26. Stahlgegenstand nach Ausführungsform 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand eine über sein gesamtes Volumen im Wesentlichen konstante Wärmeleitfähigkeit aufweist.26. A steel article according to embodiment 25, characterized in that the steel article has over its entire volume substantially constant thermal conductivity.
- 27. Stahlgegenstand nach Ausführungsform 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand eine sich zumindest abschnittsweise ändernde Wärmeleitfähigkeit aufweist.27. Steel article according to embodiment 25, characterized in that the steel article has an at least partially changing thermal conductivity.
- 28. Stahlgegenstand nach einer der Ausführungsformen 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand bei Raumtemperatur zumindest abschnittsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 48 W/mK, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 55 W/mK aufweist.28 steel article according to one of embodiments 25 to 27, characterized in that the steel article at room temperature at least partially a thermal conductivity of more than 42 W / mK, preferably a thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular a thermal conductivity of more than 55 W. / mK.
- 29. Stahlgegenstand nach einer der Ausführungsformen 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Druckumformung, der Schubumformung, oder der Biegeumformung von Metallen, vorzugsweise in Freiformschmiedeprozessen, Gesenkschmiedeprozessen, Thixoschmiedeprozessen, Fließpressprozessen, Strangpressprozessen, Gesenkbiegeprozessen, Walzprofilierprozessen oder in Flach-, Profil- und Gießwalzprozessen ist.A steel article according to any one of embodiments 25 to 28, characterized in that the steel article is a forming tool in processes of pressure forming, shear forming, or bend forming of metals, preferably in forging forging processes, drop forging processes, thixo forging processes, Extrusion processes, extrusion processes, Gesenkbiegeprozessen, Walzprofilierprozessen or in flat, profile and Gießwalzprozessen is.
- 30. Stahlgegenstand nach einer der Ausführungsformen 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Zugdruckumformung und Zugumformung von Metallen, vorzugsweise in Presshärtprozessen, Formhärtprozessen, Tiefziehprozessen, Streckziehprozessen und Kragenziehprozessen ist.30. A steel article according to any one of embodiments 25 to 28, characterized in that the steel article is a forming tool in processes of train forming and tensile forming of metals, preferably in press-hardening processes, mold-hardening processes, thermoforming processes, stretch-drawing processes and collar-drawing processes.
- 31. Stahlgegenstand nach einer der Ausführungsformen 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung metallischer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Druckgießprozessen, Vakuumdruckgießprozessen, Thixogießprozessen, Gießwalzprozessen, Sinterprozessen und heißisostatischen Pressprozessen ist.31. A steel article according to any one of embodiments 25 to 28, characterized in that the steel article is a forming tool in processes of primary forming of metallic starting materials, preferably in die casting processes, vacuum die casting processes, thixocasting processes, cast roll processes, sintering processes and hot isostatic pressing processes.
- 32. Stahlgegenstand nach einer der Ausführungsformen 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung polymerer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Spritzgießprozessen, Extrusionsprozessen und Extrusionsblaseprozessen ist.32. A steel article according to any one of embodiments 25 to 28, characterized in that the steel article is a forming tool in processes of molding of polymeric starting materials, preferably in injection molding, extrusion processes and extrusion blow molding processes.
- 33. Stahlgegenstand nach einer der Ausführungsformen 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung keramischer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Sinterprozessen ist.33. A steel article according to any one of embodiments 25 to 28, characterized in that the steel article is a forming tool in processes of forming original ceramic materials, preferably in sintering processes.
- 34. Stahlgegenstand nach einer der Ausführungsformen 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand ein Bauteil für Maschinen und Anlagen der Energieerzeugung und der Energieumwandlung, vorzugsweise für Verbrennungskraftmaschinen, Reaktoren, Wärmetauscher und Generatoren, ist.34. A steel article according to any one of embodiments 25 to 28, characterized in that the steel article is a component for machines and plants of power generation and energy conversion, preferably for internal combustion engines, reactors, heat exchangers and Generators, is.
- 35. Stahlgegenstand nach einer der Ausführungsformen 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand ein Bauteil für Maschinen und Anlagen der chemischen Verfahrenstechnik, vorzugsweise für chemische Reaktoren, ist.35. Steel article according to one of embodiments 25 to 28, characterized in that the steel article is a component for machines and plants of chemical engineering, preferably for chemical reactors.
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