EP3228724B1 - Tool steel, in particular hot-work steel, and steel object - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a tool steel, in particular hot work steel, to a use of a tool steel and to a steel article.
- Hot-work tool steels are alloyed tool steels which, in addition to iron, contain carbon, chromium, tungsten, silicon, nickel, molybdenum, manganese, vanadium and cobalt in varying proportions as alloying elements.
- Hot-work steel objects such as tools
- hot-work steel which are suitable for processing materials, in particular in die casting, extrusion or drop forging.
- extrusion dies forging tools, die-casting molds, rams, or the like, which must have particular mechanical strength properties at high working temperatures.
- Another area of application for hot work steels are tools for injection molding of plastics.
- An essential functionality of tool steels in particular of hot-work tool steels, and of steel objects made from them consists in ensuring sufficient dissipation of heat previously introduced or generated in the process itself when used in technical processes.
- hot-work tools that are made from a hot-work steel must have good thermal conductivity and high hot wear resistance.
- other important properties of hot-work tool steels include high hot hardness and high wear resistance at high working temperatures.
- a high thermal conductivity of the hot-work steel used to manufacture tools is of particular importance for some applications, since this can result in a significant reduction in cycle times. Since the operation of hot-forming devices for the hot-forming of workpieces is relatively expensive, considerable cost savings can be achieved by reducing the cycle times.
- a high thermal conductivity of the hot-work steel is also advantageous in high-pressure casting, since the casting molds used there have a significantly longer service life due to a greatly increased thermal fatigue strength.
- the tool steels that are frequently used to manufacture tools typically have a thermal conductivity of the order of around 18 to 24 W/mK at room temperature.
- the thermal conductivities of the hot-work 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. Furthermore, chromium forms very thin secondary carbides, so that the ratio of mechanical strength to toughness is very good in conventional hot-work tool steels.
- the CH481222 refers to a chromium-molybdenum-vanadium alloyed hot-work tool steel with good cold-sinkability for the manufacture of tools such as stamps and dies.
- the tuning of the alloying elements in particular 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 low annealing strength (55 kp/mm 2 ), good flow properties, good thermal conductivity and so on.
- the Japanese pamphlet JP 4147706 deals with the improvement of the wear resistance of mandrels for the production of seamless steel tubes through the geometry of the mandrel and through 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 publication.
- the Japanese pamphlet JP2004183008 describes an inexpensive 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 optimal relationship between processability and thermal conductivity.
- the Indian JP2003253383 contains a pre-hardened tool steel for plastic casting with a ferritic-pearlitic matrix (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 machinability and weldability are in the foreground.
- JP 9049067 a chemical composition specification (0.05 to 0.55% C, 0.10 to 2.50% Mn, 0 to 3.00% Cr, 0 to 1.50% Mo, 0 to 0.50% V) and in particular the increase of the silicon content (0.50 to 2.50% Si) is proposed.
- the pamphlet CH165893 relates to an iron alloy which is particularly suitable for hot-working tools (dies, matrices or the like) and has a chemical composition which is low in chromium (up to chromium-free) and contains tungsten-cobalt-nickel (preferably with additions of molybdenum and vanadium).
- the reduced chromium content or the complete renunciation of chromium as an alloying element is held responsible for significant improvements in properties and the combination of positive alloying properties. It was found that even slight reductions in the chromium content have a significantly greater influence on the desired properties (e.g. high hot tear strength, toughness and insensitivity to temperature fluctuations and thus 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 excellent strength at high temperatures.
- the purpose of the invention disclosed in the above reference was to provide a heat-resistant, low-chromium ferritic steel having an improved creep rupture strength among the conditions of long periods at high temperatures and improved toughness, machinability and weldability even in thick products.
- the need to stabilize the structure of ferritic steel is highlighted by describing the alloying influences in relation to carbide formation (coarsening), precipitation and solid solution strengthening.
- the reduction of the Cr content below 3.5% is attributed to the suppressed reduction in creep rupture strength due to the coarsening of Cr carbides at temperatures above a temperature of 550°C and an improvement in toughness, machinability and thermal conductivity.
- at least 0.8% Cr is considered a requirement for maintaining the steel's oxidation and corrosion toughness at high temperatures.
- a wear-resistant, temper-resistant and heat-resistant alloy is known.
- This alloy is aimed in particular at use for hot work tools in hot forming and hot forming technology and is characterized by very high molybdenum contents (10 to 35%) and tungsten contents (20 to 50%).
- the invention described in the aforementioned document relates to a simple and inexpensive method for production, in which the alloy is first produced from the melt or by powder metallurgy.
- the content of Mo and W in such large amounts is attributed to the increase in tempering resistance and high-temperature strength through solid solution hardening and through the formation of carbides (or intermetallic phases).
- molybdenum increases the thermal conductivity and reduces the thermal expansion of the alloy.
- the German patent DE 4321433 C1 relates to a steel for hot-work tools, such as those used for the primary forming, forming and processing of materials (especially in die-casting, extrusion, drop-forging or as shears) at temperatures of up to 1100 °C. It is characteristic that the steel has a thermal conductivity of over 35 W/mK in the temperature range from 400 to 600 °C (although this generally decreases with increasing alloy content) and at the same time 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 JP61030654 relates to the use of a steel with high resistance to hot tearing and hot fracture as well as high thermal conductivity as a material for the manufacture of shells for rolls in aluminum continuous casting plants.
- the opposing tendencies in the influence of the alloy composition on the hot cracking or hot fracture strength and the thermal conductivity are discussed. Silicon levels above 0.3% and chromium levels above 4.5% are considered to be disadvantageous, especially with regard to thermal conductivity.
- Possible procedures for setting a hardened martensitic microstructure of the roll shells made from the steel alloy according to the invention are listed.
- the EP 1300482 B1 relates to a hot work 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 extended service life under impact loads. It is shown that certain concentrations within narrow limits of carbon (0.451 to 0.598% C) and special carbide and monocarbide-forming elements (4.21 to 4.98% Cr, 2.81 to 3.29% Mo, 0.41 up to 0.69% V) promotes a desired solid solution hardenability during thermal tempering and carbide hardening or a hardness-increasing precipitation of coarser carbides can be largely suppressed at the expense of matrix hardness. An improvement in thermal conductivity by reducing the proportion of carbides could be based on interface kinetics and/or on the properties of the carbides.
- a disadvantage of the tool steels known from the prior art, in particular hot-work tool steels, and the steel objects produced from them is that they only have insufficient thermal conductivity for some areas of application. Furthermore, it has not hitherto been possible to set the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work steel, in a targeted manner and thus to adapt it in a defined manner to the respective application.
- the present invention comes in and sets itself the task of providing a tool steel, in particular a hot-work tool steel, and a steel object which has a higher thermal conductivity than the tool steels (in particular hot-work tool steels) or steel objects known from the prior art.
- the object on which the present invention is based is achieved by a tool steel (in particular hot-work tool steel) having the features of claim 1 .
- the object on which the present invention is based is achieved by a steel object having the features of claim 8 .
- a method for adjusting the thermal conductivity of a steel according to the invention, in particular a hot-work steel according to the invention, is characterized in that an internal structural structure of the steel is produced in a defined metallurgical manner, the carbide components of which have a defined electron and phonon density and/or the crystal structure of which has a specifically produced structure Lattice defects has a specific mean free path for the flow of phonons and electrons.
- One advantage is that the thermal conductivity of a steel according to the invention can be adjusted to the desired value in a targeted manner by producing the inner structural structure of the steel in a defined metallurgical manner in the manner described above.
- the process is suitable, for example, for tool steel and hot-work steel.
- the method for adjusting, in particular for increasing the thermal conductivity of a steel according to the invention, in particular a hot-work steel is characterized in that an inner structural structure of the steel is produced in a defined metallurgical manner which has an increased electron and phonon density in its carbidic components and/or which by a low defect content in the crystal structure of the carbides and they surrounding metallic matrix has an increased mean free path for the phonon and electron flow.
- the thermal conductivity of a steel according to the invention can be adjusted in a defined manner in comparison to the steels known from the prior art and, in particular, can be significantly increased in comparison to the known hot-work steels.
- the thermal conductivity of the steel at room temperature can be adjusted 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 compared to the tool and hot-work steels known from the prior art. It is clear that the tool steel according to the invention contains, in addition to iron as the main component, the elements C (or C and N and B), Cr, Mo and W in the ranges specified above, as well as unavoidable impurities.
- the other alloying elements are therefore optional components of the tool steel, since their content can also be 0% by weight.
- An essential aspect of the solution described here consists in largely keeping carbon and preferably also chromium in the solid solution state out of the steel matrix and replacing the Fe 3 C carbides with carbides having a higher thermal conductivity. Chromium can only be kept out of the matrix by not being present at all. Carbon can be bonded in particular with carbide formers, with Mo and W being the most cost-effective elements and having a comparatively high thermal conductivity both as elements and as carbides.
- Quantum mechanical simulation models for tool steels, and hot-work tool steels in particular can show that carbon and chromium in the solid solution state lead to matrix distortion, resulting in a shortening of the mean free path of phonons. The result is a higher modulus of elasticity and a higher coefficient of thermal expansion.
- the influence of carbon on electron and phonon scattering has also been investigated using suitable simulation models. This verified the advantages of a matrix depleted in terms of carbon and chromium in terms of increasing thermal conductivity. While the thermal conductivity of the matrix is dominated by the flow of electrons, 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 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. It turned out to be surprising shown that thermal conductivity in the order of more than 50, in particular about 55 to 60 W / mK and even more can be achieved.
- the thermal conductivity of the hot-work steel according to the invention can thus be almost twice as high as that of the hot-work steels known from the prior art.
- the steel described here is therefore particularly suitable for applications in which high thermal conductivity is required.
- the particular advantage of the tool steel according to the invention compared to the solutions known from the prior art consists in the drastically improved thermal conductivity.
- the tool steel can contain the carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a proportion of up to 3% by weight individually or in total.
- the elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta are known in metallurgy as strong carbide formers. It has been shown that strong carbide formers have a positive effect with regard to increasing the thermal conductivity of the tool steel, since they have a better ability to remove carbon in the solid solution state from the matrix. Carbides with a high thermal conductivity can also increase the conductivity of the tool steel. It is known from metallurgy that the following elements are carbide formers, with their carbon affinity being in ascending order: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr, Hf.
- the tool steel can optionally contain the alloying element vanadium with a content of up to 4% by weight.
- vanadium establishes fine carbide networks.
- numerous mechanical properties of the tool steel can be improved for some applications.
- vanadium Compared to molybdenum, vanadium is characterized not only by its higher carbon affinity, but also has the advantage that its carbides have a higher thermal conductivity.
- vanadium is a comparatively inexpensive element.
- a disadvantage of vanadium over molybdenum is that the vanadium remaining in the solid solution state has a comparatively significantly greater negative effect on the thermal conductivity of the tool steel. For this reason there is no benefit in alloying the tool steel with vanadium alone.
- the tool steel can contain one or more elements for solid solution strengthening, in particular Co, Ni, Si and/or Mn.
- Mn with a content of up to 2% by weight.
- a Co content of up to 6% by weight for example, can be advantageous depending on the specific application.
- the tool steel can contain Co with a content of up to 3% by weight, preferably with a content of up to 2% by weight.
- the hot-work steel has Si with a content of up to 1.6% by weight.
- the tool steel can optionally contain sulfur S in a content of up to 1% by weight.
- ⁇ internal 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.
- a more realistic mathematical modeling of the integral thermal conductivity of the overall system can be done, for example, using so-called effective medium theories (EMT).
- EMT effective medium theories
- ⁇ internal ⁇ m + f c * ⁇ internal * 3 * ⁇ c ⁇ ⁇ m / ( 2 * ⁇ internal + ⁇ c
- f c describes the volume fraction of carbides 1, 2.
- the proportion by volume of the carbides f c ultimately decides which of the two thermal conductivities ⁇ c and ⁇ m is more relevant.
- the amount of carbides is ultimately defined by the application-specific requirements for the mechanical strength and, in particular, the wear resistance of the tool steel.
- the carbide structure there are definitely different design specifications for the different main areas of application of the tool steels developed according to the invention.
- the ultimate goal is to maximize the thermal conductivity of all system components. Due to the application-specific design specifications for the carbide formation, however, there is a weighting of the influence of the thermal conductivity of the system components on the integral thermal conductivity of the overall system.
- a completely new metallurgical concept was used to achieve drastically improved thermal conductivity, which is able to shape the thermal conductivity of the microstructural system components in a precisely defined manner and thus drastically improve the integral thermal conductivity of the tool steel.
- An important basic idea of the metallurgical concept presented here is that the preferred carbide formers are molybdenum and tungsten and that, as a result, even small amounts of chromium dissolved in these carbides due to the Extension of the mean free path of the phonons by the resulting disturbances in the crystal structure of the pure carbides, the heat transfer properties are adversely affected.
- molybdenum and tungsten should be considered as preferred carbide formers. Molybdenum is particularly preferred in this connection since 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 protection against corrosion; in hot sheet metal forming, for example, it is the surface layers of the tools that are nitrided to protect against wear.
- Anti-corrosion lubricants as well as coolants and release agents also play their part in protecting against corrosion.
- very thin protective layers can be applied galvanically or using the vacuum coating process.
- the higher thermal conductivity of the tools made from the tool steels according to the invention allows, for example, a reduction in cycle times when machining/manufacturing workpieces.
- Another benefit is a significant reduction in the surface temperature of the tool as well as the reduction in the surface temperature gradient, which has a significant impact on the longevity of the tool. This is particularly the case when tool damage is primarily due to thermal fatigue, thermal shock, or pick-up. This is particularly the case with regard to tools for aluminum die casting applications.
- the other mechanical and/or thermal properties of the tool steels according to the invention could either be improved or at least remained unchanged compared to 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
- the coefficient of thermal expansion could be reduced. Further improvements can be achieved for some applications, 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 contains less than 0.5% by weight Cr, preferably less than 0.2, in particular less than 0.1 wt% Cr.
- the presence of chromium in the solid solution state in the matrix of the tool steel adversely 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 gradation in the decrease in the intensity of the 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%, and more than 1 wt% and less than 2% by weight preferred.
- a balance of the requirements placed on the tool steel in terms of thermal conductivity and oxidation resistance, reflected in an optimized weight percentage of chromium be made.
- a chromium content of around 0.8% by weight provides the tool steel with good protection against corrosion. It has been found that additions in excess of this chromium content of about 0.8% by weight can result in undesired dissolution of chromium in the carbides.
- the molybdenum content of the tool steel is 0.5 to 7% by weight, in particular 1 to 7% by weight.
- molybdenum has a comparatively high affinity for carbon.
- 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 is compared to chromium in the solid solution state considerably less.
- 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 to 15 nm large colonies versus up to 200 nm large colonies for molybdenum) are a more advantageous choice.
- Tungsten can be substituted for molybdenum in numerous applications. Tungsten's carbon affinity is slightly lower, and tungsten carbide's thermal conductivity is significantly greater.
- the total content of Mo, W and V is 2 to 10% by weight.
- the total content of these three elements depends in particular on the desired number of carbides, i.e. on the respective application requirements.
- the impurities in the tool steel can contain one or more of the elements Cu, P, Bi, Ca, As, Sn or Pb with a maximum content of 1% by weight individually or in total.
- Cu in particular, is another suitable element for solid solution strengthening alongside Co, Ni, Si and Mn, so that at least a small proportion of Cu in the alloy may be advantageous.
- S which can optionally be present with a maximum content of 1% by weight
- the elements Ca, Bi or As can also simplify the machinability of the tool steel.
- both Mo and W carbides are also more advantageous than chromium and iron carbides in terms of mechanical stability and strength properties. Depletion of chromium along with reduction of carbon content in the matrix leads to improved thermal conductivity, especially when provided by tungsten and/or molybdenum carbides.
- the tool steels described within the scope of the present invention can be produced, for example, by powder metallurgy (hot isostatic pressing).
- powder metallurgy hot isostatic pressing
- vacuum induction melting or by furnace melting.
- the manufacturing process selected in each case can influence the resulting carbide size, which in turn—as already explained above—can have an impact on the thermal conductivity and the mechanical properties of the tool steel.
- AOD processes Aroxygen Decarburation; argon-oxygen decarburization
- ESR process Electro Slag Remelting
- a tool steel according to the invention can be produced, for example, by sand or precision casting. It can be manufactured by hot pressing or another powder metallurgy process (sintering, cold pressing, isostatic pressing) and in all these manufacturing processes with or without the use of thermomechanical processes (forging, rolling, extrusion). Less conventional manufacturing methods such as thixo-casting, plasma or laser deposition and local sintering can also be used. Sintering of powder mixtures can advantageously be used to produce objects with a composition that changes within the volume from the tool steel.
- the steel developed within the scope of the present invention can also be used as a welding filler material (e.g. in powder form for laser welding, as a 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 tool steel in particular a hot-work steel, according to one of claims 1 to 6 as a material for the production of a hot-work steel object, in particular a hot-work tool, is proposed 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.
- a steel object according to the invention is characterized by the features of claim 8 and consists at least partially of a tool steel, in particular a hot-work tool steel, according to any one of claims 1 to 7.
- the steel object has an essentially constant thermal conductivity over its entire volume.
- the steel object in this embodiment can consist entirely of a tool steel, in particular a hot-work tool steel, according to one of claims 1 to 7.
- the steel object has a thermal conductivity that changes at least in sections.
- the steel object can at least partially have 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 at room temperature.
- the steel object can also have 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, over its entire volume.
- the steel object can, for example, be a shaping tool in processes of pressure forming, shear forming, or bending forming of metals, preferably in open-die forging processes, drop forging processes, thixoforging processes, impact extrusion processes, extrusion processes, drop bending processes, roll profiling processes or in flat, profile and casting processes .
- the steel object can be a shaping tool in processes of compression and tension forming of metals, preferably in press-hardening processes, form-hardening processes, deep-drawing processes, stretch-forming processes and collar-forming processes.
- the steel object can, for example, be a shaping tool in processes of primary shaping of metallic starting materials, preferably in die-casting processes, vacuum die-casting processes, thixo-casting processes, casting-rolling processes, sintering processes and hot isostatic pressing processes.
- the steel object is a shaping tool in processes of primary shaping of polymer starting materials, preferably in injection molding processes, extrusion processes and extrusion blow molding processes, or a shaping tool in processes of primary shaping of ceramic starting materials, preferably in sintering processes.
- the steel object can be a component for machines and systems for energy production and energy conversion, preferably for internal combustion engines, reactors, heat exchangers and generators.
- the steel object is a component for machines and systems used in chemical process engineering, preferably for chemical reactors.
- the hot-work tool steel contains inevitable impurities and iron as the main component.
- the hot-work tool steel can contain strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, with a content of up to 3% by weight, individually or in total.
- the abrasion resistance of the tool made from the hot-work tool steel plays a particularly important role.
- the volume of the primary carbides formed should therefore be as large as possible.
- the hot-work steel contains iron (as the main component) and inevitable impurities.
- the hot-work tool steel can contain strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, with a content of up to 3% by weight, individually 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 depend in turn on the specific application and on the requirements with regard to thermal and/or mechanical requirements Properties of the tool that is made from the hot-work tool steel.
- the hot-work tool steel contains unavoidable impurities and iron as a main component.
- the hot-work steel can have strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, with a content of up to 3% by weight individually or in total. Greater toughness of the hot-work tool steel is required in this application, so that primary carbides should be suppressed as completely as possible and stable carbide formers are therefore more advantageous.
- the hot-work tool steel contains iron as the main component, as well as inevitable impurities.
- the hot-work tool steel can contain strong carbide formers such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of up to 3% by weight individually or in total. In these areas of application, the proportion of vanadium should be kept as low as possible.
- the vanadium content of the hot-work tool steel can preferably be less than 1% by weight and in particular less than 0.5% by weight and in a particularly preferred embodiment less than 0.25% by weight.
- the hot-work steel contains iron as the main component and inevitable impurities.
- the hot-work steel can have strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a proportion of up to 3% by weight individually or in total.
- the hot-work tool steel can advantageously 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 proven 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 to Sample F5) of a hot work steel according to the present invention compared to conventional tool steels. It can be seen, for example, that hot-work tool steels have a higher density than 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.
- 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 2 shows the abrasion resistance of two samples (F1 and F5) of a hot-work tool steel compared to conventional tool steels.
- the abrasion resistance was determined using a pin made from the appropriate steel and a disc made from USIBOR-1500P sheet metal.
- the sample "1.2344" is the reference sample (abrasion resistance: 100%).
- a material with an abrasion resistance of 200% thus has twice the abrasion resistance of the reference sample and thus experiences only half the weight loss during the performance of the abrasion test procedure. It can be seen that the samples of the 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 below.
- the thermal and thermal conductivity are the most important thermophysical material parameters for describing the heat transport properties of a material or component.
- the so-called "laser flash technique” (LFA) has established itself as a fast, versatile and precise absolute method for the exact measurement of thermal conductivity.
- LFA laser flash technique
- the corresponding test specifications are specified in the relevant standards DIN 30905 and DIN EN 821. For the present measurements, this was LFA 457 MicroFlash® from NETZSCH- Automaticbau GmbH, Wittelsbacherstrasse 42, 95100 Selb/Bavaria (Germany) is used.
- In 3 shows the dependence of the thermal conductivity on the percentage by weight of chromium determined using this method for a selection of tool steels with the chemical composition identified in Table 3 as FC or FC+xCr.
- the composition differs primarily in the percentage by weight of the alloying element chromium.
- these steels Due to a comparatively large volume fraction of primary carbides, these steels also have a high resistance to abrasive and adhesive wear and are therefore suitable for high mechanical stresses that typically occur in hot forming processes.
- In 4 is the dependence of the thermal conductivity on the percentage by weight of chromium determined using the method described above for a selection of tool steels of the chemical type identified in Table 4 with FM or FM+xCr Composition shown.
- the compositions differ primarily in the percentage by weight of the alloying element chromium.
- These tool steels are particularly suitable for use in die-casting processes, as they are characterized by a comparatively low proportion of primary carbides.
- Table 5 summarizes the chemical composition of a tool steel F according to the invention for comparative investigation of the process behavior.
- the tool steel according to the invention used here can reduce the cooling time by about 50%.
- the present invention also includes the aspect of fine adjustment through a defined heat treatment.
- Table 6 shows 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 thermal conductivity, which varies depending on the heat treatment, is the changing volume proportion 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 as possible remains in solution in the matrix.
- HC xCeq ⁇ AC ⁇ xMon / 3 ⁇ amo + xW / 3 ⁇ AW + xV ⁇ 0.4 / AV to be discribed.
- the magnitude of HC should advantageously be between 0.03 and 0.165.
- the amount of HC can also be between 0.05 and 0.158, in particular between 0.09 and 0.15.
- the factor of 3 appears in the above equation when M3C or M3Fe3C type carbides are expected in the microstructure of the tool steel of the present invention; M here stands for any metallic element.
- the factor 0.4 appears due to the fact that the desired percentage by weight of vanadium (V) is usually added in the form of carbides during alloy production and is therefore also present up to this percentage as metal carbide MC.
- a steel with a well-defined thermal conductivity can be obtained. It is even possible, by changing the chemical composition, to obtain a steel object that at least partially consists of one of the tool steels (hot work steels) presented here, with a thermal conductivity that changes over the volume. Any process that allows the chemical composition within the steel object to be changed, such as the sintering of powder mixtures, local sintering or local melting or so-called “rapid tooling” processes or “rapid prototyping” processes or a combination of "rapid tooling” methods and "rapid prototyping” methods.
- the preferred areas of application are generally tool and mold-related metal casting processes, plastic injection molding and processes of solid forming, in particular hot solid forming (e.g. forging, extrusion, extrusion, rolling). for represent the hot-work tool steels according to the invention.
- the steels presented here represent ideal conditions for their use in the manufacture of cylinder liners in combustion engines, for cutting tools or brake discs.
- Table 7 lists further exemplary embodiments of tool steels according to the invention (hot work steels).
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, auf eine Verwendung eines Werkzeugstahlsund auf einen Stahlgegenstand.The present invention relates to a tool steel, in particular hot work steel, to a use of a tool steel and 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, contain carbon, chromium, tungsten, silicon, nickel, molybdenum, manganese, vanadium and cobalt in varying proportions as alloying elements.
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.Hot-work steel objects, such as tools, can be produced from hot-work steel, which are suitable for processing materials, in particular in die casting, extrusion or drop forging.
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.Examples of such tools are extrusion dies, forging tools, die-casting molds, rams, or the like, which must have particular mechanical strength properties at high working temperatures. Another area of application for hot work steels are tools for 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 tool steels, and of steel objects made from them consists in ensuring sufficient dissipation of heat previously introduced or generated in the process itself when used in technical processes.
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.In addition to high mechanical stability at high working temperatures, hot-work tools that are made from a hot-work steel must have good thermal conductivity and high hot wear resistance. In addition to sufficient hardness and strength, other important properties of hot-work tool steels include 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 hot-work steel used to manufacture tools is of particular importance for some applications, since this can result in a significant reduction in cycle times. Since the operation of hot-forming devices for the hot-forming of workpieces is relatively expensive, considerable cost savings can be achieved by reducing the cycle times. A high thermal conductivity of the hot-work steel is also advantageous in high-pressure casting, since the casting molds used there have a significantly longer service 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 that are frequently used to manufacture tools typically have a thermal conductivity of the order of around 18 to 24 W/mK at room temperature. In general, the thermal conductivities of the hot-work 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% by weight C;
- less than 0.90 wt% Si;
- up to 1.0 wt% Mn;
- 2.0 to 4.0 wt% Cr;
- 3.5 to 7 wt% Mo;
- 0.3 to 1.5% by weight of one or more of 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 work 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. Furthermore, chromium forms very thin secondary carbides, so that the ratio of mechanical strength to toughness is very good in conventional hot-work 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-work tool steels, and the steel objects produced from them is that they only have insufficient thermal conductivity for some areas of application. Furthermore, it has not hitherto been possible to set the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work steel, in a targeted manner and thus to adapt it in a defined manner to the respective application.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe, 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. Hinsichtlich des Werkzeugstahls wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Werkzeugstahl (insbesondere Warmarbeitsstahl) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Stahlgegenstands wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Stahlgegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This is where the present invention comes in and sets itself the task of providing a tool steel, in particular a hot-work tool steel, and a steel object which has a higher thermal conductivity than the tool steels (in particular hot-work tool steels) or steel objects known from the prior art. With regard to the tool steel, the object on which the present invention is based is achieved by a tool steel (in particular hot-work tool steel) having the features of
Ein Verfahren zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäßen Stahls, insbesondere eines erfindungsgemäßen Warmarbeitsstahls, zeichnet sich 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 besteht darin, dass die Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäßen 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 Verfahren eignet sich zum Beispiel für Werkzeug- und Warmarbeitsstähle.A method for adjusting the thermal conductivity of a steel according to the invention, in particular a hot-work steel according to the invention, is characterized in that an internal structural structure of the steel is produced in a defined metallurgical manner, the carbide components of which have a defined electron and phonon density and/or the crystal structure of which has a specifically produced structure Lattice defects has a specific mean free path for the flow of phonons and electrons. One advantage is that the thermal conductivity of a steel according to the invention can be adjusted to the desired value in a targeted manner by producing the inner structural structure of the steel in a defined metallurgical manner in the manner described above. The process is suitable, for example, for tool steel and hot-work steel.
Das Verfahren zur Einstellung, insbesondere zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäßes Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, zeichnet sich 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 Maßnahme kann die Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäßen 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.The method for adjusting, in particular for increasing the thermal conductivity of a steel according to the invention, in particular a hot-work steel, is characterized in that an inner structural structure of the steel is produced in a defined metallurgical manner which has an increased electron and phonon density in its carbidic components and/or which by a low defect content in the crystal structure of the carbides and they surrounding metallic matrix has an increased mean free path for the phonon and electron flow. As a result of this measure, the thermal conductivity of a steel according to the invention can be adjusted in a defined manner in comparison to the steels known from the prior art and, in particular, can be significantly increased in comparison to the known hot-work steels.
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 thermal conductivity of the steel at room temperature can be adjusted to more than 42 W/mK, preferably to more than 48 W/mK, in particular to more than 55 W/mK.
Gemäß Anspruch 1 zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, durch folgende Zusammensetzung aus:
- 0,26
0,55 Gew.-% C;bis oder 0,25bis 1 Gew.-% C und N und - B in der Summe;
- < 2 Gew.-% Cr;
- 0,5
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; bis 1 Gew.-% S;- Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei 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 sind,
- 0.26 to 0.55% by weight C; or 0.25 to 1% by weight of C and N and
- B in total;
- <2 wt% Cr;
- 0.5 to 10 wt% Mo;
- 0 to 15 wt% W;
- the total content of W and Mo being 1.8 to 15% by weight;
- carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of 0 to 3% by weight individually or in total;
- 0 to 4 wt% V;
- 0 to 6 wt% Co;
- 0 to 1.6% wt% Si;
- 0 to 2 wt% Mn;
- 0 to 2.99 wt% Ni;
- up to 1% by weight S;
- remainder: iron and unavoidable impurities, where the impurities contain one or more of the elements Cu, P, Bi, Ca, As, Sn or Pb with a maximum content of 1% by weight individually or in total,
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 1, 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 components nitrogen (N) and boron (B), a tool steel, in particular hot-work tool steel, with the features of
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 und B), 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 compared to the tool and hot-work steels known from the prior art. It is clear that the tool steel according to the invention contains, in addition to iron as the main component, the elements C (or C and N and B), Cr, Mo and W in the ranges specified above, as well as unavoidable impurities. The other alloying elements (additional alloying elements) are therefore optional components of the tool steel, since their content can 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 consists in largely keeping carbon and preferably also chromium in the solid solution state out of the steel matrix and replacing the Fe 3 C carbides with carbides having a higher thermal conductivity. Chromium can only be kept out of the matrix by not being present at all. Carbon can be bonded in particular with carbide formers, with Mo and W being the most cost-effective elements and having 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 hot-work tool steels in particular, can show that carbon and chromium in the solid solution state lead to matrix distortion, resulting in a shortening of the mean free path of phonons. The result is a higher modulus of elasticity and a higher coefficient of thermal expansion. The influence of carbon on electron and phonon scattering has also been investigated using suitable simulation models. This verified the advantages of a matrix depleted in terms of carbon and chromium in terms of increasing thermal conductivity. While the thermal conductivity of the matrix is dominated by the flow of electrons, 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) haben 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. 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-work tool steels) 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. It turned out to be surprising shown that thermal conductivity in the order of more than 50, in particular about 55 to 60 W / mK and even more can be achieved. The thermal conductivity of the hot-work steel according to the invention can thus be almost twice as high as that of the hot-work steels known from the prior art. The steel described here is therefore particularly suitable for applications in which high thermal conductivity is required. The particular advantage of the tool steel according to the invention compared to the solutions known from the prior art consists in the drastically improved thermal conductivity.
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 can contain the carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a proportion of up to 3% by weight individually or in total. The elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta are known in metallurgy as strong carbide formers. It has been shown that strong carbide formers have a positive effect with regard to increasing the thermal conductivity of the tool steel, since they have a better ability to remove carbon in the solid solution state from the matrix. Carbides with a high thermal conductivity can also increase the conductivity of the tool steel. It is known from metallurgy that the following elements are carbide formers, with their carbon affinity being 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.In this context, it is particularly advantageous to generate relatively large and therefore long-extended carbides, since the overall thermal conductivity of the tool steel follows a law of mixtures with negative boundary effects. The stronger the affinity of an element for carbon, the greater the tendency to form relatively large primary carbides. The large carbides do have an effect, however to a certain extent adversely affect some of the mechanical properties of the tool steel, in particular 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.The tool steel can optionally contain the alloying element vanadium with a content of up to 4% by weight. As explained above, vanadium establishes fine carbide networks. As a result, numerous mechanical properties of the tool steel can be improved for some applications. Compared to molybdenum, vanadium is characterized not only by its higher carbon affinity, but also has the advantage that its carbides have a higher thermal conductivity. In addition, vanadium is a comparatively inexpensive element. A disadvantage of vanadium over molybdenum, however, is that the vanadium remaining in the solid solution state has a comparatively significantly greater negative effect on the thermal conductivity of the tool steel. For this reason there is no benefit in alloying 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 can contain one or more elements for solid solution strengthening, in particular Co, Ni, Si and/or Mn. There is thus the option of the tool steel having Mn with a content of up to 2% by weight. In order to improve the high-temperature strength of the tool steel, a Co content of up to 6% by weight, for example, can be advantageous depending on the specific application. In a further preferred embodiment, the tool steel can contain 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 can optionally be provided that the hot-work steel has Si with a 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 can optionally contain sulfur S in a content 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), näher erläutert werden.In order to facilitate the basic understanding of the present invention, some essential aspects of the new metallurgical design strategy for tool steels with high thermal conductivity (hot-work steels) 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 rule 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 view, which is, however, 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 isotroperA more realistic mathematical modeling of the integral thermal conductivity of the overall system can be done, for example, using so-called effective medium theories (EMT). With such an approach, the microstructural composition of the tool steel as a composite system consisting of spherical individual structural elements with isotropic thermal conductivity, which represent the carbide properties, is converted into a matrix material with a different, but also more isotropic
Wärmeleitfähigkeit eingebettet sind, beschrieben:
In dieser Gleichung beschreibt fc den Volumenanteil der Karbide 1, 2.In this equation, f c describes the volume fraction of
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 cannot be solved unequivocally and can therefore only be used to a limited extent for a targeted system design. If the aim is to maximize the system thermal conductivity λ int , it can be derived from the previously formulated mixing 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 each 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 λc und λm relevanter ist.It is of particular importance for the present invention that the proportion by volume of the carbides f c ultimately decides which of the two thermal conductivities λ 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 requirements for the mechanical strength and, in particular, the wear resistance of the tool steel. Thus, with regard to the carbide structure, there are definitely different design specifications for the different main areas of application of the tool steels developed according to the invention.
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 area of aluminum die-casting, wear and tear due to contact-bound wear mechanisms, in particular due to abrasion, is only relatively low. The Presence large-area primary carbides as highly wear-resistant microstructure components is therefore not absolutely necessary. The volume fraction of the carbides fc is thus predominantly determined by the secondary carbides. The absolute value of fc 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.During hot sheet metal forming, which also includes the conceptual variants of press hardening and form hardening, the tools are subject to high stress due to contact-related wear mechanisms, both adhesive and abrasive. Therefore, large area primary carbides are highly desirable as they can increase resistance to these wear mechanisms. A consequence of such a primary carbide-rich microstructure is a high value 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. Due to the application-specific design specifications for the carbide formation, however, there is a weighting of the influence of the thermal conductivity 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 thermal conductivity is always viewed as an integral physical material property. When the state of the art deals with determining the influence of individual alloying elements on the thermal conductivity, this is typically done by determining integral properties. The consideration of the influence of such alloying elements on the microstructural characteristics, i.e. on the carbide structure and on the matrix and the resulting changes in physical properties for these microstructural system elements did not previously exist and was therefore never the 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.From such an integral design point of view, it has been found that reducing the chromium content and increasing the molybdenum content lead to an improvement in the integral thermal conductivity. Tool steels developed with such a metallurgical design approach typically have a thermal conductivity of 30 W/mK, which is a 25% increase over a thermal conductivity of 24W/mK. Such an increase is already regarded as an effective property improvement in the prior art.
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.It was previously assumed that a further reduction in the chromium content could not lead to a further significant improvement in thermal conductivity. Since a further reduction in the chromium content also leads to a reduction in the corrosion resistance of the hot-work tool steel, corresponding metallurgical formulations were not further investigated and implemented with regard to the design of new tool steels.
Für die erfindungsgemäßen Werkzeugstähle 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, a completely new metallurgical concept was used to achieve drastically improved thermal conductivity, which is able to shape the thermal conductivity of the microstructural system components in a precisely defined manner and thus drastically improve the integral thermal conductivity of the tool steel. An important basic idea of the metallurgical concept presented here is that the preferred carbide formers are molybdenum and tungsten and that, as a result, even small amounts of chromium dissolved in these carbides due to the Extension of the mean free path of the phonons by the resulting disturbances in the crystal structure of the pure carbides, the heat transfer properties are adversely affected.
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 thermal conductivities of hot-work 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 prior art by about tenfold. None of the approaches found in the prior art provide for a comparable reduction in chromium content for hot work steels with the aim 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.It is known in the prior art that the higher the level of purity of a material, the higher its thermal conductivity. Any contamination - i.e. in the case of metallic materials also the addition of any alloying element - inevitably leads to a reduction in thermal conductivity. For example, pure iron has a thermal conductivity of 80 W/mK, slightly contaminated iron already has a thermal conductivity of less than 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.Even the minimum addition of carbon (0.25 percent by volume) and other alloying elements such as manganese (0.08 percent by volume), leads to a thermal conductivity of just 60 W/mK in 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, with the procedure according to the invention it is surprisingly possible to achieve thermal conductivities of up to 70 W/mK despite the addition of further alloying elements such as molybdenum or tungsten. The reason for this unexpected effect is that according to the present invention it is an objective not to let carbon dissolve 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 Wärmeleitfähigkeit. Dies führt zu der eindeutigen Schlussfolgerung, dass eine möglichst weitgehende Verringerung des Chromgehalts zu einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls führt.If one now concentrates on the carbides, it is the phonon conductivity that ultimately dominates the thermal conductivity. If you want to improve this, you have to intervene creatively at this point. However, some carbides have a fairly high density of conductive electrons, especially refractory carbides with a high metal content such as W6C or Mo3C. In recent investigations it was found that even very small additions of chromium to such carbides lead to significant disturbances in the crystal lattice structure and thus to a drastic increase in the mean free path for the phonen flux. The result is a reduction in thermal conductivity. This leads to the clear conclusion that reducing the chromium content as much as possible 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 connection since 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 already mentioned, if the chromium content is too low, the corrosion resistance of the tool steel is reduced. Although this can be disadvantageous for certain applications, the higher tendency to oxidize does not represent a real functional disadvantage for the main applications of the tool steel designed according to the invention, since additional anti-corrosion 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 aluminum die-casting applications, the liquid aluminum itself provides adequate protection against corrosion; in hot sheet metal forming, for example, it is the surface layers of the tools that are nitrided to protect against wear. Anti-corrosion lubricants as well as coolants and release agents also play their part in protecting against corrosion. In addition, very thin protective layers can be applied galvanically or using the vacuum coating process.
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 the production of steel objects, in particular hot-work tools, provides numerous and in some cases extremely remarkable advantages compared to the hot-work steels known from the prior art, which have hitherto 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 made from the tool steels according to the invention (especially hot-work steels) allows, for example, a reduction in cycle times when machining/manufacturing workpieces. Another benefit is a significant reduction in the surface temperature of the tool as well as the reduction in the surface temperature gradient, which has a significant impact on the longevity of the tool. This is particularly the case when tool damage is primarily due to thermal fatigue, thermal shock, or pick-up. This is particularly the case 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 other mechanical and/or thermal properties of the tool steels according to the invention (in particular hot-work tool steels) could either be improved or at least remained unchanged compared to 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 hot-work steels, and the coefficient of thermal expansion could be reduced. Further improvements can be achieved for some applications, 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 contains less than 0.5% by weight Cr, preferably less than 0.2, in particular less than 0.1 wt% 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 Wärmeleitfähigkeit und die Oxidationsbetändigkeit gestellt werden und sich in einem optimierten Gewichtsprozentanteil 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 discussed above, the presence of chromium in the solid solution state in the matrix of the tool steel adversely 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 gradation in the decrease in the intensity of the 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%, and more than 1 wt% and less than 2% by weight preferred. For example, for applications in which the oxidation resistance of the tool steel (hot work steel) plays a major role, a balance of the requirements placed on the tool steel in terms of thermal conductivity and oxidation resistance, reflected in an optimized weight percentage of chromium, be made. As a rule, a chromium content of around 0.8% by weight provides the tool steel with good protection against corrosion. It has been found that additions in excess of this chromium content of about 0.8% by weight can result in undesired dissolution of chromium in the carbides.
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 0.5 to 7% by weight, in particular 1 to 7% by weight. Among the cheaper carbide formers, molybdenum has a comparatively high affinity for carbon. In addition, molybdenum carbides have a higher thermal conductivity than iron and chromium carbides. Further, the adverse effect of molybdenum in the solid solution state on the thermal conductivity of the tool steel is compared to chromium in the solid solution state considerably less. For these reasons, molybdenum is one of those carbide formers that are suitable for a large number of applications. However, for applications that require high toughness, other carbide formers with smaller secondary carbides, such as vanadium (about 1 to 15 nm large colonies versus up to 200 nm large colonies for molybdenum) are a more advantageous choice.
Molybdän kann in zahlreichen Anwendungen durch Wolfram ersetzt werden. Die Karbonaffinität von Wolfram ist etwas geringer und die Wärmeleitfähigkeit von Wolframkarbid erheblich größer.Tungsten can be substituted for molybdenum in numerous applications. Tungsten's carbon affinity is slightly lower, and tungsten carbide's thermal conductivity is significantly greater.
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 total content of Mo, W and V is 2 to 10% by weight. The total content of these three elements depends in particular on the desired number of carbides, i.e. 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 in the tool steel, in particular hot-work tool steel, can contain one or more of the elements Cu, P, Bi, Ca, As, Sn or Pb with a maximum content of 1% by weight individually or in total. Cu, in particular, is another suitable element for solid solution strengthening alongside Co, Ni, Si and Mn, so that at least a small proportion of Cu in the alloy may be advantageous. In addition to S, which can optionally be present with a maximum content of 1% by weight, the elements Ca, Bi or As can also simplify the machinability 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 also more advantageous than chromium and iron carbides in terms of mechanical stability and strength properties. Depletion of chromium along with reduction of carbon content in the matrix leads to improved thermal conductivity, especially when provided by 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 processes used to produce the tool steels presented here (especially hot-work tool steels) also play an important role in their thermal and mechanical properties. By carefully selecting the manufacturing process, the mechanical and/or thermal properties of the tool steel can be varied and thus adapted to the respective application.
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 within the scope of the present invention can be produced, for example, by powder metallurgy (hot isostatic pressing). For example, there is also the possibility of producing a tool steel according to the invention by vacuum induction melting or by furnace melting. Surprisingly, it has been shown that the manufacturing process selected in each case can influence the resulting carbide size, which in turn—as already explained above—can have an impact on the thermal conductivity and the mechanical properties of the tool steel.
Der Werkzeugstahl kann zudem auch durch an sich bekannte Veredelungsverfahren, wie zum Beispiel durch VAR-Verfahren (VAR=Vacuum Are Remelting; Vakuum-Lichtbogenumschmelzen), AOD-Verfahren (AOD=Argon Oxygen Decarburation; Argon-Sauerstoff-Entkohlung), oder so genannte ESR-Verfahren (ESR: engl. Electro Slag Remelting) veredelt werden.The tool steel can also be processed by known refining processes, such as VAR processes (VAR=Vacuum Are Remelting; vacuum arc remelting), AOD processes (AOD=Argon Oxygen Decarburation; argon-oxygen decarburization), or so-called ESR process (ESR: Electro Slag Remelting) can be refined.
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 manufactured by hot pressing or another powder metallurgy process (sintering, cold pressing, isostatic pressing) and in all these manufacturing processes with or without the use of thermomechanical processes (forging, rolling, extrusion). Less conventional manufacturing methods such as thixo-casting, plasma or laser deposition and local sintering can also be used. Sintering of powder mixtures can advantageously be used to produce objects with a composition that changes within the volume from the tool steel.
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 within the scope of the present invention can also be used as a welding filler material (e.g. in powder form for laser welding, as a 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 7wird eine Verwendung eines Werkzeugstahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, nach einem der Ansprüche 1 bis 6 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 7, the use of a tool steel, in particular a hot-work steel, according to one of
Ein erfindungsgemäßer Stahlgegenstand zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 8 aus und besteht zumindest teilweise aus einem Werkzeugstahl, insbesondere aus einem Warmarbeitsstahl, nach einem der Ansprüche 1 bis 7.A steel object according to the invention is characterized by the features 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 1 bis 7 bestehen.In an advantageous embodiment, there is the possibility that the steel object has an essentially constant thermal conductivity over its entire volume. In particular, the steel object in this embodiment can consist entirely of a tool steel, in particular a hot-work tool steel, 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 object has a thermal conductivity that changes at least in sections.
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 object can at least partially have 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 at room temperature. At room temperature, the steel object can also have 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, over its entire volume.
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.In advantageous embodiments, the steel object can, for example, be a shaping tool in processes of pressure forming, shear forming, or bending forming of metals, preferably in open-die forging processes, drop forging processes, thixoforging processes, impact extrusion processes, extrusion processes, drop bending processes, roll profiling processes or in flat, profile and casting 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.In further advantageous embodiments, the steel object can be a shaping tool in processes of compression and tension forming of metals, preferably in press-hardening processes, form-hardening processes, deep-drawing processes, stretch-forming processes and collar-forming 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.In further preferred embodiments, the steel object can, for example, be a shaping tool in processes of primary shaping of metallic starting materials, preferably in die-casting processes, vacuum die-casting processes, thixo-casting processes, casting-rolling 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 object is a shaping tool in processes of primary shaping of polymer starting materials, preferably in injection molding processes, extrusion processes and extrusion blow molding processes, or a shaping 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 object can be a component for machines and systems for energy production 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.There is also the possibility that the steel object is a component for machines and systems used in chemical process 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.Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description more preferred Examples with reference to the attached figures.
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.
- 1
- a schematically greatly simplified contour representation of a carbide structure in the microstructural cross section of a typical tool steel;
- 2
- the abrasion resistance of two samples (F1 and F5) of a hot work steel according to the present invention compared to conventional tool steels;
- 3
- the dependence of the thermal conductivity on the chromium content of tool steels according to the invention (hot work steels), which is suitable for use in hot forming processes;
- 4
- the dependence of thermal conductivity on chromium content for another selection of tool steels according to the present invention;
- figure 5
- a representation of the heat dissipation achieved via thermal conduction in contact with two tool steel plates on both sides in a preheated workpiece.
Einleitend sollen fünf Beispiele von Werkzeugstählen (Warmarbeitsstählen), die für unterschiedliche Verwendungszwecke geeignet sind, näher erläutert werdenFirst, five examples of tool steels (hot work steels) that are suitable for different purposes will be 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 15 besonders vorteilhaft ist:
- 0,32
bis 0,5 Gew.-% C; weniger als 1 Gew.-% Cr;- 0
bis 4 Gew.-% V; - 0,5
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.
- 0.32 to 0.5% by weight C;
- less than 1 wt% Cr;
- 0 to 4 wt% V;
- 0.5 to 10% by weight, in particular 3 to 7% by weight, of Mo;
- 0 to 15% by weight, in particular 2 to 8% by weight, of W;
- the total content of Mo and W being 5 to 15% by weight.
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 tool steel contains inevitable impurities and iron as the main component. Optionally, the hot-work tool steel can contain strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, with a content of up to 3% by weight, individually or in total. In this application, the abrasion resistance of the tool made from the hot-work tool 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;- 0,5
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 wt%, especially less than 1 wt% Cr;
- 0.5 to 6 wt%, especially 2.5 to 4.5 wt% Mo;
- 0 to 6% by weight, in particular 1 to 2.5% by weight, of W;
- the total content of Mo and W being 3.2 to 5.5% by weight;
- 0 to 1.5% by weight, in particular 0 to 1% by weight, 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-work steel contains iron (as the main component) and inevitable impurities. Optionally, the hot-work tool steel can contain strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, with a content of up to 3% by weight, individually 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.In the case of 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 preferably completely or at least partially in some applications, 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 depend in turn on the specific application and on the requirements with regard to thermal and/or mechanical requirements Properties of the tool that is 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;- 0,5 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 wt%, especially less than 1 wt% Cr;
- 0.5 to 5 wt%, especially 2.5 to 4.5 wt% Mo;
- 0 to 5% by weight, in particular 0 to 3% by weight, of W;
- the total content of Mo and W being 3 to 5.2% by weight;
- 0 to 1% by weight, in particular 0 to 0.6% by weight 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 tool steel contains unavoidable impurities and iron as a main component. Optionally, the hot-work steel can have strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, with a content of up to 3% by weight individually or in total. Greater toughness of the hot-work tool steel is required in this application, so that primary carbides should be suppressed as completely as possible and stable carbide formers are therefore 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;- 0,5
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% by weight C;
- less than 2 wt%, especially less than 1 wt% Cr;
- 0.5 to 4% by weight, in particular 0.5 to 2% by weight, of Mo;
- 0 to 4% by weight, in particular 0 to 1.5% by weight, of W;
- the total content of Mo and W being 2 to 4% by weight;
- 0 to 1.5 wt% 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 component, as well as inevitable impurities. Optionally, the hot-work tool steel can contain strong carbide formers such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of up to 3% by weight individually or in total. In these areas of application, the proportion of vanadium should be kept as low as possible. The vanadium content of the hot-work tool steel can preferably be less than 1% by weight and in particular less than 0.5% by weight and in a particularly 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 strength of about 1500 MPa is usually sufficient. However, a higher thermal conductivity makes it possible to shorten the cycle times when producing 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,- 0,5
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% by weight C;
- less than 1 wt% Cr,
- 0.5 to 10% by weight, in particular 3 to 5% by weight, of Mo;
- 0 to 7% by weight, in particular 2 to 4% by weight, of W;
- the total content of Mo and W being 6 to 10% by weight;
- 0 to 3% by weight, in particular 0.7 to 1.5% by weight 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-work steel contains iron as the main component and inevitable impurities. Optionally, the hot-work steel can have strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a proportion of up to 3% by weight individually 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.In this example, the hot-work tool steel can advantageously 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 proven 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-work steels described here by way of example, which are suitable for a large number of different applications, a thermal conductivity which is approximately twice that of the known hot-work steels can be obtained.
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 to Sample F5) of a hot work steel according to the present invention compared to conventional tool steels. It can be seen, for example, that hot-work tool steels have a higher density than 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
Nachfolgend sollen weitere bevorzugte Beispiele von Werkzeugstählen, insbesondere Warmarbeitsstählen, gemäß der vorliegenden Erfindung und deren Eigenschaften näher erläutert werden.Further preferred examples of tool steels, in particular hot work steels, according to the present invention and their properties will be explained in more detail below.
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.The thermal and thermal conductivity are the most important thermophysical material parameters for describing the heat transport properties of a material or component. The so-called "laser flash technique" (LFA) has established itself as a fast, versatile and precise absolute method for the exact measurement of thermal conductivity. The corresponding test specifications are specified in the relevant standards DIN 30905 and DIN EN 821. For the present measurements, this was LFA 457 MicroFlash® from NETZSCH- Gerätebau GmbH, Wittelsbacherstrasse 42, 95100 Selb/Bavaria (Germany) is used.
Aus den gemessenen Temperaturleitfähigkeiten a und der spezifischen Wärme cp sowie der probenspezifisch ermittelten Dichte p kann die Wärmeleitfähigkeit λ 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.Due to a comparatively large volume fraction of primary carbides, these steels also have a high resistance to abrasive and adhesive wear and are therefore suitable for high mechanical stresses that 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 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.If the tool temperature of about 200° C., which is usual in these processes, is taken into account, the tool steel according to the invention used here can reduce the cooling time by 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 adjustment of the thermal conductivity through a suitable choice of the chemical composition, the present invention also includes the aspect of fine adjustment through 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 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 ändernde Volumenanteil an Karbiden und ihre geänderte Verteilung und Morphologie.The reason for the thermal conductivity, which varies depending on the heat treatment, is the changing volume proportion 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 with a view to 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 xCeq = xC + 0.86 xN + 1.2 xB , 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 as possible remains in solution in the matrix. The same applies to the weight fraction of molybdenum xMo (%Mo) and tungsten xW (%W); these too should not remain in the matrix in dissolved form, if possible, but rather contribute to carbide formation. This also applies in a similar way to all other elements; These should also contribute to carbide formation and therefore not remain dissolved in the matrix, but rather serve to bind carbon and possibly increase 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 of 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 magnitude of HC should advantageously be between 0.03 and 0.165. The amount of HC can 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 factor of 3 appears in the above equation when M3C or M3Fe3C type carbides are expected in the microstructure of the tool steel of the present invention; M here stands for any metallic element. The factor 0.4 appears due to the fact that the desired percentage by weight of vanadium (V) is usually added in the form of carbides during alloy production and is therefore also present up to this percentage as metal carbide MC.
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 tool steels), such areas of application are conceivable in principle in which a high thermal conductivity or a defined profile of varying thermal conductivities has a positive effect on the application behavior of the tool used and on the properties of the products manufactured with it.
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 with a well-defined thermal conductivity can be obtained. It is even possible, by changing the chemical composition, to obtain a steel object that at least partially consists of one of the tool steels (hot work steels) presented here, with a thermal conductivity that changes over the volume. Any process that allows the chemical composition within the steel object to be changed, such as the sintering of powder mixtures, local sintering or local melting or so-called "rapid tooling" processes or "rapid prototyping" processes or a combination of "rapid tooling" methods and "rapid prototyping" methods.
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 already mentioned applications in the field of hot sheet metal forming (press hardening, form hardening) and light metal die casting, the preferred areas of application are generally tool and mold-related metal casting processes, plastic injection molding and processes of solid forming, in particular hot solid forming (e.g. forging, extrusion, extrusion, rolling). for represent the hot-work tool 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 manufacture of cylinder liners in 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.In addition to the alloy variants already listed in Tables 3 and 4, Table 7 lists further exemplary embodiments of tool steels according to the invention (hot work 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 high-melting metal alloys;
- FV: Forming of copper and copper alloys (including brass);
- FAW: Die casting of copper and copper alloys; (including brass) and high-melting metal alloys;
- FA Mod1: High-volume die casting of copper and copper alloys (including brass) and aluminum;
- FA Mod2: Forming of aluminium;
- FC Mod1: hot sheet metal forming (press hardening, form hardening) with high wear resistance;
- FC Mod2: Hot sheet metal forming (press hardening, form hardening) with high wear resistance.
Claims (13)
- Tool steel, in particular a hot-work steel, with the composition:0.26 to 0.55 % by weight C or 0.25 to 1% by weight C and N and B in total;< 2 % by weight Cr;0.5 to 10 % by weight Mo;0 to 15 % by weight W;wherein the content of W and Mo is 1.8 to 15 % by weight in total;carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of 0 to 3 % by weight individually or in total;0 to 4 % by weight V;0 to 6 % by weight Co;0 to 1.6 % by weight Si;0 to 2 % by weight Mn;0 to 2.99 % by weight Ni;0 to 1 % by weight S;Remainder: iron and unavoidable impurities, wherein the unavoidable impurities include one or more of the elements Cu, P, Bi, Ca, As, Sn or Pb with a content of not more than1 % by weight, individually or in total,characterized in that the tool steel has a thermal conductivity at room temperature of more than 42 W/mK, preferably of more than 48 W/mK, in particular of more than 55 W/mK.
- Tool steel according to claim 1, characterized in that the tool steel contains less than 1 % by weight Cr, preferably less than 0.5% by weight Cr and in particular less than 0.1 % by weight Cr.
- Tool steel according to claim 1 or 2, characterized in that the molybdenum content of the tool steel is >1 % by weight, preferably >1.5 % by weight, in particular >=2 % by weight.
- Tool steel according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the tool steel contains 2 to 15 % by weight, preferably 2.5 to 15 % by weight Mo and W in total.
- Tool steel according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the tool steel contains 1 to 10% by weight Mo.
- Tool steel according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the vanadium content of the tool steel is ≤ 2 % by weight, preferably ≤ 1.2 % by weight.
- Use of a tool steel according to any one of claims 1 to 6 as a material for the production of a hot-work steel object.
- Steel object characterized in that the steel object consists at least partially of a tool steel according to one of claims 1 to 7.
- Steel object according to claim 8, characterized in that the steel object has a essentially constant thermal conductivity over its entire volume.
- Steel object according to claim 8, characterized in that the steel object has, at least in portions thereof, a changing thermal conductivity.
- Steel object according to any one of Claims 8 to 10, characterized in that the steel object is a shaping tool in processes of pressure forming, shear forming or bending forming of metals, preferably in open-die forging processes, closed-die forging processes, thixo-forging processes, extrusion processes, power-press extrusion processes, die-bending processes, contour roll forming or in flat, profile and cast rolling, or is a shaping tool involved in processes of t tensile-compressive forming and tensile forming of metals, preferably in press hardening processes, form hardening processes, deep-drawing processes, stretch-drawing processes and collar-forming processes.
- Steel object according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the steel object is a shaping tool in processes involved in primary forming of metallic starting materials, preferably in die-casting processes, vacuum pressure die-casting processes, thixocasting processes, cast-rolling processes, sintering processes and hot-isostatic pressing processes, or 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 is a shaping tool in processes of primary forming of ceramic starting materials, preferably in sintering processes.
- Steel object according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the steel object is a component for machines and installations of energy generation and energy conversion, preferably for internal combustion engines, reactors, heat exchangers and generators, or a component for machines and installations for chemical process engineering, preferably for chemical reactors.
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