EP3412790A1 - Ausscheidungshärtender stahl und verwendung eines solchen stahls für warmumformwerkzeuge - Google Patents

Ausscheidungshärtender stahl und verwendung eines solchen stahls für warmumformwerkzeuge Download PDF

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EP3412790A1
EP3412790A1 EP17174590.4A EP17174590A EP3412790A1 EP 3412790 A1 EP3412790 A1 EP 3412790A1 EP 17174590 A EP17174590 A EP 17174590A EP 3412790 A1 EP3412790 A1 EP 3412790A1
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tool steel
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Bgh Edelstahl Siegen GmbH
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    • C21D2211/008—Martensite

Definitions

  • the invention relates to a tool steel, in particular for highly stressed hot forming tools.
  • Hot work tool steels are used in primary and forming metal and partially plastic processing processes.
  • the surface temperature of the products to be molded in these processes is usually above 200 ° C.
  • the mentioned steel group is therefore alloyed with chemical elements which increase the tempering resistance of the material and thus of the tool, so that the required strength can also be maintained at higher temperatures.
  • Exemplary primary and forming processes are die casting, forging, rolling of metals, plastics or glass, and extrusion.
  • Ni-Cr-Mo-V steels are preferably used in dynamically loaded forging and press dies.
  • a representative steel from this group is the material number 1.2714 with the analysis limits listed in Tab.1.
  • Table 1 The analysis limits of the material 1.2714 according to DIN EN ISO 4957 are shown.
  • C Si Mn P S Cr Not a word Ni V 0.50 0.10 0.60 0.80 0.35 1.50 0.05 0.60 0.40 0.90 0,030 0,020 1.20 0.55 1.80 0.15
  • Table 3 Analysis of a Cu-alloyed case steel from the aforementioned source: C Si Mn P S Cr Not a word Ni Cu 0.20 0.31 0.57 * * 1.50 0.27 1.52 0.97 * Values are not available
  • Cu-alloyed plastic mold steels are offered as a more resilient alternative to conventional low alloy tool steels such as 1.2312 or 1.2738.
  • the relevant material is steel NAK80, whose directional analysis is listed in Tab. Table 4: Guideline analysis of the NAK80. C Si Mn P S Ni Cu al 0.15 0.30 1.50 * * 3.00 1.00 1.00 * Values are not available
  • the invention is based on a different alloying and application concept. While the steel NAK80 is mainly used as a plastic mold in a strength range ⁇ 40 HRC, the range of application of the invention at strengths usually> 40 HRC should be used as a forging tool and thus at higher temperatures. Furthermore, the material NAK80 shows a low C content and a significantly increased Mn content, whereby aluminum is also mandatory as an essential alloy constituent.
  • the martensite-hardening steels are based on the alloy concept of the soft-martensitic steels.
  • Tab. 5 shows as a characteristic material the analysis of the steel 1.4542 according to DIN 10088-3 Table 5: Analysis of the material 1.4542 according to DIN 10088-3.
  • C Si Mn P S Cr Not a word Ni Cu 15.00 3.00 3.00 0.07 0.70 1.50 0,040 0,030 17.00 0.60 5.00 5.00
  • nickel Due to the low C content, nickel is alloyed for martensitic transformation.
  • the steels have a very good toughness at high material strengths due to the low C content. The strength is further increased by the formation of Cu precipitates.
  • the present invention is based on a different alloying concept compared to this material group.
  • the materials discussed above convert primarily to the nickel martensite, which is less the intention of the present invention.
  • the object of the present invention is to develop a steel which combines the positive properties of the Ni-Cr-Mo-V and the secondary-hardening Cr-Mo-V steels.
  • the steel provided should provide an optimum combination of strength, heat resistance and toughness in the temperature range up to 600 ° C.
  • the good toughness of Ni-Cr-Mo-V steels should be able to be adjusted at high strengths. Furthermore, it should be mentioned as an objective to adjust the microstructure by means of a suitable heat treatment in such a way that a sufficient amount of precipitates forms which do not tend to dissolve or coarsen even at high operating temperatures. As a result, the displacement movement is to be inhibited even at high operating temperatures, so that the material breakdown can be postponed to longer periods of use. In addition, the remaining properties which have hot work steels such as. the weldability and machinability with conventional machine technology are also attributed to the present invention.
  • the resources for the development of the development should not be significantly increased. Rather, the requirements for the chemical analysis, the feedstock for melting can be chosen so that in comparison to the group of Ni-Cr-Mo-V steels no additional costs.
  • the remainder consists of iron and the usual manufacturing impurities and / or accompanying elements.
  • the proposed alloy composition combines the positive properties of the Ni-Cr-Mo-V steels with those of the secondary hardening Cr-Mo-V steels.
  • a good toughness is set even at high strengths, and on the other hand, the formation of precipitates is intended to hinder the dislocation movement, as a result of which strength and hot strength increase.
  • the invention utilizes conversion to carbon martensite to increase strength.
  • the typical operational strength is 1250 - 1400 MPa.
  • lower strengths can also be set, which improves the toughness; in contrast, higher strengths up to 1800 MPa are possible, whereby the toughness values are limited.
  • the alloy composition was selected to form temper-resistant Cu-based precipitates during the heat treatment. These precipitates provide increased strength even at elevated temperatures. The increase in strength due to these precipitates can lower the carbon content with the same strength as compared to other Ni-Cr-Mo-V. This results in a better notched impact strength and a better through-tempering of the material. This is particularly important in the production of die cavities, since here the mechanical properties are to be provided over the entire component cross-section. Furthermore, the yield can be increased by the precipitation formation. In addition, carbide-forming elements prevent grain growth in the course of the heat treatment, thereby ensuring a stable fine grain.
  • Another limiting condition when adjusting the composition preferably provides that 1.5 ⁇ Cr + Mo + Nb + V ⁇ 2.5.
  • This condition promotes the toughness properties of the steel by limiting the formation of secondary carbides on the one hand, but still allows good strength, so that the desired balance is achieved in special quality.
  • Accompanying elements can be targeted as micro-alloying elements in the usual amounts of added elements, such as. e.g. Niobium or titanium, but also non-interfering elements which are introduced into the composition on the production side or on the raw material side and can be detected by analytical techniques, such as Calcium residues as a result of calcium treatment.
  • added elements such as. e.g. Niobium or titanium
  • non-interfering elements which are introduced into the composition on the production side or on the raw material side and can be detected by analytical techniques, such as Calcium residues as a result of calcium treatment.
  • the present invention also relates to the use of an aforementioned steel according to the invention for hot forming tools, preferably as die steel.
  • the steel is produced in the electric arc furnace or in the LD converter.
  • the secondary metallurgical treatment in the ladle furnace follows.
  • a treatment can be connected in a degassing plant.
  • the melt can be subjected to a calcium treatment.
  • the steel can then be cast in a strand or block.
  • a tertiary metallurgical remelting after the (pressure) electro-slag remelting or the vacuum arc remelting can be performed.
  • the solidification cross section and the cooling conditions may necessitate homogenization or diffusion annealing.
  • the holding time should be chosen so that there is sufficient time for diffusion and thus reduction of concentration gradients.
  • Homogenization is followed by hot forming. This can be done by forging or rolling.
  • the cooled after forming material is tempered to adjust the mechanical properties, wherein the hardening followed by a single or repeated tempering.
  • the holding times are to be chosen so that the workpieces have a homogeneous temperature distribution, with a limitation of the holding time with respect to coarsening phenomena in the microstructure is advantageous.
  • As cooling media oil, polymer, water and air are proposed.
  • the medium is to be selected according to the respective heat treatment step.
  • the steel is particularly suitable for use as hot-work steel up to a temperature range of 600 ° C.

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Abstract

Ein Werkzeugstahl besitzt die folgende Zusammensetzung, wobei die Bestandteile jeweils in Massenprozent angegeben sind: 0,30 ‰¤ C (Kohlenstoff) ‰¤ 0,55 0,02 ‰¤ Si (Silizium) ‰¤ 1,00 0.05 ‰¤ Mn (Mangan) ‰¤ 1,00 P (Phosphor) ‰¤ 0,025 S (Schwefel) ‰¤ 0,015 0,50 ‰¤ Cr (Chrom) ‰¤ 2,00 0,10 ‰¤ Mo (Molybdän) ‰¤ 1,00 0,50 ‰¤ Ni (Nickel) ‰¤ 3,00 0,50 ‰¤ Cu (Kupfer) ‰¤ 2,50 0.001 ‰¤ Nb (Niob) ‰¤ 0,100 0,01 ‰¤ V (Vandium) ‰¤ 0,60 wobei der Rest aus Eisen, üblichen Verunreinigungen und/oder Begleitelementen in Spuren bis zu 0,02 Massenprozent pro Begleitelement besteht. Ein derartiger Stahl besitzt bei hoher Festigkeit gute Zähigkeitswerte und ist dank anlassbeständiger Aushärtungen auf Cu-Basis temperaturbeständig.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Werkzeugstahl, insbesondere für hochbeanspruchte Warmumformwerkzeuge.
  • Warmarbeitsstähle finden ihren Einsatz in den ur- und umformenden Metall- und teilweise Kunststoffverarbeitungsprozessen. Die Oberflächentemperatur der zu formenden Produkte liegt in diesen Prozessen für gewöhnlich über 200 °C. Die angesprochene Stahlgruppe ist daher mit chemischen Elementen legiert, welche die Anlassbeständigkeit des Werkstoffs und damit des Werkzeugs erhöhen, sodass die geforderte Festigkeit auch zu höheren Temperaturen hin aufrechterhalten werden kann.
  • Beispielhafte ur- und umformende Prozesse sind das Druckgießen, das Schmieden, das Walzen von Metallen, Kunststoffen oder Glas, und das Strangpressen.
  • Die chemische Zusammensetzung von Werkzeugstählen ist in der DIN EN ISO 4957 geregelt. Hier sind in Anlassdiagrammen ebenfalls die einstellbaren Härten der dort geregelten Stähle dargestellt. Die in der Norm geregelten Warmarbeitsstähle können in folgende Gruppen untergliedert werden:
    • Nickel-Chrom-Molybdän-Vanadin (Ni-Cr-Mo-V) Stähle
    • Sekundärhärtende Chrom-Molybdän-Vanadin (Cr-Mo-V) Stähle
    • Chrom-Wolfram-Molybdän (Cr-W-Mo) Stähle
    • Chrom-Cobalt-Wolfram-Molybdän-Vanadin (Cr-Co-W-Mo-V) Stähle
  • Die Ni-Cr-Mo-V Stähle werden bevorzugt in dynamisch belasteten Schmiede- und Pressgesenken eingesetzt. Ein repräsentativer Stahl aus dieser Gruppe ist die Werkstoffnummer 1.2714 mit den in Tab.1 aufgeführten Analysegrenzen. Tabelle 1: Dargestellt sind die Analysengrenzen des Werkstoffs 1.2714 nach DIN EN ISO 4957.
    C Si Mn P S Cr Mo Ni V
    0,50 0,10 0,60 0,80 0,35 1,50 0,05
    0,60 0,40 0,90 0,030 0,020 1,20 0,55 1,80 0,15
  • Durch ihre relativ guten Zähigkeitseigenschaften bei hoher Festigkeit, sind diese Stähle für den Einsatz unter kurzen Be- und Entlastungszeiten geeignet. Nachteilig wirkt sich die zu geringe Anzahl von Ausscheidungen aus, wodurch die Versetzungsbewegung während der thermischen und mechanischen Werkzeugbelastung nur unzureichend behindert wird. Aufgrund dieser Versetzungsbewegung folgt das letztendliche Versagen des Werkstoffs. Insbesondere besteht neben dem Verlust der Maßgenauigkeit die Gefahr von Ausbrüchen, so dass die Standzeit von aus derartigen Stählen hergestellten Warmarbeitswerkzeugen unbefriedigend ist.
  • Für höher belastete Bauteile werden oft auch sekundärhärtende Cr-Mo-V Stähle eingesetzt. Als charakteristischer Werkstoff dieser Gruppe ist der Stahl 1.2343 mit der in Tab. 2 angegebenen Analysenvorgabe. Tabelle 2: Dargestellt sind die Analysengrenzen des Werkstoffs 1.2343 nach DIN EN ISO 4957.
    C Si Mn P S Cr Mo V
    0,31 0,80 0,25 4,80 1,10 0,30
    0,41 1,20 0,50 0,030 0,020 5,50 1,50 0,50
  • Ihr Vorteil besteht in der Ausscheidung von Sekundärkarbiden im Einsatztemperaturbereich. Diese Ausscheidungen behindern die Versetzungsbewegung innerhalb des Werkstoffs. Nachteilig wirken sich diese karbidischen Ausscheidungen allerdings auf die Zähigkeitseigenschaften des Werkzeugs aus, diese werden durch die harten Karbide herabgesetzt.
  • Aus den oben genannten Eigenschaften geht hervor, dass die jeweilige Stahlgruppe auf bestimmte Anwendungsbereiche konditioniert ist.
  • Das gezielte Vorsehen eines geregelten Kupfer-Gehalts (Cu) ist bereits vereinzelt vorgeschlagen worden, um das Entstehen von Ausscheidungshärtungen zu fördern. Allerdings ist das Hinzulegieren von Kupfer nicht unkritisch. Zu erwähnen ist vor allem die Gefahr der Rotbrüchigkeit, die zu Ausbrüchen bei der Warmumformung führen kann, wodurch ein Rohling unbrauchbar werden kann. Ein bewusstes Legieren findet aktuell deshalb einen nur sehr begrenzten Einsatz in der Stahlentwicklung- und Herstellung:
    • Cu-legierte Chrom-Nickel-Molybdän (Cr-Ni-Mo) Einsatzstähle
    • Cu-legierte Kunststoffformenstähle
    • Cu-legierte martensitaushärtende Chrom-Nickel-Kupfer (Cr-Ni-Cu) Stähle
  • Ein aktuell abgeschlossenes interdisziplinäres Forschungsvorhaben untersuchte die Wirkung des Kupfers in Cr-Ni-Mo Einsatzstählen, deren Legierungsbasis in Tab. 3 dargestellt ist. (siehe hierzu: Bambach, M.D.; Bleck, W.; Kramer, H.S.; Klein, M.; Eifler, D.; Beck, T.; Surm, H.; Zoch, H.-W.; Hoffmann, F.:"Tailoring the Hardening Behavior of 18CrNiMo7-6 via Cu Alloying", steel research int., 87 (2016), No. 5, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weilheim) Tabelle 3: Analyse eines Cu-legierten Einsatzstahls aus vorgenannter Quelle:
    C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu
    0,20 0,31 0,57 * * 1,50 0,27 1,52 0,97
    * Werte liegen nicht vor
  • Die Untersuchungen basierten auf dem Werkstoff 1.6587 und hatten das Ziel, die Lebensdauer von einsatzgehärteten Getriebebauteilen zu erhöhen, was durch die Bildung von Cu-Ausscheidungen erreicht werden sollte.
  • Cu-legierte Kunststoffformenstähle werden als höher belastbare Alternative für konventionelle niedriglegierte Werkzeugstähle wie 1.2312 oder 1.2738 angeboten. Als relevanter Werkstoff ist der Stahl NAK80 zu nennen, dessen Richtanalyse in Tab. 4 aufgeführt ist. Tabelle 4: Richtanalyse des NAK80.
    C Si Mn P S Ni Cu Al
    0,15 0,30 1,50 * * 3,00 1,00 1,00
    * Werte liegen nicht vor
  • Obschon es sich hier ebenfalls um einen Cu-legierten Werkzeugstahl handelt, liegt der Erfindung ein anderes Legierungs- und Anwendungskonzept zu Grunde. Während der Stahl NAK80 hauptsächlich als Kunststoffform in einem Festigkeitsbereich < 40 HRC eingesetzt wird, soll der Einsatzbereich der Erfindung bei Festigkeiten üblicherweise > 40 HRC als Schmiedewerkzeug und damit bei höheren Temperaturen eingesetzt werden. Des Weiteren zeigt der Werkstoff NAK80 ein geringen C-Gehalt und einen deutlich erhöhten Mn-Gehalt, wobei auch Aluminium als wesentlicher Legierungsbestandteil zwingend vorgeschrieben ist.
  • Den martensitaushärtenden Stählen liegt das Legierungskonzept der weichmartensitischen Stähle zu Grunde. Tab. 5 zeigt als charakteristischen Werkstoff die Analyse des Stahls 1.4542 nach DIN 10088-3 Tabelle 5: Analyse des Werkstoff 1.4542 nach DIN 10088-3.
    C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu
    15,00 3,00 3,00
    0,07 0,70 1,50 0,040 0,030 17,00 0,60 5,00 5,00
  • Aufgrund des niedrigen C-Gehalts, wird zur martensitischen Umwandlung Nickel legiert. Die Stähle weisen aufgrund des geringen C-Gehalts eine sehr gute Zähigkeit bei hohen Werkstofffestigkeiten auf. Die Festigkeit wird durch die Bildung von Cu-Ausscheidungen nochmals erhöht.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt im Vergleich zu dieser Werkstoffgruppe ein anderes Legierungskonzept zu Grunde. Die vorstehend besprochenen Werkstoffe wandeln primär in den Nickelmartensit um, was weniger die Absicht der hier in Rede stehenden Erfindung ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stahl zu entwickeln, welcher die positiven Eigenschaften der Ni-Cr-Mo-V und der sekundärhärtenden Cr-Mo-V Stähle vereint. Insbesondere soll der bereitgestellte Stahl eine optimale Kombination aus Festigkeit, Warmfestigkeit und Zähigkeit im Temperaturbereich bis 600 °C bieten.
  • Im Einzelnen sollen die guten Zähigkeiten der Ni-Cr-Mo-V Stähle bei hohen Festigkeiten eingestellt werden können. Des Weiteren ist als eine Zielsetzung zu nennen, durch eine geeignete Wärmebehandlung das Gefüge dahingehend einzustellen, dass sich eine ausreichende Menge an Ausscheidungen bildet, welche auch bei hohen Einsatztemperaturen nicht zur Auflösung oder Vergröberung neigen. Hierdurch soll die Versetzungsbewegung auch bei hohen Einsatztemperaturen gehemmt werden, sodass die Werkstoffzerrüttung zu längeren Einsatzzeiten hin verschoben werden kann. Darüber hinaus sollen die übrigen Eigenschaften welche Warmarbeitsstähle haben wie z.B. die Schweißbarkeit und die Bearbeitbarkeit mit konventioneller Maschinentechnik auch der vorliegenden Erfindung zugschrieben werden.
  • Bei gleichzeitiger Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, sollen die Ressourcen zur Herstellung der Entwicklung keine signifikante Mehrbelastung erfahren. Vielmehr kann durch die Vorgaben zur chemischen Analyse das Einsatzmaterial zur Erschmelzung so gewählt werden, dass im Vergleich zur Gruppe der Ni-Cr-Mo-V Stähle keine Mehrkosten entstehen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Stahl mit der folgenden chemischen Zusammensetzung vorgeschlagen (Tab. 6): Tabelle 6
    C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu Nb V
    0,30 0,02 0,05 0,50 0,10 0,50 0,50 0,001 0,01
    0,55 1,00 1,00 0,025 0,015 2,00 1,00 3,00 2,50 0,100 0,60
    Alle Angaben in Massen-%
  • Der Rest besteht aus Eisen und den üblichen herstellungsbedingten Verunreinigungen und/oder Begleitelementen.
  • Die vorgeschlagene Legierungszusammensetzung kombiniert die positiven Eigenschaften der Ni-Cr-Mo-V Stähle mit jenen der sekundärhärtenden Cr-Mo-V Stähle. Zum einen wird durch den definiert eingestellten C-Gehalt in dem genannten Fenster eine gute Zähigkeit auch bei hohen Festigkeiten eingestellt, zum anderen soll durch die Bildung von Ausscheidungen die Versetzungsbewegung behindert werden, wodurch Festigkeit und Warmfestigkeit ansteigen. Durch den erhöhten Kohlenstoffgehalt nutzt die Erfindung die Umwandlung in Kohlenstoffmartensit zur Festigkeitssteigerung. Die typische Einsatzfestigkeit liegt bei 1250 - 1400 MPa. Je nach Anwendungszweck können auch niedrigere Festigkeiten eingestellt werden, wodurch die Zähigkeit verbessert wird, im Gegensatz sind auch höhere Festigkeiten bis 1800 MPa möglich, wobei hierdurch die Zähigkeitswerte eingeschränkt werden.
  • Die Legierungszusammensetzung wurde derart gewählt, dass im Zuge der Wärmebehandlung anlassbeständige Ausscheidungen auf Cu-Basis gebildet werden. Diese Ausscheidungen sorgen für eine erhöhte Festigkeit auch bei erhöhten Temperaturen. Durch den Festigkeitsanstieg aufgrund dieser Ausscheidungen kann der Kohlenstoffgehalt im Vergleich zu anderen Ni-Cr-Mo-V bei gleicher Festigkeit abgesenkt werden. Daraus resultieren eine bessere Kerbschlagzähigkeit und eine bessere Durchvergütung des Materials. Dies ist insbesondere bei der Fertigung von Gesenkkavitäten wichtig, da hier die mechanischen Eigenschaften über den gesamten Bauteilquerschnitt zu erbringen sind. Des Weiteren kann durch die Ausscheidungsbildung die Streckgrenze erhöht werden. Zusätzlich verhindern karbidbildende Elemente das Kornwachstum im Zuge der Wärmebehandlung, wodurch ein stabiles Feinkorn gewährleistet wird.
  • In einer besonders bevorzugten Zusammensetzung des Stahls ist weiterhin vorgesehen, dass als weitere Bedingung zu den vorstehend besprochenen Zusammensetzungen folgende Randbedingungen eingehalten werden sollen, um das Anforderungsprofil aus guter Zähigkeit einerseits und besonderer Festigkeit andererseits umzusetzen, ohne dass sich das Risiko einer Rotbrüchigkeit erhöht: Ni / Cu ≥ 1 , 1
    Figure imgb0001
  • Eine weitere einschränkende Bedingung bei der Einstellung der Zusammensetzung, sieht vorzugsweise vor, dass
    1,5 ≤ Cr+Mo+Nb+V ≤ 2,5 ist.
  • Diese Bedingung fördert wiederum die Zähigkeitseigenschaften des Stahls durch die Begrenzung der Bildung von Sekundärkarbiden einerseits, ermöglicht aber dennoch eine gute Festigkeit, so dass die gewünschte Balance in besonderer Qualität erreicht wird.
  • Begleitelemente können gezielt als Mikrolegierungselemente in den üblichen Mengen zugegebene Elemente sein, wie. z.B. Niob oder Titan, aber auch nicht störende Elemente, die herstellungsseitig oder rohstoffseitig in die Zusammensetzung eingebracht und sich analysetechnische nachweisen lassen, wie z.B. Calciumreste in Folge einer Calciumbehandlung.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines zuvor genannten erfindungsgemäßen Stahls für Warmumformwerkzeuge, vorzugsweise als Gesenkstahl.
  • Nachfolgend wird die Erzeugung/Herstellung einer erfindungsgemäßen Stahlzusammensetzung unter weiterer Betrachtung auch der Wärmebehandlungsschritte erörtert.
  • Die Stahlerzeugung erfolgt im Elektrolichtbogenofen oder im LD-Konverter. Nach der primärmetallurgischen Erschmelzung folgt die sekundärmetallurgische Behandlung im Pfannenofen. Optional kann eine Behandlung in einer Entgasungsanlage angeschlossen werden. Zur Einstellung des geforderten Reinheitsgrades kann die Schmelze einer Calciumbehandlung unterzogen werden. Der Stahl kann anschließend im Strang oder Block vergossen werden.
    Je nach Anforderungen - speziell an den Reinheitsgrad - kann ein tertiärmetallurgisches Umschmelzen, nach dem (Druck-) Elektro-Schlacke-Umschmelzen oder dem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen durchgeführt werden.
  • Der Erstarrungsquerschnitt und die Abkühlbedingungen können ein Homogenisieren bzw. Diffusionsglühen nötig machen. Die Haltezeit ist so zu wählen, dass eine ausreichende Zeit zur Diffusion und damit zum Abbau von Konzentrationsgradienten gegeben ist.
    Dem Homogenisieren schließt sich die Warmformgebung an. Diese kann durch Schmieden oder Walzen erfolgen.
  • Das nach der Umformung abgekühlte Material wird zur Einstellung der mechanischen Eigenschaften vergütet, wobei sich dem Härten ein ein- oder mehrmaliges Anlassen anschließt. Die Haltezeiten sind so zu wählen, dass die Werkstücke eine homogene Temperaturverteilung aufweisen, wobei eine Begrenzung der Haltezeit hinsichtlich Vergröberungserscheinungen im Gefüge vorteilhaft ist. Als Abkühlmedien werden Öl, Polymer, Wasser und Luft vorgeschlagen. Das Medium ist entsprechend dem jeweiligen Wärmebehandlungsschritt zu wählen.
  • Nachfolgend wird anhand der beigefügten Abbildungen näher auf die besonderen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Stahlzusammensetzung eingegangen. Es zeigen:
    • Fig. 1: einen Vergleich der mechanischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Stahls mit einem genormten NiCrMoV-Stahl in Längsrichtung;
    • Fig. 2: einen Vergleich der mechanischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Stahls mit einem genormten NiCrMoV-Stahl in Querrichtung.
  • Der zum Vergleich mit dem Normstahl herangezogene Stahl mit erfindungsgemäßer Zusammensetzung (Ausführungsbeispiel "Erfindung") zeigt gegenüber dem Ni-Cr-Mo-V-Stahl ("Vergleichsstahl") die in der Tabelle 7 angegeben Analyseergebnisse: Tabelle 7:
    C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu Nb V
    Erfindung 0,49 0,18 0,76 0,008 0,001 1,05 0,5 2,08 1,88 0,028 0,106
    Vergleichsstahl 0,515 0,34 0,77 0,008 0,001 1,1 0,55 1,63 0,074 0,002 0,117
    Alle Angaben sind wiederum in Masse-%
  • Der Vergleich mit einer Standardanalyse eines Ni-Cr-Mo-V Stahls zeigt, dass insbesondere die Streckgrenze und das Streckgrenzenverhältnis Rp0,2/Rm verbessert werden können. Bei höheren Festigkeiten können nahezu gleiche Kerbschlagwerte erzielt werden. Darüber hinaus, ist im Vergleich zur Standardanalyse kein signifikanter Abfall der Festigkeit und Zähigkeit zum Bauteilkern hin zu erkennen (siehe Fig. 1 und Fig. 2).
  • Da diese Werkstoffeigenschaften aufgrund der anlassbeständigen Ausscheidungen auf Cu-Basis mit einer sehr hohen Temperaturbeständigkeit einhergehen, eignet sich der Stahl insbesondere für den Einsatz als Warmarbeitsstahl bis in einen Temperaturbereich von 600 °C.

Claims (10)

  1. Werkzeugstahl mit der folgenden Zusammensetzung, wobei die Bestandteile jeweils in Massenprozent angegeben sind:
    0,30 ≤ C (Kohlenstoff) ≤ 0,55
    0,02 ≤ Si (Silizium) ≤ 1,00
    0.05 ≤ Mn (Mangan) ≤ 1,00
    P (Phosphor) ≤ 0,025
    S (Schwefel) ≤ 0,015
    0,50 ≤ Cr (Chrom) ≤ 2,00
    0,10 ≤ Mo (Molybdän) ≤ 1,00
    0,50 ≤ Ni (Nickel) ≤ 3,00
    0,50 ≤ Cu (Kupfer) ≤ 2,50
    0.001 ≤ Nb (Niob) ≤ 0,100
    0,01 ≤ V (Vandium) ≤ 0,60
    wobei der Rest aus Eisen, üblichen Verunreinigungen und/oder Begleitelementen in Spuren bis zu 0,02 Massenprozent pro Begleitelement besteht.
  2. Werkzeugstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Kohlenstoff in Massenprozent zwischen 0,40 und 0,55 liegt.
  3. Werkzeugstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Silizium in Massenprozent zwischen 0,02 und 0,40 liegt.
  4. Werkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Nickel in Massenprozent zwischen 0,50 und 2,50 liegt.
  5. Werkzeugstahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung zusätzlich die Randbedingung erfüllt, wonach das Verhältnis der Massenprozente Ni/Cu ≥ 1,1 ist.
  6. Werkzeugstahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Massenprozente zusätzlich die Randbedingung 1,5 ≤ Cr+Mo+Nb+V ≤ 2,5 erfüllt.
  7. Werkzeugstahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seine Einsatzfestigkeit auf weniger als 1800 MPa eingestellt ist.
  8. Werkzeugstahl nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass seine Einsatzfestigkeit auf einen Bereich zwischen 1250 MPa und 1400 MPa eingestellt ist.
  9. Verwendung eines Werkzeugstahles nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Warmarbeitsstahl.
  10. Verwendung eines Werkzeugstahls nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Warmarbeitsstahl ein Gesenkstahl ist.
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