[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Kaltarbeitsstahl-Gegenstand, insbesondere Werkzeug
mit großer Vergütungstiefe bzw. hohem Durchvergütungsvermögen, enthaltend die Legierungselemente
Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Chrom, Molybdän, Vanadin und Wolfram, wahlweise das
Element Niob, sowie Begleitelemente mit einem Gehalt von unter 0.4 Gew.-% und Verunreinigungselemente
und Eisen als Rest.
[0002] Insbesondere betrifft die Erfindung ein mit Hartstoff bei einer Temperatur von höher
500°C beschichtetes Werkzeug.
[0003] Kaltarbeitsstähle sind Legierungen, welche im thermisch vergüteten Zustand ein Eigenschaftsprofil
mit hoher Härte, hohem Verschleißwiderstand sowie hoher Materialzähigkeit aufweisen,
wobei eine gute Bearbeitbarkeit und besondere Maßhaltigkeit beim Härten und Anlassen
wichtige Kriterien darstellen. Verwendet werden diese Kaltarbeitsstähle u.a. als Werkzeuge
in der Stanztechnik der Kunststoffformung zum Feinschneiden als Matrizentelle und
dgl. Legierungstechnisch sind diese Kaltarbeitsstahl-Werkstoffe zumeist auf die Werkzeugherstellung
und auf die Hauptbelastungskriterien in der praktischen Anwendung ausgerichtet.
[0004] Für eine hohe Verschleißbeständigkeit und eine hohe Formstabilität von Werkzeugen
sind eine Härte von vorzugsweise mindestens 60 HRC und ein hoher Karbidanteil mit
gleichmäßiger Verteilung der Karbide in einer hochfesten Matrix des Werkstoffes wichtig.
Dabei soll jedoch eine einfache Vergütungstechnologie für die Teile anwendbar sein,
wobei eine gewünschte tiefe Härteannahme des Materials unter der Abschreckoberfläche
erforderlich ist.
[0005] Für Werkzeuge oder Teile, auf welche eine besondere Hartstoffschicht, zB. eine Nitrid-,
Karbonitrid- oder Oxidkarbid-Schicht der Elemente Titan, Chrom, Aluminium und dgl.,
bei einer Beschichtungstemperatur von über 500°C aufzubringen ist, muss weiters das
Substrat, also der Kaltarbeitsstahl-Gegenstand, dieser Temperaturbelastung über die
erforderliche bzw. notwendige Beschichtungszeit standhalten bzw. keinen wesentlichen
Abfall in den Eigenschaftswerten, insbesondere der Härte und Zähigkeit des Werkstoffes
erfahren.
[0006] Ausgehend von den Anforderungen hinsichtlich eines umfassend verbesserten Eigenschaftsprofiles
an einen Kaltarbeitsstahl-Gegenstand liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
thermisch vergüteten Werkstoff zu schaffen, welcher von üblichen auf einfache Weise
einstellbaren Temperaturen zwischen 1030°C und 1080°C bei verstärkter Abkühlung zu
großen Tiefen in ein martensitisches Gefüge umwandelt, hohe Materialhärte und Zähigkeit
beim Anlassen erbringt und bis zu Temperaturen von über 500°C bei Behandlungszeiten
von bis zu mehreren Stunden anlassbeständig ist und hohe Verschleißfestigkeit aufweist.
[0007] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Stahl bzw. die Eisenbasislegierung eine
jeweilige Konzentration der Legierungselemente von in Gew.-%
- C
- = 1.1 bis 1.7
- Mn
- = 0.1 bis 0.6
- Si
- = 0.4 bis 1.1
- Cr
- = 5.6 bis 7.0
- Mo
- = 1.2 bis 1.8
- V
- = 3.5 bis 3.9
- W
- = 1.1 bis 5.0
aufweist, pulvermetallurgisch durch Verdüsen einer Schmelze und Hochtemperaturverdichten
(HIP) des derart erstellten Pulvers ein Gegenstand, welcher wahlweise warm verformt
sein kann, gebildet und durch thermisches Vergüten gehärtet ist und eine Materialhärte
von mindestens 60 HRC bei einer Materialzähigkeit gemessen durch die Schlagarbeit
nach SEP 1314 von größer 50 J aufweist.
[0008] Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin gegeben, dass
die Legierungselemente in ihrer jeweils vorgesehenen Konzentration im Werkstoff, wie
gefunden wurde, unter Zugrundelegung der Wechselwirkung der Karbidbildner mit der
Kohlenstoffkonzentration derart eingestellt sind, dass bei einer durch pulvermetallurgische
Herstellung erreichten hohen Erstarrungsgeschwindigkeit die Ausbildung der Karbidphasen
und die Matrixverfestigung durch atomare Gitterverspannung hohe Abrasionsbeständigkeit
und Materialfestigkeit bei hoher Anlassbeständigkeit und großer Materialzähigkeit
erbringen.
[0009] Die wirkungsvoll karbidbildenden Elemente der fünften und sechsten Gruppe im Periodischen
System formen je nach Konzentration, insbesondere Kohlenstoffaktivität und Temperatur,
Karbide mit unterschiedlichen Kristallstrukturen und Eigenschaften in der Matrix.
Mit anderen Worten: Kubische Kristallstruktur aufweisende Karbide vom Typ MC, M
4C
3 und M
23C
6 und hexagonal- oder trigonalstrukturierte Karbide der Art M
2C mit MC-Anteilen sowie M
7C
3 bilden sich nach der jeweiligen Kohlenstoffaktivität entsprechend der jeweiligen
Konzentration der karbidbildenden Metallelemente in Wechselwirkung des verfügbaren,
freien Kohlenstoffgehalts aus, wodurch eine bestimmte Mengenverteilung der Karbidtypen
in der Matrix eingestellt ist und in dieser durch freie, eingelagerte Legierungsatome
eine materialverfestigende Gitterverspannung erreicht wird.
[0010] Es ist also, um eine Karbidbildung und Wechselwirkung der Elemente in jener Form
zu erreichen, in welcher die gewünschten Werkstoffeigenschaften im Erzeugnis erzielbar
sind, wichtig, im Stahl bei einem Kohlenstoffgehalt von in Gew.-% 1.1 bis 1.7 eine
jeweilige Konzentration der Karbidbildner in Gew. -% Chrom mit 5.6 bis 7.0, Molybdän
mit 1.2 bis 1.8, Vanadin mit 3.5 bis 3.9 und Wolfram mit 1.1 bis 5.0 einzustellen.
Derart werden Monokarbide, Mischkarbide und eine Kohlenstoff- und Elementenkonzentration
in der Matrix im Hinblick auf die gewünschten Werkstoffeigenschaften eingestellt.
[0011] Ein erfindungsgemäßer Kaltarbeitsstahl-Gegenstand kann, wie dem Fachmann geläufig
ist, nur bei pulvermetallurgischer Herstellung des Werkstoffes mit einer Gefügestruktur
erstellt werden, welche gegebenenfalls auch bei einer Warmumformung, die Voraussetzungen
für das aufgabengemäße Materialeigenschaftsprofil ergibt, wobei eine Härte von größer
60 HRC und einer Zähigkeit mit dem Maße der Schlagarbeit von größer 50 J die Untergrenzen
darstellen.
[0012] Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Stahl bis 1.0 Gew.-% Nb mit der Maßgabe enthält, dass der Wert
kleiner als 88, vorzugsweise kleiner als 39 ist.
[0013] Diese legierungstechnische Maßnahme wirkt feinend auf die Karbidkorngröße und beruht,
wie gefunden, auf der Wirkung von Nb bei der Erstarrung der homogenen Schmelze in
Anwesenheit von Kohlenstoff und anderer karbidbildenden Elemente.
[0014] Die Elemente Vanadin als starker Monokarbidbildner sowie Wolfram und Molybdän, welche
M
2C- und MC-Karbide bilden, formen zumeist größere Mischkarbide aus. Niob hingegen hat
nur eine geringe Neigung zur Mischkarbidbildung, stellt also feine, homogen verteilte
Monokarbide dar, welche als Karbidkeime höchst wirksam sind und letztlich eine geringe
Karbidkorngröße in der Matrix ergeben.
[0015] Wenn die Konzentration zumindest eines Legierungselements folgende Werte in Gew.-%
aufweist:
C |
= |
größer als |
1.2, |
kleiner als |
1.6, vorzugsweise |
1.35 |
bis |
1.55 |
Mn |
= |
größer als |
0.2, |
kleiner als |
0.55, vorzugsweise |
0.3 |
bis |
0.5 |
Si |
= |
größer als |
0.45, |
kleiner als |
1.0, vorzugsweise |
0.5 |
bis |
0.9 |
Cr |
= |
größer als |
5.7, |
kleiner als |
6.9, vorzugsweise |
5.8 |
bis |
6.5 |
Mo |
= |
größer als |
1.3, |
kleiner als |
1.7, vorzugsweise |
1.4 |
bis |
1.6 |
V |
= |
größer als |
3.55, |
kleiner als |
3.9, vorzugsweise |
3.6 |
bis |
3.8 |
W = |
|
größer als |
1.9, |
kleiner als |
4.5, vorzugsweise |
3.1 |
bis |
4.4 |
Nb |
= |
größer als |
0.1, |
kleiner als |
0.9, vorzugsweise |
0.4 |
bis |
0.75 |
kann das Eigenschaftsprofil des Kaltarbeitsstahl-Gegenstandes verbessert werden. Dies
betrifft insbesondere das Element Wolfram in Wechselwirkung mit Niob im Bereich enger
Kohlenstoffaktivitäten.
[0016] Je enger der Bereich der Chromkonzentration um einen Mittelwert von ca. 6.2 liegt,
desto vorteilhafter, wie sich aus den Untersuchungen ergab, erfolgt eine Gefügeausbildung
bei der Vergütung, weil einerseits nur geringe Stabilität des Restaustenits gegeben
ist und andererseits großes Durchhärtevermögen vorliegt.
[0017] Ein Kaltarbeitsstahl-Gegenstand mit überragenden Eigenschaften kann höchst wirtschaftlich
hergestellt werden, wenn dieser an der Arbeitsfläche eine Beschichtung trägt, die
während des Anlassens bei einer Temperatur von mindestens 500°C, gegebenenfalls von
550°C und höher, aufgebracht ist.
[0018] Derart können zumindest eine Anlassbehandlung gleichzeitig mit einer Oberflächenbeschichtung
durchgeführt und eine überragende Haftfestigkeit der Schicht erreicht werden. Eine
wissenschaftliche Begründung, weshalb ein gleichzeitiges Aufbringen einer Beschichtung
und eine Anlassbehandlung des gehärteten Gegenstandes bei über 500°C eine höhere Haftung
der Verschleißschicht bewirkt, ist derzeit noch nicht gegeben.
[0019] Wenn mit Vorteil für ein hohes Eigenschaftsprofil der Kaltarbeitsstahl-Gegenstand
eine Materialhärte von größer 62 HRC, insbesondere von 63 bis 65 HRC, bei einer Materialzähigkeit
gemessen durch eine Schlagarbeit nach SEP 1314 von größer 50 J, insbesondere von größer
55 J, aufweist, ist eine umfassende Verwendbarkeit der Legierung bei hohen Beanspruchungen
gegeben.
[0020] Wenn einer thermischen Vergütung nachfolgend auf den Gegenstand in einer Stunde und
länger bei einer Temperatur von über 500°C bis 550°C eine Hartstoffbeschichtung aufgebracht
ist, ist damit keine Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften gegeben.
[0021] Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Entwicklungsergebnissen, die lediglich
einen Ausführungsweg darstellen, näher erläutert werden.
[0022] Aus den Untersuchungen wurden zwei Stähle mit ähnlichen, chemischen Zusammensetzungen,
jedoch unterschiedlichen Niobgehalten ausgewählt.
[0023] Einige Prüfergebnisse sind nachfolgend angegeben und gegebenenfalls gegenübergestellt.
Die Zusammensetzung der Legierungen geht aus Tab. 1 hervor.
Tab. 1
Legierung |
Legierungselemente in Gew.-% |
|
C |
Si |
Mn |
Cr |
Mo |
V |
W |
Nb |
Fe + Verunreinigungen |
K490 |
1.47 |
0.82 |
0.34 |
6.28 |
1.57 |
3.86 |
4.09 |
0.01 |
Rest |
K490-So |
1.41 |
0.55 |
0.35 |
6.42 |
1.48 |
3.70 |
3.50 |
0.46 |
Rest |
[0024] In Tab. 2 sind von den Legierungen K490 und K490-So die Mittelwerte von sechs gleichen
Erprobungen der Schlagarbeit A in [J] gemäß SEP 1314 sowie die gemessen Härtewerte
in [HRC] der Werkstoffe angegeben, die jeweils von einer Austenitisierungstemperatur
T
A von 1080°C gehärtet und bei vier unterschiedlichen Temperaturen dreimal zwei Stunden
angelassen wurden.
Tab. 2
Anlasstemperatur [°C] |
K490 |
K490-So |
Schlagarbeit
A [J] |
Härte
[HRC] |
Schlagarbeit
A [J] |
Härte
[HRC] |
520 |
66.1 |
65.3 |
72.5 |
65.4 |
540 |
71.0 |
64.8 |
78.5 |
64.4 |
560 |
70.0 |
63.0 |
77.5 |
63.9 |
580 |
82.2 |
58.9 |
87.0 |
58.5 |
[0025] Fig. 1 und Fig. 2 zeigen die Werte von Tab. 1 in graphischer Darstellung.
[0026] Anhand der Werte aus Tab. 2 und der graphischen Darstellungen in Fig. 1 und Fig.
2 erkennt der Fachmann eine hohe Materialzähigkeit der Legierungen des erfindungsgemäßen
Kaltarbeitsstahles beim Vergüten auf über 60 HRC. Dieser Grenzwert der Härte von 60
HRC, der für viele Gegenstände in der praktischen Anwendung oft zur Lieferbedingung
gemacht wird, kann, wie gefunden wurde, bei einem Anlassen mit einer Temperatur von
bis zu 570°C bei dreimaligem Wärmen mit einer Zeitdauer von 2 Stunden erreicht werden.
Dadurch ermöglicht ist die Anwendung von Beschichtungsverfahren für eine Aufbringung
von Hartstoffschichten, die aus kinetischen Gründen bei hohen Temperaturen von 540°C
und höher ablaufen, höchste Haftfestigkeit am Substrat erreichen lassen und derart
die Gebrauchseigenschaften von Kaltarbeitsstahl-Gegenständen wesentlich verbessern.
[0027] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann durch Zulegieren von Niob (K490-So)
insbesondere die Zähigkeit des vergüteten Werkstoffes bei im Wesentlichen gleicher
Härte weiter gesteigert werden.
[0028] Dies ist, wie Untersuchungen mit hoher Vergrößerung der Gefügestrukturen zeigen,
auf eine Karbidkornfeinung zurückzuführen.
[0029] Fig. 3 zeigt beispielsweise den Werkstoff K490 mit feiner Struktur, welche durch
eine PM-Herstellung erreicht wurde.
[0030] Die Größe der Karbidpartikelchen kann, wie Fig. 4 offenbart, durch Zulegieren von
im gegebenen Fall 0.46 Gew.-% Nb verringert werden, was zu einer Erhöhung der Werkstoffzähigkeit
führt. Damit verbunden sind eine schnellere Auflösung von Karbiden beim Austenitisieren
des Werkstoffes und ein martensitisches Umwandeln beim Ablöschen zu größeren Tiefen
des Gegenstandes.
[0031] Fig. 5 und Fig. 5A zeigen die Ausformung und die Zusammensetzung von Karbiden, welche
bei einer Keimwirkung von NbC entstanden sind. Wie Fig. 5 zeigt, sind die mit hoher
Helligkeit erscheinenden Wolfram-Molybdän-Karbide, bezogen auf die Matrix, kleiner
und genauer begrenzt. Im Gegensatz dazu sind die geringfügig heller dargestellten
Vanadin-Wolfram-Molybdän-Niobkarbide mit breitem Übergang zur Matrix hin ausgebildet.
Die Untersuchung der Karbidzusammensetzung zeigt, wie aus Fig. 5A hervorgeht, die
Keimwirkung von NbC bei der Karbidformung.
1. Kaltarbeitsstahl-Gegenstand, insbesondere Werkzeug mit großer Vergütungstiefe bzw.
hohem Durchvergütungsvermögen, enthaltend die Legierungselemente Kohlenstoff, Mangan,
Silicium, Chrom, Molybdän, Vanadin und Wolfram, wahlweise das Element Niob, sowie
Begleitelemente mit einem Gehalt von unter 0.4 Gew.-% und Verunreinigungselemente
und Eisen als Rest,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl eine jeweilige Konzentration der Legierungselemente von in Gew.-%
C |
= |
1.1 bis 1.7 |
Mn |
= |
0.1 bis 0.6 |
Si |
= |
0.4 bis 1.1 |
Cr |
= |
5.6 bis 7.0 |
Mo |
= |
1.2 bis 1.8 |
V |
= |
3.5 bis 3.9 |
W |
= |
1.1 bis 5.0 |
hat, pulvermetallurgisch durch Verdüsen einer Schmelze und Hochtemperaturverdichten
(HIP) des derart erstellten Pulvers ein Gegenstand, welcher wahlweise warm verformt
sein kann, gebildet und durch thermisches Vergüten gehärtet ist und eine Materialhärte
von mindestens 60 HRC bei einer Materialzähigkeit gemessen durch die Schlagarbeit
nach SEP 1314 von größer 50 J aufweist.
2. Kaltarbeitsstahl-Gegenstand nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl bis 1.0 Gew.-% Nb mit der Maßgabe enthält, dass der Wert
kleiner als 88 ist.
W
Nb < 88
3. Kaltarbeitsstahl-Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration zumindest eines Legierungselements folgende Werte in Gew.-% aufweist:
C |
= |
größer als |
1.2, |
kleiner als |
1.6, vorzugsweise |
1.35 |
bis |
1.55 |
Mn |
= |
größer als |
0.2, |
kleiner als |
0.55, vorzugsweise |
0.3 |
bis |
0.5 |
Si |
= |
größer als |
0.45, |
kleiner als |
1.0, vorzugsweise |
0.5 |
bis |
0.9 |
Cr |
= |
größer als |
5.7, |
kleiner als |
6.9, vorzugsweise |
5.8 |
bis |
6.5 |
Mo |
= |
größer als |
1.3, |
kleiner als |
1.7, vorzugsweise |
1.4 |
bis |
1.6 |
V |
= |
größer als |
3.55, |
kleiner als |
3.9, vorzugsweise |
3.6 |
bis |
3.8 |
W |
= |
größer als |
1.9, |
kleiner als |
4.5, vorzugsweise |
3.1 |
bis |
4.4 |
Nb |
= |
größer als |
0.1, |
kleiner als |
0.9, vorzugsweise |
0.4 |
bis |
0.75 |
4. Kaltarbeitsstahl-Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser an der Arbeitsfläche eine Beschichtung trägt, die während des Anlassens bei
einer Temperatur von mindestens 500°C, gegebenenfalls von 550°C und höher aufgebracht
ist.
5. Kaltarbeitsstahl-Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand eine Materialhärte von größer 62 HRC, insbesondere von 63 bis 65 HRC,
bei einer Materialzähigkeit gemessen durch eine Schlagarbeit nach SEP 1314 von größer
60 J, insbesondere von größer 65 J aufweist.
6. Kaltarbeitsstahl-Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand eine bei einer Temperatur von über 500°C aufgebrachte Hartstoffbeschichtung
aufweist.