Kaltarbeitsstahl mit hoher Druckfestigkeit und Verwendung dieses Stahles

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kaltarbeitsstahl nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 und die Verwendung dieses Stahles für Bauteile und Werkzeuge.

[0002] Kaltarbeitsstähle werden für die Bearbeitung von Werkstoffen bei Temperaturen unter 250̸°C, insbesondere bei Raumtemperaturen, eingesetzt. Eine derartige Bearbeitung kann spanabhebend oder spanlos erfolgen, wobei die Bauteile oder Werkzeuge gleichzeitig verschiedenen Beanspruchungen unterworfen sind. Der bzw. den dominierenden Beanspruchung(en) bzw.gewünschten Eigenschaft(en) des Teiles wie Druckfestigkeit, Härte, Zähigkeit Verschleißfestigkeit, Schneidhaltigkeit, gegebenenfalls Erodierbarkeit und dgl., wird zumeist durch eine entsprechende Wahl der Zusammensetzung des Kaltarbeitsstahles Rechnung getragen.

[0003] Zur Erfüllung der Erfordernisse nach z.B. hoher Verschleißfestigkeit ist bekannt, Cr-Stähle mit Gehalten von 1,5 bis 2,5 % C und 10̸ bis 17- Cr, wie z.B. Stähle entsprechend DIN Werkstoff Nr. 1.2379 oder AISI- Typ D 7, einzusetzen. Derartige Stähle weisen auf Grund ihres hohen und groben, zumeist zeilig angeordneten Karbidanteiles zwar hohe Verschleißfestigkeit, jedoch geringe Zähigkeit auf, so daß es bei Biege-oder Scherbeanspruchungen zu Brüchen oder Ausbrüchen des Teiles kommen kann.

[0004] Aus EP-A1 0̸275475 ist ein nach einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellter, verschleißfester Kaltarbeitsstahl mit sehr hoher Schlagfestigkeit bekannt, welcher eine Zusammensetzung vom im wesentlichen 1,0̸ bis 2,5 Gew.-% C, 6,5 bis 11,0̸ Gew.-% Cr und 3,0̸ bis 7,0̸ Gew.-% V, Rest Eisen aufweist.
Um Kaltarbeitswerkzeuge mit guter Zähigkeit herzustellen, ist bekannt, Legierungen mit ca. 5% oder ca. 8 % Cr und einem Kohlen­stoffgehalt von ca. 1,0̸ % oder ca. 0̸,5 % mit Zusätzen von Mo, W und V, wie beispielsweise Stähle gemäß DIN Werkstoff Nr. 1.2363 oder Werkstoff Nr. 1.2345 oder AISI Typ A2, einzusetzen. Diese Stähle können bei günstiger Gefügeausbildung bzw. Karbidstruktur gute Zähigkeitseigenschaften und ausreichendes Erodier- sowie Schleifverhalten aufweisen, ihr Verschleißwiderstand und die Druckfestigkeit sind jedoch für einige Anwendungsgebiete nicht befriedigend. Ein Gesenkstahl mit verbesserter Schlagzähigkeit enthält gemäß SU 1.0̸73.321 Chemical Abstracts 10̸0̸:178630̸j) in Gew.-% Nb 0̸,0̸5 bis 0̸,1, Al 0̸,0̸3 bis 0̸,0̸8 und Ca 0̸,0̸0̸3 bis 0̸,0̸0̸5 in einer Stahlbasis mit im wesentlichen C 0̸,75 bis 0̸,85, Cr 4,2 bis 4,7, Mo 0̸,7 bis 1,0̸, W 1,7 bis 2 und V 0̸,8 bis 1. Weiters ist aus CH-A5 585 799 ein Superschnellstahl auf Mo-Basis mit großer Spanleistung mit im wesentlichen in Gew.-% 1,0̸5 bis 1,50̸ C, 4,0̸ bis 5,0̸ Cr, 5,0̸ bis 6,0̸ W bekannt , welcher neben Eisen außerdem 6,0̸5 bis 6,95 Mo, 2,16 bis 4,5 V, 0̸,1 bis 4,0̸ Nb und 0̸,11 bis 0̸,25 N aufweist. Den Legierungsvarianten, jenen mit Cr-Gehalten von 10̸ bis 17 % und jenen mit 5 bis 8 % Cr, haftet weiters der Nachteil an, daß sie zumeist nicht ausreichend anlaßbeständig sind, und daß bei einer zusätzlichen Oberflächenhärtung durch Nitrieren und/oder Karbonitrieren oder einer Oberflächenbeschichtung mittels CVD-oder PVD-Verfahrens bei Temperaturen zwischen 350̸ und 60̸0̸ C die durch vorherige Vergütung erreichte Härte des Grundmateriales verringert wird.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirkung von Legierungselementen in einem bestimmten Konzentrationsbereich synergetisch zu nutzen und einen Kaltarbeitsstahl mit hoher Druckfestigkeit zu schaffen, der hohe Härte, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Erodierbarkeit aufweist, wobei bei aus diesem Stahl gebildeten Schnitt- und Stanzwerkzeugen eine gute Schleifbarkeit und Schneidhaltigkeit vorliegen und gegebenenfalls bei Anwendung von Verfahren zur Oberflächenhärtung und/oder Oberflächenbeschichtung, die bei erhöhter Temperatur durchzuführen sind, kein entscheidend nachteiliger Einfluß auf die durch vorherige Vergütung erreichten mechanischen Eigenschaften des Grundmaterials gegeben ist.

[0006] Diese Aufgabe wird gattungsgemäß durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, gelöst.

[0007] Beim erfindungsgemäßen Kaltarbeitsstahl ist es wichtig, daß der Kohlenstoffgehalt sowie der Stickstoffgehalt und die bevorzugt Karbide-und/oder Nitride bildenden Elemente entsprechend der Kohlenstoff- und Stickstoffaffinität und Neigung zur Karbid- und/oder Nitridbildung in ihren Konzentrationen aufeinander abgestimmt sind.
Zu hohe Gehalte an Kohlenstoff von über 1,5 bewirken anteilsmäßig große, auch grobe Karbidkörner und damit schlechte Zähigkeitseigenschaften des Werkstoffes, bei Gehalten unter 0̸,6 % werden die geforderten mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Härte, nicht erreicht. Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadin sind zur Karbidbildung zulegiert, wobei erfindungsgemäß die jeweilige Konzentration dieser Elemente der Wechselwirkung bzw. der gegenseitigen Beeinflussung Rechnung trägt.Dabei ist wichtig,daß bei der Wärmebehandlung diejenigen Karbide in Lösung gehen, die beim Anlassen bei Temperaturen von über 50̸0̸°C submikroskopisch ausgeschieden werden, hohe Härte bzw. einen quasi Sekundärhärtean­stieg bewirken und eine weitgehende Anlaßbeständigkeit des Stahles verursachen. Aluminium und Silizium , welche Elemente das γ-Gebiet der Legierung stark abschnüren, sind aus mehreren Gründen erforderlich. Überraschenderweise wird von diesen ferritbildenden Elementen in den beanspruchten Konzentrationsbereichen das Vergütungsverhalten des Stahles und dessen Anlaßbeständigkeit wesentlich verbessert. Weiters erfolgt eine Nitridbildung bei entsprechendem Stickstoffgehalt der Legierung, welche Nitride ein Kornwachstum bei der Härtung bzw. beim Austenitisieren bei hohen Temperaturen behindern. Für eine Oberflächenhärtung durch Nitrieren oder Karbonitrieren und/oder eine Oberflächenbeschichtung durch ein CVD-oder PVD-oder dergleichen-Verfahren sind Aluminium und Silizium vorteilhaft wirksam. Niob ist ein sehr stark karbidbildendes Element, wobei auch fein ausgeschiedene Niobkarbide bei der Härtung, auch bei hohen Austenitisierungstemperaturen, nur schwer aufgelöst werden.
Hohe Niobgehalte bei Kohlenstoffkonzentrationen von Kaltarbeits­stählen führen jedoch zu groben Niobkarbidkörnern, so daß Niob nur bis zu einer maximalen Konzentration von 0̸,5% zulegiert wird.

[0008] Bei vergleichenden Untersuchungen wurde gefunden, daß die Stähle gemäß DIN Werkstoff Nr. 1.2363 und Werkstoff Nr. 1.2379 eine zulässige spezifische Druckbelastung von 2785 N/mm bzw. 30̸26 N/mm² sowie eine Anlaßhärte bei 550̸°C von 56 HRC bzw. 60̸ HRC aufweisen. Der erfindungsgemäße Kaltarbeitsstahl hat mindestens eine zulässige spezifische Druckbelastbarkeit von 30̸22 N/mm², eine Anlaßhärte von 63,5 HRC und gegenüber Werkstoff Nr. 1.2379 eine um 28 % verbesserte Zähigkeit.

[0009] Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1:

[0010] Aus einem erfindungsgemäßen Stahl A mit einer Zusammensetzung von in Gew.-%
C = 0̸,89
Si = 0̸,98,
Mn = 0̸,43
Cr = 8,96
Mo = 1,82
V = 0̸,38
Al = 1,33
Nb = 0̸,0̸4
N = 0̸,0̸28
und einer Legierung D gemäß Werkstoff Nr. 1.2379 mit
C = 1,53
Si = 0̸,32
Mn = 0̸,31
Cr = 11,15
Mo = 0̸,64
V = 0̸,92
wurden gleichartige Stanzwerkzeuge für die Herstellung von Ventilscheiben aus 17% Cr-Stahl mit einer Festigkeit von 624 N/mm² und einer Dicke von 1 mm hergestellt. Der Stempel und die Matrize des Stahles A wiesen eine Härte von 63 HRC auf, es konnten 64.629 Stanzungen durchgeführt werden. Trotz einer nur geringfügig niedrigeren Härte von 62 HRC des Stahles D waren nur 20̸.751 Stanzungen durchführbar, was einer Mehrleistung des erf indungsgemäßen Werkzeuges um ca. 30̸0̸ % entspricht.

Beispiel 2:

[0011] Für Fließpreßwerkzeuge zum Pressen von Videoköpfen aus Aluminium wurde ein Stahl B mit der Zusammensetzung von in Gew.-%
C = 1,0̸9
Si = 0̸,94
Mn = 0̸,36
Cr = 8,24
Mo = 2,14
W = 0̸,23
V = 0̸,54
Al = 1,0̸6
Nb = 0̸,0̸8
N = 0̸,0̸43
und eine Legierung D, wie im vorgehenden Beispiel angeführt, verwendet. Die Oberfläche des Werkzeuges aus STahl B wurde in einem Badnitrierverfahren bei ca. 570̸°C mit Stickstoff angereichert, wonach die Härte des Grundmaterials 63,5 HRC betrug. Mit diesem Werkzeug wurden 40̸7.320̸ Pressungen durchgeführt, ohne daß ein übermäßiger Verschleiß auftrat, wogegen das Werkzeug aus Stahl D nach 239.865 Pressungen auszuscheiden war.

Beispiel 3:

[0012] Kaltprägewerkzeuge für ein Pilgern von nahtlosen Rohren aus Cr-Ni-Stahl wurden aus Stahl D , aus Stahl C mit einer Zusammen­setzung von in Gew.-%
C = 1,22
Si = 0̸,81
Mn = 0̸,38
Cr = 7,63
Mo = 2,57
V = 1,0̸8
Al = 0̸,47
Nb = 0̸,15
N = 0̸,0̸21
und aus einem Stahl G mit einer Zusammensetzung von in Gew.-%
C = 0̸,96
Si = 0̸,34
Mn = 0̸,56
Cr = 5,0̸6
Mo = 0̸,93
V = 0̸,18
(Werkstoff Nr. 1.2363) erstellt.
Mit dem Stahl D konnten 6.120̸, mit dem erfindungsgemäßen Stahl C 12.764 und mit dem Stahl G 5.0̸87 Meter Fertigrohr erzeugt bzw. gepilgert werden.

Ansprüche

1. Kaltarbeitsstahl mit hoher Druckfestigkeit, gekennzeichnet durch Gehalte im wesentlichen der folgenden Elemente in Gew.-%
C      0̸,6 bis 1,5
Si      0̸,2 bis 1,6
Mn      0̸,2 bis 1,2
Cr      5,0̸ bis 10̸,0̸
Mo      bis 3,0̸
W      bis 6,0̸
(Mo+2W)      1,0̸ bis 3,0̸
V      0̸,3 bis 1,5
Al      0̸,2 bis 1,6
Nb      bis 0̸,5
N      bis 0̸,1
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

2. Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in Gew..-%
Nb      0̸,0̸2 bis 0̸,35
N      0̸,0̸1 bis 0̸,0̸6
aufweist.

3. Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er in Gew.-%
C      0̸,8 bis 1,3
Si      0̸,7 bis 1,4
Mn      0̸,3 bis 1,2
Cr      6,0̸ bis 9,0̸
Mo      bis 3,0̸
W      bis 3,0̸
(Mo+2W)      1,0̸ bis 3,0̸
V      0̸,5 bis 1,3
Al      0̸,4 bis 1,4
Nb      0̸,0̸4 bis 0̸,3
N      0̸,0̸15 bis 0̸,0̸4
aufweist.

4. Kaltarbeitsstahl nach einem der Anprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,daß er in Gew.-%
C      0̸,9 bis 1,2
Si      0̸,8 bis 1,2
Mn      0̸,3 bis 1,0̸
Cr      7,0̸ bis 9,0̸
Mo      bis 2,5
W      bis 5,0̸
(Mo+2W)      1,5 bis 2,5
V      0̸,6 bis 1,2
Al      0̸,5 bis 1,3
Nb      0̸,0̸6 bis 0̸,2
N      0̸,0̸2 bis 0̸,35
aufweist.

5. Verwendung eines Kaltarbeitsstahles nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 für Bauteile und Werkzeuge mit einer bei erhöhter Temperatur hergestellten Verschleißschicht.

6. Verwendung eines Kaltarbeitsstahles nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächennahe Schicht höhere Stickstoff- und/oder Kohlenstoffgehalte aufweist, und beispielsweise durch ein Nitrieren, Karbonitieren oder Aufkohlen bei Temperaturen unter 60̸0̸°C, insbesondere zwischen 350̸°C und 570̸°C, aufgebracht ist.

7. Verwendung eines Kaltarbeitsstahles nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß eine Hartstoffschicht durch ein CVD- oder PVD- oder dergleichen-Verfahren bei Temperaturen unter 60̸0̸°C, insbesondere unter 570̸°C, aufgebracht ist.

8. Verwendung des Kaltarbeitsstahles nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für Stanzwerkzeuge.