Kaltarbeitsstahl mit hohem Verschleisswiderstand

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Kaltarbeitsstahl mit hohem Verschleißwiderstand für pulvermetallurgisch hergestellte Werkstücke und Werkzeuge mit verbesserter Zähigkeit und Festigkeit.
Zur Verminderung der Korngrenzenbelegungen und zur Vereinfachung der Vergütetechnologie der Werkstücke wird ein Werkstoff vorgeschlagen, enthaltend die Legierungselemente in Gew.-%:

Kohlenstoff (C)	2,21 bis 2,64
Silizium (Si)	0,08 bis 1,1
Mangan (Mn)	0,05 bis 1,1
Chrom (Cr)	3,71bis 4,69
Molybdän (Mo)	3,1 bis 4,4
Nickel (Ni)	0,14 bis 0,3
Vanadin (V)	8,45 bis 9,5
Wolfram (W)	0,5 bis 1,5
Cobalt (Co)	1,1 bis 4,9

sowie Begleitelemente, Verunreinigungselemente und

Eisen (Fe)

als Rest

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kaltarbeitsstahl mit hohem Verschleißwiderstand für pulvermetallurgisch hergestellte Werkstücke und Werkzeuge mit hoher Zähigkeit und Festigkeit.

[0002] Teile und Werkzeuge für Kaltarbeitsapplikationen werden im Zuge der weiteren Technologieentwicklungen immer höheren und gleichzeitig universellen Beanspruchungen ausgesetzt. Um richtungsunabhängig hohe Eigenschaftsmerkmale des Werkstoffes erreichen zu können, kann eine pulvermetallurgische Herstellung desselben gewählt werden, wobei eine auf dieses Herstellverfahren mit kürzesten Erstarrungszeiten der Pulverkörner ausgerichtete chemische Zusammensetzung der Legierung eine weitere Gütesteigerung des Stahlgegenstandes ermöglicht.

[0003] Kaltarbeitsstähle mit hohem Verschleißwiderstand besitzen in ihrem Gefüge einen in einer Matrix eingelagerten hohen Hartphasenanteil, insbesondere Karbide, welche die hohe Abrasionsfestigkeit begründen. In Hinblick auf eine hohe Zähigkeit und Härte des Werkstoffes sind jedoch die Karbidausbildung und die Matrixeigenschaft, insbesondere deren erhöhte Festigkeit von Bedeutung.

[0004] Eine Kaltarbeitsstahllegierung zur pulvermetallurgischen Herstellung von Teilen, insbesondere Werkzeuge mit hoher Zähigkeit und Härte, sowie Beständigkeit gegen Verschleiß und Materialermüdung ist in der österreichischen Patentanmeldung Nr. 587/2001 genannt. Ein derartig chemisch zusammengesetzter Werkstoff kann durchaus hohe mechanische Eigenschaftswerte gütegesichert erbringen. Allerdings werden oft bei einer vollen Durchhärtung von großen Werkstücken insbesondere bei tiefen Härtetemperaturen eine Korngrenzenbelegung mit chromhältigen Mischkarbiden festgestellt, wodurch das Zähigkeitspotential der Legierung nicht uneingeschränkt ausschöpfbar ist. Vielfach wird auch eine gesteigerte Materialzähigkeit des Erzeugnisses und eine einfachere Wärmebehandlungstechnologie für dieses gewünscht.

[0005] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kaltarbeitsstahl mit hohem Verschleißwiderstand für pulvermetallurgisch hergestellte Werkstücke und Werkzeuge mit hoher Zähigkeit und Festigkeit zu schaffen, welcher auch bei einfacher thermischer Vergütung und/oder bei geringerer Härtetemperatur ein gewünschtes Eigenschaftsniveau erreicht.

[0006] Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Stahl, enthaltend die Legierungselemente in Gew.-%:

Kohlenstoff	(C)	2,21	bis	2,64
Silizium	(Si)	0,08	bis	1,1
Mangan	(Mn)	0,05	bis	1,1
Chrom	(Cr)	3,71	bis	4,69
Molybdän	(Mo)	3,1	bis	4,4
Nickel	(Ni)	0,14	bis	0,3
Vanadin	(V)	8,45	bis	9,5
Wolfram	(W)	0,5	bis	1,5
Cobalt	(Co)	1,1	bis	4,9

sowie die Begleitelemente

Schwefel	(S)	bis	0,3
Niob	(Nb)	bis	0,1
Stickstoff	(N)	bis	0,1
Aluminium	(Al)	bis	0,06
Titan	(Ti)	bis	0,01

die Verunreinigungselemente

Phosphor	(P)	max	0,029
Sauerstoff	(O)	max	0,03

und das Basiselement

Eisen

(Fe)

als

Rest

gelöst.

[0007] Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass es durch legierungstechnische Maßnahmen bzw. durch eine Nutzung der Wechselwirkung der Aktivitäten der die Gefügeumwandlung steuernden und der karbidbildenden Elemente gelungen ist, einerseits die Durchhärtbarkeit des Werkstoffes zu steigern und andererseits eine Mischkristallhärtung zu erreichen, wobei auch bei niedrigen Härtetemperaturen eine voreutektoide Karbidaussscheidung, insbesondere an den Korngrenzen reduziert wird.

[0008] Im Sinne eines hohen Verschleißwiderstandes bei gleichzeitig verbesserter Zähigkeit und insbesondere überlegener Biegefestigkeit sind die karbidbildenden Elemente der 5. Gruppe des Periodensystems in Wechselwirkung mit jenen der Gruppe 6 zu sehen. Es wurde gefunden, dass sich bei Niobgehalten von 0,1 Gew.-% und kleiner bei den erfindungsgemäßen Vanadingehalten globulitische Monokarbide und Mischkarbide mit Wolfram und Molybdän in den angegebenen Konzentrationsbereichen dieser Elemente bilden, wobei die etwa kugelähnlichen Monokarbide von im Wesentlichen Vanadin einen hohen Verschleißwiderstand des Werkstoffes sichern. Hochstabile Wolfram- und Molybdän-Monokarbide können aktivitätsbedingt nicht entstehen, hingegen werden Wolfram- und Molybdänreiche Vanadinhältige Mischkarbide ausformbar. Diese Mischkarbide dienen bei der thermischen Vergütung der Matrixhärtung, haben den Vorteil einer niedrigeren Ausscheidungstemperatur und sind auch beim Austenitisieren leichter in feste Lösung zu bringen. Diese im Wesentlichen auch niobfreien Karbidkonfigurationen, wobei durch eine leichere Lösung der Mischkarbide sehr hohe Biegebruchfestigkeit und Schlagbiegezähigkeit im vergüteten Material sichergestellt werden, hängen reaktionskinetisch eng mit einer niedrigen Chromkonzentration zusammen.

[0009] Chrom kann einerseits, einzeln betrachtet, mindestens drei Karbidformationen mit verschiedenen Kohlenstoffkonzentrationen bilden und ist leicht als metallische Komponente durch Substitution in Mischkarbide einbringbar, der Chromgehalt beeinflusst, jedoch andererseits auch wesentlich das Härteverhalten wie Härteannahme, Durchhärtbarkeit, Sekundärhärtebildung des Werkstoffes. Prinzipiell verzögern steigende Chomgehalte die Gefügeumwandlung beim Härten bzw. erhöhen die Einhärtetiefe und wirken derart insbesondere mit Nickel und Mangan gleichartig. Hingegen erhöhen Kobaltanteile in der Legierung den Diffusionskoeffizienten für Kohlenstoff, was einerseits zu geringeren Härtetiefen führen kann, andererseits unterdrückt Kobalt im hohen Maße eine voreutektiode Karbidausscheidung, insbesondere an den Korngrenzen, wodurch wesentliche Verbesserungen der Zähigkeit des vergüteten Werkstoffes erreichbar sind.

[0010] Im Hinblick auf das gewünschte Eigenschaftsniveau des Kaltarbeitsstahles, welches auch bei geringen Härtetemperaturen tiefreichend in dem Werkstück ausgebildet ist, sind die Elemente Chorm, Mangan, Nickel und Kobalt in den erfindungsgemäßen Konzentrationsgrenzen einzustellen, wobei die bevorzugten Gehaltsbereiche eine Erhöhung der mechanischen Materialwerte und Gütesicherheit des Werkstoffes bewirken.

[0011] Wie früher erwähnt, sind die Monokarbidbildung sowie die Aktivitäten der Elemente Vanadin, Molybdän und Wolfram im Hinblick auf eine Mischkarbiddarstellung und Matrixhärtung für vorzügliche Gebrauchseigenschaften des erfindungsgemäßen Kaltarbeitsstahles wichtig. Es wurde gefunden, dass in den engen Konzentrationsgrenzen der Elemente bei einem Verhältnis gemäß der Formel:

überlegene mechanische Eigenschaften des Stahlgegenstandes bei einer Vergütung mit vergleichsweise niedrigen Härtetemperaturen von beispielsweise 1030°C bis 1050°C erreicht werden können, wobei eine vergrößerte Einhärtetiefe bei innerer Feinkornstruktur gegeben ist.

[0012] Sowohl im Hinblick auf eine Steigerung des Verschleißwiderstandes als auch zur weiteren Erhöhung der Zähigkeit und Härte des erfindungsgemäßen Kaltarbeitsstahles ist es von Vorteil, wenn ein oder mehr als ein Element folgende Konzentrationen in Gew.-% aufweist:

Kohlenstoff	(C)	=	2,3	bis	2,6,	vorzugsweise	2,4	bis	2,55
Silizium	(Si)	=	0,3	bis	0,8,	vorzugsweise	0,42	bis	0,68
Mangan	(Mn)	=	0,15	bis	0,8,	vorzugsweise	0,3	bis	0,55
Chrom	(Cr)	=	3,85	bis	4,58,	vorzugsweise	4,0	bis	4,45
Molybdän	(Mo)	=	3,31	bis	4,18,	vorzugsweise	3,55	bis	3,98
Nickel	(Ni)	=	0,16	bis	0,25
Vanadin	(V)	=	8,61	bis	9,34,	vorzugsweise	8,81	bis	9,2
Wolfram	(W)	=	0,7	bis	1,3,	vorzugsweise	0,75	bis	1,25
Cobalt	(Co)	=	1,4	bis	3,82,	vorzugsweise	1,61	bis	2,42

[0013] Weiters hat es sich insbesondere für ein Erreichen einer erhöhten Materialzähigkeit als günstig erwiesen, wenn ein oder mehr als ein Begleitelemtent folgende Konzentrationswerte in Gew.-% aufweist:

Schwefel	(S)	bis	0,03,	vorzugsweise	bis	0,025
Niob	(Nb)	bis	0,01,	vorzugsweise	bis	0,006
Stickstoff	(N)	bis	0,09,	vorzugsweise	bis	0,08
Aluminium	(Al)	bis	0,05,	vorzugsweise	bis	0,04

und/oder mehr als ein Verunreinigungselement folgende Konzentrationswerte in Gew.-% aufweist:

Phosphor	(P)	max	0,025
Sauerstoff	(O)	max	0,009

[0014] Für einen pulvermetallurgisch hergestellten Kaltarbeitsstahl-Gegenstand mit einer chemischen Zusammensetzung gemäß einer der vorgenannten Werkstoffe ist es im Hinblick auf höchste Zähigkeit und Festigkeit des Materials, auch bei Verwendung von üblichen Standardhärtetemperaturen für die Vergütung, also auch bei einfacher Wärmebehandlung, wichtig, dass ein hoher Reinheitsgrad des Stahles entsprechend einem K0-Wert von kleiner/gleich 3,0 nach DIN 50602 gegeben ist. Höhere K0-Wert können zu einer verstärkten Verschlechterung der Gebrauchseigenschaften des Gegenstandes führen.

[0015] Anhand von Ergebnissen aus vergleichenden Untersuchungen soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigen

[0016] 

Tab. 1 eine Darstellung der chemischen Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Kaltarbeitsstahles und der Vergleichslegierungen

Tab. 2 die erhaltenen Meßwerte an Biegebruchfestigkeit, Schlagbiegearbeit und Verschleißwiderstand der vergüteten Stähle

Fig. 1 Meßanordnung zur Ermittlung der Biegebruchfestigkeit

Fig. 2 Probeform für die Prüfung der Schlagbiegearbeit

Fig. 3 Schema der Vorrichtung zur Messung der Verschleißwiderstandes

Fig. 4 vergleichende Balkendarstellung der Biegebruchfestigkeit der Stahllegierungen

Fig. 5 Darstellung der Schlagbiegearbeit

Fig. 6 Gegenüberstellung des Verschleißwiderstandes der jeweiligen Kaltarbeitsstähle

[0017] Aus der Tab. 1 ist die chemische Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen Kaltarbeitsstahllegierung mit der Bezeichung Leg. K und jene von Vergleichslegierungen, die mit Leg. A bis Leg. J gekennzeichnet sind, ersichtlich.

[0018] Unter der jeweils gleichen Bezeichnung sind aus der Tab. 2 die Erprobungsergebnisse und zwar die Biegebruchfestigkeit, die Schlagbiegearbeit und der Verschleißwiderstand ersichtlich, wobei die verformten Proben auf gleiche Härte von 61 HRC vergütet waren.

[0019] Die Biegebruchfestigkeit der Kaltarbeitstahllegierungen wurde an Rundproben (R_D = 5,0 mm) in einer in Fig. 1 dargestellten Einrichtung ermittelt. Die Vorkraft F_r betrug 200 N, die Geschwindigkeit bis zur vollen Vorkraft war 2 mm/min und die Prüfgeschwindigkeit betrug 5 mm/min.

[0020] Die Untersuchungen der Schlagbiegearbeit des Werkstoffes erfolgte an Proben mit einer Form gemäß Fig. 2.

[0021] Aus Fig. 3 ist die verwendete Einrichtung zur Ermittlung des Verschleißwiderstandes der Werkstoffe schematisch dargestellt.

[0022] Fig. 4 zeigt in einer Balkendarstellung die überragende Biegebruchfestigkeit der erfindungsgemäßen Leg. K, wobei dem Stand der Technik entsprechenden Vergleichsmaterialien A bis J jeweils hohe Biegebruchwerte besitzen.

[0023] Bei einem Vergleich der Schlagbiegearbeit gemäß Fig. 5, ebenfalls in Balkendarstellung, ist die überlegene Zähigkeit des erfindungsgemäßen Werkstoffes ersichtlich.

[0024] Werden, wiederum bei Balkendarstellung, in Fig 6 die Verschleißwiderstandswerte der unterschiedlich zusammengesetzten Kaltarbeitsstähle verglichen, so liegt die erfindungsgemäße Legierung im Bereich der bei dieser Beanspruchungsart besten Werkstoffe.

[0025] Den Ergebnissen der Untersuchungen ist entnehmbar, dass der erfindungsgemäß zusammengesetze Kaltarbeitsstahl ein hervorragend gutes Eigenschaftsniveau hinsichtlich Zähigkeit und Festigkeit besitzt und im Vergleich mit den besten Legierungen des Standes der Technik einen vergleichbaren Verschleißwiderstand aufweist.

Ansprüche

1. Kaltarbeitsstahl mit hohem Verschleißwiderstand für pulvermetallurgisch hergestellte Werkstücke und Werkzeuge mit hoher Zähigkeit und Festigkeit, enthaltend die Legierungselemente in Gew.-%:

Kohlenstoff	(C)	2,21	bis	2,64
Silizium	(Si)	0,08	bis	1,1
Mangan	(Mn)	0,05	bis	1,1
Chrom	(Cr)	3,71	bis	4,69
Molybdän	(Mo)	3,1	bis	4,4
Nickel	(Ni)	0,14	bis	0,3
Vanadin	(V)	8,45	bis	9,5
Wolfram	(W)	0,5	bis	1,5
Cobalt	(Co)	1,1	bis	4,9

sowie die Begleitelemente

Schwefel	(S)	bis	0,3
Niob	(Nb)	bis	0,1
Stickstoff	(N)	bis	0,1
Aluminium	(Al)	bis	0,06
Titan	(Ti)	bis	0,01

die Verunreinigungselemente

Phosphor	(P)	max	0,029
Sauerstoff	(O)	max	0,03

und das Basiselement

Eisen

(Fe)

als

Rest

2. Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, dass das Verhältnis Vanadin zu Molybdän plus Wolfram 1,5 bis 2,2 beträgt:

3. Kaltarbeitsstahl nach Anspruch 1 oder 2, mit der Maßgabe, dass das Verhältnis Chrom plus Mangan plus Nickel zu Kobalt 2,05 bis 2,95 beträgt:

4. Kaltarbeitsstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem ein oder mehr als ein Element folgende Konzentrationswerte in Gew.-% aufweist:

Kohlenstoff	(C)	=	2,3	bis	2,6,	vorzugsweise	2,4	bis	2,55
Silizium	(Si)	=	0,3	bis	0,8,	vorzugsweise	0,42	bis	0,68
Mangan	(Mn)	=	0,15	bis	0,8,	vorzugsweise	0,3	bis	0,55
Chrom	(Cr)	=	3,85	bis	4,58,	vorzugsweise	4,0	bis	4,45
Molybdän	(Mo)	=	3,31	bis	4,18,	vorzugsweise	3,55	bis	3,98
Nickel	(Ni)	=	0,16	bis	0,25
Vanadin	(V)	=	8,61	bis	9,34,	vorzugsweise	8,81	bis	9,2
Wolfram	(W)	=	0,7	bis	1,3,	vorzugsweise	0,75	bis	1,25
Cobalt	(Co)	=	1,4	bis	3,82,	vorzugsweise	1,61	bis	2,42

5. Kaltarbeitsstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem ein oder mehr als ein Begleitelement folgende Konzentrationswerte in Gew.-% aufweist:

Schwefel	(S)	bis	0,03,	vorzugsweise	bis	0,025
Niob	(Nb)	bis	0,01,	vorzugsweise	bis	0,006
Stickstoff	(N)	bis	0,09,	vorzugsweise	bis	0,08
Aluminium	(Al)	bis	0,05,	vorzugsweise	bis	0,04

6. Kaltarbeitsstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem ein oder mehr als ein Verunreinigungselement folgende Konzentrationswerte in Gew.-% aufweist:

Phosphor	(P)	max	0,025
Sauerstoff	(O)	max	0,009

7. Pulvermetallurgisch hergestellter Kaltarbeitsstahl-Gegenstand mit einer chemischen Zusammensetzung gemäß einem der vorgeordneten Ansprüche und einem Reinheitsgrad entsprechend einem K0-Wert von kleiner/gleich 3,0 nach DIN 50602.

Zeichnung