[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Stahllegierung für spanabhebende Werkzeuge.
[0002] Bei einer Spanabnahme von Werkstücken wird der Schneidenbereich des Werkzeuges mehrfach
hoch belastet. Der Werkzeugwerkstoff muss, um der Summenbelastung zu widerstehen,
gleichzeitig hohe Härte und Zähigkeit sowie dgl. Abriebfestigkeit aufweisen, welche
Eigenschaften bis zu hohen Temperaturen, beispielsweise 550°C und darüber erhalten
bleiben sollen. Nur derart sind hohe Standzeiten des Werkzeuges und ein wirtschaftlicher
Einsatz desselben erreichbar.
[0003] Eine Belastung, besser dargelegt das Profil einer Belastung, eines Schneidkantenbereiches
eines Werkzeuges beim Schnitt bzw. bei einer Abspanung hängt wesentlich von der Art
und den Eigenschaften des Werkstückswerkstoffes ab. So wurden beispielsweise Schnellarbeitsstähle
mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, insbesondere abgestimmt auf die
spezifischen Beanspruchungen bei der Spanabnahme von Werkstücken mit unterschiedlichen
Eigenschaften entwickelt und zählen zum Stand der Technik.
[0004] Schnellarbeitsstähle weisen allerdings vorwiegend hohe Gehalte an einem oder mehreren
teuren Legierungselementen wie Molybdän, Wolfram, Vanadin, Niob und Kobalt auf. Wolfram
und/oder Molybdän können bis zu Gehalten von 20 Gew.-% und höher vorgesehen sein,
wobei Vanadin in üblichen PM-Schnellstählen mit Gehalten von 1.2 bis 15 Gew.-% zulegiert
sein kann.
[0005] Wie vorher mittels einer PM-Erzeugungsvariante angedeutet, ist ein Problem in der
Erstarrungsstruktur in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Legierung
zu sehen. In der
EP 1 469 094 A1 wird beispielsweise vorgeschlagen, einen Schnellstahlumschmelzblock einer Langzeit-Lösungsglühbehandlung
zu unterwerfen, wobei eine Abkühlung von 1200°C bis 1300°C auf eine Temperatur von
weniger als 900°C mit einer Geschwindigkeit von mehr als 3°C/min erfolgen soll. Derart
sind geringe Karbidgrößen mit gleichmäßiger Karbidverteilung im Werkzeugwerkstoff
und folglich eine hohe Zähigkeit desselben erreichbar.
[0006] Einen Stahl für spanabhebende Werkzeuge mit niedrigen Kosten für Legierungselemente
offenbart die
AT 412 285 B. Dieser insbesondere für Kreissägen vorteilhaft verwendbare Stahl nutzt ein bestimmtes
Aluminium-zu-Stickstoff-Verhältnis, um den Spanverschleiß am Werkzeug gering zu halten.
Allerdings arbeiten Sägezähne bei einer Spanabnahme meist bei geringeren Temperaturen,
sodass zumeist keine ausgeprägte Anlasstemperaturbeständigkeit des Werkstoffes gefordert
ist.
[0007] Aus der
JP 10 298710 ist eine Stahllegierung bekannt, mit der Zusammensetzung in Gewichtsprozenten C =
0,5-2,3, Si ≤ 3.0, Mn ≤ 1.0, Cr = 3,5-5, Mo ≤ 15, W ≤ 20, V = 0,5-6,0, Al = 0,5 -
3,0. Der Wolframgehalt ist hoch. Hinweise, dass dieser Stahl gute Warm-Umformbarkeit
und hohe Zähigkeit bzw. Härtbarkeit besitzt werden nicht gegeben.
[0008] Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen Stahl für spanabhebende Werkzeuge zu schaffen,
welcher eine feine Erstarrungsstruktur und eine gute Warm-Umformbarkeit aufweist,
eine hohe Härteannahme und Anlassbeständigkeit besitzt und hohe Wirtschaftlichkeit
bzw. ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis zeigt.
[0009] Dieses Ziel, welches summarisch erstarrungstechnische, umformtechnische, härtetechnische
und wirtschaftliche Probleme löst, wird gemäß der Erfindung erreicht mit einer Stahllegierung
für spanabhebende Werkzeuge, im Wesentlichen bestehend aus den Elementen in Gew.-%
von:
C = 0.76 bis 0.89
Si = 0.41 bis 0.59
Mn = 0.15 bis 0.39
Cr = 3.60 bis 4.60
Mo = 2.00 bis 3.15
W = 1.50 bis 2.70
V = 0.80 bis 1.49
Al = 0.60 bis 1.40
P = MAX 0.03
S = 0.001 bis 0.30
N = 0.01 bis 0.10
Fe sowie Verunreinigungselemente als Rest.
[0010] Die Zusammensetzung der Stahllegierung nach der Erfindung hat metallurgischtechnische
Vorteile, die synergetisch auf einen engen Konzentrationsbereich der Legierungselemente
beschränkt sind.
[0011] Der Kohlenstoffgehalt bzw. die Kohlenstoffaktivität steht in Wechselwirkung mit dem
monokarbidbildenden Element Vanadin, mit den starken Karbidbildnem Molybdän und Wolfram
sowie mit Chrom, wobei das Legierungselement Aluminium, welches das Gebiet der kubisch-flächenzentrierten
Atomstruktur der Legierung stark einengt, auch, wie sich zeigte, die Erstarrungsstruktur
und somit eine Verformbarkeit des Werkstoffes günstig beeinflusst sowie auf ein Härteverhalten
und auf eine Anlassbeständigkeit des Werkzeuges hohe Wirkung zeigt.
[0012] Im Bereich zwischen 0.60 und 1.40 Gew.-% Aluminium in der Legierung nach der Erfindung
wird eine grobe Karbidausscheidung bei einer ledeburitischen Resterstarrung der Schmelze
vermindert und eine feinkörnige Karbidbildung im Erstarrungsgefüge erreicht.
[0013] Im Vergleich mit einem Schnellarbeitsstahl-Gussblock der Legierung HS 6-5-2 bzw.
DIN Werkstoff Nr. 1.3343 zeigte ein Block mit gleichen Dimensionen jedoch aus einer
erfindungsgemäße Legierung eine bessere Verformbarkeit bei höheren Stichabnahmen.
[0014] Nach einer Weichglühbehandlung wurde mikroskopisch eine weitgehend gleichmäßige Verteilung
der Karbide mit geringer Korngröße im Walzmaterial nach der Erfindung festgestellt.
[0015] Materialuntersuchungen nach einer thermischen Vergütung mit einer Härtung von einer
Temperatur von 1190°C bis 1230°C mit nachfolgender Abkühlung in Öl und einem Anlassen
in einem Temperaturbereich von 500°C bis 580°C zeigten folgende Ergebnisse:
Kohlenstoff ab einem Gehalt von 0.76 Gew.-% führt mit einer Konzentration von größer
0.8 Gew.-% Vanadin sowie von größer 1.5 Gew.-% Wolfram und mindestens 2.0 Gew.- %
Molybdän in Anwesenheit von mindestens 3.60 Gew.-% Chrom zu einer gewünschten Härteannahme
des Werkstückes, wobei Aluminium mit mindestens 0.60 Gew.-% die Durchhärtung fördert,
hohe Materialzähigkeit bewirkt und insbesondere die Anlassbeständigkeit zu höheren
Temperaturen und längeren Zeiten verschiebt. Höhere Gehalte an Kohlenstoff von 0.89
Gew.-%, an Vanadin von 1.49 Gew.-%, an Wolfram von 2.70 Gew.-% und an Chrom von 4.60
Gew.-% führen auch bei Gehalten von 1.40 Gew.-% Aluminium zu groben Karbidausscheidungen
aus der Schmelze und zu nachteilig groben Karbidkörnern im Werkstoff, wobei höhere
Aluminiumkonzentrationen als 1.40 Gew.-% auch eine allgemeine Grobkombildung verursachen
können. Es wurde auch gefunden, dass bei den Aluminiumgehalten der Stickstoff in Konzentrationsgrenzen
von 0.01 bis 0.1 Gew.-% komfeinernd und eigenschaftsverbessernd für das Werkzeug wirkt.
Höhere Stickstoffgehalte bilden jedoch zumeist in nachteiliger Weise grobe inhomogen
verteilte Nitride im Werkstoff.
[0016] Silizium in den engen Grenzen von 0.41 bis 0.59 Gew,-% im Stahl hat einen vorteilhaften
Einfluss auf den Einschlussgehalt und die Härtbarkeit des Werkstoffes, wobei Mangan
unterstützend wirkt. Eine Schwefelabbindung zu Mangansulfid kann von einem Teil des
Mangangehaltes in der Legierung, welcher Werte von 0.15 bis 0.39 Gew.-% aufweist,
sichergestellt werden.
[0017] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, die die Eigenschaften der Stahllegierung
weiter verbessern können, werden erreicht, wenn diese ein oder mehrere der Elemente
in einem engeren Konzentrationsbereich in Gew.-% von:
C = 0.80 bis 0.85
Si = 0.45 bis 0.55
Mn = 0.20 bis 0.30
Cr = 4.00 bis 4.39
Mo = 2.40 bis 2.80
W = 1.90 bis 2.30
V = 1.00 bis 1.20
Al = 0.80 bis 1.20
aufweist.
[0018] Es wurde gefunden, dass es günstig für die Materialzähigkeit und vorteilhaft für
die Härteannahme des Werkstoffes ist, wenn Molybdän und Wolfram mit Mindestgehalten
von 2.00 Gew.-% und 1.50 Gew.-% in der Stahllegierung in einem ausgewogenen Verhältnis
enthalten sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße
Legierung eine Konzentration von Molybdän plus der Hälfte der Konzentration von Wolfram
einen Wert zwischen 3.3 und 4.0 auf, insbesondere kann mit einem Wert zwischen 3.4
und 3.9 ein überdurchschnittlich günstiges Eigenschaftsprofil des thermisch vergüteten
Werkzeuges erreicht werden.
[0019] Ein spanabhebendes Werkzeug, bestehend aus einer vorzugsweise mindestens 4.1- fach
verformten und thermisch vergüteten Stahllegierung mit einer chemischen Zusammensetzung
gemäß der Erfindung, besitzt zumindest im Arbeitsbereich eine Materialhärte von größer
63 HRC, hat eine aus angelassenem Martensit gebildete Mikrostruktur, besitzt gute
Gebrauchseigenschaften und hohe Zähigkeit im spanabhebenden Betrieb. Die wirtschaftlichen
Vorteile der Stahllegierung resultieren aus einer etwa Halbierung der Legierungskosten
für Molybdän, Wolfram und Vanadin.
[0020] Als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches Werkzeuge mit verschiedenen Zusammensetzungen
des Stahles im Vergleich mit solchen aus dem Werkstoff HS 6-5-2 bzw. DIN Werkstoff
Nr. 1.3343 zeigt, wird im Folgenden näher beschrieben:
[0021] Drehmesser, die durch Härten und dreimaligen Anlassen thermisch vergütet worden waren,
wurde im spanabnehmenden Testbetrieb an einem Werkstück aus dem Werkstoff St33 bzw.
aus DIN Werkstoff Nr. 1.0035 im unterbrochenen Schnitt erprobt.
[0022] Die chemische Zusammensetzung und die Härte der Drehmesser sind in der nachfolgenden
Tabelle 1 und Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 1
Werkstoff |
C |
Si |
Mn |
Cr |
Mo |
W |
V |
Al |
N |
S |
Mo+W/2 |
1.HS6-5-2 |
0.87 |
0.26 |
0.25 |
3.96 |
4.81 |
6.68 |
1.83 |
- |
- |
0.015 |
8.15 |
2.HS6-5-2 |
0.90 |
0.21 |
0.34 |
4.19 |
5.20 |
6.56 |
1.90 |
- |
- |
0.009 |
8.48 |
Vers.Leg. A |
0.80 |
0.48 |
0.38 |
4.51 |
2.23 |
2.59 |
0.92 |
0.71 |
0.009 |
0.02 |
3.53 |
Vers.Leg. S |
0.83 |
0.50 |
0.26 |
4.20 |
2.61 |
2.11 |
1.11 |
1.02 |
0.03 |
0.064 |
3.67 |
Vers.Leg. C |
0.88 |
0.47 |
0.21 |
3.74 |
3.06 |
1.75 |
1.38 |
1.32 |
0.008 |
0.005 |
3.90 |
Tabelle 2
Werkstoff |
Härte in HRC |
1. HS 6-5-2 |
64 |
2. HS 6-5-2 |
65 |
Vers.Leg. A |
64 |
Vers.Leg. S |
65 |
Vers.Leg. C |
66 |
[0023] Bis zum Ausscheiden der Drehmesser im Testbetrieb wegen Verschleiß erfolgten Begutachtungen
des Schneidenbereiches, deren Ergebnisse vergleichend in Tabelle 3 angegeben sind,
wobei die Werte der Legierung 1 HS 6-5-2 mit jeweils 100% bezeichnet wurde.
Tabelle 3
Werkstoff |
Einsatzzeit % |
Schneidhaltigkeit % |
Beständigkeit gegen Kolkverschleiß % |
1. HS 6-5-2 |
30% |
100 |
100 |
2. HS 6-5-2 |
30% |
105 |
110 |
Vers.Leg. A |
30% |
92 |
98 |
Vers.Leg. S |
30% |
96 |
100 |
Vers.Leg. C |
30% |
94 |
100 |
1. HS 6-5-2 |
60% |
100 |
100 |
2. HS 6-5-2 |
60% |
Bruch der Werkzeugschneide |
Vers.Leg. A |
60% |
93 |
98 |
Vers.Leg. S |
60% |
97 |
100 |
Vers.Leg. C |
60% |
95 |
99 |
1. HS 6-5-2 |
90% |
100 |
100 |
2. HS 6-5-2 |
90% |
- |
- |
Vers.Leg. A |
90% |
92 |
89 |
Vers.Leg. S |
90% |
95 |
92 |
Vers.Leg. C |
90% |
92 |
94 |
[0024] An Proben der Versuchslegierung S mit der Bezeichnung S 419 wurden im Vergleich mit
2. HS 6-5-2 Untersuchungen, die Zähigkeit und die Härte in Abhängigkeit der Anlasstemperatur
betreffend, durchgeführt.
[0025] Fig. 1 zeigt die Zähigkeit (bending strenght) gemessen mit Schlagbiegeproben nach
STAHL-EISEN-Prüfblätter (SEP) nach einem Härten von einer Härtetemperatur T
H von 1200°C bzw. 1120°C und einem Anlassen im Temperaturbereich zwischen 500°C und
580°C. bzw. 540°C und 580°C. Eine wesentlich höhere Zähigkeit des erfindungsgemäßen
Werkstoffes ist auch durch die geringere Karbidmenge von 4 Vol-% (HS 6-5-2 ca. 10
Vol.-%) begründet.
[0026] In Fig. 2 ist die Werkstoffhärte bei einer Härtung von 1200°C bzw. von 1120°C in
Abhängigkeit von der Anlasstemperatur wiedergegeben. Bei steigenden Anlasstemperaturen
von größer 500°C nähern sich die Härtewerte der Versuchslegierung von unten an jene
des 2. HS 6-5-2 an und erreichen bei 580°C das gleiche Niveau von 65 HRC.
1. Stahllegierung für spanabhebende Werkzeug, im Wesentlichen bestehend aus den Elementen
in Gew.-% von:
C |
= |
0.76 |
bis |
0.89 |
Si |
= |
0.41 |
bis |
0.59 |
Mn |
= |
0.15 |
bis |
0.39 |
Cr |
= |
3.60 |
bis |
4.60 |
Mo |
= |
2.00 |
bis |
3.15 |
W |
= |
1.50 |
bis |
2.70 |
V |
= |
0.80 |
bis |
1.49 |
Al |
= |
0.60 |
bis |
1.40 |
P |
= |
|
MAX |
0.03 |
S |
= |
0.001 |
bis |
0.30 |
N |
= |
0.01 |
bis |
0.10 |
Fe sowie Verunreinigungselemente als Rest.
2. Stahllegierung nach Anspruch 1, enthaltend ein oder mehrere der Elemente in einem
Konzentrationsbereich in Gew.-% von:
C |
= |
0.80 |
bis |
0.85 |
Si |
= |
0.45 |
bis |
0.55 |
Mn |
= |
0.20 |
bis |
0.30 |
Cr |
= |
4.00 |
bis |
4.39 |
Mo |
= |
2.40 |
bis |
2.80 |
W |
= |
1.90 |
bis |
2.30 |
V |
= |
1.00 |
bis |
1.20 |
Al |
= |
0.80 |
bis |
1.20 |
3. Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, in welcher die Konzentration von Molybdän plus
der Hälfte der Konzentration von Wolfram einen Wert zwischen 3.3 und 4.0 aufweist,
bevorzugt einen Wert zwischen 3.4 und 3.9 besitzt.
4. Spanabhebendes Werkzeug, bestehend aus einer verformten und thermisch vergüteten Stahllegierung
gemäß der Ansprüche 1 bis 3, mit einer zumindest im Arbeitsbereich vorliegenden Materialhärte
von größer 63 HRC und einer aus angelassenem Martensit gebildeter Mikrostruktur.
1. Alliage d'acier pour la fabrication d'outils d'usinage, consistant essentiellement
en les éléments suivants (en % en poids):
C |
= |
0,76 |
à |
0,89 |
Si |
= |
0,41 |
à |
0,59 |
Mn |
= |
0,15 |
à |
0,39 |
Cr |
= |
3,60 |
à |
4,60 |
Mo |
= |
2,00 |
à |
3,15 |
W |
= |
1,50 |
à |
2,70 |
V |
= |
0,80 |
à |
1,49 |
Al |
= |
0,60 |
à |
1,40 |
P |
= |
|
|
0,03 max |
S |
= |
0,001 |
à |
0,30 |
N |
= |
0,01 |
à |
0,10, |
le reste étant Fe et des impuretés.
2. Alliage d'acier selon la revendication 1,consistant essentiellement en les éléments
suivants (en % en poids):
C |
= |
0,80 |
à |
0,85 |
Si |
= |
0,45 |
à |
0,55 |
Mu |
= |
0,20 |
à |
0,30 |
Cr |
= |
4,00 |
à |
4,39 |
Mo |
= |
2,40 |
à |
2,80 |
W |
= |
1,90 |
à |
2,30 |
V |
= |
1,00 |
à |
1,20 |
Al |
= |
0,80 |
à |
1,20. |
3. Alliage d'acier selon les revendications 1 ou 2,dans lequel la concentration en molybdène
et la moitié de la concentration en tungstène donnent une valeur entre 3,3 et 4,0,
de préférence entre 3,4 et 3,9.
4. Outil d'usinage qui consiste en un alliage en acier selon l'une des revendications
1 à 3, usiné et trempé à chaud, avec une dureté du matériau qui est supérieure à 63
HCR, au moins aux surfaces de travail, et une microstructure formée dela martensite
revenue.