DE19531260A1 - Warmarbeitsstahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Warmarbeitsstahl, des­ sen Herstellungsverfahren und seine Verwendung.

Warmarbeitsstähle werden vorwiegend für Gieß- und Umform- Werkzeuge zur Metallbearbeitung im Werkzeug Temperaturbe­ reich zwischen 350 und 600°C eingesetzt. Ihre wichtigsten Eigenschaften zur Sicherstellung wirtschaftlicher Werk­ zeugstandzeiten sind eine dem Verwendungszweck angepaßte hohe Anlaßbeständigkeit, hohe Warmfestigkeitswerte mit dar­ aus resultierender guter Verschleißfestigkeit sowie eine ausreichende Bruchzähigkeit. Die am Markt bekannten vergüt­ baren Warmarbeitsstähle können aufgrund ihres Anlaßverhal­ tens, wie in Fig. 1 dargestellt, in folgende 3 Gruppen ein­ geteilt werden:

I. Nickel/Chrom/Molybdän und Nickel/Chrom/Molybdän/Vanadium (NiCrMo/NiCrMoV) legierte Warmarbeitsstähle
II. Chrom/Molybdän/Vanadium (CrMoV) legierte Warmarbeitsstähle
III. Wolfram/Chrom/Kobalt/Vanadium (WCrCoV) legierte Warmarbeitsstähle.

Die NiCrMo/NiCrMoV-legierten Warmarbeitsstähle haben wegen ihrer relativ guten Zähigkeit, aber geringen Verschleißfe­ stigkeit in der Anwendung für Umformwerkzeuge lediglich für dynamisch beanspruchte, rißempfindliche Schmiedegesenke wirtschaftliche Bedeutung erlangt. Diese Werkstoffgruppe kommt für die Herstellung von hochwarmfesten Werkzeugen für den Temperaturbereich von 350 bis 600°C nicht in Frage, da bei diesen Temperaturen ihre Härte deutlich abfällt (siehe Fig. 1).

Die CrMoV-legierten Warmarbeitsstähle mit erhöhter Anlaß­ beständigkeit, Warmfestigkeit und daraus resultierender Verschleißfestigkeit, finden Einsatz im Bereich Druckgießen und Strangpressen von Leichtmetall, sowie für hoch ver­ schleißbeanspruchte Schmiedepressengesenke im Bereich der Stahl-Gesenkschmiedetechnik. Der gravierende Nachteil der konventionellen CrMoV-Warmarbeitsstähle ist ihre auf den hohen Karbidgehalt im Vergütungsgefüge zurückzuführende, vergleichsweise geringe Zähigkeit mit der Folge einer er­ höhten Rißempfindlichkeit der Werkzeuge. Zur Verminderung der Rißempfindlichkeit, insbesondere bei Beanspruchung quer zur Verformungsachse, wurden in den letzten Jahren Herstel­ lungsverfahren entwickelt, mit denen gleichmäßigere und feinere Karbidausbildungen bei CrMoV-Warmarbeitstählen er­ reicht werden können, wie z. B. die Elektro-Schlacke- Umschmelztechnik, Diffusionsglühbehandlung von Rohblöcken, dreidimensionale Schmiedetechnik und Feinstruktur-Glühver­ fahren. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere bei Druck­ gießwerkzeugen aus CrMoV-Warmarbeitsstählen mit derart er­ zeugtem Feinstrukturgefüge das Tiefenwachstum der Tempera­ turwechselrisse an der formgebenden Oberfläche langsamer voranschreitet und somit eine Verlängerung der Lebensdauer der Werkzeuge erreicht werden kann. Dieser positive Effekt ist der verbesserten Zähigkeit zuzuschreiben. Die unter Zu­ hilfenahme der genannten Behandlungsverfahren erreichbaren Zähigkeitswerte liegen aber für viele Anwendungen unter den gewünschten Anforderungen. Bei Stranggußwerkzeugen aus Cr- MoV-Warmarbeitsstählen beispielsweise führen Gefüge­ schwächungen durch Korngrenzenkarbidausscheidungen noch häufig zur Rißbildung in filigran strukturierten Preß­ matrizen und Innenbüchsen mit Flachdurchbrüchen.

Die WCrCoV-Warmarbeitsstähle werden aufgrund ihrer höheren Herstellungskosten nur selten eingesetzt. Sie haben eine größere Warmfestigkeit als die CrMoV Warmarbeitsstähle, an­ dererseits zum Teil eine noch geringere Zähigkeit.

NiCrMoV-legierte Stähle finden nicht nur als Warmarbeits­ stähle für Werkzeuge Anwendung, sondern mit anderen Antei­ len der Legierungselemente auch als Werkstoffe für Maschi­ nenbauteile, beispielweise Turbinenteile, und für die Wehr­ technik, z. B. Kanonenrohre. In diesen Anwendungsbereichen steht die Zähigkeit im Vordergrund, aber die Zugfestigkeit und Härte sind deutlich niedriger als bei Werkzeugstählen, wie aus Tabelle 2 hervorgeht. Insbesondere ist die etwa bei Schmiedewerkzeugen notwendige hohe Verschleißfestigkeit bei Arbeitstemperaturen von z. B. 500°C bei diesen Werkstoffen nicht gegeben. Die Stähle haben gemäß Tabelle 1 einen ver­ hältnismäßig niedrigen Kohlenstoffgehalt in Kombination mit einem niedrigen Molybdän- und Vanadiumgehalt und werden auch nicht wie Warmarbeitsstähle behandelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hochwarmfe­ sten und gleichzeitig mit hoher Zähigkeit versehenen Warm­ arbeitsstahl für den dauerhaften Einsatz bei hohen Tempera­ turen von 350 bis 600°C zu schaffen, der zu vergleichbaren Kosten wie die derzeit verwendeten Warmarbeitsstähle herge­ stellt werden kann.

Vorstehende Aufgabe wird durch einen Warmarbeitsstahl gelöst, der (in Gew.-%) aus 0,30 bis 0,45% Kohlenstoff, 2,50 bis 4,00% Nickel, 1.00 bis 2,50% Chrom, 0,60 bis 1,00% Molybdän, 0,20 bis 0,40% Vanadium, bis zu 0,55% Mangan, bis zu 1,00% Silizium und zum Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen besteht.

Die vorgeschlagene Legierung führt zu einer hervorragenden Kombination von hoher Warmfestigkeit und Zähigkeit im ver­ güteten Zustand. Der Nickelgehalt von 2,5 bis 4,0% erlaubt es, das für eine hohe Zähigkeit notwendige martensitische Gefüge in angelassenem Zustand zu erhalten. Mit dem vorge­ sehenen Kohlenstoffgehalt von 0,30-0,45% lassen sich Vergütungsfestigkeiten in dem für CrMoV-Warmarbeitsstähle üblichen Festigkeitsbereich von ca. 1400-1600 N/mm², ent­ sprechend 43-47 HRC erzielen, und gleichzeitig sind die An­ teile der übrigen Legierungselemente so gewählt, daß eine sehr gute Warmfestigkeit ohne versprödende Karbidausschei­ dungen im Gefüge erreicht wird. Dabei ist die optimale Ab­ stimmung der Legierungsgehalte an Kohlenstoff, Chrom, Mo­ lybdän und Vanadium von besonderer Bedeutung für die Kombi­ nation der Eigenschaftsmerkmale hohe Warmfestigkeit und hohe Zähigkeit. Korngrenzenkarbide und grobes Korn im Ver­ gütungsgefüge sind zähigkeitsmindernde Faktoren. Zur Ver­ meidung dieser negativen Effekte muß gewährleistet sein, daß eine vollständige Auflösung der im Glühgefüge ausge­ schiedenen Karbide bei den zur Anwendung kommenden Austeni­ tisierungstemperaturen von 850-880°C erfolgt, gleichzei­ tig aber Austenitkornwachstum verhindert wird. Es hat sich gezeigt, daß zur Realisierung dieses Zieles eine Begrenzung des Vanadiumgehaltes auf maximal 0,40% und des Kohlen­ stoffgehaltes auf höchstens 0,45% erforderlich ist. Unab­ dingbare Voraussetzung ist aber das Vorhandensein einer feinkörnigen Gefügestruktur bereits bei der Vergütungsbe­ handlung.

Zur Einstellung vorgegebener Anlaßtemperaturen von über 550 °C, sind Kohlenstoffgehalte über 0,30%, Chromgehalte über 1.0%, Molybdängehalte über 0,6% und Vanadiumgehalte über 0,20% notwendig. Chrom und Molybdän sind Träger der Warm­ festigkeit bis ca. 500°C. Sie werden mit den genannten Mindest-Gehalten zulegiert, so daß eine Warmstreckgrenze von über 900 N/mm² bei Temperaturen bis 500°C vorhanden ist. Vanadium ist verantwortlich für die Gewährleistung ei­ ner ausreichenden Warmfestigkeit bei Beanspruchungstempera­ turen von über 500°C. Es konnte ermittelt werden, daß z. B. für eine Warmstreckgrenze über 750 N/mm² bei 550°C ein Vanadiumgehalt von mindestens 0,20% erforderlich ist.

Für die Festlegung der Mindest-Legierungsgehalte an Chrom, Molybdän und Nickel ist darüber hinaus auch der Werkstück­ querschnitt des herzustellenden Schmiedestückes maßgeblich. Während die in Tabelle 1 für den erfindungsgemäßen Stahl angegebenen unteren Grenzwerte mit 1,0% Chrom, 2,5% Nic­ kel und 0,6% Molybdän für kleine Werkzeug- Querschnitte bis ca. 200 mm Durchmesser aufgrund der gegebenen Härtbar­ keit ausreichend sind, erfordern größere Querschnitte Le­ gierungsanteile, die an der oberen angegebenen Grenze lie­ gen, nämlich 2,50% Chrom, 4,0% Nickel und 1,0% Molybdän. Noch höhere Legierungsgehalte verschlechtern wiederum die Verarbeitungs-, Zähigkeits- und Gebrauchseigenschaften des Stahles maßgeblich.

Schließlich wird durch niedrige Anteile an Silizium und Mangan sowie der üblichen Verunreinigungen Schwefel, Phos­ phor, Zinn, Antimon und Arsen ein anlaßversprödungsfreier Werkstoffzustand sichergestellt. Auch bei langem Einsatz im Temperaturbereich zwischen 350 und 550°C tritt keine Ver­ sprödung auf. Der erfindungsgemäße Stahl eignet sich somit hervorragend für Warmarbeitswerkzeuge, bei denen CrMoV-Warmarbeitsstähle unter Betriebsbedingungen oft frühzeitig durch Rißbildung ausfallen und unzureichende Standzeiten haben.

Während der erfindungsgemäße 3% NiCrMoV-Warmarbeitsstahl bei Überprüfung von Warmfestigkeit und Zeitstandeigenschaf­ ten bis 550°C gemäß Fig. 1 mindestens gleichwertige Ergeb­ nisse wie herkömmliche CrMoV-Warmarbeitsstähle zeigt, sind seine Zähigkeitseigenschaften weit überlegen. So lassen sich im Kerbschlagbiegeversuch an ISO-V-Proben etwa 2- bis 5-fach höhere Schlagenergiewerte feststellen, siehe Ta­ belle 2. Die sehr guten Werkstoffeigenschaften konnten an Warmarbeitswerkzeugen unter Betriebsbedingungen durch unge­ wöhnlich hohe Lebensdauerkennzahlen belegt werden.

Besonders gute Festigkeits- und Zähigkeitswerte werden er­ zielt, wenn in bevorzugter Ausführung der Erfindung der Warmarbeitsstahl (in Gew.-%) aus 0,35 bis 0,40% Kohlen­ stoff, 3,00 bis 3,50% Nickel, 1,50 bis 1,70% Chrom, 0,70 bis 0,90% Molybdän, 0,22 bis 0,33% Vanadium, höchstens bis zu 0,30% Mangan, maximal bis zu 0,30% Silizium und zum Rest aus Eisen und Üblichen Verunreinigungen besteht.

Nach den bisher vorliegenden Versuchsergebnissen werden op­ timale Werkstoffeigenschaften erhalten, wenn der Warmar­ beitsstahl 0,37 bis 0,39% Kohlenstoff, 3,20 bis 3,50% Nickel, 1,60 bis 1,70% Chrom, 0,75 bis 0,85% Molybdän, 0,22 bis 0,25% Vanadium, nur bis zu 0,05% Mangan, bis zu 0,05% Silizium und zum Rest Eisen und übliche Verun­ reinigungen enthält.

Bei den Verunreinigungen sollte der Anteil von Schwefel und Phosphor jeweils auf maximal 0,030%, vorzugsweise 0,010% oder sogar 0,002% und der Anteil von Zinn, Antimon und Ar­ sen jeweils auf maximal 0,010%, vorzugsweise 0,005% be­ grenzt sein.

Obgleich der neue Warmarbeitsstahl in der Zusammensetzung einem Kanonen- oder Maschinenbaustahl ähnelt, wird er vor­ zugsweise behandelt wie ein CrMoV-legierter Werkzeugstahl. Die Behandlung beginnt mit einem Diffusionsglühen bei etwa 1300°C. Die Dauer richtet sich nach der Größe des Guß­ blocks, beträgt aber mindestens etwa 24 Stunden. Das Diffu­ sionsglühen dient der Homogenisierung des Gefüges, d. h. dem Ausgleich der Kristallseigerung.

Anschließend findet eine Warmumformung, vorzugsweise durch Schmieden, bei Temperaturen von etwa 850°C bis 1150°C und mit einem mindestens dreifachen Verformungsgrad statt. Das Schmiedestück wird nach der anschließenden Abkühlung, in der laufenden Produktion z. B. auf etwa 500°C, bei ca. 850 bis 880°C austenitisiert und dann etwa 200 bis 300 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 630 bis 650°C während einer Dauer von etwa 200 bis 300 Stunden isothermisch in die Perlitstufe umgewandelt.

Nach der Abkühlung an Luft werden die Rohlinge für die her­ zustellenden Warmarbeitswerkzeuge mechanisch aus dem Schmiedestück herausgearbeitet, entsprechend den jeweiligen Fertigungszeichnungen bearbeitet und dann vergütet. Dabei werden die etwa bei 850°C austenitisierten Werkstücke ent­ weder z. B. in einem Blei- oder Salzbad oder alternativ im Wege einer sog. Warmbadsimulatinsvergütung im Vakuum durch eingeblasenen Stickstoff auf etwa 450°C abgekühlt und aus­ geglichen. Anschließend werden die Stücke an Luft auf Raum­ temperatur abgekühlt und dann entsprechend dem Anlaßdia­ gramm auf Einsatzfestigkeit angelassen. Schließlich gewähr­ leistet langsames Abkühlen einen spannungsarmen Zustand.

Anstelle des vorstehend erwähnten Diffusionsglühens könnte zum Ausgleich der Kristallseigerung auch ein anderes homo­ genisierendes Verfahren, z. B. der Umschmelztechnik, ange­ wendet werden.

Der neue Warmarbeitsstahl eignet sich besonders für die Herstellung von Werkzeugen für die Metallumformung im er­ wärmten Zustand und für das Druckgießen, insbesondere von Schmiedegesenken, Druckgießformen, Stanggußinnenbüchsen und Strangpressmatrizen. Die Vergleichsversuche mit den ge­ bräuchlichen Warmarbeitsstählen haben, was die Relation zwischen Anlaßtemperatur und Härte sowie dementsprechend Zugfestigkeit anbetrifft, zu dem Kurvenschaubild nach Fig. 1 geführt. Die Tabelle 1 erlaubt einen Vergleich der Anteile der verschiedenen Legierungselemente des erfindungsgemäßen Warmarbeitsstahls und der bisher gebräuchlichen Warmar­ beitsstähle sowie der oben erwähnten NiCrMoV-legierten Stähle für Maschinenteile und die Wehrtechnik. Schließlich sind in Tabelle 2 die durch Versuche ermittelten charak­ teristischen Festigkeits- und Zähigkeitswerte denen der herkömmlichen Warmarbeitsstähle und der genannten NiCrMoV-legierten Stähle für den Maschinenbau und die Wehrtechnik gegenübergestellt. Den bildlichen und zahlenmäßigen Dar­ stellungen ist zu entnehmen, daß der erfindungsgemäße Warm­ arbeitsstahl hinsichtlich Härte, Zug- und Warmfestigkeit den auf diesem Sektor dominierenden CrMoV-legierten Warmar­ beitsstählen nicht nachsteht, aber um ein mehrfaches bes­ sere Zähigkeitswerte aufweist.

Claims (8)

1. Warmarbeitsstahl, dadurch gekennzeichnet, daß er aus 0,30 bis 0,45 Gew.-% Kohlenstoff, 2,50 bis 4,00 Gew.-% Nickel, 1,00 bis 2,50 Gew.-% Chrom, 0,60 bis 1,00 Gew.­ % Molybdän, 0,20 bis 0,40 Gew.-% Vanadium, bis zu 0,55 Gewichtsprozent Mangan, bis zu 1,00 Gew.-% Silizium und zum Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen be­ steht.

2. Warmarbeitsstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß er aus 0,35 bis 0,44% Kohlenstoff, 3,00 bis 3,50% Nickel, 1,50 bis 1,70% Chrom, 0,70 bis 0,90% Molybdän, 0,22 bis 0,30% Vanadium, bis zu 0,30% Man­ gan, bis zu 0,30% Silizium und zum Rest von Eisen und üblichen Verunreinigungen besteht.

3. Warmarbeitsstahl nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß er aus 0,37 bis 0,39% Kohlenstoff, 3,20 bis 3,50% Nickel, 1,60 bis 1,70% Chrom, 0,75 bis 0,85% Molybdän, 0,22 bis 0,25% Vanadium, bis zu 0,05% Man­ gan, bis zu 0,05% Silizium und zum Rest aus Eisen und üblichen Verunreinigungen besteht.

4. Warmarbeitsstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß bei den Verunreinigungen der Anteil von Schwefel und Phosphor jeweils auf maximal 0,03 Gew.-% und der Anteil von Zinn, Antimon und Arsen jeweils auf maximal 0,01 Gew.-% begrenzt ist.

5. Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs aus einem Warmarbeitsstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Gußblock zum Ausgleich von Kristallseigerungen einer mindestens 24 Stunden dauernden Diffusionsglühbehandlung bei einer Temperatur von mindestens 1300°C oder einem Umschmelzverfahren unterzogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Diffusionsglühbehandlung eine Warmumformung, z. B. durch Schmieden, mit einem mindestens dreifachen Verformungsgrad durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß nach der Warmumformung eine Feinstrukturbehandlung durch Austenitisierung und anschließende Perlitisie­ rungskühlung bei 630 bis 650°C während einer Dauer von 100-200 Stunden durchgeführt wird.

8. Verwendung eines Warmarbeitsstahls nach einem der An­ sprüche 1 bis 4 zur Herstellung von Werkzeugen für die Metallumformung im erwärmten Zustand und für das Druck­ gießen, insbesondere von Schmiedegesenken, Druckgieß­ formen, Stranggußinnenbüchsen und Strangpreßmatrizen.