DE3889127T2

DE3889127T2 - Kaltverarbeitbarer stahl.

Info

Publication number: DE3889127T2
Application number: DE3889127T
Authority: DE
Inventors: Boerje S-683 00 Hagfors Johansson; William S-181 31 Lidingoe Roberts
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: Uddeholms AB
Priority date: 1987-03-19
Filing date: 1988-03-11
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2008-03-12
Also published as: SE456650B; AU1493988A; CA1339767C; WO1988007093A1; EP0417082B1; EP0417082A1; SE8701127D0; JPH02502736A; SE456650C; US4936911A; SE8701127L; DE3889127D1

Description

Technisches Feld

Vorliegende Erfindung betrifft einen Kaltverarbeitungsstahl zur Verwendung in Nähe der Raumtemperatur, an erster Stelle zum Schneiden und Stanzen metallischer Materialien, aber auch zum plastischen Verformen durch Kaltverarbeitungsvorgänge, wie z.B für Werkzeuge zum Tiefziehen und für Walzen zum Kaltwalzen. Der Stahl wird pulvermetallurgisch durch Verfestigen von Metallpulver zu einem dichten Körper hergestellt. Der Stahl ist u.a. durch eine sehr hohe Schlagfestigkeit in Kombination mit einem extrem guten Verschleißwiderstand charakterisiert, was ihn für Stanz- und Schneidwerkzeuge sehr brauchbar macht.

Hintergrund der Erfindung

Kaltverarbeitungsstähle zum Schneiden und Stanzen beim Verformen metallischer Materialien erfüllen eine Anzahl von Anforderungen, die schwierig zu kombinieren sind. Insbesondere werden hohe Anforderungen an die Schlagfestigkeit gestellt, vorallem dann, wenn das Werkzeug zum Schneiden oder Stanzen von anhaftenden Materialien (haftender Abrieb), wie z.B. von rostfreien austenitischen Stählen benutzt werden soll. Ferner darf das Werkzeugmaterial nicht zu teuer sein, welches die Möglichkeit der Auswahl hoher Gehalte an kostspieligen Legierungskomponenten begrenzt.
Herkömmliche Kaltverarbeitungsstähle sind hinsichtlich der zuvor genannten Belange gut qualifiziert. Dessen ungeachtet ist es jedoch erwünscht, Werzeugsmaterialien zu erhalten, die noch bessere Merkmale aufweisen. Infolgedessen wurden in manchen Fällen pulvermetallurgisch hergestellte Hochgeschwindigkeitsstähle verwendet, d.h. Stähle, die durch hohe Gehalte an Wolfram und/oder Molyben und üblicherweise auch Kobalt gekennzeichnet sind. Jedoch sind Hochgeschwindigkeitsstähle teuer. Infolgedessen ist es erwünscht, einen Kaltverarbeitungsstahl ohne Verwendung derartiger kostspieliger Legierungselemente, wie Wolfram und/oder Kobalt, zumindest jedoch ohne hohe Gehalte an diesen Elementen, aber dennoch einen Stahl mit Kaltverarbeitungsmerkmalen zu erhalten, die vergleichbar mit oder besser als diejenigen von Hochgeschwindigkeitsstählen sind, welche nach dem pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren erhalten wurden.
Die Verschleißfestigkeit von Stählen kann auch verbessert werden, indem man den Stahlgegenstand mit einem dünnen Überzug aus einem sehr verschlei£festen Material versieht. Insbesondere ergibt die sogenannte CVD-Technik (CVD:Chemical Vapour Deposition) eine sehr verschleißfeste Oberflächenschicht und sie ist tatsächlich die wirksamste Methode, die heute bekannt ist und zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit zur Verfügung steht. Leider hat diese Methode auch gewisse Nachteile, welche ihre Anwendung oft unmöglich macht; sie kann nur zur Beschichtung von verhältnismäßig kleinen Gegenständen verwendet werden; die Abmessungstoleranzen können nach Aufbringen der CVD-Beschichtung nicht in größerem Maß eingestellt werden; ferner ist sie sehr kostspielig.
Die DE, C2, 27 22 972 betrifft grundsätzlich Hochgeschwindigkeitsstähle, jedoch offenbart die Beschreibung auch einige Stahlqualitäten mit Legierungsgehalten, die für Kaltbearbeitungsstähle normaler sind. So ist als Beispiel K ein Stahl mit folgender Zusammensetzung bekannt: 0,92 %C, 0,31 %Si, 0,32 %Mn, 0,02 %P, 0,03 %S, 5,20 %Cr, 0,96 %Mo, 1,06 %W, 4,78 %V, 0,040 %O, 0,046 %N, Rest Fe.

Kurze Offenbarung der Erfindung

Bezüglich des zuvor genannten Hintergrundes ist es ein Ziel der Erfindung, einen neuen, pulvermetallurgisch hergestellten Kaltverarbeitungsstahl mit einer Verschleißfestigkeit und Zähigkeit zur Verfügung zu stellen, der besser als oder vergleichbar mit diesen Eigenschaften von pulvermetallurgisch hergestellten Hochgeschwindigkeitsstählen ist und eine Kombination von Zähigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist, die besser ist als diejenige von herkömmlichen kaltverarbeitbaren Hochlegierungsstählen. Was die Verschleißfestigkeit anbelangt, ist es auch ein spezielles Ziel der Erfindung, eine Verschleißfestigkeit hervorzubringen, welche mit derjenigen von CVD-beschichteten, Pulvermetallurgisch hergestellten Stählen ist, die einen ähnlichen Gehalt an Legierungselementen besitzen. Um die zuvor genannten Ziele zu erreichen, soll der Stahl die folgende Zusammensetzung, ausgedrückt in Gewichtsprozent, aufweisen: 1,0 bis 2,5 %C, 0,1 bis 2 %Si, 0,1 bis 2 %Mn, 0,5 bis 1,5 %N, 6,5 bis 11 %Cr, 0,5 bis 3 %Mo, nicht mehr als Verunreinigungsmengen von W, 5 bis 11 %V, wobei bis zur Hälfte der Vanadiummenge durch bis zum 1,5Fachen an Niob ersetzt sein kann, und ein Teil des Vanadiums bis zum Vierfachen des Gehalts an Stickstoff durch Titan und bis zum < die doppelte Menge an Zirkon> Achtfachen des Gehalts an Stickstoff durch E-> ersetzt sein kann, und wobei das Verhältnis V/(C+N) nicht weniger als 2,5 und nicht mehr als 3,8 beträgt, Rest Eisen und Verunreinigungen, und wobei ferner die Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff nachfolgende Bedingungen erfüllen: 1,8 < (C+N) < 3,0 für 5 < V < 7 und 2,5 < (C+N) < 4,0 für 9 < V < 11. Der Gesamtgehalt an Carbiden, Nitriden und Carbonitriden beträgt 5 bis 20 Vol.%, vorzugsweise 5 bis 12 Vol.%. Kohlenstoff, der nicht in Form von Carbiden oder anderen harten Komponenten gebunden ist, etwa 0,5 bis 1 %C, ist in der Stahlmatrix gelöst.
Andere wahlweise Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Der Stahl gemäß der Erfindung kann auf folgendem Weg hergestellt werden. Es wird eine Schmelze von geschmolzenem Metall hergestellt, wobei die Schmelze maximal 0,5 N enthält und in anderer Hinsicht die weiter oben angegebene Zusammensetzung aufweist. Aus dieser Schmelze wird ein Metallpulver hergestellt, in geeigneter Weise durch herkömmliche Gasatomisierung, wobei Stickstoff als Atomisierungsgas verwendet wird. Dieses Pulver wird auf eine Temperatur zwischen 500 º und 1000 ºC erwärmt, vorzugsweise auf eine solche zwischen 650 º und 850 ºC, jedoch nicht oberhalb der Acl-Temperatur des Stahls und bei dieser Temperatur solange mittels Stickstoffgas in ferritischem Zustand des Stahls nitriert, bis infolge der Diffusion von Stickstoff in den Stahl der Stickstoffgehalt im Stahl auf ein Gehalt zwischen 0,5 und 1,5 % angestiegen ist, und das Verhältnis V/(C+N) nicht weniger als 2,5 und nicht mehr als 3,8 beträgt. Danach wird das nitrierte Pulver unter Bildung eines völlig dichten homogenen Körpers verfestigt.
Stähle mit drei unterschiedlichen Vanadiumgehaltsbereichen, nämlich den Bereichen 3 < v < 5, 5 < V < 7, und 9 < V < 11, wurden untersucht. Die erhaltenen Ergebnissse sowie die theoretischen Erwägungen zeigten, daß die Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff bei unterschiedlichen Vanadiumgehalten folgende Bedingungen erfüllen sollten:
1,4 < (C + N) < 2,0, wenn 3 < V < 5, und
1,8 < (C + N) < 3,0 wenn 5 < V < 7
2,5 < (C + N) < 4,0 wenn 9 < V < 11.
Die obigen Gleichungen, welche die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte bezüglich der Vanadiumgehalte definieren, ergeben sich aus folgenden Erwägungen. Der Kohlenstoffgehalt in der Stahlmatrix soll so hoch sein, daß die gewünschte Härte in der Matrix nach dem Härten und Tempern erreicht wird, so daß eine hohe Druckfestigkeit erhalten wird, um Probleme aufgrund des Abstumpfens infolge Deformierung der Schnittkanten in dem Fall vermieden werden, wenn der Stahl für Stanz- oder Schneidwerkzeuge verwendet wird.
Der Stahl soll so viel Vanadium-Carbonitride wie möglich enthalten, ohne daß die Zähigkeit auf einen nicht akzeptierbaren Grad vermindert wird, d.h., um eine möglichst optimale Arbeitsweise durch eine geringe Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück und, zwecks Vermeidung von Abschuppen, durch eine ausreichende Zähigkeit erhalten wird.
Weitere charakteristische Merkmale und Gesichtspunkte bezüglich des Stahls und seiner Herstellung gemäß der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von durchgeführten Versuchen und den Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In nachfolgender Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen
Figur 1 in Form eines Diagramms den Abrieb von Patrizen aus dem getesteten Material als Funktion der Anzahl von Schneidvorgängen im Falle des Stanzens von rostfreiem Stahl (anhaftende Abriebbedingungen) darstellt, und
Figur 2 in Form eines Balkendiagramms die Schlagfestigkeit einer Anzahl von untersuchten Stählen durch Testen von ungekerbten Teststäben bei Raumtemperatur darstellt.

Beschreibung der durchgeführten Tests

Die chemischen Zusammensetzungen von denjenigen Stählen, welche untersucht wurden, ergeben sich aus Tabelle 1. Alle angegebenen Gehalte beziehen sich auf Gew.%. Neben denjenigen Elementen, welche in der Tabelle angegeben sind, enthielten die Stähle auch Verunreinigungen, Rest Eisen. Die Stähle Nrn. 1 bis 6 und 8 bis 11 dienen als Vergleichbeispiele. Tabelle 1 Stahl
Stähle Nrn. 1 bis 3 und 7 bis 10 wurden aus gasatomisiertem Stahlpulver hergestellt, welches in an sich bekannter Weise durch heißes isostatisches Verpressen auf volle Dichte verfestigt wurden. Die Stähle Nrn. 4, 5 und 6 bestanden aus im Handel erhältlichen Bezugsmaterialien. Die Stähle Nrn. 4 und 5 bestanden aus pulvermetallurgisch hergestellten Hochgeschwindigkeitsstählen, während Stahl Nr 6 ein auf herkömmliche Weise hergestellter Kaltverarbeitungsstahl war. Die Zusammensetzungen der Stähle Nrn. 1 bis 3 und 7 bis 10 waren analysierte Zusammensetzungen, während die Zusammensetzungen der Bezugsmaterialiennummern 4, 5 und 6 nominelle Zusammensetzungen waren.
Vor dem Verfestigen wurden die Stähle Nrn. 7, 8 und 9 nitriert, so daß sie die in der Tabelle 1 angegebenen Stickstoffgehalte erreichten. Als Ausgangsmaterialien wurden Pulver verwendet, welche Stickstoff in normalen Mengen, d.h. etwa 0,1 %, enthielten, die jedoch bezüglich der anderen Legierungselemente die in der Tabelle angegebenen Zusammensetzungen hatten. Das Nitrieren wurde im ferritischen Zustand der Stähle bei einer Temperatur von etwa 800 ºC während 1 Stunde mittels Stickstoffgas in einem Behälter bei einem Innenüberdruck von 4 bar durchgeführt, wobei die Stickstoffgehalte durch Diffusion von Stickstoff in die Pulvermaterialien auf die in Tabelle 1 angegebenen Werte anstiegen. Infolge der niederen Nitrierungstemperatur wurde keine besondere Veränderung der Struktur, wie z.B. ein Vergröbern der Carbide, in den Stahlpulvern erhalten. Auch sinterten die Pulver nicht zusammen. Die Pulver konnten infolgedessen als fließfähiges Material gehandhabt und in die Behälter zur Kompaktierung gefüllt werden. Bevor die Pulver dem Nitrierungsgefäß entnommen wurden, wurde eine obere, teilweise oxidierte Pulverschicht entfernt. Diese Schicht diente als ein sauerstoffverbrauchender Getter für den Rest des Pulvers während der Nitridbildung.
Die kompaktierten Barren der Stähle Nrn. 1, 2, 3 und 7, 8, 9 und 10 wurden auf die Maße von etwa 80 x 40 mm geschmiedet. Zur Prüfung der Testmaterialstähle Nummern 1 bis 3 und 7 bis 10 sowie der Bezugsmaterialien Nummern 4, 5 und 6 wurden Patrizen mit dem Durchmesser 10 mm und Matrizen hergestellt. Die Patrizen und Matrizen wurden gemäß folgender Tabelle gehärtet und getempert. Tabelle 2 Stahl Nr. Temperatur des Austenitischmachens (ºC) Tempertemperatur (ºC) Härte (HRC)
Eine Matrize und eine Patrize des Stahls Nr. 10 wurde durch CVD-Abscheidung mit einer dünnen Verschleißschicht versehen.
Die hergestellten Patrizen und Matrizen wurden für Verschleißuntersuchungen verwendet. Zuerst wurde die Verschleißfestigkeit als Abrieb in Funktion einer Anzahl von Schneidvorgängen in einem 1 mm dicken Blech aus rostfreiem Stahl des Typs 18/8 gemessen, d.h. unter anhaftenden Abriebbedingungen. Die Ergebnisse sind in Figur 1 veranschaulicht. Diese Figur zeigt auch ein typisches Auftreten eines durch den Abrieb auf einem Stanzwerkzeug verursachten Defekts. Das aus Stahl Nr. 7 gemäß der Erfindung hergestellte Werkzeug zeigte keine merkliche Beschädigung infolge Abriebs. Auch der CVD-beschichtete Stahl Nr. 10 zeigte eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber diesem Verschleißtyp, ebenso wie die Stähle 8 und 9 gemäß der Erfindung, von denen gesagt werden kann, daß sie eine mit der Verschleißfestigkeit des CVD-beschichteten Stahls vergleichbare Festigkeit aufwiesen. Die Stähle Nrn. 1 bis 3 zeigten ebenfalls eine gute derartige Verschleißfestigkeit, während die anderen getesteten Materialien ausgesprochen niedrigere Werte aufwiesen.
Danach wurde auch der Abrieb von aus den getesteten Materialien (Stähle Nrn. 1-7) hergestellten Patrizen unter Abriebverschleißbedingungen untersucht. Die Stanzvorgänge wurden dieses Mal anhand von Stahlbändern hoher Festigkeit durchgeführt. Auch in diesem Fall zeigte unter allen getesteten Stählen der Stahl Nr. 7 gemäß der Erfindung den geringsten Abrieb. Danach folgten die höher legierten Stähle Nrn. 3 und 5. Unter diesen Abriebverschleißbedingungen erwies sich Stahl Nr. 1 als nicht so gut, jedoch als weitaus besser als der Kaltbearbeitungsstahl Nr. 6. Der Hochgeschwindigkeitsstahl Nr. 4 hatte bezüglich des Abriebs ein ganz anderes Bild. Ursprünglich war der Verschleißwiderstand gut, jedoch beschleunigte sich sodann der Abrieb. Die Testergebnisse in Figuren 1 und 2 zeigen, daß das Legieren mit Stickstoff einen sehr vorteilhaften Einfluß auf die Abriebsfestigkeit von Patrizen beim Stanzen von anhaftenden Materialien hatte, vgl. Figur 1. Dies schließt mit ein, daß der mit Stickstoff legierte Kaltverarbeitungsstahl einen sehr geringen Reibungskoeffizienten gegenüber denjenigen Materialien hatte, die gestanzt wurden, insbesondere gegenüber anhaftenden Materialien. Man kann sagen, daß durch das Nitrieren der Pulver vor der Verfestigung eine reibungsvermindernde Wirkung erreicht wurde, welche derjenigen Wirkung entspricht, die, was das Abriebsbild anbelangt, durch die sogenannten PVD- und CVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition bzw. Chemical Vapour Deposition) erreicht wird, jedoch ohne die Nachteile dieser Verfahren, wie hohe Kosten, Erfordernis einer speziellen Anlage, Abmessungstoleranzprobleme usw. Das verfestigte Material konnte auch leicht auf die gewünschten Abmessungen in ungehärtetem Zustand verarbeitet werden.
Zusammenfassend ergibt sich, daß Stahl Nr. 7 eine Kombination von Merkmalen aufweist, die für Kaltverarbeitungsstähle, insbesondere für Stanz- und Schneidwerkzeuge, die weitaus beste ist, wenn die Verschleißfestigkeit das kritische Merkmal ist, und mäßig hohe Anforderungen an die Schlagfestigkeit gestellt werden.

Claims

1. Kaltverarbeitungsstahl mit hoher Verschleißfestigkeit und guter Schlagfestigkeit, der pulvermetallurgisch durch Verfestigung von Metallpulver zu einem dichten Körper hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende chemische Zusammensetzung, ausgedrückt in Gewichtsprozent, aufweist:

1,0 - 2,5 C

0,1 - 2 Si

0,1 - 2 Mn

0,5 - 1,5 N

6,5 - 11 Cr

0,5 - 3 Mo

nicht mehr als Verunreinigungsmengen von W und

5 - 11 V

wobei bis zur Hälfte der Vanadiummenge durch das 1,5Fache an Niob, und ein Teil des Vanadiums bis zum Vierfachen des Stickstoffgehalts durch Titan und/oder bis zum Achtfachen des Stickstoffgehalts durch die doppelte Menge an Zirkon ersetzt sein können, Rest Eisen und Verunreinigungen,

daß das Verhältnis V/(C+N) nicht weniger als 2,5 und nicht mehr als 3,8 beträgt, und

daß die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte nachfolgende Bedingungen erfüllen: 1,8 < (C+N) < 3,0 für 5 < V < 7 und 2,5 < (C+N) < 4,0 für 9 < V < 11.

2. Kaltverarbeitungsstahl gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtmenge an Carbonitriden, wobei der Hauptteil der Carbonitride aus solchen des Typs M(C,N) besteht, 5-20 Vol.% beträgt.

3. Kaltverarbeitungsstahl gemäß einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß er 7-10 %Cr enthält.

4. Kaltverarbeitungsstahl gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß er 1-2 %Mo enthält.

5. Kaltverarbeitungsstahl gemäß einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,2 bis 0,9 %Mn enthält.

6. Kaltverarbeitungsstahl gemäß einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,5 bis 1,5 %Si enthält.