DE69801890T2

DE69801890T2 - Die Herstellung von einem Kaltarbeitswerkzeugstahl

Info

Publication number: DE69801890T2
Application number: DE69801890T
Authority: DE
Inventors: Yokoi Daien; Tsujii Nobuhiro
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 1998-01-06
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2002-03-28
Anticipated expiration: 2018-05-30
Also published as: US6053991A; EP0930374A1; ATE206485T1; EP0930374B1; DE69801890D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kaltbearbeitungs- oder Kaltverformungswerkzeugstahl und ein Verfahren zur Herstellung eines Kaltbearbeitungs- oder Kaltverformungswerkzeugstahls für ein langlebiges Gesenk mit verbesserter Dauerfestigkeit, der für Werkzeuge zur plastischen Kaltbearbeitung unter harten oder schwierigen Bedingungen geeignet ist, z. B. für Umform- oder Biegegesenke, Patrizenwalzen und Formwalzwerkzeuge.
Stahl des Typs JIS-SKD11, ein Stahl mit hohem Kohlenstoff- und hohem Chromanteil; wurde bisher hinsichtlich der Verschleißfestigkeit weit verbreitet für Kaltbearbeitungswerkzeuge verwendet. SKD11-Stahl (entspicht AISI-D2) enthält ein primäres Karbid des Typs M&sub7;C&sub3;, das als Hauptkomponente Chrom in einem Prozentanteil von 8 bis 15% enthält, wodurch die Verschleißfestigkeit gewährleistet wird.
Durch Fortschritte und Weiterentwicklungen in der plastischen. Umformungstechnik und eine Erhöhung der Festigkeit zu bearbeitender Materialien in den letzten Jahren wurden die auf die verwendeten Kaltbearbeitungswerkzeuge ausgeübten Belastungen erhöht. Dadurch haben Situationen zugenommen, denen der SKD11-Stahl aufgrund seiner unzureichenden Härte und Zähigkeit nicht gewachsen ist. Insbesondere ist für SKD11-Stahl, der durch Tempern bei einer hohen Temperatur von 500ºC eine Härte von 60 HRC aufweist, die Verschleißfestigkeit noch immer gewährleistet, das M&sub7;C&sub3;-Karbid ist jedoch vergröbert, wodurch die Gesenklebensdauer nachteilig vermindert wird.
Aus diesem Grunde wurden in. Erfindungen verschiedene Stähle aus dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Funktion des Materials vorgeschlagen. Diese Erfindungen sind beispielsweise in den JP-A-Patentdokumenten Nr. 201442/1989, 247357/1990, 277745/1990, 134136/1991, 156407/1993 und 212253/1994 beschrieben.
Die in der JP-A-201442/1989 dargestellte Erfindung betrifft ein Formwalzgesenk, das aufweist (in Gew.-%): 0,90 bis 1,35% Kohlenstoff, 0,70 bis 1,4% Silizium, nicht mehr als 1,0% Mangan, nicht mehr als 0,004% Schwefel, 6,0 bis 10,0% Chrom, 1,5 bis 2,5% bezüglich Molybdän + Wolfram/2 mindestens eines der Elemente Molybdän und Wolfram und 0,15 bis 2,5% bezüglich Vanadium + Niobium/2 mindestens eines der Elemente Vanadium und Niobium, wobei der Rest aus Eisen besteht, wobei eine M&sub7;C&sub3;-Karbidstruktur in einer durch Abkühlen/Tempern erhaltenen Struktur in einem Prozentanteil von 2 bis 9% vorhanden ist, und wobei ein MC-Karbid in einem Prozentanteil von nicht mehr als 2,5% vorhanden ist. Gemäß dieser Erfindung werden der prozentuele Anteil und der Korndurchmesser der Karbide hauptsächlich hinsichtlich der Verbesserung der Zähigkeit und der Verhinderung der Ausbreitung von Rissen über eine Strecke kettenförmig verteilter Karbide eingestellt.
Die in der JP-A-247357/1990 beschriebene Erfindung betrifft einen Stahl für ein Formwalzgesenk mit den in der JP- A-201442/1989 dargestellten Bestandteilen und zuzüglich nicht mehr als insgesamt 0,13% Arsen, Zinn, Antimon, Kupfer, Blei und Wismut. Die in der JP-A-277745/1990 beschriebene Erfindung betrifft eine durch Abkühlen/Tempern erhaltene Struktur, wobei der Gesamtprozentanteil mindestens eines Elements, das aus Restkarbiden des Typs MC und Restkarbiden des Typs M&sub6;C mit einem Korndurohmesser von nicht weniger als 2 um ausgewählt wird, auf nicht mehr als 3% und der Prozentanteil von Restkarbiden des Typs M&sub7;C&sub3; mit einem Korndurchmesser von nicht weniger als 2 um auf nicht mehr als 1% eingestellt ist. Wie bei der JP-A-201442/1989 beschriebenen Erfindung ist es das Hauptziel dieser Erfindungen, die Zähigkeit zu verbessern und die Ausbreitung von Rissen über eine Strecke kettenförmig verteilter Karbide zu verhindern.
Die in der JP-A-134136/1991 dargestellte Erfindung betrifft einen hochgradig harten, hochgradig zähen Kaltbearbeitungswerkzeugstahl mit den in der JP-A-201442/1989 dargestellten Bestandteilen und zuzüglich nicht mehr als 0,02% Phosphor, nicht mehr als 0,005% Schwefel, nicht mehr als 30 ppm Sauerstoff und nicht mehr als 300 ppm Stickstoff, wobei in der durch Abkühlen/Tempern erhaltenen Struktur der prozentuale Anteil von Restkarbiden des Typs M&sub7;C&sub3; mit einem Korndurchmesser von nicht weniger als 2 um nicht größer ist als 8% und der Gesamtprozentanteil mindestens einer Komponente, die aus Restkarbiden des Typs MC und Restkarbiden des Typs M&sub6;C mit einem Korndurchmesser von nicht weniger als 2 um ausgewählt wird, nicht mehr als 3% beträgt. Die in der JP-A-156407/1993 dargestellte Erfindung betrifft einen Stahl für ein Hochleistungs-Formwalzgesenk, wobei durch Abkühlen/Tempern eine Mikrostruktur mit primären Karbiden des Typs M&sub7;C&sub3; in einem prozentualen Anteil von nicht mehr als 4,0% und primäre Karbide des Typs MC in einem prozentualen Anteil von nicht mehr als 0,5% in einer Matrix homogen verteilt sind, wobei der maximale Korndurchmesser der primären Karbide im wesentlichen nicht größer ist als 20 um, und wobei, wenn der Stahl von einer Temperatur im Bereich von 1050 -1100ºC mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 25ºC/min auf 500ºC abgekühlt und dann bei einer hohen Temperatur getempert wird, die Härte auf nicht weniger als HRC 64 eingestellt werden kann. Es ist Ziel all dieser Erfindungen, die Zähigkeit zu verbessern und die Ausbreitung von Rissen über eine Strecke kettenförmig verteilter Karbide zu verhindern.
Die in der JP-A-212253/1994 beschriebene Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kaltbearbeitungswerkzeugstahls, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Stahlprodukt, das (in Gew.-%) 0,75 bis 1,75% Kohlenstoff, 0,5 bis 3,0% Silizium, 0,1 bis 2,0% Mangan, 5,0 bis 11,0% Chrom, 1,3 bis 5,0% Molybdän und 0,1 bis 5,0% Vanadium aufweist, wobei der Rest aus Eisen besteht, bei einer Temperatur von mindestens 450ºC getempert wird. Hauptziel dieser Erfindung ist es, die Zähigkeit zu verbessern und die Ausbreitung von Rissen über eine Strecke kettenförmig verteilter Karbide zu verhindern. Durch Tempern bei einer hohen Temperatur von mindestens 450ºC wird die Härte durch die Sekundärhärtung erhöht, wodurch die Lebensdauer oder Dauerhaltbarkeit und die elektro-erosive Bearbeitbarkeit des Kaltbearbeitungswerkzeugstahls wesentlich verbessert werden.
In der JP-A-59-74263 wird ein Kaltbearbeitungswerkzeugstahl mit großer Härte und Zähigkeit für eine Beschichtungsbehandlung mit Karbiden beschrieben, wobei der Stahl 0,65- 0,89 Gew.-% C, 0,50-1,50 Gew.-% Si, 0,30-1,50 Gew.-% Mn, 8,1-10,0 Gew.-% Cr, 0,75-1,95 Gew.-% Mo und 0,5-1,0 Gew.-% V aufweist, wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
In allen vorstehend beschriebenen herkömmlichen Techniken wird die Größe des Karbids hinsichtlich der Verbesserung der Zähigkeit oder der Festigkeit eingestellt. D. h., es ist. Ziel der vorstehend beschriebenen herkömmlichen. Techniken, die Anhäufung von durch das Fehlen primärer Karbide erzeugten Mikrodefekten sowie die Ausbreitung von Rissen über eine Strecke kettenförmig verteilter großer primärer Karbide zu verhindern.
Fortschritte und Weiterentwicklungen im Bereich der plastischen Um- oder Verformungstechnik und eine Erhöhung der Festigkeit eines zu bearbeitenden Materials haben in den letzten Jahren zu einer starken Nachfrage für die Entwicklung eines Werkzeugstahls für ein Gesenk geführt, das eine bessere Verschleißfestigkeit und eine höhere Dauerfestigkeit aufweist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verschleißfesten und zug- und druckdauerfesten Kaltbearbeitungswerkzeugstahl bereitzustellen, durch den eine ausgezeichnete Gesenklebensdauer bereitgestellt wird, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, daß eine Änderung der Gesenklebensdauer und eine extrem kurze Gesenklebensdauer hauptsächlich dem Auftreten von Rissen, die durch Brechen oder Rißbildung von Karbiden des Typs M&sub7;C&sub3; entstehen, und der Ausbreitung von Rissen zuzuschreiben ist, und daß dieses vermeidbar ist, indem der Korndurchmesser und der prozentuale Anteil der Karbide des Typs M&sub7;C&sub3; eingestellt werden. Sie haben ferner festgestellt, daß durch Tempern eines Werkzeugs, das in einer harten oder schwierigen Umgebung verwendet wird, in der hohe Belatungen ausgeübt werden, bei einer niedrigen Temperatur von 150 bis 500ºC Abschreckaustenit in einer Menge gebildet wird, die größer ist als die Menge des Abschreckaustenits, die sich bei einem Hochtemperaturtemperprozeß ausbildet, so daß die Belastungskonzentrationen auf die Karbide durch das Abschreckaustenit reduziert werden und das Brechen der Karbide verhindert werden kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt: (1) ein Kaltbearbeitungswerkzeugstahl mit einer verbesserten Dauerfestigkeit und einer erhöhten Gesenklebensdauer, der (in Gew.-%) aufweist: 0,65 bis 1,3% Kohlenstoff, nicht mehr als 2,0% Silizium, 0,1 bis 2,0% Mangan, 5,0 bis 11,0% Chrom, 0,7 bis 5,0% bezüglich des Molybdänäquivalents (Molybdän + Wolfram/2) mindestens eines der Elemente Molybdän und Wolfram, und 0,1 bis 2,5% bezüglich des Vanadiumäquivalents (Vanadium + Niobium/2) mindestens eines der Elemente Vanadium und Niobium, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wobei ein M&sub7;C&sub3;- Karbid mit einem Korndurchmesser von 5 bis 15 um in einem prozentualen Anteil von 1 bis 9% vorhanden ist; und (2) der Kaltbearbeitungswerkzeugstahl gemäß Punkt (1), wobei für einen Teil des Eisenrests 0,01 bis 0,10 Gew.-% Schwefel ersetzt worden ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Kaltbearbeitungswerkzeugstahls mit einer verbesserten Dauerfestigkeit und einer erhöhten Gesenklebensdauer bereitgestellt, wobei ein Stahlprodukt mit der vorstehenden Zusammensetzung mit M&sub7;C&sub3;- Karbiden mit dem vorstehend erwähnten Korndurchmesser in dem vorstehend erwähnten prozentualen Anteil bei 150 bis 500ºC, vorzugsweise bei 150 bis weniger als 450ºC, getempert wird.
Erfindungsgemäß kann durch Einstellen des Korndurchmessers und des prozentualen Anteils der M&sub7;C&sub3;-Karbide auf einen bestimmten Bereich und durch Tempern bei einer bestimmten Temperatur das Auftreten von Rissen, die durch Brechen der Karbide entstehen, und die Ausbreitung der Risse verhindert werden. Dadurch kann verhindert werden, daß die Gesenklebensdauer reduziert wird und Gesenke mit einer extrem kurzen Lebensdauer erhalten werden. Daher kann eine ausgezeichnete Gesenklebensdauer gewährleistet werden, wodurch der Stahl als Werkzeugstahl für ein Gesenk gegenüber einem herkömmlichen Werkzeugstahl für ein Gesenk vorteilhaft sehr kosteneffizient ist.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Beziehung zwischen dem Korndurchmesser von M&sub7;C&sub3;-Karbiden und der Anzahl von Zyklen bis zu einem Versagen und der Verschleißfestigkeit;
Fig. 2 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Beziehung zwischen dem Korndurchmesser von M&sub7;C&sub3;-Karbiden und der Gesenklebensdauer (Anzahl von Schlägen) bezüglich Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Beziehung zwischen dem Korndurchmesser von M&sub7;C&sub3;-Karbiden und der Gesenklebensdauer (Anzahl von Schlägen) bezüglich Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Beziehung zwischen der Tempertemperatur und der Gesenklebensdauer (Anzahl von Schlägen) für Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung.
Nachstehend werden die Funktion der chemischen Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Kaltbearbeitungswerkzeugtahls und die Gründe für die Begrenzung der chemischen Zusammensetzung beschrieben.
Kohlenstoff ist ein Element, durch das durch Abkühlen/Tempern eine zufriedenstellende Matrixhärte bereitgestellt wird, und bildet in Kombination mit Chrom, Molybdän, Vanadium, Niobium und ähnlichen Elementen Karbide, wodurch dem Stahl eine Hochtemperaturfestigkeit und Verschleißfestigkeit verliehen wird. Durch übermäßige Zugabe von Kohlenstöff werden zum Zeitpunkt der Verfestigung übermäßig grobe Karbide ausgeschieden, wodurch die Zähigkeit beeinträchtigt wird. Aus diesem Grunde sollte der obere Grenzwert des Kohlenstoffanteils auf 1,3% festgelegt werden. Wenn der Kohlenstoffanteil dagegen geringer ist als 0,65%, ist die durch die Sekundärhärtung erhaltene Härte unzulänglich. Daher sollte der untere Grenzwert des Kohlenstoffanteils 0,65% betragen. Der Kohlenstoffanteil liegt hinsichtlich der Bereitstellung eines optimalen Gleichgewichts zwischen Festigkeit und Zähigkeit bevorzugter im Bereich von 0,75 bis 1,1%.
Silizium ist ein Element, das hauptsächlich als Desoxidator beigemischt wird, und dient dazu, den Stahl oxidationsbeständig und härtbar zu machen. Außerdem verhindert Silizium eine Aggregation von Karbiden im Temperprozeß, wodurch die Sekundärhärtung beschleunigt wird. Durch Beimischung von Silizium in einer Menge von mehr als 2,0% wird jedoch die Zähigkeit vermindert. Aus diesem Grunde sollte der obere Grenzwert des Siliziumanteils 2,0% betragen.
Mangan ist ein Element, das, ähnlich wie Silizium, als Desoxidator beigemischt wird und die Reinheit und die Härtbarkeit des Stahls verbessert. Durch Beimischen vom Mangan in einer Menge von mehr als 2,0% wird die Kaltbearbeitbarkeit vermindert und gleichzeitig die Zähigkeit beeinträchtigt. Aus diesem Grunde sollte der obere Grenzwert des Mangananteils 2,0% betragen.
Chrom ist ein Element, das dazu dient, die Härtbarkeit zu verbessern und außerdem die Beständigkeit gegen eine Erweichung im Temperprozeß zu erhöhen. Um diese Wirkung zu erzielen, sollte der Chromanteil mindestens 5,0% betragen. Aus diesem Grunde sollte der unter Grenzwert des Chromanteils 5,0% betragen. Andererseits verbindet sich Chrom zum Zeitpunkt der Verfestigung mit hoher Wahrscheinlichkeit mit Kohlenstoff, wodurch ein sehr großes primäres Karbid entsteht, und durch Zugabe von Chrom in einer übermäßigen Menge wird die Zähigkeit beeinträchtigt. Daher sollte der obere Grenzwert des Chromanteils 11,0% betragen.
Molybdän und Wolfram sind beides wichtige Elemente, die ein Feinkarbid bilden, zur Sekundärhärtung beitragen und gleichzeitig die Beständigkeit gegen. Erweichung verbessern. In diesem Fall ist die durch Molybdän erhaltene Wirkung doppelt so groß wie die durch Wolfram erhaltene Wirkung. Infolgedessen ist die Wolframmenge, die erforderlich ist, um die gleiche Wirkung zu erhalten wie durch Molybdän, doppelt so groß wie diejenige von Molybdän. Die Wirkung beider Elemente kann bezüglich des Molybdänäquivalents (Molybdän + Wolfram/2) dargestellt werden, wobei die Menge des beigemischten Molybdäns und Wolframs bezüglich des Molybdänäquivalents nicht kleiner als 0,7% sein sollte. Eine übermäßige Beimischung von Molybdän und Wolfram bezüglich des Molybdänäquivalents führt jedoch zu einer verminderten Zähigkeit. Daher sollte der obere Grenzwert des Molybdänäquivalents 5,0% betragen.
Vanadium und Niobium sind beide für die Sekundärhärtung nützlich, verbinden sich mit Kohlenstoff, um Hartkarbid zu bilden, und tragen wesentlich zu einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit bei und Verfeinern darüber hinaus Körner. In diesem Fall ist die durch Vanadium erhaltene Wirkung doppelt so groß wie die durch Niobium erhaltene Wirkung. Daher ist der Niobiumanteil, der erforderlich ist, um die gleiche Wirkung zu erhalten wie durch Vanadium, doppelt so groß wie der für Vanadium. Die Wirkung beider Elemente kann bezüglich des Vanadiumäquivalents (Vanadium + Niobium/2) dargestellt werden, wobei der Anteil des beigemischten Vanadiums und Niobiums bezüglich des Vanadiumäquivalents mindestens 0,1% betragen sollte, um eine geeignete Hochtemperaturtemperhärte bereitzustellen. Durch übermäßiges Beimischen von Vanadium und Niobium bezüglich des Vanadiumäquivalents wird die Zähigkeit vermindert. Daher sollte der obere Grenzwert des Vanadiumäquivalents 2,5% betragen.
Schwefel ist ein Element, das wesentlich zu einer Verbesserung der Bearbeitbarkeit beiträgt, und um diese Wirkung zu erreichen, darf der beigemischte Schwefelanteil nicht kleiner sein als 0,010%. Wenn mehr als 0,10% Schwefel beigemischt werden, würde jedoch die Warmdehnbarkeit beeinträchtigt. Aus diesem Grunde sollte der obere Grenzwert des Schwefelanteils 0,1% betragen.
Nachstehend wird der Korndurchmesser von M&sub3;C&sub7;-Karbiden im erfindungsgemäßen Kaltbearbeitungswerkzeugstahl beschrieben.
Für eutektische Karbide, die zum Zeitpunkt der Verfestigung des Kaltbearbeitungswerkzeugstahls kristallisieren, wurde die Größe des primären Karbids bisher hinsichtlich der Zähigkeit und der Festigkeit eingestellt. Ziel der Einstellung ist es, die Anhäufung von Mikrodefekten zu verhindern, die durch das Fehlen primärer Karbide entstehen, und die Ausbreitung von Rissen über eine Strecke primärer Karbide zu vermeiden. Als Ergebnis von durch die vorliegenden Erfinder diesbezüglich ausgeführten detaillierten Untersuchungen hat sich gezeigt, daß die Lebensdauer von aus Kaltbearbeitungswerkzeugstahl hergestellten Werkzeugen, z. B. von Gesenken, durch Zug- und Druckermüdung beeinflußt wird. Die vorliegenden Erfinder haben ferner festgestellt, daß das durch die Ermüdung des Gesenks hervorgerufene Brechen des realen Gesenks hauptsächlich dem Auftreten von Rissen oder Brüchen von M&sub7;C&sub3;-Karbiden und der Ausbreitung von Rissen zuzuschreiben ist.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Beziehung zwischen dem Korndurchmesser (um) von M&sub7;C&sub3;-Karbiden und der Anzahl von Zyklen bis zum Versagen(Zykluszahl) und der Verschleißfestigkeit (Index). Der hierin verwendete Ausdruck "Zyklen bis zum Versagern" bezeichnet die Anzahl von Zyklen einer Belastung (Zug + Druck), die in einem Zug- und Druckversuch auf ein Probestück ausgeübt wird, bis das Probestück bricht. Das in Fig. 1 dargestellte Ergebnis des Zug- und Druckdauerversuchs (O) zeigt, daß, wenn der Korndurchmesser von M&sub7;C&sub3;-Karbiden größer ist als 15 um, die Anzahl der Zyklen bis zum Versägen wesentlich reduziert ist. Andererseits zeigen die Ergebnisse eines Verschleißversuchs nach Ohkoshi (Δ), daß, wenn der Korndurchmesser von M&sub7;C&sub3;-Karbiden kleiner ist als 5 um, die Verschleißfestigkeit wesentlich vermindert ist.
Aus den vorstehenden Ergebnissen hat sich gezeigt, daß die Einstellung des Korndurchmessers von M&sub7;C&sub3;-Karbiden auf 5 bis 15 um zum Verlängern der Gelenklebensdauer optimal ist. D. h., der Korndurchmesser von M&sub7;C&sub3;-Karbiden ist hinsichtlich des der Zug- und Druckermüdung zuzuschreibenden Brechens vorzugsweise nicht größer als 15 um und hinsichtlich der Verschleißfestigkeit nicht kleiner als 5 um.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Beziehung zwischen dem Korndurchmesser (um) von M&sub7;C&sub3;-Karbiden und der Gesenklebensdauer (Anzahl von Schlägen). Der hierin verwendete Ausdruck "Gesenklebensdauer" bezeichnet die Anzahl der Verwendung eines Gesenks, bis das Gesenk unbrauchbar wird. Die Gelenklebensdauer wird bezüglich der Anzahl von Schlägen in einem Warmmassivumformungs- oder Schmiedeprozeß dargestellt. Die Gelenklebensdauer ist aus zwei Gründen begrenzt, durch Verschleiß und Brechen von Karbiden. Gemäß Fig. 2 ist, wenn der Korndurchmesser des M&sub7;C&sub3;-Karbids kleiner ist als 5 um, die Anzahl von Schlägen bezüglich der Gesenklebensdauer (O) aufgrund von Verschleiß reduziert. Wenn der Korndurchmesser der M&sub7;C&sub3;-Karbide dagegen größer ist als 15 um, nimmt die Anzahl von Schlägen bezüglich der Gesenklebensdauer (Δ) aufgrund des Brechens der Karbide ab. Ähnlich wie die in Fig. 1 dargestellten Ergebnisse zeigen die in Fig. 2 dargestellten Ergebnisse, daß die Einstellung des Korndurchmessers der M&sub7;C&sub3;-Karbide auf 5-15 um zum Verlängern der Gesenkleberisdauern optimal ist.
Hinsichtlich des prozentualen Anteils des M&sub7;C&sub3;-Karbids nimmt die Verschleißfestigkeit mit zunehmendem Karbidanteil zu, wobei für die Verschleißfestigkeit mindestens 1% des M&sub7;C&sub3;-Karbids vorhanden sein müssen. Andererseits ist bevorzugt, daß nicht mehr als 9% vorhanden sind, um das Karbid hinsichtlich der Dauerfestigkeit so homogen wie möglich zu verteilen. Aus diesem Grunde ist der prozentuale Anteil des M&sub7;C&sub3;-Karbids auf 1 bis 9% begrenzt.
Nachstehend wird der optimale Tempertemperaturbereich des erfindungsgemäßen Kaltbearbeitungswerkzeugstahls beschrieben.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Beziehung zwischen dem Korndurchmesser von M&sub7;C&sub3;-Karbiden und der Gesenklebensdauer (Anzahl von Schlägen). Wie gemäß Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Gesenklebensdauer eines nachstehend beschriebenen Vergleichsstahls N (der bei einer niedrigen Temperatur von 180ºC getempert wurde) eine Gesenklebensdauer (O), die dem Verschleiß zuschreibbar ist, während die Lebensdauer für einen Vergleichsstahl O (der bei einer niedrigen Temperatur von 300ºC getempert wurde) eine Gesenklebensdauer ( ) ist, die dem Brechen von Karbid zuschreibbar ist. Außerdem zeigt ein Vergleich des Temperns ( ) bei einer niedrigen Temperatur von 150 bis 500ºC mit dem Tempern (Δ) bei einer hohen Temperatur von 500 bis 550ºC, daß die Gesenklebensdauer im Fall des Temperns bei einer niedrigen Temperatur größer ist als im Fall des Temperns bei einer hohen. Temperatur. Dies kann basierend auf der Tatsache gesagt werden, daß die Anzahl von Schlägen bezüglich det Gesenklebensdauer (Δ), die dem Brechen von Karbid zuschreibbar ist, für das bei einer hohen Temperatur getemperte Material kleiner ist als diejenige im Fall des Temperns bei einer niedrigen Temperatur.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der Beziehung zwischen der Tempertemperatur und der Gesenklebensdauer (Anzahl von Schlägen). Wie in. Fig. 4 dargestellt, haben sowohl ein Stahl J(Δ) als auch ein Stahl L(O), die nachstehend beschrieben werden, hinsichtlich der Gesenklebensdauer (Anzahl von Schlägen) im wesentlichen die gleiche Tendenz, wobei die Gesenklebensdauer bei einer Tempertemperatur von 150 bis 500ºC nicht kleiner ist als 30000. Wenn die Tempertemperatur höher ist als 500ºC, ist die Anzahl von Schlägen dagegen nicht größer als 30000, d. h., die Gesenklebensdauer ist beeinträchtigt. Aus dem vorstehend erwähnten Grunde wird, um die Gesenklebensdauer zu verlängern, die Tempertemperatur auf 150 bis 500ºC eingestellt, vorzugsweise auf 150 bis unter 450ºC.

Beispiel 1

Stähle mit einer Masse von jeweils 600 kg und mit jeweiligen chemischen Zusammensetzungen, die in Tabelle 1 spezifiziert sind, wurden in einem Vakuuminduktionsschmelzofen vorbereitet, bei einer Erwärmungstemperatur von 1100ºC mit einem Verschmiedungsgrad von 15 s vorgeblockt, oder vorgestreckt, graduell auf Raumtemperatur abgekühlt und bei 860º geglüht, um Probematerialien herzustellen. Die Bearbeitbarkeit wurde durch eine reale Gravurgesenke, die jeweils einem Durchmesser von 120 mm und eine Länge von 100 mm aufwiesen, in einem geglühten Zustand und durch Vergleichen der zum Bearbeiten benötigten Zeit bestimmt. Wie in Tabelle 2 dargestellt, wurden die Testergebnisse dargestellt, indem die zum Bearbeiten eines Stahls H benötigte Zeit durch 1 definiert wurde. Probestücke und Gesenke wurden für 30 Minuten bei 1040ºC gehalten, durch Luftkühlung abgekühlt, für 60 Minuten bei 520ºC gehalten, und zweimal luftgekühlt. Für den Dauerzug- und -druckversuch wurde parallel ein Probestück mit einer Größe von 5 (Durchmesser) · 15 mm vorbereitet, und die Dauerzug- und -druckfestigkeit wurde unter den Bedingungen einer Belastungsamplitude von 1300 MPa, einem Belastungsverhältnis R = -1 bei Raumtemperatur unter Verwendung eines hydraulischen Servo-Testgeräts gemessen.
Ein Verschleißtests nach Ohkoshi wurde unter Verwendung von SCM420-Stahl (86 HRB) als Vergleichsmaterial unter den Bedingungen einer Verschleißstrecke von 200 m und einer Endbelastung von 62 N durchgeführt. Wie in Tabelle 2 dargestellt, wurden die Testergebnisse dargestellt, indem die Verschleißfestigkeit eines Stahls H als 100 definiert wurde. Für einen Gesenktest in einer realen Maschine wurden Schmiedegesenke mit einer Größe von 120 (Durchmesser) · 100 mm vorbereitet, und der Test wurde unter Verwendung von SCM420- Stahl als zu bearbeitendes Material ausgeführt. Die Gesenklebensdauer war aufgrund von Verschleiß oder Rißbildung begrenzt. Das Innere der Gesenke, deren Lebensdauer aufgrund von Rißbildung abgelaufen war, wurde untersucht. Als Ergebnis zeigte sich, daß das Brechen von Karbiden Ursache der Rißbildung waren.
Karbide würden durch das folgende Verfahren spezifiziert. Ein Viertel einer T-Fläche wurde als Meßebene verwendet. Cer Korndurchmesser wurde bezüglich eines äquivalenten Kreisdurchmessers durch eine Bildverarbeitungseinrichtung bestimmt, und der prozentuale Anteil wurde ebenfalls durch eine Bildverarbeitungseinrichtung bestimmt. Bezüglich M&sub7;C&sub3;- Karbid wurden alle Karbide mit einer Größe von nicht weniger als 2 um als M&sub7;C&sub3;-Karbid betrachtet.
Wie gemäß den in Tabelle 2 dargestellten Ergebnissen ersichtlich ist, betrug der Korndurchmesser der M&sub7;C&sub3;-Karbide für alle erfindungsgemäßen Stähle A bis G 5 bis 15 um, lag, der prozentuale Anteil (%) des M&sub7;C&sub3;-Karbids im Bereich von 1 bis 9% und betrug die Härte (HRC) nicht weniger als 59 HRC. Außerdem waren die erfindungsgemäßen Stähle A bis G den als Vergleichsstähle verwendeten herkömmlichen Kaltbearbeitungswerkzeugstählen H und I hinsichtlich der Zug- und Druckdauerfestigkeit und der Verlängerung der Gesenklebensdauer überlegen. Insbesondere war im Vergleich mit den herkömmlichen Stählen für die erfindungsgemäßen Stähle A, C, E und G, denen Schwefel beigemischt war, die für das Gesenkschmieden benötigte Zeit um 20 bis 40% kürzer, d. h., die Bearbeitbarkeit war wesentlich besser, und gleichzeitig konnten eine bessere Zug- und Druckdauerfestigkeit und eine Verlängerung der Gesenklebensdauer erreicht werden. Tabelle 1 Tabelle 2

Beispiel 2

Stähle mit jeweiligen in Tabelle 3 dargestellten chemischen Zusammensetzungen wurden durch einen Schmelzprozeß in einem Vakuuminduktionsschmelzofen hergestellt. Stähle J bis M sind erfindungsgemäße Stähle, während Stähle N und O Vergleichsstähle sind. Die derart vorbereiteten Stahlblöcke wurden bei 850 bis 1200ºC geschmiedet oder warmgewalzt, um Probematerialien herzustellen. Diese Probematerialien wurden bei 860ºC erwärmt, bei in Tabelle 4 spezifizierten Temperaturen getempert und einem Zug- und Druckdauerfestigkeitsversuch und einem Verschleißtest nach Ohkoshi unterzogen.
Für den Zug- und Druckdauerfestigkeitsversuch wurde parallel ein Probestück mit einer Größe von 5 (Durchmesser) · 15 mm vorbereitet, und die Zug- und Druckdauerfestigkeit wurde unter den Bedingungen einer Belastungsamplitude von 1300 Mpa, einem Belastungsverhältnis R = -1 bei Raumtemperatur unter Verwendung eines hydraulischen Servo- Testgeräts gemessen.
Der Verschleißtest nach Ohkoshi wurde unter Verwendung von SMC420-Stahl (86 HRB) als Vergleichsmaterial unter den Bedingungen einer Verschleißstrecke von 200 m und einer Endbelastung von 62 N durchgeführt. Die Testergebnisse wurden dargestellt, indem die Verschleißfestigkeit eines Stahls O als 100 definiert wurde. Für einen Gesenktest in einer realen Maschine wurden Schmiedegesenke mit einer Größe von 120 (Durchmesser) · 100 mm vorbereitet, und der Test wurde unter Verwendung von SCM420-Stahl als zu bearbeitendes Material ausgeführt. Die Gesenklebensdauer war aufgrund von Verschleiß oder Rißbildung begrenzt. Das Innere der Gesenke, deren Lebensdauer aufgrund von Rißbildung abgelaufen war, wurde untersucht. Als Ergebnis zeigte sich, daß das Brechen von Karbiden Ursache der Rißbildung waren.
Karbide wurden durch das folgende Verfahren spezifiziert. Ein Viertel einer T-Fläche wurde als Meßebene verwendet. Der Korndurchmesser wurde bezüglich eines äquivalenten Kreisdurchmessers durch eine Bildverarbeitungseinrichtung bestimmt, und der prozentuale Anteil wurde ebenfalls durch eine Bildverarbeitungseinrichtung bestimmt. Alle Karbide mit einer Größe von nicht weniger als 2 um wurden als das M&sub7;C&sub3;- Karbid betrachtet.
Wie gemäß den in Tabelle 4 dargestellten Ergebnissen ersichtlich ist, wiesen die Materialien Nr. 1 bis 8 ausgezeichnete Zug- und Druckdauerfestigkeiten und Gesenklebensdauern auf. Für alle Stähle J bis M für die Materialien Nr. 1 bis 8 betrug der Korndurchmesser der M&sub7;C&sub3;-Karbide 5 bis 15 um, lag der prozentuale Anteil (%) des M&sub7;C&sub3;-Karbids im Bereich von 1 bis 9% und betrug die Tempertemperatur 150 bis 500ºC. D. h., diese Stähle liegen im erfindungsgemäß spezifizierten Bereich. Für die Materialien Nr. 9 und 10 waren die Zug- und Druckdauerfestigkeit und die Gesenklebensdauer dagegen geringer als diejenige der Materialien Nr. 1 bis 8, weil die Tempertemperatur über dem erfindungsgemäß spezifizierte Tempertemperaturbereich lag, obwohl die chemische Zusammensetzung, der Korndurchmesser der Karbide und der prozentuale Anteil des Karbids innerhalb des erfindungsgemäß spezifizierten Bereichs lagen.
Für alle erfindungsgemäßen Stähle J bis M war Härte (HRC) nicht geringer als 59 HRC, und im Vergleich mit Stählen N und O als die herkömmlichen Kaltbearbeitungswerkzeugstähle waren die Zug- und Druckdauerfestigkeit und die Verlängerung der Gesenklebensdauer besser. Tabelle 3 Tabelle 4

Claims

1. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl mit verbesserter Dauerfestigkeit und Gesenklebensdauer mit (in Gew.-%): 0,65 bis 1,3% Kohlenstoff, nicht mehr als 2,0% Silizium, 0,1 bis 2,0% Mangan, 5,0 bis 11,0% Chrom, 0,7 bis 5,0% bezüglich des Molybdänäquivalents (Molybdän + Wolfram/2) mindestens eines der Elemente Molybdän und Wolfram und 0,1 bis 2,5% bezüglich des Vanadiumäquivalents (Vanadium + Niobium/2) mindestens eines der Elemente Vanadium und Niobium, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildet wird, wobei ein M&sub7;C&sub3;- Karbid mit einem Korndurchmesser von 5 bis 15 um in einem Prozentanteil von 1 bis 9% vorhanden ist.

2. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach Anspruch 1, wobei der Kaltbearbeitungswerkzeugstahl bei einer Temperatur von 150 bis 500ºC getempert wird.

3. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Teil des Eisenrests durch 0,01 bis 0,10 Gew.-% Schwefel ersetzt ist.

4. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Tempertemperatur 150 bis weniger als 450ºC beträgt.

5. Verfahren zum Herstellen eines Kaltbearbeitungswerkzeugstahls mit vebesserter Dauerfestigkeit und Gesenklebensdauer mit den Schritten:

Bereitstellen eines Stahlprodukts mit (in Gew.-%): 0,65 bis 1,3% Kohlenstoff, nicht mehr als 2,0% Silizium, 0,1 bis 2,0% Mangan, 5,0 bis 11,0% Chrom, 0,7 bis 5,0% bezüglich des Molybdänäquivalents (Molybdän + Wolfram/2) mindestens eines der Elemente Molybdän und Wolfram und 0,1 bis 2,5% bezüglich des Vanadiumäquivalents (Vanadium + Niobium/2) mindestens eines der Elemente Vanadium und Niobium, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen gebildet wird, wobei ein M&sub7;C&sub3;-Karbid mit einem Korndurchmesser von 5 bis 15 um in einem Prozentanteil von 1 bis 9% vorhanden ist; und

Tempern des Stahlprodukts bei einer Temperatur von 150 bis 500ºC.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Teil des Eisenrests durch 0,01 bis 0,10 Gew.-% Schwefel ersetzt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Temperatur zum Tempern des Stahlprodukts 150 bis weniger als 450ºC beträgt.

8. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach einem der. Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%): 0,67% Kohlenstoff, 0,71% Silizium, 0,98% Mangan, 5,8% Chrom; 2,0% Molybdän + Wolfram/2 und 1,6% Vanadium + Niobium/2, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

9. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%): 0,74% Kohlenstoff, 0,84% Silizium, 0,87% Mangan, 6,3% Chrom, 3,3% Molybdän + Wolfram/2 und 0,7% Vanadium + Niobium/2, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

10. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%): 0,80% Kohlenstoff, 0,88% Silizium, 0,41% Mangan, 8, 2% Chrom, 1, 9% Molybdän + Wolfram/2 und 0,5% Vanadium + Niobium/2, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

11. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%): 1,12% Kohlenstoff, 1,56% Silizium, 0,64% Mangan, 10,5% Chrom, 4,4% Molybdän + Wolfram/2 und 1,2% Vanadium + Niobium/2, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

12. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%): 1,29% Kohlenstoff, 0,64% Silizium, 0,75% Mangan, 9,8% Chrom, 1,8% Molybdän + Wolfram/2 und 2,3% Vanadium + Niobium/2, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

13. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%): 0,81% Kohlenstoff, 1,78% Silizium, 0,54% Mangan, 7,8% Chrom, 3,0% Molybdän + Wolfram/2 und 1,6% Vanadium + Niobium/2, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

14. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%): 0,89% Kohlenstoff, 0,90% Silizium, 0,38% Mangan, 9,1% Chrom, 4,5% Molybdän + Wolfram/2 und 0,9% Vanadium + Niobium/2, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

15. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit verbesserter Dauerfestigkeit, dadurch, gekennzeichnet, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%): 0,69% Kohlenstoff, 0,70% Silizium, 0,98% Mangan, 5,7% Chrom, 2,0% Molybdän + Wolfram/2 und 1,6% Vanadium + Niobium/2, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

16. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%): 0,92% Kohlenstoff, 0,84% Silizium, 0,87% Mangan, 9,3% Chrom, 1,5% Molybdän + Wolfram/2 und 2,2% Vanadium + Niobium/2, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

17. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%): 0,80% Kohlenstoff, 1,21% Silizium, 0,41% Mangan, 8,2% Chrom, 2,6% Molybdän + Wolfram/2 und 0,5% Vanadium + Niobium/2, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

18. Kaltbearbeitungswerkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl folgende chemische Zusammensetzung aufweist (in Gew.-%): 1,19% Kohlenstoff, 1,56% Silizium, 0,64% Mangan, 10,5% Chrom, 4,4% Molybdän + Wolfram/2 und 0,9% Vanadium + Niobium/2, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.