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Gebiet der
Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf das
Gebiet der Materialien für
Gussformen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Stahl,
der in Verbindung mit dem Druckguss und entsprechenden Verfahren
geeignet ist
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Hintergrund
der Erfindung
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Beim Druckguss und vergleichbaren
Verfahren werden Belastungen der Gussform durch den zyklischen thermischen
Schock aufgrund des Kontaktes zwischen geschmolzenem Metall und
dem Stahl der Gussform, hydrostatischen Druck aufgrund des Einspritzdruckes,
sowie auch mechanische und chemische Abrasion der Oberfläche der
Gussform aufgrund des Flusses von geschmolzenem Metall verursacht.
Die Mechanismen der Beschädigung
der Gussform sind thermische Ermüdung,
die grobe Rissbildung und das so genannte Auswaschen, dass als Folge
der Erosion, Korrosion und von Schweißphänomenen auftritt. Der vorherrschende
Mechanismus der Beschädigung
hängt teilweise
von dem Metallguss, der Größe und der
Gestalt der Gussform und dem Material der Gussform ab. Die gewöhnlichste
Ursache der Beschädigung
ist die Wärmerissbildung,
die die Ursache von etwa 85% der Fälle von Beschädigung ist.
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Die Wärmerissbildung ist die netzförmige Rissbildung
auf der Gussformobertläche,
die durch thermische Ermüdung
verursacht wird. Im Unterschied zur normalen Ermüdung beruht die thermische
Ermüdung nicht
auf schwankenden äußeren Belastungen,
sondern die zyklische Spannung und Verzerrung, die zur Rissbildung
führt,
wird durch Veränderungen
der Temperatur verursacht. Auf der Grundlage theoretischer Untersuchungen
kann geschlossen werden, dass vom Gesichtspunkt des Widerstandes
gegen die Wärmerissbildung die
Umformfestigkeit des Materiales der Gussform hoch sein sollte und
so unabhängig
wie möglich
von der Temperatur und der Anzahl von Zyklen, d. h. das Material
sollte thermisch stabil sein. Zusätzlich zur Wärmerissbildung
ist das Auswaschen ein anderer hauptsächlicher Mechanismus, der zur
Beschädigung
der Gussform führt.
Das Auswaschen bezieht sich auf die Entfernung von Material aus
der Gussformoberfläche
aufgrund der Wechselwirkung zwischen geschmolzenem Metall und dem
Material der Gussform. Es ist bestätigt worden, dass korrosive,
erosive und Schweißmechanismen
beteiligt sind und dass es hauptsächlich an Stellen auftritt,
wo das Material der Gussform stark mit dem geschmolzenen Metall
in Wechselwirkung tritt, so wie im Beschickungsbereich und den Kernen.
Für die
Widerstandskraft gegen das Auswaschen sollte die Härte des Materials
der Gussform hoch sein und das Material der Gussform sollte nicht
leicht Verbindungen mit dem geschmolzenem Metall bilden.
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Zusätzliche wünschenswerte Materialeigenschaften
für Druckgussform-Stähle sind
wie folgt:
hohe Umformfestigkeit,
- – gute Duktilität,
- – gute
Wärmeleitfähigkeit
- – gute
Beständigkeit
gegen Wärmeerosion
- – kleiner
Wärmeausdehnungskoeffizient
- – geringe
Größe, sogar
Verteilung und stabile Struktur von Ausscheidungen,
- – Stabilität der Grundmasse,
- – geringe
Löslichkeit
der Legierungsbestandteile des Materials der Gussform in dem Metall,
das dem Druckguss unterliegt,
- – geringes
Maß an
Verunreinigungen und gute Schlackenreinheit,
- – homogene
Struktur.
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Allgemein kann gesagt werden, dass
die Eigenschaften eines Gussformstahls durch die Zusammensetzung
und das Verfahren der Herstellung bestimmt sind, sowie auch durch
das Warmumformen und Ausglühen.
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Die Verwendung herkömmlicher
Martensit-aushärtender
Stähle
als ein Material der Gussform ist durch die Tatsache begrenzt, dass
die martensitische Mikrostruktur bei Temperaturen oberhalb von 480°C nicht stabil ist.
Oberhalb dieser Temperatur beginnt die martensitische Struktur langsam,
sich zu einer austenitischen Struktur zu verändern. Austenit hat Eigenschaften,
die von denen des Martensit abweichen; die Festigkeit und thermische
Leitfähigkeit
sind niedriger, größere thermische
Ausdehnung etc., und diese abweichenden Eigenschaften verursachen
lokale Spannungen, die die Entwicklung thermischer Risse auf der
Oberfläche
der Gussform beschleunigen und auf diese Weise die Lebensdauer der
Gussform kürzen.
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Die Austenitisierungs-Temperatur
von Martensit-aushärtenden
Stählen
auf Basis von Fe-Ni, Fe-Cr und Fe-Ni-Cr wird insbesondere durch
Nickel (etwa 10°C
pro Gewichts-%) und Chrom erniedrigt, durch das letztere jedoch
beträchtlich
geringer als durch das erstere. Auf der anderen Seite verbessern
Nickel und Chrom insbesondere die Duktilität von Martensit-aushärtenden
Stählen.
Die Austenitisierungs-Temperatur
von Martensit-aushärtendem
Stahl kann auf diese Weise durch Erniedrigen des Gehaltes an Nickel
und/oder Ersetzen eines Teiles des Nickels durch Chrom erhöht werden.
Gleichzeitig muss Sorge getragen werden, dass die anderen Eigenschaften
des Stahls in der geeigneten Höhe
bleiben, mittels anderer Legierungsbestandteile.
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Offenbarung
der Erfindung
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Eine ausscheidungsgehärteter Gussformstahl
vom Martensit-aushärtenden
Typ gemäß Anspruch
1, der Titan, Kobalt, Chrom und Nickel enthält, ist erfunden worden, der
zusätzlich
zu hoher Festigkeit, guter Duktilität und kleinem thermischen Expansionskoeffizienten
und guter thermischer Leitfähigkeit
eine beträchtlich bessere
thermische Stabilität
als andere Martensit-aushärtende
Stähle
aufweist und daher eine bessere Widerstandskraft gegen Wärmerissbildung
und Auswaschen als andere herkömmliche
Martensit-aushärtende Stähle aufweist.
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Ein Gussformstahl vom Martensit-aushärtenden
Typ gemäß dieser
Erfindung, der Titan, Molybdän, Kobalt,
Chrom und Nickel enthält,
wird durch ein Verfahren hergestellt, dass das einen minimalen Gehalt
an Verunreinigung fester Elemente ermöglicht, wie Kohlenstoff, Phosphor,
Schwefel, Silicium, Mangan und Kupfer und von gasförmigen Elementen,
wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Vorzugsweise wird das
Vakuum-Induktions-Schmelzen (VIM) verwendet, ergänzt durch das Vakuum-Umschmelzen
(VAR). Ein Gussformstahl vom Martensit-aushärtenden Typ gemäß dieser
Erfindung enthält
in Gewichtsprozent nicht mehr als 0,02% Kohlenstoff, 10–14% Nickel,
1–3% Chrom,
2–5% Molybdän, 10–12% Kobalt
und 0,2–0,7
Titan. Vorzugsweise ist das Verhältnis
Ni/Ti im Bereich von 15–20.
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Vorzugsweise enthält ein Stahl gemäß der Erfindung
zusätzlich
in Gewichtsprozent nicht mehr als 1,0, vorzugsweise nicht mehr als
0,2% Aluminium; nicht mehr als 0,20%, vorzugsweise nicht mehr als
0,15% Silicium und Mangan zusammen; nicht mehr als 0,010%, vorzugsweise
nicht mehr als 0,003% Schwefel; nicht mehr als 0,010%, vorzugsweise
nicht mehr als 0, 005 Phosphor; wobei der Rest Eisen und mögliche Verunreinigungen
sind.
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Genaue Beschreibung
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Die Erfindung wird unten mittels
einer experimentellen Reihe belegt, die mit verschiedenen Qualitäten von
Stahl durchgeführt
wurde. Mehrere Tests und Laborversuche sind gemacht worden, um einen
Vergleich des Wertes der Erfindung relativ zu herkömmlichen
Martensit-aushärtenden
Stählen,
die heute in Verwendung sind, zu ermöglichen. A 1 und A 2 stellen
Martensit-aushärtende
Stähle
dar, die gegenwärtig
in Gebrauch sind, und B 13 stellt einen Stahl gemäß der vorliegenden
Erfindung dar, B 1 und B 10 stellen Stähle dar, die eine Zusammensetzung
aufweisen, die außerhalb
der Ansprüche
fällt.
Die Zusammensetzungen der Stähle
sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Tabelle
1. Testmaterialien
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Da die Einsatz-Temperatur (As) für die Bildung
von Austenit für
die obigen experimentellen Stähle
mittels des dilatometrischen Verfahrens bestimmt wurde, sowie auch
die Einsatz-Temperatur (Ms) für
die Bildung von Martensit und die Endtemperatur, wurden die folgenden
Ergebnisse erhalten:
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Tabelle
2. Einsatz-Temperatur für
Umkehr-Bildung von Austenit und Einsatz- und Endtemperaturen für Martensit
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Wie aus der Tabelle gesehen werden
kann, kann die Temperatur für
die Bildung von Austenit von dem Wert von 644°C für herkömmlichen Martensit-aushärtenden
Stahl durch Erniedrigen des Gehaltes an Nickel und Ersetzen eines
Teils des Nickels durch Chrom erhöht werden. In dem Stahl entsprechend
der Anmeldung lag die Einsatz-Temperatur für die Umkehr-Bildung von Austenit
oberhalb von 700°C,
wie mit dem dilatometrischen Verfahren gemessen wurde, wobei die
Geschwindigkeit der Temperaturveränderung 10°C/s betrug.
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Für
die experimentellen Stähle
wurden die folgenden Eigenschaften bestimmt:
- 1)
Festigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und
- 2) erhöhten
Temperaturen,
- 3) Ausscheidungsverhalten als eine Funktion der Zeit,
- 4) Ermüdung
bei sowohl Raumtemperatur als auch
- 5) erhöhter
Temperatur,
- 6) thermische Expansionskoeffizienten,
- 7) thermische Leitfähigkeit,
- 8) Widerstandsfähigkeit
gegen thermische Ermüdung
mittels zweier Verfahren.
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Die oben erwähnten mechanischen und thermischen
Eigenschaften wurden nicht für
alle der in Tabelle 1 gezeigten experimentellen Qualitäten bestimmt.
Die Grundeigenschaften wurden für
alle bestimmt, jedoch wurden bestimmte Tests nur zum Beispiel durch
Vergleich von zwei chemischen Zusammensetzungen durchgeführt.
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Tabelle
3. Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei Raumtemperatur und bei erhöhter Temperatur
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Tabelle
4. Veränderung
der Härte
bei einer Ausscheidungs-Temperatur 530°C / 525°C gegen die Zeit
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Tabelle
5. Zugfestigkeiten, Lebensdauer bei einer Belastung von ± 900 MPa
und mittlere Ermüdungsfestigkeit in
Bezug zur Zugfestigkeit für
die Teststähle
(Vergleichstest)
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Tabelle
6. Ermüdungsfestigkeit
bei 400°C
(Vergleichstest)
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Tabelle
7. Thermische Expansionskoeffizienten von Teststählen
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Tabelle
8. Thermische Leitfähigkeit
von Teststählen
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Die Beständigkeit gegen thermische Ermüdung wurde
für die
Teststähle
unter Verwendung verschiedener Verfahren gemessen, dem sogenannten
Benetzungstest nach Dunk und einem induktiven Verfahren. Bei dem
Benetzungstest waren die Teststäbe
von der Größe 12,7 × 12,7 × 152 mm
und an einem Ende war zur Befestigung ein Gewindeloch geschnitten.
Vor dem Test wurden die Stäbe
in einem Ofen bei 371°C
für 1 Stunde
gehalten. Auf diese Weise wurde eine Oxidschicht auf der Oberfläche der
Stäbe gebildet,
deren Zweck es war, das Anhaften von Aluminium an die Oberflächen der
Stäbe während des
Testens zu vermindern. Während
des Testzyklus wurde das Stück
in geschmolzenes Aluminium eingetaucht und dort für 3,5 Sekunden
gehalten. Nach 15.000 Zyklen wurde die Haltezeit auf 7 Sekunden
verlängert.
Nach dem Benetzen mit Aluminium wurde das Stück in eine Mischung aus Wasser
und Druckgussform-Schmiermittel (LaFrance, Franlube 3600) übertragen
und für
10 Sekunden gehalten. Vor dem nächsten
Benetzen wurde das Stück
für etwa
5 Sekunden trocknen gelassen. In dem Test wurde Aluminium von der
Qualität
384 verwendet.
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In Intervallen von 5000 Besetzungszyklen
wurden die Härte
und Rissanzahl bestimmt. Für
die Rissanzahl wurden zwei gegenüberliegende
Seiten des Teststücks
mit Schleifpapier vom Raster 240 und 600 geschliffen und mit einem
Stereomikroskop (Vergrößerung 90 ×) an vier
Kanten bewertet, in Bereichen von 35 mm, die 35 mm vom unteren Ende
des Teststücks
lokalisiert waren. Mit jedem Teststück wurden 25.000 Besetzungszyklen
durchgeführt.
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Tabelle
9. Ergebnisse des Besetzungstests nach Dunk
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Die Tests zur thermischen Ermüdung unter
Verwendung eines Induktionsheizgeräts wurden wie folgt durchgeführt: Das
Teststück
war ein Zylinder ∅ 20 × 40
mm, der mit einer 4 mm ∅ axialen Bohrung versehen war.
Das Stück
wurde unter Verwendung einer Induktionsspule auf eine Temperatur
von 600°C
erwärmt,
worauf es unter Verwendung eines Wasserstrahls auf Raumtemperatur
abgekühlt
wurde. Die Aufwärmzeit
während
des Tests betrug 6 Sekunden und die Kühlzeit 13 Sekunden. Die Teststücke wurde
nach 10, 100, 500, 1000, 2.500, 5.000 und 10.000 Zyklen durch Herstellung
von Replikaten der Oberfläche
und Fotografieren dieser mit einem Lichtmikroskop unter Verwendung
eines digitalen Verfahrens inspiziert. Überdies wurden Elektronenmikroskopbilder
der Teststücke
nach 10.000 Zyklen angefertigt.
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Tabelle
10. Ergebnisse des Tests der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung durch
das induktive Verfahren
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Die Tests zeigen, dass die Widerstandsfähigkeit
gegen die thermische Ermüdung
bei einem Stahl gemäß der Erfindung
signifikant höher
ist, als bei herkömmlichen
Martensit-aushärtenden
Stählen
und dass dieses auf der besseren thermischen Stabilität des Stahls
gemäß der Erfindung
bei Temperaturen gründet,
die für den
Guss von Leichtmetallen (Zn, Mg, Al) erforderlich sind. Durch sorgfältiges Ausbalancieren
der Zusammensetzung sind auch andere Eigenschaften, die die Lebensdauer
einer DruckGussform beeinflussen, bei einem guten Maß gehalten
worden. Es ist wichtig, das Verhältnis
Nickel/Titan klein genug zu halten, dass heißt unterhalb 20. Auf diese
Weise bindet Titan Nickel in stabilen Verbindungen zwischen den
Metallen, der Nickelgehalt der Grundmasse bleibt niedrig genug und
die Austenit-Umkehr-Temperatur ist hoch genug.
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Die Herstellung von Gussformstahl
vom Martensit-aushärtenden
Typ gemäß der Erfindung
kann wenigstens die folgenden Schritte umfassen:
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In einer ersten Stufe werden die
Ausgangsmaterialien in einem Induktionsofen geschmolzen und im Vakuum
gegossen, in einer zweiten Stufe wird der gegossene Barren im Vakuum
umgeschmolzen, um die Struktur zu homogenisieren und um weitere
Verunreinigungen zu eliminieren.
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In einer dritten Stufe wird der umgeschmolzene
Barren warm umgeformt, wobei ein Reduktionsverhältnis von wenigstens 1 : 3
verwendet wird, und der umgeformte Barren wird ausgeglüht.
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Wie aus der Offenbarung des Standes
der Technik folgt, ist ein bevorzugtes Gebiet der Verwendung für den Stahl
gemäß der Erfindung
als ein Gussformmaterial für
den Druckguss von Leichtmetall-Legierungen. Überdies kann er zum Beispiel
gut zur Herstellung von Spritzgussformen für Gegenstände aus Kunststoff verwendet
werden.
