EP3228724B1

EP3228724B1 - Werkzeugstahl, insbesondere warmarbeitsstahl, und stahlgegenstand

Info

Publication number: EP3228724B1
Application number: EP17151574.5A
Authority: EP
Inventors: Isaac Valls Angles
Original assignee: Rovalma SA
Current assignee: Rovalma SA
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2022-08-10
Anticipated expiration: 2027-06-08
Also published as: MX2009001483A; AU2007283164A1; EP3228724A1; US8557056B2; JP2010500471A; CA2981388A1; US20170268084A1; CN102888563A; AU2007283164B2; KR101659704B1; CA2659849C; RU2009108335A; KR20160047582A; JP2016128609A; JP2016156088A; JP2014111835A; KR20090038030A; PT3228724T; PL3228724T3; WO2008017341A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, auf eine Verwendung eines Werkzeugstahlsund auf einen Stahlgegenstand.
Warmarbeitsstähle sind legierte Werkzeugstähle, die neben Eisen als Legierungselemente insbesondere Kohlenstoff, Chrom, Wolfram, Silizium, Nickel, Molybdän, Mangan, Vanadium und Kobalt mit unterschiedlichen Anteilen enthalten.
Aus Warmarbeitsstählen können Warmarbeitsstahlgegenstände, wie zum Beispiel Werkzeuge, hergestellt werden, welche für die Bearbeitung von Werkstoffen, insbesondere beim Druckgießen, beim Strangpressen oder beim Gesenkschmieden, geeignet sind.
Beispiele für derartige Werkzeuge sind Strangpressmatrizen, Schmiedewerkzeuge, Druckgießformen, Pressstempel, oder dergleichen, die bei hohen Arbeitstemperaturen besondere mechanische Festigkeitseigenschaften aufweisen müssen. Ein weiteres Anwendungsgebiet für Warmarbeitsstähle sind Werkzeuge zum Spritzgießen von Kunststoffen.
Eine wesentliche Funktionalität von Werkzeugstählen, insbesondere von Warmarbeitsstählen, und aus diesen gefertigten Stahlgegenständen besteht darin, bei der Verwendung in technischen Prozessen eine hinreichende Abfuhr von zuvor eingebrachter beziehungsweise im Prozess selbst generierter Wärme sicherzustellen.
Warmarbeitswerkzeuge, die aus einem Warmarbeitsstahl hergestellt sind, müssen neben einer hohen mechanischen Stabilität bei höheren Arbeitstemperaturen eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie einen hohen Warmverschleißwiderstand aufweisen. Weitere wichtige Eigenschaften von Warmarbeitsstählen sind neben einer ausreichenden Härte und Festigkeit auch eine hohe Warmhärte sowie ein hoher Verschleißwiderstand bei hohen Arbeitstemperaturen.
Eine hohe Wärmeleitfähigkeit des zur Herstellung von Werkzeugen eingesetzten Warmarbeitsstahls ist für manche Anwendungen von besonderer Bedeutung, da diese eine erhebliche Taktzeitverkürzung bewirken kann. Da der Betrieb von Warmumformvorrichtungen für das Warmumformen von Werkstücken relativ kostspielig ist, kann durch eine Reduzierung der Taktzeiten eine erhebliche Kosteneinsparung erreicht werden. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Warmarbeitsstahls ist ferner beim Hochdruckgießen von Vorteil, da die dort verwendeten Gießformen auf Grund einer stark erhöhten thermischen Dauerfestigkeit eine wesentlich längere Lebensdauer haben.
Die zur Herstellung von Werkzeugen häufig eingesetzten Werkzeugstähle weisen typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit in einer Größenordnung von etwa 18 bis 24 W/mK bei Raumtemperatur auf. Im Allgemeinen betragen die Wärmeleitfähigkeiten der aus dem Stand der Technik bekannten Warmarbeitsstähle etwa 16 bis 37 W/mK.
Aus der EP 0 632 139 A1 ist beispielsweise ein Warmarbeitsstahl bekannt, der bei Temperaturen bis etwa 1.100°C eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit von über 35 W/mK aufweist. Der aus dieser Druckschrift bekannte Warmarbeitsstahl enthält neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen:

0,30 bis 0,55 Gew.-% C;
weniger als 0,90 Gew.-% Si;
bis 1,0 Gew.-% Mn;
2,0 bis 4,0 Gew.-% Cr;
3,5 bis 7 Gew.-% Mo;
0,3 bis 1,5 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Vanadium, Titan und Niob.

Herkömmliche Warmarbeitswerkzeugstähle weisen typischerweise einen Chromgehalt von mehr als 2 Gew.-% auf. Chrom ist ein vergleichsweise kostengünstiger Karbidbildner und stellt dem Warmarbeitsstahl darüber hinaus eine gute Oxidationsbeständigkeit zur Verfügung. Ferner bildet Chrom sehr dünne Sekundärkarbide aus, so dass das Verhältnis der mechanischen Festigkeit zur Zähigkeit bei den herkömmlichen Warmarbeitswerkzeugstählen sehr gut ist.
Aus dem deutschen Patent DE 1014577 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Warmarbeitswerkzeugen unter Verwendung einer aushärtenden Stahllegierung bekannt. Dieses Patent betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von im Betrieb aushärtenden Warmarbeitswerkzeugen, insbesondere Matrizen zum Warmpressschmieden, mit hoher Riss- und Bruchfestigkeit sowie mit hoher Streckgrenze bei statischen Druckbeanspruchungen in der Wärme. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Warmumformstähle zeichnen sich zudem durch eine einfache, verhältnismäßig kostengünstige chemische Zusammensetzung (0,15-0,30% C, 3,25-3,50% Mo, kein Chrom) und eine leichte Vergütbarkeit aus. Vordergründig wird dabei auf die optimalen Verfahren zur Herstellung von Warmpressmatrizen einschließlich der dazugehörigen Glühbehandlungen (Aushärten) eingegangen. Spezielle Eigenschaften in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung werden nicht erläutert.
Die CH 481222 bezieht sich auf einen Chrom-Molybdän-Vanadiumlegierten Warmarbeitsstahl mit guter Kalteinsenkbarkeit zur Herstellung von Werkzeugen, wie zum Beispiel Prägestempeln und Matrizen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Abstimmung der Legierungselemente - insbesondere Chrom (1,00 bis 3,50% Cr), Molybdän (0,50 bis 2,00% Mo) und Vanadium (0,10 bis 0,30 %V) - einen entscheidenden Einfluss auf die gewünschten Eigenschaften, wie zum Beispiel eine niedrige Glühfestigkeit (55 kp/mm²), gute Fließeigenschaften, gute Wärmeleitfähigkeit und so weiter ausübt.
Die japanische Druckschrift JP 4147706 befasst sich mit der Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Dornen für die Herstellung nahtloser Stahlrohre durch die Geometrie des Domes und durch die chemische Zusammensetzung der Legierung (0,1 bis 0,4% C, 0,2 bis 2,0% Mn, 0 bis 0,95% Cr, 0,5 bis 5,0% Mo, 0,5 bis 5,0% W). Besondere Maßnahmen zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Stahls sind nicht Gegenstand dieser Druckschrift.
Die japanische Druckschrift JP 2004183008 beschreibt eine preisgünstige ferritisch-perlitische Stahllegierung von Werkzeugen (0,25 bis 0,45% C, 0,5 bis 2,0% Mn, 0 bis 0,5% Cr) für das Gießen von Kunststoffen. Dabei steht das optimale Verhältnis von Verarbeitbarkeit und thermischer Wärmeleitfähigkeit im Vordergrund.
Der in der JP 2003253383 beschriebene Stahl beinhaltet einen vorgehärteten Werkzeugstahl für das Kunststoffgießen mit ferritischperlitischem Grundgefüge (0,1 bis 0,3% C, 0,5 bis 2,0% Mn, 0,2 bis 2,5% Cr, 0 bis 0,15% Mo, 0,01 bis 0,25% V), bei welchem die ausgezeichnete Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit im Vordergrund stehen.
Um die Ac1-Umwandlungstemperatur in einem Werkzeugstahl, der durch eine hohe Oberflächentemperatur beim Walzen gekennzeichnet ist, zu erhöhen sowie eine exzellente Verarbeitbarkeit und geringe Fließspannungen einzustellen, wird in der JP 9049067 eine Spezifizierung der chemischen Zusammensetzung (0,05 bis 0,55% C, 0,10 bis 2,50% Mn, 0 bis 3,00% Cr, 0 bis 1,50% Mo, 0 bis 0,50% V) und insbesondere die Erhöhung des Silizium-Gehaltes (0,50 bis 2,50 % Si) vorgeschlagen.
Die Druckschrift CH 165893 betrifft eine Eisenlegierung, welche insbesondere für warmarbeitende Werkzeuge (Gesenke, Matrizen oder dergleichen) geeignet ist und eine chromarme (bis hin zu chromfreie) sowie Wolfram-Cobalt-Nickel-haltige (bevorzugt mit Zusätzen von Molybdän und Vanadium) chemische Zusammensetzung aufweist. Der herabgesetzte Chromgehalt beziehungsweise der völlige Verzicht auf Chrom als Legierungselement wird für wesentliche Eigenschaftsverbesserungen sowie die Verknüpfung positiver Legierungseigenschaften verantwortlich gemacht. Dabei wurde festgestellt, dass schon geringfügige Absenkungen des Chromanteils einen deutlich größeren Einfluss auf die Wunscheigenschaften (zum Beispiel eine hohe Warmzerreißfestigkeit, Zähigkeit und Unempfindlichkeit gegen Temperaturschwankungen und damit eine gute Wärmeleitfähigkeit) ergeben als die Zugabe großer Mengen an W, Co und Ni.
Aus dem europäischen Patent EP 0787813 B1 ist ein hitzebeständiger, ferritischer Stahl mit einem niedrigen Cr- und Mn-Gehalt und mit einer ausgezeichneten Festigkeit bei hohen Temperaturen bekannt. Der Zweck der in der vorstehend genannten Druckschrift offenbarten Erfindung bestand darin, einen hitzebeständigen, ferritischen Stahl mit niedrigem Chrom-Gehalt bereitzustellen, der eine verbesserte Zeitstandfestigkeit unter den Bedingungen von langen Zeitspannen bei hohen Temperaturen sowie eine verbesserte Zähigkeit, Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit auch bei dicken Produkten aufweist. Durch die Beschreibung der Legierungseinflüsse in Bezug auf die Carbidbildung (Vergröberung), Ausscheidung und Mischkristallverfestigung wird die Notwendigkeit des Stabilisierens der Struktur des ferritischen Stahls herausgestellt. Die Herabsetzung des Cr-Gehaltes auf unter 3,5% wird mit der unterdrückten Verringerung der Zeitstandfestigkeit aufgrund der Vergröberung von Cr-Carbiden bei Temperaturen oberhalb einer Temperatur von 550° C sowie mit einer Verbesserung der Zähigkeit, Bearbeitbarkeit und thermischen Leitfähigkeit begründet. Mindestens 0,8% Cr werden jedoch als Voraussetzung für das Aufrechterhalten der Oxidations- und Korrosionszähigkeit des Stahls bei hohen Temperaturen angesehen.
Aus der DE 19508947 A1 ist eine verschleißfeste, anlassbeständige und warmfeste Legierung bekannt. Diese Legierung zielt insbesondere auf eine Verwendung für Warmarbeitswerkzeuge in der Warmurform- und Warmumformtechnik ab und zeichnet sich durch sehr hohe Molybdängehalte (10 bis 35%) und Wolframgehalte (20 bis 50%) aus. Des Weiteren betrifft die in der vorstehend genannten Druckschrift beschriebene Erfindung ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung, bei dem die Legierung zunächst aus der Schmelze oder auf pulvermetallurgischem Wege erzeugt wird. Der Gehalt von Mo und W in derart großen Mengen wird mit der Erhöhung der Anlassbeständigkeit und Warmfestigkeit durch Mischkristallhärtung und durch die Bildung von Carbiden (oder intermetallischen Phasen) begründet. Zudem steigert Molybdän die Wärmeleitfähigkeit und verringert die Wärmeausdehnung der Legierung. Schließlich wird in dieser Druckschrift die Eignung der Legierung zur Erzeugung von Oberflächenschichten auf Grundkörpern anderer Zusammensetzung erläutert (Laser-, Elektronen-, Plasmastrahlen-, Auftragsschweißen).
Das deutsche Patent DE 4321433 C1 betrifft einen Stahl für Warmarbeitswerkzeuge, wie sie für die Urformung, die Umformung und die Bearbeitung von Werkstoffen (insbesondere beim Druckgießen, Strangpressen, Gesenkschmieden oder als Scherenmesser) bei Temperaturen bis 1100 °C eingesetzt werden. Kennzeichnend ist, dass der Stahl im Temperaturbereich von 400 bis 600 °C eine Wärmeleitfähigkeit von über 35 W/mK (obwohl diese grundsätzlich mit steigendem Legierungsgehalt abnimmt) und gleichzeitig einen hohen Verschleißwiderstand (Zugfestigkeit über 700 N/mm²) hat. Die sehr gute Wärmeleitfähigkeit wird zum einen auf den erhöhten Molybdänanteil (3,5 bis 7,0 % Mo) und zum anderen auf einen maximalen Chromanteil von 4,0 % zurückgeführt.
Die JP 61030654 betrifft die Verwendung eines Stahls mit hoher Warmriss- und Warmbruchfestigkeit sowie großer Wärmeleitfähigkeit als Werkstoff für die Herstellung von Mänteln für Walzen in Aluminium-Stranggießanlagen. Auch hier werden die gegenläufigen Tendenzen bei der Beeinflussung der Warmriss- beziehungsweise Warmbruchfestigkeit und der Wärmeleitfähigkeit durch die Legierungszusammensetzung diskutiert. Siliziumgehalte über 0,3% und Chromgehalte über 4,5% werden speziell in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit als nachteilig angesehen. Mögliche Vorgehensweisen zur Einstellung einer gehärteten martensitischen Mikrostruktur der aus der erfindungsgemäßen Stahllegierung hergestellten Walzenmäntel sind aufgeführt.
Die EP 1300482 B1 betrifft einen Warmarbeitsstahl, insbesondere für Werkzeuge zur Umformung bei erhöhten Temperaturen, mit dem gleichzeitigen Auftreten der Eigenschaften: erhöhte Härte, Festigkeit und Zähigkeit sowie gute Wärmeleitfähigkeit, verbesserte Verschleißbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen und Standzeitverlängerung bei stoßartigen Beanspruchungen. Es wird dargestellt, dass durch bestimmte Konzentrationen in engen Grenzen von Kohlenstoff (0,451 bis 0,598% C) sowie sondercarbid- und monocarbidbildenden Elementen (4,21 bis 4,98% Cr, 2,81 bis 3,29% Mo, 0,41 bis 0,69% V) beim thermischen Vergüten eine gewünschte Mischkristallhärtbarkeit gefördert und eine Carbidhärtung beziehungsweise eine härtesteigernde Ausscheidung von gröberen Carbiden auf Kosten der Matrixhärte weitgehend unterdrückt werden können. Eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit durch eine Verringerung des Carbidanteils könnte auf einer Grenzflächenkinetik und/oder auf den Eigenschaften der Carbide beruhen.
Shtansky et al in Acta mater. 45 (1997) 2861-2878 beschreiben Phasenumwandlungen in Fe-MoC und Fe-W-C Stählen durch Tempern bei 700°C.
Ein Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugstähle, insbesondere Warmarbeitsstähle, und der daraus hergestellten Stahlgegenstände besteht darin, dass diese für manche Anwendungsgebiete nur eine unzureichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ferner ist es bislang nicht möglich, die Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, gezielt einzustellen und somit definiert an den jeweiligen Anwendungszweck anzupassen.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe, einen Werkzeugstahl, insbesondere einen Warmarbeitsstahl, sowie einen Stahlgegenstand zur Verfügung zu stellen, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) beziehungsweise Stahlgegenstände aufweisen. Hinsichtlich des Werkzeugstahls wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Werkzeugstahl (insbesondere Warmarbeitsstahl) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Stahlgegenstands wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Stahlgegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein Verfahren zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäßen Stahls, insbesondere eines erfindungsgemäßen Warmarbeitsstahls, zeichnet sich dadurch aus, dass eine innere Aufbaustruktur des Stahls definiert metallurgisch erzeugt wird, deren karbidische Bestandteile eine definierte Elektronen- und Phononendichte aufweisen und/oder deren Kristallstruktur eine durch gezielt erzeugte Gitterdefekte bestimmte mittlere freie Weglänge für den Phononen- und Elektronenfluss aufweist. Ein Vorteil besteht darin, dass die Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäßen Stahls gezielt auf die gewünschte Größe eingestellt werden kann, indem die innere Aufbaustruktur des Stahls in der vorstehend beschriebenen Weise definiert metallurgisch erzeugt wird. Das Verfahren eignet sich zum Beispiel für Werkzeug- und Warmarbeitsstähle.
Das Verfahren zur Einstellung, insbesondere zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäßes Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, zeichnet sich dadurch aus, dass eine innere Aufbaustruktur des Stahls definiert metallurgisch erzeugt wird, die in ihren karbidischen Bestandteilen eine erhöhte Elektronen- und Phononendichte aufweist und/oder die durch einen geringen Defektgehalt in der Kristallaufbaustruktur der Karbide und der sie umgebenden metallischen Matrix eine vergrößerte mittlere freie Weglänge für den Phononen- und Elektronenfluss aufweist. Durch diese Maßnahme kann die Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäßen Stahls im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Stählen in definierter Weise eingestellt und insbesondere im Vergleich zu den bekannten Warmarbeitsstählen wesentlich erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Wärmeleitfähigkeit des Stahls bei Raumtemperatur auf mehr als 42 W/mK, vorzugsweise auf mehr als 48 W/mK, insbesondere auf mehr als 55 W/mK eingestellt werden.
Gemäß Anspruch 1 zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, durch folgende Zusammensetzung aus:

0,26 bis 0,55 Gew.-% C; oder 0,25 bis 1 Gew.-% C und N und
B in der Summe;
< 2 Gew.-% Cr;
0,5 bis 10 Gew.-% Mo;
0 bis 15 Gew.-% W;

wobei der Gehalt von W und Mo in der Summe 1,8 bis 15 Gew.-% beträgt;
karbidbildende Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Gehalt von 0 bis 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe;
0 bis 4 Gew.- % V;
0 bis 6 Gew.-% Co;
0 bis 1,6% Gew.-% Si;
0 bis 2 Gew.-% Mn;
0 bis 2,99 Gew.-% Ni;
bis 1 Gew.-% S;
Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei die Verunreinigungen eines oder mehrere der Elemente Cu, P, Bi, Ca, As, Sn oder Pb mit einem Gehalt von maximal 1 Gew.-% einzeln oder in der Summe enthalten sind,

Da es sich gezeigt hat, dass Kohlenstoff zumindest teilweise durch so genannte kohlenstoffäquivalente Bestandteile Stickstoff (N) und Bor (B) ersetzt werden kann, liefert ein Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, mit den Merkmalen des Anspruchs 1, der die nachfolgend aufgeführten chemischen Zusammensetzungen aufweist, eine gleichwertige Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Werkzeugstähle besteht in erster Linie in der drastisch erhöhten Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeug- und Warmarbeitsstählen. Es wird deutlich, dass der erfindungsgemäße Werkzeugstahl neben Eisen als Hauptbestandteil die Elemente C (beziehungsweise C und N und B), Cr, Mo und W in den oben angegebenen Bereichen sowie unvermeidbare Verunreinigungen enthält. Die übrigen Legierungselemente (Legierungsbegleitelemente) sind somit optionale Bestandteile des Werkzeugstahls, da ihr Gehalt gegebenenfalls auch 0 Gew.-% betragen kann.
Ein wesentlicher Aspekt der hier beschriebenen Lösung besteht darin, Kohlenstoff und vorzugsweise auch Chrom im Festlösungszustand weitgehend aus der Stahl-Matrix herauszuhalten und die Fe₃C- Karbide durch Karbide mit höherer Wärmeleitfähigkeit zu ersetzen. Chrom kann nur dadurch aus der Matrix herausgehalten werden, dass es überhaupt nicht vorhanden ist. Kohlenstoff kann insbesondere mit Karbidbildnern gebunden werden, wobei Mo und W die kostengünstigsten Elemente sind und sowohl als Elemente als auch als Karbide eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Quantenmechanische Simulationsmodelle für Werkzeugstähle und insbesondere für Warmarbeitsstähle können zeigen, dass Kohlenstoff und Chrom im Festlösungszustand zu einer Matrixverzerrung führen, was eine Verkürzung der mittleren freien Weglänge von Phononen zur Folge hat. Ein größerer Elastizitätsmodul und ein höherer Wärmeausdehnungskoeffizient sind die Folge. Der Einfluss von Kohlenstoff auf die Elektronen- und Phononenstreuung ist mit Hilfe geeigneter Simulationsmodelle ebenfalls untersucht worden. Damit konnten die Vorteile einer im Hinblick auf Kohlenstoff sowie Chrom verarmten Matrix auf die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit verifiziert werden. Während die Wärmeleitfähigkeit der Matrix vom Elektronenfluss dominiert wird, wird die Leitfähigkeit der Karbide durch die Phononen bestimmt. Im Festlösungszustand hat Chrom eine sehr negative Wirkung auf die durch Elektronenfluss erzielte Wärmeleitfähigkeit.
Die erfindungsgemäßen Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) haben eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 48 W/mK, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 55 W/mK. Überraschend hat es sich gezeigt, dass Wärmeleitfähigkeiten in einer Größenordnung von mehr als 50, insbesondere etwa 55 bis 60 W/mK und sogar darüber hinaus erreicht werden können. Die Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Warmarbeitsstahls kann somit fast doppelt so groß wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Warmarbeitsstählen sein. Damit eignet sich der hier beschriebene Stahl insbesondere auch für solche Anwendungen, bei denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit gefordert ist. In der drastisch verbesserten Wärmeleitfähigkeit besteht somit der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeugstahls gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen.
Optional kann der Werkzeugstahl die karbidbildenden Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Anteil von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe enthalten. Die Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta sind in der Metallurgie als starke Karbidbildner bekannt. Es hat sich gezeigt, dass sich starke Karbidbildner im Hinblick auf die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls positiv auswirken, da diese eine bessere Fähigkeit besitzen, Kohlenstoff im Festlösungszustand aus der Matrix zu entfernen. Karbide mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit können die Leitfähigkeit des Werkzeugstahls darüber hinaus noch verstärken. Aus der Metallurgie ist bekannt, dass folgende Elemente Karbidbildner sind, wobei deren Kohlenstoffaffinität im Folgenden aufsteigend geordnet ist: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Ta, Zr, Hf.
Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Generierung relativ großer und damit lang ausgedehnter Karbide, da die gesamte Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls einem Mischungsgesetz mit negativen Grenzeffekten folgt. Je stärker die Affinität eines Elements für Kohlenstoff ist, desto größer ist die Tendenz, relativ große Primärkarbide zu bilden. Die großen Karbide wirken sich allerdings in gewissen Maßen nachteilig auf einige mechanische Eigenschaften des Werkzeugstahls, insbesondere auf dessen Zähigkeit, aus, so dass für jeden Verwendungszweck des Werkzeugstahls ein geeigneter Kompromiss zwischen den gewünschten mechanischen und den thermischen Eigenschaften gefunden werden muss.
Optional kann der Werkzeugstahl das Legierungselement Vanadium mit einem Gehalt von bis zu 4 Gew.-% enthalten. Wie oben bereits erläutert, begründet Vanadium feine Karbidnetzwerke. Dadurch können zahlreiche mechanische Eigenschaften des Werkzeugstahls für manche Anwendungszwecke verbessert werden. Vanadium zeichnet sich im Vergleich zu Molybdän nicht nur durch seine höhere Kohlenstoffaffinität aus, sondern hat ferner den Vorteil, dass dessen Karbide eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Darüber hinaus ist Vanadium ein vergleichsweise kostengünstiges Element. Ein Nachteil von Vanadium gegenüber Molybdän besteht jedoch darin, dass das im Festlösungszustand verbleibende Vanadium einen vergleichsweise erheblich größeren negativen Effekt auf die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls ausübt. Aus diesem Grund ist es nicht von Vorteil, den Werkzeugstahl mit Vanadium allein zu legieren.
Optional kann der Werkzeugstahl eines oder mehrere Elemente zum Festlösungsverfestigen, insbesondere Co, Ni, Si und/oder Mn enthalten. So besteht optional die Möglichkeit, dass der Werkzeugstahl Mn mit einem Gehalt von bis zu 2% Gew.-% aufweist. Um die Hochtemperaturfestigkeit des Werkzeugstahls zu verbessern, kann in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung zum Beispiel ein Gehalt von bis zu 6 Gew.-% Co vorteilhaft sein. Der Werkzeugstahl kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform Co mit einem Gehalt von bis zu 3 Gew.-%, vorzugsweise mit einem Gehalt von bis zu 2 Gew.-% aufweisen.
Um die Zähigkeit des Werkzeugstahls bei niedrigen Temperaturen zu erhöhen, kann optional vorgesehen sein, dass der Warmarbeitsstahl Si mit einem Gehalt von bis zu 1,6% Gew.-% aufweist.
Um die Bearbeitbarkeit des Werkzeugstahls zu verbessern, kann der Werkzeugstahl optional Schwefel S mit einem Gehalt von bis zu 1 Gew.-% enthalten.
Um das grundlegende Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, sollen nachfolgend einige wesentliche Gesichtspunkte der neuartigen metallurgischen Gestaltungsstrategie für Werkzeugstähle mit hoher Wärmeleitfähigkeit (Warmarbeitsstähle), näher erläutert werden.
Für einen gegebenen Querschnitt durch eine metallographisch präparierte Probe eines Werkzeugstahls, der in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, ist es möglich, bei einer licht- oder rasterelektronenmikroskopischen Betrachtung der mikrostrukturellen Aufbaustruktur mittels optischer Bildanalysetechniken die Flächenanteile der Karbide A_c und des Matrixwerkstoffes A_m quantitativ zu erfassen. Dabei bezeichnet man die großflächigen Karbide als Primärkarbide 1 und die kleinflächigen Karbide als Sekundärkarbide 2. Das im Hintergrund dargestellte Matrixmaterial ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet.
Unter Vernachlässigung weiterer Mikrostrukturbestandteile (zum Beispiel Einschlüsse) lässt sich der Flächeninhalt der gesamten Oberfläche A_tot des Werkzeugstahls in guter Näherung gemäß folgender Gleichung bestimmen: $A_{tot} = A_{m} + A_{c}$
Durch eine einfache mathematische Umformulierung erhält man folgende Gleichung; $(A_{m} / A_{tot}) + (A_{c} / A_{tot}) = 1$
Die Summanden dieser Gleichung sind als Gewichtungsfaktoren für einen Mischungsregelansatz geeignet.
Geht man nun davon aus, dass das Matrixmaterial 3 und die Karbide 1, 2 unterschiedliche Eigenschaften im Hinblick auf ihre Wärmeleitfähigkeit haben, so kann die integrale Gesamtwärmeleitfähigkeit λ_int dieses Systems nach einem solchen Mischungsregelansatz wie folgt beschrieben werden: $λ_{int} = (A_{m} / A_{tot}) * λ_{m} + (A_{c} / A_{tot}) * λ_{c}$
λ_m ist dabei die Wärmeleitfähigkeit des Matrixmaterials 3 und λ_c ist die Wärmeleitfähigkeit der Karbide 1, 2.
Diese Formulierung stellt zweifellos eine vereinfachte Systemsichtweise dar, die jedoch zum phänomenologischen Verständnis der vorliegenden Erfindung durchaus geeignet ist.
Eine realitätsgetreuere mathematische Modellierung der integralen Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems kann zum Beispiel unter Anwendung von so genannten Effective-Medium Theorien (EMT) erfolgen. Mit einem derartigen Ansatz wird die mikrostrukturelle Zusammensetzung des Werkzeugstahls als Verbundsystem bestehend aus die Karbideigenschaften abbildenden kugelförmigen Einzelstrukturelementen mit isotroper Wärmeleitfähigkeit, welche in ein Matrixmaterial mit anderer, jedoch ebenfalls isotroper
Wärmeleitfähigkeit eingebettet sind, beschrieben: $λ_{int} = λ_{m} + f_{c} * λ_{int} * (3 * (λ_{c} - λ_{m}) / (2 * λ_{int} + λ_{c})$
In dieser Gleichung beschreibt f_c den Volumenanteil der Karbide 1, 2.
Diese Gleichung ist allerdings nicht eindeutig lösbar und daher auch nur begrenzt für eine gezielte Systemgestaltung nutzbar. Geht es um die Maximierung der Systemwärmeleitfähigkeit λ_int, so kann aus den zuvor formulierten Mischungsregeln grundsätzlich abgeleitet werden, dass eine solche Maximierung der Systemwärmeleitfähigkeit λ_int dann erreicht werden kann, wenn es gelingt, dass die Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Systemkomponenten λ_c und λ_m jeweils maximiert werden.
Für die vorliegende Erfindung ist es dabei von besonderer Bedeutung, dass der Volumenanteil der Karbide f_c letztlich darüber entscheidet, welche der beiden Wärmeleitfähigkeiten λ_c und λ_m relevanter ist.
Die Menge der Karbide wird letztlich durch die anwendungsspezifischen Anforderungen an die mechanische Beständigkeit und insbesondere an die Verschleißbeständigkeit des Werkzeugstahls definiert. So ergeben sich vor allem im Hinblick auf die Karbidstruktur für die unterschiedlichen Hauptanwendungsgebiete der erfindungsgemäß entwickelten Werkzeugstähle durchaus unterschiedliche Gestaltungsvorgaben.
Im Bereich des Aluminiumdruckgusses ist die Verschleißbeanspruchung durch kontaktgebundene Verschleißmechanismen insbesondere durch Abrasion nur relativ gering ausgeprägt. Die Anwesenheit großflächiger Primärkarbide als hochverschleißbeständige Mikrostukturbestandteile ist daher nicht zwingend erforderlich. Damit wird der Volumenanteil der Karbide fc überwiegend durch die Sekundärkarbide bestimmt. Der Betrag von fc ist daher relativ klein.
Bei der Warmblechumformung, die auch die begrifflichen Varianten des Presshärtens und des Formhärtens umfasst, unterliegen die Werkzeuge einer hohen Beanspruchung durch kontaktgebundene Verschleißmechanismen sowohl in adhäsiver als auch in abrasiver Ausprägung. Daher sind großflächige Primärkarbide überaus erwünscht, da sie die Beständigkeit gegen diese Verschleißmechanismen steigern können. Folge einer solchen primärkarbidreichen Mikrostruktur ist ein hoher Betrag von f_c.
Unabhängig von der Karbidstruktur geht es letztlich um die Maximierung der Wärmeleitfähigkeit aller Systemkomponenten. Durch die anwendungsspezifischen Gestaltungsvorgaben für die Karbidausprägung ergibt sich jedoch eine Gewichtung des Einflusses der Wärmeleitfähigkeiten der Systemkomponenten auf die integrale Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems.
Schon diese Herangehensweise unterscheidet sich drastisch vom Stand der Technik, bei dem die Wärmeleitfähigkeit immer als integrale physikalische Werkstoffeigenschaft angesehen wird. Wenn es im Stand der Technik darum geht, den Einfluss einzelner Legierungselemente auf die Wärmeleitfähigkeit zu erfassen, so geschieht dies bezeichnender Weise eben auch immer durch die Bestimmung integraler Eigenschaften. Die Betrachtung des Einflusses solcher Legierungselemente auf die mikrostrukturelle Ausprägung, also auf die Karbidstruktur und auf die Matrix und daraus resultierende physikalische Eigenschaftsänderungen für diese mikrostrukturellen Systemelemente war bisher nicht existent und daher im Stand der Technik auch niemals Ausgangspunkt eines metallurgischen Gestaltungskonzeptes für einen Werkzeugstahl.
Unter solchen integralen Gestaltungsgesichtspunkten konnte festgestellt werden, dass eine Verringerung des Chromgehalts und eine Erhöhung des Molybdängehalts zu einer Verbesserung der integralen Wärmeleitfähigkeit führen. Nach einem solchen metallurgischen Gestaltungsansatz entwickelte Werkzeugstähle haben üblicherweise eine Wärmeleitfähigkeit von 30 W/mK, was gegenüber einer Wärmeleitfähigkeit von 24W/mK eine Steigerung von 25 % darstellt. Eine solche Steigerung wird im Stand der Technik bereits als wirksame Eigenschaftsverbesserung angesehen.
Man ging bislang davon aus, dass eine weitere Verringerung des Chromgehalts nicht zu einer weiteren signifikanten Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit führen kann. Da eine weitere Verringerung des Chromgehalts zusätzlich zu einer Herabsetzung der Korrosionsbeständigkeit des Warmarbeitsstahls führt, wurden entsprechende metallurgische Rezepturen nicht weiter im Hinblick auf die Gestaltung neuartiger Werkzeugstähle untersucht und umgesetzt.
Für die erfindungsgemäßen Werkzeugstähle wurde zur Erreichung einer drastisch verbesserten Wärmeleitfähigkeit ein vollkommen neuartiges metallurgisches Konzept angewandt, das in der Lage ist, in exakt definierter Weise die Wärmeleitfähigkeit der mikrostrukturellen Systemkomponenten zu gestalten und damit die integrale Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls drastisch zu verbessern. Ein wichtiger Grundgedanke des hier vorgestellten metallurgischen Konzepts ist, dass die bevorzugten Karbidbildner Molybdän und Wolfram sind und dass als Folge bereits geringer Anteile von in diesen Karbiden gelöstem Chrom aufgrund der Verlängerung der mittleren freien Weglänge der Phononen durch die so entstehenden Störungen in der Kristallstruktur der reinen Karbide die Wärmeübertragungseigenschaften nachteilig beeinflusst werden.
Mit diesem neuartigen metallurgischen Gestaltungsansatz können in vorteilhafter Weise integrale Wärmeleitfähigkeiten von Warmarbeitsstählen bei Raumtemperatur von bis zu 66 W/mK und mehr erreicht werden. Dies übersteigt die Steigerungsrate aller im Stand der Technik bekannten Konzepte um etwa das Zehnfache. Keiner der im Stand der Technik auffindbaren Ansätze sieht eine vergleichbare Verringerung des Chromgehalts für Warmarbeitsstähle mit der Zielsetzung der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit vor.
Für diejenigen Fälle, in denen ein der erfindungsgemäß beschriebenen chemischen Zusammensetzung ähnlich niedriger Chromgehalt vorgesehen wird, geht es explizit nicht um eine Beeinflussung der Wärmeleitfähigkeit, sondern um andere funktionale Zielsetzungen, wie zum Beispiel in der JP 04147706 A um die gezielte Ausbildung einer Oxidationsschicht an der Stahloberfläche durch eine Verringerung der Oxidationsbeständigkeit in diesem Bereich.
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass je höher der Reinheitsgehalt eines Werkstoffes ist, umso höher auch seine Wärmeleitfähigkeit ist. Jegliche Verunreinigung - also im Falle der metallischen Werkstoffe auch die Zugabe jeglichen Legierungselements - führt unweigerlich zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit. Reines Eisen hat zum Beispiel eine Wärmeleitfähigkeit von 80 W/mK, geringfügig verunreinigtes Eisen hat bereits eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 70 W/mK.
Bereits die Mindestzugabe von Kohlenstoff (0,25 Volumenprozent) und weiterer Legierungselemente, wie zum Beispiel Mangan (0,08 Volumenprozent), führt bei Stahl zu einer Wärmeleitfähigkeit von gerade einmal 60 W/mK.
Dennoch ist es mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise überraschend möglich, trotz der Zugabe weiterer Legierungselemente wie zum Beispiel Molybdän oder Wolfram Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 70 W/mK zu erreichen. Der Grund für diesen unerwarteten Effekt besteht darin, dass es gemäß der vorliegenden Erfindung eine Zielsetzung ist, Kohlenstoff so weit wie möglich nicht in der Matrix in Lösung gehen zu lassen, sondern ihn in den Karbiden durch starke Karbidbildner zu binden und Karbide mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zu verwenden.
Konzentriert man nun die Betrachtung auf die Karbide, so ist es die Phononenleitfähigkeit, die letztlich die Wärmeleitfähigkeit dominiert. Will man diese verbessern, so gilt es genau an dieser Stelle gestalterisch einzugreifen. Einige Karbide weisen jedoch eine recht hohe Dichte an leitenden Elektronen auf, insbesondere hochschmelzende Karbide mit einem hohen Metallgehalt wie zum Beispiel W6C oder Mo3C. In jüngsten Untersuchungen wurde festgestellt, dass bereits sehr geringe Zugaben von Chrom zu eben solchen Karbiden zu signifikanten Störungen der Kristallgitterstruktur führen und damit zu einer drastischen Verlängerung der mittleren freien Weglänge für den Phonenenfluss führen. Folge ist eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit. Dies führt zu der eindeutigen Schlussfolgerung, dass eine möglichst weitgehende Verringerung des Chromgehalts zu einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls führt.
Darüber hinaus sollten Molybdän und Wolfram als bevorzugte Karbidbildner berücksichtigt werden. Molybdän ist in diesem Zusammenhang besonders bevorzugt, da es ein wesentlich stärkerer Karbidbildner ist als Wolfram. Der Effekt der Abreicherung von Molybdän in der Matrix bewirkt eine verbesserte Elektronenleitfähigkeit in der Matrix und trägt damit zu einer weiteren Verbesserung der integralen Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems bei.
Wie bereits zuvor erwähnt, führt ein zu geringer Chromgehalt gleichzeitig zu einer Herabsetzung der Korrosionsbeständigkeit des Werkzeugstahls. Wenngleich dies für bestimmte Anwendungen von Nachteil sein kann, so stellt die höhere Oxidationsneigung für die Hauptanwendungen des erfindungsgemäß gestalteten Werkzeugstahls keinen wirklich funktionalen Nachteil dar, da hier zusätzliche Korrosionsschutzwirkungen und -maßnahmen ohnehin Bestandteil bestehender betrieblicher Abläufe sind.
So stellt zum Beispiel bei Anwendungen im Aluminiumdruckguss das flüssige Aluminium selber einen hinreichenden Korrosionsschutz dar, im Bereich der Warmblechumformung sind es die zum Verschleißschutz nitrierten Oberflächenrandschichten der Werkzeuge. Korrosionsschützende Schmierstoffe sowie Kühl- und Trennmittel tragen ebenfalls ihren Teil zum Korrosionsschutz bei. Zusätzlich können sehr dünne Schutzschichten galvanisch oder im Vakuumbeschichtungsverfahren auftragen werden.
Die erfindungsgemäße Verwendung der hier beschriebenen Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) als Werkstoff zur Herstellung von Stahlgegenständen, insbesondere Warmarbeitswerkzeugen, liefert zahlreiche und zum Teil äußerst bemerkenswerte Vorteile im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Warmarbeitsstählen, die bislang als Werkstoffe für entsprechende Warmarbeitsstahlgegenstände eingesetzt wurden.
Die höhere Wärmeleitfähigkeit der aus den erfindungsgemäßen Werkzeugstählen (insbesondere Warmarbeitsstählen) hergestellten Werkzeuge gestattet zum Beispiel eine Verringerung der Taktzeiten beim Bearbeiten/Herstellen von Werkstücken. Ein weiterer Vorteil besteht in einer signifikanten Reduktion der Oberflächentemperatur des Werkzeugs sowie der Reduktion des Oberflächentemperaturgefälles, woraus sich eine beachtliche Auswirkung auf die Langlebigkeit des Werkzeugs ergibt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn Werkzeugschäden in erster Linie auf thermische Ermüdung, thermische Schocks oder Aufschweißen zurückzuführen sind. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Werkzeuge für Aluminium-Druckgussanwendungen der Fall.
Es ist ebenfalls überraschend, dass die übrigen mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugstählen entweder verbessert werden konnten oder zumindest unverändert blieben. Der Elastizitätsmodul konnte beispielsweise verringert werden, die Dichte der erfindungsgemäßen Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) konnte im Vergleich zu herkömmlichen Warmarbeitsstählen erhöht und der Wärmeausdehnungskoeffizient konnte verkleinert werden. Für manche Anwendungen können weitere Verbesserungen erreicht werden, wie zum Beispiel eine erhöhte mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen oder eine erhöhte Verschleißfestigkeit.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Werkzeugstahl weniger als 1,5 Gew.-% Cr, vorzugsweise weniger als 1 Gew.-% Cr aufweist. Es besteht in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Werkzeugstahl weniger als 0,5 Gew.-% Cr, vorzugsweise weniger als 0,2, insbesondere weniger als 0,1 Gew.-% Cr aufweist.
Wie oben erläutert, wirkt sich die Anwesenheit von Chrom im Festlösungszustand in der Matrix des Werkzeugstahls negativ auf dessen Wärmeleitfähigkeit aus. Die Intensität dieser negativen Wirkung auf die Wärmeleitfähigkeit durch eine Steigerung des Chromgehalts im Werkzeugstahl ist für das Intervall von weniger als 0,4 Gew.-% Cr am größten. Eine Intervallabstufung in der Abnahme der Intensität der nachteiligen Wirkung auf die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls ist in den beiden Intervallen von mehr als 0,4 Gew.- %, aber weniger als 1 Gew.-%, sowie von mehr als 1 Gew.-% und weniger als 2 Gew.-% bevorzugt. Für Anwendungen, bei denen die Oxidationsbeständigkeit des Werkzeugstahls (Warmarbeitsstahls) eine große Rolle spielt, kann so zum Beispiel eine Abwägung der Anforderungen, die an den Werkzeugstahl im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit und die Oxidationsbetändigkeit gestellt werden und sich in einem optimierten Gewichtsprozentanteil von Chrom widerspiegeln, vorgenommen werden. In der Regel stellt ein Gehalt von etwa 0,8 Gew.-% Chrom dem Werkzeugstahl einen guten Korrosionsschutz zur Verfügung. Es hat sich gezeigt, dass Zusätze, die über diesen Gehalt von etwa 0,8 Gew.-% Chrom hinausgehen, eine unerwünschte Auflösung von Chrom in den Karbiden zur Folge haben können.
Es besteht in einer bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Molybdängehalt des Werkzeugstahls 0,5 bis 7 Gew.-%, insbesondere 1 bis 7 Gew.-% beträgt. Unter den kostengünstigeren Karbidbildnern besitzt Molybdän eine vergleichsweise hohe Kohlenstoffaffinität. Darüber hinaus weisen Molybdänkarbide eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Eisen- und Chromkarbide auf. Ferner ist die nachteilige Wirkung von Molybdän im Festlösungszustand auf die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls im Vergleich zu Chrom im Festlösungszustand erheblich geringer. Aus diesen Gründen gehört Molybdän zu denjenigen Karbidbildnern, die für eine große Anzahl von Anwendungen geeignet sind. Für Anwendungen, die eine hohe Zähigkeit erfordern, sind jedoch andere Karbidbildner mit kleineren Sekundärkarbiden, wie zum Beispiel Vanadium (etwa 1 bis 15 nm große Kolonien gegenüber bis zu 200nm großen Kolonien bei Molybdän) die vorteilhaftere Wahl.
Molybdän kann in zahlreichen Anwendungen durch Wolfram ersetzt werden. Die Karbonaffinität von Wolfram ist etwas geringer und die Wärmeleitfähigkeit von Wolframkarbid erheblich größer.
Es besteht in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Gehalt von Mo, W und V in der Summe 2 bis 10 Gew.-% beträgt. Der Gehalt dieser drei Elemente in der Summe ist dabei insbesondere von der gewünschten Karbidanzahl, das heißt, von den jeweiligen Anwendungsanforderungen abhängig.
Die Verunreinigungen des Werkzeugstahls, insbesondere Warmarbeitsstahls, können eines oder mehrere der Elemente Cu, P, Bi, Ca, As, Sn oder Pb mit einem Gehalt von maximal 1 Gew.-% einzeln oder in der Summe enthalten. Insbesondere Cu ist neben Co, Ni, Si und Mn ein weiteres geeignetes Element zum Festlösungsverfestigen, so dass zumindest ein geringer Anteil Cu in der Legierung gegebenenfalls vorteilhaft sein kann. Neben S, das optional mit einem Gehalt von maximal 1 Gew.-% vorhanden sein kann, können auch die Elemente Ca, Bi oder As die Bearbeitbarkeit des Werkzeugstahls vereinfachen.
Ebenfalls von Bedeutung ist die mechanische Stabilität des Werkzeugstahls bei hohen Temperaturen der legierungsbildenden Karbide. In diesem Zusammenhang sind zum Beispiel sowohl Mo- als auch W-Karbide im Hinblick auf die mechanischen Stabilitäts- und Festigkeitseigenschaften vorteilhafter als Chrom- und Eisenkarbide. Eine Verarmung von Chrom zusammen mit der Verringerung des Kohlenstoffgehalts in der Matrix führt zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit, besonders wenn dies durch Wolfram- und/oder Molybdänkarbide geschieht.
Die Verfahren, mit denen die hier vorgestellten Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) hergestellt werden, spielen ebenfalls eine wichtige Rolle für dessen thermische und mechanische Eigenschaften. Durch eine gezielte Wahl des Herstellungsverfahrens können somit die mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des Werkzeugstahls gezielt variiert und dadurch an den jeweiligen Verwendungszweck angepasst werden.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Werkzeugstähle können zum Beispiel durch Pulvermetallurgie (heißisostatisches Pressen) hergestellt werden. Es besteht zum Beispiel auch die Möglichkeit, einen erfindungsgemäßen Werkzeugstahl durch Vakuuminduktionsschmelzen oder durch Ofenschmelzen herzustellen. Es hat sich überraschend gezeigt, dass das jeweils gewählte Herstellungsverfahren die resultierende Karbidgröße beeinflussen kann, die ihrerseits - wie oben bereits dargelegt - Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften des Werkzeugstahls haben kann.
Der Werkzeugstahl kann zudem auch durch an sich bekannte Veredelungsverfahren, wie zum Beispiel durch VAR-Verfahren (VAR=Vacuum Are Remelting; Vakuum-Lichtbogenumschmelzen), AOD-Verfahren (AOD=Argon Oxygen Decarburation; Argon-Sauerstoff-Entkohlung), oder so genannte ESR-Verfahren (ESR: engl. Electro Slag Remelting) veredelt werden.
Ebenso kann ein erfindungsgemäßer Werkzeugstahl zum Beispiel durch Sand- oder Feinguß hergestellt werden. Er kann durch Heißpressen oder ein anderes pulvermetallurgisches Verfahren (Sintern, Kaltpressen, isostatisches Pressen) und bei all diesen Herstellungsverfahren mit oder ohne Anwendung von thermomechanischen Prozessen (Schmieden, Walzen, Fließpressen) hergestellt werden. Auch weniger konventionelle Herstellungsmethoden wie Thixo-Guß (engl.: thixo-casting), Plasma- oder Laser-Auftragung sowie lokales Sintern können verwendet werden. Um aus dem Werkzeugstahl auch Gegenstände mit einer sich innerhalb des Volumens ändernden Zusammensetzung herzustellen, kann vorteilhaft das Sintern von Pulvermischungen verwendet werden.
Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung entwickelte Stahl kann auch als Schweißzusatzwerkstoff verwendet werden (zum Beispiel in Pulverform zum Laserschweißen, als Stab oder Profil für das Metall-Inertgasschweißen (MIG-Schweißen), Metall-Aktivgasschweißen (MAG-Schweißen), Wolfram-Inertgasschweißen (WIG-Schweißen) oder zum Schweißen mit ummantelten Elektroden).
Gemäß Anspruch 7wird eine Verwendung eines Werkzeugstahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Werkstoff zur Herstellung eines Warmarbeitsstahlgegenstands, insbesondere eines Warmarbeitswerkzeugs vorgeschlagen, der eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 48 W/mK, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 55 W/mK, aufweist.
Ein erfindungsgemäßer Stahlgegenstand zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 8 aus und besteht zumindest teilweise aus einem Werkzeugstahl, insbesondere aus einem Warmarbeitsstahl, nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Es besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Stahlgegenstand eine über sein gesamtes Volumen im Wesentlichen konstante Wärmeleitfähigkeit aufweist. Insbesondere kann der Stahlgegenstand in dieser Ausführungsform vollständig aus einem Werkzeugstahl, insbesondere aus einem Warmarbeitsstahl, nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bestehen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Stahlgegenstand eine sich zumindest abschnittsweise ändernde Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der Stahlgegenstand bei Raumtemperatur zumindest abschnittsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 48 W/mK, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 55 W/mK aufweisen. Der Stahlgegenstand kann bei Raumtemperatur auch über sein gesamtes Volumen eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 48 W/mK, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 55 W/mK aufweisen.
Der Stahlgegenstand kann in vorteilhaften Ausführungsformen zum Beispiel ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Druckumformung, der Schubumformung, oder der Biegeumformung von Metallen, vorzugsweise in Freiformschmiedeprozessen, Gesenkschmiedeprozessen, Thixoschmiedeprozessen, Fließpressprozessen, Strangpressprozessen, Gesenkbiegeprozessen, Walzprofilierprozessen oder in Flach-, Profil- und Gießwalzprozessen sein.
Der Stahlgegenstand kann in weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Zugdruckumformung und Zugumformung von Metallen, vorzugsweise in Presshärtprozessen, Formhärtprozessen, Tiefziehprozessen, Streckziehprozessen und Kragenziehprozessen sein.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Stahlgegenstand zum Beispiel ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung metallischer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Druckgießprozessen, Vakuumdruckgießprozessen, Thixogießprozessen, Gießwalzprozessen, Sinterprozessen und heißisostatischen Pressprozessen sein.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass der Stahlgegenstand ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung polymerer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Spritzgießprozessen, Extrusionsprozessen und Extrusionsblaseprozessen, oder ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung keramischer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Sinterprozessen, ist.
Der Stahlgegenstand kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein Bauteil für Maschinen und Anlagen der Energieerzeugung und der Energieumwandlung, vorzugsweise für Verbrennungskraftmaschinen, Reaktoren, Wärmetauscher und Generatoren, sein.
Ferner besteht die Möglichkeit, dass der Stahlgegenstand ein Bauteil für Maschinen und Anlagen der chemischen Verfahrenstechnik, vorzugsweise für chemische Reaktoren, ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen.
Darin zeigen

Fig. 1: eine schematisch stark vereinfachte Konturdarstellung einer Karbidstruktur im mikrostrukturellen Querschnitt eines typischen Werkzeugstahls;
Fig. 2: die Abriebfestigkeit zweier Proben (F1 und F5) eines Warmarbeitsstahls gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen;
Fig. 3: die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Chromgehalt erfindungsgemäßer Werkzeugstähle (Warmarbeitsstähle), der für den Einsatz in Warmumformprozessen geeignet ist;
Fig. 4: die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Chromgehalt für eine weitere Auswahl von Werkzeugstählen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5: eine Darstellung der über Wärmeleitung in einem beidseitigen Kontakt mit zwei Werkzeugstahlplatten erzielten Wärmeabfuhr in einem vorerwärmten Werkstück.

Einleitend sollen fünf Beispiele von Werkzeugstählen (Warmarbeitsstählen), die für unterschiedliche Verwendungszwecke geeignet sind, näher erläutert werden

Beispiel 1

Es hat sich gezeigt, dass zur Herstellung von Werkzeugen (Warmarbeitsstahlgegenständen), die zur Warmumformung ("Hotstamping") von Stahlblechen eingesetzt werden, die Verwendung eines Warmarbeitsstahls mit der nachfolgenden Zusammensetzung 15 besonders vorteilhaft ist:

0,32 bis 0,5 Gew.-% C;
weniger als 1 Gew.-% Cr;
0 bis 4 Gew.-% V;
0,5 bis 10 Gew.-%, insbesondere 3 bis 7 Gew.-% Mo;
0 bis 15 Gew.-%, insbesondere 2 bis 8 Gew.-% W;
wobei der Gehalt von Mo und W in der Summe 5 bis 15 Gew.% beträgt.

Darüber hinaus enthält der Warmarbeitsstahl unvermeidliche Verunreinigungen und als Hauptbestandteil Eisen. Optional kann der Warmarbeitsstahl starke Karbidbildner, wie zum Beispiel Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, mit einem Gehalt von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe enthalten. Bei dieser Anwendung spielt die Abriebfestigkeit des aus dem Warmarbeitsstahl hergestellten Werkzeugs eine besonders wichtige Rolle. Das Volumen der gebildeten Primärkarbide sollte daher möglichst groß sein.

Beispiel 2

Das Aluminiumdruckgießen ist in der heutigen Zeit ein sehr wichtiger Markt, in dem die Eigenschaften der zur Herstellung der Werkzeuge verwendeten Warmarbeitsstähle eine wichtige Rolle für die Wettbewerbsfähigkeit spielen. Die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen des zur Herstellung eines Druckgusswerkzeugs verwendeten Warmarbeitsstahls sind hierbei von besonderer Bedeutung. In einem solchen Fall ist der Vorteil einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit besonders wichtig, da nicht nur eine Reduktion der Taktzeit ermöglicht wird, sondern auch die Oberflächentemperatur des Werkzeugs und das Temperaturgefälle im Werkzeug verringert wird. Die positiven Auswirkungen auf die Haltbarkeit der Werkzeuge sind dabei von erheblichem Ausmaß. Bei Druckgussanwendungen, insbesondere im Hinblick auf Aluminiumdruckguss, ist die Verwendung eines Warmarbeitsstahls als Werkstoff zur Herstellung eines entsprechenden Werkzeugs mit folgender Zusammensetzung besonders vorteilhaft:

0,3 bis 0,42 Gew.-% C;
weniger als 2 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-% Cr;
0,5 bis 6 Gew.-%, insbesondere 2,5 bis 4,5 Gew.-% Mo;
0 bis 6 Gew.-%, insbesondere 1 bis 2,5 Gew.-% W;
wobei der Gehalt von Mo und W in der Summe 3,2 bis 5,5 Gew.% beträgt;
0 bis 1,5 Gew.-%, insbesondere 0 bis 1 Gew.-% V.

Darüber hinaus enthält der Warmarbeitsstahl Eisen (als Hauptbestandteil) und unvermeidliche Verunreinigungen. Optional kann der Warmarbeitsstahl starke Karbidbildner, wie zum Beispiel Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Gehalt von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe enthalten.
Bei Aluminium-Druckgussanwendungen sollte Fe₃C möglichst nicht vorhanden sein. Cr und V mit Zusätzen von Mo und W sind dabei die bevorzugten Elemente, um Fe₃C zu ersetzen. Vorzugsweise wird jedoch Cr ebenfalls durch Mo und/oder W ersetzt. Um bei manchen Anwendungen Vanadium vorzugsweise vollständig oder aber zumindest teilweise zu ersetzen, können ebenfalls W und/oder Mo eingesetzt werden. Alternativ können aber auch stärkere Karbidbildner, wie zum Beispiel Ti, Zr, Hf, Nb oder Ta eingesetzt werden. Die Wahl der Karbidbildner und deren Anteile hängen wiederum von der konkreten Anwendung und von den Erfordernissen im Hinblick auf die thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften des Werkzeugs ab, das aus dem Warmarbeitsstahl hergestellt wird.

Beispiel 3

Beim Druckgießen von Legierungen mit einem vergleichsweise hohen Schmelzpunkt ist die Verwendung eines Warmarbeitsstahls zur Herstellung eines entsprechenden Werkzeugs mit folgender Zusammensetzung vorteilhaft:

0,25 bis 0,4 Gew.-% C;
weniger als 2 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-% Cr;
0,5 bis 5 Gew.-%, insbesondere 2,5 bis 4,5 Gew.-% Mo;
0 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0 bis 3 Gew.-% W;
wobei der Gehalt von Mo und W in der Summe 3 bis 5,2 Gew.-% beträgt;
0 bis 1 Gew.-%, insbesondere 0 bis 0,6 Gew.-% V.

Darüber hinaus enthält der Warmarbeitsstahl unvermeidliche Verunreinigungen sowie als Hauptbestandteil Eisen. Optional kann der Warmarbeitsstahl starke Karbidbildner, wie zum Beispiel Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, mit einem Gehalt von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe aufweisen. Eine größere Zähigkeit des Warmarbeitsstahls ist bei dieser Anwendung erforderlich, so dass Primärkarbide möglichst vollständig unterdrückt werden sollten und somit stabile Karbidbildner vorteilhafter sind.

Beispiel 4

Beim Spritzgießen von Kunststoffen sowie beim Druckgießen von Legierungen mit einem verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt ist die Verwendung eines Warmarbeitsstahls zur Herstellung eines entsprechenden Werkzeugs mit folgender Zusammensetzung besonders vorteilhaft:

0,4 bis 0,55 Gew.-% C;
weniger als 2 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-% Cr;
0,5 bis 4 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 2 Gew.-% Mo;
0 bis 4 Gew.-%, insbesondere 0 bis 1,5 Gew.-% W;
wobei der Gehalt von Mo und W in der Summe 2 bis 4 Gew.-% beträgt;
0 bis 1,5 Gew.-% V.

Darüber hinaus enthält der Warmarbeitsstahl Eisen als Hauptbestandteil sowie unvermeidliche Verunreinigungen. Optional kann der Warmarbeitsstahl starke Karbidbildner, wie Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Gehalt von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe aufweisen. Bei diesen Anwendungsbereichen sollte der Anteil von Vanadium möglichst gering gehalten werden. Vorzugsweise kann der Vanadiumgehalt des Warmarbeitsstahls weniger als 1 Gew.-% und insbesondere weniger als 0,5 Gew.-% und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform weniger als 0,25 Gew.-% betragen.
Die Erfordernisse im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften der Werkzeuge sind beim Spritzgießen relativ gering. Eine mechanische Festigkeit von etwa 1500 MPa ist in der Regel ausreichend. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit ermöglicht jedoch eine Verkürzung der Taktzeiten beim Herstellen von Spritzgussteilen, so dass die Kosten für die Herstellung der Spritzgussteile verringert werden können.

Beispiel 5

Beim Warmschmieden ist es besonders vorteilhaft, zur Herstellung eines entsprechenden Werkzeugs einen Warmarbeitsstahl zu verwenden, der folgende Zusammensetzung aufweist:

0,4 bis 0,55 Gew.-% C;
weniger als 1 Gew.-% Cr,
0,5 bis 10 Gew.-%, insbesondere 3 bis 5 Gew.-% Mo;
0 bis 7 Gew.-%, insbesondere 2 bis 4 Gew.-% W;
wobei der Gehalt von Mo und W in der Summe 6 bis 10 Gew.-% beträgt;
0 bis 3 Gew.-%, insbesondere 0,7 bis 1,5 Gew.-% V.

Darüber hinaus enthält der Warmarbeitsstahl Eisen als Hauptbestandteil und unvermeidliche Verunreinigungen. Optional kann der Warmarbeitsstahl starke Karbidbildner, wie zum Beispiel Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Anteil von bis zu 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe aufweisen.
Vorteilhaft kann der Warmarbeitsstahl in diesem Beispiel Elemente zum Festlösungsverfestigen, insbesondere Co, aber auch Ni, Si, Cu und Mn enthalten. Insbesondere hat sich ein Gehalt von bis zu 6 Gew.-% Co als vorteilhaft erwiesen, um die Hochtemperaturfestigkeit des Werkzeugs zu verbessern.
Mit Hilfe der hier beispielhaft beschriebenen Warmarbeitsstähle, die für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen geeignet sind, kann eine Wärmeleitfähigkeit erhalten werden, die etwa zwei Mal so groß ist wie diejenige der bekannten Warmarbeitsstähle.
In Tabelle 1 sind einige thermoelastische Kenngrößen von fünf exemplarischen Proben (Probe F1 bis Probe F5) eines Warmarbeitsstahls gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen gezeigt. Man erkennt beispielsweise, dass die Warmarbeitsstähle eine höhere Dichte als die bekannten Werkzeugstähle aufweisen. Ferner zeigen die Ergebnisse, dass die Wärmeleitfähigkeit der Proben des erfindungsgemäßen Warmarbeitsstahls im Vergleich zu den herkömmlichen Werkzeugstählen drastisch vergrößert ist.
In Tabelle 2 sind die mechanischen Eigenschaften zweier Warmarbeitsstahlproben (Probe F1 und F5) gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen zusammengefasst.
In Fig. 2 ist die Abriebfestigkeit zweier Proben (F1 und F5) eines Warmarbeitsstahls im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen dargestellt. Die Abriebfestigkeit wurde dabei mit Hilfe eines Stifts, der aus dem entsprechenden Stahl hergestellt wurde, und einer Scheibe aus einem USIBOR-1500P-Blech ermittelt. Die Probe "1.2344" ist dabei die Referenzprobe (Abriebfestigkeit: 100%). Ein Material mit einer Abriebfestigkeit von 200% weist somit eine doppelt so hohe Abriebfestigkeit wie die Referenzprobe auf und erfährt damit nur einen halb so großen Gewichtsverlust während der Durchführung des Abriebtestverfahrens. Man erkennt, dass die Proben des erfindungsgemäßen Warmarbeitsstahls im Vergleich zu den meisten bekannten Stählen eine sehr hohe Abriebfestigkeit aufweisen.
Nachfolgend sollen weitere bevorzugte Beispiele von Werkzeugstählen, insbesondere Warmarbeitsstählen, gemäß der vorliegenden Erfindung und deren Eigenschaften näher erläutert werden.
Die Wärme- und Temperaturleitfähigkeit sind die wichtigsten thermophysikalischen Materialparameter für die Beschreibung der Wärmetransporteigenschaften eines Werkstoffs oder Bauteils. Für die exakte Messung der Temperaturleitfähigkeit hat sich die so genannte "Laser Flash Technik" (LFA) als rasche, vielseitige und genaue Absolutmethode durchgesetzt. Die entsprechenden Prüfvorschriften sind in den einschlägigen Normen DIN 30905 und DIN EN 821 festgelegt. Für die vorliegenden Messungen wurde das LFA 457 MicroFlash^® der Firma NETZSCH-Gerätebau GmbH, Wittelsbacherstrasse 42, 95100 Selb/Bayern (Deutschland) verwendet.
Aus den gemessenen Temperaturleitfähigkeiten a und der spezifischen Wärme c_p sowie der probenspezifisch ermittelten Dichte p kann die Wärmeleitfähigkeit λ dann auf der Grundlage der Berechnungsgleichung $λ = ρ \cdot C_{p} \cdot a$
sehr einfach ermittelt werden.
In Fig. 3 ist die nach dieser Methode ermittelte Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Gewichtsanteil Chrom für eine Auswahl von Werkzeugstählen der in Tabelle 3 mit FC beziehungsweise FC+xCr gekennzeichneten chemischen Zusammensetzung dargestellt. Dabei unterscheidet sich die Zusammensetzung vor allem im Gewichtsprozentanteil des Legierungselements Chrom.
Diese Stähle weisen durch einen vergleichsweise großen Volumenanteil von Primärkarbiden über die gemäß der vorliegenden Erfindung mögliche Einstellung gewünschter Wärmeleiteigenschaften hinaus zusätzlich einen hohen Widerstand gegen abrasiven und adhäsiven Verschleiß auf und sind somit für hohe mechanische Beanspruchungen, wie sie typischerweise bei Warmumformprozessen auftreten, geeignet.
In Fig. 4 ist die nach der oben beschriebenen Methode ermittelte Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Gewichtsanteil Chrom für eine Auswahl von Werkzeugstählen der in Tabelle 4 mit FM beziehungsweise FM+xCr gekennzeichneten chemischen Zusammensetzung dargestellt. Dabei unterscheiden sich die Zusammensetzungen vor allem im Gewichtsprozentanteil des Legierungselements Chrom. Diese Werkzeugstähle sind insbesondere für den Einsatz in Druckgussprozessen geeignet, da sie durch einen vergleichsweise geringen Anteil von Primärkarbiden gekennzeichnet sind.
In Tabelle 5 ist die chemische Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Werkzeugstahls F zur vergleichenden Untersuchung des Prozessverhaltens zusammengefasst.
Unter prozessnahen Bedingungen, wie sie unter anderem auch bei der Warmblechumformung vorherrschen, konnte mit einem Werkzeugstahl, der die in Tabelle 5 mit F gekennzeichnete chemische Zusammensetzung aufweist, im Vergleich zu einem konventionellen Werkzeugstahl mit der Bezeichnung 1.2344 gemäß DIN 17350 EN ISO 4957 eine beschleunigte Abfuhr der im Werkstück über die Vorerwärmung gespeicherten Wärme über eine pyrometrische Temperaturmessung nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der pyrometrischen Temperaturmessungen sind in Fig. 5 zusammengefasst.
Berücksichtigt man die in diesen Prozessen übliche Werkzeugtemperatur von etwa 200°C, so kann über den hier verwendeten erfindungsgemäßen Werkzeugstahl eine Verkürzung der Abkühldauer von etwa 50 % erreicht werden.
Neben dem erfinderischen Aspekt der Grundeinstellung der Wärmeleitfähigkeit durch die geeignete Wahl der chemischen Zusammensetzung umfasst die vorliegende Erfindung auch den Aspekt der Feineinstellung durch eine definierte Wärmebehandlung.
In Tabelle 6 ist beispielhaft der Einfluss unterschiedlicher Wärmebehandlungsbedingungen für die Legierungsvarianten F mit der in Tabelle 5 zusammengefassten chemischen Zusammensetzung sowie FC mit der in Tabelle 3 zusammengefassten chemischen Zusammensetzung auf die resultierende Wärmeleitfähigkeit dargestellt.
Der Grund für die wärmebehandlungsabhängig sich unterschiedlich einstellende Wärmeleitfähigkeit ist der sich hierdurch ändernde Volumenanteil an Karbiden und ihre geänderte Verteilung und Morphologie.
Es wurde zuvor bereits darauf hingewiesen, dass im Hinblick auf eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit in der chemischen Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen Legierung der Gewichtsanteil von Kohlenstoff einschließlich der kohlenstoffäquivalenten Bestandteile N und B (Kohlenstoffäquivalent xCeq = xC + 0,86 · xN + 1,2 · xB, wobei xC den Gewichtsprozentanteil von C, xN den Gewichtsprozentanteil von N und xB den Gewichtsprozentanteil von B bezeichnen) so eingestellt werden soll, dass möglichst wenig Kohlenstoff in der Matrix in Lösung verbleibt. Das gleiche gilt für den Gewichtsanteil von Molybdän xMo (%Mo) und Wolfram xW (%W); auch diese sollen möglichst nicht in gelöster Form in der Matrix verbleiben, sondern vielmehr zur Karbidbildung beitragen. Dies gilt in ähnlicher Form auch für alle weiteren Elemente; auch diese sollen zur Karbidbildung beitragen und daher nicht gelöst in der Matrix verbleiben, sondern vielmehr dazu dienen, Kohlenstoff zu binden und gegebenenfalls die Verschleißbeständigkeit bei mechanischer Beanspruchung zu erhöhen.
Die zuvor getroffenen Aussagen lassen sich - wenn auch mit einigen Einschränkungen - in einen generellen Beschreibungsansatz in Form einer Gleichung für eine Kenngröße HC des Werkzeugstahls überführen: $HC = xCeq - AC \cdot [xMo / (3 \cdot AMo) + xW / (3 \cdot AW) + (xV - 0,4) / AV]$
beschrieben werden.
In dieser Gleichung bezeichnen:

xCeq -: Gewichtsprozentanteil Kohlenstoffäquivalent (wie oben definiert);
xMo -: Gewichtsprozentanteil Molybdän;
xW -: Gewichtsprozentanteil Wolfram;
xV -: Gewichtsprozentanteil Vanadium;
AC -: Atommasse von Kohlenstoff (12,0107 u);
AMo -: Atommasse von Molybdän (95,94 u);
AW -: Atommasse Wolfram (183,84 u);
AV -: Atommasse von Vanadium (50,9415 u).

Der Betrag von HC sollte vorteilhaft zwischen 0,03 and 0,165 liegen. Der Betrag von HC kann auch zwischen 0,05 and 0,158, insbesondere zwischen 0,09 und 0,15, liegen.
Der Faktor 3 erscheint in der oben aufgeführten Gleichung für den Fall, dass Karbide vom Typ M3C oder M3Fe3C in der Mikrostruktur des erfindungsgemäßen Werkzeugstahls erwartet werden; M steht hierbei für ein beliebiges metallisches Element. Der Faktor 0,4 erscheint aufgrund der Tatsache, dass der gewünschte Gewichtsprozentanteil Vanadium (V) bei der Legierungsherstellung zumeist in chemischer Verbindung in Form von Karbiden zugegeben wird und somit ebenfalls bis zu diesem Anteil als Metallkarbid MC vorliegt.

Weitere Anwendungsgebiete der Werkzeugstähle (Warmarbeitsstähle) gemäß der vorliegenden Erfindung

In Bezug auf die weitere Verwendung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) sind grundsätzlich solche Anwendungsbiete denkbar, bei denen sich eine hohe Wärmeleitfähigkeit oder ein definiert eingestelltes Profil variierender Wärmeleitfähigkeiten positiv auf das Anwendungsverhalten der verwendeten Werkzeug und auf die Eigenschaften der hiermit hergestellten Produkte auswirkt.
Mit der vorliegenden Erfindung kann ein Stahl mit einer genau definierten Wärmeleitfähigkeit erhalten werden. Es besteht sogar die Möglichkeit, durch eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung einen Stahlgegenstand, der zumindest teilweise aus einem der hier vorgestellten Werkzeugstähle (Warmarbeitsstähle) besteht, mit einer sich über das Volumen ändernden Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Dabei kann jedes Verfahren, das eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung innerhalb des Stahlgegenstands ermöglicht, wie zum Beispiel das Sintern von Pulvermischungen, lokales Sintern oder lokales Schmelzen oder so genannte "Rapid-Tooling"-Verfahren beziehungsweise "Rapid-Prototyping"-Verfahren oder eine Kombination von "Rapid-Tooling"-Verfahren und "Rapid-Prototyping"-Verfahren, eingesetzt werden.
Neben den bereits erwähnten Anwendungen im Bereich der Warmblechumformung (Presshärten, Formhärten) und dem Leichtmetalldruckguss sind es generell Werkzeug- und formengebundene Metallgießprozesse, Kunststoffspritzguss und Prozesse der Massivumformung, insbesondere der Warmmassivumformung (zum Beispiel Schmieden, Fließpressen, Strangpressen, Walzen), die bevorzugte Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäßen Warmarbeitsstähle darstellen.
Auf der Produktseite stellen die hier vorgestellten Stähle ideale Voraussetzungen für ihre Verwendung zu Herstellung von Zylinderlaufbuchsen in Verbrennungsmotoren, für Zerspanungswerkzeuge oder Bremsscheiben dar.
In Tabelle 7 sind über die bereits in den Tabellen 3 und 4 aufgeführten Legierungsvarianten hinaus weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Werkzeugstähle (Warmarbeitsstähle) aufgeführt.
Bevorzugte Anwendungen der in Tabelle 7 zusammengefassten Legierungsvarianten sind:

FA: Aluminiumdruckguss;
FZ: Umformung von Kupfer- und Kupferlegierungen (einschließlich Messing);

FW: Druckguss von Kupfer- und Kupferlegierungen; (einschließlich Messing) sowie höherschmelzenden Metalllegierungen;
FV: Umformung von Kupfer- und Kupferlegierungen (einschließlich Messing);
FAW: Druckguss von Kupfer- und Kupferlegierungen; (einschließlich Messing) sowie höherschmelzenden Metalllegierungen;
FA Mod1: Druckguss großvolumiger Bauteile aus Kupfer- und Kupferlegierungen (einschließlich Messing) und Aluminium;
FA Mod2: Umformung von Aluminium;
FC Mod1: Warmblechumformung (Presshärten, Formhärten) mit hohem Verschleißwiderstand;
FC Mod2: Warmblechumformung (Presshärten, Formhärten) mit hohem Verschleißwiderstand.

Tabelle 1

Material	Dichte [g/cm³]	Spezifische Wärme [J/kg K]	Wärmeleitfähigkeit [W/mK]	Wärmeleitzahl [mm²/s]	Elastizitäts-modul [GPa]	Poisson-Zahl
Herkömmliche Werkzeugstähle
W.Nr.-1.2343	7.750	462	24.621	6.876	221.086	0.28014
W.Nr.-1.2344	7.665	466	24.332	6.811	224.555	0.28123
W.Nr.-1.2365	7.828	471	31.358	8.505	217.124	0.28753
W.Nr.-1.2367	7.806	460	29.786	8.295	220.107	0.28140

Beispiele für Warmarbeitsstähle gemäß der vorliegenden Erfindung
Probe F1	7.949	444	56.633	16.0319	197.18	0.2821
Probe F2	7.969	454	58.464	16.1594
Probe F3	7.965	449	55.550	15.5328
Probe F4	7.996	479	61.127	15.9364
Probe F5	7,916	440	64.231	18.4411	195.02	0.2844

Tabelle 3

	Chemische Zusammensetzung								λ[W/mK]
	%C	%Cr	%Mo	%W	%V	%Mn	%Si	andere
FC	0.35	0.03	4	3.3	0.016	0.2	0.03	66	66
FC+0.5Cr	0.34	0.4	4	3.3	0.016	0.2	0.03		48.8
FC+1Cr	0.34	1.01	4	3.3	0.016	0.2	0.03		44.8
FC+1.5Cr	0.34	1.4	4	3.3	0.016	0.2	0.03		42.6
FC+2Cr	0.34	2.04	4	3.3	0.016	0.2	0.03		41.5
FC+3Cr	0.33	2.9	3.9	3.2	0.015	0.2	0.03		37.6

Tabelle 4

	Chemische Zusammensetzung								[ W/mK ]
	%C	%Cr	%Mo	%W	%V	%Mn	%Si	andere
FM	0.33	0.02	4.3	<0.1	<0.01	0.24	0.22		61
FM+0.5Cr	0.33	0.6	4.3	<0.1	<0.01	0.24	0.22		52
FM+1Cr	0.33	0.8	4.3	<0.1	<0.01	0.24	0.22		51
FM+1.5Cr	0.33	1.64	4.3	<0.1	<0.01	0.24	0.22		43
FM+2Cr	0.33	2.07	4.3	<0.1	<0.01	0.24	0.22		43
FM+3Cr	0.32	3	4.2	<0.1	<0.01	0.24	0.22		38

Tabelle 5

	Chemische Zusammensetzung								λ [ W/mK ]
	%C	%Cr	%Mo	%W	%V	%Mn	%Si	andere	λ [ W/mK ]
F	0.32	0.02	3.8	3	0.009	0.2	0.04		61

Tabelle 6

Legierungsvariante	Austenitisierungstemperatur T [ °C ]	Kühlmedium	Härte [HRc]	λ [ W/mK ]
F	1040	Luft	41	57
F	1060	Luft	42	58
F	1080	Luft	40	61
F	1250	Luft	42	56
FC	1080	Öl	47	52
FC	1080	Luft	44	66
FC	1060	Öl	45	54
FC	1060	Luft	44	63

Tabelle 7

	Chemische Zusammensetzung								λ [ W/mK ]
	%C	%Cr	%Mo	%W	%V	%Mn	%Si	andere	λ [ W/mK ]
FA	0.29	0.02	3.1	2.1	<0.01	0.27	0.1		58
FZ	0.29	0.02	3.3	0.76	0.5	0.32	0.15	Zr:0.11;Co:2.8	46
FZ	0.29	0.02	3.3	0.76	0.5	0.32	0.15	Hf:0.14	46
FW	0.27	0.02	2.18	4.1	<0.01	0.25	0.2		56
FV	0.35	0.015	3.3	1.7	0.61	0.27	0.13		51
FAW	0.28	0.02	2.58	3.0	<0.01	0.26	0.16		57
FA Mod1	0.3	0.01	4.0	1.1	<0.01	0.2	0.05		64
FA Mod2	0.37	0.8	4.5	1.5	<0.01	0.24	1.2		58
FC Mod1	0.5	<0.01	6.7	4	<0.01	0.3	0.04		72
F	0.32	0.02	3.8	3	0.009	0.2	0.04		61
FC Mod2	0.5	0.03	9	0.1	<0.01	0.2	0.03		70

Claims

Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, mit der Zusammensetzung:
0,26 bis 0,55 Gew.-% C oder 0,25 bis 1 Gew.-% C und N und B in der Summe;

< 2 Gew.-% Cr;

0,5 bis 10 Gew.-% Mo;

0 bis 15 Gew.-% W;

wobei der Gehalt von W und Mo in der Summe 1,8 bis 15 Gew.% beträgt;

karbidbildende Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einem Gehalt von 0 bis 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe;

0 bis 4 Gew.- % V;

0 bis 6 Gew.-% Co;

0 bis 1,6 Gew.-% Si;

0 bis 2 Gew.-% Mn;

0 bis 2,99 Gew.-% Ni;

0 bis 1 Gew.-% S;

Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen,

wobei die Verunreinigungen eines oder mehrere der Elemente Cu, P, Bi, Ca, As, Sn oder Pb mit einem Gehalt von maximal 1 Gew.-% einzeln oder in der Summe enthalten sind,
dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise von mehr als 48 W/mK, insbesondere von mehr als 55 W/mK aufweist.
Werkzeugstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl weniger als 1 Gew.-% Cr, vorzugsweise weniger als 0,5 Gew.-% Cr und insbesondere weniger als 0,1 Gew.-% Cr enthält.
Werkzeugstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Molybdängehalt des Werkzeugstahls > 1 Gew.-%, vorzugsweise > 1,5 Gew.-%, insbesondere >= 2 Gew.-% ist.
Werkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl 2 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 2,5 bis 15 Gew.-% Mo und W in der Summe enthält.
Werkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl 1 bis 10 Gew.-% Mo enthält.
Werkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vanadiumgehalt des Werkzeugstahls ≤ 2 Gew.-%, vorzugsweise ≤ 1,2 Gew.-% ist.
Verwendung eines Werkzeugstahls nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Werkstoff zur Herstellung eines Warmarbeitsstahlgegenstands.
Stahlgegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand zumindest teilweise aus einem Werkzeugstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 7 besteht.
Stahlgegenstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand eine über sein gesamtes Volumen im Wesentlichen konstante Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Stahlgegenstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand eine sich zumindest abschnittsweise ändernde Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Stahlgegenstand nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Druckumformung, der Schubumformung, oder der Biegeumformung von Metallen, vorzugsweise in Freiformschmiedeprozessen, Gesenkschmiedeprozessen, Thixoschmiedeprozessen, Fließpressprozessen, Strangpressprozessen, Gesenkbiegeprozessen, Walzprofilierprozessen oder in Flach-, Profil- und Gießwalzprozessen ist oder ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Zugdruckumformung und Zugumformung von Metallen, vorzugsweise in Presshärtprozessen, Formhärtprozessen, Tiefziehprozessen, Streckziehprozessen und Kragenziehprozessen ist.
Stahlgegenstand nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung metallischer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Druckgießprozessen, Vakuumdruckgießprozessen, Thixogießprozessen, Gießwalzprozessen, Sinterprozessen und heißisostatischen Pressprozessen ist oder ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung polymerer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Spritzgießprozessen, Extrusionsprozessen und Extrusionsblaseprozessen ist oder ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung keramischer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Sinterprozessen ist.
Stahlgegenstand nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand ein Bauteil für Maschinen und Anlagen der Energieerzeugung und der Energieumwandlung, vorzugsweise für Verbrennungskraftmaschinen, Reaktoren, Wärmetauscher und Generatoren, oder ein Bauteil für Maschinen und Anlagen der chemischen Verfahrenstechnik, vorzugsweise für chemische Reaktoren, ist.