DE10219350A1

DE10219350A1 - Warmverformbarer Matrizenstahl mit ausgezeichneter Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichneter Festigkeit bei erhöhter Temperatur und aus dem warmverformbaren Matrizenstahl hergestellter Formkörper für die Verwendung bei hoher Temperatur

Info

Publication number: DE10219350A1
Application number: DE10219350A
Authority: DE
Inventors: Rinzo Kayano; Eiji Maeda
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2022-05-01
Also published as: TW573023B; CA2383165C; CA2383165A1; JP3535112B2; US20020182099A1; US6841122B2; JP2002327246A; DE10219350B4

Abstract

Warmverformbarer Matrizenstahl, der 0,05 bis 0,25% C, 0,30% oder weniger Si, 0,30% oder weniger Mn, 1,0% oder weniger Ni, 5,0 bis 13,0% Cr, 2,0% oder weniger Mo, 1,0 bis 8,0% W, 1,0 bis 10,0% Co, 0,003 bis 0,020% B, 0,005 bis 0,050% N enthalt und bei dem der Rest im wesentlichen aus Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht. Gewünschtenfalls kann der warmverformbare Matrizenstahl außerdem 0,01 bis 1,0% V und 0,01 bis 1,0% mindestens eines Elements aus der Gruppe Nb und Ta enthalten.

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen warmverarbeitbaren bzw. warmverformbaren Matrizen- bzw. Gesenkstahl, der bei verhältnismäßig hohen Temperaturen (zweckmäßig 300°C oder mehr) verwendet wird, und einen Formkörper bzw. ein Teil für die Verwendung bei hoher Temperatur, beispiels weise ein Bauteil für eine Gießmaschine, ein Bauteil für eine Spritzgießmaschi ne und ein Teil für eine Warmschmiedemaschine, die aus dem warmverarbeit baren bzw. warmverformbaren Matrizenstahl hergestellt sind.

Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-133945, auf deren gesamten Inhalt hier Bezug genommen wird.

2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik

Als Bauteil für eine Gießmaschine, die hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wenn Aluminium, Magnesium oder eine sie als Hauptkomponente enthaltende Legierung durch Gießen hergestellt wird, wird üblicherweise ein warmverform barer bzw. warmverarbeitbarer Matrizen- bzw. Gesenkstahl verwendet, bei spielsweise ein JIS (Japanese Industrial Standards) SKD 61-Stahl auf Basis von 5% Cr. Außerdem wird der JIS SKD 61-Stahl in entsprechender Weise verwendet als Bauteil für eine Spritzgießmaschine für ein solches Leichtmetall oder ein niedrigschmelzendes Metall.

In den Fällen, in denen der JIS SKD 61-Stahl für diese Verwendungszwecke eingesetzt wird, ist seine Standzeit (Lebensdauer) kurz als Folge verschiedener Faktoren, und als ein Faktor kann der Mangel an Kriechbruch-Duktilität und die Zunahme der Kriechdehnung genannt werden, die auftritt, wenn der JIS SKD 61-Stahl über längere Zeiträume hinweg in einer Umgebung verwendet wird, in der er Belastungen bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist. Dies ist so, ob gleich versucht worden ist, den JIS SKD 61-Stahl zu verstärken durch Aus scheidung von Carbiden in dem Martensit in Form von sehr feinen Teilchen durch Anlassen, wenn er über längere Zeiträume hinweg bei erhöhter Tempe ratur verwendet wird, wobei eine Erholung der Dislokation und der Koagulation und eine Vergröberung der Carbide auftritt, sodass die ursprünglichen Materia leigenschaften nicht aufrechterhalten werden können, und der JIS SKD 61- Stahl allmählich weich wird. Außerdem tritt in einer solchen Spritzgießmaschi ne, die auf hohe Temperaturen erhitzt wird, die Gefahr auf, dass der JIS SKD 61-Stahl einer Abriebs-Abnutzung unterliegt und dazu neigt, in einem Verfah ren zu brechen, in dem eine Scherkraft auf eine feste Legierung einwirkt und die feste Legierung geschmolzen wird.

Inzwischen ist eine Superlegierung auf Ni-Basis unter der Bezeichnung Inconel 718 (Handelsname, wie auch nachstehend) bekannt als Material mit einer aus gezeichneten Festigkeit bei erhöhten Temperaturen. Bei diesem Material tritt jedoch das Problem auf, dass seine Korrosionsbeständigkeit beträchtlich ist wegen des geschmolzenen Aluminiums, Magnesiums oder der geschmolzenen Legierung, diese als Hauptkomponenten enthält. Wenn ein Bauteil durch eine Heizeinrichtung oder dgl. erhitzt wird, um Aluminium, Magnesium oder eine sie als Hauptkomponenten enthaltende Legierung zu schmelzen, weist die Super legierung auf Ni-Basis, beispielsweise das Inconel 718, eine niedrige Wärme leitfähigkeit und eine niedrige Duktilität und Zähigkeit bei hohen Temperaturen auf. Es besteht daher das Problem, dass thermische Spannungen, die auf eine Temperatur-Differenz zwischen den inneren und äußeren Oberflächen des Teils zurückzuführen sind, auftreten und dass das Material beeinträchtigt wird und die Zuverlässigkeit als Bauteil abnimmt. Obgleich es bekannt ist, dass Stellite (Handelsname, wie auch nachstehend), das allgemein als Werkzeug material und als Ventilmaterial verwendet wird, und andere Legierungen auf Kobalt-Basis Materialien mit einer ausgezeichneten Festigkeit bei erhöhten Temperaturen darstellen und ihre Korrosion in geschmolzenem Zustand Schmelzen-Korrosion gering ist, tritt bei diesen Metallen jedoch das Problem auf, dass es schwierig ist, sie als Bauelemente zu verwenden, da ihre Zähigkeit etwas geringer ist und sie teuer sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen sehr zuverlässigen warmverformbaren bzw. warmverarbeitbaren Matrizen- bzw. Gesenkstahl zur Verfügung zu stellen, bei dem die oben genannten Probleme nicht auftreten, der im Vergleich zu dem konventionellen JIS SKD 61-Stahl eine hohe Hochtemperatur-Dauerstandfe stigkeit und eine äquivalente Kurzzeit-Zugfestigkeit aufweist, eine überragende Korrosionsbeständigkeit in bezug auf geschmolzenes Aluminium, Magnesium oder eine sie als Hauptkomponenten enthaltende Legierung hat und in der La ge ist, die Entstehung von thermischen Spannungen zu unterdrücken, die auf eine Temperaturdifferenz in dem Element zurückzuführen sind, da er eine zu friedenstellende Wärmeleitfähigkeit aufweist, und als Element für die Verwen dung bei hoher Temperatur aus diesem warmverformbaren Matrizenstahl her gestellt werden kann.

1. Erfindungsgemäß werden die vorstehend beschriebenen Probleme ge löst durch Bereitstellung eines warmverformbaren bzw. warmverarbeitbaren Gesenk- bzw. Matrizenstahls mit einer ausgezeichneten Schmelzen-Korro sionsbeständigkeit (in einer Schmelze) und einer ausgezeichneten Festigkeit bei erhöhter Temperatur, der umfasst:
0,05 bis 0,25 Massenprozent C, 0,30 Massenprozent oder weniger Si, 0,30 Massenprozent oder weniger Mn, 1,0 Massenprozent oder weniger Ni, 5,0 bis 13,0 Massenprozent Cr, 2,0 Massenprozent oder weniger Mo, 1,0 bis 8,0 Mas senprozent W, 1,0 bis 10,0 Massenprozent Co, 0,003 bis 0,020 Massenprozent B, 0,005 bis 0,050 Massenprozent N und als Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen.
2. Der erfindungsgemäße warmverformbare bzw. warmverarbeitbare Ma trizenstahl mit einer ausgezeichneten Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit und einer ausgezeichneten Festigkeit bei erhöhter Temperatur ist außerdem da durch gekennzeichnet, dass er zusätzlich 0,01 bis 1,0 Massenprozent V als Bestandteil enthält.
3. Der erfindungsgemäße warmverformbare bzw. warmverarbeitbare Ma trizenstahl mit einer ausgezeichneten Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit und einer ausgezeichneten Festigkeit bei erhöhter Temperatur ist dadurch gekenn zeichnet, dass er zusätzlich mindestens 0,01 bis 1,0 Massenprozent minde stens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe Nb und Ta, als Bestandteil enthält.
4. Der erfindungsgemäße warmverformbare Matrizenstahl mit einer ausge zeichneten Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit und einer ausgezeichneten Festigkeit bei erhöhter Temperatur ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ge samtgehalt an Co und W 5,0 Massenprozent oder mehr beträgt.
5. Der erfindungsgemäße warmverformbare Matrizenstahl mit einer ausge zeichneten Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit und einer ausgezeichneten Festigkeit bei erhöhter Temperatur ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wert eines Cr-Äquivalents, ausgedrückt durch die folgende Formel, 7,0 oder weniger beträgt:
Cr-Äquivalent = [Cr%] + 6 [Si%] + 4 [Mo%] + 1,5 [W%] + 11 [V%] + 5 [Nb%] - 40 [C%] - 2 [Mn%] - 4 [Ni%] - 30 [N%] - 2 [Co%].
6. Ein erfindungsgemäßes Teil für die Verwendung bei hoher Temperatur, das aus einem erfindungsgemäßen warmverformbaren Matrizenstahl herge stellt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Teil ein Bauteil für eine Gieß maschine, ein Bauteil für eine Spritzgießmaschine oder ein Teil für eine Warm schmiedemaschine darstellt.
7. Das erfindungsgemäße Teil für die Verwendung bei hoher Temperatur, das aus einem warmverformbaren Matrizenstahl hergestellt ist, ist dadurch ge kennzeichnet, dass eine Oberflächenhärtung für mindestens einen Teil der Oberflächen des Elements durchgeführt worden ist.
8. Ein erfindungsgemäßes Teil (Formkörper) für die Verwendung bei hoher Temperatur, das aus einem warmverformbaren Matrizenstahl hergestellt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenhärtung durch Nitridierung, Car bonisierung und Ionenimplantation bewirkt wird.

Dank der vorstehend angegebenen Zusammensetzung hat nämlich der erfin dungsgemäße warmverformbare bzw. warmverarbeitbare Matrizen- bzw. Ge senkstahl eine hohe Kurzzeit-Zugfestigkeit und eine Hochtemperatur-Dauer standfestigkeit, er weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in bezug auf eine geschmolzene Aluminium-Legierung oder dgl. und eine zufriedenstel lende Wärmeleitfähigkeit auf. Dank der oben genannten Eigenschaften weist ein Teil für die Verwendung bei hoher Temperatur, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen warmverformbaren Matrizenstahls hergestellt worden ist, bei der Verwendung in einer Umgebung mit hoher Temperatur eine ausge zeichnete Haltbarkeit (Dauerhaftigkeit) auf und ergibt eine höhere Zuverlässig keit.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht, die eine Spritzgießmaschine gemäß ei ner Ausführungsform der Erfindung erläutert;

Fig. 2 stellt ein Diagramm dar, das die Kriechbruch-Festigkeit jedes Probekör pers, die in einem Kriechbruchtest bestimmt wurde, erläutert;

Fig. 3 stellt ein Diagramm dar, das den relativen Schmelzen-Korrosions- Geschwindigkeitsfaktor (die Schmelzen-Korrosionsgeschwindigkeits konstante jedes Probekörpers, bezogen auf die Schmelzen- Korrosionsgeschwindigkeitskonstante von SKD 61-Stahl) jedes Probe körpers, ermittelt aufgrund der Ergebnisse eines Schmelzverlusttests, erläutert;

Fig. 4 stellt ein Diagramm dar, das die Hochtemperatur-Kurzzeit-Zugfestigkeit einiger Probekörper erläutert; und

Fig. 5 stellt ein Diagramm dar, das die Hochtemperatur-Wärmeleitfähigkeit ei niger Probekörper erläutert.

Nachstehend werden die Gründe für die Begrenzung der Komponenten- Gehalte, die erfindungsgemäß definiert sind, sowie ihre Wirkungsweise be schrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die nachstehend angegebenen Gehalte jeweils in Massenprozent angegeben sind.

C: 0,05 bis 0,25%

C ist ein Element, das sich in der Matrix löst und die Martensit-Umwandlung fördert und es ist ein unerlässliches Element für die Gewährleistung der Härt barkeit. Gleichzeitig bildet C Carbide durch Kombination mit Fe, Cr, Mo, W, V, Nb und dgl. und stellt ein unerlässliches Element für die Verbesserung der Festigkeit bei erhöhter Temperatur dar. Das heißt mit anderen Worten, C ist ein wesentliches Element für die Sicherstellung von Festigkeit, Härte und Ver schleißfestigkeit und dgl., welche die Minimal-Bedingungen für ein Teil für die Verwendung bei hoher Temperatur darstellen. Um das Auftreten dieser Effekte nachweisen zu können, ist ein Minimalgehalt von nicht weniger als 0,05% er forderlich. Da bei einem übermäßig hohen Gehalt die Wahrscheinlichkeit be steht, dass eine übermäßige Vergröberung der Carbide und eine Abnahme der Festigkeit bei erhöhter Temperatur auftreten, wird die Obergrenze auf 0,25% festgelegt. Es sei darauf hingewiesen, dass es aus den gleichen Gründen be sonders bevorzugt ist, die Untergrenze auf 0,07% und die Obergrenze auf 0,15% festzulegen.

Si: 0,30% oder weniger

Si wird als desoxidierendes Element verwendet, wenn Stähle geschmolzen und raffiniert werden, was zur Folge hat, dass der Stahl unvermeidlich Si als Verun reinigung enthält. Si fördert jedoch die Vergröberung der Carbide und bildet intermetallische Verbindungen, eine so genannte Laves-Phase, die bewirkt, dass die Zähigkeit des Stahls abnimmt. Es ist daher bevorzugt, den Si-Gehalt so niedrig wie möglich zu halten und der Si-Gehalt ist auf 0,30% oder weniger beschränkt. Es sei darauf hingewiesen, dass es besonders bevorzugt ist, den Si-Gehalt auf 0,20% oder weniger zu begrenzen.

Mn: 0,30% oder weniger

Mn ist ein Element, das als desoxidierendes Element in der gleichen Weise wie Si verwendbar ist und es trägt zur Verbesserung der Härtbarkeit bei. Eine übermäßig hohe Zugabe führt jedoch zu einer Verschlechterung der Zähigkeit und zu einer Abnahme der Festigkeit bei erhöhter Temperatur. Sein Gehalt ist daher auf 0,30% oder weniger begrenzt. Es sei darauf hingewiesen, dass es besonders bevorzugt ist, den Mn-Gehalt auf 0,20% oder weniger zu begren zen.

Ni: 1,0% oder weniger

Ni ist ein Element, das zur Verbesserung der Härtbarkeit und zur Unterdrückung der Bildung von δ-Ferrit verwendbar ist und es ist gewünschtenfalls aktiv darin enthalten. Ein übermäßig hoher Gehalt führt jedoch zu einer Abnahme der Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit. Sein Gehalt ist daher auf 1,0% oder weniger begrenzt. Obgleich es Fälle gibt, in denen Ni als unvermeidbare Ver unreinigung enthalten ist, beträgt sein Gehalt in den Fällen, in denen es aktiv darin enthalten ist, vorzugsweise 0,2% oder mehr, um die vorstehend be schriebenen Effekte in zufriedenstellender Weise zu erzielen.

Cr: 5,0 bis 13,0%

Cr ist ein notwendiges und unerlässliches zusätzliches Element für ein Teil für die Verwendung bei hoher Temperatur, um die Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten und die Festigkeit der Legierung zu erhöhen durch Bildung von Carbiden in Kombination mit C. Da seine Stabilität gegenüber einem geschmolzenen Metall hoch ist, verbes sert Cr außerdem die Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit der Legierung. Damit seine Effekte nachgewiesen werden können, ist ein Gehalt von nicht weniger als mindestens 5,0% erforderlich. Ein übermäßig hoher Gehalt fördert jedoch die Bildung von δ-Ferrit und führt zu einer Abnahme der Zähigkeit und zu einer Abnahme der Festigkeit bei erhöhter Temperatur. Sein Gehalt ist da her auf den Bereich von 5,0 bis 13,0% beschränkt. Es sei darauf hingewiesen, dass es aus den gleichen Gründen besonders bevorzugt ist, die Untergrenze auf 8,0% und die Obergrenze auf 11,0% einzustellen.

Mo: 2,0% oder weniger

Mo löst sich in der Matrix und hat die Wirkung, dass es die Festigkeit bei erhöh ter Temperatur verbessert, die Ausscheidung von sehr feinen Carbiden fördert und ihre Koagulation verhindert. Da seine Stabilität gegenüber einem ge schmolzenen Metall hoch ist, verbessert Mo außerdem die Schmelzen- Korrosionsbeständigkeit der Legierung, sodass es gewünschtenfalls darin ent halten ist. Ein übermäßig hoher Gehalt fördert jedoch die Bildung von δ-Ferrit und führt zu einer Verschlechterung der Zähigkeit und zu einer Abnahme der Festigkeit bei erhöhter Temperatur. Sein Gehalt ist daher auf 2,0% oder weni ger begrenzt. Es sei darauf hingewiesen, dass es aus den gleichen Gründen besonders bevorzugt ist, die Obergrenze auf 1,0% festzulegen. Um die oben genannten Effekte in ausreichendem Maße zu erzielen, ist es ferner bevorzugt, dass sein Gehalt 0,2% oder mehr beträgt.

W: 1,0 bis 8,0%

W löst sich in der Matrix und hat die Wirkung, dass es die Festigkeit bei erhöh ter Temperatur verbessert und die Koagulation von Carbiden verhindert. Da seine Stabilität gegenüber einem geschmolzenen Metall hoch ist, verbessert W außerdem die Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit der Legierung. Da seine Wirkung größer ist als diejenige von Mo, ist es jedoch erforderlich, dass B not wendigerweise darin enthalten ist. Damit diese Effekte nachgewiesen werden können, ist ein Gehalt von nicht weniger als mindestens 1,0% erforderlich. Da ein übermäßig hoher Gehalt jedoch die Bildung von δ-Ferrit und der Laves- Phase fördert, führt er zu einer Abnahme der Zähigkeit und der Festigkeit bei erhöhter Temperatur. Sein Gehalt ist daher auf den Bereich von 1,0 bis 8,0% begrenzt. Es sei darauf hingewiesen, dass aus den gleichen Gründen es be sonders bevorzugt ist, die Untergrenze auf 3,0% und die Obergrenze auf 6,0% einzustellen.

V: 0,01 bis 1,0%

V bildet in Kombination mit C Carbide und trägt zu einer Verbesserung der Festigkeit bei erhöhter Temperatur und der Verschleißfestigkeit bei, sodass es eine Wunschkomponente ist. Damit seine Effekte nachgewiesen werden kön nen, ist ein minimaler Gehalt von nicht weniger als 0,01% erforderlich. Da ein übermäßig hoher Gehalt zu einer übermäßigen Vergröberung der Carbide und zu einer Abnahme der Festigkeit bei erhöhter Temperatur führt, ist jedoch sein Gehalt begrenzt auf den Bereich von 0,01 bis 1,0%. Es sei darauf hingewie sen, dass es aus den gleichen Gründen besonders bevorzugt ist, die Unter grenze auf 0,10% und die Obergrenze auf 0,40% festzulegen.

Nb + Ta: 0,01 bis 1,0%

Nb und Ta bilden sehr feine Carbide in Kombination mit C und tragen zu einer Verbesserung der Festigkeit bei erhöhter Temperatur und zu einer Kornverfei nerung bei, sodass Nb und/oder Ta erwünschte Bestandteile darstellen. Damit ihre Effekte nachgewiesen werden können, ist ein Mindestgehalt von nicht we niger als 0,01% erforderlich. Da jedoch ein übermäßig hoher Gehalt zu einer übermäßigen Vergröberung der Carbide und zu einer Verringerung der Festig keit bei erhöhter Temperatur und zu einer Abnahme der Zähigkeit führt, ist ihr Gehalt auf den Bereich von insgesamt 0,01 bis 1,0% begrenzt. Es sei darauf hingewiesen, dass es aus den gleichen Gründen besonders bevorzugt ist, die Untergrenze auf 0,02% und die Obergrenze auf 0,15% festzulegen.

Co: 1,0 bis 10,0%

Co bildet in der Matrix eine feste Lösung und verbessert die Festigkeit bei er höhter Temperatur und die Schlagzähigkeit. Außerdem unterdrückt Co die δ-Ferrit-Bildung und verhindert die Abnahme der Festigkeit bei erhöhten Tempe raturen und die Abnahme der Zähigkeit. Es ist daher erforderlich, dass Co als notwendige Komponente zugegeben wird, und um seine Effekte zu erzielen, ist ein Mindestgehalt von 1,0% erforderlich. Da jedoch Co ein sehr teures Ele ment ist, werden durch eine übermäßig hohe Zugabemenge die Kosten für die Legierung bemerkenswert hoch. Daher ist sein Gehalt auf den Bereich von 1,0 bis 10,0% beschränkt. Es sei darauf hingewiesen, dass es aus den gleichen Gründen besonders bevorzugt ist, die Untergrenze auf 3,0% und die Ober grenze auf 6,0% festzulegen.

Co + W: 5,0% oder mehr

Da Co, wie oben angegeben, vorteilhafte Effekte auf die Festigkeit, die Zähig keit und die Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen ergibt, ist es bevorzugt, seinen Gehalt innerhalb des oben angegebenen be grenzten Bereiches weiter zu erhöhen, um diese Eigenschaften weiter zu ver bessern. Es gibt jedoch ein bestimmtes Maß für eine ergänzende Beziehung zwischen W und Co, die ähnliche Effekte ergibt, und ein Teil des Co, das ein teures Legierungselement ist, kann durch W ersetzt werden. Es ist daher wün schenswert, die Gesamtmenge des Co- und W-Gehaltes auf 5,0% oder mehr festzulegen.

B: 0,003 bis 0,020%

Selbst wenn B in einer sehr geringen Menge zugegeben wird, wird B haupt sächlich an den Korngrenzen ausgeschieden und dadurch hat es die Wirkung, die Korngrenzen zu stabilisieren. Aufgrund dieses Effekts unterdrückt B eine zeitabhängige Gefügeänderung bei erhöhten Temperaturen, hält die Festigkeit über längere Zeiträume hinweg aufrecht und unterdrückt das Auftreten oder die Ausbreitung von Rissen. Damit dieser Effekt nachgewiesen werden kann, ist ein Mindestgehalt von nicht weniger als 0,003% erforderlich. Ein übermäßig hoher Gehalt führt jedoch zu einer Abnahme der Duktilität und der Zähigkeit. Sein Gehalt ist daher auf den Bereich von 0,003 bis 0,02% beschränkt. Es sei darauf hingewiesen, dass es aus den gleichen Gründen besonders bevorzugt ist, die Untergrenze auf 0,005% und die Obergrenze auf 0,012% festzulegen.

N: 0,005 bis 0,050%

N bildet durch Kombination mit Cr, V, Nb und dgl. in der Legierung Nitride oder Carbonitride und verstärkt die Matrix. Außerdem verbessert N die Korrosions beständigkeit und die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen. Um diesen Effekt nachweisen zu können, ist ein Mindestgehalt von nicht weniger als 0,005% erforderlich. Ein übermäßig hoher Gehalt führt jedoch zu einer Beeinträchti gung der Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit. Sein Gehalt ist daher auf den Bereich von 0,005 bis 0,05% beschränkt. Es sei darauf hingewiesen, dass es aus den gleichen Gründen besonders bevorzugt ist, die Untergrenze auf 0,01% und die Obergrenze auf 0,03% festzulegen.

Cr-Äquivalent: 7,0 oder weniger

Die Neigung zur Bildung von δ-Ferrit wird verstärkt durch Erhöhung des Cr-Äquivalents, wie in der nachstehenden Formel angegeben, und führt zu einer Abnahme der Zähigkeit und Festigkeit bei erhöhter Temperatur. Es ist daher bevorzugt, das Cr-Äquivalent auf 7,0 oder weniger zu beschränken:

Cr-Äquivalent = [Cr%] + 6 [Si%] + 4 [Mo%] + 1,5 [W%] + 11 [V%] + 5 [Nb%] - 40 [C%] - 2 [Mn%] - 4 [Ni %] - 30 [N%] - 2 [Co %].

Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrie ben.

Der erfindungsgemäße warmverformbare bzw. warmverarbeitbare Matrizen- bzw. Gesenkstahl kann hergestellt werden durch Schmelzen unter Anwendung eines konventionellen Verfahrens, nachdem verschiedene Komponenten so eingestellt worden sind, dass eine vorgegebene Zusammensetzung erhalten wird. Erfindungsgemäß unterliegt dieses Schmelzverfahren keiner besonderen Beschränkung.

Der wie vorstehend beschrieben erhaltene warmverformbare bzw. warmverar beitbare Matrizenstahl hat die oben angegebene Zusammensetzung, weist eine ausgezeichnete Kurzzeit-Zugfestigkeit und eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Dauerfestigkeit und eine ausgezeichnete Schmelzen- Korrosionsbeständigkeit auf und besitzt eine zufriedenstellende Wärmeleitfä higkeit.

Der warmverformbare Matrizenstahl wird einer geeigneten Behandlung unter zogen und als Teil für die Verwendung bei hoher Temperatur verfügbar ge macht. Es sei darauf hingewiesen, dass erfindungsgemäß das Verfahren zur Verarbeitung des warmverformbaren Matrizenstahls zu einem Teil für die Ver wendung bei hoher Temperatur keiner speziellen Beschränkung unterliegt und durch Walzen, Schmieden, Biegen, Schleifen und eine andere maschinelle Be arbeitung in geeigneter Weise verformt bzw. verarbeitet werden kann. Eine geeignete Anwendung des Teils für die Verwendung bei hoher Temperatur ist eine Anwendung, bei der es in einer Hochtemperatur-Umgebung, beispielswei se bei 300°C oder mehr, verwendet wird und bei der die vorstehend beschrie benen Eigenschaften erforderlich sind. Eine typische Anwendung ist beispiels weise die Verwendung als Bauteil für eine Gießmaschine, als Bauteil für eine Spritzgießmaschine und als Teil für eine Warmschmiedemaschine.

Die Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht, die einen Teil einer Spritzgießma schine 1 erläutert, die in einer Hochtemperatur-Umgebung verwendet wird, und der erfindungsgemäße warmverformbare Matrizenstahl wird für einen Zylinder 2 und einen Zylinderkopf 3 als Teile für die Verwendung bei hoher Temperatur eingesetzt. Außerdem ist zum Erhitzen des distalen Endabschnitts des Zylin ders 2 und des Zylinderkopfes 3 eine Heizeinrichtung 4 um einen äußeren Umfangsabschnitt des Zylinders 2 an der Seite des distalen Endes herum an geordnet. Wenn die Spritzgießmaschine 1 in Betrieb gesetzt wird, werden der Zylinder 2 und der Zylinderkopf 3 in Hochtemperatur-Zustände versetzt und für den Fall, dass ein niedrigschmelzendes Metall spritzgegossen wird, bewegt sich ein niedrigschmelzendes Metall mit hoher Temperatur im Innern des Zylin ders 2 und des Zylinderkopfes 3, während es damit in Kontakt kommt. Außer dem werden der distale Endabschnitt des Zylinders 2 und der Zylinderkopf 3 von den äußeren Umfangsseiten her durch die Heizeinrichtung 4 erhitzt.

Bei dem vorstehend beschriebenen Betrieb weisen der Zylinder 2 und der Zy linderkopf 3, die aus dem warmverformbaren Matrizenstahl hergestellt sind, hervorragende Hochtemperatur-Eigenschaften und eine hervorragende Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit sowie eine herausragende Haltbarkeit selbst in der oben genannten Hochtemperatur-Umgebung auf. Außerdem wei sen der Zylinder 2 und der Zylinderkopf 3 auch eine ausgezeichnete Wärmeleit fähigkeit auf und das Auftreten von Wärmespannungen als Folge einer Erhit zung durch die Heizeinrichtung ist gering, sodass es möglich ist, eine Appara tur mit einer hohen Zuverlässigkeit zu erhalten.

In dem erfindungsgemäßen Teil für die Verwendung bei hoher Temperatur kann, obgleich eine Oberflächenhärtung bei dieser Ausführungsform nicht vor gesehen ist, ein Teil oder die Gesamtheit ihrer Oberflächen einer Oberflächen härtung unterzogen werden. Durch diese Oberflächenhärtung ist es möglich, die Verschleißfestigkeit, die Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit und dgl. des Teils für die Verwendung bei hoher Temperatur zu verbessern. Das Verfahren zur Durchführung dieser Oberflächenhärtung unterliegt erfindungsgemäß kei ner speziellen Beschränkung und es können beispielsweise angewendet wer den eine Nitridier-Behandlung, eine Carbonisierungs-Behandlung und eine Ionenimplantation, bei der beispielsweise Kohlenstoff- und Stickstoffionen ver wendet werden.

Beispiele

Nachstehend wird ein erfindungsgemäßes Beispiel näher beschrieben.

Proben mit den in der Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen wurden durch Schmelzen in einem Vakuuminduktions-Schmelzofen zu 50 kg- Stahlblöcken geformt. Es sei darauf hingewiesen, dass in der Tabelle die Ge samtmenge der Co und W-Gehalte (Co + W) und das Cr-Äquivalent der oben genannten Proben gemeinsam angegeben sind. Die jeweils hergestellten Stahlblöcke wurden, nachdem sie einer Diffusions- und Homogenisierungs- Behandlung unterzogen worden waren, durch Warmschmieden zu Platten mit einer Dicke von 30 mm und einer Breite von 120 mm verarbeitet. Die aus die sen Plätten entnommenen Probestücke wurden einer dreistündigen Wärmebe handlung bei 1100°C unterzogen und dann an der Luft abgekühlt zur Durch führung einer Härtung (Abschreckung) und sie wurden einer 20-stündigen Wärmebehandlung bei 670°C unterzogen und dann zum Anlassen in einem Ofen abgekühlt.

Zuerst wurden zur Bewertung der Dauerstandfestigkeit der Probestücke bei der Bewertungstemperatur die Probestücke nach dem Abschrecken (Härten) und Anlassen einem Kriechbruch-Test bei einer Temperatur von 650°C und einer Belastung von 157 MPa unterzogen und das Verhältnis zwischen ihrer Kriech bruch-Standfestigkeit und derjenigen des SKD 61-Stahls, d. h. eines konventio nellen Stahls, wurde als relative Kriechbruch-Standfestigkeit definiert. Die Fig. 2 zeigt die relative Kriechbruch-Standfestigkeit jedes Probekörpers und es ist klar, dass die erfindungsgemäßen Stähle die Kriechbruchfestigkeit des kon ventionellen SKD 61-Stahls (Nr. 12) und der Vergleichsstähle (Nr. 10 und 11) übertreffen. Außerdem zeigt die Fig. 2, dass unter den erfindungsgemäßen Stählen diejenigen (mit den Nr. 1 bis 7), in denen der Gehalt an (Co + W) in nerhalb des Bereiches von 5,0% oder höher liegt, eine höhere Kriechbruchfe stigkeit aufweisen.

Zur Bewertung der Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit jedes Probekörpers wurde ein Schmelzen-Korrosionstest unter Verwendung einer selbst hergestell ten Testvorrichtung durchgeführt. Es wurden der Grad der Schmelzen-Korro sion und die Schmelzen-Korrosiongeschwindigkeitskonstante bei 650°C pro höchstens 100 Stunden bestimmt, während die Probekörper in einer ge schmolzenen Al-Mg-Legierung gedreht wurden. Die Schmelzen-Korrosionge schwindigkeitskonstante jedes Probekörpers, bezogen auf diejenige des kon ventionellen SKD 61-Stahls (Nr. 12), wurde definiert als relativer Schmelzen- Korrosionsgeschwindigkeitsfaktor. Je kleiner der relative Schmelzen- Korrosionsgeschwindigkeitsfaktor ist, umso besser ist die Schmelzen- Korrosionsbeständigkeit des Probekörpers. Die Fig. 3 zeigt den relativen Schmelzen-Korrosionsgeschwindigkeitsfaktor jedes Probekörpers und daraus geht hervor, dass die erfindungsgemäßen Stähle den konventionellen und Vergleichsstählen in bezug auf die Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit überle gen sind. Insbesondere wurde eine extreme Abnahme der Schmelzen- Korrosionsbeständigkeit bei dem konventionellen Stahl (Nr. 13), d. h. bei Inco nel 718, festgestellt.

Wenn die Probekörper für einen langen Zeitraum in einem Ofen bei einer ho hen Temperatur in einer Stickstoffatmosphäre in der Nähe von 500°C gehalten wurden und die Härte der Oberflächen nach der Durchführung einer Nitridie rungs-Behandlung der Oberflächen unter Verwendung einer Vickers-Härte- Testvorrichtung bestimmt wurden, wurde außerdem ein bemerkenswerter An stieg der Härte in dem Bereich von MHV 450 bis 700 festgestellt. Es ist somit zu erwarten, dass es möglich ist, die Verschleißfestigkeit von gleitenden Teilen, wie z. B. eines Zylinders, und einer Schnecke einer Spritzgießvorrichtung oder einer Extrudiervorrichtung, zu gewährleisten und die Schmelzen-Korrosionsbe ständigkeit weiter zu verbessern.

Außerdem wurden bei einem der erfindungsgemäßen Stähle (Nr. 1) und eini gen der Vergleichs- und konventionellen Stähle (Nr. 11, 12 und 13) die Kurz zeit-Zugfestigkeit und die Wärmeleitfähigkeit bei einer erhöhten Temperatur (650°C) bestimmt und sie sind in den Fig. 4 und 5 als Relativwerte, bezogen auf den konventionellen Stahl Nr. 12, angegeben. Wie aus diesen Figuren her vorgeht, weist der erfindungsgemäße Stahl eine Kurzzeit-Zugfestigkeit bei er höhter Temperatur auf, die derjenigen der konventionellen Stähle entspricht, und er übertrifft den konventionellen Stahl Nr. 13 in bezug auf die Hochtempe ratur-Wärmeleitfähigkeit.

Wie vorstehend angegeben, ist es erfindungsgemäß möglich, einen warmver arbeitbaren bzw. warmverformbaren Matrizen- bzw. Gesenkstahl zur Verfü gung zu stellen, der eine verbesserte Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit ge genüber einer Superlegierung auf Ni-Basis, wie z. B. Inconel 718, eine Kurzzeit- Zugfestigkeit, die derjenigen des JIS SKD 61-Stahls entspricht, und eine ver besserte Hochtemperatur-Dauerstandfestigkeit, verglichen mit diesem Stahl, aufweist und in der Lage ist, die Entstehung von thermischen Spannungen zu unterdrücken aufgrund des Umstandes, dass er eine zufriedenstellende Wär meleitfähigkeit aufweist. Daher kann in den Fällen, in denen der erfindungsge mäße Stahl als Bauteil für eine Gießmaschine, als Bauteil für eine Spritzgieß maschine und als Teil für eine Warmschmiedemaschine verwendet wird, die Lebensdauer des relevanten Teils deutlich verlängert werden, sodass der er findungsgemäße Stahl für industrielle Zwecke sehr nützlich ist.

Claims

1. Warmverformbarer Matrizen- bzw. Gesenkstahl mit einer ausgezeich neten Schmelzen-Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei erhöhter Tempe ratur, der umfasst:
0,05 bis 0,25 Massenprozent C; 0,30 Massenprozent oder weniger Si; 0,30 Massenprozent oder weniger Mn; 1,0 Massenprozent oder weniger Ni; 5,0 bis 13,0 Massenprozent Cr; 2,0 Massenprozent oder weniger Mo; 1,0 bis 8,0 Mas senprozent W; 1,0 bis 10,0 Massenprozent Co; 0,003 bis 0,020 Massenprozent B; 0,005 bis 0,050 Massenprozent N und als Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen.

2. Warmverformbarer Matrizenstahl mit einer ausgezeichneten Schmelzen- Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei erhöhter Temperatur nach Anspruch 1, der außerdem 0,01 bis 1,0 Massenprozent V als Bestandteil umfasst.

3. Warmverformbarer Matrizenstahl mit einer ausgezeichneten Schmelzen- Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei erhöhter Temperatur nach Anspruch 1, der außerdem 0,01 bis 1,0 Massenprozent mindestens eines Elements aus der Gruppe Nb und Ta als Bestandteil umfasst.

4. Warmverformbarer Matrizenstahl mit ausgezeichneter Schmelzen- Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei erhöhter Temperatur nach Anspruch 1, dessen Gesamtgehalt an Co und W 5,0 Massenprozent oder mehr beträgt.

5. Warmverformbarer Matrizenstahl mit ausgezeichneter Schmelzen- Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei erhöhter Temperatur nach Anspruch 1, in dem der Wert für das Cr-Äquivalent, ausgedrückt durch die nachstehende Formel, 7,0 oder weniger beträgt:
Cr-Äquivalent = [Cr%] + 6 [Si%] + 4 [Mo%] + 1,5 [W%] + 11 [V%] + 5 [Nb%] - 40 [C%] - 2 [Mn%] - 4 [Ni%] - 30 [N%] - 2 [Co%].

6. Warmverformbarer Matrizenstahl mit ausgezeichneter Schmelzen- Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei erhöhter Temperatur nach Anspruch 2, in dem der Wert für das Cr-Äquivalent, ausgedrückt durch die nachstehende Formel, 7,0 oder weniger beträgt:
Cr-Äquivalent = [Cr%] + 6 [Si%] + 4 [Mo%] + 1,5 [W%] + 11 [V%] + 5 [Nb%] - 40 [C%] - 2 [Mn%] - 4 [Ni%] - 30 [N%] - 2 [Co%].

7. Warmverformbarer Matrizenstahl mit ausgezeichneter Schmelzen- Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei erhöhter Temperatur nach Anspruch 3, in dem der Wert für das Cr-Äquivalent, ausgedrückt durch die nachstehende Formel, 7,0 oder weniger beträgt:
Cr-Äquivalent = [Cr%] + 6 [Si%] + 4 [Mo%] + 1,5 [W%] + 11 [V%] + 5 [Nb%] - 40 [C%] - 2 [Mn%] - 4 [Ni%] - 30 [N%] - 2 [Co%].

8. Warmverformbarer Matrizenstahl mit ausgezeichneter Schmelzen- Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei erhöhter Temperatur nach Anspruch 4, in dem der Wert für das Cr-Äquivalent, ausgedrückt durch die nachstehende Formel, 7,0 oder weniger beträgt:
Cr-Äquivalent = [Cr%] + 6 [Si%] + 4 [Mo%] + 1,5 [W%] + 11 [V%] + 5 [Nb%] - 40 [C%] - 2 [Mn%] - 4 [Ni%] - 30 [N%] - 2 [Co%].

9. Teil für die Verwendung bei hoher Temperatur, das aus einem warmver formbaren Matrizenstahl nach Anspruch 1 hergestellt ist, wobei das Teil ein Bauteil für eine Gießmaschine, ein Bauteil für eine Spritzgießmaschine oder ein Teil für eine Warmschmiedemaschine darstellt.

10. Teil für die Verwendung bei hoher Temperatur, das aus einem warmver formbaren Matrizenstahl nach Anspruch 9 hergestellt ist, bei dem mindestens ein Teil seiner Oberfläche einer Oberflächenhärtung unterzogen worden ist.

11. Teil für die Verwendung bei hoher Temperatur, das aus einem warmver formbaren Matrizenstahl nach Anspruch 10 hergestellt ist, bei dem die Oberflä chenhärtung durch Nitridierung, Carbonisierung oder Ionenimplantation durch geführt worden ist.