DE1234398B

DE1234398B - Verwendung einer warmfesten Stahllegierung als Werkstoff fuer Warmverarbeitungswerkzeuge und Warmverarbeitungsgesenke mit hoher Bestaendigkeit gegen die Ausbildung von Warmrissen

Info

Publication number: DE1234398B
Application number: DES97832A
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Kunitake; Tadashi Kato
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1964-06-26
Filing date: 1965-06-25
Publication date: 1967-02-16
Also published as: GB1035800A; US3431101A; FR1443519A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22c

Deutsche KL: 40 b-39/14

Nummer: 1234398

Aktenzeichen: S 97832 VI a/40 b

Anmeldetag: 25. Juni 1965

Auslegetag: 16. Februar 1967

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer warmfesten, niedriglegierten Stahllegierung als Werkstoff für Warmverarbeitungswerkzeuge und Warmverarbeitungsgesenke, die eine bemerkenswert verbesserte Beständigkeit gegen Warmrißbildung aufweist.

Für diese Zwecke wurde bereits eine Stahllegierung benutzt, die 0,50 bis 0,60% Kohlenstoff, 0,60 bis 1,00% Mangan, 1,30 bis 2,00 % Nickel, 0,70 bis 1,00% Chrom, 0,20 bis 0,50% Molybdän, weniger als 0,35% Silicium neben weniger als 0,030 % Phosphor und weniger als 0,030% Schwefel als Verunreinigungen enthält.

Es gehört ferner eine für Warmverarbeitungswerkzeuge und -gesenke geeignetere Stahllegierung mit 0,15 bis 0,5% Kohlenstoff, 1,0 bis 3,0% Silicium, weniger als 1,2% Mangan, 0,5 bis 3,0% Chrom, 0,01 bis 1,5% Molybdän und 0,01 bis 1,0% Vanadin, Rest Eisen und einer Gesamtmenge von weniger als 1 % Kupfer, Aluminium, Phosphor und Schwefel als Verunreinigungen zum Stand der Technik. Diese Stahllegierung kann weniger als 20 % Nickel enthalten. Die Legierung kann weiterhin eine Gesamtmenge von weniger als 0,5% eines oder mehrerer Elemente, wie weniger als 0,5% Wolfram, weniger als 0,5% Titan, weniger als 0,5% Zirkonium und weniger als 0,5% Niob enthalten. Dieser Stahl ist wahlweise mit einem oder mehreren der folgenden Bestandteile in einer Gesamtmenge von weniger als 0,5 % legiert, und zwar mit weniger als 0,5% Wolfram, weniger als 0,5% Titan, weniger als 0,5% Zirkonium, weniger als 0,5% Niob und weniger als 2% Nickel. Die aus dieser Legierung hergestellten Werkzeug- bzw. Gesenkstähle besitzen bereits eine hohe Beständigkeit gegen Warmrißbildung, hohe Warmfestigkeit, hohe Schlagfestigkeit und hohe Verschleißfestigkeit.

Auf Grund zahlreicher Untersuchungen an Warmarbeitswerkzeug- bzw. Gesenkstählen wurde gefunden, daß es sehr wirksam ist, Aluminium zuzugeben, um eine weitere Verbesserung der Beständigkeit gegen Warmrißbildung zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stahllegierung vorzuschlagen, die sich für die Verwendung als Werkstoff für Warmverarbeitungswerkzeuge und -gesenke mit hoher Warmrißbeständigkeit eignet.

Erfindungsgemäß wird als Werkstoff für Warmverarbeitungswerkzeuge und Warmverarbeitungsgesenke eine warmfeste Stahllegierung, bestehend aus 0,15 bis 0,5% Kohlenstoff, 1,0 bis 3,0% Silicium, weniger als 1,2% Mangan, 0,5 bis 3,0% Chrom, 0,01 bis 1,5% Molybdän, 0,01 bis 1,0% Vanadin, 0,1 bis 1,7% Aluminium, Rest Eisen, und weniger als

Verwendung einer warmfesten Stahllegierung als Werkstoff für Warmverarbeitungswerkzeuge und Warmverarbeitungsgesenke mit hoher
Beständigkeit gegen die Ausbildung von
Warmrissen

Anmelder:

Sumitomo Metal Industries Limited,

Kitahama, Higashi-ku, Osaka (Japan)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Tatsuo Kunitake,

Higashitoyonakacho, Toyonaka, Osaka;

Tadashi Kato,

Tomino-Odori Kokura-ku, Kitakyushu, Fukuoka (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 26. Juni 1964 (36 567)

1% Kupfer, Phosphor und Schwefel als Verunreinigungen, verwendet. Die erfindungsgemäß zu verwendende Stahllegierung kann zusätzlich noch weniger als 2,0% Nickel enthalten. Ebenso können in der erfindungsgemäß zur Verwendung kommenden Stahllegierung zusätzlich weniger als 0,5% Wolfram, weniger als 0,5% Titan, weniger als 0,5% Zirkonium und weniger als 0,5% Niob einzeln oder zu mehreren, jedoch in einer Gesamtmenge von weniger als 0,5% enthalten sein.

Ein Gehalt an Kohlenstoff von weniger als 0,15 % reicht nicht für die erforderliche Härtbarkeit und Festigkeit der Stahllegierung aus. Ist der Kohlenstoff-

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anteilgrößerals 0,5 %> so erhält mankeine ausreichende Schlagfestigkeit. Enthält die Stahllegierung weniger als 1,0% Silicium, so wird die Umwandlungstemperatur nur wenig erhöht und die dabei eintretende Volumenänderung nur wenig vermindert. Sind jedoch mehr als 3,0% Silicium vorhanden, so stellt man keine verbesserte Schlagfestigkeit der Legierung fest. Liegt der Chromanteil unter 0,5%; so wird die Härtbarkeit nicht gesteigert. Auch die Umwandlungstemperatur wird nicht erhöht, und es kann keine verbesserte Beständigkeit der Legierung gegenüber dem Anlassen festgestellt werden. Gibt man mehr als 3,0 % Chrom zu, so wird die Legierung zwar gegenüber Abnutzung verbessert, doch kann kein bemerkenswerter Anstieg der Umwandlungstemperatur festgestellt werden. Da sich das Volumen während des Übergangs vergrößert, ist auch die Neigung zur Warmrißbildung nur wenig verbessert. Dies gilt auch dann, wenn man mehr als 1,5% Molybdän und mehr als 1,0% Vanadin zusetzt. Ferner wird in diesem Fall auch die Härtbarkeit so stark verringert, daß durch diesen Zusatz kein vorteilhafter Effekt erzielt wird. Auch die Zugabe von weniger als 0,01 % an Molybdän und Vanadin bringt keine Verbesserung hinsichtlich einer Warmrißbildung. Zwar kann die Härtbarkeit bei Zugabe von mehr als 1,2% Mangan und mehr als 2,0% Nickel gesteigert werden, doch wird dabei die Umwandlungstemperatur herabgesetzt, die Volumenänderung während des Übergangs vergrößert, und die Vorteile der erfindungsgemäß verwendeten Stahllegierung gehen verloren. Eine Steigerung der Übergangstemperatur und der Beständigkeit der Legierung gegenüber einem Erweichen während des Anlassens können erzielt werden, wenn weniger als 0,5% an Titan und/oder Wolfram und/oder Zirkonium und/oder Niob hinzugefügt werden. Übersteigt der Zusatz jedoch 0,5 %, so verringert sich die Härtbarkeit der Legierung in beachtlichem Ausmaß. Auch ist ein so hoher Zusatz sehr teuer. Gibt man weniger als 0,1 % Aluminium zu, so erhält man keine größere Beständigkeit der Legierung gegenüber Warmrißbildungen. Bei einem Aluminiumgehalt größer als 1,7% wird die Herstellung der Legierung schwieriger, ohne daß weitere Verbesserungen ihrer Eigenschaften erzielt werden. Es ist daher notwendig, daß der Gehalt an Aluminium zwischen 0,10 und 1,70% liegt.

Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl wird bei einer geeigneten Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur bis zur Austenitisierung erhitzt und dann je nach der Größe des Gegenstandes durch Wasserabschrecken oder Ölabschrecken oder Luftkühlen abgekühlt. Das Anlassen wird bei geeigneter Temperatur während einer geeigneten Zeitdauer durchgeführt, um die gewünschte Härte der Legierung zu erzielen. Der erfindungsgemäß benutzte Stahl weist dann eine sehr hohe Beständigkeit gegenüber Warmrißbildung auf, wenn er wiederholt verhältnismäßig starken thermischen Behandlungen unterworfen wird. Seine Umwandlungstemperatur liegt sehr hoch, außerdem ist seine Volumenänderung zum Zeitpunkt des Übergangs beachtlich verringert. Die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls bei Normaltemperatur unterscheiden sich nicht wesentlich von den bekannten üblichen Werkzeugbzw. Gesenkstählen, die kein Aluminium enthalten. Er zeigt jedoch noch die Vorteile, daß seine Beständigkeit gegenüber Erweichung beim Anlassen gesteigert ist und daß seine Hochtemperaturfestigkeit verbessert ist.

Im folgenden werden die verschiedenen Eigenschaften der erfindungsgemäß benutzten Stähle, die in der Tabelle mit A bezeichnet sind, einer üblichen verbesserten Stahllegierung, die in der Tabelle mit B bezeichnet ist, und eines üblichen Gesenk- bzw. Werkzeugstahles, der in der Tabelle mit C bezeichnet ist, verglichen. Die jeweiligen Stahllegierungen hatten die chemische Zusammensetzung, wie sie in der Tabelle I angegeben ist. Die Ergebnisse der thermischen Ermüdungsversuche sind in Tabelle II zusammengefaßt.

	C	Si	Mn	Tabelle ]	[	Mo	V	Al	Ni	Ti
	0,35	1,54	0,81	Cr	0,41	0,21	0,55
AI	0,35	1,65	0,83	1,06	0,42	0,21	1,08	—	—
All	0,37	1,52	0,90	1,05	0,40	0,21	1,07	1,08	—
AIII	0,32	1,54	0,83	1,02	0,40	0,20	0,94	—	0,06
AIV	0,35	1,51	0,81	1,04	0,41	0,20	0,92	0,92	0,06
AV	0,33	1,51	0,73	1,05	0,41	0,21	—	—	—
B	0,55	0,29	0,62	1,01	0,28	0,15	—	1,41	—
C			0,85

Tabelle II

	Anzahl der Wärmebehandlungen bis zum
OlaillC	Versagen auf Grund thermischer Ermüdung
AI	1803
AU	2806
AIII	1955
AIV	2686
AV	1647
B	1100
C	280

Die vorstehend aufgeführten Stähle wurden jeweils auf eine geeignete Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur erhitzt, ölabgeschreckt und angelassen.

Die Anzahl der Wärmebehandlungen bis zum Versagen auf Grund thermischer Ermüdung d. h., bis die in einer entsprechenden Versuchsvorrichtung eingespannte Probe brach, ist in Tabellen auf geführt.

Die Übergangstemperaturen zum Zeitpunkt des Erhitzens und das Ausmaß der Volumenveränderungen zum Zeitpunkt des Übergangs sind in Tabelle III zusammengefaßt.

Claims

1234 39865Tabelle VITabelle III Umwandlungstemperatur, 0CFertigungsAusmaß dertemperaturVolumen veränderungStäMeAusgangs957zum Zeitpunkttemperatur1000des Überganges608978%AI81910300,114All8099750,021AIII8209040,028AIV8007710,025AV7930,015B7100,237C0,612 In Tabelle IV sind die mechanischen Eigenschaften bei Normaltemperatur der erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle und der üblichen Stähle einander gegenübergestellt. Die StäMe wurden auf eine geeignete Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur erhitzt, ölabgeschreckt und anschließend angelassen. Tabelle IV StähleZug festig keitBiege festig keitDeh nungVer minderung der FlächeTemperungs- temperaturkg/mmäkg/mm2%7.0CAI103,388,218,055,1725ΑΠ107,292,116,053,4725AΙΠ104,490,015,056,6725AIV98,183,615,062,6725AV104,289,416,055,0725B90,476,620,056,8725C105,090,218,557,5675 In Tabelle V sind mechanische Eigenschaften der verschiedenen Stähle bei Hochtemperaturen einander gegenübergestellt. Auch hierbei wurden die Stähle ölabgeschreckt und angelassen. Die Härte war bei Normaltemperatur auf den gleichen Wert eingestellt worden. Ferner sind in TabelleVI ihre Charpy-U-Kerbschlagfestigkeitswerte nach einer in derselben Weise durchgeführten Wärmebehandlung angegeben. Tabelle V ZugBiegeDehnungVerminderungStählefestigkeitfestigkeitVoder Flächekg/mm2kg/mm260,0%AI19,315,461,487,6All20,315,264,083,2AIII19,915,758,094,7AIV20,917,274,095,6AV18,814,665,996,8B17,012,4125,490,6C• 8,55,394,7 Härte (HRC)KerbschlagwerteStählebei U-Kerbe KG32,8m/cm2AI35,111,0All33,48,2AIII33,68,1AIV35,39,9AV30,77,8B35,216,9C10,6 Wie aus Tabelle II hervorgeht, ist die Anzahl der bis zum Versagen auf Grund thermischer Ermüdung erforderlichen Wärmebehandlungen bei den erfindungsgemäß zu verwendenden Stählen weit höher als bei den üblichen Stählen. Aus Tabelle III ergibt sich, daß bei den erfindungsgemäß zu verwendenden Stählen die Umwandlungstemperatur sehr hoch liegt und daß die Volumenänderung zum Zeitpunkt der Umwandlung beachtlich vermindert wird. Das bedeutet, daß die Umwandlungstemperatur, selbst dann, wenn die Oberfläche des Stahles bei seiner Verwendung auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, kaum erreicht werden wird. Sollte aber die Umwandlungstemperatur doch überschritten werden, so ist die Volumenänderung beim Übergang klein. Dadurch werden innere Spannungen in dem Stahl vermieden und seine Beständigkeit gegen Warmrißbildung verbessert. Wie aus den Tabellen IV und VI ersichtlich, entsprechen bei Normaltemperatur die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle im wesentlichen denjenigen der üblichen Stähle. Aus den weiterhin in Tabelle V angegebenen mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen geht hervor, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle eine hohe Warmfestigkeit besitzen. Patentansprüche:

1. Verwendung einer warmfesten Stahllegierung, bestehend aus 0,15 bis 0,5% Kohlenstoff, 1,0 bis 3,0 % Silicium, weniger als 1,2% Mangan, 0,5 bis 3,0% Chrom, 0,01 bis 1,5% Molybdän, 0,01 bis 1,0% Vanadin, 0,1 bis 1,7% Aluminium, Rest Eisen, und weniger als 1 % an Kupfer, Phosphor und Schwefel als Verunreinigungen, als Werkstoff für Warmverarbeitungswerkzeuge und Warmverarbeitungsgesenke mit hoher Beständigkeit gegen die Ausbildung von Warmrissen.

2. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1, wobei die Stahllegierung zusätzlich weniger als 2,0% Nickel enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Stahllegierung nach Anspruch 1 und 2, wobei die Stahllegierung zusätzlich weniger als 0,5 % Wolfram, weniger als 0,5 % Titan, weniger als 0,5% Zirkonium und weniger als 0,5 % Niob einzeln oder zu mehreren, jedoch in einer Gesamtmenge von weniger als 0,5 % enthält.

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