"Verfahren zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, und "Method for adjusting the thermal conductivity of a steel, tool steel, in particular hot-work steel, and
Stahlgegenstand"Steel subject "
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, auf einen Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, und auf eine Verwendung eines Werkzeugstahls. Darüber hinaus bezieht sich d ie vorliegende Erfindung auf einen Stahlgegenstand .The present invention relates to a method for adjusting the thermal conductivity of a steel, to a tool steel, in particular hot-work tool steel, and to a use of a tool steel. Moreover, the present invention relates to a steel article.
Warmarbeitsstähle sind legierte Werkzeugstähle, d ie neben Eisen als Legierungselemente insbesondere Kohlenstoff, Chrom, Wolfram, Silizium , N ickel, Molybdän, Mangan , Vanadium und Kobalt mit unterschiedlichen Anteilen enthalten.Hot working steels are alloyed tool steels, which in addition to iron as alloying elements in particular contain carbon, chromium, tungsten, silicon, nickel, molybdenum, manganese, vanadium and cobalt with different proportions.
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.Hot work tool steels may be used to make hot work steel objects, such as tools, which are suitable for machining materials, in particular die casting, extrusion or die forging. Examples of such tools are extrusion dies, forging tools, die casting dies, press dies, or the like, which must have special mechanical strength properties at high working temperatures. Another field of application for hot working steels are tools for the injection molding of plastics.
Eine wesentliche Funktionalität von Werkzeugstählen, insbesondere von Warmarbeitsstählen , und aus diesen gefertigten Stahlgegenständen besteht darin , bei der Verwend ung in technischenAn essential functionality of tool steels, in particular of hot working steels, and of steel articles manufactured therefrom, consists in the use in technical
Prozessen eine hinreichende Abfuhr von zuvor eingebrachter
beziehungsweise im Prozess selbst generierter Wärme sicherzustellen.Processes a sufficient dissipation of previously introduced or to ensure heat generated in the process itself.
Warmarbeitswerkzeuge, die aus einem Warmarbeitsstahl hergestellt sind , müssen neben einer hohen mechanischen Stabilität bei höherenHot work tools, which are made of a hot-work steel, must in addition to a high mechanical stability at higher
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.Working temperatures have good thermal conductivity and a high heat wear resistance. Other important properties of hot-work steels are not only a sufficient hardness and strength but also a high hot hardness and high wear resistance at high working temperatures.
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 dasA high thermal conductivity of the used for the production of tools hot-work steel is for some applications of particular importance, as this can cause a significant cycle time reduction. Since the operation of hot forming devices for the
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 thermischenHot forming of workpieces is relatively expensive, can be achieved by reducing the cycle times a significant cost savings. A high thermal conductivity of hot-work steel is also advantageous in high-pressure casting, since the casting molds used there due to a greatly increased thermal
Dauerfestigkeit eine wesentlich längere Lebensdauer haben.Durability have a much longer life.
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.The tool steels commonly used to make tools typically have a thermal conductivity on the order of about 18 to 24 W / mK at room temperature. In general, the thermal conductivities of the hot working steels known from the prior art are about 16 to 37 W / mK.
Aus der EP 0 632 1 39 A1 ist beispielsweise ein Warmarbeitsstahl bekannt, der bei Temperaturen bis etwa 1 .1000C eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit von über 35 W/mK aufweist. Der aus d ieser
Druckschrift bekannte Warmarbeitsstahl enthält neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen:From EP 0 632 1 39 A1, for example, a hot-work tool steel is known, which has a comparatively high thermal conductivity of more than 35 W / mK at temperatures up to about 1 .100 0 C. The one from this one Document known hot-work tool steel contains in addition to iron and unavoidable impurities:
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;0.30 to 0.55 wt% C; less than 0.90% by weight of Si; to 1, 0 wt .-% Mn; 2.0 to 4.0% by weight Cr; 3.5 to 7 wt% Mo;
0,3 bis 1 ,5 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Vanadium , Titan und Niob.0.3 to 1, 5 wt .-% of one or more of the elements vanadium, titanium and niobium.
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.Conventional hot working tool steels typically have a chromium content of more than 2% by weight. Chromium is a comparatively inexpensive carbide former and also provides the hot work tool steel with good oxidation resistance. Further, chromium forms very thin secondary carbides, so that the mechanical strength to toughness ratio is very good in the conventional hot working tool steels.
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 zumGerman patent DE 1014577 B1 discloses a method for the production of hot working tools using a hardening steel alloy. This patent relates in particular to a process for the production of thermosetting hot working tools, in particular dies for the operation
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-Hot forging, with high crack and break strength and high yield strength under static compressive stress in the heat. The hot-forming steels described in this document are also distinguished by a simple, relatively inexpensive chemical composition (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
-A-3.50% Mo, no chromium) and easy to reclaim. The most important thing here is the optimal process for the production -A-
von Warmpressmatrizen einschließlich der dazugehörigen Glühbehandlungen (Aushärten) eingegangen. Spezielle Eigenschaften in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung werden nicht erläutert.received from hot press matrices including the associated annealing treatments (curing). Special properties depending on the chemical composition are not explained.
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),CH 481222 refers to a chromium-molybdenum-vanadium alloyed hot work tool steel with good cold insensitivity for making tools such as dies and dies. It should be noted that the tuning of the alloying elements - especially chromium (1.00 to 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.Molybdenum (0.50 to 2.00% Mo) and vanadium (0, 10 to 0.30% V) - a decisive influence on the desired properties, such as a low heat resistance (55 kp / mm 2 ), good flow properties , good thermal conductivity and so on.
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).Japanese Patent JP 4147706 is concerned with improving the wear resistance of mandrels for the production of seamless steel tubes by the geometry of the mandrel and by the chemical composition of the alloy (0, 1 to 0.4% C, 0.2 to 2.0% Mn, 0 to 0.95% Cr, 0.5 to 5.0% Mo, 0.5 to 5.0% W).
Besondere Maßnahmen zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Stahls sind nicht Gegenstand dieser Druckschrift.Special measures to increase the thermal conductivity of the steel are not the subject of this document.
Die japanische Druckschrift JP 2004183008 beschreibt eine preisgünstige ferritisch-perlitische Stahllegierung von WerkzeugenJapanese publication JP 2004183008 describes a low-cost ferritic-pearlitic steel alloy of tools
(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 .(0.25 to 0.45% C, 0.5 to 2.0% Mn, 0 to 0.5% Cr) for the molding of plastics. The focus is on the optimum ratio of processability and thermal thermal conductivity.
Der in der J P 2003253383 beschriebene Stahl beinhaltet einen vorgehärteten Werkzeugstahl für das Kunststoffgießen mit ferritisch- perlitischem 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.The steel described in JP 2003253383 includes a precured tool steel for plastic casting with ferrite-pearlitic basic structure (0, 1 to 0, 3% C, 0.5 to 2.0% Mn, 0.2 to 2.5% Cr, 0 to 0, 15% Mo, 0.01 to 0.25% V), in which the excellent workability and weldability are in the foreground.
Um die Ad -Umwandlungstemperatur in einem Werkzeug stahl, 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 .In order to increase the ad-conversion temperature in a tool characterized by a high surface temperature during rolling and to set an excellent processability and low yield stress, in JP 9049067 a specification of the chemical composition (0.05 to 0.55% C, 0, 10 to 2.50% Mn, 0 to 3, 00% Cr, 0 to 1, 50% Mo, 0 to 0.50% V) and in particular the increase in the silicon content (0, 50 to 2 , 50% Si).
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 wesentlicheThe document CH 165893 relates to an iron alloy, which is particularly suitable for hot working tools (dies, dies or the like) and a low-chromium (up to chromium-free) and tungsten-cobalt-nickel-containing (preferably with additions of molybdenum and vanadium) chemical composition having. The reduced chromium content or the complete abandonment of chromium as an alloying element becomes essential
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 undProperty improvements as well as the combination of positive alloy properties made responsible. It was found that even slight reductions in the chromium content have a significantly greater influence on the desired properties (for example, a high level of hot tensile strength, toughness and hardness)
Unempfindlichkeit gegen Temperaturschwankungen und damit eine gute Wärmeleitfähigkeit) ergeben als die Zugabe großer Mengen an W, Co und Ni.Insensitivity to temperature fluctuations and thus a good thermal conductivity) result than the addition of large amounts of W, Co and Ni.
Aus dem europäischen Patent EP 0787813 B 1 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. Du rch die Beschreibung der Legierungseinflüsse in Bezug auf die Carbidbildung (Vergröberung), Ausscheidung und Mischkristallverfestigung wird die Notwendigkeit des Stabilisierens der Struktur des ferritischen Stahls herausgestellt.From the European patent EP 0787813 B 1 is a heat-resistant, ferritic steel with a low Cr and Mn content and with an excellent strength at high Temperatures known. The purpose of the invention disclosed in the aforementioned document was to provide a heat-resistant, low chromium ferritic steel having improved creep rupture strength under the conditions of long time periods at high temperatures as well as improved toughness, machinability and weldability even with thick products having. The description of the alloying influences with respect to carbide formation (coarsening), precipitation and solid solution strengthening emphasizes the necessity of stabilizing the structure of the ferritic steel.
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. MindestensThe reduction of the Cr content to less than 3.5% is attributed to the suppressed lowering of the creep rupture strength due to the coarsening of Cr carbides at temperatures above 550 ° C, and to the improvement of toughness, workability and thermal conductivity. At least
0 ,8% Cr werden jedoch als Voraussetzung für das Aufrechterhalten der Oxidations- und Korrosionszähigkeit des Stahls bei hohen Temperaturen angesehen .However, 0.8% Cr is considered a prerequisite for maintaining the oxidation and corrosion toughness of the steel at high temperatures.
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 genanntenDE 19508947 A1 discloses a wear-resistant, temper-resistant and heat-resistant alloy. In particular, this alloy is intended for use in hot work tools in hot forming and hot forming and is characterized by very high molybdenum contents (10 to 35%) and tungsten contents (20 to 50%). Furthermore, in the aforementioned
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 durchPublication described a simple and inexpensive method of manufacture, in which the alloy is first produced from the melt or by powder metallurgy. The content of Mo and W in such large amounts increases with the increase in tempering resistance and heat resistance
Mischkristallhärtung und durch d ie 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).Solid solution hardening and by the formation of carbides (or intermetallic phases) justified. In addition, molybdenum increases the Thermal conductivity and reduces the thermal expansion of the alloy. Finally, in this document, the suitability of the alloy for the production of surface layers on bases of other composition explained (laser, electron, plasma jet, surfacing).
Das deutsche Patent DE 4321433 C1 betrifft einen Stahl für Warmarbeitswerkzeuge, wie sie für d ie Urformung , die Umformung und die Bearbeitung von Werkstoffen (insbesondere beim Druckgießen , Strangpressen , Gesenkschmieden oder alsThe German patent DE 4321433 C1 relates to a steel for hot working tools, as used for the ur forming, forming and machining of materials (especially in die casting, extrusion, drop forging or as
Scherenmesser) bei Temperaturen bis 1 100 0C eingesetzt werden. Kennzeichnend ist, dass der Stahl im Temperaturbereich von 400 bis 600 0C eine Wärmeleitfähigkeit von über 35 W/mK (obwohl diese grundsätzlich mit steigendem Legierungsgehalt abnimmt) und gleichzeitig einen hohen Verschleißwiderstand (Zugfestigkeit über 700Scherenmesser) at temperatures up to 1 100 0 C are used. It is characteristic that the steel has a thermal conductivity of more than 35 W / mK in the temperature range from 400 to 600 ° C. (although this generally decreases with increasing alloy content) and at the same time a high wear resistance (tensile strength over 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.N / mm 2 ). The very good thermal conductivity is attributed, on the one hand, to the increased molybdenum content (3.5 to 7.0% Mo) and, on the other hand, to a maximum chromium content of 4.0%.
Die JP 61030654 betrifft die Verwendung eines Stahls mit hoherJP 61030654 relates to the use of a high-steel steel
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 d ieHot cracking and hot break strength as well as high thermal conductivity as a material for the production of coatings for rolls in aluminum continuous casting plants. Again, the opposite tendencies in influencing the hot crack or hot break strength and the thermal conductivity by the ie
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 B 1 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 Verschleißbeständ igkeit bei erhöhten Temperaturen undAlloy composition discussed. Silicon contents above 0.3% and chromium contents above 4.5% are regarded as particularly disadvantageous in terms of thermal conductivity. Possible procedures for setting a hardened martensitic microstructure of the roll shells produced from the steel alloy according to the invention are listed. EP 1300482 B 1 relates to a hot work tool steel, in particular for tools for forming at elevated temperatures, with the simultaneous occurrence of the properties: increased hardness, strength and toughness and good thermal conductivity, improved wear resistance at elevated temperatures and
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 gewünschteService life extension for impact loads. It is shown that by certain concentrations within narrow limits of carbon (0.451 to 0.598% C) as well as special carbide and monocarbide forming elements (4.21 to 4.98% Cr, 2.81 to 3.29% Mo, 0.41 to 0.69% V) during thermal quenching a desired
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.Promoted Mischkristallhärtbarkeit and carbide curing or a hardness-increasing excretion of coarser carbides can be largely suppressed at the expense of matrix hardness. An improvement of the thermal conductivity by a reduction of the carbide content could be based on an interface kinetics and / or on the properties of the carbides.
Ein Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugstähle, insbesondere Warmarbeitsstähle, und der daraus hergestellten Stahlgegenstände besteht darin, dass diese für mancheA disadvantage of the tool steels known from the prior art, in particular hot working steels, and the steel articles produced therefrom is that for some
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 Anwend ungszweck anzupassen .Application areas have only insufficient thermal conductivity. Furthermore, it has not been possible to adjust the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work tool, targeted and thus defined adapted to the respective application purpose.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen , mittels dessen eine gezielte Einstellung der Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, erreicht werden kann.This is where the present invention sets and makes it its task to provide a method by means of which a targeted adjustment of the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work tool steel, can be achieved.
Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, 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.Moreover, the object of the present invention is to provide a tool steel, in particular a hot-work tool steel, and to provide a steel article having a higher thermal conductivity than the tool steels known from the prior art (in particular hot-work tool steels) or steel articles.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Hinsichtlich des Werkzeugstahls wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Werkzeugstahl (insbesondere Warmarbeitsstahl) mit denThis object is achieved with regard to the method by a method having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 2. With regard to the tool steel, the object of the present invention is based on a tool steel (in particular hot-work tool steel) with the
Merkmalen des Anspruchs 4, durch einen Werkzeugstahl (insbesondere Warmarbeitsstahl) mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und durch einen Werkzeugstahl (insbesondere Warmarbeitsstahl) mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Hinsichtlich des Stahlgegenstands wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Stahlgegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 25 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung .Characteristics of claim 4, by a tool steel (in particular hot-work tool steel) with the features of claim 5 and by a tool steel (in particular hot-work tool steel) with the features of claim 6. With respect to the steel article, the object underlying the present invention is achieved by a steel article having the features of claim 25. The subclaims relate to advantageous developments of the invention.
Gemäß Anspruch 1 zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, 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 der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Wärmeleitfähigkeit eines 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 erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Beispiel für Werkzeug- und Warmarbeitsstähle.According to claim 1, an inventive method for adjusting the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work steel, characterized in that an inner structure of the structure defined steel is generated metallurgically, the carbide components have a defined electron and phonon density and / or their crystal structure by a specifically generated lattice defects have certain mean free path for the phonon and electron flow. An advantage of the solution according to the invention is that the thermal conductivity of a steel can be tailored to the desired size by defining the internal structure of the steel in the manner defined above metallurgically is produced . The method according to the invention is suitable, for example, for tool and hot-work tool steels.
Gemäß Anspruch 2 zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Einstellung, insbesondere zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit eines Stahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, dadurch aus, dass eine innere Aufbaustruktur des Stahls definiert metallu rgisch 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 erfindungsgemäße Maßnahme kann die Wärmeleitfähigkeit eines 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.According to claim 2, a method according to the invention for adjusting, in particular for increasing the thermal conductivity of a steel, in particular a hot-work tool, characterized in that a defined internal structure of the steel is generated metallu rgisch having an increased electron and phonon density in their carbide components and / or having a reduced defect content in the crystal structure of the carbides and the surrounding metallic matrix has an increased mean free path for the phonon and electron flow. By this measure, the thermal conductivity of a steel compared to the known from the prior art steels can be set in a defined manner and in particular significantly increased compared to the known hot-work steels.
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.In a preferred embodiment, the heat conductivity of the steel at room temperature can be set to more than 42 W / mK, preferably to more than 48 W / mK, in particular to more than 55 W / mK.
Gemäß Anspruch 4 zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, durch folgendeAccording to claim 4, a tool steel according to the invention, in particular hot-work steel, is characterized by the following
Zusammensetzung aus:Composition from:
0,26 bis 0,55 Gew.-% C; < 2 Gew.-% Cr; 0 bis 10 Gew.-% Mo;0.26 to 0.55 wt% C; <2% by weight Cr; 0 to 10% by weight of 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 to 15 wt% W; wherein the content of W and Mo in the sum of 1, 8 to 15 wt .-% is; carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a content of 0 to 3 wt .-%, individually or in total; 0 to 4% by weight 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;0 to 6% by weight of Co; 0 to 1, 6% by weight of Si; 0 to 2% by weight of Mn; 0 to 2.99% by weight of Ni; 0 to 1% by weight of S;
Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.Remainder: iron and unavoidable impurities.
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 5 beziehungsweise mit den Merkmalen des Anspruchs 6, der die nachfolgend aufgeführten chemischen Zusammensetzungen aufweist, eine gleichwertige Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe.Since it has been shown that carbon can be replaced at least partially by so-called carbon-equivalent constituents nitrogen (N) and boron (B), a tool steel, in particular hot-work steel, with the features of claim 5 or with the features of claim 6, the having the chemical compositions listed below, an equivalent solution to the underlying object of the present invention.
Gemäß Anspruch 5 zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, durch folgende Zusammensetzung aus:According to claim 5, a tool steel according to the invention, in particular hot-work steel, is characterized by the following composition:
0,25 bis 1 ,00 Gew.-% C und N in der Summe;From 0.25 to 1.00% by weight of C and N in total;
< 2 Gew.-% Cr;<2% by weight Cr;
0 bis 10 Gew.-% Mo;0 to 10% by weight of 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 einem0 to 15 wt% W; wherein the content of W and Mo in the sum of 1, 8 to 15 wt .-% is; Carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a
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;Content of 0 to 3 wt .-% individually or in total; 0 to 4% by weight V; 0 to 6% by weight of Co; 0 to 1, 6% by weight of Si; 0 to 2% by weight of Mn; 0 to 2.99% by weight of Ni;
0 bis 1 Gew.-% S; Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen .0 to 1% by weight of S; Remainder: iron and unavoidable impurities.
Gemäß Anspruch 6 zeichnet sich ein weiterer erfindungsgemäßer Werkzeugstahl, insbesondere Warmarbeitsstahl, durch folgende Zusammensetzung aus:According to claim 6, a further tool steel according to the invention, in particular hot-work steel, is characterized by the following composition:
0,25 bis 1 ,00 Gew.-% C, N und B in der Summe;0.25 to 1.00% by weight of C, N and B in the sum;
< 2 Gew.-% Cr;<2% by weight Cr;
0 bis 1 0 Gew.-% Mo;0 to 10% by weight of Mo;
0 bis 1 5 Gew.-% W; wobei der Gehalt von W und Mo in der Summe 1 ,8 bis 150 to 1 5 wt% W; wherein the content of W and Mo in the sum of 1, 8 to 15
Gew.-% beträgt; karbidbildende Elemente Ti, Zr, Hf, Nb, Ta mit einemWt .-% is; Carbide-forming elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta with a
Gehalt von 0 bis 3 Gew.-% einzeln oder in der Summe;Content of 0 to 3 wt .-% individually or in total;
0 bis 4 Gew.- % V; 0 bis 6 Gew.-% Co;0 to 4% by weight V; 0 to 6% by weight of Co;
0 bis 1 ,6% Gew.-% Si;0 to 1, 6% by weight of Si;
0 bis 2 Gew.-% Mn ;0 to 2% by weight of Mn;
0 bis 2,99 Gew.-% Ni;0 to 2.99% by weight of Ni;
0 bis 1 Gew.-% S; Rest: Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.0 to 1% by weight of S; Remainder: iron and unavoidable impurities.
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 gemäß Anspruch 5 und C, N und B gemäß Anspruch 6), 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.The particular advantage of the tool steels according to the invention consists primarily in the drastically increased thermal conductivity in comparison to the tool and hot working steels known from the prior art. It is clear that the tool steel according to the invention in addition to iron as the main component the elements C (or C and N according to claim 5 and C, N and B according to claim 6), Cr, Mo and W in the above-mentioned ranges and unavoidable impurities. The other alloying elements (alloying accompanying elements) are thus optional components of the tool steel, since their content may possibly also be 0% by weight.
Ein wesentlicher Aspekt der hier beschriebenen Lösung besteht darin , Kohlenstoff und vorzugsweise auch Chrom im Festlösungszustand weitgehend aus der Stahl-Matrix herauszuhalten und die Fβ3C-An essential aspect of the solution described here is to keep carbon and preferably also chromium in the solid solution state largely out of the steel matrix and to prevent the Fβ3C-
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 .Carbides replaced by carbides with higher thermal conductivity. Chromium can only be kept out of the matrix by not being present at all. Carbon can be bound in particular with carbide formers, where Mo and W are the most cost-effective elements and have a comparatively high thermal conductivity both as elements and as carbides.
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) gemäß den Ansprüchen 4, 5 und 6 können 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 haben . 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.Quantum mechanical simulation models for tool steels and in particular for hot working steels can show that solid state carbon and chromium lead to matrix distortion, resulting in a shortening of the mean free path of phonons. A larger elastic modulus and a higher thermal expansion coefficient are the result. The influence of carbon on electron and phonon scattering has also been investigated using suitable simulation models. Thus, the advantages of a carbon-chromium-depleted matrix could be verified by increasing the thermal conductivity. While the thermal conductivity of the matrix is dominated by electron flow, the conductivity of the carbides is determined by the phonons. In the solid solution state, chromium has a very negative effect on the thermal conductivity achieved by electron flow. The tool steels according to the invention (in particular hot working steels) according to claims 4, 5 and 6 can have a thermal conductivity at room temperature of more than 42 W / mK, preferably a thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular a thermal conductivity of more than 55 W / mK , Surprisingly, it has been found that thermal conductivities in the order of more than 50, in particular about 55 to 60 W / mK and even beyond can be achieved. The thermal conductivity of the hot work steel according to the invention can thus be almost twice as large as in the known from the prior art hot working steels. Thus, the steel described here is particularly suitable for applications in which a high thermal conductivity is required. In the drastically improved thermal conductivity thus there is the particular advantage of the tool steel according to the invention over the solutions known from the prior art.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist d ie Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 einstellbar. Dadurch kann die Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls anwendungsspezifisch gezielt angepasst und eingestellt_werden .In a particularly advantageous embodiment, the thermal conductivity of the tool steel is adjustable by a method according to one of claims 1 to 3. As a result, the thermal conductivity of the tool steel can be specifically adapted and adjusted to the specific application.
Optional kann der Werkzeugstahl die karbidbildenden Elemente Ti, Zr,Optionally, the tool steel may comprise the carbide-forming elements 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 Karbidbild ner 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.Hf, Nb, Ta in a proportion of up to 3 wt .-% individually or in total. The elements Ti, Zr, Hf, Nb, Ta are known in metallurgy as strong carbide formers. It has been found that strong carbide images have a positive effect in terms of increasing the thermal conductivity of the tool steel, as they have a better ability to remove carbon in the solid solution state from the matrix. Carbides with a high Thermal conductivity can further increase the conductivity of the tool steel. It is known from metallurgy that the following elements are carbide formers, the carbon affinity of which is listed below in ascending order: 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 d ie 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 geeigneterParticularly advantageous in this context is the generation of relatively large and hence long-extended carbides, since the total thermal conductivity of the tool steel follows a mixing law with negative limit effects. The stronger the affinity of an element for carbon, the greater the tendency to form relatively large primary carbides. The large carbides, however, to some extent adversely affect some mechanical properties of the tool steel, in particular its toughness, so that for each purpose of tool steel a suitable
Kompromiss zwischen den gewünschten mechanischen und den thermischen Eigenschaften gefunden werden muss.Compromise between the desired mechanical and thermal properties must be found.
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 dessenOptionally, the tool steel may contain the alloying element vanadium at a level of up to 4% by weight. As explained above, vanadium accounts for fine carbide networks. As a result, numerous mechanical properties of the tool steel can be improved for some applications. Vanadium is not only distinguished by its higher carbon affinity compared to molybdenum, but also has the advantage that its
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 desCarbides have a higher thermal conductivity. In addition, vanadium is a relatively inexpensive element. However, a disadvantage of vanadium over molybdenum is that the vanadium remaining in the solid solution state has a comparatively much greater negative effect on the thermal conductivity of the
Werkzeugstahls ausübt. Aus diesem Grund ist es nicht von Vorteil, den Werkzeugstahl mit Vanadium allein zu legieren.
Optional kann der Werkzeug stahl 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.Tool steel exercises. For this reason, it is not advantageous to alloy the tool steel with vanadium alone. Optionally, the tool steel may contain one or more elements for solid solution hardening, in particular Co, Ni, Si and / or Mn. Thus, there is the optional possibility that the tool steel Mn has a content of up to 2% by weight.
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 .In order to improve the high-temperature strength of the tool steel, for example, depending on the concrete application, a content of up to 6 wt% Co may be advantageous. In a further preferred embodiment, the tool steel may have Co with a content of up to 3% by weight, preferably with a content of up to 2% by weight.
Um die Zäh igkeit 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.In order to increase the toughness of the tool steel at low temperatures, it may optionally be provided that the hot working steel has Si content of up to 1.6% by weight.
Um die Bearbeitbarkeit des Werkzeugstahls zu verbessern , kann der Werkzeugstah l optional Schwefel S mit einem Gehalt von bis zu 1 Gew.-% enthalten.In order to improve the machinability of the tool steel, the tool steel may optionally contain sulfur S at a level of up to 1% by weight.
Um das grund legende Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, sollen nachfolgend einige wesentliche Gesichtspunkte der neuartigen metallurgischen Gestaltungsstrategie für Werkzeugstähle mit hoher Wärmeleitfähigkeit (Warmarbeitsstähle), die auch den erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt, näher erläutert werden.In order to facilitate the basic understanding of the present invention, some essential aspects of the novel metallurgical design strategy for tool steels with high thermal conductivity (hot working steels), which is also the basis of the inventive method will be explained in more detail below.
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 mikrostrukturellenFor a given cross section through a metallographically prepared sample of a tool steel shown in FIG. 1 is schematically illustrated, it is possible, in a light or scanning electron microscopic observation of the microstructural
Aufbaustruktur mittels optischer Bildanalysetechniken die Flächenanteile der Karbide Ac und des Matrixwerkstoffes Am
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.Structure by means of optical image analysis techniques, the area proportions of the carbides A c and the matrix material A m to be quantified. Here, the large-area carbides are referred to as primary carbides 1 and the small-area carbides as secondary carbides 2. The matrix material shown in the background is denoted by reference numeral 3 in FIG.
Unter Vernachlässigung weiterer Mikrostrukturbestandteile (zum Beispiel Einschlüsse) lässt sich der Flächeninhalt der gesamten Oberfläche Atot des Werkzeugstahls in guter Näherung gemäß folgender Gleichung bestimmen:Neglecting other microstructure constituents (for example inclusions), the surface area of the entire surface A tot of the tool steel can be determined to a good approximation according to the following equation:
Atot = Am + Ac Atot = A m + A c
Durch eine einfache mathematische Umformulierung erhält man folgende Gleichung;By a simple mathematical reformulation one obtains the following equation;
(Am / Atot ) + (Ac / Atot ) = 1(Am / Atot) + (A c / Atot) = 1
Die Summanden dieser Gleichung sind als Gewichtungsfaktoren für einen Mischungsregelansatz geeignet.The summands of this equation are suitable as weighting factors for a mixture control approach.
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 λint dieses Systems nach einem solchen Mischungsregelansatz wie folgt beschrieben werden :Assuming now that the matrix material 3 and the carbides 1, 2 have different properties with regard to their thermal conductivity, the total integral thermal conductivity λ in t of this system can be described by such a mixture control approach as follows:
λint = (Am / Atot) * λm + (Ac / Atot) * λc λint = (A m / A tot) * λ m + (A c / A tot) * λ c
λm ist dabei die Wärmeleitfähigkeit des Matrixmaterials 3 und λc ist d ie Wärmeleitfähigkeit der Karbide 1 , 2.
Diese Formulierung stellt zweifellos eine vereinfachte Systemsichtweise dar, die jedoch zum phänomenologischen Verständnis der vorliegenden Erfindung durchaus geeignet ist.λ m is the thermal conductivity of the matrix material 3 and λ c is the thermal conductivity of the carbides 1, 2. This formulation undoubtedly represents a simplified system vision, but quite suitable for the phenomenological understanding of the present invention.
Eine realitätsgetreuere mathematische Modellierung der integralenA more realistic mathematical modeling of the integral
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 kugelförmigenThermal conductivity of the entire system can be carried out, for example, using so-called Effective-Medium Theories (EMT). With such an approach, the microstructural composition of the tool steel as a composite system consisting of the carbide properties imaging spherical
Einzelstrukturelementen mit isotroper Wärmeleitfähigkeit, welche in ein Matrixmaterial mit anderer, jedoch ebenfalls isotroper Wärmeleitfähigkeit eingebettet sind, beschrieben:Single structural elements with isotropic thermal conductivity, which are embedded in a matrix material with different but also isotropic thermal conductivity:
λιnt = λm + fc * λ.nt * (3* (λc - λm) / ( 2 * λint + λc )λ ιnt = λ m + f c * λ.nt * (3 * (λ c -λ m ) / (2 * λ int + λ c )
In dieser Gleichung beschreibt fc den Volumenanteil der Karbidel , 2.In this equation, f c describes the volume fraction of Karbidel, 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,nt, so kann aus den zuvor formulierten Mischungsregeln grundsätzlich abgeleitet werden, dass eine solche Maximierung der Systemwärmeleitfähigkeit λ,nt dann erreicht werden kann, wenn es gelingt, dass die Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Systemkomponenten λc und λm jeweils maximiert werden.However, this equation is not uniquely solvable and therefore only limited for a targeted system design usable. When it comes to maximizing the system thermal conductivity λ, nt , it can be inferred from the previously formulated mixture rules that such a maximization of the system thermal conductivity λ, nt can be achieved if the thermal conductivities of the individual system components λ c and λ m be maximized in each case.
Für die vorliegende Erfindung ist es dabei von besonderer Bedeutung, dass der Volumenanteil der Karbide fc letztlich darüber entscheidet, welche der beiden Wärmeleitfähigkeiten λc und λm relevanter ist.
Die Menge der Karbide wird letztlich d urch die anwendungsspezifischen Anforderungen an die mechanische Beständigkeit und insbesondere an die Verschleißbeständigkeit des Werkzeugstahls definiert. So ergeben sich vor allem im H inblick auf die Karbidstruktur für die unterschied lichen Hauptanwend ungsgebiete der erfindungsgemäß entwickelten Werkzeugstähle durchaus unterschiedliche Gestaltungsvorgaben .For the present invention, it is of particular importance that the volume fraction of the carbides f c ultimately decides which of the two heat conductivities λ c and λ m is more relevant. The amount of carbides is ultimately defined by the application-specific mechanical resistance requirements and in particular the wear resistance of the tool steel. Thus, especially with regard to the carbide structure for the different main application areas of the inventively developed tool steels, quite different design specifications result.
Im Bereich des Aluminiumdruckgusses ist die Verschleißbeanspruchung durch kontaktgebundeneIn the field of die-cast aluminum, the wear stress is due to contact-bonded
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.Wear mechanisms especially by abrasion only relatively low pronounced. The presence of large-area primary carbides as highly wear-resistant microstructural components is therefore not absolutely necessary. Thus, the volume fraction of carbides f c is determined mainly by the secondary carbides. The amount of f c is therefore relatively small.
Bei der Warmblechumformung , die auch die begrifflichen Varianten des Presshärtens und des Formhärtens umfasst, unterliegen die Werkzeuge einer hohen Beanspruchung durch kontaktgebundeneIn hot sheet forming, which also includes the conceptual variants of press hardening and mold hardening, the tools are subject to high stress due to contact-bound
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 fc.Wear mechanisms in both adhesive and abrasive forms. Therefore, large area primary carbides are highly desirable because they can increase resistance to these wear mechanisms. The consequence of such a primary carbide-rich microstructure is a high amount of 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 einzelnerRegardless of the carbide structure, the ultimate goal is to maximize the thermal conductivity of all system components. However, the application-specific design specifications for the carbide development result in a weighting of the influence of the thermal conductivities of the system components on the integral thermal conductivity of the overall system. Even this approach differs drastically from the prior art, in which the thermal conductivity is always regarded as an integral physical material property. When it comes to the state of the art, the influence of individual
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.Significantly, this is always done by determining integral properties on the thermal conductivity. The consideration of the influence of such alloying elements on the microstructural manifestation, ie on the carbide structure and on the matrix and the resulting physical property changes for these microstructural system elements, has hitherto been nonexistent and therefore never a starting point of a metallurgical design concept for a tool steel in the prior art.
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 .Under such integral design considerations, it has been found that a reduction in chromium content and an increase in molybdenum content result in an improvement in integral thermal conductivity. Tool steels developed according to such a metallurgical design approach usually have a thermal conductivity of 30 W / mK, which represents an increase of 25% compared to a thermal conductivity of 24 W / mK. Such an increase is already considered in the art as an effective property improvement.
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 H inblick auf die Gestaltung neuartiger Werkzeugstähle untersucht und umgesetzt.
Für die erfindungsgemäßen Werkzeugstähle mit einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 4, 5 beziehungsweise 6 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 KarbidbildnerSo far, it has been assumed that a further reduction of the chromium content can not lead to a further significant improvement in the thermal conductivity. As a further reduction of the chromium content additionally leads to a reduction in the corrosion resistance of the hot-work tool steel, corresponding metallurgical formulations have not been further investigated and implemented with regard to the design of novel tool steels. For the tool steels according to the invention with a composition according to claim 4, 5 or 6, a completely novel metallurgical concept was applied to achieve a drastically improved thermal conductivity, which is able to design in a precisely defined manner the thermal conductivity of the microstructural system components and thus the integral thermal conductivity drastically improve the tool steel. An important basic idea of the metallurgical concept presented here is that the preferred carbide formers
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.Molybdenum and tungsten are and that as a result of already low levels of chromium dissolved in these carbides due to the extension of the mean free path of the phonons by the resulting disturbances in the crystal structure of the pure carbides, the heat transfer properties are adversely affected.
Mit d iesem 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 imWith this novel metallurgical design approach, it is advantageously possible to achieve integral thermal conductivities of hot-work steels at room temperature of up to 66 W / mK and more. This exceeds the rate of increase of all
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.The prior art known concepts by about ten times. None of the approaches found in the prior art provide a comparable reduction in chromium content for hot work tool steels with the objective of improving thermal conductivity.
Für d iejenigen 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 gezielteFor those cases in which a similar low chromium content is provided for the chemical composition described in the present invention, it is explicitly not a question of influencing the thermal conductivity, but of other functional objectives, such as in the JP 04147706 A to the targeted
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 jeglichenFormation of an oxidation layer on the steel surface by reducing the oxidation resistance in this area. It is known in the art that the higher the purity content of a material, the higher its thermal conductivity. Any contamination - so in the case of metallic materials and the addition of any
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 weitererAlloy element - inevitably leads to a reduction in thermal conductivity. For example, pure iron has a thermal conductivity of 80 W / mK, and slightly contaminated iron already has a thermal conductivity of less than 70 W / mK. Already the minimum addition of carbon (0.25% by volume) and more
Legierungselemente, wie zum Beispiel Mangan (0,08 Volumenprozent), führt bei Stahl zu einer Wärmeleitfähigkeit von gerade einmal 60 W/mK.Alloy elements, such as manganese (0.08 volume percent), lead to a thermal conductivity of just 60 W / mK in steel.
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 inNevertheless, it is surprisingly possible with the procedure according to the invention to achieve heat conductivities of up to 70 W / mK despite the addition of further alloying elements such as, for example, molybdenum or tungsten. The reason for this unexpected effect is that, according to the present invention, it is an objective not to use carbon as much as possible in the matrix
Lösung gehen zu lassen , sondern ihn in den Karbiden durch starke Karbidbildner zu binden und Karbide mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zu verwenden.Solution but to bind it in the carbides by strong carbide formers and to use carbides with a high thermal conductivity.
Konzentriert man nun die Betrachtung auf die Karbide, so ist es dieFocusing now on the carbides, so it is the
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 zumPhonon conductivity, which ultimately dominates the thermal conductivity. If you want to improve this, then it is precisely at this point to intervene creatively. However, some carbides have a fairly high density of conducting electrons, especially high metal content high melting carbides such as
Beispiel W6C oder Mo3C. I n 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 d rastischen Verlängerung der mittleren freien Weglänge für den Phonenenfluss führen. Folge ist eine Verringerung der Wärmeleitfähgikeit. Dies führt zu der eindeutigen Schlussfolgerung, dass eine möglichst weitgehende Verringerung desExample W6C or Mo3C. I n Recent research has found that even very small additions of chromium to even Such carbides lead to significant disturbances of the crystal lattice structure and thus lead to a d rastischen extension of the mean free path for the phonon flux. The result is a reduction in thermal conductivity. This leads to the clear conclusion that the greatest possible reduction in the
Chromgehalts zu einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugstahls führt.Chromium content leads to an improvement in the thermal conductivity of the tool steel.
Darüber hinaus sollten Molybdän und Wolfram als bevorzugte Karbidbildner berücksichtigt werden. Molybdän ist in diesemIn addition, molybdenum and tungsten should be considered as preferred carbide formers. Molybdenum is in this
Zusammenhang besonders bevorzugt, da es ein wesentlich stärkererConnection particularly preferred because it is a much stronger
Karbidbildner ist als Wolfram . Der Effekt der Abreicherung vonCarbide former is as tungsten. The effect of depletion of
Molybdän in der Matrix bewirkt eine verbesserteMolybdenum in the matrix causes an improved
Elektronenleitfähigkeit in der Matrix und trägt damit zu einer weiteren Verbesserung der integralen Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems bei.Electron conductivity in the matrix and thus contributes to a further improvement of the integral thermal conductivity of the entire system.
Wie bereits zuvor erwähnt, führt ein zu geringer Chromgehalt gleichzeitig zu einer Herabsetzung der Korrosionsbeständigkeit des Werkzeugstahls. Wenngleich dies für bestimmte Anwendungen vonAs mentioned above, too low a chromium content simultaneously leads to a reduction in the corrosion resistance of the tool steel. Although this is true for certain applications of
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 .Disadvantage, so the higher tendency to oxidation for the main applications of the inventively designed tool steel is not a really functional disadvantage, since additional corrosion protection effects and measures anyway part of existing operational processes.
So stellt zum Beispiel bei Anwendungen im Aluminiumdruckguss das flüssige Aluminium selber einen hinreichenden Korrosionsschutz dar, im Bereich der Warmblechumformung sind es d ie zum Verschleißschutz nitrierten Oberflächenrandschichten der Werkzeuge.For example, in applications in aluminum die-casting, the liquid aluminum itself provides adequate corrosion protection. In the area of hot sheet metal forming, it is the surface edge layers of the tools that are nitrided for wear protection.
Korrosionsschützende Schmierstoffe sowie Kühl- und Trennmittel tragen ebenfalls ihren Teil zum Korrosionsschutz bei. Zusätzlich
können sehr dünne Schutzschichten galvanisch oder im Vakuumbeschichtungsverfahren auftragen werden .Corrosion-protecting lubricants as well as coolants and release agents also play their part in corrosion protection. additionally For example, very thin protective layers can be applied by electroplating or by vacuum coating.
Die erfindungsgemäße Verwendung der hier beschriebenen Werkzeugstähle (insbesondere Warmarbeitsstähle) als Werkstoff zurThe use according to the invention of the tool steels described here (in particular hot working steels) as material for
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.Manufacture of steel articles, particularly hot work tools, provides numerous and sometimes extremely remarkable advantages over the prior art hot work steels previously used as materials for corresponding hot work tool steel articles.
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 desThe higher thermal conductivity of the tools produced from the tool steels according to the invention (in particular hot-work steels) allows, for example, a reduction in the cycle times during the machining / production of workpieces. Another advantage is a significant reduction of the surface temperature of the tool as well as the reduction of the
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.Surface temperature gradient, resulting in a significant impact on the longevity of the tool. This is particularly the case when tool damage is primarily due to thermal fatigue, thermal shock or welding. This is the case in particular with regard to tools for aluminum die-casting applications.
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.It is also surprising that the remaining mechanical and / or thermal properties of the tool steels according to the invention (in particular hot-work steels) could either be improved or at least remain unchanged in comparison with the tool steels known from the prior art. For example, the modulus of elasticity could be reduced; the density of the tool steels according to the invention (in particular hot-work steels) could be increased in comparison to conventional ones Hot working steels increased and the thermal expansion coefficient could be reduced. For some applications, further improvements can be achieved, such as increased mechanical strength at high temperatures or increased wear resistance.
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 alsIn a preferred embodiment, it is proposed that the tool steel has less than 1.5% by weight of Cr, preferably less than 1% by weight of Cr. It is in a particularly preferred embodiment, the possibility that the tool steel less than
0, 5 Gew.-% Cr, vorzugsweise weniger als 0,2, insbesondere weniger als 0, 1 Gew.-% Cr aufweist.0, 5 wt .-% Cr, preferably less than 0.2, in particular less than 0, 1 wt .-% Cr.
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 I ntervall von weniger als 0,4 Gew.-% Cr am größten. Eine I ntervallabstufung in der Abnahme der Intensität der nachteiligen Wirkung auf die Wärmeleitfähigkeit desAs explained above, the presence of chromium in the solid solution state in the matrix of tool steel negatively affects its thermal conductivity. The intensity of this negative effect on the thermal conductivity by increasing the chromium content in the tool steel is greatest for the interval of less than 0.4 wt% Cr. A graded interval in the decrease in the intensity of the adverse effect on the thermal conductivity of the
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 derTool steel is preferred at the two intervals of greater than 0.4 weight percent but less than 1 weight percent, as well as greater than 1 weight percent and less than 2 weight percent. For applications in which the oxidation resistance of the tool steel (hot working steel) plays a major role, for example, a balance of the
Anforderungen, die an den Werkzeugstahl im Hinblick auf die Wärmeleitfähigeit 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 gutenRequirements made on the tool steel with regard to thermal conductivity and oxidation resistance, which are reflected in an optimized weight percentage of chromium. In general, a content of about 0.8 wt .-% chromium makes the tool steel a good
Korrosionsschutz zur Verfügung . Es hat sich gezeigt, dass Zusätze, die über d iesen Gehalt von etwa 0,8 Gew.-% Chrom hinausgehen,
eine unerwünschte Auflösung von Chrom in den Karbiden zur Folge haben können.Corrosion protection available. It has been found that additives exceeding this content of about 0.8% by weight of chromium an undesirable dissolution of chromium in the carbides can result.
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 d iesen 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 kleinerenIn a preferred embodiment, there is the possibility that the molybdenum content of the tool steel is from 0.5 to 7% by weight, in particular from 1 to 7% by weight. Among the less expensive carbide formers, molybdenum has a comparatively high carbon affinity. In addition, molybdenum carbides have a higher thermal conductivity than iron and chromium carbides. Furthermore, the adverse effect of molybdenum in the solid solution state on the thermal conductivity of the tool steel compared to chromium in the solid solution state is considerably lower. For these reasons, molybdenum is one of those carbide formers suitable for a large number of applications. However, for applications requiring high toughness, other carbide formers are smaller ones
Sekundärkarbiden, wie zum Beispiel Vanadium (etwa 1 bis 15 nm große Kolonien gegenüber bis zu 200nm großen Kolon ien bei Molybdän) d ie vorteilhaftere Wahl.Secondary carbides, such as vanadium (about 1 to 15 nm large colonies versus up to 200 nm large colonies in molybdenum) the better choice.
Molybdän kann in zahlreichen Anwendungen durch Wolfram ersetzt werden. Die Karbonaffinität von Wolfram ist etwas geringer und die Wärmeleitfähigkeit von Wolframkarbid erheblich größer.Molybdenum can be replaced by tungsten in many applications. The carbon affinity of tungsten is slightly lower and the thermal conductivity of tungsten carbide is considerably larger.
Es besteht in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform die Mög lichkeit, dass der Gehalt von Mo, W und V in der Summe 2 bisIt is in a further particularly advantageous embodiment, the possi probability that the content of Mo, W and V in the sum 2 to
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 .10 wt .-% is. The content of these three elements in the sum is in particular dependent on the desired number of carbides, that is, on the respective application requirements.
Die Verunreinigungen des Werkzeugstahls, insbesondereThe impurities of the tool steel, in particular
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 . I nsbesondere 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 .Hot-work steel, one or more of the elements Cu, P, Bi, Ca, As, Sn or Pb may contain up to 1% by weight individually or in total. In addition to Co, Ni, Si and Mn, Cu in particular is another suitable element for solid solution hardening, so that at least a small proportion of Cu in the alloy may optionally be advantageous. In addition to S, which may optionally be present with a content of at most 1 wt .-%, also the elements Ca, Bi or As can simplify the workability of the tool steel.
Ebenfalls von Bedeutung ist die mechanische Stabilität des Werkzeugstahls bei hohen Temperaturen der legierungsbildendenAlso of importance is the mechanical stability of the tool steel at high temperatures of the alloy forming
Karbide. In diesem Zusammenhang sind zum Beispiel sowohl Mo- als auch W-Karbide im Hinblick auf die mechanischen Stabilitäts- undCarbides. In this context, for example, both Mo and W carbides with respect to the mechanical stability and
Festigkeitseigenschaften vorteilhafter als Chrom- und Eisenkarbide.Strength properties more advantageous than chromium and iron carbides.
Eine Verarmung von Chrom zusammen mit der Verringerung des Kohlenstoffgehalts in der Matrix führt zu einer verbessertenDepletion of chromium along with the reduction in carbon content in the matrix results in improved
Wärmeleitfähigkeit, besonders wenn dies durch Wolfram- und/oderThermal conductivity, especially if this is due to tungsten and / or
Molybdänkarbide geschieht.Molybdenum carbides happen.
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.The methods by which the tool steels presented here (in particular hot-work steels) are also produced play an important role in its thermal and mechanical properties. By a specific choice of the manufacturing process, the mechanical and / or thermal properties of the tool steel can thus be selectively varied and thereby adapted to the respective intended use.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Werkzeugstähle können zum Beispiel durch Pulvermetallurgie (heiß- isostatisches Pressen) hergestellt werden. Es besteht zum Beispiel auch die Möglichkeit, einen erfindungsgemäßen Werkzeugstahl durchThe tool steels described in the context of the present invention can be produced, for example, by powder metallurgy (hot isostatic pressing). There is also the possibility, for example, of a tool steel according to the invention
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.Produce vacuum induction melts or furnace smelting. It has surprisingly been found that each selected Manufacturing process may affect the resulting carbide size, which in turn - as stated above - may have effects on the thermal conductivity and mechanical properties of the tool steel.
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.The tool steel can also by known refining processes, such as by VAR (VAR = Vacuum Are Remelting), AOD (AOD = argon Oxygen Decarburation), or so-called ESR procedure (ESR: engl.
Electro Slag Remelting) veredelt werden.Electro slag remelting).
Ebenso kann ein erfindungsgemäßer Werkzeugstahl zum Beispiel durch Sand- oder Feingu ß hergestellt werden . Er kann d urch Heißpressen oder ein anderes pulvermetallurgisches VerfahrenLikewise, a tool steel according to the invention can be produced, for example, by sand or Feingu ß. It can be by hot pressing or another powder metallurgical process
(Sintern, Kaltpressen , isostatisches Pressen) und bei all diesen Herstellungsverfahren mit oder ohne Anwendung von thermo- mechanischen Prozessen (Schmieden, Walzen, Fließpressen) hergestellt werden . Auch weniger konventionelle Herstellungsmethoden wie Thixo-Guß (engl. : thixo-casting), Plasmaoder 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 .(Sintering, cold pressing, isostatic pressing) and in all these manufacturing processes, with or without the use of thermo-mechanical processes (forging, rolling, extrusion). Even less conventional manufacturing methods such as thixo casting (thixo casting), plasma or laser application and local sintering can be used. In order to produce objects with a composition which changes within the volume from the tool steel, the sintering of powder mixtures can be advantageously used.
Der im Rahmen der vorliegenden Erfind ung 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 24 wird eine Verwendung eines Werkzeugstahls, insbesondere eines Warmarbeitsstahls, nach einem der Ansprüche 4 bis 23 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.The steel developed in the context of the present invention can also be used as a filler metal (for example in powder form for laser welding, as rod or profile for metal inert gas welding (MIG welding), metal active gas welding (MAG welding), tungsten inert gas welding (TIG welding) or for welding with coated electrodes). According to claim 24, a use of a tool steel, in particular a hot work tool according to one of claims 4 to 23 proposed as a material for producing a hot-worked steel article, in particular a hot working tool having a thermal conductivity at room temperature of more than 42 W / mK, preferably a thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular a thermal conductivity of more than 55 W / mK.
Ein erfindungsgemäßer Stahlgegenstand zeichnet sich durch dieA steel article according to the invention is characterized by
Merkmale des Anspruchs 25 aus und besteht zumindest teilweise aus einem Werkzeugstahl, insbesondere aus einem Warmarbeitsstahl, nach einem der Ansprüche 4 bis 23.Characteristics of claim 25 and consists at least partially of a tool steel, in particular of a hot-work tool steel, according to one of claims 4 to 23.
Es besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass der Stahlgegenstand eine über sein gesamtes Volumen imIt is in an advantageous embodiment, the possibility that the steel article over its entire volume in the
Wesentlichen konstante Wärmeleitfähigkeit aufweist. Insbesondere kann der Stahlgegenstand in dieser Ausführungsform vollständig aus einem Werkzeugstahl, insbesondere aus einem Warmarbeitsstahl, nach einem der Ansprüche 4 bis 23 bestehen .Has substantially constant thermal conductivity. In particular, the steel article in this embodiment can be made entirely of a tool steel, in particular a hot-work tool, according to one of claims 4 to 23.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Stahlgegenstand eine sich zumindest abschnittsweise ändernde Wärmeleitfähigkeit aufweist.In a particularly advantageous embodiment it can be provided that the steel article has an at least partially changing thermal conductivity.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der Stahlgegenstand bei Raumtemperatur zumindest abschnittsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 42 W/mK, vorzugsweise eineAccording to a particularly advantageous embodiment, the steel article at room temperature at least partially a thermal conductivity of more than 42 W / mK, preferably a
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.Have thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular a thermal conductivity of more than 55 W / mK. The steel article may at room temperature over its entire volume, a thermal conductivity of more than 42 W / mK, preferably a thermal conductivity of more than 48 W / mK, in particular have a thermal conductivity of more than 55 W / mK.
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.The steel article may, in advantageous embodiments, be, for example, a forming tool in processes of pressure forming, shear forming, or bend forming metals, preferably in forging processes, drop forging processes, thixo forging processes, extrusion processes, extrusion processes, die bending processes, roll forming processes, or in flat, profile, and cast roll processes ,
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.The steel article may, in further advantageous embodiments, be a forming tool in processes of draw-forming and tensile-forming of metals, preferably in press-hardening processes, form-hardening processes, deep-drawing processes, stretch-drawing processes and neck-pulling processes.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Stahlgegenstand zum Beispiel ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung metallischer Ausgangswerkstoffe, vorzugsweise in Druckgießprozessen, Vakuumdruckgießprozessen,For example, in further preferred embodiments, the steel article may be a forming tool in processes of forming metallic starting materials, preferably in die casting processes, vacuum die casting processes,
Thixogießprozessen, Gießwalzprozessen, Sinterprozessen und heißisostatischen Pressprozessen sein.Thixogießprozessen, Gießwalzprozessen, sintering processes and hot isostatic pressing processes.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass der Stahlgegenstand ein formgebendes Werkzeug in Prozessen der Urformung polymererFurthermore, there is a possibility that the steel article may become a shaping tool in processes of primary molding of polymeric material
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.Starting materials, preferably in injection molding processes, extrusion processes and Extrusionblaseprozessen, or a forming tool in processes of Urformung ceramic starting materials, preferably in sintering processes, is. In a further preferred embodiment, the steel article may be a component for machines and plants for power generation and energy conversion, preferably for internal combustion engines, reactors, heat exchangers and generators.
Ferner besteht die Möglichkeit, dass der Stahlgegenstand ein Bauteil für Maschinen und Anlagen der chemischen Verfahrenstechnik, vorzugsweise für chemische Reaktoren, ist.Furthermore, there is the possibility that the steel object is a component for machines and plants of chemical engineering, preferably for chemical reactors.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigenFurther features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred examples with reference to the accompanying drawings. Show in it
Fig. 1 eine schematisch stark vereinfachte Konturdarstellung einer Karbidstruktur im mikrostrukturellen Querschn itt eines typischen Werkzeugstahls;1 shows a schematically greatly simplified contour representation of a carbide structure in the microstructural cross section of a typical tool steel;
Fig. 2 die Abriebfestigkeit zweier Proben (F 1 und F5) einesFig. 2 shows the abrasion resistance of two samples (F 1 and F5) of a
Warmarbeitsstahls gemäß der vorliegenden Erfind ung im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen;Hot work steel according to the present invention in comparison with conventional tool steels;
Fig. 3 die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Chromgehalt erfind ungsgemäßer Werkzeugstähle (Warmarbeitsstähle) , der für den Einsatz in Warmumformprozessen geeignet ist;3 shows the dependence of the thermal conductivity on the chromium content of tool steels according to the invention (hot working steels), which is suitable for use in hot forming processes;
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.4 shows the dependence of the thermal conductivity on the chromium content for a further selection of tool steels according to the present invention; Fig. 5 is an illustration of the heat dissipation achieved in a two-sided contact with two tool steel plates heat dissipation in a preheated workpiece.
Einleitend sollen fünf Beispiele von WerkzeugstählenIntroducing five examples of tool steels
(Warmarbeitsstählen), die für unterschiedliche Verwendungszwecke geeignet sind, näher erläutert werden(Hot working steels), which are suitable for different uses, will be explained in more detail
Beispiel 1example 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 besonders vorteilhaft ist:It has been found that, for the manufacture of tools (hot work tool steel articles) used for hot stamping steel sheets, the use of a hot work tool steel having the following composition is particularly advantageous:
0,32 bis 0,5 Gew.-% C; weniger als 1 Gew.-% Cr; 0 bis 4 Gew.-% V; 0 bis 10 Gew.-% , insbesondere 3 bis 7 Gew.-% Mo;From 0.32 to 0.5% by weight of C; less than 1% by weight Cr; 0 to 4% by weight V; 0 to 10 wt .-%, in particular 3 to 7 wt .-% Mo;
0 bis 15 Gew.-%, insbesondere 2 bis 8 Gew.-% W; wobei der Gehalt von Mo und W in der Summe 5 bis 1 5 Gew.-% beträgt.0 to 15% by weight, in particular 2 to 8% by weight W; wherein the content of Mo and W in the sum of 5 to 1 5 wt .-% is.
Darüber hinaus enthält der Warmarbeitsstahl unvermeidliche Verunreinigungen und als Hauptbestandteil Eisen. Optional kann derIn addition, the hot-work steel contains unavoidable impurities and iron as its main component. Optionally, the
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 Anwend ung spielt die Abriebfestigkeit des aus dem Warmarbeitsstahl hergestellten Werkzeugs eine besonders wichtige Rolle. Das Volumen der gebildeten Primärkarbide sollte daher möglichst groß sein .
Beispiel 2Hot work steel strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, containing up to 3 wt .-% individually or in total. In this application, the abrasion resistance of the tool made of hot-work steel plays a particularly important role. The volume of the primary carbides formed should therefore be as large as possible. Example 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. I n einem solchen Fall ist der Vorteil einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit besonders wichtig, da nicht nur eine Reduktion der Taktzeit ermöglicht wird , sondern auch die Oberflächentemperatur desAluminum die casting is a very important market today, in which the properties of the hot working tool used to make the tools play an important role in competitiveness. The mechanical properties at high temperatures of the hot working steel used to produce a die casting tool are of particular importance here. In such a case, the advantage of increased thermal conductivity is particularly important, since not only is it possible to reduce the cycle time, but also the surface temperature of the cycle
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:Tool and the temperature gradient is reduced in the tool. The positive effects on the durability of the tools are considerable. In die casting applications, particularly with regard to die-cast aluminum, the use of a hot-work tool steel as a material for producing a corresponding tool having the following composition is particularly advantageous:
0,3 bis 0,42 Gew.-% C; weniger als 2 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-% Cr; 0 bis 6 Gew.-%, insbesondere 2,5 bis 4, 5 Gew.-% Mo;0.3 to 0.42% by weight C; less than 2% by weight, especially less than 1% by weight Cr; 0 to 6 wt .-%, in particular 2.5 to 4, 5 wt .-% 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.0 to 6 wt .-%, in particular 1 to 2.5 wt .-% W; wherein the content of Mo and W in the sum is 3.2 to 5.5% by weight; 0 to 1, 5 wt .-%, in particular 0 to 1 wt .-% 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 Anwend ung und von den Erfordernissen im Hinblick auf die thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften des Werkzeugs ab, das aus dem Warmarbeitsstahl hergestellt wird.In addition, the hot working steel contains iron (as a main component) and inevitable impurities. Optionally, the hot work tool steel may contain strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, at a level of up to 3 weight percent, singly or in total. For aluminum die casting applications Fe 3 C should not be present if possible. Cr and V with additions of Mo and W are the preferred elements to replace Fe 3 C. Preferably, however, Cr is also replaced by Mo and / or W. In order to replace vanadium in some applications, preferably completely or at least partially, W and / or Mo can also be used. Alternatively, however, stronger carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb or Ta can also be used. The choice of carbide formers and their proportions in turn depend on the specific application and requirements with respect to the thermal and / or mechanical properties of the tool made from the hot work tool steel.
Beispiel 3Example 3
Beim Druckgießen von Legierungen mit einem vergleichsweise hohen Schmelzpunkt ist die Verwendung eines Warmarbeitsstahls zur Herstellung eines entsprechenden Werkzeugs mit folgender Zusammensetzung vorteilhaft:In the die casting of alloys with a comparatively high melting point, the use of a hot-work tool to produce a corresponding tool having the following composition is advantageous:
0,25 bis 0,4 Gew.-% C; weniger als 2 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-% Cr; 0 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.0.25 to 0.4% by weight C; less than 2% by weight, especially less than 1% by weight Cr; 0 to 5 wt .-%, in particular 2.5 to 4.5 wt .-% Mo; 0 to 5 wt .-%, in particular 0 to 3 wt .-% W; wherein the content of Mo and W in the sum of 3 to 5.2 wt .-% is; 0 to 1 wt .-%, in particular 0 to 0.6 wt .-% 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.In addition, the hot-work steel contains unavoidable impurities and iron as its main component. Optionally, the hot work tool steel may include strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, individually or in the amount up to 3% by weight Sum. A greater toughness of the hot work steel is required in this application, so that primary carbides should be suppressed as completely as possible and thus stable carbide formers are more advantageous.
Beispiel 4Example 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:In the injection molding of plastics as well as in the die casting of alloys with a relatively low melting point, the use of a hot-work tool for producing a corresponding tool having the following composition is particularly advantageous:
0,4 bis 0,55 Gew.-% C; weniger als 2 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-% Cr; 0 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.0.4 to 0.55 wt% C; less than 2% by weight, especially less than 1% by weight Cr; 0 to 4 wt .-%, in particular 0.5 to 2 wt .-% Mo; 0 to 4 wt .-%, in particular 0 to 1, 5 wt .-% W; wherein the content of Mo and W in the sum is 2 to 4 wt .-%; 0 to 1, 5 wt .-% 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.In addition, the hot-work tool steel contains iron as the main ingredient and inevitable impurities. Optionally, the hot work tool steel may have strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, at a level of up to 3% by weight singly or in total. In these applications, the proportion of vanadium should be kept as low as possible. Preferably, the vanadium content of the hot work tool steel may be less than 1% by weight and more preferably less than 0.5% by weight, and in a most preferred embodiment less than 0.25% by weight.
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.The requirements with regard to the mechanical properties of the tools are relatively low in injection molding. A mechanical one Strength of about 1500 MPa is usually sufficient. Higher thermal conductivity, however, makes it possible to shorten the cycle times in the production of injection-molded parts, so that the costs for producing the injection-molded parts can be reduced.
Beispiel 5Example 5
Beim Warmschmieden ist es besonders vorteilhaft, zur Herstellung eines entsprechenden Werkzeugs einen Warmarbeitsstahl zu verwenden , der folgende Zusammensetzung aufweist:In hot forging, it is particularly advantageous to use a hot work tool steel having the following composition for producing a corresponding tool:
0,4 bis 0,55 Gew.-% C ; weniger als 1 Gew.-% Cr,0.4 to 0.55 wt% C; less than 1% by weight Cr,
0 bis 10 Gew.-%, insbesondere 3 bis 5 Gew.-% Mo;0 to 10 wt .-%, in particular 3 to 5 wt .-% 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 to 7% by weight, in particular 2 to 4% by weight W; wherein the content of Mo and W in the sum of 6 to 10 wt .-% is;
0 bis 3 Gew.-%, insbesondere 0,7 bis 1 ,5 Gew.-% V.0 to 3 wt .-%, in particular 0.7 to 1, 5 wt .-% 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.In addition, the hot working steel contains iron as the main component and inevitable impurities. Optionally, the hot work tool steel may have strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, at a level of up to 3 percent by weight, singly or in total.
Vorteilhaft kann der Warmarbeitsstahl in diesem Beispiel Elemente zum Festlösungsverfestigen , insbesondere Co, aber auch Ni, Si, Cu u nd Mn enthalten. I nsbesondere hat sich ein Gehalt von bis zu 6 Gew.-% Co als vorteilhaft erwiesen , um die Hochtemperaturfestigkeit des Werkzeugs zu verbessern .Advantageously, the hot-work steel in this example can contain elements for solid solution strengthening, in particular Co, but also Ni, Si, Cu and Mn. In particular, a content of up to 6% by weight of Co has proven to be advantageous in order to improve the high-temperature strength of the tool.
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.With the aid of the hot working steels described here by way of example, which are suitable for a large number of different applications, one can a thermal conductivity is obtained, which is about twice as large as that of the known hot-working steels.
In Tabelle 1 sind einige thermoelastische Kenngrößen von fünf exemplarischen Proben (Probe F 1 bis Probe F5) einesIn Table 1, some thermoelastic characteristics of five exemplary samples (sample F 1 to sample F5) are one
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 d rastisch vergrößert ist.Hot work steel according to the present invention compared to conventional tool steels shown. For example, it can be seen that the hot working steels have a higher density than the known tool steels. Furthermore, the results show that the thermal conductivity of the samples of the hot-work steel according to the invention is increased elastically in comparison to the conventional tool steels d.
I n Tabelle 2 sind die mechanischen Eigenschaften zweier Warmarbeitsstahlproben (Probe F 1 und F5) gemäß der vorliegendenTable 2 shows the mechanical properties of two hot work steel samples (samples F 1 and F5) according to the present invention
Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen zusammengefasst.Invention summarized compared to conventional tool steels.
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-1 500P-Blech ermittelt. Die Probe „1 .2344" ist dabei die Referenzprobe (Abriebfestigkeit: 100%). Ein Material mit einer Abriebfestigkeit von 200% weist somit eine doppelt so hoheFIG. 2 shows the abrasion resistance of two samples (F1 and F5) of a hot work tool compared to conventional tool steels. The abrasion resistance was determined by means of a pin, which was made of the corresponding steel, and a disk of a USIBOR-1 500P sheet. The sample "1 .2344" is the reference sample (abrasion resistance: 100%), so a material with an abrasion resistance of 200% is twice as high
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.Abrasion resistance as the reference sample and thus experiences only half the weight loss during the execution of Abriebeestverfahrens. It can be seen that the samples of hot-work steel according to the invention have a very high abrasion resistance compared to most known steels. In the following, further preferred examples of tool steels, in particular hot work steels, according to the present invention and their properties will be explained in more detail.
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 genaueThermal and thermal conductivity are the most important thermophysical material parameters for describing the heat transport properties of a material or component. For the exact measurement of the thermal diffusivity, the so-called "Laser Flash Technique" (LFA) has proven to be fast, versatile and accurate
Absolutmethode durchgesetzt. Die entsprechenden Prüfvorschriften sind in den einschlägigen Normen DI N 30905 und DI N EN 821 festgelegt. Für d ie vorliegenden Messungen wurde das LFA 457 MicroFlash® der Firma NETZSCH-Gerätebau GmbH , Wittelsbacherstrasse 42, 95100 Selb/Bayern (Deutschland) verwendet.Absolute method enforced. The relevant test specifications are specified in the relevant standards DI N 30905 and DI N EN 821. For the present measurements, the LFA 457 MicroFlash® from NETZSCH-Gerätebau GmbH, Wittelsbacherstrasse 42, 95100 Selb / Bavaria (Germany) was used.
Aus den gemessenen Temperaturleitfähigkeiten a und der spezifischen Wärme cp sowie der probenspezifisch ermittelten Dichte p kann die Wärmeleitfähigkeit λ dann auf der Grundlage derFrom the measured temperature conductivities a and the specific heat c p and the sample-specific determined density p, the thermal conductivity λ can then be determined on the basis of
Berechnungsgleichungcalculation equation
λ = p- Cp • aλ = p-Cp • a
sehr einfach ermittelt werden.be determined very easily.
I n 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.FIG. 3 shows the dependence of the thermal conductivity on the percentage by weight of chromium determined by this method for a selection of tool steels of the chemical composition identified in FIG. 3 with FC or FC + xCr. The composition differs above all in the percentage by weight of the alloying element chromium. These steels additionally have a high resistance to abrasive and adhesive wear due to a comparatively large volume fraction of primary carbides over the possible adjustment of desired thermal conduction properties according to the present invention and are therefore suitable for high mechanical stresses, as typically occur in hot forming processes.
In Fig. 4 ist die nach der oben beschriebenen Methode ermittelteIn Fig. 4 is determined by the method described above
Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Gewichtsanteil Chrom für eine Auswah l von Werkzeugstäh len der in Tabelle 4 mit FM beziehungsweise FM+xCr gekennzeichneten chemischen Zusammensetzung dargestellt. Dabei unterscheiden sich die Zusammensetzungen vor allem im Gewichtsprozentanteil desDependence of the thermal conductivity on the proportion by weight of chromium for a selection of tool steels of the chemical composition marked in Table 4 with FM or FM + xCr. The compositions differ mainly in the percentage by weight of
Legierungselements Chrom. Diese Werkzeugstähle sind insbesondere für den Einsatz in Druckgussprozessen geeignet, da sie durch einen verg leichsweise geringen Anteil von Primärkarbiden gekennzeichnet sind .Alloy element chrome. These tool steels are particularly suitable for use in die-casting processes, since they are characterized by a comparatively small proportion of primary carbides.
In Tabelle 5 ist die chemische Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Werkzeugstahls F zur vergleichenden Untersuchung des Prozessverhaltens zusammengefasst.Table 5 summarizes the chemical composition of a tool steel F according to the invention for the comparative investigation of the process behavior.
Unter prozessnahen Bedingungen, wie sie unter anderem auch bei derUnder process-related conditions, as they are among others in the
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 DI N 1 7350 EN ISO 4957 eine beschleunigte Abfuhr der im Werkstück über dieWith a tool steel having the chemical composition marked F in Table 5, compared with a conventional tool steel designated 1 .2344 according to DI N 1 7350 EN ISO 4957, an accelerated removal of the material in the workpiece via the
Vorerwärmung gespeicherten Wärme über eine pyrometrische Temperaturmessung nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der
pyrometrischen Temperaturmessungen sind in Fig. 5 zusammengefasst.Preheat stored heat can be detected via a pyrometric temperature measurement. The results of Pyrometric temperature measurements are summarized in FIG.
Berücksichtigt man die in diesen Prozessen übliche Werkzeugtemperatur von etwa 2000C, so kann über den hier verwendeten erfind ungsgemäßen Werkzeugstahl eine Verkürzung der Abkühldauer von etwa 50 % erreicht werden .Taking into account the usual in these processes tool temperature of about 200 0 C, it can be achieved about the here used according to the invention tool steel shortening the cooling time of about 50%.
Neben dem erfinderischen Aspekt der Grundeinstellung der Wärmeleitfähigkeit durch die geeignete Wahl der chemischenIn addition to the inventive aspect of the basic setting of the thermal conductivity by the appropriate choice of chemical
Zusammensetzung umfasst die vorliegende Erfindung auch den Aspekt der Feineinstellung durch eine definierte Wärmebehandlung .Composition, the present invention also includes the aspect of fine adjustment by a defined heat treatment.
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.Table 6 shows by way of example the influence of different heat treatment conditions for the alloy variants F with the chemical composition summarized in Table 5 and FC with the chemical composition summarized in Table 3 on the resulting thermal conductivity.
Der Grund für die wärmebehandlungsabhängig sich unterschiedlich einstellende Wärmeleitfähigkeit ist der sich hierdurch änderende Volumenanteil an Karbiden und ihre geänderte Verteilung und Morphologie.The reason for the varying thermal conductivity depending on the heat treatment is the resulting volume fraction of carbides and their changed distribution and morphology.
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.It has previously been pointed out that in order to increase the thermal conductivity in the chemical composition of an alloy according to the invention, the weight fraction of carbon including the carbon equivalent components N and B (carbon equivalent xCeq = xC + 0.86 "xN + 1, 2-xB where xC is the weight percentage of C, xN is the weight percentage of N and xB is the Weight percentage of B) should be adjusted so that as little carbon in the matrix remains in solution. The same applies to the proportion by weight of molybdenum xMo (% Mo) and tungsten xW (% W); these too should not remain in dissolved form in the matrix if possible, but rather contribute to carbide formation. This applies in a similar way to all other elements; These should also contribute to the carbide formation and therefore not remain dissolved in the matrix, but rather serve to bind carbon and optionally to increase the wear resistance under mechanical stress.
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:The statements made earlier can be - although with some restrictions - converted into a general description approach in the form of an equation for a parameter HC of the tool steel:
HC = xCeq - AC ■ [xMo / (3- AMo) + xW / (3- AW) + (xV-0,4) / AV]HC = xCeq - AC ■ [xMo / (3-AMo) + xW / (3-AW) + (xV-0.4) / AV]
beschrieben werden.to be discribed.
In dieser Gleichung bezeichnen:In this equation,
xCeq - Gewichtsprozentanteil Kohlenstoffäquivalent (wie oben definiert); xMo - Gewichtsprozentanteil Molybdän; xW - Gewichtsprozentanteil Wolfram; xV - Gewichtsprozentanteil Vanadium;xCeq - weight percent carbon equivalent (as defined above); xMo - weight percent molybdenum; xW - weight percent tungsten; xV - weight percent vanadium;
AC - Atommasse von Kohlenstoff (12,0107 u);AC - atomic mass of carbon (12.0107 u);
AMo - Atommasse von Molybdän (95,94 u); AW - Atommasse Wolfram (183,84 u);AMo - atomic mass of molybdenum (95.94 u); AW - atomic mass tungsten (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, 1 5, liegen.AV - atomic mass of vanadium (50.9415 u). The amount of HC should be advantageously between 0.03 and 0.165. The amount of HC may also be between 0.05 and 0.158, in particular between 0.09 and 0.1.5.
Der Faktor 3 erscheint in der oben aufgeführten Gleichung für denThe factor 3 appears in the above equation for the
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 Vanad ium (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.Case that carbides of type M3C or M3Fe3C are expected in the microstructure of the tool steel according to the invention; M stands for any metallic element. The factor 0.4 appears due to the fact that the desired weight percentage Vanad ium (V) in the alloy production is usually added in a chemical compound in the form of carbides and thus also up to this proportion as metal carbide MC.
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 hoheFurther fields of application of the tool steels (hot working steels) according to the present invention With regard to the further use of preferred embodiments of tool steels according to the invention (in particular hot working steels), in principle such application fields are conceivable in which a high degree of hardness
Wärmeleitfähigkeit oder ein definiert eingestelltes Profil variierender Wärmeleitfähigkeiten positiv auf das Anwendungsverhalten der verwendeten Werkzeug und auf die Eigenschaften der hiermit hergestellten Produkte auswirkt.Thermal conductivity or a defined adjusted profile of varying thermal conductivities has a positive effect on the application behavior of the tool used and on the properties of the products produced therewith.
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"-With the present invention, a steel having a well-defined thermal conductivity can be obtained. There is even the possibility, by changing the chemical composition, of obtaining a steel object which consists at least partly of one of the tool steels (hot working steels) presented here, with a volume-changing thermal conductivity. It can be any procedure that has a Variation of the chemical composition within the steel article, such as sintering of powder mixtures, local sintering or local melting or so-called "rapid-tooling" method or "rapid-prototyping" method or a combination of "rapid-tooling"
Verfahren und „Rapid-Prototyping"-Verfahren , eingesetzt werden .Method and "rapid prototyping" method can be used.
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 .In addition to the above-mentioned applications in the field of hot sheet metal forming (press hardening, tempering) and light metal die casting, there are generally tool and forming metal casting processes, plastic injection molding and massive forming processes, in particular hot massive forming (for example forging, extrusion, extrusion, rolling), the preferred application areas represent for the hot working steels according to the invention.
Auf der Produktseite stellen die hier vorgestellten Stähle ideale Voraussetzungen für ihre Verwendung zu Herstellung von Zylinderlaufbuchsen in Verbrennungsmotoren, für Zerspanungswerkzeuge oder Bremsscheiben dar.On the product side, the steels presented here represent ideal conditions for their use in the production of cylinder liners in internal combustion engines, for cutting tools or brake discs.
In Tabelle 7 sind über die bereits in den Tabellen 3 und 4 aufgeführten Legierungsvarianten hinaus weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Werkzeugstähle (Warmarbeitsstähle) aufgeführt.Table 7 lists, in addition to the alloy variants already listed in Tables 3 and 4, further exemplary embodiments of tool steels according to the invention (hot working steels).
Bevorzugte Anwendungen der in Tabelle 7 zusammengefassten Legierungsvarianten sind:Preferred applications of the alloy variants summarized in Table 7 are:
FA: Aluminiumdruckguss;FA: die-cast aluminum;
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; (einschließlichFZ: forming of copper and copper alloys (including brass); FW: die casting of copper and copper alloys; (including brass) and higher melting metal alloys; FV: transformation of copper and copper alloys (including brass); FAW: die casting of copper and copper alloys; (including
Messing) sowie höherschmelzenden Metalllegierungen; FA Mod i : Druckguss großvolumiger Bauteile aus Kupfer- und Kupferlegierungen (einschließlich Messing) und Aluminium; FA Mod2: Umformung von Aluminium; FC Mod i : Warmblechumformung (Presshärten, Formhärten) mit hohem Verschleißwiderstand;Brass) and higher melting metal alloys; FA Mod i: Die casting of large volume components made of copper and copper alloys (including brass) and aluminum; FA Mod2: forming of aluminum; FC Mod i: hot sheet metal forming (press hardening, form hardening) with high wear resistance;
FC Mod2: Warmblechumformung (Presshärten, Formhärten) mit hohem Verschleißwiderstand.
FC Mod2: hot sheet metal forming (press hardening, tempering) with high wear resistance.
Tabelle 1Table 1
Tabelle 2Table 2
Tabelle 3Table 3
Tabelle 4Table 4
Tabelle 5
Table 5
Tabelle 6Table 6
Tabelle 7Table 7