EP1918401A2 - Stahllegierung für spanabhebende Werkzeuge - Google Patents

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EP1918401A2
EP1918401A2 EP07450174A EP07450174A EP1918401A2 EP 1918401 A2 EP1918401 A2 EP 1918401A2 EP 07450174 A EP07450174 A EP 07450174A EP 07450174 A EP07450174 A EP 07450174A EP 1918401 A2 EP1918401 A2 EP 1918401A2
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vers
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Voestalpine Boehler Edelstahl GmbH and Co KG
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Boehler Edelstahl GmbH
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    • C21D9/18—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for knives, scythes, scissors, or like hand cutting tools
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    • C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur

Definitions

  • the invention relates to a steel alloy for cutting tools.
  • the cutting area of the tool is charged several times high.
  • the tool material must, in order to withstand the total load, at the same time have high hardness and toughness as well as the like abrasion resistance, which properties are to be maintained up to high temperatures, for example 550 ° C and above. Only such a long service life of the tool and an economical use of the same can be achieved.
  • a load better explained the profile of a load, a cutting edge region of a tool during cutting or during a chip removal depends essentially on the nature and properties of the workpiece material.
  • high speed steels with different chemical compositions in particular adapted to the specific stresses in the chip removal of workpieces with different properties have been developed and are state of the art.
  • High speed steels however, have predominantly high levels of one or more expensive alloying elements such as molybdenum, tungsten, vanadium, niobium, and cobalt.
  • Tungsten and / or molybdenum may be provided to levels of 20% by weight and higher, with vanadium being alloyed in standard PM high speed steels at levels of 1.2 to 15% by weight.
  • a steel for low cost cutting tools for alloying elements is disclosed AT 412 285 B .
  • This steel which can be advantageously used in particular for circular saws, uses a specific aluminum-to-nitrogen ratio in order to minimize chip wear on the tool.
  • saw teeth usually work at lower temperatures during chip removal, so that in most cases no pronounced tempering temperature resistance of the material is required.
  • the invention now aims to provide a steel for cutting tools, which has a fine solidification structure and a good hot workability, has a high hardness acceptance and tempering resistance and shows high efficiency and a favorable price-performance ratio.
  • composition of the steel alloy according to the invention has metallurgical advantages that are synergistically limited to a narrow concentration range of the alloying elements.
  • the carbon content or the carbon activity interacts with the monocarbide-forming element vanadium, with the strong carbide-forming molybdenum and Tungsten and chromium, wherein the alloying element aluminum, which strongly restricts the area of the cubic-face-centered atomic structure of the alloy, has also been found to favorably affect the solidification structure and thus deformability of the material, as well as high hardness and toughness resistance of the tool Effect shows.
  • Silicon in the narrow limits of 0.41 to 0.59% by weight in steel has a favorable influence on the inclusion content and the hardenability of the material, with manganese acting as a support. Sulfur bonding to manganese sulfide can be ensured from a portion of the manganese content in the alloy which has values of 0.15 to 0.39% by weight.
  • the alloy according to the invention has a concentration of molybdenum plus half the concentration of tungsten a value between 3.3 and 4.0, in particular can be achieved with a value between 3.4 and 3.9 above average favorable profile of properties of the thermally tempered tool.
  • a cutting tool consisting of a preferably at least 4.1 times deformed and thermally tempered steel alloy with a chemical Composition according to the invention, has at least in the working range a material hardness of greater than 63 HRC, has a microstructure formed from tempered martensite, has good performance characteristics and high toughness in the machining operation.
  • the economic advantages of the steel alloy result from an approximately halving of the alloying costs for molybdenum, tungsten and vanadium.
  • Rotary blades which had been thermally tempered by hardening and tempering three times, were tested in the cutting test mode on a workpiece made of the material St33 or from DIN material no. 1.0035 in an interrupted section.
  • Fig. 1 shows the toughness (bending strenght) measured with impact test samples according to STAHL EISEN test sheets (SEP) after hardening from a hardening temperature T H of 1200 ° C and 1120 ° C and a tempering in the temperature range between 500 ° C and 580 ° C. or 540 ° C and 580 ° C.
  • a significantly higher toughness of the material according to the invention is also due to the lower amount of carbide of 4% by volume (HS 6-5-2 about 10% by volume).

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stahllegierung für spanabhebenden Werkzeuge. Um eine feine Erstarrungsstruktur sowie eine gute Warmumformbarkeit des Blockes zu erhalten und daraus einen Werkzeugwerkstoff mit hoher Härteannahme und hoher Anlassbeständigkeit wirtschaftlich zu schaffen, ist erfindungsgemäß eine Stahllegierung, im Wesentlichen bestehend aus den Elementen in Gew.-% von: C = 0.76 bis 0.89 Si = 0.41 bis 0.59 Mn = 0.15 bis 0.39 Cr = 3.60 bis 4.60 Mo = 2.00 bis 3.15 W = 1.50 bis 2.70 V = 0.80 bis 1.49 Al = 0.60 bis 1.40 P = MAX 0.03 S = 0.001 bis 0.30 N = 0.01 bis 0.10 Fe sowie Verunreinigungselemente als Rest vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Stahllegierung für spanabhebende Werkzeuge.
  • Bei einer Spanabnahme von Werkstücken wird der Schneidenbereich des Werkzeuges mehrfach hoch belastet. Der Werkzeugwerkstoff muss, um der Summenbelastung zu widerstehen, gleichzeitig hohe Härte und Zähigkeit sowie dgl. Abriebfestigkeit aufweisen, welche Eigenschaften bis zu hohen Temperaturen, beispielsweise 550°C und darüber erhalten bleiben sollen. Nur derart sind hohe Standzeiten des Werkzeuges und ein wirtschaftlicher Einsatz desselben erreichbar.
  • Eine Belastung, besser dargelegt das Profil einer Belastung, eines Schneidkantenbereiches eines Werkzeuges beim Schnitt bzw. bei einer Abspanung hängt wesentlich von der Art und den Eigenschaften des Werkstückswerkstoffes ab. So wurden beispielsweise Schnellarbeitsstähle mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, insbesondere abgestimmt auf die spezifischen Beanspruchungen bei der Spanabnahme von Werkstücken mit unterschiedlichen Eigenschaften entwickelt und zählen zum Stand der Technik.
  • Schnellarbeitsstähle weisen allerdings vorwiegend hohe Gehalte an einem oder mehreren teuren Legierungselementen wie Molybdän, Wolfram, Vanadin, Niob und Kobalt auf. Wolfram und/oder Molybdän können bis zu Gehalten von 20 Gew.-% und höher vorgesehen sein, wobei Vanadin in üblichen PM-Schnellstählen mit Gehalten von 1.2 bis 15 Gew.-% zulegiert sein kann.
  • Wie vorher mittels einer PM-Erzeugungsvariante angedeutet, ist ein Problem in der Erstarrungsstruktur in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Legierung zu sehen. In der EP 1 469 094 A1 wird beispielsweise vorgeschlagen, einen Schnellstahlumschmelzblock einer Langzeit-Lösungsglühbehandlung zu unterwerfen, wobei eine Abkühlung von 1200°C bis 1300°C auf eine Temperatur von weniger als 900°C mit einer Geschwindigkeit von mehr als 3°C/min erfolgen soll. Derart sind geringe Karbidgrößen mit gleichmäßiger Karbidverteilung im Werkzeugwerkstoff und folglich eine hohe Zähigkeit desselben erreichbar.
  • Einen Stahl für spanabhebende Werkzeuge mit niedrigen Kosten für Legierungselemente offenbart die AT 412 285 B . Dieser insbesondere für Kreissägen vorteilhaft verwendbare Stahl nutzt ein bestimmtes Aluminium-zu-Stickstoff-Verhältnis, um den Spanverschleiß am Werkzeug gering zu halten. Allerdings arbeiten Sägezähne bei einer Spanabnahme meist bei geringeren Temperaturen, sodass zumeist keine ausgeprägte Anlasstemperaturbeständigkeit des Werkstoffes gefordert ist.
  • Die Erfindung zielt nun darauf ab, einen Stahl für spanabhebende Werkzeuge zu schaffen, welcher eine feine Erstarrungsstruktur und eine gute Warm-Umformbarkeit aufweist, eine hohe Härteannahme und Anlassbeständigkeit besitzt und hohe Wirtschaftlichkeit bzw. ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis zeigt.
  • Dieses Ziel, welches summarisch erstarrungstechnische, umformtechnische, härtetechnische und wirtschaftliche Probleme löst, wird gemäß der Erfindung erreicht mit einer Stahllegierung für spanabhebende Werkzeuge, im Wesentlichen bestehend aus den Elementen in Gew.-% von:
    • C = 0.76 bis 0.89
    • Si = 0.41 bis 0.59
    • Mn = 0.15 bis 0.39
    • Cr = 3.60 bis 4.60
    • Mo = 2.00 bis 3.15
    • W = 1.50 bis 2.70
    • V = 0.80 bis 1.49
    • Al = 0.60 bis 1.40
    • P = MAX 0.03
    • S = 0.001 bis 0.30
    • N = 0.01 bis 0.10
    Fe sowie Verunreinigungselemente als Rest.
  • Die Zusammensetzung der Stahllegierung nach der Erfindung hat metallurgischtechnische Vorteile, die synergetisch auf einen engen Konzentrationsbereich der Legierungselemente beschränkt sind.
  • Der Kohlenstoffgehalt bzw. die Kohlenstoffaktivität steht in Wechselwirkung mit dem monokarbidbildenden Element Vanadin, mit den starken Karbidbildnem Molybdän und Wolfram sowie mit Chrom, wobei das Legierungselement Aluminium, welches das Gebiet der kubisch-flächenzentrierten Atomstruktur der Legierung stark einengt, auch, wie sich zeigte, die Erstarrungsstruktur und somit eine Verformbarkeit des Werkstoffes günstig beeinflusst sowie auf ein Härteverhalten und auf eine Anlassbeständigkeit des Werkzeuges hohe Wirkung zeigt.
  • Im Bereich zwischen 0.60 und 1.40 Gew.-% Aluminium in der Legierung nach der Erfindung wird eine grobe Karbidausscheidung bei einer ledeburitischen Resterstarrung der Schmelze vermindert und eine feinkörnige Karbidbildung im Erstarrungsgefüge erreicht.
  • Im Vergleich mit einem Schnellarbeitsstahl-Gussblock der Legierung HS 6-5-2 bzw. DIN Werkstoff Nr. 1.3343 zeigte ein Block mit gleichen Dimensionen jedoch aus einer erfindungsgemäße Legierung eine bessere Verformbarkeit bei höheren Stichabnahmen.
  • Nach einer Weichglühbehandlung wurde mikroskopisch eine weitgehend gleichmäßige Verteilung der Karbide mit geringer Korngröße im Walzmaterial nach der Erfindung festgestellt.
  • Materialuntersuchungen nach einer thermischen Vergütung mit einer Härtung von einer Temperatur von 1190°C bis 1230°C mit nachfolgender Abkühlung in Öl und einem Anlassen in einem Temperaturbereich von 500°C bis 580°C zeigten folgende Ergebnisse:
    Kohlenstoff ab einem Gehalt von 0.76 Gew.-% führt mit einer Konzentration von größer 0.8 Gew.-% Vanadin sowie von größer 1.5 Gew.-% Wolfram und mindestens 2.0 Gew.- % Molybdän in Anwesenheit von mindestens 3.60 Gew.-% Chrom zu einer gewünschten Härteannahme des Werkstückes, wobei Aluminium mit mindestens 0.60 Gew.-% die Durchhärtung fördert, hohe Materialzähigkeit bewirkt und insbesondere die Anlassbeständigkeit zu höheren Temperaturen und längeren Zeiten verschiebt. Höhere Gehalte an Kohlenstoff von 0.89 Gew.-%, an Vanadin von 1.49 Gew.-%, an Wolfram von 2.70 Gew.-% und an Chrom von 4.60 Gew.-% führen auch bei Gehalten von 1.40 Gew.-% Aluminium zu groben Karbidausscheidungen aus der Schmelze und zu nachteilig groben Karbidkörnern im Werkstoff, wobei höhere Aluminiumkonzentrationen als 1.40 Gew.-% auch eine allgemeine Grobkombildung verursachen können. Es wurde auch gefunden, dass bei den Aluminiumgehalten der Stickstoff in Konzentrationsgrenzen von 0.01 bis 0.1 Gew.-% komfeinernd und eigenschaftsverbessernd für das Werkzeug wirkt. Höhere Stickstoffgehalte bilden jedoch zumeist in nachteiliger Weise grobe inhomogen verteilte Nitride im Werkstoff.
  • Silizium in den engen Grenzen von 0.41 bis 0.59 Gew,-% im Stahl hat einen vorteilhaften Einfluss auf den Einschlussgehalt und die Härtbarkeit des Werkstoffes, wobei Mangan unterstützend wirkt. Eine Schwefelabbindung zu Mangansulfid kann von einem Teil des Mangangehaltes in der Legierung, welcher Werte von 0.15 bis 0.39 Gew.-% aufweist, sichergestellt werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, die die Eigenschaften der Stahllegierung weiter verbessern können, werden erreicht, wenn diese ein oder mehrere der Elemente in einem engeren Konzentrationsbereich in Gew.-% von:
    • C = 0.80 bis 0.85
    • Si = 0.45 bis 0.55
    • Mn = 0.20 bis 0.30
    • Cr = 4.00 bis 4.39
    • Mo = 2.40 bis 2.80
    • W = 1.90 bis 2.30
    • V = 1.00 bis 1.20
    • Al = 0.80 bis 1.20
    aufweist.
  • Es wurde gefunden, dass es günstig für die Materialzähigkeit und vorteilhaft für die Härteannahme des Werkstoffes ist, wenn Molybdän und Wolfram mit Mindestgehalten von 2.00 Gew.-% und 1.50 Gew.-% in der Stahllegierung in einem ausgewogenen Verhältnis enthalten sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Legierung eine Konzentration von Molybdän plus der Hälfte der Konzentration von Wolfram einen Wert zwischen 3.3 und 4.0 auf, insbesondere kann mit einem Wert zwischen 3.4 und 3.9 ein überdurchschnittlich günstiges Eigenschaftsprofil des thermisch vergüteten Werkzeuges erreicht werden.
  • Ein spanabhebendes Werkzeug, bestehend aus einer vorzugsweise mindestens 4.1- fach verformten und thermisch vergüteten Stahllegierung mit einer chemischen Zusammensetzung gemäß der Erfindung, besitzt zumindest im Arbeitsbereich eine Materialhärte von größer 63 HRC, hat eine aus angelassenem Martensit gebildete Mikrostruktur, besitzt gute Gebrauchseigenschaften und hohe Zähigkeit im spanabhebenden Betrieb. Die wirtschaftlichen Vorteile der Stahllegierung resultieren aus einer etwa Halbierung der Legierungskosten für Molybdän, Wolfram und Vanadin.
  • Als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches Werkzeuge mit verschiedenen Zusammensetzungen des Stahles im Vergleich mit solchen aus dem Werkstoff HS 6-5-2 bzw. DIN Werkstoff Nr. 1.3343 zeigt, wird im Folgenden näher beschrieben:
  • Drehmesser, die durch Härten und dreimaligen Anlassen thermisch vergütet worden waren, wurde im spanabnehmenden Testbetrieb an einem Werkstück aus dem Werkstoff St33 bzw. aus DIN Werkstoff Nr. 1.0035 im unterbrochenen Schnitt erprobt.
  • Die chemische Zusammensetzung und die Härte der Drehmesser sind in der nachfolgenden Tabelle 1 und Tabelle 2 angegeben. Tabelle 1
    Werkstoff C Si Mn Cr Mo W V Al N S Mo+W/2
    1.HS6-5-2 0.87 0.26 0.25 3.96 4.81 6.68 1.83 - - 0.015 8.15
    2.HS6-5-2 0.90 0.21 0.34 4.19 5.20 6.56 1.90 - - 0.009 8.48
    Vers.Leg. A 0.80 0.48 0.38 4.51 2.23 2.59 0.92 0.71 0.009 0.02 3.53
    Vers.Leg. S 0.83 0.50 0.26 4.20 2.61 2.11 1.11 1.02 0.03 0.064 3.67
    Vers.Leg. C 0.88 0.47 0.21 3.74 3.06 1.75 1.38 1.32 0.008 0.005 3.90
    Tabelle 2
    Werkstoff Härte in HRC
    1. HS 6-5-2 64
    2. HS 6-5-2 65
    Vers.Leg. A 64
    Vers.Leg. S 65
    Vers.Leg. C 66
  • Bis zum Ausscheiden der Drehmesser im Testbetrieb wegen Verschleiß erfolgten Begutachtungen des Schneidenbereiches, deren Ergebnisse vergleichend in Tabelle 3 angegeben sind, wobei die Werte der Legierung 1 HS 6-5-2 mit jeweils 100% bezeichnet wurde. Tabelle 3
    Werkstoff Einsatzzeit % Schneidhaltigkeit % Beständigkeit gegen Kolkverschleiß %
    1. HS 6-5-2 30% 100 100
    2. HS 6-5-2 30% 105 110
    Vers.Leg. A 30% 92 98
    Vers.Leg. S 30% 96 100
    Vers.Leg. C 30% 94 100
    1. HS 6-5-2 60% 100 100
    2. HS 6-5-2 60% Bruch der Werkzeugschneide
    Vers.Leg. A 60% 93 98
    Vers.Leg. S 60% 97 100
    Vers.Leg. C 60% 95 99
    1. HS 6-5-2 90% 100 100
    2. HS 6-5-2 90% - -
    Vers.Leg. A 90% 92 89
    Vers.Leg. S 90% 95 92
    Vers.Leg. C 90% 92 94
  • An Proben der Versuchslegierung S mit der Bezeichnung S 419 wurden im Vergleich mit 2. HS 6-5-2 Untersuchungen, die Zähigkeit und die Härte in Abhängigkeit der Anlasstemperatur betreffend, durchgeführt.
  • Fig. 1 zeigt die Zähigkeit (bending strenght) gemessen mit Schlagbiegeproben nach STAHL-EISEN-Prüfblätter (SEP) nach einem Härten von einer Härtetemperatur TH von 1200°C bzw. 1120°C und einem Anlassen im Temperaturbereich zwischen 500°C und 580°C. bzw. 540°C und 580°C. Eine wesentlich höhere Zähigkeit des erfindungsgemäßen Werkstoffes ist auch durch die geringere Karbidmenge von 4 Vol-% (HS 6-5-2 ca. 10 Vol.-%) begründet.
  • In Fig. 2 ist die Werkstoffhärte bei einer Härtung von 1200°C bzw. von 1120°C in Abhängigkeit von der Anlasstemperatur wiedergegeben. Bei steigenden Anlasstemperaturen von größer 500°C nähern sich die Härtewerte der Versuchslegierung von unten an jene des 2. HS 6-5-2 an und erreichen bei 580°C das gleiche Niveau von 65 HRC.

Claims (4)

  1. Stahllegierung für spanabhebende Werkzeuge, im Wesentlichen bestehend aus den Elementen in Gew.-% von:
    C = 0.76 bis 0.89
    Si = 0.41 bis 0.59
    Mn = 0.15 bis 0.39
    Cr = 3.60 bis 4.60
    Mo = 2.00 bis 3.15
    W = 1.50 bis 2.70
    V = 0.80 bis 1.49
    Al = 0.60 bis 1.40
    P = MAX 0.03
    S = 0.001 bis 0.30
    N = 0.01 bis 0.10
    Fe sowie Verunreinigungselemente als Rest.
  2. Stahllegierung nach Anspruch 1, enthaltend ein oder mehrere der Elemente in einem Konzentrationsbereich in Gew.-% von:
    C = 0.80 bis 0.85
    Si = 0.45 bis 0.55
    Mn = 0.20 bis 0.30
    Cr = 4.00 bis 4.39
    Mo = 2.40 bis 2.80
    W = 1.90 bis 2.30
    V = 1.00 bis 1.20
    Al = 0.80 bis 1.20
  3. Stahllegierung nach Anspruch 1 oder 2, in welcher die Konzentration von Molybdän plus der Hälfte der Konzentration von Wolfram einen Wert zwischen 3.3 und 4.0 aufweist, bevorzugt einen Wert zwischen 3.4 und 3.9 besitzt.
  4. Spanabhebendes Werkzeug, bestehend aus einer verformten und thermisch vergüteten Stahllegierung gemäß der Ansprüche 1 bis 3, mit einer zumindest im Arbeitsbereich vorliegenden Materialhärte von größer 63 HRC und einer aus angelassenem Martensit gebildeter Mikrostruktur.
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