Einführung in Kaltarbeitsstahl

Kaltarbeitsstahl wird hauptsächlich zum Stanzen, Ausklinken, Umformen, Biegen, Kaltfließpressen, Kaltziehen, für pulvermetallurgische Werkzeuge usw. verwendet. Er erfordert hohe Härte, hohe Verschleißfestigkeit und ausreichende Zähigkeit. Im Allgemeinen wird er in zwei Kategorien unterteilt: Standard- und Spezialstahl. Beispielsweise umfasst der Standard-Kaltarbeitsstahl in den USA üblicherweise vier Stahlsorten: O1, A2, D2 und D3. Ein Vergleich der Stahlsorten von Standard-Kaltarbeitsstahl in verschiedenen Ländern ist in Tabelle 4 dargestellt. Gemäß der japanischen JIS-Norm sind die wichtigsten verwendbaren Kaltarbeitsstahlsorten die SK-Serie (SK-Kohlenstoffwerkzeugstahl), acht legierte Werkzeugstähle der SKD-Serie und neun Schnellarbeitsstähle der SKHMO-Serie, insgesamt 24 Stahlsorten. Die chinesische Norm GB/T1299-2000 für legierte Werkzeugstähle umfasst insgesamt elf Stahlsorten und bildet damit eine relativ vollständige Reihe. Aufgrund der sich ändernden Verarbeitungstechnologien, der verarbeiteten Materialien und der Anforderungen an Werkzeuge deckt die ursprüngliche Basisreihe die Bedürfnisse nicht mehr ab. Japanische Stahlwerke und große europäische Werkzeug- und Formenstahlhersteller haben spezielle Kaltarbeitsstähle entwickelt und nach und nach entsprechende Kaltarbeitsstahlserien gebildet; die Entwicklung dieser Kaltarbeitsstähle ist auch die Entwicklungsrichtung des Kaltarbeitsstahls.

Niedriglegierter, luftgehärteter Kaltarbeitsstahl

Mit der Weiterentwicklung der Wärmebehandlungstechnologie, insbesondere der breiten Anwendung der Vakuumhärtung im Formenbau, wurden zur Reduzierung von Abschreckverformungen im In- und Ausland niedriglegierte, luftgehärtete Mikroverformungsstähle entwickelt. Diese Stähle zeichnen sich durch gute Härtbarkeit und Wärmebehandlung aus und weisen geringe Verformung, hohe Festigkeit und Zähigkeit sowie eine gewisse Verschleißfestigkeit auf. Standardmäßig hochlegierte Kaltarbeitsstähle (wie D2 und A2) sind zwar gut härtbar, haben aber einen hohen Legierungsgehalt und sind teuer. Daher wurden im In- und Ausland niedriglegierte Mikroverformungsstähle entwickelt. Diese Stähle enthalten in der Regel die Legierungselemente Chrom und Mangan zur Verbesserung der Härtbarkeit. Der Gesamtgehalt an Legierungselementen liegt üblicherweise unter 5 %. Sie eignen sich für die Fertigung von Präzisionsteilen in kleinen Serien und für komplexe Formen. Repräsentative Stahlsorten sind beispielsweise A6 aus den USA, ACD37 von Hitachi Metals, G04 von Daido Special Steel und AKS3 von Aichi Steel. Chinesischer GD-Stahl behält nach dem Abschrecken bei 900 °C und dem Anlassen bei 200 °C einen gewissen Restaustenitgehalt und zeichnet sich durch gute Festigkeit, Zähigkeit und Dimensionsstabilität aus. Er eignet sich zur Herstellung von Kaltumformwerkzeugen, die anfällig für Ausbrüche und Brüche sind. Hohe Lebensdauer.

flammgehärteter Formstahl

Um den Werkzeugherstellungszyklus zu verkürzen, die Wärmebehandlung zu vereinfachen, Energie zu sparen und die Werkzeugherstellungskosten zu senken, hat Japan spezielle Kaltarbeitsstähle für die Flammhärtung entwickelt. Typische Beispiele sind SX105V (7CrSiMnMoV) und SX4 (Cr8) von Aichi Steel, HMD5 und HMD1 von Hitachi Metal sowie G05 von Datong Special Steel. China hat 7Cr7SiMnMoV entwickelt. Dieser Stahl kann nach der Werkzeugbearbeitung mit einem Autogenschweißbrenner oder anderen Heizgeräten erhitzt und anschließend luftgekühlt und abgeschreckt werden. Er ist in der Regel direkt nach dem Abschrecken einsatzbereit. Aufgrund des einfachen Verfahrens findet er in Japan breite Anwendung. Der repräsentative Stahl dieser Art ist 7CrSiMnMoV, der sich durch gute Härtbarkeit auszeichnet. Beim Ölhärten von Stahl mit φ80 mm kann die Härte in 30 mm Tiefe 60 HRC erreichen. Der Härteunterschied zwischen Kern und Oberfläche beträgt 3 HRC. Beim Flammhärten, nach Vorwärmen bei 180–200 °C und Erhitzen auf 900–1000 °C zum Abschrecken mit einer Spritzpistole, kann die Härte über 60 HRC erreichen und eine gehärtete Schicht von über 1,5 mm Dicke erzielt werden.

Kaltarbeitsstahl mit hoher Zähigkeit und hoher Verschleißfestigkeit

Um die Zähigkeit von Kaltarbeitsstahl zu verbessern und den Verschleiß zu reduzieren, haben einige große ausländische Werkzeugstahlhersteller sukzessive eine Reihe von Kaltarbeitsstählen mit hoher Zähigkeit und hoher Verschleißfestigkeit entwickelt. Diese Stähle enthalten in der Regel etwa 1 % Kohlenstoff und 8 % Chrom. Durch die Zugabe von Molybdän, Vanadium, Silizium und anderen Legierungselementen sind die Karbide fein und gleichmäßig verteilt. Die Zähigkeit ist deutlich höher als die von Cr12-Stahl, während die Verschleißfestigkeit vergleichbar ist. Härte, Biegefestigkeit, Dauerfestigkeit und Bruchzähigkeit sind hoch, und die Anlassbeständigkeit ist höher als bei Cr12-Werkzeugstahl. Sie eignen sich für Hochgeschwindigkeitsstempel und Mehrstationenstempel. Repräsentative Beispiele für diese Stahlsorte sind der japanische DC53 mit niedrigem Vanadiumgehalt und CRU-WEAR mit hohem Vanadiumgehalt. DC53 wird bei 1020–1040 °C abgeschreckt und erreicht nach Luftkühlung eine Härte von 62–63 HRC. Es kann bei niedrigen Temperaturen (180–200 °C) und hohen Temperaturen (500–550 °C) angelassen werden. Seine Zähigkeit ist bis zu 1-mal höher als die von D2, und seine Dauerfestigkeit ist um 20 % höher. Nach dem CRU-WEAR-Schmieden und -Walzen wird es bei 850–870 °C mit weniger als 30 °C/h geglüht und austenitisiert. Nach dem Abkühlen auf 650 °C und der anschließenden Entspannung erreicht es eine Härte von 225–255 HB. Die Abschrecktemperatur kann im Bereich von 1020–1120 °C gewählt werden, wodurch eine Härte von 63 HRC erreicht wird. Je nach Einsatzbedingungen wird es bei 480–570 °C angelassen, was zu einer deutlichen Sekundärhärtung führt. Verschleißfestigkeit und Zähigkeit sind besser als bei D2.

Grundstahl (Schnellarbeitsstahl)

Schnellarbeitsstahl (HSS) wird aufgrund seiner ausgezeichneten Verschleißfestigkeit und Warmhärte im Ausland häufig zur Herstellung von hochleistungsfähigen und langlebigen Kaltarbeitsformen eingesetzt, beispielsweise der japanische Standard-HSS SKH51 (W6Mo5Cr4V2). Um den Anforderungen der Form gerecht zu werden, wird die Zähigkeit oft durch Reduzierung der Abschrecktemperatur, der Abschreckhärte oder des Kohlenstoffgehalts im HSS verbessert. Matrixstahl wird aus HSS entwickelt und weist nach dem Abschrecken eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie die Matrix von HSS auf. Dadurch ist die Anzahl der Restkarbide nach dem Abschrecken gering und gleichmäßig verteilt, was die Zähigkeit des Stahls im Vergleich zu HSS deutlich erhöht. In den USA und Japan wurden Anfang der 1970er Jahre Basisstähle der Sorten VascoMA, VascoMatrix1 und MOD2 untersucht. In jüngster Zeit wurden DRM1, DRM2, DRM3 usw. entwickelt. Diese werden üblicherweise für Kaltarbeitsformen verwendet, die eine höhere Zähigkeit und bessere Anlassbeständigkeit erfordern. China hat außerdem einige Basisstähle entwickelt, darunter 65Nb (65Cr4W3Mo2VNb), 65W8Cr4VTi, 65Cr5Mo3W2VSiTi und weitere. Diese Stähle zeichnen sich durch gute Festigkeit und Zähigkeit aus und finden breite Anwendung beim Kaltfließpressen, Kaltstanzen dicker Bleche, Gewindewalzen, Prägewerkzeugen, Kaltumformwerkzeugen usw. Sie eignen sich auch als Warmfließpresswerkzeuge.

Pulvermetallurgie-Formstahl

LEDB-Hochlegierungs-Kaltarbeitsstahl, der konventionell hergestellt wird, weist insbesondere bei großformatigen Werkstoffen grobe und ungleichmäßig verteilte eutektische Carbide auf. Dies beeinträchtigt die Zähigkeit, Schleifbarkeit und Isotropie des Stahls erheblich. In den letzten Jahren haben sich führende ausländische Spezialstahlhersteller von Werkzeug- und Formenstählen auf die Entwicklung von pulvermetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstählen und hochlegierten Formenstählen konzentriert, was zu einer rasanten Weiterentwicklung dieser Stahlsorte geführt hat. Durch die Pulvermetallurgie kühlt das zerstäubte Stahlpulver schnell ab, wodurch feine und gleichmäßige Carbide entstehen. Dies verbessert die Zähigkeit, Schleifbarkeit und Isotropie des Formmaterials deutlich. Dank dieses speziellen Herstellungsverfahrens sind die Carbide fein und gleichmäßig, die Bearbeitbarkeit und das Schleifverhalten werden verbessert, und es können höhere Kohlenstoff- und Vanadiumgehalte im Stahl erzielt werden. So konnten neue Stahlsorten entwickelt werden. Beispielsweise entwickeln sich die pulvermetallurgischen Werkzeug- und Formenstähle der japanischen Firma Datong (DEX40, DEX60, DEX80 usw.), Hitachi Metal (HAP-Serie), Fujikoshi (FAX-Serie), UDDEHOLM (VANADIS-Serie), Erasteel (ASP-Serie) und des amerikanischen Unternehmens CRUCIBLE rasant weiter. Durch die Herstellung von pulvermetallurgischen Stählen wie CPM1V, CPM3V, CPM1OV, CPM15V usw. werden Verschleißfestigkeit und Zähigkeit im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Werkzeug- und Formenstählen deutlich verbessert.