HSM -Seminar: Werkzeugstähle 11. November 2016

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1 HSM -Seminar: Werkzeugstähle 11. November 2016 In Zusammenarbeit mit HSM Ihr Einkauf Ihr Lager Ihre Maschine Ihre Logistik Ihr Stahlspezialist HSM Stahl- und Metallhandel QM 51/2/93/12/69 GmbH HSM THEMA Stahl- Präsentation und Metallhandel GmbH 1 QM FB 51/0/73/18/2

2 Seminar Werkzeugstähle Prof. Dr.-Ing. Joachim Lueg FH Dortmund, FB Maschinenbau Werkstoffkunde, Umform-/Schweißtechnik Studium: RU Bochum, Maschinenbau Dissertation: Stickstofflegierte Werkzeugstähle Industrie: Thyssen Edelstahl, Witten (Qualitätsstelle Werkzeugstahl) Vereinigte Schmiedewerke, Essen/ Bochum/ Hattingen; Leiter Qualitätswesen

3 Inhalt 1. Technische Anforderungen an Werkzeuge 2. Gefüge und Eigenschaften 3. Herstellung und Veredlung 4. Härten und Vergüten 5. Ausgewählte Werkzeugstähle 6. Bearbeitung und Beschichten von Werkzeugen

4 1. Technische Anforderungen an Werkzeuge Beispiel: Schneide: Schaft: Kopf: Meissel Hart, fest Härte ; Festigkeit Bruchsicher (Bruch)Zähigkeit Fest, verformbar Festigkeit ; Duktilität Unlegierter Kaltarbeitsstahl Verwendung: Ca. Raumtemperatur Schlagartige Belastung

5 1. Technische Anforderungen an Werkzeuge Beispiel: Pressfläche: Volumen: Schmiedesattel Warmfest, verschleißarm Festigkeit bei T, Härte?? Bruchsicher (Bruch)Zähigkeit Legierter Warmarbeitsstahl Verwendung: T bis 1300 C, Kühlung? Langsame, hohe Druckbelastung Langzeitige Nutzung

6 1. Technische Anforderungen an Werkzeuge Beispiel: Schneiden: Fräser Warmfest, verschleißarm, hohe Schneidleistung, bruchsichere Schneidkanten Festigkeit und Härte bei T (Bruch)Zähigkeit Beschichtung?? Hochlegierter Schnellarbeitsstahl Schaft: Bruchsicher, warmfest (Bruch)Zähigkeit,Festigkeit Verwendung: T bis 800 C, Kühlung? komplexe Belastung

7 1. Technische Anforderungen an Werkzeuge Beispiel: Kunstoffform Anforderungen: Warmfest, verschleißarm, korrosionsbeständig (PVC), bruchsicher, hohe Oberflächengüte, lange Lebensdauer Hochlegierter Kunststoffformenstahl Festigkeit/Härte bei T (Bruch)Zähigkeit Beschichtung?? Verwendung: T bis 300 C, Kühlung? komplexe Belastung

8 2.GefügeundEigenschaften Temperatur [ C] 1000 Werkstoffe mit hoher Härte und hohem Verschleißwiderstand Keramik Werkstoffe mit hoher Temperaturbeständigkeit und Zähigkeit Molybdänlegierungen Hartmetalle Hochwarmfeste Legierungen Werkzeugstähle 500 Schnellarbeitsstähle Warmarbeitsstähle 0 Kaltarbeitsstähle Kunststofformenstähle

9 2.GefügeundEigenschaften:Härte Härte - ist ein Maß für die Gleichmäßigkeit der Eigenschaften - ist ein Maß für die Zugfestigkeit Rm - wird im Stahl durch das Gefüge MARTENSIT erzeugt - Die Härte des Martensits steigt mit dem C-Gehalt Gehärteter Stahl; martensitisches Gefüge Härteprüfverfahren für Werkzeuge: - Rockwell C HRC - Vickers HV

10 2.GefügeundEigenschaften -Die Härte des Stahls steigt mit zunehmender Martensithärte UND zunehmendem Gehalt an harten Phasen (Karbide, Boride, Nitride..) - Die Härte kann bei hoher Verwendungstemperatur stark sinken! - Die Härte ist nur bedingt ein Maß für den Verschleißwiderstand!

11 2.GefügeundEigenschaften:Härteprüfung

12 2.GefügeundEigenschaften:Härteprüfung

13 2.GefügeundEigenschaften:HärteundZugfestigkeit Vergleich der Härtewerte mit der Zugfestigkeit Rev. o/2006 Prof. Dr.-Ing. Joachim Lueg FH Dortmund

14 2.GefügeundEigenschaften:FestigkeitundDuktilität

15 2.GefügeundEigenschaften:Zähigkeit

16 3.HerstellungundVeredlung Elektrostahl = Elektro-Lichtbogen-Ofen 130 t/ Schmelze 2h / Schmelze 100 % Schrotteinsatz Rev. o/2006 Prof. Dr.-Ing. Joachim Lueg FH Dortmund fach -informations-portal-stahl

17 3.HerstellungundVeredlung Prinzip des ELOs Hochspannung an Grafit- Elektroden Lichtbogen zündet Temperatur: Über 4000 C Schrott schmilzt auf Schlackebildung (Reststoffe) Exzentrischer Bodenabstich (Stahl) Abfüllen des Stahl in eine Pfanne Weiter mit Pfannenmetallurgie Rev. o/2006 Prof. Dr.-Ing. Joachim Lueg FH Dortmund

18 3.HerstellungundVeredlung Pfannen- oder Sekundär -Metallurgie Entgasen des Stahls (O, H, N) C- Einstellung Feinlegieren Beruhigen des Stahls vor Abguss Rev. o/2006 Prof. Dr.-Ing. Joachim Lueg FH fach Dortmund -informations-portal-stahl

19 3.HerstellungundVeredlung Steigender Blockguss: Blockseigerungen

20 3.HerstellungundVeredlung Mögliche Folgen von Blockseigerungen: a) Unterschiedliche Korngröße b) Nichtmetallische Einschlüsse ASTM E 112 ASTM E 45

21 3.HerstellungundVeredlung Gegenmaßnahme: ESU = Elektro-Schlacke-Umschmelzen Sonderstahlwerk BÖHLER: DESU (Druck-ESU) Bezeichnung bei Werkzeugstählen: z.b. EFS (Extra Feine Struktur), SUPRA, ISOBLOC

22 3.HerstellungundVeredlung Teuerste Lösung: PM-Stahl (PulverMetallurgie) z.b. Uddeholm Vanadis 4 Extra Superclean ISOTROP Höchste Reinheit

23 4:HärtenundVergüten HÄRTEN: Austenitisieren und Abschrecken

24 4.HärtenundVergüten Auszug aus dem Fe-C-Diagramm Rev. o/2006 Prof. Dr.-Ing. Joachim Lueg fach -informations FH Dortmund -portal-stahl

25 4.HärtenundVergüten Gefüge nach schneller Abkühlung: Kontinuierliches ZTU-Diagramm (Zeit-Temperatur-Umwandlung) Rev. o/2006 Prof. Dr.-Ing. Joachim Lueg FH Dortmund

26 4.HärtenundVergüten Martensit und Restaustenit

27 4. Härten und Vergüten Martensit (dunkel, hart) mit Restaustenit (hell, weich) Rev. o/2006 Prof. Dr.-Ing. Joachim Lueg FH Dortmund fach - informations - portal - stahl

28 4.HärtenundVergüten Härte [HRC] Sekundärhärtemaximum Vergüten: Härten + ANLASSEN Kaltarbeitstahl Warmarbeitstahl Schnellarbeitstahl gehärtet Anlaßtemperatur [ C]

29 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.1 Unlegierte Kaltarbeitsstähle Hauptsymbole C45U Zusatzsymbole Buchstabe Kohlenstoff- Für Stahlgehalt Gruppe 1 Gruppe 2 erzeugnisse G = Stahlguss (wenn erforderlich) C = Kohlenstoff nnn = 100x mittlerer prozentualer C-Gehalt des vorgeschriebenen Bereiches. Wenn kein Bereich für den Kohlenstoffgehalt angegeben ist, muss die verantwortliche Stelle (ECISS) von einem passenden repräsentativen Wert ausgehen. C = Zum Kaltumformen, z.b. Kaltstauchen, Kaltfließpressen D = Drahtziehen E = Vorgeschriebener max. S-Gehalt R = Vorgeschriebener Bereich des S-Gehaltes S = Für Federn U = Für Werkzeuge W = Für Schweißdraht G = Andere Merkmale, wenn erforderlich mit 1 oder 2 nachfolgenden Ziffern. an = Chemische Symbole für vorgeschriebene zusätzliche Elemente, z. B. Cu, falls erforderlich zusammen mit einer einstelligen Zahl, die den mit 10 multiplizierten Mittelwert der vorgeschriebenen Spanne des Gehaltes (auf 0,1 % gerundet) des Elementes angibt. s. Bild 6 Bezeichnung nach DIN EN :2005

30 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.1 Unlegierte Kaltarbeitsstähle DIN EN ISO 4957:1999 Kurzname DIN 17350: Kurzname DIN EN (1992) Werkstoff-Nr. Werksbezeichnung Verwendungszweck C45U C 45 W u.a. für: C70U C80U C90U C105U - C 80 W1 - C 105 W Handwerkszeuge aller Art, Aufbauteile für Werkzeuge, Gewindeschneidwerkzeuge, Tiefzieh-, Fließpreß-und Prägewerkzeuge C120U Übereutektoider Stahl (C90 C120) Normalgeglüht (+N) Weichgeglüht (+AC)

31 SymbolefürdenBehandlungszustand Symbol Symbol alt Bedeutung Symbol Symbol alt Bedeutung +A G Weichgeglüht +AC GKZ Geglüht zur Erzielung kugeliger Carbide +AR Wie gewalzt (ohne jegliche besonderen Walz und/oder Wärmebehandlungsbedingungen) +AT Lösungsgeglüht +C K Kaltverfestigt +Cnnn Kaltverfestigt auf eine Mindestzugfestigkeit von nnn N/mm² +CPnnn Kaltverfestigt auf eine 0,2 %- Dehngrenze von mindestens nnn N/mm² +CR +DC +FP +HC Kaltgewalzt Lieferzustand dem Hersteller überlassen Behandelt auf Ferrit-Perlit-Gefüge und Härtespanne Warm-Kalt-geformt +I Isothermisch behandelt +LC Leicht kalt nachgezogen bzw. leicht nachge walzt (Skin passed) +N Normalisiert oder normalisierend umgeformt +NT Normalisiert und angelassen +P Ausscheidungsgehärtet +Q Abgeschreckt +QA Luftgehärtet +QO Ölgehärtet +QT V Vergütet +QW Wassergehärtet +RA Rekristallisationsgeglüht +S C Behandelt auf Kaltscherbarkeit +SR Spannungsarmgeglüht +T A Angelassen +TH Behandelt auf Härtespanne +U U Unbehandelt +WW Warmverfestigt

32 5. Ausgewählte Werkzeugstähle 5.1 Unlegierte Kaltarbeitsstähle fach - informations - portal - stahl

33 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.1 Unlegierte Kaltarbeitsstähle Stirnabschreckversuch (Jominy), DIN EN ISO 642 Probenabmessungen Versuchsanordnung a) mit Flansch b) mit Rille Rev. o/2006 Prof. Dr.-Ing. Joachim Lueg FH Dortmundfach -informations-portal-stahl

34 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.1 Unlegierte Kaltarbeitsstähle Jominy: Normgerechte Angaben und Härteverlaufskurven Rev. o/2006 Prof. Dr.-Ing. Joachim Lueg FH Dortmundfach -informations-portal-stahl

35 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.2 Legierte Kaltarbeitsstähle Hauptsymbole X100CrMoV5 Zusatzsymbole Buchstabe Kohlenstoff- Legierungs- Für Stahl Für Stahlgehalt element Gruppe 1 Gruppe 2 erzeugnisse G = Stahlguss (wenn erforderlich) PM = Pulvermetallurgie (wenn für Werkzeugstähle erforderlich) X = Mittlerer Gehalt mindestens eines Legierungselementes 5 % nnn = 100x mittlerer prozentualer C-Gehalt des vorgeschriebenen Bereiches. Wenn kein Bereich für den Kohlenstoffgehalt angegeben ist, muss die verantwortliche Stelle (ECISS) von einem passenden repräsentativen Wert ausgehen. a = Chemische Symbole für die den Stahl charakterisierenden Legierungselemente, gefolgt von n-n = Zahlen, getrennt durch Bindestriche, die den mittleren, auf die nächste ganze Zahl gerundeten Gehalt der Elemente angeben. a = chemisches Symbol durch einen Bindestrich getrennt, für ein den Stahl charakterisierendes Element, dessen Gehalt im Bereich von 0,20 bis 1,0 % liegt, gefolgt von n = 10 x mittlerer Gehalt des Legierungselementes s. Bild 6 NamensgebungnachDINEN :2005 Nichtrostende Stähle und andere legierte Stähle (ausgenommen Schnellarbeitsstähle), sofern der mittlere Gehalt mindestens eines Legierungselementes 5 % beträgt

36 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.2 Legierte Kaltarbeitsstähle DIN EN ISO 4957:1999 Kurzname DIN 17350: Kurzname DIN EN (1992) Werkstoff-Nr. Werksbezeichnung Verwendungszweck 105V 50WCrV8 60WCrV8 102Cr6 21MnCr5 70MnMoCr8 90MnCrV8 95MnWCr5 X100CrMoV5 X153CrMoV12 X210Cr12 X210CrW12 35CrMo7 40CrMnNiMo NiCrMo16 X40Cr14 X38CrMo16-60 WCrV Cr 6 21 MnCr 5-90 MnCrV X 155 CrMoV 12 1 X 210 Cr 12 X 210 CrW X 45 NiCrMo 4 - X 36 CrMo u.a. für: Schnittwerkzeuge, Scherenmesser, Räumnadeln, Tiefziehwerkzeuge, Sandstrahldüsen, Gewindebohrer, Stemmeisen, Lehren, Dorne, Stempel, Ziehdorne, Massivprägewerkzeuge höchster Zähigkeit, Scherenmesser für dickstes Schneidgut, Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

37 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.2 Legierte Kaltarbeitsstähle

38 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.2 Legierte Kaltarbeitsstähle Fotogeätzt Erodiert

39 5.AusgewählteWerkzeugstähle Legierte Kaltarbeitsstähle für Kunststoffformen DIN EN ISO 4957:1999 Kurzname DIN 17350: Kurzname DIN EN (1992) Werkstoff-Nr. Werksbezeichnung Verwendungszweck 21MnCr5 40CrMnNiMo8-6-4 X40Cr14 X38CrMo X 36 CrMo Nicht mehr genormt: 100MnCrW4 40CrMnMo7 40CrMnMoS86 X33CrS16 X90CrMoV18 X19NiCrMo

40 5.AusgewählteWerkzeugstähle Legierte Kaltarbeitsstähle für Kunststoffformen

41 5.AusgewählteWerkzeugstähle Legierte Kaltarbeitsstähle für Kunststoffformen Lochkorrosion an Cr Ni Stahl, z.b. durch Meerwasser (ca. 3 % NaCl) (X 5 CrNiMo ) (X 5 CrNi 18-10)

42 5.AusgewählteWerkzeugstähle Legierte Kaltarbeitsstähle für Kunststoffformen

43 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.3 Warmarbeitsstähle DIN EN ISO 4957:1999 Kurzname DIN 17350: Kurzname DIN EN (1992) Werkstoff-Nr. Werksbezeichnung Verwendungszweck 55NiCrMoV7 56 NiCrMoV u.a. für: 32CrMoV12-28 X37CrMoV5-1 X38CrMoV5-3 X40CrMoV5-1 50CrMoV13-15 X30WCrV CrMoV 3 3 X 38 CrMoV X 40 CrMoV Hammergesenke für kleinere Abmessungen, Gesenke, Werkzeuge für Schmiedemaschinen, Druckgießformen, Gesenkeinsätze, Werkzeuge für Strangpressen zum Verarbeiten von Kupferlegierungen (z.b. Preßmatrizen) X35CrWMoV CrCoWV

44 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.3 Warmarbeitsstähle

45 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.3 Warmarbeitsstähle Zeitstand-Zugversuch Iso-stress- Versuch

46 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.3 Warmarbeitsstähle Quelle: Uni-Siegen/MB

47 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.3 Warmarbeitsstähle Zeitdehngrenze: R p0,2/1000/400 = 100 MPa Zugspannung von 100 MPa, die nach 1000 h bei 400 C zu einer Dehnung von 0,2 % führt Zeitstandfestigkeit: R m/1000/400 = 200 MPa Zugspannung von 200 MPa, die nach 1000 h bei 400 C zum Bruch führt Quelle: Uni-Siegen/MB

48 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.3 Warmarbeitsstähle

49 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.4 Schnellarbeitsstähle HS Hauptsymbole Zusatzsymbole Buchstabe Legierungselement Für Stahl Für Stahl- Gehalt Gruppe 1 Gruppe 2 erzeugnisse PM = Pulvermetallurgie (wenn erforderlich) HS = Schnellarbeitsstähle (High Speed) nnn = Zahlen, die durch Bindestriche getrennt den prozentualen Gehalt der Legierungselemnente in folgneder Reihenfolge angeben: - Wolfram (W) - Molybdän (Mo) - Vanadium (V) - Cobalt (Co) a(a) = Symbol(e) der (des) Elemente(s) mit höherem Gehalt (bei einer ansonsten gleichen Stahlsorte) NamensgebungnachDINEN : s. Bild 6 Bild 5

50 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.4 Schnellarbeitsstähle DIN EN ISO 4957:1999 Kurzname DIN 17350: Kurzname DIN EN (1992) Werkstoff-Nr. Werksbezeichnung Verwendungszweck HS0-4-1 HS1-4-2 HS HS2-9-2 HS S u.a. für: Räumnadeln, Spiralbohrer, Kreissägen, Fräser, Gewindebohrer, Drehmeißel und Formstähle, Schaftfräser HS3-3-2 S HS HS6-5-2C S HS6-5-3 S HS6-5-3C HS HS HS S HS HS S HS S

51 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.4 Schnellarbeitsstähle

54 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.4 Schnellarbeitsstähle Wärmebehandlung von Schnellarbeitsstählen

55 5. Ausgewählte Werkzeugstähle 5.4 Schnellarbeitsstähle Härten von Schnellarbeitsstahl fach - informations - portal - stahl

56 5.AusgewählteWerkzeugstähle 5.4 Schnellarbeitsstähle Einfluss des Härtungszustandes auf das Anlassverhalten von Schnellarbeitsstählen

57 6.BearbeitungundBeschichtungvonWerkzeugen 6.1 Bearbeitung Beispiel: Schleifen Mögliche Folgen: Schleifrisse.... Anlassen durch die Schleifwärme

58 6.BearbeitungundBeschichtungvonWerkzeugen 6.1 Bearbeitung Beispiel: Erodieren Umgeschmolzene Randzone: White layer, hart + spröde Umwandlungszone: Martensit! Entfernen durch Schleifen, zumindestens anlassen!

59 6.BearbeitungundBeschichtungvonWerkzeugen 6.2 Beschichten Ziel: Verschleißschutz Beispiel: Verschleiß an der Schneidplatte Quelle: Europa - Verlag

60 6.BearbeitungundBeschichtungvonWerkzeugen 6.2 Beschichten Schutzschichten aus TiC/TiN, aufgebracht durch CVD/PVD

61 6.BearbeitungundBeschichtungvonWerkzeugen 6.2 Beschichten PVD CVD CVD-Schichten bedecken die Oberfläche gleichmäßig, bei PVD-Beschichtungsverfahren kommt es wegen der gerichteten Flugbahn der Teilchen bei dreidimensionalen Oberflächen zu ungleichmäßiger Beschichtung ("Sichtlinien-Problem")

62 6.BearbeitungundBeschichtungvonWerkzeugen 6.2 Beschichten

63 6. Bearbeitung und Beschichtung von Werkzeugen 6.2 Beschichten CVD-Schichten: + Hohe Haftfestigkeit (Diffusion) + Dickere Schichten möglich - Hohe Prozesstemperatur fach - informations - portal - stahl

64 6.BearbeitungundBeschichtungvonWerkzeugen 6.2 Beschichten PVD-Verfahren: Geringere Haftung, dünne Schichten, geringe Prozesstemperatur (T < 500 C)

65 6. Bearbeitung und Beschichtung von Werkzeugen 6.2 Beschichten DLC = Diamond Like Carbon, Diamantschicht fach - informations - portal - stahl

66 HSM Vielen -Seminar: Dank für Ihre Werkzeugstähle Aufmerksamkeit 11. November 2016 Hat es Ihnen gefallen? Dann besuchen Sie doch auch ein anderes Seminar. Die aktuellen Termine finden Sie unter: In Zusammenarbeit mit HSM Ihr Einkauf Ihr Lager Ihre Maschine Ihre Logistik Ihr Stahlspezialist HSM Stahl- und Metallhandel QM 51/2/93/12/69 GmbH Hinweis: Für den Inhalt und die Quellen sind allein die Referenten verantwortlich. HSM THEMA Stahl- Präsentation und Metallhandel GmbH 1 QM FB 51/0/73/18/2