Die neuen HSS-Stähle der YXR-Serie

Mit dem Blick auf Zielgrößen wie Near-Net-
Shape-Produktion, gesteigerte Produktionseffizienz
und der Formgebung bei Materialien
mit hohen Härten und Zähigkeiten kommt den
Formen und Werkzeugen große Bedeutung zu.
Die Leistung von Formen und Werkzeugen hat
direkten Einfluss auf die Qualität des Endprodukts.
Die Leistungsfähigkeit eines Werkzeugs
wird beeinflusst von der Werkzeugauslegung,
der Herstellung und nicht zuletzt durch
das verwendete Material. Als wesentliche
Anforderungen an einen solchen Werkstoff
sind zu nennen: 1. höhere Zähigkeit, 2. höhere
Festigkeit und 3. höhere Verschleißfestigkeit.
Das Bild unten zeigt die Positionierung der
derzeitig verwendeten Form- und Werkzeugstähle.
HSS-Stähle wie der Werkstoff 1.3343
sind Kaltarbeitsstählen wie 1.2379 in punkto
Festigkeit und Verschleißfestigkeit überlegen.
Daher wird bei Standard-Formen und Werkzeugen
dem Werkstoff 1.3343 der Vorzug gegenüber
1.2379 gegeben. Die feine und homogenere
Mikrostruktur von pulvermetallurgischen
HSS-Stählen kann aufgrund besserer
Zähigkeit und Verschleißfestigkeit die Lebensdauer
von Werkzeugen im Vergleich zu konventionellen
Stählen deutlich verbessern.
Dennoch konnten alle vorgenannten Mate-
FACHBEITRÄGE
Hohe Zähigkeit und Festigkeit für
formgebende Werkzeuge:
Die neuen HSS-Stähle der YXR-Serie
Dr. Norimasa Uchida, Yasugi (Japan), Makoto Komori und
Dipl.-Ökonom Thomas Hermann, Düsseldorf
Die neuen HSS-
Stähle der YXR-
Serie von Hitachi Metals wurden entwickelt,
um eine Lücke bei hochfesten und zähen
Werkzeugstählen zu schließen. In verschiedenen
Serieneinsätzen konnten bei der Verwendung
dieser Materialien die Werkzeugstandzeiten
deutlich gesteigert werden.
Stähle für formgebende Werkzeuge: Einordnung der
YXR-Serie Bilder: Hitachi Metals
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2002
rialien den Anforderungen der Werkzeuge
nach höheren Zähigkeiten nicht entsprechen.
Warmarbeitsstähle hingegen, wie z. B. der
Werkstoff 1.2344, bieten höhere Zähigkeiten,
zeigen aber hinsichtlich Festigkeit und Verschleißfestigkeit
keine ausreichenden Werte.
Mit Blick auf Zähigkeit und Festigkeit kann
daher festgestellt werden, dass
zwischen den konventionellen
HSS-Stählen und den Warmarbeitsstählen
ein Materialbedarf besteht,
der z. Zt. nicht ausreichend
befriedigt werden kann.
Die neuen HSS-Stähle der
YXR-Serie von Hitachi Metals
wurden entwickelt, um diese
Lücke bei den hochfesten und
zähen Werkzeugstählen zu schließen.
Abhängig von Anwendung
und Anforderung an das Werkzeug
stehen drei Materialvarianten zur
Auswahl: YXR 33, YXR 3 und
YXR 7.
Eigenschaften
Die Materialien der YXR-Serie können als
"Matrix"-HSS-Stähle klassifiziert werden –
mit einem Kohlenstoffgehalt (in Vol %) von
0,55 % bei YXR 33, 0,65 % bei
YXR 3 und 0,75 % bei YXR 7.
Nach der Wärmebehandlung
besteht das Mikrogefüge des
YXR 33 aus duktilem angelassenem
Martensit mit einem kleinen
Anteil ungelöster Sekundär-
Karbide. YXR 3 zeigt nach der
Wärmbehandlung ebenfalls
duktilen angelassenen Martensit,
jedoch mit kleinem Anteil
primärer MC-Karbide sowie
einem höheren Anteil ungelöster
Sekundär-Karbide im Vergleich
Die Stähle
kommen
sowohl als Stempel und Matrizen in der
Warm-, Halbwarm- und Kaltumformung, als
auch als Abgratmatrizen zum Einsatz; sie
wurden bereits mehrfach für Ihre Leistungsfähigkeit
als Formen- und Werkzeugstähle
ausgezeichnet.
zu YXR 33. YXR 7 schließlich
zeigt einen kleinen Anteil
primärer M 6 C-Karbide und
18
einen großen Anteil ungelöster Sekundär-
Karbide verteilt im angelassenen Martensit. Im
Vergleich zu 1.3343 zeigt der YXR 7 weniger
zeilige Seigerungen.
YXR-Stähle finden Anwendung als Formund
Werkzeugmaterial bei Härten von 54-65
HRC abhängig vom gewählten Material.
Ergebnisse der Kerbschlagbiegeversuche an Stählen für
formgebende Werkzeuge
YXR 33 liegt mit einer Anwendungshärte von
54-58 HRC höher als der Werkstoff 1.2344.
YXR 3 wird verwendet bei Härten von 58-61
HRC. YXR 7 liegt mit 61-65 HRC im einem
Bereich, der auch bei Form- und Werkzeuganwendungen
des Werkstoffs 1.3343 erreicht
wird. Darüber hinaus besitzt YXR 7 eine herausragende
Härtbarkeit im Vergleich zu 1.3343.
So können im Vakuumofen bei Werkzeugen
mit Durchmessern von über 100 mm Härten
von 61-65 HRC erreicht werden. Die empfohlene
Austenitisierungstemperatur liegt mit 1 120 -
1160°C über der von 1.2344 und unter der von
Werkstoff 1.3343. Alle Materialien der YXR-
Serie sind nitrierfähig.
Mechanische Eigenschaften
• Zähigkeit
Wie zuvor erwähnt, verfügen alle YXR-
Materialien – verglichen mit anderen verwende-

ten Werkstoffen – über höchstmögliche Zähigkeit
bei gleichzeitig notwendiger Härte. Das
Bild auf Seite 18 rechts zeigt die Zähigkeitswerte
der YXR-Werkstoffe.
YXR33 zeigt hier Werte, die nahe denen des
Werkstoffs 1.2344 liegen. Möglich wird dies
durch den feinen, homogenen angelassenen
Martensit mit kleinen Primärkarbiden. Bei
einem Härtegrad von 58-61 HRC erreicht auch
YXR 3 sehr gute Zähigkeitswerte, die bisher
von keinem anderen HSS-Stahl erreicht wurden.
Bei einer Härte über 61 HRC würde
jedoch, aufgrund einer Kornvergröberung, die
Zähigkeit von YXR 3 stark abnehmen. Im
Härtebereich von 61-65 HRC bietet YXR 7
Zähigkeiten, die deutlich über denen der
Werkstoffe 1.3343 und 1.2379 liegen. Hier werden
Werte erreicht, die bereits nahe an denen
von pulvermetallurgischen Stählen liegen (z. B.
Material HAP 10 von Hitachi Metals Ltd.). Die
im Vergleich zu 1.3343 und 1.2379 geringeren
Karbidseigerungen sind Grund für die herausragende
Zähigkeit von YXR 7.
• Festigkeit
Neben der Zähigkeit ist auch die Festigkeit eine
entscheidende Größe um Brüche und Abplatzer
an Formen und Werkzeugen zu vermeiden. Mit
Blick auf die unterschiedlichen Belastungen
einer Form oder eines Werkzeugs muss zwischen
Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Druckfestigkeit
und Dauerfestigkeit unterschieden
werden.
Die Zugfestigkeit der YXR-Materialien nimmt
propotional zur Härte zu: YXR 33 < YXR 3 <
YXR 7. YXR 7 verfügt, im Vergleich zum
Werkstoff 1.3343, wegen der geringeren
Kornvergröberung und Karbidseigerungen über
eine höhere Zugfestigkeit. Alle Stähle der YXR-
Serie verfügen über eine deutlich bessere
Dehnbarkeit verglichen mit den Werkstoffen
1.3343 und 1.2379. Die YXR-Serie, insbesondere
der Werkstoff YXR 33, weist eine höhere
Temperaturfestigkeit auf, als sie bisher von
Warmarbeitsstählen wie 1.2367 oder 1.2365
bekannt ist.
Die Biegefestigkeit von YXR 3 liegt bei ca.
6 000 N/mm 2 . Ein Spitzenwert für einen HSS-
Stahl. Die Dauerfestigkeit wird nicht nur durch
die erreichte Zugfestigkeit, sondern auch durch
das Gefüge entscheidend beeinflusst. So liegt
die Dauerfestigkeit der YXR-Materialien –
wegen der großen Primärkarbide – über den
Werten der Werkstoffe 1.2379 und 1.3343. Die
Dauerfestigkeit von YXR 33 liegt unter der von
YXR 7 – wegen der geringeren Zugfestigkeit –
aber immer noch über den Werten von 1.3343.
Im Dauerschwingversuch bei einer Zyklenzahl
unter 105 zeigt sich die Überlegenheit von YXR
33 im Vergleich zu anderen Materialien besonders
deutlich.
• Verschleißfestigkeit
An Formen und Werkzeugen können drei Arten
von Verschleiß beobachtet werden: Abrasiver
Verschleiß, adhäsiver Verschleiß und plastische
Verformungen. Härte und das Karbid-Volumen
eines Materials haben Einfluss auf die Wider-
FACHBEITRÄGE
standsfähigkeit gegen abrasiven Verschleiß.
Adhäsive Verschleißfestigkeit ergibt sich im
Wesentlichen aus dem Karbid-Volumen.
Wegen der geringeren Härte und des geringeren
Karbid-Volumens liegt die Verschleißfestigkeit
von YXR 3 und YXR 33 unter der des
Werkstoffs 1.3343. YXR 7 jedoch erreicht die
gleiche Verschleißfestigkeit wie 1.3343 oder
1.2379 (basierend auf Messungen mit dem
Ogoshi-Verschleißtester).
Anwendungen
Einige Anwendungen der YXR-Materialien
wurden in der Tabelle unten zusammengefasst.
Aufgrund der höheren Zähigkeit und Festigkeit
(insbesondere Zugfestigkeit und Dauerfestigkeit),
verglichen mit den Werkstoffen 1.3343
oder 1.2379, konnten mit YXR 7 längere
Werkzeugstandzeiten erreicht werden. So fallen
z. B. Abgratwerkzeuge und Stempel/Matrizen
in der Kaltumformung aus herkömmlichen
Werkstoffen häufig durch Bruch oder
Abblättern aus. Bei Gewindeschnitt-Werkzeugen,
bei denen insbesondere Zähigkeit und
Druckfestigkeit gefordert ist, zeigt der Werk-
stoff YXR 7 hervorragende Resultate. YXR 3
ist der Standard-Werkstoff für Formen und
Werkzeuge.
Innerhalb der YXR-Serie ist der YXR 3 das
Material mit dem größten Produktionsvolumen
und hat eine sehr gute Reputation im Markt für
eine Vielzahl von Anwendungen. Aufgrund seiner
hohen Zähigkeit und der hervorragenden
Temperaturfestigkeit konnten mit dem Werkstoff
YXR 33 im Bereich der Warmumformung
und bei dem Near-Net-Shape-Schmieden längere
Werkzeugstandzeiten erzielt werden, als mit
herkömmlichen Materialien. Dies insbesondere
bei Anwendungen, bei denen plastische Deformationen
und Wärmerisse Ursachen für einen
Werkzeugausfall waren.
Aber auch bei Kaltverformungsanwendungen
konnten, wegen der herausragenden Zähigkeitswerte,
unter Verwendung von YXR33 Werkzeugstandzeiten
verlängert werden. Die Materialien
der YXR-Serie wurden bereits mehrfach
für diese Leistungsfähigkeit als Formen- und
Werkzeugstahl ausgezeichnet. ■
Weitere Informationen über Kennziffer 805
Werkstoff Anwendung Material Standard Werkzeug Ergebnis mit YXR
(Werkstück) /Ausfallursache /Ausfallursache Faktor
YXR7 Kaltumformung 1.1191 1.3343 63HRC
(Matrize) Riß Verschleiß 6
Kaltumformung 1.1158 1.3343 61HRC 62HRC 3
(Stempel) Bruch Abrieb
Gewindeschnitt 1.7225 1.2379 62HRC 65HRC 5
(Matrize) Abplatzen Verschleiß
Walzdorn Rostfreie 1.3343 62HR 64HRC 2.7
Stähle Bruch Verschleiß
Stanzstempel 1.4301 1.2379-M 61HRC 63HRC 1.5
(1-2 t) Abplatzen Verschleiß
Feinstanz-Matrize Kohlenstoff- 1.3343 63HRC 63HRC 3
Stähle Abplatzen Verschleiß
Abgrat-Matrize YXR3 59HRC 61HRC 1.7
Abplatzen Abplatzen
Walzdorn Rostfreie 1.3343 62HRC 64HRC 2.7
(Rohr-Herstellung) Stähle Bruch Verschleiß
Halb-Warm- 1.1210 1.2678-M 58HRC 62HRC 3-4
Umformstempel plastische plastische
Verformung Verformung
YXR3 Auswerfer-Stift 1.3343 61HRC 61HRC 5
Bruch Verschleiß
Kaltumformung 1.2379 58HRC 61HRC 2-3
(Stempel) Abplatzen Verschleiß
Schraubenmutter 1.3343 62HRC 60HRC 2
(Stanzstempel) Abplatzen Abplatzen
YXR33 Warmumformung 1.3343 59HRC 56HRC 3
(Matrize - Riß Verschleiß
Differential)
Halb-Warm- 1.7218 1.2365 48HRC 57HRC 2
Umformung plastische Verschleiß
(Matrize) Verformung
Warmumformung Cr-Mo- 1.2365 47HRC 57HRC 3
(Matrize) Stähle Verschleiß Verschleiß
Matrize 1.2365 50HRC 57HRC 1.9
(Zahnrad Rohling) Verschleiß Verschleiß
Halb-Warm- Cr-Mo- 1.2678-M 48HRC 57HRC 3
Umformung Stähle plastische Verschleiß
(Stempel) Verformung
(Kugelgelenk)
Warm-Umformung 1.2067 1.2344 48HRC 58HRC 7
Stempel plastische plastische
(Lagerring) Verformung Verformung
Quetschmesser 1.3343 58HRC 20
Bruch Verschleiß
Verbindungsstab 1.2344 46HRC 50HRC 2
Verschleiß Verschleiß
Anwendungsbeispiele für Werkzeuge aus Werkstoffen der YXR-Serie
19 SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2002