DD225598A3

DD225598A3 - Rueckgeschwefelte automatenstaehle mit wismut und modifizierenden legierungselementen

Info

Publication number: DD225598A3
Application number: DD24760983A
Authority: DD
Inventors: Ulrich Finger; Burkhard Reh; Volker Ludewig; Walter Schultz; Werner Voigt; Reinhard Blech; Klaus Priesnitz; Heinz Bachstein; Peter Moeller
Original assignee: Maxhuette Unterwellenborn
Priority date: 1983-02-01
Filing date: 1983-02-01
Publication date: 1985-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft rueckgeschwefelte Automatenstaehle mit Wismut und modifizierenden Legierungselementen, insbesondere vorwiegend Bor, Barium und Kalzium. Die erfindungsgemaessen Staehle dienen in der spangebenden Fertigung der metallverarbeitenden Industrie zur effektiven Herstellung von Praezisionsteilen. Es handelt sich dabei je nach Kohlenstoffgehalt und Desoxydationsart um halbberuhigte Weichautomatenstaehle, Einsatz-, Verguetungs- oder Triebstaehle. Durch die abgestimmte Kombination des Legierens von Wimut und modifizierenden Legierungselementen wird die Zerspanbarkeit gegenueber den herkoemmlichen Wismut-, Blei- und Tellur-Staehlen verbessert, der Aufwand fuer Legierungsmittel verringert und das Auftreten von toxischen Staeuben oder Daempfen bei der Herstellung, wie z. B. bei Verwendung von Tellur und Blei, von vornherein ausgeschlossen. Die modifizierenden Legierungselemente werden zur Desoxydation und als Sulfidbildner eingesetzt. Die erfindungsgemaessen Staehle weisen dadurch und infolge des Legierens mit Wismut niedrige spezifische Schnittkraefte, geringen Werkzeugverschleiss sowie gute Oberflaechen der hergestellten Teile auf und gestatten eine hoehere Produktivitaet bei der spangebenden Fertigung auf automatischen Werkzeugmaschinen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft rückgeschwefelte Automatenstähle mit Wismut und modifizierenden Legierungselementen, die in der spangebenden Fertigung der metallverarbeitenden Industrie zur effektiven Herstellung von Präzisionsteilen Verwendung finden. Dabei handelt es sich je nach Kohlenstoffgehalt und Desoxydationsart um halbberuhigte Weichautomatenstähle, Einsatz-, Vergütungs- oder Triebstähle.

Durch den Zusatz von modifizierenden Legierungselementen wird die Zerspanbarkeit gegenüber den herkömmlichen Wismutbzw. Wismut-Tellur-Stählen verbessert, der Aufwand für Legierungsmittel verringert und das Auftreten von toxischen Stäuben oder Dämpfen wie, z. B. bei Verwendung von Tellur, von vornherein ausgeschlossen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Seit Jahrzehnten werden zur Verbesserung der Zerspanbarkeit von Stählen spezielle Elemente legiert. Auf die Entwicklung der Mangan-Schwefel-legierten Stähle am Anfang des 20. Jahrhunderts folgte die Gruppe der bleilegierten Stähle in den dreißiger Jahren. Mit dem Aufschwung und den neuen Forderungen des Maschinenbaus und der Automobilindustrie in den sechziger Jahren wurden Hochleistungsautomatenstähle auf der Basis der Kombination Schwefel-Blei — (Tellur, Selen, Wismut) und mit Kalzium desoxydierte Vergütungsstähle entwickelt.

Auf Grund der zunehmend verschärften Forderungen der meisten Industriestaaten bezüglich Umweltschutz und Arbeitssicherheit wurden in den letzten Jahren und werden zur Zeit zahlreiche Entwicklungsarbeiten zur Ablösung der bei der Herstellung mit der Emission giftiger Stoffe verbundenen Blei-, Tellur- und Selen-Stähie durchgeführt. Dabei erreichte man mit der Entwicklung von borlegierten Weichautomatenstählen in der DDR und von wismutlegierten Stählen in den USA bereits Teilerfolge.

Die günstige Wirkung von Bor im Bereich von 40 bis 200ppm wurde bereits vor 35 Jahren in den US-EB 2388214 und 2338215 nachgewiesen. In der DD-EB 156605 wird dagegen ein Weichautomatenstahl beschrieben, der durch Legieren mit 20 bis 40ppm Bor eine wesentlich bessere Innenzerspanbarkeit aufweist. Diese Stähle haben den großen Vorteil, daß sie bei der Herstellung nicht mit der Emission toxischer Stoffe verbunden sind. Sie erreichen jedoch nur bei vorwiegender Außenzerspanung annähernd die guten Zerspanungseigenschaften der bleilegierten Stähle.

Aufbauend auf der Nichttoxizität und der Äquivalenz der Wirkung von Wismut im Vergleich zu Blei wurde in den USA in den Jahren 1980/81 eine Reihe Patente angemeldet, die sich mit einer neuen Gruppe von Wismutstählen befassen (US-EB 4236939, 4255187 und 4255188). Diese Stähle enthalten 0,06 bis 1,0Ma.-% Kohlenstoff, 0,3 bis 1,6Ma.-% Mangan, maximal 0,3Ma.-% Silizium, 0,03 bis 0,50 Ma.-% Schwefel und maximal 0,12 Ma.-⁰O Phosphor sowie 0,05 bis 0,40 Ma.-% Wismut. Zur weiteren Verbesserung der Zerspanbarkeit können noch bis zu 0,3Ma.-% Blei und bis zu 0,06Ma.-% Tellur legiert werden.

In der US-EB 4255188 wird zusätzlich noch beschrieben, daß diese Stähle Sulfideinschlüsse zwischen 2 und 10μΐπ Größe mit einem Abstand < 100μΐη haben, wobei die Sulfidgröße und -verteilung über die Erstarrungs- und Walzbedingungen gesteuert werden.

Die bekannten Patente zu Wismutstählen weisen den Mangel auf, daß erstens keine Angaben zu einer spanungstechnisch günstigen Modifizierung der oxidischen Einschlüsse mitgeteilt werden und zweitens eine Globularisierung der Sulfide neben günstigen Erstarrungs- und Walzbedingungen über den Zusatz von Tellur, das teuer ist und bei der Herstellung toxische Dämpfe erzeugt, angestrebt wird.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Zerspanbarkeit von rückgeschwefelten Wismutstählen durch Legieren mit modifizierenden Elementen so zu verbessern, daß sowohl bei Einsatz von Schnellarbeitsstahlwerkzeugen als auch bei Hartmetaliwerkzeugen die Standzeit erhöht, die erreichbare Oberflächenqualität der Werkstücke verbessert und der auf das Spanvolumen bezogene Energiebedarf verringert wird. Die Verwendung von toxischen Legierungselementen wie Blei und Tellur wird von vornherein ausgeschlossen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung von Legierungselementen, die kostengünstig, gut verfügbar und leicht zu handhaben sind und welche bei ihrer Anwendung keine toxischen Dämpfe und/oder Stäube erzeugen, die Zerspanbarkeit von rückgeschwefelten Automatenstählen mit der Basiszusammensetzung 0,05 bis 1,4Ma.-% Kohlenstoff, maximal 2,0Ma.-% Silizium 0,30 bis 2,0Ma.-% Mangan, maximal 0,12Ma.-% Phosphor und 0,03 bis 0,50Ma.-% Schwefel zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe dadurch gelöst, daß neben dem Legieren von 0,05 bis 0,40 Ma.-% Wismut die Desoxydationsprodukte durch Zusatz von modifizierenden Legierungselementen weitgehend aus dem flüssigen Stahl entfernt werden und die im erstarrten Stahl verbleibenden Oxideinschlüsse als niedrigschmelzende Komplexoxide vorliegen, und daß gegebenenfalls modifizierende Legierungselemente als Sulfidbildner in das desoxydierte rückgeschwefelte Stahlbad legiert werden.

Bei halbberuhigten Automatenstählen mit Wismut werden die Desoxydationsprodukte MnO und MnO · SiO₂, wobei das Silizium hauptsächlich aus dem Legierungsmittel Ferromangan stammt, vorzugsweise durch Zugabe von Bor und/oder Barium modifiziert. Dadurch entstehen niedrigschmelzende Komplexoxide der Zusammensetzung χ · MnO y M, wobei M für B₂O₃ oder BaO oder eine Kombination von B₂O₃ und BaO steht und x, y gleich 1, 2 oder 3 sind.

Die niedrigschmelzenden Komplexoxide wirken weit weniger abrasiv und fördern die Bildung von verschleißhemmenden Belägen auf den Werkzeugen.

Bei beruhigten Automatenstählen mit Wismut wird die Desoxydation sorgfältig mit modifizierenden Elementen wie Bor, Magnesium, Kalzium, Strontium und Barium, insbesondere mit einer Kombination von Bor oder von den anderen gsnannten Elementen mit Aluminium vorgenommen. Dabei werden Endgehalte dieser Elemente im erstarrten Stahl zwischen 5 und 100ppm, vorzugsweise zwischen 10 und 50ppm erreicht. Die Summe der Konzentrationen aller enthaltenen modifizierenden Elemente ist vorzugsweise kleiner als 150 ppm.

Die modifizierten Oxide liegen als komplexe Einschlüsse der Zusammensetzung xA · yB vor x,y = 1,2 oder 3

A = Oxid oder Kombination von Oxiden der Elemente B, Mg, Ca, Sr, Ba

B = MnO, SiO₂, AI₂O₃ oder eine Kombination davon.

Bei beruhigten Stählen besteht weiterhin die Möglichkeit, in das weitgehend desoxydierte, rückgeschwefelte Stahlbad neben den stahlmarkenspezifischen Legierungselementen modifizierende Elemente, insbesondere Kalzium, Magnesium, Barium oder Strontium oder eine beliebige Kombination von zwei oder mehreren dieser Elemente zu legieren, deren Verbindungen mit Schwefel in die Mangansulfide eingelagert werden, wodurch diese beim Walzen weitgehend globular bleiben. Die Globuiarisierung der Sulfide bewirkt eine Verbesserung der Zerspanbarkeit, der Umformbarkeit und auch der Isotropie der mechanischen Eigenschaften. Der nicht an Schwefel gebundene Anteil der modifizierenden Elemente verbindet sich mit Sauerstoff bei der Sekundärdesoxydation, so daß hier eine Wirkung in doppelter Hinsicht erfolgt: Sie dienen zur Erzeugung niedrigschmelzender, belagbildender Komplexoxide und zur Globuiarisierung der Sulfide.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an 3 Ausführungsbeispielen für die Erzeugung verschiedener Stähle, die in ihrem Geltungsbereich liegen, beschrieben.

1. Weichautomatenstahl

Dem rückgeschwefelten Stahlbad werden neben Ferromangan beim Abstich in eine Gießpfanne unter intensiver Durchmischung sauerstoff haltige Bariumverbindungen zugegeben. Der Zusatz an Barium beträgt 0,64 kg pro Tonne Flüssigstahl.

Das Legieren von Wismut erfolgt durch Zugabe von 2,5 kg Bi pro Tonne Flüssigstahl in den Gießstrahl beim fallenden Guß. Der erstarrte Stahl hat im Chargenmittel folgende chemische Zusammensetzung:

0,1200Ma.-% Kohlenstoff

0,0100Ma.-% Silizium

0,9800 Ma.-% Mangan

0,0460 Ma.-% Phosphor

0,2940 Ma.-% Schwefel

0,1800Ma.-% Wismut

0,0020 Ma.-% Barium

Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Begleitelemente und Verunreinigungen.

Der erfindungsgemäße, mit Barium modifizierte Weichautomatenstahl mit Wismut, garantiert eine um 20% höhere Standzeit der Zerspanungswerkzeuge gegenüber dem entsprechenden Vergleichsstahl ohne Barium.

2. Vergütungsstahl

Der Stahl wird im Lichtbogen-Ofen erschmolzen. Nach dem Frischen hat das Stahlbad folgende Zusammensetzung:

0,360 Ma.-% Kohlenstoff

0,010Ma.-% Silizium

0,240Ma.-% Mangan

0,013 Ma.-% Phosphor

0,035 Ma.-% Schwefel

Zur Vordesoxydation werden 0,5 kg pro Tonne Aluminium und 1 kg pro Tonne Ferrobor mit 20 Ma.-% Bor legiert. Beim Abstich in die Gießpfanne werden dem rückgeschwefelten Stahlbad 5kg pro Tonne Flüssigstahl Kalziumsilizium mit 25 Ma.-% Kalzium

unter intensiver Durchmischung zugegeben. Der Stahl wird steigend vergossen. Das Wismut wird beim Gießen gleichmäßig verteilt über den Gießverlauf in den Trichter in einer Menge von 2kg pro Tonne Flüssigstahl legiert. Der erstarrte Stahl hat im Chargenmittel folgende Zusammensetzung:

0,4600 Ma.-% Kohlenstoff 0,5600Ma.-% Mangan 0,3400Ma.-% Silizium 0,0160Ma.-% Phosphor 0,0360 Ma.-% Schwefel 0,0050Ma.-% Aluminium 0,0024Ma.-% Bor 0,0036Ma.-% Kalzium 0,1400Ma.-% Wismut Durch die günstigen Abscheidungseigenschaften der Bor-Aluminium-Komplexoxide werden diese weitgehend in die Schlacke abgeschieden. Die verbleibenden Oxide liegen in einer für die Zerspanbarkeit günstigen Modifizierung vor. Durch die Zugabe von Kalzium in das rückgeschwefelte Stahlbad beim Abstich in die Gießpfanne wird der Sauerstoff weiter abgebaut und es bilden sich außerdem mit Kalzium modifizierte Sulfide, die beim Walzen weitgehend globular bleiben.

Gegenüber einem vergleichbaren Vergütungsstahl mit Wismut hat der erfindungsgemäße Bor-Kalzium-modifizierte Stahl eine um 30% bessere Zerspanbarkeit durch Verringerung des Werkzeugverschleißes und Erhöhung der Oberflächenqualität der bearbeiteten Flächen.

3. Kohlenstoffstahl

Der Stahl wird im Lichtbogenofen erschmolzen. Nach dem Frischen hat das Stahlbad folgende Zusammensetzung:

0,650Ma.-% Kohlenstoff 0,010Ma.-% Silizium 0,210Ma.-% Mangan 0,014Ma.-% Phosphor 0,032 Ma.-% Schwefel Zur Vordesoxydation werden 0,4kg pro Tonne Aluminium und 1,4kg pro Tonne Ferrobor mit 20Ma.-% Bor legiert.

Anschließend werden 5kg pro Tonne Ferromangan und Kohlenstoff legiert. Zur Schlußdesoxydation und Modifizierung der Sulfide werden beim Abstich in die Gießpfanne dem rückgeschwefelten Stahlbad 2kg Kalziumsilizium pro Tonne Flüssigstahl unter intensiver Durchmischung zugegeben. Der Stahl wird steigend vergossen. Das Wismut wird beim Gießen gleichmäßig verteilt über den Gießverlauf in den Trichter in einer Menge von 2,5kg Wismut pro Tonne Stahl legiert. Der erstarrte Stahl hat im Chargenmittel folgende Zusammensetzung:

1,0400 Ma.-% Kohlenstoff 0,1800 Ma.-% Silizium 0,5500 Ma.-% Mangan 0,0300Ma.-% Phosphor 0,0450 Ma.-% Schwefel 0,0028Ma.-% Bor 0,0022 Ma.-% Kalzium 0,0040Ma.-% Aluminium 0,1700Ma.-% Wismut Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Sor-Kaizium-modifizierte, wismutlegierte Automatenstahl gegenüber den vergleichbaren Stählen mit reiner Aluminium-Vor- und Schlußdesoxydation günstigere Zerspanungseigenschaften dadurch, daß er globularere Sulfide und kaum noch abrasive oxidische Einschlüsse aufweist.

Claims

- 1 - CM 0U3 C

Erfindungsansprüche:

1. Rückgeschwefelte Automatenstähle mit Wismut und modifizierenden Legierungselementen mit der Grundzusammensetzung

0,05 bis 1,4 Ma.-% Kohlenstoff

maximal 2,0 Ma.-% Silizium

0,30 bis 2,0 Ma.-% Mangan

maximal 0,12 Ma.-% Phosphor

0,03 bis 0,50 Ma.-% Schwefel

0,05 bis 0,40 Ma.-% Wismut,

gekennzeichnet dadurch, daß diese die modifizierenden Legierungselemente 0,0005 bis 0,0100 Ma.-% Bor

und/oder 0,0005 bis 0,0100Ma.-% Kalzium

und/oder 0,0005 bis 0,0100Ma.-% Barium

und/oder 0,0005 bis 0,0100 Ma.-% Magnesium

und/oder 0,0005 bis 0,0100 Ma.-% Strontium

enthalten, und daß die im erstarrten erfindungsgemäßen Stahl verbleibenden Oxideinschlüsse niedrigschmelzende Komplexoxide der Zusammensetzung xA · yB sind, wobei χ und y gleich 1, 2 oder 3 sind, A die Bezeichnung für die Oxide der Elemente, B, Ba, Ca, Mg, Sr oder einer beliebigen Kombination von zwei oder mehreren dieser Elemente ist und B die Bezeichnung für die Oxide der Elemente Mn, Si, Al oder eine beliebige Kombination von zwei dieser Elemente oder der drei genannten Elemente ist.
2. Rückgeschwefelte Automatenstähle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elemente B, Ba, Ca, Sr und Mg vorzugsweise eine Konzentration von 0,0010 bis 0,0050 Ma.-% haben und die Summe der Konzentrationen aller enthaltenen modifizierenden Elemente vorzugsweise kleiner als 150 ppm ist.
3. Rückgeschwefelte Automatenstähle nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß vorzugsweise Bor bzw. ein Gemisch von Bor und Aluminium zur Desoxydation dient und die anschließend legierten Sulfidbildner Kalzium und/oder Magnesium und/oder Barium und/oder Strontium sind.
4. Rückgeschwefelte Automatenstähle nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß sie mit Mangan desoxydiert und vorzugsweise mit Barium und/oder Bor modifiziert sind, so daß die im erstarrten erfindungsgemäßen Stahl verbleibenden Oxide die Zusammensetzung χ · MnO·y·M haben, wobei χ und y gleich 1, 2 oder 3 sind und M die Bezeichnung für B₂O₃ oder BaO oder eine Kombination davon ist.