DD238249A1

DD238249A1 - Verfahren zur herstellung eines umformbaren automatenstahles mit definiertem gefuege

Info

Publication number: DD238249A1
Application number: DD27731385A
Authority: DD
Inventors: Burkhard Reh; Werner Voigt; Klaus Priesnitz
Original assignee: Maxhuette Unterwellenborn
Priority date: 1985-06-13
Filing date: 1985-06-13
Publication date: 1986-08-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines umformbaren Automatenstahles mit definiertem Gefuege, der eine gute Umformbarkeit mit guten Zerspanungseigenschaften kombiniert. Es ist das Ziel der Erfindung, einen umformbaren Automatenstahl mit definiertem Gefuege herzustellen, der in der Lage ist, sowohl die material-oekonomisch unguenstigen Al- bzw. Si-beruhigten Einsatzautomatenstaehle abzuloesen als auch die Arbeitsproduktivitaet bei der spangebenden Bearbeitung von Umformteilen im Vergleich zu konventionellen Konstruktionsstaehlen zu erhoehen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass eine Stahlschmelze nach dem Frischen einen aktiven Sauerstoffgehalt von 600 bis 850 ppm bei einer Temperatur von 1 943 bis 1 973 K aufweist, der nach Zugabe von hoechstens 24 kg Ferromangan, 2,5 kg Schwefel, 0,4 kg Ferrobor und 1,0 kg einer siliziumarmen Kalziumlegierung je Tonne Stahl und Inertgasspuelung auf hoechstens 100 ppm eingestellt wird. Nach Aufheizen mit einer Geschwindigkeit von 200 bis 500 K/h, Halten bei 1 613 bis 1 653 K wird der Rohstahl mit einer Temperatur von 1 373 bis 1 443 K gewalzt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines umformbaren Automatenstahles mit definiertem Gefüge, der eine gute Warm-und Kaltumformbarkeit, z. B. beim Walzen, Pressen und Schmieden mit guten Zerspanungseigenschaften kombiniert. Dieser Werkstoff eignet sich besonders zur Herstellung von Preß- und Schmiedeerzeugnisse, die einer nachfolgenden spangebenden Bearbeitung und Oberflächenbehandlung unterzogen werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zum bekannten Stand der Technik gehören Herstellungsverfahren fürWeichautomatenstähle, d.h. niedriggekohlte Stähle mit spanbrechenden Phasen, wobei Art und Konzentrationsbereiche der Legierungselemente sehr vielfältig sind.

In jüngster Zeit wurden eigens dafür Legierungsverfahren entwickelt, bei denen vor allem aus umwelttechnischen Gründen vorzugsweise Bismut, Bor, Kalzium und Barium als Legierungselemente verwendet werden.

So beschreiben die DD — EB — 148962 und 158257 Legierungsverfahren, nach welchen durch Zugabe von Ferrobor in Stahlschmelzen ein halbberuhigt erstarrender, borlegierter Weichautomatenstahl erzeugt wird.

Aufgrund der in modernen Fertigungstechnologien häufigen Kombination von spanloser und spangebender Bearbeitung zeichnet sich in den letzten Jahren ein deutlicher Trend zur Entwicklung von umformbaren Automatenstählen ab, die sowohl guteZerspanungs- als auch gute Umformeigenschaften besitzen. Der Stand der Technik ist dadurch gekennzeichnet, daß zwar zahlreiche Legierungskombinationen und -konzentrationen für umformbare Automatenstähle, aber kaum Verfahrensschritte zur Herstellung derselben angegeben werden.

Beispielsweise beschreibt die DD—EB — 213453 einen bleifreien Automatenstahl mit verbesserter Umformbarkeit, welcher ein erhöhtes Mn/S-Verhältnis sowie Mikrolegierungsgehalte an Bor, Kalzium und/oder Barium enthält. Das Herstellungsverfahren zur Einstellung definierter Gefügeparameter und Gebrauchseigenschaften wird nicht erwähnt.

Verfahrensschritte zur Herstellung von Automatenstählen mit verbesserter Umformbarkeit enthalten lediglich die US— EB — 4279 646 und 4326886, die sich beide auf tellurlegierte Stähle mit zahlreichen weiteren Legierungselementen wie z. B. Pb, Ni, Cr, Al, Mo, V, Nb, Zr, Bi, Se beziehen. Dabei beschränken sich die unzureichenden Angaben auf die Erwärmung des Blockstahles bei 1 200 bis 1 400⁰C und die Endwalztemperatur von 1 000⁰C bzw. auf den Zugabezeitpunkt des Aluminiums sowie den Zugabeort für C, Si, Mn und S.

Die Nachteile der bekannten technischen Lösungen bestehen demzufolge darin, daß die in den vorliegenden Erfindungsbeschreibungen angegebenen Verfahrensschritte für eine Herstellung von umformbaren Automatenstählen völlig unzureichend sind und Angaben solcher eigenschaftsbildenden Gefügeparameter wie Volumenanteil der Sulfide und Oxide sowie Anzahl der zerspanungswirksamen Mangansulfide mit einem Durchmesser größer/gleich 10^m fehlen. Für die Eigenschaftsverbesserung werden häufig toxische oder teure Legierungselemente verwendet.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der ökonomischen und umweltfreundlichen Herstellung eines umformbaren Automatenstahles mit definiertem Gefüge, der in der Lage ist, einerseits die material-ökonomisch ungünstigen Al- bzw. Si-beruhigten Einsatzautomatenstähle abzulösen und andererseits die Arbeitsproduktivität in der spangebenden Fertigung im Vergleich zu konventionellen Konstruktionsstählen beträchtlich zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zug runde, durch Angabe konkreter metallurgischer Verfahrensschritte und -parameter zu einem Verfahren für die Herstellung eines umformbaren Automatenstahles mit definiertem Gefüge zu gelangen, der sowohl gute Zerspanungseigenschaften als auch ein verbessertes Umformverhalten besitzt. Dabei werden die Nachteile des Standes der Technik wie Verwendung toxischer und kostenaufwendiger Legierungselemente sowie unvollständige bzw. fehlende Angaben zu den zerspanungswirksamen Gefügeparametern und zur Herstellung umformbarer Automatenstähle durch die Erfindung beseitigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, daß eine Stahlschmelze auf einen definierten aktiven Sauerstoffgehalt gefrischt und dann in geeigneter Weise durch Zugabe bestimmter Mengen von Ferro-Mangan, Schwefel, Ferro-Bor und/oder einer Si-armen Kalziumlegierung desoxidiert und legiert wird. Nach Einstellung eines definierten Sauerstoffgehaltes und Homogenisierung der Stahlschmelze erfolgt bei einer bestimmten Badtemperatur das Vergießen. Der erstarrte Rohstahl wird in bestimmter Weise aufgeheizt und zu Vorblöcken und Knüppeln abgewalzt

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Stahl mit der Zusammensetzung 0,10 bis 0,25 Ma.-% Kohlenstoff,

höchstens 0,10 Ma.-% Silizium,

höchstens 2,00 Ma.-% Mangan,

höchstens 0,070 Ma.-% Phosphor,

0,100 bis 0,240 Ma.-% Schwefel,

höchstens 0,0040 Ma.-% Bor,

höchstens 0,0010 Ma.-% Kalzium,

höchstens 0,0020 Ma.-% Barium

und definierten Gefügeparametern für oxidische und sulfidische Einschlüsse wie Volumenanteil der Oxide und Sulfide sowie Index, Formfaktor, Anzahl und Durchmesser der Sulfide zur Sicherung einer guten Umformbarkeit bei gleichzeitig guter Zerspanbarkeit so hergestellt wird, daß eine Stahlschmelze nach dem Frischen einen aktiven Sauerstoffgehalt von 600 bis 850ppm bei einerTemperatur von 1 943 bis 1 973K aufweist, der durch anschließendes Desoxydieren und Legieren abgesenkt wird. Zu diesem Zweck werden bis zu 25kg Ferro-Mangan mit ca. 75 bis 80 Ma.-% Mangan und 7 Ma.-% Kohlenstoff je Tonne Stahl, bis zu 2,5 kg Schwefel je Tonne Stahl, bis zu 0,4 kg Ferro-Bor mit 15 bis 20 Ma.-% Bor und höchstens 8 Ma.-% Aluminium je Tonne Stahl und/oder bis zu 1 kg einer siliziumarmen Kalzium-Legierung je Tonne Stahl in die Pfanne oder das pfannenmetallurgische Aggregat legiert. Dabei besteht die Kalziumlegierung aus mindestens 18 Ma.-% Kalzium,

höchstens 1 Ma.-% Silizium,

höchstens 72 Ma.-% Aluminium,

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Es ist von wesentlicher Bedeutung, daß durch Verwendung Si-armer Legierungsmittel die Bildung abrasiver SiO₂-Einschlüsse vermieden wird, um die Zerspanbarkeit nicht zu verschlechtern. Der Einsatz Al-haltiger Legierungsmittel ist aufgrund der besseren Abscheidbarkeit der Ca-Aluminate und der Bor-Aluminate statthaft. Außerdem werden die Schmelztemperaturen und damit die Härte der Aluminate durch Anlagerung von Kalzium- und Boroxiden herabgesetzt, wodurch eine Reduzierung des Verschleißes der Schneidwerkzeuge erzielt wird. Eine günstige Lösung stellt auch die Zugabe von Si- und Al-armen Ca-Fe-Legierungen dar.

Zwecks Homogenisierung und Abscheidung oxidischer Einschlüsse erfolgt eine Spülgasbehandlung des Stahlbades in der Pfanne mittels Inertgas für eine Dauer von mindestens zwei Minuten. Nach Desoxydation, Legierungsmittelzugabe und Inertgasspülung muß ein aktiver Sauerstoffgehalt von höchstens lOOppm im Stahlbad eingestellt werden. Die Temperatur des Stahlbades soll vor Gießbeginn zwischen 1 813 und 1 843K liegen.

Der in Kokillen oder im Strang vergossene Rohstahl wird nach der Erstarrung mit einer Geschwindigkeit von 200 bis 600 K/h aufgeheizt und bei 1 613 bis 1 653Kfür die Dauer von 120 bis 240 Minuten gehalten. Danach wird der Rohstahl mit einer Endwalztemperatur von 1 373 bis 1 443 K auf Vorblock- oder Knüppelabmessungen für die Weiterverarbeitung zu Stabstahl ausgewalzt. .

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden.

In einem bodenblasenden Sauerstoffkonverter wird eine Eisenlegierung verblasen. Nach Umlegen des Konverters besitzt die Schmelze vor Zugabe der Legierungs- und Desoxydationsmittel die chemische Zusammensetzung 0,022 Ma.-% Kohlenstoff, 0,180 Ma.-% Mangan, 0,046 Ma.-% Phosphor, 0,020 Ma.-% Schwefel, 0,0850 Ma.-% aktiver Sauerstoff.

Die Stahlbadtemperatur beträgt 1963 K. Nach dem Abschlacken erfolgt eine Vordesoxydation im Konverter mit 12 kg Ferro-Mangan je Tonne Stahl. Beim Abstich werden in die Gießpfanne 11 kg Ferro-Mangan je Tonne Stahl, 1,8kg Schwefelblüte je Tonne Stahl, 0,25kg Ferro-Bor mit 15 bis 20 Ma.-% B je Tonne Stahl, 0,80 kg Kalzium-Aluminium mit 20 Ma.-% Ca und 70 Ma.-% Al je Tonne Stahl und 1,6 kg BaSO₄ je Tonne Stahl zugegeben. Anschließend erfolgt mit einem Schutzgas eine Spülgasbehandlung des Pfanneninhaltes für die Dauer von zwei Minuten. Das Stahlbad besitzt nun eine Temperatur von 1 823 K und folgende chemische Zusammensetzung:

0,14 Ma.-% Kohlenstoff, 0,023 Ma.-% Silizium, 1,45 Ma.-% Mangan, 0,054 Ma.-% Phosphor, 0,187 Ma.-% Schwefel, 0,0022 Ma.-% Bor, 0,0008 Ma.-% Kalzium, 0,0075 Ma.-% aktiver Sauerstoff.

Nach steigendem Vergießen in normalkonische Kokillen werden die Blöcke mit einer Geschwindigkeit von 250 K/h auf eine Temperatur von 1 633 K aufgeheizt, die 180 Minuten gehalten wird. Die walzfreien Blöcke werden bei einer Walztemperatur von 1403 K zu Vorblöcken ausgewalzt, aus denen Vierkantknüppel erzeugt werden.

DerErfolg des beschriebenen Herstellungsverfahrens wird anhand von Werkstoffuntersuchungen hinsichtlich Einschlußgefüge, mechanischen Eigenschaften und Zerspanbarkeit im Vergleich zum siliziumberuhigten Automatenstrahl 15 S 20 mit der chemischen Zusammensetzung 0,12 bis 0,18 Ma.-% Kohlenstoff, 0,10 bis 0,40 Ma.-% Silizium, 0,50 bis 0,90 Ma.-% Mangan, höchstens 0,070 Ma.-% Phosphor, 0,15 bis 0,25 Ma.-% Schwefel nach TGL 12529 nachgewiesen. Bei der Beschreibung der experimentellen Ergebnisse werden folgende Symbole bzw. Abkürzungen verwendet: A₅ Bruchdehnung (für Zugprobe mit Meßlänge = 5χ Durchmesser) in % D₅ mittlerer Durchmesser der Sulfide in μπ\ fs Formfaktor der Sulfide, entsprechend Verhältnis Längezu Durchmesser—dimensionslos I₅ Sulfidindex nach Stahl-Eisenprüfbild 1 570—dimensionslos KU 3 Schlagarbeit für Rundkerbprobe mitR = 3mminJ M₀ Drehmoment beim Bohren in Nm N₁₀ Anzahl derzerspanungswirksamen Sulfide mit einem Durchmesser größer/gleich ΙΟμ,ιτπηΓηιτΓ² m Anstieg der Sulfid-Kennlinie (entsprechend der Größenverteilung der Sulfide) in μ"¹ R_e Streckgrenze in MPa

R_m Zugfestigkeit in MPa

Z Brucheinschnürung in% Tabelle 1 enthält die mechanischen Eigenschaften, d.h. die Festigkeitseigenschaften des Zugversuches und die Schlagarbeit des Kerbschlagversuches sowie die Zerspanbarkeit, ausgedrückt durch das Drehmoment beim Bohren.

Tabelle 1: Ergebnisse des Zugversuches, des Kerbschlagversuches und der Zerspanbarkeitsprüfung mittels Drehmomentmessung nach Werkstandard: MHU-S

Eigenschaft/Kenngröße	15S20	umformbarer Automatenstrahl
(Dimension)	(Mittelwerte)	(Beispielcharge)
R₈(MPa)	242	297
R_m (MPa)	436	487
A₅(%)	28	31
Z(%)	52.	54
KU 3 (J)
bei 293 K	52	74
bei 273 K	48	54
bei 253 K	31	38
M₀(Nm)	2,14	1,99

Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Stahl weist eine günstigere Festigkeit, Zähigkeit und auch eine bessere Zerspanbarkeit als der Stahl 15 S 20 auf.

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, besitzt der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Stahl auch das bessere Einschlußgefüge.

Tabelle 2: Ergebnisse der quantitativen Gefügeanalyse

Gefügeparameter 15S20

(Dimension) (Mittelwerte)

u mform barer Automatenstahl (Beispielcharge)

D_s (/im)

N₁₀(mm"²) m(/nm~¹) Is(-)

1,89 2,25 1,8 · 0,29 265

3,38 1,84

0,20 209

Die bessere Zerspanbarkeit kann deutlich aus dem Vergleich der Gefügeparameter abgeleitet werden. Der kleinere Formfaktor wirkt sich auch günstig auf die Zähigkeit aus.

Für den nach dem erfindungsgemaßen Verfahren hergestellten umformbaren Automatenstahl mit definiertem Gefüge ergeben sich für die Gefügeparameter folgende Bereiche:

mittlerer Durchmesser der Sulfide D_s Index derSulfide I₅ Formfaktor der Sulfide f_s Anzahl der Sulfide mit einem Durchmesser größer/gleich 10μΓΠ N₁₀ Volumenanteil der Sulfide V_s Volumenanteil der Oxide V_Ov

1,5 bis 5,0 höchstens 250 höchstens 3,0

1 bis15mm~² 0,40 bis 1,20 Vol. -% höchstens 0,150 Vol.-%

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Herstellung eines umformbaren Automatenstahles mit definiertem Gefüge mit der chemischen Zusammensetzung

0,10 bis 0,25 Ma.-% Kohlenstoff, höchstens 0,10 Ma.-% Silizium, höchstens 2,00 Ma.-% Mangan, höchstens 0,070 Ma.-% Phosphor, 0,100 bis 0,240 Ma.-% Schwefel, höchstens 0,0040 Ma.-% Bor, höchstens 0,0010 Ma.-% Kalzium, höchstens 0,0020 Ma.-% Barium

und definierten Gefügeparametern für Volumenanteil der Oxide und Sulfide sowie Index, Formfaktor, Anzahl und Durchmesser der Sulfide, gekennzeichnet dadurch, daß zur Sicherung einer guten Umformbarkeit bei gleichzeitig guter Zerspanbarkeit eine Stahlschmelze nach dem Frischen einen aktiven Sauerstoffgehalt von 600 bis850ppm bei einer Temperatur von 1 943 bis 1 973 K aufweist, der durch anschließende Desoxydieren und Legieren abgesenkt werden.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zum Legieren und Desoxydieren

höchstens 25,0 kg Ferromangan je Tonne Stahl höchstens 2,5 kg Schwefel je Tonne Stahl höchstens 0,4kg Ferrober je Tonne Stahl, und

höchstens 1,0kg einer siliziumarmen Kalziumlegierung je Tonne Stahl in die Pfanne oder das pfannenmetallurgische Aggregat zugegeben werden.
3. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine Ferromanganlegierung mit

mindestens 70 Ma.-% Mangan, höchstens 8 Ma.-% Kohlenstoff,

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen verwendet wird.
4. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine Ferroborlegierung mit

15bis20Ma.-%Bor, höchstens 8 Ma.-% Aluminium, höchstens 1 Ma.-% Silizium,

Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen verwendet wird.
5. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß eine siliziumarme Kalziumlegierung mit

mindestens 18 Ma.-% Kalzium, höchstens 1 Ma.-% Silizium, höchstens 72 Ma.-% Aluminium, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen verwendet wird.
6. Verfahren nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß durch Spülen des Stahlbades in der Pfanne oder dem pfannenmetallurgischen Aggregat mit Inertgas für die Dauer von mindestens zwei Minuten ein aktiver Sauerstoffgehalt von höchstens 100 ppm bei einer Temperatur von 1 813 bis 1 843 K eingestellt wird.
7. Verfahren nach Punkt T bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Rohstahl nach der Erstarrung mit einer Geschwindigkeit von 200 bis 600 K/h aufgeheizt und bei einer Temperatur von 1 613 und 1 653 Kfür die Dauer von 120 bis 240 Minuten gehalten wird.
8. Verfahren nach Punkt 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Rohstahl mit einer Endwalztemperatur von 1 373 bis 1443 K ausgewalzt wird.