DD244269A3

DD244269A3 - Verfahren zur herstellung bismutlegierter automatenstaehle mit definiertem gefuege

Info

Publication number: DD244269A3
Application number: DD26519284A
Authority: DD
Inventors: Werner Voigt; Burkhard Reh; Walter Schultz; Ulrich Finger; Kurt Kuehnl
Original assignee: Maxhuette Unterwellenborn
Priority date: 1984-07-12
Filing date: 1984-07-12
Publication date: 1987-04-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung bismutlegierter Automatenstaehle mit besonderem Gefuege. Die erfindungsgemaess erzeugten Staehle dienen in der spangebenden Fertigung der metallverarbeitenden Industrie zur effektiven Herstellung von Praezisionsdrehteilen auf automatischen Werkzeugmaschinen. Es ist das Ziel der Erfindung, durch Anwendung spezieller Verfahrensschritte die Zerspanbarkeit von Mangan-Schwefel-legierten Automatenstaehlen so zu verbessern, dass gegenueber bleilegierten Automatenstaehlen gleiche bzw. guenstigere Zerspanungseigenschaften erreicht werden. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass durch spezielle Zugabe einer kostenguenstigen Bismutlegierung zu Mangan-Schwefel-legierten Automatenstaehlen bei Einhaltung weiterer Verfahrensparameter wie Koernung, Zugabemenge, Zugabegeschwindigkeit und Giesstemperatur im beanspruchten Bereich definierte Gefuegeparameter erhalten werden, die wiederum eine ausgezeichnete Zerspanbarkeit garantieren.

Description

wobei die Zugabe des Bismuts in Form von Granalien erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß für die Bismutzugabe eine Bismutlegierung mit ^;

90 bis 99 Ma.-% Bismut Ibis 7 Ma.-%Blei Obis 3 Ma.-%Zinn Rest herstellungsbedingte Verunreinigungen

verwendet wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Produkt aus Bismutgehait in Ma.-% und aktivem Sauerstoffgehalt in Ma.-% im Stahlbad beim Vergießen zwischen 0,0010 und 0,0040 eingestellt wird.

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß im Stahlbad zum Zeitpunkt des Legierens eine Temperatur zwischen 1830 und 1853 K, vorzugsweise zwischen 1833 und 1843 K eingestellt wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung bismutlegierter Automatenstähle mit definiertem Gefüge, welche in der spangebenden Fertigung der metallverarbeitenden Industrie zur effektiven Herstellung von Präzisionsdrehteilen Verwendung finden. Es handelt sich um bleifreie Stähle, die zwecks besserer Zerspanbarkeit insbesondere mit Schwefel und Bismut legiert sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Seit Jahrzehnten werden zur Verbesserung der Zerspanbarkeit von Stählen spezielle Legierungselemente verwendet. Außer Schwefel, der als grundlegendes Legierungselement in allen Automatenstählen vorhanden ist, finden sogenannte Sonderspanbrecherelemente wie Blei, Selen und Tellur Verwendung. Dabei wurden die in den dreißiger Jahren entwickelten bleilegierten Automatenstähle in den fünfziger und sechziger Jahren durch Zusätze von Tellur oder Selen in ihren Zerspanungseigenschaften weiter verbessert.

In Japan konnten mit der Legierungskombination Blei-Kalzium vor allem bei Vergütungsstählen durch Einformung der spanbrechenden Mangansulfid-Einschlüsse sowie Bildung verschleißhemmender Komplexoxide günstige Ergebnisse erzielt werden. Alle bisher genannten Stähle'besitzen den Nachteil, daß die Elemente Blei, Tellur und Selen außerordentlich,toxisch wirken. Aufgrund der zunehmend verschärften Forderungen der meisten Industriestaaten bezüglich Umweltschutz und Arbeitssicherheit wurden in den letzten Jahren zahlreiche Entwicklungsarbeiten zur Ablösung der Blei-, Tellur-und Selen-Stähle, bei deren Herstellung giftige Stoffe entstehen, durchgeführt. Dabei erreichte man mit der Entwicklung von borlegierten Automatenstählen in der DDR erste Erfolge. Diese Stähle besitzen den großen Vorteil, daß bei ihrer Produktion keine toxischen Stoffe freigesetzt werden. Allerdings erreichen borlegierte Automatenstähle nur bei Außenzerspanung die Zerspanungseigenschaften bleilegierter Automatenstähle.

Aufbauend auf der zerspanungsfördernden Wirkung von Bismut; die bereits 1944 Gregg in der US-PS 2378548 bei Automatenstählen beschrieben hat, wurden gemäß EP-EB 0027165, 0027510,0045815, US-PS 4236939,4247326,4255187 und 4255188 in den Jahren 1980/81 eine Reihe Patente angemeldet, die sich eingehend mit Bismut-Stählen befassen. Diese Stähle enthalten: 0,06 bis 1,0 Ma.-% Kohlenstoff, 0,3 bis 1,6 Ma.-% Mangan, maximal 0,3 Ma.-% Silizium, 0,03 bis 0,50 Ma.-% Schwefel, maximal 0,12Ma.-% Phosphor sowie 0,05 bis 0,40Ma.-% Bismut.

Zur weiteren Verbesserung der Zerspanbarkeit können noch bis zu 0,3 Ma.-% Blei und bis zu 0,06 Ma.-% Tellur legiert werden. Die elementaren Bi-Einschlüsse haben eine mittlere Größe kleiner als 5μηι.

In der US-PS 4255188 wird zusätzlich noch beschrieben, daß diese Stähle Sulfideinschlüsse zwischen 2 und 10/um Größe mit einem Teilchenabstand bis zu ΙΟΟμ,ηη enthalten.

Die US-PS 3973950 behandelt einen kalziumlegierten Automatenstahl mit weiteren Legierungs-und Spurenelementen wie Pb, Te, Bi, Sn, Zn, As und Te sowie definierten Gehalten an Oxideinschlüssen (100 bis 500g/t), die bei Temperaturen unter 1400 Grad C erweichen.

Die chemische Zusammensetzung von bismutlegierten Stählen mit zusätzlichen Gehalten an Bor, Kalzium, Barium, Magnesium und Strontium wird darüber hinaus in der DD-PS 225598 beschrieben. Die Gefügeparameter von gewalztem tellurlegiertem Automatenstahl sind in dem französischen Patent FR-EB 2445388 geschützt. Dabei handelt es sich um Mangansulfide mit einer Länge von 5 bis ΙΟΟμηπ, einem Durchmesser von 1 bis 10>m, einem Formfaktor (Verhältnis von Länge zu Dicke der Mangansulfide) unter 10 und einer Teilchenanzahl von 20 bis 200 je mm² (Querschliff). Diese,den Stand der Technik kennzeichnenden Erfindungsbeschreibungen weisen die folgenden Mängel auf:

Verwendung toxischer Legierungselemente mit Ausnahme der DD-PS 225598, keine Angabe des spezifischen Bismutzusatzes und der Zugabegeschwindigkeit, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen, keine Angaben zu den wesentlichen Wechselwirkungen zwischen Bismut und der Mangansulfidausbildung, keine Angaben zu den Verfahrensschritten zur Einstellung definierter Werte der zerspanungswirksamen Gefügeparameter:

Volumenanteil der Oxide, Formfaktor der Mangansulfide, Anzahl der Mangansulfide mit einer Größe größer/gleich 10/xm bei bismutlegierten Stählen,

keine Hinweise auf die Raffinationswirkung von Bismut (Erhöhung des Reinheitsgrades), keine bzw. abweichende Angaben zu den Stahlbadtemperaturen, die eine gute Verteilung von Bismut ermöglichen, abweichende Angaben zu der mittleren Größe der Bi-Einschlüsse,

keine Angaben zur Relation von Bismutgehalt und aktivem Sauerstoffgehalt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zu vermeiden und durch Angabe von Verfahrensparametern wie Zugabe einer spezieilen kostengünstigen Bismutlegierung in geeigneter Körnung und Menge sowie eine geeignete Temperaturführung die Gebrauchseigenschaften von Mn/S-Iegierten Automatenstählen so zu verbessern, daß gegenüber den bleilegierten Automatenstählen gleiche bzw. günstigere Zerspanungseigenschaften bei effektiver Herstellbarkeit erreicht werden. Das wird durch Einstellung definierter Gefügeparameter in einem eingeschränkten Bereich realisiert, wodurch die Zerspanbarkeit und das Ausbringen an rißfreiem Walzgut verbessert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch ein besonderes Herstellungsverfahren unter Verwendung von Bi-Legierungen, die gut verfügbar, kostengünstig und leicht handhabbar sind, die Zerspanbarkeit von Mn/S-Iegierten Automatenstählen mit der Basiszusammensetzung

0,05 bis 0,70 Ma.-% Kohlenstoff

höchstens 0,60 Ma.-% Silizium

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

höchstens 0,11 Ma.-% Phosphor

0,03 bis 0,45 Ma.-% Schwefel

0,03 bis 0,30 Ma.-% Bismut

Obis 0,0100 Ma.-% Barium

0 bis 0,0100 Ma.-% Kalzium

0bis0,0100 Ma.-%Bor

0 bis 0,0100 Ma.-% Magnesium

0bis0,0100 Ma.-% Strontium

zu verbessern. Dabei soll mindestens dasZerspanbarkeitsniveau von bleilegierten Automatenstählen erreicht werden, um diese gebrauchswertgleich durch arbeitshygienisch günstigere Legierungsvarianten abzulösen. Darüber hinaus muß eine effektive Produktion im Stahl-und Walzwerk gesichert sein.

Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe dadurch gelöst, daß Mangan-Schwefel-legierte Automatenstähle in geeigneter Weise mit Bismut legiert werden, um zur Sicherung einer ausgezeichneten Zerspanbarkeit definierte Gefügeparameter für oxidische, sulfidische und metallische Einschlüsse einzustellen.

Dabei wird das Bismut als kostengünstige Bi-Legierung mit 90 bis99Ma.-% Bi, 1 bis7Ma.-%Pbund O bis3Ma.-%Sn, Rest herstellungsbedingte Verunreinigungen in Form von Granalien mit einem Durchmesser von 2 bis 4mm und einer Länge von 2 bis 5 mm in einer Menge von 1,0 bis 5,0 kg/t dem flüssigen Stahl in der Pfanne, dem Gießstrahl in die Kokille, dem Gießstrahl in den Trichter und/oder dem flüssigen Stahl im Verteilergefäß (Kaltverteiler) zugesetzt. Arbeitshygienische Messungen haben ergeben, daß der in der Bismutsonderlegierung vorhandene Bleianteil zu keinen Problemen führt. Die Zugabegeschwindigkeit beträgt 4 bis 12kg/min. Um eine möglichst homogene Verteilung des Bismuts und eine gute globularisierende Wirkung zu erzielen, muß der flüssige Stahl zum Zeitpunkt der Bismutzugabe eine Badtemperatur von 1830 bis 1853 K, vorzugsweise 1833 bis 1843 K, aufweisen. Diese eigenen Feststellungen bestätigen nicht die Angaben zur Gießtemperatur in den US-PS 4247326, 4255187 und 4255188. Neben der Globularisierung der Mangansulfide—ausgedrückt durch die Herabsetzung des Formfaktors — infolge der niedrigen freien Oberflächenenergie des Bismuts bewirkt der Spüleffekt des im flüssigen Stahl verdampfenden Bi-Anteils (35 bis 40Ma.-%) eine Raffination des Stahles. Die Gasblasen fördern insbesondere die Abscheidung der unerwünschten, abrasiven Oxideinschlüsse. Durch die globularisierende Wirkung von Bismut kann darüber hinaus auch der Sauerstoffgehalt auf geringere Konzentrationen als üblich begrenzt werden. Das Produkt aus Bismutgehalt (in Ma.-%) und . aktivem Sauerstoffgehalt (in Ma.-%) beim Vergießen soll zur Sicherung einer guten Zerspanbarkeit zwischen 0,001 und 0,004 liegen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.

Nach Erblasen einer Automatenstahlcharge in einem bodenblasenden Sauerstoffkonverter wird diese in eine Stahlpfanne abgestochen. Das Stahlbad besitzt nach Zugabe von Ferro-Mangan und Schwefel die folgende Analyse:

0,12 Ma.-% Kohlenstoff

0,010 Ma.-% Silizium

1,15 Ma.-% Mangan

0,065 Ma.-% Phosphor

0,273 Ma.-% Schwefel

Rest Eisen und herstellungsbedingte Spurenelemente.

Die Messung der Stahlbadtemperatur ergibt 1833 K. Der Gehalt an aktivem Sauerstoff beträgt unmittelbar vor dem Gießen 180 ppm. Danach werden nach einer Angießzeit von 10s 6kg Granulat mit 3mm Korndurchmesser und einer Länge von maximal 4,5 mm einer Legierung, bestehend aus 95Ma.-% Bi, 4Ma.-% Pb und 1 Ma.-% Sn mit einer Geschwindigkeit von 6 kg/min in den Gießstrahl beim fallenden Gießen zugegeben. Nach Auswalzen des Blockstahles zu Vierkantknüppeln werden repräsentative Proben untersucht, um den Erfolg der Herstellungstechnologie anhand von Messungen der Zerspanbarkeitsprüfwerte und der Gefügeparameter sowie der Bismut-Stückanalyse nachzuweisen. Letztere ergab im MittelO,12Ma.-%Bi. Bei der Beschreibung der experimentellen Ergebnisse werden folgende Symbole bzw. Abkürzungen verwendet:

Md gleich Drehmoment beim Bohren in Nm

Vol.-% gleich Volumenprozent

V_0x gleich Volumenanteil der Oxide in Vol.-%

Ν™ gleich Anzahl derzerspanungswirksamen Mangansulfide mit einem Durchmesser größer/gleich 10μΐη

pro mm²

f_s gleich Formfaktor entsprechend Verhältnis Länge zu Durchmesser der Mangansulf ide—dimensionslos

Tabelle 1 zeigt, daß der erfindungsgemäße Stahl gegenüber bleilegiertem Stahl ein niedrigeres Drehmoment beim Bohren aufweist. Das ist auf die günstigeren Gefügeparameter zurückzuführen.

Aus Tabelle 2 geht hervor, daß für den Volumenanteil der Oxide V_0x und den Formfaktor der Sulfide f_s niedrigere und für die Anzahl der zerspanungswirksamen Sulfide Ni₀ höhere Werte als bei bleilegiertem und bleifreiem Basis-Automatenstahl 9 SMn 28 gemessen werden.

Tabelle 1: Ergebnisse derZerspanbarkeitsprüfung mittels Drehmoment-Messung beim Bohren nach MHU-Standard 149 Stahlmarke Bemerkung M₀(Nm)

9 SMnBi 28	Beispielcharge mit 0,12 Ma.-% Bi	Bemerkung	V_0x	Νιο	1,44
9 SMnPb 28	Stahlmarkenmittelwert		(VoL-%)	mm ²)	1,57
Tabelle 2: Ergebnisse der quantitativen Gefügeanalyse	Beispielcharge mit 0,12 Ma.-% Bi	0,016	5,6 ±
Stahlmarke			0,5	f_s
	Stahlmarkenmittelwert	0,044 ±	4,2 ±	(-)
9 SMnBi 28		0,012	0,7	1,51
	Stahlmarkenmittelwert	0,078 ±	4,8 ±
9SMnPb28		0,020	0,6	1,91 ±
			0,12
9 SMn 28			1,78 ±
			0,16

Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten bismutlegierten Automatenstählen mit besonderem Gefüge gelten für die Gefügeparameter folgende Bereiche:

Volumenanteil der Oxide höchstens 0,05Vol.-%,

Formfaktor der Mangansulfide höchstens 2,0,

Anzahl der besonders zerspanungswirksamen Mangansulfide mit einem Durchmesser größer/gleich 10μηη von 5 bis 20 je mm², mittlerer Durchmesser der elementaren Bismuteinschlüsse 5,5 bis 10μ.ιη.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung bismutlegierter Automatenstähle mit definiertem Gefüge mit der chemischen Zusammensetzung:

0,05 bis 0,70 Ma.-% Kohlenstoff
höchstensO,6O Ma. -% Silizium
0,30 bis 2,00 Ma.-% Mangan
höchstens 0,11 Ma.-% Phosphor
. 0,03 bis 0,45 Ma.-% Schwefel
0,03 bis 0,30 Ma.-% Bismut
0 bis0,0100 Ma.-% Barium
0 bis0,0100 Ma.-% Kalzium
0 bis 0,0100 Ma.-%Bor
0 bis 0,0100 Ma.-% Magnesium
0 bis 0,0100 Ma.-% Strontium
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen,