DD265530A3

DD265530A3 - Verfahren zur herstellung eines umformbaren automatenstahles mit definiertem gefuege

Info

Publication number: DD265530A3
Application number: DD29967485A
Authority: DD
Inventors: Burkhard Reh; Werner Voigt; Klaus Priesnitz
Original assignee: Maxhuette Unterwellenborn Bfn
Priority date: 1985-06-13
Filing date: 1985-06-13
Publication date: 1989-03-08

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 materialoekonomisch 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 25 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 600 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

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 bis 850 ppm bei eine: Temperatur von 1943 bis 1973 K aufweist, der durch anschließendes Desoxydieren, Legieren und Inertgasspülen abgesenkt wir' und der gegossene Rohstahl aufgeheizt und ausgewalzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zu'n Legieren und Desoxydieren

höchstens 25,0kg Ferromangan je Tonne Stahl

höchstens 2,5 kg Schwefel je Tonne Stahl

höchstens 0,4kg Ferrobor je Tonne Stahl und

höchstens 1,0 kg einer siliziumarmen Kalziumlegierung je Tonne Stahl

in die Pfanne oder das pfannenmetallurgische Aggregat zugegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, 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 1813 bis 1843K eingestellt und eine die Znrspanung fördernde Kalzium-Aluminatabscheidung herbeigeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Rohstahl nach der Erstarrung mit einer Geschwindigkeit von 200 bis 600K/h aufgeheizt und bei einer Temperatur von 1613 bis 1653 K für die Dauer von 120 bis 240 Minuten gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Rohatahl mit einer Endwaiztemperatur von 1373 bis 1443 K ausgewalzt wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfa!;:er zur Herst* <ung eines umformbaren Automatenstahles mit definiertem Gefüge, der eine gute Warm- und Kaltumformbarkeit, z.B. beim V. alien, Pressen und Schmieden mit guten Zerspanungseigenschaften kombiniert. Dieser Werkstoff eignet sich besondere zur Herstellung von Preß· und Schmiedeerzeugnissen, die einer nachfolgenden spangebenden Bearbeitung und Oberflachenbehandlung unterzogen werden.

Charakterlr*!x des bekannten Standes der Technik Zum bekannten Stand der Technik gehören Herstellungsverfahren für Weichautomater ,rtähle, d. h. niedriggekohlte StIhIe mit

spanbrechenden Phasen, wobei Art und iKonzentratlonsberelche der Legierungselemente sehr vielfältig sind.

In jüngster Zeit wurden eigens dafür Legierungsverfahren entwickelt, bei denen vor allem aus umwtlttechnischen Gründen

vorzugsweise Blornut, Bor, Kalzium und Barium als Legierungselemente verwendet werden.

So beschreiben die DDEB-143962 und 158257 Leglerungsverfahrt t, nach welchen durch Zugabe von Ferrobor 'n Stahlschmelzen ein halbberuhigt estat -lder, borlegierter Weichautomatenstahl erzeugt wird. Aufgrund der in modernen Fertigungstec.inologien heutigen Kombination von spanloser und spangebender Bearbeitung

zeichnet. ich in den letzten Jahren ein deutlicher Trend zur Entwicklung von umformbaren Automatenstählen ab, die sowohlgute Zeik >anungs- als auch gute 'Jmformeigenschaften besitzen. Der Stand der Technik ist dadurch gekennzeichnet, daß zwarzahlreich, legierungskombineilonen und -konzentration™ tür umformbare Automatenstahl, aber kaum Verfahrens;,ohritte zur

Herstellung derselben angegeben werden.

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

Verfahrensschritte zur Herstellung von Automatenstählen mit verbesserter Umformbarkeit enthalten lediglich die UScB-4 279646 und 4326886, die sich beide auf tellurlegierte SiShIs mit zahlreichen weiteren Legierungselementen wie z. 8. Pb, Ni, Cr, Al, Mo, V, Nb, Zr, Bi, Se beziehen. Dabei beschränken sich die unzureichenden Zugaben auf die Erwärmung des Blockstehle? bei 1200 bis 1400°C und die Endwalztemperatur von 1000⁰C bzw. auf den Zugabezeitpunkt des Aluminiums sowie den Zugabeort für C. SI, Mn und S.

Die Nachteile der bek inten technischen Lösungen bestehen demzufolge darin, daß die in den vorliegenden Erfindungsboschreil ringen 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 10prn 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 Gefü(;e, der In der Lage ist, einerseits die materialökonomisch ungünstigen Al- bzw. Si-beruhigten Einsatzauiomatenstähla abzulösen und andererseits die Arbeitsproduktivität in der spangebenden Fertigung im Vergleich zu konventionellen KonstruktionsstKhlen beträchtlich zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Angabe konkreter metallurgischer Verfahrensschritte und -parameter zu einem Verfahren für die Herstellung pines umformbaren Automatenstahles mit definiertem Gefüge zu gelangen, der sowohl gute Zerspnnungseigenschaften aU auch ein verbessertes Umforrnverhalten besitzt. Dabei werden die Nachteile des Stnndes der Technik w'e Verwendung toxischer und kostenaufwendiger Legierungeelemente sowie unvollständige bzw. fahlende Angaben zu den zerepanungswirksamen Gefügeparametern und aur Herstellung umformbarer Automatenstähle durch die Erfindung beseitigt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Stahlschmelze auf einen definierten aktiven Sauerstoffgehalt gefrischt und dann in geeigneter Weise durch Zugabe bestimmter Mengen von Ferromangan, Schwefel, Ferrobor und/oder einer siliziumarmen Kalziumlogierung desoxvdiert und legiert wird. Nach Einstellung eines definierten Sauerstoffgehaltes durch Inertgasspülung der s.ahlschmebe erfolgt bei einer bestimmten Badte-operatur das Vergießen. Danach wird dir vergossene Rohstahl aufgeheizt und ausgewalzt

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß ein Stahl mit der Zusammensetzung

0.10 bis 0,25Ma.-% Kohlenstoff, höchstens 0,30Ma.-% Silizium, höchstens 2,00Ma.·% Mangan, höchstens 0,070 Ma.-% Phosphor, 0,100 bis 0,240Ma.-% Schwefel, höchstens 0,0040 Ma.-% Bor, höchstens 0,0010Ma.-% Kalzium, höchstens 0,0020 Ma.-% Barium

und definierten Gefügeparametern für oxidische und sulfidische Einschiebe wie Volumenan'.eil der Oxide und Sulfid« sowie Index, Formfaktor, Anzahl und Durchmesse:' der Sulfide zur Sicherung e> er guten Umformbarkeit bei gleichzeitig guter Zerspanbarkeit so hergestellt wird, daß eine Stahlschmelze nach dem Frischen einen aktiven Sauerstoffgehalt von 600 bis 8B0ppm bfti einer Temperatur von 1043 bis 1973 K aufweist, der durch anschließendes Desoxydieren, Legieren und Inertgasspülen abgesenkt wird.

Zu diesem Zweck werden bis zu 26kg Ferromangcn mit etwa 76 bis 80Ma.-% Mangen und 7Ma.-% Kohlenstoff je Tonne Stahl, bis zu 2,5 kg Schwefel > Tonne Stahl, bis zu 0,4kg Ferrobor mit 15 bis 20Ma.-% Bor und höchstens 8Ma.-% Aluminium jeTonne Stahl und/oder bis zu 1 kg einer siliziumarmen Kalziumlegierung Je Tonne Stahl in die Pfanne oder das pfannenmetallurgisrhe Aggregat legiert.

Dabei besteht die Kalziumlegierung aus

mindestens 18Ma.-% 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 SiO₁-EInSChIuSSe vermieden wird, um die Zerspanbarkeit nicht zu verschlechtern. Der Einsatz Al-haltiger Legierungsmittel ist aufgrund der besseren Abscheidbarkelt 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 stallt auch die Zugabe von Si- unc' Al-armen Ca-Fe-Legierungen der.

Zwecks Homogenisierung und Abscheidung oxidischer Einschlüsse erfolgt eine Spülgasbehandlung des Stehlbades in der Pfanne mittels Inertgas für eine Dauer von mindestens zwei Minuten. Nach Desoxydation, Legierungsmittelzugabe und Inertgasspülung muß ein aktiver Sauerstoffgehalt von höchstens 100ppm im Stahlbad eingestellt werden. Die Temperatur des Stahlbades soll vor Gießbeginn zwischen 1813 und 1843K liegen.

Der in Kokillen im Strang vergossene Rohstahl wird nach der Erstarrung mit einer Geschwindigkeit von 200 bis 600 K/h aufgeheizt und bei 1613 bis 16S3K für die Dauer von 170 bis 240 Minuten gehalten. Danach wird der Rohstahl mit einer Endwalztemperatur von 1373 bis 1443K auf Vorblock· oder Knüppelabmessungen für die Weiterverarbeitung zu Stabstahl ausgewalzt.

AusfOhrungsbelspiel Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispielos erläutert werden. In einem bodenblasenden Sauerstoffkonverter wird eine Eisenlegierung verblasen. Nach Umlegen des Konverters besitzt die Schmelzevor Zugabe der Legierungs- und Desuxydationsmittol die chemische Zusammensetzung

0,022 Ma.-% Kohlenstoff, 0,180Ma.-% Mangan, 0,046Ma.-% Phosphor, 0,020 Ma.-% Schwefel, 0,0850 Ma.-% aktiver Sauerstoff.

Die Stehlbadtemperatur beträgt 1963 K. Beim Abstich werden in die Gießpfanne 21 kg Ferromangan je Tonne Stahl, 1,8 kg Schwefelblüte je Tonne Stahl, 0,29 kg Ferrobor

mit 15 bis 20Ma.-% B je Tonne Stahl, 0,80kg Kalzium-Aluminium mit 20Ma.-% Ca und 70Ma.-% Al jo Tonne Stahl und 1,6kg

BaSO₄ je Tonne Stahl zugegoben. Anschließend erfolgt mit einem Schutzgas eine Spülgasbehandlung des Pfanneninhaltes für

die Dauer von zwei Minuten.

Das Stahlbad besitzt nun eine Temperatur von 1823K und folgende chemische Zusammensetzung:

0,14 Wla.-% Kohlenstoff, 0,023 Ma.-% Silizium. 1,46 Ma.-% Mangan, 0,054 Ma.-% Phosphor, 0,187 Ma.-% Schwefel, 0,0022 Ma.-% Bor, 0,0008 Ma.-% Kalzium, 0,0075Ma.-% aktiver Sauerstoff.

Nach steigendem Vergießen in normalkonische Kokillen werden die Blöcke mit einer Geschwindigkeit von 250K/h auf eine Temperatur von 1633 K aufgeheizt, die 180 Minuten gehalten wird. Die walzreifen Blöcke werden bei einer Walztemperatur von

1403K zu Vcrblocken ausgewalzt, aus denen Vierkantknüppel erzeugt werden.

Der Erfolg des beschriebenen Herstellungsverfahrens wird anhand von Werkstoffuntersuchungen hinsichtlich Elnschlußgefüge,

mechanischen Eigenschaften und Zerspanbarkeit im Vergleich zum siliziumberuhigten Automatenstahl 15S20 mit derchemischen Zusammensetzung 0,12 bis 0,18Ma.-% Kohlenstoff, 0,10 bis 0,40Ma.-% Silizium, 0,50 bis 0,90Ma.-% Mangan,höchstens 0,070 Ma.-% Phosphor, 0,: 5 bis 0,25 Ma.-% Schwefel nach TGL12 529 nochgewiesen.

Bei der Beschreibung der experimentellen Ergebnisse werden folgende Symbole bzw. Abkürzungen verrendet: As Bruchdehnung (für Zugprobe mit MePlänge» 6 χ Durchmesser) in % D, mittlerer Durchmesser der Sulfide in pm

f, Formfaktor der Sulfide, entsprechend Verhältnis LSnge zu Durchmesser—dimensionslos

I₁ Sulfidindex nach Stahl-Eisenprüfblatt 1570—dimensionslos KU3 Schlagarbeit für Ri indkerbprobe mit R - Z mm In J Mo Drehmoment bein ι Bohren in Nm

Ν» Anzahl derze^rspa»iungewlrksamen Sulfide mit einem Durchmesser größer/gleich lOpminrnm''

m Anstieg der Sulfid-Kennlinie (entsprechend der Größenverteilung der Sulfids) in pm*'

R, Streckgrenze in MPa R_n, Zugfestigkeit in MPa Z Bruchelnschnüri tiglni«

Tabelle 1 enthält die mechanischen Eigenschafen, d. ii. die Festigkeitseigenschaften des Zugversuches und die Schlagarbeit des Kerbschlagversuche· sowie die Zerspanbarkeit, auegedrückt durch das Drehmoment beim Bohren.

Tabelle 1: Ergebnisse des Zugversuches, des Kerbschlagversuches und der Zerapanbarkeitsprüfung mittels Drehmomentmessung nach Werkstandard: MHU-S149

Eigenschaft/Kenngröße	15 S 20	umformbarer Automatenstahl
(Dimension)	(Mittelwerte)	(Beispialcharge)
R. (MPa)	242	297
Rm(MF¹B?	436	487
A₆(¹X.)	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 erfindunpsgamäßen Verfahren hergestellte Stahl weist eine günstigere Festigkeit, Zähigkeit und auch aine

bessoro Zerspanbarkeit als der Stahl 15S20 auf.

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, besitzt der nach dem ei findungsgemBßen Veifahren hergestellte Stahl auch das bet lore Einnchlußgefüge. Tabelle 2: Ergebnisse der quantitativen Gefügeanalyse

Gefügepnrameter	15S20	umformbarer Automatenstahl
(Dimension)	(Mittelwerte)	(Beispielcharge)
D, (pm)	1,89	3,38
f.(-)	2,25	1,84
Nio(mm'^!)	1,8	6,2
ηι(μπΓ')	0,29	0,20
!.(-)	265	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 erfindungsgemSßen Verfahren hergestellten umformbaren Automatenstahl mit definiertem Gefüge ergeben sich für die Gefügeparameter folgende Bereiche:

mittlerer Durchmesser der Sulfide D, 1,5 bis 5,0 \xm

Index der Sulfide I, höchstens 250

Formfaktor der Sulfide f, höchstens 3,0 Anzahl der Sulfide mit einem Durchmesser

größer/gleich 10pm Νιο 1bl&15mm~^?

Volumenanteil der Sulfide V₁ ü,40 bis 1,20 VoL % Volumenanteil der Oxide V₀, höchstens 0,1 SO VcI.-%

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines umformbaren Automatenstahl«^ mit definiertem Gefüge mi' der chemischen Zusammensetzung

0,10 bis 0,25Ma.-% Kohlenstoff,
höchstens 0,30Ma.-% Silizium,
höchstens 2,00 Ma.·% Mangan,
höchstens 0,070 Ma.-% Phosphor,
0,100 bis 0,240 Ma.-% Schwefel,
höchstens 0,0040 M a.-% Bor,
höchstens 0,0010Ma.-% Kalzium,
höchstens 0,0020 Ma.-% Barium