DD270927A1 - Verfahren zur herstellung einsatzstaehle mit verbesserter zerspanbarkeit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein spezielles technologisches Verfahren zur Herstellung von Einsatzstaehlen mit verbesserten Zerspanungseigenschaften bei gleichzeitiger Eignung fuer die Hochtemperaturaufkohlung. Die Aufgabe bestand darin, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem durch die besondere Art der Schwefelzugabe die Sulfidausbildung im Stahl so fein und gleichmaessig verteilt ist, dass die Sulfidphasen bei den angewendeten Aufkohlungstemperaturen gleichzeitig als Kornwachstumshemmer wirksam werden. Geloest wird die Aufgabe dadurch, dass ein Stahl, - im Ausfuehrungsbeispiel wurde der Effekt an einem C 45 nachgewiesen -, im Ofen stark entschwefelt, bereits vor dem Abstich ausreichend desoxidiert (moeglichst 0,01% S) und beim Abstich in die Pfanne ein hochschmelzendes Sulfid in geringen Mengen und fein verteilt zugesetzt wird. Danach erfolgt die Zugabe des eigentlichen Schwefeltraegers MnS in geeigneter Form bis zum gewuenschten Analysenwert. Wesentlich dabei ist, dass das als Kristallisationskeime zugesetzte hochschmelzende Sulfid die gleiche Gitterstruktur und aehnliche Gitterparameter wie MnS hat. Das ist z. B. bei BaS u. o. SrS der Fall. Da MnS bei den Abstichtemperaturen des Stahles noch fluessig ist, scheidet es sich bei Abkuehlung des fluessigen Stahls bevorzugt an den Kristallisationskeimen aus und liegt im erstarrten Stahl in feiner Verteilung vor. Am erfindungsgemaess behandelten Stahl wurde gemessen, dass 80% aller Sulfide 4mm sind. Eine anschliessende Gluehung des Stahles sowie des schwefelarmen aber hoeher Al-haltigen feinkoernigen Vergleichsstahles bei 1 050C ergab gleiche Austenitkorngroessen von 5 bzw. 6 nach ASPM Richtreihe. Bedingt durch die Absenkung des Al-Gehaltes wird eine weitere Verbesserung der Standzeit der Werkzeuge erreicht.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Gruppe der Einsatzstähle, die neben einer guten Zerspanbarkeit wegen ihrer Eignung zur Hochtemperaturaufkohlung auch eine ausgezeichnete Feinkörnigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen müssen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Zur Gruppe der Einsatzstähle werden Stähle gezählt, die sich durch Kohlenstoffgehalte unter 0,25% und geringen Gehalten an Mn und/oder Cr, N- und Mo auszeichnen. Sie kommen überwiegend im Getriebe- und Kupplungsbau zum Einsatz und erhalten

ihre endgültigen Werkstoffeigenschaften erst durch einen Randaufkohlungsprozeß der den Werkstücken nach dem Härten einehohe Randhärte bei ausgezeichneter Kernzähigkeit verleiht. Typisches Einsatzgebiet dieser Stähle sind darum vor allem

Zahnräder aller Art. D>e Herstellungskoston dieser Erzeugnisse werden darum wesentlich von den Kosten für den zur Erzeugung der hohen Randkohlenstoffgehalte notwendigen Aufkohlungsprozeß bestimmt. Dieser in der Regel mehrere Stunden bei etwa 900⁰C

ablaufende Diffusionsprozeß läßtsich aber im Interesse der Steigerung der Arbeitsproduktivität erheblic!) durch eine Anhebungder Aufkohlungstemperatur beschleunigen.

Dieses, als Hochtemperaturaufkohlung bereits eingeführte Verfahren, läßt sich aber nur bei ausgesprochenen Feinkornstählen

anwenden, da bei den Aufkohlungstempersturen (um 1050°C) bereits das anormale Austenitkornwachstum einsetzt, das auchein grobes Ferritkorn zur Folge hat und damit zu schlechten Kerbschlagzähigkeitswerten bei Raumtemperatur führt.

Zur Erzeugung eines feinkörnigen Gefüges bedient man sich üblicherweise eines genau definierten Al-Zusatzes, der in der Größenordnung von 0,02-0,1 % liegt. Die sich im Stahl bildenden Al-Verbindungen scheiden sich an den Korngrenzen aus und

behindern als heterogene Phasen das bei den hohen Aufkohlungstemperaturen einsetzende anormale Kornwachstum durch

Hemmung der Korngrenzenwanderung. Des weiteren wirken die Al-haltigen Phasen als Kristallisationskeime und erzeugen bei Umwandlungsvorgängen durch die hohe Keimzahl immer eine feinkörnige Struktur. Die Wirkung eines Al-Zusatzes zur Steigerung der Zähigkeit über den Feinkorneffekt wurde bereits 1940 in der Reichspatentschrift Nr.697994 der Klasse 18b 7/04 unter Schutz gestellt. Ähnliche Wirkungen haben auch Zusätze von Vanadin und Titan, die in Form von Karbiden und Nitriden im Stahl vorliegen müssen. Im Gegensatz zu den Oxiden des Aluminiums gehen diese Verbindungen oberhalb von 1000⁰C wieder merklich in Lösung und verlieren damit ihre kornfeinende Wirkung. Diese Verfahrensweise ist mittlerweile Stand der Technik und die Wirkungsmechanismen im Prinzip hinlänglich bekannt. So wirksam diese Maßnahmen zur Erzeugung einer feinkörnigen Struktur einerseits auch sind, so beeinflussen sie in jedem Fall

die Zerspanungseigenschaften eines Stthles negativ.

In den klassischen Automatenstählen vermeide· man nach Möglichkeit darum Zusätze dieser Elemente. Da vor allem Aluminiumoxid eine stark abrasive Wirkung auf die Schneidwerkzeuge ausübt, werden bei diesen Stählen streng Höchstgehalte

für Aluminium festgelegt.

In der Japanischen Patentschrift Nr.86.305 632.1 vom 22.7.1986 der IPC C22C38/60 wird z.B. für Aluminium ein max. zulässiger Gehalt von nur 0,0009% angegeben. Um zur Lösung dieses Problems einerseits eine ausgezeichnete Zerspanbarkeit zu

garantieren, andererseits auch ein feinkörniges Gefüge bei der Hochtemperaturaufkohlung zu behalten, ergibt sich zwangsläufigdie Notwendigkeit, die die Zerspanbarkeit verbessernden sulfidischen Phasen zur Kornwachstumshemmung nutzbar zumachen.

Eine Möglichkeit, diese Ziel zu erreichen, ist in dem nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zu sehen. Ziel der Erfindung

Die Erfindung bezweckt die Herstellung von Einsatzstählen, die aufgrund eines höheren Schwefelgehaltes ausgezeichnete Zerspanungseigenschaften besitzen und die infolge der kornwachstumshemmenden Wirkung der gleichmäßig und fein verteilten Sulfidphasen auch für die Hochtemperaturaufkohlung geeignet sind.

Dadurch kann bei diesen Stählon auf höhere Aluminiumgehalte und andere Legierungszusätze mit kornfeinender Wirkung weitgehend verzichtet werden, was eine weitere Verbesserung der Zerspanbarkeit zur Folge hat.

Darlegung de« Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Einsatzstählen für die Hochtemperaturaufkohlung zu finden, die infolge ihres Schwefelgehaltes ausgezeichnete Zerspanungseigenschaften besitzen, und die durch die Feinheit und Gleichmäßigkeit der Verteilung der Sulfideinschlüsse beständig gegenüber dem bei den angewendeten Aufkohlungstemperaturen einsetzenden anormalen AustenitkornwachstL^irri sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stahl, der vor dem Abstich in die Pfanne stark entschwefelt und desoxidiert w irde, in der Pfanne mit Barium- und/oder Strontium-Sulfid angekeimt wird. Nach diesem Mikrolegierungszusatz wird der Endschwefelgehalt bis zur gewünschten Höhe durch Zugaben von Mangansulfid in geeigneter Form einpc.-' Ht.

Es ist zweckmäßig, daß Mangansulfid mit einer Körnung < 3 mm in die Schmelze mittels Tauchlanzo einzubiegen. Ei:· dosierter Zusatz in den Gießstrahl ist ebenfalls möglich, sofern ein Pfannenumguß durchgeführt wird.

Die vor dem Abstich im Ofen einzustellenden Schwefelgehalte sollen £ 0,010% betragen. Zur Vermeidung des Abscheidens des in den Abstichstrahl zugesetzten Barium- und/oder Strontiumsulfids ist das Mitlaufen von Schlacke während des Abstrichs in geeigneter Weise zu verhindern.

Das Wesen der Erfindung soll anhand des nachstehend aufgeführten Ausführungsbe'ispiols detailliert werden.

Ausführungsbeispiel

Der Nachweis der Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde an 2 Versuchschargen aus einem 25kg Vakuuminduktionsofen an Stahl der Basiszusammensetzung C43 mit üblichem Kohlenstoffgehalt (< 0,035%) und erhöhte· (0,076%) Schwofelgehalt erbracht.

Da in einem Vakuuminduktionsofen dieser Größenordnung ein metallurgisches Arbeiten, wie Entphosphoren und Entschwe ein nicht möglicht ist, v\ >rde als Einsatzmaterial ein C45 üblicher Produktion mit niedrigem Schwefelgehalt gewählt, wobei e^:.ie Charge als Vergleich, jtahl mit Feinkorncharakter (Al ~ 0,025%) ohne Schwefelzusatz erschmolzen, die 2. Charge dagegen zum Nachweis der Austenrtkorn-Wachstumshemmung durch Sulfidphasen nacheinander zunächst mit Barium — und dann mit Mangansulfid in folgender Weise legiert wurde:

— Einschmelzen des Metalls und Einstellen der Abstichtemperatur (wegen des 2maligen Umgusses etwa 20-30°C höher als üblich)

— Abgießen in einem 2.Tiegel in dem sich etwa 10 g/kg Stahl pulverisiertes BaS befindet. Das BaS ist eingeschlagen in Al-Folie. Al-Folie ist gleichzeitig Dosoxidationsmittel. Es ist mit etwa 1 g/kg Stahl berechnet.

Der so legierte Flüssigstahl wurde zügig in die vorbereitete Kokille vergossen, in der sich auch das entsprechend des Endschwefelgehaltes eingerechnete und ebenfalls fein aufgemahlene Mangansulfid befand.

Bz. -umsulfid hat einen Schmelzpunkt von etwa 2473K und ein kubischos Kristallgitter mit einer Kantenlänge von 0,637 mm.

Mangansulfid hat einen Schmelzpunkt von etwa 1803K und ist deshalb bei der Abstichtemperatur des Stahles ebenfalls flüssig.

Mit Absinken der Temperatur während des Erstarrungsvorganges beginnt zunächst die Erstarrung des MnS, daß sich vorzugsweise an festen Teilchen abscheidet.

Aufgrund der ähnlichen Kristallstruktur (kubisch 0,56Mm) und ähnlicher Gitterkonstante wie bei BaS lagert es sich bevorzugt daran an. Infolgedessen ensteht auch eine feine Verteilung der Sulfide.

Eine Anlagerung an AI₂O₃ bzw. SiO₂ ist nicht wahrscheinlich, da beide einen anderen Kristall-Gittertyp bilden (rhomboedisch bzw. hexagonal).

Die Versuchschargen hauen folgende Analysen:

Angaben in %

C Si Mn S Ba Al

Vergleichsstahl 0,46 0,26 0,009 0,009 — 0,025 aufgeschwefelter Stahl 0,46 0,24 0,076 0,076 0,03 0,008

Die Blöcke wurden zu Stangen von 20 mm 0 (entspricht einer 30fachen Umformung) ausgeschmiedet. Entsprechende Proben daraus wurden bei 1323K 10h lang geglüht und die sich ergebende Austenitkorngröße gemessen.

Sie stellte sich bei beiden Chargen trotz des unterschiedlichen Al-Gehaltes zwische 5 und β nach ASPM ein.

Eine Messung der Sulfidlänge an der aufgeschwefelten Charge ergab, daß 80% aller Sulfide < 4\im sind.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von Einsatzstählen mit verbesserter Zerspanbarkeit und Eignung für die Hochtemperaturaufkohlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze im Ofen auf einen Wert < 0,010%S entschwefelt, desoxidiert und beim Abstich durch Zugabe eines hochschmelzenden Sulfids, wie Bariumsulfid und/oder Strontiumsulfid, die ähnlichen Gitterparameter wie Mangansulfid haben, angekeimt wird, wobei nach dem Ankeimen der eigentliche Schwefelzusatz in Form von Magnesiumsulfid erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Mangansulfidzugabe entweder durch Einblasen mittels Tauchlanze oder durch Zugabe in den Gießstrahl beim Umguß in eine 2. Pfanne oder in den Gießstrahl beim Vergießen in die Kokille gegeben wird.