DE102009052036A1

DE102009052036A1 - Bleifreier Automatenstahl

Info

Publication number: DE102009052036A1
Application number: DE200910052036
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. Högler; Burkhard Dr.-Ing. Reh; Guido Dipl.-Ing. Arndt
Original assignee: Buderus Edelstahl Band GmbH
Current assignee: Buderus Edelstahl Band GmbH
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-12
Also published as: WO2011054526A1

Abstract

Es besteht ein Bestreben, bleilegierte Automatenstähle durch umweltfreundlichere Varianten zu ersetzen. Es wird ein bleifreier Automatenstahl vorgeschlagen, der zwischen 0,04 und 1,4 Gewichtsprozent C, zwischen 0,3 und 2,0 Gewichtsprozent Mn, zwischen 0,03 und 0,6 Gewichtsprozent S, weniger als 2 Gewichtsprozent Si, weniger als 0,12 Gewichtsprozent P und zwischen 0,03 und 0,9 Gewichtsprozent Sn sowie zwischen 0,02 und 0,04 Gewichtsprozent Bi enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem bleifreien Automatenstahl, der geeignet ist, bleilegierte Automatenstähle als umweltfreundlichere Alternative abzulösen. Blei wird bei diesen Automatenstählen, die als niedriggekohlte Variante vorwiegend für die Herstellung von Schlüsseln und als hochgekohlte Variante beispielsweise als Triebstahl eingesetzt werden, zulegiert, um eine spanbrechende Wirkung zu erreichen, wodurch sich besonders glatte Oberflächen erreichen lassen, so dass die bei den Werkstätten geforderte Präzision bei hoher Werkzeugstandzeit erreichbar ist.
Bislang gibt es keine umfänglich befriedigende Alternative, um die bleilegierten Automatenstähle wirtschaftlich und zerspannungstechnisch gleichwertig ablösen zu können, um eine ökologische Werkstoffvariante zur Verfügung zu haben.
Aus zerspanungstechnischer Sicht ist bismutlegierter Automatenstahl die beste Lösung, da er hinsichtlich der Zerspanungsleistung gleichwertig mit einem bleilegierten Stahl ist. Allerdings besitzt er wirtschaftliche Nachteile, da das globale Bismutaufkommen für eine komplette Ablösung bleilegierter Stähle gar nicht ausreicht, wodurch sich ein aus wirtschaftlicher Sicht zu hoher Preis ergibt. Zudem besitzt bismutlegierter Automatenstahl in Folge stärkerer Kantenrissbildung beim Warmwalzen eine schlechtere Warmumformbarkeit. Beispiele für bismutlegierte Stähle sind aus der DE 225598 A3 , der DD 244269 A3 , der JP 61186450 sowie der US 4 741 786 bekannt.
Aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen haben daher zinnlegierte Automatenstähle immer mehr an Bedeutung gewonnen. Leider sind aber die Zerspanungsbefunde zinnlegierter Automatenstähle nicht so universell, wie es bei blei- und bismutlegierten Stählen der Fall ist, weil die Zerspanung dort mit HSS- und HN-Werkzeugen unterschiedlich abläuft, und außerdem ein Schnittgeschwindigkeitseinfluss vorhanden ist. Zinnlegierte Automatenstähle sind beispielsweise in der CA 2308794 , der US 6 200 395 sowie der WO 00/71771 A1 beschrieben.
Aus der WO 2007/102489 A1 ist ferner ein bismutlegierter Stahl mit 0,02 bis 0,20% Bi und 0,3 bis 2,3% Cr bekannt, wobei dessen Wirksamkeit insbesondere auf CrS-Einschlüsse zurückzuführen ist. In dieser Schrift wird auch ein SN-Gehalt von 0,003 bis 0,02% angegeben, der als unterkritisch und deshalb unwirksam anzusehen ist. Ergänzend werden toxische Elemente mit 0,01 bis 0,03% Pb, 0,1 bis 0,15% Te und 0,002 bis 0,30% Se angegeben.
Aus der WO 2008/082153 A1 ist ein Automatenstahl mit 0,04 bis 0,20% Bi, 0,04 bis 0,20% Sn und 0,001 bis 0,015% B angegeben, wobei geregelte Relationen zwischen S, Bi, B und N vorgesehen sind. Neben dem hohen Bismutgehalt, der mit den zuvor erörterten Nachteilen verbunden ist, kommt es in Verbindung mit dem hohen Zinn- und auch dem hohen Borgehalt zu Ausfällen beim Warmwalzen durch Rissbildung. Problematisch sind auch die angegebenen Obergrenzen von P, S und O mit 0,1%, 0,4% bzw. 0,025%, da in diesen Bereichen bei den angegebenen Obergrenzen von Sn, Bi und B keine rissfreie Warmumformung mehr möglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Zerspanbarkeit eines bleifreien Automatenstahles so zu verbessern, dass gute Zerspanungseigenschaften bei wirtschaftlicher Optimierung erreicht werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen bleifreien Automatenstahl gelöst, der die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:
0,04 ≤ C ≤ 1,4
0,3 ≤ Mn ≤ 2,0
0,03 ≤ S ≤ 0,60
Si ≤ 2
P ≤ 0,12
0,03 ≤ Sn ≤ 0,09
0,02 ≤ Bi ≤ 0,04
wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Es hat sich gezeigt, dass trotz der geringen Bi-Konzentration in Verbindung mit dem Sn-Anteil mit bleilegiertem Stahl vergleichbare Zerspanungsleistungen erreicht werden können, während der geringe Anteil an Bi unmittelbar wirtschaftliche Vorteile ohne Erschwerung der Beschaffungssituation hat und keine Ausfälle durch Kantenrisse beim Warmwalzen zu befürchten sind.
Hinsichtlich des Zinngehaltes hat sich für alle Varianten gezeigt, dass Sn ab 0,03 Gewichtsprozent zusätzlich zu dem vorhandenen Bismutanteil zerspanungsfördernd wirkt, während oberhalb von 0,09 Gewichtsprozent die dann stärker eintretende Versprödung der Ferrit-Korngrenzen nachteilig für die Duktilität ist.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Automatenstahles sind in einem weiten Spektrum des C-Gehaltes gegeben.
Besonders vorteilhafte Eigenschaften ergeben sich bei einem bleifreien Automatenstahl, bei welchem bestimmte Verunreinigungen, die auch den Charakter üblicher Begleitelemente haben können, die folgenden Anteile in Gewichtsprozent nicht übersteigen:
Cr ≤ 0,05
Ni ≤ 0,05
Mo ≤ 0,01
V ≤ 0,01
W ≤ 0,01
Cu ≤ 0,02
As ≤ 0,02
Sb ≤ 0,01
Al ≤ 0,005
N ≤ 0,015.
Wie bereits erwähnt, deckt der erfindungsgemäße bleifreie Automatenstahl ein weites Spektrum an C-Gehalt ab. Eine bevorzugte niedriggekohlte Variante, d. h. ein Weichautomatenstahl, besitzt einen Gehalt an C zwischen 0,04 und 0,15 Gewichtsprozent. Vorzugsweise liegt bei einem solchen niedriggekohlten Automatenstahl der Gehalt an Si bei maximal 0,05 Gewichtsprozent, der Gehalt an Mn zwischen 0,9 und 2,0 Gewichtsprozent und/oder der Gehalt an S zwischen 0,2 und 0,6 Gewichtsprozent. Niedriggekohlte Weichautomatenstähle der zuvor beschriebenen Ausführungsformen finden Verwendung für die Herstellung von Schlüsseln bzw. Schlüsselrohlingen.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des bleifreien Automatenstahls sieht einen erhöhten C-Gehalt zwischen 0,15 bis 1,4 Gewichtsprozent vor, wobei ein solcher Stahl einsatzgehärtet und vergütet werden kann.
Vorzugsweise liegt bei der höher gekohlten Variante der Gehalt an Mn zwischen 0,3 und 1,5 Gewichtsprozent, der Gehalt an P bei maximal 0,08 Gewichtsprozent und/oder der Gehalt an S zwischen 0,03 und 0,3 Gewichtsprozent.
Vorzugsweise wird ein solcher Stahl für die Herstellung von einsatzgehärteten oder vergüteten Dreh- oder Frästeilen verwendet, wie sie beispielsweise bei Uhrentrieben zum Einsatz kommen.
Nachfolgend wird anhand eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäße bleifreie Automatenstahl näher erörtert.
Es wurde ein bleifreier Automatenstahl mit folgender Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) erzeugt:
C = 0,078
Si = 0,01
Mn = 1,08
P = 0,052
S = 0,300
Cr = 0,04
Ni = 0,02
Cu = 0,01
Sn = 0,052
Bi = 0,025
Al = 0,001
N = 0,006.
Ein derartiger Weichautomatenstahl wurde zu Kaltband der Abmessung 2,2 × 74 mm mit einer Zugfestigkeit von Rm = 480 MPa verarbeitet und an einen Schlüsselhersteller zur Erprobung geliefert. Die Schlüsselrohlinge wurden mit HM-Werkzeugen bei 1000 min^–1 gefräst, wobei das Fräsen der Schlüsselrohlinge als wirtschaftlich bedeutendster Teilprozess der Schlüsselherstellung genannt werden kann. Dies bedeutet auch, dass die Werkzeugstandzeit der Hartmetall-Fräser das entscheidende Kriterium für die Wirtschaftlichkeit des gesamten Prozesses bedeutet.
Bei der Fertigung von 300 000 Schlüsselrohlingen wurde mit dem zuvor beschriebenen bleifreien Automatenstahl eine Werkzeugstandzeit von 10 Stunden erreicht, was der Standzeit bei einem bleilegierten Automatenstahl 11SMnPb 30 entspricht.
Damit hat der bleifreie Automatenstahl ein dem abzulösenden bleilegierten Automatenstahl entsprechendes Leistungsvermögen nachgewiesen, wobei seine Erzeugung bei vergleichbaren Kosten wesentlich umweltfreundlicher erfolgen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 225598 A3 [0003]
DD 244269 A3 [0003]
JP 61186450 [0003]
US 4741786 [0003]
CA 2308794 [0004]
US 6200395 [0004]
WO 00/71771 A1 [0004]
WO 2007/102489 A1 [0005]
WO 2008/082153 A1 [0006]

Claims

Bleifreier Automatenstahl, der die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist: 0,04 ≤ C ≤ 1,4 0,3 ≤ Mn ≤ 2,0 0,03 ≤ S ≤ 0,60 Si ≤ 2 P ≤ 0,12 0,03 ≤ Sn ≤ 0,09 0,02 ≤ Bi ≤ 0,04 wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Bleifreier Automatenstahl nach Anspruch 1, bei welchem bestimmte Verunreinigungen die folgenden Anteile in Gewichtsprozent unterschreiten: Cr ≤ 0,05 Ni ≤ 0,05 Mo ≤ 0,01 V ≤ 0,01 W ≤ 0,01 Cu ≤ 0,02 As ≤ 0,02 Sb ≤ 0,01 Al ≤ 0,005 N ≤ 0,015.
Bleifreier Automatenstahl, nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt an C zwischen 0,04 und 0,15 Gewichtsprozent.
Bleifreier Automatenstahl nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Si von maximal 0,05 Gewichtsprozent.
Bleifreier Automatenstahl nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Mn zwischen 0,9 und 2,0 Gewichtsprozent.
Bleifreier Automatenstahl nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch einen Gehalt an S zwischen 0,2 und 0,6 Gewichtsprozent.
Bleifreier Automatenstahl nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt an C zwischen 0,15 und 1,4 Gewichtsprozent.
Bleifreier Automatenstahl nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Mn zwischen 0,3 und 1,5 Gewichtsprozent.
Bleifreier Automatenstahl nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen Gehalt an P von maximal 0,08 Gewichtsprozent.
Bleifreier Automatenstahl nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch einen Gehalt an S zwischen 0,03 und 0,3 Gewichtsprozent.
Verwendung eines bleifreien Automatenstahls nach einem der Ansprüche 3 bis 6, für die Herstellung von Schlüsseln und Schlüsselrohlingen.
Verwendung eines bleifreien Automatenstahls nach einem der Ansprüche 7 bis 10 für die Herstellung von einsatzgehärtetem oder vergüteten Dreh- oder Frästeilen.