DE2545104B2

DE2545104B2 - Automatenstahl und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2545104B2
Application number: DE19752545104
Authority: DE
Inventors: Daniel Faverges; Seraphin Leon Ugine; Tricot Roland Albertville; Thivellier (Frankreich)
Original assignee: Ugine Aciers, Paris
Priority date: 1974-10-11
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1977-06-30
Also published as: LU73563A1; FR2287521B1; IE43069B1; DK142727C; JPS5163312A; BE834372A; ATA774975A; DK142727B; DK451375A; AT347992B; US4004922A; GB1533122A; CA1052133A; NL181370B; IE43069L; FR2287521A1; IN148704B; ES441586A1; DE2545104A1; SE7511338L

Description

Die Erfindung betrifft einen Automatenstahl, der sich durch besondere Kerbschlagzähigkeit und Dehnbarkeit auszeichnet.

Man weiß, daß die Zugabe von Schwefel zu Stahl dessen spanende Bearbeitbarkeit verbessern kann. Als Automatenstahl bezeichnet man einen niedriglegierten Baustahl mit Magnesium, Silicium, Nicke!, Chrom, Molybdän und/oder Vanadium als Legierungselemente und verschiedenen üblichen Begleitstoffen wie auch korrosionsbeständige Stähle, enthaltend zumindest 10% Chrom und gegebenenfalls auch andere Legierungselemente, wie Nickel oder Molybdän. Diese Art von Stählen enthält 0,04 bis 0,5% Schwefel zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit, jedoch liegt meistens der Schwefelgehalt sehr viel niedriger.

Bei Automatenstählen liegt der Schwefel in Form von Einschlüssen aus Mangansulfid oder Sulfiden der anderen Legierungselemente vor. Es ist bekannt, daß - wenn im Laufe der Verarbeitung des Stahls wegen dieser Einschlüsse nicht besondere Vorsichtsmaßnahmen eingehalten werden - man in den Blöcken den Schwefel vorzugsweise in den Zwischenkornstellen findet, und darüber hinaus sind diese Sulfide schmied- oder walzbar. In Walzprodukten liegen sie zellenförmig vor und in Linien geseigert, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere in Querrichtung d. h. quer zur Walzrichtung, führt.

Es ist daher wichtig, Art und Verteilung der Sulfide einzustellen, um in dem umgeformten Metall gleichmäßig verteilt kugelige Sulfide zu erreichen. In diesem Fall ist die Kerbschlagzähigkeit und Dehnbarkeit quer zur Verarbeitungsrichtung verbessert.

Um dies zu erreichen, wurde bereits vorgeschlagen, dem Stahl Selen oder Tellur oder auch seltene Erdmetalle wie Cer zuzusetzen. Diese Elemente beeinflussen die Umformbarkeit der eingeschlossenen Sulfide, die nach der Umformung noch kugelig sind, jedoch führen «ie zu anderen Schwierigkeiten.

Einerseits muß man für ausreichende Wirkung relativ große Mengen zusetzen, und zwar bezogen auf das Gewicht Se/S in der Größenordnung von 0,4, Te/S in der Größenordnung von 0,2 und von Ce/S in der Größenordnung von 2. Diese Elemente sind leuer, so daß sich dies beträchtlich auf den Preis der Siähle auswirkt.

Andererseits eleminieren diese Elemente die Seigerung in die Zwischenkornräume nicht vollständig und man kann in umgeformtem Zustand die Anwesenheit von zellenförmigen Seigerungen, die die mechanischen Eigenschaften in der Querrichtung verschlechtern, nicht vollständig verhindern.

Es ist weiter bekannt, daß Magnesium und die Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium gegenüber Schwefel hoch reaktiv sind. Man hat sk¹. bereits seit langem zur Entschwefelung bei der Stahlherstellung angewandt. In großen Mengen zugesetzt kommt es zu einer Ausscheidung der Sulfide in der flüssigen Phase und eine schnelle Dekantation führt zu einer Eliminierung des Schwefels.

Aufgabe der Erfindung sind nun Automatenstähle, die aufgrund einer homogenen Verteilung von kugeligen Sulfiden, die wenig schmiedbar sind, verbesserte mechanische Eigenschaften in Richtung quer zur Umformungsrichtung besitzen.

Die Erfindung geht aus von Automatenstählen mit einem Schwefelgehalt von 0,04 und 0,5 %; die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß sie einen Gehalt an Magnesium von maximal 50 ppm oder 0,005 % haben, mindestens 5 %₀ des Schwefelgehalts, und gegebenenfalls zusätzlich Calcium, Strontium und/oder Barium von 0,001 bis 0,005 % vorhanden sein können.

Erfindungsgemäß wurde nun festgestellt, daß - wenn man diese Elemente nach der Desoxidation der Schmelze in geringen Anteilen zusetzt - sie nicht als Entschwefler wirken, sondern im Gegenteil sie in den Sulfideinschlüssen verbleiben, wodurch eine Modifizierung von Art und Verteilung unter Ausschaltung der obigen Probleme ermöglicht wird.

Die Sulfide sind zwischen den Kristallen oder dem Korn nicht ausgeseigert, sondern liegen gleichmäßig verteilt im Stahl vor. Darüber hinaus sind diese Sulfide weniger schmiedbar oder verformbar, wodurch deren Längendimension bei der Umformung nicht vergrößert wird.

Versuche haben gezeigt, daß der Magnesiumanteil zumindest 5%o des Schwefelgehaltes ausmachen sollte. Ist es jedoch in zu großen Mengen vorhanden, kann es zur Ausbildung von kugeligem Magnesiumoxid kommen, was für die mechanischen Eigenschaften katastrophal wäre. Man darf also mit dem Magnesiumgehalt nicht über 50 ppm, bezogen auf Stahlzusammensetzung, hinausgehen.

Bei den erfindungsgemäßen Stählen liegt das Magnesium nicht als Oxid vor, sondern ist ein sulfidbildendes Element. Dies ist jedoch nur möglich, wenn es einem Stahl zugesetzt wird, welcher vorher mit Hilfe einer Desoxidationsmittels wie Aluminium desoxidiert, mit einer desoxidierenden Schlacke bedeckt gehalten in Vakuum entgast oder auf andere Weise desoxidiert worden ist.

Nach der Desoxidation erfolgt die Schwefelzugabe auf den entsprechenden Schwefelgehalt. Dies kann auf beliebige Weise geschehen, z. B. nach dem Verfahren entsprechend FR-PS 1597415.

Nach der Desoxidation wird Magnesium in bekannter Weise zugesetzt, z. B. in Form einer Legierung mit Nickel oder mit Silicium und Calcium, in den Ofen, in die Pfanne cder in die Kokille.

Calcium, Barium und/oder Strontium haben eintn analogen Effekt wie Magnesium und darüber hinaus wird die Wirksamkeit des Magnesiums durch Zusatz dieser Elemente gesteigert. Die Anwendung einer Ca-Si-Mg-Legierung zur gleichzeitigen Einbringung von Calcium und Magnesium ist besonders vorteilhaft

Der erfindungsgemäße Stahl kann schließlich auch Selen und/oder Tellur enthalten, um in bekannter Weise die Sulfide kugelig zu machen, wodurch eine Kombination der Vorteile dieser beiden Möglichkeiten erreicht wird.

Infolge der Anwesenheit von Magnesium, Calcium, Strontium und/oder Barium kann der zuzusetzende Anteil an Selen oder Tellur verringert werden bei Aufrechterhaltung deren Wirksamkeit auf die Bildung kugeliger Sulfide. Die Gewichtsmenge an Selen liegt vorzugsweise bei zumindest ²/₁₀ des Schwefelgehaltes, erreicht jedoch maximal 0,2 %. Der Tellurgehalt liegt vorzugsweise zwischen zumindest ⁵A₀₀ des Schwefelgehalts und maxima! 0,04%. Ein zu hoher Tellurgehalt kann zu einer Verschlechterung der Schmiedbarkeit rühren. Die Einbringung von Selen und Tellur kann in üblicher Weise erfolgen, insbesondere als Legierung oder Verbindung von Eisen oder Mangan.

Die erfindungsgemäßen Automatenstähle besitzen zumindest mechanische Eigenschaften, insbesondere Dehnbarkeit und Kerbschlagzähigkeit in Querrichtung, wie die rückgeschwefelten Stähle der sonst gleichen Zusammensetzung. Andererseits konnte festgestellt werden, daß die Kerbschlagzähigkeit in der Kälte ^₀ wesentlich verbessert ist gegenüber den üblichen Stählen, selbst bei geringerem Schwefelgehalt.

Die Erfindung wird an folgenden Beispielen weiter erläutert.

Beispiel 1

35

Ein Baustahl, hergestellt im Hochfrequenzofen, desoxidiert mit Aluminium, rückgeschwefelt, nach Zugabe von Magnesium hatte folgende gewichtsmäßige Zusammensetzung:

Si
Mn

0,20
0,32
1,04

Ni 0,30
Zum Vergleich

Cr 0,46

Mo 0,24

S 0,07

Al 0,025

Mg 0,0035
Fe Rest

ohne Magnesium.

diente der gleiche Stahl, jedoch Man erhielt folgende Ergebnisse bei der Prüfung auf Kerbschlagzähigkeit an dem abgeschreckten und entspannten Metall (σ_Β = 1300N/ mm²) bei einem Verschmiedungsgrad von 45.

Tabelle I

45

Erfindungsgemäß

Stand der Technik

Kerbschlagzähigkeit	54 J/cm²	53 J/cm²
längs	20 J/cm²	14 J/cm²
quer	2,7	3,5
längs/quer Verhältnis

50

55

Aus der Tabelle I sieht klar die Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit der erfindungsgemäßen Stähle in Querrichtung hervor.

Beispiel 2

Ein im Hochfrequenzofen erschmolzener, mit Aluminium desoxidierter, rückgeschwefelter Stahl wurde mit Magnesium und Calcium versetzt. Er hatte folgende Analyse:

C	0,23	Cr	0,57	Mg	0,0030
Si	0,33	Mo	0,25	Ca	0,0015
Mn	1,48	S	0,06	Fe	Rest
Ni	0,64	AI	0,025

Zum Vergleich diente ein Stahl mit nur Magnesium bzw. ein Stahl ohne Magnesium und ohne Calcium. Die Ergebnisse der Biegeprüfung in Querrichtung und der Kerbschlagzähigkeit in Querrichtung in abgeschrecktem und geglühtem Zustand (σ_Β = 850 N/mm²) sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt, wobei der Verschmiedungsgrad 27 betrug.

Tabelle II	Mg+ Ca	Mg	Stand der Technik
	65° 26 J/cm²	55° 22 J/cm²	30° 12 J/cm²
Biegewinkei Kerbschlagzähigkeit

Aus der Tabelle II geht die wesentliche Verbesserung dieser beiden Eigenschaften durch Magnesium bzw. Magnesium + Calcium hervor.

Beispiel 3

Einen Baustahl, im Hochfrequenzofen erschmolzen, mit Altminium desoxidiert, rückgeschwefelt, wurden Magnesium und Tellur zugesetzt.

C	0,31	Cr	0,54	Mg	0,0005
Si	0,41	Mo	0,24	Te	0,0080
Mn	1,46	S	0,10	Fe	Rest
Ni	0,68	Al	0,02

Tabelle III

Mg+ Te Te

Stand der
Technik

Biegewinkel
Kerbsclilagzähigkeit

70°

32 J/cm²

46° 30°

26 J/cm² 12 J/cm²

Die beiden Eigenschaften wurden durch Tellur, wie aus der Tabelle III eindeutig hervorgeht, wesentlich verbessert, wobei eine weitere Verbesserung durch Anwesenheit von Tellur und Magnesium erreicht wird.

Beispiel 4

Einem Baustahl, erschmolzen im basischen Lichtbogenofen, desoxidiert mit Aluminium und rückgeschwefelt, wurden Calcium, Magnesium und Tellur zugesetzt.

60

C	0,18	Cr	0,51	Ca	0,0005
Si	0,18	• Mo	0,23	Mg	0,0004
Mn	0,81	S	0,05	Te	0,0050
Ni	0,52	Al	0,03	Fe	Rest

Zum Vergleich diente ein Stahl nach dem Stand der Technik. Die Werte für Kerbschlagzähigkeit sind in der Tabelle IV zusammengefaßt und wurden geprüft an einem gehärteten und entspannten Werkstück {σ α = 1400 N/mm²).

fabelte IV

Erfindungsgemäß

Stand der
Technik

Kerbschlagzähigkeit

längs 56 J/cm²

quer 20 J/cm²
längs/quer Verhältnis 2,8

5 U/cm²

12 J/cm²

4,3

Die Tabelle IV zeigt die Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit in Querrichtung durch Zugabe von Magnesium, Calcium und Tellur nach der Erfindung. Der erfindungsgemäße Stahl und der Vergleichsstahl wurden einer Reihe von Untersuchungen über die Zerspanbarkeit unterworfen. Die erste Versuchsreihe wurde durchgeführt mit einem Werkzeug aus Schnelldrehstahl der Spezifikation AFNOR 18-0-1, enthaltend 18 % W, 4 % Cr und 1 % V. Zu dem Werkzeug sind folgende Angaben zu machen:

Spanwinkel γ	20°
Freiwinkel a	8°
Neigungswinkel λ	0°
Spitzenwinkel ε	70°
Einstellwinkel κ	90°
Spitzenradium	0,3 mm

Abgespant wurde trocken, und zwar ein Stahlzylinder aus obigen Stählen, parallel zur Mantellinie mit einer Stichtiefe von 2 mm unter dem Vorschub von 0,25 mm je Umdrehung. Die Prüfmethode und die Berechnungsart der Prüfungsergebnisse entsprechen denen der AFNOR BNS 1097. Die Ergebnisse der ersten Versuchsreihe werden ausgedrückt in Geschwindigkeit (Tabelle V) und zeigen die bessere Abspanbarkeit mit einem Werkzeug aus Schnellarbeitsstahl im Falle der erfiiidungsgemäßen Stähle. Die zweite Versuchsreihe wurde mit einem Stahl aus Carbid »P 30« durchgeführt, und zwar wurde trocken abgespant.

Das Abspanen erfolgte parallel zur Mantellinie mit einem Stichmaß von 2 mm und einem Vorschub von 0,25 mm. Es wurde der Werkzeugverschleiß nach 32 Min. bei einer Geschwindigkeit von 160 m/Min, ermittelt Die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammengefaßt und zeigen, daß der Verschleiß mehr als dreimal geringer ist bei dem erfindungsgemäßen Stahl.

Mg + Ca + Te

Stand der
Technik

Schnittgeschwindigkeit 65 m/Min. 43,5 m/Min.
Werkzeug-Verschleiß 0,095 mm 0,32 mm

Beispiel 5

Ein Baustahl, erschmolzen im basischen Lichtbogenofen, desoxidiert mit Aluminium und wieder aufgeschwefelt, wurde mit Calcium, Magnesium und Tellur versetzt, worauf sich folgende Analyse ergab:

C	0,17	Cr	1,00	Ca	0,0007
Si	0,32	Mo	0,02	Mg	0,0005
Mn	1,28	S	0,06	Te	0,0050
Ni	0,27	Al	0,03	Fe	Rest

Zum Vergleich diente ein Stahl ohne den erfindungseemäßen Zusätzen, jedoch sonst gleicher Analyse.

Die Ergebnisse bei der Prüfung auf Kerbschlagzähigkeit im abgeschreckten und entspannten Zustand (a_a = 1400 N/mm²) sind in Tabelle Vl zusammengefaßt, wobei der Verschmiedungsgrad 20 betrug.

Tabelle VI

Erfindungsgemäß

Stand der Technik

Kerbschlagzähigkeit
längs
quer
längs/quer Verhältnis

48 J/cm² 16 J/cm² 3

50J/cm² 9 J/cm²

5,5

Die Tabelle VI zeigt die Verbesserung der Kerbschlägzähigkeit in Querrichtung durch den erfindungsgemäßen Zusatz von Magnesium, Calcium und Tellur.

ίο Von diesen Stählen mit und ohne Zusätzen wurden Mikrofotografien angefertigt (Fig. 1 und 2) bei einer Vergrößerung von X 200, die die Art und Verteilung der Sulfide erkennen lassen. Fig. 1 entspricht dem Vergleichsstahl des Beispiels5 und Fig. 2 dem erfindungsgemäßen Stahl nach Beispiel 5. Man sieht deutlich aus Fig. 2 den Einfluß zur Bildung von kugeligen Einschlüssen und die Verteilung oder Dispersion der Einschlüsse bei dem erfindungsgemäßen Stahl.

Mit diesem erfindungsgemäßen Stahl und seinem Vergleichsstahl wurden ähnliche Versuche zur Zerspanbarkeit, wie sie in Beispiel 4 abgehandelt sind, durchgeführt, jedoch in diesem Fall ein Carbidwerkzeug angewandt, welches eine Arbeitsgeschwindigkeit von 250 m/Min, zuließ. Auch diesmal wurde eine Prüfzeit von 32 Min. eingehalten.

Tabelle VII

Mg + Ca + Te

Stand der Technik

Schnittgeschwindigkeit 73,5m/Min. Werkzeug-Verschleiß 0,26 mm

Beispiel 6

66,5 m/Min. 0,31 mm

Einem nicht oxidierbaren, austenitischen, ausgeschwefelten Stahl wurde Magnesium und Tellur für eine Analyse wie folgt zugesetzt:

C	0,06	Cr	17,8	Te	0,025
Si	0,43	Mo	0,05	Fe	Rest
Mn	1,4	S	0,25
Ni	8,3	Mg	0,0050

Zum Vergleich diente ein Stahl gleicher Analyse, jedoch ohne Zusätze.

Tabelle VIII

Erfindungsgemäß

Stand der Technik

f>5 Kerbschlagzähigkeit	190 J/cm²	180 J/cm²
längs	110 J/cm²	80J/cm²
quer	1,7	2.25
längs/quer Verhältnis

C	0,07	Cr	13,3	Te	0,030
Si	0,30	Mo	0,22	Fe	Rest
Mn	U	S	0,31
Ni	0,14	Mg	0,0050

Zum Vergleich diente wieder ein Magnesium- und tellurfreier Stahl.

Aus Tabelle VIII ergibt sich die Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit in Querrichtung bei dem erfindungsgemäßen Stahl.

Beispiel 7

Einem korrosionsbeständigen, martensitischen Stahl nach Aufschwefeln wurde Magnesium und Tellur auf folgende Analyse zugefügt:

Tabelle IX

Erfindungsgemäß

Kerbschlagzähigkeit
längs 65J/cm²

quer 18J/cm²

längs/quer Verhältnis 3,6

Stand der Technik

60J/cm² lOJ/cm² 6

Die Kerbschlagzähigkeit wurde bei 20⁰C ermitteil Aus der Tabelle IX ergibt sich die Verbesserung de Kerbschlagzähigkeit in Querrichtung bei dem erfin dungsgemäßen Stahl.

709526/4

Claims

Patentansprüche:

1. Automatenstahl mit einem Schwefelgehalt von 0,04 bis 0,5 %, verbesserter Dehnbarkeit und Kerb-Schlagzähigkeit in Querrichtung, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Magnesium von maximal 0,005%, mindestens jedoch 5%o des Schwefelgehalts, und gegebenenfalls zusätzlich Calcium, Barium und/oder Strontium von 0,001 bis 0,005 %.

2. Automatenstahl nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Selengehalt von zumindest '/_ί0 des Schwefelgehalts und bis maximal 0,2% und/oder einen Tellurgehalt von zumindest ⁵/ioo des Schwefelgehalts bis maximal 0,04 %.

3. Verfahren zur Herstellung der Automatenstähle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stahlschmelze desoxidiert, auf den entsprechenden Schwefelgehalt aufschwefelt und dann Magnesium, gegebenenfalls Calcium, Barium und/oder Strontium und gegebenenfalls Selen und/oder Tellur zusetzt.