DE3718771C2

DE3718771C2 - Verfahren zum Herstellen eines Automaten-Stabstahls

Info

Publication number: DE3718771C2
Application number: DE3718771A
Authority: DE
Inventors: Stephen P Birman; Richard B Smith; Richard L Thompson
Original assignee: Republic Engineered Steels Inc
Current assignee: THE WESTERN STEEL GROUP, INC., ELYRIA, OHIO, US
Priority date: 1986-06-10
Filing date: 1987-06-04
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2007-06-05
Also published as: FR2601696B1; GB8713200D0; IT1206026B; JPH0611898B2; FR2601696A1; US4741786A; KR880000613A; CA1301490C; JPS63442A; GB2191507A; DE3718771A1; MX170074B; GB2191507B; IT8748037A0; BR8702912A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen eines Automaten-Stabstahls der im Oberbegriff der An sprüche 1, 5, 6 und 7 beschriebenen Art.

Ein Automatenstahl dieser Art ist in der DD-PS 2 25 598 bekannt. Der dort beschriebene, rückgeschwefelte Automa tenstahl muß zusätzlich Silicium, Bor, Calzium, Barium, Magnesium und Strontium enthalten und kann als Weichau tomatenstahl, Vergütungsstahl, Einsatzstahl oder Trieb stahl vorliegen. Bei diesen Stählen soll durch den Zu satz von modifizierenden Legierungselementen die Zer spanbarkeit verbessert werden, wobei nur solche Legie rungselemente ausgewählt werden sollen, die relativ preisgünstig verfügbar und nicht toxisch sind. Bezüg lich des Verhältnisses zwischen Mangan und Schwefel ent hält die Druckschrift keinerlei Anweisung. Die bekannten Stähle enthalten weiterhin weder Nickel noch Kupfer. Da rüber hinaus ist dieser Druckschrift nichts darüber zu entnehmen, wie die bekannten Stähle weiter zu verarbei ten sind. Es wird im Gegenteil in dieser Druckschrift wie selbstverständlich davon ausgegangen, daß sich die Stähle mit dieser Zusammensetzung für jeden Einsatz zweck und für jede Verarbeitung gleichermaßen eignen.

Das "Werkstoff-Handbuch Stahl und Eisen" beschreibt die Wirkung von Legierungsbestandteilen, ohne den Wismutge halt jedoch genauer zu definieren, auf die Zerspanbar keit. In der Entgegenhaltung wird jedoch nicht beschrie ben, auf welche Weise die Legierungszusammensetzung auf eine bestimmte Herstellungsart des Vorproduktes und auf eine bestimmte Querschnittsverminderung beim Kaltziehen abzustimmen ist, um die gewünschte Zerspanbarkeit des Endproduktes zu erhalten. Als einzige Gesetzmäßigkeit kann aus den Tafeln 2 und 3 entnommen werden, daß die Streckgrenze mit steigender Dicke des Endproduktes und mit steigendem Kohlenstoffgehalt (über den in der vor liegenden Anmeldung beanspruchten Bereich hinaus) an steigt. Der Entgegenhaltung ist jedoch nicht zu entneh men, daß durch weitere Modifizierung insbesondere des Kohlenstoff-, Mangan-, Schwefel- und/oder Wismut-Gehalts innerhalb von Teilbereichen des normalen Toleranzberei ches einer Legierung und die Abstimmung dieses ausge wählten Teilbereiches auf das Vorprodukt und die Weiter verarbeitung zum Endprodukt, die Zerspanbarkeit noch weiter erhöht werden kann. Gleichzeitig werden durch die anmeldungsgemäßen Verfahren auch mit relativ geringen Kohlenstoffgehalten Streckgrenzen erzielt, wie sie im Stand der Technik gemäß Tafel 3 nur bei Kohlenstoffge halten zwischen 0,18 und 0,65 Prozent zu erzielen sind. Niedrigere Kohlenstoffgehalte beeinflussen jedoch wie derum die Zerspanbarkeit günstig.

Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren an zugeben, mit dem sich Automatenstähle für einen ge wünschten Verwendungszweck praktisch "maßschneidern" lassen.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 5, 6 und 7 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis der Anmelderin, daß es möglich ist, durch eine zweckmäßige Abstimmung der Legierungsbestandteile auf die verwendeten Ausgangs produkte und auf die Querschnittsverringerung beim Her stellen einer kaltgezogenen Stabstahls, die Zerspanungs- und Bearbeitungseigenschaften derart zu verbessern und gezielt zu beeinflussen, daß ein Automatenstahl für einen vorgegebenen Verwendungszweck, differenziert nach der gewünschten Streckgrenze, praktisch "maßgeschnei dert" werden kann.

Zwar wird in "Metals Handbook", 8. Aufl., Bd. 1, 1961, S. 315 beschrieben, daß Automatenstähle unter Quer schnittsverminderung kaltgezogen werden können, daß jedoch ein bestimmter Bereich einer Querschnittsver minderung in Verbindung mit einer speziellen, genau definierten Zusammensetzung mit entsprechend den an meldungsgemäßen Beziehungen aufeinander abgestimmten Anteilen bestimmter Legierungsbestandteile eingesetzt werden kann, um Automatenstähle genau auf den gewünsch ten Verwendungszweck "maßzuschneidern", ist auch die ser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den ab hängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.

Die am meisten bekannten und verwendeten Zusätze zur Ver besserung der maschinellen Bearbeitung von kaltgezogenen Stabstählen sind Blei, Wismut und Tellur, in Kombination mit einem großen Volumenanteil von Mangansulfideinschlüssen. Diese Einschlüsse wirken als Spannungserhöher im Bereich des Hauptschubs, während Blei und Wismut die Schubfestigkeit bei höheren Tempera turen herabsetzt, die während einer maschinellen Bear beitung erzeugt werden und an den glatten Oberflächen des Span auftreten. Blei und Wismut wirken an der Grenze zwischen dem Span und dem Werkzeug als Schmiermittel.

Die vorliegende Erfindung verwendet Wismut als einen Automaten-Zusatz und setzt die Menge von Wismut mit der Menge an Mangan und Schwefel in Beziehung und optimiert die Anteile dieser Elemente entsprechend der Größe der warmgewalzten Stangen, bevor sie kaltgezogen werden und der prozentuale Schrumpfung während des Kaltziehens. Diese Optimierung ist darauf gerichtet, eine gewünschte Streckgrenze für eine bestimmte Verspanungsweise zu erhalten. Die vorliegende Erfindung verbessert darüber hinaus die maschinelle Bearbeitbarkeit eines wismut haltigen Stahls durch einen höheren Schwefelanteil und ein verringertes Mangan-Schwefel-Verhältnis.

Es ist weiterhin bekannt, daß wismut-haltige Stähle eine verbesserte Zerspanbarkeit mit oder ohne den Zusatz von Blei aufweisen. Wismut verbessert die maschinelle Bear beitbarkeit, da es unter den Automaten-Zusätzen den niedrigsten Schmelzpunkt aufweist und am besten Grenz flächen erreichen kann. Weiterhin verhindert der relativ geringe Unterschied im spezifischen Gewicht zwischen Wismut und Eisen eine Makrosegregation des Wismuts wäh rend der Verfestigung. Wismut kommt in Form von Parti keln vor, die nicht nur an den Mangansulfideinschlüssen anhaften, sondern auch an Ferrit-Perlit-Grenzflächen und den Korngrenzen. Variierende Anteile von Wismut, Blei und Tellur (US-PS 42 47 326, US-PS 42 55 187, US-PS 42 55 188 und US-PS 43 37 776) wurden in rückgeschwefelten und rückphosphorierten Automatenstahl eingebracht. Dennoch ist das Hinzufügen eines oder mehrerer dieser Elemente alleine nicht ausreichend, um die Zerspanungs eigenschaften eines Stabstahles zu maximieren. Es ist erforderlich, die chemische Zusammensetzung des Stabes mit der Größe des warmgewalzten Materials und der pro zentualen Querschnittsverringerung beim Kaltziehen zu optimieren, um so Stabstähle mit einer vorbestimmten Streckgrenze zu erhalten.

Der Begriff "Stabstahl", wie er hier benutzt wird, fin det Anwendung auf in Länge geschnittene Stäbe, die aus warmgewalzten Rollen oder aus warmgewalzten Stäben gewonnen werden.

Als ein spezifisches Beispiel für die Verwendung eines warmgewalzten, runden und hexagonalen Langmaterials kann ein kaltgezogener Stabstahl in seiner Zusammensetzung im we sentlichen die folgenden Bestandteile aufweisen (in Gew.-%).
C 0,07 bis 0,09
Mn 0,7 bis 0,9
S 0,3 bis 0,4
P 0,03 bis 0,07
Bi 0,05 bis 0,15
Summe aus Ni, Cr, Mo und Cu insgesamt bis 0,15;
Restanteil Eisen;
das Verhältnis %Mn/%S liegt dabei zwischen 1,7 bis 2,8; die Differenz % Mn - 1,62 x %S liegt zwischen 0,05 bis 0,3;
und das Verhältnis %Bi/(%Ni + %Cu) beträgt mindestens 2,0.

Ein solcher Stabstahl muß eine Flächenreduzierung beim Kaltziehen zwischen 10 bis 30% aufweisen. Eine Flächen reduzierung beim Kaltziehen von 10% bis 20% erzeugt eine Streckgrenze in der Größenordnung von 42 kN/cm², während ein Stab mit einer Flächenreduzie rung beim Kaltziehen von 20% bis 30% eine Streckgrenze im Bereich von ungefähr 48 kN/cm² aufweist. Ein Stab mit einer Streckgrenze von 42 kN/cm² sorgt für ausgezeichnete Standzeiten des Werkzeuges bei Hochge schwindigkeitsbearbeitung, während ein Stab mit einer Streckgrenze von 48 kN/cm² eine hervorragende Oberfläche beim Hochgeschwindigkeitsbearbeiten gewährleistet.

Der Gehalt an Mangan, Schwefel und Wismut steigt mit dem Ansteigen der Abmessung des kaltgezogenen Stabes. Normaler weise besitzt ein warmgewalztes Langmaterial einen Durchmesser im Bereich von etwa 2,5 cm. Ein Anstieg der Größe des warmgewalzten Erzeugnisses erfordert eine Erhöhung von Mangan, Schwefel und Wismut. Somit besitzt ein warmgewalzter Stab mit einem Durchmesser bis zu 5 cm eine Zusammensetzung aus im wesentlichen (in Gew.-%):
C 0,09 bis 0,11
Mn 0,9 bis 1,1
S 0,36 bis 0,46
P 0,04 bis 0,08
Bi 0,05 bis 0,15
Summe aus Ni, Cr, Mo und Cu insgesamt bis 0,15;
Restanteil Eisen;
das Verhältnis %Mn/%S liegt dabei zwischen 1,9 bis 2,8;
die Differenz %Mn - 1,62 x %S liegt zwischen 0,15 bis 0,4; und das Verhältnis %Bi/(%Ni + Cu) beträgt mindestens 2,0.

Bei einer Flächenverringerung während des Kaltziehens von 6% bis 10% wird ein solcher Stab eine Streckgrenze von etwa 42 bis 48 kN/cm² aufweisen. Das bedeutet speziell, wenn die Flächenverringerung beim Kaltziehen zwischen 6% und 8% liegt, daß eine Streck grenze im Bereich von etwa 42 kN/cm² erreicht wird, wodurch der Stab zu hervorragenden Werkzeugstand zeiten beim Hochgeschwindigkeitsspanen verhilft. Eine Flächenverringerung beim Kaltziehen von 8% bis 10% be wirkt eine Streckgrenze im Bereich von 48 kN/cm² und bewirkt bei Universalbearbeitungsmaschinen eine hervorragende Oberflächenqualität.

Für warmgewalzte Stäbe mit einem Durchmesser über 5 cm wird der Gehalt an Mangan, Schwefel und Wismut weiter erhöht, über den oben näher spezifizierten Gehalt für warmgewalzte Stähle mit einem Durchmesser unter 5 cm hinaus. Somit erhält ein warmge walzter Stab mit einem Durchmesser über 5 cm eine Zusammensetzung aus im wesentlichen (in Gew.-%):
C 0,06 bis 0,13
Mn 0,8 bis 1,3
P 0,06 bis 0,09
S 0,32 bis 0,50
Bi 0,15 bis 0,25
Summe aus Ni, Cr, Mo und Cu insgesamt bis 0,15;
Restanteil Eisen;
das Verhältnis %Mn/%S liegt dabei zwischen 2,0 bis 3,0;
die Differenz %Mn - 1,62 x %S liegt zwischen 0,2 bis 0,4; und das Verhältnis %Bi (%Ni + %Cu) beträgt mindestens 2,0.

Ein Stab mit dieser Zusammensetzung und einer Flächen verringerung während des Kaltziehens von 3% bis 6% wird eine Streckgrenze etwa zwischen 42 und 48 kN/cm² aufweisen. In weiterer Ausgestaltung der Erfin dung wird bei warmgewalzten Stäben mit einem Durchmesser von mindestens 5 cm eine noch speziellere chemische Zusammensetzung verwendet, je nachdem, ob der Stab rund, rechteckig oder sechseckig ist. Warmgewalzte hexagonale Stäbe besitzen eine verringerte Menge an Koh lenstoff, Mangan und Phosphor, um die Standzeit des Werkzeugs beim Formschrüppen zu verbessern. Ein sechseckiger Stab sollte die folgende Zusammensetzung aufweisen (in Gew.-%):
C 0,06 bis 0,08
Mn 0,8 bis 1,0
P 0,06 bis 0,09
S 0,32 bis 0,40
Bi 0,15 bis 0,25
Summe aus Ni, Cr, Mo und Cu insgesamt bis 0,15;
Restgehalt Eisen;
das Verhältnis %Mn/%S liegt dabei zwischen 2,0 bis 2,8;
die Differenz %Mn - 1,62 x %S liegt zwischen 0,2 bis 0,4; und
das Verhältnis %Bi/(%Ni + Cu) beträgt mindestens 2,0.

Ein runder oder rechteckiger warmgewalzter Stab, eben falls über 5 cm Stärke, sollte im wesentlichen die fol gende Zusammensetzung aufweisen (in Gew.-%).:
C 0,1 bis 0,13
Mn 1,0 bis 1,3
P 0,06 bis 0,09
S 0,40 bis 0,50
Bi 0,15 bis 0,25
Summe aus Ni, Cr, Mo und Cu insgesamt bis 0,15;
Restanteil Eisen;
das Verhältnis %Mn/%S liegt dabei zwischen 2,2 bis 3,0;
die Differenz % Mn - 1,62 x %S liegt zwischen 0,2 bis 0,4; und
das Verhältnis %Bi/(%Ni + %Cu) beträgt mindestens 2,0.

Das Verhältnis von Wismut zur Summe aus Nickel und Kupfer ist wichtig und sollte nicht niedriger als 2,0 liegen. Dieses Verhältnis nutzt den niedrigen Schmelz punkt von Wismut zur Verbesserung der Zerspanbarkeit aus. Ein Verhältnis unter 2,0 würde diesen Effekt des Wismuts vermindert. Es gibt keine besondere Beschrän kung der Anteile an Chrom und Molybdän, vorausgesetzt die Summe dieser beiden Elemente, einschließlich der von Nickel und Kupfer, übersteigt nicht den Anteil von 0,15%.

Andere Automaten-Stahlzusätze können in entsprechenden Mengen sinnvoll sein. Vorteilhaft ist, in Gew.-%, ein Anteil an Blei von 0,05% bis 0,15%, wie auch an Zirkonium in der Höhe von 0,005% bis 0,05%, ein Anteil an Tellur in einer Höhe von 0,002% bis 0,1% und an Stickstoff in einer Höhe von 0,006% bis 0,12%.

Das Zulegieren von Wismut in der angegebenen Menge erlaubt eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Spanwerkzeuge während einer Maschinenbearbeitung, wie dies in der erwähnten Weise auch ein Anstieg des Schwefelanteils bewirkt. Der Einschluß sowohl von Wismut als auch einer erhöhten Menge von Schwefel ermöglicht einen vergrößerten Anstieg der Zerspanungsgeschwindigkeit. Das Zulegieren dieser beiden Elemente hat keinen wesentlichen Effekt auf die Vorschubgeschwindigkeit, da sich die Verbesserung bei der maschinellen Bearbeitung hauptsächlich auf die Schnittgeschwindigkeit bezieht.

Durch Optimieren der Streckgrenze und der Kalthärtung, wie in dieser Anmeldung beschrieben, sowohl durch eine gesteuerte chemische Zusammensetzung als auch durch Steuern der prozentualen Flächenabnahme beim Kaltziehen, ist es möglich, sowohl die Vorschubgeschwindigkeit als auch die Schnittiefe beim maschinellen Bearbeiten zu er höhen. Darüberhinaus wird durch Zulegieren von Wismut und Schwefel bei Optimierung der Streckgrenze und der Kalthärtung die Wirkung auf die Vorschubgeschwindigkeit und die Schnittiefe wieder multiplikativ erhöht. Durch Zulegieren von Blei, zusammen mit Wismut, kann die er laubte Schnittgeschwindigkeit weiter erhöht werden, wo bei diese Wirkung wieder multiplikativ erhöht wird, wenn die erhöhte Zugabe von Schwefel und das Optimieren der Streckgrenze und der Kalthärtung berücksichtigt wird.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Automaten-Stabstahls mit einer Zusammensetzung von
C 0,07 bis 0,09 Gew.-%
Mn 0,7 bis 0,9 Gew.-%
S 0,30 bis 0,40 Gew.-%
P 0,03 bis 0,07 Gew.-%
Bi 0,05 bis 0,15 Gew.-%
dadurch gekennzeichnet, daß die Summe aus Ni, Cr, Mo und Cu insgesamt bis 0,15 Gew.-% beträgt und der Restanteil Eisen ist, daß das Verhältnis % Mn/% S auf zwischen 1,7 bis 2,8, die Differenz % Mn - (1,62 x %S) auf zwischen 0,05 und 0,3 und das Verhältnis % Bi/(% Ni + % Cu) auf mindestens 2,0 eingestellt wird, und daß der Stabstahl aus einem warmgewalzten Langmaterial unter einer Querschnittsverminderung zwischen 10% und 30% kaltgezogen wird, wobei der Grad der Querschnittsverminderung entsprechend einer vorbestimmten Streckgrenze ausgewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Streckgrenze im Bereich von 42 kN/cm² ei ne Querschnittsverringerung beim Kaltziehen des Stabes zwischen 10% und 20% gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Streckgrenze im Bereich von 48 kN/cm² ei ne Querschnittsverringerung beim Kaltziehen des Stabes zwischen 20% und 30% gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein warmgewalztes Langmaterial mit einem sechseckigen Querschnitt zu einem Stab mit ebenfalls sechseckigem Querschnitt unter einer Querschnittsverringerung zwischen 10% und 20% kaltgezogen wird.

5. Verfahren zum Herstellen eines Automaten-Stabstahls mit einer Zusammensetzung von
C 0,09 bis 0,11 Gew.-%
Mn 0,9 bis 1,1 Gew.-%
S 0,36 bis 0,46 Gew.-%
P 0,04 bis 0,08 Gew.-%
Bi 0,05 bis 0,15 Gew.-%
dadurch gekennzeichnet, daß die Summe aus Ni, Cr, Mo und Cu insgesamt bis 0,15 Gew. -% beträgt und der Restgehalt Eisen ist, daß das Verhältnis % Mn/% S auf zwischen 1,9 bis 2,8, die Differenz % Mn - (1,62 x %S) auf zwi schen 0,15 bis 0,40 und das Verhältnis % Bi/(% Ni + % Cu) auf mindestens 2,0 eingestellt wird, und daß der Stabstahl aus einem warmgewalzten Stab mit einer Dicke von bis zu 5 cm unter einer Querschnittsverminderung zwischen 6% und 10% kaltgezogen wird, wobei für eine Streckgrenze in einem Bereich von 42 kN/cm² eine Querschnittsverringerung beim Kaltziehen des Stabes zwischen 6% und 8% ausgewählt wird.

6. Verfahren zum Herstellen eines Automaten-Stabstahls mit einer Zusammensetzung von
C 0,09 bis 0,11 Gew.-%
Mn 0,9 bis 1,1 Gew.-%
S 0,36 bis 0,46 Gew.-%
P 0,04 bis 0,08 Gew.-%
Bi 0,05 bis 0,15 Gew.-%
dadurch gekennzeichnet, daß die Summe aus Ni, Cr, Mo und Cu insgesamt bis 0,15 Gew. -% beträgt und der Restgehalt Eisen ist, daß das Verhältnis % Mn/%S auf zwischen 1,9 bis 2,8, die Differenz % Mn - (1,62 x %S) auf zwi schen 0,15 bis 0,40 und das Verhältnis % Bi/(% Ni + % Cu) auf mindestens 2,0 eingestellt wird, und daß der Stabstahl aus einem warmgewalzten Stab mit einer Dicke von bis zu 5 cm unter einer Querschnittsverminderung zwischen 6% und 10% kaltgezogen wird, wobei für eine Streckgrenze im Bereich von 48 kN/cm² ei ne Querschnittsverringerung beim Kaltziehen des Stabes zwischen 8% und 10% ausgewählt wird.

7. Verfahren zum Herstellen eines Automaten-Stabstahles mit einer Zusammensetzung von
C 0,06 bis 0,13 Gew.-%
Mn 0,8 bis 1,3 Gew.-%
P 0,06 bis 0,09 Gew.-%
S 0,32 bis 0,50 Gew.-%
Bi 0,15 bis 0,25 Gew.-%
dadurch gekennzeichnet, daß die Summe aus Ni, Cr, Mo und Cu insgesamt bis 0,15 Gew.-% beträgt und der Restgehalt Eisen ist, daß das Verhältnis % Mn/%S zwischen 2,0 und 3,0; die Differenz % Mn - (1,62 x %S) zwischen 0,2 und 0,4; und das Verhältnis % Bi/(% Ni + % Cu) minde stens 2,0 beträgt, und daß der Stabstahl aus einem warm gewalzten Stab mit einer Dicke von mindestens 5 cm unter einer Querschnittsverminderung zwischen 3% und 6% kaltgezogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab einen runden oder rechteckigen Querschnitt und im wesentlichen die folgende Zusammensetzung aufweist:
C 0,10 bis 0,13 Gew.-%
Mn 1,0 bis 1,3 Gew.-%
P 0,06 bis 0,09 Gew.-%
S 0,40 bis 0,50 Gew.-%
Bi 0,15 bis 0,25 Gew.-%.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab einen hexagonalen Querschnitt und im wesentlichen die folgende Zusammensetzung aufweist:
C 0,06 bis 0,08 Gew.-%
Mn 0,8 bis 1,0 Gew.-%
P 0,06 bis 0,09 Gew.-%
S 0,32 bis 0,40 Gew.-%
Bi 0,15 bis 0,25 Gew.-%.

und daß die Querschnittsverringerung beim Kaltziehen des Stabes zwischen 3% und 5% liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stahl Pb von 0,05 bis 0,15 Gew. -% zulegiert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stahl Zr von 0,005 bis 0,05 Gew. -% zulegiert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stahl Te von 0,002 bis 0,1 Gew. -% zulegiert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stahl N von 0,006 bis 0,012 Gew. -% zulegiert wird.