DE60035616T2

DE60035616T2 - Bleifreier maschinenbaustahl mit ausgezeichneter verarbeitbarkeit und verminderter anisotropie der festigkeit

Info

Publication number: DE60035616T2
Application number: DE60035616T
Authority: DE
Inventors: Naoki Tokai-shi IWAMA; Susumu Tokai-shi OWAKI; Masao Tokai-shi UCHIYAMA; Isao Tokai-shi FUJII; Syoji Tokai-shi NISHIMON; Norimasa Himeji-shi TSUNEKAGE; Kazuhiro Himeji-shi KOBAYASHI; Motohide Toyota-shi MORI; Kazutaka Aichi-gun OGO; Kunio Aichi-gun NAITO
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2020-02-11
Also published as: EP1270757B1; US7445680B2; WO2001059170A1; US7195736B1; EP1270757A4; EP1270757A1; US20050058567A1; DE60035616D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bleifreien Stahl zur Verwendung für Maschinenstrukturen, der eine geringe Anisotropie der mechanischen Eigenschaften und eine hervorragende Zerspanungsbearbeitbarkeit in verschiedenen Schneidverfahren und unter verschiedenen Schneidbedingungen aufweist und der kein Blei enthält.
Aufgrund der in letzter Zeit erfolgten Beschleunigung und Automatisierung bei Schneidvorgängen wurde auf die Zerspanungsbearbeitbarkeit eines Stahls, der für Maschinenstrukturteile verwendet wird, Wert gelegt, und der Bedarf für sogenannte Automatenstähle mit einer verbesserten Zerspanungsbearbeitbarkeit ist gestiegen. Ferner werden die Anforderungen bezüglich der Festigkeit eines Stahlmaterials strenger. Wenn die Festigkeit eines Stahlmaterials zunimmt, wird dessen Zerspanungsbearbeitbarkeit verschlechtert. D.h., Verbesserungen bei gegenläufigen Eigenschaften, d.h. einer hohen Festigkeit und einer guten Zerspanungsbearbeitbarkeit, sind für neue Strukturstähle erforderlich.
Gegenwärtig sind Stahlmaterialien, die Pb, S bzw. Ca enthalten, als gewöhnlich verwendete Automatenstähle bekannt. Von diesen Stählen zeigt der Pb-enthaltende Automatenstahl, der Pb enthält, die hervorragenden Eigenschaften, dass er eine geringere Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften als ein Standardstahl aufweist, eine verbesserte Späneabfuhr (die Eigenschaft, dass Späne leichter abgeführt werden können) beim gewöhnlichen Drehen aufweist und die Lebensdauer von Werkzeugen verlängern kann, die für das Bohren, Gewindeschneiden, Reiben, Ausbohren bzw. Ausdrehen oder dergleichen eingesetzt werden. Ferner erleichtert der Pb-enthaltende Automatenstahl die Abfuhr von Spänen beim Tieflochbohren, so dass (Lochtiefe/Bohrdurchmesser) ≥ 3 erhalten wird, und er ist bezüglich des Verhinderns eines Werkzeugbruchs aufgrund einer plötzlichen Späneverstopfung hervorragend.
Darüber hinaus werden verschiedene Arten von Pb-Mischautomatenstählen entwickelt, welche die vorstehend genannten hervorragenden Eigenschaften durch den Zusatz von Elementen, wie z.B. S und Ca, die von Pb verschieden sind, aufweisen.
Die herkömmlichen Pb-enthaltenden Automatenstähle weisen jedoch die folgenden Nachteile auf.
Obwohl Pb ein ziemlich wirksames Element für eine Verbesserung der Zerspanungsbearbeitbarkeit von Stählen ist, handelt es sich um ein umweltschädliches Material. Aufgrund der in letzter Zeit stattfindenden Zunahme des Interesses an Umweltbelangen ist es deshalb erwünscht, ein Stahlmaterial ohne Pb, das mit dem Pb-enthaltenden Automatenstahl vergleichbar ist, zu entwickeln.
Obwohl es andererseits herkömmliche bekannte andere Automatenstähle ohne Pb gibt, können diese nicht den Pb-enthaltenden Automatenstahl ersetzen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass diese Stähle die folgenden Nachteile aufweisen.
Beispielsweise weist ein S-enthaltender Automatenstahl, der S enthält, einen Verbesserungseffekt bei der Verlängerung der Lebensdauer eines Werkzeugs für einen relativ breiten Bereich an Schneidvorgängen auf. Er ist jedoch dem Pb-enthaltenden Automatenstahl bezüglich der Späneabfuhr unterlegen. Darüber hinaus wird dann, wenn ein Stahl S enthält, MnS, das als ein Einschluss vorliegt, während des Warmwalzens oder des Warmschmiedens verlängert. Aufgrund dessen weist ein solcher Stahl den Nachteil einer Festigkeitsanisotropie auf, d.h. die mechanischen Eigenschaften eines solchen Stahls, einschließlich der Schlagfestigkeit, werden verschlechtert, wenn die Richtung von der Walzrichtung näher an der Richtung eines rechten Winkels liegt. Demgemäß ist es erforderlich, den S-Gehalt eines Stahlmaterials, das als eine Komponente verwendet werden soll, bei der auf die Schlagfestigkeit großer Wert gelegt wird, die wiederum zu einer unzureichenden Zerspanungsbearbeitbarkeit führt, zu vermindern.
Ferner beeinflusst ein Ca-desoxidierter Automatenstahl, bei dem der Schmelzpunkt eines Einschlusses auf Oxidbasis in dem Stahl durch eine Ca-Desoxidation gesenkt wird, die Festigkeitseigenschaften des Stahlmaterials kaum und zeigt einen hervorragenden Effekt der Verlängerung der Lebensdauer eines Carbidwerkzeugs im Hochgeschwindigkeitsschneidbereich. Der Ca-desoxidierte Automatenstahl weist jedoch nur einen geringen Effekt bei der Verbesserung der Zerspanungsbearbeitbarkeit auf, die von der Verlängerung der Lebensdauer des Carbidwerkzeugs verschieden ist. Normalerweise wird daher der Ca-desoxidierte Automatenstahl in einer Kombination mit S oder Pb eingesetzt, um eine Allround-Zerspanungsbearbeitbarkeit zu erhalten.
Es gibt ein Stahlmaterial, das in dem japanischen geprüften Patent mit der Veröffentlichungsnummer 5-15777 beschrieben ist, das ein Beispiel veranschaulicht, bei dem der Nachteil des S-enthaltenden Automatenstahls, d.h. die Festigkeitsanisotropie, durch Zusetzen von Ca und einheitliches Dispergieren und Verteilen von Einschlüssen in dem Stahl verbessert wird, und bei dem gleichzeitig die Zerspanungsbearbeitbarkeit des Stahls verbessert wird, und zwar im Gegensatz zu den herkömmlichen Ca-desoxidierten Automatenstählen. In diesem Fall weist das Stahlmaterial den Nachteil des Ca-desoxidierten Automatenstahls nicht auf. Es ist jedoch erforderlich, dem Stahlmaterial eine große S-Menge zuzusetzen, um eine angemessene Zerspanungsbearbeitbarkeit sicherzustellen. In dem vorstehend genannten Fall sollte dem Stahlmaterial eine ausreichende Menge an Ca zugesetzt werden, um die Form des Sulfids zu steuern. In diesem Fall wird jedoch die Ca-Ausbeute vermindert, was es ziemlich schwierig macht, eine Massenherstellung von Stählen zu realisieren.
Zusätzlich ist ein Stahlmaterial bekannt, das in dem japanischen geprüften Patent mit der Veröffentlichungsnummer 52-7405 als ein Beispiel von Stählen beschrieben ist, die den gleichen Effekt wie die vorstehend beschriebene Zugabe von Ca erreichen sollen. Dabei handelt es sich um Automatenstähle, die ein oder zwei Gruppe I-Element(e) Mg und Ba und ein oder mehr Gruppe II-Element(e) S, Se und Te enthalten. Da diesen Stahlmaterialien O in einem Bereich von 0,004 bis 0,012 % aktiv zugesetzt wird, weisen sie gegebenenfalls eine geringe Dauerfestigkeit auf. Ferner nehmen Oxide in den Stählen durch den aktiven Zusatz von O zu, wodurch gegebenenfalls die Zerspanungsbearbeitbarkeit, wie z. B. eine Bohrzerspanungsbearbeitbarkeit, verschlechtert wird.
Darüber hinaus beschreibt das japanische geprüfte Patent mit der Veröffentlichungsnummer 51-4934 einen Automatenstahl, der ein oder zwei Gruppe I-Element(e) Mg und Ba und ein oder mehr Gruppe II-Element(e) S, Se und Te enthält, sowie einen Automatenstahl, der selektiv Ca enthält. Diesen Stählen wird jedoch O in einem Bereich von 0,002 bis 0,01 % aktiv zugesetzt. Daher weisen sie gegebenenfalls eine geringe Dauerfestigkeit auf. Ferner nehmen Oxide in den Stählen durch den aktiven Zusatz von O zu, wodurch gegebenenfalls die Zerspanungsbearbeitbarkeit, wie z. B. eine Bohrzerspanungsbearbeitbarkeit, verschlechtert wird.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 51-63312 beschreibt einen Automatenstahl, der S, Mg und ein oder mehr Element(e) von Ca, Ba, Sr, Se und T enthält. 51-63312 zeigt jedoch nicht konkret die Zusammensetzung des Stahls und beschreibt die Technik unzureichend. Da dieser Stahl darüber hinaus auf der Annahme einer Al-Desoxidation beruht, besteht die Befürchtung, dass dessen Al-Gehalt 0,02 % übersteigt, bezüglich des O-Gehalts des Stahls gibt es keine Beschränkungen und die Dauerfestigkeit wird verschlechtert. Es besteht auch die Befürchtung, dass die Menge von Oxiden in dem Stahl durch den aktiven Zusatz von O zunimmt, und dass die Zerspanungsbearbeitbarkeit, wie z.B. eine Bohrzerspanungsbearbeitbarkeit, daher verschlechtert wird.
US 4,004,922 beschreibt niedrig legierte Automatenstahlzusammensetzungen, die durch Zugeben sehr geringer Mengen von mindestens Magnesium zu einem vorher desoxidierten Stahl hergestellt werden, um eine homogene Verteilung von kugelförmigen Sulfiden und Schwefel-enthaltenden Einschlüssen des Zusatzes bereitzustellen. Insbesondere kann der Stahl z.B. gemäß dem Beispiel 2 umfassen (in Gew.-%): C. 0,23, Si: 0,33, Mn: 1,48, S: 0,06, Cr: 0,57, Al: 0,025, Ca: 0,0015, Mg: 0,0030, und Fe als Rest.
EP 0 487 024 A1 beschreibt ein widerstandsgeschweißtes Stahlrohr für mechanische Konstruktionen, das in Gewichtsprozent 0,02 bis 0,60 % C, bis zu 0,4 % Si, 0,20 bis 2,0 % Mn, bis zu 0,030 % P, bis zu 0,040 % S, 0,001 bis 0,030 % T.Al, 0,0020 bis 0,0100 % N, bis zu 0,0060 % 0 und eines oder mehrere von Bi, Pb oder Te mit maximal 0,040 % für jedes dieser Elemente, mit der Maßgabe, dass die Gesamtmenge von Bi, Pb und Te 0,050 % nicht übersteigt, und als Rest Fe und unvermeidliche Verunreinigungen umfasst.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Nachteile gemacht und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen bleifreien Stahl zur Verwendung für Maschinenstrukturen bereitzustellen, der kein Pb enthält und gleiche oder bessere Eigenschaften als die herkömmlichen Pb-enthaltenden Automatenstähle aufweist, eine hervorragende Zerspanungsbearbeitbarkeit und eine geringe Festigkeitsanisotropie aufweist.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch den bleifreien Stahl nach Anspruch 1 gelöst. Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die im Anspruch 1 beanspruchte Erfindung ist ein bleifreier Stahl zur Verwendung für Maschinenstrukturen, mit einer hervorragenden Zerspanungsbearbeitbarkeit und einer geringen Festigkeitsanisotropie, umfassend, auf einer Gewichtsbasis, C: 0,10 bis 0,65 %, Si: 0,03 bis 1,00 %, Mn: 0,30 bis 2,50 %, S: 0,03 bis 0,35 %, Cr: 0,1 bis 2,0 %, Al: weniger als 0,005 %, Ca: 0,0005 bis 0,020 %, Mg: 0,0003 bis 0,020 %, O: weniger als 20 ppm, wobei der Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen ist, und wobei der bleifreie Stahl durch kontinuierliches Gießen hergestellt wird.
Die größten Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen darin, dass der Al-Gehalt und der O-Gehalt jeweils auf den vorstehend beschriebenen spezifischen Bereich beschränkt sind, der S-Gehalt über dem herkömmlichen Niveau liegt, Mg und Ca zugesetzt werden und kein Pb zugesetzt wird.
Stähle zur Verwendung für Maschinenstrukturen werden grob in die drei Arten eines wärmebehandelten Stahls, eines nicht-wärmebehandelten Stahls und eines Einsatzstahls eingeteilt, die gemäß dem Zweck und dergleichen unterschiedlich eingesetzt werden. Aufgrund dessen unterscheiden sich bei dem erfindungsgemäßen bleifreien Stahl zur Verwendung für Maschinenstrukturen diese drei Arten von Stählen geringfügig bezüglich bevorzugter Zusammensetzungsbereiche.
Nachstehend wird der Grund für die Beschränkung der Zusammensetzungsbereiche beschrieben, während auf die bevorzugten Bereiche für die drei Arten von Stählen eingegangen wird.
C: 0,10 bis 0,65 %
C ist ein essentielles Element zum Sicherstellen einer Festigkeit als Stahl zur Verwendung für Maschinenstrukturen und es werden nicht weniger als 0,10 % C zugesetzt. Zu viel C verursacht jedoch eine Zunahme des Härtens und verschlechtert die Zähigkeit und Zerspanungsbearbeitbarkeit. Daher wird die Obergrenze auf 0,65 % eingestellt.
Der C-Gehalt des wärmebehandelten Stahls beträgt insbesondere bevorzugt 0,28 bis 0,55 %, mehr bevorzugt 0,32 bis 0,48 %.
Der C-Gehalt des nicht-wärmebehandelten Stahls beträgt vorzugsweise 0,10 bis 0,55 %, mehr bevorzugt 0,35 bis 0,50 %.
Der C-Gehalt des Einsatzstahls beträgt vorzugsweise 0,10 bis 0,30 %, mehr bevorzugt 0,12 bis 0,28 %.
Si: 0,03 bis 1,00 %
Da Si ein essentielles Element als Desoxidationsmittel bei der Herstellung eines Stahls ist, wird die Untergrenze auf 0,03 % eingestellt. Zu viel Si verschlechtert jedoch die Duktilität. Ferner verschlechtert es auch die Zerspanungsbearbeitbarkeit durch Erzeugen von SiO₂, das in dem Stahl Einschlüsse mit großer Härte bildet. Daher wird dessen Obergrenze auf 1,00 % eingestellt.
Der Si-Gehalt von jedweder der vorstehend genannten drei Arten von Stählen beträgt vorzugsweise 0,10 bis 0,50 %, mehr bevorzugt 0,15 bis 0,35 %.
Mn: 0,30 bis 2,50 %
Im Allgemeinen ist Mn ein wichtiges Element zum Sicherstellen der Festigkeit, der Zähigkeit, der Duktilität beim Warmwalzen und der Härtbarkeit, und Mn ist ein essentielles Element zur Erzeugung eines Einschlusses auf Sulfidbasis gemäß der vorliegenden Erfindung. Daher werden nicht weniger als 0,30 % Mn zugesetzt. Zu viel Mn verursacht jedoch die Zunahme der Härte und verschlechtert die Zerspanungsbearbeitbarkeit. Daher wird die Obergrenze auf 2,50 % eingestellt.
Der Mn-Gehalt von jedweder der vorstehend genannten drei Arten von Stählen beträgt vorzugsweise 0,40 bis 2,00 %, mehr bevorzugt 0,60 bis 1,50 %.
S: 0,03 bis 0,35 %
S ist ein Element zur Erzeugung eines Einschlusses auf Sulfidbasis, der die Zerspanungsbearbeitbarkeit verbessern kann. Um einen Effekt bezüglich der Verbesserung der Zerspanungsbearbeitbarkeit zu erhalten, ist es erforderlich, nicht weniger als 0,03 % S zuzusetzen. Mit zunehmendem S-Gehalt verbessert sich die Zerspanungsbearbeitbarkeit. Zu viel S macht es jedoch schwierig, die Form des Sulfids durch Ca und Mg zu steuern und verschlechtert die Anisotropie der Schlagfestigkeit. Daher wird die Obergrenze auf 0,35 % eingestellt.
Der S-Gehalt von jedweder der vorstehend genannten drei Arten von Stählen beträgt vorzugsweise 0,04 bis 0,30 %, mehr bevorzugt 0,08 bis 0,20 %.
Cr: 0,1 bis 2,0 %
Cr wird zugesetzt, um die Härtbarkeit und die Zähigkeit des Stahls zu verbessern. Um die Effekte zu erhalten, sind nicht weniger als 0,1 % Cr erforderlich. Wenn andererseits eine große Menge Cr zugesetzt wird, nimmt die Härte eines Arbeitsmaterials zu. Es ist daher erforderlich, den Cr-Gehalt auf nicht mehr als 2,0 % einzustellen, um eine Zerspanungsbearbeitbarkeit sicherzustellen.
Der Cr-Gehalt von jedweder der vorstehend genannten drei Arten von Stählen beträgt vorzugsweise 0,10 bis 1,50 %, mehr bevorzugt 0,15 bis 1,20 %.
Al: weniger als 0,010 %
Wenn der Al-Gehalt nicht weniger als 0,010 % beträgt, wird ein Einschluss, der aus Al₂O₃ mit einer großen Härte besteht, erzeugt, was die Zerspanungsbearbeitbarkeit und die Dauerfestigkeit verschlechtert.
Der bevorzugte Bereich für den Al-Gehalt unterscheidet sich bezüglich der vorstehend genannten drei Arten von Stählen kaum.
Ca: 0,0005 bis 0,020
Ca ist wie Mn und Mg ein Element zur Erzeugung eines Sulfids. Darüber hinaus erzeugt Ca ein Mischoxid aus Al und Si und trägt zur Verbesserung von Effekten der Zerspanungsbearbeitbarkeit und der Anisotropie von mechanischen Eigenschaften durch die Steuerung der Gestalt eines Sulfids bei. Um diese Effekte zu erhalten, ist es erforderlich, nicht weniger als 0,0005 % Ca zuzusetzen. Andererseits ist die Ca-Ausbeute bei der Herstellung des Stahls sehr gering. Die Effekte werden gesättigt, wenn mehr Ca als erforderlich einbezogen wird. Daher wird dessen Obergrenze auf 0,020 % eingestellt.
Der Ca-Gehalt von jedweder der vorstehend genannten drei Arten von Stählen beträgt vorzugsweise 0,0005 bis 0,0060 %, mehr bevorzugt 0,0005 bis 0,0040 %.
Mg: 0,0003 bis 0,020 %
Mg zeigt die gleichen Effekte wie Ca. Wenn es mit Ca kombiniert wird, trägt Mg zu starken Verbesserungseffekten der Zerspanungsbearbeitbarkeit und der Anisotropie von mechanischen Eigenschaften bei. Um diese Effekte zu erhalten, ist es erforderlich, nicht weniger als 0,0003 % Mg zuzusetzen. Die Effekte werden gesättigt, wenn mehr Mg als erforderlich einbezogen wird. Daher wird dessen Obergrenze auf 0,020 % eingestellt.
Der Mg-Gehalt von jedweder der vorstehend genannten drei Arten von Stählen beträgt vorzugsweise 0,0003 bis 0,0060 %, mehr bevorzugt 0,0005 bis 0,0040 %.
O: Weniger als 20 ppm
Es ist bevorzugt, dass O so stark wie möglich vermindert wird, um die Erzeugung eines harten Einschlusses auf Oxidbasis zu unterdrücken, der für die Zerspanungsbearbeitbarkeit schädlich ist. Wenn nicht weniger als 20 ppm O einbezogen werden, nimmt die Menge an erzeugten harten Einschlüssen auf Oxidbasis zu, was die Zerspanungsbearbeitbarkeit und die Dauerfestigkeit verschlechtert. Es ist daher erforderlich, die O-Menge auf weniger als 20 ppm einzustellen.
Der bevorzugte Bereich für den O-Gehalt unterscheidet sich bezüglich der drei Arten von Stählen kaum.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die Form eines Oxids durch Beschränkungen des Al-Gehalts bzw. des O-Gehalts zu beschränken, und es ist möglich, die Verschlechterung von Schlageigenschaften, insbesondere der Anisotropie der Schlagfestigkeit (Festigkeitsanisotropie), zu minimieren, und die Zerspanungsbearbeitbarkeit des Stahls vergleichbar zu derjenigen eines Pb-enthaltenden Automatenstahls durch Einstellen des S-Gehalts auf ein höheres Niveau als herkömmlich und gleichzeitig Einbeziehen von Ca und Mg in den Stahl zu verbessern. Diese Verbesserungseffekte bezüglich der Festigkeitsanisotropie und der Zerspanungsbearbeitbarkeit sind größer als bei einem Fall, bei dem nur eines von Ca oder Mg in dem Stahlmaterial enthalten ist.
Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, neben dem Verbesserungseffekt bezüglich der Zerspanungsbearbeitbarkeit einen Verbesserungseffekt bezüglich der Dauerfestigkeit und dergleichen zu erhalten, und zwar dadurch, dass die vorstehend beschriebenen Beschränkungen bezüglich des Al-Gehalts bzw. des O-Gehalts eingehalten werden.
Der größte Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der Al-Gehalt auf weniger als 0,005 % vermindert ist.
Die Eigenschaften des kontinuierlichen Gießens dieses bleifreien Stahls zur Verwendung für Maschinenstrukturen, welche die Herstellungspraxis beeinflussen, können durch Einstellen des Al-Gehalts auf weniger als 0,005 % stark verbessert werden.
D.h., ein Al-Gehalt von nicht weniger als 0,005 % beschleunigt die Erzeugung von CaS in großen Mengen in dem geschmolzenen Stahl, wodurch CaS auf kontinuierlichen Gießdüsen abgeschieden wird und die Düsen zu einem Verstopfen neigen. Durch Beschränken des Al-Gehalts auf weniger als 0,005 % kann dieser Nachteil sicher beseitigt werden.
Ferner ist es gemäß der im Anspruch 2 beanspruchten Erfindung bevorzugt, dass der bleifreie Stahl zur Verwendung für Maschinenstrukturen ferner ein oder mehrere Element(e) umfasst, das bzw. die aus der Gruppe Mo: 0,05 bis 1,00 %, Ni: 0,1 bis 3,5 %, V: 0,01 bis 0,50 %, Nb: 0,01 bis 0,10 %, Ti: 0,01 bis 0,10 % und B: 0,0005 bis 0,0100 %, auf einer Gewichtsbasis, ausgewählt ist bzw. sind.
Der Grund für die Beschränkung der bevorzugten Zusammensetzungsbereiche wird nachstehend beschrieben.
Mo: 0,05 bis 1,00 % und Ni: 0,1 bis 3,5 %
Mo und Ni sind Elemente, welche die Härtbarkeit und die Zähigkeit des Stahls verbessern können und gegebenenfalls zugesetzt werden. Um diese Effekte zu erhalten, ist es bevorzugt, nicht weniger als 0,05 % Mo und nicht weniger als 0,1 % Ni zuzusetzen. Zu viel Mo und Ni verursacht eine Zunahme der Härte des Arbeitsmaterials. Daher ist es zur Sicherstellung der Zerspanungsbearbeitbarkeit bevorzugt, dass der Mo-Gehalt auf nicht mehr als 1,00 % und der Ni-Gehalt auf nicht mehr als 3,5 % eingestellt wird.
Der Mo-Gehalt von jedweder der vorstehend genannten drei Arten von Stählen beträgt vorzugsweise 0,10 bis 0,40 %, mehr bevorzugt 0,15 bis 0,30 %.
Ferner beträgt der Ni-Gehalt von jedweder der vorstehend genannten drei Arten von Stählen vorzugsweise 0,40 bis 3,00 %, mehr bevorzugt 0,40 bis 2,00 %.
V: 0,01 bis 0,50 %
Da V ein Element ist, das einen starken Ausscheidungsverfestigungseffekt aufweist, wird es zugesetzt, wenn Härtungs- und Anlassbehandlungen weggelassen werden. Um diesen Effekt zu erhalten, ist es bevorzugt, nicht weniger als 0,01 % V zuzusetzen. Wenn der V-Gehalt höher als 0,50 % ist, wird der Effekt gesättigt. Es ist daher bevorzugt, die Obergrenze auf 0,50 % einzustellen.
Der V-Gehalt des nicht-wärmebehandelten Stahls beträgt vorzugsweise 0,05 bis 0,35 %, mehr bevorzugt 0,05 bis 0,30 %.
Nb: 0,01 bis 0,10 % und Ti: 0,01 bis 0,10 %
Nb und Ti haben Effekte zur Erzeugung von Carbonitriden bzw. zum Feinermachen von Kristallkörnern durch den Verankerungseffekt und werden gegebenenfalls zugesetzt. Um diese Effekte zu erhalten, ist es erforderlich, nicht weniger als 0,01 % Nb und nicht weniger als 0,01 % Ti zuzusetzen. Wenn jedoch mehr als 0,10 % Nb und mehr als 0,10 % Ti in den Stahl einbezogen werden, werden diese Effekte gesättigt. Daher betragen die jeweiligen Obergrenzen vorzugsweise 0,10 %. Der Bereich beträgt mehr bevorzugt 0,01 bis 0,08 %, insbesondere 0,01 bis 0,06 %.
B: 0,0005 bis 0,0100 %
Selbst ein niedriger B-Gehalt hat Effekte des Verbesserns der Härtbarkeit und der mechanischen Eigenschaften des Stahls und B wird gegebenenfalls zugesetzt. Um die Effekte zu erhalten, ist es erforderlich, nicht weniger als 0,0005 % B zuzusetzen. Wenn mehr als 0,0100 % B enthalten sind, werden die Effekte gesättigt. Die Obergrenze beträgt daher vorzugsweise 0,0100 %. Der Bereich beträgt mehr bevorzugt 0,0005 bis 0,0060 %, insbesondere 0,0005 bis 0,0040 %.
Ferner ist es gemäß der im Anspruch 3 beanspruchten Erfindung bevorzugt, dass der bleifreie Stahl zur Verwendung für Maschinenstrukturen ferner ein oder zwei Element(e) umfasst, das bzw. die aus der Gruppe Bi: 0,01 bis 0,30 % und REM: 0,001 bis 0,10 %, auf einer Gewichtsbasis, ausgewählt ist bzw. sind.
Der Grund für die Beschränkung der bevorzugten Zusammensetzungsbereiche wird nachstehend beschrieben.
Bi: 0,01 bis 0,30 %
Da Bi zur Verbesserung der Späneabfuhr und der Bohreigenschaften des Stahls effektiv ist, wobei die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften kaum verschlechtert wird, wird es zugesetzt, wenn diese Eigenschaften erforderlich sind. Um den Effekt zu erhalten, ist es erforderlich, nicht weniger als 0,01 % Bi zuzusetzen. Wenn jedoch mehr als 0,30 % Bi enthalten sind, wird der Effekt gesättigt und die Kosten steigen. Daher beträgt die Obergrenze vorzugsweise 0,30 %. Der Bereich beträgt mehr bevorzugt 0,01 bis 0,10 %, insbesondere 0,01 bis 0,08 %.
REM: 0,001 bis 0,10 %
Da ein REM (Seltenerdelement) einen starken Effekt der Steuerung der Form eines Sulfids aufweist, wird es verwendet, um die Effekte von Mg und Ca zu verstärken. Es sollte beachtet werden, dass das REM vorwiegend aus Mischlegierungen von Ce, La, Nd, Pr und Sm besteht. Um diesen Effekt zu erhalten, ist es erforderlich, nicht weniger als 0,001 % REM zuzusetzen. Wenn jedoch mehr als 0,10 % REM enthalten sind, wird der Effekt gesättigt und die Kosten steigen. Daher beträgt die Obergrenze vorzugsweise 0,10 %. Der Bereich beträgt mehr bevorzugt 0,001 bis 0,006 %, insbesondere 0,001 bis 0,004 %.
Ferner ist es gemäß der im Anspruch 4 beanspruchten Erfindung bevorzugt, dass der bleifreie Stahl zur Verwendung für Maschinenstrukturen eines oder zwei, ausgewählt aus der Gruppe (Ca, Mg)S und (Ca, Mg, Mn)S, als Einschluss auf Sulfidbasis umfasst. Es gibt verschiedene Sulfide, die S mit Ca, Mg und Mn kombinieren. Dabei ist es insbesondere durch Einbeziehen mindestens eines Mischsulfids (Ca, Mg)S, das aus Ca, Mg und S besteht, oder eines Mischsulfids (Ca, Mg, Mn)S, das aus Ca, Mg, Mn und S besteht, möglich, die Carbidwerkzeugverschleißeigenschaften stark zu verbessern.
1 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Bewertungsverfahren für die Tiefbohreigenschaften in der ersten Ausführungsform zeigt,
2 ist eine Photographie als Ersatz für eine Zeichnung, die Bilder von jeweiligen Elementen in einem Stahl X gemäß der vorliegenden Erfindung in der sechsten Ausführungsform zeigt,
3 ist eine Photographie als Ersatz für eine Zeichnung, die Bilder von jeweiligen Elementen zeigt, die an einem Werkzeug anhaften, das zum Schneiden des Stahls X gemäß der vorliegenden Erfindung in der siebten Ausführungsform verwendet worden ist,
4 ist eine Photographie als Ersatz für eine Zeichnung, die Bilder von jeweiligen Elementen zeigt, die an einem Werkzeug anhaften, das zum Schneiden eines herkömmlichen Stahls Y in der siebten Ausführungsform verwendet worden ist, und
5 ist eine Photographie als Ersatz für eine Zeichnung, die Bilder von jeweiligen Elementen zeigt, die an einem Werkzeug anhaften, das zum Schneiden eines herkömmlichen Stahls Z in der siebten Ausführungsform verwendet worden ist.
Zur Bewertung der hervorragenden Eigenschaften eines erfindungsgemäßen bleifreien Stahls zur Verwendung für Maschinenstrukturen wurden verschiedene Tests für jede von drei Arten von Stählen durchgeführt, d.h. für wärmebehandelte Stähle, für nicht-wärmebehandelte Stähle und für Einsatzstähle.
Die Ergebnisse dieser Tests werden nachstehend als Ausführungsformen gezeigt.
Erste Ausführungsform
In dieser Ausführungsform werden gemäß den Tabellen 1 und 3 ein Stahl A (nicht erfindungsgemäß) und herkömmliche Stähle B und C, wobei es sich bei allen um wärmebehandelte Stähle handelt, hergestellt und miteinander verglichen.
Der herkömmliche Stahl B ist ein Pb-enthaltender Automatenstahl, der 0,1 % Pb enthält. Dieser herkömmliche Stahl B liegt bezüglich des S-Gehalts und des O-Gehalts außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung.
Ferner ist der herkömmliche Stahl C ein Stahl, dem Ca und Mg nicht zugesetzt worden sind.
Jedes Stahlmaterial wird in einem Vakuumschmelzofen mit einer Kapazität von 100 kg geschmolzen, bei 1200°C auf einen Durchmesser von 60 mm geschmiedet und gestreckt, und ein Teil davon wird weiter zu einem rechteckigen Stahlmaterial von 40 × 70 mm geschmiedet und gestreckt. Danach wird jeder Stahl einer Wärmebehandlung unterzogen, die ein Härten bei 880°C und dann ein Anlassen bei 580°C umfasst.
Unter Verwendung des Stahlmaterials mit einem Durchmesser von 60 mm werden Tests bezüglich der Zerspanungsbearbeitbarkeit, ein Zugtest und ein Schlagtest in einer Schmiede- und Streckrichtung (wobei diese Richtung nachstehend als L-Richtung bezeichnet wird) durchgeführt. Darüber hinaus werden unter Verwendung der rechteckigen Stahlprodukte von 40 × 70 mm Schlagtests in einer Richtung durchgeführt, die senkrecht zur Schmiede- und Streckrichtung ist (wobei diese Richtung nachstehend als T-Richtung bezeichnet wird).
Testverfahren bezüglich der Zerspanungsbearbeitbarkeit und der Schneidbedingungen sind in der Tabelle 2 gezeigt. Ein JIS Nr. 4-Prüfkörper und ein JIS Nr. 3-Prüfkörper werden als Zugtestprüfkörper bzw. als Schlagtestprüfkörper verwendet.
Unter der Voraussetzung, dass es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Stahl zu entwickeln, der einen Pb-enthaltenden Automatenstahl ersetzt, werden die Bewertungsgegenstände des Tests bezüglich der Zerspanungsbearbeitbarkeit mit einer Betonung auf die Späneabfuhr und die Bohr-Zerspanungsbearbeitbarkeit bewertet, wobei es sich um Vorteile des Pb-enthaltenden Automatenstahls handelt.
Ferner wird gemäß der 1 in einem Tiefbohrtest, bei dem es sich um einen der Tests bezüglich der Zerspanungsbearbeitbarkeit handelt, die Schneidkraft (Drehmoment T₂) von Beginn des Bohrens an gemessen. Unter der Annahme, dass die Bohrzeit t, die erforderlich ist, bis das Drehmoment T₂ zweimal so groß wird wie ein stabiles Bohrdrehmoment T₁, die „stabile Bohrzeit" ist, werden die „stabile Bohrtiefe (mm)", die als „stabile Bohrzeit (s)" × „Vorschub (mm/s)" definiert ist, berechnet und bewertet.
Das Testergebnis und dergleichen sind in der Tabelle 3 gezeigt.
Wie es aus der Tabelle 3 ersichtlich ist, zeigt der Stahl als wärmebehandelter Stahl Eigenschaften, die denjenigen der herkömmlichen Stähle B und C bei allen Bewertungsgegenständen überlegen sind. Bezüglich der Bohrerlebensdauer ist insbesondere der Stahl A den herkömmlichen Pb-enthaltenden Automatenstählen weit überlegen.
Zweite Ausführungsform
In dieser Ausführungsform werden, wie es in den Tabellen 1 und 3 gezeigt ist, die bereits vorstehend beschrieben worden sind, ein Stahl D gemäß der vorliegenden Erfindung und herkömmliche Stähle E bis G, die alle nicht-wärmebehandelte Stähle sind, hergestellt und miteinander verglichen.
Der herkömmliche Stahl E ist ein Pb-enthaltender Automatenstahl, der 0,17 % Pb enthält. Der herkömmliche Stahl F ist ein Pb-enthaltender Automatenstahl, dem Pb und Ca zugesetzt worden sind und der 0,18 % Pb und 22 ppm Ca enthält. Der herkömmliche Stahl G enthält kein Ca und Mg. Der Al-Gehalt jedes der herkömmlichen Stähle E bis G übersteigt 0,010 %.
Die jeweiligen Stahlmaterialien werden in einem Vakuumschmelzofen mit einer Kapazität von 30 kg geschmolzen, bei 1200°C auf einen Durchmesser von 40 mm geschmiedet und gestreckt, und ein Teil davon wird weiter zu einem rechteckigen Stahlmaterial von 40 × 70 mm geschmiedet und gestreckt. Danach wird jeder der Stähle 30 min bei 1200°C gehalten und dann wird damit eine Luftkühlungswärmebehandlung durchgeführt.
Unter Verwendung der Stahlmaterialien mit einem Durchmesser von 40 mm werden Tests bezüglich der Zerspanungsbearbeitbarkeit, ein Zugtest und ein Schlagtest in L-Richtung durchgeführt. Unter Verwendung der rechteckigen Stahlmaterialien von 40 × 70 mm wird ein Schlagtest in T-Richtung durchgeführt.
Die Testverfahren, die Schneidbedingungen, die Zugtestprüfkörper und die Schlagtestprüfkörper sind mit denjenigen der ersten Ausführungsform identisch.
Das Testergebnis und dergleichen sind in der Tabelle 3 gezeigt.
Wie es aus der Tabelle 3 ersichtlich ist, zeigt der erfindungsgemäße Stahl D als nicht-wärmebehandelter Stahl Eigenschaften, die denjenigen der herkömmlichen Stähle E bis G in allen Bewertungsgegenständen überlegen sind. Der Stahl D zeigt insbesondere eine weit überlegene Leistung bezüglich des Carbidwerkzeugverlusts durch Verschleiß und eine weit überlegene Bohrerlebensdauer bezüglich herkömmlicher Pb-enthaltender Automatenstähle.
Der Grund dafür, dass die Bohrerlebensdauer, bei der es sich um einen Vorteil des Pb-enthaltenden Automatenstahls handelt, bei dem Stahl D verglichen mit derjenigen des herkömmlichen Stahls F, bei dem es sich um einen Bleimischautomatenstahl handelt, der eine hervorragende Zerspanungsbearbeitbarkeit aufweist, beträchtlich verlängert ist, liegt in der Tatsache begründet, dass verglichen mit den herkömmlichen Stählen der Al-Gehalt und der O-Gehalt gleichzeitig vermindert sind, die Menge an Oxiden und deren Formen so gesteuert sind, dass das Niveau des S-Gehalts erhöht ist und dem Stahl sowohl Mg als auch Ca zugesetzt sind. Diese Verbesserung kann nicht erhalten werden, so lange diese Verfahren nicht durchgeführt werden.
Dritte Ausführungsform
In dieser Ausführungsform werden, wie es in den Tabellen 1 und 3 gezeigt ist, die bereits vorstehend beschrieben worden sind, Stähle H und J gemäß der vorliegenden Erfindung und herkömmliche Stähle J und K, die alle Einsatzstähle sind, hergestellt und miteinander verglichen.
Der größte Unterschied zwischen den erfindungsgemäßen Stählen H und J besteht darin, dass dem Stahl H Bi zugesetzt worden ist.
Der herkömmliche Stahl J ist ein Automatenstahl, dem S und Pb in großen Mengen zugesetzt worden sind. Der Al-Gehalt jedes der herkömmlichen Stähle J und K übersteigt 0,010 %.
Jedes Stahlmaterial wird in einem Vakuumschmelzofen mit einer Kapazität von 100 kg geschmolzen, bei 1200°C auf einen Durchmesser von 60 mm geschmiedet und gestreckt, und ein Teil davon wird weiter zu einem rechteckigen Stahlmaterial von 40 × 70 mm geschmiedet und gestreckt. Danach wird jedes Stahlmaterial einer Normalisierungswärmebehandlung für 60 min bei 900°C unterzogen.
Unter Verwendung der Stahlmaterialien mit einem Durchmesser von 60 mm werden Tests bezüglich der Zerspanungsbearbeitbarkeit durchgeführt. Die Prüfkörper für den Zugtest und den Schlagtest in L-Richtung werden aus den vorstehend genannten Stahlmaterialien mit 60 mm Durchmesser herausgeschnitten und die Prüfkörper für den Schlagtest in T-Richtung werden aus den vorstehend genannten rechteckigen Stahlmaterialien von 40 × 70 mm herausgeschnitten. Nachdem diese Prüfkörper bei 880°C gehärtet und bei 180°C angelassen worden sind, werden sie fertigbearbeitet und dann mechanischen Tests unterzogen.
Die Testverfahren und dergleichen sind mit denjenigen der ersten Ausführungsform identisch.
Das Testergebnis und dergleichen sind in der Tabelle 3 gezeigt.
Wie es aus der Tabelle 3 ersichtlich ist, zeigen die erfindungsgemäßen Stähle H und I als Einsatzstähle Eigenschaften, die zumindest bezüglich der Zerspanungsbearbeitbarkeit denjenigen der herkömmlichen Stähle J und K überlegen sind. Darüber hinaus behalten die Stähle H und I nahezu die gleichen mechanischen Eigenschaften wie diejenigen der herkömmlichen Stähle bei.
Die Bohrerlebensdauer bei dem erfindungsgemäßen Stahl H, dem Bi zugesetzt worden ist, wird insbesondere überraschend verlängert. Diese Verbesserung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Verformung von Einschlüssen durch das Verhalten eines niedrigen Schmelzens von Bi beschleunigt wird und dass das Mischsulfid einen Effekt der Unterdrückung des Fortschreitens des Werkzeugverschleißes aufweist.
Vierte Ausführungsform
In dieser Ausführungsform werden ein Stahl L gemäß der vorliegenden Erfindung, herkömmliche Stähle M und N und ein Vergleichsstahl, die alle nicht-wärmebehandelte Stähle sind, hergestellt und bezüglich der Dauerfestigkeitseigenschaften miteinander verglichen.
Der herkömmliche Stahl M ist ein Automatenstahl, der Pb enthält, und der herkömmliche Stahl N ist ein Pb-Mischautomatenstahl, der zusätzlich zu Pb Ca enthält.
Der Vergleichsstahl O ist ein Stahl, der durch Erhöhen des O-Gehalts in dem erfindungsgemäßen Stahl auf mehr als 20 ppm erhalten worden ist.
Jedes Stahlmaterial wird in einem Vakuumschmelzofen mit einer Kapazität von 30 kg geschmolzen, bei 1200°C auf einen Durchmesser von 60 mm geschmiedet und gestreckt, 30 min bei 1200°C gehalten und dann einer Luftkühlungswärmebehandlung unterzogen.
Prüfkörper werden jeweils aus den Stahlmaterialien mit einem Durchmesser von 60 mm herausgeschnitten und Zugtests und Rotations- und Biegedauerfestigkeitstests des Ono-Typs werden durchgeführt.
Das Testergebnis ist in der Tabelle 5 gezeigt.
Wie es aus der Tabelle 5 ersichtlich ist, zeigt der erfindungsgemäße Stahl L eine Zugfestigkeit, die sich nur geringfügig von derjenigen des herkömmlichen Stahls M (Blei-enthaltender Automatenstahl) und derjenigen des herkömmlichen Stahls N (Bleimischautomatenstahl) unterscheidet, und er zeigt eine Dauerfestigkeit und ein Dauerfestigkeitsverhältnis, die gleich oder größer als diejenigen der herkömmlichen Stähle M und N sind. Darüber hinaus ist der Vergleichsstahl O, der einen höheren Sauerstoffgehalt aufweist als der erfindungsgemäße Stahl L, bezüglich der Dauerfestigkeitseigenschaften unterlegen. Es wird davon ausgegangen, dass dies auf die Zunahme der Menge und der Größe eines Oxideinschlusses zurückzuführen ist.
Fünfte Ausführungsform
In dieser Ausführungsform werden wärmebehandelte Stähle und nicht-wärmebehandelte Stähle bezüglich der kontinuierlichen Gießeigenschaften bewertet. Bei dieser Bewertung wurden gemäß der Tabelle 6 die erfindungsgemäßen Stähle P bis S und die Vergleichsstähle T bis W hergestellt. Die Vergleichsstähle T bis W werden durch Erhöhen des Al-Gehalts auf jeweils nicht weniger als 0,05 % in den erfindungsgemäßen Stählen P bis S erhalten.
Ein kontinuierlicher Gießtest wird unter Verwendung einer kontinuierlichen Vorblockgießanlage des Nennzahltyps 370 mm × 530 mm nach dem Schmelzen der Stähle in einem elektrischen Ofen mit einer Kapazität von 130 Tonnen-LF (Pfannenbehandlungsofen)-RH (Vakuumentgasungsanlage) durchgeführt. Es wird dann getestet, ob 130 Tonnen geschmolzenes Metall durch die kontinuierliche Gießanlage gegossen werden oder nicht.
Das Testergebnis ist in der Tabelle 7 gezeigt.
Wie es aus der Tabelle 7 ersichtlich ist, wurden bei den jeweiligen erfindungsgemäßen Stählen P bis S, deren Al-Gehalt auf einen niedrigen Wert von weniger als 0,005 % vermindert war, alle 130 Tonnen des geschmolzenen Metalls gegossen, ohne dass die Düsen der Gießanlage verstopft wurden.
Bei den Vergleichsstählen T bis W, die jeweils einen Al-Gehalt von nicht weniger als 0,005 % aufweisen, findet ein Verstopfen der Düsen statt und die gesamten 130 Tonnen des geschmolzenen Metalls können nicht kontinuierlich gegossen werden.
Sechste Ausführungsform
In dieser Ausführungsform wird ein Stahl X, bei dem es sich um einen erfindungsgemäßen nicht-wärmebehandelten Stahl handelt, der in der Tabelle 8 gezeigt ist, hergestellt und Einschlüsse in dem Stahl werden untersucht.
Der erfindungsgemäße Stahl X wird in einem Vakuumschmelzofen mit einer Kapazität von 30 kg geschmolzen und bei 1200°C auf einen Durchmesser von 40 mm geschmiedet und gestreckt. Danach wird der Stahl 30 min bei 1200°C gehalten und dann einer Luftkühlungswärmebehandlung unterzogen.
Das Ergebnis der Einschlussuntersuchung ist in der 2 gezeigt. Die 2 ist eine Photographie als Ersatz für eine Zeichnung, die SEM (Rasterelektronenmikroskop)-Bilder und die jeweiligen Bilder der Elemente Mn, Si, Mg, S, Al, Fe, O, P und Ca an der gleichen Position des SEM-Bilds zeigt.
Wie es aus der 2 ersichtlich ist, werden Mn, Mg, S und Ca in dem gleichen Einschluss nachgewiesen und das Vorliegen von MnS, (Mg, Ca)S und (Mn, Mg, Ca)S wird bestätigt. Ferner ist die Form des Einschlusses in dem erfindungsgemäßen Stahl kugelförmig, während ein Sulfid, das üblicherweise durch MnS dargestellt wird, nach dem Schmieden und Strecken zu einer stäbchenartigen Form ausgebildet ist. Es wird davon ausgegangen, dass dies zeigt, dass der Kerbeffekt durch die Einschlüsse während der Tests der mechanischen Eigenschaften vermindert wird und dass bezüglich der mechanischen Eigenschaften die Anisotropie der Schlagfestigkeit verbessert wird.
Siebte Ausführungsform
In dieser Ausführungsform werden ein erfindungsgemäßer Stahl X und herkömmliche Stähle Y und Z hergestellt und bezüglich des Carbidwerkzeugverlusts durch Verschleiß, der Späneabfuhrindizes, der Tiefbohreigenschaften und der Bohrerlebensdauer Tests unterzogen.
Die Testbedingungen und dergleichen sind mit denjenigen in der ersten Ausführungsform identisch. Darüber hinaus wird die Verteilung von Legierungselementen auf den Flächenverschleißteilen (Kraterverschleißteilen) der jeweiligen Werkzeuge untersucht.
Der herkömmliche Stahl Y ist ein Bleimischautomatenstahl, der Pb und Ca enthält. Der herkömmliche Stahl Z ist ein Stahl, der kein Pb enthält, bei dem jedoch der Al-Gehalt erhöht und kein Ca und Mg zugesetzt sind. Das Herstellungsverfahren für die Stähle Y und Z ist mit demjenigen des erfindungsgemäßen Stahls X identisch.

Die Testergebnisse sind in der Tabelle 9 gezeigt. Tabelle 9

Stahlart		Carbidwerkzeugverlust durch Verschleiß (mm)	Späneabfuhrindex	Tiefbohreigenschaften (mm)	Bohrerlebensdauer (Bohrungsanzahl)
erfindungsgemäßer Stahl	X	0,07	32	87	922
herkömmlicher	Y	0,12	32	87	920
Stahl	z	0,20	3	39	393

Wie es aus der Tabelle 9 ersichtlich ist, ist der erfindungsgemäße Stahl X bezüglich aller Bewertungsgegenstände den herkömmlichen Stählen Y und Z überlegen.
Die Untersuchungsergebnisse der Legierungselementverteilung sind in den 3 bis 5 gezeigt. Diese Figuren sind Photographien als Ersatz für eine Zeichnung, von denen jede das SEM-Bild der Oberfläche des Flächenverschleißteils des Werkzeugs nach dem Verschleißtest und die Bilder der Elemente Ca, S, Mn, Mg, W, Fe, Si, Al und O an der gleichen Position des SEM-Bilds zeigt.
Wie es aus der 3 ersichtlich ist, haften in dem Stahl X gemäß der vorliegenden Erfindung Mn, S, Ca und Mg an dem Flächenverschleißteil des Werkzeugs. Es wird davon ausgegangen, dass dies zeigt, dass der Stahl eine Schmierfunktion zeigt, die aus dem Verbundeffekt von MnS und (Ca, Mg)S resultiert, so dass das Fortschreiten des Werkzeugverschleißes unterdrückt wird.
Wie es aus der 4 ersichtlich ist, haften in dem herkömmlichen Stahl Y Ca und S an dem Verschleißteil und Pb haftet an dem Endabschnitt des Verschleißteils. Obwohl aufgrund dieses Ergebnisses davon ausgegangen werden kann, dass die Schmierfunktion von CaS das Fortschreiten des Werkzeugverschleißes unterdrücken kann, ist der Unterdrückungsgrad geringer als derjenige des erfindungsgemäßen Stahls X.
Wie es aus der 5 ersichtlich ist, ist bei dem herkömmlichen Stahl Z S geringfügig auf dem Verschleißteil des Werkzeugs verteilt, jedoch haften Fe und O in großen Mengen daran. Co, das in dem Werkzeug enthalten ist, wird durch ein Fe-Oxid ersetzt, das derart wirkt, dass es den Werkzeugverschleiß beschleunigt. Es wird davon ausgegangen, dass dies der Grund dafür ist, warum das Werkzeug stark verschlissen ist.
Achte Ausführungsform
In dieser Ausführungsform werden mehr erfindungsgemäße Stähle und Vergleichsstähle hergestellt und bezüglich der Zerspanungsbearbeitbarkeit und anderer Eigenschaften wie in dem Fall der ersten Ausführungsform bewertet.
Als erstes werden als die erfindungsgemäßen Stähle 78 Arten von Stählen, a1 bis a78, die jeweils durch verschiedenartiges Verändern der erfindungsgemäßen Zusammensetzungsbereiche erhalten werden, gemäß den Tabellen 10 bis 12 hergestellt.
Als Vergleichsstähle werden 8 Arten von Stählen, b1 bis b8, die nicht in die jeweiligen erfindungsgemäßen Zusammensetzungsbereiche fallen, gemäß der Tabelle 13 hergestellt.
Der Vergleichsstahl b1 weist einen S-Gehalt unter der Untergrenze auf und der Vergleichsstahl b2 weist einen S-Gehalt über der Obergrenze auf. Der Vergleichsstahl b3 weist einen Al-Gehalt über der Obergrenze auf. Der Vergleichsstahl b4 weist einen Ca-Gehalt unter der Untergrenze auf und der Vergleichsstahl b5 weist einen Ca-Gehalt über der Obergrenze auf. Der Vergleichsstahl b6 weist einen Mg-Gehalt unter der Untergrenze auf und der Vergleichsstahl b7 weist einen Mg-Gehalt über der Obergrenze auf. Der Vergleichsstahl b8 weist einen O-Gehalt über der Obergrenze auf.
Wärmebehandelte Stähle werden in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform hergestellt und nicht-wärmebehandelte Stähle werden in der gleichen Weise wie in der zweiten Ausführungsform hergestellt. In den später gezeigten Tabellen 14 bis 17 sind diejenigen, die Daten bezüglich einer Härtung und eines Anlassens aufweisen, die wärmebehandelten Stähle, und diejenigen, die Daten bezüglich einer Luftkühlbehandlung aufweisen (nach dem Erhitzen bei 1200°C), die nicht-wärmebehandelten Stähle.
Mit den wärmebehandelten Stählen werden mechanische Tests nach dem Härten und Anlassen durchgeführt, und mit den nicht-wärmebehandelten Stählen werden sie nach dem Erhitzen bei 1200°C und anschließender Luftkühlbehandlung durchgeführt. Die anderen Bedingungen sind mit denjenigen in der ersten bis dritten Ausführungsform identisch.
Die Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 14 bis 17 gezeigt. Um die Ergebnisse zu verdeutlichen, wird ein sehr gutes Ergebnis durch das Zeichen ʘ, ein gutes Ergebnis durch das Zeichen O und ein schlechtes Ergebnis durch das Zeichen × angegeben.
Die Beurteilungskriterien für ʘ, O und x der jeweiligen Bewertungsgegenstände sind in der Tabelle 18 gezeigt.
Wie es aus den Tabellen 14 bis 16 ersichtlich ist, zeigen alle erfindungsgemäßen Stähle überlegene Ergebnisse bei allen Bewertungsgegenständen.
Im Gegensatz dazu zeigte gemäß der Tabelle 17 keiner der Vergleichsstähle zufrieden stellende Ergebnisse bei allen Bewertungsgegenständen.
Insbesondere kann der Vergleichsstahl b1, dessen S-Gehalt unter der Untergrenze liegt, keine ausreichenden Eigenschaften bezüglich des Carbidwerkzeugverlusts durch Verschleiß, der Späneabfuhr, der Tiefbohreigenschaften und der Bohrerlebensdauer erreichen.
Der Vergleichsstahl b2, dessen S-Gehalt über der Obergrenze liegt, ist bezüglich der Anisotropie der Schlagfestigkeit und des Dauerfestigkeitsverhältnisses unzureichend.
Der Vergleichsstahl b3, dessen Al-Gehalt über der Obergrenze liegt, ist bezüglich des Carbidwerkzeugverlusts durch Verschleiß und des Dauerfestigkeitsverhältnisses unzureichend. Ferner erreichen die Tiefbohreigenschaften und die Bohrerlebensdauer des Vergleichsstahls b3 verglichen mit dem nicht-wärmebehandelten Stahl (luftgekühlte Stähle) von den erfindungsgemäßen Stählen a1 bis a78, da der Vergleichsstahl b3 aus dem nicht-wärmebehandelten Stahl besteht, kein sehr gutes Niveau, sondern bleiben bei einem guten Niveau, wohingegen nahezu alle erfindungsgemäßen Stähle sehr gute Niveaus beim Tiefbohren und der Bohrerlebensdauer wie Pb-enthaltende Automatenstähle zeigen.
Der Vergleichsstahl b4, dessen Ca-Gehalt unter der Untergrenze liegt, zeigt keine(n) hervorragende(n) Carbidwerkzeugverlust durch Verschleiß, Bohreriebensdauer und Anisotropie der Schlagfestigkeit.
Der Vergleichsstahl b5, dessen Ca-Gehalt über der Obergrenze liegt, zeigt kein hervorragendes Dauerfestigkeitsverhältnis.
Der Vergleichsstahl b6, dessen Mg-Gehalt unter der Untergrenze liegt, zeigt keine(n) hervorragende(n) Carbidwerkzeugverlust durch Verschleiß, Bohreriebensdauer und Anisotropie der Schlagfestigkeit.
Der Vergleichsstahl b7, dessen Mg-Gehalt über der Obergrenze liegt, zeigt kein hervorragendes Dauerfestigkeitsverhältnis.
Der Vergleichsstahl b8, dessen O-Gehalt über der Obergrenze liegt, zeigt keine(n) hervorragende(n) Carbidwerkzeugverlust durch Verschleiß, Bohreriebensdauer und kein hervorragendes Dauerfestigkeitsverhältnis.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist es erfindungsgemäß möglich, einen bleifreien Stahl zur Verwendung für Maschinenstrukturen bereitzustellen, der kein Pb enthält und bezüglich der Eigenschaften identisch mit oder besser als die herkömmlichen, Pb-enthaltenden Automatenstähle ist, eine hervorragende Zerspanungsbearbeitbarkeit und eine geringe Festigkeitsanisotropie aufweist.

Claims

Bleifreier Stahl zur Verwendung für Maschinenstrukturen, der eine hervorragende Zerspanungsbearbeitbarkeit und eine geringe Festigkeitsanisotropie aufweist, umfassend, auf einer Gewichtsbasis, C: 0,10 bis 0,65 %, Si: 0,03 bis 1,00 %, Mn: 0,30 bis 2,50 %, S: 0,03 bis 0,35 %, Cr: 0,1 bis 2,0 %, Al: weniger als 0,005 %, Ca: 0,0005 bis 0,020 %, Mg: 0,0003 bis 0,020 %, O: weniger als 20 ppm, wobei der Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen ist.
Bleifreier Stahl nach Anspruch 1, der ferner, auf Kosten von Eisen, ein oder mehrere Element(e) umfasst, das bzw. die aus der Gruppe Mo: 0,05 bis 1,00 %, Ni: 0,1 bis 3,5 %, V: 0,01 bis 0,50 %, Nb: 0,01 bis 0,10 %, Ti: 0,01 bis 0,10 % und B: 0,0005 bis 0,0100 %, auf einer Gewichtsbasis, ausgewählt ist bzw. sind.
Bleifreier Stahl nach Anspruch 1 oder 2, der ferner, auf Kosten von Eisen, ein oder zwei Element(e) umfasst, das bzw. die aus der Gruppe Bi: 0,01 bis 0,30 % und REM: 0,001 bis 0,10 %, auf einer Gewichtsbasis, ausgewählt ist bzw. sind.
Bleifreier Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der ferner eines oder zwei, ausgewählt aus der Gruppe (Ca, Mg)S und (Ca, Mg, Mn)S, als Einschluss auf Sulfidbasis umfasst.