DE69705691T2

DE69705691T2 - Verfahren zur Herstellung von aufgeschwefeltem Stahl mit feiner austenitischer Körnung

Info

Publication number: DE69705691T2
Application number: DE69705691T
Authority: DE
Inventors: Gianfranco Chioatto; Giovanni Maccio'
Original assignee: LUCCHINI SpA
Current assignee: LUCCHINI SpA
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: EP0838534A1; DK0838534T3; EP0838534B1; SI0838534T1; DE69705691D1; PT838534E; IT1286045B1; GR3036834T3; ATE203282T1; ITMI962219A1; ES2160891T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das entsprechende Verfahren zum Erhalt eines verbesserten aufgeschwefelten Stahls mit feiner austenitischer Körnung.
Es ist allgemein bekannt, daß Eisensulfid in Stahl eine eutektische Phase mit Eisenmetall bildet, die einen Schmelzpunkt bei 988ºC zeigt; daher ist das Vorhandensein von Eisensulfid im Stahl schädlich, weil es den Stahl dazu bringt, Warmbrüchigkeit (d. h. eine Brüchigkeit bei hoher Temperatur) zu zeigen - und die Temperaturen zum Schmieden und Walzen von Stahl sind normalerweise höher als 988ºC.
Ein Zusetzen von Mangan zum Stahl führt dazu, daß Mangan (II)-Sulfide gebildet werden, die keine eutektischen Phasen mit Eisen erzeugen und höhere Schmelztemperaturen haben als die Temperaturen zum Schmieden und Walzen von Stahl.
Aus der technischen Literatur ist es außerdem allgemein bekannt, daß die kleinste Menge von dem Stahl hinzuzufügendem Mangan, ausgedrückt als Prozentwert, achtmal so hoch sein muß wie der Prozentwert des vorhandenen Schwefels, um so sicherzustellen, daß der Stahl keine Warmbrüchigkeit zeigt.
Mangan (II)-Sulfide können im Stahl in drei charakteristischen Formen vorhanden sein und sind bekannt als Sulfide vom Typ 1, Sulfide vom Typ 2 bzw. Sulfide vom Typ 3.
Sulfide vom Typ 1 zeigen eine Kugelform, und man erhält sie in Gegenwart hoher Sauerstoffwerte (vgl. z. B. unberuhigte Stähle, halbberuhigte Stähle und Freibearbeitungsstähle).
Sulfide vom Typ 2 zeigen eine dendritische Struktur und präzipitieren an den Grenzen der Primärverfestigungskörner; sie erscheinen in beruhigten Stählen mit Aluminiummengen, die gerade dazu ausreichen, den Stahl zu desoxidieren.
Sulfide vom Typ 3 werden gebildet, wie die Werte von Aluminium und anderen Elementen, die eine hohe Affinität zu Sauerstoff zeigen (Titan oder Vanadium), erhöht werden, bis solche Werte erreicht werden, daß das austenitische Korn reguliert wird.
Gegenwärtig sind die Stähle, die in der Motorfahrzeugindustrie allgemein und insbesondere in der Automobilindustrie verwendet werden, aufgeschwefelte Kohlenstoff- und Legierungsstähle mit feiner austenitischer Körnung, die für Behandlungen durch Einsatzhärtung und Härtungs-Temperung geeignet sind und Zusätze von Aluminium und/oder Titan und/oder Niobium in solchen Mengen enthalten, daß das Vorhandensein einer feinen austenitischen Körnung gewährleitstet ist (Sulfide vom Typ 3).
Es wurde jedoch auch gezeigt, daß die Werte der Kornregulierungselemente, die für ein vollständiges Desoxidieren von Stahl und zum Steuern der austenitischen Kornstruktur erforderlich sind, Sulfide (Sulfide vom Typ 3) erzeugen, die die Eigenschaften der maschinellen Bearbeitbarkeit des resultierenden Stahls gefährden. Unter diesem Gesichtspunkt sind die geeignetsten Sulfide zum Verbessern der maschinellen Bearbeitbarkeit von Stahl Sulfide vom Typ 1, die andererseits nicht unter solchen Bedingungen zu erhalten sind, wie sie in dem voraufgegangenen Absatz beschrieben sind.
Demgemäß entsteht die Notwendigkeit, die Entwicklung eines Produktes zu untersuchen, das die beiden oben erläuterten Anforderungen erfüllt.
Eine vorgeschlagene Lösung besteht darin, dem Stahl, der Sulfide vom Typ 3 enthält, solche Metallelemente wie Blei oder Tellur zuzusetzen, von denen bekannt ist, daß sie die maschinelle Bearbeitbarkeit von Stahl verbessern, die jedoch sehr gefährlich sind für die Gesundheit der mit der Stahlerzeugung befaßten Personen und sodann der Anwender bei der Stahlverarbeitung.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zum Erhalt eines aufgeschwefelten Stahls mit feiner austenitischer Körnung zu schaffen, das die oben erläuterten Nachteile vermeidet und insbesondere in der Motorfahrzeugindustrie allgemein und insbesondere in der Automobilindustrie verwendet werden kann, weil es so beschaffen ist, daß es eine vollständige Desoxidierung von Stahl, eine feine austenitische Kornstruktur und eine bessere maschinelle Bearbeitbarkeit von Stahl im Vergleich zum Stand der Technik zu erhalten ermöglicht.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Erhalt eines aufgeschwefelten Stahls mit feiner austenitischer Körnung zu schaffen, der für die Gesundheit derjenigen, die ihn im Stahlwerk herstellen und ihn in der nachfolgenden Behandlung benutzen, ungefährlich ist.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Erhalt eines verbesserten aufgeschwefelten Stahls mit feiner austenitischer Körnung bei niedrigen Kosten ohne Anwendung komplexer und kostenaufwendiger Technologien zu schaffen.
Diese Ziele werden erreicht durch ein Verfahren zur Herstellung eines aufgeschwefelten Stahls mit feiner austenitischer Körnung gemäß Anspruch 1, auf welchen Anspruch hiermit aus Gründen der Kürze Bezug genommen wird.
In vorteilhafter Weise ermöglicht es der Zusatz von seltenen Erden als einfacher Metalldraht oder als von Metallen, Metallegierungen und anderen aufgebrachten Überzügen (z. B. Keramikbeschichtungen) umhüllter Draht zu aufgeschwefelten Kohlenstoff- und Legierungsstählen mit feiner austenitischer Körnung in eine Blockkoquille oder einen Tundish, eine gute Diffusion und Homogenisierung des Produktes und eine homogene Verteilung der kugelförmigen Sulfide im Gußteil zu erhalten.
Auf diese Weise verbessern die im Stahl enthaltenen Sulfide die maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls im Vergleich zu den herkömmlichen Techniken, während gleichzeitig das Nichtvorhandensein einer Warmbrüchigkeit, die Regulierung der austenitischen Körnung und die vollständige Desoxidierung des Stahls gewährleistet werden.
Entsprechend den obigen Ausführungen gewährleistet der Zusatz von Mangan zum Stahl das Nichtvorhandensein der Warmbrüchigkeit; Mangan(II)-Sulfide vom Typ 1 zeigen eine kugelförmige Struktur und werden in Gegenwart hoher Sauerstoffwerte erreicht, während die Sulfide vom Typ 2 (die in Stählen gebildet werden, die kleinste Mengen von Aluminium enthalten), eine dendritische Stuktur zeigen und an den Grenzen der Primärverfestigungskörner präzipitieren, mit dem Nachteil, daß der resultierende Stahl eine beträchtlich höhere Warmbrüchigkeit zeigt.
Durch eine Erhöhung der Menge von Aluminium oder anderen Elementen, die eine hohe Affinität zu Sauerstoff zeigen (wie etwa Titan oder Vanadium) bis zu solchen Werten, die ein leichtes Regulieren der austenitischen Körnung erlauben (d. h. mit Werten höher als 0,015 Gew.-%) treten Sulfide vom Typ 3 auf, die sich im Stahl mit winkligen und unregelmäßigen Formen zufallsverteilen.
Nach dem Warmwalzen zeigen Sulfide vom Typ 1 eine Linsenform, während Sulfide vom Typ 2 und Typ 3 sehr dünne Bänder oder Plaques bilden; diese Eigenschaft der Sulfide des Typs 2 und des Typs 3 trägt dazu bei, die maschinelle Bearbeitbarkeit von Stahl zu verbessern. Praktisch bringt bei der maschinellen Bearbeitung die Schneidkante die Werkzeugs eine Kraft auf den Kontaktbereich des Stahls auf, was dazu führt, daß Mikrorisse in ihm gebildet werden.
Es ist offensichtlich, daß das Vorhandensein von nichtmetallischen Einschlüssen die notwendige Kraft zum Erzeugen der Mikrorisse und die Spanform wesentlich verringert.
In denjenigen Fällen, in denen die Mikrorisse so sind, daß sie nicht dazu führen, daß der Span in Fragmente zerbricht, stößt man bei der mechanischen Bearbeitung (Drehen, Bohren) auf Probleme.
Wenn, im Gegenteil hierzu, die Mikrorisse dazu führen, daß der Span in Fragmente zerbricht, nimmt die erforderliche Kraft zum Erzeugen der Mikrorisse ab, und der Stahl zeigt eine bessere maschinelle Bearbeitbarkeit.
Im gegebenen Fall bewirken Sulfide des Typs 2 und des Typs 3 nicht, daß der Span in Fragmente zerbricht.
Im Gegensatz dazu wurde beobachtet, daß bei kugelförmigen Sulfiden des Typs 1, die eine grobere Morphologie zeigen, eine erheblich verbesserte maschinelle Bearbeitbarkeit des Stahls erreicht wird.
Gegenwärtig kann die kristallographische Form von Mangan (II)-Sulfiden durch die Zugabe von Übergangsmetallen der Gruppe III (Lanthanoide oder seltene Erden) gesteuert werden; ein solches Zusetzen führt zur Bildung von kugelförmigen Sulfiden, bedingt jedoch die Bildung von Oxiden, die die Stranggießdüsenbohrungen verstopfen.
Tatsache ist, daß seltene Erden eine hohe Affinität zu Sauerstoff zeigen (höher als Aluminium und Magnesium), und wenn sie mit hohen Werten (0,03 bis 0,04 Gew.-%) vorhanden sind, erfahren die seltenen Erden eine Oxidation mit gleichzeitig sowohl Aluminumoxid im Stahl in der Form von Einschlüssen als auch Aluminiumoxid, welches das feuerfeste Material von Walzblöcken, Düsenbohrungen und Verschlußstücken bildet, die sämtlich auf Aluminiummetall reduziert werden.
Daher kann das Stranggießen von Stahl nicht durchgeführt werden, wenn man wünscht, der Gießpfanne eine solche Menge an seltenen Erden zuzusetzen, daß der Schwefel vollständig gebunden wird, d. h., theoretisch, eine Menge von 0,29 kg/t (Kilogramm pro Produktonne) pro je 0,01 Gew.-% des im Stahl enthaltenen Schwefels.
Nach der vorliegenden Erfindung können im Gegenteil die Sulfide vom Typ 3 in kugelförmige Sulfide umgewandelt werden, und es können Stranggußstähle erreicht werden, die eine bessere maschinelle Bearbeitbarkeit als entsprechende aus dem Stand der Technik bekannte Stähle zeigen.
Die Lanthanoide werden in einer ausreichenden Menge, um die Sulfide zur Umwandlung in Kugelform zu bringen, als einfache Metalldrähte oder Metalldrähte zugegeben, die von Metallelementen, Metallegierungen oder anderen aufgetragenen Materialien (z. B. Keramikbeschichtungen) umhüllt sind.
Insbesondere enthält der nach der vorliegenden Erfindung hergestellte Stahl Anteile von Lanthanoiden, die ausreichen, um 20% bis 100% kugelförmige Sulfide im verfestigten Stahl zu erhalten.
Die gewünschte Menge an Metalldraht wird der Blockkokille oder dem Tundish zugeteilt, mit, im letzteren Fall, besonderen feuerfesten Materialien, die die Eigenschaft zeigen, daß sie nicht chemisch mit den Lanthanoiden reagieren, die zur Herstellung von Walzblöcken oder Düsenbohrungen verwendet werden.
So erhält man kugelförmige Sulfide bei Einsatzhärtung und Härtung-Temperung von Kohlenstoffstählen und/oder Legierungsstählen mit feiner austenitischer Kornstruktur, die Mengen an Schwefel gleich oder höher als 0,02 Gew.-% enthalten, hergestellt durch Stranggießen, zur Verwendung in der Mechanikindustrie allgemein und der Automobilindustrie im besonderen.
Die oben genannten Stähle zeigen eine feine austenitische Kornstruktur, und man erreicht sie durch das Zusetzen solcher Anteile an Metallelementen, wie etwa Aluminium, Titan, Niobium, Vanadium oder Legierungen dieser Elemente, daß der Endanteil dieser Elemente im Stahl höher ist als 0,015 Gew.-%.
Das Vorhandensein der oben genannten Metallelemente in größeren Mengen als 0,015 Gew.-% im Stahl führt dazu, daß, wie bereits erwähnt, Sulfide (vom Typ 3) gebildet werden, deren Form einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Eigenschaften der maschinellen Bearbeitbarkeit des Stahls hat.
Die Menge von den Sulfiden zuzusetzenden seltenen Erden in Form von Metalldraht von beliebigen Formen (mit kreisförmigem, quadratischem, sechseckigem Querschnitt usw.), die dem Tundish oder der Blockkokille zuzusetzen sind, liegt im Bereich von 0,05 kg/t bis 0,35 kg/t pro je 0,01 Gew.-% Schwefel.
Das Zusetzen von seltenen Erden als Einzelelemente oder Legierungen in Form von Metalldraht zur Blockkokille macht es möglich, daß die Lanthanoide am Produkt perfekt diffundiert und homogenisiert werden und eine gleichmäßig homogene Verteilung kugelförmiger Sulfide im Gußteil erreicht wird.
In gleicher Weise wird diese Homogenität der Verteilung erreicht, wenn die Zugabe zum Tundish erfolgt.
Aus der obigen Beschreibung gehen die Eigenschaften des verbesserten, aufgeschwefelten Stahls mit feiner austenitischer Körnung und des Verfahrens zu seiner Gewinnung deutlich hervor, welches Verfahren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, wie auch seine Vorteile deutlich sind.
Insbesondere stellen sich diese Vorteile dar als:
- die Möglichkeit zum Erhalt simultan aufgeschwefelter Kohlenstoffstähle und Legierungsstähle mit feiner austenitischer Körnung, Einsatzhärtung und Härtung-Temperung, die eine ausreichend hohe maschinelle Bearbeitbarkeit zeigen, für eine Verwendung in der Mechanikindustrie und insbesondere in der Automobilindustrie;
- reduzierte Kosten im Vergleich zum Stand der Technik unter Beachtung der erreichten Vorteile.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von aufgeschwefeltem Stahl mit feiner austenitischer Körnung vom Typ Kohlenstoffstahl und Legierungsstahl, hergestellt durch Stranggießen und geeignet für Einsatzhärtung und Härtungs-Temperungsbehandlungen, wobei der Stahl S in Mengen gleich oder höher als 0,02 Gew.-% enthält und das Verfahren einen ersten Zusatz von Mn zum Stahl in Mengen gleich oder höher als achtmal so hoch wie der Wert des Schwefel- Gewichtsprozentsatzes, einen zweiten Zusatz von Metallelementen in einer Gesamtmenge gleich oder höher als 0,015 Gew.-% zur Gewährleistung einer feinen austenitischen Kornstruktur und einen weiteren Zusatz von seltenen Erden oder Lanthanoiden in Mengen von 0,05 Kg/t bis 0,35 Kg/t pro jeweils 0,01 Gew.-% S umfaßt, um so 20% bis 100% kugelförmiger Sulfide im verfestigten Stahl zu erhalten, wobei die seltenen Erden oder Lanthanoiden in Form von Drähten in einen Stranggieß-Tundish oder in eine Stranggieß-Blockkokille zugegeben werden.

2. Verfahren zur Herstellung eines Stahls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelemente Al, Ti, Nb, V oder deren Mischungen umfassen.

3. Verfahren zur Herstellung eines Stahls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte nichtbeschichtete Drähte oder Drähte sind, die mit Metallen, Metallegierungen oder keramischen Überzügen umhüllt sind.