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Eisen- und Stahllegierungen mit guter Bearbeitbarkeit durch Schneidwerkzeuge
Die Erfindung betrifft Eisen- oder Stahllegierungen zur Herstellung von Gegenständen,
welche für mechatusche Bearbeitung durch Schneidwerkzeuge bestimmt sind. Die Erfindung
bezieht sich dabei insbesondere auf Stahl, bei dem die Schwierigkeiten der spanabhebenden
Bearbeitung eine besondere Rolle spielen.
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Zur Zeit erhalten derartige Stähle im allgemeinen einen' Zusatz von
Schwefel. Auch wird für diesen Zweck Selen benutzt. Schwefel und Seien werden dem
Stahl in solchen Mengen zugesetzt, daß der endgültige Gehalt mehr als o,o5 °!" beträgt.
Werden beide Stoffe gleichzeitig zugesetzt, so ist im allgemeinen ein höherer Gesamtzusatz
erforderlich.
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Beispielsweise sind gewisse für die Bearbeitung durch Schneidwerkzeuge
geeignete Stähle (Automatenstähle) bei der Herstellung von Stahl nach allgemein
anerkannten Gruppen zusammengestellt. Stähle dieser Gruppe werden in den Vereinigten
Staaten von Nordamerika nach allgemein anerkannten Vorschriften der Society of Automotive
Engineers (SAE.) hergestellt. Zur Zeit erfolgt die Herstellung nach der folgenden
Liste:
| Tafel i. SAE.- Stahl für Bearbeitung durch Schneidwerkzeuge |
| SAE. |
| Kohlenstoffgehalt Mangangehalt Phosphorgehalt Schwefelgehalt |
| Nr. 0 # r 0 0/0 0 700 .
% |
| 1112 ... o,o8 bis o,16 o,6o bis o,go o,og bis o,13 o,io
bis o,2o |
| X1112 . . . o,o8 bis o,16 o,6o bis o,go o,og bis o,13 o,2o
bis 0,30 |
| 1115. . .. o,ao bis o,2o 0,70 bis i,oo 0,045 max. 0,075
bis 0,15 |
| 1120 ... 0,15 bis o,25 o,6o bis o,go 0,045 max. 0,075
bis o,15 |
| X1314 ... o,xo bis o,2o i,oo bis 1,30 0,045 max. 0,075
bis 0;15 |
| X1315 ... o,io bis o,-.o 1,3o bis 1,6o 0,045 max. 0,075
bis o,15 |
| XI 330 ... 0,25 bis 0,35 1,35 bis 1,65 0,045
max. 0,075 bis o,15 |
| X1335 ... 0,3o bis o,4o 1,35 bis 1,65 0,045 max. 0,075
bis o,15 |
| XI 340 ... 0,35 bis 0,45 1,35 bis 1,65 0,o45 max. 0,075
bis 0,15 |
Alle diese Stähle haben einen höheren Schwefelgehalt (0,075 bis
0,300 °/0)
als Stähle anderer Gruppen, die nicht für die Bearbeitung . durch Schneidwerke bestimmt
sind. Die Steigerung des Schwefelgehaltes ist die allgemein angewandte Maßnahme,
um einen Stahl zu erhalten, der sich mechanisch und durch Schneidwerkzeuge bearbeiten
läßt.
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Indessen hat der Zuschlag von derartig hohen Mengen von Schwefel gewisse
Nachteile und Grenzen. Der Zuschlag von Schwefel erschwert nämlich die Verarbeitung
des Stahles in heißem Zustande, Beispielsweise beim Auswalzen des Ingots. Aus diesem
Grunde ist es üblich, derartige Stähle von verhältnismäßig hohem Schwefelgehalt
bei höheren Temperaturen zu verarbeiten als Stähle geringeren Schwefelgehaltes.
Außerdem ist es bei der Herstellung des Stahles allgemein üblich, bei Steigerung
des Schwefelgehaltes den Manganzusatz zu erhöhen, um die Notbrüchigkeit des Stahles
zu vermeiden, also zu verhindern, daß der Stahl bei Rothitze brüchig wird und an
Festigkeit einbüßt. Außerdem erhält der Stahl durch den Zusatz von zuviel Schwefel
selbst innerhalb der in der vorstehenden Tafel angegebenen Grenzen nachteilige physikalische
Eigenschaften. Beispielsweise nimmt seine Dehnbarkeit ab.
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Es ist bekannt, daß unter gewissen Bedingungen durch eine Steigerung
des Phosphorgehaltes die Möglichkeit der mechanischen Bearbeitung des Stahles verbessert
wird. Das gilt insbesondere für solche Stähle, die einen geringen Kohlenstoffgehalt
.besitzen und verhältnismäßig weich sind und während der mechanischen Bearbeitung
zum Schmieren neigen. Dieser Mangel läßt sich durch Zusatz von Phosphor beheben.
Indessen läßt sich die mechanische Bearbeitung des Stahles durch Zusatz von Phosphor
nur innerhalb gewisser Grenzen verbessern. Ein zu hoher Zusatz von Phosphor erhöht
die Härte und vermindert die Dehnbarkeit. Bei gewissen Stählen ist aber eine bestimmte
Dehnbarkeit erforderlich, und deshalb ist eine Steigerung des Phosphorgehaltes in
den durch Schneidwerkzeuge zu bearbeitenden Stählen unzulässig.
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Bessemer-Stahl läßt sich im allgemeinen besser als Siemens-Martin-Stahl
durch Schneidwerkzenge bearbeiten. Indessen ist Bessemer-Stahl heutzutage etwas
kostspieliger in der Herstellung als Siemens-Martin-Stahl, und auch läßt sich die
Zusammensetzung des Stahles nicht mit der gleichen Sicherheit überwachen. Auch besitzen
einige Stahlwerke keine Bessemer-Birnen. Aus diesen Gründen sind in den letzten
Jahren Siemens-Martin-Stähle auf Kosten der Bessemer-Stähle in erhöhtem Maße in
Aufnahme gekommen. Daher wäre es sehr erwünscht, Siemens-Martin-Stähle derart herzustellen,
daß sie sich ebenso gut bearbeiten lassen wie Bessemer-Stahl. Das ist aber bisher
durch Steigerung des Schwefelgehaltes ohne Beeinträchtigung der sonstigen Eigenschaften
nicht gelungen.
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Zwar sind erhebliche Fortschritte bei der Herstellung des Stahles
hinsichtlich der mechanischen Bearbeitung, insbesondere durch Steigerung des Schwefelzusatzes,
erzielt worden, und es gibt zur Zeit wenigstens neun Stähle in der SAE.-Liste, so
daß der Verbraucher eine Auswahl hinsichtlich der mechanischen Bearbeitung auf Grund
seiner Liste treffen kann. Gleichwohl besteht noch immer das Bedürfnis, die Möglichkeit
der Bearbeitung des Stahles durch Schneidwerkzeuge weiterhin zu verbessern. Das
gilt insbesondere dann, wenn durch eine derartige Verbesserung andere wichtige Eigenschaften
des Stahles nicht beeinträchtigt, werden, insbesondere die Möglichkeit der Bearbeitung
in warmem Zustande, die Dehnbarkeit und andere physikalische Eigenschaften. Die
Fachwelt hat kostspielige Untersuchungen angestellt, um die Stähle in dieser Richtung
zu verbessern, und zwar hat sie die chemische Zusammensetzung verändert und neue
Methoden ausgearbeitet, in welcher Weise Schwefel, Phosphor, Mangan und Kohlenstoff
zugesetzt werden könne. Auch ist der Sauerstoffgehalt im Stahl verändert worden.
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Indessen ist bisher ein wesentlicher Fortschritt gegenüber dem. bekannten
Stahl nichterreicht worden. Die Erfindung gründet sich vorwiegend auf die Feststellung,
daß die Möglichkeit der mechanischen Bearbeitung von Stählen durch einen Zusatz
von Blei verbessert werden kann, vorausgesetzt, daß das Blei unter solchen Bedingungen
und in der Weise zugeführt wird, daß es nach dem Erstarren des Stahles in genügender
Menge in dem Zustande der Dispersion enthalten ist. Ein der Bearbeitung durch Schneidwerkzeuge
gut zugänglicher Stahl läßt sich dadurch herstellen, daß diesem Blei entweder an
Stelle des gesamten oder im wesentlichen des gesamten Schwefels zugesetzt wird oder
als Zusatz zu dem Schwefel, vorausgesetzt, daß das Blei in einer solchen Menge und
unter solchen Bedingungen zugesetzt wird, daß eine möglichst gleichförmige Dispersion
erreicht wird. Durch einen in dieser
Weise zugesetzten Bleigehalt
wird auch die Möglichkeit der mechanischen Bearbeitung verbessert, selbst wenn ein
der Bearbeitung durch Schneidwerkzeuge besonders zugänglicher Stahl nicht angestrebt
wird. Ferner hat sich ergeben, daß das in dieser Weise zugesetzte Blei die sonstigen
mechanischen Eigenschaften des Stahles nicht wesentlich beeinträchtigt.
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Die Feststellungen, auf die sich die Erfindung gründet, widersprechen
den bisherigen Auffassungen über die Wirkung des Bleis in Eisenlegierungen und Stahl,
nach denen Blei in Stahl nicht löslich ist.
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Dr. M. Hansen hat in seinem Buche Zweistoff-Legierungen, Julius Springer,
Berlin 1936, S.716, Untersuchungen über Eisen-Blei-Legierungen veröffentlicht. Seine
Diagramme zeigen keine Löslichkeit unterhalb des Schmelzpunktes des Eisens, während
oberhalb dieser Temperatur zwei flüssige Schichten mit sehr geringer Löslichkeit
vorhanden sind. Er bezieht sich auf Isaac und Tammann, die zu dem Ergebnis kamen,
daß die Metalle praktisch in flüssigem Zustande nicht ineinander löslich sind. Hansen
erwähnt auch Stavenhagen und Schuchard, die angeben, daß die Mischung in scharf
getrennten Schichten erstarrt und daß die Metalle praktisch nicht löslich ineinander
sind. Er erwähnt aus Tammann und Oelsen, daß die Löslichkeit von Eisen in Blei 3
X 1o-4 % beträgt und daß Blei keinen Einfluß auf die Umwandlungstemperatur des Eisens
besitzt. Zweifellos haben solche Veröffentlichungen in der Literatur andere Forscher
davon abgeschreckt, Blei als Zusatz zum Stahl als Mittel zur Verbesserung der mechanischen
Bearbeitung und der Schnittfähigkeit zu verwenden.
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Es ist schon früher vorgeschlagen, dem Eisen Blei zuzusetzen. Diese
Vorschläge erstreckten sich entweder auf Gußeisen oder besondere Stahllegierungen,
oder sie bezweckten eine Reinigung oder die Beseitigung von Mängeln in den Ingots.
In einigen Fällen zeugte die große Menge des Bleizusatzes von einem gänzlichen Mängel
an der richtigen Erkenntnis über die Anforderungen der Herstellung des Stahles.
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Jedenfalls war es bisher nicht bekannt, daß Blei gewöhnlichem Stahl
in der Weise zugesetzt werden könnte, daß er besser mechanisch bearbeitet werden
konnte. Insbesondere ist noch nicht der Vorschlag gemacht, Blei in den richtigen
Mengen und in der richtigen Art zuzusetzen, um einen gut schnittfähigen Stahl zu
erzielen, sei es mit oder ohne einen Zusatz' von Schwefel od. dgl.
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So hat man beispielsweise vorgeschlagen, Blei oder Wismut in Mengen
von o,5 bis 2 °/o mit Antimon als Trägermetall zu Gußeisen oder Stahl zuzusetzen,
um eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion zu erreichen. Stellte man schon
hierbei Blei und Wismut als gleichwertig nebeneinander, was für die Erhöhung des
Korrosionswiderstandes zutreffen mag, so konnte eine wesentliche Schneidfähigkeit
ohne Beeinträchtigung der sonstigen mechanischen Eigenschaften des Stahles schon
durch die Anwendung von Antimon nicht erzielt werden, die eine erhöhte Sprödigkeit
herbeiführt. Darüber hinaus war man sich auch nicht darüber klar, daß es beim Zusatz
von Blei auf die besondere Art und Verteilung des Bleis und auf den Bleigehalt entscheidend
ankommt, welcher unter Berücksichtigung der eintretenden Verluste in dem fertigen
Erzeugnis vorhanden ist. Gleiches gilt im wesentlichen auch von dem weiterhin bekannten
Vorschlag, 0,5 bis 2 °/o Blei zu einer hochprozentigen Chromeisenlegierung zuzusetzen,
welche eine besondere Widerstandsfähigkeit gegen heiße Säuren besitzen sollte, wobei
man dem Bleizusatz gewisse Wirkungen hinsichtlich der Vermeidung von Auskristallisationen
und der Erleichterung der Warmverformung zuschrieb.
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Die Erfindung betrifft demgegenüber Eisen- oder Stahllegierungen zur
Herstellung von Gegenständen, welche für eine mechanische Bearbeitung durch Schneidwerkzeuge
bestimmt sind, und besteht im wesentlichen darin, daß die Legierung außer Eisen
und anderen Zusätzen Kohlenstoff bis zu 1,7 % und Blei in derartigen Mengen und
in im wesentlichen gleichmäßiger Verteilung enthält, daß die Bearbeitungseigenschaften
der Legierung durch'Schneidwerkzeuge ohne Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeitswerte
verbessert werden.
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Nach der Erfindung kommt es also entscheidend nicht nur auf die Höhe
des Bleizusatzes, sondern auch darauf an, diesen gleichmäßig und fein' in der fertigen
Legierung zu verteilen, um eine entscheidende Verbesserung der Schneidfähigkeit
ohne Beeinträchtigung der mechanischen Festigkeitswerte zu erreichen. Im allgemeinen
kann nach der Erfindung ein Zusatz von Blei in derartigen Mengen zur Anwendung gebracht
werden, daß die fertige Legierung einen Bleigehalt von 0,03 bis 0,478 °/o
aufweist, doch wird vielfach ein Bleigehält von nicht weniger als o,1 °/o oder sogar
o,21 °/o von besonderem Vorteil sein. Es ist in allen Fällen vorteilhaft, das Blei
bei der Herstellung der Legierung derart fein und gleichmäßig zu verteilen, daß
im wesentlichen alle Bleiteilchen bei fünfhundertfacher Vergrößerung submikroskopische
Abmessungen besitzen.
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Die Erfindung wird daher vorteilhaft in einem neuen Verfahren zur
Herstellung von bleihaltigen Eisen- oder Stahllegierungen verwirklicht, bei dem
das Blei einem im Zustande lebhafter Bewegung befindlichen Schmelzfluß zugegeben
wird. Beispielsweise kann das Blei einem strömenden Schmelzfluß der Legierung zugegeben
werden und vorteilhaft dem Stahl zugesetzt werden, während dieser in die zur Herstellung
der Ingots dienende Gießform gegossen wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
der der Erfindung zugrunde liegendem neuen Arbeitsweise ist jedoch auch dann gegeben,
wenn das Blei in den Tiegel eines Hochfrequenzofens zugesetzt wird, in dem der Stahl
naturgemäß in starker Bewegung ist. Auch hierbei kann eine vollkommene Dispergierung
des Bleis im Stahl erreicht werden.
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Erfolgt der Zusatz während des Gießens der Ingots, so ist es empfehlenswert,
das Blei schon bald nach dem Beginnen des Gießens zuzusetzen. Ferner muß das Blei
in solchen Mengen zugesetzt werden, daß der Stahl auch die erforderliche Menge aufnimmt.
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Der nach dem neuen Verfahren hergestellte bleihaltige Stahl zeigt
bei mikroskopischer Untersuchung ein eigenartiges. Gefüge, das auf metallographischem
Wege bestimmt werden kann und von Bedeutung für
die Beurteilung
der mechanischen Bearbeitung des Stahles ist.
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Die Zeichnung zeigt in einer Vergrößerung 50o : i das Metallgefüge.
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Fig. i zeigt ein Lichtbild eines Stahles A, der in der nachstehenden
Tafel 11 aufgeführt ist, aus der die Zusammensetzung des Stahles zu ersehen ist.
Dieser Stahl enthält kein Blei.
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Fig. a zeigt ein Lichtbild eines Stahles B, der gleichfalls in der
Tafel II aufgeführt ist. Dieser Stahl hat praktisch dieselbe Zusammensetzung wie
der Stahl A, indessen enthält er außerdem o,12 % Blei.
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Fig. 3 zeigt ein Lichtbild eines Stahles C der Tafel II, dessen Zusammensetzung
derjenigen des Stahles A entspricht, der aber außerdem o,478 % Blei enthält.
| Tafel II |
| Chemische Zusammensetzung von Stählen A, B und C |
| Stahl Chemische Zusammensetzung in °/o |
| Nr. I C 1 Si 1 Mn 1 S 1 P 1 Pb |
| A 0,11 0,012 0;63 0,193 0,017 0;0 |
| B - 0,10 0,012 0,55 0,204 0,01g 0,i2 |
| C o,ii o,oo8 o,62 0,235 0,017 0,478 |
Das Blei ist offenbar in submikroskopischer Form im Stahl dispergiert. Die zahlreichen
kleinen schwarzen Punkte, die durch Ätzen sichtbar gemacht sind und in dem bleihaltigen
Stahl nach Fig. z und 3 vorherrschen, in dem bleifreien Stahl nach Fig. i aber fehlen,
zeigen deutlich, daß das Blei vollkommen dispergiert ist. Eine Prüfung der elektrischen
Leitfähigkeit zeigt, daß der elektrische Widerstand des Stahles durch den Zusatz
von Blei nicht größer geworden ist. Daraus läßt sich schließen, daß das Blei nicht
in fester Lösung im Stahl enthalten ist, sondern in dispergierter Form. Blei ist
Stählen von der Zusammensetzung des Stahles A in verschiedenen Mengen als Bleiglanz
(Pb S mit annähernd 86;6 % Pb und 13,4 % S) zugesetzt, um die Stähle B und C zu
erhalten. Außerdem sind zahlreiche andere Stähle mit Bleizusatz hergestellt und
untersucht, die zu Ingots von 500o kg führten.
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Das Blei kann auch in anderer Weise und in anderer Form dem Stahl
zugesetzt werden, und zwar läßt es sich auch zusetzen als metallisches Blei, als
eine Legierung von gleichen Teilen von Blei, Zinn und Antimon, als Lötblei mit 6o
0,/o Blei und 40 % Zinn, als Lagermetall mit 6o % Kupfer, 32 % Blei und 2 0/0 Zinn,
als Bleiglätte und Bleiorthophosphat. Es hat sich ergeben, daß das Blei dem Stahl
in einer der im vorstehenden angegebenen Zusammensetzungen oder in jeder anderen
Zusammensetzung zugesetzt werden kann und daß dabei der Stahl 15 bis 64 % des Bleis
aufnimmt. Das Maß der Aufnahme von Blei hängt von verschiedenen Voraussetzungen
ab. Dadurch, daß die Zeitspanne erhöht wird, während deren das Blei während des
Gießens des Stahles zugesetzt wird, läßt sich die Aufnahme an Blei unter gewissen
Umständen steigern. Die Aufnahme war günstiger, wenn verhältnismäßig kleine Zusätze;
beispielsweise 0,4 0J0, gemacht wurden. Die chemische Zusammensetzung des Stahles
hat wahrscheinlich auch einen Einfluß auf das Maß der Aufnahme des Bleis. Das Blei
ist Stählen der verschiedensten chemischen Zusammensetzung zugesetzt worden.
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Die Löslichkeit von Blei in geschmolzenem und erstarrtem Stahl ist
nicht genau bekannt. Jedenfalls aber hat sich ein Stahl mit einem Bleigehalt von
0,53 % herstellen lassen, von dem sich annehmen läßt, daß der größte Teil des Bleis,
wenn nicht die ganze Menge, in dem Eisen dispergiert war, sich aber nicht in Lösung
befand. Es hat sich gezeigt, daß mindestens bis zu diesen Mengen der Bleigehalt
die mechanische Bearbeitung des Stahles erleichtert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es indessen vorzuziehen, den
Bleigehalt im fertigen Stahl nicht über einen Betrag von o,478 0/0 anwachsen zu
lassen. Wenn der Bleigehalt über diese Grenze hinaus bemessen wird steigt zwar die
Bearbeitungsfähigkeit des Stahles durch Schneidwerkzeuge weiterhin an, jedoch wird
dieser Anstieg bei Bleigehalten von über o,478 0/0 von einer Verschlechterung der
Dehnbarkeit des Stahles begleitet, so daß im allgemeinen ein Bleigehalt von o,478
0/0 die praktische Grenze nach oben hin darstellt: Versuche haben ergeben, daß bei
dem kalten Ziehen von bleihaltigem, für die Herstellung von Schrauben benutztem
Stahl die zur Erzielung einer bestimmten Verminderung des Querschnitts erforderliche
Kraft sich um 7,5 bis 14,3 % bei einer Querschnittsverminderung von i bis 21% herabsetzen
läßt, wenn der Stahl einen Zusatz von o,14 % Blei enthält, und däß die erforderliche
Kraft um 10,2 bis 19,6 % herabgesetzt werden kann, wenn der Bleigehalt 0,25 % beträgt.
Diese kalt gezogenen Stähle enthielten außer dem Blei o,18 % C, o,810/0 Mn, 0,022
0/0 P, 0,134% S, o,oi3 % Si und o,=80/0 C, o,750/0 Mn, 0,021% P, o,127 % S, 0,0140/0
Si. Bei der Verarbeitung bleiben solche Stähle wesentlich kühler als bekannte leichtschnittige
Stähle. Das ergibt sich wahrscheinlich aus der geringeren Reibung zwischen dem Drehstahl
und dem Span.
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Die Einwirkung eines Bleizusatzes zu Stahl von sehr hohem Schwefelgehalt
(etwa 0,20 0/0) und von sehr niedrigem Schwefelgehalt (etwa 0,03 0,"ü) ist
auch untersucht worden, und es hat sich gezeigt, daß die aufgenommene Menge von
Blei in beiden Fällen nicht sehr verschieden ist. Es hat sich aber gezeigt, daß
der Zusatz von Blei zu Stählen, die geringe Mengen oder ;roße Mengen von Schwefel
enthielten, zu einem Stahl führten, der sich erheblich besser mechanisch bearbeiten
läßt. Wenn das Blei als Bleiglanz zugesetzt wird, so steigt damit gleichzeitig der
Schwefelgehalt nfolge des in dem Bleiglanz enthaltenen Schwefels.
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Blei ist fernerhin Stählen zugesetzt, die 0,8o bis 1,35 01`o Mangan
enthielten, und hierbei war die Auflahme an Blei im wesentlichen die gleiche, und
es ergab sich die gleiche Verbesserung hinsichtlich der nechänischen Verarbeitung.
Ferner ist Bleistählen nit einem Gehalt von 0,05 und o,250/0 Silizium zu-:
;esetzt, ohne daß sich ein Unterschied hinsichtlich des viedergewonnenen Bleis oder
hinsichtlich der mechaiischen Bearbeitung ergab.
Das Blei kann dem
Stahl in verschiedenen Stadien der Herstellung zugesetzt werden.
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Das Blei ist in seinen verschiedenen Formen, also als metallisches
Blei, Schwefelsulfid oder als andere Verbindung, dem geschmolzenen Stahl im Schmelzofen
zugesetzt worden. Ferner ist es der Pfanne zugesetzt, in die der Stahl aus einem
Ofen oder einer größeren Pfanne abgestochen wurde. Das Blei kann zusammen mit den
Ausgangsstoffen der Stahlfabrikation, beispielsweise im Siemens-Martin-Ofen, zugesetzt
werden. Indessen ist diese Art der Herstellung des Stahles deshalb nicht zu empfehlen,
weil das Blei leicht vorzeitig schmilzt und dann das feuerfeste Futter des Ofens
angreift.
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Wird das Blei erst dem geschmolzenen Stahl zugesetzt, so ist die Gefahr
der Beschädigung des feuerfesten Futters des Ofens geringer. Besonders empfiehlt
sich die nachstehende Arbeitsweise: Das Blei wird dem geschmolzenen Stahl in der
Kokille in verteiltem Zustande zugesetzt, nachdem zuerst eine geringe Menge Stahl
in die Kokille gelangt ist. Man läßt zu diesem Zwecke einen Strom von verteilten
Bleiteilchen in den Strom des aus der Pfanne fließenden Stahles einfließen, - und
zwar soll sich dieser Vorgang über einen erheblichen Zeitraum erstrecken. Das Blei
kann auch dem geschmolzenen Stahl kurz vor dem Abstechen zugesetzt oder in die Pfanne
gebracht werden, wenn der geschmolzene Stahl in diese eingelassen wird.
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Die Möglichkeit der Bearbeitung des Stahles ist durch Säge- und Bohrversuche
ermittelt worden. Hierbei wurde die für das Sägen einer Stange von kalt gewalztem
SAE. (Society of Automotive Engineers)-zo2o-Stahl, welcher bei einem Kohlenstoffgehalt
von 0,z5 bis
0,25 °/o einen Mangangehalt von 0,6o bis 0,9o °/o und einen
Höchstgehalt an Schwefel und Phosphor von je
0,05 °/o besitzt, und einem
Vergleichsstahl gleicher Abmessung erforderliche Zeit verglichen. Aus diesen Angaben
wurde ein Säge-Index berechnet, welcher der Quotient der zum Sägen des untersuchten
Stahles erforderlichen Zeit und der zum Sägen eines SAE.-I020-Stahles erforderlichen
Zeit war. Ähnliche Versuche ergaben einen Bohr-Index, nämlich den Quotient der zum
Bohren der genannten Stähle auf eine bestimmte Tiefe erforderlichen Zeiten. Die
kleineren Zahlen bedeuten mithin eine bessere Bearbeitungsfähigkeit. Es sind zahlreiche
Stähle in dieser Weise untersucht worden. Die folgenden Angaben zeigen die Vorzüge
des Bleis in den Stählen. Die Zusammensetzung der Stähle und ihre Indizes ergeben
sich aus der nachstehenden Tafel III.
| Tafel III. Wirkung des Bleis hinsichtlich der mechanischen
Bearbeitung |
| Stahl Chemische Zusammensetzung in % Bearbeitungsindex |
| Nr. I C Si Mn P S Pb Sägen Bohren |
| 2962 0,11 0,012 o,63 0,017 0,193 Spuren 84 98 |
| 2966 0,10 0,012 0,55 o,029 0,204 0,I22 69 8o |
| 2967 0,11 o,ozo 0,59 0,017 0,207 0257
58 73 |
| 2968 0,11 o,ozo o,58 o,oz9 0,24 0,342 53 70 |
| 2969 0,11 0,008 o,62 0,017
0,235 0,478 47 69 |
Aus dieser Tafel ergibt sich, daß der Bearbeitungsindex durch den Zusatz von Blei
erheblich verbessert wird und daß innerhalb des in dieser Tafel angegebenen Bereiches,
also innerhalb der Grenzen des Bleizusatzes von Spüren bis auf
0,478 °/"
die Bearbeitung besser wird in dem Maße, wie der Bleigehalt steigt. Es wird darauf
hingewiesen, daß der Stahl Nr. 2962, der nur Spuren von Blei enthält, ein verhältnismäßig
hochschwefelhaltiger Stahl ist, nämlich ein Stahl, der heutzutage als sehr schnittfähiger
Stahl (Automatenstahl) im Handel ist. Durch die Steigerung des Bleigehaltes wird
die mechanische Bearbeitung wesentlich verbessert.
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Die Bearbeitungsfähigkeit der neuen Stähle ist mit schnittfähigen
Stählen verglichen, die im freien Handel erworben sind. Die Ergebnisse sind in der
nebenstehenden Tafel III A zusammengestellt.
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Ein Vergleich der Werte von Tafel III A mit denjenigen der Tafel III
zeigt, daß die Stähle, die o,222 °/o oder mehr Blei enthalten, niedrigere, die Bearbeitungsfähigkeit
angebende Indizes besitzen, also sich besser bearbeiten lassen. Die Überlegenheit
tritt besonders bei den Stählen höheren Bleigehaltes in die Erscheinung.
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Die Steigerung der Bearbeitungsfähigkeit der Stähle durch Zusatz von
Schwefel und durch andere Me-Tafel III A. Bearbeitungsfähigkeit schnittfähiger Stähle
des Handels (Automaten-Stähle)
| Stahl ( Bearbeitungsindex |
| Nr. Bezeichnung |
| Sägen 1 Bohren |
| z Bessemer-Stahl des Handels 70 " 96 |
| 2 desgl. 77 92 |
| 3 desgl. 69 92 |
| 4 desgl. 70 95 |
| 5-z Siemens-Martin-Stahl des |
| Handels 88 95 |
| 5-2 Bessemer-Stahl des Handels 71 94 |
| 6 desgl. 84 94 |
| 7 Bessemer-Stahl X-Grad 72 86 |
thoden findet ihre Grenzen, die beispielsweise dadurch gesetzt sind, daß durch derartige
Zuschläge andere wertvolle Eigenschaften des Stahles verlorengehen. Die Eigenschaften
der neuen Stähle sind in vielfacher Hinsicht untersucht worden, und es hat sich
ergeben, daß ein Bleizusatz innerhalb des Bereiches von o,zo bis
0,478 °,/o
keinen nennenswerten Einfluß auf die sonstigen Eigenschaften des Stahles besitzt.
Diese Beziehung ergibt sich aus Tafel IV hinsichtlich der Stähle der Tafel III.
| Tafel IV. Beziehung des Bleigehaltes zu den mechanischen Eigenschaften
des Stahles |
| Quer- |
| Festigkeit kg/cm$ schnitts- Kerbschlag- |
| Stahl Bleigehalt Dehnung zähigkeit |
| in 0 in 0/ Ver- nach Charpy |
| Dehn- Bruch- minderurig |
| grenze grenze in °/a mkg/cm |
| 2962 Spuren 5273 5308 1 7,5 55.2 3,I3 |
| 528.7 5329 16,5 58,o 3,26 |
| 2966 0,r22 5020 5154 17,5 56,5 2,77 |
| 5104 5182 19,o 56,2 2,71 |
| 2967 0,257 5147 5224 17,5 52,8 2,50 |
| 5132 5168 18,5 57,0 2,85 |
| 2968 0,342 5020 5111 19,5 56,2 2,63 |
| 4978 5076 18,5 56,2 2,77 |
| 2969 o,478 5168 5238 17,5 52,2 2,42 |
| 5125 5147 18,5 52,5 2,71 |
Fähigkeit der Bearbeitung in verschiedener Weise beeinflussen. Wenn der Stahl so
weich ist, daß die Bearbeitungsfähigkeit schlecht ist, wird diese durch einen Zusatz
von Stickstoff oder Phosphor verbessert. Wenn aber der Stahl die für die Bearbeitung
günstige Härte besitzt, kann der Zusatz von Stickstoff oder Phosphor oder beider
Stoffe gleichzeitig die Bearbeitungsfähigkeit ungünstig beeinflussen, da die Härte
das für die Bearbeitung günstigste Maß übersteigen kann.
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Die Wirkung des Zusatzes von Stickstoff und Phosphor auf die Härte
und Festigkeit des Stahles ergibt sich aus Tafel V. Die Versuche der Tafel IV sind
an kalt gezogenen Stangen durchgeführt. Sie entsprechen daher den praktischen Verhältnissen,
da schnittfähige Stahlstangen im allgemeinen kalt gezogen werden. Die Tabelle zeigt,
däß der Zusatz von Blei bis zu o,478 °/o die genannten mechanischen Eigenschaften
nicht wesentlich verschlechtert hat, während die Angaben der Tafel iII zeigen, daß
die Fähigkeit zur mechanischen Bearbeitung erheblich verbessert ist.
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Auch ist der Einfluß von Stickstoff und Phosphor auf den Stahl untersucht
worden. Diese Stoffe erhöhen die Härte und Festigkeit. Sie können die
| Tafel V. Einwirkung von Stickstoff und Phosphor auf die Härte
und Festigkeit von Stählen |
| Chemische Zusammensetzung in °/ Zugfestigkeit |
| Charge C @ Si S @P f N Brinellhärte kg/cmQ |
| *) 0,04 o,90 o,09 o,176 0,012 o,oo8 150 4991 |
| 2255 0,07 1,o6 0,o8 0,170 0,o16 0,014 170 5554 |
| 2241 0,03 0,75 0,05 o,153 o,oro 0,020 183 5729 |
| *) 0,04 0,o9 0,o9 0;176 0,012 o,oo8 150 4991 |
| 2246 0,03 0,87 0,05 0,172 0,055 - 159 5329 |
| 2247 0,04 0,97 0,07 0,173 0,114 - 163 5694 |
| 2248 0,07 0,99 o,io 0,174 0,207 - 187 6327 |
Die Beziehung zwischen den steigenden Mengen von Stickstoff und Phosphor und der
Fähigkeit der Bearbeitung ist in Tafel V A dargestellt, in der die Stähle der Tafel
V behandelt sind. Für den Zweck des Vergleichs gibt die Tafel V A das Ergebnis der
Versuche betreffend Bearbeitungsfähigkeit für eine Gruppe von bleihaltigen Stählen
an, aber auf derselben Grundlage, auf der die entsprechenden Werte von stickstoff-und
phosphorhaltigen Stählen erhalten sind.
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Die Angaben in Tafel V und V A zeigen die Wirkung des Stickstoffes,
des Phosphors -und des Bleis hinsichtlich der Bearbeitungsfähigkeit des Stahles.
Eine Steigerung des Bleigehaltes von o;04 auf o;18 °/o hatte keine Erhöhung der
Härte heiß gewalzter oder kalt gezogener Stangen zur Folge, sondern erniedrigte
dieselbe um eine Kleinigkeit. Daher wird es bei der Durchführung der Erfindung unter
Umständen er-
| Tafel V A. EinfluB von Stickstoff und Phosphor |
| auf die Bearbeitungsfähigkeit |
| Stahl Stickstoff Phosphor Blei Bearbeitungsindex |
| Nr. I °/e % 1. °,'o I Sägen [ Bohren |
| *@ o,008 0;012 - 1,1I 0;8r |
| 2255 0,014 0,012 - 1,07 0,84 |
| 2241 0,020 0,012 - 1;11 o,85 |
| *@ 0;008 0,012 - 1,I1 0,8I |
| 2246 o,oo8 0,055 - o,98 0,83 |
| 2247 o,oo8 0,114 - 0,98 0,83 |
| 2248 o;oo8 0,207 - 0,95 0,95 |
| *) o,oo8 o,012 - i,11 o,81 |
| 2256 0,008 0,012 0,04 1,04 0,79 |
| 2257 0,o08 0,012 0,10 0;86 0,75 |
| 2258 0,008 0,012 0,18 0;79 0,77 |
wünscht sein, die Grundzusammensetzung des Stahles zu verändern,
um die gewünschte Härte und Festigkeit zu erhalten, indem der Kohlenstoff-, Phosphor-,
Mangan-, Silizium- und Stickstoffgehalt entsprechend gewählt wird. Wenn auf diese
Weise die gewünschten mechanischen Eigenschaften erreicht sind, wird Blei zugesetzt,
um einen Stahl zu erzielen, der sich leichter bearbeiten läßt. Der Zusatz von Blei
hat verhältnismäßig wenig Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften.
-
Bei der Herstellung von schnittfähigen Stählen werden die Stähle zweckmäßig
kalt gezogen, um sie noch weiterhin leichter bearbeiten zu können. Sie lassen sich
infolge einer solchen Herstellung nicht nur leichter bearbeiten, sondern gewährleisten
auch die Innehaltung der Abmessungen entsprechend den im allgemeinen geforderten
kleinen Toleranzen.
-
Die Erfindung bezieht sich auf Eisen- oder Stahllegierungen, einschließlich
hochlegierter Stähle, zur Herstellung von Gegenständen, welche für eine mechanische
Bearbeitung durch Schneidwerkzeuge bestimmt sind, und besteht im wesentlichen darin,
daß die Legierung außer Eisen- und anderen Zusätzen Kohlenstoff bis zu 1,7 °/o und
Blei in derartigen Mengen und in im wesentlichen gleichmäßiger Verteilung enthält,
so daß die Bearbeitungseigenschaften der Legierung durch Schneidwerkzeuge ohne Beeinträchtigung
der mechanischen Festigkeitswerte verbessert werden. In solchen Stählen soll vorteilhaft
Blei in Mengen von 0,03 bis 0,478 °/o vorhanden sein. Die Erfindung
ist von besonderer Bedeutung bei den schnittfähigen Stählen (Automaten-Stählen),
deren Schwefelgehalt innerhalb eines Bereiches von 0,o5 bis 0,3 °/o liegt. Es hat
sich gezeigt, daß ein Bleizusatz in Mengen von 0,03 bis 0,478 °/o die Schnittfähigkeit
solcher Stähle erheblich erhöht.
-
Was insbesondere diese schnittfähigen Stähle angeht, so ist zu beachten,
daß der Zusatz von Blei in den richtigen Mengen eine erhebliche Steigerung der Güte
zur Folge hat. Nach dem Verfahren lassen sich Stähle herstellen, die nur Spuren
von Schwefel oder nur die bei der Herstellung unvermeidlichen Mengen' enthalten
und trotzdem einen so hohen Grad der Bearbeitbarkeit besitzen, daß sie zu den Stählen
hoher Schnittfähigkeit gehören. Die Verwendung von Blei zwecks Erzielung dieser
Bearbeitbarkeit vermeidet alle Nachteile, die sich aus einem erheblichen Schwefelzusatz
ergeben würden. Mit anderen Worten; es wird durch den Zusatz von Blei an Stelle
des Schwefels der hohe Grad von Bearbeitungsfähigkeit erzielt, ohne daß die physikalischen
Eigenschaften des Stahles beeinträchtigt würden.
-
Die gute Bearbeitungsfähigkeit des Stahles läßt sich durch Verwendung
von Blei in einem Stahl erreichen, der außerdem erhebliche Mengen Schwefel enthält.
Daher ist es möglich, die Bearbeitungsfähigkeit gegenüber dem bisher bei schwefelhaltigen
Stählen erreichten zu verbessern, ohne daß die sonst erforderlichen physikalischen
Eigenschaften des Stahles beeinträchtigt würden. Durch Verwendung von Blei in einem
schwefelhaltigen oder schwefelfreien Eisen läßt sich ein Stahl erzeugen, der nicht
nur hohe Schnittfähigkeit besitzt, sondern außerdem hinsichtlich seiner sonstigen
physikalischen Eigenschaften einem Stahl gleicher Schnittfähigkeit überlegen ist,
bei dem im wesentlichen die Schnittfähigkeit durch den Zusatz von Schwefel erreicht
würde.
-
Durch die Verwendung von Blei zum Zwecke der Verbesserung der Bearbeitungsfähigkeit
des Stahles läßt sich außerdem ein Stahl erzeugen, der in heißem Zustande leichter
bearbeitet werden kann als schwefelhaltiger Stahl. Er kann bei niedriger Temperatur
bearbeitet werden, ohne an Rotbrüchigkeit zu leiden. Auch ist es nicht notwendig,
den Mangangehalt im Stahl zu steigern, um die Rotbrüchigkeit zu vermeiden. Daraus
folgt, daß Stähle, die sich gut schneiden lassen, mit größerer Mannigfaltigkeit
hergestellt werden können, wenn Blei vorwiegend oder ausschließlich zugesetzt wird,
um die Bearbeitungsfähigkeit zu verbessern.
-
Weitere Untersuchungen haben ergeben, daß der Bleizusatz die Bearbeitungsfähigkeit
von Stählen niedrigen bis hohen Kohlenstoffgehaltes erhöht und daß solche Stähle
wenige oder viele legierende Stoffe enthalten können. Der Bleizusatz erhöht die
Bearbeitungsfähigkeit des Stahles in heißem Zustande, ohne daß die sonstigen mechanischen
Eigenschaften litten. Um das festzustellen, wurden Stähle, deren Analyse sich aus
der nachstehenden Tafel VI ergibt, zu Stäben von 2,5 cm Stärke gegossen, geschmiedet,
ausgewalzt und dann erhitzt und auf ihre Bearbeitungsfähigkeit hin durch Sägeversuche
untersucht.
| Tafel VI. Zusammensetzung der Versuchsschmelzen von Kohlenstoffstählen
und |
| legierten Stählen |
| Stahl Chemische Zusammensetzung in ",f. |
| Nr. I C I Mn si P S Cr 1 j Ni j Mo Pb |
| 3494 015 0,54 0,09 0,024 0,025 - - 0,0 |
| 3495 0,17 0,85 0,11 0,025 0,025 - - 0,07 |
| 3496 0,47 0,74 0,09 0,027 0,025 - - 0,0 |
| 3497 0,46 0,80 O,17 0,024 0,025 - - 0,197 |
| 3498 0,88 0,74 o,16 0,022 0,024 - - 0,0 |
| 3499 o,88 0,82 O,15 0,023 0,025 - - 0,183 |
| 3502 0,48 0,74 0,14 0,022 0,017 0,72 1,42 o,16 0,0 |
| 3503 0,49 0,77 015 0,024 0,015 0,75 1,84 0,17 0,158 |
| 3569 0,14 o,62 0,46 o,oio o,012 17,2 7,86 0,0 |
| 3570 0,14 0,59 0,42 0,010 , 0,013 17,7 7,78 0,o8 |
Die Analysen der Tafel VI sind im Laboratorium von den aus den
verschiedenen Schmelzen hergestellten und von den tatsächlich bei den Versuchen
benutzten Stäben gemacht. Stahl 3494 enthielt kein Blei, während Stahl 3495 0,07
°/o Blei enthielt. Das Blei wurde den Schmelzen in Form eines Oxyds zugesetzt, so
daß der Schwefelgehalt nicht erhöht wurde. Ebenso enthielt für die übrigen Stähle
von Tafel VI immer einer von zweien kein Blei, während der andere Stahl die angegebene
Menge von Blei enthielt.
-
Das Ergebnis der mechanischen Prüfung der heiß behandelten Stäbe ist
in Tafel VII enthalten.
| Tafel VII. Hitzebehandlung und physikalische Eigenschaften
und Versuchsschmelzen |
| Festigkeit kg/cm2 Querschnitts- Kerbschlag- |
| Pb Hitzebehandlung Dehnung zähigkeit |
| % o C Dehn- Bruch- p/o verminderung nach Charpy Brinellhärte |
| # |
| grenze grenze DA mkg/cm2 |
| - 872° - i hr. luftgekühlt 3156 4394 40,0 66,5 6,92 114 |
| 0,07 872° - i hr. luftgekühlt 3146 458o 40,0 67,o 7,o4 121 |
| - 8i6° - i hr. luftgekühlt 4327 6633 28,5 5o,6 3,15
179 |
| o,197 816'- 1 hr. luftgekühlt 4552 688z 28,5 52,o 3,29 179 |
| - 788° - i hr. luftgekühlt - 9947 10,5 20,0 0,73 269 |
| o,183 788° - i hr. luftgekühlt - 98o3 12,3 23,4 0,73 277 |
| 872° - i hr. |
| im Ofen gekühlt ... - 8707 22,0 55,0 2,77 235 |
| 0,153 872° - i hr. |
| im Ofen gekühlt .... 10390 17,5 44,9 2,07 262 |
| - Ölgekühlt von |
| 872° bis 538° - 2 brs. - ( - - - - 341 |
| o,158 Ölgekühlt von |
| 872° bis 538° - 2 brs. - - - - - 341 |
| - Wasser von 1o94° ... - |
| 6840 60,ö 68,4 9,64 158 |
| 0,o8 Wasser von 1094° ... 6889 57,o 66,7 9,4o 159 |
Durchschnittswerte zweier Versuche. Aus Tafel VII ergibt sich, daß der Zusatz von
Blei innerhalb eines Bereiches von o,io bis 0,2o °/o keinen nachteiligen Einfluß
auf die mechanischen Eigenschaften der Stähle besaß. Um den Vergleichsstählen nahezu
die gleiche Brinellhärte zu erteilen, wurden die Stäbe einer Hitzebehandlung unterworfen.
Dann wurden Versuche betreffend die Bearbeitungsfähigkeit der bleihaltigen und bleifreien
Stäbe gemacht. Das Ergebnis der Versuche ist in Tafel VIII enthalten.
| Tafel VIII. Wirkung des Bleis auf Sägeversuche |
| Verbesserung |
| Stahl Kohlenstoff Blei Brinell- Säge- der |
| Ihr. % n/Q härte Index Bearbeitungs- |
| fähigkeit in °/o |
| 3494 0,i5 -. 114 098 |
| 3495 o,17 0,07 121 0,73 21 |
| 3496 0,47 - 179 0,68 |
| 3497 o,46 o,197 179 0,51 25 |
| 3498 o,88 - 269 0,72 |
| 3499 o;88 o,183 277 o,56 22 |
| 3502 0,48 - 210 o,64 Niedrig legierte Schmelze |
| 3503 o,49 o,158 110 0,55 14 desgl. |
| 35o2 o,48 - 341 0,73 desgl. |
| 3503 0,49 o,158 341 o,58 21 desgl. |
| 3569 0,14 - 158 1,55 18 -t- 8 nicht rostend |
| 3570 0,i4 0,o8 159 1,38 ii desgl. |
Aus den Angaben von Tafel VIII ergibt sich, daß der Zusatz von Blei in jedem Falle
die Bearbeitungsfähigkeit verbesserte, und zwar betrug diese Verbesserung für die
etwa i8 °/o Cr und 8 °/a Ni enthaltenden, von 1094' C abgekühlten Stähle 11 °/o
und steigerte sich für den Stahl Nr. 3497 bis auf 25 °/o. Der niedrig legierte Stahl
zeigte eine Steigerung von 14 °/o nach Abschreckung auf eine Härte von --io Brinell.
Wenn aber die Härte höher war, nämlich 341 Brinell, verbesserte sich die Bearbeitungsfähigkeit
auf 21 °/o.
-
Aus den im ersten Teil der Beschreibung gemachten Angaben läßt sich
schließen, daß die Bearbeitungsfähigkeit
der Stähle der Tafel
VI durch einen größeren Zusatz von Blei verbessert worden war. Ingots von bleihaltigem
Stahl sind in regelmäßigem Betriebe auf Stangen und Knüppel verarbeitet worden.
Die Analyse ergab einen kohlenstoffarmen Stahl, und zwar stimmte sie für die Stähle
mit und ohne Bleizusatz überein, mit dem Unterschied jedoch, daß die Stähle E und
F o,io °/o Blei enthielten. Die mechanische Prüfung ergab, daß die anfängliche und
endgültige Festigkeit, die Dehnung, die Brinellhärte und die Widerstandsfähigkeit
bei Charpy-Schlagversuchen die gleichen waren. Die Bearbeitungsfähigkeit ergab die
folgenden Ergebnisse:
| Stahl Blei Index der Bearbeitungsfähigkeit |
| Nr. I % I Sägen 1 Bohren 1 Durchschnitt |
| E o,io 66 75 70 |
| F o,io 68 74 71 |
| G 0,0 85 98 9i |
Die Prüfung der Bearbeitungsfähigkeit erfolgte in der im vorstehenden angegebenen
Weise. Es ist ersichtlich, daß der Zusatz von o,io °/o Blei die Bearbeitungsfähigkeit
erheblich verbesserte.
-
Der neue Stahl, und zwar der reine und der legierte Stahl, eignet
sich auch für die Weiterverarbeitung durch Ziehen und Schneiden, für die Herstellung
von Blech und als Einsatzstahl.
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Die zahlreichen Versuche haben erwiesen, daß der Zusatz von Blei zu
Ingoteisen und kohlenstoffarmem Stahl, die bei der mechanischen Verarbeitung schmieren,
die Bearbeitungsfähigkeit von solchem Eisen verbessert, welches sich bisher nur
schlecht bearbeiten ließ. Beispielsweise läßt sich die Bearbeitungsfähigkeit von
solchen Eisen und Stahl wesentlich verbessern, die nur Spuren bis zu o,i °/o Kohlenstoff,
Spuren bis 0,20 °/o Phosphor, Spuren bis o,2o °/o Mangan, Spuren bis 0,20 °/o Silizium
und Spuren bis o,2o °/o Schwefel enthalten und sich ohne Bleizusatz schlecht mechanisch
bearbeiten lassen, und zwar ging die Verbesserung so weit, daß die Bearbeitungsfähigkeit
wenigstens gleich derjenigen Stähle war, die sich besonders gut durch Schneidwerkzeuge
bearbeiten lassen, sofern dem Eisen oder Stahl 0,03 bis 0,478 °/o Blei zugesetzt
wird.
-
Die Versuche, über die im vorstehenden berichtet ist, haben bewiesen,
daß Blei benutzt werden kann, um die Bearbeitungsfähigkeit von Stählen von niedrigem
und hohem Kohlenstoffgehalt zu verbessern. Die Versuche zeigen, daß legierte Stähle,
die Mangan, Silizium, Nickel, Kupfer, Chrom, Molybdän, Vandin, Wolfram, Zirkon,
Titan, Niob und Tantal enthalten, durch Zusatz von Blei verbessert werden können.