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Stahllegierung mit guter Bearbeitungsfähigkeit durch Schneidwerkzeuge
und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung betrifft Stahllegierungen zur Herstellung
von Gegenständen, welche für mechanische Bearbeitung durch Schneidwerkzeuge bestimmt
sind.
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Bei bekannten Stählen ist bereits versucht worden, die Bearbeitungsfähigkeit
durch Zusatz von Schwefel zu verbessern. Obgleich hierbei gewisse Vorteile erzielt
werden konnten, war nachteilig, daß die sonstigen mechanischen Eigenschaften der
Stähle, namentlich oberhalb einer gewissen Grenze des Schwefelzusatzes, nachteilig
beeinflußt wurden. Auch ein weiterer Zusatz von Selen konnte nicht befriedigen und
erforderte darüber hinaus einen hohen Kostenaufwand.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein Zusatz von Blei zu
legierten Stählen in der Lage ist, die maschinelle spanabhebende Bearbeitbarkeit
wesentlich zu verbessern, ohne daß die mechanischen Eigenschaften der Stähle beeinträchtigt
werden, sofern der Bleizusatz in bestimmten Grenzen vorgenommen und in der Weise
durchgeführt wird, daß Blei in der Stahllegierung gleichmäßig und submikroskopisch
fein verteilt ist. Als Grenze für den
Bleizusatz hat sich dabei
ein Zusatz zu der Stahllegierung von 0,03 bis 0,q.90/, Blei in der fertigen
Legierung erwiesen.
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Im allgemeinen ist ein Bleizusatz zu Eisen bekannt. Die bekannten
Vorschläge dieser Art richteten sich entweder auf Gußeisen oder Stahllegierungen
für einen Sonderzweck, oder sie bezweckten eine Reinigung oder die Beseitigung von
Mängeln in den Stahlblöcken. Bei einem Teil der bekannten Vorschläge zeigte die
zu große Menge des vorgesehenen Bleizusatzes einen Mangel an der richtigen Erkenntnis
über die Anforderungen an die Herstellung des Stahles.
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Jedenfalls war es bisher nicht bekannt, Blei legiertem Stahl in der
Weise zuzusetzen, daß er besser mechanisch spanabhebend bearbeitet werden konnte.
Insbesondere ist auch noch nicht der Vorschlag gemacht worden, 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 ist beispielsweise vorgeschlagen worden, Blei oder Wismut in Mengen
von 0,5 bis 20/, mit Antimon als Trägermetall zu Gußeisen oder Stahl zuzusetzen,
um eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion zu erreichen. Wird hierbei
schon Blei und Wismut als gleichwertig nebeneinander hingestellt - was für die Erhöhung
des Korrosionswiderstandes zutreffen mag -, so konnte eine wesentliche Bearbeitungsfähigkeit
durch Schneidwerkzeuge ohne Beeinträchtigung der sonstigen mechanischen Eigenschaften
des Stahles schon durch die Anwendung von Antimon nicht erzielt werden, das eine
erhöhte Sprödigkeit herbeiführt. Es bestand auch noch keine Klarheit darüber, daß
es beim Bleizusatz auf die besondere Art und Verteilung von Blei 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 20/, Blei zu einer hochprozentigen Chromeisenlegierung
zuzusetzen, welche eine besondere Widerstandsfähigkeit gegen heiße Säuren besitzen
soll, wobei dem Bleizusatz gewisse Wirkungen hinsichtlich der Vermeidung von Auskristallisationen
und der Erleichterung der Warmverformung zugeschrieben wird.
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Die Erfindung läßt sich beispielsweise bei Nickelstahl mit o,io bis
0,6o0/, Kohlenstoff, o,io bis i,oo0/, Mangan, Spuren bis 0,50% Silizium, Spuren
bis 0,050/, Phosphor, Spuren bis o,060/, Schwefel und 0,4o bis 6,0o0/, Nickel anwenden.
Ferner läßt sie sich anwenden bei Chrom-Nickel-Stahl mit o,io bis 0,6o0/0 Kohlenstoff,
o,io bis i,oo0/0 Mangan, Spuren bis 0,50% Silizium, Spuren bis o,050/, Phosphor,
Spuren bis o,060/, Schwefel, i,oo bis 4,0o0/, Nickel und o,qo bis 2,0o0/, Chrom.
Ferner sind erfindungsgemäß geeignet Molybdänstähle mit o,io bis 0,6o0/, Kohlenstoff,
o,io bis i,oo0/0 Mangan, Spuren bis 0,5o0/, Silizium, Spuren bis 0,05% Phosphor,
Spuren bis 0,o60/0 Schwefel, Spuren bis 1,250/, Chrom, Spuren bis 4,00% Nickel und
o,io bis 0,50% Molybdän.
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Die Erfindung läßt sich auch bei Chromstählen mit o,io bis i,io0/0
Kohlenstoff, o,io bis i,00/, Mangan, Spuren bis 0,500/, Silizium, Spuren bis 0,o5
0/, Phosphor, Spuren bis 0,o6 0/, Schwefel und 0,25 bis 2,0o 0/0 Chrom anwenden.
Ferner läßt sie sich anwenden bei Chrom-Vanadin-Stahl mit o,io bis i,oo0/0 Kohlenstoff,
o,io bis i,oo0/0 Mangan, Spuren bis 0,50% Silizium, Spuren bis 0,50% Phosphor, Spuren
bis o,o6% Schwefel, 0,5o bis 1,50% Chrom, und o,io bis 0,300/, Vanadin, ferner bei
Manganstählen mit o,io bis 0,6o % Kohlenstoff, 1,25 bis 2,0o 0% Mangan, Spuren bis
0,50% Silizium, Spuren bis 0,o5 Phosphor und Spuren bis o,o6% Schwefel.
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Blei kann dem Stahl in verschiedener Weise zugesetzt werden, jedoch
ist es wichtig, daß Blei dem Stahl in feinverteilter Form und unter solchen Bedingungen
zugesetzt wird, unter denen eine lebhafte Bewegung des flüssigen Stahls stattfindet.
In besonders vorteilhafter Weise läßt sich Blei in der Weise im Stahl fein verteilen,
daß es in einem Tiegel in einem Hochfrequenzinduktionsofen zugesetzt wird, in dem
der Stahl in starker Bewegung ist. Ferner läßt es sich dadurch in Stahlblöcken verteilen,
daß es während des Gießens, und zwar kurz nach Beginn des Eingießens des Stahles
in die Gießform, flüssig zugesetzt wird. Ferner muß Blei in so großen Mengen zugesetzt
werden, daß der Stahl die gewünschte Menge aufnimmt.
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Legierte Stähle, die 0,03 bis 0,490/, Blei enthalten, besitzen
eine verbesserte Bearbeitungsfähigkeit nach verschiedenen Wärmebehandlungen und
nach dem Warmwalzen, d. h., daß legierte Stähle, die abgesehen vom Bleizusatz die
gleiche chemische Zusammensetzung besitzen, durch eine Wärmebehandlung auf die gleiche
Festigkeit und Härte gebracht sind, sich dann leichter und schneller maschinell
bearbeiten lassen, wenn sie einen Bleigehalt von 0,03 bis 0,q.90% besitzen, als
wenn sie kein Blei enthalten. Ferner hat sich ergeben, daß Stähle, die abgesehen
vom Bleigehalt die gleiche chemische Zusammensetzung bei höherer Härte und Festigkeit
besitzen, mit geringeren Kosten und wirtschaftlicher maschinell bearbeitet werden
können, wenn sie Blei enthalten, als wenn sie dieses Metall nicht enthalten.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Zusatz von Blei zu den legierten
Stählen in den angegebenen Mengen die Schmiedbarkeit und Walzfähigkeit nicht nachteilig
beeinflußt, daß die Stähle ferner in der üblichen Weise der Wärmebehandlung unterworfen
werden können, daß die wärmebehandelten Stähle im wesentlichen die gleichen mechanischen
Eigenschaften, insbesondere Festigkeit, Zugfestigkeit, Dehnung, Einschnürung, Schlagfestigkeit
und Härte besitzen wie die gleichen Stähle, die kein Blei enthalten.
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Die Verbesserung der maschinellen Bearbeitungsfähigkeit der legierten
Stähle mit Bleizusatz ist in Tafel I enthalten, in der lediglich ein legierter Stahl
mit Chrom, Nickel und Molybdän aufgeführt ist, der entweder frei von Blei oder bleihaltig
ist.
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Die Versuche über die Sägefähigkeit, die in dieser Tafel angegeben
sind, wurden erhalten, nachdem die Proben zwei Wärmebehandlungen unterworfen waren,
wie sie im Betriebe üblich sind. Bei der ersten Wärmebehandlung wurden die Proben
auf 816° C erhitzt,
in Öl abgeschreckt und dann bei 538° C angelassen,
um eine Brinellhärte von 341 zu erzielen. Bei der zweiten Wärmebehandlung wurden
Proben bei 8i6° C ausgeglüht und dann bei 677° C gehärtet oder angelassen, um eine
Brinellhärte von 21o zu erhalten. Die Sägeversuche ergaben, daß die bleihaltigen
Proben eine bessere maschinelle Bearbeitungsfähigkeit besaßen. Wenn diese Stähle
beispielsweise bei einer Brinellhärte von 341 geprüft wurden, so war die zum Durchsägen
der Stangen erforderliche Zeit etwa um 26 0/0 länger, sofern die Stähle kein Blei
enthielten. Wenn die Stangen bei einer Härte von 21o Brinell geprüft wurden, so
war die zum Durchschneiden der bleifreien Stangen erforderliche Zeit um 16 0/0 länger
als bei bleihaltigen Stählen.
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Abgesehen davon, daß die neuen Stähle eine bessere Bearbeitungsfähigkeit
bei Sägeversuchen erweisen, können die Schneidgeschwindigkeit und der Vorschub bei
der üblichen maschinellen Bearbeitung erhöht werden. Daraus ergibt sich eine weitere
Ersparnis an der für eine bestimmte Leistung erforderlichen Zeit.
| Tafel I |
| Wirkung von Blei auf die maschinelle Bearbeitungsfähigkeit
von Cr-Ni-Mo-Stählen |
| Stahl In % |
| Nr. C I Mn I P I S I Si I Cr I Ni I Mo Pb |
| 35o2 0,48 o,74 0,022 0,017 0,i44 o,72 442 o,16 - |
| 3503 0,49 o,77 0024 0,015 0,150 0,75 1,84 0,17 0158 |
| 3502 o,48 o,74 0,022 0,017 o,144 o,72 1,42 o,16 - |
| 3503 0,49 0,77 0024 0,015 0,150 o,75 1,84 0,17 0158 |
| Brinell- Index |
| Wärmebehandlung härte der Säge- |
| fähigkeit |
| In 01 abgeschreckt von 816° C, |
| angelassen bei 538° C ....... 341 0,73 |
| In Öl abgeschreckt von 816° C, |
| angelassen bei 538° C ....... 341 0,58 |
| Geglüht bei 816° C, |
| angelassen bei 677° C ....... 210 o,64 |
| Geglüht bei 816° C, |
| angelassen bei 677° C ....... 210 0,55 |
Bei der Herstellung des Stahls ist ein hoher Chromgehalt oder die Anwesenheit von
Molybdän nicht notwendig, um Blei in Lösung zu bringen. Vielmehr erstreckt sich
die Erfindung auch auf legierte Stähle, die kein Chrom und Molybdän enthalten.
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Bei der Durchführung der Erfindung werden zwei Gruppen von legierenden
Stoffen verwendet, nämlich Stoffe, die Ferrit bilden, wie Nickel, Kupfer, Silizium
und Kobalt, und Stoffe, die die Entstehung von Karbid zur Folge haben, nämlich Chrom,
Molybdän, Wolfram und Vanadin. Auch Mangan ist ein wertvolles legierendes Element,
und es gehört gewissermaßen zu diesen beiden Gruppen, da es einerseits die Wirkung
hat, Ferrit und auch Karbid zu bilden. Als Karbidbildner ist es aber auch nicht
so wirksam wie die übrigen Elemente. Phosphor, der innerhalb gewisser Grenzen zugesetzt
wird, ist ebenfalls ein Ferritbildner und kann wegen dieser Eigenschaft dem Stahl
zugesetzt werden. Da Phosphor aber sonstige nachteilige Wirkungen haben kann, ist
sein Zusatz zum Stahl begrenzt. Die legierten Stähle, die durch den Zusatz von Blei
erhöhte maschinelle Bearbeitungsfähigkeit gewonnen haben, enthalten als Legierungselemente
Metalle, die aus der einen oder anderen oder aus beiden der genannten Gruppen ausgewählt
sind. In der in Tafel I genannten Zusammensetzung finden als Zusätze ein ferritbildendes
Metall und zwei karbidbildende Metalle Verwendung. Für viele Zwecke kann innerhalb
gewisser Grenzen ein Ferritbildner und ebenso ein Karbidbildner durch einen anderen
ersetzt werden, ohne daß dadurch die Brauchbarkeit des Stahls beeinträchtigt würde.
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Die Auswahl eines Ferritbildners oder eines Karbidbildners oder von
beiden Stoffen dieser Art hängt zum Teil von den Fabrikationsbedingungen und dem
Verwendungszweck des legierten Stahls ab. Auch spielen die Kosten der Zusatzmetalle
eine Rolle. Ferritbildner haben die Aufgabe, die Zähigkeit und die Bildsamkeit in
kaltem Zustande zu verbessern, während Karbidbildner zu erhöhter Härte und Widerstandsfähigkeit
gegen Abnutzung führen. Indessen gelten diese Beziehungen nicht für alle Prozentsätze
der Zusätze. Der Grundgedanke bei der Auswahl der legierenden Zusätze ist der, eine
Kombination von Ferritbildnern und Karbidbildnern zu verwenden, vermöge deren der
legierte Stahl eine ausgeglichene Zusammensetzung und die gewünschten Eigenschaften
besitzt.
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Die Erfindung läßt sich auch bei anderen Eisenlegierungen anwenden.
Beispielsweise wird ein Zusatz von 0,03 bis 0,49 % Blei in einer Legierung verwendet,
die einen Kohlenstoffgehalt von 0,07
bis 0,250/" einen Mangangehalt von 0,3o
bis 0,70%, einen Siliziumgehalt von Spuren bis o,300/0, einen Phosphorgehalt von
0,1o bis o,15 0/0, einen Schwefelgehalt von Spuren bis zu 0,05 0%, einen
Kupfergehalt von 0,75 bis 1,25% und einen Nickelgehalt von 0,4o bis o,700% besitzt.
Wenn auch Legierungen dieser Art häufig da verwendet werden, wo eine maschinelle
Bearbeitung nicht in Betracht kommt, so kommt es doch vor, daß die maschinelle Bearbeitung
erwünscht ist.
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Bei der Entwicklung der Erfindung sind zahlreiche weitere Stahlproben
geprüft worden. Einige dieser Proben sind in Tafel II aufgeführt.
| Tafel II |
| Legierte Stähle mit Bleizusatz |
| Stahl Chemische Zusammensetzung in 0% |
| Nr. C I Mn I 5i I S I P I Ni Cr I Mo l Pb |
| 4225 0,48 0,93 0,32 0,023 0,015 3,45 - - 0,20 |
| 4227 o,16 0,6o o,26 0,025 o,oio 1325 o,65 - 0,4 |
| 4229 0,46 0,84 0,29 0,027 0,012 1,26 o,66 - o,18 |
| 4231 0,31 0,76 o,ig 0,029 0,012 - o,64 0,i9 0,12 |
| 4233 0,20 0,54 0,13 0,023 0,012 1,75 o,64 0,33 0,11 |
| 4235 0,42 0,75 0,21 0,022 0,o=2 1,74 o,65 0,36 0,17 |
| 4237 o,16 o,64 0,20 0,023 0,012 1,72 - 0,24
0,18 |
| 4239 0,40 0,95 0,22 0,024 0,012 1:,76 - 0,24 o,18 |
| 4247 0,20 0,57 0,21 0,023 o,oio - 0,75 - 0,12 |
| 4253 0,53 0,87 0,22 0,030 0,012 - 0,95 - 0,17 |
| 4245 0,15 0,59 0,22 o,026 0,011 - o,gi - V 0,i8 o,16 |
| 4247 0,53 o,86 0,22 0,032 o,oog - 0,93 - V o,18 0,2i |
| 4249 0,31 1,78 0,24 0,030 0,o16 - - -
0,15 |
| 4251 0,20 , 0,56 o,io 0,029 0,120 0,51 - - Cu 0,98 o,18 |
Diese Proben wurden in einem Hochfrequenzinduktionsofen hergestellt. Danach wurde
die Hälfte des Stahls zu einem Stahlblock vergossen, und danach wurde Blei in feiner
Verteilung dem in dem Ofen verbleibenden geschmolzenen Stahl zugesetzt. Der Stahl
wurde nun noch während einer kurzen Zeit durch den induzierten Strom in Bewegung
versetzt und danach zu einem zweiten Stahlblock vergossen. Die beiden Stahlblöcke
hatten ein Gewicht von 22 kg. Die Hälfte jedes Blockes wurde zu Rundeisen von 25
mm Durchmesser und die andere Hälfte zu Stangen von 2o mm Durchmesser ausgewalzt.
Beim Schmieden und Walzen ergab sich kein wesentlicher Unterschied zwischen den
bleihaltigen und bleifreien Stählen. Die Zusammensetzung der Stähle nach Tafel II
war das Ergebnis der chemischen Analyse der Blöcke. Diese Stähle fallen auch unter
die Erfindung.
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Die Vorteile des Zusatzes von Blei zur Erhöhung der maschinellen Bearbeitungsfähigkeit
legierter Stähle wurden weiterhin an einem Stahl mit i,oo 0/0 Kohlenstoff, o,go
% Mangan, 0,30 % Silizium, 0,025 % Schwefel, 0,025% Phosphor, o,=20/0 Molybdän und
0,i8 % Blei nachgewiesen. Dieser Stahl wurde zu Drähten von il/, und 3/4 mm Durchmesser
gezogen und auf Automaten zu kleinen Uhrteilen bearbeitet. Die Prüfung in der Werkstätte
ergab, daß dieser Stahl sich besser maschinell bearbeiten läßt als jeder andere
Stahl. Die mechanischen Eigenschaften dieses bleihaltigen Stahls waren gut. Der
Draht von =l/2 mm Durchmesser besaß eine Zugfestigkeit von 26615 kg/cm' und eine
Einschnürung von 25 0 J0. Während der Draht von 3/4 mm Durchmesser eine Zugfestigkeit
von 296o8 kg/Cm2 und eine Einschnürung von 150/0 besaß. Dieser Stahl läßt sich gut
maschinell bearbe=ten, und er ist in dieser Hinsicht ähnlichen Stählen, die kein
Blei enthalten, überlegen.
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Die Erfindung betrifft ferner solche Legierungen, mittels derer die
Korngröße von Stahl geregelt wird. Demgemäß fällt unter die 'Erfindung eine Stahl-Legierung,
die bis zu i,70 % Kohlenstoff mit ferritbildenden und karbidbildenden Stoffen oder
einen dieser Stoffe, ein ein feines Korn bildendes Element, wie Aluminium oder Titan,
in einer Menge von 0,225 bis 2,7 g/kg und außerdem 0,03 bis 0,49 % Blei enthält.
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Der Zusatz von Blei zu legierten Stählen zwecks Verbesserung der maschinellen
Bearbeitungsfähigkeit erfordert keine Steigerung des Schwefelgehaltes über die üblichen
Werte. Indessen kann die Bearbeitungsfähigkeit unter Umständen durch geringfügige
Steigerung des Schwefelgehaltes verbessert werden. Das ist nur in einzelnen Fällen
möglich, wo der erhöhte Schwefelgehalt die mechanischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt,
oder in denen die gewünschten mechanischen Eigenschaften durch eine besondere Wärmebehandlung
erreicht werden können.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Erfindung zu gewissen wichtigen
Verbesserungen der Eigenschaften legierter Stähle führt. In erster Linie führt sie
zu einer erheblichen Verbesserung der maschinellen Bearbeitungsfähigkeit legierter
Stähle. Ferner wird ihr Korngefüge verbessert. Die bleihaltigen Stähle haben einen
niedrigeren Reibungskoeffizienten als andere Stähle ähnlicher Zusammensetzung, die
kein Blei enthalten.