EP4640858A1

EP4640858A1 - Automatenstahl und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: EP4640858A1
Application number: EP24172583.7A
Authority: EP
Inventors: Hans Roelofs; Paulina Unifantowicz; Heiko Haupt Peter
Original assignee: Steeltec Ag
Current assignee: Steeltec Ag
Priority date: 2024-04-25
Filing date: 2024-04-25
Publication date: 2025-10-29

Abstract

Ein Automatenstahl mit einem Gewichtsanteil von0.04 bis 0.14% Kohlenstoff,0.01 bis 0.05 % Silizium,0.90 bis 1.50% Mangan,0.27 bis zu 0.40% Schwefel,0.001 bis 0.14% Blei,0.001 bis 0.05% Wismut,bis zu 0.11 % Phosphor,0.004 bis 0.010% Bor,0.008 bis 0.015% Stickstoff0.0005 bis 0.004% Kalzium0.001 bis 0.005% Aluminium0.005 bis 0.010% Sauerstoff undmaximal bis zu 0.8% prozessbedingte Verunreinigungenweist ein N/B-Verhältnis < 2.0 auf, wobei zusätzlich oxidische Einschlüsse mit folgenden relativen Gewichtsanteilen vorliegen: 0 bis 25% B2O3, 15 bis 60% Al2O3, 25 bis 55% MnO, 5 bis 35% CaO und weniger als 10% SiO2.Zu dessen Herstellung wird eine Stahlschmelze mit entsprechender Zusammensetzung einer metallurgischen Schmelzbehandlung mit einer Schlacke unterzogen, Kalium zulegiert und die Schmelze unter Vermeidung von Reoxidationsreaktionen abgekühlt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Automatenstahl gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Stand der Technik

Automatenstähle sind Stähle, die mindestens 0.15 Gew.-% Schwefel enthalten und wegen ihrer guten Zerspanbarkeit für die Bearbeitung auf Automaten besonders geeignet sind. Standardautomatenstähle sind in der Norm ISO683-4 beschrieben.
Automatenstähle (mit ~0.1 Gew.-% Kohlenstoff) werden zur Verbesserung ihrer Zerspanbarkeit typischerweise zusätzlich mit mindestens 0.15 Gew,-% Blei legiert. Das Schwermetall Blei hat einen tiefen Schmelzpunkt und wirkt deshalb in einem niedrigen Temperaturbereich versprödend (liquid metal embrittlement). Das flüssige Blei legt sich während des Zerspanungsprozesses ausserdem zwischen Werkzeug und Werkstoff und senkt so die Reibungskräfte. Dadurch werden die Schnittkräfte reduziert, die Werkzeugstandzeiten verlängert und die Oberflächenqualität des Bauteils verbessert.
Da Blei als ein reproduktionstoxisches Schwermetall eingestuft ist, sollte es jedoch möglichst nicht verwendet werden. Aus diesem Grund gibt es politische Bestrebungen, Blei als Legierungselement im Stahl zu begrenzen oder gänzlich zu verbieten. Seit den 1980er Jahren wird Blei manchmal durch Wismut ersetzt (z.B. US-Patent 4247326 ). Wismut ist wie Blei ein Schwermetall mit tiefer Schmelztemperatur. Wismut-legierte Automatenstähle verhalten sich deshalb ähnlich wie bleilegierte Automatenstähle. Bezüglich seiner Toxizität weiss man über Wismut deutlich weniger als über Blei. Aufgrund seiner Ähnlichkeit zu Blei muss jedoch davon ausgegangen werden, dass die Legierung mit Wismut keine umweltfreundliche Lösung darstellt. Darüber hinaus sind Wismut-legierte Stähle teurer in der Herstellung und damit deutlich weniger wirtschaftlich als bleilegierte Stähle.
In einer Vielzahl früherer Patente wurde dargelegt, dass die Zugabe von Bor in Kombination mit anderen Ausscheidungen im Stahl zu einer signifikanten Verbesserung der Zerspanbarkeit führen kann. Im Vergleich mit bleilegierten Stählen bestehen jedoch nach wie vor Einschränkungen bezüglich Verarbeitbarkeit, Gebrauchseigenschaften oder Wirtschaftlichkeit.
Bereits 1941 wurde im Patent US2388214 ein Produkt beschrieben, welches 0.004 bis 0.02 Gew.-% Bor aufweist. Durch die Zugabe von Bor konnte der Schwefelgehalt reduziert werden (um die Heissduktilität zu verbessern), ohne dass sich die Zerspanbarkeit verschlechtert. Es gibt keine Hinweise auf die Zerspanbarkeit im Vergleich zu bleilegierten Stählen.
In Patent US4061494 wurde im Jahr 1977 ein Automatenstahl beschrieben, bei dem 1980 er als Keimstellen für die Graphitisierung des im Stahl enthaltenen Kohlenstoffs dient. Einerseits verspröden die Graphitausscheidungen den weichen Ferrit, andrerseits wirkt Graphit als Festkörperschmierstoff. Die Zerspanbarkeit von Graphitstählen ist mit der von bleilegierten Automatenstählen vergleichbar. Die Graphitausscheidungen müssen jedoch über eine lange und teure Wärmebehandlung erzeugt werden, was diese Stähle kommerziell uninteressant macht. Vom Koreanischen Stahlhersteller POSCO wurde ein entsprechendes Walzprodukt unter dem Namen POSGRAM im Jahr 2020 vorgestellt. Aufgrund des Legierungskonzepts, insbesondere wegen des deutlich höheren Kohlenstoffgehalts, unterscheiden sich die Gebrauchseigenschaften von Graphit- und Automatenstählen, so dass diese Produkte nur sehr bedingt als Ersatzprodukte für bleilegierten Stählen eingesetzt werden können.
Ebenfalls im Jahr 1977 wurde in der DDR-Patenschrift 129664 ein Produkt beschrieben, bei dem niedrigschmelzende Boroxide zu einer verbesserten Zerspanbarkeit führen sollen. Zur Unterdrückung der Bornitridbildung ist der Stickstoffgehalt in diesem Stahl auf 0.006 Gew.-% begrenzt. Der Borgehalt liegt zwischen 0.005 und 0.015 Gew.%. Damit sich die gewünschten Boroxide bilden, muss mindestens 150 ppm Sauerstoff im Stahl vorliegen (Bericht zum Forschungsprojekt 7210-MA/113 der Kommission der Europäischen Gemeinschaften aus dem Jahr 1991). Die niedrigen Stickstoff- und die hohen Sauerstoffgehalte können nur mit einem entsprechend hohen Produktionsaufwand eingehalten werden. Die Zerspanbarkeit eines bleilegierten Stahls konnte nicht erreicht werden.
Patent WO2004050932 von Nippon Steel aus dem Jahr 2003 beschreibt einen Automatenstahl mit 5 bis 500 ppm Bor zur Bildung von Bornitriden. Damit eine gute Oberflächenqualität des zerspanten Bauteils erreicht werden kann, muss gleichzeitig das Mn/S-Verhältnis zwischen 1.2 und 2.8 liegen. Laut dem EUR-Bericht 23890 betreffend die Studie "PACROLP: the prediction and avoidance of cracking in long product hot rolling", die im Jahr 2009 veröffentlicht wurden, sollte das Mn/S-Verhältnis bei Automatenstähle jedoch möglichst hoch sein (bevorzugt >4.0), um die Bildung von niedrig-schmelzendem Eisensulfid und die dadurch verursachten Heissrisse zu vermeiden. Bei tieferen Mn/S-Verhältnissen sollte die Umformtemperatur entsprechend erhöht werden. Bei konventioneller Walztechnologie muss bei einem Mn/S-Verhältnis unter 3.0 mit erheblichen Ausfällen wegen ungenügender Oberflächenqualität gerechnet werden.
Am 17th Int. Congress of Mechanical Engineering in Sao Paulo in 2003 wurde von Amorim et al. ein neuer Automatenstahl vorgestellt, der neben 0.05 Gew.-% Wismut auch eine nicht genannte Menge an Bor enthält. Es konnte im Vergleich mit einem Stahl mit 0.1 Gew.-% Wismut gezeigt werden, dass der Bor-legierten Stahl zu deutlich besseren Standzeiten mit HM-Werkzeugen und Schnittgeschwindigkeiten im Bereich von 500 m/min bzw. mit HSS-Werkzeugen und Schnittgeschwindigkeiten im Bereich von 150 - 200 m/min führt.
Das hexagonale Bornitrid verhält sich ähnlich wie Graphit auch als Festkörperschmierstoff. Bornitride legen sich an die Primärkorngrenzen des Stahls und führen zusätzlich zu einer Versprödung. Bei Aluminium-legierten Stählen (keine Automatenstähle) mit niedrigen Schwefelgehalten konnten deutliche Vorteile in der Zerspanbarkeit nachgewiesen werden. Im Patent RU2696798 aus 2018 wird ein entsprechender Stahl mit 0.005 bis 0.009 Gew.-% Bor vorgestellt. Laut Tanake (Int. Journal of Machine Tools & Manufacture 47, 2007) geht die positive Wirkung des Bors verloren, falls der Aluminiumgehalt (wie bei Automatenstahl) zu niedrig ist.
In einer späteren Patentanmeldung von Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp. EP3309272 wird ein Automatenstahl beschrieben, der unüblich hohe Schwefelgehalte aufweist (0.35 bis 0.60 Gew.-%). Bevorzugte Eigenschaften werden bei hohen Sauerstoffgehalten (80 bis 250 ppm) und entsprechend tiefen Aluminium- (<0.003 Gew.-%) bzw. Siliziumgehalten (<0.01 Gew.-%) erwartet. Der daraus resultierende hohe Sauerstoffgehalt dient zur Stabilisierung der Mangansulfiden (Bem. Bildung von MnO-MnS-Ausscheidungen). Auch dieser Stahl kann bis max. 200 ppm Bor beinhalten. Die obere Begrenzung der Borzugabe soll gemäss Beschreibung so gewählt werden, dass kein Boroxid entsteht, da sich dieses negativ auf die Zerspanbarkeit auswirkt. Die sehr hohen Schwefelgehalte dieses Stahls sind nachteilig für seine Herstellung (Warmbrüchigkeit) und für seine Gebrauchseigenschaften (hoher Anteil an mechanischen Schwachstellen).
Die bisherigen Forschungsarbeiten zeigen auf, dass die Zugabe von Bor über die Ausscheidung von Bornitrid und/oder in Kombination mit vorhandenen Ausscheidungen wie Mangansulfiden, Wismutpartikeln oder Oxiden das Potenzial hat deutliche Zerspanungsverbesserungen zu erreichen. Die Wechselwirkungen der diversen Ausscheidungen sind schlecht verstanden und obwohl heute viele gute Stahlkonzepte zur Verfügung stehen, kommt man bezüglich Zerspanbarkeit und Wirtschaftlichkeit nicht an einem bleilegierten Stahl vorbei. Es besteht nach wie vor ein dringender Bedarf an Automatenstählen mit verbesserter Zerspanbarkeit und limitiertem Blei- bzw. Wismutgehalt.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Automatenstahl bereitzustellen, mit dem insbesondere die obigen Nachteile bez. Herstellbarkeit, Umweltbelastung, Wirtschaftlichkeit, Gebrauchsfähigkeit oder Zerspanbarkeit vermieden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Automatenstahls anzugeben.
Gelöst werden diese Aufgaben durch den im Anspruch 1 definierten Automatenstahl sowie das im Anspruch 6 definierte Herstellverfahren.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert und im Text weiter unten erläutert.
Die nachfolgenden Gehaltsangaben in Prozent (%) bzw. in Teilen pro Million ("parts per million, ppm") beziehen sich - sofern nicht ausdrücklich anders angegeben - auf Gewichtsanteile.
Der erfindungsgemässe Automatenstahl weist einen Gewichtsanteil auf von

0.04 bis 0.14% Kohlenstoff,
0.01 bis 0.05 % Silizium,
0.90 bis 1.50% Mangan,
0.27 bis zu 0.40% Schwefel,
0.001 bis 0.14% Blei,
0.001 bis 0.05% Wismut,
bis zu 0.11 % Phosphor,
0.004 bis 0.010% Bor,
0.008 bis 0.015% Stickstoff
0.0005 bis 0.004% Kalzium
0.001 bis 0.005% Aluminium
0.005 bis 0.010% Sauerstoff und
maximal bis zu 0.8% prozessbedingte Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, dass das N/B-Verhältnis < 2.0 ist und dass zusätzlich oxidische Einschlüsse mit folgenden relativen Gewichtsanteilen vorliegen: 0 bis 25% B₂O₃, 15 bis 60% Al2O3, 25 bis 55% MnO, 5 bis 35% CaO und weniger als 10% SiO₂.

Bei den prozessbedingten Verunreinigungen handelt es sich insbesondere um Chrom (Cr), Nickel (Ni), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu) und Zinn (Sn).
In einer vorteilhaften Ausführungsform (Anspruch 2) beträgt der Phosphorgehalt mindesten 0.04 Gew.-%
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (Anspruch 3) liegen der Bleigehalt wie auch der Wismutgehalt unter 0.02 Gew.-%.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (Anspruch 4) weisen die oxidischen Einschlüsse folgende relativen Gewichtsanteile auf: 2 bis 25% B₂O₃, 15 bis 60% Al2O3, 25 bis 55% MnO, 5 bis 35% CaO und weniger als 10% SiO₂.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemässen Automatenstahls umfasst:

Herstellen einer flüssigen Stahlschmelze mit einem Gewichtsanteil von
- 0.04 bis 0.14% Kohlenstoff,
- 0.01 bis 0.05 % Silizium,
- 0.90 bis 1.50% Mangan,
- 0.27 bis zu 0.40% Schwefel,
- 0.001 bis 0.14% Blei,
- 0.001 bis 0.05% Wismut,
- bis zu 0.11% Phosphor,
- 0.004 bis 0.010% Bor,
- 0.008 bis 0.015% Stickstoff
- 0.0005 bis 0.004% Kalzium
- 0.001 bis 0.003% Aluminium
- 0.005 bis 0.010% Sauerstoff und
- maximal bis zu 0.8% prozessbedingte Verunreinigungen, so dass sich bei 1600°C eine Sauerstoffaktivität von 40 bis 70 ppm einstellt;
- die Sauerstoffaktivität wird im Prozess gemessen; sie ist im Wesentlichen eine Funktion der Elemente C, Ca, Al, Si, Mn, B und stellt sich im thermodynamischen Gleichgewicht ein;
Durchführung einer metallurgischen Schmelzbehandlung mit einer Schlacke, deren Zusammensetzung folgende relative Gewichtsanteile aufweist: 30 bis 40% CaO, 5 bis 20 SiO₂, 25 bis 35% Al₂O₃ und 10 bis 25% MnO, mit dem Ziel den Aluminiumgehalt in der Schmelze einzustellen und um vorliegende oxidische Einschlüsse zu konditionieren;
Zugabe von Kalzium, zur Kontrolle des Schmelzpunkts bzw. der Härte der Oxide;
Abkühlung der Schmelze unter Vermeidung von Reoxidationsreaktionen.

Es wurde überraschend gefunden, dass die erfindungsgemässe Stahlzusammensetzung besser zerspanbar ist als Standardautomatenstähle nach ISO683-4 mit einem Borgehalt <40ppm und insbesondere in Bohroperationen auch besser zerspanbar ist als Automatenstahl mit einem Bleigehalt von 0.15 - 0.30 Gew.-%.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass die überraschend gute Zerspanbarkeit dadurch zustande gekommen ist, dass eine vorteilhafte, aber bis dato unbekannte, Wechselwirkung zwischen Bor und Al₂O₃-haltigen Oxiden vorliegt. Die deutlich verbesserte Zerspanbarkeit äussert sich in markant längeren Werkzeugstandzeiten.
Durch die obere Begrenzung des Kohlenstoffs auf 0.14 Gew.-% wird gewährleistet, dass ein dominant ferritisches Gefüge vorliegt. Dieses Gefüge lässt sich gut umformen und führt während des Spanbildungsprozesses zu geringen Schnittkräfte. Dadurch werden ein geringer Energieverbrauch und lange Werkzeugstandzeiten gewährleistet.
Die untere Begrenzung des Kohlenstoffs auf 0.04 Gew.-% ergibt sich aus dem Herstellprozess des Stahls. Die Aufschmelzung des Stahls mit elektrischer Energie und die Verwendung von Graphitelektroden führen dazu, dass der Kohlenstoffgehalt im Stahlbad nicht unter 0.04 Gew.-% gehalten werden kann.
Ein Siliziumgehalt von maximal 0.05 Gew.-% gewährleistet, dass keine harten und abrasiven SiO₂-Einschlüsse entstehen. Silizium steht in Wettbewerb mit Bor bei der Bildung von Oxiden. Ein hoher Siliziumgehalt verunmöglicht die Bildung der vorteilhaften Bor-modifizierten Oxiden. Die untere Begrenzung des Siliziums auf 0.01 Gew.-% stellt sicher, dass der Gesamtsauerstoffgehalt im Stahl unter 100 ppm bleibt und dass sich in den Oxiden nicht zu viel MnO bildet.
Mangan verbindet sich mit Schwefel zu Mangansulfiden. Diese verbessern die Zerspanbarkeit. Ein Mangangehalt von 0.9 Gew.-% sollte dabei nicht unterschritten werden, da sich sonst zu wenige Mangansulfide bilden und die Zerspanbarkeit verschlechtert. Ausserdem könnte sich aufgrund eines niedrigen Mn/S-Verhältnisses ein niedrig-schmelzendes Eisensulfid bilden, was die Giess- und Walzbarkeit des Stahls erheblich beeinträchtigt.
Mangan trägt auch zur Mischkristallverfestigung des Ferrits bei. Beim Überschreiten des maximalen Mangangehalts von 1.50 Gew.-% wird der Stahl so hart, dass sich dies in eine schlechtere Zerspanbarkeit bemerkbar macht.
Der versprödende Effekt des Phosphors wirkt sich negativ auf die Vergiess- und Walzbarkeit des Stahls aus. Deshalb wird der Phosphorgehalt auf maximal 0.11 Gew.-% begrenzt. Phosphor versprödet den Ferrit und verbessert die Zerspanbarkeit. Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemässen Stahls enthält deshalb mindestens 0.04 Gew.-% Phosphor.
Schwefel bildet Mangansulfide, die eine gute Zerspanbarkeit gewährleisten. Ein Mindestgehalt von 0.27% Gew.-% muss eingestellt werden, damit sich die gewünschte Bearbeitbarkeit ergibt. Die Mangansulfide schwächen das Stahlgefüge und beeinträchtigen die Gebrauchseigenschaften des Stahls. Bei einem zu geringen Mn/S-Verhältnis entsteht bei Walzen Rotbrüchigkeit und die gewünschte Oberflächenqualität wird nicht mehr erreicht. Aus diesen Gründen wird der Schwefelgehalt auf 0.4 Gew.-% begrenzt.
Blei hat eine in-situ schmierende und gleichzeitig versprödende Wirkung in der zerspanenden Bearbeitung. Die Produktivität im Zerspanungsprozess lässt sich durch die Zugabe von Blei deutlich steigern. Automatenstähle nach ISO683-4 weisen zwischen 0.15 und 0.35 Gew.-% Blei auf. Zur Reduktion von Blei als toxisches Element im Stahl soll der maximale Bleigehalt deshalb 0.14 Gew.-% betragen, bevorzugt sogar nur maximal 0.02 Gew.-%.
Wismut wirkt wie Blei. Die Zugabe von Wismut ist in der ISO683-4 nicht geregelt. Typische Gehalte liegen zwischen 0.05 und 0.1 Gew.-%. Zur Reduktion des toxischen Elements Wismut wird deshalb ein maximaler Wismutgehalt von 0.05 Gew.- % gefordert. Eine bevorzugte Ausführung weist nicht mehr als 0.02 Gew.-% auf.
Da Aluminium ein stark oxidierendes Element ist und darüber hinaus auch Nitride bildet, beeinflusst es die Zusammensetzung der Oxide und steht in Konkurrenz mit Bor zur Bildung von Nitriden. Aus diesem Grund soll der Aluminiumgehalt in einem engen Bereich kontrolliert eingestellt werden. Ein Aluminiumgehalt unter dem Mindestgehalt von 0.001 Gew.-% ist in dem hier zugrunde gelegten Herstellprozess mit dem Stand der Technik nicht erreichbar. Ein Aluminiumgehalt über dem Maximalgehalt von 0.005 Gew.-% führt zur unerwünschten Bildung von kristallinem und abrasivem Al₂O₃.
Bor bildet mit Stickstoff ein hexagonales Bornitrid, welches ähnlich wie Graphit ein Festkörperschmierstoff ist. Bor wirkt auch desoxidierend und bildet komplexe CaO-Al₂O₃-SiO₂-MnO-B₂O₃-Verbindungen beziehungsweise scheidet sich lokal auch als Boroxid an vorhandenen Oxiden aus.
Bornitride befinden sich bevorzugt an den ehemaligen Austenitkorngrenzen, wo sie versprödend wirken. Bei einem Borgehalt über 0.010 Gew.-% führt dies zu einem ausgeprägten Duktilitätsminimum des Stahls bei ca. 1'100°C. Sowohl beim kontinuierlichen Knüppelgiessen wie auch im nachfolgenden Warmwalzprozess entstehen dann gravierende Oberflächenrisse, was die Herstellung von konformem Walzstahl verunmöglicht.
Bei einem Borgehalt unter 0.004 Gew.-% wurde keine signifikante Verbesserung der Zerspanbarkeit mehr festgestellt.
Stickstoff bildet Bornitride und führt zu einer Versprödung des Ferrits. Beides verbessert die Zerspanbarkeit des Stahls. Bei einem Gehalt unter 0.008 Gew.-% wird der Stickstoff komplett durch die Bornitridbildung verbraucht. Dadurch wird der Ferrit nicht mehr ausreichend verfestigt, was zu mehr adhäsivem Verschleiss bei kleinen Bearbeitungsgeschwindigkeiten (unter 100 m/min) führt. Bei einem Stickstoffgehalt über 0.015 Gew.-% werden zu viele Bornitride gebildet und der Stahl lässt sich nicht mehr wunschgemäss vergiessen und walzen.
Häufig werden Automatenstähle bevorzugt mit einem Sauerstoffgehalt über 0.01 Gew.-% hergestellt. Der hohe Sauerstoff stabilisiert die Mangansulfide und verringert die Anisotropie durch langgestreckte Mangansulfide. Hohe Sauerstoffgehalte führen jedoch zu einem unvorteilhaften MnO/Al₂O₃-Verhältnis, was sich negativ auf Werkzeugstandzeiten auswirkt. Aus diesem Grund ist der obere Sauerstoffgehalt auf 0.01 Gew.-% zu begrenzen.
Automatenstähle sind Silizium-Mangan-desoxidierte Stähle. Im thermodynamischen Gleichgewicht stellt sich dann für den Sauerstoffgehalt in der Stahlschmelze ein Gleichgewichtszustand ein. Aufgrund der Stahlzusammensetzung ist die erreichbare untere Grenze für den Sauerstoffgehalt 0.005 Gew.-%.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, dabei zeigen:

Fig. 1: eine grafische Darstellung der ermittelten Standzeit (in Minuten) als Funktion des Bohrgehaltes verschiedener Stähle; und
Fig. 2: Fotos von Spänen nach dem Aussenlängsdrehen für einen a) Si-legierten Stahl 11SMn30+Si, b) für einen Bor- und Si-legierten Stahl 11SMn30+Si+Bor und c) für einen erfindungsgemässen Bor-legierten Stahl 11SMn30+Bor
Fig. 3: einen Vergleich eines a) erfindungsgemässen Stahls (Grafik links) mit einem b) nicht-erfindungsgemässen bleilegierten, Ca-behandelten Stahl (Grafik rechts), wobei die Schnittgeschwindigkeit aufgetragen ist als Funktion des Vorschubs.

Im Rahmen von Ausführungsbeispielen wurden Stahlschmelzen vergossen und anschliessend zu Walzdraht gewalzt. Die Herstellung der Stahlschmelzen erfolgte nach dem Elektrostahl-Verfahren mit einer sekundärmetallurgischen Behandlung an einem Pfannenstand und anschliessendem Vergiessen zu 152x152 mm²-Knüp-peln in einer kontinuierlichen Stranggussanlage. Die Knüppel wurden danach in einem Hubbalkenofen auf 1'200 bis 1'250°C wieder erwärmt und anschliessend zu Walzdraht in Durchmessern ∅26 bis 30mm gewalzt. Die Abkühlung der Ringe nach der Walzung erfolgte an bewegter Luft.
In der Blankstahlfertigung wurden die Drähte zur Entfernung der Eisenoxidhaut gestrahlt und in Linie gerichtet. Danach wurden die Stäbe durch einen Ziehstein auf das Endmass gezogen und anschliessend nochmals gerichtet.
Drehtests zur Bestimmung der Werkzeugstandzeit wurden auf einer DMG Mori CTX400 bei 200 m/min Schnittgeschwindigkeit durchgeführt. Die Stangen wurden über einen Stangenlader in die Maschine eingeführt. Die Tests verliefen ohne Kühlschmierstoff mit einer beschichteten Wendeschneidplatte CNMG120308 QM235. Die Schnitttiefe betrug 1.25 mm bei einem Vorschub von 0.125 mm/U. Der Test wurde bis zum Erreichen des Standzeitkriteriums von 0.3mm Freiflächenverschleiss durchgeführt.
Tabelle 1 zeigt die Standzeitergebnisse von 12 Versuchsschmelzen und drei Referenzchargen, davon eine ohne Pb (11SMn30) und zwei mit Pb (11SMnPb30 und 11SMnPb37). Die leichten Elemente C, N und O wurden chromatografisch (mit einem Gerät der Firma LECO) bestimmt. Die markierten Felder zeigen die Abweichungen von der erfindungsgemässen Ausführung des Stahlprodukts. Die Standzeiten der nicht erfindungsgemässen Ausführungen liegen zwischen 35 und 65 min (für die bleilegierte Variante). Die Standzeiten der erfindungsgemässen Varianten variieren zwischen 76 und 257 min und weisen einen Mittelwert von 122 min auf.
Die Zusammensetzung der nicht-metallischen Einschlüsse im Stahl wurde mittels EDX (energiedispersive Röntgenspektrometrie) im Rasterelektronenmikroskop ermittelt. Die Messfläche betrug mindestens 40 mm² (nicht bei jeder Versuchsvariante genau gleich). Bei der Rasterung wurde eine Schrittweite («grid») von 0.391 µm verwendet. Isolierte Mangansulfide wurden über ein Graufilter ausgeblendet. Bei der Auswertung wurden nur Ausscheidungen mit einem Äquivalenzradius zwischen 2 bis 5 µm und Messwerte mit C<10% und O>10% berücksichtigt. Grössere Einschlüsse kommen in diesen Stählen nur selten vor und basieren u.U. auf Einzelereignissen beim Giessen. Bei kleineren Einschlüssen wird aufgrund des grösseren Messflecks hauptsächlich Umgebung gemessen und Messamplituden der entsprechenden Spektralpeaks werden klein (bzw. die Messfehler werden gross). Weil insbesondere Borausscheidungen von Interesse sind, wurden die leichten Elemente B und O trotz der bekannten Messungenauigkeiten ausgewertet. Die daraus hergeleiteten Anteile an B₂O₃ sollen deshalb nur als Indikation angesehen werden. Tatsächlich werden bei der Auswertung der Rohdaten (ohne Anwendung von Filtern) immer B₂O₃-haltige Einschlüsse gefunden. Die in Tabelle 2 aufgelisteten Ergebnisse wurden im System B₂O₃-SiO₂-MnO-CaO-Al₂O₃ auf 100% normiert. Die Abweichungen von der erfindungsgemässen Ausführung sind hervorgehoben.
Figur 1 zeigt, dass die Zugabe von Bor allein («nicht-erfindungsgemäss») nicht zu einer Verbesserung der Standzeiten führt. Die ermittelten Standzeiten liegen praktisch konstant bei ungefähr 50 min. Bei zunehmender Legierung mit Bor steigen auch die Standzeiten an. Der bevorzugte Borgehalt liegt zwischen 60 und 80 ppm.
Um das Vorhandensein von Boroxid indirekt nachzuweisen, wurde eine Bor-legierte Charge zusätzlich mit Silizium legiert (0.198 Gew.-%). Silizium hat eine höhere Affinität zu Sauerstoff als Bor und verunmöglicht die Bildung von Boroxid. Drei Stahlvarianten wurden verglichen: 11SMn30+Silizium, 11SMn30+Silizium+Bor und 11SMn30+Bor /erfindungsgemäss). Die Stahlanalysen sind mit Ausnahme von Silizium und Bor vergleichbar. Das Spanbruchverhalten im Drehtest (Aussenlängsdrehen bei 200m/min, 1.5 mm Schnitttiefe) wurde bei Vorschüben von 0.1 bzw. 0.125 mm/U untersucht. Die Figuren 2a-c zeigen Fotos von Spänen. Das Spanbruchverhalten bei f=0.125mm/U verschlechtert sich für die Si-legierte Variante durch die Zugabe von Bor. Das Bor bildet ausschliesslich Bornitrid und der Stickstoff steht nicht mehr in ausreichender Menge für die Verfestigung (und Versprödung) des Ferrits zur Verfügung. Bei der erfindungsgemässen Stahlanalyse mit einem normkonformen (ISO683-4), tiefen Siliziumgehalt wird nach der Borzugabe eine optimale Spanform bzw. ein optimales Spanbruchverhalten beobachtet.
Die erfindungsgemässe Variante V12 wurde in einem Bohrtest auf einer MAZAK INTEGREX i300 Multifunktionsmaschine eingesetzt. Für die externe Schmierung des Bohrers wurde BLAZER VASCO 7000 verwendet. Der ∅4mm-HSS-Bohrer war ein Tivoly M2 Typ N Bohrer. Die Lochlänge war auf das 4-fache des Durchmessers festgelegt.
Um das optimale Arbeitsfenster (OOZ) zu bestimmen, wurden Standzeittests für verschiedene Paare "Vc - f" durchgeführt. Damit wurden die Obergrenzen der OOZ und das maximale Zeitspanvolumen ermittelt. Jeder Standzeitversuch wurde bis zum Bruch des Werkzeugs oder bis zum Erreichen einer bestimmten Anzahl von Bohrungen (1'140 Bohrungen) durchgeführt.
Das optimale Arbeitsfenster (OOZ) war wie folgt definiert:

Wenn 1'140 Löcher (früher 1'125) erreicht werden, ohne dass der Bohrer bricht, liegt das geprüfte Paar "Vc - f" in der OOZ («gut»)
Wenn der Bohrer nach einer Anzahl von Löchern bricht, die geringer ist als die Hälfte der zu erreichenden Anzahl von Löchern, wird das Paar "Vc - f" als außerhalb der OOZ («schlecht») erklärt
Wenn der Bohrer nach einer Anzahl von Löchern bricht, die zwischen der zu erreichenden Anzahl von Löchern und der Hälfte dieser Anzahl liegt, wird das Paar "Vc - f" der Zwischenzone («Übergangsbereich») zugeordnet.

Die Figuren 3a-b zeigen Ergebnisse des nicht-erfindungsgemässen bleilegierten Stahls (11SMnPb30) und der erfindungsgemässen Variante V12. Der optimale Arbeitsbereich ist für beide Stähle ähnlich. Der unter guten Bedingungen erreichbare, maximale Materialabtrag (Zeitspanvolumen) liegt bei 20 cm³/min. Mit einem nichtbleilegierten Stahl 11SMn30 konnte lediglich 12 cm³/min erreicht werden. Die entsprechende Produktivität von 11SMnPb30 und dem erfindungsgemässen Stahl liegen damit 67% höher.

Claims

Ein Automatenstahl mit einem Gewichtsanteil von
0.04 bis 0.14% Kohlenstoff,

0.01 bis 0.05 % Silizium,

0.90 bis 1.50% Mangan,

0.27 bis zu 0.40% Schwefel,

0.001 bis 0.14% Blei,

0.001 bis 0.05% Wismut,

bis zu 0.11% Phosphor,

0.004 bis 0.010% Bor,

0.008 bis 0.015% Stickstoff

0.0005 bis 0.004% Kalzium

0.001 bis 0.005% Aluminium

0.005 bis 0.010% Sauerstoff und

maximal bis zu 0.8% prozessbedingte Verunreinigungen
dadurch gekennzeichnet, dass das N/B-Verhältnis < 2.0 ist und dass zusätzlich oxidische Einschlüsse mit folgenden relativen Gewichtsanteilen vorliegen: 0 bis 25% B₂O₃, 15 bis 60% Al2O3, 25 bis 55% MnO, 5 bis 35% CaO und weniger als 10% SiO₂
Der Automatenstahl nach Anspruch 1, bei dem der Phosphorgehalt mindestens 0.04 Gew.-% beträgt.
Der Automatenstahl nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sowohl der Bleigehalt als auch der Wismutgehalt unter 0.02 Gew.-% liegen.
Der Automatenstahl nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oxidischen Einschlüsse folgende relativen Gewichtsanteile aufweisen: 2 bis 25% B₂O₃, 15 bis 60% Al2O3, 25 bis 55% MnO, 5 bis 35% CaO und weniger als 10% SiO₂.
Verfahren zur Herstellung eines Automatenstahls gemäss Anspruch 1, wobei man:
a) in einer flüssigen Stahlschmelze mit einem Gewichtsanteil von
0.04 bis 0.14% Kohlenstoff,

0.01 bis 0.05 % Silizium,

0.90 bis 1.50% Mangan,

0.27 bis zu 0.40% Schwefel,

0.001 bis 0.14% Blei,

0.001 bis 0.05% Wismut,

bis zu 0.11% Phosphor,

0.004 bis 0.010% Bor,

0.008 bis 0.015% Stickstoff

0.005 bis 0.004% Kalzium

0.001 bis 0.005% Aluminium

0.005 bis 0.010% Sauerstoff und

maximal bis zu 0.8% prozessbedingte Verunreinigungen, so dass sich bei 1600°C eine Sauerstoffaktivität von 40 bis 70 ppm einstellt;

b) eine metallurgische Schmelzbehandlung mit einer Schlacke durchführt, deren Zusammensetzung folgende relative Gewichtsanteile aufweist: 30 bis 40% CaO, 5 bis 20 SiO₂, 25 bis 35% Al₂O₃ und 10 bis 25% MnO, um den Aluminiumgehalt in der Schmelze einzustellen und um vorliegende oxidische Einschlüsse zu konditionieren,

c) Kalzium zulegiert,

d) die Schmelze unter Vermeidung von Reoxidationsreaktionen abkühlt.