ITMI962219A1 - IMPROVED RESOLFORATED FINE AUSTENIC GRAIN STEEL AND RELATED PROCEDURE TO OBTAIN IT - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale: DESCRIPTION of the patent for industrial invention:
La presente invenzione si riferisce ad un acciaio a grano austenitico fine risolforato migliorato ed al relativo procedimento utilizzato per ottenere tale tipo di acciaio. The present invention relates to an improved resulfurized fine austenitic grain steel and to the related process used to obtain this type of steel.
Come noto, il solfuro di ferro nell'acciaio produce un eutettico con il ferro metallico che ha punto di fusione a 988 C; pertanto, la presenza di solfuro di ferro nell'acciaio è dannosa, poiché comporta fragilità a caldo dell'acciaio, in quanto le temperature di forgiatura e laminazione sono normalmente superiori al valore di 988 C. As known, the iron sulphide in steel produces a eutectic with metallic iron which has a melting point of 988 C; therefore, the presence of iron sulfide in steel is harmful, since it involves hot brittleness of the steel, as the forging and rolling temperatures are normally above the value of 988 C.
L'aggiunta di manganese all'acciaio fa si che si formino solfuri di manganese, i quali non producono eutettici con il ferro ed hanno temperature di fusione più elevate delle temperature di forgiatura e di laminazione . The addition of manganese to steel causes manganese sulphides to form, which do not produce eutectics with iron and have higher melting temperatures than forging and rolling temperatures.
E' altresì noto in letteratura che la.quantità minima di manganese da aggiungere all'acciaio deve risultare, in percentuale, pari ad otto volte la percentuale di zolfo presente, in modo da garantire l'assenza di fragilità a caldo dell'acciaio. It is also known in the literature that the minimum quantity of manganese to be added to the steel must be, in percentage terms, equal to eight times the percentage of sulfur present, in order to guarantee the absence of hot brittleness of the steel.
I solfuri di manganese possono presentarsi nell'acciaio in tre forme caratteristiche e sono noti, rispettivamente, come solfuri di tipo 1, solfuri di tipo 2, solfuri di tipo 3. Manganese sulphides can occur in steel in three characteristic forms and are known, respectively, as type 1 sulphides, type 2 sulphides, type 3 sulphides.
I solfuri di tipo 1 presentano forma globulare e si ottengono in presenza di tenori elevati di ossigeno (vedi, per esempio, acciai effervescenti, semicalmati ed automatici). Type 1 sulphides have a globular shape and are obtained in the presence of high oxygen levels (see, for example, effervescent, semi-calmed and automatic steels).
I solfuri di tipo 2 hanno una struttura dendritica e si separano ai bordi dei grani primari di solidificazione; essi si formano in acciai calmati, con quantità di alluminio appena sufficienti a disossidare l'acciaio. Type 2 sulphides have a dendritic structure and separate at the edges of the primary solidification grains; they are formed in quenched steels, with amounts of aluminum just sufficient to deoxidize the steel.
I solfuri di tipo 3 si formano aumentando la quantità di alluminio o di altri elementi ad alta affinità per l'ossigeno (titanio o vanadio) sino a raggiungere valori tali da regolare il grano austenitico. Type 3 sulphides are formed by increasing the quantity of aluminum or other elements with a high affinity for oxygen (titanium or vanadium) until reaching values such as to regulate the austenitic grain.
Attualmente, gli acciai utilizzati nell'industria dell'autoveicolo in generale e, in particolare, nell'industria automobilistica sono acciai da cementazione e bonifica, al carbonio e legati risolforati, a grano austenitico fine, che presentano aggiunte di alluminio e/o titanio e/o niobio in quantità tali da garantire grano austenitico fine (solfuri di tipo 3). Currently, the steels used in the automotive industry in general and, in particular, in the automotive industry are case-hardening and tempering steels, carbon and resulfurized alloys, with fine austenitic grain, which have additions of aluminum and / or titanium and / or niobium in quantities such as to guarantee fine austenitic grain (type 3 sulphides).
Tuttavia, è stato altresì dimostrato che i tenori di elementi regolatori del grano necessari alla disossidazione completa, dell'acciaio ed al controllo del grano austenitico danno origine a solfuri (i solfuri dì tipo 3), che non consentono una sufficiente lavorabilità all'utensile. However, it has also been shown that the content of grain regulating elements necessary for complete deoxidation, of steel and for the control of austenitic grain give rise to sulphides (type 3 sulphides), which do not allow sufficient workability to the tool.
Da questo punto di vista, i solfuri più idonei a migliorare la lavorabilità all'utensile sono quelli del tipo 1, i quali, d'altra parte, non si ottengono nelle condizioni descritte nel precedente capoverso. From this point of view, the most suitable sulphides to improve tool workability are those of type 1, which, on the other hand, are not obtained under the conditions described in the previous paragraph.
Si presenta, dunque, la necessità di studiare la messa a punto di un prodotto che soddisfi entrambe le esigenze sopra menzionate. Therefore, the need arises to study the development of a product that satisfies both the above-mentioned needs.
Una soluzione prospettata è quella di aggiungere all'acciaio, contenente solfuri di tipo 3, elementi metallici, quali piombo o tellurio, che, notoriamente, migliorano la lavorabilità all'utensile, ma sono molto pericolosi per la salute degli addetti alla produzione e degli utilizzatori durante la loro lavorazione . A proposed solution is to add metal elements, such as lead or tellurium, to the steel, containing type 3 sulphides, which, notoriously, improve the machinability of the tool, but are very dangerous for the health of production workers and users. during their processing.
Scopo della presente invenzione è, dunque, quello di indicare un acciaio a grano austenitico fine risolforato che ovvi agli inconvenienti sopra menzionati e, in particolare, che sia utilizzabile nell'industria degli autoveicoli in generale e nell'industria automobilistica in particolare, in quanto tale da consentire, al contempo, una completa disossidazione dell'acciaio, l'ottenimento di grano austenitico fine ed una maggiore lavorabilità all'utensile, rispetto alle tecniche note. The purpose of the present invention is, therefore, to indicate a resulphurized fine austenitic grain steel which obviates the aforementioned drawbacks and, in particular, which can be used in the automotive industry in general and in the automotive industry in particular, as such. to allow, at the same time, a complete deoxidation of the steel, the obtainment of fine austenitic grain and greater workability with the tool, with respect to known techniques.
Altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un acciaio a grano austenitico fine risolforato che non sia dannoso per la salute di chi lo produce nelle acciaierie e di chi lo utilizza durante la sua lavorazione. Another object of the present invention is to produce a resulphurized fine austenitic grain steel which is not harmful to the health of those who produce it in steel mills and of those who use it during its processing.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di indicare un procedimento atto ad ottenere un acciaio a grano austenitico fine risolforato migliorato quale quello qui descritto. A further object of the present invention is to indicate a process suitable for obtaining an improved resulfurized fine austenitic grain steel such as the one described here.
Non ultimo scopo della presente invenzione è quello di realizzare acciaio a grano austenitico fine risolforato migliorato'a costi contenuti e senza impiegare tecnologie complesse e costose. Not least object of the present invention is to produce improved resulfurized fine austenitic grain steel at low costs and without using complex and expensive technologies.
Tali scopi sono raggiunti da un acciaio a grano austenitico fine risolforato secondo la rivendicazione 1 e da un procedimento per ottenere il suddetto acciaio secondo la rivendicazione 7, alle quali si rimanda per brevità. These objects are achieved by a resulfurized fine austenitic grain steel according to claim 1 and by a process for obtaining the aforementioned steel according to claim 7, to which reference is made for the sake of brevity.
Vantaggiosamente, l'aggiunta di terre rare sotto forma di filo tal quale o protetto da metalli, leghe metalliche o altri depositi (per esempio ceramici), in paniera o in lingottiera, in acciai al carbonio e legati a grano austenitico fine risolforati, consente una buona diffusione ed omogeneizzazione del prodotto ed una omogenea distribuzione dei solfuri globulari nella sezione colata. Advantageously, the addition of rare earths in the form of wire as such or protected by metals, metal alloys or other deposits (for example ceramic), in a tundish or in an ingot mold, in carbon steels and alloyed with fine austenitic resulphurized grain, allows a good diffusion and homogenization of the product and a homogeneous distribution of the globular sulphides in the cast section.
In tal modo, i solfuri presenti nell'acciaio migliorano la lavorabilità all'utensile, rispetto alle tecniche tradizionali, garantendo, nel contempo, assenza di fragilità a caldo, regolazione del grano austenitico e disossidazione completa dell'acciaio. In this way, the sulphides present in the steel improve the machinability of the tool, compared to traditional techniques, while guaranteeing, at the same time, the absence of hot brittleness, regulation of the austenitic grain and complete deoxidation of the steel.
Si è già visto che l'aggiunta di manganese all'acciaio garantisce l'assenza di fragilità a caldo; i solfuri di manganese di tipo 1 presentano una struttura globulare e si ottengono con un tenore elevato di ossigeno, mentre i solfuri di tipo 2 (che si formano in acciai con quantità minime di alluminio) hanno una struttura dendritica e si separano ai bordi dei grani primari di solidificazione, con l'inconveniente di presentare una notevole fragilità a caldo. We have already seen that the addition of manganese to steel guarantees the absence of hot brittleness; type 1 manganese sulphides have a globular structure and are obtained with a high oxygen content, while type 2 sulphides (which are formed in steels with minimal amounts of aluminum) have a dendritic structure and separate at the grain boundaries solidification primaries, with the drawback of having a considerable hot brittleness.
Aumentando la quantità di alluminio o di altri elementi che presentano una alta affinità per l'ossigeno (quali il titanio o il vanadio) sino a valori tali che possa essere regolato facilmente il grano austenitico (cioè a valori, in percentuale in peso, maggiori di 0,015%), compaiono solfuri di tipo 3, che si distribuiscono casualmente nell'acciaio con forma angolare ed irregolare. By increasing the amount of aluminum or other elements that have a high affinity for oxygen (such as titanium or vanadium) up to values such that the austenitic grain can be easily adjusted (i.e. to values, in percentage by weight, greater than 0.015%), type 3 sulphides appear, which are randomly distributed in the steel with an angular and irregular shape.
Dopo la laminazione a caldo, i solfuri di tipo 1 si presentano sotto forma lenticolare, mentre i solfuri di tipo 2 e di tipo 3 si trasformano in stringhe o placchette molto sottili; questa caratteristica dei solfuri di tipo 2 e 3 migliora la lavorabilità all'utensile, poiché nel corso -della lavorazione meccanica il filo dell'utensile esercita una forza nella zona di contatto con l'acciaio provocando in esso la formazione di microfessure. After hot rolling, type 1 sulphides appear in lenticular form, while type 2 and type 3 sulphides are transformed into very thin strings or plates; this characteristic of type 2 and 3 sulphides improves the machinability of the tool, since during the mechanical working the tool wire exerts a force in the contact area with the steel causing the formation of micro-cracks in it.
E' evidente che la presenza di inclusioni non metalliche riduce in modo sensibile la forza necessaria a creare le microfessure e la forma del truciolo. It is evident that the presence of non-metallic inclusions significantly reduces the force necessary to create the micro-cracks and the shape of the chip.
Nel caso in cui le microfessure siano tali da non interrompere il truciolo si avranno dei problemi durante la lavorazione meccanica (tornitura, foratura). Qualora, invece, le microfessure siano tali da riuscire a spezzare il truciolo in frammenti, la forza necessaria a creare le microfessure si riduce e la lavorabilità all'utensile ne trae vantaggio. If the micro-cracks are such as not to interrupt the chip, there will be problems during mechanical processing (turning, drilling). If, on the other hand, the micro-cracks are such as to be able to break the chip into fragments, the force necessary to create the micro-cracks is reduced and the machinability of the tool benefits.
Nel caso in oggetto, i solfuri di tipo 2 e di tipo 3 non interrompono il truciolo. In the present case, type 2 and type 3 sulphides do not break the chip.
Viceversa, si verifica che, per i solfuri globulari di tipo 1, che presentano una morfologia più grossolana, si ottiene una lavorabilità dell'acciaio all'utensile notevolmente migliore. Conversely, it occurs that, for the globular sulphides of type 1, which have a coarser morphology, a considerably better machinability of the steel is obtained.
Attualmente, il controllo della forma cristallografica dei solfuri di manganese può essere effettuato mediante l'aggiunta di metalli di transizione del gruppo 3 (lantanidi o terre rare); questo dà origine alla formazione di solfuri globulari, ma comporta la formazione di ossidi, che ostruiscono le busette di colaggio in colata continua. Currently, the control of the crystallographic form of the manganese sulphides can be carried out by adding group 3 transition metals (lanthanides or rare earths); this gives rise to the formation of globular sulphides, but involves the formation of oxides, which obstruct the casting bushes in continuous casting.
Infatti, le terre rare presentano una alta affinità per l'ossìgeno (superiore a quella dell'alluminio ed a quella del magnesio) e, se la loro concentrazione è elevata (0,03%-0,04% in peso), esse si ossidano riducendo ad alluminio metallico l'allumina presente nell'acciaio sotto forma di inclusioni e quella che compone il materiale refrattario delle piastre, delle busette e dei tamponi. In fact, rare earths have a high affinity for oxygen (higher than that of aluminum and that of magnesium) and, if their concentration is high (0.03% -0.04% by weight), they are oxidize reducing the alumina present in the steel in the form of inclusions to metallic aluminum and that which makes up the refractory material of the plates, bags and pads.
Non è quindi possibile effettuare il colaggio dell'acciaio in colata continua se si pretende di aggiungere in secchia una quantità di terre rare tale da combinare completamente lo zolfo e cioè, teoricamente, una quantità pari a 0,29 Kg/t (chilogrammi per tonnellata di prodotto) per ogni 0,01% in peso di zolfo presente nell'acciaio. It is therefore not possible to cast steel in continuous casting if you intend to add a quantity of rare earths to the bucket such as to completely combine the sulfur, i.e., theoretically, an amount equal to 0.29 kg / t (kilograms per ton of product) for each 0.01% by weight of sulfur present in the steel.
Secondo la presente invenzione, invece, è possibile globulizzare i solfuri di tipo 3 ed ottenere acciai in colata continua, che presentano una migliore lavorabilità all'utensile, rispetto all'arte nota. According to the present invention, on the other hand, it is possible to globulate type 3 sulphides and obtain steels in continuous casting, which have a better machinability with the tool, with respect to the known art.
I lantanidi, secondo una forma di realizzazione preferita, ma non limitativa, dell'invenzione, vengono aggiunti in’ quantità sufficiente a globulizzare i solfuri, sotto forma di filo semplice o protetto da elementi metallici, leghe metalliche o altri depositi (per esempio, ceramici). The lanthanides, according to a preferred but not limiting embodiment of the invention, are added in an amount sufficient to globulate the sulphides, in the form of a simple wire or protected by metallic elements, metal alloys or other deposits (for example, ceramic ).
In particolare, l'acciaio secondo l'invenzione contiene lantanidi in quantità sufficiente all'ottenimento dal 20% al 100% di solfuri globulari nell'acciaio solidificato. In particular, the steel according to the invention contains lanthanides in a quantity sufficient to obtain from 20% to 100% of globular sulphides in the solidified steel.
II filo viene dosato nella quantità desiderata in lingottiera ovvero in paniera, utilizzando, in quest'ultimo caso, per la costruzione di piastre o busette, particolari materiali refrattari, che abbiano la caratteristica di non reagire chimicamente con i lantanidi. The yarn is dosed in the desired quantity in an ingot mold or in a basket, using, in the latter case, for the construction of plates or bags, particular refractory materials, which have the characteristic of not reacting chemically with the lanthanides.
Si ottengono, cosi, solfuri globulari in acciai al carbonio e/o legati, a grano austenitico fine da cementazione e bonifica, contenenti zolfo in quantità pari o superiore a 0,02% in peso, prodotti in colata continua, destinati all'industria meccanica in generale ed all'industria automobilistica in particolare. Gli acciai suddetti risultano a grano austenitico fine e sono ottenuti mediante l'aggiunta di tenori di elementi metallici, quali alluminio, titanio, niobio, vanadio o leghe di questi elementi, in quantità tale che la presenza finale di questi elementi nell'acciaio sia superiore a 0,015% in peso. In this way, globular sulphides are obtained in carbon and / or alloyed steels, with fine austenitic grain from carburizing and tempering, containing sulfur in quantities equal to or greater than 0.02% by weight, products in continuous casting, intended for the mechanical industry in general and to the automotive industry in particular. The aforementioned steels have a fine austenitic grain and are obtained by adding levels of metallic elements, such as aluminum, titanium, niobium, vanadium or alloys of these elements, in such a quantity that the final presence of these elements in the steel is higher 0.015% by weight.
La presenza degli elementi metallici suddetti in quantità superiore a 0,015% in peso nell'acciaio dà origine, come già accennato, alla formazione di solfuri (di tipo 3), la cui forma ha un'influenza trascurabile sul parametro della lavorabilità all'utensile . The presence of the aforesaid metal elements in quantities greater than 0.015% by weight in the steel gives rise, as already mentioned, to the formation of sulphides (type 3), whose shape has a negligible influence on the tool machinability parameter.
La quantità di terre rare da aggiungere ai solfuri sotto forma di filo metallico di forma qualsiasi (tondo, quadro, esagono, ecc.), in paniera o in lingottiera, è pari ad un valore compreso tra 0,05 Kg/t e 0,35 Kg/t per ogni 0,01% in peso di zolfo. The quantity of rare earths to be added to the sulphides in the form of metal wire of any shape (round, square, hexagon, etc.), in a basket or in an ingot mold, is equal to a value between 0.05 Kg / t and 0.35 Kg / t for each 0.01% by weight of sulfur.
L'aggiunta di terre rare come elemento singolo o come leghe in filo metallico in lingottiera consente perfette diffusione ed omogeneizzazione dei lantanidi sul prodotto ed una altrettanto omogenea distribuzione dei solfuri globulari nella sezione colata. The addition of rare earths as a single element or as metal wire alloys in the mold allows perfect diffusion and homogenization of the lanthanides on the product and an equally homogeneous distribution of the globular sulphides in the cast section.
A maggior ragione questa omogeneità di distribuzione si ottiene se l'aggiunta viene eseguita in paniera. Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche dell'acciaio a grano austenitico fine risolforato migliorato e del relativo procedimento di ottenimento, che sono oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi. All the more reason this homogeneity of distribution is obtained if the addition is carried out in a basket. From the above description the characteristics of the improved resulfurized fine austenitic grain steel and of the related obtaining process, which are the object of the present invention, are clear, as are the advantages.
In particolare, essi sono rappresentati da: contemporanea possibilità di ottenere acciai risolforati a grano austenitico fine, da cementazione e bonifica, al carbonio e legati e che consentano una sufficiente lavorabilità all'utensile, in modo da essere impiegati nell'industria meccanica e, in particolare, nell'industria automobilistica; costi contenuti rispetto all'arte nota, in vista dei vantaggi ottenuti. E' chiaro, infine, che numerose varianti possono essere apportate al prodotto ed al procedimento, che sono oggetto della presente invenzione, senza per questo uscire dai princìpi di novità ìnsiti nell'idea inventiva, così come è chiaro che, nella pratica attuazione dell'invenzione, i materiali, le forme e le dimensioni dei prodotti descritti potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi potranno essere sostituiti con altri equivalenti. In particular, they are represented by: simultaneous possibility of obtaining resulphurized fine austenitic grain steels, from case-hardening and tempering, carbon and alloy steels and which allow sufficient machinability to the tool, so as to be used in the mechanical industry and, in particularly, in the automotive industry; low costs with respect to the known art, in view of the advantages obtained. Finally, it is clear that numerous variations can be made to the product and to the process, which are the subject of the present invention, without thereby departing from the principles of novelty inherent in the inventive idea, just as it is clear that, in the practical implementation of the invention, the materials, shapes and dimensions of the products described may be any according to requirements and the same may be replaced with other equivalents.
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