Die Erfindung betrifft einen hochzerspanbaren Automatenstahl mit Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Schwefel, Phosphor, Aluminium und Eisen.
Die Erfindung ist in der Eisenmetallurgie und zwar bei der Herstellung von hochzerspanbarem Automatenstahl für die Herstellung von Bauteilen im Kraftwagenbau einsetzbar.
Das Patent
Zu den Mängeln dieses Stahls gehören:
Im
Hohe Schneidbarkeit / Zerspanbarkeit von Automatenstahl wird durch das Verhältnis Cr-Mn-S erreicht. In diesem Stahl ist Chrom keine unvermeidliche Verunreinigung (kein unentbehrlicher Einschluß), durch die Einführung dessen wird eine globulare Form von Sulfiden erreicht. Besonders wird der minimale Grenzwert für den Chromanteil von 0,3% kontrolliert / überwacht, weil bei der Verringerung des Chromgehalts "ein genügender Effekt der Unterdrückung der Dehnung (Streckung) der Sulfide nur schwer erreicht werden kann. Da ausgedehntes Sulfid im Stahl erhalten bleibt, kann kein genügender Effekt der verbesserten Schneidbarkeit von Stahl erzielt werden". Der Mangananteil als Sulfid bildendes Element wird im Bereich von 0,05 bis 1,8% vorgegeben, bevorzugt ist aber der Bereich von 0,22 bis 0,60%, weil Mangan ausgedehnte Sulfide erzeugt. In einem Beispiel aus dem Stand der Technik kommt Bismut zwar vor, aber in Kombination mit Blei.
Der Unterschied dieses Stahls von dem gemäß unserer Lösung besteht darin, dass hohe Schneidbarkeit (Zerspanbarkeit) mit Chrom und nicht mit Bismut erreicht wird. Beim Stand der Technik wird das Verhältnis Cr-S überwacht, nicht Mn-S. Eine völlig mit unserer Lösung übereinstimmende Zusammensetzung konnte dieser Druckschrift nicht entnommen werden.
Die Druckschrift
Stahl enthält Bismut zur Verteilung an den Grenzen von Mangansulfiden und in freiem Zustand. In dieser Druckschrift ist die Aufgabe der Erhöhung der Plastizität von bismuthaltigem Automatenstahl dadurch gelöst, dass der beanspruchte Stahl im warmen Zustand gewalzt wird, wobei die Bruchbildung ausgeschlossen wird. Schwefel wird teilweise zu vorteilhaften, abgesonderten Mangansulfiden, teilweise - zu Eisensulfiden gebunden, welche zu Bruchbildung (Rotbruch-Effekte im Stahl) beim Warmwalzen führen. Die Lösung ist darauf abgezielt, die Auswirkung von Titan, Bor und Stickstoff auf die Plastizität vom Stahl im warmen Zustand zu nutzen.
Diese technische Lösung schlägt kein solches Komponentenverhältnis Mn-S in der chemischen Stahlzusammensetzung vor, das die Bildung von Eisensulfiden sowie die Bruchbildung beim Warmwalzen ohne Einführung von Titan, Bor und Stickstoff ausschließen würde. Es gibt keine Informationen über die Auswirkung von Bor und Titan auf die mechanischen Eigenschaften von Stahl (Festigkeitsgrenze, Dehnungszahl, Härte). Bemängelt ist dieser Stahl durch die fehlenden Angaben über den möglichen Einfluss von Sauerstoff bei dessen Anteilsänderung auf die Geometrie und die Zusammensetzung von Mangan-Sulfideinschlüsse zwecks einer erhöhten Drehbearbeitung des Stahls.
Aus dem Stand der Technik ist ein bleihaltiger Automatenstahl AS-14 mit folgender chemischer Zusammensetzung, nach Massenanteilen, bekannt:
Dieser Stahl liegt dem erfindungsgemäßen Stahl seinen mechanischen Eigenschaften, seiner Zusammensetzung und seinem Anwendungszweck nach am nächsten und gilt als Prototyp.
Dieser Stahl hat den Mangel, dass darin stark verformte Dünnschichteinschlüsse dominieren. Diese verursachen schlechtere physikalische und mechanische Eigenschaften, eine schlechtere Verarbeitungsfähigkeit der Metalle und verhindern eine Steigerung der Zerspanbarkeit. Ein weiterer Mangel ist die Giftigkeit von Blei, das zu den Elementen der ersten Gefährdungsklasse gehört. Bei der Herstellung von bleihaltigen Stählen werden in Stahlwerken ziemlich komplizierte Anlagen zur Absaugung von freiwerdenden Bleidämpfen eingesetzt. Das Problem des Schutzes gegen toxische Bleiverbindungen in Walzwerken ist so gut wie nicht lösbar.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Schneidbarkeit über den gesamten Querschnitt und Umfang des Walzguts aus Automatenstahl unter Beibehaltung von mechanischen Eigenschaften wie denen der bleihaltigen Stähle zu erhöhen, die Umweltsituation in der Hüttenindustrie zu verbessern und den Preisbereich der Stähle zu erweitern.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße bismuthaltige Automatenstahl weist folgende massenanteilige Zusammensetzung auf:
Die Referenzkennzeichnung dieses erfindungsgemäßen Stahls ist AM 14.
Ein preiswerter Stahl mit einer sparsamen Bismutlegierung ist mit folgenden Massenanteilen vorgeschlagen:
Die Referenzkennzeichnung dieses erfindungsgemäßen Stahls ist AM 12.
Die technische Aufgabe ist dadurch gelöst, dass eine Legierung mit Schwefel und Bismut vorgenommen ist und gleichmäßig verteilte ellipsenförmige und runde Sulfideinschlüsse im Metall gebildet sind. Der Umfang der Sulfideinschlüsse hängt vom Schwefelgehalt ab. Ihre Morphologie hängt vom Stahldesoxidationsgrad und Sauerstoffanteil im Stahl sowie von der Abkühlgeschwindigkeit während der Kristallisation ab. Um die Zerspanbarkeit zu erhöhen, sind die Sulfide am besten abgerundet und fast globular und wenig verformt. Sie entstehen im leichtberuhigten Stahl mit einem Gesamtsauerstoffgehalt von 0,0030 - 0,0150 %. Dafür ist die Sauerstoffwirksamkeit im Stahl während der Übergabe zum Stahlguss bei 20 - 70 ppm aufrechterhalten. Das Vorhandensein von fast globularen, wenig verformten Sulfiden im Metall steht gut mit dem Gehalt an wirksamem Sauerstoff und Restaluminium im Einklang: Je höher der Sauerstoffgehalt mit kleinerem Restaluminium-Anteil ist, desto mehr globulare Sulfide sind im Metall vorhanden.
Der maximale Aluminiumanteil von 0,01 % ist durch eine Verminderung der Schneidbarkeit der Bauteile beschränkt.
Der Kohlenstoffgehalt von max. 0,16 % sorgt dafür, dass die erforderlichen mechanischen Kenndaten erreicht werden. Ist die obere Grenze des Kohlenstoffanteils überschritten, so nehmen das Fließvermögen ab und die Härte zu. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, den Stahl bestimmungsgemäß zu verwenden.
Die Mangan- und Schwefelanteile sorgen für ein Verhältnis im Bereich von 3,4 bis 8,0. Bei diesem Verhältnis sind die Rotbruch-Effekte im Stahl weniger wahrscheinlich. Ein Schwefelgehalt von unter 0,2 % führt zur Verringerung des annehmbaren Zerspanbarkeitsgrads.
Die untere Grenze des Phosphoranteils von 0,06 % sorgt für eine Steigerung der Stahlzerspanbarkeit. Überschreitet die Phosphorkonzentration 0,15 %, so wirkt sich dies negativ auf das Metallfließvermögen aus.
Der minimale Bismutanteil von 0,03 % im Stahl ist dadurch bedingt, dass dabei die dem bleihaltigen Stahl eigene Zerspanbarkeit erreicht ist. Der maximale Bismutanteil von 0,12 % ist erfahrungs-gemäß für optimale Gussverhältnisse in einer Stranggussanlage und die Einhaltung von Anforderungen hinsichtlich der höchstzulässigen Bismutkonzentration (HZK) in der Luft gewählt (dieser HZK-Wert liegt erfahrungsgemäß bei 0,5 mg/m3).
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Die erfindungsgemäßen Stahlsorten sind bei dem Omutninsker Metallurgiewerk ZAO in einer Stahlschmelzanlage hergestellt. Der Stahl ist unter Einsatz von Aluminium am Abstich aus der Stahlschmelzanlage zur Pfanne desoxidiert. Die Komponenten bei einem optimalen Verhältnis [Mn]/[Si]≤3 für eine Desoxidation sind dem Bodenbereich einer Pfanne zugeführt. Im Pfannenofen wird die Metallbehandlung einschließlich eines Argonaufblasens und einer Kalk-Tonerde-Schlackeneinstellung vorgenommen. Nach einer Verdickung der Schlacke mit Magnesitpulver wird Pulverdraht mit einem Füllstoff Elementarschwefel eingeführt. Anschließend wird ein Draht mit einem Füllstoff Bismut (MnBi) eingeführt. Der Guss erfolgt in der Stranggussanlage nach dem "Unterboden"-Verfahren. Dabei wird der stranggegossene Stahl hergestellt.
Der Strang wird im Warmwalzwerk nach verfahrenstechnischen Anleitungen und Walzplänen vom Omutninsker Metallurgiewerk ZAO gewalzt. Danach wird das Rohwalzgut in einer Ziehmaschine mit einer Kraft von 10 Tonnen zum Blankstahl-Fertigprofil geformt, und zwar in Kreisen im Bereich von 10 bis 27 mm und in einem Sechskant im Bereich von 14 bis 27 mm.
Es wurden Schmelzen von Stahl AM 12 und AM 14 mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellt. Die erzielte chemische Zusammensetzung ist der Tabelle 1 in Gegenüberstellung zum Prototyp zu entnehmen.
Die mechanischen Eigenschaften und das Gefüge der Stähle AM 12 und AM 14 wurden im Prüfungslabor für Vergleichsprüfungen vom Omutninsker Metallurgiewerk ZAO bewertet. Die mechanischen Eigenschaften wurden in einer 25-Tonnen-Reißmaschine der Fa. QUASAR 250 geprüft. Die Brinell-Härteprüfung wurde in einem Härteprüfer Typ TSch-2M durchgeführt. Die mechanischen Prüfungsergebnisse für den bekannten und den beanspruchten Blankstahl sind der Tabelle 2 zu entnehmen. Aus den Probeschmelzen wurden einige Lose der Profile in verschiedenen Baugrößen hergestellt. Die gewisse Streuung der Festigkeitseigenschaften ist durch die Reduktionsrate beim Ziehen der Profile verschiedener Größen bedingt.
Das Stahlkleingefüge, die Form und die Verteilung der Sulfideinschlüsse wurden im NEOPHOT-21-Mikroskop erforscht. Das Kleingefüge von Stahl ist ferritisch-perlitisch mit einem überwiegenden streifigen Perlit und mit einer Korngröße von max. Nr. 5. Die Korngröße wurde am Querschliff des Blankstahlprofils bei 100-facher Vergrößerung nach GOST 5639 (
Die Bewertung der Form von Nichtmetall-Einschlüssen zeigte ein Vorhandensein von gleichmäßig verteilten, abgesonderten, wenig verformten, abgerundeten (ellipsenförmigen) Sulfiden an durch Walzen und Ziehen verformtem Metall sowie fehlende Anhäufungen von Dünnschichteinschlüssen, die die physikalisch-mechanischen und die verfahrenstechnischen Metalleigenschaften vermindern. Das Verhältnis der Länge der Sulfidpartikeln zu ihrer Stärke ist 2 : 4 in der Oberflächenschicht (
Die resultierende Form der Sulfideinschlüsse stellt eine Minderung der Adhäsionswechselwirkungen zwischen dem Werkstoff und dem Werkzeug sicher. Folglich werden eine Oberflächenrauheit und eine Verschleißrate des Schneidewerkzeugs (die Werkzeugstandzeit) wie bei bleihaltigen Stählen erreicht.
Die Großversuche der Schneidbarkeit von Walzerzeugnissen aus erfindungsgemäßem Automatenstahl wurden durchgeführt, um die Standfestigkeit des Schneidewerkzeugs, die Oberflächen-rauheit und das Spanverhalten zu prüfen.
Anhand von Funktionsproben meldeten einige Betriebe (OAO Uljanowsker Autowerk, OAO Avtodetal-Service, OOO Laguna, St. Petersburg, ZAO Okulovsker Möbelbeschlagfabrik usw.) positive Ergebnisse der Drehbearbeitung des Stahls AM 12. Die Standfestigkeit der Schneidewerkzeuge wurde um 15 - 20 % erhöht. Der Span lässt sich leicht klümpern und sammelt sich nicht im Bearbeitungsbereich.
OOO Avtopartner, Dimitrovgrad, betont eine Verbesserung der Oberflächengüte der behandelten Werkstücke, die um 1 - 2 Klassen höher geworden ist. Nach Einsatz von einem Prüflos hat OOO PROSAM, Ryazan, über eine stabile Genauigkeit der prüfbaren Bauteilabmessungen mit hoher Oberflächengüte berichtet, wobei das Metall keine Spaltungen beim Gewindewalzen aufweist.
Die erfindungsgemäße chemische Zusammensetzung, das Desoxidationsverfahren, das Schmelz-, Walz- und Einstellverfahren ermöglichen, Blankstahlerzeugnisse aus zwei Stahlsorten mit einer erhöhten Zerspanbarkeit über den gesamten Querschnitt und Umfang des Walzguts gegenüber den bleihaltigen Stählen AS 14, unter Beibehaltung von mechanischen Eigenschaften wie denen des Stahls AS 14 aus dem Stand der Technik, in verschiedenen Preisbereichen zu bekommen, wobei die Umweltsituation in der Hüttenindustrie verbessert ist.
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