Verfahren zur Herstellung von Stählen mit verbesserter Zerspanbarkeit
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit dem Problem, das Elektroschlacken-Umschmelzverfahren für die Herstellung von Stählen mit verbesserter Zerspanbarkeit einzusetzen.
Dieses Verfahren besteht darin, dass das Vormaterial aus dem gewünschten Stahl in Form einer Abschmelzelektrode in eine Schlacke eintaucht, in dieser vorzugsweise ohne Bildung eines elektrischen Lichtbogens abschmilzt und dass aus dem Abschmelzgut nach dem Prinzip des wachsenden Blockes das gewünschte Gussstück, also der gewünschte Block, in einer metallischen Kokille aufgebaut wird. Durch Verwendung hochbasischer Schlacken, die vorwiegend aus Kalk und Flussspat bestehen, und durch die sich beim Abschmelzvorgang ausbildenden grossen Berührungsflächen zwischen dem flüssigen Stahl und der flüssigen Schlacke wird eine weitgehende Stahlreinigung erzielt, und ausserdem wird durch die Anwendung des Prinzips des wachsenden Blockes erreicht, dass die beim normalen Blockguss störenden Blockseigerungen vermieden werden.
Zufolge der jeweils erstarrenden relativ kleinen Mengen flüssigen Stahles wird schliesslich im Vergleich zu gleich grossen, in konventioneller Weise vergossenen Blöcken eine ausserordentlich feinkörnige Primärkristallisation erhalten.
Die Freiheit von Blockseigerungen ist eine wesentliche Voraussetzung für gleichmässige Zerspanungseigenschaften, weshalb sich das Elektroschlacken-Umschmelzverfahren auch zur Herstellung von gut zerspanbaren Stählen anbieten würde. Hierbei besteht jedoch das bisher nicht gelöste Problem, dass jene Legierungselemente, welche die Zerspanbarkeit durch Einschlussbildung verbessern, wie z.B. Schwefel, Phosphor, Selen oder Tellur, die in das Vormaterial ohne weiteres eingebracht werden können, bei der Reaktion der flüssigen Schlacke mit dem abschmelzenden Stahl aus diesem wieder entfernt werden. Die Verwendung von Zusätzen zur Verbesserung der Zerspanbarkeit, die im flüssigen Stahl nicht löslich sind, wie z.B. die Verwendung von Bleizusätzen, kann bei diesem Umschmelzverfahren nicht in Betracht gezogen werden.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem besteht somit darin, Schlacken zu finden, die einerseits bei der Reaktion mit dem flüssigen, abschmelzenden Vormaterial nicht ein Entfernen der erwünschten Legierungselemente aus diesem zur Folge haben, die aber andererseits dennoch für das in Rede stehende Verfahren brauchbar sind. Diese letztere Forderung wird vor allem dann erfüllt sein, wenn die Schlacken eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wenn sie ferner geeignet sind, oxydische Verunreinigungen aufzunehmen und wenn sie im Vergleich zu den bei diesem Verfahren üblichen Schlacken die Kristallisation des zu erzeugenden Blockes nicht nachteilig beeinflussen.
Umfangreiche Untersuchungen führten nun zu dem Ergebnis, dass es Schlacken gibt, welche die gestellten Anforderungen erfüllen, wobei diese Schlacken hinsichtlich ihrer Zusammensetzungen in relativ weiten Bereichen variiert werden können.
Zweckmässig enthalten die erfindungsgemäss in Betracht kommenden Schlacken 10 bis 40 Gew.-% Al203, sowie 10 bis 50% Silo3. Auch Erdalkalioxyde in Mengen bis 40 Gew.-% und/oder CaF2 in Mengen zwischen 10 und 70 Gew.- ,gO können vorhanden sein. Zu beachten ist, dass der Mindestgehalt an Silo, bei Anwesenheit von Erdalkalioxyden das 1 ,lfache des Anteils derselben betragen muss. Die Erdalkalioxyde sollen vorzugsweise CaO sein.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Stählen mit verbesserter Zerspanbarkeit, und die Erfindung besteht darin, dass aus einem Vormaterial aus Stahl, welcher mindestens ein im flüssigen Zustand lösliches und die Zerspanbarkeit verbesserndes Legierungselement enthält, nach dem Elektroschlakken-Umschmelzverfahren ein Block unter Verwendung einer Schlacke hergestellt wird, deren Zusammensetzung innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche liegt.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren im Falle von schwefellegierten Stählen mit Schwefelgehalten zwischen 0,15 und 0,7% anwendbar, weil diese Schwefelgehalte bei in üblicher Weise vergossenen Blöcken bereits zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Warmformgebung führen können. Diese Schwierigkeit schliesst häufig die Möglichkeit der Verwendung von Schwefel in höheren Anteilen aus, obwohl gerade dieses Legierungselement in sehr vorteilhafter Weise die Zerspanbarkeit verbessert und ausserdem billig und metallurgisch leicht beherrschbar ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren eröffnet somit auch die Möglichkeit, mit Legierungszusätzen in Mengen vorzugehen, die bisher wegen der erwähnten Verformungsschwierigkeiten nicht in Betracht gezogen werden konnten, im Falle des Schwefels also mit Legierungszusätzen, die höher als 0,7% sind.
Gute Ergebnisse wurden beispielsweise mit Schlacken erhalten, die aus 10 bis 40% SiO2, 20 bis 40% A1203 und aus CaF2 als Rest bestanden.
Weiters vorteilhafte Schlacken enthalten z.B. 20 bis 30% CaO, 30 bis 40% SiOz und Al203 als Rest.
Besonders gute Ergebnisse wurden mit einer Schlacke erhalten, die aus 20% CaO, 30% Sitz, 20% A13O3 und aus CaF2 als Rest bestand.
Wesentlich bei der Auswahl der Schlackenzusammensetzung ist vor allem, dass die Legierungszusätze zur Verbesserung der Zerspanbarkeit, wie z.B. Schwefel, möglichst zur Gänze beim Umschmelzen wieder in den zu erzielenden Block eingebracht werden, so dass auf ein Überlegieren des Vormaterials verzichtet werden kann.
Es ist ferner möglich, den CaF2-Anteil der Schlacke durch Borsäure zu ersetzen, sofern dieser Anteil 20% nicht übersteigt. Borsäure und GaF2 dürfen jedoch nicht gleichzeitig in der Schlacke vorhanden sein.
Ausserdem ist es in manchen Fällen vorteilhaft, in die Schlacke zusätzlich TiO2 einzubringen, wobei die Menge desselben bis zu 40% betragen kann. Das TiO2 verbessert vor allem die elektrische Leitfähigkeit der Schlacken.
Eine solche TiO2 -hältige Schlacke besteht z.B. aus 14% SiO, 21% CaO, 14% A1203, 21% CaF2 und aus 30% TiO2.
Verunreinigungen in Form sonstiger Bestandteile der Schlacke sollen 10 Gew.-% nicht überschreiten.
Durch die vorliegende Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, für die Herstellung von Stählen guter Zerspanbarkeit das Elektroschlacken-Umschmelzverfahren einzusetzen, das bisher für die Zwecke nicht in Betracht gezogen werden konnte.
Process for the production of steels with improved machinability
The present invention deals with the problem of using the electroslag remelting process for the production of steels with improved machinability.
This process consists in that the starting material from the desired steel in the form of a consumable electrode is immersed in a slag, in which it melts, preferably without the formation of an electric arc, and that the desired casting, i.e. the desired block, is built up in a metallic mold. By using highly basic slag, which mainly consists of lime and fluorspar, and due to the large contact surfaces between the liquid steel and the liquid slag that form during the melting process, extensive steel cleaning is achieved, and by using the principle of the growing block it is achieved that the block segregation, which is a problem with normal ingot casting, is avoided.
As a result of the relatively small amounts of liquid steel that solidify in each case, an extraordinarily fine-grained primary crystallization is ultimately obtained in comparison with blocks of the same size cast in a conventional manner.
The freedom from block segregation is an essential prerequisite for uniform machining properties, which is why the electroslag remelting process would also be suitable for the production of easily machinable steels. Here, however, there is the hitherto unsolved problem that those alloy elements which improve machinability through inclusion formation, e.g. Sulfur, phosphorus, selenium or tellurium, which can be easily introduced into the primary material, are removed from the melting steel when the liquid slag reacts with it. The use of additives to improve machinability that are not soluble in liquid steel, e.g. the use of lead additives cannot be considered in this remelting process.
The problem on which the present invention is based is thus to find slags which, on the one hand, do not result in the removal of the desired alloying elements when reacting with the liquid, melting starting material, but which, on the other hand, are nevertheless useful for the process in question. This latter requirement is met above all if the slags have sufficient electrical conductivity, if they are also suitable for absorbing oxidic impurities and if they do not adversely affect the crystallization of the block to be produced in comparison to the slags customary in this process.
Extensive investigations have now led to the result that there are slags which meet the requirements, it being possible for these slags to be varied within relatively wide ranges with regard to their composition.
The slags which can be considered according to the invention expediently contain 10 to 40% by weight of Al 2 O 3 and 10 to 50% of Silo 3. Alkaline earth oxides in amounts of up to 40% by weight and / or CaF2 in amounts between 10 and 70% by weight can also be present. It should be noted that the minimum content of the silo, in the presence of alkaline earth oxides, must be 1.1 times the proportion of the same. The alkaline earth oxides should preferably be CaO.
The subject of the invention is thus a method for the production of steels with improved machinability, and the invention consists in that from a starting material made of steel, which contains at least one alloy element which is soluble in the liquid state and which improves the machinability, a block is placed under Using a slag is produced, the composition of which is within the ranges given above.
The method can be used particularly advantageously in the case of sulfur-alloyed steels with sulfur contents between 0.15 and 0.7%, because these sulfur contents can already lead to considerable difficulties during hot forming in the case of blocks cast in the usual way. This difficulty often excludes the possibility of using sulfur in higher proportions, although precisely this alloy element improves the machinability in a very advantageous manner and is also cheap and easy to control metallurgically.
The method according to the invention thus also opens up the possibility of using alloying additions in amounts that could not previously be taken into account because of the deformation difficulties mentioned, in the case of sulfur that is, alloying additions that are higher than 0.7%.
Good results were obtained, for example, with slags that consisted of 10 to 40% SiO2, 20 to 40% A1203 and the remainder of CaF2.
Further advantageous slags contain e.g. 20 to 30% CaO, 30 to 40% SiO 2 and Al 2 O 3 as the remainder.
Particularly good results were obtained with a slag which consisted of 20% CaO, 30% Sitz, 20% A13O3 and the remainder CaF2.
When selecting the slag composition, it is essential that the alloy additives are used to improve machinability, e.g. Sulfur, if possible in its entirety, can be reintroduced into the block to be achieved during remelting, so that over-alloying of the starting material can be dispensed with.
It is also possible to replace the CaF2 proportion of the slag with boric acid, provided this proportion does not exceed 20%. However, boric acid and GaF2 must not be present in the slag at the same time.
In addition, it is advantageous in some cases to add TiO2 to the slag, the amount of which can be up to 40%. Above all, the TiO2 improves the electrical conductivity of the slags.
Such a TiO2 -containing slag consists e.g. from 14% SiO, 21% CaO, 14% A1203, 21% CaF2 and from 30% TiO2.
Impurities in the form of other constituents of the slag should not exceed 10% by weight.
The present invention makes it possible to use the electroslag remelting process for the production of steels with good machinability, which up to now could not be considered for the purposes.