DE10196303B3

DE10196303B3 - Verfahren zur Herstellung eines hochreinen Stahls

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Publication number: DE10196303B3
Application number: DE10196303.3T
Authority: DE
Inventors: Ichiro Sato; Kaichiro Ishido; Tomomi Mori; Toshihiro Irie; Kazuya Kodama; Kiyoshi Kawakami; Shuhei Kitano
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2000-06-05
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2021-06-06
Also published as: WO2001094648A3; FR2812663A1; GB2381537A; SE0502558L; CN1210413C; US20030172773A1; GB2381537B; SE529629C2; FR2809745A1; FR2812661A1; WO2001094648A2; SE527469C2; US20080025865A1; US20080257106A1; FR2812660B1; DE10196303T1; US20120304820A1; FR2812660A1; FR2812662B1; FR2812663B1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines hochreinen Stahls mit den folgenden Schritten: Herstellen einer Stahlschmelze durch Oxidation-Frischen in einem Lichtbogen-Schmelzofen oder einem Konverter, Abstechen der Stahlschmelze aus dem Lichtbogen-Schmelzofen oder dem Konverter in einen Pfannenofen bei einer Temperatur von mindestens 100°C über dem Schmelzpunkt des Stahls zum Desoxidationsfrischen der Stahlschmelze, wobei ein Desoxidationsmittel, umfassend Mangan, Aluminium und Silicium, der Stahlschmelze zugesetzt wird, indem das Desoxidationsmittel vorher in den Pfannenofen gegeben wird und/oder indem das Desoxidationsmittel während des Abstichs in den Pfannenofen zu der Stahlschmelze zugegeben wird, wodurch die Stahlschmelze vor dem Frischen in dem Pfannenofen vordesoxidiert wird, Umwälzen der Stahlschmelze in einem Umlauf-Vakuumentgasungsbehälter zur Durchführung des Entgasen und Gießen der im Vakuum entgasten Stahlschmelze zu einem Block, wobei das Frischen in dem Pfannenofen über höchstens 60 Minuten erfolgt und die Entgasung während mindestens 25 Minuten durchgeführt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochreinen Stahls zur Verwendung als Stahl für mechanische Teile, welche Zeitfestigkeit, Zeitschwingfestigkeit und Geräuschlosigkeit aufweisen müssen, insbesondere z. B. Stahl für Doppelgelenke, Stahl für Getriebe, Stahl für kontinuierlich veränderliche Kurvengetriebe, Stahl für mechanische Strukturen zur Kaltverformung; Werkzeug- und Federstahl.
Stähle zur Verwendung in mechanischen Teilen, welche Zeitfestigkeit und Zeitschwingfestigkeit aufweisen müssen, sollten hochreine Stähle (geringer Gehalt an nichtmetallischen Stahleinschlüssen) sein. Herkömmliche Herstellungsverfahren für diese hochreinen Stähle umfassen: (A) Oxidations-Frischen einer Stahlschmelze in einem Lichtbogen-Schmelzofen oder einem Konverter; (B) Desoxidations-Frischen in einem Pfannenofen (LF); (C) Umlauf-Vakuumentgasung in einer Umlauf-Vakuumentgasungsvorrichtung (RH) (RH-Behandlung); (D) Gießen von Rohstahlblöcken durch Strangguss oder herkömmlichen Blockguss; und (E) Bearbeitung von Rohstahlblöcken durch Warmpressen und Wärmebehandlung der Stahlprodukte. Im Verfahren (A) wird Schrott durch Erhitzen mit einem Lichtbogen geschmolzen, oder alternativ, geschmolzener Stahl in einen Konverter überführt, wo ein Oxidations-Frischen durchgeführt wird, gefolgt von der Überführung der Stahlschmelze in einen Pfannenofen. Die Temperatur, bei welcher die Stahlschmelze überführt wird, ist im allgemeinen eine Temperatur, die zwischen ca. 30°C über dem Schmelzpunkt des Stahls bis weniger als 100°C unter dem Schmelzpunkt des Stahls liegt. Im Verfahren (B) wird eine Desoxidizer-Legierung von Aluminium, Mangan, Silicon usw. in den Pfannenofen eingebracht, in welchen der geschmolzene Stahl überführt worden ist, wo zur Festlegung der Legierungsbestandteile durch Desoxydation und Entschwefelung mit einem Entschwefelungsmittel ein Desoxidations-Frischen erfolgt. Es ist allgemein davon auszugehen, dass mit längerer Behandlungszeit eine zunehmende Wirkung eintritt. In diesem Verfahren bedient man sich einer Zeitspanne von über 60 Minuten und die Behandlungstemperatur liegt im allgemeinen 50°C über dem Schmelzpunkt des Stahls. In der RH-Behandlung im Verfahren (C) erfolgt die Vakuumentgasung in einem Umlauf-Vakuumentgasungsbehälter während der Umwälzung des geschmolzenen Stahls durch den Umlauf-Vakuumentgasungsbehälter zur Durchführung der Desoxidation und Dehydrierung. In diesem Falle beträgt der Anteil der umgewälzten Stahlschmelze ca. das 5- bis 6-fache des Gesamtgehalts an geschmolzenem Stahl. Im Verfahren (D) wird der RH-behandelte geschmolzene Stahl in einen Tundish überführt, wo der geschmolzene Stahl zu einem Rohblock, einem Barren, einer Platte oder dergl. stranggegossen wird. Alternativ wird die Stahlschmelze von der Pfanne direkt in eine Stahlblockform gegossen, um einen Stahlblock zu formen. Im Verfahren (E) werden beispielsweise ein Rohblock, ein Barren, eine Platte oder ein Gussblock aus Stahl gewalzt oder gehämmert, gefolgt von einer Hitzebehandlung, um ein Stahlprodukt herzustellen, das dann verschifft wird.
Wenn im obigen Verfahren Stähle mit besonders hohem Reinheitsgrad gefordert werden, ist der gegossene Stahlblock als Ausgangsmaterial vorgesehen, welches sodann zur Herstellung solcher Stähle einem erneuten Vakuumschmelzen oder einem erneuten Elektroschmelzen der Schlacke unterzogen wird.
In jüngster Zeit kamen mechanische Teile mit immer anspruchsvolleren Beschaffenheiten in Gebrauch. Dies führte zu immer höheren Anforderungen an die Eigenschaften der Stahlprodukte und im Stand der Technik wurden Stahlprodukte mit höherem Reinheitsgrad erforderlich. Es ist jedoch schwierig, mit den oben beschriebenen herkömmlichen Herstellungsverfahren (A) bis (E), dieser Anforderung gerecht zu werden. Um diesen Anforderungen zu begegnen, wurden Stahlprodukte durch Umschmelzen im Vakuum oder durch Umschmelzen von Elektroschlacke hergestellt. Diese Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, wesentlich höhere Produktionskosten zu verursachen.
Vor dem Hintergrund dieser Umstände erfolgte die vorliegende Erfindung; die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ohne auf Umschmelzverfahren zurückzugreifen, Stahlprodukte mit hohem Reinheitsgrad zur Verfügung zu stellen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe unternahmen die Erfinder der vorliegenden Erfindung ausgedehnte und sorgfältige Untersuchungen für ein Herstellungsverfahren von hochreinen Stählen. Als Ergebnis wurde gefunden, dass sich mittels der folgenden Verfahren die Reinheit von Stählen beträchtlich verbessern lässt.
Erfindungsgemäße Lösung
Es werden erfindungsgemäße Mittel zur Überwindung der obigen Schwierigkeiten im Stand der Technik beschrieben. Im herkömmlichen Verfahren mit Verwendung eines Frischofens, wie z. B. eines Lichtbogen-Schmelzofens oder ein Konverters, werden beispielsweise das Schmelzen und Oxidation-Frischen hauptsächlich im Lichtbogen-Schmelzofen oder Konverter durchgeführt und die Desoxidation erfolgt beim Pfannenfrischen. Demgegenüber ist die erste erfindungsgemäße Lösung auf ein Verfahren zur Herstellung hochreinen Stahls nach Anspruch 1 gerichtet.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte: Überführung von in einem Lichtbogen-Schmelzofen oder Konverter hergestelltem Stahlschmelzprodukt in einen Pfannenofen zum Frischen der Stahlschmelze; Entgasen der Stahlschmelze, vorzugsweise unter Einsatz einer Umlauf-Vakuumentgasung; und dann Gießen der Stahlschmelze zu einem Block, welchem ein Desoxidationsmittel mit Mangan, Aluminium und Silicium (die Legierungsform von Mangan, Aluminium, Silicium usw. ist nicht entscheidend) in einer Menge, bezogen auf die Reinform, von mindestens 1 kg pro Tonne Schmelzstahl zugesetzt wird, indem vorher das Desoxidationsmittel in den Pfannenofen gegeben worden wird, und/oder indem im Verlauf des Anstechens vom Lichtbogen-Schmelzofen oder Konverter in den Pfannenofen das Desoxidationsmittel dem Schmelzstahl zugesetzt worden war, oder welchem gleichzeitig ein Schlackenbildner, wie z. B. CaO zugesetzt wurde, wodurch eine Oxidation des Abstichs erfolgte, in welchem die Stahlschmelze vor dem Desoxidations-Frischen in einem Pfannenofen vordesoxidiert wird.
Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung wird die Stahlschmelze so zum Pfannenofen überführt, dass die Abstichtemperatur der Stahlschmelze mindestens 100°C, vorzugsweise mindestens 120°C, besonders bevorzugt mindestens 150°C über dem Schmelzpunkt des Stahls liegt.
Das Frischen im Pfannenfrischofen erfolgt während höchstens 60 Minuten, vorzugsweise höchstens 45 Minuten, besonders bevorzugt während 25 bis 45 Minuten und das Entgasen wird über mindestens 25 Minuten durchgeführt. Insbesondere ist es allgemein bekannt, dass in einer Umlauf-Vakuumentgasungsvorrichtung zufriedenstellende Ergebnisse erhalten werden können, indem der Anteil an umgewälzter Stahlschmelze auf mindestens das 5-fache der Gesamtmenge an Stahlschmelze eingestellt wird. Demgegenüber liegt in der vorliegenden Erfindung in der Umlauf-Vakuumentgasungsvorrichtung der Anteil an umgewälzter Stahlschmelze beim Entgasen um mindestens das 8-fache, vorzugsweise mindestens das 10-fache, besonders bevorzugt um mindestens das 15-fache über dem Gesamtgehalt der Stahlschmelze.
Ein nach dem obigen Herstellungsverfahren produzierter Stahl weist eine hohe Reinheit auf. In einem Stahl, hergestellt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, liegt der Sauerstoffgehalt vorzugsweise nicht über 10 ppm. Ist der Kohlenstoffgehalt im Stahl weniger als 0,6 Gew.-%, dann beträgt der Sauerstoffgehalt im Stahl vorzugsweise nicht mehr als 8 ppm. Im Falle, dass C ≥ 9,6 Gew.-%, ist besonders bevorzugt, dass der Sauerstoffgehalt nicht über 6 ppm liegt.
In einem Stahl, hergestellt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, beträgt die Anzahl von Oxideinschlüssen mit einer Größe von mindestens 20 μm, nachgewiesen durch Lösen des Stahlprodukts in einer Säure, z. B. Oxideinschlüsse mit einem Al₂O₃-Gehalt von mindestens 50%, höchstens 40, vorzugsweise höchstens 30, besonders bevorzugt höchstens 20 pro 100 g Stahlprodukt.
Wird beispielsweise in einem Stahl, hergestellt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, der maximale Durchmesser der Einschlüsse in 100 mm² der Oberfläche des Stahlprodukts an 30 Stellen gemessen, ist der vorausgesagte Wert für den größten Durchmesser der Einschlüsse in 30000 mm², berechnet nach der Statistik von Extremwerten, höchstens 60 μm, vorzugsweise höchstens 40 μm, besonders bevorzugt höchstens 25 μm.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen der Verwendung oder Nichtverwendung der Desoxidation des Abstichs von Stahl SUJ 2 und dem Sauerstoffgehalt in Produkten wiedergibt, wobei A₁ Daten über die Auswirkung nur bei Desoxidation des Abstichs wiedergibt; A₂ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich gemäß Anspruch 1, A₃ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 1, A₄ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 1, sowie herkömmliche Daten aus dem Stand der Technik.
1B ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen der Verwendung oder Nichtverwendung der Desoxidation des Abstichs von Stahl SCM 435 und dem Sauerstoffgehalt in Produkten wiedergibt, wobei B₁ Daten über die Auswirkung nur bei Desoxidation des Abstichs wiedergibt; B₂ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich gemäß Anspruch 1, B₃ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 1, B₄ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 1, sowie herkömmliche Daten aus dem Stand der Technik;
1C ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen der Verwendung oder Nichtverwendung der Desoxidation des Abstichs von Stahl SUJ 2 und dem größten vorhergesagten Einschlussdurchmesser wiedergibt, wobei A₁ Daten über die Auswirkung nur bei Desoxidation des Abstichs wiedergibt; A₂ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich gemäß Anspruch 1, A₃ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 1, A₄ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 1, sowie herkömmliche Daten aus dem Stand der Technik;
1D ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen der Verwendung oder Nichtverwendung der Desoxidation des Abstichs von Stahl SCM 435 und dem größten vorhergesagten Einschlussdurchmesser wiedergibt, wobei B₁ Daten über die Auswirkung nur bei Desoxidation des Abstichs wiedergibt; B₂ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich gemäß Anspruch 1, B₃ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 1, B₄ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 1, sowie herkömmliche Daten aus dem Stand der Technik;
1E ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen der Verwendung oder Nichtverwendung der Desoxidation des Abstichs von Stahl SUJ 2 und der L₁₀-Haltbarkeit wiedergibt, wobei A₁ Daten über die Auswirkung nur bei Desoxidation des Abstichs wiedergibt; A₂ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich gemäß Anspruch 1, A₃ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 1, A₄ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 3, sowie herkömmliche Daten aus dem Stand der Technik;
1F ist ein Schaubild, welches den Zusammenhang zwischen der Verwendung oder Nichtverwendung der Desoxidation des Abstichs von Stahl SUJ 2 und der L₁₀-Haltbarkeit wiedergibt, wobei B₁ Daten über die Auswirkung nur bei Desoxidation des Abstichs wiedergibt; B₂ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich gemäß Anspruch 1, B₃ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 1, B₄ Daten über die Auswirkung einer erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich + Kurzzeit-LF-, Langzeit-RH-Behandlung gemäß Anspruch 1, sowie herkömmliche Daten aus dem Stand der Technik.
BESTE AUSFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäße Lösung
Das bevorzugte Herstellungsverfahren von hochreinem Stahl gemäß der erfindungsgemäßen Lösung weist die folgenden Schritte (1) bis (5) auf.

(1) In einem herkömmlichen Verfahren mit Verwendung eines Frischofens , wie z. B. eines Lichtbogen-Schmelzofens oder eines Konverters, werden das Schmelzen und Oxidations-Frischen hauptsächlich in einem Lichtbogen-Schmelzofen oder Konverter durchgeführt und die Desoxidation erfolgt in einem Pfannen-Frischofen. Demgegenüber wird erfindungsgemäß die Stahlschmelze in einem Lichtbogen-Schmelzofen oder Konverter einem Oxidationsfrischen unterzogen. Die Stahlschmelze wird sodann auf eine vorbestimmte chemische Zusammensetzung und eine vorbestimmte Temperatur eingestellt und beim Abstich der Stahlschmelze vom Schmelzofen wird ein Desoxidationsmittel mit Mangan, Aluminium und Silicium (die Legierungsform von Mangan, Aluminium, Silicium usw. ist nicht entscheidend) in einer Menge, bezogen auf die Reinform, von mindestens 1 kg pro Tonne Stahlschmelze zugesetzt, wobei vorher das Desoxidationsmittel in den Pfannen-Schmelzofen gegeben wird, und/oder indem im Verlauf des Abstichs in die Pfanne das Desoxidationsmittel der Stahlschmelze zugesetzt wird, und wobei in einigen Fällen gleichzeitig ein Schlackenbildner, wie z. B. CaO, zugesetzt wird. Der Zusatz dieses Desoxidationsmittels ist der Schritt, der erfindungsgemäß am wichtigsten ist. Die Zugabe des Desoxidationsmittels vor dem Pfannenfrischen, was bisher als unnötig angesehen worden war, dient dazu, den Sauerstoffgehalt vor der Reduktionsphase auf ein bestimmtes Maß zu reduzieren, so dass das Frischen im Pfannenofen die Herstellung von Stählen mit niedrigem Sauerstoffgehalt bewirkt. Der Grund hierfür ist folgender: In einem System, in welchem der in der Stahlschmelze gelöste Sauerstoff mit genügendem Gehalt von mindestens 100 ppm vorliegt, führt die Desoxidation zur Bildung eines relativen hohen Gehalts an Desoxidationsprodukt, welches leicht zum Schwimmen gebracht werden kann und sich abtrennen lässt. Als Ergebnis kann in der Stahlschmelze der Sauerstoffgehalt in beträchtlichem Umfang auf höchstens 50 ppm gesenkt werden.
(2) Die vordesoxidierte Stahlschmelze wird in einen Pfannenofen überführt, wo die Stahlschmelze einem Desoxidations-Frischen unterzogen wird und die chemische Zusammensetzung des Stahls eingestellt wird.
(3) Die Stahlschmelze, welche einem Desoxidations-Frischen und der Einstellung der chemischen Zusammensetzung unterzogen worden ist, wird entgast, insbesondere zum Entgasen durch eine Umlauf-Vakuumentgasungsvorrichtung umgewälzt und die chemische Zusammensetzung des Stahls wird endeingestellt.
(4) Die Stahlschmelze, die entgast und einer Endeinstellung der chemischen Zusammensetzung unterzogen worden ist, wird zu einem Block gegossen.
(5) Der Block wird zur Produktform gewalzt oder geschmiedet, welche dann wahlweise einer Hitzebehandlung unterzogen wird, um das Stahlprodukt zu erhalten.

Im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für hochreine Stähle wird von den Schritten (1) bis (5) der Schritt (2), die Überführung der Stahlschmelze in den Pfannenofen, so durchgeführt, dass, während die Stahlschmelze im allgemeinen bei einer Temperatur von 50°C über dem Schmelzpunkt des Stahls abgestochen wird, erfindungsgemäß die Stahlschmelze bei einer Temperatur von mindestens 100°C, vorzugsweise mindestens 120°C, besonders bevorzugt 150°C über dem Schmelzpunkt des Stahls abgestochen wird. Infolgedessen lassen sich das während des Abstichs zugesetzte Desoxidationsmittel sowie das Metall und die Schlacke der vorhergehenden Behandlung vollständig auflösen oder abtrennen, wodurch sich das Abtrennen und Absinken des Metalls und der Schlacke in die Stahlschmelze in einem fortgeschrittenen Stadium des Frischens während des Pfannenfrischens, wo der Sauerstoffgehalt erhöht wird, vermeiden lässt und sich gleichzeitig im Frischofen die anfängliche Eigenheit der Schlackebildung sowie die Reaktivität verbessern lässt. Speziell wird das in der vorhergehenden Behandlung abgeschiedene reduzierte Metall in der Phase zwischen der vorhergehenden und dieser Behandlung oxidiert, und wenn sich in dieser Durchführung der Desoxidation das Metall aufzulösen beginnt, insbesondere am Ende der Durchführung der Desoxidation, wird der Gleichgewichtszustand aufgehoben. Als Ergebnis wird die Stahlschmelze teilweise kontaminiert. Aus diesem Grund wird das abgeschiedene Metall in der vor der Desoxidation abgestochenen Stahlschmelze aufgelöst und dieses gelöste Metall zusammen mit der abgestochenen Stahlschmelze desoxidiert.
Während man allgemein der Ansicht ist, dass eine Frischzeit von über 60 Minuten eine bessere Wirkung zeigt, erfolgt im obigen Schritt im bevorzugten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für hochreine Stähle das Frischen im Pfannen-Frischofen über einen Zeitraum von höchstens 60 Minuten, vorzugsweise höchstens 45 Minuten, besonders bevorzugt 25 bis 45 Minuten und, während nach allgemeiner Ansicht eine Entgasungszeit von unter 25 Minuten ausreicht, um zu zufriedenstellenden Ergebnissen zu gelangen, wird die Entgasung im bevorzugten erfindungsgemäßen Herstellungsprozess mindestens über einen Zeitraum von 25 Minuten durchgeführt. Insbesondere ist von einer Umlauf-Vakuumentgasungsvorrichtung allgemein bekannt, dass zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Menge der umgewälzten Stahlschmelze bis ca. das 5-fache der Gesamtmenge der Stahlschmelze beträgt. Demgegenüber ist in der Umlauf-Vakuumentgasungsvorrichtung erfindungsgemäß die Menge der bei der Entgasung umgewälzten Stahlschmelze mindestens um das 8-fache, vorzugsweise mindestens das 10-fache, besonders bevorzugt um mindestens das 15-fache größer als die Gesamtmenge der Stahlschmelze. Wegen dieser Beschaffenheit lässt sich die Zeit für das Pfannenfrischen, in welchem das Frischen während des Aufheizens erfolgt, auf die geringst notwendige Zeit einstellen und im Entgasungsschritt ohne Aufheizen lässt sich die Zeit für das Abtrennen von schwimmenden Oxideinschlüssen hinreichend einhalten. Dies vermag ein Ansteigen des Sauerstoffgehalts zu verhindern, der durch Kontamination mit feuerfestem Material oder Schlacke auf der Innenseite des Pfannenofens verursacht wird, und gleichzeitig lässt sich die Bildung großer Einschlüsse mit einer Größe von über 20 μm verhindern. Da bei der Umlauf-Vakuumentgasung insbesondere eine Ausströmungsöffnung in die Stahlschmelze eintaucht und nur die Stahlschmelze umgewälzt wird, ist die Schlacke auf der Oberfläche der Stahlschmelze in ausreichend ruhigem Zustand. Daher ist die Anzahl der Oxideinschlüsse aus Schlacke in der Stahlschmelze geringer als die während der Desoxidation im Pfannen-Frischofen. Deshalb kann in der voroxidierten Stahlschmelze das Einhalten einer genügend langen Entgasungszeit eine beträchtliche Verminderung selbst relativ kleiner Desoxidationsprodukte bewirken.
Der hochreine Stahl, hergestellt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, ist vorzugsweise ein hochreiner Stahl mit insbesondere ausgezeichneter Wälzstandfestigkeit, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Sauerstoffgehalt im Stahl höchstens 10 ppm beträgt, vorzugsweise höchstens 8 ppm, wenn der Kohlenstoffgehalt im Stahl unter 0,6 Gew.-% liegt und besonders bevorzugt höchstens 6 ppm, für den Fall, dass C ≥ 0,6 Gew.-%. Es ist allgemein bekannt, dass eine Senkung des Sauerstoffgehalts zu einer besseren Wälzstandfestigkeit beitragen kann. Unter den nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellten Stählen zeigen hochreine Stähle mit einem Sauerstoffgehalt von höchstens 10 ppm, vorzugsweise höchstens 8 ppm, wenn C < 0,6 Gew.-% im Stahl, und besonders bevorzugt mit höchstens 6 ppm, wenn C ≥ 0,6 Gew.-% dauerhaft eine ausgezeichnete Wälzstandfestigkeit.
Ferner umfassen die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten obigen hochreinen Stählen solche mit ausgezeichneter Wälzstandfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass die Zahl der Oxideinschlüsse mit einer Größe von mindestens 20 μm, ermittelt durch Auflösen des Stahlprodukts in einer Säure, beispielsweise Oxideinschlüsse mit einem Al₂O₃-Gehalt von mindestens 50%, nicht größer als 40, vorzugsweise nicht größer als 30, besonders bevorzugt nicht größer als 20 pro 100 g Stahlprodukt ist. Dieses Auswertungsverfahren für Stahlprodukte berücksichtigt sowohl den Sauerstoffgehalt als auch den größten Einschlussdurchmesser in einem vorbestimmten Volumen. In Bezug auf die Ermüdungsbeständigkeit, Standfestigkeit und Geräuschlosigkeit sind im Falle von Stählen mit gleichem Sauerstoffgehalt Oxideinschlüsse einer bestimmten Größe schädlich, insbesondere sind Oxideinschlüsse mit einer Größe von mindestens 20 μm schädlich. Daher stellen unter den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Stählen solche Stähle, in denen die Anzahl der Oxideinschlüsse mit einer Größe von mindestens 20 μm, ermittelt durch Auflösen des Stahlprodukts in einer Säure, höchstens 40, vorzugsweise höchstens 30, besonders bevorzugt höchstens 20 pro 100 g Stahlprodukt beträgt, hochreine Stähle mit sowohl ausgezeichneter Wälzstandfestigkeit als auch ausgezeichneter Ermüdungsbeständigkeit und zusätzlich ausgezeichneter Geräuschlosigkeit dar.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten hochreinen Stähle umfassen ferner hochreine Stähle, welche insbesondere in Bezug auf Umlaufbiege-Zeitfestigkeit und Schwingungswechsel-Zeitfestigkeit ausgezeichnete Eigenschaften aufweisen und dadurch charakterisiert sind, dass, wenn der maximale Durchmesser der Einschlüsse in 100 mm² des Querschnitts des Stahlprodukts an 30 Stellen gemessen wird, der vorausgesagte Wert für den größten Durchmesser der Einschlüsse in 30000 mm², berechnet nach der Statistik von Extremwerten, höchstens 60 μm, vorzugsweise höchstens 40 μm, besonders bevorzugt höchstens 25 μm. Es ist bekannt, dass die Schwingungswechsel-Zeitfestigkeit und die Dauerschwingfestigkeit in großem Maße vom größten Einschlussdurchmesser in einem vorbestimmten Volumen abhängen. Dies ist in der japanischen Offenlegungsschrift 194121/1999 offenbart, dessen Anmelder identisch ist mit dem Anmelder der vorliegenden Erfindung. Hochreine Stähle, in denen beispielsweise der vorausgesagte Wert für den größten Durchmesser der Einschlüsse in 30000 mm², berechnet nach der Statistik von Extremwerten, höchstens 60 μm, vorzugsweise höchstens 40 μm, besonders bevorzugt höchstens 25 μm beträgt, wenn der maximale Durchmesser der Einschlüsse in 100 mm² des Querschnitt des Stahlprodukts an 30 Stellen gemessen wird, weisen dauerhaft eine ausgezeichnete Dauerschwingfestigkeit auf. In diesem Falle verfügen die hochreinen Stähle über einen Sauerstoffgehalt von höchstens 10 ppm, vorzugsweise höchstens 8 ppm, wenn c < 0,6 Gew.-% in dem Stahl, besonders bevorzugt höchstens 6 ppm, wenn C ≥ 0,6 Gew.-% und haben einen vorausgesagten Wert für den größten Durchmesser der Einschlüsse von höchstens 60 μm, vorzugsweise höchstens 40 μm, besonders bevorzugt höchstens 25 μm. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Stähle sind hochreine Stähle, die sowohl über eine ausgezeichnete Wälzstandfestigkeit als auch über eine ausgezeichnete Dauerschwingfestigkeit verfügen. Während die Säureauflösung eine sehr zeitaufwendige und mühsame Arbeit ist, wird im obigen Verfahren, in welchem ohne das Auflösen eines Produktes gearbeitet wird, eine bestimmte Fläche unter dem Mikroskop betrachtet, um den größten Einschlussdurchmesser statistisch vorauszusagen; es ist daher auf vorteilhafte Weise einfach. Betrachtet man die durch Schwingungs-Wechselbeanspruchung infolge Zug und Druck hervorgerufene Ermüdung, so ist insbesondere bekannt, dass der an einer defektanfälligen Stelle vorkommende größte Einschlussdurchmesser ist bedeutender Faktor ist, von dem die Festigkeit abhängt. Dieses Verfahren, welches diesen größten Durchmesser statistisch voraussagen kann, ist daher vorteilhaft.
BEISPIEL A
Beim Abstich einer einem Oxidationsfrischen in einem Lichtbogen-Schmelzofen unterzogenen Stahlschmelze aus einem Schmelzofen wurden der Stahlschmelze zuvor Desoxidationsmittel, wie z. B. Mangan, Aluminium und Silicium entweder im Pfannenofen, oder alternativ, während des Abstichs zugesetzt. Die Menge des zugesetzten Desoxidationsmittels betrug mindestens, bezogenen auf den reinen Stoff, 1 kg pro Tonne Stahlschmelze, um die Abstich-Desoxidation durchzuführen. Die Stahlschmelze wurde sodann in einem Pfannen-Frischverfahren einem Desoxidations-Frischen unterzogen und die gefrischte Stahlschmelze in einer Umlauf-Vakuumentgasungsvorrichtung entgast, gefolgt von einem Blockguss-Verfahren. Die so erhaltenen Stahlprodukte aus JIS SUJ 2 und SCM435 wurden in 10 Schmelzchargen auf den Sauerstoffgehalt der Produkte, den nach der Extremwertstatistik vorausgesagten maximalen Durchmesser ihrer Einschlüsse und die L₁₀-Dauerhaltbarkeit mittels des Wälzstoß-Dauerfestigkeits-Tests untersucht. Beim Messen des vorausgesagten Werts für den größten Einschlussdurchmesser wurde ein Teststück einem ϕ65-gehämmerten Material entnommen, die Beobachtung von 100 mm² wurde an 30 Teststücken vorgenommen, und der maximale Einschlussdurchmesser in 30000 mm² wurde nach der Extremwertstatistik vorausgesagt. Im Wälzstoß-Dauerfestigkeits-Test wurde ein Teststück einer Größe von ϕ60 × ϕ20 × 8,3 T, welches einer Einsatzhärtung, Abschreckhärten und Anlassen unterzogen worden war, bei einer maximalen Hertz-Belastung Pmax; 4900 MPa ausgesetzt mit nachfolgender Berechnung zur Bestimmung der L₁₀-Dauerhaltbarkeit.
Das Beispiel für den Arbeitsablauf dieser erfindungsgemäßen Lösung ist für 10 Schmelzchargen des Stahls SUJ 2 in Tabelle A1 wiedergegeben.
Wie aus den Tabellen A1 bis A8 ersichtlich, ist für Stahlprodukte; die erfindungsgemäß unter Verwendung von Desoxidation-Frischen hergestellt wurden, wenn die Frischtemperatur auf eine hohe Temperatur über dem herkömmlichen Vorgang eingestellt wird, d. h. Schmelzpunkt + mindestens 100°C, und zusätzlich durch Kürzen der Operationszeit im Pfannen-Frischofen genügend entgast wird und zusätzlich die Menge an umgewälztem RH bei der Umlaufentgasung erhöht wird (d. h. Menge umgewälzter Stahlschmelze/Gesamtmenge der Stahlschmelze), für beide Stahltypen SUJ 2 und SCM 435 der Sauerstoffgehalt der Produkte gering und zusätzlich die Zahl der Einschlüsse mit einer Größe von mindestens 20 μm signifikant herabgesetzt. Wie aus den Tabellen A1 bis A8 ersichtlich, sind in den Beispielen der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Reinheit alle Stahlprodukte als ausreichend (Δ), gut (O) und ausgezeichnet
eingestuft, d. h. es handelt sich um ausgezeichnete hochreine Stähle. Im Gegensatz dazu ist, wie aus den Tabellen A9 und A10 ersichtlich, in allen herkömmlichen Beispielen die Reinheit als mangelhaft (X) bewertet, so dass die herkömmlichen Stahlprodukte nicht als reine Stähle bezeichnet werden können. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass ausreichend (Δ) auf dem Vergleich mit gut (O) und ausgezeichnet
beruht und im Vergleich mit Stählen, die keiner Abstich-Desoxidation gemäß dem Verfahren im Stand der Technik unterzogen wurden, welches als mangelhaft (X) bewertet wurde, weisen die als ausreichend (Δ) eingestuften Stähle eine weit höhere Reinheit auf.
In Schmelzchargen, in denen eine Abstich-Desoxidation erfolgte, sind durch Erhöhung von T_SH [(Temperatur, bei welcher die Stahlschmelze in den Pfannenofen überführt wird) – (Schmelzpunkt der Stahlschmelze) = T_SHJ zur Verbesserung der Reinheit der Sauerstoffgehalt und der vorausgesagte Wert für den größten Einschlussdurchmesser erniedrigt. In Schmelzchargen, in denen eine Abstich-Desoxidation erfolgte werden im Hinblick auf die Beziehung von Frischzeit im Pfannenofen und dem Sauerstoffgehalt und vorausgesagten Wert des maximalen Einschlussdurchmessers, wenn die Frischzeit mindestens 25 Minuten beträgt, der Sauerstoffgehalt sowie der vorausgesagte Wert des maximalen Einschlussdurchmessers hinreichend gesenkt. Der vorausgesagte Wert für den maximalen Einschlussdurchmesser wächst jedoch mit zunehmender Frischzeit. Der Grund dafür wird in Folgendem gesehen: Mit der verstreichenden Zeit nimmt der Schmelzverlust von feuerfesten Materialien im Pfannenschmelzofen zu, das Gleichgewicht des Schlackensystems wird zerstört, z. B. als Ergebnis einer Oxidation infolge des Kontaktes mit der Luft, und der Gehalt an gelöstem Sauerstoff fällt unter das kleinste Niveau an gelöstem Sauerstoff. Im Hinblick auf die Beziehung umgewälzte Stahlschmelze/Gesamtgehalt an Stahlschmelze in der Umlauf-Vakuumentgasungsvorrichtung zum Sauerstoffgehalt und dem vorhergesagten Wert für den maximalen Einschlussdurchmesser nimmt ferner der Effekt der Steigerung der Reinheit mit zunehmender Menge an umgewälzter Stahlschmelze zu und erreicht im Wesentlichen eine Sättigung, wenn die Menge von umgewälzter Stahlschmelze/Gesamtmenge an Stahlschmelze mindestens das 15-fache beträgt.
Es wurde festgestellt, dass eine Verringerung des Sauerstoffgehalts und des Werts für den maximalen Einschlussdurchmesser zu einer verbesserten L₁₀-Haltbarkeit führt. Dies weist darauf hin, dass nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Stähle, mit welchem der Sauerstoffgehalt und der vorausgesagte Wert für den maximalen Einschlussdurchmesser reduziert werden kann, über ausgezeichnete Dauerschwingfestigkeitseigenschaften, wie z. B. ausgezeichnete Wälzstandfestigkeit, verfügen.
1A ist ein Schaubild, welches den Sauerstoffgehalt von Produkten in 10 Schmelzchargen im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wiedergibt, in welchem die Abstich-Desoxidation bei der Überführung der Stahlschmelze des Stahls SUJ 2 zum Pfannenofen erfolgte, und den Sauerstoffgehalt von Produkten in 10 Schmelzchargen im herkömmlichen Verfahren wiedergibt, in welchem keine Abstich-Desoxidation erfolgte. In den 1A, 1C und 1E zeigt A₁ Daten über die Abstich-Desoxidation, A₂ Daten über die erfindungsgemäße, in Anspruch 1 definierte Abstich-Desoxidation + Hochtemperatur-Abstich, A₃ Daten über die erfindungsgemäße, in Anspruch 1 definierte Abstich-Desoxidation + Kurzzeit-LF, Langzeit-RH-Behandlung, A₄ Daten über die erfindungsgemäße, in Anspruch 1 definierte Abstich-Desoxidation + Kurzzeit-LF, Langzeit-RH-Behandlung + Kurzzeit-LF, Langzeit-RH-Behandlung, sowie herkömmliche Daten aus dem Stand der Technik.
1B ist ein Schaubild, welches den Sauerstoffgehalt von Produkten in 10 Schmelzchargen im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wiedergibt, in welchem die Abstich-Desoxidation bei der Überführung der Stahlschmelze des Stahls SCM 435 zum Pfannenofen erfolgte, und den Sauerstoffgehalt von Produkten in 10 Schmelzchargen im herkömmlichen Verfahren wiedergibt, in welchem keine Abstich-Desoxidation erfolgte. In den 1B, 1D und 1F zeigt B₁ Daten über die Abstich-Desoxidation, B₂ Daten über die erfindungsgemäße, in Anspruch 1 definierte Abstich-Desoxidation + Hochtemperatur-Abstich, B₃ Daten über die erfindungsgemäße, in Anspruch 1 definierte Abstich-Desoxidation + Kurzzeit-LF, Langzeit-RH-Behandlung, B₄ Daten über die erfindungsgemäße, in Anspruch 1 definierte Abstich-Desoxidation + Kurzzeit-LF, Langzeit-RH-Behandlung + Kurzzeit-LF, Langzeit-RH-Behandlung, sowie herkömmliche Daten aus dem Stand der Technik.
1C ist ein Schaubild, welches den größten vorhergesagten Einschlussdurchmesser, bestimmt nach der Extremwertstatistik, in 10 Schmelzchargen im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wiedergibt, in welchem die Desoxidation bei der Überführung der Stahlschmelze des Stahls SUJ 2 zum Pfannenschmelzofen erfolgt, sowie nach einem Verfahren im Stand der Technik, in welchem keine Desoxidation erfolgt.
1D ist ein Schaubild, welches den größten vorhergesagten Einschlussdurchmesser, bestimmt nach der Extremwertstatistik, in 10 Schmelzchargen im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wiedergibt, in welchem die Desoxidation bei der Überführung der Stahlschmelze des Stahls SCM 435 zum Pfannenschmelzofen erfolgt, sowie nach einem Verfahren im Stand der Technik, in welchem keine Desoxidation erfolgt.
1E zeigt Daten über die L₁₀-Haltbarkeit, ermittelt nach dem Wälzstoß-Dauerfestigkeits-Test in 10 Schmelzchargen im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren, in welchem die Desoxidation bei der Überführung der Stahlschmelze des Stahls SUJ 2 zum Pfannenschmelzofen erfolgt, sowie nach einem Verfahren im Stand der Technik, in welchem keine Desoxidation erfolgt.
1F zeigt Daten über die L₁₀-Haltbarkeit, ermittelt nach dem Wälzstoß-Dauerfestigkeits-Test in 10 Schmelzchargen im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren, in welchem die Desoxidation bei der Überführung der Stahlschmelze des Stahls SCM 435 zum Pfannenschmelzofen erfolgt, sowie nach einem Verfahren im Stand der Technik, in welchem keine Desoxidation erfolgt.
Wie aus den Testergebnissen ersichtlich wurde festgestellt, dass für die beiden Stähle SUJ 2 und SCM 435 eine Abstich-Desoxidation vor dem Pfannenfrischen, den Sauerstoffgehalt der Produkte sowie den vorhergesagten Wert für den maximalen Einschlussdurchmesser signifikant reduzieren kann und dass nach diesem Verfahren die Reinheit und die L₁₀-Haltbarkeit, ermittelt nach dem Wälzstoß-Dauerfestigkeitstest, signifikant verbessert werden.
Die zusätzlichen Behandlungen zu dem Verfahren, d. h. nur die zusätzliche Abstich-Desoxidation, die erfindungsgemäße, zusätzliche, in Anspruch 1 definierte Abstich-Desoxidation + Hochtemperatur-Abstich, die erfindungsgemäße, zusätzliche, in Anspruch 1 definierte Abstich-Desoxidation + Kurzzeit-LF, Langzeit-RH-Behandlung und die erfindungsgemäße, zusätzliche in Anspruch 1 definierte Abstich-Desoxidation + Hochtemperatur-Abstich + Kurzzeit-LF, Langzeit-RH-Behandlung, können alle in signifikanter Weise den Sauerstoffgehalt von Produkten, den vorausgesagten Wert für den maximalen Einschlussdurchmesser sowie die L₁₀-Haltbarkeit, ermittelt nach dem Wälzstoß-Dauerfestigkeitstest, verbessern. Insbesondere mit der Kurzzeit-LF, Langzeit RH-Behandlung lässt sich eine große Wirkung erzielen.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich, lässt sich mit einer Desoxidation des Abstichs, in welcher Desoxidationsmittel, wie z. B. Mangan, Aluminium und Silicium, vorher dem Pfannenofen bei der Überführung der in einem Frischofen, wie z. B. einem Lichtbogen-Schmelzofen, hergestellten Stahlschmelze zugesetzt werden oder der Stahlschmelze während deren Überführung zum Pfannenofen zugesetzt werden, wodurch die Stahlschmelze vor dem Pfannenfrischen vordesoxidiert wird, eine große Menge an Stahlprodukten mit sehr hohem Reinheitsniveau zur Verfügung stellen, ohne dass ein Umschmelzverfahren verwendet würde, welches sehr hohe Kosten verursacht. Ferner lassen sich mit der zusätzlichen erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich und der zusätzlichen erfindungsgemäßen Abstich-Desoxidation + Hochtemperaturabstich + Kurzzeit-LF, Langzeit-RH Stahlprodukte mit einem höheren Reinheitsgrad zur Verfügung stellen. Dies kann bewirken, dass hochreine Stähle zur Verwendung als Stähle für mechanische Teile, welche über Dauerschwingfestigkeit und Geräuschlosigkeit verfügen müssen, zur Verfügung gestellt werden können, insbesondere z. B. Stähle für Wälzlager, Stähle für Doppelgelenke, Stähle für Getriebe, Stähle für kontinuierlich veränderliche Kurvengetriebe, Stähle für mechanische Strukturen zur Kaltverformung; Werkzeug- und Federstähle sowie Verfahren zu deren Herstellung, d. h. dies kann noch nie dagewesene Wirkungen bieten.