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Chromlegierter Automatenstahl Die Erfindung bezieht sich auf -einen
chromlegierten Stahl, welcher durch besondere Zusätze gute Eigenschaften hinsichtlich
der Bearbeitung durch spanabhebende Werkzeuge aufweist. Derartige Stähle werden
als Automatenstahl bezeichnet.
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Durch das französische Patent 1219 601 ist bereits ein Automatenstahl
bekannt, der bei niedrigem oder mittlerem Kohlenstoffgehalt und hierfür üblichen
Gehalten an Mangan, .Silizium, Phosphor, Schwefel und Stickstoff jeweils 0,02 bis
0,5,l/@ Blei und Tellur enthält, Rest Eisen mit üblichen erschmelzungsbedingten
Verunreinigungen.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die mechanischen und
physikalischen Eigenschaften derartiger Stähle unter Aufrechterhaltung ihrer guten
Bearbeitbarkeit insbesondere hinsichtlich der Zugfestigkeit und Härtbarkeit zu verbessern.
Als Legierungselement bietet sich nach dem allgemein bekannten Stand der Technik
hierfür Chrom an, jedoch ist nach der der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis
ein Zusatz von Chrom zu den bekannten Automatenstählen, die Blei und Tellur gemeinsam
enthalten, nicht ohne weiteres und nicht in beliebigen Grenzen geeignet, um eine
Verbesserung der mechanischen Festigkeitseigenschaften ohne Beeinträchtigung der
guten Bearbeitbarkeit zu ermöglichen.
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Bei Anwesenheit von Tellur in einem bleihaltigen Stahl hat sich gezeigt,
daß das Tellur vorzugsweise in Verbindung mit dem Blei als Einschlüsse vorliegt,
und zwar in Form von Blei-Tellur-Verbindungen, sich jedoch nirgends mit Mangan oder
Eisen verbindet, wobei die Möglichkeit besteht, daß das überschüssige Tellur in
fester Lösung im Stahlgefüge enthalten ist. Das gesamte Blei liegt dagegen mit dem
Tellur als Blei-Tellur-Einschlüsse vor, die die Bearbeitbarkeit des Stahles verbessern.
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Die Blei-Tellur-Einschlüsse bestehen nicht nur aus Blei und Bleitellurid,
sondern enthalten auch andere intermetallische Verbindungen von Tellur und Blei,
die neben der für Bleieinschlüsse typischen Schmierwirkung auch eine kurze Spanbildung
bewirken.
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Im Gußzustand sind normalerweise die im Stahl vorhandenen Mangansulfideinschlüsse
und die Blei-Tellur-Einschlüsse von kugelähnlicher Form, jedoch werden bei der Warmbearbeitung
die Mangansulfideinschlüsse gestreckt, so daß sie eine ellipsoide Form annehmen.
Dagegen nehmen die Blei-Tellur-Einschlüsse die Form von flachen Adern an, die im
wesentlichen parallel zu der Walzrichtung laufen.
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Um eine wesentliche Verbesserung der Bearbeitbarkeit eines Blei und
Tellur enthaltenden Stahles zu erreichen, ist es notwendig, daß die Blei-Tellur-Einschlüsse
gleichmäßig im Stahl verteilt sind und nicht als Inseln oder große kugelähnliche
Einschlüsse vorliegen. Diese gleichmäßige Verteilung ist für jeden Zerspanungsvorgang
notwendig, bei dem die Schneide des Werkzeuges quer zur Längsrichtung eines langgestreckten
gewalzten Stahlkörpers verläuft. Hierdurch ist bei einer derart gleichmäßigen Verteilung
der Blei-Tellur-Einschlüsse rein statistisch die Wahrscheinlichkeit wesentlich größer,
daß das Werkzeug auf einen der Einschlüsse trifft. Weiterhin gewährleistet eine
derartig gleichmäßige Verteilung der Blei-Tellur-Einschlüsse, daß die physikalischen
und mechanischen Eigenschaften des Stahles nicht durch unregelmäßige Anhäufungen
von Einschlüssen beeinträchtigt werden.
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In einem einfachen Kohlenstoffstahl sind die Blei-Tellur-Einschlüsse
gleichmäßig im gesamten Stahl verteilt. Wenn jedoch Blei und Tellur in chromlegierten
Stählen vorhanden sind, die mehr als einen bestimmten Gehalt von Chrom aufweisen,
übt das Chrom eine schwerwiegende gegenteilige Wirkung auf die Verteilung der Blei-Tellur-Einschlüsse
aus. Es bewirkt, daß die Blei-Tellur-Einschlüsse in zuvor erwähnten großen kugelähnlichen
Anhäufungen vorliegen. Hieraus ergibt sich die- Notwendigkeit, daß bei chromlegierten
Stählen, die sowohl Blei als auch Tellur enthalten, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern,
die Chrommenge genau begrenzt werden muß, um eine gleichmäßige und weite Verteilung
der Einschlüsse zur Erreichung einer guten Bearbeitbarkeit
als
auch zur Erreichung guter physikalischer und mechanischer Eigenschaften zu gewährleisten.
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Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist,
daß der Stahl gute Warmbearbeitungseigenschaften aufweisen soll. Um derartige gute
Warmbearbeitungseigenschaften zu gewährleisten ist eine sorgsame Kontrolle des Mangangehaltes
ebenfalls notwendig, um zu gewährleisten, daß kein Warmbruch auftritt.
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Der chromlegierte Automatenstahl gemäß der Erfindung besitzt folgende
Zusammensetzung: 0,5 bis 1% Kohlenstoff, 0,6 bis 1,6511/o Mangan, jeweils 0,02 bis
0,05 % Blei und Tellur, 0,18 bis 5 % Chrom, bis 0,3°/ö Silizium, Rest Eisen und
erschmelzungsbedingte Verunreinigungen an Schwefel, Phosphor und Stickstoff.-Die
Wichtigkeit der sorgsamen Kontrolle des Chromgehaltes innerhalb des Bereiches von
0,18 bis 5119 wird nachfolgend an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine photographische Aufnahme in 500facher Vergrößerung des Gefüges eines
gewöhnlichen Blei und Tellur enthaltenden . Kohlenstoffstahles, F i g. 2 eine 'Röntgenaufnahme
in 100facher Vergrößerung einer 0;07'62 mm dicken -Stahlprobe nach Fig:1, F i g.
3 eine Mikrophotographie -in 500facher Vergrößerung eines weiteren gewöhnlichen
Kohlenstoffstahles, der sowohl Blei und Tellur, enthält, im Gußzustand F i g. 4
eine Mikrophotographie, wiederum in 500facher Vergrößerung eines im Gußzustand vorliegenden
Stahles; der die gleiche Zusammensetzung wie der nach F i g. 3, jedoch zusätzlich
einen Chromgehalt von 10 bis 13 a/o- aufweist, F i g. 5 eine weitere Mikrophotographie
des Stahles nach F i g. 4 bei gleicher Vergrößerung und F i g. 6 eine weitere Mikrophotographie,
ebenfalls in 500facher Vergrößerung eines Stahles der gleichen Zusammensetzung der
F i g. 3, wiederum -im Gußzustand, wobei der Stahl in diesem Beispiel 5% Chrom enthält.
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Wie die F i g. 1 und 2 der Zeichnungen zeigen, enthält der gewöhnliche
Kohlensto$stahl langgestreckte aderähnliche Blei-Tellur-Einschlüsse, wobei die Blei-Tellur-Einschlüsse
in F i g. 1 dunkel und in F i g. 2 hell erscheinen. Die Mangansulfideinschlüsse,
die in kugelähnlichen öder linsenähnlichen Einschlüssen vorliegen, erscheinen in
F i g. 1 hell und in F i g. 2 dunkel. Aus diesen beiden Figuren kann die breite
und gleichmäßige Verteilung der Einschlüsse über den gesamten Stahlkörper beobachtet
werden.
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Der der Darstellung der F i g. 3 zugrunde liegende Stahl hat die folgende
Zusammensetzung:
| C ............ ' ........ 0,10% |
| Mn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,60 bis 0,90% |
| P ...................... 0,010/0 |
| S ...................... 0,023% |
| Se . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,08 % maximal |
| Pb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,015 bis 0,250/0 |
| Te . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,03 bis 0,04 % |
Die dunklen Flecke auf dem Hintergrund in F i g. 3 sind die Blei-Tellur-Einschlüsse.
Diese Einschlüsse sind gleichmäßig und weit voneinander entfernt über das gesamte
Gefüge verteilt. Die F i g. 4 und 5 zeigen dagegen einen Stahl im Gußzustand, der
die gleiche Zusammensetzung wie der Stahl nach F i g. 3 hat, jedoch zusätzlich 10
bis 13 °/o Chrom enthält. In der Mikrophotographie des in F i g. 4 dargestellten
Stahles ist zu sehen, daß die Blei-Tellur-Einschlüsse (dunkle Kugeln) zu einzelnen,
relativ örtlich konzentrierten Ansammlungen zusammengeballt sind. In dem Fall der
F i g. 5 jedoch, die eine Mikrophotographie desselben Stahles zeigt, ergibt sich
bei einem Vergleich mit der F i g. 3, daß bei diesem Stahl keinerlei die Bearbeitbarkeit
verbessernde Blei-Tellur-Einschlüsse vorhanden sind.
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Die Wirkung der Anwesenheit von Chrom mit einem Gehalt innerhalb des
Bereiches zwischen 10 und 13,1/o führt also dazu, daß die Blei-Tellur-Einschlüsse
sehr ungleichmäßig verteilt auftreten. An Stelle einer Verbesserung der Bearbeitbarkeit
innerhalb der gesamten Stahlmenge wird dadurch nichi erzielt, sondern beschränkt
sich nur auf eine- örtlich begrenzte verbesserte Bearbeitbarkeit. Diese örtlich
konzentrierten verhältnismäßig großen _Blei-Tellur-Einschlüsse beeinträchtigen jedoch
wegen -ihrer ver= hältnismäßig großen Ausdehnung (s. F i g. 4) .die mechanischen
Eigenschaften des Stahles schwerwiegender als- in übrigen übereinstimmenden Stählen-,
die Blei und Tellur nicht gemeinsam enthalten.
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F i g. 6 ist- eine Mikroaufnahme bei gleicher Vergrößerung wie F i
g. 3 bis 5 (500fach) des gleichen Stahles wie in F i g. 3, der auch im Gußzüstand
vorliegt, jedoch einen Chromgehalt von nur 5 % aufweist. Die Verteilung und die
Größe der Blei-Tellur-Einschlüsse, nämlich der dunklen Flecke auf dem hellen Hintergrund,
sind nicht so gleichmäßig.und weit verteilt wie im Fall des chromfreien Stahles
von F i g. 3; die Einschlüsse sind jedoch voneinander entfernt und weniger zusammengeballt,
als dies bei den Blei-Tellur-Einschlüssen in dem 10 bis 13 0/ö Chrom enthaltenden
Stahl nach den F i g. 4 und 5 festzustellen ist. Ein Chromgehalt von 5 % bildet
also die obere Grenze, bei der die Verteilung der Blei-Tellur-Einschlüsse fühlbar
beeinträchtigt .zu werden beginnt. Daher wird nach der Erfindung bei chromlegierten
Stählen, bei denen die Bearbeitbarkeit durch Blei und Tellur gemeinsam verbessert
werden soll, als Höchstwert ein Chromgehalt von weniger als, d. h. gerade 5 % gewählt.
Die untere Grenze von 0,18% Chrom wurde gewählt, da diese Menge noch merkbar die
mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Stahles beeinflußt. Es hat sich
gezeigt, daß chromlegierte Stähle mit einem niedrigeren Chromgehalt als 0,18%üblichen
Kohlensto$stählen vergleichbar sind. Denn ein derart niedriger Chromgehalt beeinflußt
die Verteilung der Blei-Tellur-Einschlüsse nicht.
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Die Mindestblei- und -tellurgehalte betragen bei dem erfindungsgemäßen
Stahl 0,02%. Diese Gehalte sind erforderlich, um eine merkliche und verwertbare
Verbesserung der Bearbeitbarkeit des Stahles im Vergleich zu sonst übereinstimmenden
Stählen zu erzielen, welche eines oder beide der genannten Elemente nicht enthalten.
Der höchste Bleigehalt ist auf 0,5% festgelegt, weil der Stahl dann, wenn sein Bleigehalt
diese Grenze überschreitet, sich fühlbar hinsichtlich seiner mechanischen und physikalischen
Eigenschaften verschlechtert. Der größte Tellurgehalt von 0,51/o wird durch die
Warmsprödigkeit des Stahles bei rotglühender Walztemperatur bestimmt. Ein Tellurgehalt
von mehr als 0,511o würde dazu
führen, daß beim Warmwalzen größere
Risse auftreten würden. Eine Vergrößerung des Temperaturbereiches, bei dem der Stahl
heiß gewalzt werden kann, oder eine Vergrößerung des Verhältnisses Mangan zu Schwefel
würde die durch einen Tellurgehalt von mehr als 0,5 0/a verursachte Warmsprödigkeit
nicht ausreichend ausgleichen.
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Bei einer vorzugsweisen Ausführung des erfindungsgemäßen Stahles beträgt
der Tellurgehalt von 0,04 bis 0,20 0/0. Es hat sich erwiesen, daß bei Gegenwart
von Tellur innerhalb dieses Bereiches zusammen mit einem Bleigehalt von ungefähr
0,20 bis 0,30% eine geradezu ideale Zunahme der Bearbeitbarkeit auftritt.
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Wie bereits erläutert, kann ein Tellur gemeinsam mit Blei enthaltender
Stahl auf Grund der Anwesenheit von Tellur eine Eigenschaft aufweisen, die als Warmsprödigkeit
bezeichnet wird. Diese ungünstige Eigenschaft ergibt sich aus einem überschuß von
Tellur in fester Lösung im Gefüge bei Warmwalztemperatur. Um das Risiko der Warmsprödigkeit
zu vermindern, soll der Magangehalt des erfindungsgemäßen Stahles nicht kleiner
als 0,6% sein.
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Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt
der Schwefelgehalt des Stahles zwischen 0,02 und 0,5°/o um die Bearbeitbarkeit des
Stahles weiterhin durch Magansulfideinschlüsse, die in bekannter Weise die Bearbeitbarkeit
verbessern, zu vergrößern. Wegen der ungünstigen Wirkung, die Schwefel auf Stähle
dadurch ausübt, daß er ebenfalls zu Warmsprödigkeit führt, kann, wie schon zuvor
erwähnt, der Magangehalt bis 1,651/o vergrößert werden.
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Der Kohlenstoffgehalt des erfindungsgemäßen Stahles liegt im Bereich
zwischen 0,05 und 10/0, und andere Elemente, die allgemein in Stählen als Verunreinigungen
vorhanden sind, wie z. B. Phosphor, Stickstoff, können ebenfalls in kleinen Mengen
vorhanden sein. Silizium, welches normalerweise in chromlegierten Stählen vorhanden
ist, sollte einen Anteil von 0,3 % nicht übersteigen, um die Bearbeitbarkeit nicht
zu beeinträchtigen.
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Der erfindungsgemäße chromlegierte .Stahl kann außerdem kleine Mengen
anderer Legierungskomponenten, wie z. B. Nickel, Molybdän oder Vanadium, in Mengen,
die nicht groß genug sind, um den Stahl aus der Kategorie der nicht rostfreien .Stähle
hervorzuheben, enthalten.
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Durch den erfindungsgemäßen chromlegierten Automatenstahl wird ein
Automatenstahl geschaffen, der alle physikalischen und mechanischen Eigenschaften
eines chromlegierten Stahles aufweist, die in vieler Beziehung besser sind als die
des gewöhnlichen Kohlenstoffstahles, wie z. B. vergrößerte Zugfestigkeit und gute
Härtbarkeit, was für viele Verwendungsarten von großer Bedeutung ist.