DE2839637A1

DE2839637A1 - Verfahren zur erzeugung aufgeschwefelten stahles

Info

Publication number: DE2839637A1
Application number: DE19782839637
Authority: DE
Inventors: David Naylor
Original assignee: British Steel Corp
Current assignee: British Steel Corp
Priority date: 1977-09-15
Filing date: 1978-09-12
Publication date: 1979-03-22
Also published as: IT1109115B; GB2008154A; FR2408661A1; IT7869137A0; US4180397A; FR2408661B1; GB2008154B

Description

Patentanwälte Dipl.-ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach -^- Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

_Datum: 12. September 1978

Unser Zeichen: 16 370 - K/Ap

Anmelder: British Steel Corporation

33 Grosvenor Place London S.W.I., England

Bezeichnung: Verfahren zur Erzeugung aufgeschwefelten

Stahles

909812/0987

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von aufgeschwefeltem Stahl.

Die Benutzung von Erdalkalizusätzen beispielsweise Calcium als Entoxydationsmittel, Entschwefelungsmittel und zum Modifizieren von Einschlüssen ist in den letzten Jahren durch die Notwendigkeit angeregt worden, Verbesserungen hinsichtlich Bildsamkeit, Zähigkeit, Lebensdauer und im Hinblick auf eine Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitung zu erreichen. Derartige Zusätze wurden bisher bei gewissen spezialisierten Stahlherstellungsanwendungen benutzt, insbesondere zur Modifizierung der Oxideinschlüsse in Kohlenstoff- und Legierungsstählen, um die Lebensdauereigenschaften zu verbessern und die Einschlüsse zu modifizieren, um die spanabhebende Bearbeitung zu verbessern. In jüngster Zeit wurde Calcium als Entschwefelungsmittel bei der Herstellung von Stählen benutzt, bei denen die Erfordernisse der Bildsamkeit Endschwefelgehalte von weniger als 0,008 Gew.-^ vorschreiben.

Bei gewissen mittleren Kohlenstoff- und Legierungsstählen werden gewisse heißgeschmiedete Werkstücke einer spanabhebenden Bearbeitung, z.B. einem Drehvorgang, einem SchleifVorgang oder einem Bohrvorgang unterworfen. Bei derartigen Stählen kann die spanabhebende Bearbeitbarkeit durch Zusatz von Schwefel beträchtlich verbessert werden. Die Sulfidpartikel, die für die verbesserte spanabhebende Bearbeitung verantwortlich sind, können jedoch wenn ihr Anteil nicht ganz genau gesteuert wird, ungünstige Änderungen hinsichtlich der Zähigkeit oder der Lebensdauer des fertigen Werkstücks zur Folge haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die schädlichen Wirkungen von Sulfiden auf die mechanischen Eigenschaften in Stählen mit erhöhtem Schwefelgehalt zu verringern und die spanabhebende Bearbeitungsmöglichkeit derartiger Stähle zu erhöhen,

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"Sr-

und diese Aufgabe mrd erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Erdalkalimetalle zugesetzt werden, die eine hohe Affinität für Schwefel !besitzen.

Die Erfindung geht demgemä aus von einem Verfahren zur Erzeugung eines aufgeschwefelten Stahles mit einem Schwefelgehalt zwischen 0,05 und 0,20 Gew,-#. Erfindungsgemäß wird eine Stahlschmelze hergestellt und dieser Schmelze wird ein Erdalkalimetall mit hoher Affinität für Schwefel in ausreichender Menge zugesetzt, um im Stahl bei getrennter Erstarrung kugelförmige Sulfideinsehlüsse zu bilden.

Gemäß einem bevorzugten Verfahren liegt der Schwefelgehalt des Stahles in dem Bereich zwischen 0,08 und 0,15 Gew.-%» Gemäß einem zweiten bevorzugten Verfahren liegt der Schwefelgehalt in dem Bereich zwischen 0,08 und 0,12 Gew.-#.

Das Erdalkalimetall kann Calcium oder eine calciumhaltige Legierung sein. Der Zusatz von Calcium liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,02 und 0,20 Gew.-^. Gemäß einem bevorzugten Verfahren liegt der Calciumgehalt in dem Bereich zwischen 0,02 und 0,067 Gew.-5^. Gemäß einem zweiten bevorzugten Verfahren liegt der Calciumzusatz in dem Bereich zwischen 0,05 und 0,10 Gew.-^.

Das Erdalkalimetall kann in den geschmolzenen Stahl durch die Bohrung einer hohlen Lanze eingespritzt werden, die in die Schmelze eingetaucht wird. Stattdessen kann der Zusatz umhüllt und entweder in die Schmelze innerhalb des Schmelztiegels geworfen oder eingetaucht werden, während das Abstechen erfolgt.

Jede Entschwefelung, die infolge des Erdalkalizusatzes auftritt, wird durch den anfänglichen Schwefelgehalt des Stahles kompensiert bevor der Zusatz hinzugefügt wird, um in dem Stahlerzeugnis einen Schwefelgehalt innerhalb des erforderlichen Bereiches zu gewährleisten.

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Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schliffbild eines ungeätzten Mikroaufbaus einer aufgeschwefelten Stahlstange gemäß der Erfindung im Vergleich mit einer,bei der kein Alkalierdmetall zugesetzt wurde;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, welche die Wirkung des Schwefelgehalts auf die Flankenabnutzungsrate bei SAE 8620 Stählen erkennen läßt;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche die Lebensdauerkurven für Werkzeuge aus SAE 8620 Stahl erkennen läßt.

Beispiel 1

Einige 50kg Blöcke aus SAE 8620 Stahl wurden in Metallformen gegossen. Die Blöcke wurden in drei verschiedenen Serien hergestellt, und zwar a) vergossen mit einem Schwefelgehalt innerhalb der durch SAE 8620 festgelegten Grenzen, b) vergossen mit einem Schwefelgehalt über den durch SAE 8620 festgelegten Grenzen und c) vergossen wiederum mit einem hohen Schwefelgehalt, dem jedoch Calcium Silizid in einer 0,15 Gew.-% entsprechenden Menge zugesetzt wurde. Die Analyse dieser drei Gußstücke A, B, C und die Standardbeschreibung für SAE 8620 Stahl sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt.

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Tabelle 1

ANALYSE GEWICHTSPROZENT

	Beispiel	0.	C
	SAE 8620 Stahl		18/0.23
co
O		0
co	A		.19
co		0
_*	B		.21
NJ		0
O	C		.17
CO
co

Si Mn P S Cr

0.2/0.35 0.7/0.9 0.035raax 0.040 max 0.4/0.6

O.23 0.75 O.OI9 0.021 0.50

O.32 1.10 0.042 0.120 0.53

0.37 1.13 0.012 0.096 0.59

Mo

0.15/0.25	0.4/0.7
0.15	0.58
0.18	0.53
0.18	0.48

OO CO <£) CD CO -J

Bei der Herstellung der Gußstücke B und C wurde versucht, die Härtbarkeit aufrecht zu erhalten, indem ein konstanter Restgehalt von Mangan in Höhe von 0,8O# eingestellt wurde, indem die Beziehung benutzt wurde: Gesamtmangangehalt = 0.80 + 55 <* σ

Die Gußstücke wurden geschmiedet und dadurch Prüfstangen mit 65 mm Durchmesser hergestellt, die von 925°C normalisiert wurden, um eine spanabhebende Prüfung zu ermöglichen. Das Material des Gußstückes wurde zu einer Platte von 15 x 2,5 cm geschmiedet und in öl von 920°C abgeschreckt, um die mechanischen Eigenschaften feststellen zu können. Sämtliche Beispiele wurden roh bearbeitet, um Oberflächenfehler zu entfernen bevor die spanabhebende Prüfung einsetzte.

Fig. 1 veranschaulicht den ungeätzten Mikroaufbau der Gußstücke B und C. In dem Gußstück B befinden sich offensichtlich eutektische Sulfideinschlüsse der Type II. Als Ergebnis des Zusatzes von Calcium Silizid im Gußstück C wurden mehr oval gestaltete Einschlüsse erzeugt. 3Ji dem behandelten Gußstück wurden "Vogelaugen"-Duplex-Einschlüsse beobachtet im Vergleich zu Aluminiumoxid-Partikeln in dem nicht behandelten Gußstück. Der normalisierte Aufbau zeigte Ferrit, Perlit und Bainit. Die Härte der Gußstücke lag im Bereich zwischen I70 bis 200 H„50.

Ü.B wurden Werkzeugabnutzungsversuche ohne Schmiermittel durchgeführt, wobei Karbideinsatz-Schneidwerkzeuge der Type I50 PJ50 grade benutzt wurden. Die Flankenabnutzung wurde in Intervallen von 2 Minuten aufgezeichnet und die Abnutzungsraten wurden aus dem Imearen Bereich der Flanke berechnet, wo die Kurven in Fig. 2 dargestellt sind, bezogen aif den Schwefelgehalt der drei Gußstücke. Das Ausmaß der Streuung in der maschinellen Bearbeitbarkeit wurde vermindert, wenn der Schwefelgehalt über 0, Q!J% angehoben wurde. Während der Werkzeugabnutzungsversuche zeigte

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sich, daß die Spanform, die bei den Gußstücken B und C erzeugt wurde, der Spanform des Gußstückes A überlegen war. Insbesondere wurden bei der spanabhebenden Bearbeitung des Gußstückes C kleine leicht wegnehmbare Späne erzeugt.

Bann wurden Hochgeschwindigkeitsstahlwerkzeug-Lebensdauertests mit Teilen der Gußstücke A und C durchgeführt. Die Zeit bis zu einem vollständigen Werkzeugausfall bei AlSl T5 Schnellstahl-"Werkzeugen wurde bei verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten aufgezeichnet und die Ergebnisse auf einer logarithmischen Achse in Fig. 3 aufgezeichnet. Die Werte von V20, die Schnittgeschwindigkeit die erforderlich ist, um dem Werkzeug eine Lebensdauer von 20 Minuten zu verleihen, war um 18$ höher bei den Beispielen aus dem Gußstück C als bei Stahl mit niedrigem Schwefelgehalt, der die übliche kommerzielle Zusammensetzung aufwies.

Dann wurden Dauerversuche hinsichtlich Zugspannung, Schlagbeanspruchung und Drehbiegung bei Werkstücken aus dem Gußstück C durchgeführt. Die Werkstücke wurden aus geschmiedeten und in öl abgeschreckten Material spanabhebend bearbeitet. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der nachstehenden Tabelle 2 aufgezeichnet. Die Gesamtwirkung des Zusatzes von Erdalkali bestand darin, die Eigenschaften innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen aufrechtzuerhalten.

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Tabelle 2	BSC 970	Quer	0.09^ S ^	h Zusätze
Behandlung	Äquivalent
	805 Ml7	—
	Längs	--	Längs	Quer
Versuchs- richtungen		—
Zugfestigkeit	770	—	776	778
N/mm²	12.0	—	23.7	21.0
Dehnung %	55.0 (typisch)	—	50.0	30.7
Verminderung der Fläche, %	20		33.5	24.0
Iz od (Durchschnitt) Fuß Pfund	52 (typisch)	47.2	29.5
Charpy (Durchschnitt) Joul	365 (typisch)	405	405
Dauerfestig keit N/mm²

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Das Ausmaß der Streuung in dem Bearbeitungsverhalten von Stahl aus Gußstücken mit erhöhtem Schwefelgehalt wurde wegen des erhöhten Schwefelgehaltes ebenfalls vermindert.

Wie oben erwähnt, ergaben sich auch Verbesserungen der spanabhebenden Bearbeitung, die durch die Werkzeug-Lebensdauerversuche abgeschätzt wurden, konnten auch bei Stählen des Gußstückes C verwirklicht werden. Infolge des erhöhten Schwefelgehaltes ergab sich keine bedeutende Wirkung hinsichtlich der Zugeigenschaften, obgleich die Stoßwerte etwas niedriger lagen als bei dem Beispiel des Gußstückes C. Infolge der Abwandlung der Einschluß-Morphologie durch Calciumzusatz war diese Verminderung jedoch nicht so groß, daß eine Verminderung auf Werte zu befürchten wäre, die unter den minimalen Izod-Erfordernissen für die Stahlgüte liegen. Obgleich die Dehnung und Flächenverminderung sämtlich in Querrichtung geringer waren als in Längsrichtung, wurden sogar noch geringere Quereigenschaften erhalten worden sein, wenn die Calciumbehandlung durchgeführt wäre. Die Zugfestigkeit und die Dauerfestigkeit waren in Querrichtung und in Längsrichtung gleich und eine höhere Grenze ergab sieh bei dem behandelten Gußstück.

Aus den mit diesem Beispiel erlangten Ergebnissen zeigt sich eine verbesserte Bearbeitbarkeit von SAE 8620 Stahl durch Erhöhung des Schwefelgehaltes auf etwa 0,10 Gew.-% und Zusatz von Calcium-Silizld. Diese Verbesserung kann erreicht werden, ohne schwerwiegende Beeinträchtigung der Zugspannungseigenschaften und sogar mit einer Verbesserung der Dauerfestigkeit und der Dauerbiegefestigkeit.

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Beispiel 2

Es wurde eine Schmelze aus aufgeschwefeltem Stahl der Type XC38 erzeugt. Im geschmolzenen Zustand wurde Calcium in Anteilen zwischen 0,02 und 0,35 Gew.-% zugesetzt. Die chemische Analyse der Schmelze und eine Schmelze aus nicht-aufgeschwefeltem Stahl XC38 ohne Calciumzusatz ergibt sich aus der folgenden Tabelle 3. Diese beiden Schmelzen sind in der Tabelle als Schmelzen D und E gekennzeichnet.

Tabelle 3

Schmelze C Si Mn

XC38 0.35/ 0.40 O.7O/ O.O3 0.02/ Vorschrift 0.41 Max 1.00 Max 0.04

D 0.33 O.3I 1.10 0.01 O.O77

E 0.35 O.27 0.76 0.014 O.O3O

Der aufgeschwefelte Stahl mit Calciumzusatz wurde in eine Sandform gegossen, um die Abkühlrate eines kommerziell hergestellten Blockes zu simulieren. Der so hergestellte Block wurde zu Prüfstäben geschmiedet, um spanabhebende Versuche durchführen zu können und die mechanischen Eigenschaften festzustellen. Die Stäbe für die spanabhebende Prüfung wurden durch Wärme bei einer Temperatur von 850⁰C 30 Minuten lang behandelt

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und darauf folgte eine wasserabsehreekung, und dann eine Temperung während 60 Minuten bei 620°C.

Es zeigte sich, daß das Material der Schmelze E kleine Sulfidfäden enthielt* während das Material aus der Schmelze D eine verbesserte Sulfid-Morphologie zeigte und Oxid-Einschlüsse innerhalb der Sulfidumhüllungen aufwies. Die warmebehandelten Stäbe aus der Schmelze D zeigten eine bainitische Struktur an der Oberfläche des Stabes, die sich nach der Mitte hin zu Ferrit, Perlit und Bainit änderte. Infolgedessen änderte sich die Härte über den Querschnitt, aber sie lag in dem Bereich zwischen 205 bis 228 H_VJ3O. Die aus der Schmelze E hergestellten Beispiele hatten einen getemperten ferritischen und perlitischen Aufbau, was den geringeren Mangangehalt gegenüber der Schmelze D widerspiegelte. Die Härte der Prüflinge der Schmelze E betrug 207

Eine Beurteilung der spanabhebenden Bearbeitung, die auf Spitzdrehen (single point turning) beruhte, wurde bei Prüfstäben durchgeführt, die aus den beiden Schmelzen gewonnen wurden. Die Ergebnisse dieser Beurteilung sind in Tabelle dargestellt.

Tabelle

Härte

Schmelze Bedingung Prüfling Planken- Krater- Ober- V20 HV30 Nr. abnutzung förmige flächen- m/min

/im/km Abnutzung be-

jnm/krn schaffenbit

Q+T auf ge- 25.3 keine 3.5 215

schwefelt
XC38

Q+T XC38 168.7 4.2 207

909812/0987 ^#/#

Aus dieser Beurteilung ergab sich, daß die Karbid-Plankenabnutzungsrate bei den Prüfstäben aus der Schmelze D beträchtlich unter jener der Prüfstäbe lag, die aus der Schmelze E hergestellt waren. Die Abnutzungsraten für Prüfstäbe aus der Schmelze D lagen in dem Bereich zwischen 14,3 bis 25,3 /im/km im Vergleich mit 168,7 μτη/km für Werkstücke aus der Schmelze E. Die kraterförmige Abnutzung war bei Werkstücken aus der Schmelze D vernachlässigbar. Beim Drehen von Prüfstäben aus der Schmelze D war auch die Spanform gut, während die Späne von Prüflingen aus der Schmelze E gewisse Schwierigkeiten bereiteten und ein Spanbrecher verwendet werden mußte. Die Ergebnisse der Werkzeuglebensdauerversuche zeigten, daß die spanabhebende Bearbeitbarkeit der abgeschreckten und getemperten Werkstücke aus der Schmelze D um 24,2$ besser war als bei Werkstücken, die aus der Schmelze E hergestellt waren, und zwar in Ausdrücken von V20 Werten.

Soweit es die mechanischen Eigenschaften anbelangte, so zeigte es sich, daß die Werkstücke aus der Schmelze D die erforderlichen Qualitätswerte für Längsspannung und Schlageigenschaften erfüllten. Die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke aus der Schmelze D ergeben sich aus der folgenden Tabelle.

Tabelle 5

Schmelze Richtung Zugeigenschaften Schlag Nr. UTS YP El R aus A ^

kgf/mm kgf/mm % %

D Längsrichtung 99.4 91.2 17 55 7.6,8.0,7.8 Spezifikation 85-IO5 62 min - 10 min 6 min

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Zusammenfassend kann daher zu dem Beispiel festgestellt werden, daß die Karbid-Plankenabnutzung bei Bearbeitung eines Werkstücks aus der Schmelze D beträchtlich verbessert war gegenüber Werkstücken aus der Schmelze E. Die kraterfö'rmige Abnutzung war bei Bearbeitung von Werkstücken aus der Schmelze D vernachlässigbar, und zwar sowohl bei abgeschreckten und getemperten Werkstücken als auch bei geschmiedeten Werkstücken. Die Spanform war bei der Bearbeitung von Werkstücken aus der Schmelze D bei den Karbid-Werkzeugversuchen ausgezeichnet, während die Werkstücke aus der Schmelze E eine schlechte Spanbildung hatten. Die spanabhebende Bearbeitbarkeit mit Schnellstahlwerkzeugen war bei Werkstücken aus der Schmelze D um wenigstens 24$ besser als bei Werkstücken aus der Schmelze E. Die Spanform bei Werkstücken aus der Schmelze D war bei kurzen Bohrversuchen jener überlegen, die bei Werkstücken aus der Schmelze E durchgeführt wurden. Die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke aus der Schmelze D erfüllten die Zug- und Schlaganforderungen.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-ing. Cu rt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

2833637 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89} 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 12 „ September 1978

Unser Zeichen: 16 JJO - K/Ap

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung aufgeschwefelten Stahles mit einem Schwefelgehalt zwischen 0,05 und 0,20 Gew.-J^,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Stahlschmelze hergestellt wird, und daß

dieser Stahlschmelze ein Erdalkalimetall mit einer

hohen Affinität zu Schwefen in einer solchen Menge zugesetzt wird, daß in dem Stahl wenn er gesondert

erstarrt, kugelige Sulfideinschlüsse geschaffen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Schwefelgehalt des Stahls im Bereich zwischen 0,08 bis 0,15 Gew.-% liegt.

3ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Schwefelgehalt in dem Bereich zwischen 0,08

und 0,12 Gew.-% liegt.

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ORIGINAL INSPECTED

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß das Erdalkalimetall Calcium oder eine Calcium enthaltende Legierung ist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Calciumzusätze in dem Bereich zwischen 0,02 und 0,20 Gew.-% liegen.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Calciumzusätz in dem Bereich zwischen 0,02 und 0,67 Gew.-% liegt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Calciumzusatz in dem Bereich zwischen 0,05 und 0,10 Gew.-# liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet,

daß das Erdalkalimetall in den geschmolzenen Stahl durch die Bohrung einer hohlen Lanze eingespritzt wird, die in die Schmelze eingetaucht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz eingehüllt und entweder in den die Schmelze enthaltenden Tiegel während des Abstichs hineingeworfen oder eingetaucht wird.

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