DE2839637A1 - Verfahren zur erzeugung aufgeschwefelten stahles - Google Patents
Verfahren zur erzeugung aufgeschwefelten stahlesInfo
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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,
909812/0987
"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.
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.
.A 909812/0987
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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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.
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
909812/0987 ./,
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 HVJ3O. 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.
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
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.
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
909812/0987
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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Leerseite
Claims (1)
- Patentanwälte Dipl.-ing. Cu rt WallachDipl.-Ing. Günther Koch2833637 Dipl.-Phys. Dr.Tino HaibachDipl.-lng. Rainer FeldkampD-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89} 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai dDatum: 12 „ September 1978Unser Zeichen: 16 JJO - K/ApPatentansprüche1. Verfahren zur Erzeugung aufgeschwefelten Stahles mit einem Schwefelgehalt zwischen 0,05 und 0,20 Gew.-J^,dadurch gekennzeichnet, daß eine Stahlschmelze hergestellt wird, und daßdieser Stahlschmelze ein Erdalkalimetall mit einerhohen Affinität zu Schwefen in einer solchen Menge zugesetzt wird, daß in dem Stahl wenn er gesonderterstarrt, 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 0,08und 0,12 Gew.-% liegt.309812/0987ORIGINAL INSPECTED4. 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.909812/0987
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