DE3126984A1

DE3126984A1 - "stahl fuer den maschinenbau mit ausgezeichneter kaltschmiedbarkeit und zerspanbarkeit"

Info

Publication number: DE3126984A1
Application number: DE3126984A
Authority: DE
Inventors: Sadayoshi Furusawa; Shuji Kobe Iwata; Jiro Koarai; Tsuyoshi Kohoka; Hideo Takeshita
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1980-07-09
Filing date: 1981-07-08
Publication date: 1982-03-25
Also published as: US4431445A

Description

Stahl für den Maschinenbau mit ausgezeichneter Kaltschniiedbarkeit und Zerspanbarkeit

Die Erfindung betrifft Verbesserungen bei Legierungsstählen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Stähle für den Maschinenbau mit ausgezeichneter Kaltschniiedbarkeit und Bearbeitbarkeit bzw. Zerspanbarkeit.

Die meisten Maschinenteile wurden bisher durch spanabhebende Fertigung bzw.schneidende Bearbeitung hergestellt. Um die Verarbeitungskosten der Teile zu vermindern, werden mit dem kürzlichen Fortschreiten der Kaltbearbeitungstechniken häufig Verfahren angewendet, <j|_e eine Rohverforrnung durch Kaltbearbeitung und eine anschließende Fertigbea'rbeitung durch spanabhebende Bearbeitung umfassen: Zu diesem Zweck werden Stähle benötigt, die sowohl ausgezeichnete Kaltschniiedbarkeit als auch ausgezeichnete Zerspanbarkeit aufweisen.

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4. Stahl nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pb- und/oder Bt-Gehalt im Bereich von 0,02 bis 0,12 % liegt und der S-Gehalt geringer als 0,005 % ist und der Gehalt der Al„O„-Einschlüsse weniger als 0,0005% ausmacht.

20 25.

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Um den Stählen eine gute Kaltschmiedbarkeit zu verleihen, ist es übliche Praxis, daß man die Stähle einer Weichglüh- und Glühbehandlung oder einem Verfahren zur Erniedrigung des Reinheitsgrades der Stähle unterzieht. Jedoch führt dies zu einer schlechten Zerspanbarkeit des Stahls. Andererseits ist es bekannt, S oder Pb zu den Stählen zur Verbesserung der Zerspanbarkeit hinzuzusetzen, was aber mit dem Nachteil begleitet ist, daß die Kaltschrniedbarkei.t des Stahls geringwertig wird. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Kaltschmiedbarkeit und die Zerspanbarkeit in den meisten Fällen zueinander gegem;ätzlich verlaufen.und es wird im allgemeinen angenommen, daß diese Eigenschaften miteinander unverträglich sind.

Im allgemeinen enthalten Kohlenstoffstähle oder Legierungsstähle für den Maschinenbau S in einer Menge von etwa 0,015 bis etwa 0,030 %, wobei der meiste Schwefel im Stahl in Form von MnS vorhanden ist. Das MnS ist gewöhnlich ungleichmäßig im Stahl verteilt und neigt dazu_y

beim Walzen übermäßig.gestreckt zu werden, was die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften bewirkt und die Kaltschmiedbarkeit verschlechtert (diese Einschlüsse irn Stahl werden als A-'Systemeinschluß in den JIS-Standards definiert). Al wird gewöhnlich zur Desoxidation oder zur Regulierung der Korngröße im geschmolzenen Stahl hinzugesetzt. Selbst nach der Verfestigung des geschmolzenen Stahls ist Al in Form von Al_?0„ bei einem Gehalt von etwa AO bis 100 ppm enthalten und verursacht die Entwicklung von Anrissen bzw. beginnenden Rissen im Stahl während

der Kaltbearbeitung, wodurch die Kaltschmiedbarkeit beeinträchtigt und der Werkzeugverschleiß während der zerspanenden Bearbeitung wegen seiner hohen Härte beschleunigt wird (diese Einschlüsse werden in den. JIS-Standards als.

B-Sys teiiieinschluß definiert). 35

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Anschließend werden die bekannten Ca-desoxidierten Stähle und bleihaltigenAutomatenstähle erläutert. Die Ca-desoxidierfeen Stähle sind solche, die durch Desoxidation von geschmolzenem Stahl mit Ca unter Bildung von Ca-Ox iden beispielsweise Anorthit (CaO · Al₀O · 2 SiO₀), Gehlenit (2 CaO « Al_?0„ · SiO_?) und dergleichen erhalten werden, durch die während der Schneidbearbeitung
eine Abscheidung auf den Werkzeugoberflächen zur Unterdrückung des Werkzeugverschleisses gebildet wird.

Bei einigen mittels Ca desoxidierten Stählep kann das Ca-0xid CaO · nAl_0„ sein. Die bleihaltigen Automatenstähle enthalten 0,15 bis 0,30 % Pb, das i_n Form eines Einzeleinschlusses oder in Form von Verbindungseinschlüssen mit Sulfiden oder Oxiden vorhanden ist. Dieser Pb Einschluß zeigt den Effekt der Spannungsanhäufung und der Schmierwirkung auf das Werkzeug während der spanabhebenden Bearbeitung, wodurch die Zerspanbarkeit verbessert wird. In diesem Zusammenhang enthalten /jedoch üblich verwendete bleihaltige Automatenstähle, beispielsweise S45CL,Schwefel in einer Menge im Bereich von 0,015 bis 0,030 %, von dem das meiste in Form von MnS vorhanden ist. Dieses MnS wird beim Walzen gestreckt _und wird als A-Systeineinschluß unigewandelt. Zusätzlich wird Pb leicht

zu einem Verbindungseinschluß mit großen Abmessungen in Kombi-

nation mit MnS umgesetzt, was zur Beeinträchtigung der Kaltschmiedbarkeit führt.

Die Legierungsstähle des Typs, auf die die vorliegende Erfindung gerichtet ist, sind bekannt, beispielsweise aus den japanischen Patentanmeldungen Nr. 46-27661 und 54-33206, japanische Off enlegungsschrif t Nr. 53-22112, GB-PSS 874 488 und 717 896, norwegische Patentschrift Nr. 123 551, DE-OSS 1 036 297, 1 905 247 und 1918 702

und US-PSS 31 10 586 und 34 24 576. 35

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Aufgabe der Erfindung ist demgemäß die Bereitstellung eines Maschinenbaulegierungsstahls, der die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwindet.

Gemäß eines weiteren Aspektes soll ein Maschinenbaulegierungsstahl geschaffen· werden, der eine ausgezeichnete Kaltschmiedbarkeit und Zerspanbarkeit besitzt.

Schließlich soll erf indungsgernäß ein Maschinenbaulegierunßsstahl geschaffen werden, bei dem Einschlüsse in dem Stahl in geeigneten Formen fein dispergiert sind, wodurch die Kaltschmiedbarkeit und Zerspanbarkeit verbessert

werden. 15

Gegenstand der Erfindung ist ein Stahl für den Maschinenbau mit ausgezeichneter Kaltschmiedbarkeit und Zerspanbarkeit, der gekennzeichnet ist durch eine Zusammensetzung von unter 0,6 % C, unter 0,35 % Si, unter 1,65 %

*^w Mn, unter 3,5 % Nl, unter 3,5 % Cr, unter 0,35 % Mo,

0,010 bis 0,10 % Al, und unter 0,002 % B sowie Rest Fe und Verunreinigungen mit begrenzten Gehalten von Ca im Dereich von 0,0005 bis 0,05 %, S von unter 0,12 % und Al_o0_q-Einschlüssen von unter 0,002 %. Gemäß eines bevorzugten Aspektes ist wenigstens eines von Pb und Bi in dein Stahl in Form von Verbindungen, Metallen oder Legierungen in vorher-bestimmten Mengenbereichen enthalten.

Die Erfindung wird anschließend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung der Kaltschmiedbarkeit und Zerspanbarkeit des erfindungsgemäßen Stahls und eines bekannten Stahls für verschiedene S-Gehalte der entsprechenden Stähle;

25 '^{2 3}

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Fig. 2 zeigt, eine Beziehung zwischen dein Flächenanteil der CaO + CaS + (Ca,M n)S-EinSchlüsse zu den gesamten Einschlüssen und der Kaltschmiedbarkeit ;
5

Fig. 3 zeigt eine Beziehung zwischen dein Gehalt der Al_?0„-Einschlüsse und der Kaltschrniedbarke j. t;

Fig. 4 zeigt die Beziehungen zwischen der Kaltschmiedbarkeit und der Zerspanbarkeit _uncj u_em Gehalt von l'b oder Bi.

Um den eri'indungspernäßen Maschinenbaustahlen verbesserte Kaltschmiedbarkeit und Zerspanbarkeit _ζυ verleihen wird eine große Ca-Menge kontinuierJich zum geschmolzenen Stahl hinzugesetzt, so daß der in dem geschmolzenen Stahl vorhandene Schwefel (S) zu CaS und (Ca, Mn)F umgesetzt wird und Λ1_?Ο_ vollständig entfernt oder auf einen sehr geringen Gehalt durch Reduktionsreakti in mit Ca reduziert wirdJJer vorstehende Vorgang kann durch die folgenden Reaktionsformel ausgedrückt v/erden:

UH l· O»

Ca + i-in + S- X Ca, Mn) S

3Cii + Al₀O₀. 1 3CaO + 2Al

Aus dem.Vorstehenden ergibt sich, daß beim erfindungsgemäßen Stahl die Sulfide, die zunächst wie bei den bekannten Stählen hauptsächlich in Form von MnS vorliegen, zu CaS und (Ca₁Mn)S umgesetzt werden, welche während der Bearbeitung, beispielsweise dem Walzen streckungsfest bzw. beständig gegen eine Streckung sind. Hierdurch wird die Anisotropie des Stahlmaterials unter gleichzeitiger

Verbesserung der Kaitschmiedbarkeit

DE 1399 1 und Zerspanbarkeit abgeschwächt.

Im allgemeinen werdenAl-Legierungen während der Stahlherstellung für die Desoxidation und die Einstellung der Korngröße hinzugesetzt. Ein Teil der Al-Legierung wird ^zu
Al_o0_ umgesetzt und die Ca-Zugabe führt zu einer beträchtlLehen Reduktion des Al_o0„-Einschlusses. Dies ist ferner synergistisch zusammen mit der vorstehend beschriebenen Sulfidumsetzung bei der Verbesserung der Zerspanbarkeit und Kaltschmiedbarkeit wirksam.

Wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Pb und/oder Bi zu dem Stahl in kleinen Mengen in Form von Verbindungen, Elementmetallen oder Legierungen hinzugesetzt werden, um einen Einzeleinschluß von Pb oder Hi zu bilden oder um sie um die Sulfide oder den CaO-Einschluß fein abzuscheiden, _Wurde gefunden, daß die KaItschrniedbarkei.t und Zerspanbarkeit durch den synergistischen Effekt oder die synergistische Wirkung dieser Metalle mit anderen Einschlüssen verbessert werden kann.

Die Bestandteile, ihre Gehalte und die Einschlüsse des erf indungsgeinäßen Maschinenbaustahls mit ausgezeichneter Kai tschrniedbarke.it und Zerspanbarkeit wird nachstehend beschrieben. Es ist zu bemerken, daß die Maschinenbaustähle Kohlenstoffstähle und Legierungsstähle für den Maschinenbau umfassen und Zusammensetzungen von unter 0,6 in C, unter 0,35 % Si, unter 1,65 % Mn, unter 3,5 % F und Ni, unter 3,5 % Cr, unter 0,35 % Mo, 0,010 bis

30 0,10 % Al und unter 0,002 % B aufweisen.

Wenn Ca in den Stahl eingearbeitet wird, werden verschiedene Sulfide oder Oxide gebildet und Ca dient zur positiven Umsetzung der Einschlüsse zu CaO, CaS und (Ca,Mn)S ^OJ und ferner zur Reduzierung des Al₀O,, zu einem beträcht-

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liehen Ausmaß. Dementsprechend ist es notwendig, große Mengen Ca zuzusetzen. Falls der Ca-Gehalt bei der Stahlproduktstufe geringer als 0,0005 % ist, sind die vorstehenden Effekte nicht befriedigend. Die Effekte v/erden entwickelt, v/enn die Menge mehr als 0,001. "A beträgt. Wenn der Gehalt 0,0.5 % überschreitet, wird zu viel CaO-E in-Schluß gebildet,, der einen nachteiligen Einfluß auf die Kaltschrniedborkeit ergibt. Daher ist ein Gehalt von unter 0,01 ⁰A bevorzugt.

Ein S-Üehalt von über 0,12 % führt zur Bildung von Sulfiden in großen Mengen, was zur Beeinträchtigung der KaItschniiedbarke i t führt. Dementsprechend liegt S im Bereich unter 0,12 %, vorzugsweise unter 0»08 56. Insbesondere beträgt der S-Gehalt unter 0,005 % wegen der bemerkenswerten Verbesserung der Kaltschriuedbarkeit.

Pb und Ui sind Elemente, die zur Verbesserung der Zerspanbarkeit dienen. Wenn der Gehalt von einem oder beiden Elementen Pb und Bi 0,2 % überschreitet, wird die Kaltschmiedbarkeit geringwertig. Dementsprechend liegt der Gehalt unter 0,2 %. Um sowohl die Kaltschrniedbarkeit als auch die Zerspanbarkeit gemeinsam zu verbessern,

liegt der optimale Gehaltsbereich von wenigstens einer Komponenten bei 0,02 bis 0,12 %.

In dem erfindungsgemäßen Stahl sind drei Sulfidtypen einschließlich CaS, (Ca,Mn)S und MnS vorhanden und es ist erwünscht, daß MnS auf einen so klein wie möglichen Gehalt zu reduzieren, da es beim Walzen gestreckt · wird, wodurch die Kaltschmiedbarkeit beeinträchtigt wird. Es ist zu bemerken, daß CaS und (Ca,Mn)S in Form von zv/ei Phasen vorhanden sind, die mit dem CaO-Einschluß verbunden sind. Zur Verbesserung der Kaltschmiedbarkeit sollte

35 der Flächenanteil der CaS-,(Ca,Mn)S-und CaO-Einschlüsse in

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dent Gesichtsfeld eines optischen Mikroskopes (wie es beispielsweise für den Reinheitsgrad des Stahls in der JIS G 0555 beschrieben ist)im Bereich von über 70 % der Fläche der Gesamte inschlUsse mit Ausnahme der Einschlüsse auf Pb- oder

5 Bi-Basis liegen.

AIpO., ist so hart, daß der Werkzeugverschleiß bei der spanabhebenden Bearbeitung beschleunigt wird, und somit die Zerspanbarkeit erniedrigt wird^und es dient ferner zur Entwicklung von Anrissen während des Kaltschmiedens. UeniffeinUß lieft sein Gehalt unter 0,002 %, vorzugsweise unter 0,0005 ",Ό.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Beispiele näher erläutert.

Beispiel

In der nachstehenden Tabelle sind die Bestandteile der Stähle (auf Basis von AISI 1045) und ihre Gehalte gezeigt, die in diesem Test verwendet wurden.

Jede Stahlprobe wurde zu Stäben mit einem Durchmesser von 80 mm und 25 mm für die Z'erspan- bzw. Kaltschmiedteste gewalzt und für die Teste nach einer Normalisierungsbehandlung verwendet.

(1.) Kaltschm i cdetest

Teststück 20 mm j/b χ 30 mrn

Jedes der Teststücke wurde einer Zwangsstauchung unterzogen, um ein»³ Beziehung zwischen der Kompressibilität
und der iUite zu bestimmen, mit der Sprünge vorkommen, aus der eine kritische Stauchungsrate, bei welcher 50 ;;. der getesteten Proben gesprungen waren, bestimmt wurde.

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Der Stahl mit einer größeren kritischen Stauchungsrate hat eine bessere Kaltschrniedbarkeit. Die Kompressibilität wurde durch die folgende Gleichung bestimmt:

H - II
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5 Kompressibilität = χ 100 (%)

¹¹O

bei der H : Teststückhöhe vor der Stauchung

H ; Teststückhöhe nach der Zwangsstauchung.

10 (2) Zerspanungstest

Schnittgeschwindigkeit: 50, 100, 150, 200, 250 (rn/niin) Vorschub: 0,05; 0,125; 0,175; 0,25 (mm/Umdrehung) Schnittiefe: 1,5 mm (konstant)
Schneidöl: keines

Die Teststücke v/urden unter diesen zwanzig Testbedingungen unter Verwendung einer Drehmaschine mit einem Hartmetallschneidwerkzeug P 10 spanabhebend bearbeitet und ihre Zerspanbarkeit wurde aus der Form der erzeugten Späne abgeschätzt.

Form der Späne ' Bewertungspunkt

25 fein zerbrochen und weniger als 40

eine Spiralwindung

zv/ei oder drei Sp i.ralwindungen 30

regulär und kontinuierlich gelockt ?0 irregulär ohne Lockung " 10

Diese unter den zwanzig Bedingungen bestimmten Bewertungspunkte wurden summiert. Eine höhere Punktbewertung zeigt eine noch bessere Zerspanbarkeit an.

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Die Tentnrgebnisse der Kaltschmiedbarkeit und der Zerspanbarkeit sind in Fig. 1 gezeigt. Aus Fig. 1 ergibt sich, daß bei steigendem S-Gehalt die Kaltschmiedbarkeit erniedrigt wird und die Zerspanbarkeit erhöht wird, sowohl bei den erfindungsgemäßen Stählen als auch bei den bekannten Stählen. Jedoch sind die erfindungsgemäßen Stähle den bekannten Stählen sowohl in der Kaltschmiedbarkeit als auch in der Zerspanbarkeit überlegen. Es ist zu bemerken, daß beim Überschreiten des S-Gehaltes von 10, über 0,120 % beinahe keine Effekte erzeugt werden, selbst wenn Ca ähnlich wie bei den erfindungsgemäßen Stählen (C5 und ClO) eingearbeitet wird.

Danach wurden einige Proben der Bestimmung des Reinheitsgrades unter Verwendung von EPMA (ESMA) _und einem optischen Mikroskop mit den in der Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen unterzogen.

Die erfindungsgemäßen Stähle zeigen größere Flächenanteile, die durch C-Systenieinschlüsse, d.h. CaO + CaS+ (Ca,Mn)S besetzt sind, in Fig. 2 ist eine Beziehung zwischen dem Flächenanteil, der durch die CaO + CaS + (Ca₁Wn)S - Einschlüsse besetzt ist, und der Kaltschmiedbarkeit gezeigt. Die durch diese Einschlüsse eingenommene größere Fläche führt zu einer verbesserten Kaltschmiedbarkeit.

Befriedigende Ergebnisse werden erhalten, wenn der Anteil über 70 % liegt.

Fig. 3 zeigt eine Beziehung zwischen dem Gehalt des Al_o0,.-Ki nschlusBef. Ln den Stählen und der Kai tschmiedbarkcit, aus der ersichtlich ist, daß die bekannten Stähle 0,0Ü!3 bis 0,012 % Al^-Einnchluß enthalten, während die erf indunjisgemäßen Stähle unter 0,002 % Al, 0 - Einschluß enthalten, wodurch die Kaltschmiedbarkeit verbessert w i rd.

-Kf- & DE 1399

Fig. 4 zeigt eine Beziehung zwischen dem Pb- oder Bi-Gehalt und der Kaltschmiedbarke.it und der Zerspanbarkeit. Wenn de'r Pb-oder Bi-Gehalt erhöht wird, wird die KaItschmiedbarkeit allmählich erniedrigt und die Beeinträchtigung wird über 0,12 % deutlich und über 0,20 h sehr beträchtlich. Ancicrnrr.c: i tu steigt die Zcr.spanbnrke i t mit einer Krhöhung dos Geholte:.; und erreicht bei 0,12 % eine Satt igung.

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Tabelle 1 (Fortsetzung)

	■Nr.	C	Si	Chemische ί	P	Zusammensetzung	Ca	Pb	Bi	sol .Al	^A12°3
	Cl	0.44	0.23	Mn	0.019	S	—	:	—	0.054	0.050
	C2	0.45	0.20	0.78	0.022	0.001	—		—	0.035	0.071
	C3	0.46	0.22	0.72	0.021	0.020	—	.	—	0.042	0.055
	C4	0.44	0.24	0.62	0.020	0.058	—		—	0,049	0.044
(U ι—Ι	C5	0.43	0.25	0.71	0.022	0.122	—		—	0.057	0.052
	C6	0.46	0.25	0.74	0.022	0.203	—		—	0.055	0.062
co m	C7	0.43	0.24	0.78	0.022	0.004	—		—	0.035	0.071
"o	C8	0.45	0.25	0.70	0.022	0.003	—		—	0.034	0.0105
•f—} 0)	C9	0.43	0.19	0.77	0.017	0.003	—		—	0.041	0.0120
bO Sh	ClO	0.45	0.28	0.69	0.011	0.001	0.012		—	0.043	0.002
>	CIl	0.45	0.19	0.86	0.013	0.202	0.007	0.16	—	0.028	0.001
	C12	0.47	0.28	0.76	0.016	0.003	0.006	0.21	—	0.042	-0.002
	Cl 3	0.44	0.27	0.84	0.013	0.002	0.005	—	0.20	0.031	0.001
		0.81	0.001

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	Nr.	Reinheitsgrad (%)	dAII (Silicat )	dB (Al₂O₃)	dC CaS,(Ca,Mn)S, CaO	d (ge samt)	dC χ 100 d (%)
erfindungs		dAI (MtS)
.;emäße Stähle	2		0	0	0.10	0.12	83
Il	5	0.02	0	0	0.03	0.03	100
H	6	0	0	0	0.09	0.12	75
Il	7	0.03	O	0	0.12	0.15	80
Vergleichs stähle	C2	0.03	O	0.02	0.O₅L	0.13	8 · -·
0.10

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Claims

Patentansprüche

1. Stahl für den Maschinenbau mit ausgezeichneter Kaltschmiedbarkeit und Zerspanbarkeit, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung von unter 0,6 % C, unter 0,35% Si, unter 1,65 % Mn, unter 3,5 % Ni, unter 3,5 % Cr, unter 0,35 % Mo, 0,010 bis 0,10 % Al, und unter 0.0U2 % D sowie Rest Fe und "Verunreinigungen mit begrenzten Ge-.halten von ^fCa "im Bereich von 0,0005 bis 0,05 %, S von unter 0,12% und A1»O -Einschlüssen von unter 0,002 %.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse im wesentlichen aus CaO, CaS, (Ca,Wn) S und MnS zusammengesetzt sind und der Flächenanteil

der CaO-, CaS- und (Ca, Mn)S-KJnSChIUSSe₇ bezogen auf die gesamten Einschlüsse außer den Einschlüssen auf Pb-oder
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