DE4235002A1

DE4235002A1 - Insbesondere zur automatenbearbeitung bestimmter kohlenstoff-mangan-stahl

Info

Publication number: DE4235002A1
Application number: DE4235002A
Authority: DE
Inventors: Andre Malherbe; Felix Pellicant; Regis Szezesny; Michel Tomczyk
Original assignee: Vallourec SA
Current assignee: Vallourec SA
Priority date: 1991-10-17
Filing date: 1992-10-16
Publication date: 1993-04-22
Also published as: EP0538158A1; ES2096739T3; ITMI922319A0; SE9203015L; DE69217153T2; SE9203015D0; FR2682686A1; IT1255537B; DE69217153D1; FR2682686B1; ATE148505T1; EP0538158B1; ITMI922319A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft schwach legierte Kohlen stoff-Mangan-Stähle und erstrebt Stähle besonderer Zusammen setzungen, die insbesondere aufgrund ihres Schwefelgehaltes und der Zusammensetzung ihrer oxidischen Einschlüsse be sonders zur Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit, insbeson dere mit Hartmetall- oder Keramikwerkzeugen und zur Auto matenbearbeitung mit hoher Schneidgeschwindigkeit, insbe sondere ausgehend von mit diesen Stählen hergestellten Rohren, geeignet sind.

Zur Zeit sind Stähle bekannt, deren Bearbeitungseigenschaf ten durch die Gegenwart von Schwefel in einem Gehaltsbereich von 0,02 bis 0,04 Masse-% verbessert sind. Diese Stähle besitzen jedoch eine begrenzte Leistungsfähigkeit hinsicht lich der Bearbeitbarkeit, die die hohen Schneidgeschwindig keiten und/oder die Verwendung von Hartmetall- oder Keramik schneidwerkzeugen unter guten Bedingungen nicht erlaubt. Andererseits behalten diese Stähle mit verbesserter Be arbeitbarkeit im allgemeinen mechanische Eigenschaften insbesondere hinsichtlich der Zugfestigkeit bei, die ähn lich denen ihrer Grundzusammensetzung sind.

Es sind ebenfalls durch Zugabe von Silicium halbberuhigte Automatenstähle bekannt, die Schwefel in der Größenord nung von 0,3 Masse-% enthalten. Diese Stähle sind mit hoher Schneidgeschwindigkeit mit Hartmetall- oder Keramik schneidwerkzeugen bearbeitbar.

In einigen Fällen erfordert die Erzielung der besten Lei stungsfähigkeit sogar die kombinierte Zugabe von Schwefel, Tellur (oder Selen) und/oder Blei oder Wismut.

Diese Stähle besitzen im allgemeinen eine große Menge oxidischer und sulfidischer Einschlüsse und einen erhöhten Sauerstoffgehalt von über 0,0100 Masse-%.

Diese Stähle, deren wichtige, wenn auch nicht ausschließ liche Eigenschaft sein soll, hinsichtlich der Automatenar beit möglichst gute Eigenschaften aufzuweisen, besitzen andererseits eine sehr mäßige Elastizität, und es ist unmöglich, sie durch Lichtbogenschweißen aneinanderzufügen.

Die Toxizitätsprobleme, die bei der Manipulation insbeson dere im Schritt der Herstellung des flüssigen Metalls hinsichtlich der Elemente Tellur, Selen, Blei und Wismut, ebenso wie bei der Aufarbeitung von Schrott und Spänen auftreten, können ebenso hervorgehoben werden.

Darüber hinaus besitzen Stähle mit 0,30 Masse-% Schwefel schlechte mechanische Eigenschaften hinsichtlich der Zug festigkeit, die in der Nähe von denen eines A37-Stahls gemäß der AFNOR-Norm liegen. Es wurden geringe Modifi kationen für die thermische Behandlung normiert, ihre Automatenleistung ist jedoch noch schlechter.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gattung von Kohlenstoff-Mangan-Stählen vorzuschlagen, die insbe sondere für den Maschinenbau verwendbar sind, eine her vorragende Automatenbearbeitbarkeit besitzen und hervor ragende Leistungsfähigkeit bei der Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit mit Hartmetall- oder keramischen Werkzeugen zeigen, die über der der oben genannten Stähle mit ver besserter Bearbeitbarkeit liegen, wobei sie gute mechani sche Eigenschaften beibehalten und die die Nachteile der oben genannten Automatenstähle mit 0,30 Masse-% Schwefel nicht aufweisen.

Die Erfindung hat insbesondere zur Aufgabe, eine Gattung von Automatenstählen zur Verfügung zu stellen, die den Einsatz von toxischen Elementen nicht erfordern, einen weiten Bereich von mechanischen Eigenschaften abdecken und viel bessere Elastizitätseigenschaften als die des Automatenstahls mit 0,30 Masse-% Schwefel aufweisen.

Die zur Automatenbearbeitung geeigneten Kohlenstoff-Mangan- Stähle der erfindungsgemäßen Gattung besitzen die folgende in Masse-% ausgedrückte Zusammensetzung:

Kohlenstoff
0,05 bis 0,45%
Mangan	0,80 bis 1,65%
Silicium	0,10 bis 0,35%
Phosphor	weniger als 0,030%

und die üblichen Verunreinigungen.

Daneben enthalten sie:

Schwefel
0,050 bis 0,12%
Calcium	0,001 bis 0,010%

Aluminium liegt vollständig in oxidierter Form vor; die nichtmetallischen oxidischen Einschlüsse enthalten in Masse-%:

Al₂O₃
15 bis 50%
SiO₂	20 bis 60%
CaO+MnO	15 bis 50%

wobei der Gesamtsauerstoffgehalt zwischen 0,0015 und 0,0080% liegt.

Vorzugsweise liegen die nichtmetallischen Einschlüsse im Zustandsdiagramm des Systems Al₂O₃-SiO₂ - MnO/CaO im Bereich von Anorthit oder Gehlenit. Ein solches Zu standsdiagramm des Systems Al₂O₃-SiO₂ - MnO/CaO ist beispielsweise in "Phase diagrams for ceramists", her ausgegeben und veröffentlicht von der American Ceramic Society, 1964, Figur 630, auf Seite 219, angegeben. MnO und CaO sind Oxide, deren Wirkung als ähnlich eingeschätzt wird. Für den Fall, daß MnO zu einem geringen Prozentsatz vorliegt (unter 10%), können so CaO + MnO im Diagramm des Systems Al₂O₃-SiO₂-CaO zusammengerechnet werden, in dem allein CaO dargestellt ist, und der Wert von CaO + MnO kann für den Wert von CaO verwendet werden.

Vorteilhaft begrenzt man für die Verarbeitung des Stahls durch Schweißen mittels eines Lichtbogenschweißverfahrens mit einem Auftragsmetall den Kohlenstoffgehalt auf 0,22 Masse-% und die Summe des Kohlenstoffgehalts und des Mangangehalts/6 auf 0,48 Masse-%, also:
C (%) + Mn (%)/6 0,48%.

Vorteilhaft beträgt weiter der Schwefelgehalt zwischen 0,080 und 0,12 Masse-%.

Die oben beschriebene Zusammensetzung erlaubt, unter Bei behaltung guter mechanischer Zugeigenschaften günstige oxidische und sulfidische Einschlußarten zu erhalten, die in einer begrenzten und kontrollierten Menge homogen im Metall verteilt sind. Die Gesamtheit dieser Eigenschaf ten führt dazu, daß diese Stähle unter hervorragenden Bedingungen zur Automatenbearbeitung geeignet sind, und dies trotz des relativ kleinen Schwefelgehalts, insbeson dere zu der unter Verwendung von Hartmetall- oder kerami schen Werkzeugen.

Es ist für die Herstellung des Stahls besonders vorteilhaft, das Verfahren des an sich bekannten Rotationsstranggießens zu verwenden.

Dieses Verfahren ist beispielsweise im Artikel von "Revue de metallurgie CIT", Februar 1981, Seiten 119-135, be schrieben.

Ein solches Verfahren erlaubt, die Homogenität des Metalls sowohl hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung, als auch hinsichtlich der Verteilung von Einschlüssen über die gesamte gegossene Länge zu gewährleisten.

Die Herstellung des anschließend stranggegossenen Stahls, die vorteilhaft in der Pfanne nach dem Schmelzen im Elektro ofen mit dem Lichtbogen durchgeführt wird, wird sorgfältig so durchgeführt, daß das Metall stets homogen gehalten und vor Oxidation geschützt wird, wobei das Metall in der Endstufe mit Calcium, beispielsweise durch die Ein führung eines gefüllten Drahtes auf der Basis von Silicium- Calcium, wie im europäischen Patent 8 74 20 052.0 beschrieben, in der Pfanne mit flüssigem Metall behandelt wird.

Es ist insbesondere vorteilhaft, den erfindungsgemäßen Stahl in Form von Rohren, beispielsweise von gezogenen Rohren, zu verwenden, was durch den Wegfall des Bohrens des Innenlochs die Automatenbearbeitung verkürzt.

Bei Verwendung eines Rohres ist daneben sichergestellt, daß eine zentrale Entmischung, die im Inneren von Stäben auftreten könnte, vermieden wird, wobei diese Entmischungen, wie schon oben erklärt, stark vermindert werden, wenn das Rotationsstranggießverfahren angewendet wird.

Auf diese Weise ist die Verwendung von Rohren anstelle von Stäben eine zusätzliche Garantie für das zur Auto matenbearbeitung bestimmte Produkt.

Beispielhaft und nicht einschränkend wurden die Ergeb nisse eines erfindungsgemäßen Stahls mit denen von im Stand der Technik vorliegenden Normstählen verglichen.

Die Zusammensetzungen in Masse-% sind die folgenden:

- Stahl A:
TU52b (AFNOR-Norm NFA 49 310)

C:\|0,178%
Si:	0,265%
Mn:	1,270%
S:	0,006%
P:	0,014%
Al:	0,024%
Ca:	0,0015%
Gesamt-O:	0,0022%

Die oxidischen Einschlüsse bestehen aus Calciumaluminaten Al₂O₃-CaO oder Spinellen Al₂O₃-MgO zusammen mit ge mischten Sulfiden (Ca, Mn) S. Daneben werden isolierte Einschlüsse von Mangansulfid MnS in schwacher Menge ge funden.

- Stahl B (vom Typ Stahl A mit verbesserter Bearbeitbarkeit)
TU 52 b q2 (AFNOR-Norm NFA 49 310)

C:\|0,180%
Si:	0,183%
Mn:	1,340%
S:	0,028%
P:	0,016%
Al:	0,022%
Ca:	0,0016%
Gesamt-O:	0,0022%

Hier bestehen die oxidischen Einschlüsse aus Calcium aluminaten Al₂O₃-CaO oder Spinellen Al₂O₃-MgO zusammen mit gemischten Sulfiden (Ca, Mn) S. Neben diesen Einschlüssen werden zahlreiche Mangansulfideinschlüsse gefunden.
Stahl C gemäß der Erfindung:

C:\|0,172%
Si:	0,191%
Mn:	1,430%
P:	0,018%
S:	0,090%
Al:	0,005%
Ca:	0,0014%
Gesamt-O:	0,0026%

mit oxidischen Einschlüssen mit der folgenden mittleren Zusammensetzung in Masse-%:

Al₂O₃:\|34%
SiO₂:	30%
CaO:	36%

Diese Zusammensetzung befindet sich im Bereich von Gehlenit im vorher erwähnten ternären Diagramm Al₂O₃-SiO₂-CaO.

In diesem Stahl C liegt der Schwefel im wesentlichen in Form von Mangansulfiden MnS vor.

An diesen drei Stählen wurde ein Längsgangspantest am gezogenen, mit einem Hartmetallwerkzeug, SAFETY TPMR 16 Nr. 030476S4 der Fa. SAFETY geschälten Rohr ohne Schmier mittelüberzug durchgeführt.

Es wurden verglichen:

- Die Zeitdauer zum Erzeugen eines Verschleißes von 0,4 mm der Werkzeugkante bei einer Schneidgeschwindig keit von 180 m/min (Lebensdauer) und
- die Schneidgeschwindigkeit in m/min, die einen Verschleiß von 0,4 mm der Werkzeugkante in 20 Minuten ergibt (VB 20-0,4).

Es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten:

Es ist ersichtlich, daß der Stahl gemäß der Erfindung (Stahl C) zu Ergebnissen führt, die denen für den Stahl mit verbesserter Bearbeitbarkeit des Stands der Technik (Stahl B) erhaltenen stark überlegen und mit dem nicht zur Bearbeitung bestimmten Stahl (Stahl A) nicht ver gleichbar sind.

Daneben wurde mit einem Produktivitätsversuch mit Hart metallwerkzeugen über identische Kriterien ein Automaten stahl mit 0,30 Masse-% Schwefel mit dem Stahl C der Erfin dung verglichen.

In 6 Stunden wurde für die zwei Stähle eine quasi identi sche Leistung gefunden, und dies trotz der Unterschiede zwischen den für den Stahl C der Erfindung ungünstigen mechanischen Eigenschaften:

Stahl mit 0,30 Masse-% Schwefel, NFA 35 561 (Typ S300).

Rρ 0,2\|539 MPa
Rm	558 MPa
A% 5,65 √	11,4%

Stahl C der Erfindung

Rρ 0,2\|704 MPa
Rm	765 MPa
A% 5,65 √	8,4%

Dies zeigt klar, daß der Stahl gemäß der Erfindung ins besondere zur Automatenbearbeitung mit großer Geschwin digkeit mit Hartmetall- oder keramischen Werkzeugen ge eignet ist.

Die Stähle gemäß der Erfindung weisen daher den Vorteil auf, weit bessere Eigenschaften der Bearbeitbarkeit als die der bekannten Stähle mit verbesserter Bearbeitbarkeit und solche in der gleichen Größenordnung wie die Auto matenstähle mit 0,30 Masse-% Schwefel zu besitzen, ohne insbesondere hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und der Verarbeitbarkeit die Nachteile dieser Stähle mit 0,30 Masse-% Schwefel aufzuweisen.

Claims

1. Kohlenstoff-Mangan-Stahl mit Eignung zur Automatenbearbei tung bei großer Schneidgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß er in Masse-% enthält:
0,05 bis 0,45% Kohlenstoff, 0,80 bis 1,65% Mangan, 0,10 bis 0,35% Silizium, maximal 0,030% Phosphor, und die gängigen Verunreinigungen sowie 0,050 bis 0,12% Schwe fel und 0,001 bis 0,010% Calcium, und in dem die nicht metallischen oxidischen Einschlüsse in Masse-% enthalten:
15 bis 50% Al₂O₃, 20 bis 60% SiO₂ und 15 bis 50% CaO + MnO, wobei der Gesamtsauerstoffgehalt zwischen 0,0015 und 0,0080% liegt und Aluminium vollständig in oxidierter Form vorliegt.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtmetallischen Einschlüsse sich im Zustands diagramm des Systems Al₂O₃-SiO₂-CaO/MnO im Bereich von Anorthit oder Gehlenit befinden, wobei der Gehalt CaO + MnO wie CaO behandelt wird.

3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefelgehalt zwischen 0,080 und 0,12% be trägt.

4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß, um eine gute Lichtbogenverschweißbarkeit mit Auftragsmetall zu erhalten, der Kohlenstoffgehalt bis 0,22% und die Summe C (%) + Mn (%)/6 bis 0,48% begrenzt sind.

5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er mit dem Rotationsstranggießverfahren gegossen wird.

6. Stahlrohr zur Automatenbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß seine Zusammensetzung einem der Ansprüche 1 bis 4 entspricht.