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Dokumentenidentifikation DE60213743T2 13.09.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001316624
Titel Stahl mit guter Zerspanbarkeit und Spanbrechung für Maschinenbauanwendungen
Anmelder Daido Steel Co., Ltd., Nagoya, Aichi, JP
Erfinder Hayaishi, Masakazu DAIDO STEEL CO. LTD R & D, Minami-ku, Nagoya-shi Aichi-ken, JP;
Kano, LTD R & D Lab, Takashi c/o DAIDO STEEL CO., Minami-ku, Nagoya-shi Aichi-ken, JP;
Ishida, Kazuhisa c/o DAIDO STEEL CO. LTD R &, Minami-ku, Nagoya-shi Aichi-ken, JP;
Kurebayashi, Yutaka c/o DAIDO STEEL CO. LTD, Minami-ku, Nagoya-shi Aichi-ken, JP;
Hobo, Makoto DAIDO STEEL CO.LTD. R & D La, Minami-ku, Nagoya-shi Aichi-ken, JP
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Kraus & Weisert, 80539 München
DE-Aktenzeichen 60213743
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 28.11.2002
EP-Aktenzeichen 020264990
EP-Offenlegungsdatum 04.06.2003
EP date of grant 09.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.09.2007
IPC-Hauptklasse C22C 38/60(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C22C 38/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahl zur Maschinenbauanwendung mit guter Zerspanbarkeit und guter Spanbrechung beim Zerspanen durch Hartmetallwerkzeuge sowie ein Verfahren zur Herstellung des Stahls. Die Erfindung betrifft auch einen Stahl zur Maschinenbauanwendung, der eine hohe Dauerfestigkeit und Biegerichtbarkeit zusätzlich zu der guten Zerspanbarkeit und Spanbrechung zeigt.

In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „Duplex-Inklusion" eine Inklusion der Struktur, in der ein hauptsächlich aus einer Oxidinklusion bestehender Kern von einer anderen Inklusion umgeben ist, die hauptsächlich aus Sulfiden besteht. Die Begriffe „Werkzeugstandzeitverhältnis" und „Standzeitverhältnis" bedeuten ein Verhältnis der Werkzeugstandzeit des Automatenstahls gemäß der Erfindung zur Werkzeugstandzeit des herkömmlichen Schwefel-Automatenstahls, der denselben S-Gehalt enthält, beim Drehen mit einem Hartmetallwerkzeug. „Fein dispergierte" MnS-Inklusionspartikel sind feinere Partikel als die herkömmlichen MnS-Inklusionspartikel, die in dem herkömmlichen Stahl enthalten sind und in der Form einer einheitlichen Verteilung in der Stahlmatrix ohne Koagulation oder Konzentration vorliegen.

Forschung und Entwicklung in Bezug auf Stahl zur Maschinenbauanwendung mit hoher Zerspanbarkeit sind viele Jahre lang durchgeführt worden und die Anmelderin hat viele Vorschläge gemacht. In den letzten Jahren wird die japanische Patentveröffentlichung Nr. 10-287953, die den Titel „Stahl zur Maschinenbauanwendung mit guten mechanischen Eigenschaften und guter Bohrzerspanbarkeit" trägt, als eine der repräsentativen Technologien genannt. Der Automatenstahl dieser Erfindung ist durch eine Calcium-Mangan-Sulfidinklusion gekennzeichnet, die 1% oder mehr an Ca in Spindelform mit einem Dimensionsverhältnis (Länge/Breite) von bis zu 5 enthält und die einen Kern aus Calciumaluminat umhüllt, der 8–62% an CaO enthält. Obwohl der Stahl eine ausgezeichnete Zerspanbarkeit zeigte, ist manchmal eine Verteilung der Zerspanbarkeit wahrgenommen worden. Man glaubte, dass dies aufgrund der Vielfalt an Arten der voranstehend genannten Calcium-Mangan-Sulfidinklusionen der Fall war.

In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2000-34534 „Stahl zur Maschinenbauanwendung mit guter Zerspanbarkeit beim Drehen" offenbarte die Anmelderin, dass mit einer Klassifizierung von Ca-enthaltenden Sulfidinklusionen in drei Gruppen anhand der Ca-Gehalte, die als Flächenprozentangaben im mikroskopischen Feld beobachtet worden waren, nämlich A: Ca-Gehalt über 40%, B: Ca-Gehalt 0,3–40% und C: Ca-Gehalt unter 0,3%, ein Stahl, der den Bedingungen A/(A + B + C) ≦ 0,3 und B/(A + B + C) ≧ 0,1 genügt, eine sehr stark verlängerte Werkzeugstandzeit beim Drehen zeigt.

Durch weitere Forschung der Anmelderin, wie sie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2000-219936 „Automatenstahl" veröffentlicht ist, gelang die Verringerung der Verteilung der Zerspanbarkeit durch Aufklärung der notwendigen Anzahl an Inklusionpartikeln im Stahl. Der Stahl dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er 5 oder mehr Partikel pro 3,3 mm2 an Sulfidinklusion mit einem Äquivalenzdurchmesser von 5 &mgr;m oder mehr, die 0,1–1,0% an Ca enthält, enthält. Es gab jedoch immer noch Raum zur Verbesserung der Verteilung der Zerspanbarkeit.

Daraufhin entwickelte die Anmelderin einen Stahl zur Maschinenbauanwendung mit verbesserter Verteilung der Zerspanbarkeit, der eine so hohe Zerspanbarkeit beim Zerspanen durch ein Hartmetallwerkzeug besitzt, dass ein fünffaches oder höheres Werkzeugstandzeitverhältnis erzielt wird, und schlug diesen vor (japanische Patentanmeldung Nr. 2001-174606 „Automatenstahl mit guter Zerspanbarkeit beim Zerspanen mit einem Hartmetall"). Der Automatenstahl ist durch den Zustand der Inklusionen gekennzeichnet. Das kennzeichnende Merkmal des Stahls ist die voranstehend genannte „Duplex-Inklusion", d. h., die Inklusion der Struktur, in der „Sulfidinklusionspartikel, die 1,0 Gew.-% oder mehr Ca enthalten und in der Nachbarschaft der Oxidinklusionspartikel liegen, die 8–62 Gew.-% an CaO enthalten," liegt zumindest in einer bestimmten Menge vor, speziell „dass die von der Sulfidinklusion belegte Fläche 2,0 × 10–4 mm2 pro 3,5 mm2 oder mehr im mikroskopischen Feld beträgt".

In der Patentanmeldung ist offenbart worden, dass es in einem Verfahren zur Herstellung des Automatenstahls, der die voranstehend genannten Duplex-Inklusionen enthält, essentiell ist, bei der Herstellung des Stahls den Arbeitsschritt durchzuführen, der den nachstehenden Bedingungen genügt:

[S]/[O]: 8–40,

[Ca] × [S]: 1 × 10–5 – 1 × 10–3

[Ca]/[S]: 0,01–20 und

[Al]: 0,001–0,020%.

Auf Basis neuester Forschungsergebnisse hat die Anmelderin eine Automatenstahl entwickelt, der nicht nur eine lange Werkzeugstandzeit, sondern auch eine gute Spanbrechung zeigt und daher zur Verarbeitung mit automatisierter Zerspanungstechnik geeignet ist. Dieser Automatenstahl ist bereits vorgeschlagen (japanische Patentanmeldung Nr. 2001-362733).

Als Basislegierungszusammensetzung besteht der Automatenstahl im Wesentlichen aus C: 0,05–0,8 Gew.-%, Si: 0,01–2,5 Gew.-%, Mn: 0,1–3,5 Gew.-%, S: 0,01–0,2 Gew.-%, Al: 0,001–0,020 Gew.-%, Ca: 0,0005–0,02 Gew.-%, O: 0,0005–0,01 Gew.-% und N: 0,001–0,04 Gew.-% und des Weiteren aus einem oder beiden aus Ti: 0,002–0,010 Gew.-% und Zr: 0,002–0,025 Gew.-%, wobei der Rest Fe und schmelzungsbedingte Verunreinigungen sind. Der Automatenstahl ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche, die durch die Sulfidinklusionspartikel belegt wird, die 1,0 Gew.-% an Ca enthalten und neben den Oxidinklusionspartikeln liegen, die 0,2–62 Gew.-% an CaO enthalten, 2,0 × 10–4 mm2 pro 3,5 mm2 oder mehr des mikroskopischen Feldes belegen und dass die voranstehend genannten MnS-Inklusionspartikel in dem Stahl fein verteilt sind.

Neue Merkmale dieser Erfindung im Vergleich zu der vorherigen Erfindung sind einerseits eine erweiterte Untergrenze des CaO-Gehalts der Oxidinklusionspartikel, die die Duplex-Inklusion bilden, und andererseits ein wichtigerer Unterschied, der darin besteht, dass „die MnS-Inklusionen fein verteilt vorliegen". Das letztere Merkmal bringt die verbesserte Spanbrechung mit sich und als Ergebnis bewirkt es eine geeignete Balance zwischen Werkzeugstandzeit und Spanbrechung. Das erstere Merkmal, nämlich eine feinere Verteilung der MnS-Inklusionen kann durch Zugabe einer bestimmten Menge oder bestimmter Mengen an Ti und/oder Zr zur Bildung von feinem Ti-Oxid, Zr-Oxid oder (Ti + Zr)-Oxid verliehen werden, damit MnS auf den Oxidkernen präzipitiert wird. Diese Oxide können Manganoxid enthalten und somit können sie in diesem Fall TiO2-MnO2, ZrO2-MnO2 oder TiO2-ZrO2-MnO2 sein.

Der Automatenstahl deckt verschiedene Arten an Stahl ab, die in dem Stahl zur Maschinenbauanwendung klassifiziert sind. Man hat gefunden, dass in dem Verfahren zur Festlegung konkreter Legierungszusammensetzungen für Anwendungsgebiete die Erfindung sogar im Bereich mit relativ hohem S-Gehalt nützlich ist. Mit anderen Worten ausgedrückt: Es ist aufgedeckt worden, dass von den voranstehend genannten Arbeitsbedingungen die Obergrenze von [S]/[O]: 8–40 auf etwa 80 erhöht werden kann. Andererseits wurde nach Experimenten in großem Umfang eine gewisse Verteilung der Balance zwischen Werkzeugstandzeit und Spanbrechung immer noch beobachtet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einer weiteren Verbesserung des Automatenstahls zur Maschinenbauanwendung mit verbesserter Verteilung der Zerspanbarkeit durch Verwenden der voranstehend beschriebenen Duplex-Inklusion, um eine derartige Verbesserung der Zerspanbarkeit wie eine fünffache oder höhere Werkzeugstandzeit und eine gute Spanbrechung zu ermöglichen, und damit einen Stahl zur Verfügung zu stellen, bei dem eine bessere Spanbrechung stets erhalten werden kann und der zum Zerspanen insbesondere zum Drehen geeignet ist. Die Bereitstellung eines Automatenstahls zur Maschinenbauanwendung, der zusätzlich zu der gewährleisteten Balance zwischen Zerspanbarkeit und Spanbrechung eine gute Dauerfestigkeit und eine gute Biegerichtbarkeit besitzt, ist ebenso in der Aufgabe der vorliegenden Erfindung enthalten.

Der Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung gemäß der vorliegenden Erfindung, der die voranstehend genannte Aufgabe erfüllt, oder der Stahl mit einer guten Zerspanbarkeit sowie einer guten Spanbrechung mit verbesserter Dauerfestigkeit und Biegerichtbarkeit besteht aus C: 0,05–0,8 Gew.-%, Si: 0,01–2,0 Gew.-%, Mn: 0,1–3,5 Gew.-%, S: 0,01–0,2 Gew.-%, Al: 0,001–0,020 Gew.-%, Ca: 0,0005–0,02 Gew.-%, O: 0,0005–0,01 Gew.-% und N: 0,001–0,04 Gew.-%, unter der Maßgabe, dass [O]/[N] 0,06 oder mehr beträgt, und des Weiteren Ti: 0,02–0,010 Gew.-% oder Ti: 0,002–0,010 Gew.-% und Zr: 0,002–0,025 Gew.-%; sowie optional einem oder mehr aus Cr: bis zu 3,5 Gew.-%, Mo: bis zu 2,0 Gew.-%, Cu: bis zu 2,0 Gew.-%, Ni: bis zu 4,0 Gew.-%, B: 0,0005–0,01 Gew.-% und Mg: bis zu 0,2 Gew.-%;

und/oder einem oder beiden aus Nb: bis zu 0,2 Gew.-% und V: bis zu 0,5 Gew.-%;

und/oder einem oder mehr aus Pb: bis zu 0,4 Gew.-%, Se: bis zu 0,4 Gew.-% und Te: bis zu 0,2 Gew.-%;

und der Rest Fe und schmelzungsbedingte Verunreinigungen ist;

wobei die Fläche im mikroskopischen Feld, die durch die Inklusionspartikel belegt ist, bestehend aus Sulfid, enthaltend Ca mit 1–45 Gew.-%, und Oxid, enthaltend CaO mit 0,2–62 Gew.-%, und mit einem Schmelzpunkt von 1500–1750°C, wobei das Sulfid das Oxid umhüllt, 2,0 × 10–4 mm2 pro 3,5 mm2 oder mehr beträgt;

die Fläche im mikroskopischen Feld, die durch die feinverteilten MnS-Inklusionspartikel mit einem gemittelten Durchmesser von 1,0 &mgr;m oder darüber belegt ist, einen Anteil von 60–85% ausmacht und die Fläche, die durch die Sulfidinklusionspartikel, enthaltend Ca mit 1–45 Gew.-%, die die Oxidinklusionspartikel, enthaltend CaO mit 0,2–62 Gew.-%, umhüllen und einen Schmelzpunkt von 1500–1750°C aufweisen, belegt ist, einen Anteil von 40–15% ausmacht;

die von den voranstehend definierten Sulfidinklusionspartikel verschiedenen Sulfidinklusionspartikel als MnS in dem Stahl fein verteilt sind; und

die Anzahl der fein verteilten MnS-Inklusionspartikel mit einem gemittelten Durchmesser von 1,0 &mgr;m oder darüber 5 Partikel pro mm2 pro 0,01 S-Gehalt oder mehr beträgt.

KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine mikroskopische Fotographie, die die Form der Inklusionen in dem Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 ist eine mikroskopische Fotographie, die auch die Form der Inklusionen in dem herkömmlichen Schwefelenthaltenden Automatenstahl zeigt;

3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der von der „Duplex-Inklusion" belegten Fläche und der Werkzeugstandzeit des Automatenstahls zur Maschinenbauanwendung zeigt;

4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Fläche, deren Anteil die „Duplex-Inklusion" an den gesamten Sulfidinklusionen ausmacht, und der Werkzeugstandzeit des Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung zeigt;

5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Fläche, deren Anteil die „Duplex-Inklusion" an den gesamten Sulfidinklusionen ausmacht, und der Dreheffizienz sowie den Rotationsfestigkeitsgrenzen des Automatenstahls zur Maschinenbauanwendung zeigt;

6 ist ein Graph, der durch Auftragen der Beziehung zwischen den Al-Gehalten und den Werkzeugstandzeiten des Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung erhalten worden ist;

7 ist ein Graph, der zeigt, ob die „Duplex-Inklusion" in dem Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung bei verschiedenen S-Gehalten und O-Gehalten gebildet wird oder nicht;

8 ist ein Graph, der zeigt, ob das Ziel dieser Erfindung, nämlich das fünffache Werkzeugstandzeitverhältnis durch den Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung bei verschiedenen S-Gehalten und Ca-Gehalten erzielt wird oder nicht; und

9 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Prozentsatz, den feine MnS-Partikel der MnS-Inklusionen ausmacht, und der Spanbrechung bei dem Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung zeigt.

DETAILLIERTE ERLÄUTERUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das Verfahren zur Herstellung des voranstehend beschriebenen Automatenstahls zur Maschinenbauanwendung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Stufen:

Herstellen einer Legierung, die aus C: 0,05–0,8 Gew.-%, Si: 0,01–2,0 Gew.-%, Mn: 0,1–3,5 Gew.-%, S: 0,01–0,2 Gew.-%, Al: 0,001–0,020 Gew.-%, Ca: 0,0005–0,02 Gew.-%, O: 0,0005–0,01 Gew.-% und N: 0,001–0,04 Gew.-%, unter der Maßgabe, dass [O]/[N] 0,06 oder mehr beträgt, und des Weiteren Ti: 0,002–0,010 Gew.-% oder Ti: 0,002–0,010 Gew.-% und Zr: 0,002–0,025 Gew.-%;

und optional

einem oder mehr aus Cr: bis zu 3,5 Gew.-%, Mo: bis zu 2,0 Gew.-%, Cu: bis zu 2,0 Gew.-%, Ni: bis zu 4,0 Gew.-%, B: 0,0005–0,01 Gew.-% und Mg: bis zu 0,2 Gew.-%;

und/oder einem oder beiden aus Nb: bis zu 0,2 Gew.-% und V: bis zu 0,5 Gew.-%;

und/oder einem oder mehr aus Pb: bis zu 0, 4 Gew.-%, Se: bis zu 0,4 Gew.-% und Te: bis zu 0,2 Gew.-% besteht;

wobei der Rest Fe und schmelzungsbedingte Verunreinigungen sind, durch ein Schmelz- und Frischverfahren zur herkömmlichen Stahlherstellung, wobei eine kontrollierte Desoxidation unter den folgenden Bedingungen durchgeführt wird:

[S]/[O]: 8–40,

[Ca] × [S]: 1 × 10–5–1 × 10–3 und

[Ca]/[S]: 0,01–20

so dass die prozentuale Fläche der Inklusionspartikel, die aus Sulfid, enthaltend Ca mit 1–45 Gew.-%, und Oxid, enthaltend Ca mit 0,2–62 Gew.-%, bestehen und einen Schmelzpunkt von 1500–1750°C aufweisen, wobei das Sulfid das Oxid umhüllt, 2,0 × 10–4 mm2 pro 3,5 mm2 oder mehr betragen kann;

und danach

Zugeben von Ti: 0,002–0,010 Gew.-% oder Ti: 0,002–0,010 Gew.-% und Zr: 0,002–0,025 Gew.-%, um feines Ti-Oxid oder Ti-Oxid und Zr-Oxid durch Reaktion des Sauerstoffs mit Ti oder Ti und Zr in dem Stahl nach der obigen kontrollierten Desoxidation zu bilden und die resultierenden komplexen Oxidpartikel als Nuklei zur Präzipitation und feinen Verteilung der MnS-Inklusionspartikel zu verwenden,

Regulieren der gemittelten Partikelgrößen von Ti (C, N) und TiO durch Einstellen der Mengen an Ti, N und O zum Zeitpunkt der Zugabe von Ti, sodass die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

[Ti] × [N]: 5 × 10–6 bis 2 × 10–4

[O]/[N]: 0,06 oder darüber;

um die Menge an MnS zur Feinpräzipitation und die Verteilung mit TiO als Nuklei zu gewährleisten und die frühere austenitische Kristallkorngröße während der Heißbearbeitung fein zu halten.

Das Nachfolgende erläutert die Gründe für die Auswahl der Grundlegierungszusammensetzung des erfindungsgemäßen Automatenstahls zur Maschinenbauanwendung wie voranstehend angemerkt:

C: 0,05–0,8 Gew.-%

Kohlenstoff ist ein Element, das dazu notwendig ist, eine Festigkeit des Stahls zu gewährleisten, und bei einem Gehalt von weniger als 0,05 Gew.-% ist die Festigkeit für eine Maschinenbauanwendung unzureichend. Andererseits erhöht Kohlenstoff die Aktivität des Schwefels und bei einem hohen C-Gehalt wird es schwierig, die Duplex-Inklusion zu erhalten, die nur unter der speziellen Balance von [S]/[O], [Ca] × [S], [Ca]/[S] und einer speziellen Menge an [Al] erhalten werden kann. Ebenso verringert eine große Menge an C die Elastizität und die Zerspanbarkeit des Stahls und somit wird die Obergrenze von 0,8 Gew.-% bestimmt.

Si: 0,01–2,0 Gew.-%

Silicium wird als ein Desoxidationsmittel bei der Stahlherstellung verwendet und wird eine Komponente des Stahls, um seine Härtbarkeit zu erhöhen. Diese Effekte sind bei einem geringen Si-Gehalt wie weniger als 0,01 Gew.-% nicht zu erzielen. Si verstärkt auch die Aktivität von S. Ein hoher Si-Gehalt verursacht dasselbe Problem, wie es durch eine hohe Menge an C verursacht wird, und es bestehen Bedenken, dass eine Bildung der Duplex-Inklusion verhindert werden kann. Ein hoher Gehalt an Si schädigt die Duktilität des Stahls und bei plastischer Verarbeitung können Brüche auftreten. Somit beträgt die Obergrenze der Zugabe 2,0 Gew.-%.

Mn: 0,1–3,5 Gew.-%

Mangan ist eine essentielles Element zur Bildung von Sulfiden. Ein Mn-Gehalt von weniger als 0,1 Gew.-% liefert eine unzureichende Menge an Sulfiden, während eine übermäßige Menge von mehr als 3,5 Gew.-% den Stahl härtet, um die Zerspanbarkeit zu verringern.

S: 0,01–0,2 Gew.-%

Schwefel ist eher notwenig als nützlich, um die Zerspanbarkeit des Stahls zu verbessern, und daher werden mindestens 0,01 Gew.-% an S zugegeben. Um das fünffache oder höhere Werkzeugstandzeitverhältnis zu erzielen, sind 0,01 Gew.-% oder mehr an Schwefel notwendig. Ein S-Gehalt von mehr als 0,2 Gew.-% schadet nicht nur der Elastizität und der Duktilität, sondern bewirkt auch die Bildung von CaS, das einen hohen Schmelzpunkt besitzt und das Gießen des Stahls schwierig macht.

Al: 0,001–0,020 Gew.-%

Aluminium ist dazu notwendig, um eine geeignete Zusammensetzung der Oxid-Inklusionen zu realisieren, und wird in einer Menge von mindestens 0,001 Gew.-% zugegeben. Bei einem Al-Gehalt von mehr als 0,020 Gew.-% werden sich harte Aluminiumoxidcluster bilden und die Zerspanbarkeit des Stahls wird verringert. Eine Regulierung des Al-Gehalts muss beim Verfahren der Herstellung des erfindungsgemäßen Automatenstahls vor der Zugabe von Ti und/oder Zr durchgeführt werden. Dies wird später erläutert werden.

Ca: 0,0005–0,02 Gew.-%

Calcium ist eine sehr wichtige Komponente des erfindungsgemäßen Stahls. Damit Ca in den Sulfiden enthalten ist, ist es essentiell, mindestens 0,0005 Gew.-% an Ca zuzusetzen. Andererseits verursacht eine Zugabe von Ca, die 0,02 Gew.-% übersteigt, wie voranstehend angemerkt, die Bildung von CaS mit hohem Schmelzpunkt, was das Gießen des Produktstahls schwierig macht.

O: 0,0005–0,0100 Gew.-%

Sauerstoff ist eine Element, das zur Bildung der Oxide notwendig ist. In dem extrem desoxidierten Stahl wird sich CaS mit hohem Schmelzpunkt bilden, was Schwierigkeiten beim Gießen verursacht, und daher sind mindestens 0,0005 Gew.-%, vorzugsweise 0,015 Gew.-% oder mehr an 0 notwendig. Andererseits wird 0 mit 0,0100 Gew.-% oder mehr eine hohe Menge an harten Oxiden ergeben, was es schwierig macht, das gewünschte Calciumsulfid zu bilden, und der Zerspanbarkeit des Stahls schadet. Eine Desoxidierung mit doppelten Desoxidationsmitteln, nämlich Ca und Al, verursacht die Bildung von Inklusionen vom CaO-Al2O3-Typ, die Inklusionen mit niedrigem Schmelzpunkt darstellen, was für die Zerspanbarkeit günstig ist, ohne die Spanbrechung zu verbessern. Daher ist es bevorzugt, die Bildung von Inklusionen vom CaO-Al2O3-Typ zu minimieren. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, das Verfahren des Einstellens der Al-Menge in einen geeigneten Bereich, wie voranstehend erwähnt, vorzunehmen, um einen geeigneten Desoxidierungsgrad zu erzielen, und dann Ca zuzusetzen.

Zusätzlich zur Bildung der Verbund-Oxidinklusionen trägt O dazu bei, MnS-Partikel durch Vereinigen mit Ti und/oder Zr fein zu machen, um feine Oxidpartikel zu bilden, was Nuklei zur MnS-Präzipitation bildet. Um in den Genuss dieser Wirkung zu kommen, ist es notwendig, eine bestimmte Menge an Ti-Oxid, Zr-Oxid oder (Ti + Zr)-Oxid zu bilden, das, wie voranstehend angemerkt, mit Mn-Oxid einhergehen kann, und daher sollte die voranstehend angemerkte Bedingung [O]/[N]: 0,06 oder höher erfüllt werden. Es ist gut bekannt, dass N dazu neigt, sich mit Ti und Zr zu vereinigen, und wenn diese Nitride gebildet werden, wird die Bildung von Oxiden unzureichend sein.

N: 0,001–0,04 Gew.-%

N ist ein Element, das dazu nützlich ist, eine Vergröberung von Kristallkörnern zu vermeiden. Ebenso ist N aufgrund einer Vereinigung mit Ti unter Bildung von TiN von Bedeutung. Unter diesem Gesichtspunkt ist eine Zugabe von N in der Menge von 0,001 Gew.-% oder darüber essentiell. Überschüssiges N führt zu Gießfehlern und die Untergrenze von 0,04 Gew.-% wird dadurch festgesetzt.

Eines oder beide aus Ti: 0,002–0,010 Gew.-% und Zr: 0,002–0,025 Gew.-%

Ti und Zr in kleinen Mengen vereinigen sich mit 0 in dem mit Ca und Al desoxidierten Stahl unter Bildung feiner Oxide. Wie voranstehend angemerkt, erfüllen die Oxidpartikel die Rolle der Nuklei zur MnS-Präzipitation und tragen zur feinen Verteilung bzw. Dispersion von MnS bei. Die Verwendung sowohl von Ti als auch von Zr (z. B. Ti 0,005 Gew.-% + Zr 0,015 Gew.-%) ist vorteilhaft, weil ein hoher Effekt der Verkleinerung der MnS-Inklusionspartikel erhalten werden kann. Um die Bildung geeigneter Mengen an Ti-Oxid und Zr-Oxid zu erzielen, ohne einen Einfluss auf die Bildung der voranstehend genannten Duplex-Inklusion und anderer Oxide auszuüben, ist es notwendig, die Mengen an Ti und Zr in die Bereiche von 0,002–0,010 Gew.-% bzw. 0,002–0,025 Gew.-% zu steuern. Um die Bildung der Duplex-Inklusion zu gewährleisten, ist es auch essentiell, die kontrollierte Desoxidation und danach die Zugabe von Ti und Zr durchzuführen.

In dem Fall, in dem Ti feine Ti(CN)-Partikel bildet, unterdrücken sie das Wachstum früherer Austenit-Kristallkörner während des Heißschmiedens. Um die Vorzüge dieses Effekts zu genießen, ist es notwendig, dass die Menge an Ti mindestens 0,002 Gew.-%, also die voranstehend genannte Untergrenze, beträgt und die Bedingung [Ti] × [N]: 5 × 10–6 bis 2 × 10–4 erfüllt wird. Von den Stählen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen diejenigen, die diesen Bedingungen genügen eine hohe Dauerfestigkeit und eine gute Biegerichtbarkeit und sind daher als Materialien für Kurbelwellen und Verbindungsstangen geeignet, für die diese Eigenschaften erforderlich sind.

Phosphor, eine schmelzungsbedingte Verunreinigung, schadet der Elastizität des Stahls und das Vorliegen in einer Menge von über 0,2 Gew.-% ist ungünstig. Bis zu dieser Grenze verbessert P jedoch die Zerspanbarkeit, insbesondere die Oberflächeneigenschaften nach dem Drehen. Dieser Effekt ist bei einem Gehalt von 0,001 Gew.-% oder darüber merklich.

Der Automatenstahl dieser Erfindung kann weiterhin zusätzlich zu den voranstehend erörterten Basislegierungskomponenten mindestens ein Element, das aus den jeweiligen Gruppen ausgewählt ist, in einer Menge oder in Mengen enthalten, die nachstehend definiert sind. Das Folgende erläutert die Rollen der optional zugesetzten Legierungselemente in den modifizierten Ausführungsformen und die Gründe für eine Einschränkung der Zusammensetzungsbereiche.

Eines oder beide aus Cr: bis zu 3,5 Gew.-% und Mo: bis zu 2,0 Gew.-%

Chrom und Molybdän erhöhen die Härtbarkeit des Stahls und so wird es empfohlen, eine geeignete Menge oder geeignete Mengen des Elements oder der Elemente zuzugeben. Jedoch wird die Zugabe einer großen Menge oder großer Mengen der Heißbearbeitbarkeit des Stahls schaden und ein Brechen verursachen. Auch unter dem Gesichtspunkt der Herstellungskosten werden die jeweiligen Obergrenzen auf 3,5 Gew.-% für Cr und 2,0 Gew.-% für Mo festgesetzt.

Cu: bis zu 2,0 Gew.-%

Kupfer macht die Struktur des Stahls fein und erhöht die Festigkeit des Stahls. Eine hohe Zugabe ist unter den Gesichtspunkten der Heißbearbeitbarkeit und der Zerspanbarkeit nicht wünschenswert. Die Zugabemenge sollte bis zu 2,0 Gew.-% betragen.

Ni: bis zu 4,0 Gew.-%

Nickel erhöht ebenfalls die Härtbarkeit des Stahls. Es ist eine Komponente, die in Bezug auf die Zerspanbarkeit ungünstig ist. Unter Berücksichtigung der Herstellungskosten wird 4,0 Gew.-% als Obergrenze gewählt.

B: 0,0005–0,01 Gew.-%

Bor erhöht die Härtbarkeit des Stahls sogar bei einem geringen Gehalt. Um diesen Effekt zu erhalten, ist eine Zugabe von Bor von 0,0005 Gew.-% oder darüber notwendig. Ein B-Gehalt von über 0,01 Gew.-% ist aufgrund einer verringerten Heißbearbeitbarkeit schädlich.

Mg: bis zu 0,02 Gew.-%

Magnesium ist in der Bildung von Oxid-Inklusionspartikeln effektiv, die die Nuklei für die Doppelstrukturinklusionspartikel werden. Eine Zugabe einer hohen Menge an Mg führt zur Bildung von MgS. MgS reagiert mit CaO unter Bildung von CaS, was Schwierigkeiten beim Gießen ergibt. Die Obergrenze, nämlich 0,2 Gew.-% ist somit festgelegt.

Nb: bis zu 0,2 Gew.-%

Niob ist dazu nützlich, eine Vergröberung von Kristallkörnern des Stahls bei hoher Temperatur zu verhindern. Da sich der Effekt mit steigender Zugabemenge sättigt, ist es empfehlenswert, Nb in einer Menge von bis zu 0,2 Gew.-% zuzugeben.

V: bis zu 0,5 Gew.-%

Vanadium vereinigt sich mit Kohlenstoff und Stickstoff unter Bildung eines Carbonitrits, welches die Kristallkörner des Stahls verfeinert. Dieser Effekt sättigt sich bei einem V-Gehalt von 0,5 Gew.-%.

Pb: bis zu 0,4 Gew.-%, Bi: bis zu 0,4 Gew.-%

Sowohl Blei als auch Bismuth sind die Zerspanbarkeit verbessernde Elemente. Blei liegt als Inklusion im Stahl allein oder mit Sulfid in der Form anhaftender Materie an den äußeren Oberflächen der Sulfidinklusionspartikel vor und verbessert die Zerspanbarkeit. Die Obergrenze, nämlich 0,4 Gew.-% ist festgelegt, weil sich überschüssiges Blei, sogar wenn es in einer größeren Menge zugesetzt wird, nicht in dem Stahl auflösen wird und unter Bildung von Fehlern in dem Stahlbarren koaguliert. Der Grund für das Festlegen der Obergrenze an Bi ist derselbe.

Se: bis zu 0,4 Gew.-%, Te: bis zu 0,2 Gew.-%

Se und Te sind ebenfalls die Zerspanbarkeit verbessernde Elemente. Die jeweiligen Obergrenzen der Zugabe, nämlich 0,4 Gew.-% für Se und 0,2 Gew.-% für Te wurden auf der Basis eines unerwünschten Einflusses auf die Heißbearbeitbarkeit des Stahls bestimmt.

Die Inklusionen, die in dem erfindungsgemäßen Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung vorliegen, sind, wie in 1 zu sehen, die Duplex-Inklusion und die MnS-Inklusion. Eine EPMA-Analyse zeigte, dass der Kern aus Oxiden von Ca, Mg, Si und Al besteht und der Kern von MnS, das CaS enthält, umgeben ist. Die MnS-Inklusionspartikel in dem erfindungsgemäßen Stahl sind fein verteilt. Im Gegensatz dazu werden die MnS-Inklusionspartikel des herkömmlichen Automatenstahls, bei dem der die Zerspanbarkeit verbessernde Effekt durch MnS einfach erstrebt ist, wie es in 2 zu sehen ist, groß und werden während des Walzens ausgedehnt.

Die Form und die Menge der Duplex-Inklusion sind dazu essentiell, eine gute Zerspanbarkeit und das fünffache Werkzeugstandzeitverhältnis, worauf die vorliegende Erfindung abzielt, sowie eine gute Spanbrechung durch den später erörterten Mechanismus zu erzielen. Die Bedeutung der Form und der Menge wird, obwohl sie teilweise in der Offenbarung der früheren Erfindung erwähnt worden sind, nachstehend mit neuem Wissen erläutert.

Die Fläche, die durch die Sulfidinklusionen belegt ist, die Ca mit 1,0 Gew.-% oder mehr enthalten und sich in der Nähe der Oxidinklusionen befinden, die CaO mit 0,2–62 Gew.-% enthalten, beträgt im mikroskopischen Feld 2,0 × 10–4 mm2 pro 3,5 mm2:

Die Beziehung zwischen der durch die Inklusion belegten Fläche, die der voranstehenden Bedingung genügt, und dem Werkzeugstandzeitverhältnis, das durch Drehen mit einem Hartmetallwerkzeug der erfindungsgemäßen Stähle und dem herkömmlichen Schwefel-Automatenstahl mit demselben S-Gehalten erhalten worden ist, ist in 3 gezeigt. Die Daten in 3 wurden durch Drehen des erfindungsgemäßen Automatenstahls der S45C-Reihe erhalten und zeigen, dass die Ergebnisse des fünffachen Werkzeugstandzeitverhältnisses nur dann erzielt werden, wenn die Duplex-Inklusion die Fläche von 2,0 × 10–4 mm2 oder mehr belegt.

Die durch die fein verteilten MnS-Inklusionspartikel mit einem gemittelten Durchmesser von 1,0 &mgr;m oder darüber belegte Fläche macht einen Anteil von 60–85% aus und die Fläche, die durch die Sulfidinklusionspartikel, die Ca mit 1–45 Gew.-% enthalten, und sich in der Nähe der Oxidinklusionspartikel, die CaO mit 0,2–62 Gew.-% enthalten, liegen und einen Schmelzpunkt von 1500–1750°C besitzen, belegt ist, macht einen Anteil von 40–15% des mikroskopischen Felds aus:

Für die Werkzeugstandzeit ist der Stahl, der einen hohen Anteil an Duplex-Inklusion an den gesamten Sulfidinklusionen enthält, bevorzugt. Um die fünffache Werkzeugstandzeit zu erzielen, worauf die vorliegende Erfindung abzielt, ist es notwendig, dass die Duplex-Inklusion mindestens 15% der gesamten Sulfid-Inklusion ausmacht. Dies ist in 4 gezeigt. Andererseits wurde gefunden, dass unter dem Gesichtspunkt einer Verbesserung der Spanbrechung der Prozentsatz an einfacher Sulfidinklusion, die von der Duplex-Inklusion verschieden ist, nicht unter einer bestimmten Grenze liegen darf. Dies ist die Grenze, dass der Anteil der Duplex-Inklusion an den gesamten Sulfidinklusionen nicht mehr als 40% ausmachen darf. Eine Unterstützung dafür kann in 5 gefunden werden.

Der Graph von 5 zeigt die Bedeutung der prozentualen Fläche von 40% oder weniger auch im Hinblick auf die Rotationsbiegefestigkeitsgrenze. Für Maschinenteile, die einer wiederholten Biegebeanspruchung ausgesetzt sind, ist eine hohe Rotationsbiegefestigkeitsgrenze (eine Beanspruchungsgrenze, bei der oder unter der kein Ermüdungsversagen auftritt, sogar wenn es der Beanspruchung wiederholt ausgesetzt ist) erforderlich. Wenn die Duplex-Inklusion so dominant wird, dass sie das Niveau von 40% oder mehr erreicht, können sich sehr große Duplex-Inklusionspartikel bilden und aufgrund des Mechanismus treten diese Brüche auf und pflanzen sich daraus fort, was Fehler verursacht. Dann wird sich die Rotationsbiegefestigkeitsgrenze verringern und somit ist es bevorzugt, dass die prozentuale Fläche der Duplex-Inklusion 40% nicht übersteigt.

Bedingungen, um die voranstehend beschriebenen Merkmale der Einschlüsse zu bewirken, sind die voranstehend angemerkten Arbeitsbedingungen. Die Bedeutung dieser Bedingungen ist bereits in Bezug auf die frühere Erfindung erläutert worden. Jedoch wird die Erläuterung aufgrund ihrer Bedeutung wiederum angeführt.

[S]/[O]: 8–80

Ob das Ziel des fünffachen Werkzeugstandzeitverhältnisses in Beziehung zu einem Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung mit verschiedenen S-Gehalten und O-Gehalten erzielt wird oder nicht, ist durch unterschiedliche Punkte im Graphen von 7 gezeigt. Die erfolgreichen (Punkte mit •) liegen in der Dreiecksfläche zwischen der Linie für [S]/[O] = 8 und der Linie für [S]/[O] = 80 und die nicht erfolgreichen (Punkte mit x) liegen außerhalb der Dreiecksfläche.

[Ca]/[S]: 0,01–20 und

[Ca] × [S]: 1 × 10–5–1 × 10–3

Ob das Ziel des fünffachen Werkzeugstandzeitverhältnisses in Bezug auf den Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung mit verschiedenen S-Gehalten und Ca-Gehalten erzielt wird oder nicht, ist wie für die voranstehend genannten Daten im Graph von 8 gezeigt. Aus dem Graphen ist ersichtlich, dass die erfolgreichen (Punkte mit •) in der vierseitigen Fläche, die von den Linien für [Ca]/[S] = 0,01 und 20 sowie den Linien für [Ca] × [S] = 1 × 10–5 und 1 × 10–3 umgeben ist, konzentriert sind. All diese, die die voranstehend genannten Bedingungen in Bezug auf [S]/[O], [Ca]/[S] und [Ca] × [S] erfüllen, erzielten das Ziel des fünffachen Werkzeugstandzeitverhältnisses.

Als Grund für die gute Zerspanbarkeit des Stahls zur Maschinenbauanwendung gemäß der vorliegenden Erfindung betrachten die benannten Erfinder den folgenden Mechanismus eines verbesserten Schutzes und einer verbesserten Schmierung durch die Duplex-Inklusion. Dieser wird auch in der Offenbarung der früheren Erfindung erläutert, jedoch erläutert ihn Folgendes erneut.

Die Duplex-Inklusionspartikel besitzen einen Kern aus CaO·Al2O3-basierten Verbundoxiden und der Umfang des Kerns ist von (Ca, Mn)-basierten Verbundsulfiden umgeben. Die fraglichen Oxide aus den CaO·Al2O3-basierten Oxiden besitzen verhältnismäßig niedrige Schmelzpunkte, während das Verbundsulfid einen höheren Schmelzpunkt als das einfache Sulfid oder MnS besitzt. Die Duplex-Inklusion scheidet sich sicher durch eine derartige Anordnung ab, dass das CaO·Al2O3-basierte Oxid mit einem niedrigen Schmelzpunkt in der Form vorliegen kann, dass die Sulfide die Oxide umhüllen. Es ist gut bekannt, dass die Inklusionen beim Zerspanen erweichen, um die Oberfläche des Werkzeugs zu seinem Schutz zu überziehen. Wenn die Inklusion nur aus dem Sulfid besteht, ist die Bildung und die Beständigkeit des Überzugsfilms nicht stabil, jedoch bringt gemäß der Entdeckung durch die benannten Erfinder eine Co-Existenz eines Oxids auf CaO·Al2O3-Basis mit niedrigem Schmelzpunkt mit dem Sulfid eine stabile Bildung des Überzugsfilms mit sich und weiterhin weist das Verbundsulfid auf (Ca, Mn)S-Basis einen Schmiereffekt auf, der besser ist als der von einfachem MnS.

Die Bedeutung der Bildung des Überzugsfilms auf dem Werkzeugrand durch das Verbundsulfid auf (Ca, Mn)S-Basis besteht darin, einen sogenannten „Wärmediffusionsverschleiß" („heat diffusion abrasion") von Hartmetallwerkzeugen zu unterdrücken. Der Wärmediffusionsverschleiß ist der Verschleiß des Werkzeugs, der durch das Sprödewerden des Werkzeugs durch den Mechanismus verursacht wird, dass das Werkzeug mit geschnittenen Spänen in Kontakt kommt, die gerade bei hoher Temperatur aus dem Material geschnitten worden sind, worauf eine thermische Zersetzung des Carbids folgt, was durch Wolframcarbid WC exemplarisch dargestellt wird, was zu einem Verlust an Kohlenstoff durch eine Diffusion in die herausgeschnittenen Späne führt. Wenn ein Überzug mit hohem Schmiereffekt am Werkzeugrand gebildet wird, wird eine Temperaturerhöhung des Werkzeugs vermieden und eine Diffusion von Kohlenstoff wird auf diese Weise unterdrückt werden.

Die Duplex-Inklusion CaO-Al2O3/(Ca, Mn)S kann so interpretiert werden, dass sie den Vorzug von MnS, das die Inklusion in dem herkömmlichen Schwefel-Automatenstahl darstellt, und den von einer Anorthit-Inklusion, CaO·Al2O3·2SiO2, verliehenen Vorzug, das die Inklusion in dem herkömmlichen Calcium-Automatenstahl darstellt, in Kombination aufweist. Die MnS-Inklusion zeigt einen Schmiereffekt am Werkzeugrand, während die Stabilität des Überzugsfilms ein wenig unbefriedigend ist, und besitzt keine Fähigkeit gegen den Wärmediffusionsverschleiß. Andererseits bildet CaO·Al2O3·2SiO2 einen stabilen Überzugsfilm, wodurch der thermische Diffusionsverschleiß vermieden wird, während er einen geringen Schmiereffekt aufweist. Die Duplex-Inklusion der vorliegenden Erfindung bildet einen stabilen Überzugsfilm, um den thermischen Diffusionsverschleiß effektiv zu verhindern und gleichzeitig einen besseren Schmiereffekt zu bieten.

Wie voranstehend angemerkt, beginnt die Bildung der Duplex-Inklusion mit der Herstellung der Verbundoxide mit niedriger Schmelztemperatur und daher ist die Menge an [Al] von Bedeutung. Mindestens 0,001 Gew.-% an [Al] sind essentiell. Wenn die Menge an [Al] zu hoch wird, wird der Schmelzpunkt des Verbundoxids jedoch zunehmen und somit muss die Menge an [Al] bis zu 0,020 Gew.-% betragen. Nachfolgend werden zum Zweck der Einstellung der Menge an gebildetem CaS die Werte für [Ca] × [S] und [Ca]/[S] auf die voranstehend genannten Niveaus kontrolliert.

Der voranstehend erörterte Mechanismus ist nicht nur eine Hypothese, sondern von Hinweisen begleitet. Er wurde von einem Vergleich der Oberfläche eines zum Drehen des Automatenstahls gemäß der früheren Erfindung verwendeten Hartmetallwerkzeugs und einer Analyse der geschmolzenen, anhaftenden Inklusion im Fall des Drehens eines herkömmlichen Schwefel-Automatenstahls gestützt.

Die verbesserte Spanbrechung, die den erfindungsgemäßen Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung charakterisiert, wird, wie voranstehend angemerkt, durch eine Verkleinerung der MnS-Inklusionspartikel bewirkt. Unter der Voraussetzung, dass die Gesamtmenge der Inklusionen konstant ist, bedeutet eine Verkleinerung eine Vergrößerung der Anzahl der Partikel. Die Menge der Mns-Inklusion in dem erfindungsgemäßen Stahl hängt hauptsächlich vom Gehalt an Schwefel ab. Der S-Gehalt variiert im Bereich von 0,01–0,2 Gew.-% und aufgrund der resultierenden Verschiedenheit der MnS-Menge variiert die Anzahl der verkleinerten Inklusionspartikel. In dem erfindungsgemäßen Automatenstahl sind die MnS-Inklusionspartikel feiner als die in dem herkömmlichen Automatenstahl. Von den feinen Partikeln sind die Partikel, die die Spanbrechung beeinflussen, diejenigen mit mittleren Partikelgrößen von 1,0 &mgr;m oder mehr („Mittlere Partikelgröße" bedeutet hierin einen mittleren Wert des langen Durchmessers und des kurzen Durchmessers des Partikelquerschnitts im mikroskopischen Feld).

Eine Ermittlung der Zahlen der MnS-Inklusionspartikel mit einem mittleren Durchmesser von 1,0 &mgr;m oder mehr pro Einheitsabschnitt (mm2) in dem erfindungsgemäßen Stahl mit verschiedenen S-Gehalten durch ein optisches Mikroskop bei 400facher Vergrößerung durchgeführt, wobei alle jedoch eine gute Spanbrechung aufwiesen. Die Ergebnisse sind nachstehend gezeigt und es wurde geschlossen, dass die Beziehung zwischen den Zahlen der Partikel und den S-Gehalten nahezu konstant ist.

Auf Basis dieser Daten wurde geschlossen, dass über einen weiten Bereich von S-Gehalten eine gute Spanbrechung erhalten werden kann, wenn die Anzahl an MnS-Inklusionspartikeln nicht mehr als 5 Partikel pro mm2 pro 0,01–5 beträgt. Der Graph von 9 zeigt dies in klarer Weise. Der Graph wurde durch Auftragen der Beziehung zwischen dem Prozentsatz der MnS-Inklusionpartikel mit mittleren Durchmessern von 1,0 &mgr;m oder mehr und kleiner als die der MnS-Inklusionspartikel des herkömmlichen Automatenstahls und der Spanbrechung erzeugt. Der Graph zeigt, dass die Spanbrechungsindices umso höher sind, je höher der Prozentsatz der kleineren MnS-Inklusionspartikel ist.

Der Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt eine gute Zerspanbarkeit auf demselben Niveau wie bei dem Automatenstahl der vorherigen Erfindung. Da die Duplex-Inklusion in der besten Form in dem Stahl vorhanden ist, ist es leicht, das Ziel der Erfindung, nämlich das fünffache Werkzeugstandzeitverhältnis im Vergleich zu dem herkömmlichen Schwefel-Automatenstahl beim Zerspanen insbesondere beim Drehen mit einem Hartmetallwerkzeug, zu erzielen.

Die ziemlich gute, in dem Automatenstahl der früheren Erfindung erzielte Spanbrechung wurde durch Zugabe einer geringen Menge an Ti (oder Zr) erhalten, um fein verteilte MnS-Inklusionspartikel zu bilden. Dieser Effekt wird auch in dem Automatenstahl der vorliegenden Erfindung erhalten. Die Tatsache, dass die Spanbrechung hoch ist, ist natürlich für das Drehen in besonderem Maße günstig. In dem Stahl, in dem feine Ti(C, N)-Partikel gebildet werden, wird das Wachstum der ersteren Austenit-Kristallkörnchen während der Heißbearbeitung unterdrückt und daher genießt der Stahl nicht nur die gute Zerspanbarkeit und Spanbrechung, sondern auch eine gute Dauerfestigkeit und Biegerichtbarkeit und ist für die Verwendung, bei denen diese Eigenschaften erforderlich sind, geeignet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung ist das Verfahren, durch das der voranstehend beschriebene Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung sicher hergestellt werden kann. Das Verfahren ist durch ein Regulieren des Al-Gehalts vor der Zugabe von Ca und anderer Komponenten zur Durchführung der kontrollierten Desoxidation und durch die vorteilhafte Bildung der Duplex-Inklusion, nachfolgend zu einem geeigneten Zeitpunkt oder nach der Bildung der Duplex-Inklusion durch die kontrollierte Desoxidation durch Zugabe einer geeigneten Menge an Ti gekennzeichnet. Auf diese Weise wird ein Automatenstahl erhalten, in dem MnS-Inklusionspartikel fein verteilt sind, und des Weiteren werden die Werkzeugstandzeit und die Spanbrechung durch einen spezifischen Anteil der Duplex-Inklusionspartikeln an den gesamten Sulfidinklusionen in einem geeigneten, ausgewogenen Verhältnis gehalten. In dem Fall, in dem das Verfahren zur Herstellung mit einer geeigneten Wahl des Ti-Gehalts sowie des O-Gehalts und des N-Gehalts durchgeführt wird, werden feine Ti(C, N)-Partikel in dem Stahl gebildet und das Produkt ist ein Automatenstahl zur Maschinenbauanwendung mit verbesserter Dauerfestigkeit und Biegerichtbarkeit.

BEISPIELE

In den folgenden Beispielen sind die Durchgänge mit Nummern in Großbuchstaben (Al, B1, ...) Arbeitsbeispiele und diejenigen mit Kleinbuchstaben (a1, b1, ...) sind Kontrollbeispiele. Die hergestellten Legierungen wurden in Barren gegossen, aus denen Teststücke runder Stangen mit einem Durchmesser von 72 mm herausgeschnitten und zum Testen verwendet wurden. Die Verfahren der Tests und die Kriterien sind wir folgt:

[Durch die Duplex-Inklusion belegte Fläche]

Die Fälle, in denen die Duplex-Inklusions- oder Sulfidinklusionspartikel, die Ca enthalten und sich in der Nähe der Oxid-Inklusionspartikel befinden, eine Fläche von 2,0 × 10–4 mm2 pro 3,5 mm2 oder mehr belegen, wurden mit „Ja" gekennzeichnet, und die gegenteiligen Fälle mit „Nein".

[Prozentuale Fläche der Duplex-Inklusion]

In den mikrophotographischen Aufnahmen (200fache Vergrößerung) wurden die gesamten Sulfidinklusionen in einfache Sulfidinklusionen und Duplex-Inklusionen klassifiziert. Der prozentuale Anteil der Fläche, der durch die Duplex-Inklusion eingenommen wurde, wurde bestimmt.

[Zerspanbarkeit]

Ein Drehen mit einem Hartmetallwerkzeug wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Spangeschwindigkeit: 200 m/min Zufuhrrate: 0,2 mm/Umdrehung Tiefe des Spanens: 2,0 mm

Sowohl in dem erfolgreichen Fall, in dem die gewünschte Inklusion erhalten wurde, als auch in dem Fall, in dem der Schutz durch die Inklusion erhalten wurde, wurden die Ergebnisse mit „Ja" erfasst, während die Ergebnisse in dem nicht-erfolgreichen Fall mit „Nein" festgehalten wurden. Nimmt man die Werkzeugstandzeiten des Schwefel-Automatenstahls, in denen die S-Gehalte 0,01–0,2 Gew.-% betrugen, als Standard, wurden die Stähle, die das Ziel der Erfindung, nämlich ein fünffaches Werkzeugstandzeitverhältnis, erreichten, mit „Ja" gekennzeichnet und die Stähle, die das voranstehend genannte Ziel nicht erreichten, wurden mit „Nein" gekennzeichnet.

[Spanbrechung]

Späne, die durch Zerspanen unter den folgenden Bedingungen auftraten, wurden gesammelt: Zerspangeschwindigkeit: 150 m/sec. Zufuhr: 0,025–0,200 mm/Umdrehung Tiefe: 0,3–1,0 mm Werkzeug: DNMG150480-MA

Jeweils 0–4 Punkte wurden den Spänen in Abhängigkeit ihrer Länge zugewiesen. Die Summe der Punkte für insgesamt 30 Zerspanbedingungen wurden als „Spanbrechungsindices" erfasst. Die erhaltenen Indices wurden mit den Spanbrechungsindices verglichen, die für die Schwefel-enthaltenden Automatenstähle, die dieselben Mengen an Schwefel enthielten, erhalten wurden, und sie wurden folgendermaßen beurteilt: bessere Punktzahl „Gut"; dieselbe oder niedrigere Punktzahl: „Schlecht"

Beispiel 1

Die Erfindung wurde auf einen S45C-Stahl angewendet. Die Legierungszusammensetzungen sind in Tabelle 1 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 2 (Kontrollbeispiele) gezeigt. Die Arbeitsbedingungen der Automatenstähle, die Komponentenverhältnisse sowie die Leistungsdaten wie Werkzeugstandzeiten und Spanbrechungen sind miteinander in Tabelle 3 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 4 (Kontrollbeispiele) gezeigt.

In den Tabellen 3 und 4 (und auch in den nachfolgenden Tabellen, die die Testergebnisse zeigen) haben die Abkürzungen die folgenden Bedeutungen:

S/O: [S]/[O]

Ca × S: [Ca] × [S]

Ca/S: [Ca]/[S]

TiZrN: [Ti + Zr] × [N]

S.I.-Fläche: durch Sulfidinklusionen belegte Fläche

MnS-Nr.: Anzahl an MnS-Inklusionspartikel (Partikel/mm2 pro 0,01–5)

D.S.I.-Fläche: prozentuale Fläche, die von der Duplex-Inklusion geteilt wird (%)

Pro. Film: Bildung des Werkzeugschutzfilm (Ja/Nein)

Zersp.: Zerspanbarkeit (Ja/Nein)

Spanbr.: Spanbrechung (Gut/Schlecht)

Beispiel 2

Dieselben Herstellungsvorgehensweisen und Zerspanbarkeitstests wie diejenigen in Beispiel 1 wurden auf einen S15C-Stahl angewendet. Die Legierungszusammensetzungen sind in Tabelle 5 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 6 (Kontrollbeispiele) gezeigt und die Testergebnisse sind in Tabelle 7 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 8 (Kontrollbeispiele) gezeigt.

Beispiel 3

Dieselben Herstellungsvorgehensweisen und Zerspanbarkeitstests wie diejenigen in Beispiel 1 wurden auf einen S55C-Stahl angewendet. Die Legierungszusammensetzungen sind in Tabelle 9 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 10 (Kontrollbeispiele) gezeigt und die Testergebnisse sind in Tabelle 11 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 12 (Kontrollbeispiele) gezeigt.

Beispiel 4

Dieselben Herstellungsvorgehensweisen und Zerspanbarkeitstests wie diejenigen in Beispiel 1 wurden auf einen SCR415-Stahl angewendet. Die Legierungszusammensetzungen sind in Tabelle 13 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 14 (Kontrollbeispiele) gezeigt und die Testergebnisse sind in Tabelle 15 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 16 (Kontrollbeispiele) gezeigt.

Beispiel 5

Dieselben Herstellungsvorgehensweisen und Zerspanbarkeitstests wie diejenigen in Beispiel 1 wurden auf einen SCM440-Stahl angewendet. Die Legierungszusammensetzungen sind in Tabelle 17 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 18 (Kontrollbeispiele) gezeigt und die Testergebnisse sind in Tabelle 19 (Arbeitsbeispiele) und Tabelle 20 (Kontrollbeispiele) gezeigt.


Anspruch[de]
Stahl zur Maschinenbauanwendung mit guter Zerspanbarkeit und Spanbrechung mit verbesserter Dauerfestigkeit und Biegerichtbarkeit,

der aus

C: 0,05–0,8 Gew.-%, Si: 0,01–2,0 Gew.-%, Mn: 0,1–3,5 Gew.-%, S: 0,01–0,2 Gew.-%, Al: 0,001–0,020 Gew.-%, Ca: 0,0005–0,02 Gew.-%, O: 0,0005–0,01 Gew.-% und N: 0,001–0,04 Gew.-%, unter der Maßgabe, dass [O]/[N] 0,06 oder mehr beträgt, und des Weiteren Ti: 0,002–0,010 Gew.-% oder Ti: 0,002–0,010 Gew.-% und Zr: 0,002–0,025 Gew.-%; sowie optional

einem oder mehr aus Cr: bis zu 3,5 Gew.-%, Mo: bis zu 2,0 Gew.-%, Cu: bis zu 2,0 Gew.-%, Ni: bis zu 4,0 Gew.-%, B: 0,0005–0,01 Gew.-% und Mg: bis zu 0,2 Gew.-%;

und/oder einem oder beiden aus Nb: bis zu 0,2 Gew.-% und V: bis zu 0,5 Gew.-%;

und/oder einem oder mehr aus Pb: bis zu 0,4 Gew.-%, Se: bis zu 0,4 Gew.-% und Te: bis zu 0,2 Gew.-% besteht;

und der Rest Fe und schmelzungsbedingte Verunreinigungen ist;

wobei die Fläche im mikroskopischen Feld, die durch die Inklusionspartikel belegt ist, bestehend aus Sulfid, enthaltend Ca mit 1–45 Gew.-% und Oxid, enthaltend CaO mit 0,2–62 Gew.-% und mit einem Schmelzpunkt von 1500–1750°C, wobei das Sulfid das Oxid umhüllt, 2,0 × 10–4 mm2 pro 3,5 mm2 oder mehr beträgt;

die Fläche im mikroskopischen Feld, die durch fein verteilte MnS-Inklusionspartikel mit einem gemittelten Durchmesser von 1,0 &mgr;m oder darüber belegt ist, einen Anteil von 60–85% ausmacht und die Fläche, die durch die Sulfidinklusionspartikel, enthaltend Ca mit 1–45 Gew.-%, die die Oxidinklusionspartikel, enthaltend CaO mit 0,2–62 Gew.-% umhüllen, und einen Schmelzpunkt von 1500–1750°C aufweisen, belegt ist, einen Anteil von 40–15% ausmacht;

die von den voranstehend definierten Sulfidinklusionspartikel verschiedenen Sulfidinklusionspartikel als MnS in dem Stahl fein verteilt sind; und

die Anzahl der fein verteilten MnS-Inklusionspartikel mit einem gemittelten Durchmesser von 1,0 &mgr;m oder darüber 5 Partikel/mm2 pro 0,01 S-Gehalt oder mehr beträgt.
Verfahren zur Herstellung des Stahls zur Maschinenbauanwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Stufen umfasst:

Herstellen einer Legierung, die aus C: 0,05–0,8 Gew.-%, Si: 0,01–2,0 Gew.-%, Mn: 0,1–3,5 Gew.-%, S: 0,01–0,2 Gew.-%, Al: 0,001–0,020 Gew.-%, Ca: 0,0005–0,02 Gew.-%, O: 0,0005–0,01 Gew.-% und N: 0,001–0,04 Gew.-%, unter der Maßgabe, dass [O]/[N] 0,06 oder mehr beträgt, und des Weiteren Ti: 0,002–0,010 Gew.-% oder Ti: 0,002–0,010 Gew.-% und Zr: 0,0002–0,025 Gew.-%;

und optional

einen oder mehr aus Cr: bis zu 3,5 Gew.-%, Mo: bis zu 2,0 Gew.-%, Cu: bis zu 2,0 Gew.-%, Ni: bis zu 4,0 Gew.-%, B: 0,0005–0,01 Gew.-% und Mg: bis zu 0,2 Gew.-%,

und/oder einen oder beiden aus Nb: bis zu 0,2 Gew.-% und V: bis zu 0,5 Gew.-%;

und/oder einen oder mehr aus Pb: bis zu 0, 4 Gew.-%, Se: bis zu 0,4 Gew.-% und Te: bis zu 0,2 Gew.-% besteht;

wobei der Rest Fe und schmelzungsbedingte Verunreinigungen ist, durch ein Schmelz- und Frischverfahren zur herkömmlichen Stahlherstellung, wobei eine kontrollierte Desoxidation unter den folgenden Bedingungen durchgeführt wird:

[S]/[O]: 8–40

[Ca] × [S]: 1 × 10–5–1 × 10–3 und

[Ca]/[S]: 0,01–20

so dass die prozentuale Fläche der Inklusionspartikel, die aus Sulfid, enthaltend Ca mit 1–45 Gew.-%, und Oxid, enthaltend CaO mit 0,2–62 Gew.-%, bestehen und einen Schmelzpunkt von 1500–1750°C aufweisen, wobei das Sulfid das Oxid umhüllt, 2,0 × 10–4 mm2 pro 3,5 mm2 oder mehr betragen kann;

und danach

Zugeben von Ti: 0,002–0,010 Gew.-% oder Ti: 0,002–0,010 Gew.-% und Zr: 0,002–0,025 Gew.-%, um feines Ti-Oxid oder Ti-Oxid und Zr-Oxid durch Reaktion von Sauerstoff mit Ti oder Ti und Zr in dem Stahl nach der obigen kontrollierten Desoxidation zu bilden und die resultierenden komplexen Oxidpartikel als Nuklei zur Präzipitation und feinen Verteilung von MnS-Inklusionspartikeln zu verwenden,

Regulieren der gemittelten Partikelgrößen von Ti(C, N) und TiO durch Einstellen der Mengen an Ti, N und O zum Zeitpunkt der Zugabe von Ti, so dass die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

[Ti] × [N]: 5 × 10–6 bis 2 × 10–4 und

[O]/[N]: 0,06 oder darüber;

um die Menge an MnS zur Feinpräzipitation und die Verteilung von TiO als Nuklei zu gewährleisten und die frühere austenitische Kristallkorngröße während der Heißbearbeitung fein zu halten.






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