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DE602004007730T2 - Niedrig gekohlter Automatenstahl. - Google Patents

Niedrig gekohlter Automatenstahl. Download PDF

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DE602004007730T2
DE602004007730T2 DE602004007730T DE602004007730T DE602004007730T2 DE 602004007730 T2 DE602004007730 T2 DE 602004007730T2 DE 602004007730 T DE602004007730 T DE 602004007730T DE 602004007730 T DE602004007730 T DE 602004007730T DE 602004007730 T2 DE602004007730 T2 DE 602004007730T2
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Germany
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mns
steel
inclusions
carbide
machinability
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Naoki Matsui
Takayuki Nishi
Toru Kato
Koji Watari
Tatsuya Hasegawa
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Automatenwalzstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der frei von Blei (Pb) ist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Automatenwalzstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der bei Bearbeitung mit einem Carbidwerkzeug im Vergleich zu herkömmlichen, bleihaltigen Automatenstählen und Verbundautomatenstählen, bei denen Blei und ein oder mehr die spanabhebende Bearbeitbarkeit verbessernde Elemente miteinander eingesetzt werden, eine überlegene spanabhebende Bearbeitbarkeit aufweist, obwohl er frei von Blei ist. Ferner zeigt er nach der spanabhebenden Bearbeitung eine hervorragende Warmbearbeitbarkeit und Oberflächenbeschaffenheit und lässt sich kostengünstig herstellen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Automatenwalzstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der sich nicht nur in bezug auf die vorerwähnten Eigenschaften, sondern auch in bezug auf seine Carburierungseigenschaften hervorragend verhält.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei der Herstellung von weichen, kleinen Gegenständen, bei denen keine hohe Festigkeit erforderlich ist, werden bisher Stahlmaterialien mit hervorragender spanabhebender Bearbeitbarkeit, nämlich die so genannten Automatenstähle, zur Verbesserung der Produktivität verwendet. Zu den bekanntesten Automatenstählen gehören rückgeschwefelte Automatenstähle, die durch MnS aufgrund der Zugabe einer großen Menge an S eine verbesserte spanabhebende Bearbeitbarkeit aufweisen; bleihaltige Automatenstähle, die durch Zugabe von Pb erhalten worden sind; und Verbundautomatenstähle, die sowohl S als auch Pb enthalten. Insbesondere sind bleihaltige Automatenstähle dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Verlängerung der Standzeit der Werkzeuge beitragen, eine leichte Beseitigung der Späne ermöglichen und ferner nach der spanabhebenden Bearbeitung Stahlprodukte ergeben, die sich in bezug auf die Oberflächenrauigkeit und dergl. hervorragend verhalten. Ferner gibt es Automatenstähle mit einem Gehalt an Te (Tellur) und/oder Bi (Wismuth), die eine verbessernde spanabhebende Bearbeitung ermöglichen sollen. Diese Stähle werden in großen Mengen für kleine Teile, wie Kraftfahrzeugbremsen, PCs und deren Zubehör und andere veschiedene Maschinenteile, wie Elektrogeräte und Formen, verwendet.
  • In den letzten Jahren hat sich das Leistungsvermögen von Schneidemaschinen verbessert, so dass es möglich geworden ist, die Geschwindigkeit der spanabhebenden Bearbeitung zu erhöhen. Demzufolge besteht bei den als Ausgangsmaterialien für die vorerwähnten Teile verwendeten Stahlmaterialien ein starker Bedarf an Produkten, die eine noch weiter verbesserte spanabhebende Bearbeitbarkeit bei spanabhebenden Hochgeschwindigkeitsvorgängen aufweisen.
  • Ferner werden in einigen Fällen derartige Teile, wie sie vorstehend erwähnt wurden, nach Fertigstellung in der gewünschten Gestalt und Form durch spanabhebende Bearbeitung einer Carburierung unterworfen, um einen erwünschten Grad an Oberflächenfestigkeit zu gewährleisten. Daher muss das Stahlmaterial, das bei der Herstellung derartiger Teile zu verwenden ist, gelegentlich nicht nur sehr gut spanabhebend zu bearbeiten sein, sondern muss auch hervorragende Carburierungseigenschaften aufweisen.
  • Stähle, die als Materialien für derartige Teile, wie sie vorstehend erwähnt wurden, zu verwenden sind, müssen gut spanabhebend zu bearbeiten sein. Da bei einer derartigen spanabhebenden Bearbeitbarkeit die Betonung nicht nur auf eine Verlängerung der Werkzeugstandzeit gelegt wird, sondern auch auf eine solche Beschaffenheit, dass derartige Späne in kleinen Stücken abgetrennt werden, was mit anderen Worten als "Spanentsorgbarkeit" bezeichnet wird. Die Spanentsorgbarkeit ist für eine Automatisierung einer Bearbeitungsstraße unerlässlich und auch zur Erhöhung der Produktivität von wesentlicher Bedeutung. Zusätzlich zu den Anforderungen in bezug auf die Werkzeugstandzeit und die Spanentsorgbarkeit ist es im Hinblick auf die Bearbeitungspräzision erstrebenswert, dass die Stahloberfläche nach der spanabhebenden Bearbeitung hochwertige Oberflächeneigenschaften aufweist, da die Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche nämlich möglichst gering sein soll. Unter den vorerwähnten Automatenstählen erweisen sich bleihaltige Automatenstähle und Verbundautomatenstähle, die Pb und ein oder mehr Elemente zur Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit enthalten, aufgrund derartiger Eigenschaften als überlegen und gelten unter den derzeit verfügbaren Stählen als die am besten spanabhebend zu bearbeitenden Produkte.
  • Im Hinblick auf die zunehmenden Bedenken in bezug auf Umweltprobleme ist ein bleifreier Automatenstahl besonders erstrebenswert, da Stähle, die Pb, das für den Menschen und die gesamte Umwelt gefährlich ist, enthalten, die Installation von groß bemessenen Absauganlagen beim Herstellungsverfahren erfordern. Ferner nimmt die Tendenz zu, auf die Verwendung von Pb im Hinblick auf die Bewahrung der Umwelt zu verzichten.
  • Um den vorstehenden Bedürfnissen zu genügen, wurden verschiedene Vorschläge in bezug auf bleifreie, rückgeschwefelte Automatenstähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gemacht, wobei diese Produkte als Alternativen zu bleihaltigen Automatenstählen dienen sollen. Jedoch wurden bisher keine Automatenstähle entwickelt, die einen Beitrag zur Verlängerung der Standzeit von Werkzeugen leisten können und die in befriedigendem Ausmaß sämtliche Eigenschaften von Pb enthaltenden Automatenstählen, wie eine gute Spanentsorgbarkeit und einen geringen Grad an Oberflächenrauigkeit, aufweisen.
  • In der Japanischen Offenlegungsschrift (JP-Kokai) 2003-49240 (Patentdokument 1) wird ein Automatenstahl mit verbesserter spanabhebender Bearbeitbarkeit beschrieben, bei dem Einschlüsse vom Typ eines Ti- und/oder Zr-carbosulfids enthalten sind. Da das Ti-carbosulfid oder das Zr-carbosulfid in diesem Automatenstahl zusammen mit MnS verteilt sind, lässt sich der Pseudoschmiereffekt des MnS kaum erreichen und die Reibungskraft zwischen dem Werkzeug und dem Bearbeitungsmaterial nimmt zu. Infolgedessen steigt die Schneidekraft und die Bildung einer Aufbauschneide an der Kante des Schneidewerkzeugs wird erleichtert. Nachdem eine Aufbauschneide entstanden ist, nimmt die Rauigkeit der fertigen Oberfläche nach der Oberflächenbearbeitung zu und die Bearbeitungspräzision der Teile wird beeinträchtigt.
  • Im Patentdokument 1 findet sich kein Beispiel für den Fall, dass der Ti-Gehalt 0,1 % oder weniger beträgt. Dies bedeutet, dass die im Patentdokument 1 beschriebene Erfindung die Bildung von Einschlüssen von Ti-carbosulfid anstrebt, indem dafür gesorgt wird, dass in Stahl große Mengen an Ti enthalten sind. Tatsächlich wird dort beschrieben, dass die Einschlüsse vom Ti-carbosulfid-Typ zusammen mit MnS in granulierter Form in der Matrix verteilt sind. In diesem Fall lassen sich die Leistungsmerkmale, wie die Werkzeugstandzeit, die Spanentsorgbarkeit und die geringe Rauigkeit der fertigen Oberfläche, die bei Stahl zur Verwendung bei der Herstellung der vorerwähnten Teile erforderlich sind, nicht erreichen.
  • JP-Kokai 2003-49241 (Patentdokument 2) beschreibt einen Automatenstahl mit einem Gehalt an Ti und/oder Zr im Bereich von (Ti + 0,52 Zr)/S < 2 und einem Gehalt an Ti- oder Zr-carbosulfid als Einschlusskomponente, was zu einer längeren Werkzeugstandzeit beim Drehen und Bohren beiträgt. Die im Patentdokument 2 beschriebene Verbindung strebt eine Verbesserung der Werkzeugstandzeit beim Drehen an, indem für die Bildung von Ti-carbosulfid im Stahl gesorgt wird. Durch diese Technik kann tatsächlich die Werkzeugstandzeit bis zu einem bestimmten Ausmaß verbessert werden, jedoch erschwert die Anwesenheit von Ti- oder Zr-carbosulfid die Erzielung der Schmierwirkung des MnS, da die Reibekraft zwischen dem Werkzeug und dem Bearbeitungsmaterial zunimmt. Infolgedessen nimmt die Schneidekraft zu und die Bildung einer Aufbauschneide an der Kante des Schneidewerkzeugs wird erleichtert. Nachdem eine Aufbauschneide entstanden ist, nimmt die Rauigkeit der fertigen Oberfläche nach dem Schneiden zu, was zur Folge hat, dass die Bearbeitungspräzision der Teile beeinträchtigt wird.
  • Im Patentdokument 2 finden sich keine Beispiele für einen Automatenstahl, der S in einem Bereich von nicht unter 0,21 % und Ti in einem Anteil von nicht mehr als 0,1 % enthält, wie es nachstehend in bezug auf die vorliegende Erfindung angegeben wird. Aufgrund dieser Tatsache ist es ersichtlich, dass die Erfindung gemäß Patentdokument 2 nicht die Verbesserung der Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche und/oder die Spanentsorgbarkeit anstrebt. Gemäß der Erfindung im Patentdokument 2 ist Ti- oder Zr-carbosulfid zusammen mit MnS in der Matrix verteilt und daher lassen sich der angestrebte Grad der Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche und das angestrebte Ausmaß der Spanentsorgbarkeit nicht erreichen.
  • In JP-Kokai 2000-319753 wird ein rückgeschwefelter Automatenstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt beschrieben, bei dem der Anteil an MnS durch Steigerung des S-Gehalts auf über 0,4 % erhöht ist, wobei kein Pb zugesetzt wird. Jedoch erweist sich dieser Stahl in bezug auf die Verbesserung der Werkzeugstandzeit von Carbid-Werkzeugen als minderwertig. Ferner ergeben sich weder eine Verbesserung der Spanentsorgbarkeit, die von Bedeutung ist, noch der Leistungsmerkmale, verglichen mit herkömmlichen rückgeschwefelten Automatenstählen.
  • JP-Kokai-H09-53147 beschreibt einen Automatenstahl mit hervorragender spanabhebender Bearbeitbarkeit bei Verwendung von Carbid-Werkzeugen und insbesondere einer hervorragenden Werkzeugstandzeit, der folgende Bestandteile enthält: C: 0,01-0,2 %, Si: 0,10-0,60 %, Mn: 0,5-1,75 %, P: 0,005-0,15 %, S: 0,15-0,40 %, O (Sauerstoff): 0,001-0,010 %, Ti: 0,0005-0,020 % und N: 0,003-0,03 %. Diese Erfindung strebt eine Verbesserung der Standzeit des Carbid-Werkzeugs nur aufgrund des Gehalts an 0,1-0,6 % Si zusammen mit Ti als wesentlichen Komponenten an. Demzufolge strebt diese Erfindung keine Verbesserung der Werkzeugstandzeit oder der Spanentsorgbarkeit oder des Grads der Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche an, da die darin enthaltene "wesentliche Menge an MnS zusammen mit Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" im Stahl ohne Zusatz von Si, wie es erfindungsgemäß enthalten ist, vorliegt.
  • Das japanische Patent Nr. 3390988 beschreibt eine Erfindung bezüglich eines rückgeschwefelten Automatenstahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der eine verbesserte mechanische Anisotropie aufweist und folgende Bestandteile enthält: C: 0,01-0,15 %, Mn: 0,3-1,8 %, S: 0,225-0,5 %, Ti: 0,1-0,6 % und Zr: 0,1-0,6 %, mit der Maßgabe, dass Ti + Zr: 0,3-0,6 % und das (Ti + Zr)/S-Verhältnis: 1,1-1,5. Der Stahl gemäß dieser Erfindung ist in bezug auf die mechanische Anisotropie und die spanabhebende Bearbeitbarkeit verbessert, indem die vorstehende Zusammensetzung verwendet wird, um die Bildung von Ti- und/oder Zr-Sulfid zu bewirken, die einen hohen Verformungswiderstand in der Wärme ergeben. Jedoch können derartige Sulfide, die einen hohen Verformungswiderstand in der Wärme gewährleisten, während der spanabhebenden Bearbeitung kaum eine auf Sulfid zurückzuführende Schmierwirkung ergeben, da die Schneidekraft zunimmt, es zu einer Beeinträchtigung der Werkzeugstandzeit kommt und die Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche nach der letzten spanabhebenden Bearbeitung zunimmt. Das japanische Patent JP-2000-160284 beschreibt ebenfalls einen bleifreien Automatenstahl, der kostengünstig ist. Der beanspruchte Stahl kann gegebenenfalls Ti in einer Menge von vorzugsweise mehr als 0,5 bis zu 1 % enthalten, um eine verbesserte spanabhebende Bearbeitbarkeit zu gewährleisten.
  • Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Automatenwalzstahl bereitzustellen, der frei von umweltgefährdendem Pb ist, eine überlegene spanabhebende Bearbeitbarkeit, insbesondere bei Verwendung von Carbid-Werkzeugen im Vergleich zu herkömmlichen bleihaltigen Automatenstählen und Verbundautomatenstählen mit einem Gehalt an Pb und einem oder mehreren Elementen zur Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit aufweist, sich in bezug auf die Bearbeitbarkeit in der Wärme und ferner in bezug auf die Oberflächeneigenschaften nach der spanabhebenden Bearbeitung hervorragend verhält und kostengünstig hergestellt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Automatenwalzstahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der neben den vorerwähnten Eigenschaften gute Carburierungseigenschaften besitzt.
  • Es ist bekannt, dass der Zustand von Einschlüssen, wie Sulfiden, einen starken Einfluss auf die spanabhebende Bearbeitbarkeit von Stählen ausübt. In Stählen mit einem Gehalt an C, Ti, S, N und O werden verschiedene Einschlüsse beobachtet. Hierzu gehören beispielsweise Ti-sulfid, Ti-carbosulfid, Ti-carbid, Ti-carbonitrid, Ti-nitrid und Ti-oxid. Wenn ferner Mn enthalten ist, kann Mn-sulfid der chemischen Formel MnS ebenfalls vorhanden sein. Wenn Al und/oder Si neben den vorerwähnten Elementen enthalten sind, können ferner deren Oxide vorhanden sein. Die Zustandsarten dieser Einschlüsse sind unterschiedlich und die Zusammensetzungen und Zustandsarten dieser Einschlüsse beeinflussen in starkem Maße die spanabhebende Bearbeitbarkeit und andere mechanische Eigenschaften von Stählen.
  • Die Erfinder sind Anmelder einer früheren japanischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 2002-26368 , die einen bleifreien, rückgeschwefelten Automatenstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt betrifft. Dieser Automatenstahl ist dadurch gekennzeichnet, dass er C, Mn, S, Ti, Si, P, Al, O und N in jeweils angegebenen Mengenanteilen enthält und die nachstehend angegebene Beziehung (A) bezüglich des Gehalts an Ti und S und die nachstehend angegebene Beziehung (B) bezüglich des Atomverhältnisses zwischen Mn und S erfüllt und MnS mit darin eingeschlossenen Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid enthält. Ti (Masse-%)/S (Masse-%) < 1 (A) Mn/S ≥ 1 (B)
  • Der Stahl gemäß dieser früheren Erfindung erweist sich in bezug auf die Werkzeugstandzeit wesentlich besser als bleihaltige Automatenestähle und zeigt eine gute Spanentsorgbarkeit. Dieser Stahl weist jedoch immer noch einige Nachteile in bezug auf seine Oberflächeneigenschaften nach der spanabhebenden Bearbeitung auf. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bei der Durchführung der letzten Stufe der spanabhebenden Bearbeitung in einigen Fällen sich eine starke Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche ergibt.
  • Es wird angenommen, dass es bei Vorhandensein einer erheblichen Menge an Ti-Sulfid und/oder Ti-carbosulfid in der Matrix schwierig wird, die Pseudoschmierwirkung von MnS zu erreichen, da die Schneidekraft zunimmt und eine Aufbauschneide an der Kante des Schneidewerkzeugs gebildet wird, was dazu führt, dass die Stahloberfläche nach der spanabhebenden Bearbeitung ihren Glanz verliert und dass die glatte Beschaffenheit der fertiggestellten Oberfläche beeinträchtigt wird. Der hier verwendete Ausdruck "wesentlichens Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid" bedeutet Einschlüsse, bei denen die in Prozent angegebene Gesamtfläche, die von Ti-sulfid und Ti-carbosulfid eingenommen wird, nicht unter 50 % liegt. Einige davon sind in der beigefügten 1A dargestellt.
  • Die Erfinder stellten Untersuchungen zur Lösung dieses Problems an und erhoben die nachstehend erwähnten neuen Befunde.
    • (1) Wenn ein Stahl in dem "wesentliches Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid" in der Matrix vorliegt, spanabhebend bearbeitet wird, entsteht eine Aufbauschneide an der Kante des Schneidewerkzeugs, was zu einer Beeinträchtigung der glatten Beschaffenheit der fertiggestellten Oberfläche führt.
    • (2) Wenn die Bildung von "wesentlichem Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid" soweit wie möglich verhindert wird und das Vorhandensein einer großen Menge an MnS im Stahl ermöglicht wird, kann die Bildung einer Aufbauschneide verhindert werden und die fertiggestellte Oberfläche lässt sich in bezug auf die Rauigkeit verbessern.
    • (3) Jedoch wird bei Stählen, die kein Ti, sondern nur MnS enthalten, die Standzeit des Carbid-Werkzeugs beeinträchtigt. Zur Verbesserung der Standzeit des Carbid-Werkzeugs ist es erforderlich, Ti zuzusetzen und gleichzeitig das Vorhandensein von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" zu ermöglichen.
    • (4) Das "wesentliche MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" verbessert die Werkzeugstandzeit, während es die Pseudoschmierwirkung von MnS nicht beeinträchtigt.
  • Auf der Grundlage der vorstehenden Befunde wurde die Beziehung zwischen der chemischen Zusammensetzung und dem Zustand von vorhandenen Einschlüssen ausführlich untersucht. Dies führte zur Erfindung des nachstehend angegebenen Automatenwalzstahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Dieser Automatenstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ist in bezug auf die spanabhebende Bearbeitbarkeit vergleichbar oder besser als bleihaltige Automatenstähle und Verbundautomatenstähle. Die Prozentangaben bezüglich der einzelnen Komponenten bedeuten "Masse-%".
  • Gegenstand der Erfindung ist ein rückgeschwefelter Automatenwalzstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er folgende Bestandteile umfasst: C: 0,05 bis weniger als 0,20 %, Mn: 0,4 bis 2,0 %, S: mehr als 0,40 bis 1,0 %, Ti: 0,002 bis weniger als 0,03 %, P: 0,001 bis 0,30 %, Al: nicht mehr als 0,2 %, O (Sauerstoff): 0,001 bis 0,03 % und N: 0,0005 bis 0,02 % und gegebenenfalls mindestens ein Element, das aus mindestens einem der Elemente der ersten, zweiten und dritten Gruppe von Elementen gemäß den nachstehenden Angaben ausgewählt ist, wobei es sich beim Rest um Fe und Verunreinigungen handelt und wobei die nachstehenden Beziehungen (a) und (b) bezüglich der im Stahl enthaltenen Einschlüsse erfüllt sind: (A + B)/C ≥ 0,8 (a), NA ≥ 5 (b),wobei in den Beziehungen (a) und (b) A, B, C und NA die folgenden Bedeutungen haben:
    A: die Gesamtfläche, die von wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid unter den Einschlüssen, die nicht kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung sind, eingenommen wird;
    B: die Gesamtfläche, die von wesentlichem MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonitrid unter den Einschlüssen mit weniger als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung eingenommen wird;
    C: die Gesamtfläche, die von sämtlichen Einschlüssen, die nicht kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung sind, eingenommen wird;
    NA: die Anzahl von wesentlichen MnS-Einschlüssen mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid unter den Einschlüssen mit weniger als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung;
  • Der vorstehende Automatenstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt kann einen oder mehrer Bestandteile enthalten, die aus den folgenden Gruppen 1 bis 3 ausgewählt sind.

    erste Gruppe:
    Se: 0,0005 bis 0,10 %, Te: 0,0005 bis 0,10 %, Sn: 0,01 bis 0,3 %, Ca: 0,0001 bis 0,01 %, Mg: 0,0001 bis 0,005 %, B: 0,0002 bis 0,02 % und Seltenerdelemente: 0,0005 bis 0,02 %;

    zweite Gruppe:
    Cu: 0,01 bis 1,0 %, Ni: 0,01 bis 2,0 %, Mo: 0,01 bis 0,5 %, V: 0,005 bis 0,5 % und Nb: 0,005 bis 0,5 %;

    dritte Gruppe:
    Si: 0,1 bis 2,0 % und Cr: 0,03 bis 1,0 %.
  • Der hier verwendete Ausdruck "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" bedeutet Einschlüsse, bei denen der prozentuale Flächen MnS-Wert nicht weniger als 50 % ausmacht und Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid enthalten sind (d. h. gemeinsam vorliegen). Andererseits bedeutet der Ausdruck "wesentliches MnS, in dem weder Ti-carbid noch Ti-carbonitrid eingeschlossen sind" Einschlüsse, bei denen die prozentuale Fläche von MnS nicht weniger als 50 % ausmacht und weder Ti-carbid noch Ti-carbonitrid eingeschlossen sind (d. h. gemeinsam vorliegen). Bei jedem dieser Sachverhalte "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenen Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" und "wesentliches MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonitrid" können beliebige Sulfide, Carbosulfide, Carbide, Nitride und andere Verbindungen, die von Ti-carbid und Ti-carbonitrid abweichen, eingeschlossen sein.
  • Nachstehend sind die Hauptmerkmale des erfindungsgemäßen Automatenstahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt angegeben:
    • (1) Er enthält C in einer Menge von 0,05 bis weniger als 0,20 %, S in einer Menge im Bereich von über 0,40 bis 1,0 % und Ti in einer Menge von 0,002 bis weniger als 0,03 %.
    • (2) Ti bindet C, S, N und O unter Bildung des Sulfids, Carbosulfids, Carbids, Carbonitrids und Oxids. Ti, das im Vergleich zu Mn eine stärkere Tendenz zur Sulfidbildung zeigt, bildet leicht Ti-sulfid und Ti-carbosulfid. Wenn jedoch das Bestandteilsgleichgewicht unter Mn, Ti, S und N sorgfältig berücksichtigt und eingestellt wird, ist es möglich, für das reichliche Vorhandensein von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" und "wesentlichem MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonnitrid" zu sorgen, während die reichliche Bildung von "wesentlichem Ti-carbosulfid und/oder Ti-sulfid" nicht zugelassen wird.
    • (3) Wenn die vorstehend angegebene chemische Zusammensetzung (1) angewandt wird und das Vorliegen von Einschlüssen gemäß dem vorstehenden Abschnitt (2) erreicht wird, macht "wesentliches MnS", das zur Erweichung und zur Erzielung einer Schmierwirkung während der spanabhebenden Bearbeitung befähigt ist, den Großteil sämtlicher Einschlüsse in der Matrix aus und der Anteil an anderen Sulfiden, die von diesem "wesentlichen MnS" abweichen, nämlich wesentliches Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid" wird nahezu Null. Um dabei einen günstigen Rauigkeitsgrad der fertiggestellten Oberfläche zu erreichen, muss die Menge von gebildetem "wesentlichen MnS" den Großteil sämtlicher gebildeten Einschlüsse ausmachen. Speziell ist es erforderlich, dass die Gesamtfläche, die von "wesentlichen MnS"-Einschlüssen, die nicht kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser pro mm2 einer Querschnittoberfläche zur Betrachtung in Walzrichtung sind, eingenommen wird, nicht weniger als 80 % der Gesamtfläche sämtlicher Einschlüsse, die nicht kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser sind, ausmacht. Nur in diesem Fall lassen sich die Bildung einer Aufbauschneide an der Kante des Schneidewerkzeugs, die durch das Vorhandensein von "wesentlichem Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid" verursacht wird, verhindern und hochwertige Rauigkeitsmerkmale der fertiggestellten Oberfläche erhalten.
    • Der vorerwähnte Ausdruck "wesentliches MnS" umfasst die Einschlüsse, bei denen die prozentuale Fläche von MnS nicht weniger als 50 %, einschließlich "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" und "wesentliches MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonitrid", beträgt.
    • Wie im vorstehenden Ausdruck (a) dargelegt, macht "A + B" im Audruck (a) "nicht weniger als 80 %" aus. Dabei sind A und B jeweils als die Fläche definiert, die von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" eingenommen wird, und die Fläche, die von "wesentlichem MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonitrid" eingenommen wird, und zwar unter den Sulfiden, die nicht kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung sind.
    • Bei C im Ausdruck (a) handelt es sich um die Gesamtfläche von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid", "wesentlichem MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonitrid", "wesentlichem Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid", anderen Sulfiden, Carbosulfiden, Carbiden, Nitriden, Oxiden, Al2O3, SiO2 und dergl.
    • (4) Wenn der Stahl, der derartige Einschlüsse gemäß den Angaben im vorstehenden Abschnitt (3) enthält, nämlich ein Stahl, in dem fast kein wesentliches Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid" vorhanden ist und die darin enthaltenen Einschlüsse vorwiegend "wesentliches MnS" umfassen, der aber "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" enthält, im Hochgeschwindigkeitsbereich, bei dem die Schneidetemperatur ansteigt, spanabhebend bearbeitet wird, entsteht ein harter TiN-Film auf der Werkzeugoberfläche und dementsprechend lässt sich eine längere Werkzeugstandzeit erreichen.
    • (5) Im Stahl, in dem "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid vorliegt, weist dieses "wesentliche MnS" eine feinere Größe und somit eine größere Anzahl an Einschlüssen auf als das MnS, das in herkömmlichen JIS SUM 22L- bis 24L-Verbundautomatenstählen enthalten ist. Dabei dienen die feinen "wesentliches MnS"-Einschlüsse als Spannungskonzentrationspunkte in Spänen während der spanabhebenden Bearbeitung und fördern die Rissausbreitung, so dass ein Grad der Spanentsorgbarkeit erreicht werden kann, der zumindest vergleichbar mit dem bei einem Verbundautomatenstahl erzielten Grad ist.
    • (6) Der Stahl, in dem "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" vorliegt, bietet keine Probleme in bezug auf die Warmbearbeitbarkeit und daher kann der Gehalt an S, das eine Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit bewirkt, erhöht werden, wobei in diesem Fall keine Schwierigkeiten beispielsweise bei der Herstellung in einer Stranggießanlage entstehen. Was die Zugabemenge an Ti betrifft, kann eine geringe Menge zufriedenstellende Wirkungen hervorrufen, so dass die Herstellungskosten auf einem niedrigen Niveau gehalten werden können und der Stahl als kostengünstiges Produkt eingesetzt werden kann.
  • Wie vorstehend erwähnt, lässt sich eine gute spanabhebende Bearbeitbarkeit durch Einschränkung der Bereiche der entsprechenden Legierungselemente und durch Einstellung der Morphologie der Einschlüsse erreichen. Jedoch wird es angestrebt, dass die Stähle, die bei der Herstellung von Kraftfahrzeugteilen zu verwenden sind, sich nicht nur in bezug auf die spanabhebende Bearbeitbarkeit hervorragend verhalten, sondern in einigen Fällen auch in bezug auf die Carburierungseigenschaften. Daher wurden die Einflüsse von Si und Cr auf diese Stahleigenschaften untersucht. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass sich die Carburierungseigenschaften verbessern lassen, indem man den Si-Gehalt und den Cr-Gehalt ohne Beeinträchtigung der vorerwähnten Morphologie von Einschlüssen und somit ohne Beeinträchtigung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit des Stahls einstellt.
  • Si und Cr lösen sich in Austenit, wodurch die Härtbarkeit von Stählen verbessert wird und die Carburierungstiefe und die Härte der carburierten Schicht bei der Carburierungsbehandlung zunehmen. Neben Si und Cr gibt es andere Elemente zur Erhöhung der Härtbarkeit, z. B. Mn, Mo und P. Jedoch ist es im Hinblick auf die spanabhebende Bearbeitbarkeit oder die Bearbeitbarkeit in der Wärme erforderlich, Mn in einem ausreichend hohen Niveau relativ zum Gehalt an S zuzusetzen. In diesem Fall bedeutet die Zugabe einer weiteren Menge an Mn zur Verbesserung der Härtbarkeit nur eine Kostensteigerung. Mo bewirkt eine Erhöhung der Härtbarkeit von Stählen, ist aber teurer als Si oder Cr, so dass die Zugabe von Mo in einer Menge mit gleicher Wirkung zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt. P hat ebenfalls die gleiche Wirkung, jedoch führt dessen Zusatz zu einer raschen Steigerung der Härte der Stähle selbst, wodurch die spanabhebende Bearbeitbarkeit beeinträchtigt wird. Jedoch können diese Elemente in Fällen, bei denen keine Beschränkungen hinsichtlich der Materialkosten bestehen, in Konzentrationen zugesetzt werden, die nicht zu einer Beeinträchtigung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit oder der mechanischen Eigenschaften führen. Andererseits sind Si und Cr als Elemente zur Verbesserung der Carburierungseigenschaften erstrebenswert, wenn die erwünschten Stähle kostengünstig ohne Beeinträchtigung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit hergestellt werden sollen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1A ist eine schematische Darstellung der Morphologie von Einschlüssen in einem Vergleichsstahl. 1B zeigt einen erfindungsgemäßen Stahl.
  • 2 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Verhältnis (A + B)/C und der durchschnittlichen Oberflächenrauigkeit der fertiggestellten Oberfläche für erfindungsgemäße Stähle und für Vergleichsstähle.
  • 3 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der durchschnittlichen Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche und der Werkzeugstandzeit für erfindungsgemäße Stähle und für Vergleichsstähle.
  • 4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Spanentsorgbarkeit und der Werkzeugstandzeit für erfindungsgemäße Stähle und für Vergleichsstähle.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • 1. "Wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid"
  • Ti bindet S, C, N und O unter Bildung von Ti-sulfid und Ti-carbosulfid mit chemischen Formeln, wie TiS und Ti4C2S2, sowie von Einschlüssen auf Ti-Basis, wie Ti-carbid, Ti-carbonitrid, Ti-nitrid und Ti-oxid der chemischen Formeln TiC, Ti(CN), TiN bzw. TiO. In einigen Fällen ist Ti in MnS gelöst und liegt als (Mn,Ti)S vor. Da jedoch die Löslichkeit von Ti in MnS gering ist, handelt es sich bei diesem Sulfid im wesentlichen um MnS.
  • Andererseits löst sich Ti gelegentlich nicht in MnS, sondern liegt als eine von MnS getrennte Phase vor. Dann liegt Ti in Form von TiC und/oder Ti(C,N) vor, nämlich in einer Form, die sich in der Zusammensetzung deutlich von MnS unterscheidet. Die Art, in der dieser Bestandteil vorliegt, ist unterschiedlich, z. B. im Nahbereich um ein Sulfid herum, oder von MnS umgeben.
  • 1A ist eine schematische Darstellung von Einschlüssen, die in einem Ti enthaltenden Automatenstahl für Vergleichszwecke vorliegen.
  • 1B ist eine entsprechende Darstellung in einem erfindungsgemäßen Automatenstahl. In dem in 1A darstellten Stahl liegen die unabhängig auftretenden Ti-sulfid- und/oder Ti-carbosulfid-Einschlüsse und solche Einschlüsse, bei denen der prozentuale Flächenanteil von Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid nicht weniger als 50 % beträgt, selbst wenn sie zusammen mit MnS vorliegen, und die im wesentlichen als Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid angesehen werden können, d. h. das vorerwähnte "wesentliche Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid", in großer Anzahl vor.
  • Auf der anderen Seite liegen im erfindungsgemäßen Stahl gemäß Darstellung in 1B die Einschlüsse, bei denen Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid am Umfang oder im Innern von MnS aufgenommen sind, nämlich "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" und "wesentliches MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonitrid" in großer Anzahl vor.
  • Sofern Ti-sulfid, Ti-carbosulfid, Ti-carbid, Ti-carbonitrid, Ti-nitrid, Ti-oxid und andere Einschlüsse in dem in 1B dargestellten Stahl jeweils in einer Form enthalten sind, die sich aus einer deutlichen Phasentrennung von MnS ergibt, werden die Einschlüsse, bei denen der prozentuale Flächenanteil von MnS nicht weniger als 50 % beträgt, jeweils im wesentlichen als ein MnS-Einschluss beurteilt, nämlich als "wesentlicher MnS"-Einschluss. Umgekehrt werden die Einschlüsse, bei denen der prozentuale Flächenanteil einer derartigen Einschlussverbindung auf der Basis von Ti oder eines Oxids, Nitrids, Carbids und dergl. auf der Basis eines anderen Elements nicht weniger als 50 % beträgt, nicht als "wesentliches MnS" angesehen, sondern werden als ein Einschluss auf Ti-Basis oder ein Einschluss auf der Basis eines Oxids, Nitrids, Carbids oder dergl. eines anderen Elements angesehen.
  • Unter den vorerwähnten MnS-Einschlüssen werden diejenigen, bei denen insbesondere Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid in einer Form eingeschlossen sind, die sich aus der deutlichen Phasentrennung von MnS ergibt und bei denen der prozentuale Flächenanteil von MnS nicht weniger als 50 % beträgt, als "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" definiert. Auf der anderen Seite umfasst "wesentliches MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonitrid" MnS in derartigen Einschlüssen, in denen jeweils ein derartiger Einschluss auf der Basis von Ti, der sich vom vorerwähnten Ti-carbid und Ti-carbonitrid unterscheidet, oder ein Oxid, Nitrid, Carbid oder eine derartige Verbindung auf der Basis eines anderen Elements und MnS in deutlich getrennten Phasen vorliegen, wobei die prozentuale Fläche von MnS nicht weniger als 50 % beträgt, und die im wesentlichen die Rolle von MnS spielen, sowie MnS, das vollständig frei von den vorerwähnten Einschlüssen auf Ti-Basis oder von Oxiden, Nitriden, Carbiden und dergl. auf der Basis eines anderen Elements ist. Somit stellt die Summe von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" und "wesentlichem MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonitrid" die Summe von Einschlüssen dar, die im wesentlichen als MnS angesehen werden (die vorerwähnte "wesentliche MnS"-Spezies), während die anderen Einschlüsse Einschlüsse auf Ti-Basis umfassen, wie Ti-sulfid, Ti-carbosulfid, Ti-carbid, Ti-carbonitrid, Ti-nitrid und Ti-oxid und andere Oxide, Carbide und Nitride und dergl. auf der Basis anderer Elemente.
  • Die vorerwähnte prozentuale Fläche von MnS und Einschlüssen auf Ti-Basis in einem Einschluss kann durch Flächenanalyse und quantitative Analyse unter Verwendung von EPMA (Elektronensonden-Mikroanalyser), EDX (Energiedispersions-Röntgenmikroanalyser) oder dergl. eines Mikrostruktur-Prüfkörpers ermittelt werden, wobei der Prüfkörper aus einem Rundstab, der einem Test unter spanabhebender Bearbeitung zu unterziehen ist, geschnitten worden ist. Das Vorliegen von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid", "wesentlichem MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonitrid" und anderen Einschlüssen kann durch die gleichen Verfahren bestätigt werden und die Gesamtfläche und die Anzahl an Einschlüssen kann durch Techniken, wie Bildanalyse, bestimmt werden, wobei in diesem Fall Messungen in einer Mehrzahl von Gesichtsfeldern so durchgeführt werden, dass die Summe der gesamten Beobachtungsflächen 1 mm2 übersteigen kann, wobei die Gesamtflächen und die Anzahl an jeweiligen Einschlüssen pro mm2 jeweils in die durchschnittliche Gesamtfläche bzw. die durchschnittliche Anzahl umgewandelt werden.
  • 2. Gründe, warum der Ausdruck (A + B)/C ≥ 0,8 erfüllt sein soll.
  • Im vorerwähnten Ausdruck (a) bedeutet A die Gesamtfläche, die durch "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" unter den Einschlüssen, die kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung sind, eingenommen wird. B bedeutet die Gesamtfläche, die durch "wesentliches MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" unter den Einschlüssen, die nicht kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung sind, eingenommen wird. Der Ausdruck "kreisäquivalenter Durchmesser" bedeutet den Durchmesser, der durch Umwandlung der Fläche eines Einschlusses, die sich durch die vorerwähnte Technik, z. B. durch Bildanalyse, ergibt, in einen Kreis mit der gleichen Fläche erhalten worden ist. Die Einschränkung "nicht kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser" wird angesetzt, da derartige Einschlüsse, die kleiner als 1 μm sind, einen geringen Einfluss auf die spanabhebende Bearbeitbarkeit ausüben.
  • Der vorstehend angegebene Ausdruck (a) zeigt, dass die Summe von A und B nicht weniger als 80 % der Gesamtfläche ausmachen darf, die von sämtlichen Einschlüssen, die nicht kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser sind, eingenommen wird. Obgleich innerhalb dieses Bereiches eine gute spanabhebende Bearbeitbarkeit erzielt werden kann, beträgt eine stärker bevorzugte Untergrenze 90 %. Ferner umfassen, wie vorstehend erwähnt, die Einschlüsse, die von den durch A und B wiedergegebenen Einschlüssen abweichen, in unabhängiger Weise vorliegende Nitride, Carbide, Oxide, "wesentliches Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid" und dergl. Somit zeigt der Ausdruck (a), dass die Gesamtfläche derartiger Einschlüsse, die von "wesentlichem MnS" abweichen, weniger als 20 % der Gesamtfläche (d. h. C im Ausdruck (a)), die von sämtlichen Einschlüssen eingenommen wird, ausmachen soll. Insbesondere macht die in Frage stehende Gesamtfläche weniger als 10 % aus.
  • Wenn Ti einem Stahl, der eine große Menge an S enthält, mit dem Ziel zur Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit zugesetzt wird, bildet Ti, das im Vergleich zu Mn eine stärkere Tendenz zur Sulfidbildung ausweist, leicht Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid. Jedoch hat der erfindungsgemäß angegebene Ausdruck (a) das Ziel, die Bildung von Ti-sulfid und Ti-carbosulfid unter der Annahme, dass Ti zugesetzt wird, zu verhindern. Der Grund hierfür ist, dass Ti-sulfid und Ti-carbosulfid die Pseudoschmierwirkung von MnS während der spanabhebenden Bearbeitung beeinträchtigen. Wenn die Pseudoschmierwirkung von MnS geschwächt wird, ist anzunehmen, dass die Reibungskraft zwischen dem Werkzeug und dem zu bearbeitenden Material zunimmt und eine Aufbauschneide an der Kante des Schneidewerkzeugs entsteht, woraus sich eine Beeinträchtigung der Rauigkeitseigenschaften der fertiggestellten Oberfläche ergibt. Daher muss die Bildung von Ti-sulfid und Ti-carbosulfid verhindert werden. Wenn somit, wie im Ausdruck (a) gezeigt, unabhängig voneinander "wesentliches Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid" im Stahl fast abwesend sind und "wesentliches MnS" nicht weniger als 80 % der im Stahl enthaltenen Einschlüsse ausmacht, lässt sich die Pseudoschmierwirkung während der spanabhebenden Bearbeitung erreichen.
  • Wenn somit der erfindungsgemäß angegebene Bereich der Stahlzusammensetzung eingehalten wird und der Ausdruck (a) erfüllt wird, lässt sich ein Stahl erhalten, der bei der endgültigen spanabhebenden Bearbeitung einen Grad der Oberflächenrauigkeit aufweist, der mit herkömmlichen bleihaltigen Automatenstählen und Verbundautomatenstählen zumindest vergleichbar ist. Wenn andererseits der Ausdruck (a) nicht erfüllt wird, lässt sich sogar dann, wenn die chemische Zusammensetzung innerhalb des erfindungsgemäß angegebenen Bereiches liegt, eine gute spanabhebende Bearbeitbarkeit nicht erreichen.
  • 3. Gründe, warum der Ausdruck NA ≥ 5 erfüllt sein sollte.
  • Im vorerwähnten Ausdruck (b) bedeutet NA "die Anzahl von wesentlichen MnS-Einschlüssen mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid unter den Einschlüssen mit weniger als 1 μm im kreisäquivalentem Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung". Der Ausdruck "wesentliche MnS-Einschlüsse mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" bedeutet die Einschlüsse, bei denen der prozentuale Flächenanteil an MnS jeweils nicht weniger als 50 % beträgt, wie vorstehend erwähnt wurde. Das "wesentliche MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" beeinträchtigt die Pseudoschmierwirkung nicht in wesentlichem Umfang, so dass sich kaum eine Aufbauschneide bildet und die Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche des der spanabhebenden Bearbeitung unterzogenen Materials nicht beeinträchtigt wird.
  • Wenn ein Stahl mit einem Gehalt an "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" unter Verwendung eines Carbidwerkzeugs im Hochgeschwindigkeitsbereich mit mehr als 100 m/min spanabhebend bearbeitet wurde, wurde bei genauer Betrachtung der Werkzeugoberfläche festgestellt, dass TiN an der Werkzeugoberfläche entstanden war. Vermutlich wird das harte TiN in laminarer Form mit einer Dicke von einigen Mikrometern bis zu Hunderten von Mikrometern an der Werkzeugoberfläche, die in Kontakt mit dem zu bearbeitenden Material kommt, gebildet, und zwar als Folge der Umsetzung und der Qualitätsänderung, die durch den auf die Reibung zurückzuführenden Temperaturanstieg auftreten. Das Vorliegen des harten TiN in laminarer Form kann durch eine Flächenanalyse und eine quantitative Punktanalyse durch AES (Auger-Elektronenspektroskopie) oder unter Anwendung von EPMA (Elektronensonden-Mikroanalyser) der Werkzeugoberfläche, die von kohlenstoffhaltigen Verunreinigungen (z. B. Ölen und Fetten und dergl.) durch Ar-Sputtering oder dergl. nach Beendigung der spanabhebenden Bearbeitung befreit worden ist, bestätigt werden. Dabei wurde festgestellt, dass die Oberfläche von TiN, das am Werkzeug haftet, 10 bis 80 % der Kontaktfläche zwischen dem zu bearbeitenden Material und dem Werkzeug bedeckt. Der Rest der Kontaktfläche zwischen dem zu bearbeitenden Material und dem Werkzeug wird durch MnS oder Fe bedeckt, das bei der spanabhebenden Bearbeitung haften bleibt, oder es handelt sich um eine Werkzeugoberfläche ohne jegliche daran haftende Bestandteile. Vermutlich verhindert das auf der Werkzeugoberfläche gebildete harte TiN einen Werkzeugabrieb, z. B. einen Thermodiffusionsabrieb und einen mechanischen Abrieb aufgrund der harten Einschlüsse, so dass sich eine deutlich längere Werkzeugstandzeit im Vergleich mit herkömmlichen rückgeschwefelten Automatenstählen und Pb enthaltenden Verbundautomatenstählen erzielen lässt.
  • Um die vorerwähnten Wirkungen zu erzielen, ist es lediglich erforderlich, dass nicht weniger als 5 Einschlüsse und vorzugsweise nicht weniger als 10 Einschlüsse, die aus "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" bestehen, pro mm2 einer Querschnittbeobachtungsfläche in Walzrichtung vorliegen.
  • Wenn auf der anderen Seite der Ausdruck (b) nicht erfüllt wird, so lässt sich selbst dann, wenn die chemische Zusammensetzung innerhalb des erfindungsgemäß angegebenen Bereiches liegt, eine gute spanabhebende Bearbeitbarkeit nicht erreichen.
  • In einem Stahl, bei dem die Formen der Einschlüsse die Ausdrücke (a) und (b) als Folge der Zugabe von Ti erfüllen, liegt MnS in sehr feiner Form vor. Somit ist die Anzahl der MnS-Einschlüsse sehr groß. Diese feinen MnS-Einschlüsse dienen als Spannungskonzentrationspunkte in während der spanabhebenden Bearbeitung gebildeten Spänen und fördern die Rissausbreitung in den Spänen, wodurch die Spanentsorgbarkeit verbessert wird.
  • Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass dann, wenn nicht weniger als 5 "wesentliche MnS-Einschlüsse mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" in stabiler Weise pro mm2 einer Querschnittbeobachtungsfläche in Walzrichtung im Stahl vorliegen und die Summe der Gesamtflächen von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" und "wesentlichem MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonitrid" pro mm2 der Beobachtungsquerschnittfläche in Walzrichtung nicht weniger als 80 % der Gesamtfläche sämtlicher Einschlüsse ausmachen, es möglich ist, eine Werkzeugstandzeit, Rauigkeitseigenschaften der fertiggestellten Oberfläche und eine Spanentsorgbarkeit zu erreichen, die mit den entsprechenden Eigenschaften von bleihaltigen Automatenstählen und Verbundautomatenstählen vergleichbar oder besser als diese sind. Um eine derartige Morphologie von Einschlüssen in stabiler Weise zu erreichen und um Stähle mit guter spanabhebender Bearbeitbarkeit kostengünstig durch Stranggießen oder ein ähnliches Verfahren zu erzeugen, ist es notwendig, das Gleichgewicht zwischen den Bestandteilen Mn, Ti, S und N zu berücksichtigen. Insbesondere sollten die folgenden Bedingungen eingehalten werden.
  • (a) Ti (%)/S ≤ 0,25
  • Wenn Ti in einer großen Menge relativ zur Menge an S zugesetzt wird, d. h. wenn das Ti/S-Verhältnis 0,25 übersteigt, liegen Ti-sulfid und Ti-carbosulfid in großen Mengen vor. Infolgedessen wird der Ausdruck (a) nicht erfüllt und die Pseudoschmierwirkung von MnS nimmt ab. Dabei steigt die Schneidekraft tendenziell an und es kommt leicht zur Bildung einer Aufbauschneide an der Kante des Schneidewerkzeugs, wodurch sich die Rauigkeitseigenschaften der Oberfläche bei der letzten spanabhebenden Bearbeitung und die Bearbeitungsgenauigkeit verschlechtern.
  • Wenn umgekehrt eine geringe Menge an Ti relativ zur Menge an S zugesetzt wird, d. h. wenn das Ti/S-Verhältnis nicht mehr als 0,25 beträgt, bildet Ti Ti-carbid oder Ti-carbonitrid, während "wesentliches Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid" in Form von unabhängigen Einschlüssen fast abwesend sind.
  • Während Ti-carbid und Ti-carbonitrid in verschiedenen Formen ausfallen, liegen sie an einigen Stellen in Form von Einschlüssen in MnS vor. Wird ein Stahl mit einem Gehalt an "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" unter Verwendung eines Carbid-Werkzeugs im Hochgeschwindigkeitsbereich spanabhebend bearbeitet, so lässt sich eine zufriedenstellende Werkzeugstandzeit erreichen. Somit soll das Ti (%)/S (%)-Verhältnis auf 0,25 oder darunter eingestellt werden, so dass die Bildung von einzeln vorliegenden Einschlüssen, die aus "wesentlichem Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid" bestehen, verhindert werden kann.
  • (b) Atomverhältnis zwischen Mn und S: [Mn]/[S] ≥ 1
  • S ist ein Element, dass bei der Stufe der Warmbearbeitung Risse verursacht. Wenn jedoch eine geeignete Zusammensetzung eingehalten wird, so dass die Bedingung erfüllt wird, dass das Atomverhältnis zwischen der Menge an Mn und S, nämlich das Verhältnis der Anzahl an Atomen (Molzahl) zwischen Mn und S nicht unter 1 liegt, d. h. [Mn]/[S] ≥ 1, kristallisiert Mn als MnS und es ergeben sich keine Probleme hinsichtlich der Warmbearbeitbarkeit, selbst wenn Ti (%)/S (%) ≤ 0,25. Unter der Annahme, dass der Stahl beispielsweise durch Stranggießen hergestellt wird, entsteht innerhalb des vorgenannten Bereiches kein Problem hinsichtlich der Warmbearbeitbarkeit, so dass es möglich ist, S in großen Mengen zuzusetzen und dadurch die Menge an MnS zu steigern, was zu einer Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit führt. Selbst bei hohen Anteilen an S wird die Morphologie von Einschlüssen, die durch die Ausdrücke (a) und (b) angegeben wird, nicht beeinträchtigt.
  • Wenn [Mn]/[S] < 1 gilt, werden hauptsächlich Sulfide aufgrund der reichlichen Auflösung von FeS in MnS und in TiS gebildet und die Warmbearbeitbarkeit lässt sich nicht weiter verbessern, es sei denn, es wird mehr Ti zugesetzt, und zwar in einer Menge, die die Menge an S übersteigt. Selbst wenn [Mn]/[S] < 1 gilt, kann eine Zugabe von Ti in einem Bereich, der die Menge an S übersteigt, die Warmbearbeitbarkeit nicht verbessern. In diesem Fall handelt es sich beim Hauptsulfidprodukt jedoch nicht um MnS, sondern vorwiegend um Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid, die härter sind als MnS, da Ti eine stärkere Tendenz zur Sulfidbildung als Mn aufweist. In diesem Fall lässt sich die auf weiches Sulfid zurückzuführende Pseudoschmierwirkung zwischen dem Werkzeug und dem zu bearbeitenden Material während der spanabhebenden Bearbeitung nicht erreichen, vielmehr nimmt die Schneidekraft zu, was zu einer Beeinträchtigung der Oberflächenrauigkeit führt, wie vorstehend erwähnt wurde. Somit ist es zur Erzielung eines die spanabhebende Bearbeitbarkeit verbessernden Einflusses von MnS und zur gleichzeitigen Erzielung einer guten Wärmeduktilität erstrebenswert, dass das Atomverhältnis zwischen den Mengen an Mn und S nicht weniger als 1 beträgt, d. h. [Mn]/[S] ≥ 1.
  • (c) Ti (%)/N (%) ≥ 1,35
  • Es stellt ein herausragendes Merkmal des erfindungsgemäßen Automatenstahls dar, dass er "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" enthält. In Fällen, bei denen Ti (%)/N (%) < 1,35 gilt, lässt sich dieses "wesentliche MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" nicht in ausreichender Menge erhalten. In derartigen Fällen wird angenommen, dass der Großteil des zugesetzten Ti als TiN in einem frühen Stadium der Verfestigung kristallisiert, so dass eine ausreichende Menge an Ti zur Bildung von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" nicht gewährleistet werden kann. Somit wird es angestrebt, dass das Verhältnis Ti(%)/N(%) nicht weniger als 1,35 beträgt und dass zur Erreichung des Ziels, in stabiler Weise "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" zu erhalten, das Verhältnis Ti(%)/N(%) vorzugsweise nicht unter 1,5 liegen soll.
  • 4. Gründe für die Einschränkung der chemischen Zusammensetzung
  • Nachstehend werden die Gründe für die erfindungsgemäß gemachte Einschränkung der chemischen Zusammensetzung zusammen mit den Wirkungen der entsprechenden Komponenten erläutert.
  • C: 0,05 bis weniger als 0,20 %
  • C ist ein wichtiges Element, das einen starken Einfluss auf die spanabhebende Bearbeitbarkeit ausübt. Ein C-Gehalt von 0,20 % oder mehr erhöht die Festigkeit des Stahls, beeinträchtigt aber dessen spanabhebende Bearbeitbarkeit, was den Stahl für Anwendungszwecke, bei denen die spanabhebende Bearbeitbarkeit als wichtig angesehen wird, ungeeignet macht. Bei einem C-Gehalt unter 0,05 % wird der Stahl jedoch übermäßig weich, was Rupfen während der spanabhebenden Bearbeitung ermöglicht und wodurch der Abrieb am Werkzeug gefördert wird und die Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche zunimmt. Somit liegt ein geeigneter Gehalt an C bei 0,05 bis unter 0,20 %. Ein noch geeigneterer C-Gehalt zur Erzielung einer besseren spanabhebenden Bearbeitbarkeit liegt im Bereich von 0,07-0,18 %.
  • Mn: 0,4-2,0 %
  • Mn ist ein wichtiges Element, das Sulfideinschlüsse mit S bildet und somit einen starken Einfluss auf die spanabhebende Bearbeitbarkeit ausübt. Bei einem Mn-Gehalt von weniger als 0,4 % ergibt sich eine unzureichende absolute Menge des Sulfids, so dass sich ein ausreichender Grad der spanabhebenden Bearbeitbarkeit nicht erreichen lässt. Da Mn ein Element darstellt, das die Härtbarkeit von Stählen erhöht, kann der Anteil an Mn erhöht werden, wenn die Erzielung guter Carburierungseigenschaften angestrebt wird. Jedoch ist es beim erfindungsgemäßen Stahl, der eine große Menge an S enthält, notwendig, dass er eine große Menge an Mn enthält, so dass das Mn zusammen mit S MnS bilden kann. Die Zugabe von Mn zur Verbesserung der Carburierungseigenschaften bedeutet eine weitere Erhöhung des Mn-Gehalts und ist daher im Hinblick auf die Herstellungskosten nicht erstrebenswert. Daher wird die Obergrenze für den Mn-Gehalt auf 2,0 % festgelegt. Bei einem Mn-Gehalt von mehr als 2,0 % nimmt die Festigkeit des Stahls zu und somit steigt die Schneidekraft an, was zu einer Verkürzung der Werkzeugstandzeit führt. Um die Schneidekraft weiter zu verringern und die Werkzeugstandzeit, die Spanentsorgbarkeit, die Rauigkeitseigenschaften der fertiggestellten Oberfläche und die Warmbearbeitbarkeit weiter zu verbessern, ist die Beziehung zum S-Gehalt von Bedeutung. Um daher diese Leistungsmerkmale zu erreichen, liegt der Mn-Gehalt vorzugsweise im Bereich von 0,6-1,8 %.
  • S: 0,4 bis 1,0 %
  • S ist ein Element, das zur Bildung von Sulfideinschlüssen mit Mn und somit zu einer wirksamen Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit befähigt ist. Die Wirkung von MnS zur Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit verstärkt sich mit der Zunahme der Menge an S, so dass die Auswahl des S-Gehalts wichtig ist. Bei einem S-Gehalt unter 0,21 % ist es unmöglich, eine ausreichende Menge an Sulfideinschlüssen zu erzielen, so dass keine zufriedenstellende spanabhebende Bearbeitbarkeit erwartet werden kann. Auf der anderen Seite beeinträchtigt ein S-Gehalt über 0,35 % im allgemeinen die Warmbearbeitbarkeit und fördert die Trennung von S im Zentrum des Stahlblocks und leitet eine Rissbildung beim Schmieden ein. Durch Aufrechterhaltung einer geeigneten Zusammensetzung ist es jedoch möglich, die Obergrenze auf 1,0 % zu erhöhen. Für eine Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit durch MnS bedient man sich einer Zugabe über 0,40 %. Jedoch führen übermäßige Zugabemengen zu einer Erhöhung der Herstellungskosten aufgrund einer Abnahmeausbeute. Daher beträgt die bevorzugte Obergrenze des S-Gehalts 0,70 %.
  • Ti: 0,002 bis weniger als 0,03 %
  • Ti ist ein unerlässliches und wichtiges Element zur Bildung von Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid mit N und/oder C, wodurch es zum Entstehen von MnS mit diesen Einschlüssen kommt. Wenn "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" im Stahl vorliegt, wird die Werkzeugstandzeit bei der spanabhebenden Hochgeschwindigkeitsbearbeitung unter Verwendung eines Carbid-Werkzeugs deutlich verbessert, wie vorstehend ausgeführt wurde. Um für das Vorliegen von derartigem MnS im Stahl zu sorgen, ist ein Ti-Gehalt von nicht weniger als 0,002 % erforderlich. Um es in stabiler Weise im Stahl zu dispergieren und um eine zufriedenstellende Werkzeugstandzeit ohne Beeinträchtigung des Rauigkeitsgrads der fertiggestellten Oberfläche zu erreichen, ist es erforderlich, das Gleichgewicht zwischen dem Ti-Gehalt und dem Gehalt an S und N zu berücksichtigen. Bei einem Ti-Gehalt über 0,10 % liegt "wesentliches Ti-sulfid und/oder Ti-carbosulfid" im Stahl vor und beeinträchtigt bei der letzten spanabhebenden Bearbeitung den Rauigkeitsgrad der fertiggestellten Oberfläche. Um in stabilerer Weise einen hochwertigen Rauigkeitsgrad der fertiggestellten Oberfläche zu erzielen, beträgt der Ti-Gehalt weniger als 0,03 %.
  • Wenn auf der anderen Seite der Ti-Gehalt weniger als 0,002 % beträgt, ist es unmöglich, "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" in einer für die Verbesserung der Werkzeugstandzeit ausreichenden Menge zu bilden. Zur Bildung von derartigem MnS in noch zuverlässigerer Weise und um dadurch die Standzeit des Carbid-Werkzeugs zu verbessern, wird ein Ti-Gehalt über 0,01 % angestrebt.
  • P: 0,001 – 0,30 %
  • P erhöht die Härtbarkeit des Stahls und erhöht gleichzeitig dessen Festigkeit. Zur Erzielung derartiger Wirkungen soll der P-Gehalt nicht unter 0,001 % liegen. Bei einem P-Gehalt von nicht mehr als 0,30 % lassen sich die Härtbarkeit und die Festigkeit ohne Beeinträchtigung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit sicherstellen. Bei einem P-Gehalt über 0,30 % ergibt sich eine übermäßig hohe Festigkeit und eine gewisse Beeinträchtigung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit. Ferner wird die Warmbearbeitbarkeit durch Förderung der Segregation im Stahlblock beeinträchtigt. Daher soll der P-Gehalt 0,001-0,30 % betragen. Ein bevorzugterer P-Gehalt zur stabilen Aufrechterhaltung einer hochwertigen spanabhebenden Bearbeitbarkeit und Festigkeit beträgt 0,005-0,13 %.
  • Al: nicht mehr als 0,2 % (die Zugabe kann entfallen)
  • Al wird als stark desoxidierendes Element verwendet und kann in einer Menge bis zu 0,2 % enthalten sein. Jedoch ist das bei der Desoxidation gebildete Oxid hart und bei einem Al-Gehalt von über 0,2 % entsteht dieses harte Oxid in großen Mengen, was die spanabhebende Bearbeitbarkeit verschlechtert. Daher wird ein Gehalt von nicht mehr als 0,1 % bevorzugt. In Fällen, bei denen eine ausreichende Desoxidation durch Zugabe von C und Mn möglich ist, kann die Zugabe von Al unterbleiben und der Al-Gehalt kann auf der Höhe von Verunreinigungen von nicht mehr als 0,002 % liegen.
  • O (Sauerstoff): 0,001 – 0,03 %
  • Wenn im Stahl eine geeignete Menge an Sauerstoff enthalten ist, löst er sich in MnS, was die Dehnung von MnS beim Walzen verhindert, wodurch die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften verringert wird, obgleich die Einflüsse von Sauerstoff im erfindungsgemäßen Stahl nicht durch den Desoxidationszustand beeinträchtigt werden. Ferner bewirkt Sauerstoff eine Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit und der Warmbearbeitbarkeit und verhindert auch die Segregation von S. Jedoch bewirkt ein O-Gehalt von mehr als 0,03 % Schwierigkeiten; beispielsweise verursacht er eine Beeinträchtigung und eine Schädigung des feuerfesten Materials bei der Schmelzstufe. Daher soll der Sauerstoffgehalt im Bereich von 0,001-0,03 % liegen. Ein bevorzugter Bereich zur einwandfreien Erzielung der vorstehenden Wirkungen beträgt 0,0015-0,01 %.
  • N: 0,0005-0,02 %
  • N bildet mit Al und/oder Ti harte Nitride. Diese Nitride bewirken die Bildung von feinerem Korn. Wenn N jedoch in großen Mengen vorhanden ist, fördern diese Nitride tendenziell den Abrieb des Werkzeugs und beeinträchtigen die spanabhebende Bearbeitbarkeit. Da Ti als eine wesentliche Komponente dem erfindungsgemäßen Stahl zugesetzt wird, soll der N-Gehalt so gering wie möglich sein. Jedoch kann zur Erzielung der vorgenannten Wirkung N in einer Konzentration von nicht unter 0,0005 % enthalten sein. Wenn andererseits der N-Gehalt zu hoch wird, kann es zur Bildung von grobem TiN kommen, das möglicherweise die spanabhebende Bearbeitbarkeit beeinträchtigt. Daher wird die Obergrenze des N-Gehalts auf 0,02 % festgelegt. Zur Gewährleistung einer besseren spanabhebenden Bearbeitbarkeit wird die Obergrenze des N-Gehalts vorzugsweise auf 0,015 % festgelegt. Da die vorliegende Erfindung die Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit durch das Vorliegen von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" anstrebt, ist es wünschenswert, dass der Gehalt an Ti und N die Bedingung Ti(%)/N(%) ≥ 1,35 erfüllt, so dass derartiges MnS in stabiler Weise im Stahl vorliegen kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass dann, wenn Ti(%)/N(%) < 1,35 gilt, der Großteil des zugesetzten Ti im frühen Stadium der Erstarrung TiN bildet und infolgedessen "wesentliches MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" nicht in stabiler Weise erhalten werden kann, wie vorstehend ausgeführt wurde.
  • Aufgrund der chemischen Zusammensetzung, die die Elemente umfasst, deren Gehalt auf die vorstehend angegebene Weise eingestellt wird, und der Morphologie der Einschlüsse den Ausdrücken (a) und (b) entspricht, lässt sich ein Automatenstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und hervorragender Beschaffenheit in bezug auf spanabhebende Bearbeitbarkeit, Warmbearbeitbarkeit und Eigenschaften der fertiggestellten Oberfläche erhalten.
  • Der erfindungsgemäße Automatenstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt kann ferner ein oder mehr Elemente enthalten, die aus mindestens einer Gruppe der nachstehend aufgeführten ersten bis dritten Gruppe ausgewählt sind (vergl. S. 8/9).
  • (1) Elemente der ersten Gruppe
  • Bei den Elementen der ersten Gruppe handelt es sich um Elemente, die zu einer weiteren Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit des Stahls ohne Beeinträchtigung der Wirkungen, die durch die erfindungsgemäße vorerwähnte Hauptzusammensetzung erreicht werden, befähigt sind. Daher können zur Erzielung einer weiter verbesserten spanabhebenden Bearbeitbarkeit ein oder mehr dieser Elemente im Stahl enthalten sein.
  • Se: 0,0005-0,10 % und Te: 0,0005-0,10 %
  • Se und Te bilden mit Mn Mn(S,Se) und Mn(S,Te). Diese Bestandteile spielen die gleiche Rolle wie MnS bei der Erzielung der Pseudoschmierwirkung während der spanabhebenden Bearbeitung. Daher handelt es sich bei Se und Te um Elemente, die eine Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit bewirken. Sie können zur Erzielung einer weiteren Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit im Stahl in den vorgenannten jeweiligen Bereichen enthalten sein. Wenn ihr Anteil unter 0,0005 % liegt, sind ihre Einflüsse nicht signifikant. Auf der anderen Seite erreicht bei einem Wert über 0,10 % nicht nur der Einfluss von Se und Te jeweils einen Sättigungspunkt, sondern ihre Zugabe wird auch unwirtschaftlich und es kommt zu einer Beeinträchtigung der Warmbearbeitbarkeit. Um gleichzeitig eine gute Warmbearbeitbarkeit und eine stabilere spanabhebende Bearbeitbarkeit zu erreichen, beträgt die Zugabemenge der einzelnen Elemente vorzugsweise 0,0010-0,05 %.
  • Sn: 0,01-0,3 %
  • Sn bewirkt eine Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit des Stahls. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass es während der spanabhebenden Bearbeitung in Form von niedrigschmelzenden Metalleinschlüssen, ähnlich wie Pb, eine Schmierwirkung hervorruft. Um diese Wirkung zu erreichen, wird der Anteil an Sn vorzugsweise auf nicht weniger als 0,01 % eingestellt. Bei einer Zugabemenge von Sn über 0,30 % erreicht diese Wirkung nicht nur einen Sättigungspunkt, sondern es kommt auch zu einer Beeinträchtigung der Warmbearbeitbarkeit. Um gleichzeitig eine gute Warmbearbeitbarkeit und eine stabilere spanabhebende Bearbeitbarkeit zu erreichen, beträgt die Zugabemenge an Sn vorzugsweise 0,03-0,1 %.
  • Ca: 0,0001-0,01 %
  • Ca weist eine hohe Affinität für S und O (Sauerstoff) auf und bildet im Stahl das entsprechende Sulfid und Oxid. Ferner löst sich Ca in MnS unter Bildung von (Mn,Ca)S, wobei die Menge an darin löslichem Ca gering ist, so dass die Einschlüsse von MnS nicht beeinträchtigt werden. Bei dem durch Ca gebildeten Oxid handelt es sich um ein Oxid mit niedrigem Schmelzpunkt, so dass Ca ein zusätzliches Element darstellt, das eine weitere Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit des erfindungsgemäßen Stahls bewirkt. Um die spanabhebende Bearbeitbarkeit durch Zugabe von Ca zu verbessern, wird die Untergrenze des Ca-Gehalts vorzugsweise auf 0,0001 % eingestellt. Da jedoch die Wirkung von zusätzlichem Ca gering ist, ist die Zugabe großer Mengen an Ca erforderlich, was aber in bezug auf die Herstellungskosten ungünstig ist. Daher wird die Obergrenze des Ca-Gehalts auf 0,01 % festgelegt. Eine bevorzugte Obergrenze beträgt 0,005 %.
  • Mg: 0,0001-0,005 %
  • Mg hat eine hohe Affinität für S und O (Sauerstoff) im Stahl und bildet das entsprechende Sulfid und Oxid. Das Mg enthaltende Sulfid und Oxid wirken als Nukleisierungsmittel bei der Kristallisation von MnS und verhindern die Dehnung von MnS. Wenn derartige Wirkungen angestrebt werden, kann Mg zugesetzt werden. Um diese Wirkungen in ausreichendem Maße zu erreichen, wird die Untergrenze für den Mg-Gehalt vorzugsweise auf nicht unter 0,0001 % festgelegt. Da jedoch das durch Mg gebildete Oxid hart ist, beeinträchtigt ein übermäßig hoher Mg-Gehalt die spanabhebende Bearbeitbarkeit. Daher wird die Obergrenze des Mg-Gehalts auf 0,005 % festgelegt. Eine bevorzugte Obergrenze zur Verhinderung der Dehnung von MnS und zur gleichzeitigen Erzielung einer guten spanabhebenden Bearbeitbarkeit beträgt 0,002 %.
  • B: 0,0002-0,02 %
  • B bindet O (Sauerstoff) oder N unter Bildung des Oxids oder Nitrids und bewirkt eine Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit, so dass es je nach Bedarf zugesetzt werden kann. Um diese Wirkung zu erzielen, ist ein B-Gehalt von Nicht unter 0,0002 % erforderlich. Um eine noch stärkere Wirkung zu erzielen, wird eine Konzentration von nicht unter 0,0010 % angestrebt. Bei einem B-Gehalt über 0,02 % erreicht diese Wirkung einen Sättigungspunkt und außerdem wird die Warmbearbeitbarkeit in gewissem Maße beeinträchtigt.
  • Seltenerdelemente: 0,0005-0,02 %
  • Seltenerdelemente stellen eine Gruppe von Elementen dar, die als Lanthanoide eingestuft werden. Bei ihrer Zugabe entstehen als Hauptkomponenten Mischmetall- oder ähnliche Produkte. Der Anteil an Seltenerdelementen wird als Gesamtgehalt von einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe der Seltenerdelemente angegeben. Die Seltenerdelemente bilden mit Sauerstoff Oxide und binden auch S unter Bildung von Sulfiden. Sie verbessern dabei die spanabhebende Bearbeitbarkeit. Um eine Wirkung zu erzielen, soll ihr Anteil nicht unter 0,0005 % liegen. Jedoch erreicht diese Wirkung bei Anteilen über 0,02 % einen Sättigungspunkt. Ferner ist die Wirkung der Zugabe von Seltenerdelementen gering, wobei auch die Zugabe von Seltenerdelementen in großen Mengen unwirtschaftlich ist.
  • (2) Elemente der zweiten Gruppe
  • Die Elemente der zweiten Gruppe bewirken alle eine Erhöhung der Festigkeit des Stahls. Der Stahl kann je nach Bedarf eines oder mehrere dieser Elemente enthalten.
  • Cu: 0,01-1,0 %
  • Cu bewirkt eine Verbesserung der Festigkeit des Stahls durch Fällungshärtung. Um diese Wirkung zu erzielen, ist ein Cu-Gehalt nicht unter 0,01 % erforderlich und eine Zugabemenge von nicht unter 0,1 % ist erstrebenswert. Jedoch kommt es bei einem Cu-Gehalt über 1,0 % zu einer Beeinträchtigung der Warmbearbeitbarkeit. Außerdem erreicht die vorgenannte Wirkung einen Sättigungspunkt aufgrund der Vergröberung der Cu-Präzipitate. Dies führt zusätzlich zu einer Verringerung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit.
  • Ni: 0,01-2,0 %
  • Ni bewirkt eine Verbesserung der Festigkeit des Stahls durch Mischkristallverfestigung. Um eine Wirkung zu erzielen, liegt sein Anteil vorzugsweise nicht unter 0,01 %. Bei einem Ni-Gehalt über 2,0 % kommt es jedoch zu einer Beeinträchtigung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit und gleichzeitig zu einer Beeinträchtigung der Warmbearbeitbarkeit.
  • Mo: 0,01-0,5 %
  • Mo ist ein Element, das eine Verbesserung der Härtbarkeit bewirkt. Wenn jedoch Mo in einer Menge zugesetzt wird, die eine gleichwertige Carburierungswirkung wie bei Zugabe von Si und/oder Cr hervorruft, nehmen die Herstellungskosten in nachteiliger Weise zu, da Mo teurer als Si oder Cr ist. Jedoch bewirkt Mo auch die Ausbildung einer feineren Mikrostruktur und eine Verbesserung der Zähigkeit, so dass dann, wenn diese Wirkungen angestrebt werden, Mo zugesetzt werden kann. Um die Wirkungen zu erzielen, ist ein Mo-Gehalt von nicht unter 0,01 % erstrebenswert, jedoch erreichen die Wirkungen bei Anteilen über 0,5 % einen Sättigungspunkt und außerdem nehmen dann die Kosten der Stahlerzeugung zu.
  • V: 0,005-0,5 %
  • V fällt in Form von feinen Nitriden oder Carbonitriden aus und verbessert die Festigkeit des Stahls. Diese Wirkung kann bei einem V-Gehalt von nicht weniger als 0,005 % erreicht werden, wobei aber ein V- Gehalt von nicht unter 0,01 % bevorzugt wird. Bei einem V-Gehalt über 0,5 % erreicht diese Wirkung jedoch einen Sättigungspunkt und außerdem führt eine übermäßige Bildung von Nitrid und/oder Carbid zu einer Verringerung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit.
  • Nb: 0,005-0,5 %
  • Nb fällt in Form von feinen Nitriden oder Carbonitriden aus und verbessert die Festigkeit des Stahls. Diese Wirkung kann bei einem Nb-Gehalt von nicht unter 0,005 % erreicht werden, wobei aber ein Nb-Gehalt von nicht weniger als 0,01 % bevorzugt wird. Bei einem Nb-Gehalt über 0,5 % erreicht diese Wirkung jedoch einen Sättigungspunkt und außerdem führt eine übermäßige Bildung von Nitrid und/oder Carbid zu einer Verringerung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit, wobei ferner die Nb-Zugabe in einer derartigen Höhe unwirtschaftlich ist.
  • (3) Elemente der dritten Gruppe
  • Von den Elementen der dritten Gruppe können eines oder beide im Stahl enthalten sein, wenn die Carburierungseigenschaften verbessert werden sollen.
  • Si: 0,1-2,0 %
  • Im erfindungsgemäßen Automatenstahl gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 erfolgt keine positive Zugabe von Si. Der Grund hierfür ist, dass Si eine der Verunreinigungen darstellt, und der Si-Gehalt weniger als 0,1 % beträgt. Im Fall des erfindungsgemäßen Automatenstahls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 wird in einigen Fällen Si als Desoxidationsmittel zugesetzt, um den Sauerstoffgehalt im Stahl auf ein geeignetes Niveau einzustellen. Auch in diesen Fällen ist es nicht erforderlich, dass Si in positiver Weise verbleibt. Die Si-Reste im Stahl stellen eine Verunreinigung dar und ihr Anteil liegt unter 0,1 %.
  • Durch eine Lösung in Ferrit bewirkt Si eine Verbesserung der Festigkeit des Stahls und auch eine Verbesserung der Härtbarkeit des Stahls. Durch Erhöhung der Härtbarkeit des Stahls wird es möglich, auch die Carburierungseigenschaften, die bei der Herstellung von Kraftfahrzeugteilen angestrebt werden, zu verbessern. Nur in diesem Fall kann Si in einem Anteil von nicht unter 0,1 % zugegeben werden. Um eine zuverlässigere Verbesserung der Carburierungseigenschaften zu erreichen, ist ein Anteil von mehr als 0,6 % erstrebenswert. Bei einem Si-Anteil über 2,0 % wird jedoch die spanabhebende Bearbeitbarkeit beeinträchtigt, wobei beispielsweise die Warmbearbeitbarkeit sich verschlechtert und die Schneidekraft zunimmt, was auf die Mischkristallhärtung der Ferritphase zurückzuführen ist. Auch dann, wenn der Si-Gehalt auf einem Verunreinigungsniveau unter 0,1 % liegt, kann der Sauerstoffgehalt im Stahl durch eine geeignete Zugabemenge an C, Mn und/oder Al eingestellt werden.
  • Cr: 0,03-1,0 %
  • Cr ist ein Element, das zur Verbesserung der Carburierungseigenschaften befähigt ist, wodurch bei Zugabe von zusätzlichen kleinen Mengen die Härtbarkeit des Stahls erhöht wird. Der Stahl zeigt bei einem Gehalt an Cr verbesserte Carburierungseigenschaften, wobei die Härte der Carburierungsschicht nach der Carburierungsbehandlung hoch ist und die effektive Härtungstiefe vergrößert werden kann. Um derartige Wirkungen zu erzielen, soll der Cr-Gehalt auf nicht weniger als 0,03 % festgelegt werden, und wenn noch zuverlässigere Verbesserungen der Carburierungseigenschaften angestrebt werden, ist ein Gehalt von mehr als 0,05 % wünschenswert. Jedoch ergibt sich bei einem Cr-Gehalt von mehr als 1,0 % eine Beeinträchtigung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit und eine Zunahme der Herstellungskosten.
  • Wenn die vorstehenden Bestandteile Si und/oder Cr enthalten sind, wird es möglich, einen Stahl mit guter spanabhebender Bearbeitbarkeit und Warmbearbeitbarkeit zu erhalten, der ferner gute Carburierungseigenschaften zeigt.
  • Beispiele
  • 1. Herstellung von Prüfkörpern
  • Unter Verwendung eines Hochfrequenz-Induktionsofens wurden 150 kg-Stahlblöcke (Durchmesser etwa 220 mm) mit verschiedenen Zusammensetzungen gemäß den Angaben in den Tabellen 1 und 2 hergestellt. Die erfindungsgemäßen Stähle sind in Tabelle 1 aufgeführt und die herkömmlichen Stähle und Vergleichsstähle in Tabelle 2.
  • Zur stabilen Bildung von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" wurden diese Stahlblöcke auf 1250 °C erwärmt und 2 Stunden oder länger bei dieser Temperatur belassen. Anschließend wurde zur Simulation des Walzvorgangs ein Schmiedevorgang bei einer Endtemperatur nicht unter 1000 °C durchgeführt. Anschließend wurden die Schmiedeteile an der Luft abgekühlt. Man erhielt Rundstäbe mit einem Durchmesser von 65 mm. Diese geschmiedeten Stäbe wurden durch Erwärmen auf 950 °C spannungsfrei geglüht und 1 Stunde bei dieser Temperatur belassen, woran sich eine Abkühlung an der Luft anschloss.
  • Die Vergleichsstähle Nr. 51 bis 53 wiesen eine schlechte Warmbearbeitbarkeit auf und es kam beim Schmieden zur Rissbildung, was es unmöglich machte, daraus geschmiedete Stäbe herzustellen. Daher wurden die anschließenden Untersuchungen an diesen Objekten nicht durchgeführt.
  • Figure 00310001
  • Figure 00320001
  • Figure 00330001
  • Figure 00340001
  • 2. Untersuchung der Morphologie von Einschlüssen
  • Zahlreiche Einschlüsse, die in einem Querschnitt parallel zur Walzrichtung beobachtet werden, zeigen eine in Walzrichtung längliche Form oder eine unspezifische Form. Bei der Untersuchung der Anzahl von Einschlüssen und der von ihnen besetzten Fläche wurden Prüfkörper für die mikroskopische Betrachtung von jedem der geschmiedeten Stäbe an einer Stelle, die der Position Df/4 (Df: Durchmesser des geschmiedeten Stabs) in der Längsschnittrichtung entsprach, entnommen, in ein Harz eingebettet und nach Hochglanzpolieren unter einem optischen Mikroskop mit 400-facher Vergrößerung fotografiert.
  • Die einzelnen photographischen Aufnahmen wurden durch Bildbearbeitung betrachtet und die Anzahl an Einschlüssen und die von ihnen besetzte Fläche wurden bestimmt. Einschlüsse, die nicht kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser (bei Umwandlung der Fläche der einzelnen Einschlüsse in einen Kreis mit der gleichen Fläche) waren, wurden als Ziele herangezogen. Der Grund für die Einschränkungen der Ziele auf solche mit einem kreisäquivalenten Durchmesser von nicht kleiner als 1 μm besteht darin, dass Einschlüsse, die kleiner als 1 μm sind, keinen wesentlichen Einfluss auf die spanabhebende Bearbeitbarkeit ausüben, wie vorstehend ausgeführt wurde.
  • Die Zusammensetzung dieser Einschlüsse wurde auf die nachstehend angegebene Weise bestätigt. Wie vorstehend erwähnt, wurden die einzelnen Prüfkörper für die mikroskopische Betrachtung hergestellt, indem aus dem geschmiedeten Stab an einer Stelle, die Df/4 (Df ist der Durchmesser des jeweiligen geschmiedeten Stabs) in Längsquerschnittrichtung entsprach, ausgeschnitten, in ein Harz eingebettet, hochglanzpoliert und sodann einer Flächenanalyse und einer quantitativen Analyse unter Verwendung eines EPMA-Geräts (Elektronensonden-Mikroanalysator), eines EDX-Geräts (energiedispersives Röntgenspektroskop) und dergl. unterworfen. Die Vergrößerung für die Betrachtung wies einen Bereich, der 10000-fach nicht überstieg, auf. Bei der gewählten Vergrößerung für die Betrachtung entspricht ein Einschluss, bei dem MnS und Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid in deutlich getrennten Phasen festgestellt wurden, und bei denen der prozentuale Flächenanteil von MnS nicht kleiner als 50 % war, einem "wesentlichen MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid".
  • Auf der Grundlage dieser Beobachtungsergebnisse wurden die Flächen von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti- carbonitrid" und "wesentlichem MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" für individuelle Einschlüsse mit einem kreisäquivalenten Durchmesser von nicht weniger als 1 μm bestimmt. Anschließend wurden die Summen der Flächen dieser Einschlüsse pro mm2 in Walzrichtung und die Summe der von diesen Einschlüssen im Schnitt besetzten Flächen pro mm2 in der Walzrichtung berechnet. Anschließend wurde der Wert (A + B/C) berechnet.
  • Aus den auf diese Weise erhaltenen Ergebnissen wurde die Anzahl an Einschlüssen, die aus "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" bestanden, bestimmt. Wenn die durchschnittliche Anzahl pro mm2 des Schnitts in Walzrichtung mehr als 5 betrug, wurde der entsprechende Stahl mit "O" bewertet. Wenn umgekehrt die Anzahl der Einschlüsse, die aus "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid" bestanden, weniger als 5 betrug, wurde der entsprechende Stahl mit "X" bewertet. Bei den Vergleichsstählen Nr. 35-37 in Tabelle 2 handelt es sich um Ti-freie, bleihaltige oder rückgeschwefelte Automatenstähle. Sie sind im wesentlichen frei von "wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid", so dass diese Berechnungen nicht durchgeführt wurden.
  • 3. Test der spanabhebenden Bearbeitbarkeit
  • Beim Test auf spanabhebende Bearbeitbarkeit wurden die geschmiedeten Stäbe jeweils auf der Außenseite durch spanabhebende Bearbeitung zu einem Rundstab mit einem Durchmesser von 60 mm bearbeitet und Tests auf Werkzeugstandzeit und Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche unterworfen. Der Test auf Werkzeugstandzeit wird unter Verwendung eines unbeschichteten JIS P20-Carbid-Werkzeugs unter den folgenden Trocken-Drehbedingungen durchgeführt:
    Schneidegeschwindigkeit: 150 m/min
    Vorschub: 0,10 mm/Umdrehung und
    Schneidetiefe: 2,0 mm
  • Dreißig Minuten nach Beginn des Drehens unter den vorstehenden Bedingungen wurde der durchschnittliche Verschleiß der Freifläche (VB) gemessen. Bei Prüfkörpern, die innerhalb von 30 Minuten einen durchschnittlichen Verschleiß der Freifläche von nicht weniger als 200 μm zeigten, wurden die zum Erreichen eines derartigen Verschleißes erforderliche Zeitspanne und der durchschnittliche Verschleiß der Freifläche (VB) zu diesem Zeitpunkt für jeden einzelnen Prüfkörper gemessen.
  • Die Bewertung der Werkzeugstandzeit wurde durchgeführt, indem die Zeitspanne, die bis zum Erreichen eines durchschnittlichen Verschleißes der Freifläche (VB) von 100 μm erforderlich war, gemessen wurde. Wenn der Prüfkörper während des Tests aufgrund seiner besseren Unterdrückung des Werkzeugverschleißes und der äußerst langsamen Verschleißgeschwindigkeit des Werkzeugs zu klein wurde, wurde die Zeitspanne, die zum Erreichen eines durchschnittlichen Verschleißes der Freifläche von 100 μm erforderlich war, durch Regression aus der Drehzeit-Werkzeugverschleiß-Kurve berechnet. Die Spanentsorgbarkeit wurde bewertet, indem 200 repräsentative Späne, von den vom Prüfkörper abgegebenen Spänen gesammelt wurden, deren Masse bestimmt wurde und die Anzahl an Spänen pro Masseeinheit berechnet wurde.
  • Da die Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche als Oberflächenrauigkeit nach der spanabhebenden Bearbeitung bewertet wurde, wurde die Oberfläche der einzelnen bearbeiteten Materialien nach der unter den folgenden Bedingungen durchgeführten spanabhebenden Bearbeitung unter Verwendung eines vielseitigen Instruments für die Bewertung der Oberflächentextur bewertet. Der Test für die Bewertung der Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche wurde unter Verwendung eines TiAIN-Mehrschichtüberzug-JIS K-Typ-Carbid-Werkzeugs durchgeführt. Der Schneidevorgang wurde durch Nassdrehen unter Verwendung eines Schmieröls vom wässrigen Emulsionstyp unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
    Schneidegeschwindigkeit: 100 m/min
    Vorschub: 0,05 mm/Umdrehung und
    Schneidetiefe: 0,5 mm
  • Die einzelnen getesteten Stähle wurden unter diesen Bedingungen 1 min spanabhebend bearbeitet und der sich ergebende Prüfkörper wurde in bezug auf die Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche durch Messen der durchschnittlichen Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche (Ra) bewertet, wobei die Nadel des Mehrzweckinstruments zur Bewertung der Oberflächentextur in axialer Richtung bewegt wurde.
  • 4. Test auf Warmbearbeitbarkeit
  • Die Warmbearbeitbarkeit wurde auf die nachstehend angegebene Weise bewertet. Um die Herstellungsbedingungen einer Stranggießanlage zu simulieren, wurde ein Prüfkörper mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Höhe von 130 mm jeweils aus einem Stahlblock von 150 kg zur Durchführung eines Hochtemperatur-Zugtests entnommen. Der Stahlblock wurde auf die vorstehend angegebene Weise hergestellt. Der Prüfkörper wurde in Richtung der Höhe des Stahlblocks so entnommen, dass das Prüfkörperzentrum sich nahe an der Oberfläche des Stahlblocks befand, nämlich an einer Stelle von Di/8 (Di: Durchmesser des Stahlblocks). Der Prüfkörper wurde 5 min auf 1250 °C durch Direktladung mit elektrischem Strom in einem Fixierungsabstand von 110 mm erwärmt und mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 10 °C/sec auf 1100 °C abgekühlt. Nach einer Aufrechterhaltungszeit der Temperatur von 1100 °C von 10 sec. Wurde der Zugtest mit einer Dehnungsgeschwindigkeit von 10-3/sec durchgeführt. Beim Zugtest wurde die Verringerung der Fläche an der Bruchstelle bestimmt und die Warmbearbeitbarkeit wurde auf der Grundlage dieses Ergebnisses bewertet.
  • 5. Carburierungstest
  • Der Carburierungstest wurde auf die nachstehend angegebene Weise durchgeführt. Ein zylindrisches Stahlmaterial mit einem Durchmesser von 24 mm und einer Länge von 50 mm wurde als Prüfkörper verwendet. Diese wurden von jedem der vorerwähnten spannungsfrei geglühten Materialien mit einem Durchmesser von 65 mm an einer Stelle von R/2 entnommen (R: Radius des spannungsfrei geglühten Materials). Dieser Prüfkörper wurde auf 900 °C für die Carburierungsbehandlung und anschließend auf 850 °C für die Diffusionsbehandlung erwärmt. Bei der vorerwähnten Carburierungsstufe betrug der Wert des Kohlenstoffpotentials (C. P.) 0,8 % und die Behandlungszeit betrug 75 Minuten. Der C. P.-Wert während der Diffusionsbehandlung betrug 0,7 % und die Behandlungszeit 20 Minuten. Der Prüfkörper wurde nach der Carburierungsbehandlung zur Durchführung eines Abschreckvorgangs in einem Ölbad von 80 °C gekühlt. Schließlich wurde der Prüfkörper auf 190 °C erwärmt und für die Temperungsbehandlung 60 Minuten bei dieser Temperatur belassen. Das Verfahren zur Bewertung der Carburierungseigenschaften wurde folgendermaßen durchgeführt.
  • Der Prüfkörper wurde nach dem Carburieren, Abschrecken und Tempern einer Messung der Verteilung der Vickers-Härte von der Oberfläche in das Innere in Querschnittrichtung in einem Abstand von 25 mm vom Ende des Prüfkörpers (nämlich das Zentrum in Längsrichtung) unterzogen. Die effektive Einsatzhärtungstiefe nach der Carburierung entsprechend Hv 400 wurde bestimmt und es wurde eine Beurteilung durchgeführt, ob der Wert größer oder kleiner als der Wert war, der mit einem herkömmlichen, mit Blei versetzten herkömmlichen Verbundautomatenstahl erzielt wurde. Bei dem mit Blei versetzten herkömmlichen Verbundautomatenstahl handelte es sich um den Stahl Nr. 25 von Tabelle 2. Seine wirksame Einsatzhärtungstiefe nach der Carburierung betrug 0,25 mm.
  • Bei der Bewertung der Carburierungseigenschaften wurde der Stahl, der nach der Carburierung eine wirksame Einsatzhärtungstiefe von ± 0,05 mm, bezogen auf den Stahl Nr. 35 aufwies, nämlich 0,20-0,30 mm, als gleichwertig bewertet, ein Stahl mit einem Wert von weniger als 0,20 mm als schlechter und ein Stahl mit einem Wert von mehr als 0,30 mm als besser. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 3 und Tabelle 4 als O, X oder
    Figure 00390001
    aufgeführt. Gleichwertigkeit wird mit "0" wiedergegeben, eine schlechtere Beschaffenheit mit "X" und eine bessere Beschaffenheit mit "
    Figure 00390002
    ".
  • Die Ergebnisse der vorstehenden Tests sind in Tabelle 3 und Tabelle 4 zusammengefasst. Ferner ist die Beziehung zwischen (A + B)/C im Ausdruck (a) und der Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche in 2 dargestellt. Die Beziehung zwischen der Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche und der Werkzeugstandzeit ist in 3 dargestellt. Die Beziehung zwischen der Spanentsorgbarkeit und der Werkzeugstandzeit ist in 4 dargestellt. Tabelle 3
    Figure 00400001
    Tabelle 4
    Figure 00410001
  • In Tabelle 2 handelt es sich bei den Stählen Nr. 35 und 36 um Verbundautomatenstähle und beim Stahl Nr. 37 um einen rückgeschwefelten Automatenstahl. Derzeit werden diese Stähle als Produkte mit der besten spanabhebenden Bearbeitbarkeit angesehen. Wie aus Tabelle 3, Tabelle 4, 2 und 3 hervorgeht, sind die erfindungsgemäßen Stähle in bezug auf Werkzeugstandzeit und Rauigkeit der fertiggestellten Oberfläche überlegen. Ferner sind die erfindungsgemäßen Stähle 3, 5, 9 bis 11, 13, 14, 17 bis 19, 21, 23, 24, 26, 27, 29, 30 und 34 mit einer guten Warmbearbeitbarkeit ausgestattet und zumindest vergleichbar mit den Verbundautomatenstählen und rückgeschwefelten Stählen, wie aus Tabelle 3 aufgrund der Verringerung der Fläche beim Hochtemperatur-Zugtest, der die praktischen Herstellungsbedingungen in einer Stranggießanlage oder dergl. simuliert, hervorgeht. Sie erweisen sich somit unter praktischen Gesichtspunkten als problemfrei.
  • Die erfindungsgemäßen Stähle Nr. 13, 14 und 17 gemäß Tabelle 1 enthalten mindestens einen der Bestandteile Si und Cr innerhalb des angegebenen Mengenbereiches, um die Carburierungseigenschaften zu verbessern. Es ist ersichtlich, dass diese Stähle hochwertige Carburierungseigenschaften zeigen, insbesondere unter den erfindungsgemäßen Stählen.
  • Andererseits erweisen sich die Stähle 35-55 in Tabelle 2, bei denen eine oder mehrere Bedingungen bezüglich der Morphologie der Einschlüsse und der chemischen Zusammensetzung, die erfindungsgemäß angegeben werden, nicht erfüllt sind, mindestens bezüglich eines der folgenden Punkte gegenüber den erfindungsgemäßen Stählen als unterlegen: Werkzeugstandzeit, Rauigkeitsgrad der fertiggestellten Oberfläche, Spanentsorgbarkeit und Warmbearbeitbarkeit.
  • Obgleich vorstehend nur einige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben wurden, ist es für den Fachmann leicht ersichtlich, dass zahlreiche Modifikationen an diesen beispielhaften Ausführungsformen möglich sind, ohne wesentlich von der neuen Lehre und den Vorteilen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demzufolge fallen alle derartigen Modifikationen unter den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.
  • Gewerbliche Verwertbarkeit
  • Der erfindungsgemäße Automatenstahl erweist sich trotz seiner bleifreien Zusammensetzung in bezug auf spanabhebende Bearbeitbarkeit gegenüber herkömmlichen, bleihaltigen Automatenstählen und Verbundautomatenstählen als gleichwertig oder überlegen. Ferner erweisen sich die erfindungsgemäßen Stähle in bezug auf die Eigenschaften der fertiggestellten Oberfläche als hervorragend. Wenn der erfindungsgemäße Automatenstahl Si und/oder Cr enthält, zeigt er hochwertige Carburierungseigenschaften. Ferner erweist sich der Stahl als hervorragend in bezug auf die Warmbearbeitbarkeit und lässt sich durch Stranggießen kostengünstig herstellen. Da er kein Pb enthält, führt er nicht zu Umweltproblemen. Daher eignet er sich sehr gut als Ausgangsmaterial für verschiedene Maschinenteile.

Claims (5)

  1. Automatenwalzstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, umfassend (in Masseprozent) C: 0,05 bis weniger als 0,20 %, Mn: 0,4 bis 2,0 %, S: mehr als 0,40 bis 1,0 %, Ti: 0,002 bis weniger als 0,03 %, 2:0,001 bis 0,30 %, Al: nicht mehr als 0,2 %, O (Sauerstoff): 0,001 bis 0,03 % und N: 0,0005 bis 0,02 % und gegebenenfalls mindestens ein Element, das aus mindestens einem der Elemente der ersten, zweiten und dritten Gruppe von Elementen gemäß den nachstehenden Angaben ausgewählt ist, wobei es sich beim Rest um Fe und Verunreinigungen handelt und wobei die nachstehenden Beziehungen (a) und (b) bezüglich der im Stahl enthaltenen Einschlüsse erfüllt sind: (A + B)/C ≥ 0,8 (a) NA ≥ 5 (b)wobei in den Beziehungen (a) und (b) A, B, C und NA die folgenden Bedeutungen haben: A: die Gesamtfläche, die von wesentlichem MnS mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid unter den Einschlüssen, die nicht kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung sind, eingenommen wird; B: die Gesamtfläche, die von wesentlichem MnS ohne darin eingeschlossenes Ti-carbid oder Ti-carbonitrid unter den Einschlüssen mit weniger als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung eingenommen wird; C: die Gesamtfläche, die von sämtlichen Einschlüssen, die nicht kleiner als 1 μm im kreisäquivalenten Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung sind, eingenommen wird; NA: die Anzahl von wesentlichen MnS-Einschlüssen mit darin eingeschlossenem Ti-carbid und/oder Ti-carbonitrid unter den Einschlüssen mit weniger als 1 μm kreisäquivalentem Durchmesser pro mm2 eines Querschnittes parallel zur Walzrichtung; erste Gruppe von Elementen: Se: 0,0005 bis 0,10 %, Te: 0,0005 bis 0,10 %, Sn: 0,01 bis 0,3 %, Ca: 0,0001 bis 0,01 %, Mg: 0,0001 bis 0,005 %, B: 0,0002 bis 0,02 % und Seltenerdelemente: 0,0005 bis 0,02 %; zweite Gruppe von Elementen: Cu: 0,01 bis 1,0 %, Ni: 0,01 bis 2,0 %, Mo: 0,01 bis 0,5 %, V: 0,005 bis 0,5 % und Nb: 0,005 bis 0,5 %; dritte Gruppe von Elementen: Si: 0,1 bis 2,0 % und Cr: 0,03 bis 1,0 %.
  2. Automatenwalzstahl mit geringem Kohlenstoffgehalt nach Anspruch 1, enthaltend mindestens ein Element, das aus der ersten Gruppe von Elementen ausgewählt ist.
  3. Automatenwalzstahl mit geringem Kohlenstoffgehalt nach einem der Ansprüche 1 bis 2, enthaltend mindestens ein Element, das aus der zweiten Gruppe von Elementen ausgewählt ist.
  4. Automatenwalzstahl mit geringem Kohlenstoffgehalt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend mindestens ein Element, das aus der dritten Gruppe von Elementen ausgewählt ist.
  5. Maschinenteil, umfassend einen Walzstahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
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