Es ist bekannt, Stähle mit verbesserter Bearbeitbarkeit durch Zugabe von Blei herzustellen. Andere freie Bearbeitungszusätze, die Stählen zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit zugesetzt wurden, sind Tellur, Wismut, Schwefel und Selen. In der US-PS 2 789 069 werden die überraschenden Verbesserungen erwähnt, welche durch den absichtlichen Einschluss von Kupfer bezüglich der Bearbeitbarkeit von Stählen erreicht wurde, und in der US-PS 3 094 440 wird der Zusatz von Zink als freier Bearbeitungszusatz zu Stahl beschrieben.
Es wird hierbei angenommen, dass diese Zusätze in der Art eines inneren Schmiermittels funktionieren oder das Schneidwerkzeug mit einem Auftrag versehen, der die Abnüt zung und die Beschädigung verringert, wobei aber eine offensichtliche Verbesserung bezüglich der Bearbeitungscharakteri- stiken des Metalls sichergestellt wird.
Wenn auch diese freien Bearbeitungszusätze eine Verbesserung der Bearbeitbarkeit bewirken, so wirken sie oft in unerwünschter Weise auf andere physikalische und mechanische Eigenschaften des Stahles. Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Stählen und anderen Metallen mit verbesserter Bearbeitbarkeit ohne Nachteil auf andere mechanische und physikalische Eigenschaften von Stahl und anderen Metallen zu schaffen. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch Stähle und andere Metalle gelöst, die gekennzeichnet sind durch Einschlüsse von Fremdkörpern mit einer Grösse von 10-100 Mikron und einem Abstand zwischen den Einschlüssen von durchschnittlich 1000-4000 Mikron.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Metallen ist dadurch gekennzeichnet, dass Fremdkörper mit mittleren Durchmessern von 10 bis 100 Fm als gleichmässig verteilte Einschlüsse in das Metall eingearbeitet werden, so dass zwischen den Einschlüssen ein durchschnittlicher Abstand von 1000 bis 4000 tjm erreicht wird, wobei der durchschnittliche Abstand DA in llm sich nach der Formel
2d = (1-fv)
DA = 3 fv bestimmt, in der d der durchschnittliche Durchmesser der eingeschlossenen Fremdkörper in llm und fv der Volumenanteil der Fremdkörper bedeuten.
Neben dem Verfahren wird erfindungsgemäss auch das gemäss dem Verfahren hergestellte Metall und die Verwen dung desselben zur Herstellung von Metallkörpern mit richtungsabhängigen Bearbeitbarkeitswerten beansprucht.
Die Erfindung geht von einer völlig neuen Vorstellung aus, durch welche die Bearbeitbarkeitscharakteristiken von Stählen beeinflusst werden. Diese entfernt sich vollständig von der Vorstellung der inneren Schmierung des Stahles oder von der Bildung eines Auftrages auf dem Werkzeug, was durch die Tatsache bewiesen wird, dass der Stahl durch den Einschluss von Zusätzen, wie Aluminiumoxyd und dgl., verändert wird, von denen man normalerweise erwarten würde, dass sie die Härte des Stahles und die Abnützung des Schneidwerkzeuges erhöhen, die innere Schmierung stören oder mit anderen Worten die Bearbeitungsbarkeitscharalrteristiken des Stahles verschlechtern.
Es wurde festgestellt, dass die Grösse und die Verteilung der Fremdkörper (Einschlüsse) im Stahl eine unerwartete und wesentliche Wirkung auf die Bearbeitbarkeitscharakteristiken des Stahles zeigt. Durch geeignete Auswahl sowohl der Grösse als auch der Verteilung der Einschlüsse können Stähle mit einer wesentlichen Verbesserung der Bearbeitbarkeit hergestellt werden, die im wesentlichen unabhängig der chemischen Zusammensetzung der Einschlüsse ist. Durch geeignete Auswahl des Materials bezüglich seiner Grösse und seiner Verteilung im Stahl kann eine Verbesserung bezüglich der Bearbeitbarkeitskriterien mit einem minimalen Einfluss auf die anderen mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Stahles erreicht werden.
Durch geeignete Auswahl der Materialien mit der gewünschten Grösse und Verteilung im Stahl können sogar andere mechanische Eigenschaften des Stahles verbessert werden, beispielsweise die Härte, die Festigkeit, die Zähigkeit, die Oberflächengüte und dgl., dies zusätzlich zu einer deutlichen Verbesserung in den Bearbeitbarkeitscharakteristiken des Stahles.
Der spezielle Charakter dieser Massnahme kann am besten durch die Tatsache dargelegt werden, dass die Verbesserung der Bearbeitbarkeitscharakteristiken von Stählen durch Einschlüsse von Mischungen aus Magnesiumsulfid, Aluminiumoxyd und dgl. Materialien erreicht werden kann, welche gemäss bekannter Theorien normalerweise eine Erhöhung der Härte und der Sprödigkeit der Stähle erwarten lassen und ihre Bearbeitbarkeitscharakteristiken wesentlich verringern. So war es völlig unerwartet, festzustellen, dass, wenn Aluminiumoxydteilchen in der gewünschten Grösse und Verteilung in den Stahl eingegeben werden, eine wesentliche Verbesserung der Bearbeitbarkeit zusätzlich zu anderen Verbesserungen erreicht wird, die normalerweise durch die Verwendung solcher Materialien erwartet werden können.
Der Anteil der Einschlüsse ist nicht ein wesentlicher Faktor, da der Volumenanteil der Einschlüsse etwas von der Grösse der Einschlüsse und ihrer Verteilung im Stahl abhängt. Es wurde festgestellt, dass der gewünschte Einfluss bezüglich der Bearbeitbarkeit von Stählen erreicht werden kann, wenn die Grösse der Einschlüsse der Teilchen innerhalb des Bereiches von 10-100 Mikron, vorzugsweise 20-60 Mikron und ihre Verteilung, gemessen als Abstand zwischen den Teilchen (mittlere freie Weglänge) im Bereich von 1000-4000 Mikron, vorzugsweise 1600-2400 Mikron, liegt. Der Bereich und das Optimum ändert leicht und hängt etwas von der chemischen Zusammensetzung der Einschlüsse ab.
Durch entsprechende Änderungen wurde festgestellt, dass die physikalische Form der Einschlüsse eine Beziehung mit der Bearbeitbarkeitsauslegung aufweist, welche mit einem bestimmten Einschluss erreicht wird. So ergeben z.B. schei benförmige Einschlüsse, wie sie durch kreuzweises Walzen von Platten, welche die Einschlüsse enthalten, hergestellt werden, eine relativ gleichmässige Bearbeitbarkeitsbewertung in beiden Richtungen ergeben. Andererseits ergeben stabförmige Einschlüsse, wie sie durch Walzen und Strecken des die Einschlüsse enthaltenden Werkstückes in einer Richtung hergestellt werden, richtungsabhängige Änderungen der Bearbeitbarkeit.
Der Ausdruck Einschlüsse , wie er hier benützt wird, bezieht sich in seinem weitesten Sinn auf Fremdkörper in der Metallmatrix, welche, da sie für das Metall fremd sind, bezüglich Grösse und Verteilung bestimmt werden können, z.B. als anorganische Einschlüsse vom Typ Siliziumkarbid, Cadmiumsulfid, Aluminiumoxyd, Zirkoniumoxyd, Molybdänsulfid und dgl., hoch unlösliche, hoch schmelzende anorganische oder metallische Mischungen. Als repräsentativ sind auch die frei bearbeitbaren Zusätze eingeschlossen, wie z.B. Blei, Wismut, Selen, Tellur und Schwefel, welche noch wirkungsvoller bezüglich der Verbesserung der Bearbeitbarkeit werden, wenn Grüsse und Verteilung des Metalls oder der daraus hergestellten Mischungen in der beschriebenen Weise beeinflusst wird.
In weitestem Sinne schliesst der erwähnte Ausdruck auch Ungänzen in dem Metall von der gewünschten Grösse und Verteilung ein, da solche Ungänzen Fremdkörper sind, mit denen die gewünschte Verbesserung der Bearbeitbarkeit erreicht wird, wenn sie in der gewünschten Grösse und Verteilung in einem besonderen Metall vorkommen.
Es gibt verschiedene Arten, mittels welchen solche Ein schlüsse eingebracht werden können, um die Verteilung der Einschlüsse in der gewünschten Grösse in der Metallmatrix zu erreichen. Die Herstellungsart, welche unmittelbar offenbar ist, ist das pulvermetallurgische Verfahren, bei welchem die Einschlüsse in dem gewünschten Anteil und Grösse gleichmässig mit dem pulverförmigen Metall und Zumischungen gepresst werden können, welche hierauf gesintert und geschmiedet oder auch in anderer Weise behandelt werden können, um die Dichte zu erhöhen.
Stark spezialisierte Herstellweisen sind erforderlich, um die gewünschte Grösse und Verteilung der Einschlüsse durch Zugabe in eine Metallmatrix zu erreichen, während das Metall sich in geschmolzenem Zustand befindet. Dies kann ohne Schwierigkeit bloss durch Mischen erreicht werden, wenn die Einschlüsse unlösbar oder unvereinbar mit dem geschmolzenen Metall sind oder einen Schmelzpunkt über der Temperatur der Metallmatrix aufweisen. Wenn der Einschluss im Metall lösbar oder fähig ist, sich mit dem Metall zu verbinden, oder anderweitig durch das geschmolzene Metall verändert wird, ist es wünschbar, die Zugabe der Einschlüsse erst dann vorzunehmen, wenn das geschmolzene Metall beinahe seinen Erstarrungszustand erreicht.
Als Fremdkörper können die Einschlüsse an Ort und Stelle in der gewünschten Grösse und Verteilung durch Trennung oder durch Niederschlag aus dem geschmolzenen Metall in Abhängigkeit von bestimmten Ausscheidungs- oder unlösbar machenden Faktoren erzeugt werden, wie beispielsweise ein Temperaturwechsel, elementare Zusätze, gasförmige Zusätze, pH-Änderung und dgl. Solche Fremdkörper, welche an Ort und Stelle durch Trennung aus der Metallmatrix gebildet werden, bleiben natürlich beim Härten gleichmässig verteilt im Metall.
Die Wirkung der Teilchengrösse auf die Bearbeitbarkeit des Stahles wird durch das nachfolgende Beispiel dargestellt, bei welchem ein 1040-Stahlmatrix und Mangansulfid mit verschiedenen Teilchengrössen mit dem Stahl den Betrag von einem Volumenprozent gemischt wird.
Beispiel 1
Pulvermetallmischungen wurden mit 1040-Stahl hergestellt, denen Zusätze im Betrag von einem Volumenprozent Mangansulfidteilchen mit einer Teilchengrösse von 0,001-100 Mikron zugefügt wurden. Zu Vergleichszwecken wurden Mischungen desselben Metalls ohne Einschlüsse hergestellt.
Die Mischungen wurden leicht bei 10430C zu Rundstäben geschmiedet, welche durch Normalisieren oder durch Härten und Anlassen erhitzt wurden.
Die Stäbe wurden bezüglich der Bearbeitbarkeit bei Schneidgeschwindigkeiten von 22,86 und 61,0 m/min mit der nachstehend beschriebenen genormten Bearbeitbarkeitsprüfung geprüft, womit Bearbeitbarkeitswerte für die Prüfstäbe erhalten werden, wie sie in dem Diagramm nach Fig. 1 dargestellt sind, in welcher der Bearbeitbarkeitswert in Prozent über der Teilchengrösse in Mikron für ein Volumenprozent MnS aufgetragen ist.
Aus den Kurven ist zu ersehen, dass, während die Bearbeitbarkeit für normalisierten 1040-Stahl vom Wert 46 mit Mangansulfid mit einer Teilchengrösse von 0,001 langsam ansteigt, ein schneller Anstieg der Bearbeitbarkeit von etwa 60 mit Mangansulfideinschlüssen mit einer Teilchengrösse von 3 Mikron beginnt und dass ein optimaler Wert von etwa 120 im Bereich von 30-40 Mikron erreicht wird, worauf ein rascher Abfall in dem Masse eintritt, als die Mangansulfidteilchen 60 Mikron überschreiten und sich einer Grösse von 100 Mikron nähern. Zwischen 3 und 30 Mikron steigt die Bearbeitbarkeit um etwa 50% von einem Wert 60 zu einem Wert 120. Es ist bedeutsam, dass die Schneidgeschwindigkeit einen geringen Einfluss, wenn überhaupt, auf die Bearbeitbarkeit der geprüften Stähle ausübt.
Ähnliche Versuche wurden mit normalisierten und gehärteten und angelaufenen Stäben durchgeführt, welche ein Volumenprozent Aluminiumoxyd enthalten, und anderen Stäben, welche ein Volumenprozent einer Mischung aus gleichen Teilen Aluminiumoxyd und Mangansulfid enthalten, durchgeführt. Während die Wirkungen, welche mit Aluminiumoxyd oder mit einer Mischung von Aluminiumoxyd und Mangansulfid erhalten wurden, nicht so ausgeprägt waren wie mit Mangansulfid allein, zeigten diese Versuche, dass die Teilchengrösse, welche für die Erhöhung der Bearbeitbarkeit des Stahles wirksam ist, gewöhnlich innerhalb desselben Bereiches wie für Mangansulfid liegt.
Die Wirkung des Abstandes der Einschlüsse auf die Bearbeitbarkeit von Stahl kann durch das nachfolgende Beispiel gezeigt werden, bei welchem Mangansulfid mit der optimalen Teilchengrösse von 40 Mikron, wie dies im Beispiel 1 ermittelt wurde, verwendet wird, aber bei welchem der Anteil Mangansulfid verändert wird, um Mischungen mit verschiedenen Abständen zwischen den Teilchen zu erhalten.
Beispiel 2
Es wurden wieder Pulvermetall-Mischungen aus 1040-Stahl hergestellt, bei welchem Mangansulfid mit einer durchschnittlichen Grösse von 40 llm in Beträgen von 0,2-3 Volumenprozent zugemischt wurde. Die Mischungen wurden zu Rundstäben geschmiedet und in gleicher Weise wie in Beispiel 1 wärmebehandelt und hierauf denselben Bearbeitbarkeitsprüfungen mit Schneidgeschwindigkeiten von 22,86 und 61,0 m/min wie in Beispiel 1 unterworfen, um hieraus ihre Bearbeitbarkeitswerte zu ermitteln.
Die Ergebnisse sind in dem Diagramm gemäss Beispiel 2 dargestellt, in welchem der Bearbeitbarkeitswert in Prozent über der errechneten mittleren freien Weglänge in Mikron aufgetragen ist.
Der Abstand zwischen den Teilchen wird durch ihre mittlere freie Weglänge (MFP) bezeichnet, welche aus der Formel für phärische Teilchen
2d (1 - fv) MFP = 3 fv
3 fv berechnet wird, in welcher d der Durchmesser des Teilchens und fv der Volumenanteil ist. Aus den in den Kurven dargestellten Werten kann entnommen werden, dass eine rasche Verbesserung der Bearbeitbarkeit mit einem Abstand von 800 Mikron erreicht wird. Die Verbesserung hält an, bis der Teilchenabstand etwa 6000 Mikron übersteigt, wobei die besten Resultate mit einem Teilchenabstand von 1600-2400 Mikron mit einem Optimum in allen Fällen zwischen 2000 und 2200 Mikron erreicht werden.
Beispiel 3
Der Einfluss der Mischung, der Grösse und der Verteilung der Mangansulfidteilchen auf die mechanischen Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit von Stählen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt wurde mit Proben ermittelt, welche wie in den Beispielen 1 und 2 hergestellt wurden, wobei Änderungen des Volumenanteils in Prozent für Teilchenabstände von Mangansulfid vorgenommen und die Bearbeitbarkeit durch eine Drehbankprüfung mit konstantem Druck bestimmt wurde, und folgende Resultate erzielt wurden.
Tabelle 1
EMI3.1
<tb> <SEP> Mischung <SEP> MnS <SEP> Zusatz <SEP> Mechanische <SEP> Eigenschaften
<tb> <SEP> C <SEP> Mn <SEP> S
<tb> <SEP> E <SEP> s <SEP> s
<tb> <SEP> ei <SEP> ei <SEP> 1
<tb> <SEP> - <SEP> zu <SEP> V: <SEP> zuu
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<tb> <SEP> -- <SEP> Blei <SEP> e
<tb> <SEP> u <SEP> EQ <SEP> uu <SEP> e <SEP> .- <SEP> 5 <SEP> .5 <SEP> 5
<tb> <SEP> ei <SEP> n <SEP> o <SEP> na
<tb> 1151+S <SEP> 0,48 <SEP> 1,04 <SEP> 0,14 <SEP> 0,52 <SEP> 2,8 <SEP> 33 <SEP> 764 <SEP> 5,1 <SEP> 2,51 <SEP> 20 <SEP> 20 <SEP> 104
<tb> 1151+S <SEP> 0,49 <SEP> 0,86 <SEP> 0,34 <SEP> 0,3 <SEP> 1,6 <SEP> 32 <SEP> 1312 <SEP> 6,24 <SEP> 3,24 <SEP> 25 <SEP> 33,4 <SEP> 125
<tb> 1151+S <SEP> 0,51 <SEP> 0,77 <SEP> 0,43 <SEP> 0,22 <SEP> 0,95 <SEP> 26 <SEP> 1807 <SEP> 6,46 <SEP> 3,35 <SEP>
26 <SEP> 39 <SEP> 126
<tb> 1151+S <SEP> 0,52 <SEP> 0,85 <SEP> 0,67 <SEP> 0,176 <SEP> 0,54 <SEP> 24 <SEP> 2947 <SEP> 7,0 <SEP> 3,7 <SEP> 22 <SEP> 38,5 <SEP> 105
<tb> 1151 <SEP> 0,51 <SEP> 0,85 <SEP> 0,77 <SEP> 0,062 <SEP> 0,24 <SEP> 20 <SEP> 5542 <SEP> 6,96 <SEP> 3,78 <SEP> 28 <SEP> 50 <SEP> 72
<tb> 1039 <SEP> 0,43 <SEP> 0,83 <SEP> - <SEP> 0,024 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 7,4 <SEP> 3,86 <SEP> 24 <SEP> 44 <SEP> 66
<tb> 1039 <SEP> 0,39 <SEP> 0,82 <SEP> - <SEP> 0,020 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 7,2 <SEP> 3,78 <SEP> 23 <SEP> 45,3 <SEP> 62
<tb> Eisenabfälle <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> Tabelle 2
EMI3.2
<tb> <SEP> Mischung <SEP> MnS <SEP> Zusatz <SEP> Mechanische <SEP> Eigenschaften
<tb> <SEP> C <SEP> Mn <SEP> S
<tb> <SEP> s <SEP> ,oP
<tb> <SEP> ei <SEP> e <SEP> = <SEP> s <SEP> ei
<tb> <SEP> 5 <SEP> 5 <SEP> .- <SEP> - <SEP> - <SEP>
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<tb> 1030 <SEP> 0,30 <SEP> 0,98 <SEP> - <SEP> 0,195 <SEP> 0,52 <SEP> 22 <SEP> 2806 <SEP> 9,12 <SEP> 8,0 <SEP> 18 <SEP> 49,9 <SEP> 117
<tb> 1030 <SEP> 0,33 <SEP> 0,64 <SEP> - <SEP> 0,022 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 9,87 <SEP> 8,6 <SEP> 14 <SEP> 44,7 <SEP> 40
<tb> 1030 <SEP> 0,36 <SEP> 0,46 <SEP> - <SEP> 0,182 <SEP> (1) <SEP> - <SEP> - <SEP> 6,5 <SEP> 4,76 <SEP> 24 <SEP> 49,1 <SEP> 103
<tb> 1030 <SEP> 0,34 <SEP> 0,44 <SEP> - <SEP> 0,170 <SEP> (1) <SEP> - <SEP> - <SEP> 6,78 <SEP> 5,06 <SEP> 22 <SEP> 48 <SEP> 102
<tb> 1030 <SEP> 0,34 <SEP> 0,45 <SEP> - <SEP> 0,172 <SEP> 0,6
<SEP> 1,9 <SEP> 210 <SEP> 6,12 <SEP> 4,3 <SEP> 29 <SEP> 56,9 <SEP> 50
<tb> 1040 <SEP> 0,40 <SEP> 0,18 <SEP> - <SEP> 0,022 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 7,32 <SEP> 5,33 <SEP> 20 <SEP> 51 <SEP> 40
<tb> Eisenabfälle <SEP> - <SEP> - <SEP>
Im allgemeinen kann aus den vorstehenden Tabellen entnommen werden, dass eine Erhöhung des Mangansulfid Gehaltes bei Zugversuchen eine niedere Flächenverringerung bei fortschreitend höherer Bearbeitbarkeit ergibt. Für annähernd gleichen Mangansulfid-Gehalt verbessert sich die Bearbeitbarkeit mit der Erhöhung der Teilchengrösse. Tabelle II zeigt weiter, dass höhere Festigkeiten und Zähigkeit nicht wesentlich die Verbesserung der Bearbeitbarkeit beeinflussen, wenn die Grösse und Verteilung der Teilchen in dem angegebenen Bereich liegt.
Zusammengefasst wurden die Prüfungen bezüglich der Bearbeitbarkeit so durchgeführt, dass in jedem Fall ein Schnitt von 3,175 mm an jedem Stab geprüft wurde. Der Quervorschub wurde durch eine horizontale Schubkraft mit konstantem Gewicht (3,175 kg) erzeugt, welcher durch ein Schallsystem aufgebracht wurde. Schneidgeschwindigkeiten mit 22,86 und 61,0 m/min wurden für die Stäbe und die Kontrollen verwendet.
Die Stähle wurden vier oder fünf Versuchen unterworfen, wobei ein vollständiger Versuch das Zerspanen einer Gruppe von Prüfmustern mit einer Norm Einstellungen mit Normschnitten als Einstellung bei Beginn und am Ende jeder Prüfung umfasste. Um Abweichungen, welche in den Schneidwerkzeug-Bedingungen auftreten könnten, zu kompensieren, wurde ein neues Schneidwerkzeug für jede der getrennten Prüfgruppen benutzt, wobei die Reihenfolge, in der die Muster bearbeitet wurden, für jeden folgenden Versuch geändert wurden, so dass der ermittelte Durchschnitt Unterschiede bezüglich der Schneiden-Bedingungen während dem Fortschreiten der Schnittserien mit demselben Werkzeug berücksichtigte.
Dieselben Ergebnisse in der Verbesserung der Bearbeitbarkeit durch Einschluss von Fremdkörpern mit bestimmten Abständen und bestimmter Verteilung können auch in anderen Metallen als Stahl erreicht werden, z.B. bei Aluminium, Titan, Zirkon, Molybdän, Nickel, Kobalt und dgl., oder bei Legierungen, beispielsweise hochlegierte Stähle, Superlegierungen mit Nickel und Kobalt und dgl.
It is known to produce steels with improved machinability by adding lead. Other free machining additives that have been added to steels to improve machinability are tellurium, bismuth, sulfur and selenium. US Pat. No. 2,789,069 mentions the surprising improvements made by the intentional inclusion of copper in the machinability of steels, and US Pat. No. 3,094,440 describes the addition of zinc as a free machining additive to steel.
It is believed that these additives function in the manner of an internal lubricant or provide the cutting tool with a coating that reduces wear and damage while ensuring an apparent improvement in the machining characteristics of the metal.
Even if these free machining additives improve the machinability, they often have an undesirable effect on other physical and mechanical properties of the steel. It is therefore an object of the present invention to provide a method for producing steels and other metals with improved machinability without detriment to other mechanical and physical properties of steel and other metals. According to the invention, this object is achieved by steels and other metals which are characterized by inclusions of foreign bodies with a size of 10-100 microns and a distance between the inclusions of an average of 1000-4000 microns.
The inventive method for the production of metals is characterized in that foreign bodies with average diameters of 10 to 100 μm are incorporated into the metal as evenly distributed inclusions, so that an average distance of 1000 to 4000 μm is achieved between the inclusions, the average Distance DA in llm according to the formula
2d = (1-fv)
DA = 3 fv determined, in which d is the average diameter of the trapped foreign bodies in 11m and fv is the volume fraction of the foreign bodies.
In addition to the method, the invention also claims the metal produced by the method and the use thereof for producing metal bodies with direction-dependent machinability values.
The invention is based on a completely new idea by which the machinability characteristics of steels are influenced. This is completely removed from the idea of internal lubrication of the steel or from the formation of an order on the tool, which is evidenced by the fact that the steel is changed by the inclusion of additives such as aluminum oxide and the like would normally expect them to increase the hardness of the steel and the wear of the cutting tool, interfere with internal lubrication, or in other words, degrade the machinability characteristics of the steel.
It has been found that the size and distribution of foreign bodies (inclusions) in the steel has an unexpected and significant effect on the machinability characteristics of the steel. By suitable selection of both the size and the distribution of the inclusions, steels can be produced with a substantial improvement in machinability which is essentially independent of the chemical composition of the inclusions. By suitable selection of the material with regard to its size and its distribution in the steel, an improvement in terms of the machinability criteria can be achieved with a minimal influence on the other mechanical and physical properties of the steel.
By suitable selection of materials with the desired size and distribution in the steel, even other mechanical properties of the steel can be improved, for example the hardness, strength, toughness, surface quality and the like, in addition to a significant improvement in the machinability characteristics of the steel .
The special character of this measure can best be illustrated by the fact that the improvement in the machinability characteristics of steels can be achieved by inclusions of mixtures of magnesium sulfide, aluminum oxide and the like. Materials which, according to known theories, normally increase the hardness and brittleness of the Expect steels and significantly reduce their machinability characteristics. Thus it was completely unexpected to find that when alumina particles of the desired size and distribution are incorporated into the steel, a substantial improvement in machinability is achieved in addition to other improvements which can normally be expected from the use of such materials.
The proportion of inclusions is not an essential factor, since the volume proportion of inclusions depends somewhat on the size of the inclusions and their distribution in the steel. It has been found that the desired influence on the machinability of steels can be achieved if the size of the inclusions of the particles is within the range of 10-100 microns, preferably 20-60 microns and their distribution, measured as the distance between the particles (mean free path) is in the range of 1000-4000 microns, preferably 1600-2400 microns. The range and optimum changes slightly and depends somewhat on the chemical composition of the inclusions.
Through appropriate changes, it has been determined that the physical shape of the inclusions has a relationship with the machinability design achieved with a particular inclusion. E.g. disc-shaped inclusions, such as those produced by crisscross rolling of plates containing the inclusions, give a relatively uniform machinability rating in both directions. On the other hand, rod-shaped inclusions, such as those produced by rolling and stretching the workpiece containing the inclusions in one direction, give direction-dependent changes in workability.
The term inclusions, as used here, relates in its broadest sense to foreign bodies in the metal matrix which, since they are foreign to the metal, can be determined with regard to size and distribution, e.g. as inorganic inclusions of the type silicon carbide, cadmium sulfide, aluminum oxide, zirconium oxide, molybdenum sulfide and the like, highly insoluble, high-melting inorganic or metallic mixtures. The freely machinable additives are also included as representative, such as Lead, bismuth, selenium, tellurium and sulfur, which are even more effective in terms of improving machinability if the size and distribution of the metal or the mixtures made from it is influenced in the manner described.
In the broadest sense, the term mentioned also includes discontinuities in the metal of the desired size and distribution, since such discontinuities are foreign bodies with which the desired improvement in machinability is achieved if they occur in the desired size and distribution in a particular metal.
There are different ways by means of which such inclusions can be introduced in order to achieve the distribution of the inclusions in the desired size in the metal matrix. The type of production, which is immediately apparent, is the powder metallurgical process, in which the inclusions in the desired proportion and size can be pressed evenly with the powdered metal and admixtures, which can then be sintered and forged or treated in some other way to achieve the Increase density.
Highly specialized manufacturing methods are required to achieve the desired size and distribution of the inclusions by adding them to a metal matrix while the metal is in a molten state. This can be achieved without difficulty merely by mixing, if the inclusions are insoluble or incompatible with the molten metal or have a melting point above the temperature of the metal matrix. If the inclusion in the metal is releasable or capable of bonding with the metal, or is otherwise altered by the molten metal, it is desirable not to add the inclusions until the molten metal is near solidification.
As a foreign body, the inclusions can be created on the spot in the desired size and distribution by separation or by precipitation from the molten metal, depending on certain precipitation or insoluble factors, such as a temperature change, elementary additives, gaseous additives, pH- Changes and the like. Such foreign bodies, which are formed on site by separation from the metal matrix, naturally remain evenly distributed in the metal during hardening.
The effect of the particle size on the machinability of the steel is illustrated by the following example, in which a 1040 steel matrix and manganese sulfide of various particle sizes are mixed with the steel for the amount of one percent by volume.
example 1
Powder metal mixtures were made with 1040 steel to which additives of one percent by volume manganese sulfide particles having a particle size of 0.001-100 microns were added. Mixtures of the same metal without inclusions were prepared for comparison.
The mixtures were easily forged into round bars at 10430C, which were heated by normalizing or by hardening and tempering.
The bars were tested for machinability at cutting speeds of 22.86 and 61.0 m / min with the standardized machinability test described below, whereby machinability values for the test bars are obtained as shown in the diagram of FIG. 1, in which the Machinability value in percent plotted against the particle size in microns for a volume percent MnS.
It can be seen from the curves that while the machinability for normalized 1040 steel of value 46 with manganese sulfide with a particle size of 0.001 slowly increases, a rapid increase in machinability of about 60 begins with manganese sulfide inclusions with a particle size of 3 microns and that a an optimum of about 120 in the range of 30-40 microns is reached, followed by a rapid drop in mass as the manganese sulfide particles exceed 60 microns and approach 100 microns in size. Between 3 and 30 microns, the machinability increases by approximately 50% from a value of 60 to a value of 120. Significantly, the cutting speed has little, if any, effect on the machinability of the steels tested.
Similar tests have been carried out with normalized and hardened and tarnished rods containing one percent by volume of aluminum oxide and other rods containing one percent by volume of a mixture of equal parts of aluminum oxide and manganese sulfide. While the effects obtained with alumina or with a mixture of alumina and manganese sulfide were not as pronounced as with manganese sulfide alone, these experiments indicated that the particle size effective in increasing the machinability of the steel was usually within the same range as for manganese sulfide.
The effect of the distance between the inclusions on the machinability of steel can be shown by the following example, in which manganese sulfide is used with the optimal particle size of 40 microns, as determined in example 1, but in which the proportion of manganese sulfide is changed, to obtain mixtures with different interparticle spacings.
Example 2
Powder metal mixtures were again produced from 1040 steel, in which manganese sulfide with an average size of 40 μm was added in amounts of 0.2-3 percent by volume. The mixtures were forged into round bars and heat-treated in the same way as in Example 1 and then subjected to the same workability tests at cutting speeds of 22.86 and 61.0 m / min as in Example 1 to determine their workability values.
The results are shown in the diagram according to Example 2, in which the machinability value is plotted in percent over the calculated mean free path in microns.
The distance between the particles is denoted by their mean free path (MFP), which is derived from the formula for spherical particles
2d (1 - fv) MFP = 3 fv
3 fv is calculated, in which d is the diameter of the particle and fv is the volume fraction. From the values shown in the curves it can be seen that a rapid improvement in machinability is achieved with a pitch of 800 microns. The improvement continues until the particle spacing exceeds about 6000 microns, with best results being obtained with a particle spacing of 1600-2400 microns with an optimum in all cases between 2000 and 2200 microns.
Example 3
The influence of the mixture, the size and the distribution of the manganese sulfide particles on the mechanical properties and the machinability of steels with a medium carbon content was determined with samples which were produced as in Examples 1 and 2, with changes in the volume fraction in percent for the particle distances of manganese sulfide and the machinability was determined by a constant pressure lathe test, and the following results were obtained.
Table 1
EMI3.1
<tb> <SEP> Mixture <SEP> MnS <SEP> Addition <SEP> Mechanical <SEP> properties
<tb> <SEP> C <SEP> Mn <SEP> S
<tb> <SEP> E <SEP> s <SEP> s
<tb> <SEP> ei <SEP> ei <SEP> 1
<tb> <SEP> - <SEP> to <SEP> V: <SEP> zuu
<tb> 55 <SEP> 55 <SEP> ei <SEP> -, n <SEP> - <SEP> 55 <SEP> EE <SEP> 3
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<tb> <SEP> - <SEP> lead <SEP> e
<tb> <SEP> u <SEP> EQ <SEP> uu <SEP> e <SEP> .- <SEP> 5 <SEP> .5 <SEP> 5
<tb> <SEP> ei <SEP> n <SEP> o <SEP> na
<tb> 1151 + S <SEP> 0.48 <SEP> 1.04 <SEP> 0.14 <SEP> 0.52 <SEP> 2.8 <SEP> 33 <SEP> 764 <SEP> 5.1 <SEP> 2.51 <SEP> 20 <SEP> 20 <SEP> 104
<tb> 1151 + S <SEP> 0.49 <SEP> 0.86 <SEP> 0.34 <SEP> 0.3 <SEP> 1.6 <SEP> 32 <SEP> 1312 <SEP> 6.24 <SEP> 3.24 <SEP> 25 <SEP> 33.4 <SEP> 125
<tb> 1151 + S <SEP> 0.51 <SEP> 0.77 <SEP> 0.43 <SEP> 0.22 <SEP> 0.95 <SEP> 26 <SEP> 1807 <SEP> 6.46 <SEP> 3.35 <SEP>
26 <SEP> 39 <SEP> 126
<tb> 1151 + S <SEP> 0.52 <SEP> 0.85 <SEP> 0.67 <SEP> 0.176 <SEP> 0.54 <SEP> 24 <SEP> 2947 <SEP> 7.0 <SEP > 3.7 <SEP> 22 <SEP> 38.5 <SEP> 105
<tb> 1151 <SEP> 0.51 <SEP> 0.85 <SEP> 0.77 <SEP> 0.062 <SEP> 0.24 <SEP> 20 <SEP> 5542 <SEP> 6.96 <SEP> 3 , 78 <SEP> 28 <SEP> 50 <SEP> 72
<tb> 1039 <SEP> 0.43 <SEP> 0.83 <SEP> - <SEP> 0.024 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 7.4 <SEP> 3.86 <SEP > 24 <SEP> 44 <SEP> 66
<tb> 1039 <SEP> 0.39 <SEP> 0.82 <SEP> - <SEP> 0.020 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 7.2 <SEP> 3.78 <SEP > 23 <SEP> 45.3 <SEP> 62
<tb> Iron waste <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> Table 2
EMI3.2
<tb> <SEP> Mixture <SEP> MnS <SEP> Addition <SEP> Mechanical <SEP> properties
<tb> <SEP> C <SEP> Mn <SEP> S
<tb> <SEP> s <SEP>, oP
<tb> <SEP> ei <SEP> e <SEP> = <SEP> s <SEP> ei
<tb> <SEP> 5 <SEP> 5 <SEP> .- <SEP> - <SEP> - <SEP>
.
<tb>
<SEP> - <SEP> - <SEP> 5
<tb> <SEP> - <SEP> .55 <SEP>
<tb> <SEP> - <SEP> ei <SEP> u <SEP> - <SEP>, <SEP> O <SEP> 55 <SEP>>
<tb> <SEP> 55 <SEP> 55 <SEP> e <SEP> - <SEP> e <SEP>. <SEP> <SEP> ei <SEP> - <SEP> 55
<tb> <SEP> - <SEP> ei <SEP> uei <SEP> =
<tb> -5 <SEP>> 0 <SEP> ii-'cL <SEP> n- <SEP> - <SEP> na
<tb> 1030 <SEP> 0.30 <SEP> 0.98 <SEP> - <SEP> 0.195 <SEP> 0.52 <SEP> 22 <SEP> 2806 <SEP> 9.12 <SEP> 8.0 <SEP> 18 <SEP> 49.9 <SEP> 117
<tb> 1030 <SEP> 0.33 <SEP> 0.64 <SEP> - <SEP> 0.022 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 9.87 <SEP> 8.6 <SEP > 14 <SEP> 44.7 <SEP> 40
<tb> 1030 <SEP> 0.36 <SEP> 0.46 <SEP> - <SEP> 0.182 <SEP> (1) <SEP> - <SEP> - <SEP> 6.5 <SEP> 4.76 <SEP> 24 <SEP> 49.1 <SEP> 103
<tb> 1030 <SEP> 0.34 <SEP> 0.44 <SEP> - <SEP> 0.170 <SEP> (1) <SEP> - <SEP> - <SEP> 6.78 <SEP> 5.06 <SEP> 22 <SEP> 48 <SEP> 102
<tb> 1030 <SEP> 0.34 <SEP> 0.45 <SEP> - <SEP> 0.172 <SEP> 0.6
<SEP> 1.9 <SEP> 210 <SEP> 6.12 <SEP> 4.3 <SEP> 29 <SEP> 56.9 <SEP> 50
<tb> 1040 <SEP> 0.40 <SEP> 0.18 <SEP> - <SEP> 0.022 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 7.32 <SEP> 5.33 <SEP > 20 <SEP> 51 <SEP> 40
<tb> Iron waste <SEP> - <SEP> - <SEP>
In general, it can be seen from the tables above that an increase in the manganese sulfide content in tensile tests results in a lower reduction in area with progressively higher machinability. For approximately the same manganese sulfide content, the machinability improves as the particle size increases. Table II further shows that higher strengths and toughness do not significantly affect the improvement in machinability when the size and distribution of the particles is in the specified range.
In summary, the machinability tests were conducted to test a 3.175mm cut on each bar in each case. The transverse feed was generated by a horizontal pushing force with a constant weight (3.175 kg) which was applied by a sound system. Cutting speeds of 22.86 and 61.0 m / min were used for the bars and controls.
The steels were subjected to four or five trials, with a full trial comprising machining a group of test samples with a standard setting with standard cuts as the setting at the beginning and at the end of each test. To compensate for deviations that might occur in the cutting tool conditions, a new cutting tool was used for each of the separate test groups, with the order in which the samples were processed being changed for each subsequent test so that the average determined differences regarding the cutting edge conditions during the progression of the series of cuts with the same tool.
The same results in improving machinability by trapping foreign bodies with certain spacing and distribution can also be achieved in metals other than steel, e.g. with aluminum, titanium, zirconium, molybdenum, nickel, cobalt and the like, or with alloys, for example high-alloy steels, superalloys with nickel and cobalt and the like.