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Bewehrungsstahl
Die Erfindung bezieht sich auf einen Bewehrungsstahl, der sich durch erhöhte Korrosionsbeständigkeit und verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere durch ein höheres Streckgrenzenverhältnis auszeichnet.
Auf Metallbasis aufgebaute Werkstoffe, die für Bewehrungszwecke, z. B. als Bewehrungsstähle für Betonbauwerke und für Spannbetonbauten, in direkter Berührung mit den üblichen Baustoffen, wie Mörtel, Zement, Beton, zur Anwendung gelangen, müssen sowohl den technischen und wirtschaftlichen Erfordernissen bei der Errichtung des Bauwerkes als auch hinsichtlich einer ausreichenden Beständigkeit des fertiggestellten Bauwerkes entsprechen. Die metallischen Werkstoffe müssen daher, um diesen Anforderungen zu genügen, eine Reihe von Eigenschaften besitzen, u. zw. :
1.
Einhaltung tragbarer Kosten, weshalb in der Regel nur Eisen als Basismetall in Betracht kommt ;
2. eine Kombination von Festigkeit-un Zähigkeitseigenschaften, die sowohl für kurzzeitige als auch für langzeitige Beanspruchung wirksam ist ;
3. eine Stabilität der für den Gebrauchswert des Werkstoffes massgebenden Eigenschaften auch für einen Zeitraum, der die Lebenserwartung des Bauwerkes mit einer genügenden Sicherheitsspanne überdauert.
Zu der letztgenannten Gruppe von Eigenschaften gehört insbesondere eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit, die sich a) einerseits auf die Korrosionsbeanspruchungen im Laufe der Herstellung, Lagerung und Verarbei- tung zum Bauwerke erstreckt und die b) anderseits Angriffen widersteht, die im eingebauten Zustand des Werkstoffes, z. B. durch die Bil- dung von Reaktionsprodukten beim Abbinden bzw. Erhärten der Baustoffe, oder auch durch ge- wisse Zusätze zu den Baustoffen, z. B. Schnellbinder, hervorgerufen werden können.
Es ist anzunehmen, und Schadensfälle verschiedener Art mit Spannbetonbauten weisen deutlich darauf hin, dass die Ursache des Versagens der Bewehrung in einer Spannungsrisskorrosion zu suchen ist.
Bei den hohen Zugspannungen, mit welchen Bewehrungsstähle gegenwärtig eingebaut werden, genügen offensichtlich schon die relativ geringen primären Aggressivitäten von Reaktionsprodukten, um zu Rissansätzen Anlass zu geben, welche in der Folge zum Durchreissen des Bewehrungselementes führen können.
Bei den für den Hochbau bestimmten Baustählen liegen eine Reihe von Erkenntnissen vor, aus denen sich ergibt, dass die gleichzeitige Erfüllung der vorstehend genannten Erfordernisse bisher noch nicht in befriedigender Weise möglich gewesen ist. Man kennt zwar die an sich korrosionshemmende Wirkung des Kupfers und des Phosphors und kennt auch eine Reihe von Legierungszusätzen, wie Mangan, Silicium, Nickel, Chrom, Molybdän usw., die die Festigkeit erhöhen, wobei auch der billige Kohlenstoff als wesentlich mitverwendet wird.
Dabei ist auch für einen Baustahl mit einem bis zu 0, 2% betragenden
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Kohlenstoffgehalt, einem Siliciumgehalt von 0,5 bis 1, 5% und einem Mangangehalt von 0,8 bis 1,'2J1/0 ein Zusatz von 0, 1 bis 0, 5% Kupfer empfohlen worden, um diesen Stahl korrosionsbeständiger zu machen. Daraus lässt sich jedoch für die Zusammensetzung eines Bewehrungsstahles, der sowohl den geforderten mechanischen Eigenschaften als auch der verlangten hohen Trägheit gegen Kurzzeitkorrosion und Spannungsrisskorrosion entsprechen soll, keine Lehre ableiten.
Bei eingehenden Untersuchungen wurde nun festgestellt, dass es möglich ist, durch eine gleichzeitige, aufeinander abgestimmte Verwendung der bei Stählen an sich bekannten Legierungselemente Kupfer und Silicium einen Bewehrungsstahl zu erhalten, der den bereits genannten Erfordernissen in hervorragender Weise entspricht.
Gemäss der Erfindung ist ein Bewehrungsstahl, der im allgemeinen einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,1 bis 0,5 Gew. -0/0, wobei für die höheren hier in Frage kommenden Festigkeiten ein Bereich von 0, 2 bis 0,5 Gew. -0/0 bevorzugt wird, und gegebenenfalls einen Mangangehalt von etwa 0, 25 bis 1, 4 Gew. -0/0 aufweist, wozu noch die üblichen Stahlbegleiter, wie Phosphor und Schwefel, kommen, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl zur gleichzeitigen Erzielung erhöhter Korrosionsbeständigkeit und verbesserter Festigkeitseigenschaften zusätzlich noch die Elemente Kupfer und Silicium mit der Massgabe enthält, dass der Gehalt an Silicium, in Gewichtsprozent ausgedrückt, das 1, 8-bis 2, 2fache des 0,20 bis 0,60 Gew. -0/0 ausmachenden Kupfergehaltes beträgt.
Bevorzugt wird ein mittleres Verhältnis von Si : Cu wie 2 : 1 eingehalten, so dass also der Siliciumgehalt im wesentlichen dem doppelten des Kupfergehaltes entspricht.
Der gleichzeitige, in der angegebenen Weise aufeinander abgestimmte Gehalt von Kupfer und Silicium gemäss der Erfindung führt zu einem Bewehrungsstahl, der eine besonders günstige Kombination von Eigenschaften aufzuweisen hat. Er besitzt einen relativ hohen Widerstand gegen die Kurzzeitkorrosion, wie auch gegen korrosive Angriffe über längere Zeiten, die zur Spannungsrisskorrosion führen. Bei den mechanischen Eigenschaften wird die Erzielung hoher Streckwerte unter gleichzeitiger Beibehaltung guter Dehnungswerte ermöglicht. Daraus ergibt sich, dass eine sehr günstige Einteilung des Verhältnisses von Streckgrenze zu Zugfestigkeit in weiten Grenzen möglich ist, u. zw. sowohl durch Wärmebehandlung als auch durch Kaltverfestigung.
Während aber bei den für Bewehrungszwecke normalerweise verwendeten, kalt verformten Kohlenstoffstählen bisher immer eine Wärmebehandlung notwendig war, die z. B. bei Baustahlgittern in entsprechend grossen Öfen erfolgen muss, um zu günstigen Dehnungswerten zu gelangen, fällt dieses Erfordernis bei den erfindungsgemäss zusammengesetzten Bewehrungsstählen fort. Der neue Bewehrungsstahl weist im übrigen auch bei hohen Festigkeiten noch eine erhebliche Reserve an plastischem Verformungsvermögen auf, was zu erhöhten Werten für die Dehnung und die Einschnürung führt.
Der erfindungsgemäss zusammengesetzte Werkstoff lässt sich einfach als Feinkornstahl herstellen und ist auch deshalb gegen die bekannten Versprödungseinwirkungen durch Altern wenig und gegen korrosive Beanspruchungen, soweit solche in Bauwerken mit üblichen Baustoffen überhaupt in Frage kommen, praktisch völlig unempfindlich.
Bei praktischer Ausführung der Erfindung zeigt sich, dass der absolute Kupfergehalt zweckmässig nur so wenig zu betragen braucht, dass die Wirkung mit Sicherheit erreicht wird, was schon bei einem Wert nicht viel unter 0, 201o der Fall ist. Anderseits soll der Kupfergehalt nicht mehr als etwa 0, 60vlo ausmachen, um jegliche Schwierigkeiten in der Warm- oder in der Kaltbearbeitung zu vermeiden. Ein besonders bevorzugter Bereich wurde für einen Kupfergehalt zwischen 0,25 und 0,45 Gew. -0/0 festgestellt.
Als Beispiel eines Bewehrungsstahles gemäss der Erfindung, der den gestellten Anforderungen in ausgezeichneter Weise entspricht, sei die folgende Zusammensetzung angegeben : 0, 25 bis 0, 45% C, 0, 6 bis 1, 3% Mn, 0, 6 bis 0, 8% Si, 0, 3 bis 0, 40/0 Cu.
Unter der Voraussetzung, dass das erfindungsgemäss festgelegte Si-Cu-Verhältnis eingehalten wird, lässt sich der für den Bewehrungsstahl jeweils gewünschte Festigkeitsbereich durch die allgemein bekannten Massnahmen der Wahl der Höhe des Kohlenstoff- bzw. Mangangehaltes leicht einstellen. Wird das beanspruchte Si-Cu-Verhältnis beibehalten und bleibt man insbesondere mit dem Kupfer- und dem Siliciumgehalt in den erfindungsgemäss vorgesehenen Grenzen, so wirkt sich der Zusatz der beiden Legierungselemente in einem sehr weiten Bereich des Kohlenstoff-bzw. Mangangehaltes günstig aus.
Dieser Effekt lässt sich bei einem Kohlenstoffgehalt des Bewehrungsstahles von 0,1 bis 0, 5 Gew. und im Falle eines Mangangehaltes in einem Bereich bis zu 1, 4 Gew.-% mit Sicherheit und über diese Grenzen hinaus noch in sehr vielen Fällen erzielen.
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Zur Erklärung der Wirkung der gemeinsamen, aufeinander abgestimmten Anwendung von Kupfer und Silicium kann, ohne jedoch die Erfindung auf diese theoretische Erläuterung festzulegen, folgendes gesagt werden :
Bei der Korrosion tritt eine Schutzhaut auf, an deren Aufbau innerhalb des genannten Cu-Si-Verhältnisses im Stahl sowohl Kupfer als auch Silicium beteiligt ist. Möglicherweise liegen hier ähnliche Verhältnisse wie bei den natürlichen Kupferkieselerzen vor. Die auftretende Schutzhaut, die als eine Kombinationsschutzschicht aufzufassen ist, ist um ein Vielfaches widerstandsfähiger als normale, beispielsweise auf Kupferstählen sich bildende ; sie hat ausserdem die Eigenschaft der schnellen Selbstheilung, verbunden mit einer gewissen Fernwirkung.
Durch die Änderung der Aktivitäten im Eisenmischkristall bei der gleichzeitigen Anwesenheit von Kupfer und Silicium bilden sich Kupfer- und Siliciumkomplexe, deren Natur im einzelnen noch nicht geklärt ist, welche aber im Sinne einer Keimwirkung einerseits, in der Verhinderung störender Grobkornbildung anderseits wirksam sind und schliesslich durch ihre Wechselwirkung mit Versetzungen zu zwei Effekten führen : Einerseits zu einer Verankerung von Versetzungen, was mit einer Erhöhung der Streckgrenze bei wenig geänderter Zugfestigkeit erklärt werden kann, und anderseits zur Freigabe wenigstens eines Teiles der Versetzungen bei Übersteigerung der Spannung, womit die Erhaltung einer ausreichenden Verformungsreserve gesichert ist.
Der Effekt der erfindungsgemässen Verwendung von Kupfer und Silicium in dem angegebenen, bestimmten Verhältnis lässt sich daher allgemein dahin zusammenfassen, dass es durch die genannten Zusätze zur Ausbildung von komplementär wirkenden Komplexen kommt, die man sich zwischen den Legierungsatomen und den Eisenatomen gebildet vorstellen kann. Bei dieser Gruppierung findet zuerst ein erschwertes und darauf ein nicht behindertes Gleiten statt, wodurch gute Dehnungswerte erhalten werden. Dabei wirkt sich der Siliciumgehalt vor allem auf die Festigkeitseigenschaften, also bezüglich der Zugfestigkeit und der Streckgrenzen aus, während das Kupfer neben einer zusätzlichen Festigkeitssteigerung vor allem die erhöhte Korrosionsbeständigkeit bedingt.
Die Erfindung ist in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken, weiter erläutert : Beispiel l : Es wird ein Stahl von folgender Zusammensetzung hergestellt : 0, 270/0 C,
1, 090/0 Mn,
0, 71% Si,
0, 34% Cu,
0, 014% P,
0, 012% S.
Die Untersuchung dieses Stahles ergab nach Durchführung einer Warmverformung durch Schmieden von Versuchsblöcken mit anschliessender Normalisierung die folgenden Werte :
EMI3.1
<tb>
<tb> Streckgrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung <SEP> #5 <SEP> Einschnürung
<tb> kp/mm2 <SEP> kp/mm2 <SEP> % <SEP> 0/0 <SEP>
<tb> warmverformt <SEP> 54, <SEP> 9 <SEP> 69, <SEP> 6 <SEP> 20, <SEP> 0 <SEP> 39, <SEP> 1 <SEP>
<tb> normalisiert <SEP> 46, <SEP> 6 <SEP> 66, <SEP> 5 <SEP> 21, <SEP> 2 <SEP> 48, <SEP> 2 <SEP>
<tb>
Beispiel 2 : Es wurde von einem Stahl folgender Zusammensetzung ausgegangen : 0, 31% C, 1, 07% Mn, 0, 72% Si, 0, 36% Cu,
0, 013% P, 0, 012% S.
Die nach der Warmverformung gemäss Beispiel 1 und Normalisierung erhaltenen Festigkeitswerte waren die folgenden :
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EMI4.1
<tb>
<tb> Streckgrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung <SEP> 5 <SEP> Einschnürung <SEP>
<tb> kp/mrn <SEP> kp/mm2 <SEP> % <SEP> % <SEP> 0/0 <SEP>
<tb> warmverformt <SEP> 59, <SEP> 5 <SEP> 72,7 <SEP> 18, <SEP> 5 <SEP> 37, <SEP> 4 <SEP>
<tb> normalisiert <SEP> 45, <SEP> 2 <SEP> 65, <SEP> 7 <SEP> 16, <SEP> 4 <SEP> 42, <SEP> 9 <SEP>
<tb>
Beispiel 3 : Der hier untersuchte Stahl wies die folgende Zusammensetzung auf :
0,23% C,
0, 95% Mn,
0,62% Si, 0, 32% Cu,
0, 011% P,
0,014% S.
Nach der Warmverformung gemäss Beispiel 1 und Normalisierung wurden die nachfolgenden mechanischen Eigenschaften ermittelt :
EMI4.2
<tb>
<tb> Streckgrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung <SEP> 55 <SEP> Einschnürung <SEP>
<tb> kp/mm2 <SEP> kp/mm2 <SEP> % <SEP> %
<tb> warmverformt <SEP> 54, <SEP> 2 <SEP> 65, <SEP> 1 <SEP> 19, <SEP> 2 <SEP> 43, <SEP> 7 <SEP>
<tb> normalisiert <SEP> 43,2 <SEP> 60,5 <SEP> 25,4 <SEP> 53,7
<tb>
Durch eine Vergütung lassen sich sowohl die Streckgrenze als auch die Zugfestigkeit wesentlich erhöhen und insbesondere das Streckgrenzenverhältnis auf Werte von 90% und höher bringen.
Sämtliche in den vorgenannten Beispielen angeführten Stähle lassen sich durch übliche Kaltverformungsverfahren auf Zugfestigkeiten bringen, welche auch Anforderungen der modernen Baustahlentwicklung folgen können. Wenn als Mindestdehnung bei 10facher Messlänge ein Wert von 10% gefordert wird, dann kann man ohne weiteres Zugfestigkeiten von 100 kg/mm2 erzielen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Bewehrungsstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0, 1 bis 0,5 Gew.-%, vorzugsweise von
EMI4.3
üblichen Stahlbegleitern, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl zur gleichzeitigen Erzielung erhöhter Korrosionsbeständigkeit und verbesserter Festigkeitseigenschaften zusätzlich noch die Elemente Kupfer und Silicium mit der Massgabe enthält, dass der Gehalt an Silicium, in Gewichtsprozent ausgedrückt, das 1,8-bis 2,2fache des 0, 20 bis 0,60 Gel.-% ausmachenden Kupfergehaltes beträgt.