DE1433760B2 - Verfahren zum kontinuierlichen Patentieren von Walzdraht aus der Walzhitze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Patentieren von Walzdraht aus Kohlenstoffstahl mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt aus der Walzhitze, bei dem der Draht nach dem Verlassen des Gerüstes in einem direkten Verfahrensschritt rasch auf bis 816° C gekühlt wird.

Der Walzdraht aus Kohlenstoffstahl im Sinne der Erfindung ist ein Draht mittleren bis hohen Kohlenstoffgehaltes, d. h. eines Rundstahles von etwa 5 bis 12 mm Stärke und eines Kohlenstoffanteiles von 0,4 bis 0,9%. Derartiger Walzdraht wird üblicherweise in anschließenden Kaltverarbeitungsprozessen zu Federdraht, hochfestem Seildraht, Ausgangsmaterial für Schrauben, Nägel od. dgl. geformt, meist gezogen, bzw. ohne weitere Verformung, z. B. als Bewehrungsstahl für Stahlbeton, abgegeben.

Üblicherweise verläßt der Walzdraht das Fertiggerüst eines Drahtwalzwerkes mit einer Temperatur von etwa 1000⁰C bei einer Austrittsgeschwindigkeit von etwa 35 bis 50 m/sec. Der Walzdraht wird von Führungsrohren aufgenommen, die mit Wasserdüsen ausgerüstet sind und den Walzdraht bis zum Einlauf in den nachgeordneten Haspel auf etwa 800⁰C abkühlen. Die vom Haspel gewickelten Drahtbunde werden auf eine Transportvorrichtung abgeschoben, auf die sie an offener Luft auf etwa 540 bis 650⁰C abkühlen. Bei dieser Temperatur sind sie mechanisch so widerstandsfähig, daß sie einem Hakentransport übergeben werden können, an dem frei aufgehängt die weitere Abkühlung erfolgt.

Diese herkömmliche Verarbeitung des auslaufenden Walzdrahtes zu Bunden weist schwerwiegende Nachteile auf. Während des Abkühlens bilden sich auf der Oberfläche des Walzdrahtes starke, schwer zu entfernende und einen Metallverlust von etwa 1,5% bewirkende Zunderschichten, und der langsam fortschreitende Kühlprozeß ergibt eine ungünstige Gefügeausbildung, die für die Kaltverformung wenig geeignet ist und eine Anzahl nachfolgender Bearbeitungsgänge, insbesondere aber ein anschließendes Ziehen zu Fertigdraht, ohne vorherige Wärmebehandlung praktisch ausschließt. Dabei treten noch innerhalb eines Bundes entsprechend der jeweiligen Abkühlungsgeschwindigkeit Gefügeunterschiede und damit unterschiedliche Kaltverformungseigenschaften sowie mechanische Beanspruchbarkeiten auf. So zeigen die Windungen im Inneren des Bundes wegen des dort besonders langsamen Abkühlens im wesentlichen grobstreifigen Perlit, während die äußeren Windungen, die schneller auskühlen, im allgemeinen einen etwas feiner gestreiften Perlit aufweisen, der bessere Dehnungs-, Kaltverformungsund Zugfestigkeitswerte ergibt, den beim Drahtziehen zu stellenden Ansprüchen aber noch nicht entspricht. Zudem kann es vorkommen, daß beispielsweise einem plötzlichen Regen oder anderen unerwarteten Kühlbedingungen ausgesetzte äußere Windungen eines Bundes so rasch abkühlen, daß Bainit oder Martensit entstehen, die durch ihre Härte diesen Teil der Bunde für das Drahtziehen völlig unbrauchbar machen. Es ist daher bei den herkömmlichen Stahldrahtbunden aus Stahl mittleren und hohen Kohlenstoffgehaltes erforderlich, den Walzdraht vor dem Ziehen einer getrennten Wärmebehandlung zu unterwerfen, die als Patentieren bekannt ist, und bei der der Walzdraht vorgegeben über die Umwandlungstemperatur erhitzt und aus dieser wieder abgekühlt wird. Die Verweilzeiten sind so groß und die auf Grund dieser verwirklichbaren Durchsatzgeschwindigkeiten so gering, daß eine Angleichung andie oben angegebenen Austrittsgeschwindigkeiten des Walzdrahtes aus Fertiggerüsten nicht möglich erscheint.

Unabhängig von dem erzielbaren Gefüge stellt bereits die Zunderbildung ein erhebliches Problem dar. Auf der Oberfläche der inneren Windungen eines Bundes bildet sich eine starke und auf der Oberfläche äußerer Windungen eine dünnere Schicht von Zunder, insbesondere Magnetit, der sich als verhältnismäßig resistent gegen Säuren erweist. Neben dem schon erwähnten Metallverlust werden erhebliche Kosten für die Entzunderung verursacht, und unter Einfluß der Oxydation sowie anschließenden Säureeinwirkung entstehen Schaden an der Oberfläche des Walzdrahtes, die sich bei einer anschließenden Kaltverformung nachteilig auswirken.

Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, die bei der herkömmlichen.Herstellung von Walzdraht auftretenden Mangel auszuschalten. Obwohl diese Versuche die Fachwelt seit langem beschäftigen, war es ihr nicht gegeben, die Lösung durch bewußtes Abgehen vom herkömmlichen Patentieren zu suchen. Die Bemühungen, aus der Walzhitze Walzdraht mit besseren mechanischen Eigenschaften zu erhalten, schließen zwar eine schnelle Kühlung aus der Walzhitze mit ein, sind aber dann auf Maßnahmen im Bereiche der Umformungstemperatur gerichtet, mit denen der Versuch unternommen wurde, im Rahmen einer Abkühlung aus der Walzhitze die Vorgänge beim herkömmlichen Patentieren, insbesondere dessen Verweilzeit im Bereiche der Umformungstemperatur, zu erreichen, da man annahm, hierdurch auch die beim getrennten Patentieren sich ergebenden mechanischen Eigenschaften und das hierzu gehörende Gefüge zu erhalten.

So ist es aus der US-PS 2 756 169 bekannt, Walzdraht nach Verlassen des Fertiggerüstes aus der Walzhitze durch aufeinanderfolgende, intensiv wirkende Kühlstufen unter 704° C, jedoch nicht bis zu 482° C, zu kühlen, und bei der Umwandlungstemperatur. den Walzdraht zu einer Umwandlung bei konstanter Temperatur zu Bunden zu wickeln. Bei einem solchen Verfahren können die beim Walzen zerstörten Austenit-Körner nicht stark anwachsen, und die Umwändlungstemperatur wird erreicht, wenn die Korngröße noch verhältnismäßig gering, beispielsweise ASTM 8, ist. Wenn dann jedoch versucht wird, durch mäßige Kühlung dieses Austenit-Gefüge isotherm umzuformen, wie es die US-PS 2 756 169 lehrt und beim konventionellen Patentieren angestrebt wird, so bewirkt das kleinkörnige Austenit-Gefüge die Ausscheidung großer Mengen proeutektoiden Ferrites. Wenn andererseits die Wasserkühlung, mit der das Verfahren der US-PS 2 756 169 eingeleitet wird, bis zu so tiefen Temperaturen fortgesetzt wird, daß die Ausscheidung proeutektoiden Ferrites unterdrückt wird, so bilden sich mindestens an der Oberfläche des Walzdrahtes die harten Gefügebe-Standteile Martensit und/oder Bainit. So läßt sich durch das Verfahren der US-PS 2 756 169 das gewünschte Ergebnis allerdings nicht erzielen: Die günstigen mechanischen Eigenschaften, insbesondere aber die Kaltverformbarkeit sowie die Ziehfähigkeit des herkömmlich in getrenntem Arbeitsgange patentierten Walzdrahtes werden nicht erreicht, und das langsame Auskühlen im geschlossenen Bund läßt die Zunderbildung, insbesondere die Bildung von Magnetit, in unerwünschtem Ausmaße zu.

Zur Verhinderung der Zunderbildung sowie zur Rückbildung, bereits entstandenen Zunders wird in der US-PS 1 232 014 empfohlen, aus einem Fertiggerüst austretenden Walzdraht möglichst ausschließlich einem gewählten neutralen Kühl- oder Desoxydationsmittel auszusetzen, so daß nicht nur eine weitere Bildung von Zunder ausgeschlossen wird, sondern darüber hinaus während der Kühlung bereits gebildeter Zunder rückgebildet werden kann. Um die sowohl ausschließliche als auch intensive Einwirkung der angewandten Atmo-Sphäre zu sichern, wird der Walzdraht mittels eines Schlingeniegers so auf einen durch einen diese Atmosphäre aufweisenden, als Tunnel ausgebildeten Raum führenden Förderer gelegt, daß die einzelnen Windungen eines Bundes in Förderrichtung gegeneinander versetzt und gegen diese geneigt sind. Die Deckfläche des den Förderer umfangenden Tunnels wird vor übermäßiger Erwärmung durch Wasserkühlung geschützt.

Die Kühlung des Walzdrahtes ist gering und erfolgt sowohl durch Konvektion als auch durch Strahlung jeweils begrenzter Wirkung und erreicht Abkühlungswerte von höchstens 2 bis 4°C/sec. So kann durch eine neutrale oder desoxydierende Atmosphäre zwar die Zunderbildung während des Abkühlens vermieden werden, die Kühlung des Walzdrahtes unter derartigen Bedingungen führt jedoch nicht zu dem gewünschten Ergebnis, einem aus der Walzhitze gewonnenen Walzdraht guter Kaltverformungseigenschaften. Eine derart langsame Abkühlung wäre zwar beim herkömmlichen Patentieren des üblicherweise grobkörnigen Austenitgefüges (ASTM 4 bis 5) angebracht; bei diesem herkömmlichen Patentieren muß jedoch vermieden werden, daß gegenseitige Berührungen und damit Temperaturbeeinflussungen des Walzdrahtes stattfinden. Würde ein solches Patentieren durch Wiedererhitzen und Abkühlen auf in überlappenden, einander berührenden Ringen ausgebreiteten Walzdraht angewandt, so ergäbe sich ein sehr ungleichförmiges und damit unbrauchbares Produkt. — Liegt jedoch ein feinkörniges Austenit-Gefüge vor, wie es durch das Walzen und direkt anschließende starke Kühlen erhalten wird, so muß, wie die Erfindung lehrt, die folgende Abkühlung viel intensiver sein: Sie soll, wie gemäß der Erfindung vorgeschlagen, mindestens 7,4°C/sec betragen. Nur durch diese starke Abkühlung lassen sich die unerwünschten starken Ausscheidungen proeutektoidalen Ferrites vermeiden, die beim bekannten, langsamen Abkühlen entstehen. So konnte auch nach dem Verfahren der US-PS 1 232 014 kein Walzdraht erhalten werden, welcher den gestellten Anforderungen entspricht, und sie konnte nicht die kritische Kombination der Kühlungsschritte lehren oder auch nur nahelegen, welche gemäß der Erfindung das gewünschte Ergebnis bringt. Nach dem bekannten Verfahren gewonnener Walzdraht weist damit die aus der langsamen Abkühlung resultierenden unzureichenden mechanischen Eigenschaften auf, so daß er zur Weiterverarbeitung, insbesondere zur Kaltverformung und Erlangung der Ziehfähigkeit, wie üblich getrennt und nachträglich zu patentieren ist.

Trotz der Fülle weiterer Vorschläge ist das angestrebte Ziel nicht erreicht, aus einem Fertiggerüst einer Drahtstraße auslaufenden Walzdraht derart zu kühlen und zu Bunden zu wickeln, daß jedes Gefüge und jene mechanischen Eigenschaften erreicht werden, die sich beim üblichen, getrennten Patentieren ergeben und die vielseitigen Möglichkeiten der weiteren Verarbeitung, insbesondere aber eine ausreichende Ziehfähigkeit zu Fertigdraht, sichern.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren zum kontinuierlichen Patentieren von Walzdraht aus Kohlenstoffstahl mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt aus der Walzhitze zu schaffen, bei dem nach einer ersten, raschen Kühlung auf 649 bis 816° O das weitere Kühlverhalten so eingestellt wird, daß ein über die gesamte Länge sowie den Querschnitt des Walzdrahtes homogenes Gefüge gebildet wird, das die gewünschten mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Kaltverformbarkeit, Festigkeit, Zähigkeit und Ziehbarkeit des Walzdrahtes, sichert.

Gelöst wird diese Aufgabe, indem nach dieser ersten Kühlstufe der Walzdraht in Schlingen gelegt und weiterhin in der Weise gekühlt wird, daß die Umwandlung des Austenits nichtisotherm erfolgt und oberhalb der Perlitnase des ZTU-Schaubildes beginnt und endet.

Die Erfindung geht hierbei von Erkenntnissen aus,

die zwar im wesentlichen und grundsätzlich bekannt waren, deren Anwendbarkeit für die Lösung des in Rede stehenden Problems aber nicht erkannt wurden. Während die Bestrebungen der Fachwelt im wesentlichen darauf gerichtet waren, die Bedingungen für das übliche, getrennte Patentieren nachzuahmen, wird bei der Erfindung berücksichtigt, daß die Umwandlung des Austenits beim Unterschreiten der Umwandlungstemperaturen in erheblichem Umfange von der Korngröße abhängt, und die üblicherweise verwendeten ZTU-Schaubilder, die beim üblichen, getrennten Patentieren vorherrschende Korngröße als Parameter voraussetzen. Beim Passieren des Walzspaltes jedoch wird das jeweils gebildete Austenit-Gefüge durch die Verformung des Stahles zerstört, und nach dem Passieren des Walzspaltes beginnt eine Rekristallisation, bei der Teile der ehemaligen Austenit-Körner als Keime zur Bildung neuer, schnell wachsender Austenit-Körner wirken. Wird nun nach Verlassen des letzten Gerütes der Walzdraht intensiv gekühlt, so wird damit das Kornwachstum gebremst, und die Umwandlungstemperatur wird mit einer wesentlich geringeren Korngröße erreicht, als sie sich beim üblichen, getrennten Patentieren ergibt. Geringere Korngrößen begünstigen die Ausscheidung von freiem Ferrit an den Korngrenzen des Austentit-Gefüges, sie bewirken einen früheren Beginn der Umwandlung bei höherer Umwandlungstemperatur und beschleunigen den Abschluß der Umwandlung. Eine geringere Größe der Austenit-Körnung beim Beginn der Umwandlung sowie eine verhältnismäßig starke, d. h. schnelle Kühlung durch den Umwandlungsbereich, also eine nichtisotherme Umformung, verringern die Unterschiede in der Kaltverformbarkeit und Zugfestigkeit des Kohlenstoffstahles, die sich durch unterschiedlichen örtlichen Temperaturverlauf infolge der Berührungsstellen der überlappenden Ringe ergeben können. Des weiteren wird die Oberflächenhärtbarkeit verbessert, der Stahl wird zäher, und innere Spannungen, Gefügeverwerfungen sowie die Neigung zur Rißbildung beim Kühlen oder Abschrecken des Stahles werden verringert. Die Erfahrung lehrt, daß ausgezeichnete Eigenschaften des Kohlenstoffstahles erzielt werden, wenn das Abkühlen aus der Walzhitze mit einem Intensitätsverlauf erfolgt, der ein Anwachsen der Korngröße des austenitischen Verformungsgefüges auf ASTM 6 bis 8 vor Beginn der Austenit-Umformung gewährleistet.

Zur Durchführung der Umwandlung hat es sich bewährt, den umzuwandelnden Drahtabschnitt mit einem intensiven Kühlluftstrom derart zu beaufschlagen, daß die gegeneinander versetzt angeordnet vorgeschobenen, einander überlappenden Ringe dieses Abschnittes dem Kühlluftstrom freien Durchfluß und gleichmäßigen Zugriff an praktisch allen Teilen der Oberfläche der frei abgestützten Ringe gewähren und mit einer Geschwindigkeit von mindestens 7,4°C/sec abgekühlt werden, jedoch unter Vermeidung von Bainit oder Martensit in der Drahtoberfläche.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Kühlung der einander überlappend vorgeschobenen Ringe fortzusetzen, bis der Temperaturbereich unterschritten ist, innerhalb dessen sich Wüstit in Magnetit umsetzt. Als nachahmenswert wurde erkannt, die Kühlluft im wesentlichen gleichmäßig über die Breite der Drahtringe strömen zu lassen. Als empfehlenswert für einige Fälle wurden gefunden, an die erste Kühlstufe einen Endintervall mit langsamer, im wesentlichen durch Abstrahlung bewirkter Kühlung anzuschließen, das kurz über die Umwandlungstemperatur führt; die oben bezeichnete gewünschte Korngröße läßt sich oft so besser einstellen als mit weniger steiler Kühlung innerhalb der ersten Kühlstufe.

Im einzelnen ist die Erfindung an Hand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit diese veranschaulichenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt hierbei

F i g. 1 ein ZTU-Diagramm, das die bei der Abkühlung von Kohlenstoffstahl erfolgende Umformung des Austenits in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit angibt, mit die Erfindung veranschaulichenden Abkühlungskurven,

Fig.2 eine Einrichtung zur intensiven Kühlung von Stahldraht während der Bildung von Bunden und

Fig.3 ein ZTU-Diagramm für isotherme Umwandlungen von Kohlenstoffstahl, in das für unterschiedliche Wärmebehandlungen von Walzdraht für deren Abkühlungsverlaüf typische Kurven eingetragen sind.

Die Erfindung geht von der bekannten Erkenntnis aus, daß durch die Wärmebehandlung, die ein Kohlenstoffstahl erfährt, sowohl seine mechanischen Eigenschaften als auch sein Gefüge, insbesondere seine Kristallform und Korngröße, bestimmt werden, und daß seine mechanischen Eigenschaften von seiner Gefügestruktur abhängen. Bei der Herstellung von Walzdraht aus Kohlenstoffstahl, insbesondere untereutektoiden Kohlenstoffstählen mit mindestens 0,2% Kohlenstoffgehalt, ist das zum Erzielen günstiger Materialeigenschaften, insbesondere guter Kaltverformbarkeit und Ziehbarkeit, günstige Gefüge 'feinstreifiger Perlit, durchsetzt mit wenig feinkörnigem Ferrit. Ein grobes Ferritgefüge ist für die meisten Verwendungszwecke ebenso unerwünscht wie die härteren Bestandteile Martensit und Bainit, da sie die Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Zähigkeit und Kaltverformbarkeit herabsetzen und sprödes, hartes Material ergeben, das ohne nachfolgendes Patentieren für die meisten Anwendungszwecke nicht brauchbar ist.

Die Vorgänge beim Abkühlen von Kohlenstoffstahl lassen sich an Hand eines Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramms, kurz ZTU-Diagramm genannt, erläutern. F i g. 1 stellt ein solches ZTU-Diagramm dar, das für isotherme Umwandlungen eines Stahles mit 0,50% Kohlenstoffgehalt gilt, der keine wesentlichen Legierungszusätze aufweist. Das jeweils erhaltene Gefüge, aber auch Beginn und Ende der Umwandlung des Austenits selbst hängen sowohl von der Zusammensetzung des Walzdrahtes, insbesondere von seinem Kohlenstoffgehalt sowie eventuell vorhandenen Legierungszusätzen, ab, als auch von der jeweils erfolgten Wärmebehandlung. Das dargestellte ZTU-Diagramm gilt damit streng nur bei Einhaltung der vorgegebenen Parameter und für isotherme Umwandlungen; da die grundsätzliche Charakteristik aber auch für andere Parameter zutrifft, kann es der Erläuterung zugrunde gelegt werden.

Das ZTU-Diagramm zeigt Beginn und Ende der ailotropen Umwandlung beim Abkühlen von Kohlenstoffstahl. Bei der Walztemperatur liegt das Eisen in Form von Austenit vor, in dem der Kohlenstoffanteil gelöst ist. Beim Abkühlen beginnt beim Überschreiten der Linie GS des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms die Ausscheidung von Ferrit, der Kohlenstoff nicht in fester Lösung zu halten vermag, und der verbleibende Austenit reichert dementsprechend seinen Kohlenstoffgehalt in Richtung auf den eutektoiden an. Im ZTU-Diagramm ist durch die links dargestellte der beiden Kurven, Kurve 14, die Zeit in Abhängigkeit von der Tem-

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peratur dargestellt, die bis zum Beginn der allotropen Umwandlung des Austenits in Ferrit bzw. zur Ausscheidung des Zementits vergeht. Die zweite oder innere mondförmige Kurve 15 stellt für jede Temperatur die Zeit dar, nach deren Ablauf eine bei konstanter Temperatur durchgeführte Umwandlung beendet ist. Da die Umwandlung jedoch eine exotherme Reaktion ist, in den meisten Fällen die Umwandlung nicht bei konstanter Temperatur vonstatten geht, und zudem innerhalb des Querschnittes des Drahtes meist noch ein Temperaturgefälle besteht, ist, wie bereits bemerkt, ein solches ZTU-Diagramm in vielen Fällen nur bedingt anwendbar.

Nach der Erfindung soll Walzdraht nach dem Verlassen des letzten Walzgerüstes aus der Walzhitze heraus stark gekühlt werden und nach dieser ersten Kühlstufe derart in Schlingen gelegt und weiter gekühlt werden, daß die Umwandlung des Austenits nichtisotherm erfolgt und oberhalb der Perlitnase des ZTU-Schaubildes beginnt und endet. Damit ergeben sich im Prinzip Grenzbedingungen für die Abkühlung, die in F i g. 1 gestrichelt eingetragen sind. Zur Vereinfachung der Darstellung ist allerdings die primäre Abkühlung aus der Walzhitze nur linear angedeutet, und auch der übrige Verlauf der Abkühlungskurven 16 und 17 und damit das von ihnen eingeschlossene, zur erfindungsgemäß kühlungsgesteuerten Umformung nutzbare Gebiet sind nur zum Zwecke der Erläuterung und daher angenähert angegeben, zumal ja, wie oben beschrieben, auch die Kurven 14 und 15 an sich nur für isotherme Umformung einer Stahlzusammensetzung und einer Korngröße gelten und damit nur der Veranschaulichung dienen können, nicht aber exakt Geltung haben.

Gemäß der Abkühlungskurve 16 kann die schnelle Kühlung innerhalb des ersten Verfahrensschrittes bis zu 649° C führen und der Walzdraht im folgenden nur geringfügig abgekühlt werden, bis nach seiner Auslegung in Schlingen eine weitere intensive Kühlung mit mindestens 7,4°C/sec einsetzt. Andererseits kann die erste intensive Kühlung entsprechend der Abkühlungskurve 17 bereits bei höherer Temperatur, beispielsweise zwischen 649 und 815⁰C, abgebrochen und der Draht in Schlingen gelegt werden. Vor oder während des Überschreitens der äußeren mondförmigen Kurve 14, d. h. vor oder während des Beginnens der Umformung, wird die weitere intensive Kühlung wirksam, die den Walzdraht schnell durch das zwischen den beiden Kurven eingeschlossene Umwandlungsgebiet führt, wobei die Umwandlung beendet wird, ehe die Temperatur auf die der Perlitnase der inneren Kurve 15 abgefallen ist.

Es stellt sich überraschenderweise heraus, daß der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der Walzhitze gesteuert gekühlte Walzdraht sich wesentlich von Drähten unterscheidet, die im Luft- oder Bleipatentierungsverfahren erzeugt sind: Der gemäß der Erfindung durch gesteuerte Kühlung erhaltene Walzdraht weist gegenüber herkömmlich patentiertem wesentlich verbesserte Eigenschaften und Kenndaten sowie ein von den bisherigen erheblich abweichendes Gefüge auf. Der kühlungsgesteuert erhaltene Draht weist ausgezeichnete Kaltverformungseigenschaften auf und erweist sich ohne irgendwelche Zwischenbehandlungen insbesondere für das nachfolgende Ziehen geeignet. Er zeigt wesentlich höhere Zugfestigkeiten, verbunden mit hoher Biegsamkeit und Dehnbarkeit, ein deutlich von den bekannten unterscheidbares Gefüge, eine nur leichte, mürbe Zunderbildung, und besonders wesentlich ist, daß diese Eigenschaften über die ganze Länge des Walzdrahtes konstant bleiben. Damit ergibt sich gegenüber bekannten Walzdrähten eine wesentlich verbesserte Ziehbarkeit, verbunden mit einem wesentlich verringerten Verlust durch Verzunderung, kürzeren Beizzeiten und dem Ausbleiben von Markierungen der Drahtoberfläche.

Zwar lassen sich über die Drahtlänge konstante Eigenschaften auch bei herkömmlichem Patentieren erreichen; dieses Patentieren muß aber, wie oben ausgeführt, in einem getrennten Arbeitsgang bei geringen Durchsatzgeschwindigkeiten vorgenommen werden. Der gemäß der Erfindung kühlungsgesteuerte Walzdraht unterscheidet sich vorteilhaft von diesem herkömmlich patentierten Draht, unter anderem durch seine höhere Zugfestigkeit. Diese liegt bei kühlungsgesteuerten Drähten durchweg etwa 3 bis 5% höher als die durchschnittliche Zugfestigkeit von luftpatentierten, aus der gleichen Stahlcharge hergestellten Drähten. Als

ao vorteilhaft zeigt sich weiter, daß der kühlungsgesteuert hergestellte Walzdraht beim Ziehen eine größere Flächenreduktion zuläßt als luftpatentierte Drähte.

Die Ursachen der wesentlichen Verbesserung kühlungsgesteuerter Drähte gegenüber den herkömmlich patentierten läßt sich nicht völlig gesichert angeben. Es wird jedoch angenommen, daß das abweichende Gefüge des kühlungsgesteuerten Drahtes die verbesserten Zieheigenschaften bedingt.

Das Gefüge eines kühlungsgesteuerten Drahtes weist eine gleichförmige feine Körnung auf. Die Korngröße des sich ergebenden Perlitgefüges liegt im Bereiche von ASTM 6 bis 8 und ist damit wesentlich geringer als die üblichen, luftpatentierten Drahtes mit Korngrößen unter 5. Wegen der schnellen Abkühlung des kühlungsgesteuert hergestellten Drahtes gemäß der Erfindung beträgt der Zunderverlust nur '/2 bis '/3 dessen bei üblichem luftpatentierten Draht, und diese Zunderschicht ist fein und brüchig bzw. haarrissig. Weiterhin wirkt die schnelle Kühlung dem Abbau des Wüstites in Magnetit entgegen. Die sich dennoch oberflächlich bildende Magnetitschicht ist wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Zunderschichten und des Grundmetalls ebenfalls haarrissig, und diese Haarrissigkeit in Verbindung mit der geringen Stärke des Zunderpelzes erleichtern und beschleunigen in hohem Maße das Beizen. Die geringe anfallende Zundermenge reduziert auch in hohem Maße den bei der Reinigung auftretenden Säureverbrauch. Die geringe Verzunderung des kühlungsgesteuerten WaIzdrahtes hat zudem den Vorteil, daß nach dem Beizen auf der Drahtoberfläche keine Markierungen bzw. Fittings erscheinen: Die Oberfläche des gereinigten kühlungsgesteuerten Drahtes ist daher glatter und gleichförmiger als die üblichen gereinigten Walzdrahtes und frei von Narben, die zu Oberflächenfehlern oder gar einem Reißen des Drahtes während des Ziehens führen können. Zudem hat es sich gezeigt, daß der Aufbau der Zunderschicht bei erfindungsgemäß kühlungsgesteuerten Drähten die mechanische Entzunderung durch Biegen begünstigt, so daß der für das Beizen getriebene Aufwand gesenkt werden kann bzw. entfällt. Es hat sich gezeigt, daß selbst bei einer nach dem Ziehen vorgenommenen Wärmebehandlung, beispielsweise durch Bleipatentieren, eine beträchtlich geringere Zunderbil-

<5₅ dung auftritt als im Falle üblicher, zum ersten Male bereits vor dem Ziehen bleipatentierter Drähte. Es wird angenommen, daß diese geringere Zunderbildung das Ergebnis der feineren und glatteren Oberflächenstruk-

tür des kühlungsgesteuerten Drahtes ist.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als wesentlich hat sich eine Einrichtung erwiesen, mittels deren die gewünschte starke Kühlung des in Schlingen gelegten Walzdrahtes durchgeführt werden kann. Eine die gewünschte Kühlleistung aufbringende Einrichtung ist in F i g. 2 dargestellt. Der aus dem letzten Gerüst eines nicht gezeigten Drahtwalzwerkes mit Walzhitze, d. h. mit einer Temperatur von etwa 954 bis 1066°C, auslaufende Walzdraht wird durch Kühl- und Führungsrohre 1 zu einem Schlingenleger 2 vergleichbar dem eines Edenbornhaspels geleitet. Im Kühlrohr 1 wird der Walzdraht mit Wasser beaufschlagt, um ihn schnell auf etwa 732 bis 788°C abzukühlen, wobei Stähle niedrigen Kohlenstoffgehaltes auf tiefere Temperaturen abgekühlt werden als solche höheren Kohlenstoffgehaltes. Die optimale Temperatur ist vom Kohlenstoffgehalt sowie von den an das Produkt zu stellenden Erfordernissen abhängig, liegt jedoch üblicherweise über 704⁰C. Der Schlingenleger 2 ist so angeordnet, daß der Draht auf eine Transportvorrichtung 3 abgelegt wird. Die Transportvorrichtung ν weist ein mit Führungsstäben 6 ausgestattetes Bett 4 / auf, unter dem breite, schlitzförmige Luftkanäle 5 enden, die von Gebläsen 7 mit einem Kühlluftstrom gespeist werden. Vermittels von Schiebern 12 kann der durch die Luftkanäle 5 geführte Kühlluftstrom den Erfordernissen entsprechend eingestellt werden. Die Schlingen des Walzdrahtes werden über die Führungsstäbe 6 mittels einer durch eine Antriebsvorrichtung 9 betriebenen Transportkette 8 geschoben. Nach oben ist die Kühleinrichtung durch eine Abdeckung 10 abgeschlossen, welche der Ableitung des zugeführten Kühlluftstromes dient.

Der Walzdraht wird durch den Schlingenleger 2 auf die Führungsstäbe 6 in Form von in Vorschubrichtung gegeneinander versetzt angeordneten Ringen abgelegt, deren Versetzung in F i g. 2 zum Zwecke der übersichtlicheren Darstellung stark übertrieben ist. Der auf das Bett 4 abgelegte Draht kühlt nach dem Ablegen in einer Ausgleichszone zunächst durch Strahlung und läuft dann in den Bereich der Abdeckung 10 ein, innerhalb dessen er schnell und gleichförmig durch den Kühlluftstrom abgekühlt wird. Die Versetzung der Rin- ) ge gestattet, daß der Kühlluftstrom gleichmäßig auf alle Bereiche des Walzdrahtes einwirkt. Nun ist die Masse des den Förderer passierenden Drahtes in den äußeren Bereichen des Förderers größer als in seiner Mitte. Dies kann ausgeglichen werden, indem, durch Pfeil 11 angedeutet, die Randbereiche durch einen stärkeren Kühlluftstrom beaufschlagt werden als die mittlere Zone, so daß der Wärmeentzug über die Breite des Förderers und über die Länge des Walzdrahtes gleichmäßig ist. So kann die Stärke des Kühlluftstromes über die Breite der Transportvorrichtung proportional der in den betreffenden Breitenzonen jeweils abgelegten Drahtmasse gehalten werden.

Die gezeigte Anordnung ergibt über ihre Länge eine ausreichend intensive Beaufschlagung mit der kühlenden Luft, um den Draht so schnell abzukühlen, daß eine im wesentlichen vollständige Umwandlung des Austenits erfolgt, bevor die Temperatur unter den Knick der inneren Kurve des isothermen ZTU-Schaubildes für den jeweiligen Kohlenstoffgehalt abfällt (beispielsweise Kurve 15 der F i g. 1).

Am Ende des Transportbandes wird der Walzdraht bei einer Temperatur von 593° C oder weniger in einer Bundbildestation 13 gesammelt. Nach der Entzunderung kann der Walzdraht gezogen werden, ohne daß es einer vorherigen Wärmebehandlung bedarf.

Die eingehende Schilderung der Auswirkung des Kühlverfahrens soll an Hand von Kontrollversuchen erläutert werden. Aus gleicher Hitze wurden aus einem Stahl mit 0,63% C, 0,99% Mn, 0,006% P, 0,032% S und 0,017% Si 101 Bunde eines Walzdrahtes Nr. 5 in einer kontinuierlich arbeitenden, dreiadrigen Anlage mit sechs Vorgerüsten, vier Zwischengerüsten, vier Streckgerüsten und sechs Fertiggerüsten gewalzt Der aus dem Walzwerk mit einer Temperatur von etwa 1024° C auslaufende Draht wurde unmittelbar nach dem Austreten aus dem Walzgerüst durch intensive Wasserkühlung auf 793 bis 810°C gekühlt. Bei dieser Temperatur wurde der Walzdraht in Form um jeweils 3,8 cm überlappender Ringe von je etwa 1,2 m Außendurchmesser mittels eines Schlingeniegers auf eine beispielsweise der F i g. 2 entsprechende Transportvorrichtung von 23 m Länge abgelegt, auf welcher der Draht bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 18,3 m/min nach Passieren einer kurzen Strecke von 4,5 m innerhalb einer weiteren Vorschubstrecke von 10,6 m durch intensive Kühlluftbeaufschlagung schnell auf etwa 204° C abgekühlt wurde. Das Ergebnis war ein Draht hoher und insbesondere über die Drahtlänge gleichmäßiger Zugfestigkeit, Bruchlast und Dehnungswerte. Die Zunderbildung war wie die Oberflächen-Teilentkohlung gering und ohne starke Streuung. Die Korngröße des Gefüges betrug ASTM 6 bis 8.

Die Entzunderung wurde mit verdünnter Schwefelsäure durchgeführt. Neben der kurzen erforderlichen Beizzeit überraschte der geringe Gewichtsverlust durch die Zunderentfernung. Das anschließende Ziehen zu Fertigdraht mit einer Gesamtreduktion von 76% verlief ohne Schwierigkeiten. Es wurden keine Brüche beobachtet, die Matrizenstandzeit war gut, und der gezogene Draht zeigte keinerlei Tendenzen zur Brüchigkeit.

Die aus diesem und einer Zahl weiterer Versuche gewonnenen Ätzproben zeigen, daß das Gefüge der gesteuert gekühlten Muster im Vergleich zu dem herkömmlich gewalzter, gekühlter und patentierter Drähte feiner ist und insbesondere feiner gestreiftes Perlit mit leicht nadeiförmigem Ferrit sowie intergranulärem Perlit enthält.

Der Zunderpelz bei dem herkömmlich gekühlten Draht erweist sich als bedeutend stärker und fester anhaftend als der gemäß der Erfindung gesteuert gekühlten Walzdrahtes.

F i g. 3 zeigt ein ZTU-Schaubild, in das für unterschiedliche Wärmebehandlungen des Walzdrahtes typische Kurven des Temperatur-Zeitverlaufes eingetragen sind. Auch hier ist zu beachten, daß es an sich nicht möglich ist, Umwandlungslinien für isotherme und unter Kühlungseinfluß erfolgende Umwandlungen sowie für von unterschiedlichen Gefügen ausgehende Umwandlungen gemeinsam nebeneinander im gleichen Diagramm genau anzuzeigen. F i g. 3 kann daher nur grob veranschaulichend für die Erläuterung herangezogen werden.

Die übliche Kühlung in Bunden ist daher durch Abkühlungskurven 18 und 19 veranschaulicht, die entsprechend einer vorgeschalteten, nicht dargestellten Kühlung zur Zeit t = 0,7 see bei etwa 810°C beginnen. Die Kühlung solcher Bunde, die bei einer Temperatur von über 760° C gewickelt werden, erfolgt innerhalb eines breiten Streubereiches, der durch die steiler abfallende Abkühlungskurve 18 für die äußeren Lagen des Bundes

und die schwächer abfallende Abkühlungskurve 19 für die inneren, langsam auskühlenden Bundlagen begrenzt ist. Die unterschiedliche Kühlung der inneren und äußeren Lagen führt zu einem entlang des Walzdrahtes unterschiedlichen Gefüge und entsprechend unterschiedlichen Eigenschaften, deren untragbare Streuungen üblicherweise durch folgende Wärmebehandlungen, durch Luft- oder Bleipatentieren, in einem gesonderten Arbeitsgange verringert werden. Das Luftpatentieren ist durch die idealisierte Abkühlungskurve 20 veranschaulicht, während das Bleipatentieren idealisiert entlang der strichpunktierten Abkühlungskurve 21 erfolgt.

In den beiden dargestellten Fällen des Patentierens ist der Walzdraht vor Beginn der im Diagramm allein dargestellten Abkühlung aufgeheizt, und die Körner des gebildeten Austenit-Gefüges sind durch Anwachsen der Kristall-Kerne entstanden. Die Bildung dieser Kristall-Kerne verläuft endotherm. Das bedeutet, daß jedes neue Korn Wärme absorbiert, wenn es zu wachsen beginnt, während Nachbarkerne sich erst nach weiterer Wärmezufuhr bilden können. Die Größe der einzelnen Körner im Gefüge patentierten Walzdrahtes ist daher unterschiedlich. Um die vollständige Lösung des Karbids bei technisch nutzbaren Durchlaufzeiten zu erreichen, wird üblicherweise für etwa zwei Minuten auf Temperaturen um 1000⁰C aufgeheizt. Dies ergibt ein grobkörniges Gefüge von ASTM 4 bis 5 zu Beginn der Abkühlungskurven 20 und 21 der F i g. 3.

Das erfindungsgemäße Verfahren der gesteuerten Abkühlung jedoch setzt praktisch mit Verlassen des Walspaltes ein: Der Walzdraht wird nach der Erfindung und gemäß der eine Durchführung derselben darstellenden Abkühlungskurve 22 nach dem Walzen schnell abgekühlt. Während des Walzens sind die Aüstenit-Kristalle zerstört bzw. zerquetscht worden. Nach Verlassen des Walzspaltes beginnen bei zunächst noch gleichförmiger Temperatur von 1000°C, ausgehend von dem Walzgefüge, Austenit-Körner unter gleichen Bedingungen und weit über der A3-Temperatur zu rekristallisieren. Sie wachsen also gleichförmig. Die sofort einsetzende intensive Kühlung hält sie verhältnismäßig klein (ASTM 6 bis 8). Das sich hierbei ergebende Gefüge übt auf das Kühlverhalten und die Tendenz, proeutektoiden Ferrit abzulagern, einen starken Einfluß aus, der bei der Betrachtung der F i g. 1 zusätzlich berücksichtigt werden muß. Die Umformung wird in kurzer Zeit beendet, und entgegen der herkömmlichen Anschauung der Fachwelt, die vom Patentieren her den erheblichen, den Erfolg des Patentierens aufhebenden Störungseinfiuß benachbarter und sich berührender Drähte kennt, zeigt es sich, daß bei den gemäß der Erfindung herrschenden Bedingungen die während des Kühlens überlappenden und damit sich berührenden Drahtringe keine Fehlstellen enthalten, sondern vielmehr ihre Eigenschaften über die gesamte Länge des Drahtes konstant zeigen. Es wird hierbei aufgezeigt, daß die begrenzten Berührungsstellen des Walzdrahtes, wenn die Kühlung nur ausreichend intensiv erfolgt, nicht kritisch sind und besondere Maßnahmen, beispielsweise zur exakten Verteilung der Kühlluft entsprechend der im betreffenden Breitenbereich anfallenden Drahtmasse, nicht erforderlich sind.

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, insbesondere das Kühlen des gleichförmig feinkörnigen Austenit-Gefüges im Umwandlungsbereich mit verhältnismäßig steilem Temperaturverlauf, nämlich einem 7,4°C/sec übersteigenden Temperaturabfall, ergibt einen ausgezeichneten Walzdraht, der in den meisten Fällen zu Fertigdraht gezogen werden kann, ohne daß, wie üblich, ein vorheriges Patentieren erforderlich ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum kontinuierlichen Patentieren von Walzdraht aus Kohlenstoffstahl mit mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt aus der Walzhitze, bei dem der Draht nach dem Verlassen des Gerüstes in einem ersten Verfahrensschritt rasch auf 649 bis 816°C gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach der ersten Kühlstufe der Draht in Schlingen gelegt und weiterhin in der Weise gekühlt wird, daß die Umwandlung des Austenits nichtisotherm erfolgt und oberhalb der Perlitnase des ZTU-Schaubildes beginnt und endet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen aus der Walzhitze mit einem Intensitätsverlauf erfolgt, der ein Anwachsen der Korngröße des austenitischen Verformungsgefüges auf ASTM 6 bis 8 vor Beginn der Austenit-Umwandlung gewährleistet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Umwandlung der umzuwandelnde Drahtabschnitt mit einem intensiven Kühlluftstrom derart beaufschlagt wird, daß die gegeneinander versetzt angeordnet vorgeschobenen einander überlappenden Ringe dieses Abschnittes dem Kühlluftstrom freien Durchfluß und gleichförmigen Zugriff an praktisch allen Teilen der Oberfläche der frei abgestützten Ringe gewähren und mit einer Geschwindigkeit von mindestens 7,4°C/sec abgekühlt werden, jedoch unter Vermeidung von Bainit oder Martensit in der Drahtoberfläche.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der einander überlappend vorgeschobenen Ringe fortgesetzt wird, bis der Temperaturbereich unterschritten ist, innerhalb dessen sich Wüstit in Magnetit umsetzt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlluft im wesentlichen gleichmäßig über die Breite der Drahtringe strömt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die erste Kühlstufe ein kurz über die Umwandlungstemperatur führendes Endintervall mit langsamer, im wesentlichen durch Abstrahlung bewirkter Kühlung angeschJossen wird.