DE2021245A1

DE2021245A1 - Thermal treatment of steel rods for concrete reinforcement

Info

Publication number: DE2021245A1
Application number: DE19702021245
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl-Phys Dr Ettenreich; Klaus Dipl-Ing Greulich; Otto Reimann
Original assignee: Baustahlgewebe GmbH
Current assignee: Baustahlgewebe GmbH
Priority date: 1970-04-30
Filing date: 1970-04-30
Publication date: 1971-11-18
Also published as: DE2021245C3; ZA712581B; DE2021245B2

Abstract

Rods or bars of low-C, non-alloy steel of diam. 4-36 mins. are heated by induction to high temps. and cooled, both effected rapidly. The rods are initially cold worked 10-70%, then heated to a skin temp. of 600- 1300 degrees C by controlling the electrical input; simultaneously the core attains a temp. of between 450 and Ar3, at >100, pref. >350 degrees C/sec. It is then rapidly quenched using water jets to a temp. in the equilibrium zone as defined in a temp.-time diagram. The properties of the steel e.g., strength, elongation, elasticity are improved, and are not affected by subsequent welding. The bars are used for concrete reinforcement etc.

Description

Verfahren zur Erhöhung der Sicherheit von Baustählen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Sicherheit von Baustählen, wobei als Mass für die Sicherheit die Differenz zwischen Zugfestigkeit und Streckgrenze verstanden wird und wobei von niedriggekohltem, kaltyerformtem Stahl ausgegangen wird. Der Stahlhersteller kann die Eigenschaften des Stahles durch die chemische Analyse, durch eine Kaltumformung oder durch eine Wärmebehandlung dem Verwendungszweck anpassen.Method for increasing the safety of structural steels The invention relates to a method for increasing the safety of structural steels, with as a measure understood the difference between tensile strength and yield point for safety and where low-carbon, cold-formed steel is assumed. Of the Steel manufacturer can determine the properties of steel through chemical analysis, adapt to the intended use by cold forming or heat treatment.

Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlung eines kaltverformten Stahles, um dadurch die technologischen Eigenschaften wunschgemäss zu verändern.The invention relates to a heat treatment of a cold-worked steel, in order to change the technological properties as required.

Massgeblich für das Ergebnis einer Wärmebehandlung sind bekanntlich die Temperatur und die Zeit. Bei Temperaturen unterhalb A1 kommt es zunächst zu einer Kristallerholung, - in diesem Fall -sind im Gefüge noch keine Veränderungen zu erkennen - oder zu einer Neubildung der Kristalle (Rekristallisation) über Keimbildung und Keimwachstum. Dadurch werden die VerSestigungen, soweit erwünscht, abgebaut3 die technologischen Eigenschaften an den Verwendungszweck angepasst oder der für die weitere Verarbeitung erforderliche bildsame Zustand wiederhergestellt. Zugfestigkeit und Streckgrenze nehmen ab, wobei die Streckgrenze vorzugsweise stärker abfällt, während sich die Dehnung erhöht. Neben der Kristallerholung und der Rekristallisation muss auch die mögliche Bildung von Ausscheidungen für die änderung der technologischen Eigenschaften berücksichtigt werden.It is well known that these are decisive for the result of a heat treatment the temperature and the time. At temperatures below A1 it initially occurs a crystal recovery - in this case - there are still no changes in the structure to recognize - or to a new formation of the crystals (recrystallization) via nucleation and germ growth. As a result, the consolidations are broken down, if desired3 the technological properties adapted to the intended use or the for restores the plasticity required for further processing. tensile strenght and yield strength decrease, whereby the yield strength preferably drops more, while the stretch increases. In addition to the crystal recovery and The recrystallization must also cover the possible formation of precipitates changes in technological properties must be taken into account.

Die gegenläufige Anderung von Zugfestigkeit und Streckgrenze einerseits und der Bruchdehnung andererseits zeigt sich auch bei der Vergütung von höher kohlenstoffhaltigen, gehärteten Stählen. Das Ziel des Vergütens ist eine hohe Streckgrenze und eine hohe Zugfestigkeit, d.h.The opposite change in tensile strength and yield point on the one hand and the elongation at break, on the other hand, is also shown in the tempering of higher carbon, hardened steels. The goal of tempering is a high yield point and a high one Tensile strength, i.e.

ein hohes Streckgrenzenverhältnis bei gleichzeitig guten Zähigkeitseigenschaften.a high yield strength ratio with good toughness properties at the same time.

Es ist ausserdem ein Anlass verfahren für kaltgezogenen Stahl bekannt, das bei etwa gleichbleibender Dehnung die Streckgrenze erheblich stärker als die Zugfestigkeit erhöht (Stahl und Eisen, 1940, S. 1o5). Derartige Stähle zeigen bei hohen Absolutwerten der Zugfestigkeit und der Streckgrenze, d. h. einem hohen Streckgrenzenverhältnis, eine dementsprechend kleine Differenz zwischen Zugfestigkeit und Streckgrenze.There is also a known occasion process for cold drawn steel, that with approximately the same elongation, the yield point is considerably stronger than that Increased tensile strength (Stahl und Eisen, 1940, p. 1o5). Such steels show at high absolute values of tensile strength and yield strength, i.e. H. a high yield strength ratio, a correspondingly small difference between tensile strength and yield point.

Nun ist es> insbesondere bei Betonstählen wünschenswert, bei höher Zugfestigkeit ein nicht zu hohes Streckgrenzenverhltnis bzw. eine hohe Differenz zwischen der Zugfestigkeit und der Streckgrenze zu haben. Sollte nämlich bei Belastung im Beton der Stahl in das Gebiet seiner plastischen Verformung oberhalb der Streckgrenze gelangen, so ist durch die Differenz der Streckgrenze zur Zugfestigkeit immer noch eine grosse Sicherheit für das Bauwerk gegeben.Now it is> particularly desirable for reinforcing steel, at higher Tensile strength a not too high yield strength ratio or a high difference to have between the tensile strength and the yield point. Should namely under load in concrete the steel in the area of its plastic deformation above the yield point reach, it is still due to the difference between the yield point and the tensile strength given a high level of security for the structure.

Aufgrund der bekannten, zum Teil beschriebenen Wärmebehandlungsverfahren erscheint es aber nur möglich, die Erhöhung der Differenz zwischen Zugfestigkeit und Streckgrenze bei einem Abfall ihrer Absolutwerte zu erreichen oder aber bei Beibehaltung oder Steigerung der Absolutwerte eine Verringerung der Differenz zu erhalten.Due to the known, partly described heat treatment processes but it only appears possible to increase the difference between tensile strength and yield point when their absolute values drop or, if the absolute values are maintained or increased, a reduction in To get difference.

Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, zur Verbesserung der Sicherheit von Baustählen die Differenz zwischen Zugfestigkeit und Streckgrenze eines niedriggekohlten, kaltverformten Stahles zu vergrössern, praktisch unter Beibehaltung oder Erhöhung der Streckgrenze.In contrast to the known prior art, the invention has Set the task of improving the safety of structural steels the difference between tensile strength and yield point of a low-carbon, cold-formed steel to enlarge, practically while maintaining or increasing the yield strength.

Die Aufgabe wird überraschenderweise durch eine Wärmebehandlung gelöst und zwar wird der kaltverformte Stahl kontinuierlich durch eine Schnellerwärmungszone geführt und dabei im Oberflächenbereich auf eine hohe Temperatur gebracht, die es gestattet, bei der anschliessenden Luftabkühlung einen Wärmeinhalt im Oberflächenbereich zu belassen, der befähigt ist, den Kern, der bis dahin auf niedrigen Temperaturen verblieben ist, auf eine mittlere Temperatur zu erwärmen, und dass dann darauf eine beschleunigte Abkühlung (Abschreckung) des Oberflächenbereiches bis auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur des Kernes durchgeführt wird.The object is surprisingly achieved by a heat treatment namely, the cold-worked steel is continuously passed through a rapid heating zone guided and brought to a high temperature in the surface area, which it allows a heat content in the surface area during the subsequent air cooling to leave, which is capable of the core, which until then at low temperatures is left to warm to a medium temperature, and that then on one accelerated cooling (quenching) of the surface area down to one temperature is carried out below the temperature of the core.

Bei diesem neuen Verfahren wird bevorzugt die Schnellerwärmung auf Temperaturen oberhalb Ac5, vorzugsweise im Bereich von 800 bis 1 500 ° C, insbesondere 900 bis 1 250 ° C, abgestellt. Beim Ausgleich des Wärmeinhalts bei der Luftabkühlung kühlt sich der Oberflächenbereich bevorzugt auf eine Temperatur oberhalb Ar3 ab, während sich der Kern von einer Temperatur unterhalb des Kristallerholungsbereiches, vorzugsweise unterhalb 200 ° C, auf eine Temperatur im oberen Kristallerholungsbereich erwärmt.In this new process, preference is given to rapid heating Temperatures above Ac5, preferably in the range from 800 to 1,500 ° C., in particular 900 to 1 250 ° C, turned off. When balancing the heat content during air cooling the surface area cools down preferably to a temperature above Ar3, while the core moves from a temperature below the crystal recovery range, preferably below 200 ° C, to a temperature in the upper crystal recovery range warmed up.

Zur Schnellerwärmung der Oberflächenzone des kaltverformten Stahles eignet sich insbesondere die induktive Erhitzung. Durch die Wahl der Frequenz und die Abstimmung der Vorschubgeschwindigkeit gegenüber der Spulenabmessung und der Energiedichte wird die gewünschte Temperatur im Oberflächenbereich bewirkt. Wichtig ist eine kurzzeiteige, also ausreichend schnelle Erwärmung, damit in der Erwärmungszone noch kein wesentlicher Wärmetransport durch Leitung in den Kernbereich des Stahles erfolgt.For faster heating of the surface zone of the cold-formed steel inductive heating is particularly suitable. By choice the frequency and the coordination of the feed speed with respect to the reel dimensions and the energy density causes the desired temperature in the surface area. It is important to warm up briefly, i.e. sufficiently quickly, so that in the Heating zone still no significant heat transport through conduction into the core area of the steel.

Zur Wärmeerzeugung eignen sich auch Elektronenstrahlen.Electron beams are also suitable for generating heat.

Bekanntlich lassen sich auch durch Laser schnell grosse Wärmemengen übertragen Grundsätzliches über die induktive Schnellerwärmung ist einer Veröffentlichung in "Stahl und Eisen" zu entnehmen (1969, s, 580). Die dort beschriebenen Versuche wurden allerdings an Blöcken mit einem Durchmesser von etwa 200 mm durchgerührt und haben keinen Bezug zu der hier gewünschten Beeinflussung on Zugfestigkeit und Streckgrenze.As is well known, large amounts of heat can also be quickly removed using lasers transfer Basics about inductive rapid heating is a publication in "Stahl und Eisen" (1969, p. 580). The experiments described there however, were carried out on blocks with a diameter of about 200 mm and have no relation to the here desired influence on tensile strength and Stretch limit.

Ausserdem ist aus der russischen Zeitschrift Metallowedenije i obrabottka metallow", Nr. 2/58, s. 28/35, ein Verfahren bekannt, nachdem ein niedriggekohlter Stahl nach einer schnellen Induktionserhitzung und einer anschliessenden Luftabkühlung beschleunigt (durch Wasserabschreckung) abgekühlt wird. Ziel dieses Verfahrens ist es, dem kaltverformten Stahl über die Rekristallisation wieder gute plastische Verformungseigenschaften zu geben. Wie bei einem der eingangs beschriebenen Wärmebehandlungsverfahren erniedrigen sichStreokgrenze und Zugfestigkeit, während sich die Dehnung erhöht. Bei den russischen Versuchen wurde ein Stahl mit einem Verformungsgrad von 80 % untersucht. Nach schneller Induktionserhitzung und dem Erreichen einer gleichmässigen Erhitzungszone (600 bis 900 ° C in 0>5 bis 10 Sek.), wurde der Stahl nach einer Luftabkühlung (6 bis 12 Sei;) an Wasser abgeschreckt. Die angegebenen mechanischen Werte zeigen, dass ein Rekristallisa lionsgiünen des Stahlbandes bei kurzer Erhitzungsdauer mit bekannten technologischen Eigenschaften stattgefunden hat.Also from the Russian magazine Metallowedenije i obrabottka metallow ", No. 2/58, p. 28/35, a process known after a low-carbon Steel after rapid induction heating and subsequent air cooling accelerated cooling (by water quenching). The aim of this procedure is it, the cold-formed steel has good plastic deformation properties again through recrystallization admit. As with one of the heat treatment processes described at the beginning, decrease stress and tensile strength as elongation increases. With the Russian A steel with a degree of deformation of 80% was tested. After faster Induction heating and the achievement of a uniform heating zone (600 to 900 ° C in 0> 5 to 10 seconds), the steel was air-cooled (6 to 12 Be;) deterred by water. The given mechanical values show that a recrystallisa lionsgiünen of the steel strip with a short heating time with known technological properties has taken place.

Gemäss der Erfindung findat die kurzzeitige Erwärmung nur im Oberflächenbereich statt. Anschliesend wird ein Teil der im Oberflächenbereich gespeicherten Wärme wieder an die Lüft abgegeben, während sich ein weiterer Teil durch Wärmeleitung, nach der bekannten Wärmeleitungsgleichung, zum Kernbereich hin überträgt. dabei soll der lm Oberflächenbereich gespeicherte Wärmeinhalt ausreichend sein, -um den Kern auf Temperaturen im oberen Kristalierholungsbereich, vorzugsweise 450 bis 550°C, zu erwärmen.According to the invention, the brief heating takes place only in the surface area instead of. Part of the heat stored in the surface area is then used released back to the air, while another part through heat conduction, according to the well-known heat conduction equation, transfers to the core area. included the heat content stored in the surface area should be sufficient -um the Core to temperatures in the upper crystal recovery range, preferably 450 to 550 ° C, to warm up.

Dabei verbleibt die Temperatur im -Oberflächenbereich immer noch oberhalb Ar3. Nach dem Wärmeausgleich erfolgt die beschleunigte Abkühlung, vorzugsweise mittels Wasser (z. B.The temperature in the surface area still remains above Ar3. After the heat equalization, the accelerated cooling takes place, preferably by means of Water (e.g.

Wasserbrause). Nachdem de Oberflächenbereich auf unter SQÓ -o C abgekühlt ist, -erfolgt der restliche Temperaturausgleich afl Luft, wobei sich der abgeschreckte Oberflächenbereich durch die aus dem Kernbereich abfliessende Wärme leicht erholt.Water shower). After the surface area has cooled to below SQÓ -o C. the rest of the temperature equilibrium takes place in air, the quenched Surface area slightly recovered due to the heat flowing away from the core area.

Wie die nachfolgenden Beispiele zeigen, wird bei einem erfindungsgemäss behandelten, niedriggekohlten, kaltverformten Stahl die Differenz zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit stark vergrössert, während die Streckgrenze beibehalten oder erhöht wird. Der untersuchte Stahl-war unlegiert, besass einen Kohlenstoffgehalt von 0,12 ß und war mir einem Verformungsgrad von 35 % auf einem Durchmesser von 6,5 mm kaltverformt.As the following examples show, one according to the invention treated, low-carbon, cold-worked steel is the difference between the yield strength and tensile strength greatly increased while maintaining or increasing the yield strength will. The steel examined was unalloyed and had a carbon content of 0.12 ß and was cold-formed with a degree of deformation of 35% on a diameter of 6.5 mm.

Aus der Tabelle gehen die technoligischen Ausgangswerte und die erreichten Endwerte nach dem erfindungsgemässen Wärmebehandlungsverfahren hervor. Als Richtwert wurde dabei? in Spalte 1 die Temperatur angegeben, auf die der Oberflächenbereich kurzzeitig aufgeheizt wurde.The table shows the technological output values and those achieved Final values after the heat treatment process according to the invention. As a guide was there? in column 1 indicated the temperature to which the surface area was briefly heated up.

T a b e l l e: Erwärmung des Oberflächenbe- #B #s ##B/S Dehnung reiches auf °C kp/mm² kp/mm² kp/mm² 0°C in % Ausgangsmaterial 35 % Verformungsgrad 60,0 55,0 5,0 8% 8oo ° C «4,7 56,0 8,0 13 ß 900°C 67,7 56,6 11,5 15 % 1000°C 72,0 56,0 16,0 11 % Wie die Tabelle zeigt, haben sich gegenüber dem Ausgangs-Festigkeit, Strec Verformungsgrad nach der Wärmebehandlung Festigkeit, Streckgrenze und die Differenz zwischen beiden erhöht. Mit steigender Erwärmung des Oberflächenbereiches erhöht sich die Zugfestigkeit, während die Streckgrenze etwa auf a Beispielen erh verbleibt oder sich leicht erhöht. Bei allen Beispielen erhöht sich die Differenz zwischen der Zugfestigkeit und der Streckgrenze. erheblich. Table: Heating of the surface area #B #s ## B / S stretching to ° C kp / mm² kp / mm² kp / mm² 0 ° C in% starting material 35% degree of deformation 60.0 55.0 5.0 8% 8oo ° C «4.7 56.0 8.0 13 ß 900 ° C 67.7 56.6 11.5 15% 1000 ° C 72.0 56.0 16.0 11% As the table shows, compared to the initial strength, Strec Degree of deformation after heat treatment Strength, yield strength and the difference increased between the two. Increased with increasing heating of the surface area the tensile strength, while the yield strength remains about a examples or increases slightly. In all examples, the difference between increases the tensile strength and the yield point. considerable.

Entgegen dem bekannten Stand der Technik führt diese wesentliche VerbeSserung der technologischen Werte auch zu einer deutlichen Erhöhung der Dehnung.Contrary to the known state of the art, this leads to a significant improvement the technological values also lead to a significant increase in elongation.

kaltverformten Stählen vor Verfahren ist es möglich, bei kaltverformen Stählen vor allem die Zugfestigkeit, möglicherweise auch die Streckgrenze, zu erhöhen. Die' Dehnung wird, wie die Beispiele zeigen, gleichzeitig erhöht. Dadurch wird die Differenz zwischen der insbesondere und der Streckgrenze erhöht und es ergibt sich insbesondere für den Verwendungszweck als Betonstahl in Jeder Form - als ten-oder vorgespannte Armierung oder auch in Baustahlmatten -ein Si-rheitsabstand zwischen der Zugfestigkeit und der Streckgrenze.Cold-formed steels before proceeding, it is possible at cold-forming Steels mainly increase the tensile strength, possibly also the yield strength. As the examples show, the elongation is increased at the same time. This will make the Difference between the particular and the yield point increases and it results especially for use as reinforcing steel in any form - as ten or prestressed reinforcement or in welded wire mesh - a safety distance between the tensile strength and the yield point.

Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eigent sich besonders eine Vorrichtung, in der eine induktiönsspule 2 und eine Abkühlvorriohtung 3 in verschieblichem Abstand angeordnet sind. Der Abstand a ist abhängig von der Wahl der Frequenz und der Grösse der Vorschubgeschwindigkeit gegenüber der Spulenabmessung und der Energiedichte.Particularly suitable for carrying out the method according to the invention a device in which an inductive coil 2 and a cooling device 3 are arranged at a displaceable distance. The distance a depends on the Choice of the frequency and the size of the feed speed in relation to the reel dimensions and the energy density.

Patentansprüche: Patent claims:

Claims

Claims: 1. Method for increasing the safety of structural steel practical by increasing the difference between tensile strength and yield point while maintaining or increasing the yield strength of a low-carbon, cold-formed Steel, characterized in that the cold-worked steel continuously through A rapid heating zone is guided and thereby in the surface area on a high temperature is brought, which allows the subsequent air cooling to leave a heat content in the surface area that is capable of removing the core, which until then remained at low temperatures, to a medium temperature to heat, and that thereupon an accelerated cooling (quenching) of the surface area is carried out to a temperature below the temperature of the core.

2. The method according to claim 1, characterized in that the rapid heating to temperatures above Ac3, preferably in the range from 800 to 1,300, in particular 900 to 1 250: 'C.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that when balancing the heat content during air cooling, the surface area cools to a temperature above Ar3, while the core moves from a temperature below the crystal recovery range f, preferably below 200 ° C, to one Heated temperature in the upper crystal recovery area.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that the accelerated cooling quenching) of the surface area up to a temperature below the crystal recovery range, preferably to a Temperature around 200 ° C.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that that the heat treatment for steels with 0.06 to 0.20 carbon, preferably up to 0.12 ß carbon, in particular 0.08 to 0.10% carbon, is used, which the usual levels of silicon, manganese, etc. for unalloyed steels or with the Alloy contents as they occur in so-called high-strength structural steels.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that that the steel before the heat treatment by 10 to 70, preferably by 30 to 50%, is cold formed.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that that the accelerated cooling of the rapidly heated steel with water, preferably with water jets.

8. The use of inductive heating for rapid heating of the Surface zone of the cold-formed steel.

9. The application of the method according to any one of claims 1 to 8 Reinforcing steel for slack or prestressed reinforcement or for welded wire mesh.

10. Apparatus for performing the method according to claim 8, characterized by an induction coil (1) and one arranged at a movable distance therefrom Cooling device (2).

L e r s e i t e