DE2530470C2 - - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß vorverfestigte kaltbearbeitete Stahlstäbe sich durch hohe Festigkeit in Verbindung mit guter Verarbeitbarkeit auszeichnen, so daß man aus diesen Stahlstäben durch die verschiedensten Bearbeitungsvorgänge ohne der Notwendigkeit einer nachfolgenden Wärmebehandlung brauchbare Teile herstellen kann.

Bisher wurden vorverfestigte kalt fertigbearbeitbare Stahlstäbe oder -stangen im allgemeinen durch Kaltziehen eines Stabs oder einer Stange bei relativ weitgehender Querschnittsverringerung hergestellt, woraufhin ein Richten stattfand, bei dem der Stab oder die Stange durch mehrere Walzen lief, die sukzessive mit immer engeren Bögen biegen. Derartige Richtmaschinen sind bekannt, wie zum Beispiel von Lewis und Medart. Es hat sich als wünschenswert erwiesen, nach diesem Richten spannungsfrei zu glühen, um höhere Streckgrenze bei geringeren Restspannungen zu erhalten.

Das Spannungsfrei- oder Spannungsarmglühen geschieht im allgemeinen in diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Öfen zwischen 260 und 650°C. Im Hinblick auf maximale Streckgrenze und minimale Restspannungen ist die Ungleichmäßigkeit innerhalb eines einzelnen Stabes oder die Ungleichmäßigkeit von Stab zu Stab in einem Ofen von besonderer Bedeutung. Es wurde festgestellt, daß die Ungleichmäßigkeit aufgrund der Stäbe direkt in Verbindung steht zu dem Ausmaß der Temperaturgleichmäßigkeit, die während der Wärmebehandlung aufrechterhalten wird. Produktionsöfen bei der großindustriellen Herstellung von spannungsarm geglühten Stäben oder Stangen werden aus Wirtschaftlichkeitsgründen mit Chargen von vielen Tonnen beschickt, so daß die gewünschte Gleichmäßigkeit nur erreicht werden kann, indem die Stäbe mehrere Stunden auf der entsprechenden Temperatur gehalten werden, im allgemeinen in der Größenordnung von zumindest 5 Stunden. Selbst mit einer langen Durchwärmungszeit ist es schwierig, eine ideale Gleichmäßigkeit sowohl hinsichtlich der Temperatur, bei der die Stäbe gehalten werden, als auch der Zeit, während der die Stäbe auf der gewünschten Temperatur verbleiben, zu erhalten und trotzdem wirtschaftliche Produktionsgeschwindigkeiten zu erreichen.

Aus der US-PS 19 28 727 ist ein Reckaltern von Drähten bekannt, um sowohl die Dehnung als auch die Streckgrenze zu erhöhen. Dazu wird ein nicht näher charakterisierter Draht einem Wechselbiegen und anschließend einer Wärmebehandlung unterworfen. Aus der DE-AS 12 17 989 ist ein Verfahren zur Rekristallisation eines kalt bearbeiteten und daher umformungsharten Stahlbandes bekannt. Die für den Abkühlteil des Wärmebehandlungsverfahrens erforderliche Zeit kann vermindert werden, wenn das Band nach der Rekristallisation rasch abgeschreckt und die in Folge des Abschreckens gesteigerte Härte durch eine Alterungs-Erweichungsbehandlung beseitigt wird. Der US-PS 22 81 132 ist die Herstellung von Draht durch Warmwalzen eines Walzdrahtes zu entnehmen, wobei die für das Warmwalzen und Wiederaufwärmen benötigte Wärmeenergie durch elektrische Widerstandsheizung aufgebracht wird. Durch dieses Erwärmen sollen Spannungen innerhalb des Metallblocks oder Walzdrahtes unschädlich gemacht werden und das plastische Fließen des Walzdrahtes verbessert werden.

Aufgabe der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung von spannungsarm geglühten vorverfestigten Stahlprofilen wie Stangen, Stäben oder dergleichen, welches obige Nachteile nicht aufweist, sondern zu Produkten mit hoher Zugfestigkeit, hoher Streckgrenze und geringen Restspannungen führt. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich auch durch schnelle und wirtschaftliche Arbeitsweise aus, wobei verbesserte Gleichmäßigkeit in der Wärmebehandlung sowohl vom Standpunkt eines einzelnen Teiles wie von Teil zu Teil erreicht wird.

Die Erfindung wird an den Figuren weiter erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Spannungsdehnungsdiagramm für Stahlwerkstücke vor und nach dem Richten;

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Einflüsse der Zeit, während der ein Stahl bei erhöhter Temperatur zum Spannungsarmglühen gehalten wird, auf Zugfestigkeit, Streckgrenze und Restspannungen;

Fig. 3 zeigt schematisch das Kaltziehen;

Fig. 4 zeigt schematisch das Richten in einer Lewis-Richtmaschine;

Fig. 5 und 6 zeigen schematisch das Richten in einer Medart-Richtmaschine und

Fig. 7 zeigt das bevorzugte Spannungsarmglühen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Zugfestigkeit und Streckgrenze eines Stahls optimiert und die Restspannungen minimal gehalten werden können, wenn ein Stahlprofil a) einer Kaltumformung unterworfen wird, um den Stahl vorzuverfestigen, woraufhin b) gerichtet und anschließend c) bei erhöhter Temperatur spannungsarm geglüht wird, und dazu das Werkstück relativ schnell auf die gewünschte Temperatur, im allgemeinen innerhalb von 10 Minuten, gebracht wird. Es wurde festgestellt, daß Stahlprofile, die in dieser Weise behandelt worden sind, größere Gleichmäßigkeit, verbesserte Bearbeitbarkeit und wesentlich geringere Restspannungen aufweisen.

Aus dem Spannungsdehnungsdiagramm der Fig. 1 geht hervor, daß kaltgezogene Stahlprofile einen proportionalen Anstieg der Zugfestigkeit mit zunehmender Spannung bis zur Elastizitätsgrenze ergeben. An dem Punkt biegt sich die Kurve um zu einem allmählicheren Anstieg der Zugfestigkeit mit zunehmender Verlängerung. Jedoch ergibt das erfindungsgemäß angewandte Richten einen etwas anderen Effekt. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Beziehung zwischen Kraft und Verlängerung für ein Stahlwerkstück, welches zuerst kaltgezogen und dann gerichtet worden ist, etwas anders als für ein Stahlwerkstück nach dem Ziehen jedoch ohne dem Richten. Wie der unteren Kurve in Fig. 1 entnommen werden kann, ist die Beziehung Kraft : Verlängerung für ein Werkstück nach dem Kaltziehen und Recken linear bis zur Elastizitätsgrenze, und dann steigt die Kraft mit zunehmender Verlängerung langsamer an. Somit führt das Kaltziehen zu einer Erhöhung der Festigkeit, jedoch auch zu zusätzlichen Restspannungen. Das Richten andererseits dient zur Beseitigung oder Wiederverteilung der Restspannungen, führt jedoch zu einer Herabsetzung der Steckgrenze. Aus Fig. 1 kann entnommen werden, daß die Streckgrenze σ _y eines kaltgezogenen Werkstückes - das ist die Last, unter der es zu einer Verlängerung um 0,2% kommt - höher ist als s _y eines Werkstückes, welches kaltgezogen und gerichtet ist.

Für das Spannungsarmglühen gilt, daß die Streckgrenze erhöht wird. In Fig. 2 sind Kurven des Einflusses von Spannungsarmglühen auf die Zugfestigkeit und Streckgrenze als Faktor des Logarithmus der Zeit, während der die Wärmebehandlung stattfindet, gezeigt, und zwar eine für die Temperatur T₁ in der Größenordnung von 315°C und die andere für die Temperatur T₂ in der Größenordnung von 480°C. Aus diesen Kurven sieht man, daß sowohl die Zugfestigkeit als auch die Streckgrenze von Stahlwerkstücken nach dem Kaltziehen und Richten durch Spannungsarmglühen geringer sind und daß das Ausmaß der Abnahme an Streckgrenze und Zugfestigkeit mit der Dauer der Wärmebehandlung ansteigt und die Geschwindigkeit, mit der die Restspannungen abnehmen, zunimmt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird für das Spannungsarmglühen sehr schnell und gleichmäßig erwärmt, so daß im allgemeinen bei Begrenzung der Zeit, während der sich das Werkstück auf der erhöhten Temperatur befindet, die gleiche Verringerung der Restspannungen erreicht wird, jedoch optimale Zugfestigkeit und Streckgrenze herrschen. Mit anderen Worten, durch die Anwendung der sehr schnellen gleichmäßigen Erwärmung sind die Stahlteile spannungsarm, bevor ein schnelles Absinken der Streckgrenze und der Zugfestigkeit eintreten kann.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Stahlprofil, welches ein Stab, eine Stange oder dergleichen mit gleichbleibendem Querschnitt sein kann, kalt bearbeitet, vorzugsweise kaltgezogen, um eine Querschnittsverminderung zu bewirken, die ausreicht, um ein meßbares Ansteigen der Festigkeit hervorzurufen. Das Kaltziehen erfolgt auf übliche Weise, wie dies in Fig. 3 angedeutet ist, wo die Profile 10 durch das Werkzeug (Gesenk) 10 gezogen werden, wodurch man ein vorverfestigtes Werkstück 14 erhält. Unter Kaltziehen versteht man hier eine Umformung bei einer Temperatur unter der kritischen Temperatur des Stahls. Nach dem Kaltziehen gelangt das Werkstück zum Richten, wo es hin und her gebogen wird, vorzugsweise progressiv in immer engeren Biegungen. Dazu können übliche Richtmaschinen nach Lewis angewandt werden, wie sie schematisch in Fig. 4 angedeutet sind. Man kann aber auch Medart-Richtmaschinen, wie sie schematisch in Fig. 5 und 6 gezeigt sind, heranziehen. Solche Richtmaschinen sind die üblichen und dienen zum Richten der Werkstücke durch Biegen um geringere Anteile.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das schnelle Erhitzen für das Spannungsarmglühen durch direkte elektrische Widerstandsheizung vorgenommen. Das Werkstück ist vorzugsweise angeschlossen an beiden Enden an die Stromquelle, so daß der Strom das ganze Werkstück gleichmäßig durchdringen und einen einheitlichen Temperaturanstieg in axialer und radialer Richtung, innen und außen ohne Induzierung thermischer Spannungen bewirkt. In bevorzugter Weise wird ein niederfrequenter Strom, vorzugsweise Gleichstrom, angewandt. Es ist so möglich, ein großes Werkstück in sehr kurzer Zeit einfach durch Anlegen ausreichender Stromstärke zu erwärmen.

Eine geeignete Möglichkeit zur Erwärmung des Werkstückes 14 durch elektrische Widerstandsheizung ist in Fig. 7 angedeutet. Die elektrischen Anschlüsse 16, 18 sind so am Werkstück 14 vorgesehen, daß der Strom das ganze Werkstück in seiner Länge durchfließt. Im allgemeinen wird es bevorzugt, das Werkstück 14 während des Erwärmens zur Kompensation von Wärmedehnung und zur Vermeidung von Verbiegungen des Werkstückes bei erhöhter Temperatur einer Spannung zu unterwerfen. Eine geringe Spannung während des Spannungsarmglühens unterstützt die Ausrichtung und führt zu keiner plastischen Verformung. Das Spannungsarmglühen ist geringfügig zeit- und temperaturabhängig.

Die Zeit, bis die angestrebte Temperatur erreicht ist, liegt <10 min und beträgt vorzugsweise 15 s bis 2 min. Es kann auch wünschenswert sein, das Werkstück 1 s bis 5 min auf der gewünschten Temperatur zu halten. Die Temperatur, auf die das Werkstück gebracht wird, liegt vorzugsweise zwischen 260 und 700°C. Es wird angenommen, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren etwas höhere Temperaturen herrschen sollen, als sie für die Wärmebehandlung während mehrerer Stunden in üblichen Öfen benötigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf Profile aus Kohlenstoffstählen und niederlegierte Stähle mit 0,1 bis 0,75% Kohlenstoff anwenden und ist besonders vorteilhaft für Stähle der Spezifikation AISI/SAE 1144, 4142 und 4142 H, wobei letztere beiden noch Zusätze zur Verbesserung der Verformbarkeit oder Spanbarkeit enthalten. Im allgemeinen enthalten solche Stähle 0,1 bis 0,75% Kohlenstoff, 0,5 bis 1,5% Mangan, 0,01 bis 0,07% Phosphor, 0,01 bis 0,5% Schwefel, 0 bis 1,5% Chrom, 0 bis 0,5% Molybdän und 0,1 bis 0,8% Silicium, Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.

Die Erfindung wird an folgenden Beispielen erläutert:

Beispiel 1

Eine Anzahl von warmgewalzten Stäben aus Stahl der Spezifikation 1144 aus der gleichen Charge wurde geschält und dann mit relativ großer Querschnittsverminderung gezogen und anschließend in einem "rotary Medard"-Richtwerk gerichtet. Die Stäbe wurden dann in zwei Gruppen unterteilt. Die 1. Gruppe wurde in einem Rollenherdofen 5 h gehalten und die 2. Gruppe durch Widerstandsheizung in 60 bis 90 s spannungsfreigeglüht. Die mechanischen Eigenschaften sind in folgender Tabelle zusammengefaßt.

Alle Stäbe wurden gerichtet und anschließend auf einer "1" RAN, 6-spindle National Acme Automatic Screw Machine" abgespant. Jede Einstellung wurde 8 h zur Herstellung von Prüfkörpern bei vorbestimmter Geschwindigkeit und Vorschub eingehalten.

Die Prüfergebnisse zeigen, daß die durch Widerstandsbeheizung spannungsarmgeglühten Produkte in zwei Hinsichten überlegen waren, nämlich bei der Bohrarbeit und dem Wachsen. Während es bei den im Ofen behandelten Prüfkörpern erforderlich war, die Bohrer dreimal in 8 h zu wechseln, konnte man bei den widerstandsbeheizten Prüfkörpern die ganzen 8 h mit dem gleichen Bohrersatz arbeiten. Das Wachsen des Teils - was in Beziehung steht zum Werkzeugverschleiß - betrug bei den widerstandsbeheizten Probekörpern nur 20 µm gegenüber 38 µm für die im Ofen behandelten.

Eine weitere interessante Beobachtung wurde bei diesem Versuch gemacht, nämlich die Gleichmäßigkeit der beiden Prüfkörpergruppen. Eine umfangreiche Probenahme und die Bestimmung der Härte der verglichenen Gruppen ergaben, daß die Gruppe aus dem Ofen eine Härte besaß, die um 6 Punkte (Rockwell C) streute, wohingegen bei den widerstandsbeheizten Probekörpern die Streuung in der Härte nur 4 Punkte betrug. Offensichtlich ist die Gleichmäßigkeit der widerstandsbeheizten Profile merklich besser als der im Ofen behandelten.

Beispiel 2

Nach Beispiel 1 wurde eine weitere Gruppe von Stahlstäben gleicher mechanischer Eigenschaften untersucht. In diesem Fall betrug die Ofentemperatur 455°C und die Temperatur, auf die die Stäbe durch Widerstandsheizung gebracht wurden, 555°C. Die zwei Gruppen wurden gegeneinander verglichen bei einer Anwendung, die man früher als kritische Bearbeitung bezeichnet hat und die in einer sehr leichten Oberflächenabnahme mit einem Formwerkzeug sowie in einer Mittenbohrung bestand. Der kritische Parameter war die Standzeit des Formwerkzeugs auf der automatischen Spindelmaschine, bestimmt aus der Anzahl von bearbeiteten Teilen bis zum Bruch.

Diese Versuche zeigten, daß von den widerstandsbeheizten Prüfkörpern bis 1290 Teile bis zum Versagen des Formwerkzeuges bearbeitet werden konnten, wohingegen man nur 970 Teile von im Ofen behandelten bearbeiten konnte. Daraus ergibt sich, daß die widerstandsbeheizte Spannungsarmglühung zu einer 33% besseren Standzeit des Formwerkzeuges führt.

Beispiel 3

Aus der gleichen Charge wurde eine weitere Gruppe von Stäben gleicher Stahlspezifikation untersucht, und zwar in einem Ofen bei der Temperatur von 482°C und durch Widerstandsheizen bei einer Temperatur von 565°C, um zu gleichen mechanischen Eigenschaften zu kommen. Zwei Gruppen wurden auf einer "Pratt and Whitney lead screw cutting machine" untersucht.

Störungen durch Restspannungen in vorgehärteten kaltbearbeiteten Stahlstäben ist ein Hauptproblem bei der Herstellung von Führungsstangen. Das Ausmaß dieser Störung ist der Führungsfehler über 30 cm. Ein Führungsfehler <7,6 µm auf 30 cm wird im allgemeinen als hervorragend angesehen und erhalten durch Schleifen nach einem Roh- und Fertigspanen.

Die folgenden Führungsfehler stammen aus Messungen nach einem Tiefschnitt in einem Durchgang für die beiden Arten des Spannungsarmglühens, nämlich a) im Ofen: 30,4 µm auf 30 cm und b) widerstandsbeheizt 1,27 µm auf 30 cm.

Diese Resultate sind phänomal im Lichte der Tatsache, daß die zwei Gruppen jeweils auf eine Zugfestigkeit von 8,6 N/m² eingestellt worden sind und die einzige Differenz zwischen den 2 Gruppen die Art der Erwärmung war. Die Widerstandsbeheizung beim erfindungsgemäßen Verfahren ist also um Größenordnungen hinsichtlich minimaler Restspannungen der Beheizung im Ofen überlegen.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen spannungsfreien Stahlprofilen aus Kohlenstoffstahl oder niederlegiertem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß man Stahlprofile zur gleichzeitigen Erreichung hoher Zugfestigkeit, hoher Streckgrenze und geringer Restspannungen durch Kaltbearbeitung vorverfestigt, unter Hin- und Herbiegen richtet und anschließend schnell durch direkte elektrische Widerstandsheizung auf eine Temperatur zwischen 260°C und Ac₁ des Stahls innerhalb von <10 min erwärmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlprofile 1 s bis 5 min zwischen 260°C und Ac₁ erwärmt werden.