-
Bezeichnung: Verfahren zur Erzeugung von
-
Stahlstäben
Die Erfindung bezieht sich auf heil3gewalzte
Stahistangen oder Stäbe und aur ein Verfahren zur Hersteliung derselben.
-
Es ist ein Verfahren be.~annt, bei Üem ein Stab oder eine Stange oberflächlich
abgeschreckt wird wenn sie aus dem letzten Walzenstuhl des Walzwerkes austritt,
um eine Oberflächenschicht aus Bainit oder Martensit um einen austenitischen Kern
herum zu bilden. Dann wird der Stab so abgekühlt, daß der Kern in Ferrite und Carbide
transfor:n--ert wird und es wird die Warme von dem Kern abgeführt, um die Oberflächensch-cht
zu tempern.
-
Bei gewissen Anwendungen kann die Be@nspruchungskorrosion der Stange
oder des Stabes mit bainitlscher oder martensitischer Oberfläche unzureichend seIn.
Solche Anwendungen sind z.B.: Anker; Stangen die in Berührung mit einer Umgebung
liegen müssen welche Verunreinigungen enthält, z.3. Sulfate, Nitrate und Chloride;
Verstärkungsstäbe, die In Beton eingebettet werden, der solche Verunreinigungen
enthält und so weiter. Es ist bekannt, dar eine ?4irostruktur aus Ferrit/Perlit
einen besseren Beanspruchungs-Korrosionswiderstand besitzt als getemperter Martensit.
-
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung von einer Stahlstange
in der Weise durchgeführt, daß der Rohling in mehreren aufeinanderfolgenden Stufen
auf seine endgültige Größe im Warmwalzverfahren behandelt wird, daß danach teilweise
eine Abschreckung des gewalzten Stabes erfolgt, um die Temperatur ar der Oberfläche
soweit aozusenken, daß eine Ferrit-Perlit Transformation auftritt, ohne daß die
Temperatur des Kerns des Stabes auf einen Wert unterhalb der kritischen Temperatur
zur Austenit-Transformation abgekühlt wird, daß der Stab auf dieser Temperatur solange
gehalten wird, daß eine Oberflächenschicht aus einem Ferrit-Perlit-Aufbau erzeugt
wird, daß dann schnell die teilweise abgekühlte Stange abgeschreckt wird, um die
Oberflächentemperatur
abzusenken und einen nadelförmigen .Iikroautbau zu erzeugen, der aus martensit und.oder
Bainit in Form eines Ringes besteht, der zwischen der Uberfiächenschicht und den
noch austenitischen Kern Lie;,t, una das schließlich der Stab so abgekühlt wird,
da der austenitlsche Kern entweder zu Ferrlt und Karbiden ;uer zu Bainit oder zu
Martensit oder einer Kombination von zwei oder mehreren dieser Bestandteile umgeformt
wird.
-
Die Stange bzw. der Stab kann durch wasserbesprühung seiner oberfläche
abgeschreckt werden, wenn er vom Helßwalzstuhl abgeführt wird oder indem der Stab
durch eine Abschreckvorrichtung beispielsweise einen Trog geführt wird, der eine
turbulente Wasserströmung enthält. Für höher legierte Stähle kann eine Luftabkühlung
.eckmäSig sein. Stattdessen kann die Stange oder der Stab mittels eines Luft/Wassernebels
abgekühlt werden, der auf die Oberfläche gerichtet wird, oder indem der Stab durch
ein Bad aus flüssigem qetail, z.B. Blei hindurchgeführt wird, oder durch eine wässrige
Lösung, beispielsweise eine Salzlösung.
-
Die Erfindung umfa13t auch einen warmgewalzten Stab oder bzw.
-
eine Stange mit einer äußeren Oberflächenschicht aus ferritischem
und perlitischem Strukturaufbau, einem zwischen dieser Oberflächenschicht und dem
Kern liegenden Ring mit einem nadelförmigen Voraus bau aus Martensit und/oder Bainit
und aus einem Kern aus Bainit oder martensit oder Ferrit und Karbiden oder einer
Kombination von zwei oder mehreren dieser Bestandteile.
-
Es kann außerdem ein bainitischer Ring zwischen dem martensitischen
Ring und dem Kern liegen.
-
Eine Ferrit-Perlit-Transformation ist eine solche, bei der ein perlitischer
oder durch Ferrit geschiedener perlitischer Aufbau erzeugt wird.
-
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine graphische Darstellung
der Abkühlungskurven gemessen an drei Stellen über die Dicke der Rundstahlstange,
die gemäß der Erfindung erzeugt wurde, wobei auf der Ordinate die Temperatur in
OC und auf der Abszisse die Zeit in sec angegeben ist; Fig. 2 einen Querschnitt
einer gemäß der Erfindung hergestellten Stange; Fig. 3 und 4 Härteprofile gemessen
über den Durohnesser der Stange; Fig. 5 den MiKroauSbau über der Stange, deren Härteprofil
in Fig. 4 dargestellt ist.
-
Die Abkühlungskurven, die in Fig. 1 graphisch dargestellt sind, stellen
die Temperatur in C0 in Abhängigkeit von der Zeit in sec dar und sie zeigen die
Temperaturen, die an der Oberfläche der Stange, unmittelbar unter der Oberfläche
und im Kern der Stange zu verschiedenen Zeitpunkten während der Abkühlung herrschen
die durchgeführt wurde, um experimentell Bedingungen zu simulieren, denen eine heißgewalzte
Stange ausgesetzt ist, die den Endwalzenstand eines Heißwalzwerkes verläßt. Die
Kurven sind jeweils mit 1, 2 und 3 angegeben.
-
Die Stange, die bei dem Versuch benutzt wurde, war eine typische Verstärkungsstange
mit 20 mm Durchmesser mit einer Gewichtszusammensetzung mit 0,21 Kohlenstoff, 0,62%
Mangan, 0,0 Schwefel, 0,012% Phosphor, 0,02% Silicium und als Rest Eisen und zufällige
Verunreinigungen.
-
Die Stange wurde auf eine Temperatur von etwa 980 C erwärmt und dann
während einer Zeitdauer von 3,3 sec in einem Bleibad bei einer Temperatur von 400°C
abgeschrecKt, um die Stangenoberflächentemperatur auf etwa bOO°C abzusenken und
eine Perlit-Transformation zu erreichen. km Schluß dieser Abschreckzeit (Zeit tl
auf der Abszisse) blieb die Temperatur des Kerns der Stange über der zur Überführung
von Austenit erforderlichen kritischen Temperatur.
-
Die Oberflächenschicht der Stange wurde im Perlit-Transformat on;
temperaturbereich während einer Zeitdauer von etwa einer sec (Zeit t2) gehalten,
indem eine Luftkühlung vorgenommen wurde, um einen Ferllt-Ferrit-:i;ilrcaufbau innerhalb
der Oberflachenschicht zu erzeugen. Gemäß eIner abgewandelten Behandlung können
die Perlit-Transformationstemperaturbedingungen durch eine intermittierende Wasserkühlung
der Stange dadurch aufrecht erhalten werden, cad z.B. intermittierend Wasserstrahlen
darauf gespritzt werden, oder indem die Stange durch eine Folge von Wassertrögen
hindurchgeleitet wird. Am Schluß dieser Abkühlungsphase kann die Oberflächenschicht
auch einen geringen Gehalt an Bainit aufweisen.
-
Nachdem die erforderliche Oberflächenschicht hergestellt ist, wurde
die Stange schnell durch Eintauchen in eine Salzlösung für weitere 1,5 sec abgeschreckt,
an der Luft gekühlt und dann wieder schnell durch Eintauchen in eine Salzlösung
über 1,5 sec abgeschreckt, um die Stange auf eine Temperatur herunter zu kühlen,
bei der die Oberflächenschicht und die Zwischenschicht unter jener Temperatur liegen,
bei der Martensit gebildet wird (Zeit t). Zu dieser Zeit betrug die Temperatur der
Stangenoberfläche etwa 180°C, die Temperatur an einer Stelle 3 mm unter der Stangenoberfläche
etwa 2800C und die Temperatur im Zentrum der Stange etwa 5000C. Diese beiden rapiden
Abschreckvorgänge erzeugten einen Ring aus Martensit unmittelbar unter der Oberflächenschlcht,
die
vorherrschend aus Perlit besteht.
-
Nach dem Abschrecken wurde zu die Stange einer Ausgleichstemperaturbehandlung
in Luft bei ungefähr duO°C ausgesetzt und bei dieser Luftabkühlung temperte die
aus dem Kern austretende Hitze die Zwischenschicht der Stange und der Kern transformierte
zu einer Kombination von Ferrit, Karbiden und Balnit.
-
Bei unterschiedlichen Größen und Gütestufen von Stange bzw.
-
Stab unterscheiden sich die Abkühlungszeiten und Temperaturbereiche
etwas. In jedem Falle jedoch liegt die Kurve 2 immer über der kritischen Transformationstenperatur
vor der Zeit t2.
-
Das Härteprofil über der Stange, die gemäß dem vorbeschriebenen Versuch
erzeugt wurde, ist in Fig. 5 dargestellt. Dieses Härteprofil ist voll ausgezogen
dargestellt und mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, hat
es sich erwiesen daß die Stange eine relatIv weiche Perlit-Oberflächenschicht zwischen
210 und 220 HvlO Härte besaß da3 sich kurz unter der Oberfläche eine nadelförmige
.;likrostruXtur aus Martensit und Bainit von ungefähr 520 HviO Härte fand und es
ergab sich ein relativ weicher Kern, bestehend aus Bainit, Karbiden und Ferriten
mit elner Härte von etwa 260 Hv 10.
-
Außerdem ist in Fig. 5 ein Härteprofil einer Stange von gleichem Durchmesser
und gleicher Zusammensetzung wie oben beschrieben dargestellt, jedoch wurde diese
Stange einem modifizierten Kühizyklus unterworfen. Das Härteprofil dieser Stange
ist strichpunktiert in Fig. 3 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet.
Der Abkühlungszyklus für diese zweite Stange umfaßte ein anfängliches Abschrecken
während 6 sec in einem Bleibad, welches auf einer Temperatur von 4500C gehalten
wurde. Diesem folgt eine Luftkühlung während einer sec und ein schnelles Abschrecken
in einer Salzlösung bei minus 10°C während 4 sec. Die durch diesen Abkühlungszyklus
erzeugte Stange
hatte eine ähnliche Oberflächenschichthärte wie
die vorbeschriebene Stange, aber sie unterschied sich in dem mittleren Scnichtbereich
kurz unter der Oberfläche und sie besa3 dort eine Härte von ungefähr 350 HV10 und
es ergab sich ein Stangenkern mit einer Härte von etwa 400 HV10. Iiihrend die mit
dem Härteprofil 4 gekennzeichnete Stange eine relativ weiche Oberflächenschicht,
eine harte Zwischenschicht und eine relativ weichen Kern besaß, hatte die Stange,
wie durch das Härteprofil 5 gekennzeichnet ist, eine relativ weiche Oberflächenschicht,
eine härtere Zwischenschicht und einen relativ harten Kern.
-
Fig. 4 veranschaulicht ein Härteprofil einer Stange der gleichen Zusammensetzung
und mit gleichem Durchmesser wie die oben beschriebenen, jedoch erfolgte eine Abkühlung
durch mehrfacher Eintauchen in wässrig Lösungen in statt Wasser und Salzlösung.
-
Aus dieser Fig. 4 ergibt sich, daß die Stange ein ähnliches Härteprofil
hat wie die Stange mit dem Härteprofil 4 gemäß Fig. 3. Fig. 5 zeigt den Mikroaufbau
über der Stange, deren Härteprofil in Fig. 4 gekennzeichnet ist. Der Mikroschliff
wurde an der Oberfläche der Stange und an einer Stelle 2 mm unter der Oberfläche
und im Stangenmittelpunkt hergestellt.
-
Dieser Mikroschliff veranschaulicht eindeutig einen Ferrit-Perlit-f4ikroaufbau
an der Stangenoberfläche, einen nadelförmigen Mlkroaufbau aus Martensit und Bainit
im Bereich kurz unter der Oberfläche und einen Mikroaufbau am Kern, der aus Ferrit,
Karbid und Bainit besteht.
-
Durch geeignete Wahl der Abschreckmittel und der Abschreckzeiten ist
es möglich, einen Bereich von unterschiedlichen Mikrostrukturen über die Breite
der Stange zu erhalten.
-
Wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, sind Stangen oder Stäbe, die
gemäß den Lehren der Erfindung hergestellt wurden, durch eine äußere Oberflächenschicht
gekennzeichnet, die im wesentlichen aus Perlit und Ferrit besteht, wobei ein innerer
Ring
von Martensit oder Bainit gebildet ist und der Kern aus Bainit
oder Ferrit und Karbiden oder einer Mischung hiervon besteht. Ein solcher Stab hat
den Vorteil, daß der Beanspruchungskorrosionswiderstand einer perlitisch verstärkten
Stange die zusätzlichen Vorteile erhöhter Festigkeit und verbesserter Streckbarkeit
aufweist.
-
Bein Walzen heißer Stabe besteht eine dynamische Situation in dem
Stab unmittelbar nach der Enddeformation,unter der das Austenit rekristallisiert.
Dies ist augenblicklich durch ein Kornwachstum begleitet. Die feinen rekristallisierten
Körner tendieren dazu, bei einer Temperatur von etwa ÓOO bis 7000C sehr schnell
zu transformieren und in einen perlitischen Mikrostrukturaufbau überzugehen. Wenn
die Oberfläche der Stange auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der eine Ferrit-Perlit-Transformation
stattfindet, dann wird die oben beschriebene Reaktion demgemäß beschleunigt. In
der Zeit stabilisiert sich das Austenit infolge des Kornwachstums und dadurch schreitet
die Martensitbildung kurz unter der Stangenoberfläche fort.
-
Wenn die vorliegende Erfindung bei einem StangenheiBwalzwert angewendet
wird, ist es infolgedessen zweckmäßig, die Stange gleich abzuschrecken wenn sie
aus dem Walzenstuhl herausläuft.
-
Die beschriebenen Verfahren sind für einen weiten Bereich von Stahlzusammensetzungen
anwendbar. Prinzipiell sind sie jedoch auch anwendbar bei der Erzeugung von einfachem
Kohlenstoff-Mangan-Stählen in Form von Stangen oder Stäben, wo die Austenit-Stabilität
eine Transformation in den Ferrit-Perlit-Zustand an der Stangenoberfläche während
einer kurzen Zeitdauer ermöglicht wird, während eine genügende Stabilität hinsichtlich
der Transformation zu Martensit-Bainit in der unter der Oberfläche liegenden Schicht
erhalten wird.