DE2811038A1 - Verfahren zum herstellen von langgestreckten gegenstaenden aus stahl - Google Patents

Verfahren zum herstellen von langgestreckten gegenstaenden aus stahl

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DE2811038A1
DE2811038A1 DE19782811038 DE2811038A DE2811038A1 DE 2811038 A1 DE2811038 A1 DE 2811038A1 DE 19782811038 DE19782811038 DE 19782811038 DE 2811038 A DE2811038 A DE 2811038A DE 2811038 A1 DE2811038 A1 DE 2811038A1
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steel
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Lionel Dr Ing Maiffredy
Luc Peeters
Maurice Prof Theolier
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SODETAL
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SODETAL
Societe pour le Developpement du Fil Metallique SODETAL
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/525—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length for wire, for rods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • C21D8/06—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires

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Description

:von langgestreckten Gegenständen aus Stahl
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines langgestreckten Elementes aus hartem oder halbhartem Stahl durch Querschhittsverminderung. Sie betrifft Verformungsvorgänge wie Walzen, Ziehen und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, das Ziehen vonDrähten, wie sie zum Verstärken von Autoreifen verwendet werden.
Stahl kann warm oder kalt verformt werden* Die Warmverformung erfolgt bei einer Temperatur, bei der der Stahl rekristallisiert, JSo können hohe Verformungsgrade vorgenommen werden, jedoch haben die so behandelten Stähle eine geringere mechanische Festigkeit als Stähle, die bei Umgebungstemperatur verformt werden,
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden insbesondere Drähte mit guten mechanischen Eigenschaften durch Kaltverformung hergestellt. ^;
Die Grleiehgewichtsstruktur des Stahls zwischen hart und halbhart, bei Kohlenstoff gehalten über 0,45^s besteht überwiegend aus einem Teil Perlit, das aus Z em ent itlam ell en (sehr hartes und brüchiges Carbid) in einer eutektoiden Ferritmatrix (fast reines, sehr duktibles Eisen) besteht und andererseits aus prpeutektoideffi Ferrit in einer Menge, die von der thermischen Behandlung und ;der Zusammensetzung, dem Gehalt an Kohlenstoff abhängt» Die Struktur, die zum Ziehen am besten geeignet ist, ist eine extrem.feine Perlitstrukturβ Man kommt dieser Struktur sehr naheν wenn man mit Blei patentiert«
Die Patentierung besteht darin, daß man den Stahl auf eine Temperatur von 900 bis 1000°C bringt, bei der der Kohlenstoff
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vollständig löslich ist. Diese Phase des Stahls wird als Austenit "bezeichnet. Anschließend härtet man den Stahl in Blei bei einer !Temperatur zwischen 500 und 6000C. Hie Ausfällung des Zementits erfolgt dann in der Form sehr feiner Lamellen, deren Ausdehnung so gering ist, daß das Auflösungsvermögen eines optischen Mikroskops nicht mehr zu ihrer Beobachtung ausreicht. Der patentierte Stahl kann dann kalt verformt werden, beispielsweise gewalzt oder gezogen werden.
Man kann die Querschnittsverminderung jedoch nicht in unbegrenztem Maß vornehmen, gleichgültig wie die Qualität der Ausgangsstruktur ist. Es gibt eine Grenze für die Verformung, die auch . von der Schmierung abhängt, und oberhalb der ein Ziehvorgang unmöglich wird. Bei einem Stahl mit 0,7% Kohlenstoff sind zwei Patentierungsvorgänge nötig, wenn er von einem Durchmesser von 5,5 mm auf einen Durchmesser von 0,25 mm ausgezogen werden soll.
Die Härtung des Stahl bei der Verformung kann leicht so erklärt werden, daß bei dieser Verformung linienförmige Versetzungen auftreten, die sich einer weiteren Verformung widersetzen. Der Zementit nimmt teil an dieser Verformung, wobei er bricht und sich in dieser letzteren Richtung ausrichtet.
Wenn diese Fehlstellen eine gewisse Dichte erreicht haben, dann treten bei weiterer Verformung Risse und Brüche auf.
um einen Stahldraht mit 5,5 mm Durchmesser (Maschinendraht) auf einen Durchmesser von 0,25 mm zu reduzieren (Durchmesser des 3?eindrahtes, wie er beispielsweise bei der Reifenverstärkung Verwendung findet), müssen zwei Patentierungen vorgenommen werden. Dies bedeutet, daß der Draht zweimal auf 900 bis 10000C erwärmt und zweimal mit Blei bei 500 bis 6000C gehärtet werden muss. Ein solches Verfahren ist langwierig. Es wurde daher bereits versucht, die Kaltverformung mit Patentierung durch ein einfacheres Verfahren zu ersetzen.
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Die ER«-PS'2 078 026 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines dünnen, sehr widerstandsfähigen Stahldrahtes, wie er "beispielsweise zur Verstärkung von Reifen verwendet werden kann. Bei diesem Verfahren findet keine Patentierung statt. Der harte Kohlenstoffstahl wird dabei durch einen legierten Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt ersetzt. Das Bearbeitungsverfahren wird in folgenden Schritten durchgeführt: Kaltziehen mit mehreren Ziehmatritz en, Warmbehandlung durch Glühlen bei 400 bis 65O0C und Ziehen bei dieser Temperatur, gegebenenfalls in einer oder mehreren Stufen bis zum Endkaliber. Eine Patentierung findet zwar nicht statt, jedoch auf Kosten einer Änderung des Stahltyps. Es handelt sich daher um einen sehr teueren Spezialstahl. .Andererseits wird nicht kaltgezogen, sondern halbwarm, was die Gefahr in sich birgt, daß sich der Oberflächenzustand ändert Und die Oberfläche zu rauh wird. Die Vermessingung, die notwendig ist, damit Kautschuk auf dem Stahldraht haftet, muß -auf einer glatten Oberfläche vorgenommen werden. Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten gibt diese Patentschrift keinen Hinweis. Bei den in Betracht gezogenen Behandlungstemperaturen besteht außerdem die Gefahr, daß die für den Ziehvorgang verwendeten Schmiermittel geschädigt werden.
Die PR-PS 1 495 846 beschreibt ein Verformungsverfahren, insbesondere für Drähte aus Kohlenstoffstahl. Bei dem Herstellungsverfahren für Peindraht wird die Patentierung und die Kaltverformung durch eine Halbwarmverformung ersetzt. Die Temperatur liegt zwischen der Temperatur der Umgebung und der Rekristallisationstemperatur. In dem Ausführungsbeispiel geht man von einem patientierten Draht aus, den man mehrmals kalt bis zur Grenze der Ziehbarkeit zieht. Anschließend wird der Draht durch Induktion auf eine temperatur erwärmt, die zwischen 100 und 500 C liegt. Bei dieser Temperatur wird er gewalzt und dann gekühlt. Gegebenenfalls kann der Draht auch kalt gezogen werden. Dieses Verfahren stellt einen Kompromiß zwischen einem Kaltziehen und einem Warmziehen dar. Das Verfahren hat jedoch Nachteile, weil bei der Behandlungstemperatur die Viskosität
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der zum Ziehen verwendeten Schmiermitteln abnimmt und die Gefahr einer Schädigung dieser Schmiermittel "besteht und weil heim Ziehen bei diesen Temperaturen die Oberfläche verschlechtert und rauh wird, so daß der Draht nicht vermessingt werden kann und daher auch nicht für die Reifenherstellung Verwendung finden kann. Die nach diesem Verfahren hergestellten Drähte oder langgestreckten Elemente können für die Herstellung von Pedern oder als Bewehrungen für Vorspannbeton verwendet werden, nicht jedoch zur Verstärkung von Autoreifen.
In der I1R-PS 2 053 414 ist ein Herstellungsverfahren für sehr widerstandsfähigen Stahldraht beschrieben, bei dem der Stahldraht gewalzt und dann mehrmals kalt gezogen werden wird, anschließend zur Kugelbildung -geglüht und auf eine Temperatur gekühlt wird, bei der der Abschlußziehgang durchgeführt werden kann, worauf ein zweites mal kalt gezogen wird. Der Glühvorgang der Kugelbildung führt zur Ausbildung von Kugelzementit. In der Metallurgie weiß man, daß Stahl mit Kugeizementit ungünstige mechanische Eigenschaften hat. Diese Struktur eignet sich sehr wenig für einen anschließenden Ziehvorgang. 31Ur die zweite Reihe von Ziehvorgängen muß man daher mit großen Schwierigkeiten rechnen.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Herstellung eines langgestreckten Elements aus Kohlenstoff stahl, das eine erhöhte Widerstandsfähigkeit hat, wobei der Stahl verformt wird und das langgestreckte Element zunächst eine erste Querschnittsverminderung bei Umgebungstemperatur erfährt, wobei der Verformungsgrad etwa bis zur Grenze der Ziehbarkeit getrieben wird, wobei sich eine thermische Behandlung bei einer Temperatur anschließt, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der Kugelzementit auftritt, und die für diesen Vorgang erforderliche Zeit vom Bruchteil einer Sekunde bis einige Minuten dauern kann, damit die Ziehfähigkeit wieder hergestellt wird, worauf dann auf die Temperatur der Umgebung abgekühlt und eine zweite Querschnittsverminderung bei Umgebungstemperatur vorgenommen wird. Vorzugsweise werden die thermische Behandlung, die Ab-
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lriihlung und die zweite Querschnittsverminderung kontinuierlich durchgeführt. Diese^ Arbeitsgänge können sehr schnell ablaufen, man ks^n bis zu 1000 m/Min* und noch schneller arbeiten. Die lemperatur der thermischen Behandlung liegt unterhalb der Temperatur der Zementitkugelbildung, sie liegt etwa im Bereich zwischen 400 und 60O0C.
Die Dauer der thermischen Behandlung muß ausreichend sein, um die Seele des langgestreckten Elements auf der gewünschten zwischen 40Ö und; 6OQ0G liegenden lemperatur zu halten. Sie ist eine "Punktion der Leistungsfähigkeit der Heizeinrichtung, der Arbeitsgeschwindigkeit und der Größe des Querschnitts. Allgemein betragt die Dauer der thermischen Behandlung zwischen dem Bruchteil einer Sekunde und mehreren Minuter?. Wird die Temperatur :. während einiger 10 Sekunden gehalten, auch wenn es nicht erforderlich ist, dann ist dies kein Nachteil.
Die Abkühlung erfolgt einfach in freier Luft. Wenn die Arbeitsgänge,: angefangen "von der thermischen Behandlung, kontinuierlich durchgeführt werden, dann muß genügend schnell gearbeitet werden, damit das Material am Eingang der ersten Ziehdüse auf Umgebungstemperatur gebracht worden ist.
Andie zweite Querschnittsverminderung bei Umgebungstemperatur schließtJ siehvorzugsweise die Patentierung durch Abkühlung^ durch eine Behandlung der Oberfläche (durch Yermessingung) an, sowie eine Querschnittsverminderung bei Umgebungstemperatur, damit man das richtige Kaliber und die gewünschten mechanischen: Eigenschaften erhält. . - .
An die zweite Querschnittsverminderung bei Umgebungstemperatur kann sich auch eine thermische Behandlung zwischen 400 und 60O0G anschließen, ferner eine Abkühlung auf Umgebungstemperatur und eine dritte Querschnittsverminderung bei ■umgebungstemperatur. .
Der verwendete Stahl enthält 0,4 bis 098% Kohlenstoff und ge- -"■"■■■■: \ 809840/0721
gebenenfalls bei Stahl übliche Zusätze wie Mangan oder Silicium,
Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Drähten für Autoreifen. In diesem Pail geht man von einem "Maschinendraht" aus, d.h. von einem handelsüblichen ziehbaren Draht. Solche Drähte werden üblicherweise so hergestellt, daß. sie entzundert, gebeizt und gespült werden und mit Kalk, Borax oder Phosphat überzogen werden, damit das Ziehen erleichtert wird.
Die gemäß der Erfindung vorgesehene mechanisch-thermische Behandlung erlaubt, daß die Fehlstellen bei verhältnismäßig niedrigerer temperatur beseitigt und das Yerformungsvermögen des Metalls wieder hergestellt wird.
Durch die thermische Behandlung wird eine Diffusion der Eisenatome vermieden, die zur Folge haben könnte, daß Zementitteilchen zusammenwachsen, wodurch die mechanischen Eigenschaften verschlechtert wurden. Kugelzementit nimmt an der Deformation nicht teil, die mechanischen Eigenschaften sind dann die. der ferritischen Matrix, d.h. sehr schlecht.
Die erfindungsgemäße Behandlung erlaubt in weitem Ausmaß die Beseitigung von Fehlerstellen und ein Zusammenwachsen von Zementit wird vermieden.
Nach der thermischen Behandlung bei 400 bis 6000C könnte das langgestreckte Element mit Säure abgebeizt werden. Tor jedem Ziehvorgang kann auch ein geeigneter Überzug aufgebracht werden, der beispielsweise aus Seife, Phosphaten oder Borax besteht. Das erfindungsgemäße Verfahren macht es möglich, daß die Torgänge des Beizens und Überziehens nach der thermischen Behandlung vorgenommen werden. Durch eine thermische Behandlung zwischen 400 und 6000C wird weder der Zustand der Oberfläche noch die der Überzüge beeinträchtigt. Dies ist ein wichtiger Vorteil, da die Fertigungsstraße, auf der gebeizt und der Überzug aufgebracht wird, wirtschaftlich ausgelegt.
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werden kann, was eine große Vereinfachung darstellt.
Ein Vorteil dieser Behandlung besteht auch darin, daß das langgestreckte Element während einiger Sekunden auf 400 "bis 6000C gebracht wird, was durch eine Hochfrequenzheizung erfolgen kann, oder durch eine Widerstandsheizung durch Gasbrenner oder dergleichen«
Bei der Drahtherstellung haben die gemäß der Erfindung hergestellten Drähte mechanische Eigenschaften, die merklich besser sind als die der Drähte, die nach üblichen Verfahren hergestellt werden, bei denen eine Patentierung stattfindet. Die Zugfestigkeit ist ebenso wie die Härte merklich höher. Die Drähte stellen ein interessantes Produkt dar, das verwendet werden kann für die Herstellung von unterwasserkabeln, von Federn, Kabelhaltern, Arbeitskabeln und dergleichen. ¥enn anschließend patentiert und gezogen wird, dann eignen sich die Drähte sehr gut als Verstärkungen für pneumatische Reifen. .Sie weisen dann die gleichen mechanischen Eigenschaften auf, wie die nach bekannten Verfahren unter Einfluß zweier Patentierungsvorgänge hergestellten Drähte, ja, sie haben darüberhinaus ein besseres Ermüdungsverhalten.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Beispiels erläutert, das die Herstellung eines Drahtes als Verstärkung für pneumatische Reifen betrifft.
Man geht von einem gewalzten Stahldraht mit 0,7$ Kohlenstoffgehalt aus, wie er handelsüblich von einem Stahlwerk erhältlich ist, der gekühlt und auf einen Durchmesser von 5,5 mm eingestellt ist. Der ziehbare Draht wird dann entzundert, gebeizt, gespült und erhält einen Überzug aus Phosphat und Borax. Der Draht wird anschließend in sieben Stufen bis zu einem Durchmesser von 3 mm kalt gezogen. Anschließend wird er während einiger Sekunden auf 4000C mittels Hochfrequenzheizung erhitzt, wobei die Temperatur mit einem Infrarot-Pyrometer überwacht wird. Auf diese Weise wird der Draht wieder
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ziehbar. Kontinuierlich mit der Wärmebehandlung wird der Draht auf umgebungstemperatur abgekühlt und dann, immer noch kontinuierlich, neuerdings bei Umgebungstemperatur gezogen. Von einem Durchmesser von 3 mm gelangt man in neun Durchgängen auf einen Durchmesser von 1,25 mm. Der Draht wird dann von einer Unterlage aufgenommen. Der Draht mit 1,25 mm Durchmesser wird in bekannter ¥eise patentiert, damit er wieder ziehfähig wird und dann in einem Säurebad kontinuierlich gebeizt, und mit Wasser gespült und er erhält dann mittels eines elektrolytischen Verfahrens einen Messingüberzug. Der 1,25 mm starke, mit einem Messingüberzug versehene, gespülte und getrocknete Draht wird dann in einem letzten Ziehvorgang in neunzehn Stufen gezogen, bis man einen Feindraht von 0,25 mm Durchmesser erhält. Der Draht kann dann zur Herstellung von litzen und Kabeln verwendet werden.
In der folgenden Tabelle werden die Eigenschaften der verschiedenen Verfahrensstufen verglichen, einmal bei einem nach einem klassischen Verfahren hergestellten Draht mit einem Draht, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Man stellt fest, daß der 0,25 mm starke Draht gemäß der Erfindung und der nach klassischem Verfahren hergestellte Draht gleiche mechanische Eigenschaften, nämlich gleiche Zugfestigkeit und gleiche Elongation beim Bruch haben. Die übrigen Eigenschaften, nämlich die lorsion und !Faltung sind ebenfalls gleich und bezüglich der Ermüdbarkeit ist die erfindungsgemäße Litze überlegen.
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Durchmesser des
Drahtes In mm		 Eigenschaft ei*
1 ■ " :■ ' ■'' ' ,' ■ ■ '''■'''',' 		üblicher" Itealrl;'
m.Patentierung
1 . ■.'. ■.■■.■,■ '■' ■■. ■ ■' ■■ 		gemäß der Erfin
:düng behandeltei
:■'/■■' Draht : 		1345
12,7
■■.■■■■■ : , , 43·,, ,
Draht 5,5 " ·'■' ':: : ': ■ ■■■■'■■■' ; ■ V: l'"'"■,
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3»2
Draht 3 vorher gezogen ■;." RT ".'; ' 'V "■'■
;■■ Air ■""' '■ 		■ 'V: '■'.' '' ■' 1510 "...■....'■ ':'.,:..
■■: ■ ,'■ '; ■. ■■ -5λ ■■■ ■:, :..■ ■■■■ :■■■		 1200
9,10
Draht 3 + Wärmebehandlung
■ 		RT
All
Str		 1180
9,3
55		 2780
2,05
Draht 1,25 gezogen RT
All		 1785
3
Draht 1,25 patentiert,
vermessingt		 RT
All		 1205
9,5
Feiiidraht 0,25 •RT
All		 2760
2,10
RT = Zugfestigkeit in Mega-Pascal
All = Verlängerung beim Reißen in
Str = Einschnürung
gemessen an 50 cm
O CO OO
Bei einer mittleren Verfahrensstufe (Draht 1,5 mm, gezogen), zeigt der gemäß der Erfindung erhaltene Draht mechanische Eigenschaften, die klar denen des nach einem klassischen Verfahren hergestellten Drahtes überlegen sind. Diese Eigenschaften sind ungewöhnlich bei einem 1,25 mm starken Draht aus einem Stahl mit 0,7$ Kohlenstoff, der aus einem 5,5 mm starken Draht gewonnen wurde, der unter überwachten Bedingungen im Stahlwerk gekühlt wurde. Dieser Draht kann für Unterwasserkabeln, Eedern und dergleichen verwendet werden. Wach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man dieses Resultat direkt erreichen.
Die Erfindung bietet zahlreiche Vorteile, nämlich: Ersatz der Patentierung durch ein einfacheres Verfahren, leichte Durchführbarkeit, einfacheres und daher billigeres Material,
keine Verschlechterung der Oberfläche,
keine Verschlechterung des Überzuges, sodaß das Beizen und Überziehen nach der Wärmebehandlung und vor dem zweiten Ziehvorgang vorgenommen werden kann, was eine Ersparnis an Material, an Rohstoffen und an Energie bedeutet; die Möglichkeit, daß ab thermischer Behandlung kontinuierlich und mit Geschwindigkeiten bis zu 1000 m/Min, und mehr gearbeitet werden kann;
ein Produkt mit mechanischen Eigenschaften, die denen der Produkte überlegen sind, die nach klassischem Verfahren hergestellt sind, das Produkt kann als Endprodukt betrachtet werden und als solches verwendet werden oder es kann als Halbfabrikat Verwendung finden. Im letzteren Pail erhält man ein Endprodukt (z.B. für die Reifenherstellung), das die gleichen Eigenschaften aufweist, wie ein nach klassischem Verfahren hergestelltes Produkt.
Die Ergebnisse werden unter Beibehaltung des 3?yps des üblicherweise verwendeten Kohlenstoffstahls erhalten.
Die Erfindung ist nicht auf obiges Ausführungsbeispiel beschränkt, sie ist auf alle Verformungen langgestreckter Gegen-
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stände aus kohlenstoff stahl anwendbar, "beispielsweise auf Profliwalzungen, ZiehYorgänge und dergleichen.
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Claims (7)

Zumpat ■ Telex 529979 ^* 8000 München 2 - Bräuhausstraße 4 · Telefon Sammel-Nr. 225341 · Telegramme Zu DI 3962 1/10/bs
1. Verfahren zur Herstellung eines langgestreckten Elementes aus hochfestem Kohlenstoffstahl mittels Verformung, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst das langgestreckte Element in einem ersten Arbeitsgang einer Querschnittsverminderung "bei Umgebungstemperatur unterwirft, wobei diese Querschnittsverminderung bis zur Grenze der Ziehbarkeit durchgeführt wird, worauf sich eine Wärmebehandlung bei einer !Temperatur anschließt, die unter der !Temperatur der Bildung kugeligen Zementits liegt und diese Wärmebehandlung während des Bruchteils einer Sekunde bis zu einigen Minuten durchgeführt wird, damit die Ziehbarkeit wieder hergestellt wird, worauf auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird und anschließend ein zweites mal bei Umgebungstemperatur eine Querschnittsverminderung vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung zwischen 400 und 6000C durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung, die Abkühlung und die zweite Querschnittsverminderung kontinuierlich durchgeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung, die Abkühlung und die zweite Querschnittsverminderung mit Geschwindigkeiten von 1000 m/Min, oder mehr durchgeführt werden.
5· Verfahren nach einem, der Ansprüche 1 bis 45 dadurch gekennzeichnet, daß sich an die zweite Querschnittsverminderung eine Patentierung anschließt, weiterhin eine dritte Querschnittsverminderung bei Umgebungstemperatur vorgenommen wird.
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~^\ ORiGIMAL INSPECTED
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß sich an die zweite Querschnittsverminderung eine zweite Wärmebehandlung zwischen 400 und 60O0C anschließt, worauf eine dritte Querschnittsverminderung bei Umgebungstemperatur vorgenommen wird.
7. Verfahren zum Herstellen eines Drahtes aus Kohlenstoffstahl zur Verstärkung von Fahrzeugreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchgeführt werden.
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