DE3226927C2 - Verfahren zum Erzeugen eines Walzdrahtstahls, der Walzdrahtstahl selbst und seine Verwendung - Google Patents
Verfahren zum Erzeugen eines Walzdrahtstahls, der Walzdrahtstahl selbst und seine VerwendungInfo
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Abstract
Die Erfindung kann wie folgt zusammengefaßt werden: Sie besteht im wesentlichen im kontinuierlichen Gießen von Knüppeln aus Walzdrahtstahl, der gering mit Chrom und Mangan legiert ist, wobei eine an sich bekannte Technik zur Anwendung gebracht wird, weil der an das flüssige Metall eine kleine Menge festen Metalls in Pulver- oder Granulatform gegeben wird, um Segregation zu vermindern und die Verfestigungsstrukturen zu modifizieren. Auf diese Weise können Stangen hoher Festigkeit und Draht nach einem Verfahren, ausgehend vom kontinuierlichen Gießen hergestellt werden, während Fehler vermieden werden, die bei dieser Art Produkt beim kontinuierlichen Gießen sonst auftreten.
Description
Die Erfindung beirifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Waizdrahistahis hoher Festigkeit, tier für dab direkte
Ziehen geeignet ist, bei dem schmelzflüssiger Stahl im Strang zu Knüppeln vergossen wird, während fester Stahl
in Pulver- oder Granulatform in die Stranggießkokille in Mengen zwischen 0,1 und 5 Gew.-% des flüssigen
vergossenen Stahls gegeben wird.
Ein solches Verfahren ist bekannt durch die DE-OS 28 16 803. Hierbei werden feste Granulate mitten in den
Stranggießstrahl eingeführt, um die Gießgeschwindigkeit durch den Kühleffekt des festen Metalls zu erhöhen
und die Stahlzusammensetzung einzustellen; eine Lehre dahingehend, in irgend einer Weise die metallographische
Struktur eines Stahls zu beeinflussen, um die Abscheidung intergranularen Zementits zu vermeiden, findet
sich nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Walzdrahtstahl hoher Festigkeit
anzugeben, der insbesondere für das direkte Ziehen geeignet ist. Es soll möglichst ein Verfahren erreicht und ein
Stahl angegeben werden, der ohne die Notwendigkeit zwischengeschalteter Wärmebehandlungen wie Patentieren
gezogen werden kann.
Hohe Festigkeit im hier gebrauchten Sinn sind Zugfestigkeiten von über 1000 N mm-2 für den Walzdraht.
Hohe Festigkeit im hier gebrauchten Sinn sind Zugfestigkeiten von über 1000 N mm-2 für den Walzdraht.
Zwar sind direkt ziehbare Walzdrahtstähle bekannt; aufgrund ihrer Zusammensetzung ist es jedoch äußerst
schwierig, die Vorteile auszunutzen, die die Stranggießverfahren bieten. So beschreibt beispielsweise die US-Patentschrift
41 23 296 einen direkt ziehbaren Walzdraht hoher Festigkeit, der zwischen 0.65 und 0.90% Kohlenstoff
und zwischen 0,15 bis 1.5% Chrom enthält. In dieser Patentschrift sind die Stahlgießverfahren nicht
erwähnt, genauso wenig wie die Probleme, die aus der Seigerung von Kohlenstoff während der betrachteten
Verfestigung his auf einen kurzen Hinweis herrühren. Hieraus ist abzuleiten, daß der Stahl nach der US-PS in
konventioneP τ Weise in kleinen Rohblöcken gegossen wird. Man sieht einerseits, daß die Zusammensetzung
des Stahls K ilenstoffwerte liefert, die sogar über die des Kohlenstoffs im Eutektoid (um 0.80% in den Stählen)
hinausgehen und daß gleichzeitig Chromu orte angegeben werden, bei denen der Kohlenstoffgehalt des Eutektoids
noch weiter vermindert wird: andererseits ist bekannt, daß während der Verfestigung von kontinuierlich
gegossenen Knüppeln die Seigerung des Kohlenstoffs in der Axialzone des Knüppels merklich stärker ist. Bei
dieser Art von Stahl kann Kohlenstoff in der axialen Zone leicht Konzentration über 1% erreichen, was die Zone
klar hypereutektoid macht (Trans: ISIJ Band 12.1972. Seite 102 ff).
Trotz zwischengeschalteter wärmetechnischer und mechanischer Behandlungen verbleibt diese Seigerung im
->o Walzdraht, obwohl vielleicht in abgeschwächter Form.
Es ist bekannt, daß im Bereich der Kühlraten, die in der Walzdrahtproduktion kommerziell durchführbar sind,
eine merkliche Modifikation der Umforniungscharakteristil;-n beim kontinuierlichen Kühlen der hypereutektoiden
Zusammensetzung, unter Bildung intertrranularen procutektoidakn Zenientits vor dem Perlit auftreten.
D:;s ist nicht nur durch die erwähnte Patentschrift bestätigt, wo angegeben ist. daß die obere Grenze des
ü Kohlenstoffgehalts durch die Notwendigkeit festgelegt ist. die Bildung proeutektoidalen Zementits zu vermeiden.
sondern auch durch das »Transformation and Hardenability of Steels Symposium« der Universität Michigan
von 1967. Seiten 155 bis 157 und durch den Atlas des Max Planck Instituts Band 2. Tafeln 225 E. 241 E, 120 N
und 121 L.
Das Vorhandensein des intergranularen Zementits in der überwiegenden Perlitmatrix verhindert, daß der auf
ho diese Weise erhaltene Walzdraht direkt gezogen werden kann. Er muß patentiert werden, um den integranularcn
Zemcnüt zu beseitigen, und zwar wegen der Bildung der charakteristischen Chevronhohlräume oder
-Vertiefungen im Cementitgitter während des Kaltziehens. Diese Defekte führen zu den typischen »Rißbildungen«
des Stahls in der nachfolgenden Ziehstufe und während anderer Operationen und/oder während des
Gebrauchs. Es ist also somit unmöglich, das Produkt auf den gewünschten und erforderlichen Qualitätsniveaus
ti') zu vermarkten und zu verwenden. Da die hohen Festigkeiten dieser Stähle genau vom hohen Kohlenstoffgehalt
sich ableiten, scheint es daher, daß mit der merklichen Tendenz des Kohlenstoffs während des kontinuierlichen
Gießens oder Stranggießens zu seigern, dieses Verfahren in der Anwendung schwierig sein würde.
Versuche während der Studie, die /ur Erfindung führten, bestätigten, daß erhebliche Probleme in der Ziehbar-
lceit von Walzdrähten hoher Festigkeit und damit von Walzdraht hohen Kohlenstoffgehalts (C = 0,80%) bestehen,
da dieser möglicherweise leicht während des Ziehens als direkte Konsequenz der axialen Seigerung dieses
Materials bricht.
Erfindungsgemäß soll nun eine Lösung gefunden werden, die das Problem der Kohlenstoffseigerung während
der Verfestigung des kontinuierlich vergossenen Stahls auf ein Minimum bringt und so die Bildung intergranula- s
ren proeutektoiden Zementits im Waizdraht vermeidet.
Auch richtet sich die Erfindung auf die Modifizierung der Verfestigungsstruktur des im Strang vergossenen
Stahls, um solche typischen Schwierigkeiten wie Verfestigungsbrücken und Porosität in der Mitte zu minimieren
oder vollständig zu eliminieren, welche auch zu lokaler Seigerung führen würden.
Die oben gestellte Aufgabe und die vorgenannten Nachteile werden erfindungsgemäß überraschend dadurch
gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zu einer Stahlzusammensetzung mit 0,68 bis
0,76 Gew.-% und einem Chromgehalt 0,20 und 0,50 Gew.-% ein Stahl im festen Zustand zugegeben wird, dessen
Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,05 bis 2 Gew.-% liegt.
Vorzugsweise wird für den Stahl im festen Zustand eine Partikelgröße im Bereich von 0,01 bis 1 mm für Pulver
und 0,1 bis 2,5 mm für Körner oder Granulat verwendet.
Die Erfindung hat auch einen Walzdrahtstahl hoher Fes/igkeit zum Gegenstand mit einer Ausgangszusammensetzung
mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,68 und 0,76 Gew.-% und einem Chromgehalt zwischen 0,20
und 0,5 Gew.-%, der nach dem Stranggießverfahren in Knüppeln hergestellt ist und bei dem der Schmelze fester
Stahl mit 0,05 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff in Pulver- oder Granulatform in Mengen zwischen 0,1 und 5 Ge-.v.-%,
bezogen auf die Stahlschmelze, zugegeben ist.
Eine bevorzugte Verwendung des Erzeugnisses ist das direkte Ziehen des Walzdrahtstahls.
Durch die Maßnahmen nach der Erfindung wird die Kohle.nstoffseigerung in. der Axialzor.e des Knüppels
minimiert.
Weitere Vorteile ergeben sich aus folgenden Gründen:
Wegen der Verwendung von konstant austragenden Düsen — daher ohne die Verwendung von Stopfenstangen
— wird das Vergießen von Knüppeln kleiner Querschnittsfläche mit einem Überhitzungsgrad [A T) gegenüber
der Verfestigungstemperatur notwendig, die wesentlich größer ist als die, die zum Gießen großer Rohblöcke
notwendig wäre. Die Überhitzung steigert die Verfestigungszeit des Knüppels-, aufgrund der Verfestigungsneigung
beim Stranggießen verschlimmert sich das Problem der Seigerung.
Die Anwendung der Technik der Zugabe metallischer Pulver in die Form ist nicht nur aus der erwähnten
DE-OS 28 16 803 sondern auch aus der DE-OS 28 16 867 bekannt. Es ergibt sich eine beachtliche Anzahl von
Verfestigungsl· Tiien oder Keimen bei der Maßnahme nach der Erfindung, die den Erhalt einer gleichachsigen
Feinkornstruktur ermöglicht und so die Bildung großer Säulenkristalle verhindert, die von der Haupt des
Knüppels zur Mitte hin ausgehen. »Verfestigungsbrücken« werden so vermieden, die den Grund der Seigerung
in beschränkten Zonen bildeten und so merklich die Bildung von axialer Porosität und Hohlräumen vermindert.
Es wird nicht verkannt, daß Mengen. Art und Zusammensetzungen von Pulver und Granularen zusetzen,
abhängig Om Typ der verwendeten Stranggießmaschine, der Form des Endprodukts und dessen Qualität sind.
Vorzugsweise soll die Größe der Pulver zwischen 0.01 und 1 mm betragen, während die Granulatabmessungen
zwischen 0,1 und 2,5 mm liegen können. Die Menge des zugegebenen Metalls liegt im Bereich zwischen 0,1
und 5 Gew.-% des vergossenen Stahls, während der Kohlenstoffgehalt der Pulver oder Granuli'»1 zwischen 0,05 so
und 2 Gew.-% liegt.
Die gegebenen Partikelgrößenbereiche haben vom Prozeßverfahren hergesehen keinen Ei.itiuß. Die kleinere
Zahl im Falle der Pulver gibt lediglich eine Grenze fur cine ökonomische problemfreie Verwendung, während
die obere Zahl für Körner die Grenze der leichten Lösbarkeit des Feststoffes im schmelzflüssigen Metall angibt.
Der für die zugegebene Metallmenge gegebene Bereich ist beachtlich in dem Sinne, daß weniger als 0.1%
wenig Einfluß auf die Qualität des Produktes haben. Während über 5% Festmetall bei normalen Knüppeigrößen
und StahlüberhitzungeR wird dieser nicht vollständig in der schmelzflüssigen Masse gelöst; so werden Diskontinuitätsstellen
gebildet.
Die kleine Menge an zugegebenem Pulver verändert nicht wesentlich die Zusammensetzung des Stahls. Wenn
jedoch eine merkliche Kohlenstoffsegregation aufgrund des Knüppelformats. der Stahlzusammensetzung oder >o
der Überhitzung wahrscheinlich ist. so begünstigt die Zugabe von Feststoffen mit niedrigem '>der sehr niedrigem
Kohlenstoffgehalt gegen die obere angegebene Grenze die Wiederverteilung und Homogenisierung des Kohlenstoffs
im Knüppel erheblich.
Schließlich kann in bekannter Weise auch die Fcststoffzugabe verwendet werden, um Legierungselemente
wie Cr und Al beispielsweise miteinzuführen, um die Zusammensetzung einzustellen oder um sogar richtig zu ','->
legieren.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es wünschenswert, eine besondere Schmelzstahlzusammensetzung
zu erreichen, um noch weiter die Segregationsprobleme zu vermindern, während trotzdem noch eine hohe
mechanische Festigkeit im Walzdraht und in den hieraus hergeleiteten Produkten beibehalten wird. Somit wird
der Kohlenstoffgehalt auf den Bereich von 0,68 bis 0.76% beschränkt und die hohe mechanische Festigkeit wird b0
durch die Zugabe von 0,20 bis 0,50% Chrom wieder hergestellt.
Die Gründe für diese analytischen Grenzen rühren von der Tatsache her, daß unter 0,68% Kohlenstoff nicht
zufriedenstellende mechanische Festigkeitswerte erhalten werden, während Werte über 0,76% Kohlenstoff zu
unerwünschten Segregationsphänomenen im Walzdraht führen können. Was Chr· angeht, so sichc-t weniger
als 0,20% nicht die gewünschten Ergebnisse, während über 0,50% die Zusammensetzung des Kohlenstoffs im μ
Eutektoid weiter fällt, so daß, obgleich minimal, die Segregation des Kohlenstoffs zur Bildung intergranularen
proeutektoidalen Cementits, wenn der Walzstahl gekühlt wird, führen könnte, wodurch die Vorteile der Maßnahme
nach der Erfindung zunichte gemacht wurden.
Eine Anzahl von Gießvorgängen in industriellem Maßstab wurden durchgeführt; es wurde in Drabtstangen
oder Walzdraht von 11,5 mm und etwa 4 mm Drahtdurchmesser gezogen. Die Stahlzusammensetzungen waren:
Schmelze
C%
Cr %
Mn°/o
S%
P%
| A | 0,65 | 0,40 | 0,80 | 0,25 | 0,065 | 0,010 | 0,019 |
| B | 0,70 | 030 | 0,78 | 0^25 | 0,062 | 0,011 | 0,018 |
| C | 0,71 | 0,50 | 0,80 | 0,25 | 0,064 | 0,010 | 0,019 |
| D | 0,75 | 0,40 | 0,80 | 0,26 | 0,061 | 0,010 | 0,020 |
| E | 0,75 | 0,60 | 0,80 | 0,25 | 0.064 | 0,010 | 0,019 |
| F | 0,80 | 030 | 0,81 | 0,30 | 0.050 | 0,013 | 0,018 |
Die nach dem Walzen und direktem Ziehen erhaltenen Ergebnisse waren:
Schmelze
Walzdraht RNxmm-2
Z°/o
Draht RNxmm-2
Strang V2' RNxmm-2
Ziehbarkeit Ziehfehler
| A | 980 | 43 | 1750 | 1750 | gut | keine |
| B | 1065 | 43 | 1845 | 1835 | sehr gut | keine |
| C | 1530 | 33 | 2020 | 2010 | sehr gut | keine |
| D | 1180 | 33 | 2040 | 2020 | sehr gut | keine |
| E | 1200 | 30 | — | — | schlecht | Cuppy |
| fracture | ||||||
| F | 1210 | 30 | — | — | schlecht | Cuppy |
| fracture |
Man sieht, daß außerhalb des vorher angegebenen engen Analysenbereichs es nicht möglich ist, entweder die
gewünschten Qualitätsergebnisse zu erhalten oder den Walzdraht direkt zu ziehen. Insbesondere sieht man, daß
mit 0,65% Kohlenstoff, selbst bei relativ hohem Chromgehalt die gewünschte Festigkeit nicht weder im Walzdraht
noch im gezogenen Draht erhalten wird, während bei mehr als 0,76% Kohlenstoff oder mehr als 0,50%
Chrom die Ziehbarkeit schlecht wird, Drahtbrüche treten auf.
Claims (4)
1. Verfahren zum Erzeugen eines Waizdrahtstahls hoher Festigkeit, der für das direkte Ziehen geeignet ist,
bei dem schmelzflüssiger Stahl im Strang zu Knüppeln vergossen wird, während fester Stahl in Pulver- oder
Granulatform in die Stranggießkokille in Mengen zwischen 0,! und 5 Gew.-% des flüssigen vergossenen
Stahls gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Stahlzusammensetzung mit 0,68 bis
0,76 Gew.-% und einem Chromgehalt 020 und 0,50 Gew.-% ein Stahi im festen Zustand zugegeben wird,
dessen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,05 bis 2 Gew.-% liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Stahl im festen Zustand eine Partikelgröße
im Bereich von 0,01 bis 1 mm für Pulver und 0,1 bis 2,5 mm für Korngröße bzw. Granulat verwendet
wird.
3. Walzdrahtstahl hoher Festigkeit mit einer Ausgangszusammensetzung mit einem Kohlenstoffgehalt
zwischen 0,68 und 0,76 Gew.-% und einem Chromgehalt zwischen 0,20 und 0,5 Gew.-°/o, der nach dem
Stranggießverfahren in Knüppeln hergestellt ist und bei dem der Schmelze fester Stahl mit 0,05 bis 2 Gew.-%
Kohlenstoff in Pulver- oder Granulatform in Mengen zwischen 0,1 und 5 Gew.-%, bezogen auf die Stahlschmelze,
zugegeben ist.
4. Verwendung eines Walzdrahtstahls nach Anspruch 3 für das direkte Ziehen.
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