DE3325168C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit eines länglichen metallischen Elements, dessen Querschnitt senkrecht zur Längsachse in zwei zueinander senkrechten Richtungen verschiedene Abmessungen hat.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein so hergestelltes längliches metallisches Element.

Bei solchen Verfahren soll die interkristalline Korrosion solcher länglicher Elemente verbessert werden, insbesondere solcher, die durch Kaltziehen geformt wurden.

Bekanntlich sind gewisse Metalle empfindlich für die interkristalline Korrosion, wenn sie gewissen wäßrigen korrosiven Medien, insbesondere wäßrigen, Schwefelwasserstoff enthaltenden Medien ausgesetzt sind und gleichzeitig Zugspannungen ausgesetzt werden, wobei ihre Empfindlichkeit gegen interkristalline Korrosion um so größer ist, je höher diese Spannungen liegen.

Diese Art von Korrosion insbesondere tritt auf bei kaltgezogenen Kohlenstoffstählen, deren Härte nach dem Ziehen den Wert 22 Rockwell C überschreitet, was der Fall bei Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt ist.

Dagegen sind die Stähle mit einer Härte unterhalb des oben angegebenen Grenzwertes nicht empfindlich für interkristalline Korrosion in wäßriger, Schwefelwasserstoff enthaltender Umgebung.

Eine typische Zusammensetzung von Stählen, bei denen diese Art von Korrosion auftritt, ist beispielsweise: C=0,84%; Mn=0,575%, Si=0,174%; S=0,008%; P=0,017%.

Solche Stähle werden einer Härtungsbehandlung, der sogenannten "Patentierung" unterzogen und werden anschließend gezogen; ihre Formgebung erfolgt im kalten Zustand.

Ein Beispiel für charakteristische mechanische auf diese Weise erhaltene Eigenschaften ist das folgende:
Zugfestigkeit: 1360 MPa,
0,2% Elastizitätsgrenze: 1280 MPa.

Eine wichtige, jedoch nicht ausschließliche Anwendung der Maßnahme nach der Erfindung liegt im Schutz gegen interkristalline Korrosion bzw. Rißbildungs- oder Spannungsbildungskorrosion metallischer länglicher Elemente, die dazu bestimmt sind, spiralförmig zur Bildung von Bewehrungen für flexible Leitungen oder Kabel gewickelt zu werden.

Die Erfahrung zeigt nämlich, daß unter gewissen Anwendungsbedingungen, insbesondere in Kontakt mit aggressiven Medien, wie Meereswasser, die Bewehrungen durch die interkristalline Korrosion beschädigt werden können, was den Bruch der flexiblen Leitung oder des Kabels mit sich bringt.

Bekannt sind bereits durch die französische Patentschrift 14 26 113, die britische Patentschrift 10 54 979 und die deutsche Auslegeschrift 12 27 491 Verfahren, um die Korrosionsbeständigkeit von Metallen zu verbessern, wobei man diese Metalle mechanischen Oberflächenbehandlungen im kalten Zustand, wie Sandstrahlen, Stahlsandblasen, Glattwalzen bzw. Prägepolieren, Tiefziehen, Hämmern und Glätten bzw. Brünieren unterzieht. Die so erhaltene Verbesserung ist darauf zurückzuführen, daß das Metall in der Nähe seiner Oberfläche auf Druck beansprucht wird (Kaltverformung, Kalthärten). Die durch diese Behandlungen beeinflußte Tiefe des Metalls bleibt jedoch gering und ist im allgemeinen auf 0,1 mm begrenzt. (Bei starkem Stahlsandblasen kann man eine Dicke von 0,2 mm erreichen).

Diese nach den bisherigen Verfahren erhaltene Behandlungstiefe ist unzureichend, da der über eine geringe Dicke so erhaltene Widerstand gegen interkristalline Korrosion die allgemeine Korrosion des Metalls nicht verhindert. Diese zerstört nach und nach die Oberfläche, die durch die Vorbehandlung auf Druck beansprucht worden ist; die Empfindlichkeit des Metalls gegen Spannungsrißkorrosion bzw. interkristalline Korrosion erscheint dann wieder.

Außerdem ist es bekannt (britische Patentschrift 12 06 286) zum Richten von Drähten, insbesondere bei ziemlich hohen Temperaturen, Kohlenstoffstahldrähte zu richten, insbesondere solche, die für die Federn und als Vorspannung in Spannbeton Anwendung finden. Durch Wechselbiegevorgänge in radialen Ebenen folgt der Richtvorgang. Irgend ein Hinweis auf das Problem der Spannungsrißkorrosion findet sich dort nicht.

Die Einflüsse plastischer Verformungen und der Rekristallisationsbehandlungen auf Spannungskorrosionsrißbildung an rostfreien Stählen wurde ebenfalls bereits untersucht (K. Bilogan in: Corrosion-Nace 37 (1981), 9, Seite 506 bis 513). Hier bestand die Maßnahme darin, Drähte durch Zug zu längen, plastische Verformungen hervorzurufen und die Drähte selbst zu versteifen.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art soll erfindungsgemäß nun so weitergebildet werden, daß an länglichen metallischen Elementen, deren Querschnitt senkrecht zur Längsachse unterschiedliche Abmessungen hat, die Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion wesentlich über eine Dicke zu verbessern, die wesentlich größer als die mit bekannten Verfahren erhaltene ist.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß man vor seiner Benutzung das Element einer Reihe von Biegevorgängen unterwirft, indem man nacheinander die Krümmungsrichtung der Außenflächen des Elements, die die längere Querschnittsabmessung einschließen, umkehrt, so daß in dem Element Druckspannungszonen einer Dicke erzeugt werden, die wenigstens gleich einem Drittel des diese Außenflächen von der Längsachse trennenden Abstands sind.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung erhält man Produkte, die über eine wesentliche Tiefe mit Druckspannungszonen verhaftet sind. Es hat sich herausgestellt, daß erfindungsgemäß behandelte Produkte der Spannungsrißkorrosion wesentlich besser trotzen als nur oberflächlich behandelte Produkte, und dies bei einem relativ einfachen Verfahren ohne chemische Anwendungen.

Es wird nicht verkannt, daß (EP 00 40 568 A1) für dünne gewalzte und spannungsfrei geglühte Flächen aus Stahl bereits ein Dressieren bzw. eine Kaltverfestigung vorgenommen wurde, Blechen, die an den Rändern durch das Walzen verformt wurden und bei denen es darum ging, Verformungsbänder hinsichtlich ihres gegenseitigen Abstands auf Blech gleichmäßiger zu verteilen. Dies lief nicht ohne erhebliche Zugspannungen ab. Benutzt wurde ein Rollenzug mit Rollen unterschiedlichen Durchmessers, wodurch das Oberflächenaussehen dünner Bleche vor ihrer Überzugsbehandlung wesentlich verbessert werden sollte. Es wurde immer unter Zug gearbeitet, so daß Druckspannungen nicht entstehen können.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung führt man diese Reihe von Durchbiegungen bzw. Biegewechseln durch, indem man das längliche Element zwischen umlenkend angeordneten Rollen durchlaufen läßt. Betrachtet man drei aufeinanderfolgende Rollen, zwischen denen das längliche Element durchläuft, so wählt man 0,020,30 und vorzugsweise 0,060,20, wobei h die Absenkung des tiefsten Teils der Zwischenrolle unter die Tangentenebene an die beiden anderen Rollen in ihrem höchsten Punkt bezeichnet und 2d die Mitten dieser beiden anderen Rollen trennende Abstand ist.

Die Erfindung betrifft auch die erhaltenen Produkte und insbesondere ein längliches metallisches Element, das beständig gegen Spannungsrißkorrosion ist und über eine Verteilung der inneren Spannung derart verfügt, daß in einer Richtung senkrecht zur größten Abmessung des geraden Querschnittes dieses Elements das Metall nacheinander eine Zone im komprimierten Zustand, eine neutrale Zone und dann eine Spannungszone aufweist, wobei die Erfindung sich dadurch auszeichnet, daß das Element durch Biegewechselschwingungen so vorbehandelt wird, daß die Dicke der Kompressionszone wenigstens gleich einem Drittel der Entfernung zwischen der Wandung und der Achse des Elementes ist.

Das längliche Element kann gegebenenfalls gleichgerichtet werden, entweder durch einfaches Durchlaufen in vorher erwähnten Rollensätzen oder mittels Durchlaufenlassen in zusätzlichen Vorrichtungen, wie sie beispielsweise in der französischen Patentschrift 12 44 097 und 20 61 698 bzw. der amerikanischen Patentschrift 32 69 007 oder der schweizerischen Patentschrift 98 121 beschrieben sind.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

Fig. 1 Ergebnisse ohne Anwendung der Maßnahme nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung der Behandlung nach der Erfindung;

Fig. 2A eine schematische Einzelheit, welche zur Festlegung der Bedingungen der Maßnahme nach der Erfindung geeignet ist;

Fig. 3 die nach Anwendung dieser mechanischen Vorbehandlung erhaltenen Ergebnisse;

Fig. 4 und 5 jeweils beispielsweise Ergebnisse, die bei einem anderen Versuch mit Drähten erhalten wurden, die eine Behandlung mit Biegewechselschwingungen geringerer Amplitude erlitten haben sowie Drähten, die ein einfaches Strahlsandblasen erlitten haben; und

Fig. 6 zum Vergleich die Verteilung der Spannungen über die Dicke eines rohen Drahtes und über die Dicke eines Drahtes, der verschiedene mechanische Behandlungen erlitten hat.

Wie Fig. 2 zeigt, läßt man beim Verfahren nach der Erfindung, bei dem es möglich ist, die Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion eines länglichen durch Kaltziehen gebildeten Elements zu steigern, das Element zwischen den in Umlenkanordnung vorgesehenen Rollen 2 durchlaufen.

Fig. 2 zeigt schematisch zwei Gruppen jeweils aufeinanderfolgender Rollen 3a bzw. 3b.

In jeder Rollengruppe werden die Rollen 2 von Paaren von Ständern getragen (Ständer 4a, 5a und 4b, 5b). Stellzylinder 6a und 6b ermöglichen es, die Ständer 4a und 4b an die Ständer 5a und 5b jeweils anzunähern.

Insbesondere läßt sich die Behandlung nach der Erfindung durchführen, indem man das längliche Element zwischen umlenkartig angeordneten Rollen durchlaufen läßt, derart, daß, betrachtet man drei aufeinanderfolgende Rollen, sich ergibt: 0,02<<0,30, wobei h das Absenken des niedrigsten Punkts der Zwischenrolle unter die Tangentenebene P an die beiden anderen Rollen in ihrem obersten Punkt bedeutet und 2d der die Achsen dieser beiden anderen Rollen entfernende Abstand (Fig. 2A) ist.

Vorteilhaft wählt man

Wie Fig. 2 zeigt, kann es vorteilhaft sein, hinter dem ersten umlenkenden Rollenzug 3a, der die Behandlung nach der Erfindung durchführt, einen zweiten Rollenzug 3b vorzusehen, bei welchem das Verhältnis im allgemeinen geringer ist (beispielsweise in der Größenordnung von 0,005 bis 0,08), wobei der Rollenzug 3b dann einen Endbehandlungsrollenzug, der für ein Gleichrichten des Drahtes sorgt, bedeutet, derart, daß der Draht im wesentlichen geradlinig aus diesem zweiten Rollenzug austritt.

In jedem Rollenzug a und b kann das Verhältnis im wesentlichen konstant sein oder derart geregelt bzw. eingestellt werden, daß es beispielsweise vom Eintritt in den Rollenzug zum Austritt zunimmt und dabei in den groben festgelegten Grenzen verbleibt.

Gegebenenfalls sorgt man für mehrere Durchgänge des Elementes 1 durch die Rollenzüge oder man verwendet mehr als zwei Rollenzüge in Reihe.

Die Empfindlichkeit gegen Spannungsrißkorrosion der metallischen länglichen Elemente läßt sich wie folgt verdeutlichen: Das längliche Element wird derart angeordnet, daß es auf zwei festen Stützpunkten ruht, während ein dritter Stützpunkt, zwischen den beiden vorhergehenden, allmählich verschoben werden kann, um dem länglichen Element eine Krümmung zu verleihen. Die konvexe Fläche des so gekrümmten Elements ist dann der Zugspannung ausgesetzt. Die Spannung wird nicht reell gemessen: Es genügt die Feststellung der Durchbiegung f, die das längliche Element angenommen hat. Diese Durchbiegung wird in mm ausgedrückt; die äußersten Stützpunkte sind beispielsweise 100 mm voneinander entfernt.

Nachdem das Element so unter Spannung gesetzt ist, taucht man es in synthetisches entlüftetes Meereswasser ein, das entsprechend der Norm ASTM D 1141 hergestellt wurde und mit Schwefelwasserstoff gesättigt wurde. Man arbeitet bei 16-20°C und notiert die Zeit t in Stunden, nach der Rißbildung auftritt.

Versuch Nr. 1

Dieser Versuch wird an Elementen vorgenommen, die der Behandlung nach der Erfindung nicht ausgesetzt wurden (rohe Drähte). Bei diesen Elementen handelt es sich um Flachdrahtdrähte, die im Querschnitt rechteckig von Abmessungen 6×3 mm sind.

Fig. 1 zeigt die erhaltenen Ergebnisse: Die schwarzen Kreise entsprechen rohen gebrochenen Drähten, die anderen nicht-gebrochenen rohen Drähten.

Bei Durchbiegungen von mehr als 7 mm reißen die Elemente in einigen Stunden. Bei geringeren Durchbiegungen steigt die Lebensdauer schnell und man stellt fest, daß für Durchbiegungen von 5 mm die Elemente nach 100 Stunden noch nicht gebrochen sind. Die unbegrenzte Lebensdauer müßte gegen Durchbiegungen von etwas weniger als 5 mm liegen. Es handelt sich um einen Stahl mit 0,78% Kohlenstoff, dessen Eigenschaften die folgenden sind:
Bruchlast 1485 MPa,
0,2% Elastizitätsgrenze: 1280 MPa.

Die Durchbiegung von 5 mm entspricht in etwa 74% der Elastizitätsgrenze. Die undefinierte Lebensdauer wird also bei etwa 70% der Elastizitätsgrenze erreicht.

Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit der Drähte bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung Versuch Nr. 2

Man läßt die länglichen Elemente identisch denen im Test Nr. 1 verwendeten in einer Vorrichtung durchlaufen, die in der Lage ist, ihnen bei kontinuierlichem Durchlauf eine Reihe von Durchbiegungen in entgegengesetzten Richtungen dank Verformungs- und Führungselementen 2 (Rollen) zu erteilen, die in Umlenkanordnung, wie Fig. 2 zeigt, angeordnet sind (=konstant=0,18 beim ersten Rollenzug 3a und variierend vom Wert 0,06 bei Eintritt bis zum Wert 0,03 bei Austritt im zweiten Rollenzug 3b).

Bei dieser Behandlung werden die länglichen Elemente 1 derart angeordnet, daß ihre Hauptfläche, entsprechend der Größenabmessung ihres Querschnitts, in Kontakt mit den Rollen stehen.

Nach dieser Behandlung steigt die Beständigkeit der länglichen Elemente klar, wie Fig. 3 zeigt, wo die schwarzen Kreise gebrochene Drähte, die anderen Kreise nicht-gebrochene Drähte verdeutlichen.

Die nicht-definierte Lebensdauer oder unendliche Lebensdauer wird somit für Durchbiegungen, die etwa 10 mm erreichen, aufrechterhalten, was einer Beanspruchung von etwa 100% der Elastizitätgrenze entspricht.

Versuch Nr. 3

Fig. 4 gibt Ergebnisse, die mit einem Element erhalten wurden, das gleich dem in den Versuchen 1 und 2 benutzten war, und zwar nach Durchgang durch eine Vorrichtung, wie sie bezüglich Versuch Nr. 2 beschrieben wurde, jedoch mit einem Verhältnis =0,015 im ersten Rollenzug und =0,004 im zweiten Rollenzug. Man stellt eine geringfügige Verbesserung gegenüber dem Versuch Nr. 1 fest, die indefinierte Lebensdauer wird durch Durchbiegungen, die 6 mm erreichen, aufrechterhalten, die also sehr viel kleiner als die im Test Nr. 2 erreichten sind.

Versuch Nr. 4

Fig. 5 gibt die Ergebnisse, die mit einem Element gleich dem des Tests Nr. 1 erhalten wurden, die jedoch ein starkes Stahlsandblasen mit 12 ALMEN A auf beiden Hauptflächen erhalten haben. Man stellt eine geringfügige Verbesserung gegenüber dem Versuch Nr. 1 fest; die nicht- definierte Lebensdauer wird wie beim Versuch Nr. 3 für Durchbiegungen, die etwa 6 mm erreichen, aufrechterhalten, die also sehr viel geringer als die im Versuch Nr. 2 erreichten sind.

Fig. 6 zeigt beispielsweise die Verteilung von Spannungen über die Dicke eines rohen Drahtes, wobei ein Draht einem einfachen Stahlsandblasen ausgesetzt ist einerseits und andererseits bei Drähten, die eine Behandlung durch Biegewechselbeanspruchungen erlitten haben.

Ein flacher Stahldraht mit 0,84% Kohlenstoff (Querschnittsabmessungen 6×3 mm) wurde durch Patentieren (spezielles Härten bzw. Vergüten) aus Walzdraht hergestellt.

Man bestimmt die Spannungen oder Beanspruchungen in dem Draht als Funktion der Entfernung zur Oberfläche des Drahtes, wobei der Wert S der gemessenen Spannung, in Megapascal ausgedrückt und auf der Ordinate im Diagramm aufgetragen wurde (positiver Wert für eine Zugspannung bzw. Zugbeanspruchung und negativer Wert für eine Kompressionsbeanspruchung) und wobei auf der Abszisse die Tiefe im Metall (in mm), gezählt ausgehend von der Oberfläche des Drahtes, gegen seine Längssymmetrieachse X′X dargestellt ist.

Das verwendete Verfahren zur Bestimmung der Spannungen im Draht war das sogenannte "Verfahren der Durchbiegung" oder die "curvature method", das in der Metallurgie bekannt ist und beispielsweise beschrieben ist in der Nr. 13 (September 1977), Seiten 12 und folgende des vierteljährlichen Bulletin "Les M´moires Techniques du C. E. T. I. M.", herausgegeben von Centre Technique des Industries M´caniques.

Die Kurve 9 der Fig. 6 zeigt, daß in einem rohen Draht die Oberflächenschicht unter Zugspannung steht, während die Kompressionsbeanspruchungen sich in der Mitte befinden.

Eben dieser Draht wird einem Stahlsandblasen mit der Stärke 12 ALMEN A auf den beiden Hauptflächen ausgesetzt. Man erkennt in Fig. 6 (Kurve 10), so daß die Kompressionsbeanspruchungen im Metall bis zu einer Tiefe von 0,2 mm, ausgehend von der Außenfläche, induziert wurden.

An einer anderen Probe des gleichen Drahtes wurde eine mechanische Behandlung mit Biegewechselbeanspruchungen nach der Erfindung durchgeführt, indem man diesen zwischen zwei Zügen von sieben Rollen durchlaufen ließ, die als Umlenkanordnung angeordnet waren, wobei das Verhältnis im ersten Rollenzug konstant und =0,18 war und von 0,06 am Eintritt des zweiten Rollenzugs bis 0,03 am Austritt variierte. Die Rollen haben 52 cm Durchmesser, h bedeutet die Absenkung des tiefsten Punkts der Zwischenrolle unter die Tangentenebene an die beiden anderen Rollen an ihrem obersten Punkt und 2d die Entfernung, welche die Mitten dieser beiden Rollen trennt.

Die Kurve 11 der Fig. 6 zeigt, daß die Behandlung nach der Erfindung es ermöglicht hat, Kompressionsbeanspruchungen im Metall über eine Dicke von fast 1,1 mm, ausgehend von jeder Seite dieses flachen Drahts von 3 mm Dicke zu erzeugen, d. h. in einer Zone, die mehr als 2/3 der Dicke des Drahtes ausmachte, wobei die Zugbeanspruchungen in die Mitte, in die unmittelbare Nähe der Symmetrieachse X′X verlagert wurden.

Der so behandelte Draht nach der Erfindung verfügt über eine große Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion.

Eine andere Probe des gleichen Drahtes wurde einer mechanischen Behandlung mit Biegewechselschwingungen außerhalb der oben definierten Grenzen ausgesetzt. Das Verhältnis im ersten Rollenzug wurde auf 0,015 im ersten Rollenzug, auf 0,004 im zweiten Rollenzug festgelegt. Die Kurve 12 der Fig. 6 zeigt, daß diese Behandlung es nur ermöglicht hat, Kompressionsspannungen über eine Dicke von 0,2 mm, ausgehend von diesem Flachdraht von 3 mm Dicke, zu erzeugen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steigerung der Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit eines länglichen metallischen Elements, dessen Querschnitt senkrecht zur Längsachse in zwei zueinander senkrechten Richtungen verschiedene Abmessungen hat, dadurch gekennzeichnet, daß man vor seiner Benutzung das Element einer Reihe von Biegevorgängen unterwirft, indem man nacheinander die Krümmungsrichtung der Außenflächen des Elements, die die längere Querschnittsabmessung einschließen, umkehrt, so daß in dem Element Druckspannungszonen einer Dicke erzeugt werden, die wenigstens gleich einem Drittel des diese Außenflächen von der Längsachse trennenden Abstands sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man diese Reihe von Biegevorgängen durchführt, indem man das längliche Element wenigstens einen ersten umlenkartig angeordneten Rollenzug durchlaufen läßt, wobei bei Betrachtung dreier aufeinanderfolgender Rollen, zwischen denen das Element durchläuft, gilt wobei h das Absenken des tiefsten Punktes der Zwischenrolle unter die Tangentenebene an die beiden anderen Rollen in ihrem höchsten Punkt bedeutet und 2d die die Mitten dieser beiden anderen Rollen trenndene Entfernung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen 0,06 und 0,20 eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das längliche Element nacheinander durch diesen ersten umlenkartig angeordneten Rollenzug, dann durch wenigstens einen zweiten umlenkartig angeordneten Rollenzug laufen läßt, wobei das Verhältnis geringer als im ersten Rollenzug ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch wenigstens einen zweiten Rollenzug, bei dem das Verhältnis zwischen 0,005 und 0,08 eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das längliche Element durch wenigsten einen Rollenzug, bei dem das Verhältnis im wesentlichen konstant ist, laufen läßt.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das längliche Element durch wenigstens einen Rollenzug laufen läßt, bei dem das Verhältnis vom Eintritt zum Austritt des Rollenzugs zunimmt.

8. Längliches metallisches Element, behandelt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es senkrecht zu den die größeren Abmessungen einschließenden Außenflächen nacheinander eine unter Druckspannung stehende eine neutrale und eine unter Zugspannung stehende Zone aufweist, wobei die Dicke der unter Druckspannung stehenden Zone wenigstens gleich einem Drittel des Abstandes zwischen der Außenfläche und der Längsachse ist.