DE69402814T2

DE69402814T2 - Drahterzeugnis aus rostfreies Stahl

Info

Publication number: DE69402814T2
Application number: DE69402814T
Authority: DE
Inventors: Suchun Fang; Kishio Tamai; Yukio Yamaoka
Original assignee: Shinko Wire Co Ltd
Current assignee: Kobelco Wire Co Ltd
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1994-05-10
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2014-05-11
Also published as: AU6483194A; CA2125540C; KR950018538A; US5716466A; ES2100595T3; KR0126888B1; JP2783504B2; EP0659896B1; DE69402814D1; EP0659896A1; TW299357B; CA2125540A1; AU664336B2; JPH07173579A

Description

Als Zugglieder für Spannbeton (SB) hat man hauptsächlich die in der japanischen Industrienorm JIN G 3536 genauer angegebenenen Klavierdrähte verwendet. Der Klavierdraht wird aus einem kohlenstoffreichen Stahl, der 0,62 bis 0,92 Gew.-% C enthält, hergestellt, der sich durch die für ein Zugglied (tension member) oder ein Hängeglied (hanging member) erforderlichen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Dehnung, Relaxationswert, Dauer(schwing)festigkeit (fatigue strength), Flächenverringerung (reduction of area) und Torsionswert auszeichnet; er zeigt jedoch eine extrem geringe Korrosionsfestigkeit (Rostfestigkeit). Aus diesem Grund wurden Stahldrähte für Spannbeton (im folgenden "SB- Stahldrähte" genannt), Stahldrahtlitzen für Spannbeton (im folgenden "SB-Stahldrahtlitzen" genannt), verschiedene Kabel und Hängeglieder, die aus dem oben bezeichneten kohlenstoffreichen Stahl gemacht waren, verschiedenen Korrosionsfestigkeitsbehandlungen unterzogen, beispielsweise einer Behandlung durch Flattieren, durch Kunststoffbeschichtung bzw. durch eine spaltfüllende Hüllbedeckung. Diese Behandlungen haben die Kosten für SB- Stahldrähte und dgl. erhöht.
Andererseits werden Drahtseile aus rostfreiem Stahl, die typischerweise SUS304 und SUS316 einsetzen, momentan hauptsächlich auf dem Gebiet der Drahtseile verwendet. Das Drahtseil aus rostfreiem Stahl besitzt eine nur geringe Dauerfestigkeit und neigt nach kurzer Zeit zum Reißen, mit dem Ergebnis einer verringerten Lebensdauer, wenn es bei der Anwendung einem sich periodisch wiederholenden Biegen oder dgl. ausgesetzt ist. Das führte dazu, daß Drahtseile aus rostfreiem Stahl, sieht man einmal von ihrer hohen Korrosionsfestigkeit ab, in den Anwendungsmöglichkeiten begrenzt gewesen sind, d.h. nicht dynamisch sondern statisch als Hängeartikel verwendet wurden.
In den letzten Jahren wird Spannbeton im sauren Regen naß, wegen der negativen Veränderung unserer Umwelt, und in Küstengebieten wird er mit Salzwasserspritzern bedeckt, was zu der Bildung von Spalten führt. Beton wird somit neutralisiert und Zugglieder im Beton werden leicht direkt den Umwelteinwirkungen ausgesetzt, wobei man fürchtet, daß die Sicherheit der Betonstruktur abnimmt.

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein zweiphasiges rostfreies Stahldrahtprodukt und insbesondere ein neues rostfreies Stahldrahtprodukt, das sich für SB-Zugglieder, Kabel für Hängebrücken und Hängeseile für kalbelverankerte Brücken eignet.

Beschreibung verwandter Techniken

Um die zuvor beschriebenen Nachteile zu überwinden, wurden in der JIN G 4308 ein korrosionsvermeidender SB-Stahldraht bzw. eine korrosionsvermeidende SB-Stahldrahtlitze entwickelt, die SUS304 und SUS316 einsetzen (z.B. "Iron and Steel", Band 72, Nr. 1, Seiten 78 - 84, 1986). Diese rostfreien Stahldrähte sind kohlenstoffreichen Stahldrähten in der Korrosionsbeständigkeit überlegen; sie haben jedoch die folgenden Nachteile: wenn man nämlich die Festigkeit auf 160 kgf/mm² oder mehr erhöht, wird die Dehnung gering, ist der Torsionswert niedrig (etwa 5 Drehungen) und beträgt die Dauerfestigkeit nur etwa die Hälfte jener von kohlenstoffreichen Stählen, und ferner ist die Korrosionsbeständigkeit ungenügend, wenn man diese als Zugglieder ohne jede Korrosionsvorbeugebehandlung verwendet. Daher kann man die oben bezeichneten rostfreien Stahldrähte nicht als hochkorrosionsfeste Zugglieder anstelle von aus Kohlenstoffstahl gemachten Zuggliedern, Hängegliedern und Kabeln verwenden.
Andererseits haben Drahtseile aus kohlenstoffreichem Stahl eine höhere Dauerfestigkeit und eine längere Lebensdauer bei wiederholtem Biegen als die oben beschriebenen Stahlseile aus rostfreiem Stahl. Aus diesem Grund wurden erstere nicht nur als Drahtseil für den statischen Gebrauch sondern auch als Drahtseil für den dynamischen Gebrauch eingesetzt. Insbesondere ist es gesetzlich zulässig, ein Drahtseil aus kohlenstoffreichem Stahl ausschließlich zu verwenden, selbst für wichtige Sicherheitsglieder wie beispielsweise Aufzugsseile, von denen Menschenleben abhängen. Stahlseile aus kohlenstoffreichem Stahl weisen jedoch den Nachteil auf, daß die Korrosionsfestigkeit im Vergleich mit Stahlseilen aus rostfreiem Stahl schlecht ist. Dementsprechend neigen diese, wenn die Korrosionspravention nicht ausreicht, zur Lochfraßbildung, selbst in der Atmosphäre, wodurch sich oft auch die ausgezeichneten Dauerfestigkeitseigenschaften verschlechtern. Insgesondere ergibt sich bei Stahldrähten aus kohlenstoffreichem Stahl das Problem, daß bei der Instandhaltung große Sorgfalt erforderlich ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zugglied bereitzustellen, das in der Lage ist, die für Zugglieder, Hängeglieder und Kabel erforderlichen Eigenschaften zu erfüllen, d.h. hohe Werte für die Zugfestigkeit, Dehnung, Dauerfestigkeit, Flächenverringerung und den Torsionswert aufzuweisen und einen geringen Relaxationswert zu haben; und ferner eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufzuweisen (insbesondere Rostbeständigkeit), um auf diese Weise die Langzeitqualität- Sicherheitsleistungs fähigkeit zu verdoppeln.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein rostfreies Stahldrahtseil bereitzustellen, das eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist als die aus SUS304 und SUS316 hergestellten Drahtseile und eine höhere Dauerfestigkeit besitzt als Drahtseile aus kohlenstoffreichem Stahl und welches entweder als Drahtseil zum statischen Gebrauch oder als Drahtseil für den dynamischen Gebrauch bei hoher Verläßlichkeit einsetzbar ist.
Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das oben beschriebene rostfreie Stahldrahtseil bereitzustellen, welches aus einem zweiphasigen rostfreiem Stahl gemacht ist, der Stickstoff in großer Menge enthält.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
Um die obigen Ziele zu erreichen, wird erfindungsgemäß ein zweiphasiges rostfreies Stahldrahtprodukt mit spezifischen Eigenschaften bereitgestellt, welches in einem Verfahren zur Herstellung eines rostfreien Stahls mit spezifischer Zusammensetzung (Fe, C, Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Mo, N) hergestellt wird, wobei das Volumenverhältnis zwischen Ferrit und Austenit spezifiziert wird, und der so erhaltene rostfreie Stahl gezogen wird.
Darüber hinaus werden in der vorliegenden Erfindung zweiphasige rostfreie Stahldrahtprodukte bereitgestellt, die die jeweils für ein Zugglied und ein Drahtseil geeigneten Eigenschaften erreichen, und die durch ein Verfahren zum Ziehen von rostfreien Stählen unter genau angegebenen Bedingungen wie Querschnittsabnahme beim Ziehen (%), mittlerer Schlankheitsgrad und Alterungstemperatur hergestellt werden.
Die so, bis zu einem genau angegebenen Durchmesser, gezogenen Stahldrahtprodukte werden verseilt. Diese rostfreie Stahllitze zeichnet sich sehr stark durch ihre Zugfestigkeit und Dauerfestigkeit aus. Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, daß die zuvor beschriebenen ausgezeichneten Eigenschaften eng mit dem Phasengleichgewicht, das man durch das Volumenverhältnis zwischen Ferrit und Austenit in dem zweiphasigen rostfreien Stahl darstellt, und mit dem Schlankheitsgrad verknüpft ist, der ein Maß für das Ziehen der jeweiligen Phasen angibt. Auf der Grundlage dieses neuen Wissens wurde die vorliegende Erfindung vollendet.
Figur 1 ist eine vergrößerte Darstellung, die die Struktur eines zweiphasigen rostfreien Stahldrahts zeigt. In der zweiphasigen Struktur mit einer Mischung aus austenitischer Phase und ferritischer Phase, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, wird der Schlankheitsgrad γR des Austenits als γR = γL/γW ausgedrückt; und der Schlankheitsgrad αR des Ferrits wird als αR = αL/αW ausgedrückt. In der Zweiphasenstruktur liegt eine Mischung von zwei Phasen vor, so daß die Eigenschaften des Gesamtmaterials als Mittel der Eigenschaften der beiden Phasen erhalten wird. Dementsprechend wird der mittlere Schlankheitsgrad MR durch die folgende Formel ausgedrückt:
MR = Vr x γR + Va x αR
wobei VR das Volumenverhältnis des Austenits und Vα das Volumenverhältnis des Ferrits ist.
Figur 2 zeigt die Beziehung zwischen der Querschnittsabnahme beim Ziehen (%) und dem mittleren Schlankheitsgrad MR in einem zweiphasigen rostfreien Stahldraht. Wie in der Figur gezeigt, ist der mittlere Schlankheitsgrad MR vor dem Ziehen 1, da jede Phase eine gleichachsige Kornstruktur aufweist. Da jedoch jede Phase durch das Ziehen in Zugrichtung verlängert wird, nimmt der mittlere Schlankheitsgrad MR im wesentlichen linear mit fortschreitendem Ziehen zu, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Auf der Basis des Ergebnisses verschiedener Experimente haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, daß die Dauerfestigkeit einer SB-Stahldrahtlitze offenbar in Beziehung zu dem mittleren Schlankheitsgrad MR und dem Volumenverhältnis des Ferrits steht, wie es in Figur 3 gezeigt ist.
In Figur 3 wird die SB-Drahtlitze aus kohlenstoffreichem Stahl mit der SB-Drahtlitze aus SUS304 hinsichtlich der Dauerfestigkeitseigenschaften (erhaltene Dauerfestigkeit, wenn die Maximalbelastung auf das 0,45-fache der Zugfestigkeit festgelegt wird) verglichen. Wie man anhand der Figur erkennt, weist eine Struktur mit einem MR-Wert, der von 4 bis 20 reicht, und einem von 20 bis 80 % reichenden α-Wert eine ausgezeichnete Dauerfestigkeit auf. Diese Beziehung war bislang für SB-Stahllitzen nicht bekannt. Das gleiche gilt für die Umlaufbiegedauerfestigkeitseigenschaften von SB- Stahldraht (einzelner Draht). Ferner entspricht gemäß Figur 2 ein von 4 bis 20 reichender MR-Wert (in diesem Bereich ist die Lebensdauer bei Dauerbeanspruchung lang) einer von 40 bis 97 % reichenden Querschnittsabnahme beim Ziehen. Ein rostfreies Stahlzugglied, das einen großen Durchmesser aufweist, zieht man jedoch wegen der Zunahme der Kosten effizienterweise nicht mit einer Querschnittsabnahme beim Ziehen von 93 % oder mehr. Die obere Grenze der Querschnittsabnahme beim Ziehen muß entsprechend auf 93 % begrenzt werden, und daher wird die obere Grenze für MR auf einen Wert genauer festgelegt, der einer Querschnittsabnahme beim Ziehen von 93 % entspricht, d.h. 18.
Figur 4 zeigt die Veränderung des Relaxationswerts in Abhängigkeit von der Alterungstemperatur in zweiphasigen rostfreien Stahldrähten, die verschiedene Mengen an N (Gew.-%) enthalten und die einen α-Wert für das Volumen von 50 % haben. Die Festigkeit des zweiphasigen rostfreien Stahldrahts wird beim Ziehen durch die Gegenwart der weichen ferritischen Phase (α-Phase) kaum beeinträchtigt; dementsprechend ist der Relaxationswert groß, wenn der N- Gehalt niedrig ist. Im Falle eines zweiphasigen rostfreien Stahls, der N in einer Menge von 0,1 Gew.-% oder mehr enthält, und der einer Alterungsbehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 700ºC unterzogen wird, erfüllt der Relaxationswert jedoch die Spezifikation (3 % oder weniger) für SB-Stahldraht und SB-Stahldrahtlitzen gemäß JIN G 3536. Demgemäß ist es bei einem Zugglied erforderlich, daß der N-Gehalt im Bereich von 0,1 Gew.-% oder mehr und die Alterungstemperatur im Bereich von 200 bis 700ºC liegt. Darüber hinaus wird die obere Grenze des N-Gehalts aus einem später angegebenen Grund bei 0,45 Gew.-% festgelegt.
Die Figur 5 zeigt die Beziehung zwischen dem mittleren Schlankheitsgrad MR und der Biegeschwingdauerfestigkeitsgrenze (cyclic bending fatigue limit) des Drahtseils in Bezug auf das Volumenverhältnis des Ferrits (α). Wie man an der Figur erkennt, ist die Biegeschwingdauerfestigkeitsgrenze in dem Bereich, wo MR von 4 bis 20 reicht und das Ferrit-Volumenverhältnis (α) von 20 bis 80 % reicht, ausgezeichnet. Anhand von Figur 5 wird klar, daß die Alterungsbehandlung die Dauerbelastungseigenschaften verbessert. Dementsprechend wurde die Wirkung der Alterungstemperatur näher untersucht, was zu den in Figur 6 gezeigten Resultaten führte. An dieser Figur sieht man, daß die Dauerfestigkeit des Drahtseils in verseiltem Zustand hoch ist; durch die Alterungsbehandlung bei einer Temperatur von 150 bis 750ºC, vorzugsweise von 200 bis 700ºC nimmt sie jedoch zu.
Figur 7 zeigt die Kriechdehnung (creep strain) für ein Drahtseil (Aufbau 7 x 19, Durchmesser: 8 mm) mit einem Ferrit-Volumenverhältnis bei 50 % nach 200 h. Die Anfangsbelastung von 30 % der Zugfestigkeit wird bei Raumtemperatur angelegt. In dem Drahtseil steht die Kriechdehnung in Beziehung zu der permanenten Dehnung des im Gebrauch befindlichen Seils und sollte wünschenswerterweise kleiner sein. Die Kriechdehnung, die die Dehnung infolge Fixierung der Seilstruktur beinhaltet, wird bei einem N- Gehalt von 0,1 Gew.-% oder mehr signifikant verringert. Wenn jedoch der N-Gehalt 0,45 Gew.-% übersteigt, werden bei der Stahlerzeugung Blasen erzeugt, die zu ernsthaften Defekten führen. Aus diesem Grund wird der N-Gehalt in einen Bereich von 0,45 Gew.-% oder weniger festgesetzt.
Auf der Grundlage der obigen Ergebnisse werden die Gründe für die Begrenzung der chemischen Bestandteile des erfindungsgemäßen rostfreien Stahldrahtprodukts nachstehend beschrieben.
C: 0,01 bis 0,1 Gew.-%
C zeigt eine Tendenz in den Korngrenzen abgeschieden zu werden, wenn es im Übermaß zugegeben wird und verringert dadurch die Korrosionsfestigkeit; demgemäß muß der C-Gehalt auf 0,1 Gew.-% oder weniger begrenzt werden. Wenn der C- Gehalt über die Maßen niedrig ist, steigen die Kosten für das Schmelzen. Daher wird die untere Grenze des C-Gehalts bei 0,01 Gew.-% festgesetzt.
Si: 0,1 bis 1,0 Gew.-%
Si ist ein für die Deoxidation des Stahls notwendiges Element, und es ist daher erforderlich, es in einer Menge von 0,1 Gew.-% oder mehr zuzugeben. Si verursacht jedoch die Brüchigkeit von Stahl, wenn es übermäßig zugegeben wird und wird daher auf 1 Gew.-% oder weniger begrenzt.
Mn.: 0,3 bis 1,5 Gew.-%
Mn ist ein für die Entschwefelung des Stahls notwendiges Element und muß in einer Menge von 0,3 Gew.-% oder mehr zugegeben werden. Mn verursacht jedoch ein übermäßiges Härten des Stahls, wenn man es übermäßig zugibt, was zu einer verschlechterten Vearbeitbarkeit führt und es wird daher mit 1,5 Gew.-% oder weniger angegeben.
P: 0,010 bis 0,040 Gew.-%
Im Übermaß zugegeben, führt P zur Brüchigkeit des Stahls und es ist demgemäß auf eine Menge von 0,040 Gew.-% oder weniger begrenzt. Um den Stahl zu erweichen, sollte der P-Gehalt soweit wie möglich abgesenkt werden. Das Absenken des P- Gehalts unterhalb von 0,010 Gew.-% erhöht jedoch stark die Kosten und daher wird die untere Grenze mit 0,010 Gew.-% angegeben.
S: 0,001 bis 0,030 Gew.-%
Im Übermaß zugegeben, führt S zu nichtmetallischen Einschlüssen und verringert auf diese Weise die Korrosionsfestigkeit des Stahls. Aus diesem Grund gibt man es in einer Menge von 0,03 Gew.-% oder weniger zu. Wenn man jedoch den S-Gehalt unter 0,001 Gew.-% senkt, steigen die Kosten für das Schmelzen und daher wird die untere Grenze des S-Gehalts mit 0,001 Gew.-% angegeben.
Cr: 15 bis 30 Gew.-%
Wenn der Cr-Gehalt unterhalb von 15 Gew.-% liegt, wird die Korrosionsfestigkeit schlecht. Wenn dieser andererseits oberhalb von 30 Gew.-% liegt, verschlechtert er die Bearbeitbarkeit beim Warmwalzen und erhöht die Kosten. Ferner muß man, wenn Or im Übermaß zugegeben wird, Ni in einer großen Menge zusetzen, um die Phasenbalance in einer zweiphasigen Struktur zu halten. Daher wird der Cr-Gehalt im Bereich von 15 bis 30 Gew.-% angegeben.
Ni: 3,0 bis 8,0 Gew.-%
Ni muß in einer Menge von 3,0 bis 8,0 Gew.-% in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Cr-Gehalt zugegeben werden, um die Zweiphasenstruktur zu erhalten.
Mo: 0,1 bis 3,0 Gew.-%
Mo wird in einer Menge von 0,1 Gew.-% oder mehr zugegeben, um die Korrosionsfestigkeit zu erhöhen. Dieser Effekt steigt linear mit der Mo-Menge an. Da Mo jedoch ein teures Element ist, begrenzt man es auf 3,0 Gew.-% oder weniger.
N: 0,1 bis 0,45 Gew.-%
Wie zuvor beschrieben, muß man N in einer Menge von 0,1 Gew.-% oder mehr zugeben, um den Relaxationswert zu verringern. Wenn der N-Gehalt jedoch 0,45 Gew.-% übersteigt, führt er zu Blasen im Gußblock, was zu kritischen Mängeln führt. Daher wir die obere Grenze des N-Gehalts mit 0,45 Gew.-% angegeben.
Auf der Grundlage des zuvor beschriebenen neuen Wissens wird erfindungsgemäß ein rostfreies Stahldrahtprodukt bereitgestellt, das sich als Zugglied eignet, und durch Ziehen eines zweiphasigen rostfreien Stahls hergestellt wird, der 0,01 bis 0,10 Gew.-% C, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Si, 0,30 bis 1,50 Gew.-% Mn, 0,010 bis 0,040 Gew.-% P, 0,001 bis 0,030 Gew.-% S, 18,0 bis 30,0 Gew.-% Cr, 3,0 bis 8,0 Gew.-% Ni, 0,1 bis 3,0 Gew.-% Mo und 0,10 bis 0,45 Gew.-% N enthält, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind, worin das Volumenverhältnis der Ferrit-Menge zu der Summe aus der Austenit-Menge und der Ferrit-Menge in einem Bereich von 20 bis 80 % angegeben wird, und worin beim Ziehen die Querschnittsabnahme beim Ziehen (drawing draft) im Bereich von 40 bis 93 %, der mittlere Schlankheitsgrad (MR-Wert) im Bereich von 4 bis 18 und die Alterungstemperatur im Bereich von 200 bis 700ºC liegt.
Ferner wird erfindungsgemäß ein rostfreies Stahldrahtprodukt bereitgestellt, das sich für ein Drahtseil eignet, und durch Ziehen eines zweiphasigen rostfreien Stahldrahts hergestellt wird, der 0,01 bis 0,10 Gew.-% C, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Si, 0,30 bis 1,50 Gew.-% Mn, 0,010 bis 0,040 Gew.-% P, 0,001 bis 0,030 Gew.-% S, 18,0 bis 30,0 Gew.-% Cr, 3,0 bis 8,0 Gew.-% Ni, 0,1 bis 3,0 Gew.-% Mo und 0,10 bis 0,45 Gew.-% N enthält, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind, worin das Volumenverhältnis der Ferrit-Menge zu der Summe aus Austenit-Menge und Ferrit-Menge in einem Bereich von 20,0 bis 80,0 % angegeben wird, und worin beim Ziehen die Querschnittsabnahme beim Ziehen (drawing draft) im Bereich von 40 bis 97 %, der mittlere Schlankheitsgrad (MR-Wert) im Bereich von 4 bis 20 und die Alterungstemperatur im Bereich von 150 bis 750ºC, vorzugsweise im Bereich von 200 bis 700ºC liegt.
Wie zuvor beschrieben, wird gemäß dem erfindungsgemäßen rostfreien Stahldrahtprodukt ein zweiphasiger rostfreier Stahldraht bereitgestellt, der eine spezifische Zusammensetzung (Gew.-%) an C, Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Mo und N enthält, wörin die Ferrit-Menge (Volumenverhältis) spezifiziert ist, wodurch die Dauerhaltbarkeit (fatigue life) stark verlängert wird und sich die Korrosionsfestigkeit, insbesondere die Rostfestigkeit verbessert. Darüber hinaus kann man in dem zuvor beschriebenen zweiphasigen rostfreien Stahldraht die Zugdauer(schwing)festigkeit (tensile fatigue strength) extrem erhöhen, indem man die Querschnittsverringerung beim Ziehen und den mittleren Schlankheitsgrad (MR-Wert) spezifiziert. Darüber hinaus ist es möglich, in dem zuvor beschriebenen zweiphasigen rostfreien Stahldraht die Relaxation (für das Zugglied) und die Kriecheigenschaften (für das Drahtseil) extrem zu verbessern, indem man die Menge an zugegebenem N auf den Bereich von 0,1 bis 0,4 Gew.-% genauer festlegt und indem man die Alterungstemperatur so kontrolliert, daß sie im Bereich von 200 bis 700ºC liegt. Folglich erwartet man, daß das aus dem zweiphasigen rostfreien Stahl hergestellte Drahtprodukt breite Verwendung in Anwendungsgebieten findet, bei denen sowohl rostfreier Stahl als auch Stahl mit einem hohen Kohlenstoff-Gehalt herkömmlicherweise verwendet worden sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine vergrößerte Darstellung, die die Struktur eines zweiphasigen rostfreien Stahldrahts zeigt;
Figur 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Querschnittsverringerung beim Ziehen (in %) und dem mittlerem Schlankheitsgrad MR eines zweiphasigen rostfreien Stahldrahts darstellt;
Figur 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem mittleren Schlankheitsgrad MR und der Zugdauerfestigkeit im Hinblick auf das Volumenverhältnis des Ferrits in zweiphasigen rostfreien Stahldrahtlitzen zeigt;
Figur 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Veränderung des N-Gehalts und der Veränderung des Relaxationswerts in Abhängigkeit von der Alterungstemperatur in zweiphasigen rostfreien Stahldrähten zeigt, die eine Ferrit-Menge von 50 Vol.-% enthalten;
Figur 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem mittleren Schlankheitsgrad MR und der Biegeschwingdauerfestigkeitsgrenze in zweiphasigen rostfreien Stahldrahtseilen darstellt;
Figur 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Alterungstemperatur und der Biegeschwingdauerfestigkeitsgrenze in einem zweiphasigen rostfreien Stahldrahtseil zeigt; und
Figur 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem N-Gehalt (in Gew.-%) und der Kriechdehnung (creep strain) nach 200 h in einem zweiphasigen rostfreien Stahldrahtseil zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Um die Wirkungen der Eigenschaften eines erfindungsgemäßen, sich für rostfreie Stahldrahtzugglieder eignenden, zweiphasigen rostfreien Stahldrahts zu untersuchen, wurde dieser mit Vergleichsstahldrähten verglichen. Um in den Ausführungsformen die Wirkungen von α (Ferrit- Volumenverhältnis), N, dem MR-Wert und der Alterungstemperatur zu vergleichen, verwendete man Stähle mit den in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen. Die Zusammensetzung eines kohlenstoffreichen Stahldrahts und von austenitischen rostfreien Stahldrähten (SUS304, SUS316) als Vergleichsstahldrähten ist gleichermaßen in Tabelle 1 gezeigt. Darüber hinaus enthält Stahl A Nickel in einer Menge, die den erfindungsgemäß spezifizierten Wert übersteigt und Stahl C enthält Nickel in einer Menge unterhalb des spezifizierten Werts. Stahl D wurde als Vergleichsstahl verwendet, in dem N außerhalb der unteren Grenze des spezifizierten Werts liegt.

Ausführungsform 1

An dieser Ausführungsform wurde die Wirkung von α unter Verwendung der Stähle A, B und C untersucht.

Ausführungsform 1 - a

Auf die folgende Weise stellte man SB-Stahldrähte mit einem Durchmesser von 5 mm mit Hilfe der Stähle A, B und C und mit Hilfe von Vergleichsstäben her. Man unterzog gerollte Drähte mit 13 mm Durchmesser, bei denen Stähle A, B und C verwendet wurden, einem Wasserhärten bei 1050ºC, um diese so zu homogenisieren, und dann einem Säurebeizen (acid picking) und einem Beschichten mit Oxalsäure. Man zog die resultierenden Drähte in einer kontinuierlichen Zugvorrichtung auf 8-stufige Weise mit einer Zuggeschwindigkeit von 100 m/min zu Drähten mit einem Durchmesser von 5 mm. Diese Drähte wurden in einer Vorrichtung zum Ausrichten vom Typ Drehtrommel (rotary barrel) ausgerichtet und dann einer Alterungsbehandlung bei 500ºC in einem Röhrenofen unterzogen und so zu SB- Stahldrähten fertigbearbeitet. Andererseits unterzog man rostfreie Stahldrähte (SUS303 und SUS316) mit 10 mm Durchmesser einem Wasserhärten bei 1150ºC, um diese so zu homogenisieren, und dann der gleichen Oberflächenbehandlung, wie zuvor beschrieben, um diese dann unter den gleichen Bedingungen, wie zuvor beschrieben, zu Drähten mit 5 mm Durchmesser zu ziehen. Diese Drähte wurden auf die gleiche Weise, wie zuvor beschrieben, ausgerichtet und dann einer Alterungsbehandlung bei 500ºC unterzogen, um so rostfreie SB- Stahldrähte herzustellen. Darüber hinaus unterzog man kohlstoffreiche Stahldrähte mit 11 mm Durchmesser einer Bleipatentierung bei 550ºC und dann einer HCl-Beize und einer Phosphat-Beschichtung. Man zog die resultierenden Drähte in einer kontinuierlichen Zugvorrichtung auf 8-stufige Weise mit einer Zuggeschwindigkeit von 150 m/min zu Drähten mit 5 mm Durchmesser. Nach dem Ausrichten wurden diese Drähte einer Alterungsbehandlung bei 380ºC unterzogen und so zu kohlenstoffreichen SB-Stahldrähten fertiggestellt.
Die Eigenschaften obiger Stahldrähte sind in Tabelle 2 gezeigt. Den Relaxationswert erhält man unter der Bedingung, daß man eine Anfangslast, die das 0,7-fache der Zugfestigkeit beträgt, 10 h bei 20ºC anlegt. Die Zugdauerfestigkeit erhält man unter der Bedingung, daß man cyclisch die Spannung ändert, während die Maximallast auf das 0,45-fache der Zugfestigkeit festgelegt wurde. Die Anzahl der Zyklen beträgt 60 Zyklen/min, wobei 2 x 10&sup6; Zyklen als Grenze für den Dauertest genommen wurden. Die Rostfestigkeit wird durch die Zeit ausgedrückt, die verstrichen ist, bis sich in einem Sprühnebel mit einer 3%igen NaCl-Lösung Rost bildet.
Wie man anhand von Tabelle 2 erkennt, ist in Stahl A, der eine geringere α%-Menge enthält (12 %), die Dehnung geringer als spezifiziert (4 % oder mehr) und sind der Torsionswert und die Dauerfestigkeit sehr niedrig. In Stahl C, der eine größere α%-Menge enthält (88 %), ist die Dehnung hoch, aber der Torsionswert und die Dauerfestigkeit sind gering, Rost bildet sich relativ früh, und die Relaxation ist schlecht. Im Gegensatz dazu sind in Stahl B, der eine α%-Menge eines erfinderischen Beispiels enthält (51 %, α und γ sind im wesentlichen im gleichen Verhältnis gemischt), die Festigkeit, die Dehnung, die Flächenverringerung (reduction of aerea) und der Torsionswert hoch, insbesondere ist die Dauerfestigkeit sehr hoch, und ferner ist die Korrosions festigkeit äußerst hervorragend.

Ausführungsform 1-b

Auf die folgende Weise stellte man SB-Stahldrathlitzen mit 12,4 mm Durchmesser mit Hilfe der Stähle A, B, C und mit Hilfe von Vergleichsstählen her. Man unterzog gerollte Drähte mit 11 mm Durchmesser, bei denen Stähle A, B und C verwendet wurden, einem Wasserhärten bei 1050ºC und dann einem Säurebeizen und einer Oxalsäure-Beschichtung. Man zog die resultierenden Drähte in einer kontinuierlichen Zugvorrichtung zu Seitendrähten mit 4,09 mm Durchmesser und Kerndrähten mit 4,09 mm Durchmesser und Kerndrähten mit 4,30 mm Durchmesser. Diese Drähte wurden zu Drahtlitzen (Aufbau: 1 x 7) mit 12,4 mm Durchmesser in einer Kabelmaschine verseilt und dann durch Alterungsbehandlung bei 500ºC fertiggestellt. Andererseits unterzog man gerollte Drähte aus rostfreien Stählen (SUS303 und SUS316) mit 9,0 mm Durchmesser einem Wasserhärten bei 1150ºC. Diese Drähte wurden auf die gleiche Weise, wie zuvor beschrieben, zu Drahtlitzen mit 12,4 mm Durchmesser verseilt und dann durch eine Alterungsbehandlung bei 500ºC fertiggestellt. Ferner unterzog man gerollte Drähte mit 10 mm Durchmesser aus kohlenstoffreichen Stählen einer Bleipatentierung bei 550ºC und unterzog diese dann einer HCl-Beize und einer Phosphat- Beschichtung. Man zog die resultierenden Drähte in einer kontinuierlichen Zugvorrichtung zu Seitendrähten mit 4,09 mm Durchmesser und Kerndrähten mit 4,30 mm Durchmesser. Man verseilte diese Drähte zu Drahtlitzen (Aufbau: 1 x 7) und stellte sie durch Alterungsbehandlung bei 380ºC fertig.
Um die Eigenschaften zu untersuchen, unterzog man obige Stahldrähte einem Zugtest, einem Relaxationstest, bei dem eine Anfangslast, die das 0,7-fache der Zugfestigkeit betrug, 10 h bei 20ºC angelegt wurde, einem Dauerfestigkeitstest (2 x 10&sup6; Zyklen) bei einer Maximallast, die das 0,45-fache der Zugfestigkeit betrug, und einem Korrosionsfestigkeitstest in einem 3%igen NaCl-Sprühnebel. Die Resultate sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Wie in Tabelle 3 gezeigt, sind, selbst im Fall der SB- Stahldrahtlitzen, bei Stahl A, der einen geringen α%-Wert enthält (12 %), die Dehnung und die Dauerfestigkeit gering; und bei Stahl C, der eine große α-Menge enthält (88 %), sind die Relaxationseigenschaften schlecht, die Dauerfestigkeit ist gering, und die Korrosionsfestigkeit ist ebenfalls schlecht. Im Gegensatz dazu ist in Stahl B, wo α und β im gleichen Verhältnis gemischt sind, die Dehnung groß, und insbesondere sind die Dauerfestigkeit und die Korrosionsfestigkeit wesentlich höher als bei den kohlenstoffreichen Stählen und rostfreien Stählen (SUS304 und SUS316).

Ausführungsform 2

Im folgenden werden die Auswirkungen des MR-Werts, von N (in Gew.-%) und der Alterungstemperatur bei Stahldrähten, in denen das Ferrit-Volumenverhältnis α bei 50 % festgelegt wird, beschrieben. Man verwendete den Stahl B und den Stahl D (N: 0,05 Gew.-%). Gemäß dem gleichen Verfahren wie für Stahl B stellte man mit Hilfe des Stahls D eine Stahldrahtlitze mit dem gleichen Durchmesser her. Auf die folgende Weise stellte man SB-Stahldrahtlitzen aus Stahl B mit verschiedenen MR- Werten her. Die SB-Stahldrahtlitze aus Stahl B mit einem MR- Wert von 3 wurde wie folgt hergestellt. Man unterzog gerollte Drähte (Zwischendurchmesser: 5,1 mm φ)) aus Stahl B einem Wasserhärten (helles Glühen im Inertgas) bei 1050ºC und unterzog sie dann einer Oxalsäure-Beschichtung. Man zog die resultierenden Drähte in einer kontinuierlichen Zugvorrichtung zu Seitendrähten mit 4,09 mm Durchmesser und Kerndrähten mit 4,30 mm Durchmesser. Diese Drähte wurden verseilt und dann einer Alterungsbehandlung bei 500ºC unterzogen. Andererseits stellte man auf die gleiche Weise wie für Stahl B, wie in Tabelle 3 gezeigt, eine SB- Stahldrahtlitze aus Stahl B mit einem MR-Wert von 14 her; diese stellte man ferner so her, daß man die Alterungstemperatur auf 100ºC oder 80ºC änderte, um die Auswirkung der Alterungstemperatur zu untersuchen. Ferner maß man die Eigenschaften auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben. Die Resultate sind in Tabelle 4 aufgeführt.
Wie man anhand von Tabelle 4 erkennt, sind die Eigenschaften bei Dauerbelastung schlecht, wenn der MR-Wert gering ist und ist die Relaxation groß, wenn die Querschnittsverringerung beim Ziehen gering ist. Selbst bei hohem N-Gehalt ist bei Verringerung der Alterungstemperatur (100ºC) der Relaxationswert groß. Wenn die Alterungstemperatur übermäßig hoch ist (800ºC), wird der Relaxationswert ungenügend für ein Zugglied. Darüber hinaus wird der Relaxationswert bei geringem N-Gehalt sehr groß. Es ist nämlich schwierig, ein Produkt zu erhalten, das alle Eigenschaften erfüllt, wie das in der erfindungsgemäßen Ausführungsform in Tabelle 4 gezeigt wird.
Um die Wirkungen eines erfindungsgemäßen, sich für rostfreie Stahldrahtseile eignenden, zweiphasigen rostfreien Stahldrahtprodukts klar zu machen, wurde dieses mit Vergleichsseilen verglichen.
Man verwendete Stahldrähte mit den in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen, wobei man α% und N Gew.-% veränderte. Man verwendete kohlenstoffreiche Stahldrähte und Drähte aus rostfreiem Stahl (SUS304, SUS316) als Vergleichsdrähte. Man rollte diese zweiphasigen rostfreien Stahldrähte zu einem Durchmesser von 5,5 mm Durchmesser und bearbeitete sie weiter bis zu einem End-Durchmesser von 0,33 mm Durchmesser durch wiederholtes Ziehen und Zwischenglühen. Man verseilte die resultierenden Stahldrähte zu einem Stahlseil (Aufbau: 1 x 7) mit 5 mm Durchmesser. In diesem Fall führte man das Zwischenglühen und das Glühen nach dem abschließenden Ziehen bei 1050ºC durch. Darüber hinaus änderte man die Querschnittsverringerung beim Ziehen auf 30 %, 85 % und 98 % für die jeweilige Stahlart, um so den MR-Wert auf 3, 14 und 22 zu ändern. Demgemäß sind die Zwischendrahtdurchmesser vor dem Endziehen für jede Querschnittsverringerung beim Ziehen unterschiedlich. Das Ziehen wurde durchgeführt, indem man 3bis 20-mal gemäß der Querschnittsverringerung bei einer Zuggeschwindigkeit von 100 bis 350 m/min mit einer Stufenrad- Zugvorrichtung vom Kegeltyp durch Ziehdüsen führte. Um die Wirkung der Alterungstemperatur zu untersuchen, unterzog man die zweiphasigen rostfreien Stahldrahtseile mit 5 mm Durchmesser einer 15-minütigen Alterungsbehandlung bei 100ºC, 400ºC und 800ºC.
Die rostfreien Stahldrähte (SUS304, SUS316) mit 5,5 mm Durchmesser wurden wiederholt einem Zwischenziehen und -glühen unterzogen und zu einem Drahtseil (Aufbau: 1 x 7) mit 5 mm Durchmesser verseilt. In diesem Fall betrug die Glühtemperatur 1150ºC. Andererseits unterzog man kohlenstoffreiche Stahldrähte einem Zwischenziehen und dann einem Salzpatentieren bei 550ºC, wonach diese zu einem Enddurchmesser von 0,33 mm Durchmesser auf die gleiche Weise, wie zuvor beschrieben, gezogen wurden. Man verseilte die resultierenden Drähte zu einem Drahtseil (Aufbau: 7 x 19) mit 5 mm Durchmesser. Diese Drahtseile wurden im Hinblick auf die folgenden Eigenschaften untersucht.
Die Zugfestigkeit wurde an einer Probe gemessen, die an beiden Enden mit einer mit einem gehärteten Harz gefüllten Muffe fixiert waren. Der Biegeschwingdauerfestigkeitstest (cyclic bending fatigue test) wurde unter Bedingungen durchgeführt, bei denen die Axiallast auf 20 % der Bruchlast des Seiles festgesetzt wurde, wobei der Rillendurchmesser der Seilscheibe D und der Seildurchmesser d auf D/d = 40 festgelegt wurden. In diesem Test definierte man die Lebensdauer des Seils als die Zahl der Zyklen, bei denen 10 % der Gesamtzahl der Drähte des Seils brachen, wobei man die Beziehung zwischen der Zahl der Zyklen und der Zahl der gebrochenen Seile berücksichtigte.
Den Kriechtest führte man durch, indem man eine Last, die 30 % der Seilbruchslast betrug, an das Seilanlegte und die Dehnung nach 200 h maß und dadurch ein Dehnungsverhältnis (%) im Hinblick auf die Eichlänge von 300 mm erhielt. Der Test wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Den Salzwassersprühnebeltest führte man durch, indem man eine 3%ige NaCl-Lösung bei 30ºC sprühte und die Zeit maß, die bis zur Rostbildung verstrich.
Die Resultate sind in den Tabellen 5 und 6 aufgeführt. An diesen Tabellen erkennt man das folgende:
1) Beim Vergleich der Stähle A, B und C übersteigt die Zyklenzahl bei 10 % Bruch für jedes der Seile aus den Stählen A, B und C, wenn α klein (12 %) oder groß (88 %) ist, selbst wenn man den mittleren Schlankheitsgrad MR durch die Querschnittsverringerung beim Ziehen oder wenn man die Alterungstemperatur veränderte, nicht jene eines Drahtseils aus kohlenstoffreichem Stahl, das als exzellent hinsichtlich seiner Dauerfestigkeit angesehen wird. Andererseits ist Stahl B, bei dem α 51 % beträgt, selbst wenn der MR-Wert klein (3) oder groß (22) ist, hinsichtlich seiner Dauerfestigkeit einem Draht aus kohlenstoffreichen Stahl überlegen; insbesondere wenn man diesen einer Alterungsbehandlung bei 400ºC unterzieht, erhöht sich diese extrem auf etwa das 2-fache eines Drahts aus kohlenstoffreichem Stahl.
2) Bei den Stählen A, B und C, die N in Mengen von 0,24 bis 0,26 Gew.-% enthalten, sind die Kriecheigenschaften bei Raumtemperatur, wenn die Querschnittsverringerung beim Ziehen gering ist (30 %), denen des Stahls D, der N in einer geringen Menge von 0,05 Gew.-% enthält, unterlegen. Wenn man jedoch die Querschnittsverringerung beim Ziehen erhöht, kommt es nur zu einem geringen Kriechen unabhängig von α, und es ist daher offensichtlich, daß das Kriechen durch den N-Gehalt stark beeinflußt wird.

3) Im Hinblick auf die bis zur Rostbildung verstrichene Zeit ist Stahl B äußerst hervorragend.

Wie zuvor beschrieben, erfüllt in Stahl B die Zusammensetzung die erfindungsgemäße Spezifizierung: α ist 51 % und liegt im spezifizierten Bereich; und MR ist ein geeigneter Wert, d.h. 14. Dementsprechend ist ein zweiphasiges rostfreies Stahldrahtseil, bei dem Stahl B verwendet wird, verseilt oder mit Alterungsbehandlung bis 700ºC, hinsichtlich Dauerfestigkeit, Kriechen und Rostfestigkeit Drahtseilen aus kohlenstoffreichem Stahl und rostfreiem Stahl (SUS304, SUS316) stark überlegen. Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 3 Tabelle 4 Tabelle 5 Tabelle 5 (Fortsetzung) Tabelle 6 Tabelle 6 (Fortsetzung)

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Drahtprodukts aus einem zweiphasigen ferritisch-austenitischen rostfreien Stahl, der eine chemische Zusammensetzung hat, die 0,01 bis 0,10 Gew.-% C, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Si, 0,30 bis 1,50 Gew.-% Mn, 0,010 bis 0,040 Gew.-% P, 0,001 bis 0,030 Gew.-% 5, 18,0 bis 30,0 Gew.-% Cr, 3,0 bis 8,0 Gew.-% Ni, 0,1 bis 3,0 Gew.-% Mo und 0,10 bis 0,45 Gew.-% N umfaßt, wobei der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind,

worin das Volumenverhältnis der Ferrit-Menge zu der Summe aus der Austenit-Menge und der Ferrit-Menge im Bereich von 20,0 bis 80,0 % liegt,

umfassend den Schritt des Einstellens des mittleren Schlankheitsgrads MR auf einen Bereich von 4 bis 20, indem man den besagten Draht unter einer Verringerung der Querschnittsfläche des Drahts im Bereich von 40 bis 97 % zieht, wobei der mittlere Schlankheitsgrad MR als

MR = Vr x γR + Va x αR,

definiert ist, und Vr das Volumenverhältnis des Austenits ist, Va das Volumenverhältnis des Ferrits ist, der Schlankheitsgrad γR des Austenits ausgedrückt wird als γR = γL/γW und der Schlankheitsgrad αR des Ferrits ausgedrückt wird als αR = αL/αW.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Schlankheitsgrad auf den Bereich von 4 bis 18 eingestellt wird, indem man besagten Draht unter einer Verringerung der Querschnittsfläche des Drahtes im Bereich von 40 bis 93 % zieht.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, das zusätzlich den Schritt des Alterns des gezogenen Drahtprodukts umfaßt, indem man es einer Temperatur von 150 bis 750ºC aussetzt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, worin das gezogene Drahtprodukt gealtert wird, indem man es einer Temperatur von 200 bis 700ºC aussetzt.

5. Zweiphasiges austenitisch-ferritisches Drahtprodukt, erhältlich gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.

6. Die Verwendung eines rostfreien Stahldrahtprodukts, erhältlich in dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 4 in einem Zugglied.

7. Die Verwendung gemäß Anspruch 6, worin das Zugglied ein Spannbetonzugglied ist.

8. Die Verwendung eines rostfreien Stahldrahtprodukts erhältlich in dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1, 3 oder 4 in einem Drahtseil.