DE69523589T2 - Verfahren zur erhöhung der dehngrenze von kaltgeformten stahlprofilen - Google Patents
Verfahren zur erhöhung der dehngrenze von kaltgeformten stahlprofilenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Elastizitätsgrenze kaltgeformter Stahlprofile während des in der Produktionsstraße stattfindenden Walzens eines Stahlbands zu erwünschtem Formstahl.
- Das Verfahren des Formens von Stahlbändern zu erwünschtem Formstahl wie z. B. rechteckigen Hohlprofilen, kreisförmigen Rohrprofilen, Winkel-, U-Eisen- und anderen offenen Profilen ist bekannt und wird seit vielen Jahren eingesetzt. Das hierzu verwendete Material ist normalerweise sogenannter "schwarzer" Stahl, der typischerweise durch Warmwalzen in einem Walzwerk zu Stahlbändern geformt worden ist.
- In der Vergangenheit war es ein allgemein anerkanntes Verfahren, die "Chemie" des Stahlbandes durch Hinzufügen verschiedener Legierungsmetalle zu der Zusammensetzung des Stahls vor dem Warmwalzen zu verändern, um eine Erhöhung der Elastizitätsgrenze des in einem nachfolgenden Kaltwalzverfahren hergestellten Fertigerzeugnisses zu erhalten. Ein weiteres Verfahren ist die Anwendung thermomechanischer Praxis während des Warmwalzens. Dies sind aufgrund der Kosten für die Metalllegierungen und des Verfahrens zur Herstellung der erwünschten Legierungsmischung, der technologischen Verfahrenskosten bei thermomechanischer Praktiken, und auch aufgrund der Notwendigkeit, verschiedene Arten von Metallprofilen auf Lager zu halten, um die Erfordernisse unterschiedlicher Leistungskennwerte zu einem günstigen Preis zu erfüllen, aufwendige Verfahren.
- Aus diesen Gründen wird die überwiegende Mehrheit aller kaltgewalzten Stahlprofile aus gewöhnlichem schwarzem Stahl geformt, wobei Größe und Gewicht des Profils nach Wunsch einfach erhöht werden, um die erforderlichen Belastungskennwerte zu erhalten.
- Es gibt jedoch viele Anwendungsbereiche, wo es sowohl aus technischen als auch wirtschaftlichen Gründen wünschenswert ist, die Elastizitätsgrenze des Stahls, aus dem Formstahl gebildet wird, zu erhöhen, um im Vergleich zu einem in herkömmlicher Weise aus schwarzem Stahl gewalzten ähnlichen Profil erhöhte Leistung zu erhalten.
- Ein weiteres Verfahren zum Erhalten einer erhöhten Elastizitätsgrenze des in einem Kaltwalzverfahren hergestellten Fertigerzeugnisses wird in der Japanischen Veröffentlichungsschrift JP-A-5 915 3521 vorgeschlagen. Hier wird die Verwendung des Kaltziehens von Stahl zum Formen von Rohren beschrieben, an die sich für einen Zeitraum von 30 Sekunden bis zu 30 Minuten eine Wärmebehandlung mit Temperaturen im Bereich von 100ºC bis 250ºC anschließt. Diese Wärmebehandlung nach dem Kaltziehen soll die Elastizitätsgrenze der erzeugten Rohre erhöhen.
- Die vorliegende Erfindung sieht daher ein Verfahren zur Erhöhung der Elastizitätsgrenze kaltgewalzter Stahlprofile als Teil eines in der Produktionsstraße stattfindenden Fertigungsprozesses vor, bei dem 0,01 bis 0,25% Kohlenstoff und 0,001 bis 0,006% Stickstoff enthaltender Flachbandstahl unter Beibehaltung der glatten Form des Bandes zu erwünschtem Formstahl kaltverformt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Durchführen eines Stahlprofils, das zumindest teilweise kaltverformt und dadurch einem vorgegebenen Maß an Beanspruchung unterworfen worden ist, durch eine Heizstufe, in der die Temperatur des Stahlprofils auf einen Bereich von 200ºC bis 500ºC erhöht wird, und Halten der Temperatur des Stahlprofils in diesem Temperaturbereich für einen Zeitraum von zwei bis dreißig Sekunden, wobei die Temperatur- und Zeitkombination innerhalb des genannten Bereichs bzw. Zeitraums so ausgewählt wird, dass ein vorbestimmter Grad an Reckalterung erreicht wird, Abkühlen des Stahlprofils nach dem Erhitzen und der Reckalterung, und abschließendes Kaltverformen des Stahlprofils.
- Vorzugsweise umfasst der Schritt des Durchführens des Stahlprofils durch eine Heizstufe das Erhitzen des Stahlprofils auf eine Temperatur zwischen 200ºC und 450ºC während eines Zeitraums von zwei bis dreißig Sekunden, und das Halten der Temperatur auf wenigstens 440ºC für eine bis fünfzehn Sekunden.
- Es ist von noch größerem Vorteil, wenn der Schritt des Durchführens des Stahlprofils durch eine Heizstufe das Erhitzen des Stahlprofils auf eine Temperatur zwischen 350ºC und 400ºC für einen Zeitraum von zwei bis zehn Sekunden, und das Halten der Temperatur zwischen 440ºC und 460ºC für zwei bis sechs Sekunden umfasst.
- Der Schritt des Abkühlens des Stahlprofils senkt die Temperatur des Profils vor dem anschließenden Kaltverformen auf unter 90ºC und vorzugsweise auf 25ºC bis 45ºC.
- In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Schritte des Erhöhens der Temperatur und des Haltens dieser erhöhten Temperatur durch Vorerhitzen und anschließendes Beschichten des Stahlprofils in einem in der Produktionsstraße stattfindenden Galvanisierungsvorgang durchgeführt.
- Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
- Fig. 1 die graphische Darstellung eines Walzwerks zum fortlaufenden Formen von starken Hohlprofilen aus Stahlband mittels Kaltbearbeitung; und
- Fig. 2 ein Kurvenbild der Temperatur eines durch das in Fig. 1 gezeigte Walzwerk durchlaufenden Stahlprofils.
- In einer im folgenden beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird das Erhitzen des Stahlbands nach anfänglicher Kaltbearbeitung als Teil eines in der Produktionsstraße stattfindenden Galvanisierungsvorgangs durchgeführt, obwohl das Erhitzen selbstverständlich auch unabhängig von der Galvanisierung mit einem Profil aus einfachem schwarzem Stahl durchgeführt werden könnte.
- Das in Fig. 1 dargestellte Kaltwalzwerk nimmt Rollen von warmgewalztem Stahlband 1 auf, die sich in einem Rollenzuführmagazin 2 befinden, bevor das Band abgerollt wird und eine Abrollstation 3, Förderwalzen 4 und Planierwalzen S durchläuft, um das Band zu glätten und die Rollenform zu beseitigen. Das Band durchläuft dann eine Schweißverbindungsstation 6, wo die Teile nacheinander an ihren Enden miteinander verbunden werden, um ein fortlaufendes Band zur Zufuhr zum Walzwerk zu bilden.
- Das Band wird sodann mittels Förderwalzen 7 in ein Speichersystem 8 befördert und dann zur Vorbereitung der Oberfläche des Stahlbands durch ein Granaliengebläse 9 geführt.
- Das anfängliche Walzformen des Bands wird in der Formgebungsmaschine 10 durchgeführt, wo das anfängliche Kaltbearbeiten stattfindet, wobei das Stahlprofil bei annähernder atmosphärischer Temperatur zu seiner Anfangsstruktur verformt wird und, wenn es erwünscht ist, ein Hohlprofil zu formen, Längsrandschweißung des Bands stattfindet.
- Das Stahlprofil 11 läuft dann in einen Kühlabschnitt 12, wo das Metall nach dem Schweißen gekühlt wird.
- Wenn eine Beschichtung in der Produktionsstraße erwünscht ist, z. B. eine Galvanisierung des Profils, durchläuft das Profil eine Säurebeizstufe 13 und eine Spülstufe 14, wobei nach jeder Stufe die Oberfläche mittels Luftmessern abgewischt wird, um überschüssige Flüssigkeit zu entfernen.
- Das Profil läuft dann in die Heizvorrichtung 16, die von jeder geeigneten Art sein kann, jedoch vorzugsweise eine Induktionsheizung ist. Das Erhitzen kann in Edelgasatmosphäre durchgeführt werden, um den Oberflächenzustand des Stahlprofils beizubehalten. Die Induktionsheizphase erhöht die Temperatur des Profils für zwei bis dreißig Sekunden auf 200ºC bis 450ºC. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erhöht die Induktionsheizung die Temperatur für eine Dauer von zwei bis sechs Sekunden auf 350ºC bis 400ºC.
- Das erwärmte Profil läuft sodann schnell in eine in der Produktionsstraße befindliche Galvanisierungsstufe 17, wo die Temperatur des Profils als Teil des Galvanisierungsvorgangs eine bis fünfzehn Sekunden lang zwischen 440ºC und 460ºC gehalten wird. In der bevorzugtesten Ausführungsform der Erfindung wird die Temperatur in der Galvanisierungsstufe zwei bis sechs Sekunden lang zwischen 445ºC und 455ºC gehalten.
- Das Profil läuft dann durch eine Abschreckstation 18, in der die Temperatur des Profils auf 25ºC bis 45ºC gesenkt wird.
- Diese Temperaturprofile sind deutlich aus Fig. 2 ersichtlich, wo die Zahlen in den Kästchen unter dem Diagramm sich auf die verschiedenen Stufen des in Fig. 1 dargestellten Walzprozesses beziehen und mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, und wo der Temperaturanstieg in der Induktionsheizung 16 mit 26 und das Temperaturhalteprofil im Galvanisierungsbad mit 27 bezeichnet ist. Das bei 18 stattfindende Abschrecken ergibt das Temperaturprofil 28.
- Zu Vergleichszwecken ist das normale Kaltwalzverfahren für schwarzen Stahl, der nicht galvanisiert wird, bei 29 ersichtlich.
- Die nachfolgende abschließende Formgebung durch Kaltbearbeitung wird mittels der Formwalzen 19 durchgeführt, bevor das Profil eine Spülstation 20 und eine Beschichtungsstation 21 durchläuft, wo das Profil mittels Luftmessern 22 getrocknet und eine abschließende Beschichtung, z. B. aus klarem Polymer, aufgetragen werden kann.
- Schließlich durchläuft das Profil eine Trocknungsstation 23 und erreicht eine Hängesäge 24, wo es in der gewünschten Länge geschnitten und zu einer Entladestation 25 weiterbefördert wird.
- Durch das Erhöhen der Temperatur des Profils zwischen der anfänglichen Kaltbearbeitung in der Formgebungsmaschine 10 und den abschließenden Formwalzen 19 wird das Stahlprofil einer "Reckalterung" unterzogen, was die Elastizitätsgrenze und die Zugfestigkeit des Produkts im Vergleich zu kaltgeformten Stahlprofilen, die zwischen dem anfänglichen und dem abschließenden Kaltwalzverfahren nicht erwärmt werden, beträchtlich erhöht. Für stranggegossenen Al-Si beruhigten 1015-Stahl beträgt diese Erhöhung der Festigkeit typischerweise 55 MPa für die Elastizitätsgrenze und 50 MPa für die Zugfestigkeit. Für stranggegossenen Al-Si beruhigten 1006-Stahl beträgt diese Erhöhung der Festigkeit typischerweise 30 MPa für die Elastizitätsgrenze und 30 MPa für die Zugfestigkeit. Der Grad der Erhöhung der Festigkeit hängt ab vom Umfang der Kaltbearbeitung in den anfänglichen und abschließenden Formgebungsverfahren, von der Temperatur und Dauer des Erhitzens in den Stufen 16 und 17, und von der chemischen Zusammensetzung des Stahls, insbesondere dem Gehalt an Kohlenstoff.
- Der Grad der Erhöhung der Festigkeit kann daher auf jedes gewünschte Endprodukt zugeschnitten werden, entweder durch Steuerung der Parameter des Erhitzungs- und Reckalterungsvorgangs wie oben dargelegt, oder im besonderen durch Steuerung des Umfangs des in der anfänglichen Bearbeitung stattfindenden Kaltbearbeitens, d. h. typischerweise in den Formgebungswalzen 10. Eine gewisse Eigenspannung entsteht durch das Vorformen des Stahlbands zu der erwünschten Form vor der Galvanisierung; wenn diese jedoch nicht genügt, um die gewünschte Erhöhung der Elastizitätsgrenze oder Festigkeit zu erreichen, kann zu diesem Zeitpunkt eine "künstliche" Spannung hinzugefügt werden. Dies kann entweder durch Längsbearbeitung des Metallbands erfolgen, z. B. zu einem gebogenen Profil und dann wieder zu einem geraden Profil, oder durch seitliche Bearbeitung, indem der Flachbandstahl zu einem "S"-Profil oder ähnlichem wird, d. h. durch einen sinusförmigen Weg oder zwischen Walzenpaaren. Da der Reckalterungsprozess auf der durch das anfängliche Kaltbearbeiten erzeugten Spannung aufbaut, ist es möglich, die Zugfestigkeitscharakteristiken des fertigen Produkts durch eine derartige Steuerung des Umfangs der Anfangsspannung einzustellen.
- Es wurde festgestellt, dass die chemische Zusammensetzung des Stahls und insbesondere der Gehalt an Kohlenstoff ebenso eine bedeutende Wirkung auf das Maß der von der Anfangsspannung und der nachfolgenden Reckalterung herrührenden Erhöhung der Elastizitätsgrenze haben. Die Wirkung kann bei einem Kohlenstoffanteil von 0,01% bis 0,25% Kohlenstoff im Stahl und einem Stickstoffanteil von 0,0015% bis 0,0045% festgestellt werden. Besonders vorteilhafte Ergebnisse wurden mit Kohlenstoffgehalten von 0,04% bis 0,17% erzielt. Es wurde festgestellt, dass die Wirkung bei warmgewalzten Bändern und zu allgemeinen Standardzwecken kaltgewalzten Bandmaterialien, deren Kohlenstoff und Stickstoffgehalt sich in diesen Bereichen bewegt, gleichermaßen besteht.
- Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einer sich in der Produktionsstraße befindlichen Galvanisierungsstation 17 beschrieben worden ist, ist der Effekt der Erhöhung der Elastizitätsgrenze unabhängig davon, ob das Profil galvanisiert wird oder nicht, da die Erhitzung in den Stufen 16 und 17 zur Reckalterung des Stahlprofils beiträgt. Es ist selbstverständlich möglich, die Galvanisierungsstation 17 wegzulassen und das Profil aus schwarzem Stahl einfach in der Heizstufe 16 zu erhitzen und während des definierten Zeitraums auf der definierten Temperatur zu halten, um die Eigenschaften der erhöhten Festigkeit des Stahlprofils zu erhalten.
Claims (6)
1. Verfahren zur Erhöhung der Elastizitätsgrenze kaltgeformter Stahlprofile als Teil
eines in der Produktionsstraße stattfindenden Fertigungsprozesses, bei dem 0,01
bis 0,25% Kohlenstoff und 0,001 bis 0,006% Stickstoff enthaltender
Flachbandstahl unter Beibehaltung der glatten Form des Bands zu erwünschtem Formstahl
kaltverformt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Durchführen
eines Stahlprofils, das zumindest teilweise kaltverformt und dadurch einem
vorgegebenen Maß an Beanspruchung unterworfen worden ist, durch eine
Heizstufe, in der die Temperatur des Stahlprofils auf einen Bereich von 200ºC bis
500ºC erhöht wird, und Halten der Temperatur des Stahlprofils in diesem
Temperaturbereich für einen Zeitraum von zwei bis dreißig Sekunden, wobei die
Temperatur- und Zeitkombination innerhalb des genannten Bereichs bzw.
Zeitraums so ausgewählt wird, dass ein vorbestimmter Grad an Reckalterung erreicht
wird, Abkühlen des Stahlprofils nach dem Erhitzen und der Reckalterung und
abschließendes Kaltverformen des Stahlprofils.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des
Stahlprofils für einen Zeitraum von zwei bis dreißig Sekunden auf einen Bereich
von 200ºC bis 450ºC erhöht wird, und dass die Temperatur des Stahlprofils dann
für eine bis fünfzehn Sekunden bei mindestens 440ºC gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Temperatur des Stahlprofils für einen Zeitraum von zwei bis zehn Sekunden auf einen
Bereich von 350ºC bis 400ºC erhöht wird, und dass die Temperatur des
Stahlprofils dann für zwei bis sechs Sekunden bei 440ºC bis 460ºC gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
durch den Schritt des Abkühlens des Stahlprofils die Temperatur des Profils vor
dem darauffolgenden Kaltbearbeiten auf unter 90ºC gesenkt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Schritt des
Abkühlens des Stahlprofils die Temperatur des Profils vor dem darauffolgenden
Kaltbearbeiten auf 25ºC bis 45ºC gesenkt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schritte des Erhöhens der Temperatur und des Haltens der erhöhten
Temperatur durch Vorerhitzen und darauffolgendes Beschichten des Stahlprofils
in einem in der Produktionsstraße stattfindenden Galvanisierungsvorgang
durchgeführt werden.
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