Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Draht, wobei das
Walzgut zu Bunden gehaspelt oder gespult oder mittels eines Windungslegers in
Windungsform gebracht wird. Zudem betrifft die Erfindung eine Anlage zur
Durchführung des Verfahrens.
Zur Herstellung von Draht in Abmessungsbereichen von 5 bis 60 mm Durchmesser
wird üblicherweise das langformatiges Walzprodukt nach dem Walzen zu einem
Bund gehaspelt - sogenanntes Garret-Haspeln -, zu Bunden aufgespult oder
mit Hilfe eines Windungslegers in Windungsform überführt, die Windungen auf
Transportrollen oder -ketten abgelegt und am Ende dieser Transporteinrichtung zu
einem Bund gesammelt.
Aufgrund der im Haspel oder in der Spule stattfindenden Abkühlung des Materials
treten wegen der unterschiedlichen Abkühlbedingungen innerhalb des Bundes
Festigkeitsunterschiede über die Stablänge auf. Diese Festigkeitsunterschiede
werden nach bekannten Verfahren entweder in einer nachfolgenden Wärmebehandlung
im Bund kompensiert oder nach der Weiterverarbeitung durch ein Vergüten
des Endproduktes beseitigt.
In der DE 28 30 153 A1 ist ein Verfahren zum Wärmebehandeln von zu Ringen
gehaspeltem Draht oder Band beschrieben. Das Walzprodukt wird hierzu gehaspelt
und in Haspelform abgekühlt. Vor dem Wärmebehandeln wird der Draht oder
das Band dann auf die vorgesehene Temperatur, in der Regel (bei Stahl) die
Austenitisierungstemperatur, gebracht. Die austenitisierten Ringe werden schließlich
unter Erregung zu Resonanzschwingungen gehärtet und anschließend angelassen.
Insgesamt besteht aber bei derartigen Verfahren nach wie vor das Problem, daß
die Abkühlung ungleichmäßig erfolgt und der Draht in der Bundmitte erheblich
langsamer abkühlt als am Rand. Dadurch bilden sich an den Drahtwindungen im
Inneren des Bundes oder der Wicklung dickere Zunderschichten als an den
Randwindungen. Bei dem vor einer Weiterverarbeitung der Drahtprodukte notwendig
werdenden Beizprozeß müssen auch die inneren Windungen von den
Zunderschichten befreit werden, was mit der Gefahr verbunden ist, daß die äußeren,
zunderärmeren Drahtwindungen von der Beizsäure zu stark angegriffen und
beschädigt werden.
Aus der EP 0 849 369 A2 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Draht oder
Stabstahl bekannt, bei dem das Walzgut aus der Walzhitze kommend in einem
Korb gehaspelt oder mittels eines Windungslegers in Windungen auf ein Förderband
abgelegt und am Ende dieses Fördermittels über einen Dorn zu einem Bund
gesammelt wird, wobei zur Vermeidung von Schwankungen beim Abkühlen im
Haspel oder als Windung und damit verbundenen inhomogenen mechanischen
Eigenschaften vorgeschlagen wird, bereits vor dem Wickeln oder Windungslegen
die Kühlung aus der Walzhitze bis in den Umwandlungsbereich zu führen, der
durch die Ar3- bzw. Ar1-Linie gekennzeichnet ist. Diese Kühlung wird so geregelt,
daß die Oberfläche des Walzgutes nicht unterkühlt und somit in den Bereich der
Martensitbildung gelangt, um unerwünschte Härteflecken auf der Walzgutoberfläche
zu vermeiden. Nach dem aus der EP 0 849 369 A2 bekannten Verfahren soll
das Walzgut aus der Austenit-Phase nahezu isothermisch in die Ferrit/Perlit-Phase
umwandeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wärmebehandlung
von Draht sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens der gattungsgemäßen
Art bereitzustellen zur Weiterentwicklung bekannter Verfahren und Anlagen,
wobei der Draht bereits vor der Weiterverarbeitung zum Endprodukt vergütet
wird und insgesamt eine ungleichmäßige Gefügeausbildung über die Walzlänge
und damit ungleichmäßige mechanische Eigenschaften vermieden werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen. Vorteilhafte
Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden
Beschreibung offenbart.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß zum Vergüten des Drahtes bereits
das noch langformatige, d.h. noch nicht gewickelte, Walzgut unmittelbar aus der
Walzhitze kommend auf eine Temperatur unterhalb Martensitstarttemperatur abgekühlt
wird. Die Martensitstarttemperatur ist die Temperatur, bei der die Martensitumwandlung
einsetzt. Sie wird durch steigende Kohlenstoffgehalte und Legierungszusätze
merklich beeinflußt und ist somit von der speziellen Legierungszusammensetzung
abhängig. Erst nach dem Vergütungsschritt Abschrecken wird
das Walzgut dann gehaspelt, gespult oder in Windungen gelegt. Anschließend
erfolgt der Anlaßvorgang des Vergütens.
Ein Vergütungsprozeß setzt sich bekanntermaßen aus drei Teilschritten zusammen,
dem Austenitisieren eines Werkstoffs, d.h. das Auf- und Durchwärmen des
Werkstücks und Homogenisierung des Gefüges, dem Abschrecken zur Einstellung
eines Härtegefüges sowie dem Anlassen zur Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften.
Im vorgeschlagenen Verfahren entfällt ein Austenitisieren, da der Draht
direkt aus der Walzhitze kommend abgekühlt wird. Es ist erkannt worden, daß es
auch möglich ist, den Draht selbst im gehärteten Zustand in Windungen zu legen
und dann anzulassen.
Dies wird insbesondere durch solche Abkühlbedingungen erreicht, daß das Walzgut
auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur, aber oberhalb
Martensitfinishtemperatur gekühlt wird und daß Gefüge noch Restaustenit aufweist.
Dann schließt sich der Wickelvorgang an bei oder mit anschließendem isothermischen
Halten, vorzugsweise unter Hauben. In Abhängigkeit von der Haltezeit
wird der verbleibende Restaustenit diffusiongesteuert oder bei erneutem beschleunigten
Abkühlen in Martensit umwandeln. Durch das Halten kommt es im
anfänglich gebildeten Martensit zu Gefügeentspannungen. Wird der Draht nur bis
kurz unter die Martensitstarttemperatur gekühlt und dann gewickelt oder in Windungen
gelegt, so kann die Umwandlung des Restaustenits in Martensit im Bund
erfolgen. Das so gebildete Martensitgefüge ist nicht tetragonal verspannt, wie es
bei beschleunigter Abkühlung unter die Martensitfinishtemperatur der Fall wäre.
Durch die verzögerte Abkühlung nach dem Erreichen der Martensitstarttemperatur
kann der Restkohlenstoff diffundieren und der entstehende Martensit eigenspannungsarm
in kubischen Martensit umwandeln. Hierdurch werden Mikroanrisse im
Gefüge vermieden, was vor allem die Dauerwechselfestigkeit des Werkstoffs erheblich
verbessert, beispielsweise bei dem 50 CrV4.
Zudem ist es von Vorteil, daß bei Stählen mit voreutektoider Karbidausscheidung -
beispielsweise dem 90 MnCrV8 oder X36Mo17 - aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit
diese Karbidausscheidungen an den Korngrenzen unterdrückt werden.
Dadurch wird die Zähigkeit des Werkstoffs deutlich gesteigert. Sollte es dennoch
aufgrund eines sehr hohen Ausscheidungspotentials zu Ausscheidungen
kommen - beispielsweise bei hohem C-Gehalt -, sind diese Ausscheidungen extrem
fein und damit im wesentlichen unschädlich. Grund ist das extrem feine
Austenitausgangskorn, das gegenüber dem konventionellen Vergütungsverfahren
eine etwa 10-fach größere Kornoberfläche aufweist.
Vorzugsweise wird der Effekt ausgenutzt, daß der bei der Abkühlung in der Randschicht
des langformatigen Walzgutes gebildete Martensit durch die Restwärme
im Kern bereits selbstangelassen wird. Der verbleibende Restaustenit wandelt
später im Bund zu Martensit um. Auf die vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere
die reduzierte Gefahr einer Rißbildung, des geringer verspannten Härtegefüges
wurde bereits hingewiesen.
Vorteilhafterweise wird die Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Martensitstarttemperatur
- d.h. das Abschrecken - nach dem Fertigstich im Walzgerüst
und vor Beginn der statischen Rekristallisation des Walzgefüges durchgeführt.
Hierbei wirkt sich das extrem feine Austenitkom nach dem Fertigstich, wobei die
letzten Walzstiche vorzugsweise bei abgesenkten Endwalztemperaturen stattfinden,
bereits vorteilhaft auf die Zähigkeitseigenschaften aus.
Zudem wird vorgeschlagen, daß der beim Walzprozeß entstandene und beim Abkühlen
ebenfalls abgeschreckte Sekundärzunder durch erfolgtes Anbrechen beim
Wickeln oder Windungslegen bereits mechanisch vor einem sich ggfs. anschließenden
Beizvorgang entfernt wird. Das Problem der Zunderbildung im Bund entfällt,
da bei dem Abschreckvorgang das Material auf Temperaturen < 400°C gekühlt
wird. Bei diesen Temperaturen bildet sich kein Zunder. Damit entfällt der
oben beschriebene Nachteil, daß es beim Beizen zum sicheren Entzundern der
inneren Windungen zum Überbeizen der Außenwindungen kommen kann.
Da nach dem vorgeschlagenen Verfahren aus der Walzhitze kommend direkt abgeschreckt
wird, werden Randentkohlungen des Drahtmaterials vermieden, die bei
einem Wiedererwärmen auf Austenitisiertemperatur und damit notwendigen hohen
Ofentemperaturen auftreten und sich negativ auf das Endprodukt auswirken.
Zudem wird einer mit einem Austenitisieren verbundenen Grobkornbildung entgegengewirkt.
Da die Abkühlung bzw. der Abschreckvorgang das Drahtes unmittelbar
aus der Walzhitze erfolgt, vorzugsweise vor der statischen Rekristallisation, ist
das Austenitkom erheblich kleiner als bei einem Abschrecken nach einem Abkühlen
aus der Walzhitze mit Wiedererwärmen auf Austenitisiertemperatur. Die Unterschiede
liegen ungefähr zwischen 9-10 ASTM zu 6-7 ASTM jeweiliger Korngröße.
Durch das Gefüge mit feinerer Korngröße werden neben den Festigkeitseigenschaften
des Werkstoffs auch die Zähigkeitseigenschaften erheblich verbessert.
Schließlich weist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren auch umweltschonende
Aspekte auf. Stähle für Kaltmassivumformung - mit Bor legiert - werden
üblicherweise im Salzbad isotherm umgewandelt, um ein kaltumformbares
Gefüge zu erzeugen. Neben dabei auftretenden Festigkeitsschwankungen über
die Drahtlänge ist das Salzbad sehr umweltschädlich. Bei Anwendung des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Verfahrens kann auf die Salzbad-Behandlung verzichtet
werden, weil die Stahlsorten aus der Walzhitze kommend unter die Martensitstarttemperatur
gekühlt werden und anschließend im Bund umwandeln.
Zudem wird eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen mit einem
Walzgerüst sowie nachgeordneter Einrichtung zum Haspeln des Walzgutes
oder Einrichtung zum Windungslegen neben Fördereinrichtung der Windungen
und Sammelstation zu einem Bund mittels eines Dorns, sowie einer Kühlstrecke,
die dem Walzgerüst unmittelbar online nachgeordnet ist, zum definierten Abkühlen
des langformatigen Walzgutes unterhalb die Martensitstarttemperatur, und einem
Anlaßofen, der der Haspeleinrichtung oder Windungslegereinrichtung nachgeordnet
ist. Dieser Anlaßofen kann aufgrund des feinkörnigen Gefüges und der noch
im Bund vorhandenen Restwärme erheblich kürzer ausfallen als der bei den herkömmlichen
Vergütungsverfahren erforderliche.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt Anwendung zur Wärmebehandlung
des 50 Cr V4 sowie vergütbarer Stähle mit voreutektoider Karbidausscheidung,
wie 90 MnCr V8 oder X 36 CrMo 17, oder borhaltiger Stähle mit anschließender
Kaltumformung für Federn, Schrauben, Formteilen etc. Gerade die
borhaltigen Stähle für die Kaltmassivumformung können nun aus der Walzhitze
vergütet werden. Sie weisen nach dem Kaltumformen ohne ein zusätzliches Vergüten
die gewünschte Festigkeit auf.