EP1795619B1 - Manganhaltiger Stahldraht für Zugkraftübertragungsdraht sowie dessen Herstellungsverfahren und Verwendung - Google Patents

Manganhaltiger Stahldraht für Zugkraftübertragungsdraht sowie dessen Herstellungsverfahren und Verwendung Download PDF

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EP1795619B1
EP1795619B1 EP06450177.8A EP06450177A EP1795619B1 EP 1795619 B1 EP1795619 B1 EP 1795619B1 EP 06450177 A EP06450177 A EP 06450177A EP 1795619 B1 EP1795619 B1 EP 1795619B1
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Definitions

  • the invention relates to a Switzerlandkraftübertragungs- wire or combinations of wires, such as bundles, strands and ropes, and the use of an austenitic manganese steel for a wire or a combination of wires, in particular bundles, strands and ropes, for the transmission of tensile forces and a Method for producing a steel wire.
  • wires that are used in particular for the production of ropes i. be subjected to tensile stress, made of carbon steel.
  • a high strength of the wires is achieved by work hardening in the manufacturing process (pulling).
  • the wires need a pearlitic structure, whereby their carbon content is set at about 0.8%.
  • the carbon content therefore determines the initial strength of this steel;
  • An increase in strength is therefore achieved primarily by the degree of deformation in the work hardening.
  • the forming process reduces the wire diameter gradually to the final diameter.
  • the ratio between the initial diameter and the final diameter is referred to herein as the degree of deformation.
  • austenitic steel for the production of wires is so far only for the production of spring wires Known which pressure forces are exposed, which lead to multi-dimensional stress states.
  • austenitic steel for producing such a spring wire which has a diameter ⁇ 0.3 mm, for example, in the US 6,123,784 as well as the US 5,651,937 described.
  • a coupling rod in which a rod sheath made of an austenitic Mn high carbon steel. On the coupling rod engage hinge arches of belt connectors for connecting belt ends of conveyor belts.
  • the coupling rod thus claimed transversely to its longitudinal direction.
  • the AT 337 235 B generally discloses a special austenitic stainless steel for producing highly stressed mounts in engine and generator construction and pump housings and submarine cables for information transmission.
  • the aim of the present invention is in contrast a linear tensile force transmission element, in particular wires for ropes and To provide cable components, in which higher strengths of wires with a larger diameter or the same strength of the wires can be achieved with a lower degree of deformation. Also, the specific use of a wire or combination of wires and the method of making a steel wire are the subject of the present invention.
  • austenitic manganese steels have a face centered cubic lattice structure
  • the formation of an austenitic structure is ensured at a manganese content> 10 weight percent, as manganese considerably expanded the so-called ⁇ -range. Due to the higher initial strength of the material and / or a higher degree of deformation thus higher strengths of wires with a larger diameter can be achieved. Due to the stronger cold work hardening of the austenitic steel, the cubic-face-centered atomic lattice structure also allows higher strengths to be achieved with wires of pearlitic structure, even with the same degree of deformation. Furthermore, at least the same strength can be achieved even with a lower degree of deformation, which in particular a better Resumformtar the wire is obtained.
  • Tests have shown that it is expedient for improving the strain hardening properties that the steel in weight percent has a manganese content ⁇ 24, in particular ⁇ 22. In particular, it is favorable for increasing the degree of deformation, if the steel in weight percent has a manganese content between 12 and 18.
  • the process of a tensile transfer wire according to the invention is characterized in that the wire is cold-worked after quenching from a temperature> 1000 ° C and cold working, in particular rolling or drawing. Depending on the intended final diameter, depending on the formability of the wire between the forming steps, it is again annealed to a temperature> 1000 ° C. and then quenched.
  • an austenitic steel containing this alloy composition is particularly well suited for the production of tension transmission wires or rope components such as bundles and strands.
  • tension transmission wires or rope components such as bundles and strands.
  • a higher strength of about 3000 N / mm 2 to 3200 N / mm 2 can be achieved.
  • thicker wires with a diameter of 3 mm with strengths of between about 2200 N / mm 2 to 3000 N / mm 2 can be produced, whose remoulding capacity is considerably better than conventional wires made of carbon steel.
  • Comparatively thin wires, eg with a diameter of less than 1 mm, consisting of an austenitic steel can be drawn with a strength greater than 3200 N / mm 2 .

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Zugkraftübertragungs- Draht bzw. Kombinationen von Drähten, wie Bündel, Litzen und Seile, sowie die Verwendung eines austenitischen Manganstahls für einen Draht bzw. einer Kombination von Drähten, insbesondere Bündel, Litzen und Seile, für die Übertragung von Zugkräften und ein Verfahren zur Herstellung eines aus Stahl bestehenden Drahtes.
  • Bisher werden Drähte, die insbesondere zur Herstellung von Seilen eingesetzt werden, d.h. einer Zugbeanspruchung ausgesetzt werden, aus unlegiertem Stahl hergestellt. Dabei wird eine hohe Festigkeit der Drähte durch eine Kaltverfestigung im Herstellungsprozess (Ziehen) erreicht. Hiefür benötigen die Drähte ein perlitisches Gefüge, wodurch ihr Kohlenstoffgehalt mit ca. 0,8 % festgelegt ist. Durch den Kohlenstoffgehalt ist demzufolge die Ausgangsfestigkeit dieses Stahls bestimmt; eine Festigkeitssteigerung wird demzufolge primär durch den Umformgrad in der Kaltverfestigung erzielt. Beginnend vom Ausgangsdurchmesser des Walzdrahtes wird durch die Umformung beim Ziehen der Drahtdurchmesser schrittweise bis zum Enddurchmesser reduziert. Das Verhältnis zwischen dem Ausgangsdurchmesser und Enddurchmesser wird hierbei als Umformgrad bezeichnet. Sofern daher der Enddurchmesser erhöht werden soll, wird der Grad der Umformung reduziert. Demzufolge sind relativ dicke Drähte nur mit vergleichsweise geringeren Festigkeiten herstellbar. Die Festigkeitswerte bzw. Bruchkräfte von dickeren Drähten und in der Folge von Seilen mit größerem Durchmesser sind demzufolge im Vergleich zu dünneren Drähten bzw. Seilen geringer.
  • Aus diesen Gründen ist es derzeit kaum möglich, Seildrähte mit einem Durchmesser von ca. 3 mm mit einer Festigkeit von über 2200 N/mm2 herzustellen, wohingegen die Festigkeit mit Seildrähten mit einem Durchmesser < 1 mm auch > 2500 N/mm2 sein kann. Hieraus resultiert, dass die Anwendungsmöglichkeiten limitiert sind und höhere Bruchkräfte demzufolge nur mit größeren Querschnitten bzw. Durchmessern erzielt werden können, was nachteiligerweise jedoch auch zu einer höheren Eigenmasse der Drähte bzw. der Seile führt.
  • Der Einsatz von austenitischem Stahl für die Herstellung von Drähten ist bisher lediglich zur Herstellung von Federdrähten bekannt, welche Druckkräften ausgesetzt werden, die zu mehrdimensionalen Spannungszuständen führen. Der Einsatz von einem austenitischen Stahl zur Herstellung eines derartigen Federdrahtes, der einen Durchmesser < 0,3 mm aufweist ist beispielsweise in der US 6,123,784 sowie auch der US 5,651,937 beschrieben.
  • Aus der EP 432 434 A1 ist ein andersartiges Verfahren bekannt, nämlich ein Druckelektroschlackeumschmelzverfahren, mit welchem Verbindungselemente, insbesondere Bolzen, Schrauben und Nägel, aber auch Drahtseile, aus einem vollaustenitischen Cr-Mn-Stahl mit einem hohen Stickstoff-Gehalt und einem besonders niedrigen Kohlenstoffgehalt hergestellt werden können.
  • Aus der DE 197 02 005 A1 ist ein Kupplungsstab bekannt, bei welchem ein Stabmantel aus einem austenitischen Mn-Hartstahl besteht. An dem Kupplungsstab greifen Scharnierbögen von Riemenverbindern zum Verbinden von Bandenden von Transportbändern an.-Der Kupplungsstab somit quer zu seiner Längsrichtung beansprucht.
  • Die AT 337 235 B offenbart allgemein einen speziellen austenitischen rostfreien Stahl zur Herstellung von hochbeanspruchte Halterungen im Motoren- und Generatorbau sowie Pumpgehäuse und für Unterseekabel zwecks Informationsübertragung.
  • Weiters sind aus der US 4,161,415 , der US 4,042,421 sowie der US 4,204,885 Verfahren zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von Drähten aus einer austenitischen Stahllegierung bekannt. Die mit diesen Verfahren hergestellten Drähte aus einer austenitischen Stahllegierung werden jedoch lediglich zur Herstellung von Spiralfedern verwendet.
  • Andererseits ist es auch bekannt Chrom-Nickel-Stähle, die eine austenitische Struktur aufweisen, für Zugkraftübertragungen einzusetzen, wobei diese jedoch eine äußerst geringe Härte aufweisen und vorwiegend für Seile mit untergeordneten Anforderungen an die Bruchkraft, elastische Metallgewebe und Netze eingesetzt werden.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber ein lineares Zugkraftübertragungselement, insbesondere Drähte für Seile und Seilkomponenten zu schaffen, bei welchem höhere Festigkeiten von Drähten mit größerem Durchmesser bzw. gleiche Festigkeit der Drähte bei geringerem Umformgrad erzielt werden können. Ebenso ist die spezielle Verwendung eines Drahtes bzw. einer Kombination von Drähten und das Verfahren zur Herstellung eines aus Stahl bestehenden Drahtes Ziel der vorliegenden Erfindung.
  • Der Zugkraftübertragungs-Draht der eingangs angeführten Art, bei welchem höhere Festigkeiten bei Drähten mit größerem Durchmesser bzw. zumindest gleiche Festigkeit der Drähte bei geringerem Umformgrad erzielt werden können, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Draht aus einem austenitischen Manganstahl besteht, der folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:
    • C: 0,8 - 1,6
    • Mn: 10 - 22
    • Si: 0,2 - 1,5
    • Cr: ≤ 18
    • Ni: ≤ 10
    und einem Rest bestehend aus Fe sowie unvermeidbaren Unreinheiten.
  • Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Kohlenstoff-Stählen zur Herstellung von Seildrähten, die eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aufweisen, haben austenitische Manganstähle eine kubisch-flächenzentrierte Atomgitterstruktur, wobei die Ausbildung einer austenitischen Struktur bei einem Mangan-Gehalt > 10 Gewichtsprozenten gewährleistet ist, da Mangan den so genannten γ-Bereich erheblich ausweitet. Durch die höhere Ausgangsfestigkeit des Materials und/oder einen höheren Umformgrad können somit höhere Festigkeiten von Drähten mit größerem Durchmesser erzielt werden. Durch die kubisch-flächenzentrierte Atomgitterstruktur können zudem aufgrund der stärkeren Kaltverfestigung des austenitischen Stahls auch bei gleichem Umformgrad höhere Festigkeiten gegenüber Drähten mit perlitischem Gefüge erzielt werden. Weiters können auch bei geringerem Umformgrad zumindest gleiche Festigkeiten erzielt werden, wodurch insbesondere ein besseres Restumformvermögen des Drahtes erlangt wird.
  • Tests haben gezeigt, dass es für die Verbesserung der Kaltverfestigungseigenschaften zweckmäßig ist, dass der Stahl in Gewichtsprozent einen Mangan-Gehalt < 24, insbesondere < 22, aufweist. Insbesondere ist es für die Erhöhung des Umformgrads günstig, wenn der Stahl in Gewichtsprozent einen Mangan-Gehalt zwischen 12 und 18 aufweist.
  • Hinsichtlich eines hohen Umformgrades ist es günstig, wenn zumindest 15 Volumsprozent des Stahls eine kubisch flächenzentrierte Gitterstruktur aufweisen.
  • Für gewisse Anwendungsbereiche ist es vorteilhaft, wenn der Chrom-Gehalt unter 10,5 Gewichtsprozente beträgt, d.h. wenn der Stahl nicht rostfrei ist. Wie der vorstehend genannte Chrom-Gehalt von ≤ 18 Gewichtsprozenten jedoch zeigt, umfasst der Erfindungsgegenstand ebenso rostfreie Stahllegierungen. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Stahl folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:
    • C: 1,2
    • Mn: 13
    • Si: 0,4
    • Cr: ≤ 2
    und einem Rest bestehend aus Fe sowie unvermeidbaren Unreinheiten.
  • Da die Vorteile des austenitischen Stahls insbesondere bei Drähten mit größerem Durchmesser zu tragen kommen, wobei üblicherweise Federdrähte mit einem Durchmesser < 0,3 mm hergestellt werden, ist es für die Herstellung von Drähten für eine Zugbeanspruchung günstig, wenn Drähte einen Durchmesser zwischen 0,3 mm und 6,5 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 5 mm, aufweisen.
  • Wenn die Festigkeit zwischen 3000 N/mm2 und 3200 N/mm2 beträgt, können im Vergleich zu bekannten aus Kohlenstoff-Stahl bestehenden Drähten bzw. Seilen vergleichsweise höhere Zugkräfte übertragen werden.
  • Das erfindungsgemäße Ziel der zur Verfügungstellung eines Elements zur Übertragung von Zugkräften, welches eine gegenüber bekannten Zugkraftübertragungselementen hohe Festigkeit aufweist, wird auch durch die Verwendung eines aus einem Manganstahl bestehenden Drahtes bzw. einer Kombination von Drähten, insbesondere Bündel, Litzen und Seile,der folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:
    • C: 0,8 - 1,6
    • Mn: 10 - 22
    • Si: 0,2 - 1,5
    • Cr: ≤ 18
    • Ni: ≤ 10
    und einem Rest bestehend aus Fe sowie unvermeidbaren Unreinheiten für die Übertragung von Zugkräften erreicht. Hierbei ist es günstig, wenn der Stahl eines oder mehrere der Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 2 bis 7 aufweist. Insbesondere ist es bei der Verwendung eines laufenden Seils von Vorteil, wenn dessen Drähte einen Durchmesser zwischen 0,3 mm und 5,0 mm aufweisen. Bei der Verwendung als stillstehendes Seil ist es hingegen insbesondere von Vorteil, wenn die Drähte des stillstehendes Seils einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 6,5 mm aufweisen.
  • Das Verfahren eines dem erfindungsgemäßen Zugrkaftübertragungs-Drahtesist dadurch gekennzeichnet, dass der Draht nach dem Abschrecken von einer Temperatur > 1000°C und einer Kaltverfestigung, insbesondere Walzen bzw. Ziehen, kaltumgeformt wird. In Abhängigkeit zum beabsichtigten Enddurchmesser wird je nach Umformvermögen des Drahtes zwischen den Umformschritten noch einmal auf eine Temperatur > 1000°C zwischengeglüht und anschließend abgeschreckt.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf welches diese jedoch keinesfalls beschränkt sein soll, ist gegeben, wenn der austenitische Stahl des linearen Zugkraftübertragungselements folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:
    • C: 1,2
    • Mn: 13
    • Si: 0,4
    • Cr: ≤ 2
    und einem Rest bestehend aus Fe sowie unvermeidbaren Unreinheiten.
  • Tests haben gezeigt, dass ein austenitischer Stahl mit dieser Legierungszusammensetzung besonders gut geeignet für die Herstellung von Drähten zur Zugkraftübertragung bzw. aus diesen zusammengesetzten Seilen bzw. Seilkomponenten wie Bündel und Litzen geeignet ist. Hierdurch kann gegenüber bekannten Seildrähten, welche aus Kohlenstoff-Stahl bestehen, im Durchmesserbereich bis 3 mm eine höhere Festigkeit von ca. 3000 N/mm2 bis 3200 N/mm2 erzielt werden. Weiters können insbesondere dickere Drähte mit einem Durchmesser von 3 mm mit Festigkeiten zwischen ca. 2200 N/mm2 bis 3000 N/mm2 hergestellt werden, deren Restumformvermögen gegenüber herkömmlichen Drähten aus Kohlenstoffstahl erheblich besser ist. Vergleichsweise dünne Drähte, z.B. mit einem Durchmesser unter 1 mm, bestehend aus einem austenitischen Stahl können mit einer Festigkeit größer 3200 N/mm2 gezogen werden.

Claims (12)

  1. Zugkraftübertragungs-Draht, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht aus einem austenitischen Manganstahl besteht, der folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:
    C: 0,8 - 1,6
    Mn: 10 - 22
    Si: 0,2 - 1,5
    Cr: ≤ 18
    Ni: ≤ 10
    und einem Rest bestehend aus Fe sowie unvermeidbaren Unreinheiten.
  2. Zugkraftübertragungs-Draht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl in Gewichtsprozent einen Mangan-Gehalt zwischen 12 und 18 aufweist.
  3. Zugkraftübertragungs-Draht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 15 Volumsprozent des Stahls eine kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur aufweisen.
  4. Zugkraftübertragungs-Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl nicht rostfrei ist.
  5. Zugkraftübertragungs-Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:
    C: 1,2
    Mn: 13
    Si: 0,4
    Cr: ≤ 2
    und einem Rest bestehend aus Fe sowie unvermeidbaren Unreinheiten.
  6. Zugkraftübertragungs-Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Durchmesser zwischen 0,3 mm und 6,5 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 5 mm.
  7. Zugkraftübertragungs-Draht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Festigkeit zwischen 2200 N/mm2 und 3200 N/mm2, insbesondere zwischen 3000 N/mm2 und 3200 N/mm2.
  8. Verwendung eines aus einem austenitischen Manganstahl bestehenden Drahtes, der folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:
    C: 0,8 - 1,6
    Mn: 10 - 22
    Si: 0,2 - 1,5
    Cr: ≤ 18
    Ni: ≤ 10
    und einem Rest bestehend aus Fe sowie unvermeidbaren Unreinheiten für die Übertragung von Zugkräften.
  9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht eines oder mehrere der Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 2 bis 7 aufweist.
  10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch ein laufendes Seil, dessen Drähte einen Durchmesser zwischen 0,3 mm und 5,0 mm aufweisen.
  11. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch ein stillstehendes Seil, dessen Drähte einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 6,5 mm aufweisen.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Zukraftübertragungs-Drahtes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht nach dem Abschrecken von einer Temperatur > 1000°C, und einer Kaltverfestigung, insbesondere Walzen bzw. Ziehen, zumindest einmal auf eine Temperatur > 1000°C, zwischengeglüht und anschließend noch einmal abgeschreckt und kaltumgeformt wird.
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