EP3640430A1 - Gewindestab zur einbettung in zementhaltigen bindemitteln, daraus gebildete verankerungseinheit sowie verfahren zur herstellung des gewindestabs - Google Patents

Gewindestab zur einbettung in zementhaltigen bindemitteln, daraus gebildete verankerungseinheit sowie verfahren zur herstellung des gewindestabs Download PDF

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EP3640430A1
EP3640430A1 EP18200634.6A EP18200634A EP3640430A1 EP 3640430 A1 EP3640430 A1 EP 3640430A1 EP 18200634 A EP18200634 A EP 18200634A EP 3640430 A1 EP3640430 A1 EP 3640430A1
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EP
European Patent Office
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threaded rod
steel
cooling
rod according
external thread
Prior art date
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EP18200634.6A
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EP3640430B1 (de
EP3640430B8 (de
Inventor
Heiko Haupt-Peter
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Steeltec Ag
Original Assignee
Swiss Steel AG
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Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D20/00—Setting anchoring-bolts
    • E21D20/02—Setting anchoring-bolts with provisions for grouting

Definitions

  • the invention relates to a threaded rod that can be used for embedding in cement-containing binders according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an anchoring unit formed from a threaded rod according to the invention and a method for producing the threaded rod.
  • screwable steel elements made from conventional, non-corrosion-resistant carbon steels are used as so-called securing elements in the ground.
  • These securing elements comprise a threaded rod and can in particular be designed as ground nails, anchors or micropiles. They serve to anchor building pit walls or supporting structures ( Fig. 1 ), anchor rockfall nets or transfer the forces of entire houses into the ground.
  • the security elements are used temporarily ( ⁇ 5 years) or permanently (> 5 years). If it is intended to be used for more than five years, this is referred to as a permanent securing element.
  • the securing elements In permanent applications, the securing elements should remain in the ground for up to 100 years in accordance with the lifespan of the structures. In order to protect the steel against corrosion for this period, the securing element can be provided with a so-called double corrosion protection ( Fig. 1 ). Corrosion protection is provided by centering the threaded rod in a plastic pipe and filling the space between the threaded rod and the pipe with cement mortar. The steel of the threaded rod is permanently passivated due to the alkaline environment of the concrete. In this case one speaks of a pre-injected system.
  • austenitic-ferritic steels also called duplex steels
  • Ugigrip 4062, 4362 and 4462 from Ugitech, Inoxripp4486® from Scheibinox or also partially hot-ribbed (Ugigrip 4462 from Ugitech).
  • the object of the invention is to provide an improved threaded rod for reinforced concrete construction, with which in particular the above disadvantages are avoided. Further objects of the invention are the provision of an improved anchoring unit and a method for producing the anchoring element.
  • the threaded rod according to the invention is intended and suitable for embedding in cement-containing binders.
  • the percentages relate to parts by weight and the symbol "x" represents the multiplication.
  • the said ferrite factor is also known as the Kaltenhauser ferrite factor (KFF) and is used to estimate the structural components of (partially) ferritic stainless steels ( C. Siyasiya, GT van Rooyen and WE Stumpf, Metallurgical factors that affect the strand width during continuous casting of DIN 1.4003 stainless steel, The Journal of the South African Insitute of Mining and Metallurgy 105 (2005), 473-481 ).
  • KFF Kaltenhauser ferrite factor
  • the threaded rod according to the invention is provided with a profile in the form of a continuous external thread, the latter can be used on the one hand for screwing on counterparts provided for the intended purpose and at the same time serves as an adhesive-effect ribbing in the entire length range.
  • the profile is hot-rolled, there is no material removal during manufacture and, accordingly, there is no undesirable reduction in the effective cross-section in the thread area.
  • the hot-rolled profile is dimensioned in the manner of a coarse thread, which, in contrast to a cut fine thread, is not only screwable, but is also robust against damage and dirt and also forms a sufficiently coarse space structure to hold the cement-containing binder.
  • the external thread has a related rib surface f R according to DIN 488 of at least 0.056.
  • the related rib surface is the rib surface projected onto a cut surface perpendicular to the bar axis, based on the nominal circumference and the average rib spacing.
  • the related rib area f R is generally defined as the ratio between the rib area and the friction area between two ribs.
  • the threaded rod according to the invention proves to be a cost-effective solution compared to the prior art, in that a comparatively inexpensive stainless alloy is processed in a comparatively simple manufacturing process. In this way, the finished product is produced directly from the rolling heat, eliminating the need for complex corrosion protection on the construction site.
  • the threaded rod according to the invention enables the implementation of a coupling system without loss of cross-section.
  • a smaller overall diameter is required than with a finely cut fine thread, which can help to reduce weight by up to 40%.
  • smaller borehole diameters are possible, and anchors and nails made from threaded rods according to the invention can also be installed more quickly than before.
  • a further aspect of the invention relates to an anchoring unit for reinforced concrete construction, comprising a threaded rod according to the invention and at least one counterpart made of a compatible stainless steel, the counterpart having an internal thread that can be screwed onto the external thread.
  • a desired ferrite factor and thus the structure or. the mechanical properties can be adjusted. This applies in particular to the elements chromium, silicon, titanium, molybdenum, aluminum, manganese, nickel, carbon and nitrogen contained in the Kaltenhauser formula.
  • the chromium content is also important for the corrosion-resistant property of stainless steels.
  • Carbon is a strong austenite and therefore also a martensite former.
  • the upper limit of carbon to 0.08% by weight ensures that the strength is not too high and the ductility is not too low.
  • Higher carbon contents also promote the formation of carbides, which adversely affects the corrosion resistance via chromium depletion at the grain boundaries.
  • the manganese content and thus the strength level of the steel is influenced by the manganese content, another austenite stabilizer.
  • a certain minimum manganese content is therefore required in order to be able to set a sufficiently high level of strength.
  • the manganese content is limited to 1.5% by weight.
  • Phosphorus is a steel pest and weakens the structure. For this reason, the phosphorus content was limited to 0.05% by weight.
  • Sulfur is a steel pest. Excessive sulfur contents negatively influence the corrosion resistance. For this reason the sulfur content is limited to 0.03% by weight.
  • Chromium is the most important alloying element and is responsible for the corrosion resistance of stainless steels. With a minimum component of 10.5% by weight, this alloying element leads to the formation of a passive layer, which protects the underlying metal from attack by surrounding media. The chromium content is limited to 18% by weight in order to suppress the formation of sigma phase, which in particular reduces the ductility. Chromium is a ferrite former.
  • Nickel is a strong austenite former and extends the range of states of austenite. As a result, the element has an influence on the martensite content and thus also influences the strength. A certain nickel content is required so that a sufficiently high strength can be achieved. To be sufficiently ductile To ensure structures with a not too high martensite content, the nickel content is limited to 1.5% by weight.
  • Molybdenum is a ferrite former and an element that increases the corrosion resistance of stainless steels. Since molybdenum is an expensive alloying element, the content is limited to 0.4% by weight.
  • Aluminum is also a ferrite former. Aluminum can be added as a deoxidizer at low silicon contents.
  • Niobium stabilizes the ferrite and binds the strong austenite formers carbon and nitrogen, which prevents intergranular corrosion. Therefore, niobium up to a max. 0.2 wt .-% are added.
  • titanium is a ferrite former.
  • titanium can bind both carbon and nitrogen, making the steel less sensitive to intergranular corrosion.
  • the maximum titanium content is limited to 0.2% by weight.
  • Nitrogen increases the stability of austenite and thus affects the amount of martensite.
  • the nitrogen content is limited to 0.04% by weight in order to ensure sufficient ductility of the steel.
  • a hot rolling process with subsequent air cooling is advantageously used in particular for the production of comparatively thin threaded rods (claim 9).
  • a cooling rate of 1 K / s is typically achieved.
  • threaded rods with an outer diameter of up to 20 mm can be produced, the ferrite factor increasing to a maximum of 11.1 limit (claim 2).
  • the ferrite factor can be increased up to 11.3 (claim 3).
  • a hot rolling process is advantageously used, in which the cooling is effected in a first step by water cooling to a surface temperature of 350 to 500 ° C. with subsequent air cooling at a cooling rate of approximately 1 K / s (claim 10) .
  • the initial water cooling gives the threaded rod a comparatively hard surface layer around a comparatively ductile core (claim 4).
  • threaded rods with an outer diameter of 20 to 100 mm can be produced in this way (claim 5).
  • a threaded rod according to the invention is in the Fig. 2 shown schematically. This has, in particular, a hot-rolled profile in the form of a continuous external thread.
  • the main dimensions of the threaded rod are its outer diameter D, the thread depth H and the thread distance L.
  • the external thread is designed such that it has a related rib surface f R of at least 0.056.
  • the yield strength (R p0.2 ) and the elongation at maximum load (Agt) are also shown in the table.
  • the external thread is for the intended use as a threaded rod formed such that it has a related rib area f R of at least 0.056.
  • the yield strength (R p0.2 ) and the elongation at maximum load (Agt) are also shown in the table.

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Abstract

Ein Gewindestab zur Einbettung in zementhaltigen Bindemitteln ist aus einem ferritisch-martensitischen nichtrostenden Stahl mit einem Gewichtsanteil von• bis zu 0.08 % Kohlenstoff (C),• bis zu 1.5% Silizium (Si),• 0.3 bis zu 1.5% Mangan (Mn),• bis zu 0.05% Phosphor (P),• bis zu 0.03% Schwefel (S),• 10.5 bis 18% Chrom (Cr),• bis zu 1.6% Nickel (Ni),• bis zu 0.4% Molybdän (Mo),• bis zu 0.04% Aluminium (Al),• bis zu 0.2% Niob (Nb),• bis zu 0.2% Titan (Ti),• bis zu 0.04% Stickstoff (N),der Rest Eisen sowie stahlübliche Verunreinigungen gebildet. Der Stahl weist einen nach der Formel %Cr + 6x%Si + 8x%Ti + 4x%Mo + 2x%Al - 2x%Mn - 4x%Ni - 40x%(C+N) bestimmten Kaltenhauser Ferritfaktor (KFF) von höchstens 11.8 auf. Der Gewindestab ist mit einer warm aufgewalzten Profilierung in Form eines durchgängigen Aussengewindes versehen, hat je nach Anwendungsbereich einen Aussendurchmesser von 14 bis 100 mm und weist folgende Eigenschaften auf:• Dehngrenze (R<sub>p0.2</sub>) von mindestens 670 MPa,• Dehnung bei Höchstlast (Agt) von mindestens 5%, und• bezogene Rippenfläche (f<sub>R</sub>) von mindestens 0.056.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen zur Einbettung in zementhaltigen Bindemitteln verwendbaren Gewindestab gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine aus einem erfindungsgemässen Gewindestab gebildete Verankerungseinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung des Gewindestabs.
    • Stand der Technik
  • In der Geotechnik werden schraubbare Stahlelemente, hergestellt aus konventionellen nicht korrosionsbeständigen Kohlenstoffstählen, als sogenannte Sicherungselemente im Boden eingesetzt. Diese Sicherungselemente umfassen einen Gewindestab und können insbesondere als Bodennägel, Anker oder Mikropfähle ausgestaltet sein. Sie dienen zur Rückverankerung von Baugrubenwänden oder Stützbauwerken (Fig. 1), verankern Steinschlagnetze oder übertragen die Kräfte ganzer Häuser in den Boden.
  • Je nach Anwendung werden die Sicherungselemente temporär (< 5 Jahre) oder permanent (> 5 Jahre) genutzt. Ist eine Verwendung von mehr als fünf Jahren vorgesehen, spricht man von einem permanenten Sicherungselement.
  • Bei permanenten Anwendungen sollen die Sicherungselemente entsprechend der Lebensdauer der Bauwerke für bis zu 100 Jahre im Boden verbleiben. Um den Stahl für diesen Zeitraum gegen Korrosion zu schützen, kann das Sicherungselement mit einem sogenannten doppelten Korrosionsschutz versehen werden (Fig. 1). Der Korrosionsschutz wird dadurch hergestellt, dass der Gewindestab in einem Kunststoffrohr zentriert und der Zwischenraum zwischen Gewindestab und Rohr mit Zementmörtel gefüllt wird. Durch das alkalische Milieu des Betons wird der Stahl des Gewindestabs dauerhaft passiviert. In diesem Fall spricht man von einem vorinjizierten System.
  • Das bekannte System zeigt allerdings in der praktischen Anwendung einige Nachteile auf:
    • Das Gewicht des Systems wird durch den Zementmörtel erhöht.
    • Biegung der Stäbe muss vermieden werden, da ansonsten der Zementmörtel bricht.
    • Um eine Durchbiegung der Anker zu verhindern, können die Teilstücke nicht beliebig lang gewählt werden. Aus der Praxis ist hier eine gängige Länge von 6 m bekannt. Dies führt dazu, dass bei langen Ankern Teilstücke mittels Muffen gekuppelt werden müssen.
    • Um die Kupplungen vor Korrosion zu schützen, müssen diese einzeln mit einem Schrumpfschlauch versehen werden. Dies ist aufwändig und kostet viel Zeit.
    • Der Korrosionsschutz jedes Ankers muss nach dem Einsetzen mit einer sogenannten Widerstandsmessung in gewissen Ländern überprüft werden.
  • Es gibt heute bereits einen anderen Lösungsansatz in Form eines permanenten Sicherungssystems aus einem nichtrostenden gerippten Stahl, um die oben beschriebenen Nachteile der vorinjizierten Sicherungssysteme zu umgehen. Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit verfügt der Stahl über einen inhärenten Korrosionsschutz, sodass auf ein Hüllrohr mit Zementmörtelumhüllung verzichtet werden kann. Der grosse Nachteil dieser Lösung stellt aber das endständige, durch Zerspanung aufgebrachte Feingewinde dar, um die Stäbe über Muffen kuppeln zu können. Erstens verringert sich der Stahlquerschnitt und somit die übertragbare Kraft des Systems. Ausserdem muss ein solches Feingewinde erfahrungsgemäss als nicht baustellentauglich beurteilt werden.
  • Die WO 99/31283 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von nichtrostenden ferritischen bzw. ferritisch-martensitischen Betonstählen, wobei insbesondere der Werkstoff 1.4003 nach DIN EN 10088 zur Anwendung kommt. Das Verfahren beruht darauf, dass ein Stahl mit einem Gewichtsanteil von
    • bis zu 0.03 % Kohlenstoff (C),
    • 10.5 bis 14.0% Chrom (Cr),
    • 0.01 bis 4.0% Nickel (Ni),
    • 0.01 bis 3.0% Mangan (Mn)
    • 0.01 bis 2.0% Molybdän (Mo)
    • bis zu 0.03% Stickstoff (N),
    • bis zu 0.2% Titan (Ti),
    • Silizium (Si), Phosphor (P), Schwefel (S) innerhalb der üblichen Grenzen für Verunreinigungen,
    • der Rest Eisen sowie stahlübliche Verunreinigungen,
    aus der Endwalztemperatur im Temperaturgebiet γ oder γ + α so abgekühlt wird, dass mindestens Martensit entsteht. Gemäss einer ersten Ausführungsform wird direkt aus der Walzhitze abgekühlt, während gemäss einer weiteren Ausführungsform der zunächst abgekühlte Stahl im Temperaturbereich von 650 bis 720°C angelassen wird.
  • Im Bereich der nichtrostenden Stähle, die in der Norm EN 10088 aufgeführt und beschrieben sind, gibt es weitere Werkstoffe, die heute standardmässig Anwendung finden als gerippte Betonstahlelemente im Stahlbetonbau. Bei den höherfesten nichtrostenden Betonstählen mit einer Mindestdehngrenze Rp0.2 von 650 MPa und einer Dehnung bei Höchstlast von min. 5% handelt es sich um sogenannte austenitisch-ferritische Stähle (auch Duplex-Stähle genannt), die i.d.R. kaltgerippt werden (z.B. Ugigrip 4062, 4362 und 4462 von Ugitech, Inoxripp4486® von Scheibinox), oder auch teilweise warmgerippt hergestellt werden (Ugigrip 4462 von Ugitech). Diese Stahlgüten sind aufgrund ihrer Legierungsbestandteile (insbesondere Cr ≥ 19.5 Gew.-%, Mo ≥ 0.10 Gew.-%, Ni ≥ 1.00 Gew.-%) relativ teuer. Ein weiterer Nachteil ist die Herstellung mittels Kaltwalzen, was ein zusätzlicher Herstellschritt und somit höhere Herstellkosten bedeutet. Zudem wird beim Kaltwalzen die Duktilität grundsätzlich verringert.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Gewindestab für den Stahlbetonbau bereitzustellen, mit dem insbesondere die obigen Nachteile vermieden werden. Weitere Aufgaben der Erfindung sind die Bereitstellung einer verbesserten Verankerungseinheit sowie eines Verfahrens zur Herstellung des Ankerelements.
  • Gelöst werden diese Aufgaben durch den im Anspruch 1 definierten Gewindestab, durch die im Anspruch 6 definierte Verankerungseinheit sowie durch das im Anspruch 8 definierte Herstellungsverfahren.
  • Gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gewindestab zur Einbettung in zementhaltigen Bindemitteln bereitgestellt, wobei der Gewindestab aus einem ferritisch-martensitischen nichtrostenden Stahl mit einem Gewichtsanteil von
    • bis zu 0.08 % Kohlenstoff (C),
    • bis zu 1.5% Silizium (Si),
    • 0.3 bis zu 1.5% Mangan (Mn),
    • bis zu 0.05% Phosphor (P),
    • bis zu 0.03% Schwefel (S),
    • 10.5 bis 18% Chrom (Cr),
    • bis zu 1.6% Nickel (Ni),
    • bis zu 0.4% Molybdän (Mo),
    • bis zu 0.04% Aluminium (Al),
    • bis zu 0.2% Niob (Nb),
    • bis zu 0.2% Titan (Ti),
    • bis zu 0.04% Stickstoff (N),
    der Rest Eisen sowie stahlübliche Verunreinigungen gebildet ist. Der Stahl weist einen nach der Formel %Cr + 6x%Si + 8x%Ti + 4x%Mo + 2x%Al - 2x%Mn - 4x%Ni - 40x%(C+N) bestimmten Kaltenhauser Ferritfaktor (KFF) von höchstens 11.8 auf und der Gewindestab ist mit einer warm aufgewalzten Profilierung in
  • Form eines durchgängigen Aussengewindes versehen, hat je nach Anwendungsbereich einen Aussendurchmesser von 14 bis 100 mm und weist folgende Eigenschaften auf:
    • Dehngrenze (Rp0.2) von mindestens 670 MPa,
    • Dehnung bei Höchstlast (Agt) von mindestens 5%, und
    • bezogene Rippenfläche (fR) von mindestens 0.056.
  • Der erfindungsgemässe Gewindestab ist zur Einbettung in zementhaltigen Bindemitteln vorgesehen und geeignet. Für die Dimensionierung und Beschaffenheit von Baustahlelementen gibt es einzuhaltende Normen und Richtlinien wie insbesondere die Norm DIN 488, welche die zur Verwendung in Stahlbeton zugelassenen Betonstähle und die Dimensionierung der damit hergestellten Stahlelemente regelt.
  • Zur Herstellung des erfindungsgemässen Gewindestabs kann grundsätzlich ein nichtrostender Stahl aus einem vergleichsweise breiten Zusammensetzungsbereich verwendet werden mit der Massgabe, dass der Stahl einen nach der Formel KFF = % Cr + 6 x % Si + 8 x % Ti + 4 x % Mo + 2 x % Al − 2 x % Mn − 4 x % Ni − 40 x % C + N
    Figure imgb0001
     bestimmten Ferritfaktor von mindestens 10.7 und höchstens 11.8 aufweist. In der obigen Formel beziehen sich die %-Angaben auf Gewichtsanteile und das Symbol "x" stellt die Multiplikation dar. Der besagte Ferritfaktor ist auch als Kaltenhauser Ferritfaktor (KFF) bekannt und wird zur Abschätzung von Gefügebestandteilen von (teil-)ferritischen nichtrostenden Stählen herangezogen (C. Siyasiya, G.T. van Rooyen and W.E. Stumpf, Metallurgical factors that affect the strand width during continuous casting of DIN 1.4003 stainless steel, The Journal of the South African Insitute of Mining and Metallurgy 105 (2005), 473-481).
  • Dadurch, dass der erfindungsgemässe Gewindestab mit einer Profilierung in Form eines durchgängigen Aussengewindes versehen ist, kann letzteres einerseits zum Aufschrauben von bestimmungsgemäss vorgesehenen Gegenstücken verwendet werden und dient gleichzeitig als haftungswirkende Rippung im gesamten Längenbereich. Dadurch, dass die Profilierung warm aufgewalzt ist, ergibt sich bei der Herstellung kein Materialabtrag und entsprechend auch keine unerwünschte Verminderung des effektiven Querschnitts im Gewindebereich. Die warm aufgewalzte Profilierung ist in der Art eines Grobgewindes dimensioniert, welches im Gegensatz zu einem geschnittenen Feingewinde nicht nur schraubbar, sondern auch robust gegenüber Beschädigungen und Verschmutzungen ist und darüber hinaus eine genügend grobe Zwischenraumstruktur zur Aufnahme des zementhaltigen Bindemittels bildet. Erfindungsgemäss weist das Aussengewinde eine bezogene Rippenfläche fR gemäss DIN 488 von mindestens 0.056 auf. Die bezogene Rippenfläche ist die auf eine zur Stabachse rechtwinklig stehende Schnittfläche projizierte Rippenfläche, bezogen auf den Nennumfang und den mittleren Rippenabstand.
  • Die bezogene Rippenfläche fR ist allgemein als Verhältnis zwischen der Rippenfläche und der Reibungsfläche zwischen zwei Rippen definiert. Für ein durchgängiges Aussengewinde kann folgende Arbeitsformel verwendet werden: f R = H / L
    Figure imgb0002
     siehe z.B. Gert König, Nguyen Viet Tue, Grundlagen des Stahlbetonbaus: Einführung in die Bemessung nach DIN 1045-1, B.G. Teubner, Stuttgart, (2003) s. 44.
  • Ganz allgemein erweist sich der erfindungsgemässe Gewindestab als eine im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstige Lösung, indem eine vergleichsweise günstige nichtrostende Legierung in einem vergleichsweise einfachen Herstellprozess verarbeitet wird. So wird das fertige Produkt direkt aus der Walzhitze produziert, wobei ein aufwändiger anschliessender Korrosionsschutz auf der Baustelle wegfällt.
  • Bisher war es offenbar nicht gelungen, die Nachteile der im Stand der Technik bekannten Produkte zu lösen, z.B. in Form eines verhältnismässig günstigen nichtrostenden ferritisch-martensitischen Gewindestabes mit durchgehendem schraubbarem Aussenwinde und mit einer höheren Festigkeit Rp0.2 ≥ 670 MPa in Kombination mit einer Dehnung bei Höchstlast Agt von mindestens 5%, hergestellt direkt aus der Walzhitze.
  • Der erfindungsgemässe Gewindestab ermöglicht die Realisierung eins Kupplungssystems ohne Querschnittsverlust. Zur Erlangung vorgegebener mechanischer Eigenschaften ist somit insgesamt ein geringerer Aussendurchmesser als bei endständig eingeschnittenem Feingewinde erforderlich, was zu einer Gewichtsreduktion von bis zu 40% verhelfen kann. Ausserdem sind kleinere Bohrlochdurchmesser möglich, und zudem können Anker und Nägel aus erfindungsgemässen Gewindestäben schneller verbaut werden als bisher.
  • Dementsprechend betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung eine Verankerungseinheit für den Stahlbetonbau, umfassend einen erfindungsgemässen Gewindestab sowie mindestens ein Gegenstück aus einem kompatiblen nichtrostenden Stahl, wobei das Gegenstück ein auf das Aussengewinde schraubbares Innengewinde aufweist.
  • Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Gewindestabs, wobei man einen Stahl mit einem Gewichtsanteil von:
    • bis zu 0.08 % Kohlenstoff (C),
    • bis zu 1.5% Silizium (Si),
    • 0.3 bis zu 1.5% Mangan (Mn),
    • bis zu 0.05% Phosphor (P),
    • bis zu 0.03% Schwefel (S),
    • 10.5 bis 18% Chrom (Cr),
    • 0.2 bis zu 1.6% Nickel (Ni),
    • bis zu 0.4% Molybdän (Mo),
    • bis zu 0.04% Aluminium (Al),
    • bis zu 0.2% Niob (Nb),
    • bis zu 0.2% Titan (Ti),
    • bis zu 0.04% Stickstoff (N),
    der Rest Eisen sowie stahlübliche Verunreinigungen, und einem Ferritfaktor von höchstens 11.8, einer Warmumformung bei 800 bis 1'100°C unterzieht, wobei in der letzten Umformstufe der Warmumformung ein durchgängiges Aussengewinde aufgewalzt wird, und wobei anschliessend ein Abkühlen auf Raumtemperatur erfolgt. In Zuge der Warmumformung wird in einer Reihe von aufeinanderfolgenden Umformstufen eine Reduktion des Stabdurchmessers herbeigeführt. In der letzten Umformstufe, welche bei einer Endwalztemperatur von noch mindestens 800°C erfolgt, wird das durchgängige Aussengewinde aufgewalzt.
  • Wie bereits oben erläutert, kann durch die Auswahl gewisser Legierungsbestandteile ein gewünschter Ferritfaktor und somit das Gefüge resp. die mechanischen Eigenschaften eingestellt werden. Dies gilt insbesondere für die in der Kaltenhauser-Formel enthaltenen Elemente Chrom, Silizium, Titan, Molybdän, Aluminium, Mangan, Nickel, Kohlenstoff und Stickstoff. Der Chromgehalt ist überdies für die korrosionsresistente Eigenschaft der nichtrostenden Stähle bedeutsam.
  • Daneben sind für die Auswahl der Legierung die folgenden Kriterien massgeblich.
  • Kohlenstoff ist ein starker Austenit- und somit auch Martensitbildner. Durch die obere Begrenzung des Kohlenstoffs auf 0.08 Gew.-% wird gewährleistet, dass die Festigkeit nicht zu hoch und die Duktilität nicht zu tief wird. Höhere Kohlenstoffgehalte fördern ausserdem die Bildung von Karbiden, wodurch die Korrosionsbeständigkeit über eine Chromverarmung an den Korngrenzen nachteilig beeinflusst wird.
  • Silizium unterstützt die Ferritbildung und ist ein Mischkristallverfestiger. Sein Gehalt ist auf höchstens 1.5 Gew.-% begrenzt, um den Ferrit nicht allzu stark zu verfestigen und verspröden, und somit eine genügende Duktilität zu gewährleisten.
  • Durch den Mangangehalt, einem weiteren Austenitstabilisator, wird der Martensitgehalt und somit das Festigkeitsniveau des Stahls beeinflusst. Daher ist ein bestimmter Mindestgehalt an Mangan erforderlich, um ein genügend hohes Festigkeitsniveau einstellen zu können. Um allzu hohe Festigkeiten zu vermeiden und um eine genügende Duktilität zu gewährleisten, wird der Mangangehalt auf 1.5 Gew.-% begrenzt.
  • Phosphor ist ein Stahlschädling und schwächt das Gefüge. Aus diesem Grund wurde der Phosphorgehalt auf 0.05 Gew.-% begrenzt.
  • Schwefel ist ein Stahlschädling. Zu hohe Schwefelgehalte beeinflussen die Korrosionsbeständigkeit negativ. Aus diesem Grund wird der Schwefelgehalt auf 0.03 Gew.-% begrenzt.
  • Chrom ist das wichtigste Legierungselement und ursächlich für die Korrosionsbeständigkeit der nichtrostenden Stähle. Dieses Legierungselement führt bei einem Mindestbestandteil von 10.5 Gew.-% zur Ausbildung einer Passivschicht, die das darunterliegende Metall vor dem Angriff durch umgebende Medien schützt. Der Chromgehalt wird auf 18 Gew-% begrenzt, um die Bildung von Sigmaphase zu unterdrücken, welche insbesondere die Duktilität vermindert. Chrom ist ein Ferritbildner.
  • Nickel ist ein starker Austenitbildner und erweitert den Zustandsbereich des Austenits. Dadurch hat das Element einen Einfluss auf den Martensitanteil und beeinfluss somit auch die Festigkeit. Ein bestimmter Nickelgehalt ist erforderlich, damit eine genügend hohe Festigkeit erreicht werden kann. Um ein genügend duktiles Gefüge mit nicht zu hohem Martensitgehalt zu gewährleisten, wird der Nickelgehalt auf 1.5 Gew.-% begrenzt.
  • Molybdän ist ein Ferritbildner und ein Element, welches die Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle erhöht. Da Molybdän ein teures Legierungselement ist, wird der Gehalt auf 0.4 Gew.-% begrenzt.
  • Aluminium ist ebenfalls ein Ferritbildner. Aluminium kann bei tiefen Siliziumgehalten als Desoxidationsmittel dazugegeben werden.
  • Niob stabilisiert den Ferrit und bindet die starken Austenitbildner Kohlenstoff und Stickstoff, wodurch interkristalline Korrosion verhindert wird. Deshalb kann Niob bis zu einem Gehalt von max. 0.2 Gew.-% zugegeben werden.
  • Titan ist einerseits ein Ferritbildner. Andererseits kann Titan sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff abbinden und somit den Stahl unempfindlicher gegen interkristalline Korrosion machen. Der maximale Titangehalt wird auf 0.2 Gew.-% beschränkt.
  • Stickstoff erhöht die Stabilität von Austenit und beeinflusst somit die Höhe des Martensitanteils. Der Stickstoffgehalt auf 0.04 Gew.-% beschränkt, um eine genügende Duktilität des Stahls zu gewährleisten.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Insbesondere zur Herstellung von vergleichsweise dünnen Gewindestäben wird vorteilhafterweise ein Warmwalzverfahren mit anschliessender Luftkühlung verwendet (Anspruch 9). Typischerweise wird dabei eine Kühlrate von 1 K/s bewirkt. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Gewindestäbe mit einem Aussendurchmesser bis zu 20 mm fertigen, wobei der Ferritfaktor auf höchstens 11.1 zu begrenzen ist (Anspruch 2). Für noch dünnere Gewindestäbe mit einem Aussendurchmesser bis zu 16 mm kann der Ferritfaktor auf bis zu 11.3 erhöht werden (Anspruch 3).
  • Zur Herstellung von vergleichsweise dicken Gewindestäben wird vorteilhafterweise ein Warmwalzverfahren verwendet, bei dem das Abkühlen in einem ersten Schritt durch Wasserkühlung auf eine Oberflächentemperatur von 350 bis 500°C mit einer anschliessenden Luftkühlung mit einer Abkühlrate von ungefähr 1 K/s bewirkt wird (Anspruch 10). Durch die anfängliche Wasserkühlung erhält der Gewindestab eine vergleichsweise harte Randschicht um einen vergleichsweise duktilen Kern (Anspruch 4). Insbesondere lassen sich damit Gewindestäbe mit einem Aussendurchmesser 20 bis 100 mm herstellen (Anspruch 5).
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, dabei zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Bodennagels der Schutzstufe 2 mit doppeltem Korrosionsschutz, im Längsschnitt;
    Fig. 2
    einen Gewindestab, im Längsschnitt;
    Fig. 3
    eine Darstellung der Dehngrenze (Rp0.2) als Funktion des Ferritfaktors KFF für einen mittels Luftkühlung hergestellten Stabstahl mit Durchmesser 16 mm;
    Fig. 4
    eine Darstellung der Dehngrenze (Rp0.2) als Funktion des Ferritfaktors KFF für einen mittels Wasser- und anschliessender Luftkühlung hergestellten Stabstahl mit Durchmesser 43 mm; und
    Fig. 5
    eine Darstellung der Dehnung bei Höchstlast (Agt) als Funktion der Festigkeit (Dehngrenze Rp0.2) für verschiedene Abmessungen und Ferritfaktoren; offene Symbole bedeuten Abkühlen durch Luftabkühlung nach der Warmumformung, volle Symbole bedeuten Abkühlen durch Wasser- und anschliessender Luftkühlung nach der Warmumformung.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Ein erfindungsgemässer Gewindestab ist in der Fig. 2 schematisch dargestellt. Dieser weist insbesondere eine warm aufgewalzte Profilierung in Form eines durchgängigen Aussengewindes auf. Wesentliche Abmessungen des Gewindestabs sind dessen Aussendurchmesser D, die Gewindetiefe H und der Gewindeabstand L.
    • Beispiel 1
  • Ein Stahl mit der in untenstehender Tabelle angegebenen Zusammensetzung 1, die durch einen Ferritfaktor von 11.3 gekennzeichnet ist, wurde mit einer warm aufgewalzten Profilierung in Form eines durchgängigen Aussengewindes versehen und anschliessend an Luft abgekühlt. Für die vorgesehene Anwendung als Gewindestab ist das Aussengewinde derart ausgebildet, dass es eine bezogene Rippenfläche fR von mindestens 0.056 aufweist. Die Dehngrenze (Rp0.2) und die Dehnung bei Höchstlast (Agt) sind ebenfalls aus der Tabelle ersichtlich.
    • Beispiel 2
  • Ein Stahl mit der in untenstehender Tabelle angegebenen Zusammensetzung 2, die durch einen Ferritfaktor von 11.5 gekennzeichnet ist, wurde mit einer warm aufgewalzten Profilierung in Form eines durchgängigen Aussengewindes versehen und anschliessend zunächst mit Wasser abgekühlt bis auf ca. 400°C gefolgt von Luftkühlung. Für die vorgesehene Anwendung als Gewindestab ist das Aussengewinde derart ausgebildet, dass es eine bezogene Rippenfläche fR von mindestens 0.056 aufweist. Die Dehngrenze (Rp0.2) und die Dehnung bei Höchstlast (Agt) sind ebenfalls aus der Tabelle ersichtlich.
    Figure imgb0003

Claims (10)

  1. Gewindestab zur Einbettung in zementhaltigen Bindemitteln, gebildet aus einem ferritisch-martensitischen nichtrostenden Stahl mit einem Gewichtsanteil von
    • bis zu 0.08 % Kohlenstoff (C),
    • bis zu 1.5% Silizium (Si),
    • 0.3 bis zu 1.5% Mangan (Mn),
    • bis zu 0.05% Phosphor (P),
    • bis zu 0.03% Schwefel (S),
    • 10.5 bis 18% Chrom (Cr),
    • 0.2 bis zu 1.6% Nickel (Ni),
    • bis zu 0.4% Molybdän (Mo),
    • bis zu 0.04% Aluminium (Al),
    • bis zu 0.2% Niob (Nb),
    • bis zu 0.2% Titan (Ti),
    • bis zu 0.04% Stickstoff (N),
    der Rest Eisen sowie stahlübliche Verunreinigungen, mit einem Aussendurchmesser von 14 bis 100 mm,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stahl einen nach der Formel %Cr + 6x%Si + 8x%Ti + 4x%Mo + 2x%Al - 2x%Mn - 4x%Ni - 40x%(C+N) bestimmten Kaltenhauser Ferritfaktor (KFF) von höchstens 11.8 aufweist, und
    dass der Gewindestab mit einer warm aufgewalzten Profilierung in Form eines durchgängigen Aussengewindes versehen ist und folgende Eigenschaften aufweist:
    • Dehngrenze (Rp0.2) von mindestens 670 MPa,
    • Dehnung bei Höchstlast (Agt) von mindestens 5%, und
    • bezogene Rippenfläche (fR) von mindestens 0.056.
  2. Gewindestab nach Anspruch 1, wobei der Aussendurchmesser bis zu 20 mm und der Ferritfaktor höchstens 11.1 beträgt.
  3. Gewindestab nach Anspruch 1, wobei der Aussendurchmesser bis zu 16 mm und der Ferritfaktor höchstens 11.3 beträgt.
  4. Gewindestab nach Anspruch 1, welcher einen vergleichsweise duktilen Kern und eine vergleichsweise harte Randschicht aufweist.
  5. Gewindestab nach Anspruch 4, wobei der Aussendurchmesser 20 bis 100 mm beträgt.
  6. Verankerungseinheit für den Stahlbetonbau, umfassend einen Gewindestab nach einem der vorangehenden Ansprüche sowie mindestens ein Gegenstück aus einem kompatiblen nichtrostenden Stahl, wobei das Gegenstück ein auf das Aussengewinde schraubbares Innengewinde aufweist.
  7. Verankerungseinheit nach Anspruch 6, wobei das Gegenstück als Mutter oder als Muffenelement ausgestaltet ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Gewindestabs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei man einen Stahl mit einem Gewichtsanteil von:
    • bis zu 0.08 % Kohlenstoff (C),
    • bis zu 1.5% Silizium (Si),
    • 0.3 bis zu 1.5% Mangan (Mn),
    • bis zu 0.05% Phosphor (P),
    • bis zu 0.03% Schwefel (S),
    • 10.5 bis 18% Chrom (Cr),
    • 0.2 bis zu 1.6% Nickel (Ni),
    • bis zu 0.4% Molybdän (Mo),
    • bis zu 0.04% Aluminium (Al),
    • bis zu 0.2% Niob (Nb),
    • bis zu 0.2% Titan (Ti),
    • bis zu 0.04% Stickstoff (N),
    der Rest Eisen sowie stahlübliche Verunreinigungen, und einem Ferritfaktor von höchstens 11.8,
    einer Warmumformung bei 800 bis 1'100°C unterzieht, wobei in der letzten Umformstufe der Warmumformung ein durchgängiges Aussengewinde aufgewalzt wird, und wobei anschliessend ein Abkühlen auf Raumtemperatur erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8 zur Herstellung eines Gewindestabs nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Abkühlen durch Luftkühlung mit einer Abkühlrate von ungefähr 1 K/s bewirkt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 zur Herstellung eines Gewindestabs nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Abkühlen in einem ersten Schritt durch Wasserkühlung auf eine Oberflächentemperatur von 350 bis 500°C mit einer anschliessenden Luftkühlung mit einer Abkühlrate von ungefähr 1 K/s bewirkt wird.
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