SE451020B - Svetsbart armeringsstal och sett att framstella dylikt - Google Patents

Description

451 020 Ett armeringsstål med de inledningsvis nämnda egen- skaperna, som ej uppvisar dessa nackdelar, är känt från DE-OS 24 26 920. Genom ett särskilt avkylningsförfarande framställes armeringsstàl, som består av flera, finkorniga mikrostrukturbestândsdelar. Räknat utifrån består stålet av kraftigt anlöpt martensit-bainit, av ferrit-bainit till ferrit-perlit tillika med bainit i armeringsstålets kärna.

Därvid bör andelen-perlit med bainit företrädesvis vara pro- -- centuellt större än andelen ferrit.

Ett sådant stål uppvisar de erforderliga svetsegen- skaperna liksom även tillräckligt höga draghâllfasthets- och tillräckligt höga sträckgränsvärden. Det har dock vi- . sat sig, att brottöjningen för det kända stålet är i behov av förbättring. Stâlet har en tendens till sprickbildning och därmed tendens till ett icke optimalt utmattningshåll- fasthetsförhållande.

Uppfinningen avser därför att skapa ett stål med det kända stålets goda egenskaper, som dock är mindre sprick- känsligt och således uppvisar bättre värden för brottöjning- en.

Problemet löses enligt uppfinningen med ett svets- bart armeringsstàl som ovan angetts, vars kärnzon är bildad av en ren perlit-ferrit-blandstruktur, vid vilken ferritan- delen ligger mellan 20 % och 80 % och där kärnzonen utan över- gång eller mellanskikt övergår i ytskiktet, som består av ren anlöpt martensit.

Stálet enligt uppfinningen utmärkes därför av en ren koncentrisk tvåskiktsuppbyggnad, där de båda skikten är helt bainitfria. Stâlet enligt uppfinningen uppvisar såväl de go- da svetsegenskaperna som de genom DIN-Norm 488 erforderli- ga mekaniska egenskaperna liksom även en väsentligt förbätt- rad brottöjning, förlängning, varigenom stålet är väsentligt mindre sprickkänsligt och uppvisar ett bättre uppträdande vid utmattning: Vid en föredragen utföringsform uppvisar armerings- stålet i kärnzonen ferrit och perlit med ungefär lika ande- 451- -ÛZU lar. Det har visat sig att armeringsstålet enligt uppfin- ningen även lämpar sig för kamstål, eftersom de båda skik- ten anpassar sig till kamformen så att även kammarna uppvi- sar de mekaniska egenskaperna hos ett armeringsstål utan kammar.

Vidare är det fördelaktigt om tvärsnittsytans yt- skiktsandel uppgår till åtminstone 20 %, företrädesvis 55 %.

Armeringsstålet enligt uppfinningen uppvisar därut- över fördelen att det är kostnadsgynnsamt och snabbt kan framställas i ett trådvalsverk. Sättet enligt uppfinningen för framställning av stålet enligt uppfinningen utmärkes av följande åtgärder: a) Armeringsstâlet tillverkas i ett trådvalsverk b) efter sista steget underkastas valsgodset en intensiv, företrädesvis flerstegig kylning c) genom kylningen kyles valsgodsets yta ned under tempe- raturen för begynnande martensitbildning d) kylningen sker med en sådan intensitet, att utjämnings- temperaturen mellan kärna och yta uppnås, före det en omvandling till bainit, ferrit eller perlit kan börja och att utjämníngstemperaturen ligger ungefär i det temperaturomràde, i vilket en tidigast möjlig omvand- ling kan ske av austeniten till ferrit och perlit e) efter uppnåendet av utjämningstemperaturen hålles tem- peraturen till slutet av perlitomvandlingen ungefär konstant och valsgodset underkastas därefter en långsam avkylning.

Vid en föredragen utföringsform upphasplas valsgod- set omedelbart efter att ha gått igenom kylningen och får i haspeln svalna i luft. Därigenom säkerställes såväl den med uppfinningen eftersträvade isoterma omvandlingen som även anlöpningen av martensiten i kantzonen omedelbart di- rekt från valsningsvärmen, dvs utan ytterligare åtgärder.

Sättet enligt uppfinningen möjliggör en snabb och sä- ker framställning av armeringsstålet enligt uppfinningen, 451 020 utan att härför göra stora insatser. På överraskande en- kelt sätt låter sig armeringsstålet tillverkas i en tråd- sträcka och behandlas så att de sedan länge eftersträvade egenskaperna redan kan uppnås vid framställningen utan stor insats.

Vid en föredragen utföringsform av sättet enligt upp- finningen användes för framställning av armeringsstàl med en tjocklek upp till 13 mm normalstâl. Vid ett normalstål ligger summan av alla legeringselement (mangan, kisel, sva- vel och liknande) under 1,7 %. Detta normalstâl är sär- skilt prisvärt och làter sig användas för framställning av armeringsstâlet enligt uppfinningen med hög kvalitet vid an- vändning av en normal Vattenkylning, då armeringsstàlets tjocklek ligger under 15 mm.

För att för kylningen ej göra för stora insatser är det fördelaktigt om man för framställning av ett armerings- stål med en diameter avvz 15 mm använder ett normalstâl,g som är mikrolegerat med mikrolegeringselement upp till 0,08 %.

Alternativt därtill kan man för diametrar mellan 13 och 25 mm använda ett legerat stål. Vid detta stål ligger summan av legeringselementen mellan 1,7 % och 3 %. För diameter större än 25 mm måste man till det legerade stålet sätta en mikrolegering, och detta i en andel av mikrolege- ringselement upp till 0,03 %.

Dessa legeringsföreskrifter beror på insikten, att omvandlingen av austenit till ferrit, perlit eller bainit förskjutes till senare tidpunkter genom användning av lege- rat stål och/eller mikrolegerat stål.

Det har visat sig att sättet enligt uppfinningen kan genomföras pà mest ekonomiska sätt, då det första steget i kylningen är avslutat inom 0,2 sekunder.

Närmare beskrivning av armeringsstàlet enligt uppfin- ningen och sättet enligt uppfinningen ges nedan i anslut- ning till bifogade figurer, där: fig. l visar ett tvärsnitt i ett känt armeringsstàl enligt DE-OS 24 26 920, 5 451 020 fig. 2a till 2d strukturbilder i 500 gångers försto- ring av strukturen i det kända armeringsstålet, ”- fig. 3 tvärsnitt av ett armeringsstål enligt uppfin- ningen, fig. 4a och 4b strukturbilder med 500 gångers försto- ring av de båda strukturerna i armeringsstålet enligt upp- finningen, fig. 5 ett diagram för förtydligande av den reglera- de avkylningen enligt uppfinningens sätt, fig. 6 en tabell för förtydligande av avkylningen vid armeringsstàl med olika diametrar och deras förhållande vid kylning, fig. 7 ett TTT-diagram för ett normalstâl med låg kolnalt, D fig. 8 visar slutligen ett TTT-diagram för ett lege- rat stål med låg koinait. ' Fig. l och 2 visar fotografiska upptagningar av det från DE-OS 24 26 920 kända armeringsstâlet. Av fig. l fram- går det tydligt, att armeríngsstålet i sitt tvärsnitt uppvi- sar åtminstone fyra koncentriska skikt. Ytterskiktet be- står av anlöpt martensit-bainit till vilket inåt ett baini- tiskt mellanskikt gränsar. Därpå följer ett ringformigt ferrit-bainit-skikt, under det att kärnan väsentligen be- står av ferrit och perlit.

Dessa fyra struktursorter visas i 500 gàngers försto- ring i fig. 2a till 2d. Det finstråkiga ytterskiktet av an- löpt martensit-bainit skiljer sig tydligt från det i fig. 2b visade bainitiska mellanskiktet. En grövre struktur har det därtill gränsande ferrit-bainit-skiktet, såsom framgår av fig. 2c. Kärnstrukturen visas i fig. 2d, där de mörka fläckarna anger perlitandelarna och de ljusa ferritandelarna.

Fig. 5 och 4 visar motsvarande bilder för armerings- stålet enligt uppfinningen. Detta är uppbyggt endast av två skikt. Ytterskiktet eller kantskiktet består av ren anlöpt martensit och gränsar omedelbart till ett kärnskikt, som består av en struktur av ren perlit-ferrit. Detta fram- går särskilt tydligt av fig. 4a och 4b, i vilket fig. 4a 451 020 visar det av anlöpt martensit bestående ytskiktet och 4b den plötsliga övergången från den anlöpta martensitstruktu- ren till den tydligt särskiljande fsrrit-perlit-strukturen. Även de i fig. 4 visade strukturbilderna är tagna med 500 gàngers förstoring.

Den distinkta tvàskiktsuppbyggnaden av stålet enligt uppfinningen leder till de tidigare ej förväntade fördelak- tiga egenskaperna, som ovan beskrivits.

Förfarandet för framställning av armeringsstàlet en- ligt uppfinningen beskrives nedan närmare i anslutning till fig. 5 till 8. Fig. 5 visar ett diagram där avkylningen av ett armeringsstàl visas, som kommer in i kylsträckan med en temperatur av ca 8500 C och där genomgår en vattenkylning i tre steg. Stàlet upphasplas omedelbart efter att ha lämnat kylsträckan och får i haspeln svalna i luft. Det upphaspla- de valsgodset undergàr i haspeln en isoterm omvandling, var- vid austeniten i kärnan omvandlas till perlit och ferrit och genom den därvid frigjorda omvandlingsenergin martensi- ten i ytskiktet anlöpes. Dessa förlopp förklaras ytterliga- re närmare nedan. Fig. 5 visar i den vänstra delen den långsamma avkylningen pà valsgodset under färdigsticket.

Vid den med to utmärkta tidpunkten löper valsgodset in i kylsträckan och förblir ca 0,15 sekunder i det första kyl- steget. Det tredje kylsteget är genomlöpt efter ca O,55~ sekunder. ~ I fig. 5 är valsgodset uppdelat i koncentriska ring- ar för illustration av temperaturförloppet i valsgodsets tràdtvärsnitt. Ytterringen betecknas med 1 och medelpunk- ten på valsgodset med 4. Den med 2 betecknade ringen går cirka vid halva diametern och den med 5 betecknade ringen har en diameter som motsvarar en fjärdedel av tråddiametern.

Den med la betecknade ringen har en radie av ca nio elfte- delar av radien (R) på valsgodset och den utmärker ungefär gränsen mellan martensitskikt och kärnzon.

Ur de med 1, la, 2, 5 och 4 betecknade kurvorna fram- går temperaturförloppet på ringarna under kylningen. Ytter- 4-51. 020 ringen kyles därvid ned under martensitbegynnelsetemperatu- ren MS, så att ett ytterskikt mellan ringarna 1 ochÜla bil- das till martensit. Eftersom kärnomràdet självklart ej ky- les så starkt uppvërmes martensitskiktet åter mellan ringar- na l och la genom det i kärnomràdet befintliga värmet, vari- genom å ena sidan martensiten anlöpes och å andra sidan en utjämningstemperatur TA uppnås. Uppnàendet av utjämnings- temperaturen är detsamma som det faktum, att valsgodset upp- visar efter kylningen en lika temperatur över hela tvärsnit- tet. Denna temperatur hàlles nu, till dess omvandlingen av austeniten till ferrit och perlit avslutats. Därefter kan en kontinuerlig avkylning äga rum.

Utjämningstemperaturen TA väljes så, att under den isoterma omvandlingen bainitomràdet ej skäres. Dessutom bör temperaturen ligga i det omrâde, i vilket en tidigast möjlig omvandling av austeniten till ferrit sker. Därigenom säkerställes att omvandlingen av austeniten till ferrit och perlit sker på kortast möjliga tid och ej urartar till en mycket làngutdragen process.

Ur fig. 5 framgår att enligt uppfinningen bildning av bainit därigenom undvikes, att utjämningstemperaturen re- dan uppnåtts innan en omvandling till ferrit kan ske och därutöver sker omvandlingen isotermt, så att under avkyl- ningen bainitområdet ej genomlöpes. Q De i fig. 5 valda omvandlingskurvorna motsvarar de vanliga TTT-diagrammen, varvid med F ferritbildningsomrádet, med P perlitbildningsområdet, B bainitbildningsomrâdet och MS martensitbegynnelsetemperaturbildningen avses. Austenit som avkyles till under martensitbildningstemperaturen om- vandlas omedelbart till martensit.

Den i fig. 6 visade tabellen visar i anslutning till ett utförandeexempel den möjliga utformningen av avkylning- en för olika stàldiametrar av 5,5 till 50 mm. Därvid har man utgå t :rån en inträdestemperatur i kylsträckan på 850° C, förutsatt ett normalt legerat stål, dvs summan av legeringselementen i stålet överstiger ej en andel av 1,? %. 451 020 Därav framgår att det första steget i kylningen ald- rig varar längre än 0,2 sekunder. Under det att förfen dia- meter av 5,5 mm ett avkylningssteg är tillräckligt, kan vid större diametrar upp till åtta kylsteg vara anordnade. Den totala kylningen avslutas därvid senast efter 5 sekunder.

I nästa spalt anges tiden till uppnàendet av utjämningstem- peraturen. Härigenom låter sig armeringsstàlen uppdelas i tre efter diametrar uppdelade grupper I, II, III. Den förs- ta gruppen omfattar dimensionerna från 5,5 till 15 mm, den andra gruppen dimensionerna från 15 till 25 mm och den tred- je gruppen dimensionerna från 25 till 50 mm.

Inom den första gruppen uppnås utjämningstemperatu- ren pà 2 sekunder. I den andra gruppen uppnås utjämnings- temperaturen inom 10 sekunder och i den tredje gruppen inom 14 sekunder. Dessa sammanhang har för användbarheten av den här genomförda vattenkylningen en väsentlig betydelse som ytterligare nedan belyses.

I de ytterligare spalterna i fig. 6 är kërntemperatu- rerna i slutet av varje avkylningssteg angivna för de olika valsgodsdiametrarna. Med kärna förstås här diametern r = O.

Dessutom är den uppnådda utjämningstemperaturen angiven för varje tråddiameter.

Ur fig. 7 och 8 framgår ändamålet med den redan nämn- da uppdelningen i tre diametergrupper. Fig. 7 visar TTT- diagrammet för ett koifattigt (c =< 0,25 æ) nermaistài. Den tidigast möjliga omvandlingen för austeniten till ferrit är enligt detta möjlig efter ca 2 sekunder vid en temperatur av ca 5000 C. Motsvarande läran enligt föreliggande uppfin- ning bör utjämningstemperaturen vara uppnàdd vid denna tid- punkt. Därav framgår att vid användning av den i fig. 6 kännetecknade vattenkylningen normalstál kan användas upp till en diameter av 15 mm. Utjämningstemperaturen ligger därvid något över 5000 C.

I jämförelse därmed visar fig. 8 TTT-diagrammet för ett kolfattigt stål, vid vilket summan av legeringselemen- ten ligger mellan 1,? % och 3 %. Därav synes tydligt att den tidigaste möjliga omvandlingen för austenit till ferrit 451 020 först är möjlig efter en tidsstorleksordning av 10 sekunder.

Vidare skall man lägga märke till, att utjämningstemperatu- ren mäste väljas väsentligt högre, då den tidigaste möjliga omvandlingen till ferrit börjar ungefär vid 7000 C. Genom tillsats av legeringselement kan därför tidpunkten för den tidigaste möjliga omvandlingen av austeniten till ferrit ut- dragas, så att för uppnåendet av utjämningstemperaturen mera tia står till förfogande.

Samma effekt, nämligen förskjutningen av tidpunkten för den tidigaste möjliga omvandlingen av austeniten till ferrit till senareläggning därav kan man uppnå genom till- sats av mikrolegeringselement, såsom niob, vanadin eller mo- lybden. Till skillnad från användning av legerade stål (fig. 8) förskjutes därvid endast omvandlingskurvorna i fig. 7 ca ett tiotal till höger, utan att därutöver läget eller formen på omvandlingskurvorna förändrades. Därför förändras genom tillsats av mikrolegeringselement - i motsats till tillsats av andra legeringselement - utjämningstemperaturen ej.

Vid bibehållande av den i fig. 6 antydda vattenkyl- ningen framträder nödvändigheten att vid framställning av armeringsstàl med diametrar 2 15 mm använda antingen ett le- gerat stål (summa av legeringselementen mellan 1,? % och 5 %) eller använda ett mikrolegerat stàl (vanadin, niob, mo- lybden upp till 0,8 %).

Vid en diameter av >-25 mm skulle vid ett legerat stål summan av legeringselementen behöva ökas över 5 %.

Detta låter sig i allmänhet ej rekommenderas, så att för denna diameter ytterligare eller endast mikrolegeringar bör förekomma.

I stället för förändring av legeringsandelen i stålet skulle även en intensifiering av kylningen åstadkomma att ut- jämningstemperaturen uppnàddes tidigare. En sådan kylning är dock mycket insatskrävande.

Av fig. 7 och 8 framgår att andelen ferrit i förhål- lande till perlit i kärnan kan påverkas genom val av utjäm- ningstemperatur. ' 451 020 w I de hittills beskrivna utförandeexemplen har man ut- gått från valsgodsets inträdestemperatur i kylsträckan på 850° C. Man kan även tänka sig andra temperaturer, dock mäste inträdestemperaturen åtminstone ligga så högt, att austeniten fortfarande är stabil och väljas så lågt, att valsgodsets avkylning till utjämningstemperaturen är möjligt inom de erforderliga tiderna. Detta betyder att särskilt vid mindre valsgodsdiametrar man kan använda sig av en hög- re inträdestemperatur på valsgodset i kylsträckan. Totalt har dock temperaturen på 850° C för dessa ändamål visat sig särskilt lämplig.

Den isoterma omvandlingen av austeniten till ferrit och perlit kan uppnås genom inkoppling av en ugn efter kyl- sträckan. Det är under alla förhållanden mycket fördelakti- gare att upphaspla det oklippta, från trådvalsverket komman- de armeríngsstàlet omedelbart efter utträdet ur kylsträckan.

Genom att ligga i haspeln sjunker armeringsstàlets tempera- tur ej under tillräckligt lång tid, eftersom temperaturen i stället genom frigörandet av omvandlingsvärmet förr stiger och genom haspeln en minskad värmebortledning till luften sker. Därutöver möjliggör detta slag av avkylning den snab- ba tillverkningsprocessen, som i och för sig är känd från ett trâdvalsverk, men som för framställning av armeringsstàl ännu ej använts.

Under samma förutsättningar uppgår brottöjningen (förlängningen) som enligt DE-OS 24 26 920 framställda arme- ringsstälet uppgår till 5,2 %, men vid stålet enligt uppfin- ningen till 10,1 %. Härav framgår förbättringarna med avse- ende på motstàndsförmàgan mot sprickkänslighet och utmatt- ningshällfastheten.

Under gynnsammare förutsättningar kan brottöjningen (förlängningen) för armeringsstålet enligt uppfinningen yt- terligare ökas väsentligt. Medelbrottöjningen (förlängning- en) kan då exempelvis ligga mellan 15,9 % och 17,4 %, vari- genom de enligt normbladet DIN 488/blad 1 krävda värdena vä- sentligt överskrides.

Claims (16)

451 020 ll Patentkrav

1. Svetsbart armeringsstål med en kolhalt mindre än 0,25%. som utan ytterligare efterbehandling, såsom kallbearbetning, patentering eller ytseghärdning uppvisar en sträckgräns oolz av äinst 500 N/mmz och en draghållfasthet av minst 550 N/mm och som består av en koncentrisk kârnzon och ett ytskikt, varvid kärnzonen består av en blandstruktur av perlit och ferrit och ytskiktet består av anlöpt martensit, k ä n n e t e c k n a t av att kärnzonens ferritandel ligger mellan 20% och 80% och av att kärnzonen utan mellanskikt gränsar till ytskiktet.

2. Stål enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att i kärnzonen ferrit och perlit finnes i ungefär lika andelar.

3. Stål enligt krav 1 eller 2, klä n n e t e c k n a t av att armeringsstålet är försett med kammar.

4. Stål enligt något av kraven l-3. k ä n n e t e c k n a t av att ytskiktets andel av tvärsnittsytan uppgår till minst 20%, företrädesvis 33%.

5. Stål enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t av att vid en diameter av mindre än eller lika med 13 mm sum- man av alla legeringselement (såsom kol. mangan. kisel, svavel och liknande) är mindre än eller lika med 1,7%.

6. Stål enligt något av kraven 1-4. k å n n e t e c k n a t av att summan av alla legeringselement (såsom kol, mangan, kisel, svavel och liknande) vid en diameter av större än 13 mm är mindre än eller lika med l,7% och att stålet innehåller en andel av mikrolegeringselement (vanadin, niob, molybden) upp till 0,08%.

7. Stål enligt något av kraven l-4. k ä n n e t e c k n a t 451 020 12 av att vid en tjocklek av mellan 13 mm och 25 mm summan av alla legerlngselement (såsom kol, mangan, kisel, svavel och liknande) ligger mellan l,7% och 3%.

8. Stål enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t av att summan av legeringselementen (såsom kol. mangan, kisel, svavel och liknande) för en tjocklek större än 25 mm ligger mellan l,7% och 3% och att stålet uppvisar en andel av mikrolegeringselement (vanadin, niob, molybden) upp till 0,03%.

9. Sätt vid framställning av armeringsstâl enligt något av kraven 1-8, k ä n n e t e c k n a t av följande åtgärder: a) armeringsstâlet tillverkas i en trâdsträcka b) efter slutvalsningen underkastas valsgodset en intensiv, l avkylning _ c) genom kylningen avkyles valsgodsets yta ned under tempera- turen för begynnande martensitbildning d) kylningen verkställes med en sådan intensitet att utjäm- ningstemperaturen mellan kärna och yta uppnås innan en om- vandling till bainit. ferrit eller perlit kan börja och att utjämningstemperaturen ligger ungefär i det temperaturomrâ- de i vilket en tidigaste möjlig omvandling av austeniten till ferrit och perlit kan ske e) efter att ha uppnått utjämningstemperaturen hålles tempera- turen ungefär konstant till slutet på perlitomvandlingen och därefter underkastas valsgodset en långsam avkylning.

10. Sätt enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av att den intensiva kylningen efter slutvalsningen utföres i flera steg.

11. ll. Sätt enligt krav 9 eller 10, k ä n n e t e c k n a t av att valsgodset omedelbart efter genomgången kylning upphasplas och i haspeln får svalna i luft.

12. Sätt enligt något av kraven 9-ll, k ä n n e t e c k - n a t av att kylningens första steg avslutas inom 0,2 sekunder. 451 ÛÉÛ 13

13. Sätt enligt något av kraven 9-12 vid framställning av armeringsstâl med en tjocklek mindre än 13 mm, k ä n n e - t e c k n a t av att man utgår från ett stål, där summan av alla legeringselement, såsom kol, mangan, kisel, svavel och liknande, är mindre än 1,73.

14. Sätt enligt något av kraven 9-12 vid framställning av armeringsstäl med en tjocklek större än 13 mm, k ä n n e - t e c k n a t av att man utgår från ett stål, där summan av alla legeringselement, såsom kol, mangan, kisel, svavel och liknande, är mindre än l,7% och mikrolegerat med upp till 0,08% mikrolegeringselement såsom vanadin, niob, molybden.

15. Sätt enligt något av kraven 9-12 vid framställning av armeringsstâl med en tjocklek mellan 13 mm och 25 mm. k ä n - n e t e c k n a t av att man utgår från ett stål, där summan av alla legeringselement. såsom kol, mangan, kisel, svavel och liknande. ligger mellan l.7% och 3%.

16. Sätt enligt något av kraven 9-12 vid framställning av armeringsstäl med en tjocklek större än 25 mm, k ä n n e - t e c k n a t av att man utgår från ett stål där summan av alla legeringselement, såsom kol, mangan, kisel, svavel och liknande, ligger mellan l.7% och 3% och mikrolegerat med mikrolegeringselement såsom vanadin, niob och molybden upp till 0,03%. ...__....k.m..v-. ......