AT396073B

AT396073B - Verfahren zum warmwalzen und waermebehandeln von stabfoermigem material

Info

Publication number: AT396073B
Application number: AT215590A
Authority: AT
Original assignee: Boehler Gmbh
Priority date: 1990-10-25
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1993-05-25
Also published as: ATA215590A

Description

AT 396 073 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmwalzen und Wärmebehandeln von stabförmigem Material, Draht und dergleichen aus härtbaren Stählen und Legierungen, bei welchem ein Vormaterial auf Umformtemperatur gewärmt, gewalzt und das Walzgut nach der Verformung von der Umformtemperatur verstärkt abgekühlt und gegebenenfalls angelassen und/oder weiterbehandelt wird.

Stabförmiges Material aus härtbaren Legierungen mit Querschnittsflächen unter 15 mm^ bzw. mit einem Durchmesser geringer als 4,5 mm wird vielfach im wärmebehandelten bzw. vergüteten Zustand für z. B. eine Herstellung von Federn, Seilen und dergleichen benötigt. Derartige Produkte müssen besondere Qualitätseigenschaften aufweisen, sodaß vom Stabmaterial gute mechanische Materialwerte, insbesondere hohe Biegewechselfestigkeit, gefordert sind. Bei der üblichen Herstellung von Stäben bzw. Draht mit geringen Querschnitten wird zumeist eine kombinierte Verformung, bestehend aus Warmwalzen und Kaltziehen mit Zwischenglühbehandlung zur Materialentfestigung, verwendet, wonach das Zwischenprodukt einer thermischen Vergütebehandlung zur Einstellung der gewünschten Werkstoffeigenschaften unterworfen wird. Der Endquerschnitt beim mehrstufigen Warmwalzen bzw. der unterste erreichbare Durchmesser liegt bei einer Verformung des Vormaterials von größer als 50 % im Bereich von 20 bis 30 mm^ bzw. 5 bis 6 mm, weil einerseits das Vormaterial wegen dessen geringer Einzugsgeschwindigkeit beim Eintritt in das erste Walzgerüst über die Vormateriallänge durch laufenden Wärmeverlust unterschiedliche Anfangs- und Endtemperaturen aufweist und das Walzgut bei den ersten Walzstichen zufolge Oberflächenvergrößerung rasch abkühlt, was nicht durch eine erhöhte Anfangstemperatur des Vormaterials ausgeglichen werden kann. Andererseits steigt bei den letzten Walzstichen auf Grund der hohen Formänderungsarbeit pro Volumseinheit die Temperatur des Walzgutes an, wodurch die Materialeigenschaftcn verschlechtert werden können. Es wurde bereits vorgeschlagen (US-PS-4 527 408), bei Hochgeschwindigkeits-Walzstraßen das Walzgut vor dem Erreichen der Endwalz- bzw. Fertigstaffel intensiv auf unter 950 °C zu kühlen und nach der Verformung bis zum Schlingenleger weitere Kühlstufen einzusetzen, um insbesondere die Knickfestigkeit des Erzeugnisses zu erhöhen.

Es ist auch bekannt, Stabmaterial, z. B. Bewehrungsstahl, mit einem Durchmesser von 5-40 mm direkt aus der Walzhitze zu vergüten. Dabei erfolgt zumeist eine Abkühlung der oberflächennahen Zone des Materials unter den Martensitpunkt des Stahles, wonach beim Temperaturausgleich eine Rückwärmung von innen und dadurch ein Anlassen dieser martensitischen Zone stattfindet, wobei eine Inhomogenität der Gefügestruktur über den Stabquerschnitt entsteht. Weiters ist bekannt, zur Verbesserung der mechanischen Materialwerte thermo-mechani-sche Verfahren anzuwenden. Bei diesen Verfahren erfolgt die Verformung, insbesondere die Endverformung, in einem Temperaturbereich knapp über oder um den Ar3-Punkt der Legierung, wodurch ein Komwachstum behindert und Feinkomgefüge erreicht wird (DD-PS 207 162).

Aus der schweizerischen Patentschrift CH- 654 496-A5 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Drahtes von geringem Querschnitt und großer Länge bekannt, mit welchem der Drahtquerschnitt unter beträchtlicher Verringerung der Anzahl der Ziehoperationen verkleinert werden soll. Dafür ist vorgesehen, daß in mindestens der ersten kontinuierlichen Walzenstraße mit beheizten Walzen isotherm heruntergewalzt wird und somit die anschließenden Ziehoperationen ohne Zwischenglühungen erfolgen können. Ein derartiges Verfahren erfordert jedoch hohe anlagetechnische Aufwendungen und kann die Qualität des Walzgutes nur unbedeutend verändern.

In der GB-2 194 186 A ist ein Verfahren zum Warmwalzen von hochfestem Stahl, wie Bewehrungsstahl, beschrieben, mit welchem ein Temperaturanstieg verhindert und eine thermomechanische Behandlung im letzten Teil der Walzenstraße durchgeführt wird. Die Walzung erfolgt dabei über einer Temperatur über der A^-Tempe-ratur des Stahles, wobei durch Kühlung zwischen oder in den Walzblöcken eine möglichst geringe Temperaturüberhöhung über den A^g-Punkt erreicht werden soll. Nach dem Walzen kann eine isotherme Gefügeumwandlung bei einer Temperatur über 500 °C vorgesehen sein, um eine Bildung von Oberflächenmartensit zu vermeiden. Obiges thermomechanisches Walzverfahren, insbesondere für Bewehrungsstahl, ist anlagentechnisch aufwendig und weitgehend nur für eine Herstellung von Erzeugnissen mit hoher Festigkeit, guter Schweißbarkeit und Verformbarkeit im kalten Zustand ohne Zusatz von Legierungselementen zum Stahl vorgesehen.

Eine Walzdrahtäbkühlung auf einer Kontiwalzstraße mit größerer Homogenität der Gefügestruktur und den mechanisch-technologischen Eigenschaften des Erzeugnisses durch austenitkomgesteuerte Abkühlung wird in DD-PS- 241 614 vorgeschlagen.

Weiters sind als Mittel zur raschen und genauen Temperatureinstellung von Walzmaterial Flüssigmetallvorrichtungen, insbesondere Bleiblätter (EP-Al 0339703) bekannt

Zur Wärmebehandlung von Draht, Band, Rohren und Walzprofilen aus Stahl im Durchlauf mit kontinuierlicher Materialbewegung und einer Härtung sowie einem Anlassen ist gemäß DE-PS 2 337091 ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit elektrischer Widerstandserwärmung einsetzbar.

Alle bekannten Verfahren zum Walzen von Stäben oder Draht haben jedoch den Nachteil, daß diese insbesondere nur für einen Walzgut-Enddurchmesser von größer als 5 mm geeignet sind und daß besondere Qualitätsanforderungen, die an das Produkt gestellt werden, damit nur teilweise erfüllt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellverfahren und eine Anordnung zum Walzen anzugeben, mit welchem(er) es gelingt, aus Vormaterial dünne Stäbe und Drähte aus härtbaren Stählen und Legierungen zu fertigen, welche über die gesamte Länge und über den gesamten Querschnitt ein weitgehend homogenes Umwand- -2-

AT 396 073 B lungsgefüge aufweisen. Die Verfahrenskontrolle soll dabei in einfacher Weise durchführbar sein und das Erzeugnis soll beste mechanische Eigenschaften, insbesondere hohe Biegewechselfestigkeit, aufweisen. Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die erfindungsgemäße Anordnung ist durch die Merkmale des Anspruches 16 gekennzeichnet

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß Stäbe bzw. Drähte mit Querschnittsflächen unter 15 mm^ warmgewalzt werden können und nach einer Verformung in mehreren Schritten der daran anschließende Wärmeentzug besonders wirksam für ein Erreichen besonders guter Qualitätsmerkmale ist Dabei ist es wichtig, daß nach dem letzten Verformungsschritt, welcher vorteilhaft mit einer Materialumformung von größer als 15 % erfolgt, innerhalb von höchstens einer Sekunde, insbesondere höchstens einer Zeitspanne t gemäß der Formel T'AR3 t= 1-(0,133.-) 100 ein verstärkter Wärmeentzug von der Walzgutoberfläche einsetzt. (T = Temperatur des aus dem Walzen austretenden Walzgutes Ar3 = Aj^-Temperatur der Legierung.) Überraschenderweise wurde gefunden, daß auch bei einer Rekristallisation des Austenitkomes vorteilhafte mechanische Eigenschaften des Materials erreicht werden bzw. erhalten bleiben, wenn nach der Umformung innerhalb einer bestimmten kurzen Zeitspanne eine Abkühlung erfolgt. Dieses Phänomen ist wissenschaftlich noch nicht geklärt, könnte aber durch eine submikroskopische, gegebenenfalls zeilige, Orientierung von Strukturen im Werkstoff begründet sein, weil auch oberhalb von Temperaturbereichen für eine thermomechanische Behandlung ein derartiger Effekt einstellbar ist. Die Abkühlung muß dabei derart bemessen sein, daß eine Gefügeumwandlung über den gesamten Querschnitt des Stabes oder Drahtes bewirkt wird. Für eine gleichmäßige Ausbildung der besonderen Eigenschaftsmerkmale über die Länge des Erzeugnisses ist eine weitgehend konstante Einlauftemperatur des Vormaterials in das erste Walzgerüst, was insbesondere durch eine kontinuierliche konduktive Schnellerwärmung erreichbar ist, erforderlich. Durch eine Konduktiverwärmung wird auch auf wirtschaftliche Weise eine weitgehend homogene Temperaturverteilung über den Querschnitt des Vormaterials in einer angestrebten kurzen Zeit erreicht und weiters eine Zunderbildung minimiert.

Ein nach der Walzung in mehreren Schritten über den gesamten Querschnitt durch verstärkten Wärmeentzug umgewandeltes Gefüge kann trotz des geringen Durchmessers des Stabes oder Drahtes gegebenenfalls eine Bruchgefahr, insbesondere beim Haspeln oder Wickeln, darstellen. Diese Gefahr kann erfindungsgemäß dadurch ausgeschaltet werden, daß das Stabmaterial oder der Draht unmittelbar nach der Abkühlbehandlung bzw. Gefügeumwandlung durch Energieeinbringung auf Anlaßtemperatur gewärmt und in einem duktileren Zustand versetzt wird. Diese Energieeinbringung kann beispielsweise in einem auf entsprechender Temperatur gehaltenen Bad, wie Salzbad oder Metallbad, erfolgen oder vorteilhafterweise durch elektrischen Stromdurchgang bzw. konduktiv durchgeführt werden. Dabei ist es besonders wirtschaftlich, wenn zur Erreichung eines gleichartigen duktiven bzw. angelassenen Materialgefüges im Vergleich mit einer üblichen Anlaßbehandlung höhere Temperaturen und kürzere Haltezeiten des Werkstoffes bei diesen Temperaturen verwendet werden. Der Anlaßeffekt ist nämlich, wie gefunden wurde, eine Funktion der Temperatur und der Haltezeit gemäß der Beziehung P = T (20 + lgt).

In dieser Beziehung stellen P den Anlaßeffekt, T die Temperatur in K und t die Zeit dar.

Eine weitere Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch eine plastische Verformung des abkühlenden Walzmaterials, z. B. durch eine Rollenbiegeeinrichtung, in einem Temperaturbereich unter der Aj^-Temperatur der Legierung, jedoch vor dar Gefügeumwandlung, erreicht werden.

Vergleichende Untersuchungen mit Federstählen der Legierung nach DIN-Werkstoff Nr. 1.7138 und 1.0906 sowie 1.7106 haben gezeigt, daß bei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Drähten mit einem Durchmesser von 2,1 mm die mechanischen Werte um mehr als 8 % und die Biegewechselfestigkeit um mindestens 29 % verbessert waren. -3-

Claims

AT 396 073 B PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Warmwalzen und Wärmebehandeln von stabförmigem Material, Draht und dergleichen aus härtbaren Stählen und Legierungen, bei welchen ein Vormaterial auf Umformtemperatur gewärmt, gewalzt und das Walzgut nach der Verformung von der Umformtemperatur verstärkt abgekühlt und gegebenenfalls angelassen und/oder weiterbehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormaterial mit einer Querschnittsfläche von höchstens 500 mm^ vorzugsweise mittels Schnellerwärmung auf eine Temperatur erwärmt wird, bei welcher der Werkstoff eine austenitische Gefügestruktur aufweist, wonach das erwärmte Vormaterial mit im wesentlichen über dessen Länge konstanter Temperatur in mindestens drei aufeinanderfolgenden Einzelschritten mit einer Schrittfolgezeit in mindestens den letzten drei Umformschritten von weniger als 0,2 Sekunden und einer Gesamtverformung von mindestens 75 % auf ein Produkt bzw. einen Stab, Draht oder dergleichen mit einer Querschnittsfläche von höchstens 15 mm·2 verformt und aus der Walzhitze bzw. von der Temperatur nach dem letzten Verformungsschritt durch verstärkten Wärmeentzug von der Oberfläche abgekühlt und die Gefügestruktur des Werkstoffes über den gesamten Querschnitt umgewandelt wird, wobei die Walzendgeschwindigkeit und/oder der Zeitpunkt der verstärkten Abkühlung derart gewählt werden, daß der verstärkte Wärmeentzug von der Walzgutoberfläche höchstens eine Sekunde nach dem letzten Verformungsschritt durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormaterial kontinuierlich konduktiv bzw. mittels direkten Stromdurchganges wie an sich bekannt erwärmt und jeder auf Umformtemperatur erwärmte Bereich des Vormaterials innerhalb von höchstens sechs Sekunden in das erste Walzgerüst eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormaterial mit einer Gesamtumformung von mindestens 80 % gewalzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Verformungsschritt mit einer Materialumformung von mindestens 15 % durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormaterial auf ein Produkt mit einer Querschnittsfläche von höchstens 10 mm^, vorzugsweise höchstens 8 mm^, gewalzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkte Abkühlung nach der Umformung derart vorgenommen wird, daß das Gefüge der Legierung in eine martensiüsche Struktur umgewandelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung derart erfolgt, daß das Gefüge der Legierung in eine Zwischenstufenstruktur vorzugsweise isotherm umgewandelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne t in Sekunden zwischen letztem Verformungsschritt und verstärktem Wärmeentzug von der Oberfläche des Walzproduktes gleich oder kleiner gewählt wird als der Formel t‘aR3 t= 1-(0,133.-) 100 entspricht, wobei T die Walzguttemperatur in C und Ar3 die Aj^-Temperatur der Legierung darstellen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Umwandlung des Gefüges durch Wärmeentzug eine Anlaßbehandlung des Walzproduktes, insbesondere bei Durchlauf desselben durch eine Wärmeeinrichtung, durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßbehandlung wie an sich bekannt durch Erwärmung in einem flüssigen Wärmemedium erfolgt AT 396 073 B
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßbehandlung wie an sich bekannt durch konduktive elektrische Erwärmung erfolgt
12. Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßtemperatur in logarithmischer Abhängigkeit von der Anlaßzeit gewählt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem letzten Verformungsschritt das Walzgut im austenitischen Zustand des Materials jedoch unter der Aj^-Temperatur zumindest teilweise plastisch verformt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das gewalzte und durch Wärmebehandlung in dessen Gefügestruktur geänderte Material durch Kaltverformung weiterbehandelt wird.
15. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 für die Herstellung von Feder- und Seildrähten.
16. Anordnung zum Warmwalzen und Wärmebehandeln von stabförmigen Material, Draht und dergleichen aus härtbaren Stählen und Legierungen, bei welcher ein Vormaterial auf Umformtemperatur gewärmt, gewalzt und das Walzgut nach der Verformung von der Umformtemperatur verstärkt abgekühlt und gegebenenfalls angelassen und/oder weiter behandelt wird, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, im wesentlichen bestehend aus einer Einrichtung zur Bereitstellung des Vormaterials, beispielsweise eine Trommel oder ein Stablager, einer kontinuierlichen Konduktiv-Schnellerwärmungseinrichtung, bei welcher elektrischer Strom durch das Vormaterial geleitet wird und dieses auf Grund des elektrischen Widerstandes erwärmt, gegebenenfalls einer nachgeschalteten Temperatur-Meßeinrichtung und Regelung, einem mindestens drei Umformbereiche aufweisenden Walzblock für eine Gesamtverformung von mindestens 75 %, einer nachgeschalteten Abkühleinrichtung, z. B. Kühlmittelsprühanlage oder Abkühlbad, durch welche(s) das Walzgut hindurchgeführt wird, gegebenenfalls eine Wiedererwärmungseinrichtung, vorzugsweise eine Schnellerwärmungseinrichtung, mit elektrischem Stromdurchgang mit Meß- und Regelmitteln, einer Walzgutaufnahmeeinrichtung, z. B. Haspel oder Stabablage und Führungs- sowie gegebenenfalls Trenneinrichtungen zum Leiten und Trennen des Vormaterials bzw. des Walzgutes. -5-