DE2021245C3

DE2021245C3 - Kontinuierliches Wärmebehandlungsverfahren an stabförmigen Baustählen

Info

Publication number: DE2021245C3
Application number: DE2021245A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dipl.-Phys. Dr. Wien Ettenreich; Klaus Dipl.-Ing. 4006 Erkrath Greulich; Otto 4000 Duesseldorf Reimann
Original assignee: Baustahlgewebe GmbH
Current assignee: Baustahlgewebe GmbH
Priority date: 1970-04-30
Filing date: 1970-04-30
Publication date: 1980-04-24
Also published as: DE2021245A1; ZA712581B; DE2021245B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein kontinuierliches Wärmebehandlungsverfahren an stabförmigen Baustählen zur Verbesserung der mechanischen Werkstoffeigenschaften, wie der Zugfestigkeit, unter Anwendung einer Schnellerwärmung mit anschließendem Abschrekken.

Für eine Schnellerwärmung eignet sich insbesondere das induktive Verfahren, Die Grundlagen hierfür gehören zum Stand der Technik und sind im Zusammenhang mit Anwendungsbeispielen beschrieben in »Grundlagen der induktiven Erwärmung« (Das Industrieblatt, Stuttgart, April 1960, S. 204/10). Das bekannteste Anwendungsgebiet ist das Oberflächeninduktionshärten. Bei diesem Verfahren werden hochgekohlte (härtbare oder auch vergütbare) Stahlqualitäten in der Schale kurzzeitig erhitzt und anschließend abgeschreckt Wie aus der Literaturstelle weiterhin hervorgeht, ist es aber auch möglich, mittels Induktion eine möglichst gleichmäßige Durchwärmung der Werkstücke (Schmiedeerwärmung) zu erzielen. Im folgenden werden bekannte Verfahren gewürdigt, die sich der Schnellerwärmung mittels Induktion bedienen.

Aus der deutschen Patentschrift 8 79 111 ist es bekannt einen zweckmäßigerweise aus der Walzhitze gehärteten Stahl elektroinduktiv anzulassen.

ίο Gemäß der deutschen Patentschrift 9 25 175 wird — zur Erzielung von Stahlwerkstücken mit Zonen verschiedener Härte — bei der Vergütung der Abschreckprozeß zwischenzeitlich unterbrochen, um die abgeschreckte Außenzone von innen her anzulassen.

Eine weitere Vergütungsbehandlung, wobei ein Stahldraht bei der Erwärmung voll austenitisiert, abgeschreckt und anschließend in speziever Weise angelassen wird ist in der österreichischen Patentschrift 1 73 474 beschrieben.

Alle diese Anwendungen beziehen sich auf hochgekohlte, nicht schweißbare Stahlqualitäten, insbesondere auf Vergütungsstähle.

Bei der Wärmebehandlung von Betonstählen ist ein Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen in folgendem Zusammenhang bekanntgeworden:

Gemäß Evangulova, E. P, Golovin, G. F. (»Oberflächenhärtung von Betonstahl«, Taschenbuch für Mitarbeiter des Allunionsforschungsinstitutes für Hochfre-

jo quenztechnik, »Maschinenbau«, Moskau—Leningrad, 1965, Teil 6, S. 92 bis 100) wird ein im Walzzustand vorliegender Bewehrungsstab von 32 mm Durchmesser (0,26% Kohlenstoff; 035% Mangan) in der Schale auf 970 bis 980⁰C schnell erwärmt, anschließend abge-

v, schreckt und dann bei einer Temperatur von 500 bis 530° C rückgeglüht Messungen ergaben, daß sich der Kern auf eine Temperatur von 600 bis 650° C erwärmte. Versuche, bei denen auf das Rückglühen verzichtet wurde, zeigten, daß bei befriedigenden Festigkeits- und Streckgrenzwerten, die Dehnungswerte nicht der Norm genügten.

Schließlich ist noch auf die deutsche Auslegeschrift 12 46 002 zu verweisen, gemäß der ein im Walzzustand vorliegender Betonstahl einer induktiven Glühbehand lung der oberflächennahen Querschnittsteile auf eine zwischen 600 und 1050⁰C liegende Temperatur unterworfen werden kann mit anschließendem Abschrecken und anschließender Kaltverformung durch Tordieren, Recken od. dgl.

w Bei den beiden letztgenannten Vorveröffentlichungen is: das Prinzip der Schnellerwärmung mit anschließendem Abschrecken ein Ausschnitt der obligatorischen Verfahrensschritte. Dem Anmeldungsgegenstand liegen folgende Überle-

Y, gungen zugrunde: Es ist bekannt daß für das Ergebnis einer Wärmebehandlung die Temperatur und die Zeit maßgebend sind. Bei Temperaturen unterhalb Ai kommt es zunächst zu einer Kristallerholung — in diesem Fall sind im Gefüge noch keine Veränderungen

Mi zu erkennen — oder zu einer Neubildung der Kristalle (Rekristallisation) über Keimbildung und Keimwachstum. Dadurch werden die Verfestigungen, soweit erwünscht, abgebaut, die technologischen Eigenschaften an den Verwendungszweck angepaßt oder der für die

hi weitere Verarbeitung erforderliche bildsame Zustand wiederhergestellt. Bei der Wärmebehandlung nehmen Zugfestigkeit und Streckgrenze ab, wobei die Streckgrenze vorzugsweise stärker fällt, während sich die

Dehnung erhöht Neben der Kristallerholung und der Rekristallisation muß auch die mögliche Bildung von Ausscheidungen für die Änderung der technologischen Eigenschaften berücksichtigt werden.

Die gegenläufige Änderung von Zugfestigkeit und Streckgrenze einerseits und der Bruchdehnung andererseits zeigt sich auch bei der Vergütung von höher kohlenstoffhaltigen, gehärteten Stählen. Das Ziel des Vergütens ist eine hohe Streckgrenze und eine hohe Zugfestigkeit d. h. ein hohes Streckgrenzenverhältnis, bei gleichzeitig guten Zähigkeitseigenschaften.
|: Nun ist es insbesondere bei Betonstählen wünschens-

". wert, bei hoher Zugfestigkeit ein nicht zu hohes

K Streckgrenzenverhältnis bzw. eine hohe Differenz

'V. zwischen der Zugfestigkeit und der Streckgrenze zu

haben. Sollte nämlich bei Belastung im Beton der Stab in ?" ■ das Gebiet seiner plastischen Verformung oberhalb der

Ii Streckgrenze gelangen, so ist durch die Differenz der

;! Streckgrenze zur Zugfestigkeit immer noch eine große

f| Sicherheit für das Bauwerk gegeben. Eine Aussage für

Kj diese Sicherheit ist auch der Wert der Dehnung,

^ insbesondere der Gleichmaßdehnung.

•| Auf Grund der bekannten, zum Teil beschriebenen

(I Wärmebehandlungsverfahren erscheint es nur möglich,

?! die Erhöhung der Differenz zwischen Zugfestigkeit und

Ii Streckgrenze bei einem Abfall ihrer Absolutwerte zu

pl erreichen oder aber bei Beibehaltung oder Steigerung

p der Absolutwerte eine Verringerung der Differenz zu

■ ■ erhalten. Im Gegensatz zu diesem Stand der Technik ist

es die spezielle Aufgabenstellung der Erfindung, zur Verbesserung der Sicherheit von Baustählen die || Differenz zwischen Zugfestigkeit »nd Streckgrenze

eines niedriggekohlten, kaltverformten Stahles zu

vergrößern praktisch unter Beibehaltung oder Erhö-

pj hung der Streckgrenze. Angestrebt wird also eine

P Erhöhung der Zugfestigkeit bei gleichzeitig deutlicher

Erhöhung der Dehnung.

Diese Aufgabe wird überraschenderweise durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wenn ein im 10 bis 70% kaltverformten Zustand vorliegender Stahl mit 0,06 bis 0,20% Kohlenstoff verwendet wird und sich der Kern auf eine Temperatur im oberen Kristallerholungsbereich, insbesondere 450 bis 550°C, erwärmt.

Vorzugsweise wird die Schnellerwärmung auf 800 bis 1300" C, insbesondere 900 bis 1250° C, durchgeführt.

Das Verfahren zeigt besondere Vorteile, wenn der Stahl vor der Wärmebehandlung 30 bis 50% kaltverformt wird.

Vorzugsweise wird induktiv schnell erwärmt. Für die Schnellerwärmung können aber auch Elektronenstrahlen eingesetzt werden. Bei der induktiven Erwärmung wird durch die Wahl der Frequenz und die Abstimmung der Vorschubgeschwindigkeit gegenüber der Spulenabmessung und der Energiedichte die gewünschte Temperatur in der Schale bewirkt. Im einzelnen kann hierzu auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen werden.

Vorzugsweise wird die Abschreckung des Oberflächenbereiches bis auf eine Temperatur unterhalb des Kristallerholungsbereiches, insbesondere auf eine Temperatur um 200° C, durchgeführt. Als besonders zweckmäßig hat sich als Abschreckmittel Wasser, insbesondere Wasserstrahlen, erwiesen.

Besondere Vorteile bietet die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,06 bis 0,12% Kohlenstoff, vorzugsweise 0,08 bis 0,10% Kohlenstoff, welche die für

unlegierte Stähle üblichen Gehalte an Silizium, Mangan usw. enthalten oder Legierungsgehalte aufweisen, wie sie in sogenannten hochfesten Baustählen vorkommen,

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren bei Betonstählen für schlaffe oder vorgespannte Armierung oder für Baustahlmatten.

Wichtig für das erfindungsgemäße Verfahren ist eine kurzzeitige, also ausreichend schnelle Erwärmung, damit in der Erwärmungzone noch kein wesentlicher Wärmetransport durch Leitung in den Kernbereich des Stahles erfolgt Ein Teil der in der Schale gespeicherten Wärme wird nach der Erwärmung an die Luft abgegeben, während sich ein weiterer Teil durch Wärmeleitung, nach der bekannten Wärmeleitungsgleichung, zum Kernbereich hin überträgt Der im Oberflächenbereich (Schale) gespeicherte Wärmeinhalt soll ausreichend sein, um den Kern auf Temperaturen im oberen Kristallerholungsbereich, vorzugsweise 4jO bis 550⁰C, zu erwärmen. Dabei verbleibt die Temperatur im Oberflächenbereich immer noch oberhalb Ar> Nach dem Wärmeausgleich erfoigl die beschleunigte Abkühlung, vorzugsweise mittels Wasser. Nachdem der Oberflächenbereich auf unter 200⁰C abgekühlt ist, erfolgt der restliche Temperaturausgleich an Luft, wobei sich der abgeschreckte Oberflächenbereich durch die aus dem Kernbereich abfließende Wärme leicht erholt

Wie die nachfolgenden Beispiele zeigen, wird bei einem erfindungsgemäß behandelten, niedriggekohlten, kaltverformten Stahl die Differenz zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit stark vergrößert während die Streckgrenze beibehalten oder erhöht wird. Der untersuchte Stahl war unlegiert, besaß einen Kohlenstoffgehalt von 0,12% und war mit einem Verformungsgrad von 35% auf einen Durchmesser von 6,5 mm kaltverformt.

Aus der Tabelle gehen die technologischen Ausgangswerte und die erreichten Endwerte nach dem erfindungsgemäßen Wärmebehandbngsvt.,-fahren hervor. Als Richtwert wurde dabei in Spalte 1 die Temperatur angegeben, auf die der Oberflächenbereich kurzzeitig aufgeheizt wurde.

Erwärmung des	OB	OS	ob—os	Dehnung
4") Oberflächen-
bereichesauf °C	kp/mm²	kp/mm²	kp/mm²	dioin %
Ausgangs	60,0	55,0	5,0	8%
material 35%
50 Verformungs
grad
*00	64,7	56,0	8,7	13%
900	67,7	56,5	11,2	15%
1000	72,0	56,0	16,0	11%

Wie die Tabelle zeigt, haben sich gegenüber dem Ausgangsmaterial mit 35% Verformungsgrad nach der Wärmebehandlung Festigkeit, Streckgrenze und die Differenz zwischen beiden erhöht. Mit steigender Erwärmung des Oberflächenbereiches erhöht sich die Zugfestigkeit, während die Streckgrenze etwa auf dem Ausgangswert verbleibt oder sich leicht erhöht. Bei allen Beispielen erhöht sich die Differenz zwischen der Zugfestigkeit und der Streckgrenze erheblich. Entgegen dem bekannten Stand der Technik führt diese wesentliche Verbesserung der technologischen Werte auch zu einer deutlichen Erhöhung der Dehnung.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, bei kaltverformten Stählen vor allem die Zugfestigkeit, möglicherweise auch die Streckgrenze, zu erhöhen. Die Dehnung wird, wie die Beispiele zeigen, gleichzeitig erhöht. Dadurch wird die Differenz zwischen der Zugfestigkeit und der Streckgrenze erhöht, und es ergibt sich insbesondere für den Verwendungszweck als Betonstahl in jeder Form — als schlaffe oder vorgespannte Armierung oder auch in Baustahlmatten — ein Sicherheitsabstand zwischen der Zugfestigkeit und der Streckgrenze,

Claims

Patentansprüche:

1. Kontinuierliches Wärmebehandlungsverfahren an stabförmigen Baustählen zur Verbesserung der mechanischen Werkstoffeigenschaften, wie der Zugfestigkeit, bei dem ein niedriggekohlter Stahl in der Schale auf eine Temperatur oberhalb Ac3 schnell erwärmt wird, der in die Schale eingebrachte Wärmeinhalt den Kern auf eine Temperatur unterhalb Aci erwärmt, und die Schale noch von einer Temperatur oberhalb An abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitig deutlicher Erhöhung der Dehnung ein im 10 bis 70% kaltverformten Zustand vorliegender Stahl mit 0,06 bis 0,20% Kohlenstoff verwendet wird und sich der Kern auf eine Temperatur im oberen K-ristallerholungsbereich, insbesondere 450 bis 550° C, erwärmt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellerwärmung auf 800 bis 1300⁰C, insbesondere 900 bis 1250⁰C, durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl vor der Wärmebehandlung 30 bis 50% kaltverformt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß induktiv schnell erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich bis auf eine Temperatur unterhalb des Kristallerholungsbereiches, vorzugsweise auf eine Temperatur um 200" C, abgeschreckt wird.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf Stähle mit 0,06 bis 0,12% Kohlenstoff, insbesondere 0,08 bis 0,10% Kohlenstoff, welche die für unlegierte Stähle üblichen Gehalte an Silizium, Mangan usw. oder Legierungsgehalte enthalten, wie sie in sogenannten hochfesten Baustählen vorkommen.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I bis 6 auf Betonstähle für schlaffe oder vorgespannte Armierung oder für Baustahlmatten.