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Schweissbarer naturharter Betonstahl hoher Festigkeit Die Erfindung
betrifft einen schweissbaren naturharten Betonstahl hoher Festigkeit, insbesondere
der Festigkeitsgruppe B St 42/50 oder B St 50/55.
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Naturharter Betonstahl IIIa hat gegenüber kaltverfestigtem Betonstahl
IIIb den Nachteil, dass er nicht oder nur schwer schweissbar ist. Dieser Nachteil
fällt deshalb sehr ins Gewicht, weil im Bauwesen immer mehr die tendenz besteht,
die einzelnen Bauelemente vorzufertigen und an der Baustelle kraft schlüssig zusammenzuführen.
Die Bewehrungsstähle der einzelnen Bauelemente lassen sich aber nach wie vor am
einfachsten durch Schweissen miteinander verbinden. Die Schweisseignung ist deshalb
eine wichtige Voraussetzung für Bewehrungsstähle der modernen Bautechnik.
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Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Naterialzusainmensetzung eines
schweissbaren naturharten Betonstahls anzugeben.
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Der erfindungsgemässe Betonstahl ist gekennzeichnet durch einen
Gehalt
von maximal 0,18 % Kohlenstoff, 00 - 0,40 % Silizium, 0,80.- 1,40 % Mangan, maximal
0,05 % Phosphor, maximal 0,05 % Schwefel, etwa 0,03 % Aluminium, maximal 0,02 %
Stickstoff, 0,06 -0,10 % Niob, gegebenenfalls 0,10 - 0,15 % Vanadium, Rest Eisen
und Verunreinigungen.
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Wird ein Stahl dieser Zusammensetzung in der üblichen Weise erschmolzen,
ausgewalzt und auf einem Kühlbett abgekühlt, dann erhält man einen naturharten Betonstahl
hoher Bestigkeit, der im Gegensatz zu den bisherigen naturharten Betonstählen schweissbar
ist. Im Vergleich zu den bekannten naturharten Betonstählen ist beim erfindungsgemässen
Betonstahl der Perlitanteil verringert.
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Der hierdurch bedingte Verlust an Streckgrenze und Festigkeit wird
dadurch ausgeglichen, dass die Korngrösse verringert ist und ausserdem ein durch
eine Ausscheidung von Niobkarbid und etwaigen Karbonitriden bewirkter Aushärtungseffekt
ausgenutzt ist.
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Bekanntlich hängt die Korngrösse davon ab, wieviel Eristallisationskeime
im Austenit vorhanden sind. Bei vielen Eristallisationskeimen bildet sich eine Vielzahl
von kleinen Körnern. Als Kristallisationskeime wirken z. B. Aluminiumnitride, Niobkarbide
und Kerbonitride. Im vorliegenden Fall wird der in der Stahizusammensetzung vorhandene
Stickstoffanteil bewusst in die Analyse mit ein gebaut, um den Anteil an Kristallisationskeimen
gross zu halten.
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Der Stickstoff wird hierbei durch Elemente, die zu Stickstoff eine
grosse Affinität haben, wie Aluminium, Niob, Titan - im vorliegenden
Fall
ist es in der Hauptsache das Niob-, stabil abgebunden. Ist das Nitrid im Eisenkarbid
gelöst, so spricht man von Karbonitriden. in kann mit diesen ein sehr feines Korn
erzielen und damit die der Streckgrenze entsprechende Festigkeit anheben Der Aushärtungsenteil
hängt davon ab, bei welcher Temperatur die maximale Löslichkeit des verwndetenMikrolegierungselemontes,
wie Niob oder Vanadium, in der Matrix, d. h. in der Grundsubstanz vorliegt. Es hat
sich gezeigt, dass bei der angegebenen Zusemmensetzung mit der üblichen Walzendtemperatur,
d. h. ohne zusätzlich-en verfahrensmässigen Aufwand, bereits ausgezeichnete Ergebnisse
erzielt werden können. Ausserdem hat sich gezeigt, dass zufällig auftretende legierungselemente,
wie Chrom, Nickel, Kupfer und Arsen, ohne Einfluss auf den angestrebten Effekt sind.
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Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel erläutert.
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Es wurde im Elektroofen aus Schrott unter Anwendung von Sauerstoff
und durch Zulegieren von Silizium, Mangan und Niob, Material der folgenden Zusammensetzung
erschmolzen : Kohlenstoff = 0,11 % Mangen = 1,12 % Silizium = 0,35 % Niob= 0,058
%
Chrom = 0.10 °h
= 0,10 % Kupfer = 0,26 % Eisen und Verunreinigungen = Rest Die Schmelze enthielt
die bei Schrott üblichen unbeabsichtigten Beilegierungen an Chrom, Nickel, Kupfer,
Arsen, etc. Das erschmolzene Material wurde im stehenden Guss zu Knüppeln abgegossen.
Die Querschnittsabmessung der Kaüppel war 140 x 140 mm2.
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Nach Erhitzung der Knüppel im Stossofen auf etwa 1150 0 C wurden diese
in einer normalen Stabstahlstrasse zu einem gerippten Stahlstab von 16 mm ausgewalzt.
Die Walzendtemperatur betrug 900 - 950 ° C. Das ausgewalzte Material wurde auf einem
Rechenkühlbett vereinzelt und normal abkühlen gelassen. Der so hergestellte Betonrippenstahl
hatte die folgenden Festigkeitseigenschaften: ausgeprägte Strsckgrenze ßb= 44,0
- 45,5 Zugestigkeit ßz= 55,2 - 56,8 Bruchdehnung @10 = 20,5 - 22,5 Der hergestellte
Stahl genügte nicht nur den Vorschriften für Betonrippenstahl IIIa (B St 42/50 RU)
nach DIN 488 E sondern bestand nach einer künstlichen Alterung von 1/2 Stunde bei
250 0 einen verschärften Rückbiegeversuch mit einem Dorn- D, der dem 2-fachen des
Stab- d entsprach.
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Zum Nachweis der Schweisseignung wurden aus dem Stahl mehrere Schweissproben
hergestellt, die durch a) Abbrennstumpfschweissung und b) Lichtbogenhandschweissung
gewonnen worden waren.
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Die durch AbbrennstumpBschweissq1ng hergestellten Proben zeigten keinerlei
Entfestigung. Beim Zugversuch trat der Bruch nicht an der Schweissstelle sondern
60 - 70 mm ausserhalb der Schweissstelle auf. Ausserdem bestanden die Proben einen
Biegeversuch mit einem Biegewinkel von 180 ° und einem Dorn D = 4 d.
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Mittels der lichtbogenhandschweissung wurden Aufschweissbiegeproben
unter Verwendung einer Elektrode Ti VIIm hergestellto Es wurde auf einen Stab von
16 mm ein Stab von 10 mm % mittels Heftschweissung quer aufgeschweisst. Die Proben
bestanden nicht nur einen Biegeversuch mit einem Biegewinkel von 90 ° und einem
Dorn mit dem d - 4 d sondern sogar einen Biegeversuch mit einem Dorn- D 1 2 d.
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Die zum Nachweis der Schweisseignung geführten Versuche zeigten, dass
der erfindungsgemässe Betonstahl für eine Lichtbogenschweissung, eine Abbrennstumpfschweissung
und eine Widerstandspunktschweissung
geeignet ist.
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Aufgrund der grossen Verformungsfähigkeit, die der erfindungsgemässe
Betonrippenstahl besitzt, lassen sich mit ihm auch Bauwerke bewehren, die aufAnprallsicherheit
berechnet werden müssen.
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Ausserdem könnte bei dieser Art von Stählen der ?riifumfang zur Feststellung
der Güteeigenschaften vermindert werden. Es könnte z. 3. der bei üblichen Stählen
erforderliche aufwendige Rückbiegeversuch entfallen.
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Wie bereits erwähnt, wird bei dem erfind;irngsgemässen Stahl ein durch
eine Ausscheidung von lßiobkarbid und etwaigen Earbonitriden bewirkter Aushärtungseffekt
ausgenutzt. Dieser wird nicht nur durch die Zusammensetzung beeinflusst, sondern
auch durch das Herstellungsverfahren. Durch ein gezieltes Herstellungsverfahren
lassen sich bei gleicher Zusammensetzung noch weitere Verbesserungen erzielen. Das
Herstellungsverfahren soll zu diesem Zweck so gewählt werden, dass die Temperatur
des Stahls am Ende der Walzperiode so eingestellt wird, dass sie der Temperatur
entspricht, bei der die maximale Löslichkeit der Mikrolegierungselemente in der
Matrix vorliegt, dann soll der Stahl zur Ankeimung der Aushärtung schnell um maximal
300 ° C abgekühlt und schliesslich auf einem Kühlbett normal abgelagert werden.
Die Temperatur maximaler Löslichkeit der Mikrolegierungselemente und das Temperaturinterval
der Abschreckung zur Erzielung des angestrebten Effekts lassen sich experimentell
einfach ermitteln.