DE3911190A1 - Verfahren zur elektrolytischen bearbeitung von endlos-stahlstraengen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrolytisches Be­ arbeitungsverfahren für Endlos-Stahlstränge.

Ein für die Bildung von Maschinenventilfederdraht verwende­ ter aufgerollter Stahlstab oder -draht wird zum Beispiel üblicherweise durch Abspanen der Oberfläche bearbeitet, um Beläge oder andere Verunreinigungen zu entfernen, wobei eine relativ glatt gefertigte Oberfläche hergestellt wird. Das Ab­ spanen hinterläßt normalerweise kleine Kratzer in der Draht­ oberfläche, die zu Defekten der daraus hergestellten Ventil­ federn beitragen.

Bekanntermaßen wird aufgerollter Stahldraht bearbeitet, indem er durch eine elektrolytische Zelle hindurchgeführt wird, in der eine positive Spannung direkt, beispielsweise über lei­ tende Metallwalzen, an den Strang angelegt wird, während an eine in den Elektrolyt, durch den der Strang hindurchgeführt wird, eintauchende Elektrode eine negative Spannung angelegt wird. Die Metallwalzen können die Oberfläche des bearbeiteten Metalls verkratzen.

In der US 33 38 809 A wird ein elektrolytisches Verfahren zur Reinigung eines Endlos-Strangs aus Stahldraht beschrie­ ben, das ohne direktes Anlegen von Spannung an den Strang auskommt. Der Strang wird abwechselnd positiviert und nega­ tiviert, indem er durch eine Serie von elektrolytischen Zel­ len geführt wird, wobei in jeder dieser Zellen eine Elektrode in der Nähe des Strangs angeordnet wird, diesen aber nicht berührt. Unter der Voraussetzung, daß die Elektrode einer bestimmten Zelle positiv betrieben wird, werden die Elektro­ den der benachbarten Zellen negativ betrieben. Die Elektroden induzieren auf dem Strang abwechselnd positive und negative Spannungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit dem/der ein Strang hergestellt werden kann, der frei von Oberflächenver­ unreinigungen und Oberflächenkratzern, gleichmäßig zusammen­ gesetzt und daher beispielsweise für die Herstellung von Ven­ tilfederdraht sehr nützlich ist. Der Draht soll schnell und effizient in langen Windungen bearbeitet werden können, wobei erhebliche Mengen an Stahl entfernt und gleichzeitig eine Wasserstoff-Versprödung vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Endlos-Stahlstrang ober­ flächenbearbeitet, indem (i) er zur Entfernung von Metall von der Strangoberfläche durch eine elektrolytische Einheit hindurchgeführt wird, (ii) in dem Strang ohne jeden direkten elektrischen Kontakt mit dem Strang ein Strom induziert wird und (iii) der Strang so durch die elektrolytische Einheit geführt wird, daß ein Abschnitt des Strangs in der elektro­ lytischen Einheit mindestens 25 Sekunden lang bearbeitet wird.

Ein anderes Merkmal der Erfindung liegt in der Bearbeitung eines Stahlstrangs zur Herstellung von Ventilfederdraht durch elektrolytische Oberflächenbehandlung, bei der kein direkter elektrischer Kontakt mit dem Strang hergestellt wird, und der Strang in einem Ofen einer Hitzebehandlung ausgesetzt wird, wobei in dem Ofen kein direkter mechanischer Kontakt zwischen irgendeiner Metalloberfläche und der Strangoberfläche herge­ stellt wird.

In bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird der Strang so geleitet, daß er mehr als einmal durch die elektrolytische Einheit läuft. Ferner wird der Strang in der elektrolytischen Einheit zur Entfernung von Oberflächenmaterial durch eine Se­ rie von alternierend polarisierten, sauren Elektrolysezellen und anschließend durch eine separate Elektolysezelle zur Ent­ fernung von Schmutz geführt. Der Hitzebehandlungsschritt um­ faßt vorzugsweise, daß der Draht durch einen Hochtemperatur­ ofen, danach durch einen Löscher und danach durch einen Nie­ dertemperaturofen geführt wird. In den Ofen wird der Draht durch ein Fließbett erhitzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer Vorrichtung durchgeführt, die zur Oberflächenbehandlung eines Stahl­ strangs eine elektrolytische Einheit mit einer Serie von Elektrolysezellen, in denen kein direkter elektrischer Kon­ takt mit dem Strang hergestellt wird, und einen Mechanismus umfaßt, mit dem der Draht mehr als einmal durch die elektro­ lytische Einheit geführt wird.

Der bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Strang aus Stahldraht kann mehr als 30 m (100 Fuß) Länge haben. Die Zusammensetzung der freigelegten Oberfläche ist dieselbe wie die des Drahtinneren. Sie ist frei von Ver­ unreinigungen und mechanisch zugefügten Kratzern.

Die ausgedehnte Bearbeitungszeit in der elektrolytischen Einheit gestattet die Entfernung erheblicher Stahlmengen. Eine relativ kurze elektrolytische Einheit kann verwendet werden, wenn der Strang mehrmals durch die gleiche Einheit geführt wird. Da die elektrolytische Bearbeitung und das Tempern ohne Kontaktieren des Strangs mit Metall erfolgt, wird das Auftreten von Oberflächenkratzern minimiert.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung und die Ansprüche deutlich.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Bandes zur Bearbeitung von aufgerolltem Stahldraht.

Fig. 2, 3 und 4 zeigen eine Aufsicht, eine Seitenansicht bzw. eine Endansicht (teilweise geschnitten und vom linken Ende der Fig. 2 gesehen) einer elektrolytischen Ein­ heit, die Teil des Bearbeitungsbandes aus Fig. 1 ist.

Fig. 5 und 6 zeigen eine Endansicht (geschnitten) und eine Seitenansicht (geschnitten) einer Elektrolysezelle der elektrolytischen Einheit.

Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm der Ofeneinheit des Bearbei­ tungsbandes aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt, wie in einem Band 10 zum Bearbeiten eines End­ los-Strangs 20 aus einem aufgerollten Stahlstab oder -draht 30 beispielsweise zur Herstellung von Ventilfederdraht der aufgerollte Strang 20 (nach dem er bis zum gewünschten Durch­ messer gewalzt oder gezogen wurde) in eine Elektro-Oberflä­ chenbearbeitungseinheit 40 geführt wird, in der eine erheb­ liche Stahlmenge von der Außenfläche entfernt wird, wobei eine saubere und unzerkratzte Oberfläche freigelegt wird, die wie das Metall im Inneren des Strangs zusammengesetzt ist. Nach dem Verlassen der Elektro-Oberflächenbearbeitungseinheit wird der Strang durch ein Reinigungs- und Beschichtungsbad 43, das eine Phosphatbeschichtungseinheit enthält, und danach durch eine Drahtzieheinheit 45 (zum Ziehen des Drahtes bis zu einem gewünschten Durchmessser) geführt. Bei ordnungsge­ mäßer Durchführung wird die Drahtzieheinheit der Drahtober­ fläche keine wesentlichen mechanischen Beschädigungen zufü­ gen. Im Anschluß an die Drahtzieheinheit wird der Strang durch eine Ofeneinheit 50 geführt, um dem Strang die gewünsch­ te metallurgischen Eigenschaften zu verleihen. Zum Schluß wird der Strang, der 30 m (100 Fuß) und vorzugsweise viel länger sein kann, erneut aufgerollt 61. Der Strang wird zwi­ schen der Elektro-Oberflächenbearbeitungseinheit und der Drahtzieheinheit und zwischen der Drahtzieheinheit und der Ofeneinheit vorübergehend erneut aufgerollt. Die Wiederauf­ wickelvorrichtungen sind in Fig. 1 nicht gezeigt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen, wie in der Elektro-Oberflächenbear­ beitungseinheit 40 der Drahtstrang 20 (nach dem Passieren ei­ nes Zunderbrechers, nicht gezeigt) in den Figuren von rechts nach links über die erste Rille einer Spannrollenhaspel 52, unter eine Führungsrolle 54 und direkt in eine erste Bank 56 von Elektro-Oberflächenbearbeitungszellen läuft. Die Bank 56 ist eine von 5 ähnlichen Banken, die der Strang der Reihe nach durchläuft, wobei er letztendlich aus der letzten Bank 58 austritt. Danach wird der Strang nacheinander durch einen Luftwischer 60 (mit Umgebungstemperatur), ein saures Spülbad 62 (das Wasser mit Umgebungstemperatur), einen Luftwischer 64 (mit Umgebungstemperatur), ein Frischwasser-Spülbad 66 (mit Umgebungstemperatur), einen Luftwischer 68 (mit Umge­ bungstemperatur), eine Bank aus vier elektrolytischen Ent­ schmutzungszellen 70 (wäßrige Schwefelsäure mit 43-49°C (110- 120°F)), einen Luftwischer 72 (mit Umgebungstemperatur), ein saures Spülbad 74 (Wasser mit Umgebungstemperatur) und einen Luftwischer 76 (mit Umgebungstemperatur) geführt. Der Strang wird anschließend unter eine Führungsrolle 78 und über die erste Rille einer Antriebshaspel 80 geführt, wird um die Has­ pel herumgewickelt, wobei er seine Richtung ändert, und zur zweiten Rille der Spannrollenhaspel zurückgeführt. Er wickelt sich um diese Rille, wobei er wiederum seine Richtung ändert, und wird in die erste Bank 56 zurückgeführt. Nach bis zu sechs Passagen durch die Serie von Banken verläßt der Strang die Elektro-Oberflächenbearbeitungseinheit 40 (in den Figu­ ren an der linken Seite).

Die Stationen entlang der Länge der Einheit 40 werden über Zufluß- und Abflußleitungen, eine Serie von Behältern und Pumpen, zu denen Elektrolytbehälter 82, 84, Pumpen 86, 88, ein Säurerückgewinnungsseitenzweig 90, ein Behälter für sau­ res Spülwasser und eine Pumpe 92, ein Frischwasserzulauf 94, ein Säurebehälter und eine Pumpe 96 sowie ein Behälter für saures Spülwasser und eine Pumpe 98 gehören, ver- und ent­ sorgt.

Fig. 4 zeigt, daß auf der Seite der Elektro-Oberflächenbear­ beitungszellen 100 die dem elektolytischen Behälter 102 ge­ genüberliegt ein Rohrbrücken-Mechanismus 104 vorhanden ist, der zum Heben, Austauschen und Absenken von Elektroden 108 benutzt wird. Die Elektrizität wird über die Rohrbrücke von einem Satz aus fünf Gleichrichtern 106 auf die Elektroden übertragen.

Fig. 5 und 6 zeigen, daß in jeder Bank 56 eine Reihe von 12 Zellen 110 vorhanden ist. Jede Zelle 110 umfaßt einen Trog 112, der einen Vorrat an Elektrolyselösung 114 enthält, durch die der Strang 20 auf seinem Weg durch die Elekto-Oberflächen­ bearbeitungseinheit hindurchläuft. Die Elektrolyselösung wird von unterhalb über kleine im Boden des Trogs angeordnete Löcher 118 zugeführt, und durch Auslaufen (Pfeile 117) aus dem Trog, wobei die Seiten überlaufen werden und die Flüssig­ keit in einer Pfanne 120 gesammelt wird, abgeführt. Die auf­ einanderfolgenden Zellen in jeder Bank werden durch isolie­ rende Trennwände 122 und 124 definiert. Auf den Trennwänden sind zur Führung und zum Unterstützen des Strangs 20 auf sei­ nem Weg durch die Bank Keramikführungen 126 angebracht. Jede Zelle wird über fünf Elektroden 128 versorgt, die von dem Rohrbrücken-Mechanismus 104 herunterhängen. Jede Elektrode ist so konfiguriert, daß ihr unteres Ende zwischen zwei Ab­ schnitten des sich bewegenden Strangs 20 hängt, diese aber nicht berührt. Alle fünf Elektroden, die eine bestimmte Zelle versorgen, sind elektrisch miteinander verbunden und sind al­ le mit dem einen oder dem anderen der beiden Pole der Gleich­ richter 106 verbunden. (Die Gleichrichter liefern 600000 A (amps) bei 24 V (volts DC).) Die Polaritäten der aufeinander­ folgenden Zellen alternieren. Das bedeutet, daß, wenn die Elektroden einer bestimmten Zelle mit dem positiven Pol der Gleichrichter verbunden sind, die Elektroden der nächsten Zelle mit dem negativen Pol verbunden sind.

Die Elektrolyselösung besteht aus 19-22% Schwefelsäure und vorzugsweise maximal 7% Eisen(II)sulfat in Wasser. Zwar wird die Lösung mit einer Temperatur von 60°C (140°F) in die Zellen geleitet, jedoch steigt diese darin auf eine Arbeitstemperatur von 77°C (170°F).

Die Anordnung der vier Entschmutzungszellen ist änlich der der eigentlichen elektrolytischen Zellen. Die Polarität der vier aufeinanderfolgenden Zellen alterniert in gleicher Weise.

Fig. 7 zeigt, wie in der Ofeneinheit 50 der elektro-oberflä­ chenbearbeitete Stahlstrang 20 nacheinander, um dem Stahl austenitische Qualitäten zu verleihen, durch einen Hochtempe­ raturofen 150 (austenitisierend) mit 870°C (1600°F), einen 01- Löscherbehälter 152 mit 55°C (130°F) und durch einen Tieftempe­ raturofen 154 mit 370-593°C (700-1100°F) (je nach der ge­ wünschten Zugfestigkeit) geführt wird. Die Temperatur des den Öllöscher verlassenden Strangs beträgt ungefähr 68°C (155°F). Daran anschließend wird der Ofen 154 durchlaufen. Danach wird der Strang durch einen Wasserlöscher 155 abgekühlt.

Beide Öfen 150, 154 sind vom Fließbett-Typ, in denen der Strang auf Stahlwalzen, die an den entgegengesetzten Ofenen­ den angeordnet sind, gestützt wird. Beim Passieren der Ofen wird der Strang durch ein Fließbett aus Sand erhitzt. Hier­ durch wird die Notwendigkeit eines Bleibetts oder irgendeiner Art von Metall-Niederhalter oder Metall-Führungseinrichtung, die die Oberfläche des Strangs verkratzen könnte, vermieden. (Die Ofeneinheit kann von Rosin Engineering Company, Stour­ bridge, West Midlands, England bezogen werden.) In Fig. 7 sind die Stützwalzen an den Positionen 160, 162 und 164 an­ geordnet, so daß der Strang die Walzen an Stellen berührt, an denen er relativ kalt ist.

Beispiel

In der Elektro-Oberflächenbearbeitungseinheit 40 wird beim Durchlaufen des Strangs durch eine bestimmte Zelle, an deren Elektrode eine negative Spannung anliegt, in dem Strang ein Strom in einer solchen Richtung induziert, daß Metall durch Auflösung in dem Elektrolyten entfernt wird. Wenn die Zelle, durch die der Strang läuft eine positive Elektrode besitzt, führt die Stromrichtung im Strang zu dessen Säuberung. Die vom Strang entfernte Metallmenge hängt unter anderem von der Gesamteintauchzeit in den negativen Zellen, die von der Länge der Elektro-Oberflächenbearbeitungseinheit (hier 12 m (40 Fuß)), von der Geschwindigkeit des Drahtes durch die Einheit und der Zahl der Durchläufe durch die Einheit abhängt, der Zusammensetzung und Temperatur des Elektrolyten und dem pro Mantelfläche auf den Strang einwirkenden Strom ab. Ziel ist es, eine beträchtliche Materialmenge (e.g. 0.01 cm (0.004 inch)) zu entfernen und nicht nur die Oberfläche zu reinigen, um so die Strangoberfläche von Verunreinigungen und von jeg­ lichen Kratzern und Schleifspuren, die beim ursprünglichen Heißwalzen des Stahls aufgetreten sein können, zu befreien. Hierzu sind Eintauchzeiten von e.g. mindestens 25 Sekunden erforderlich, was länger ist, als die zum puren Säubern oder Polieren der Oberfläche verwendeten Zeiten. Ein Aspekt der Erfindung ist, daß verunreinigungs- und kratzerfreier Draht mit der neuen Lang-Länge von mehr als 30 m (100 Fuß) herge­ stellt werden kann.

Um beispielsweise 0.220 Draht zu bearbeiten, könnte die Elek­ tro-Oberflächenbearbeitungseinheit mit einer Geschwindigkeit von 106 m (350 Fuß) pro Minute arbeiten, wobei der Strang alle sechs Durchgänge durch die Einheit macht. Für eine 12 m (40 Fuß) lange Elektro-Oberflächenbearbeitungseinheit würde die gesamte Bearbeitungslänge dann 73 m (240 Fuß) betragen, wobei der Durchmesser um insgesamt ungefähr 0.01 cm (0.004 inch) abnehmen würde. Die gesamte Bearbeitungszeit wäre 48 Sekunden. Elektrische Ströme von 6.2 bis 7.8 A/cm² (40 bis 50 amps per square inch) werden bevorzugt. Auf ähnliche Wei­ se könnte ein 0.3125 Draht mit 79 m (260 Fuß) pro Minute und lediglich fünf Durchgängen durch die Einheit zum Entfernen von 0.01 cm (0.004 inch) vom Durchmesser bei 45 Sekunden Ein­ tauchzeit bearbeitet werden. Analog würde ein 0.375 Draht mit 69 m (225 Fuß) pro Minute in fünf Passagen mit einer Ge­ samtbearbeitungszeit von 45 Sekunden durchlaufen.

Weitere Ausführungen ergeben sich aus den Ansprüchen. Bei­ spielsweise können einige der Elektrolysezellen zur Verkür­ zung der Bearbeitungszeit für einen bestimmten Drahttyp abge­ stellt werden. Der Draht kann auch weniger als sechsmal durch die Elektrolyseeinheit geführt werden. Weiterhin kön­ nen auch andere Arten von Draht anstelle von Ventilfederdraht bearbeitet werden.

Claims (16)

1. Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Endlos- Stahlstrangs, bei dem man den Strang zur Entfernung von Metall von der Strangoberfläche durch eine Elektrolyse­ einheit führt, in dem Strang ohne jeden direkten elek­ trischen Kontakt mit dem Strang Strom induziert und den Strang so durch die Elektrolyseeinheit bewegt, daß ein Strangabschnitt in der Elektrolyseeinheit mindestens 25 Sekunden lang bearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man den Strang so führt, daß er die Elektrolyse­ einheit mehr als einmal durchläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Strang beim Durchlaufen der Einheit zur Ent­ fernung von Oberflächenmaterial eine saure Elektrolyse­ zelle und anschließend eine Elektrolysezelle zur Entfer­ nung von Schmutz passiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem man den Strang so führt, daß er die Elektrolyse­ einheit mehr als einmal durchläuft und bei jedem Durch­ lauf sowohl die saure als auch die Schmutzentfernungs­ zelle passiert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Strang beim Durchlaufen der Einheit eine Serie von Elektrolysezellen mit Elektroden alternieren­ der Polarität passiert.

6. Verfahren zur Bearbeitung eines Stahlstrangs zur Her­ stellung von Ventilfederdraht, bei dem man den Strang in einem elektrolytischen Pro­ zeß elektrolytisch oberflächenbearbeitet, wobei kein direkter elektrischer Kontakt mit dem Strang hergestellt wird, und den Strang in einem Ofen mit Hitze behandelt, wobei in dem Ofen kein direkter mechanischer Kontakt zwischen irgendeiner Metalloberfläche und der Strang­ oberfläche hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Strang bei der Hitzebehandlung auf einem Fließbett gestützt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Strang bei der Hitzebehandlung durch einen Hochtemperaturofen, danach durch einen Löscher und an­ schließend durch einen Niedertemperaturofen geführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem in dem Strang beim elektrolytischen Oberflächen­ behandeln ohne jeden direkten elektrischen Kontakt mit dem Strang Strom induziert wird und der Strang so durch die Elektrolyseeinheit bewegt wird, daß ein Strangab­ schnitt in der Elektrolyseeinheit mindestens 25 Sekunden lang bearbeitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem man den Strang so führt, daß er die Einheit mehr als einmal durchläuft.

11. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Strang zur Entfernung von Oberflächenmate­ rial eine saure Elektrolysezelle und anschließend eine Elektrolysezelle zur Entfernung von Schmutz durchläuft.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem man den Strang so führt, daß er die Elektrolyse­ einheit mehr als einmal durchläuft und bei jedem Durch­ gang sowohl die saure als auch die Schmutzentfernungs­ zelle passiert.

13. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Strang beim Durchlaufen der Einheit eine Serie von Elektroysezellen mit Elektroden alternieren­ der Polarität passiert.

14. Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Stahl­ strangs mit einer Elektrolyseeinheit, die eine Serie von Elektrolysezellen, in denen kein direkter elektri­ scher Kontakt mit dem Strang hergestellt wird, und einen Mechanismus aufweist, mit dem der Draht mehr als einmal durch die Elektrolyseeinheit führbar ist.

15. Vorrichtung zum Bearbeiten einer Ventilfederdrahtrolle mit einer einer Elektrolyseeinheit, die eine Serie von Elektrolysezellen aufweist, in denen kein direkter elek­ trischer Kontakt mit dem Strang hergestellt wird, und einer Ofeneinheit zur Hitzebehandlung des Drahtes, wo­ bei in der Ofeneinheit kein direkter mechanischer Kon­ takt zwischen irgendeiner Metalloberfläche und der Strangoberfläche hergestellt wird.

16. Stahldrahtstrang mit einer Länge von mehr als 30 m (100 Fuß) bei dem die freiliegende Oberfläche genauso zusammengesetzt ist wie das Drahtinnere und dessen Oberfläche von Verunreinigungen und mechanisch aufge­ brachten Kratzern völlig frei ist.