DD292929A5 - Verfahren zur umformungsthermischen behandlung von stahl - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur umformungsthermischen Behandlung von Staehlen, das insbesondere in Kombination mit der Umformung von Walzstahl an Feinstahlstraszen vorteilhaft anwendbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Intensivkuehlung des Walzstahls aus der Umformwaerme derart zu realisieren, dasz Staehle mit einem speziellen, an der Verarbeitbarkeit und der Belastung unter Einsatzbedingungen orientierten Gefuegeaufbau herstellbar sind. Erfindungsgemaesz wird diese Aufgabe dadurch geloest, dasz die Druckwasserbeaufschlagung des Walzstahls nach der Umformung im Walzflusz in ausgewaehlten, reproduzierbaren Bereichen seiner Oberflaeche mit lokal voneinander abweichender und definiert einstellbarer Kuehlintensitaet erfolgt. Dabei ist eine Form der verfahrensgemaeszen Intensivkuehlung dadurch gekennzeichnet, dasz der Walzstahl ausschlieszlich in diskreten Bereichen seiner Oberflaeche derart mit Druckwasser beaufschlagt wird, dasz dort eine lokal begrenzte, partielle Martensitumwandlung des Gefueges erfolgt, waehrend die uebrigen Oberflaechenbereiche, ebenso wie der Kern des Walzstahls einer diffusionsgesteuerten Phasenumwandlung unterzogen werden.{Walzstahl; Intensivkuehlung; Kuehlintensitaet; Druckwasser; Walzflusz; Gefuege; Festigkeit; Umformbarkeit; Martensit; Zwischenstufe; Einhaertetiefe; Walzprofil; Kaliberschlusz; Randschicht; Verformbarkeit}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur umformungsthermischen Behandlung von Stählen, das insbesondere in Kombination mit der Umformung von Walzstahl an Feinstahlstraßen vorteilhaft anwendbar ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Umformungsthermische Behandlungsverfahren derart, daß die Wärmebehandlung nicht isoliert, sondern in einer vorteilhaften Kombination mit der plastischen Verformung des Werkstoffs erfolgt, wurden in der Vergangenheit international bereits in vielfältiger Form entwickelt und werden zur Herstellung verschiedener Stähle, speziell im Bereich von Draht- und Feinstahlstraßen, zunehmend produktionsmäßig genutzt. Unter Beachtung der dabei im Einzelfall angestrebten und realisierbaren Umwandlung dieser Stähle kann die große Zahl derartiger Verfahren und entsprechender Erzeugnisse wie folgt gruppiert werden:

1. Hochtemperatur-thermomechanische Behandlung unter Ausschaltung der Martensitumwandlung des Stahls

Hierzu gehören die Verfahren der Direktpatentierung von Walzdraht mit C-Gehalten von 0,35-0,85% und Abmessungen von 5,5-7,0mm Durchmesser, die zur Verbesserung der Kaltumformbarkeit vor dem Ziehen an Drahtstraßen derart aus der Walzhitze abgekühlt werden, daß es bevorzugt zur Bildung von feinstreifigem Perlit kommt. Die Entwicklung erster entsprechender Verfahrensvarianten begann bereits im Jahre 1917 (US-A 1232014; US-A 1295139), hatte die Einsparung des konventionellen Patentierens zum Ziel und erfolgte zu diesem Zeitpunkt ohne Kenntnis der metallkundlichen Zusammenhänge. Die dazu in den letzten 30 Jahre weiterentwickelten Verfahren (DE-C 1583411; DE-A 2529272; DE-A 2435831; DD-A 139260) haben sich an den modernen Drahtstraßen zum Teil weltweit durchgesetzt und basieren auf einer speziell profilierten, mehr oder weniger intensiven Abkühlung des Drahtes sowie deren Begrenzung durch die Martensitbildung, die in jedem Fall zu vermeiden ist. Ein anderes auf die Vermeidung von Martensit orientiertes umformungsthermisches Verfahren (DD 132355) ist dadurch gekennzeichnet, daß die Randschicht des Walzstahls einer Umwandlung in der Martensit-, Zwischen- und Perlitstufe unterworfen wird und danach der Walzstahl durch die verbleibende Kernwärme wieder austenitisiert wird. Ein derartig behandelter Stahl ist dadurch gekennzeichnet, daß er einen heterogenen Gefüge- und Festigkeitsaufbau über den Querschnitt besitzt, bei dem sich die Randzone des Walzstahls bereits nach der Abkühlung aus der Umformwärme im normalisierten Zustand befindet.

2. Hochtemperatur-thermor.iechanische Behandlung mit vollständiger Martensitumwandlung des Stahles

Die vollständige Härtung bzw. Vergütung a'is der Umformwärme wird auch als klassische HTMB bezeichnet und kam in Verbindung mit dem Schmiedeprozeß wahrscheinlich als ursprüngliches Härteverfahren für Stähle zur Anwendung. Auf der Basis eines Verfahrens zur Herstellung von Stählen mit stark verbesserten mechanischen Werkstoffeigenschaften (DD 119438) wurden die dafür im Walzwerksbereich bestehenden Vorurteile überwunden und die klassische HTMB mit vollständiger Martensitumwandlung bzw. Vergütung erstmals an einer Drahtstraße zur Anwendung gebracht. Eine vorteilhafte Ausführung dbr dazu notwendigen Profilierung des Abkühlprozesses ist dabei durch das Verfahren zur Herstellung von Walzstahlerzeugnissen mit entfestigter Randzone und hochfestem Kern gegeben (DD 119 270), wobei vergütbare Stähle dinkt aus der Walzhitze in einer mindestens zweistufigen Abkühlung derart gehärtet werden, daß die durchgehende Härtung des Kerns erst nach der Härtung der Randzone und dem Temperaturausgleich zwischen Rand und Kern erfolgt. Mit Hilfe dieses Verfahrens sind durchgehend vergütete hochfeste Stähle mit verbesserten Werkstoffeigenschaften herstellbar. (DD 267513)

3. Hochtemperatur-thermomechanische Behandlung mit partieller Martensitumwandlung des Stahls

Demgemäß sind Verfahren mr Herstellung von schweißbaren, thermisch verfestigten Betonstählen bekannt. (DD 106661; US 4016015), wobei die partielle Vergütung des Stahles in der Randschicht durch eine kurzzeitige, von der Abmessung des Betonstahles abhängige, einstufige Intensivkühlung aus der Umformwärme erzielt wiird. Die damit verbundene Unterschreitung

der M,-Temperatur im Randbereich des Stahles führt zur Bildung von Martensit, der beim anschließenden Temperaturausgleich zwischen Rand und Kern die notwendige Anlaßbehandlung erfährt. Ein vergleichbares Verfahren zur partiellen Vergütung aus der Umformwärme ist mit der Direktpatentierung von Ziehereivormaterir.l gegeben. (DE 2345738) Dabei kommen Stähle mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt zum Einsatz, so daß infolge der niedrigeren Μ,-Temperatur bei vergleichbarer einstufiger Intensivkühlung aus der Umformwärme, gegenüber den thermisch verfestigten Betonstählen eine weniger starke Randschicht mit einem Vergütungsgefüge entsteht.

Entsprechend DD 135917 ist außerdem ein partielles Vergütungsverfahren zur Herstellung von Walzstahlerzeugnissen mit mehrschichtigem Gefügeaufbau bekannt, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß der Walzstahl von Temperaturen oberhalb A₃ einer mehrstufigen intermittierenden Intensivkühlung mit schichtweiser martensitischer Umwandlung unterzogen wird, wobei die einzelnen Kühlstufen durch definierte Ausgleichszeiten unterbrochen werden, um einen Temperaturausgleich zwischen dem höher temperierten Kern und der jeweils neu gebildeten Martensitschicht herbeizuführen. Hierdurch wird u. a. ein höherfester Stahl, insbesondere Betonstahl bzw. Ziehereivormaterial, mit verbesserten Werkstoffeiger - :haften hergestellt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er eine inhomogene Verteilung über den Querschnitt besitzt, bei aer sich eine hochfeste martensitische Schicht im Übergangsbereich zwischen der äußeren Randschicht mit verminderter Festigkeit und dem weicheren Kernbereich befindet. (DD 268258)

Ein anderes umformungsthermisches Verfahren mit partieller Martensitumwandlung kombiniert die schichtweise martensitische Umwandlung des Walzstahles im Randbereich mit einer isothermen bzw. quasi-isothermen Umwandlung des aus metastabilem Austenit bestehenden Materialkerns derart, daß in diesem Kern eine Zwischenstufenumwandlung erfolgt. Der derart behandelte Walzstahl besitzt danach einen heterogenen Gefügeaufbau über den Querschnitt, wobei die Randzone aus einer oder mehreren selbstangelassenen, martensitischen Schichten und der Kern aus Zwischenstufengefüpe besteht. Allen entsprechenden Verfahren und den umformungsthermisch behandelten Draht- und Feinstahlerzeugnissen ist gemeinsam, daß z. B. auf die Ausbildung von martensitischen Umwandlungsprodukten generell verzichtet oder die Vergütung des gesamten Querschnitts bzw. der gesamten, oftmals aus mehreren Schichten aufgebauten Randzone angestrebt wird. Dabei wird die Kühlintensiiät über den Umfang und die Länge der Walzader allgemein so eingestellt, daß es zur Ausbildung von weitgehend konstanten Schichtdicken kommt. Damit ist den spezifischen Anforderungen der Praxis nicht in jedem Fall zu entsprechen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist daraufgerichtet, die Grenzen und Nachteile der bekannten Verfahren zur hochtemperaturthermomechanischen Behandlung von Stählen mit partieller Martensitumwandlung zu überwinden und das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten für derartige Verfahren, speziell zur Herstellung von Baustählen, zu erweitern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt dio Aufgabe zugrunde, die Intensivkühlung des Walzstahls aus der Umformwärme derart zu realisieren, daß Stähle mit einem speziellen, an der Verarbeitbarkeit und der Belastung unter Einsatzbedingungen orientierten Gefügeaufbau herstellbar sind

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Druckwasserbeaufschlagung des Walzstahlt, nach der Umformung im Walzfluß in ausgewählten, reproduzierbaren Bereichen seiner Oberfläche mit lokal voneinander abweichender und definiert einstellbarer Kühlintensität erfolgt. Dabei ist eine Form der verfahrensgemäßen Intensivkühlung dadurch gekennzeichnet, daß der Walzstahl ausschließlich in diskreten Bereichen seiner Oberfläche derart mit Druckwasser beaufschlagt wird, daß dort eine lokal begrenzte, partielle Martensitumwandlung des Gefüges erfolgt, während die übrigen gesamten Oberflächenbereiche, ebenso wie der Kern des Walzstahls einer diffusionsgesteuerten Phasenumwandlung unterzogen werden.

Eine andere Form der verfahrensgomäßen Intensivkühlung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Walzstahl in seinem Oberflächenbereich mit einer definiert einstellbaren, lokal voneinander abweichenden Kühlintensität erfolgt, wobei sich die Intensität der Druckwasserkühlung in diesen Bereichen der Oberfläche im Maximum um ein Vielfaches unterscheidet und die daraus resultierende Einhärtetiefe in diesen Bereichen analog einstellbar ist.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Verfahrensgestaltung und die damit realisierbaren Effekte werden am Beispiel eines Baustahls mit Rundprofil verdeutlicht. Dabei erfolgt die kurzzeitige, intensive Druckwasserbeaufschlagung des Walzstahls im Walzfluß nach der Umformung im letzten Gerüst ausschließlich im Bereich des Kaliberschlusses, so daß lediglich an diesen beiden gegenüberliegenden Seiten des Profils eine lokal begrenzte, partielle Maitensitumwandlung ausgelöst wird. Entsprechend der Größe des Flächenanteils dieser beiden aus angelassenem Martensit und Zwischenstufengefüge bestehenden Bereiche im ferritisch-perlitischen Grundgefüge ist insgesamt eine wesentliche Verbesserung der mechanisch-technologischen Werkstoffeigenschaften realisierbar. Trotz eines entsprechenden Festigkeitsanstiegs bleibt die Verformbarkeit des Stahls davon weitgehend unbeeinträchtigt, wenn der Kaliberschluß beim Biegen in den Bereich der neutralen Faser gelegt wird.

Claims (3)

1. Verfahren zur umformungsthermischen Behandlung von Stahl, das insbesondere in Kombination mit der Umformung von Walzstahl an Feinstahlstraßen vorteilhaft anwendbar ist, gekennzeichnet dadurch, daß die Druckwasserbeaufschlagung des Walzstahls nach der Umformung im Walzfluß in ausgewählten, reproduzierbaren Bereichen seiner Oberfläche mit lokal voneinander abweichender und definiert einstellbarer Kühlintensität erfolgt.

2. Verfahren zur umformungsthermischen Behandlung von Stahl gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Walzstahl ausschließlich in diskreten Bereichen seiner Oberfläche derart mit Druckwasser beaufschlagt wird, daß dort eine lokal begrenzte, partielle Martensitumwandlung des Gefüges erfolgt, während die übrigen Oberflächenbereiche, ebenso wie der Kern des Walzstahls einer diffusionsgesteuerten Phasenumwandlung unterworfen werden.

3. Verfahren zur umformungsthermischen Behandlung von Stahl gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Walzstahl in seinem gesamten Oberflächenbereich mit einer definiert einstellbaren, lokal voneinander abweichenden Kühlintensität erfolgt, wobei sich die Intensität der Druckwasserkühlung in diesen Bereichen der Oberfläche im Maximum um ein Vielfaches unterscheidet und die daraus resultierende Einhärtetiefe in diesen Bereichen analog einstellbar ist.