EP0172544B2 - Verfahren zur Wärmebehandlung von warmgewalzten Spannstählen in Form von Stäben oder Drähten - Google Patents

Verfahren zur Wärmebehandlung von warmgewalzten Spannstählen in Form von Stäben oder Drähten Download PDF

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EP0172544B2
EP0172544B2 EP85110316A EP85110316A EP0172544B2 EP 0172544 B2 EP0172544 B2 EP 0172544B2 EP 85110316 A EP85110316 A EP 85110316A EP 85110316 A EP85110316 A EP 85110316A EP 0172544 B2 EP0172544 B2 EP 0172544B2
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hot
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Stahlwerk Annahutte Max aicher & Cokg GmbH
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Stahlwerk Annahuette Max Aicher & Co Kg GmbH
Dyckerhoff and Widmann AG
Stahlwerk Annahuette Max Aicher GmbH and Co KG
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/06—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires
    • C21D8/08—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires for concrete reinforcement
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/902—Metal treatment having portions of differing metallurgical properties or characteristics
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    • Y10S148/902—Metal treatment having portions of differing metallurgical properties or characteristics
    • Y10S148/907—Threaded or headed fastener

Definitions

  • the invention relates to a method for the heat treatment of hot-rolled prestressing steels in the form of rods or wires.
  • Prestressing steel as used in construction as tendons for prestressed concrete, but also as anchor steel for ground and rock anchors as formwork anchors, for suspension cables from suspension bridges, inclined cables from inclined cable bridges, bracing, etc., generally have a yield strength of 835 to 1 080 N. / mm 2 and a tensile strength that varies from 1 030 to 1 230 N / mm 2 .
  • steels with a C content of 0.65 to 0.75%, an Si content of 0.60 to 1.60% and a Mn content of 0.70 to 1 are used as the starting material. 50% and chrome and / or vanadium and other alloying elements are used.
  • Prestressing steels of this type are known in various designs, for example as round wires, which are cold-drawn after hardening for strengthening and then tempered again, as flat steels, for example oval steels, which are tempered over the entire cross-section after rolling and as steel rods. Steel bars with a diameter between approximately 15 and 50 mm are then hot-rolled to increase the yield strength and then tempered for relaxation. In addition to the fact that only limited lengths can be produced because of the stretching, this complex manufacturing process entails high production costs.
  • prestressing steels In addition to the static strength values, prestressing steels must have the highest possible elastic limit and good deformability. In the case of screwable prestressing steels, in which thread anchors can be attached, high wear resistance of the surface and corrosion resistance are important. The relaxation properties and a sufficiently high fatigue strength are also important.
  • reinforcing bars that are used as slack, not prestressed reinforcement for reinforced concrete.
  • Reinforcing steels of this type are used either naturally hard, whereby the strength is determined by the alloy, or cold worked, for example by drawing or cold rolling, the latter primarily for structural steel mesh. Reinforcing steel of this type must be weldable; their analysis is therefore characterized by a low C content.
  • Such reinforcing steels generally have a yield strength between 420 and 500 N / mm 2 and a tensile strength between 500 and 550 N / mm 2 . Reinforcing steels with higher strength values are usually not manufactured.
  • the analyzes used are consistently those of weldable steels with a C content of less than 0.22%.
  • Reinforcing bars are manufactured with a smooth surface and as ribbed reinforcing bars.
  • Reinforced ribs usually have crescent-shaped ribs that run obliquely to the longitudinal axis of the bar, which extend in the transverse direction over a large part of the bar circumference and are intended to improve the bond between the bar in question in the concrete.
  • the invention has for its object to provide an accurate and inexpensive manufacturing process for prestressing steel, especially for screwable prestressing steel with the strength properties mentioned at the outset, which allows metallurgical easy-to-represent and cost-effective analyzes for the production of prestressing steel which is corrosion-resistant and which has a wear-resistant surface which reduces the risk of mechanical damage and is suitable for threading.
  • Prestressing steel should continue to be producible in any bar length, with high yield strength and high strength it should have great ductility or toughness, especially at low temperatures, and with low relaxation it should have high fatigue strength.
  • this object is achieved in that steels with a C content of 0.50 to 0.80%, an Si content of 0.20 to 0.50% and a Mn content of 0.30 to 0 , 80% after the hot rolling from the rolling heat at the exit side of the finishing stand out are subjected to a final rolling temperature which the steel is at the lower limit of the hot workability just above the transformation point a 3 by means of water having a surface quenching such that the material in a peripheral zone is immediately and completely converted into martensite and that the heat content remaining in the core zone during the subsequent cooling does not cause the martensitic peripheral zone to temper beyond the range of the intermediate stage in such a way that the surface temperature of the peripheral zone by temperature compensation in the period between the second and sixth seconds the heat treatment is between 400 degrees and 500 degrees C depending on the rod diameter.
  • the invention is based on the knowledge that the combinatorial interaction of certain factors is required in order to produce a prestressing steel with the specified properties in an economical manner.
  • the size of the austenite grain is determined, among other things, by the recrystallization that occurs during hot rolling after each pass. In absolute terms, the more frequently and more intensively it is deformed, the smaller it is. The final grain size is only achieved in the last rolling pass; Here, too, the deformation and the temperature as well as the dwell time at this temperature until the cooling process begins are decisive.
  • the temperature at the last roll pass is at the lower limit of the hot deformability, that is to say just above the transition point A 3 .
  • the cooling must start so quickly and so intensively that the cooling curve of the edge zone reaches the martensite area without reaching the areas of ferrite, pearlite and the intermediate stage. This is particularly important for a relatively carbon-rich steel, in which the martensite start temperature M S is relatively low.
  • the core zone of the rod must still have such a large heat content in order to cause the martensite present in the peripheral zone to temper.
  • FIG. 1 shows a time-temperature conversion diagram for a steel which roughly has the analysis preferred for the invention, namely 0.76% C, 0 , 23% Si and 0.63% Mn.
  • Curve R 1 shows the profile of the surface temperature of a steel rod with a relatively small diameter, for example 15.1 mm
  • curve K 1 shows the profile of the temperature of the core zone of the rod in question
  • R 2 is the corresponding curve of the surface temperature of a rod with a larger diameter.
  • curve R 1 in the area of tempering is essential for the heat treatment.
  • the curve R 1 of the surface temperature should run in the temperature range between 400 and 500 ° C. in the time between the second and the sixth second of the heat treatment recorded in FIG. 1; under no circumstances should it extend into the pearlite area.
  • the strong cooling of the edge zone also accelerates the heat transfer from the core zone.
  • conversion takes place directly in the intermediate stage or pearlite pre-precipitation takes place. It is considered particularly advantageous if the core zone of the rod converts in the upper intermediate stage area, which is characterized by a finely dispersible distribution of the carbides.
  • the intensity of the cooling of the peripheral zone essentially depends on the cooling capacity of the system available.
  • the cooling capacity depends on several factors.
  • a water quantity of 10 to 20 Vsec kg is considered to be particularly advantageous.
  • Inertia supporting this process can also be achieved through the chemical composition of the steel.
  • the alloy elements can be selected accordingly also to lower the C content to the lower limit.
  • Table 1 shows the analytical values of some melts of the steel grades 835/1 030 (ratio: yield strength / tensile strength) or 885/1 080, which were taken on tie rods with diameters of 26.5 mm and 15.1 mm.
  • Table 2 shows the static strength values, calculated as mean values, of some of the tensioning rods of the diameters 36.0 mm, 26.5 mm and 15.1 mm produced according to the invention.
  • the abbreviations Re here mean the yield strength, Rm the tensile strength, A 10 the elongation at break over a measuring length which corresponds to 10 times the diameter of the rod and A G the uniform elongation.
  • the high corrosion resistance of steels produced according to the invention is above all a result of great uniformity of the structure; due to the low temperature during rolling and the rapid cooling, disruptive factors are prevented from occurring.
  • relaxation tests to determine the inelastic elongation after 1000 hours of standing have shown that the relaxation losses are very low. Bending tests have shown excellent ductility properties of the samples examined.
  • the prestressing steels produced by the method according to the invention have a high level of comfort in the edge zone and a correspondingly high surface strength, they are particularly suitable for the production of screwable prestressing steels.
  • Threaded anchors are often used to transmit the clamping forces to the component in question.
  • Such a non-cutting deformation in contrast to a cut thread, has the advantage that in the threaded area with a reduced core cross-section, the steel structure is strengthened, particularly in the area of the thread fillets, so that the steel bar also has its full cross section, taking into account the allowable stresses corresponding force can be used.
  • a thread with such rounded fillets allows considerably greater tolerances compared to the thread of the nut and thus creates the prerequisite for inaccuracies in the installation of the anchoring bodies to be safely absorbed.
  • the invention accordingly also relates to the application of the method to the production of hot-rolled steel rods or wires with a smooth surface, which at least at the ends are provided with cold rolled threads suitable for screwing on a connecting or anchoring body, in which the fillet in the Thread fillets have a much larger radius of curvature than at the thread tips and on the production of steel rods or wires, which are provided with ribs by hot rolling, which at least in some areas run along a helix, which are arranged on two opposite sides of the rod circumference and Form parts of a thread onto which a connection or anchoring body provided with a corresponding counter thread can be screwed.
  • the fins behave towards the cooling medium like cooling fins during the heat treatment of this rod, that is to say that the heat output in the region of Ribs is comparatively larger than in the area of the smooth rod surface, so that the border zone between the core zone and the peripheral zone of the rod runs in a straight line.
  • This ratio is expediently 0.5 to 1 to 4.
  • the tension rod 1 shown in Fig. 2 is rolled as a smooth rod and has been subjected to the heat treatment according to the invention.
  • a thread 2 was rolled onto the rod end, which is indicated in FIG. 4 in longitudinal section in a large enlargement.
  • This thread is a so-called asymmetrical partial thread, i.e. the radius of curvature in the area of the thread fillets 3 is significantly larger than in the area of the thread tips 4.
  • the tension rod 11 shown in FIGS. 5 and 6 is a so-called threaded rod, which has already been provided with threaded ribs 12 in the course of the hot rolling process.
  • the ribs 12 have a height h, an average width B and are arranged at a distance A from one another, which are approximately in a ratio of 0.5 to 1 to 4.
  • the ribs 12 each extend over approximately one third of the rod circumference to their full height and merge at their end faces 13 into the surface 14 of the rod core 15.
  • the boundary zone 16 between the edge zone R, in which the material of the steel has been converted into martensite by the surface quenching, and the core zone K, the heat content of which remains after the surface quenching causes the subsequent tempering of the martensitic edge zone R approximately straight .
  • This is the result of the increased cooling effect of the ribs during surface quenching and has the advantage of a consistently high surface strength of the steel and very good corrosion resistance.
  • the anchoring and connecting elements such as nuts, sleeves or the like, to be shorter than in the case of known tension rods with a homogeneous rod cross section.
  • the shorter these elements are, the better the force transmission in the thread area between the rod and nut or sleeve.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von warmgewalzten Spannstählen in Form von Stäben oder Drähten.
  • Spannstähle, wie sie im Bauwesen als Spannglieder für Spannbeton, aber auch als Ankerstähle für Erd- und Felsanker als Schalungsanker, für Hängekabel von Hängebrücken, Schrägkabel von Schrägkabelbrücken, Abspannungen usw. verwendet werden, haben im allgemeinen eine Streckgrenze die von 835 bis 1 080 N/mm2 und eine Zugfestigkeit, die von 1 030 bis 1 230 N/mm2 variiert. Bei den bisher ausschließlich üblichen Herstellungsverfahren werden als Ausgangsmaterial Stähle mit einem C-Gehalt von 0,65 bis 0,75 %, einem Si-Gehalt von 0,60 bis 1,60 % und einem Mn-Gehalt von 0,70 bis 1,50 % sowie Chrom und/oder Vanadium und anderen Legierungselementen verwendet.
  • Spannstähle dieser Art sind in verschiedenen Ausführungen bekannt, so zum Beispiel als Runddrähte, die nach dem Walzen zur Verfestigung kalt gezogen und danach wieder angelassen werden, als Flachstähle zum Beispiel Ovalstähle, die nach dem Walzen eine Vergütung über den gesamten Querschnitt erfahren und als Stahlstäbe. Stahlstäbe mit Durchmessem zwischen etwa 15 und 50 mm werden warmgewalzt zur Erhöhung der Streckgrenze anschließend gereckt und zur Entspannung nachfolgend angelassen. Abgesehen davon, daß wegen des Reckens nur begrenzte Längen herstellbar sind, bedingt dieses aufwendige Herstellungsverfahren hohe Produktionskosten.
  • Spannstähle müssen neben den statischen Festigkeitswerten eine möglichst hoch liegende Elastizitätsgrenze und eine gute Verformungsfähigkeit besitzen. Bei schraubbaren Spannstählen also solchen, bei denen Gewindeverankerungen angebracht werden können, sind eine hohe Verschleißbeständigkeit der Oberfläche sowie Korrosionsbeständigkeit von Bedeutung. Wichtig sind auch die Relaxationseigenschaften sowie eine ausreichend hohe Dauerschwingfestigkeit
  • Zur Herstellung kaltgezogenen Drahtes, wie er insbesondere in verdrillten Drahtprodukten, z.B. Drahtseilen Verwendung findet, ist es bekannt, einen Stahl zu verwenden, der im wesentlichen 0,65 bis 1,0 % C 0,25 bis 1,20 % Mn sowie maximal 0,35 % Si enthält und dem 0,03 bis 0,15 % Vanadium und bis zu 0,20 % Molybdän zugesetzt werden, um ein gleichförmigeres Produkt auch dann zu erhalten, wenn ein der mehrere Patentierungsschritte eingespart werden (DE-A 1 913 758).
  • Zur Herstellung eines hochfesten verformbaren StahLdrahtes mit vergLeichweise geringem Durchmesser ist es auch bekannt, Stähle mit einem C-Gehalt von 0,65 % bzw. 0,76 % und einem Mn-Gehalt von jeweils 0,60 % aus der Walzhitze von mehr als 1.000 Grad C heraus an der Oberfläche mittels Wasser auf eine Ausgleichstemperatur unterhalb der allotropen Umwandlung z.B. zwischen 300 und 700 Grad C abzukühlen, den Draht dann in einander überlappenden Ringen auf einem Förderband auszulegen, um ihn an Luft weiter abzukühlen und ihn schließlich auf Bunde aufzuwickeln (US-A 4 284 438). Ein auf diese Weise hergestellter Stahldraht kann aufgrund seiner guten Verformbarkeit ohne weitere Wärmebehandlung kalt gezogen werden, um höhere Festigkeiten zu erreichen; für eine direkte Verwendung als Spannstahl ist er aufgrund seiner geringen Streckgrenze nicht geeignet.
  • Neben Spannstählen für Bauteile aus Spannbeton gibt es Betonstähle die als schlaffe, nicht vorgespannte Bewehrung für Stahlbeton eingesetzt werden. Betonstähle dieser Art werden entweder naturhart verwendet, wobei die Festigkeit durch die Legierung bestimmt wird, oder kaltverformt, beispielsweise durch Ziehen oder Kaltwalzen, letztere vor allem für Baustahlmatten. Betonstähle dieser Art müssen schweißbar sein ; ihre Analyse zeichnet sich somit durch einen geringen C-Gehalt aus. Solche Betonstähle haben in der Regel eine Streckgrenze zwischen 420 und 500 N/mm2 und eine Zugfestigkeit zwischen 500 und 550 N/mm2. Betonstähle mit höheren Festigkeitswerten werden üblicherweise nicht hergestellt. Bei den verwendeten Analysen handelt es sich durchweg um diejenigen von schweißgeeigneten Stählen mit einem C-Gehalt von weniger als 0,22 %.
  • Betonstähle werden mit glatter Oberfläche und als Betonrippenstähle hergestellt. Betonrippenstähle besitzen meist schräg zur Stablängsachse verlaufende sichelförmige Rippen, die sich in Querrichtung über einen großen Teil des Stabumfangs erstrecken und den Verbund des betreffenden Stabes im Beton verbessern sollen.
  • Zur Erhöhung der Festigkeit und Verbesserung der Verformbarkeit von warmgewalzten Betonstählen dieser Art ist es bekannt, die Stäbe aus der Walzhitze an der Austrittsseite des Fertiggerüstes heraus mittels einer Kühlflüssigkeit einer Oberflächenabschreckung derart zu unterziehen, daß in dem Stab unmittelbar nach der Abschreckung eine Randzone aus Martensit oder Bainit vorliegt, während der im Stabkem verbliebene Wärmeinhalt während des nachfolgenden Abkühlens ein Anlassen der Randzone nicht über die Bainitstufe bewirkt (DE-AS2353034). Diesem bekannten Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, ohne Erhöhung der Gehalte an Kohlenstoff oder Mangan, welche der Forderung einer guten Schweißbarkeit zuwiderlaufen würde, die Festigkeit zu erhöhen und die Verformbarkeit zu verbessern. Eine typische Analyse eines derart wärmebehandelten Betonstahles weist 0,17 bis 0,22 C, 0,05 bis 0,30 % Si sowie 0,70 bis 1,10 % Mn auf.
  • Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein treffsicheres und kostengünstiges Herstellungsverfahren für Spannstähle, vor allem für schraubbare Spannstähle mit den eingangs genannten Festigkeitseigenschaften anzugeben, das es erlaubt, metallurgisch leicht darstellbare und kostengünstige Analysen zur Herstellung eines Spannstahles zu nutzen, der korrosionsbeständig ist und der eine verschleißfeste Oberfläche hat, welche die Gefahr mechanischer Beschädigungen verringert und zum Aufbringen von Gewinden geeignet ist. Der Spannstahl soll weiterhin in beliebigen Stablängen produzierbar sein, bei hoher Streckgrenze und hoher Festigkeit eine große Duktilität bzw. Zähigkeit vor allem auch bei tiefen Temperaturen haben und bei geringer Relaxation eine hohe Dauerschwingfestigkeit besitzen.
  • Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Stähle mit einem C-Gehalt von 0,50 bis 0,80 %, einem Si-Gehalt von 0,20 bis 0,50 % und einem Mn-Gehalt von 0,30 bis 0,80 % nach dem Warmwalzen aus der Walzhitze an der Austrittsseite des Fertiggerüstes heraus mit einer Endwalztemperatur, die an der unteren Grenze der Warmverformbarkeit des Stahles knapp über dem Umwandlungspunkt A3 liegt, mittels Wasser einer Oberflächenabschreckung derart unterzogen werden, daß das Material in einer Randzone unmittelbar und vollständig in Martensit umgewandelt wird und daß der in der Kernzone verbliebene Wärmeinhalt während des nachfolgenden Abkühlens ein Anlassen der martensitischen Randzone nicht über den Bereich der Zwischenstufe hinaus derart bewirkt, daß die Oberflächentemperatur der Randzone durch Temperaturausgleich in dem Zeitraum zwischen der zweiten und sechsten Sekunde der Wärmebehandlung in Abhängigkeit vom Stabdurchmesser zwischen 400 Grad und 500 Grad C beträgt.
  • Vorzugsweise werden dabei Stähle mit einem C-Gehalt von etwa 0,75 %, einem Si-Gehalt von etwa 0,25 % und einem Mn-Gehalt von etwa 0,60 % verwendet.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es des kombinatorischen Zusammenwirkens bestimmter Faktoren bedarf, um einen Spannstahl mit den angegebenen Eigenschaften auf wirtschaftliche Weise zu erzeugen.
  • Wesentlich ist dabei vor allem die Analyse, deren Verhältnismäßig hoher C-Gehalt eine hohe Festigkeit ergibt, die durch die nachfolgende Wärmebehandlung noch gesteigert wird. Während die Austenitisierung beim Vergüten als spezielles Homogenisierungsglühen stattfindet, leisten dieses bei der Spannstahlherstellung nach der Erfindung das Aufheizen im Walzwerksofen sowie der Walzvorgang selbst. Maßgeblich für das Produkt sind der Grad der Homogenität der Analyse, die Größe des Austenitkorns und die Temperatur des Lösungsglühens.
  • Die Größe des Austenitkoms wird unter anderem von der Rekristallisation bestimmt, die während des Warmwalzens nach jedem Stich auftritt. Absolut gesehen ist sie um so kleiner, je häufiger und intensiver verformt wurde. Die endgültig erreichte Korngröße entsteht aber erst im letzten Walzstich; maßgebend sind auch hier wiederum die Verformung und die Temperatur sowie die Verweilzeit auf dieser Temperatur bis zum Einsetzen des Kühlvorganges.
  • Bei der Herstellung von Spannstählen nach der Erfindung muß vor Beginn der Kühlung ein sehr feinkörniges, zumindest im Bereich der starken Verformung in der Randzone des Stabes sich eben neu bildendes Gefüge vorhanden sein. Damit verringert sich die Gefahr der Bildung von sehr widerstandsfähigen Austenitkörnern, welche die Korrosionsresistenz des Stahles ungünstig beeinflussen.
  • Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Temperatur am letzten Walzenstich, also am Fertiggerüst, an der unteren Grenze der Warmverformbarkeit, also knapp über dem Umwandlungspunkt A3 liegt. Dadurch entsteht ein sehr feinkörniges Gefüge und die Rekristallisation wird weitgehend verhindert. In Verbindung damit muß die Kühlung so schnell und so intensiv einsetzen, daß die Kühlkurve der Randzone den Martensitbereich erreicht, ohne in die Bereiche des Ferrit, Perlit und der Zwischenstufe zu gelangen. Dies ist vor allem bei einem verhältnismäßig kohlenstoffreichen Stahl von Bedeutung, bei dem die MartensitStart-Temperatur MS verhältnismäßig niedrig liegt. Zugleich muß aber die Kemzone des Stabes noch einen so großen Wärmeinhalt haben, um ein Anlassen des in der Randzone vorliegenden Martensits zu bewirken.
  • Die Bedingungen, unter denen dieser Vorgang ablaufen kann, können anhand Fig. 1 erläutert werden, die ein Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild für einen Stahl zeigt, der etwa die für die Erfindung bevorzugte Analyse aufweist, nämlich 0,76 % C, 0,23 % Si und 0,63 % Mn.
  • Dabei zeigen die Kurve R1 den Verlauf der Oberflächentemperatur eines Stahlstabes mit verhältnismäßig geringem Durchmesser, zum Beispiel 15,1 mm und die Kurve K1 den Verlauf der Temperatur der Kemzone des betreffenden Stabes. R2 ist die entsprechende Kurve der Oberflächentemperatur eines Stabes mit größerem Durchmesser.
  • Wesentlich für die Wärmebehandlung ist der Verlauf der Kurve R1 im Bereich des Anlassens. Um eine den Anforderungen an einen Spannstahl genügende Gefügestruktur zu erreichen, soll die Kurve R1 der Oberflächentemperatur in der Zeit zwischen der zweiten und der sechsten Sekunde der in Fig. 1 erfaßten Wärmebehandlung im Temperaturbereich zwischen 400 und 500°C verlaufen ; sie darf auf keinen Fall in den Perlitbereich hineinreichen.
  • Durch das starke Kühlen der Randzone wird auch der Wärmetransport aus der Kemzone beschleunigt. Je nach chemischer Zusammensetzung wird dann direkt im Zwischenstufenbereich umgewandelt oder es findet eine Perlitvorausscheidung statt. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Kemzone des Stabes im oberen Zwischenstufenbereich umwandelt, die sich durch eine fein dispersible Verteilung der Carbide auszeichnet.
  • Die Intensität der Kühlung der Randzone hängt wesentlich von der Kühlleistung der zur Verfügung stehenden Anlage ab. Die Kühlleistung ist von mehreren Faktoren abhängig. Für eine erprobte Kühlanlage wird eine Wassermenge von 10 bis 20 Vsec kg als besonders vorteilhaft angesehen. Eine diesen Vorgang unterstützende Umwandlungsträgheit kann auch durch die chemische Zusammensetzung des Stahles erreicht werden. So wirken beispielsweise die Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes, aber auch die üblichen Legierungselemente des Stahles, wie Mn, Si, Cr, Ni, Mo in diesem Sinne.
  • Durch die Beigabe von weiteren Legierungselementen gelingt es, bestimmte Eigenschaften des Spannstahles zu verbessern. So bewirken die Beigabe von Chrom (bis zu ca. 0,8 %) und Kupfer (bis zu ca. 0,5 %) eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, die Beigabe von Vanadin (bis zu ca. 0,15 %) und Niob (bis zu ca. 0,06 %) sowie der Mikrolegierungselemente Titan und Bor in Spuren eine Erhöhung der Zähigkeit und Dauerschwingfestigkeit. Durch entsprechende Wahl der Legierungselemente gelingt es auch, den C-Gehalt bis an die untere Grenze zu senken.
  • Wie Versuche ergeben haben, erfüllen die erfindungsgemäß hergestellten Spannstähle die an sie zu stellenden Anforderungen in hohem Maße. In Tabelle 1 sind die Analysenwerte einiger Schmelzen der Stahlsorten 835/1 030 (Verhältnis: Streckgrenze/Zugfestigkeit) bzw. 885/1 080 zusammengestellt, die an Spannstäben mit den Durchmessern 26,5 mm bzw. 15,1 mm genommen wurden. Tabelle 2 gibt die als Mittelwerte errechneten statischen Festigkeitswerte einiger nach der Erfindung hergestellter Spannstäbe der Durchmesser 36,0mm, 26,5 mm und 15,1 mm an. Hierin bedeuten die Abkürzungen Re die Streckgrenze, Rm die Zugfestigkeit, A10 die Bruchdehnung über eine Meßlänge, die dem 10-fachen Durchmesser des Stabes entspricht und AG die Gleichmaßdehnung.
  • Die hohe Korrosionsbeständigkeit von nach der Erfindung hergestellten Stählen ist vor allem eine Folge großer Gleichmäßigkeit des Gefüges ; durch die niedrige Temperatur beim Walzen und die schnelle Abkühlung werden Störfaktoren am Entstehen gehindert. Darüber hinaus haben Relaxationsversuche zur Bestimmung der unelastischen Dehnung bei 1000 Stunden Standzeit ergeben, daß die Relaxationsverluste sehr gering sind. Biegeversuche haben ausgezeichnete Duktilitätseigenschaften der untersuchten Proben ergeben.
  • Da die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Spannstähle eine hohe Komfeinheit in der Randzone und eine entsprechend hohe Oberflächenfestigkeit aufweisen, sind sie in besonderem Maße für die Herstellung von schraubbaren Spannstählen geeignet.
  • Für die Übertragung der Spannkräfte auf das betreffende Bauteil werden bei Spannstäben oft Gewindeverankerungen verwendet. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, auf mit glatter Oberfläche gewalzte Stäbe an den Enden auf kaltem Wege Gewinde aufzurollen. Eine solche spanlose Verformung hat im Gegensatz zu einem eingeschnittenen Gewinde den Vorteil, daß in dem Gewindebereich mit verringertem Kernquerschnitt eine Verfestigung des Stahlgefüges, insbesondere im Bereich der Gewindekehlen erzielt wird, so daß der Stahlstab auch im Gewindebereich mit der vollen, seinem Querschnitt unter Berücksichtigung der zulässigen Spannungen entsprechenden Kraft ausgenützt werden kann. Dabei ist es auch bekannt, dieses Gewinde so auszubilden, daß die Ausrundung in den Gewindekehlen einen wesentlich größeren Krümmungshalbmesser hat als die Ausrundung an den äußeren Gewindespitzen (DE-PS 10 68 454). Ein Gewinde mit derart ausgerundeten Kehlen läßt gegenüber dem Gewinde der Mutter erheblich größere Toleranzen zu und schafft somit die Voraussetzung dafür, daß Ungenauigkeiten beim Einbau der Verankerungskörper unschädlich aufgefangen werden können.
  • Es ist weiterhin bekannt, einen Spannstab schon im Wege der Warmwalzung mit schraubenlinienförmig Verlaufenden Rippen zu versehen, die auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Stabumfangs angeordnet sind und Teile eines Gewindes bilden, auf das ein mit einem entsprechenden Gegengewinde versehener Verankerungskörper aufgschraubt werden kann (DE-PS 17 64 630). Das auf diese Weise erzielte Teilgewinde hat gegenüber einem metrischen Gewinde sehr grobe Toleranzen, so daß es den Anforderungen des rauhen Baubetriebes sehr entgegerfkommt. Außerdem ist das Schraubgewinde ohne zusätzliche Aufwendungen auf der gesamten Länge des betreffenden Stabes vorhanden.
  • Schließlich ist es auch bekannt, die im Wege der Warmwalzung erzeugten Rippen als Querrippen auszubilden, die sich etwa über den halben Umfang des zylindrisch ausgebildeten Spannstabes erstrecken und zu ihren Enden hin an Breite und Höhe abnehmen (DE-PS 20 43 274). Von diesen Rippen liegen nur Teilbereiche auf einer Schraubenlinie, was aber die Möglichkeit eröffnet, daß auf ein derartiges Teilgewinde sowohl Verankerungskörper mit Rechts-, wie auch solche mit Linksgewinde aufgeschraubt werden können.
  • Gegenstand der Erfindung ist demgemäß noch die Anwendung des Verfahrens auf die Herstellung von warmgewalzten Stahlstäben oder -drähten mit glatter Oberfläche, die zumindest an den Enden mit kalt aufgerollten, zum Aufschrauben eines Verbindungs- oder Verankerungskörpers geeigneten Gewinden versehen werden, bei denen die Ausrundung in den Gewindekehlen einen wesentlich größeren Krümmungsradius hat als an den Gewindespitzen sowie auf die Herstellung von Stahlstäben oder - drähten, die im Wege des Warmwalzens mit Rippen versehen werden, welche zumindest in Teilbereichen entlang einer Schraubenlinie verlaufen, die an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Stabumfangs angeordnet sind und Teile eines Gewindes bilden, auf das ein mit einem entsprechenden Gegengewinde versehener Verbindungs- oder Verankerungskörper aufgeschraubt werden kann.
  • Dabei ist es vor allem bei Stahlstäben mit warmgewalzten Rippen wichtig, daß die Abschreckwirkung durch die Oberflächenform der Stäbe nicht beeinträchtigt wird bzw. daß die Oberflächenprofilierung der Stäbe so ausgebildet wird, daß die Stäbe auch im Bereich der Rippen eine gleichmäßige Vergütungsschicht aufweisen.
  • Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Höhe der Rippen, deren mittlere Breite und ihr Abstand in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen, bei der Wärmebehandlung dieses Stabes sich die Rippen gegeneinander dem Kühlmedium wie Kühlrippen verhalten, das heißt, daß die Wärmeabgabe im Bereich der Rippen vergleichsweise größer ist als im Bereich der glatten Staboberfläche, so daß die Grenzzone zwischen der Kernzone und der Randzone des Stabes geradlinig verläuft. Dieses Verhältnis beträgt zweckmäßig 0,5 zu 1 zu 4.
  • In der Zeichnung sind noch einige Arten von Spannstählen, die nach der Erfindung hergestellt werden können, dargestellt. Es zeigt
    • Fig. 1 ein Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild für einen erfindungsgemäß herzustellenden Spannstahl,
    • Fig. 2 einen Spannstab mit glatter Oberfläche und am Stabende aufgerollten Gewinde,
    • Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2,
    • Fig. 4 einen Ausschnitt aus dem Gewinde in größerem Maßstab,
    • Fig. 5 eine Seitenansicht eines Spannstabes mit warmgewalzten, auf einer Schraubenlinie liegenden Gewinderippen,
    • Fig. 6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 in Normalprojektion,
    • Fig. 7 einen Spannstab mit warmgewalzten, quer verlaufenden Gewinderippen und
    • Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7 in der Normalprojektion.
  • Der in Fig. 2 dargestellte Spannstab 1 ist als glatter Stab gewalzt und der Wärmebehandlung nach der Erfindung unterzogen worden. Auf kaltem Wege wurde auf das Stabende ein Gewinde 2 aufgewalzt, das in Fig. 4 im Längsschnitt in starker Vergrößerung angedeutet ist. Dieses Gewinde ist ein sogenanntes unsymmetrisches Teilgewinde, das heißt der Ausrundungsradius im Bereich der Gewindekehlen 3 ist wesentlich größer als im Bereich der Gewindespitzen 4.
  • Bei dem in den Fig. 5 und 6 dargestellten Spannstab 11 handelt es sich um einen sogenannten Gewindestab, der schon im Wege des warmen Walzvorgangs mit Gewinderippen 12 versehen wurde. Die Rippen 12 haben eine Höhe h, eine mittlere Breite B und sind in einem Abstand A voneinander angeordnet, die etwa in einem Verhältnis von 0,5 zu 1 zu 4 stehen. Die Rippen 12 erstrecken sich jeweils etwa über ein Drittel des Stabumfangs in voller Höhe und gehen an ihren Stirnseiten 13 in die Oberfläche 14 des Stabkerns 15 über.
  • Hier ist angedeutet, daß die Grenzzone 16 zwischen der Randzone R, in der das Material des Stahles durch die Oberflächenabschreckung in Martensit umgewandelt wurde, und der Kernzone K, deren nach der Oberflächenabschreckung verbliebener Wärmeinhalt das nachfolgende Anlassen der martensitischen Randzone R bewirkt, etwa geradlinig verläuft. Dies ist die Folge der verstärkten Kühlwirkung der Rippen bei der Oberflächenabschreckung und hat den Vorteil einer durchgehend hohen Oberflächenfestigkeit des Stahles und einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit.
  • Entsprechende Verhältnisse herrschen auch bei dem in den Fig. 7 und 8 dargestellten Gewindestab 21, bei dem die Rippen 12 als Querrippen ausgebildet sind. Auch hier verläuft die Grenzzone 22 zwischen der Kernzone K und der Randzone R des Stabes ohne Beeinflussung durch die Rippen geradlinig.
  • Infolge der hohen Oberflächenfestigkeit der vergüteten Randzone R, die auch die warmgewalzten Rippen umfaßt, ist es möglich, die Verankerungs- und Verbindungselemente, wie Muttern, Muffen oder dergleichen kürzer auszubilden als bei bekannten Spannstäben mit homogenem Stabquerschnitt. Je kürzer aber diese Elemente sind, desto besser ist die Kraftübertragung im Gewindebereich zwischen Stab und Mutter bzw. Muffe.
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002

Claims (7)

  1. Verfahren zur Wärmebehandlung von warmgewalzten Spannstählen in Form von Stäben oder Drähten mit einer Streckgrenze von 835 bis 1080 N/mm2 und einer Zugfestigkeit von 1030 bis 1230 N/mm2, bei dem Stähle mit einem C-Gehalt von 0,50 bis 0,80 %, einem Si-Gehalt von 0,20 bis 0,50 % und einem Mn-Gehalt von 0,30 bis 0,80 % nach dem Warmwalzen aus der Walzhitze an der Austrittsseite des Fertiggerüstes heraus mit einer Endwalztemperatur, die an der unteren Grenze der Warmverformbarkeit des Stahles knapp über dem Umwandlungspunkt A3 liegt, mittels Wasser einer Oberflächenabschreckung derart unterzogen werden, daß das Material in einer Randzone (R) unmittelbar und vollständig in Martensit umgewandelt wird und daß der in der Kernzone (K) verbliebene Wärmeinhalt während des nachfolgenden Abkühlens ein Anlassen der martensitischen Randzone (R) nicht über den Bereich der Zwischenstufe hinaus derart bewirkt, daß die Oberflächentemperatur der Randzone durch Temperaturausgleich in dem Zeitraum zwischen der zweiten und sechsten Sekunde der Wärmebehandlung in Abhängigkeit vom Stabdurchmesser zwischen 400 Grad und 500 Grad C beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stähle mit einem C-Gehalt von etwa 0,75 %, einem Si-Gehalt von etwa 0,25 % und einem Mn-Gehalt von etwa 0,60 % verwendet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endwalztemperatur zwischen 860 und 1060 Grad C liegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung bis zu ca. 0,8 % Chrom, bis zu ca. 0,5 % Kupfer, bis zu ca. 0,15 % Vanadium, bis zu ca. 0,06 % Niob sowie Spuren von Titan und Bor einzeln oder in Kombination beigegeben werden.
  5. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 auf die Herstellung von warmgewalzten Stahlstäben oder -drähten mit glatter Oberfläche, die zumindest an den Enden mit kalt aufgerollten, zum Aufschrauben eines Verbindungs oder Verankerungskörpers geeigneten Gewinden versehen werden, bei denen die Ausrundung in den Gewindekehlen einen wesentlich größeren Krümmungsradius hat als an den Gewindespitzen.
  6. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 auf die Herstellung von Stahlstäben oder -drähten, die im Wege des Warmwalzens mit Rippen versehen werden, welche zumindest in Teilbereichen entlang einer Schraubenlinie verlaufen, die an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Stabumfangs angeordnet sind und Teile eines Gewindes bilden, auf das ein mit einem entsprechenden Gegengewinde versehener Verbindungs- oder Verankerungskörper aufgeschraubt werden kann.
  7. Anwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen so ausgebildet und angeordnet sind, daß das Verhältnis von Höhe zu mittlerer Breite zu Abstand der Rippen etwa 0,5 zu 1 zu 4 beträgt.
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