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Verformen von Stahl in einer Zieh-oder Preßmatrize Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum kontinuierlichen Verformen von heiß gewalzten Stählen durch Führen
in Stangenform durch eine Zieh- oder Preßmatrize.
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Es ist bekannt, Stähle kontinuierlich bei Temperaturen oberhalb von
Raumtemperatur, aber unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur zu verformen, doch
hatte man bisher angenommen, daß beim plastischen Verformen bei erhöhten Temperaturen
entweder die Zugfestigkeit oder die Verarbeitbarkeit des Materials abnimmt. In unerwarteter
Weise wurde nun gefunden, daß beim vorliegenden Verfahren die sonst üblichen besonderen
Verformungs- und Glühoperationen weggelassen werden können und das Verformen gegebenenfalls
direkt anschließend an das Heißwalzen durchgeführt werden kann, wobei sich Stähle
mit mechanischen Eigenschaften ergeben, die die Eigenschaften solcher Stähle übertreffen,
die durch Kaltverarbeitung oder durch Kaltverarbeitung mit nachfolgender Entspannung
oder nachfolgendem Spannungsausgleich hergestellt sind. Dieses Verfahren der plastischen
Verformung bei erhöhten Temperaturen bringt dann besondere und unerwartete Vorteile
mit sich, wenn dieses Verfahren auf Stähle angewandt wird, deren Zugfestigkeit durch
das plastische Verformen bei erhöhten Temperaturen vergrößert wird. Die Verarbeitbarkeit
der Stähle wird beim vorliegenden Verfahren vor allem dann verbessert, wenn das
Verfahren auf Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt oder auf schwach legierte Kohlenstoff-Mangan-Stähle
angewandt wird.
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Die Erfindung besteht demzufolge in der Anwendung des Verfahrens zum
kontinuierlichen Verformen von heiß gewalzten Stählen durch Führen in Stangenform
durch eine Zieh- oder Preßmatrize bei gegenüber Raumtemperatur erhöhten Temperaturen,
aber unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur, auf Stähle, die a) Perlitgefüge
in einer Grundmasse von freiem Ferrit aufweisen und die b) bei Verarbeitung bei
erhöhter Temperatur im Gebiet zwischen 300 und 450°C Verformungsverfestigung ergeben
sowie durch irgendeine Ausscheidungsart härten, wobei das Verformen in der Zieh-
oder Preßmatrize zwischen 300 und 450°C vorgenommen wird.
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Durch das vorliegende Verfahren werden Stähle mit Eigenschaften, wie
sie bisher nur durch Anwendung anomal hoher Kaliberabnahmen und Entspannung, z.
B. gemäß der USA.-Patentschrift 2 320 040 (Landi) erzielt wurden, in beträchtlich
vereinfachter oder wirtschaftlicher Weise erhalten. Es ist gefunden worden, daß
auf Grund der Temperatur und der Drücke, die durch die Ziehmatrize ausgeübt werden,
eine solche Reaktion in dem Stahl entsteht, daß der Spannungsausgleich in Kombination
mit der Entwicklung der beschriebenen Verbesserungen der physikalischen und mechanischen
Eigenschaften auftritt.
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Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften ist gefunden worden; '
daß es durch Ziehen bei erhöhten Temperaturen in dem definierten Bereich möglich
ist, durch Anwendung normaler Kaliberabnahmen Festigkeitseigenschaften, Proportionalitätsgrenzen
und eine Härte zu erzielen, die vergleichbar sind mit den entsprechenden von dem
Landi-Patent erreichten, ohne eine nachfolgende Ofenbehandlung oder Spannungsausgleich
zu erfordern. Bei anomal hohen Kaliberabnahmen, bei denen der Stahl auf einer erhöhte
Temperatur erwärmt wird, werden erheblich verbesserte mechanische Eigenschaften
erhalten. Dadurch wird es möglich, die teureren vergüteten Stähle oder Legierungsstähle
durch leicht zugängliche nichtaustenitische Stähle zu ersetzen.
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Diese unerwarteten und nicht vorauszusehenden Ergebnisse werden nur
erzielt auf Grund a) der geeigneten Stahlzusammensetzung, b) der Temperatur der
plastischen Verformung und c) des Grades der plastischen Verformung. Beispielsweise
ist gefunden worden, daß beim Ziehen eines nichtaustenitischen Stahles, der innerhalb
eines Temperaturbereichs von etwa 300 bis 450°C
erwärmt wird, mit
anomal hohen Kaliberabnahmen, äußerst hohe Zugfestigkeits- und Härtewerte erhalten
werden können, falls die geeignete Temperatur für eine besondere Stahlzusammensetzung
angewandt wird. Wenn ein Stahl auf eine Temperatur oberhalb des angegebenen Bereichs
erwärmt wird, entsteht eine Verminderung der Zugfestigkeit und der Härte mit einer
begleitenden Erhöhung der Dehnbarkeit.
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Es wurde festgestellt, daß erfindungsgemäß durch geeignete Temperaturregelung
neue und unerwartete Proportionalitäts- und Streckgrenzen in Stählen des nichtaustenitischen
Typs entwickelt werden können, der eine Perlitstruktur in einer Grundmasse von freiem
Ferrit hat. Dabei laufen Proportionalitäts- und Streckgrenze in vielen Beziehungen
zueinander parallel. Es wurde gefunden, daß durch Erwärmung des Stahles auf eine
Temperatur innerhalb des Bereiches von 300 bis 450°C überlegene Ergebnisse hinsichtlich
der Proportionalitäts- und Streckgrenze erzielt werden und daß die Erwärmung des
Stahles auf Temperaturen über oder unter dem definierten Bereich beim Ziehen die
Fließ- oder Streckgrenze reduziert, aber gleichzeitig die Dehnbarkeit erhöht. Die
Entwicklung solcher unerwarteter Eigenschaften der Fließ- und Proportionalitätsgrenze
scheint von der Kaliberabnahme, der Temperatur, bei der die optimalen Eigenschaften
erreicht werden, und von der Zusammensetzung des Stahles abhängig zu sein.
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Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.
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Beispiel 1 Stahlzusammensetzung 0,170/, Kohlenstoff;
0,750/, Mangan, 0,03 % Phosphor, 0,04% Schwefel, 0,080/, Siliziutri,
0,005 % Stickstoff.
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Beispiel 2 Stahlzusammensetzung: 0,48"/, Kohlenstoff, 1,500/0 Mangan,
0,03 % Phosphor, 0,27% Schwefel, 0,30% Silizium, 0,05 % Stickstoff.
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Verfahren Stahlstangen der obigen Zusammensetzungen, welche gemäß
der üblichen Warmwalzpraxis erzeugt wurden, so daß sie eine normale Perlit- und
Ferritstruktur haben, wurden durch eine Ziehmatrize vorgeschoben, um eine 19%ige
Querschnittverminderung von 15,88-mm-Rundstangenmaterial zu erreichen. Eine Gruppe
von Stangen wurde mit Schmiermittel auf der Oberfläche gezogen, aber ohne eine vorherige
Erwärmung auf erhöhte Temperatur. Andere Stangen wurden durch dieselbe Matrize mit
demselben Schmiermittel gezogen, aber für das Ziehen auf verschiedene erhöhte Temperaturen
im Bereich bis zu ungefähr 566°C erwärmt. Zugfestigkeit, Härte, Proportionalitäts-
und Fließgrenze wurden jeweils bestimmt. Die Werte sind in den folgenden Tabellen
aufgeführt.
| Tabelle 1 |
| Zugfestigkeit verschiedener Stähle, |
| die bei verschiedenen Temperaturen |
| mit 19%iger Querschnittverminderung gezogen sind |
| Temperatur des Zugfestigkeit (kg/mm2) |
| gezogenen Stahles Stahl des Stahl des |
| (°C) Beispiels 1 I Beispiels 2 |
| 23,9 62,60 94,20 |
| 127 62,60 94,90 |
| 210 66,80 103,60 |
| 293 67,50 105,00 |
| 365 71,70 104,30 |
| 460 60,50 94,20 |
| 557 50,60 85,80 |
| Tabelle 2 |
| Brinellhärte von verschiedenen Stählen, |
| die bei verschiedenen Temperaturen |
| mit 19%iger Querschnittverminderung gezogen sind |
| Temperatur des Brinellhärte |
| gezogenen Stahles Stahl des I Stahl des |
| (° C) Beispiels 1 Beispiels 2 |
| 23,9 174 250 |
| 127 183 255 |
| 210 197 280 |
| 293 205 311 |
| 365 200 295 |
| 460 191 277 |
| 557 140 245 |
| Tabelle 3 |
| Proportionalitätsgrenzen für verschiedene Stähle, |
| die bei verschiedenen Temperaturen |
| mit 19%iger Querschnittverminderung gezogen sind |
| Temperatur des Proportionalitätsgrenzen (kg/mm') |
| gezogenen Stahles Stahl des Stahl des |
| (° C) Beispiels 1 Beispiels 2 |
| 23,9 45,00 43,60 |
| 127 45,00 59,80 |
| 210 51,30 70,30 |
| 293 56,20 75,20 |
| 365 62,60 84,40 |
| 460 57,00 79,70 |
| 557 52,00 70,30 |
Aus dem Obigen erkennt man, daß für Stangen, die mit einer 19%igen Querschnittverminderung
innerhalb des Temperaturbereiches von 300 bis 450°C gezogen sind, die Zugfestigkeitseigenschaften,
die Härte und die Proportionalitätsgrenze bei beträchtlich höheren Werten liegen
als solche, die bei Temperaturen unterhalb und oberhalb des beschriebenen Bereichs
gezogen sind, und daß zwischen Temperaturen von 300 und 450°C eine ausgeprägte Verbesserung
in solchen Eigenschaften von Stählen mit Zusammensetzungen gemäß den Beispielen
1 und 2 erzielt wird.
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Die Verbesserung in anderen mechanischen und physikalischen Eigenschaften,
verbunden mit den Verbesserungen, die in den mechanischen Eigenschaften in der hier
beschriebenen und beanspruchten Weise gewährleistet werden, sind in der folgenden
Tabelle veranschaulicht, in der die Eigenschaften bei der angegebenen Kaliberabnahme
und der gewählten
Temperatur aufgezählt und in Vergleich mit Materialeigenschaften
nach kaltem Ziehen bei Raumtemperatur gesetzt sind.
| Tabelle 4 |
| Eigenschaften eines Stahles, der bei verschiedenen |
| Temperaturen mit einer 19%igen Querschnitt- |
| verminderung gezogen worden ist |
| Eigenschaften Stahl des Beispiels 1 |
| 23,9°C 1 365°C |
| Zugfestigkeit (kg/mm2) . . . . . . . . 62,60 71,70 |
| Streck- oder Fließgrenze |
| (kg/mmz) .................. 61,90 71,10 |
| Proportionalitätsgrenze |
| (kg/mm',) .................. 45,00 62,60 |
| Querschnittverminderung (0/0) . . 45 57 |
| Dehnung bei 5,08 cm Meßlänge |
| (0/0) ....................... 10 12 |
| Verwerfungswert.............. -f-0,29 -0,21 |
| Oberflächenrauheit (Mikrozoll) . 45 15 |
| Brinellhärte .. .... ......... ... 175 I 200 |
Aus dem Obigen erkennt man, daß Stähle, die mit 19%iger Querschnittverminderung
bei erhöhter Temperatur innerhalb des beschriebenen Bereichs gezogen sind, wesentlich
verbesserte mechanische und physika= lische Eigenschaften und verminderte Verwertungswerte
durch das vorliegende Verfahren annehmen. Beispiel 3 Stahl des Beispiels 2 als 15,88-mm-Rundmaterial
wurde auf verschiedene Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur von ungefähr 23,9°C
bis zu ungefähr 427°C in einem gasbeheizten Ofen erwärmt und durch eine Ziehmatrize
gezogen, um Querschnittverminderungen von 12, 19 und 36 % zu bewirken. Die Werte
der Zugfestigkeit, Härte und Proportionalitätsgrenze, die in der folgenden Tabelle
5 angegeben sind, zeigen deutlich, daß Verbesserungen der Festigkeit, der Proportionalitätsgrenze
und der Härte in jedem Falle auftreten, wenn der Stahl bei einer Temperatur innerhalb
des definierten Bereichs gezogen wird.
| Tabelle 5 |
| Die Tabelle vergleicht die Eigenschaften von Stahl im Hinblick
auf Kaliberabnahme und Temperatur |
| Kaliberabnahme Ziehtemperatur |
| 23,9°C , i 127°C I . 266°.G . I 365°C I 460°C |
| Zugfestigkeit (kg/mm2) |
| 12% ........................... 92,10 89,30 97,60 102,00 94,20 |
| 190/0........................... 94,20 94,90 105,00 104,30
94,20 |
| 360/ 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 105,00 106,40 112,70 - 104,30 |
| Brinellhärte |
| 120/0 ........................... 236 246 271 282 236 '- |
| 190/0 ........................... 250 255 311 295 245 |
| 36% ........................... 285 283 313 307 277 |
| Proportionalitätsgrenze (kg/mm2) |
| 12% ........................... 48,70 46,90 76,60 71,00 60,50 |
| 19% ........................... 43,60 59,80 75,20 84,40 70,30 |
| 36% ........................... 54,80 71,70 103,60 95,60 85,80 |
Bei der praktischen Ausführung der Erfindung hat es sich als möglich herausgestellt,
bisher unerreichte Kombinationen mechanischer und physikalischer Eigenschaften gekoppelt
mit der Entwicklung verbesserter Zerspanbarkeit zu erzielen, deren Größe von der
Zusammensetzung des Stahles und von dem Zustand abhängt, in dem sich dessen Bestandteile
während des Ziehvorgangs befinden. Einige der nichtaustenitischen Stähle scheinen
gegen die Ziehtemperatur hinsichtlich ihrer Zerspanbarkeitskennwerte im wesentlichen
unempfindlich zu sein, während wesentliche Verbesserungen der Zerspanbarkeit Stähle
einer anderen Zusammensetzung ergeben, wenn sie innerhalb eines gut definierten
Temperaturbereichs gezogen werden, so daß die metallurgische Behandlung der Stähle
verbessert und der Stahl leichter dem Verwendungszweck angepaßt werden kann.
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Es ist schwierig, die Beziehung zwischen Zerspanbarkeit, Zusammensetzung
des Stahles, Ziehtemperatur und Kaliberabnahme exakt zu definieren. Vom praktischen
Standpunkt wurde festgestellt, daß bei einigen Sorten nichtaustenitischer Stähle,
die zwischen 0,10 und 0,50% Kohlenstoff enthalten, die Zerspanbarkeit des Stahles
durch Ziehen bei Temperaturen in dem Bereich von 300 bis 450°C erhöht wird. Bei
solchen Stählen ergeben sich sehr wesentliche und ausgeprägte Verbesserungen bei
der Zerspanbarkeit in nicht rückgeschwefelten, schwefelarmen Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt
zwischen 0,10 und 0,25 0/0, wenn sie bei Temperaturen zwischen 300 und 450°C gezogen
werden.
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Bei Untersuchungen ergab es sich auch, daß bei nichtaustenitischen
Stählen, die freies Ferrit enthalten, das zum Härten geeignet ist, wie beispielsweise
Verformungsverfestigung oder Ausscheidungshärtung, unerwartete Verbesserungen der
physikalischen Eigenschaften durch Behandlung bei Temperaturen erzielt werden, die
in der Lage sind, das freie Ferrit zu härten. In Stählen, die wenig oder kein freies
Ferrit in ihrer Struktur haben, scheint die Zerspanbarkeit im wesentlichen von der
Ziehtemperatur unbeeinflußt zu sein. Andererseits zeigen nichtaustenitische Stähle,
die wesentliche Mengen von freiem Ferrit enthalten, der als Einfluß des Ziehvorgangs
gehärtet wird, ausgeprägte
Verbesserungen bei der Zerspanbarkeit
durch geeignete Regelung der Ziehtemperatur, d. h. bei Temperaturen zwischen 300
und 450`C bei nichtaustenitischen Stählen, die einen Kohlenstoffgehalt haben, der
bevorzugt zwischen 0,10 und 0,20°/0 liegt.
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Durch Verarbeitung der nichtaustenitischen Stähle bei erhöhten Temperaturen
innerhalb des Bereichs von 300 bis 450°C ist es nicht nur möglich, bisher unerreichbare
Festigkeiten, Proportionalitätsgrenzen und andere Verbesserungen der mechanischen
und physikalischen Eigenschaften zu erreichen, sondern durch geeignete Wahl der
Temperatur hat es sich auch als möglich erwiesen, auch wesentliche Verbesserungen
der Zerspanbarkeit zu gewährleisten. Die Verbesserungen der Festigkeits- und Proportionalitätsgrenze
können unter Verlust von Dehnbarkeit erhalten oder nicht erhalten werden, wie sie
durch die Verarbeitungstemperatur bestimmt ist. Durch Verarbeitung bei erhöhten
Temperaturen in der beschriebenen Art ist es auch möglich, Restspannungen auf so
niedrige Werte zu vermindern, wie sie bisher durch die üblichen Ziehverfahren des
Stahles mit nachfolgendem Spannungsausgleich erzielbar waren. Auf diese Weise ist
es durch das hier beschriebene metallurgische Verfahren in einem einzigen Schritt
möglich, viele Vorteile zu erreichen, die bisher mehrere Schritte erforderten. Innerhalb
des Temperaturbereichs zum Ziehen können, um diese unerwarteten Verbesserungen der
Zerspanbarkeit zu erreichen, die angewandten Spannungsbedingungen zu vorherrschender
Wirkung gebracht werden, wodurch Druckkräfte in dem Oberflächenteil des gezogenen
Stahles auftreten.