WO2001027339A1 - Method for producing steel and use thereof in steel construction - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for the treatment of low-alloy steel in order to expand its previous uses while at the same time improving its useful properties and economy.
- An essential feature of the process is that the low-alloy, mostly tempered steel that is usually used mainly in machine and vehicle construction is made suitable for the first time according to the invention for absorbing very high compressive and tensile stresses in steel construction without the addition of concrete as a wire or rod-shaped main component considerable material savings in construction, construction safety and accuracy can be increased significantly.
- the surface of the steel be placed under a uniform carbon depletion (decarburization), this either only moderately and without ferrite formation (i.e. by decarburization) or according to claims 2 and 3 so strongly It should happen that the first surface layer loses its carbon completely (ie through carbonization).
- the content of Si is set to at least 0.35% by weight, since, as tests have shown, compliance with this lower limit in the chemical composition of the low-alloyed tempering steel means that Formation of a coherent ferrite layer under suitable thermochemical and heating conditions.
- the second limit in claim 2 for the Cr content with a maximum of 0.65% by weight has proven to be necessary in order not to increase the sensitivity of the martensitic steel structure in the high-strength state to the hydrogen-induced stress corrosion cracking in the core area, and that due to the after Claims 1 to 3 ferrite layer constructed according to the invention to effectively achieve permeability of the surface layer for the atomic hydrogen.
- Fig. 1 example cases (I) and (II) for targeted decarburization before
- Fig. 2 shows the temperature increase in the martensite structure due to
- Fig. 3 shows a cross section through a sleeve package as an example of the
- FIG. 4 shows an example of the shock training with 9 according to the invention
- Case (I) in Fig. 1 relates to steel grades according to claims 1 and 2.
- the surface layer initially contains the contiguous, carburized ferrite layer in accordance with claim 3.
- the decarburization profile continuing this layer gives the course of decarburization in the intermediate layer from the edge to Core area. For example, if the actual value from the piece analysis of a melt for the C content of a steel wire with a 25 mm rolling diameter in the core area is 0.50 to 0.54% by weight, the following results from FIG. 1: Case (I)
- Average C content in the surface layer with a depth of approximately 0.62 mm (corresponding to a 10% area share of the wire cross-section): approximately 0.30 to 0.32% by weight
- case (I) In order to be able to fully utilize the strength potential of a low-alloy tempered steel, it is necessary that the hardening process is adapted to the convertibility of the steel body into the martensitic structure, both in terms of process technology and system.
- the comparison of the mean C content of the two deliberately decarburized layers of case (I) and case (II) makes it clear that both values are in the range from 0.25 to 0.32% by weight and very close to one another.
- the very thin C-free ferrite layer in case (II) is adjacent with a lower-carbon region, so that overall an outer layer with C less than 0.10% by weight and a depth of about 0.3 mm is produced.
- the hot-rolled steel wire in heavy - e.g. up to three tons of reelable wire rings are chosen as the main starting material for the description, for example, of the process steps according to the invention for opening up new industrial fields of application and their implementation.
- the sole cause for the occurrence of the mechanical properties determined experimentally according to the invention in any case is the residual stress state of the material, which can be adjusted to the so-called "cubic" martensite by means of a conversion that is as uniform as possible free of austenite.
- the elasto-plastic behavior of the "cubic" martensite is somewhat well understood in terms of engineering mechanics if one assumes that the above-mentioned quasi-isotropic stress fields consist of elementary internal stress cells that attract each other very much in accordance with their maximum proximity.
- the elastic component arises when the fields are pulled apart, the plastic when they experience twists, it is clear that it is impossible to achieve a purely elastic or only plastic behavior, since this is not a structureless continuum.
- the proximity of the elementary internal stress cells, the high hardness and the elasticity of the cubic martensite structure are different manifestations of the same marten seat composition or in other words the same stress field configuration.
- both the elasticity and the plasticity can height Show values if it is possible to force martensite formation very evenly with a quasi-cubic slatted structure. This ensures that the hardened steel has the following special features at the same time:
- the steel wire hardened according to the invention martensitically without a tempering effect, which has high hardness and strength, but at the same time has high ductility - expressed by high constriction values - without - as with conventional hardening and tempering Steel grade common - cold form.
- the cold formability of the non-tempered cubic martensite according to the definition used for the present invention is based on the fact that the potential of the cold formability becomes better with decreasing tempering action, ie with increasing strength, which was very surprising at first, but was experimentally ascertainable and also becomes theoretically plausible. if you abandon the traditional assumptions that come from conventional steel treatments.
- the invention is based on the conclusion that the martensite is cold formed from the austenite as soon as possible.
- Multi-dimensional cold forming - e.g. by cold rolling according to DE-C2 42 33 462 - at the same time causes a thermal lattice activation in the martensite structure that has not yet been tempered, which leads to a novel "thermo-mechanical" low-temperature tempering treatment.
- this treatment of the martensite which without Tempering effect obtained by hardening, advantages over a conventional tempering treatment
- the elastic limit of the steel wire increases compared to that of a tempered and separately cold-formed steel wire condition.
- Ductility - measured by determining the constriction of the fracture in the tensile test - is retained, since the structure base with the "cubic" martensite with the temperature increases of around 100 to occurring due to cold forming 200 grd still prevails.
- the wear-reducing effect of the ferritic surface layer of a tempered steel wire with a high tensile and compressive strength is of great importance, since otherwise the mass production of releasably connectable high-strength steel rods is not economically possible.
- the measure proposed according to this claim requires approximately 20% cold forming in order to e.g. Apply suitable grooves, ribs or threads to the rod by pressing or rolling.
- the mechanical values of the ferrite layer - with 20% cold forming - are:
- the mechanical values in the core area - with 20% cold forming - are:
- the elongation on the surface is therefore only 10% and would greatly increase the sensitivity to cracking and corrosion of the steel rod under load.
- the ductility in the case of a carburized surface layer according to claim 3 is 33% more than 3 times and in the case of only decarburization without a ferrite layer, depending on the degree of decarburization, it is higher than 10% and less than 33%.
- the aim of the invention was therefore to produce a steel wire that significantly improves the current state of the art in building construction when using concrete and reinforced concrete with major disadvantages.
- a steel made of a low-alloy martensitic steel wire according to claims 1 to 10 has a tensile strength of up to 2400 N / mm 2 in the presence of high ductility and low sensitivity to corrosion.
- the crushing limit of the steel rod according to the invention can be described as particularly high with values of up to 1600 N / mm 2 , so that support structures with permissible propellant loads of, for example, 10 MN at 0.5 x 0.5 m 2 are made possible for the first time in a completely new type of lightweight steel construction becomes.
- the load-bearing capacity of a support consisting of several rods is made possible by the fact that interconnectable sleeves protect the compression rods against thrust and bending according to the invention. If one chooses a permissible kink length of the single bar as far as possible from the crushing limit of the steel wire according to the invention as the maximum distance between the sleeves of each bar of a bundle, then very high load capacities for unusually slim loads can be achieved with such simple but very effective buckling protection with sleeve packages Columns are realized according to the invention, wherein pressure resistance potentials of the column are still preserved, which can be used at any time.
- FIG. 3 shows the cross section through such a sleeve package, for example and schematically.
- the square sleeves and the selected form of this example for the wedge bolts in FIG. 3 reduce any relative movement of the supporting rods to one another to an extremely small extent and bring about a high degree of kink protection.
- the specific steel mass of this column per meter of column height - without the mass fraction of the socket packages - is approx. 150 kg / m; with the anti-kink elements max. 160 kg / m. This results in the specific total steel mass of approx. 0.23 kg / mt
- IP steel accordinging to DIN 1025. BI.2; calculated according to DIN 4114:
- I P 40 - shaped steel with 164 kg / m brings the specific value of 0.62 kg / m.t with a free buckling length of 2.0 m and the specific value of 0.77 kg / m.t with a free buckling length of 5.0 m. This is three times the value of 0.23 kg / m.t.
- Double I - steel column (according to DIN 1025, BI.1; calculated according to DIN 41 14):
- the number of compression rods according to the invention can be correspondingly smaller and the spacing between them can be chosen larger by the sleeves on the bars according to the invention, according to claim 15, in order to create larger radii of inertia by means of further — here longer — coupling sleeves be placed further away.
- the unused potential of the bundle of rods in the pressure resistor is partially used in accordance with the invention by subsequently adding new packages or partial connections to the compression rods of the support, which are already under load, at intervals between the existing socket packages by means of split sockets.
- the split sleeves can be closed positively or positively after the application via the thread according to claim 17.
- the forces occurring at the level of the interconnected or pressed together sleeves are very small in the buckling protection; a fact that arises from knowledge of the concrete cover regulations for reinforced concrete columns.
- the ball offers a shape base according to the invention for the design of nodes of the truss structure but also support sleeves.
- the impact formation at high loads by means of solid steel cores and plates for the transmission of the loads according to the invention should be carried out uniformly by screwing assembly in order to reduce the usual eccentricities to the low level of precise mechanical engineering to minimize.
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Abstract
Description
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON STAHLDRAHT UND DESSEN VERWENDUNG IM STAHLBAUMETHOD FOR THE PRODUCTION OF STEEL WIRE AND THE USE THEREOF IN STEEL CONSTRUCTION
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung niedriglegierten Stahls, um seine bisherigen Einsätze bei gleichzeitiger Verbesserung seiner Gebrauchseigenschaften und Wirtschaftlichkeit zu erweitern. Ein wesentliches Verfahrensmerkmal besteht darin, daß der gewöhnlich im Maschinen- und Fahrzeugbau hauptsächlich zur Anwendung gekommene niedriglegierte zumeist vergütete Stahl erfindungsgemäß erstmalig zur Aufnahme sehr hoher Druck- und Zugspannungen im Stahlbau ohne Betonzusatz als draht- bzw. stabförmiges hauptsächliches Bauelement geeignet gemacht wird, wobei unter beträchtlicher Materialeinsparung im Bau die Konstruktionssicherheit und Genauigkeit wesentlich gesteigert werden kann.The invention relates to a method for the treatment of low-alloy steel in order to expand its previous uses while at the same time improving its useful properties and economy. An essential feature of the process is that the low-alloy, mostly tempered steel that is usually used mainly in machine and vehicle construction is made suitable for the first time according to the invention for absorbing very high compressive and tensile stresses in steel construction without the addition of concrete as a wire or rod-shaped main component considerable material savings in construction, construction safety and accuracy can be increased significantly.
Gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird vorgeschlagen, daß die Oberfläche des Stahles gezielt unter eine gleichmäßige Kohlenstoffverarmung (Entkohlung) gesetzt wird, wobei diese entweder nur mäßig und ohne Ferritbildung (also durch Abkohlung) erfolgt oder nach den Ansprüchen 2 und 3 auch so stark vor sich gehen soll, daß die erste Oberflächenschicht ihren Kohlenstoff vollkommen verliert (d. h. durch Auskohlung).According to the preamble of claim 1, it is proposed that the surface of the steel be placed under a uniform carbon depletion (decarburization), this either only moderately and without ferrite formation (i.e. by decarburization) or according to claims 2 and 3 so strongly It should happen that the first surface layer loses its carbon completely (ie through carbonization).
In der industriellen Praxis, aber auch im gesamten Stahlfachbereich, gilt die vorherrschende Meinung, daß eine Kohlenstoffverarmung an der Oberfläche von Verbindungselementen und Maschinenbauteilen einen einschneidenden Einfluß auf die Werkstoffeigenschaften hat. Daher gibt es aufwendige Verfahren zur Vermeidung oder zumindest Verminderung der Randentkohlung, die oft unbeherrscht sehr ungleichmäßig z.B. bei dem Erwärmen von Halbzeug für die Warmformgebung oder bei den verschiedenen Wärmebehandlungsschritten zum Härten und Anlassen auftritt. Es ist jedoch eine ebenso allseitig bekannte Feststellung, daß es in der Praxis keine lückenlosen entkohlungsfreien Stahlteile insbesondere bei den Massenprodukten aus niedriglegiertem Stahl gibt, es sei denn man trägt die ungleichmäßig entkohlte Randschicht zerspanend völlig ab. In der Fertigungstechnik von vergüteten Stahlteilen entwickelt und handelt man also nach der Vorschrift „sowenig Randentkohlung wie nur möglich", was weder geringe Randentkohlungen noch ihre sehr ungleichmäßige C-Verteilung innerhalb der oberflächennahen Zonen ausschließt. In dem Schrauben-DIN- Blatt ISO 898-Teil 1 „Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen" von April 1979 wird eine „vollständig entkohlte" Schicht nur bis zu einer maximalen Tiefe von 0,015 mm sogar für die Schraubenklasse 12.9 zugelassen, für die eine Mindestzugfestigkeit von 1220 N/mm2 vorgeschrieben ist. Viele Anwender tolerieren nur „stellenweise Auskohlung", was sicherlich die Gefahr einer Ungleichmäßikeit der mechanischen Eigenschaften der Oberfächenpartien nicht beseitigt. Diese Gefahr erhöht sich ungleich, wenn man wie üblich mit der Absicht zum Rückgängigmachen einer Randentkohlung die Teile unter großem Aufwand in einer Ofenatmosphäre mit geregeltem Kohlenstoffpotential nochmals wärmebehandelt, jedoch hierbei bestenfalls nur annähernd gleiches Gefüge wie im Kern erhält oder sogar nicht selten mit Anreicherungen von C (also Aufkohlung) zu rechnen hat, was von großem Nachteil für die Dauerhaltbarkeit solcher Teile ist.In industrial practice, but also in the entire steel sector, the prevailing opinion is that carbon depletion on the surface of fasteners and machine components is drastic Has an influence on the material properties. There are therefore elaborate processes for avoiding or at least reducing edge decarburization, which often occurs very uncontrolled, very unevenly, for example when heating semi-finished products for hot forming or in the various heat treatment steps for hardening and tempering. However, it is an equally well-known finding that in practice there are no complete decarburization-free steel parts, particularly in the case of mass products made from low-alloy steel, unless the unevenly decarburized surface layer is removed completely by machining. In the manufacturing technology of heat-treated steel parts, we develop and act according to the rule "as little edge decarburization as possible", which does not rule out low edge decarburization or their very uneven C distribution within the zones near the surface. In the screw DIN sheet ISO 898 part 1 "Mechanical properties of fasteners" from April 1979, a "completely decarburized" layer is only permitted to a maximum depth of 0.015 mm even for screw class 12.9, for which a minimum tensile strength of 1220 N / mm 2 is prescribed. Many users only tolerate "Decarburization in places", which certainly does not eliminate the danger of an uneveness of the mechanical properties of the surface areas. This risk increases unequally if, as usual with the intention of reversing edge decarburization, the parts are again heat-treated with great effort in an oven atmosphere with regulated carbon potential, but at best only approximately the same structure as in the core or even not infrequently with enrichments of C. (i.e. carburization) has to be expected, which is a major disadvantage for the durability of such parts.
Da der Kohlenstoff für das Härten niedriglegierten Stahls und seine Martensitbildung unabdingbar ist, liegt es nahe, daß sein Verlust an der Oberfläche als unerwünscht gilt und für viele Mängel der Teileeigenschaften verantwortlich gemacht wird. Beim genaueren Beobachten praktischer Verhält- nisse und Ereignisse stellt sich jedoch heraus, daß nicht das Niveau des C- Gehaltes, sondern seine ungleiche Verteilung die Ursache für eine Reihe von Mängel sein kann. Aus vielen Fällen der Praxis sowie Dauerstands-, Zeitstandsund Korrosionsbeanspruchungs-Bruchversuchen geht einhellig hervor, daß - abgesehen von metallurgisch bedingten, verfahrenstechnischen und mechanisch verursachten Fehlern und Oberflächenschädigungen - nicht der fehlende Kohlenstoff sondern zumeist das gleichzeitige Vorhandensein von „Carbid und Ferrit" auf der Oberfläche unter bestimmten Belastungsverhältnissen zur Materialschwächung des Stahls führt. In der Zeitschrift „Archiv für das Eisenhüttenwesen" (1972), Heft 12, S. 913 bis 917 wird durch Vergleiche der theoretischen Ergebnisse mit Versuchsergebnissen z.B. gezeigt, daß die Carbidrisse aufgrund der größeren Dehnbarkeit des Ferrits - also der ausgekohlten Stellen - und wegen der wenigeren Verformungsfähigkeit der Carbidteilchen - also nicht ausgekohlten Stellen - bei einer Dehnung über rd. 2% den Ferritrissen voreilen. „Das Riß- und Bruchgeschehen" habe „seine Ursache in der Bildung von Carbidrissen", wird hier gefolgert.Since carbon is indispensable for the hardening of low-alloy steel and its martensite formation, it is obvious that its loss on the surface is considered undesirable and is blamed for many defects in the part properties. When closely observing practical relationships However, it turns out that it is not the level of the C content, but its unequal distribution that can be the cause of a number of defects. From many practical cases, as well as fatigue, creep and corrosion stress fracture tests, it is unanimous that - apart from metallurgical, procedural and mechanically caused defects and surface damage - not the missing carbon but mostly the simultaneous presence of "carbide and ferrite" on the surface under certain load conditions leads to material weakening of the steel. In the magazine "Archive for the ironworks" (1972), Issue 12, pp. 913 to 917 it is shown by comparing the theoretical results with test results, for example, that the carbide cracks due to the greater ductility of the ferrite - ie the carburized points - and because of the less deformability of the carbide particles - i.e. not carburized points - with an elongation of approx. 2% lead the ferrite cracks. "The cracking and breaking process" has "its cause in the formation of carbide cracks" is concluded here.
Bedenkt man noch die Tatsache, daß die nicht vermeidbare Ungleichmäßigkeit der C-Verteilung in der Randschicht eines niedriglegierten Vergütungsstahles, dessen martensitisches Kristallgitter infolge der Zwangslösung der C-Atome ein hohes Maß an inneren Gitterverspannungen aufweist, die Empfindlichkeit der Oberfläche für Wasserstoffversprödung und Korrosion erhöht, so wird die Bedeutung der erfindungsgemäßen Maßnahmen in den Ansprüchen 1 bis 3 für die sich daraus ergebenden Anwendungen ersichtlich. Daher wird nicht nur die Bildung einer einheitlichen lückenlosen Ferritschicht bevorzugt, sondern auch gefordert, daß diese soweit metallurgisch und thermochemisch möglich sehr gleichmäßig sein soll. Als metallurgisch wirksame Maßnahme wird nach dem Anspruch 2 der Gehalt von Si mit mindestens 0,35 Gew.-% festgelegt, da, wie Versuche gezeigt haben, die Einhaltung dieser unteren Grenze bei der chemischen Zusammensetzung des niedriglegierten Vergütungsstahles die Bildung von einer zusammenhängenden Ferritschicht bei geeigneten thermochemischen und erwärmungstechnischen Bedingungen ermöglicht. Der zweite Grenzwert im Anspruch 2 für den Cr-Gehalt mit höchstens 0,65 Gew.-% hat sich als notwendig erwiesen, um im Kernbereich die Empfindlichkeit des martensitischen Stahlgefüges im hochfesten Zustand gegenüber der wasserstoffinduzierten Spannungsrißkorossion nicht zu erhöhen und die durch die nach den Ansprüchen 1 bis 3 erfindungsgemäß aufgebaute Ferritschicht erzielte Durchlässigkeit der Randschicht für den atomaren Wasserstoff wirkungsvoll zu erhalten.Considering the fact that the unavoidable non-uniformity of the C distribution in the outer layer of a low-alloyed tempering steel, whose martensitic crystal lattice has a high degree of internal lattice tension due to the forced release of the C atoms, increases the surface's sensitivity to hydrogen embrittlement and corrosion, the meaning of the measures according to the invention in claims 1 to 3 for the applications resulting therefrom becomes apparent. Therefore, not only is the formation of a uniform gapless ferrite layer preferred, but it is also required that this should be very uniform as far as possible metallurgically and thermochemically. As a metallurgically effective measure, the content of Si is set to at least 0.35% by weight, since, as tests have shown, compliance with this lower limit in the chemical composition of the low-alloyed tempering steel means that Formation of a coherent ferrite layer under suitable thermochemical and heating conditions. The second limit in claim 2 for the Cr content with a maximum of 0.65% by weight has proven to be necessary in order not to increase the sensitivity of the martensitic steel structure in the high-strength state to the hydrogen-induced stress corrosion cracking in the core area, and that due to the after Claims 1 to 3 ferrite layer constructed according to the invention to effectively achieve permeability of the surface layer for the atomic hydrogen.
Zur Erreichung einer gleichmäßigen, gezielten Entkohlung bzw. aufgebauten Ferritschicht ist es notwendig, daß die Wärmebehandlungen - insbesondere diejenigen vor dem Abschrecken des Stahles - nicht nur thermochemisch entkohlend ablaufen sondern auch, daß die reagierende Heißgasströmung die gesamte Oberfläche des Stahlkörpers gleichsam erreicht. Nur so und bei einer bestimmbaren und genau einhaltbaren Temperaturführung des Behandlungsofens können die chemischen - hauptsächlich CO, C02 und Abzunderung- soxyde bildenden - Reaktionen mit dem effundierenden Kohlenstoff - aber auch mit Fe und den Legierungselementen des Stahles - sowie der Stoffaustausch aufgrund eines schnellen Abtransportes der Reaktionsprodukte in einer notwendigerweise turbulenten Frischgasströmung gleichmäßig aufrechterhalten werden und der gleichmäßige Aufbau der erfindungsgemäßen Ferritschicht erfolgen. Ofenanlagen und -einrichtungen zum Durchführen derartig genauer Behandlungen insbesondere für schwere Stahldrahtringe beschreibt z.B. DE 44 37 683. Mit gewissen Einschränkungen kann aber auch eine andersartige Ofenanlage nach DE-C 30 35 032 für die erfindungsgemäße Entkohlung und Ferritschichtbildung eingesetzt werden. Versuchsergebnisse aus den Sonderbehandlungen in dieser Anlage konnten bereits zeigen, daß die erfindungsgemäßen Maßnahmen in den Ansprüchen 1 bis 3 überraschender- weise die wesentlichen Bedingungen dafür sind, daß der Anwendungsbereich von niedriglegierten martensitisch umwandelbaren Vergütungsstählen enorm erweitert werden kann. Diese können für den Einsatz im Festigkeitsbereich von 1000 und bis etwa 2400 N/mm2 technisch verantwortbar und wirtschaftlich vertretbar sein, da es erfindungsgemäß gelingt,To achieve a uniform, targeted decarburization or built-up ferrite layer, it is necessary that the heat treatments - in particular those before the steel is quenched - not only take place thermochemically decarburizing but also that the reacting hot gas flow reaches the entire surface of the steel body as it were. Only in this way and with a determinable and precisely maintainable temperature control of the treatment furnace can the chemical reactions - mainly CO, CO 2 and descaling - form oxides - reactions with the effusing carbon - but also with Fe and the alloying elements of the steel - as well as the mass transfer due to a fast removal of the reaction products are maintained uniformly in a necessarily turbulent fresh gas flow and the uniform build-up of the ferrite layer according to the invention takes place. Furnace systems and devices for carrying out such precise treatments, in particular for heavy steel wire rings, are described, for example, by DE 44 37 683. With certain restrictions, however, a different type of furnace system according to DE-C 30 35 032 can also be used for the decarburization and ferrite layer formation according to the invention. Test results from the special treatments in this plant have already shown that the measures according to the invention in claims 1 to 3 are surprisingly the essential conditions for the fact that the field of application of low-alloy martensitic convertible tempering steels can be expanded enormously. These can be technically responsible and economically justifiable for use in the strength range from 1000 and up to about 2400 N / mm 2 , since according to the invention it is possible to
sie an der Oberfläche korrosionsresistenter zu machen als es bisher derto make them more corrosion-resistant on the surface than previously
Fall gewesen ist, ihre Kaltformgebung bei hohen Festigkeiten zu erleichtern undCase has been to facilitate their cold forming at high strength and
Verschleißkosten zu reduzieren sowie - Montage und Demontierbarkeit der Stahlteile aus einer modernenReduce wear costs as well - assembly and disassembly of the steel parts from a modern
Massenfertigung auch im Bausektor zu präzisieren und die Wiederverwertbarkeit zu ermöglichen.To specify mass production in the construction sector and to make it recyclable.
Die erfindungsgemäße Randentkohlung wird nachfolgend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The decarburization according to the invention is explained in more detail below in connection with the drawing. Show:
Fig. 1 Beispielfälle (I) und (II) für gezielte Randentkohlung vor demFig. 1 example cases (I) and (II) for targeted decarburization before
Härten des warmgewalzten Stahldrahtes;Hardening the hot-rolled steel wire;
Fig. 2 die Temperaturerhöhung im Martensitgefüge infolge derFig. 2 shows the temperature increase in the martensite structure due to
Umwandlung der Umformungsarbeit in Wärme;Transformation of the work into heat;
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Muffenpaket als Beispiel für dieFig. 3 shows a cross section through a sleeve package as an example of the
Knicksicherung eines erfindungsgemäßen Stabbündels durch Vierkantmuffen mit Keilbolzen für 9 Stäbe mit demKink protection of a bundle of rods according to the invention by square sleeves with wedge bolts for 9 rods with the
Stahldrahtdurchmesser von 23 mm je 200 KN knicksichere zulässige Traglast (20cm x 20cm - Stütze für 1 ,8 MN bei 40cm Knicksicherungsabstand) und Fig. 4 ein Beispiel für die Stoßausbildung mit 9 erfindungsgemäßenSteel wire diameter of 23 mm per 200 KN kink-proof permissible load (20cm x 20cm - support for 1.8 MN at 40cm kink protection distance) and Fig. 4 shows an example of the shock training with 9 according to the invention
Stäben für eine Stütze mit zulässiger Knicklast von 1 ,8 MN.Bars for a column with a permissible buckling load of 1.8 MN.
Die erfindungsgemäß einzustellende Randentkohlung nach den Ansprüchen 3 und 4 führt zu Veränderungen, welche zur Verdeutlichung der erzielbaren C- Verarmungsverläufe im Randbereich eines Stahldrahtes beispielweise für einen von vielen möglichen in der Regel als Langprodukte zu geltenden Stahlkörper in Fig.1 angegeben worden sind. Darin ist ebenso die übliche C-Schwankung eines warmgewalzten niedriglegierten Stahldrahtes angedeutet, die sowohl ausgekohlte ferritische, aber auch aufgekohlte stark Carbide-enthaltende Stellen aufweist und somit als sehr ungleichmäßig zu bezeichnen ist. Fall (I) in Fig. 1 betrifft die üblichen zumeist in der Schraubenindustrie im Einsatz befindlichen Sorten von Vergütungsstählen, deren chemische Zusammensetzung den erfindungsgemäßeπ Beschränkungen nach den im Anspruch 2 angegebenen Grenzwerten für Si und Cr nicht entsprechen. Diese Stähle eignen sich nicht für den Aufbau einer zusammenhängenden ferritischen Randschicht. Die meisten Sorten dieser Stähle werden aber auch nicht für den hochfesten Festigkeitsbereich über 1300 N/mm2 eingesetzt, so daß die in der Oberflächenrandschicht vorhandenen Carbide nur dann stark versprödend wirken, wenn der Kohlenstoffgehalt der Schicht nicht eindeutig und gleichmäßig entsprechend des in Fig. 1 für Fall (I) eingezeichneten Profils vermindert wird. Fall (II) in Fig. 1 betrifft Stahlsorten nach den Ansprüchen 1 und 2. Hierbei enthält die Randschicht zunächst die zusammenhängende ausgekohlte Ferritschicht nach Maßgabe des Anspruches 3. Das diese Schicht fortsetzende Entkohlungsprofil gibt den Verlauf der Abkohlung in der Zwischenschicht vom Rand- bis zum Kernbereich an. Beträgt z.B. der Istwert aus der Stückanalyse einer Schmelze für den C-Gehalt eines Stahldrahtes mit 25mm- Walzdurchmesser im Kernbereich 0,50 bis 0,54 Gew.-%, so ergibt sich nach Fig. 1 wie folgt: Fall ( I )The decarburization to be set according to the invention according to claims 3 and 4 leads to changes which have been specified in FIG. 1 to clarify the achievable C depletion profiles in the edge region of a steel wire, for example for one of many possible steel bodies which are generally to be considered as long products. This also indicates the usual C fluctuation of a hot-rolled, low-alloy steel wire, which has both carburized and carburized points that contain carbides and is therefore very uneven. Case (I) in FIG. 1 relates to the usual types of quenched and tempered steels mostly used in the screw industry, the chemical composition of which does not correspond to the inventive restrictions according to the limit values for Si and Cr specified in claim 2. These steels are not suitable for the construction of a coherent ferritic surface layer. Most types of these steels are also not used for the high-strength strength range above 1300 N / mm2, so that the carbides present in the surface edge layer are only very brittle if the carbon content of the layer is not clear and uniform in accordance with that in Fig. 1 for Case (I) drawn profile is reduced. Case (II) in Fig. 1 relates to steel grades according to claims 1 and 2. Here, the surface layer initially contains the contiguous, carburized ferrite layer in accordance with claim 3. The decarburization profile continuing this layer gives the course of decarburization in the intermediate layer from the edge to Core area. For example, if the actual value from the piece analysis of a melt for the C content of a steel wire with a 25 mm rolling diameter in the core area is 0.50 to 0.54% by weight, the following results from FIG. 1: Case (I)
C-Gehalt direkt an der Oberfläche: 0,25 bis 0,27 Gew.-%C content directly on the surface: 0.25 to 0.27% by weight
Mittlerer C-Gehalt in der Randschicht mit einer Tiefe von etwa 0,62 mm (entsprechend einem 10%-igen Flächenanteil des Drahtquerschnittes): etwa 0,30 bis 0,32 Gew.-%Average C content in the surface layer with a depth of approximately 0.62 mm (corresponding to a 10% area share of the wire cross-section): approximately 0.30 to 0.32% by weight
Fall ( II )Case (II)
C-Gehalt in der ausgekohlten Randschicht mit einer Tiefe der zusammenhängenden Ferritschicht von 0,08 bis 0,10 mm: etwa 0,001 bis 0,005 Gew.-%C content in the carburized edge layer with a depth of the continuous ferrite layer of 0.08 to 0.10 mm: about 0.001 to 0.005% by weight
Mittlerer C-Gehalt in der verbliebenen tieferen abgekohlten Schicht von etwa 0,61 mm: etwa 0,25 bis 0,27 Gew.-%Average C content in the remaining deeper charred layer of approximately 0.61 mm: approximately 0.25 to 0.27% by weight
Diese Entkohlungswerte werden im folgenden an Hand der erfindungsgemäßen Verfahrensmerkmale den Erläuterungen über die weiteren Ansprüche als praxisnahe Basiswerte beispielsweise zugrundegelegt.In the following, these decarburization values are used, for example, on the basis of the process features according to the invention, to explain the further claims as practical basic values.
Um das Festigkeitspotential eines niedriglegierten Vergütungsstahls voll nutzen zu können, ist es erforderlich, daß der Härtungssprozeß sowohl verfahrenstechnisch als auch anlagenmäßig auf die Umwandelbarkeit des Stahlkörpers in den martensitischen Gefügezustand angepaßt ist. Der Vergleich des mittleren C-Gehaltes der beiden gezielt randentkohlten Schichten von Fall (I) und Fall (II) macht deutlich, daß beide Werte in der Spanne von 0,25 bis 0,32 Gew.-% und sehr nahe aneinander liegen. Die sehr dünne C-freie Ferritschicht im Fall (II) ist jedoch mit kohlenstoffärmerem Bereich benachbart, so daß insgesamt eine äußere Schicht mit C kleiner als 0,10 Gew.-% und einer Tiefe von etwa 0,3 mm entsteht. Im Hinblick der heute erreichbaren hohen Abschreckwirkungen von flüssigen Härtemitteln, die Umwandlungstemperaturen unter 100°C ermöglichen, trägt der Härtevorgang sowohl zum Härten ohne Anlaßeffekt bei, das zweckmäßigerweise nach Anspruch 4 für Fall (I) vorgeschlagen wird, als auch führt er zur hochgradigen Martensitbildung nach Anspruch 5 und zwar auch im Fall (II), wenn auch für zumindest 95 % des Gesamtkörpers. Fall (I) führt zum 100%-igen Martensit, wenn die härtetechnologischen Bedingungen eingehalten werden.In order to be able to fully utilize the strength potential of a low-alloy tempered steel, it is necessary that the hardening process is adapted to the convertibility of the steel body into the martensitic structure, both in terms of process technology and system. The comparison of the mean C content of the two deliberately decarburized layers of case (I) and case (II) makes it clear that both values are in the range from 0.25 to 0.32% by weight and very close to one another. However, the very thin C-free ferrite layer in case (II) is adjacent with a lower-carbon region, so that overall an outer layer with C less than 0.10% by weight and a depth of about 0.3 mm is produced. In view of the high achievable today Quenching effects of liquid hardeners, which allow transition temperatures below 100 ° C, the hardening process contributes both to hardening without a tempering effect, which is conveniently proposed according to claim 4 for case (I), and it leads to the high-grade martensite formation according to claim 5 and also in Case (II), albeit for at least 95% of the total body. Case (I) leads to 100% martensite if the hard technological conditions are met.
Eine dieser Bedingungen ist bekanntlich die Einhaltung des „kritischen Durchmessers". Da die Härtbarkeit des niedriglegierten Stahles nicht beliebig erhöht werden kann, ohne den Verlust an Zähigkeitseigenschaften und höhere Korrosionsemfindilichkeit in Kauf nehmen zu müssen, beschränken sich die Querschnittsabmessungen des Stahlkörpers erfindungsgemäß auf Maße und Stahllangprodukte der Dimensionen unter 45 mm (Anspruch 6).As is well known, one of these conditions is compliance with the “critical diameter”. Since the hardenability of the low-alloy steel cannot be increased arbitrarily without having to accept the loss of toughness properties and greater sensitivity to corrosion, the cross-sectional dimensions of the steel body are limited according to the invention to dimensions and long steel products the dimensions less than 45 mm (claim 6).
Daher wird im folgenden nunmehr der warmgewalzte Stahldraht in schweren - z. Z. bis zu drei Tonnen haspelbaren - Drahtringen als der hauptsächliche Ausgangsstoff für die beispielsweise Beschreibung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Öffnung von neuen industriellen Anwendungsfeldern und ihrer Realisierung gewählt.Therefore, in the following, the hot-rolled steel wire in heavy - e.g. Currently, up to three tons of reelable wire rings are chosen as the main starting material for the description, for example, of the process steps according to the invention for opening up new industrial fields of application and their implementation.
Im Anspruch 7 wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das nach Anspruch 4 ohne Anlasseffekt entstandene martensitische Gefüge im nur gehärteten Zustand kaltumgeformt werden soll.In claim 7 it is proposed according to the invention that the martensitic structure created according to claim 4 without a tempering effect is to be cold formed in the hardened state only.
Daß ein martensitischer Federdraht z.B. nach DE-C2 42 33 462 mit Ausgangsfestigkeiten von über 1300 N/mm2 kaltgeformt und walztechnisch verbessert werden kann, gilt heute als bekannt und erwiesen. Die martensitische Gefügebasis solcher Federdrähte wird jedoch - entsprechend dem heutigen technischen Stand - durch den zur Vergütungsbehandlung gehörenden Schritt des Anlassens nach dem Härten für den jeweiligen Einsatz nach dem für jede Stahlsorte charakteristischen behandlungsdauerabhängigen Temperatur-Zeit-Zusammenhang erhalten. Ein nicht angelassener und nur - bei der nach Anspruch 4 notwendigerweise sehr niedrig zu haltenden Härtemitteltemperatur von höchstens etwa 100 °C - nach dem Härten ohne Anlaßeffekt in Umgebung der sog. 1. Anlaßstufe zwingend lediglich kurzzeitig weilender Martensit gilt als sehr hart, spröde und völlig ungeeignet für Kaltumformung. Denn es geht aus der Morphologie der Martensitbildung hervor, daß eine Anlaßbehandlung die sog. „Gitterverspannungen" in dem Maße abbaut, wie der Kohlenstoff sich aus seiner Zwangsstellung befreien kann. Der C-Gehalt, die Temperatur (beginnend mit etwa 100°C) und die Zeit sind die bestimmenden Größen des Anlassvorganges.The fact that a martensitic spring wire, for example according to DE-C2 42 33 462 with initial strengths of over 1300 N / mm 2 , can be cold formed and improved by rolling technology, is now known and proven. However, the martensitic structure of such spring wires is - according to the current state of technology - by that for tempering treatment corresponding step of tempering after hardening for the respective application according to the temperature-time relationship that is characteristic of each type of steel. A non-tempered and only - at the hardening agent temperature of at most about 100 ° C, which must necessarily be kept very low - after hardening without a tempering effect in the vicinity of the so-called 1st tempering stage, martensite which is only briefly there because it is considered very hard, brittle and complete unsuitable for cold forming. Because it is evident from the morphology of the formation of martensite that a tempering treatment reduces the so-called "lattice tension" to the extent that the carbon can free itself from its forced position. The C content, the temperature (starting at about 100 ° C.) and time is the determining factor in the starting process.
Es hat sich jedoch überraschenderweise aus einer sehr umfangreichen Untersuchung durch Kaltziehversuche mit verschieden hoch angelassenen martensitischen Stahldrähten der niedriglegierten Stahlsorten eindeutig ergeben, daß je hochfester der Martensit ist, d.h. je niedriger die Anlaßtemperatur des Martensits war, um so niedriger die „innere Reibung" im Gefüge und um so höher der „Grad der Verfestigungszunahme" durch die Kaltumformung wurde. Das wird immer dann der Fall sein, wenn es gelingt, im Gefüge des Stahles gleichmäßig einen zumindest 90%-igen Lattenmartensit einzustellen. Die Grundvoraussetzungen hierfür sind bei dem niedriglegierten martensitisch umwandelbaren Stahl nach Anspruch 1 bis 6 gegeben. Liegt der Kohlenstoffgehalt in diesem Stahl unter 0,50 Gew.-%, so wandelt sein Austenit nicht wie sonst in einen tetragonalen, sondern in einen sog. „kubischen" Martensit um. Das kann bedeuten, daß durch diesen „kubischen", evtl. sogar „quasi-kugeligen" Martensit für die mikroplastische Deformationen während der Umwandlungsvorgänge vor und nach dem Härten und gerade für den erfindungsgemäß direkt nach dem Härten ohne Anlaßwirkung bzw. -behandlung kaltzuformenden Martensitdraht eine ideal homogene Gefügebasis entsteht. Sicher ist jedoch die Feststellung, daß es bei überschüssigem Kohlenstoff mit deutlich über 0,50 % C und Bildung von Plattenmartensit - und selbstverständlich bei ungenügendem Reinheitsgrad bzw. hohen Kristallsei- gerungen der Stahlschmelze - die submikroskopische Anisotropie zunimmt. Aus diesem Grund wird hier die Bezeichnung „kubisch" für diejenige Art des Martensits verwendet, welche als Gefügebasis der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte fungiert, auch wenn der Beweis und die Morphologie der exakten Kristallgeometrie dieses Kleinstatomgitters des Eisenmischkristalls bis heute noch ausgeblieben sind.Surprisingly, however, it has clearly emerged from a very extensive investigation by cold drawing tests with differently tempered martensitic steel wires of the low-alloy steel grades that the higher the strength of the martensite, ie the lower the tempering temperature of the martensite, the lower the "internal friction" in the structure and the higher the "degree of hardening increase" due to the cold working. This will always be the case if it is possible to uniformly set at least 90% lath martensite in the structure of the steel. The basic prerequisites for this are given in the low-alloy martensitic steel according to claims 1 to 6. If the carbon content in this steel is less than 0.50% by weight, its austenite does not convert into a tetragonal as usual, but into a so-called "cubic" martensite. This can mean that this "cubic", possibly even "quasi-spherical" martensite for the microplastic deformations during the transformation processes before and after hardening and especially for the martensite wire to be cold-formed according to the invention directly after hardening without tempering effect or treatment. What is certain, however, is the finding that with excess carbon with well over 0.50% C and the formation of plate martensite - and of course with an insufficient degree of purity or high crystal segregation of the steel melt - the submicroscopic anisotropy increases. For this reason, the term "cubic" is used here for the type of martensite which functions as the structural basis of the method steps according to the invention, even if the proof and the morphology of the exact crystal geometry of this small atomic lattice of the mixed iron crystal have still not been achieved to this day.
Allein die experimentell festgestellte Tatsache, daß die Umwandlung in einen solchen kubischen Martensit es ermöglicht, für Kaltumformung nur gehärteten und nichtangelassenen Stahls ausreichend hohe Gefügeduktilität bei hohen Festigkeiten in einem bisher nicht bekanntem Ausmaße zu erzielen, berechtigt zur Wahl dieser naheliegenden Bezeichnung.The fact that the conversion to such a cubic martensite has been experimentally established alone makes it possible to choose this obvious name for cold forming only hardened and non-tempered steel with a high ductility and high strength to an extent not known to date.
Der ohne Anlaßeffekt resultierte Härtezustand jeden Vergütungsstahls besitzt den höchst möglichen Festigkeitswert. Diese Erscheinung maximaler Härte resultiert aus der Tatsache, daß eine weitere Annäherung der Atome aufgrund bereits erfolgter Gitterverkleinerung nicht ohne weiteres möglich ist. Morphologisch betrachtet, entsteht bei der Bildung des kubischen Martensits eine Kristallstruktur mit Paketen paralleler Latten, die sich räumlich völlig ohne Ordnung innerhalb ehemaliger Austenitkörner einrichten. Die Latten sind also innerhalb der Körner. Innerhalb der Latten herrscht eine hohe Versetzungsdichte, die man mit der großen Zahl 101 1 bis 1012 je cm2 angibt. Sie ist um mehrere Größenordnungen größer als z.B. beim Ferrit. Diese vielen Versetzungen innerhalb der Latten sind die Folge der mikroplastischen Deformationen der Latten; sie erhöhen die Unordnung. Es herrscht ein Zustand der höchsten Unordnung innerhalb ehemaliger Austenitkörner und zwischen diesen in der besonderen Weise, daß die Vielzahl des Kleinstatomgitters des kubischen Martensits eine neue Ordnung höherer Qualität schaffen kann, bei der vorrangig quasi-isotrope Spannungsfelder dominieren.The hardening condition of any tempering steel that results without a tempering effect has the highest possible strength value. This phenomenon of maximum hardness results from the fact that further approximation of the atoms is not readily possible due to the lattice reduction that has already taken place. From a morphological point of view, the formation of cubic martensite creates a crystal structure with packets of parallel slats, which are arranged without any order within the former austenite grains. So the slats are inside the grains. There is a high dislocation density within the slats, which is indicated by the large number 10 1 1 to 10 12 per cm 2 . It is several orders of magnitude larger than, for example, ferrite. These many dislocations within the slats are the result of the microplastic deformation of the slats; they increase disorder. There is a state of extreme disorder within and between former austenite grains this in the special way that the large number of small atomic grids of cubic martensite can create a new order of higher quality, in which predominantly quasi-isotropic stress fields dominate.
Unabhängig von dieser Deutung oder anderen möglichen Vorstellungen, ist die alleinige Ursache für das Auftreten der experimentell erfindungsgemäß festgestellten mechanischen Eigenschaften in jedem Falle der Eigenspannungszustand des Materials, der über eine möglichst gleichmäßige restaustenit-freie Umwandlung in den sogenannten „kubischen" Martensit einstellbar wird.Regardless of this interpretation or other possible ideas, the sole cause for the occurrence of the mechanical properties determined experimentally according to the invention in any case is the residual stress state of the material, which can be adjusted to the so-called "cubic" martensite by means of a conversion that is as uniform as possible free of austenite.
Das elasto-plastische Verhalten des „kubischen" Martensits wird ingenieurmechanisch einigermaßen gut verstanden, wenn man annimmt, daß die oben genannte quasi-isotropen Spannungsfelder aus elementaren Eigenspannungs- zellen bestehen, die sich gegenseitig und entsprechend ihrer maximalen Nähe sehr stark anziehen. Der elastische Anteil entsteht, wenn die Felder auseinandergezogen werden; der plastische, wenn sie Drehungen erfahren. Es leuchtet ein, daß es unmöglich ist, ein rein elastisches oder nur plastisches Verhalten zu erreichen, da es sich hier nicht um ein strukturloses Kontinuum handelt. Es wird auch verständlich, daß die Nähe der elementaren Eigen- spannungszellen, die hohe Härte und die Elastizität der kubischen Martensit- struktur verschiedene Erscheinungsformen gleicher Martensitzusammensetzung oder mit anderen Worten gleicher Spannungsfeldkonfiguration sind. Ist die Härte des Stahles sehr hoch, dann können sowohl die Elastizität als auch die Plastizität hohe Werte aufweisen, wenn es gelingt, die Martensitbildung mit einer quasi-kubischen Latten Struktur sehr gleichmäßig zu erzwingen. Hierdurch wird erreicht, daß der gehärtete Stahl die folgenden Besonderheiten gleichzeitig aufweist:The elasto-plastic behavior of the "cubic" martensite is somewhat well understood in terms of engineering mechanics if one assumes that the above-mentioned quasi-isotropic stress fields consist of elementary internal stress cells that attract each other very much in accordance with their maximum proximity. The elastic component arises when the fields are pulled apart, the plastic when they experience twists, it is clear that it is impossible to achieve a purely elastic or only plastic behavior, since this is not a structureless continuum. It is also understandable that the proximity of the elementary internal stress cells, the high hardness and the elasticity of the cubic martensite structure are different manifestations of the same marten seat composition or in other words the same stress field configuration. If the hardness of the steel is very high, then both the elasticity and the plasticity can height Show values if it is possible to force martensite formation very evenly with a quasi-cubic slatted structure. This ensures that the hardened steel has the following special features at the same time:
- Über 40 Rockwellhärte Über 35% Brucheinschnürung im Zugversuch Über 1300 N/mm2 Druckfestigkeit und Über 1500 N/mm2 Zugfestigkeit- Over 40 Rockwell hardness Over 35% fracture constriction in the tensile test Over 1300 N / mm 2 compressive strength and Over 1500 N / mm 2 tensile strength
Dem Fachmann fällt leicht auf, daß der Wert für die Brucheinschnürung von > 35% für die hohen Festigkeitswerte über 1300 N/mm2 ein ungewöhnlich hohes Eigenschaftspotential eines Materials - insbesondere eines Baustahls der Sorte „niedriglegierter Vergütungsstähle" - charakterisiert. In „Stahlbetonstützen mit hochfestem Stahl St 90/DafStb, Heft222/1972" werden für diesen als „hochfest" besonders hervorgehobenen Betonstahl die folgenden Werte angegeben:It is easy for a person skilled in the art to notice that the value for the constriction of fracture of> 35% for the high strength values above 1300 N / mm 2 characterizes an unusually high property potential of a material - in particular a structural steel of the type "low-alloy tempered steel" - in "reinforced concrete columns with high strength Stahl St 90 / DafStb, Issue 222/1972 ", the following values are given for this reinforcing steel, which is particularly emphasized as" high strength ":
Zugfestigkeit Rm : 1040 N/mm2 Brucheinschnürung Z : 29 %Tensile strength Rm: 1040 N / mm 2 break constriction Z: 29%
Bedenkt man die Tatsache, daß dieses Wertepaar bei den Betonstählen BSt 420 S bzw. BSt 500 mit den Zugfestigkeitswerten von 500 bzw. 550 N/mm2 - nach DIN 488 Teil 1 bzw. DIN 1045(„Beton und Stahlbeton"-Ausgabe Juli 1988) - trotz halb so hoher Festigkeitslage - kaum erreicht werden kann, selten ermittelt und angegeben wird, dann wird die Bedeutung der erfindungsgemäßen Verfahrenstechnik für eine neue hochwertige Stahlanwendung im Hochbau ersichtlicher. Auf der Grundlage der oben beschriebenen Wertekombination für Härte (Festigkeit) und Zähigkeit (Brucheinschnürung) wird erfindungsgemäß eine Widerstandsfähigkeit des Stahles auf sehr hohem Niveau zur Aufnahme aller im Hochbau vorkommenden Spannungen abgesichert.Considering the fact that this pair of values for the reinforcing steels BSt 420 S or BSt 500 with the tensile strength values of 500 or 550 N / mm2 - according to DIN 488 part 1 or DIN 1045 ("Concrete and reinforced concrete" edition July 1988) - despite the strength level being half as high - can hardly be achieved, is rarely determined and specified, then the importance of the process technology according to the invention for a new high-quality steel application in building construction becomes more apparent. On the basis of the combination of values described above for hardness (strength) and toughness (constriction of fracture) ) according to the invention, a resistance of the steel to a very high level for absorbing all the stresses occurring in building construction is ensured.
Im Anspruch 7 wird, wie bereits weiter oben erwähnt wurde, daher vorgeschlagen, den erfindungsgemäß martensitisch ohne Anlaßeffekt gehärteten Stahldraht, der zwar hohe Härte und Festigkeit besitzt, jedoch gleichzeitig hohe Duktilität - ausgedrückt durch hohe Brucheinschnürungswerte - aufweist, ohne - wie beim konventionellen Vergüten der Stahlsorte üblich - kaltzuformen. Das Kaltumformvermögen des nicht angelassenen kubischen Martensits nach der für die vorliegende Erfindung benutzten Definition beruht darauf, daß das Potential der Kaltumformbarkeit mit abnehmender Anlaßwirkung, d. h. mit zunehmender Festigkeit, besser wird, was zunächst sehr überrascht, jedoch versuchsmäßig feststellbar war und auch theoretisch einleuchtend wird, wenn man sich von den überlieferten Annahmen, die aus den konventionellen Stahlbehandlungen stammen, lossagt. Mit den neuen Kenntnissen ist die klassische Vorstellung durchaus vereinbar, daß die steigende Anlaßwirkung und damit die vermehrte Zementitbildung gleichzeitig zu einer Veränderung des „kubischen" Martensits zum „α-Eisen" führt. In diesem steigt die Verschiebbarkeit der Elementarzellen gegeneinander auf Kosten der Dehnbarkeit derselben. Je mehr Carbide im nur gehärteten Martensitgefüge ausscheiden, um so weniger beträgt die gegenseitige Anziehung der Elementarzellen, um so niedriger wird die Härte bzw. die Festigkeit und um so höher die Verschiebbarkeit. Mit einem Wort: Im Vergleich zu dem Zustand des „kubischen" Martensits ist jeder angelassene Zustand auf einem geringeren Kaltumformungspotential.In claim 7, as already mentioned above, it is therefore proposed that the steel wire hardened according to the invention martensitically without a tempering effect, which has high hardness and strength, but at the same time has high ductility - expressed by high constriction values - without - as with conventional hardening and tempering Steel grade common - cold form. The cold formability of the non-tempered cubic martensite according to the definition used for the present invention is based on the fact that the potential of the cold formability becomes better with decreasing tempering action, ie with increasing strength, which was very surprising at first, but was experimentally ascertainable and also becomes theoretically plausible. if you abandon the traditional assumptions that come from conventional steel treatments. With the new knowledge, the classic idea that the increasing starting effect and thus the increased cementite formation leads at the same time to a change of the "cubic" martensite to the "α-iron" is compatible. This increases the displaceability of the unit cells against each other at the expense of their elasticity. The more carbides in the only hardened martensite structure, the less the mutual attraction of the elementary cells, the lower the hardness or strength and the higher the displaceability. In a word: Compared to the state of the "cubic" martensite, every tempered state has a lower cold forming potential.
Die Erfindung beruht auf der Schlußfolgerung, daß der Martensit möglichst direkt nach seiner Bildung aus dem Austenit kaltgeformt wird.The invention is based on the conclusion that the martensite is cold formed from the austenite as soon as possible.
Der technischen Nutzung dieser neuen Erkenntnis steht jedoch in der praktischen Ausführung das Werkstoffproblem der Werkzeuge und ihrer Standzeit entgegen. Um eine wesentliche Erniedrigung des Verschleißes der Kaltumformwerkzeuge zu erzielen, kommt der erfindungsgemäße Vorschlag nach den Ansprüchen 1 , 3 und 4 zur Hilfe. Dadurch wird der Härteunterschied zwischen dem Werkzeug und der verschleißenden Randschicht des umzuformenden martensitisch harten Stahldraht vergrößert. Ist diese Randschicht ferritisch, wie sie nach Anspruch 3 vorgeschlagen wird, so wird der Verschleiß am geringsten. Bei der noch wirksamen Maßnahme nach Anspruch 8 wird die Verschleiß mindernde Wirkung geringer ausfallen, da in diesem Fall die höher angelassene Randschicht verhältnismäßig an Zementit im „α-Eisen" reicher ist als im Kernbereich. Nach Anspruch 8 entsteht lediglich eine in der Festigkeit tiefer liegende Randschicht als es ohne diese Maßnahme auf der Festigkeitshöhe des Kernbereiches wäre.The technical use of this new knowledge, however, stands in practical execution against the material problem of the tools and their service life. In order to achieve a significant reduction in the wear of the cold forming tools, the proposal according to claims 1, 3 and 4 comes to the aid. This increases the difference in hardness between the tool and the wearing edge layer of the martensitic hard steel wire to be formed. If this boundary layer is ferritic, as is proposed according to claim 3, the wear is least. In the still effective measure according to claim 8 the wear-reducing effect will be less, since in this case the higher tempered surface layer is relatively richer in cementite in the "α-iron" than in the core area. According to claim 8, only a surface layer lower in strength than that without this measure on the Strength level of the core area would be.
Eine mehrdimensionale Kaltumformung - z.B. durch Kaltwalzen nach DE-C2 42 33 462 - bewirkt zugleich eine thermische Gitteraktivierung im noch nicht angelassenen Martensitgefüge, was zu einer neuartigen „thermo- mechanischen" Niedertemperatur-Anlassbehandlung führt. Wie auch experimentell festgestellt werden konnte, bringt diese Behandlung des Martensits, der ohne Anlaßeffekt durch Härten erhalten wird, Vorteile gegenüber einer konventionellen Anlassbehandlung. Insbesondere erhöht sich die Elastizitätsgrenze des Stahldrahtes gegenüber derjenigen eines nur angelassenen und getrennt kaltgeformten Stahldrahtzustandes. Hierfür wirken die folgenden Effekte zusammen:Multi-dimensional cold forming - e.g. by cold rolling according to DE-C2 42 33 462 - at the same time causes a thermal lattice activation in the martensite structure that has not yet been tempered, which leads to a novel "thermo-mechanical" low-temperature tempering treatment. As was also found experimentally, this treatment of the martensite, which without Tempering effect obtained by hardening, advantages over a conventional tempering treatment In particular, the elastic limit of the steel wire increases compared to that of a tempered and separately cold-formed steel wire condition.
Das gesamte Umformvolumen erfasst makromechanische Veränderung des Martensits - Entstehung neuer Versetzungen im GitterThe entire forming volume records macromechanical changes in the martensite - new dislocations are created in the grid
Veränderung der Mikrodehnungen im GefügeChange in micro-expansions in the structure
Thermische Einwirkung infolge der aus der Kaltumformarbeit simultan und umfassend entstandenen Wärmeenergie in dem gesamtenThermal action as a result of the thermal energy generated simultaneously and comprehensively from the cold forming work in the whole
Umformvolumen - Blockierung der neu entstandenen Versetzungen im GefügeForming volume - blocking of the newly created dislocations in the structure
Trotz der Erhöhung der elastischen Werte und der Zugfestigkeit, bleibt dieDespite the increase in elastic values and tensile strength, the
Duktilität - gemessen durch Ermittlung der Brucheinschnürung im Zugversuch - erhalten, da die Gefügebasis mit dem „kubischen" Martensit bei den durch Kaltumformung hier vorkommenden Temperaturerhöhungen von etwa 100 bis 200 grd noch vorherrschend bleibt. Diese Temperaturerhöhung ist in Fig. 2 in Abhängigkeit der Zugfestigkeit für verschiedene Grade der Formänderung - ausgedrückt in logarithmischer Formänderung φ = In (Ao/A) mit Ao als Querschnittsfläche vor und A nach der Umformung - aus theoretischen Berechnun- gen dargestellt worden. Im unterem Temperaturbereich konnte durch Versuche für φ = 0,20 die Darstellung bestätigt und die Eigenschaftsänderungen ermittelt werden. In Fig. 2 zeigt der Verlauf der Temperaturerhöhung für φ = 0,25 im schraffierten Teil, daß es möglich sein wird, einen nicht angelassenen „kubischen" Martensit während und durch Kaltumformung in der ersten Anlaßstufe anzulassen, φ = 0,25 entspricht einer bezogenen Formänderung ε = (1 -Ao/A). 100 [%] von etwa 20%.Ductility - measured by determining the constriction of the fracture in the tensile test - is retained, since the structure base with the "cubic" martensite with the temperature increases of around 100 to occurring due to cold forming 200 grd still prevails. This temperature increase has been shown in FIG. 2 as a function of the tensile strength for various degrees of shape change - expressed in logarithmic shape change φ = In (Ao / A) with Ao as the cross-sectional area before and A after the deformation - from theoretical calculations. In the lower temperature range, tests for φ = 0.20 could be confirmed and the changes in properties determined. 2 shows the course of the temperature increase for φ = 0.25 in the shaded part that it will be possible to temper a non-tempered "cubic" martensite during and by cold working in the first tempering stage, φ = 0.25 corresponds to a related one Shape change ε = (1 -Ao / A). 100 [%] of about 20%.
Im Anspruch 9 kommt erfindungsgemäß der Verschleiß mindernden Wirkung der ferritischen Randschicht eines auf hoher Zug- und Druckfestigkeit stehenden vergüteten Stahldrahtes eine große Bedeutung zu, da sonst die Massenfertigung von lösbar verbindbaren hochfesten Stahlstäben wirtschaftlich nicht möglich ist. Die nach diesem Anspruch vorgeschlagene Maßnahme erfordert eine etwa 20%-ige Kaltumformung, um z.B. durch Pressen oder Walzen geeignete Rillen, Rippen oder Gewinde auf den Stab aufzubringen.According to the invention, the wear-reducing effect of the ferritic surface layer of a tempered steel wire with a high tensile and compressive strength is of great importance, since otherwise the mass production of releasably connectable high-strength steel rods is not economically possible. The measure proposed according to this claim requires approximately 20% cold forming in order to e.g. Apply suitable grooves, ribs or threads to the rod by pressing or rolling.
Die mechanischen Werte der Ferritschicht - bei einer 20%-igen Kaltumformung - sind:The mechanical values of the ferrite layer - with 20% cold forming - are:
VORHER u. NACHHERBEFORE u. LATER
Zugfestigkeit Rm [N/mm2] 250 +/- 50 500 +/- 200Tensile strength Rm [N / mm 2 ] 250 +/- 50 500 +/- 200
Bruchdehnung A10 [%] 40 +/- 3 33 +/- 2Elongation at break A10 [%] 40 +/- 3 33 +/- 2
Wie ersichtlich, erhöht die 20%-ige Kaltumformung die Zugfestigkeit der Ferrit- schicht im Mittel auf das Zweifache, während die Abnahme der Bruchdehnung verhältnismäßig klein bleibt und weniger als 20 % beträgt. Das bedeutet, daß auf der Stahlstaboberfläche noch eine sehr hohe Dehnbarkeit vorhanden bleibt, um Materialtrennung und Rißbildung bei Biegebeanspruchung entgegenzuwirken. Ein Vergleich mit den entsprechenden Werten im Kernbereich eines nach Fig. 1 , z.B. Fall II ( Randentkohlung mit Auskohlung ) gefertigten Stahlstabes macht die Bedeutung der erfindungsgemäßen Maßnahmen im Oberbegriff der Erfindung noch deutlicher:As can be seen, the 20% cold forming increases the tensile strength of the ferrite layer on average by two, while the elongation at break decreases remains relatively small and is less than 20%. This means that there is still a very high degree of extensibility on the steel rod surface in order to counteract material separation and cracking under bending stress. A comparison with the corresponding values in the core area of a steel rod manufactured according to FIG. 1, for example Case II (decarburization with decarburization), makes the importance of the measures according to the invention in the preamble of the invention even clearer:
Die mechanischen Werte im Kernbereich - bei einer 20%-igen Kaltumformung - sind:The mechanical values in the core area - with 20% cold forming - are:
VORHER u. NACHHERBEFORE u. LATER
Zugfestigkeit Rm [N/mm2] 1750 +/- 50 2100 +/- 25Tensile strength Rm [N / mm 2 ] 1750 +/- 50 2100 +/- 25
Bruchdehnung A 10 % 15 +/- 2 10 +/- 1Elongation at break A 10% 15 +/- 2 10 +/- 1
Ohne die erfindungsgemäße Randentkohlung beträgt die Dehnung auf der Oberfläche demnach nur 10 % und würde die Riß- und Korrosionsempfindlichkeit des unter Last stehenden Stahlstabes stark erhöhen. Demge- genüber wird die Dehnbarkeit bei ausgekohlter Randschicht nach Anspruch 3 mit 33 % um mehr als 3-fache und im Falle von nur Abkohlung ohne Ferritschicht je nach Grad der Entkohlung höher als 10% und unter 33% liegen.Without the decarburization according to the invention, the elongation on the surface is therefore only 10% and would greatly increase the sensitivity to cracking and corrosion of the steel rod under load. In contrast, the ductility in the case of a carburized surface layer according to claim 3 is 33% more than 3 times and in the case of only decarburization without a ferrite layer, depending on the degree of decarburization, it is higher than 10% and less than 33%.
Bedenkt man die Tatsache, daß die DIN 488-Vorschrift für die Bruchdehnung A10 bei keiner der im Einsatz befindlichen Betonstahlsorten größer als 10 % ist, obwohl die Zugfestigkeit lediglich maximal 550 N/mm2 zu sein hat, so wird die Größenordnung der erfindungsgemäßen Wirkung der entkohlten Randschicht mit - aber auch ohne - Ferrit deutlich. Auch der oben erwähnte als „hochfest" bezeichnete Stahl St 90, der für den Einsatz im Hochbau bei den hoch- bewehrten Stahlbetonstützen getestet wurde, brachte bei einer Zugfestigkeit von 1040 N/mm2 nur A10 = 1 1 % , was dazu führte, daß dieser Stahl, der mit verhältnismäßig hohem Cr-Gehalt von rd. 3% keine niedriglegierte Sorte mehr war und u. a. daher relativ geringe Randentkohlung aufwies, im Beton stark korrosionanfällig wurde. Dabei war in den Jahren um 1970 die Entwicklungs- richtung „weg von schwachen Betonstahlsorten und hin zu solchen mit höheren Festigkeiten" eine in der grundsätzlichen Problematik der Betoneigenschaften zu suchende Reaktion auf „Schwierigkeiten des Betons" selbst. Hierüber wurde im Versuchsbericht von 1972 (DafStb,Heft222 im 2. Teil. Seite 63) festgehalten:If you consider the fact that the DIN 488 specification for the elongation at break A10 is not greater than 10% for any of the reinforcing steel types in use, although the tensile strength has to be a maximum of only 550 N / mm 2 , the magnitude of the effect according to the invention becomes decarburized surface layer with - but also without - ferrite clearly. The St 90 steel referred to above as "high strength", which was tested for use in building construction in the highly reinforced reinforced concrete columns, also provided tensile strength of 1040 N / mm 2 only A10 = 1 1%, which led to this steel, which has a relatively high Cr content of approx. 3% was no longer a low-alloy grade and therefore, among other things, had relatively low decarburization and was highly susceptible to corrosion in concrete. In the years around 1970, the direction of development "away from weak types of reinforcing steel and towards those with higher strengths" was a reaction to "difficulties with concrete" itself to be sought in the fundamental problem of concrete properties. This was discussed in the test report from 1972 (DafStb , Issue 222 in Part 2, page 63):
„Da in hochbewehrten Stahlbetonstützen die Last im Laufe der Zeit durch das Betonkriechen ohnehin fast ganz auf den Stahl verlagert und dieser dabei je nach Bewehrungsgrad bis zur Quetschgrenze beansprucht wird, lag es nahe, einmal zu untersuchen, ob für solche Stützen nicht besser auf das Mitwirken des Betons auf Druck verzichtet wird " Weiter heiß es auf gleicher Seite:“Since the load in highly reinforced reinforced concrete columns is almost entirely shifted to the steel anyway due to the concrete crawling and depending on the degree of reinforcement, this is stressed to the point of squeezing, so it made sense to examine whether such columns were not better suited to participate the concrete is not subjected to pressure "It is also said on the same page:
" Dem Beton fällt dann nur die Aufgabe der Knicksicherung der Stäbe und des Schutzes gegen Korrosion und Feuer zu; er wird hierfür am besten mit einer Wendelbewehrung umschnürt.""The concrete then only has the task of securing the bars from kinking and protecting against corrosion and fire; the best way to do this is to tie them with a spiral reinforcement."
Ziel der Erfindung war es daher, einen Stahldraht zu fertigen, der den heutigen technischen Stand im Hochbau beim mit großen Nachteilen behafteten Beton- und Stahlbetoneinsatz wesentlich verbessert. Ein solcher Stahl aus einem niedriglegierten martensitischen Stahldraht nach Ansprüchen 1 bis 10 weist eine Zugfestigkeit bis zu 2400 N/mm2 beim Vorhandensein hoher Duktilität und geringer Korrosionsempfindlichkeit auf. Die Quetschgrenze des erfindungsgemäßen Stahlstabes ist mit Werten bis zu 1600 N/mm2 als besonderes hoch zu bezeichnen, so daß Stützenkonstruktionen mit zulässigen Treiblasten von z.B. 10 MN bei 0,5 x 0,5 m2 in einer völlig neuartigen Vollstahl- Leichtbauweise erstmalig ermöglicht wird. Zur Nutzbarmachung des hohen Stahlfestigkeitspotentials nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die hochwertige Rolle des Stahldrahtes auch für den Hochbau von den betonspezifischen Beengheiten befreit. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung von Stahldrahtstäben nach den Ansprüchen 1 1 bis 20 wird erreicht, daß der erfindungsgemäße StahldrahtThe aim of the invention was therefore to produce a steel wire that significantly improves the current state of the art in building construction when using concrete and reinforced concrete with major disadvantages. Such a steel made of a low-alloy martensitic steel wire according to claims 1 to 10 has a tensile strength of up to 2400 N / mm 2 in the presence of high ductility and low sensitivity to corrosion. The crushing limit of the steel rod according to the invention can be described as particularly high with values of up to 1600 N / mm 2 , so that support structures with permissible propellant loads of, for example, 10 MN at 0.5 x 0.5 m 2 are made possible for the first time in a completely new type of lightweight steel construction becomes. In order to utilize the high steel strength potential according to the method according to the invention, the high-quality role of the steel wire is also freed from the concrete-specific restrictions in building construction. In the inventive arrangement of steel wire rods according to claims 1 1 to 20 it is achieved that the steel wire according to the invention
"große Knicksicherung" - ohne Hilfe von Beton - und nur durch genaue und sichere Stahlelemente bei einer von nachteiligem Schweißen freien wiederlösbaren kraft- und/oder formschlüßigen Verbindung erhält,"great buckling protection" - without the help of concrete - and only through precise and secure steel elements with a releasable non-detachable welding non-positive and / or positive connection,
"hinsichtlich der Korrosionsgefahr" ohne Beton besser wird als mit ihm, indem erfindungsgemäß die Randschicht gezielt entkohlt wird, die chemische Zusammensetzung und das Gefüge des Stahldrahtes die Rißbildung sowohl im Rand- als auch im Kernbereich sowie die Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoff rißkorrosion minimiert wird und seine effektive permanente Überwachung als Lasttragelement im gesamten Bau- Komplex dadurch gegeben wird, daß alle Elemente leicht zugänglich sind und im Bedarfsfall ausgewechselt werden können und schließlich"With regard to the risk of corrosion" is better without concrete than with it, according to the invention by deliberately decarburizing the surface layer, the chemical composition and the structure of the steel wire, the crack formation both in the edge and in the core area and the sensitivity to hydrogen crack corrosion is minimized and its effective Permanent monitoring as a load-bearing element in the entire building complex is given in that all elements are easily accessible and can be replaced if necessary and finally
"Schutz gegen Feuer" dadurch sehr effektiv erhalten kann, daß die Zugänglichkeit ebenso auch hier das Installieren eines automatischen Überwachungs- und Feuerlöschsystems auch im Inneren von Stützen und Decken erlaubt."Protection against fire" can be obtained very effectively by the fact that the accessibility also allows the installation of an automatic monitoring and fire extinguishing system also inside the supports and ceilings.
Aus dem bisher Gesagten geht einleuchtend hervor, daß der Einsatz des erfindungsgemäßen Stahldrahtes als das alleinige Element zum Lasttragen im Hochbau in jeder Hinsicht zu bevorzugen ist, obwohl hier eine Verwendung von Beton als „Füll- und Abdeckungsmaterial" gegenüber seiner Anwendung gemäß dem heutigen Stand der Technik sicherlich auch deutliche Vorteile für die klassische Bauweise im Stahlbetonbau mit sich bringt. Insbesondere dort, wo man heute gezwungen ist, Bewehrungsstäbe durch „Druck-Stöße" jeglicher Art, d.h. durch z.B. „Druckübergreifungsstöße", „Kontaktstöße" oder „Preßmuffenstöße" aber auch durch „Anschweißen von Bindedraht", in Stahlbetonstützen zu verlängern, entfällt diese Notwendigkeit, denn der erfindungsgemäße Stahldraht wird nach der Kaltumformung und Profilierung in schweren Drahtringen elastisch gehaspelt; er kann für beliebig hohe Stützen in voller Länge als gerader Stab vom Ring abgehaspelt und zugeschnitten werden. Diese Schwachstellen derzeitiger Bauweise würden sicherlich beseitigt werden, jedoch bleibt weiterhin die Tatsache bestehen, daß z.Z. ein nicht unwesentlicher Teil des Gesamtpotentiais der ohnehin nicht hochfesten Betonstähle dafür aufgewendet wird, um den Beton unter Last zusammenzuhalten. Das gilt auch beim Spannbetonbau und -brückenbau. Insbesondere in Bauten mit vielen Stockwerken verursacht das Gewicht des Betons in Abhängigkeit mit der Höhe höhere Traglasten und zusätzliche Biegebeanspruchung und damit wiederum mehr Beton und mehr Betonstahl. Diese entfallen ersatzlos, wenn die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommt.From what has been said so far, it is evident that the use of the steel wire according to the invention as the sole element for load-bearing in building construction is to be preferred in all respects, although here the use of concrete as a "filling and covering material" compared to its use according to the current state of the art Technology certainly also has clear advantages for the classic construction in reinforced concrete construction. In particular, wherever one is forced to extend reinforcement bars by "pressure surges" of any kind, ie by "pressure overlaps", "contact butts" or "press sleeve butts" but also by "welding binding wire" in reinforced concrete columns, this need is eliminated , because the steel wire according to the invention is elastically coiled in heavy wire rings after cold forming and profiling, it can be uncoiled and cut from the ring in full length as a straight rod for supports of any height. These weaknesses of the current construction would certainly be eliminated, but the fact remains exist that a not insignificant part of the total potential of the anyway not high-strength reinforcing steel is used to hold the concrete together under load. This also applies to prestressed concrete construction and bridge construction. Especially in buildings with many floors, the weight of the concrete causes depending the higher the load capacities and additional bending stress, and thus more concrete and reinforcing steel. These do not apply if the present invention is used.
Zur Nutzung des hohen Festigkeitspotentials des erfindungsgemäßen Stahldrahtes als Druckstab wird im Anspruch 13 vorgeschlagen, daß die Tragfähigkeit einer aus mehreren Stäben bestehenden Stütze dadurch ermöglicht wird, daß miteinander verbindbare Muffen erfindungsgemäß die Druckstäbe gegen Schub und Verbiegung absichern. Wählt man eine möglichst fern von der Quetschgrenze des erfindungsgemäßen Stahldrahtes entsprechende zulässige Knicklänge des einzigen Stabes als maximalen Abstand zwischen den Muffen eines jeden Stabes eines Bündels, so können nach Anspruch 14 mittels solcher einfachen, jedoch sehr wirksamen Knicksicherung mit Muffenpaketen sehr hohe Traglasten für ungewöhnlich schlanke Stützen erfindungsgemäß realisiert werden, wobei noch Druckwiderstandspotentiale der Stütze erhalten bleiben, die jederzeit nutzbar zu machen sind. ln Fig. 3 ist der Querschnitt durch ein solches Muffenpaket beispielsweise und schematisch dargestellt. Die Vierkantmuffen und die gewählte Form dieses Beispiels für die Keilbolzen in Fig. 3 reduzieren jede Relativbewegung der Tragstäbe zueinander auf ein äußerst geringes Maß und bringen einen hohen Grad an Knicksicherung. Nach diesem Konstruktionsprinzip würde eine 40 cm x 40 cm - Stütze bestehend aus 36 erfindungsgemäßen 23 mm - Stäben eine Traglast von 36 x 0,20 MN = 7,20 MN, d.h. rd. 700 Tonnen widerstehen, was einer Stockwerksfläche von mehr als 1000 m2 entspricht. Die spezifische Stahlmasse dieser Stütze je Meter der Stützenhöhe - ohne Massenanteil der Muffenpakete - beträgt rd. 150 kg/ m; mit den Knicksicher-ungselementen max. 160 kg/ m. Daraus ergibt sich je Tonne Traglast die spezifische Gesamtstahlmasse von rd. 0,23 kg/m.t.To use the high strength potential of the steel wire according to the invention as a compression rod, it is proposed in claim 13 that the load-bearing capacity of a support consisting of several rods is made possible by the fact that interconnectable sleeves protect the compression rods against thrust and bending according to the invention. If one chooses a permissible kink length of the single bar as far as possible from the crushing limit of the steel wire according to the invention as the maximum distance between the sleeves of each bar of a bundle, then very high load capacities for unusually slim loads can be achieved with such simple but very effective buckling protection with sleeve packages Columns are realized according to the invention, wherein pressure resistance potentials of the column are still preserved, which can be used at any time. 3 shows the cross section through such a sleeve package, for example and schematically. The square sleeves and the selected form of this example for the wedge bolts in FIG. 3 reduce any relative movement of the supporting rods to one another to an extremely small extent and bring about a high degree of kink protection. According to this design principle, a 40 cm x 40 cm support consisting of 36 23 mm rods according to the invention would have a load capacity of 36 x 0.20 MN = 7.20 MN, ie approx. Resist 700 tons, which corresponds to a floor area of more than 1000 m 2 . The specific steel mass of this column per meter of column height - without the mass fraction of the socket packages - is approx. 150 kg / m; with the anti-kink elements max. 160 kg / m. This results in the specific total steel mass of approx. 0.23 kg / mt
Der folgende Vergleich dieses erfindungsgemäßen Wertes mit den höchsten z.Z. auch im Stahlbau erreichbaren spezifischen Werten ist sehr aufschlußreich:The following comparison of this value according to the invention with the highest currently. Specific values that can also be achieved in steel construction are very revealing:
a) IP-Stahl (nach DIN 1025. BI.2; berechnet nach DIN 4114):a) IP steel (according to DIN 1025. BI.2; calculated according to DIN 4114):
I P 40 - Formstahl mit 164 kg/m bringt bei einer freien Knicklänge von 2,0 m den spezifischen Wert von 0,62 kg/m.t und bei einer freien Knicklänge von 5,0 m den spezifischen Wert von 0,77 kg/m.t. Dies ist das Dreifache des erfindungsgemäßen Wertes mit 0,23 kg/m.t.I P 40 - shaped steel with 164 kg / m brings the specific value of 0.62 kg / m.t with a free buckling length of 2.0 m and the specific value of 0.77 kg / m.t with a free buckling length of 5.0 m. This is three times the value of 0.23 kg / m.t.
b) Doppel I - Stahlstütze (n. DIN 1025, BI.1 ; berechnet nach DIN 41 14):b) Double I - steel column (according to DIN 1025, BI.1; calculated according to DIN 41 14):
Zwei I 40 - Formstahl-Knickstäbe mit einem Trägerabstand von 33 cm und normgerechten Bindeblechen bringen bei einer freien Knicklänge von 2,5 m den spezifischen Wert von 0,56 kg/m.t und bei einer freien Knicklänge von 5,0 m den spezifischen Wert von 0,61 kg/m.t. Diese Werte sind zwar geringfügig kleiner als bei IP-Stahlstütze unter a). Sie sind jedoch deutlich ungünstiger als der erfindungsgemäße Wert mit 0,23 kg/m.t.Two I 40 - shaped steel buckling bars with a support spacing of 33 cm and standard-compliant binding plates bring the specific value of 0.56 kg / mt with a free buckling length of 2.5 m and the specific value with a free buckling length of 5.0 m 0.61 kg / mt These values are negligible smaller than with IP steel column under a). However, they are significantly less favorable than the value according to the invention at 0.23 kg / mt
Sind geringere Traglasten zu widerstehen, so können die Anzahl der erfindungsgemäßen Druckstäbe entsprechend geringer und die Abstände zwischen ihnen jedoch größer gewählt werden, indem die auf den Stäben befindlichen Muffen erfindungsgemäß nach dem Anspruch 15 zwecks Schaffung größerer Trägheitsradien durch weitere - hier länger gestalteten - Kupplungsmuffen zueinander entfernter angeordnet werden. Die geringste statisch bestimmte Stabanzahl mit drei bringt bei den erfindungsgemäßen Werten des obigen Beispiels mit einem Stabdurchmesser von 23 mm eine Drucktragfähigkeit von 60 Tonnen.If lower loads are to be resisted, the number of compression rods according to the invention can be correspondingly smaller and the spacing between them can be chosen larger by the sleeves on the bars according to the invention, according to claim 15, in order to create larger radii of inertia by means of further — here longer — coupling sleeves be placed further away. The lowest statically determined number of bars with three results in the inventive values of the above example with a bar diameter of 23 mm and a pressure carrying capacity of 60 tons.
Nach dem Anspruch 16 wird erfindungsgemäß das noch nicht genutzte Potential des Stabbündels im Druckwiderstand teilweise dadurch in Anspruch genommen, daß man an den Druckstäben der bereits unter Last stehenden Stütze nachträglich in den Zwischenabständen der vorhandenen Muffenpaketen neue Pakete oder Teilverbindungen mittels geteilten Muffen anbringt. Die geteilten Muffen können nach dem Anlegen über das Gewinde nach dem Anspruch 17 kraft- oder formschlüßig geschlossen werden. Die auf der Ebene der miteinander verbundenen bzw. aneinander angedrückten Muffen auftretenden Kräfte sind bei der Knicksicherung sehr klein; eine Tatsache, die sich aus der Kenntnis der Betondeckungsvorschriften bei Stahlbetonstützen ergibt.According to the invention, the unused potential of the bundle of rods in the pressure resistor is partially used in accordance with the invention by subsequently adding new packages or partial connections to the compression rods of the support, which are already under load, at intervals between the existing socket packages by means of split sockets. The split sleeves can be closed positively or positively after the application via the thread according to claim 17. The forces occurring at the level of the interconnected or pressed together sleeves are very small in the buckling protection; a fact that arises from knowledge of the concrete cover regulations for reinforced concrete columns.
Eine erfindungsgemäße Formbasis für die Ausgestaltug von Knotenpunkten der Fachwerkskonstruktion aber auch Stützenmuffen bietet nach Anspruch 18 die Kugel.According to claim 18, the ball offers a shape base according to the invention for the design of nodes of the truss structure but also support sleeves.
Ist diese nach Anspruch 19 aus gleichem erfindungsgemäßen niedriglegierten Vergütungsstahl und wurde sie als Mahlkugel wirtschaftlich hergestellt, so wird sie eine mit Gewinde versehene Durchbohrung für den Hauptstab und mehrere Gewindeanbohrungen erhalten, in denen nur kurze Stäbe eingeschraubt werden, mit denen sich dann mittels Langmuffen die Nebenstäbe als Zug- oder Druckstäbe verbinden lassen.If, according to claim 19, it is made from the same low-alloy tempering steel according to the invention and if it was produced economically as a grinding ball, then they receive a threaded through-hole for the main rod and several threaded holes, in which only short rods are screwed in, with which the secondary rods can then be connected as tension or compression rods by means of long sleeves.
Nach Anspruch 20 und wie es in Fig. 4 schematisch gezeigt wird, soll bei hohen Traglasten die Stossausbildung mittels massiver Stahlkernen und -platten zur Weiterleitung der Lasten erfindungsgemäß einheitlich durch verschraubungs- technisches Montieren erfolgen, um die üblichen Ausmittigkeiten auf das geringe Maß des präzisen Maschinenbaus zu minimieren. According to claim 20 and as shown schematically in Fig. 4, the impact formation at high loads by means of solid steel cores and plates for the transmission of the loads according to the invention should be carried out uniformly by screwing assembly in order to reduce the usual eccentricities to the low level of precise mechanical engineering to minimize.
Claims
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): BR CA JP KR US |
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| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| DFPE | Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101) | ||
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase | ||
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: JP |