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Wolfgang Lehnen , Nguyen Duc Cuong, Harald Wchage

Werkstoffgefüge beim Walzen von Draht und Stab stahl

Die konseqlleillc OriCJltienlllg der techni­schen Entwicklung auf

die kostcngUnstigerc GeslrdhJllg eies Ferl igungsprozcsses, die Steigenlllg det' PI'odukti viHii bei glcichblc ibcllder oder e rhöhter Flcxi­bi lit ti t und die Verbesserung der Produktqualiltit bei gleichzeitige" Einspanlllg an Mate­rial und Energie

hai im Ilel'eich der Wal7.wCI'kstcchnik zu !leuen Anlagen, Tcchnologicn lind Erzeug­nissen geHlIlI't. F(l r die Hel'stellung von Draht und Stabstahl sind im Bild I techno­logische Konzepte Hilgertihrt , dlll'Ch die ge­hobcnen Qualitälsansprüchcn Rechnung getragen werden kann . Sie gcwiihrieislclI , daß Erzeugnisse mit gleichmäßigen lind teilweise rnit erhöhten. dcliniertcn Eigcn­schaflsparamelern produziert werden kön­nCn, Dadurch wird erreicht , nachtriig liche Wärmebehandlungen zu umgehen, unter UrnstHnclcn den Lcgicrllngsaufwnnd l.U vCr­I'inge rn lind eine höhere Qualität sstu fe zu gcwüh rleisten, Durch Einwirkung auf die Realsll'ukllll' und elie Gefligeallsbilclllng während de r Umformung ist es möglich, die dur'ch elie chemische Zllsammenselzung und die Schmel l.- und GiclJbcdingllngcn vo r'geprägten Eigenschaftskennwel'te zu bccinnussen,

Die bei elen einze lnen TecilHologien erreichbaren Effekte l.ielgerichlet [lU Sl.ll­

rHU ZCrl , bedeutet, sowohl die Umfonnbe­dingungen, als auch die Anlagentechnik den speziellen Wel'kstoffbelangen anzu­passcn,

Zufl'i edenstellend kann das IlIU' gelin­gcn, wenn Werkstoff und Ve rfahren als Ein­heil betrachtet und alle wel'kstoff-, ve rfahrens- und anlagenabhängigcn Para­meter' in angemessenei' Weise bel'Hcksich­tigt werden, Die mathcmatische ModelIie­rung ist hierfOl' nicht nur' eine wichtige, sondern notwendigc Voraussctzung, Dureh die mathemati sche Sinllilotion dei' Oefllge­bildung können dic charaktcristischen Ein­nuHgröHen in ihrei' Wir'kllng quantitlziel't, das Gefüge vo rausberechnel und Anlagen­konzcptionCIl bzw. Technologien bcwcl'tct werdcn.

Im vorl iegenden ßeitn1g wir'(l ein Ge­fiigebercchnllngslllodell vorgestellt , das für dns Walzcn von Dr'nht und Stnbstahl in

Strcckkolibel'n bei hohen Oeschwincligkei. ten crstcllt wurdc [I] , Beispielhaft wird auf­gezeigt, d n r~ ber'eil s in dei' Phase eier' Anla­genprojckticrung über dic realisierbaren wCI'kstoffbezogenen Technologien unel da­mit übcr dic mögliche Produk tqualitüt cnt­schiedcn wir'd .

1 Bestill1l11l1ngsgrößcn lind l.Ietrachtllngshiille

))je Pa lette der Stahlmarken, aus dCllcn Drähte und StabstHhlc 1.1I wal l.en sind , ist sehl' vielseitig und sehr groß. Sie reicht bci Hochleislungswal l.straßcn für Masse ll- lind QualitätssHihle VOll Bau- und Betonstählen bis l.U Vcrgütungs-. Wiill.lage r- und Wcrk­zeugstlihlcn. 13ntsprechend verschiedenar­tig sind dic Qualitütsanforderungcn bezlig­lieh (ler' mcchanischen Eigenschaftswel'te, wie dies Tabellc I fll r Drühle aus Stühlen von 0,12 bis 1, 1 % C belegt. Am ehesten, sinnvollstcn lind zwcckmüßigsten können die jeweiligen QunliHitsniveaus (lurch die tempcratu rkontrolliertc (normal isicrcnde) lind alisteni tkorngeslelJ erte Wnlzung CI'­reicht werden. In ausgewählten Fällcn er­scheint auch die thennomechnllische Wal­zung als vortcilhaft .

Bild I. Ver!ahrellsreclmiken der Dr(lll l- I/I/d Sra bS/(l" h v(l h l I I/g

\' v"0"'''009 oe, ."O"kI- _\ qualilal durch werk'SIorfbezoget\9

I 1 Umformung 1 Abkuhlung I

-ttemperalur-!kon - beschleunigte lroltrert

- ovsleni tkQrn /Je- = 19~z~g%~e stevert - slu?enweise -vnrcrRekr.Tem~

• In 2-Phosengeb t - partiette -ny-o:-Umwandl.

I Slobslohl und Droht Ol,l$ Qualltäts- u. Edelstählen

IW~lall:1 W rme- r behOndl

YtibHHrte I I~iMporu~1 EiQeMChOlien l~i\JlVt.t~

Draht und Stabstahl

1.1.01

Allen drei rrcchnologien ist gcmein­sam , daIJ die Tenlpcrntllrfiihnlllg bei dcr Umformung genml vorgenommen und eine bestimmte werkstoffabhiingige Endwnlz­temperatur mi t hohcr Konstanz eingehalten wcrdcn l1lulJ.

Werkstoffteehnisehe Ziclstcllung dcr kontrolliertcn Umforlliung ist dic Hemus­bildung eines voll ständig rekristallisiertcn, leinkörnigcn und glcichrnii ßigen austeniti ­schen Gefüges. Diescr Werksloffzustand ist dic Voraussetl.lIllg, dan ein feinkörniges Se­kundärgefüge entstehtunel durch elcn Korn­feinungseffekt die Fcstigkeits- und ZH hig­keitse igenschaften gleichermaßen angcho­ben werden, Bei der austcnitkorngcstcucr­ten Wnlzling ist ebenfa ll s ein rek ri stallisiel'" tes Austenitgefüge anwstrebcll , flur dan mr die einzelnen Stah lmal'ken die Kmngröße bzw, Korngrößenklasse vorgegcben ist. Die VOI'gabe el'weist sich al s günstig, weil das UmwandlungsverhalteIl der Stähle direkt von dei' Austcnitkol'llgl'öße abhängig ist. Mit kleiner werdender Korngröße des Au­stClüts wil'd dei' Beginn der Umwandlung zu kürze ren Zeiten verschobcn und eier Umwandlungsvol'gang beschleunigt. Durch Steucrung der Abkühlgesehwilldigkeit im Temperaturbereich zwischen 800 und 500 oe, in elem dic di ffusiol1sgesteucrtc y­Q'-Umwiln(lhlilg S(!"Il1findet, kann die M OI'­

phologic des Sekundiirgefliges l.iclgercchl beeilillulit werdcn L2J.

Durch eine Walzung unlcr Rckristalli ­satiollstempcrntur, das einc!' thCl'lllOmecha­nischen Umformung entsprichi , verblcibt dic RekristalliSil tioll unvollstiindig. DeI' te ilverfestigte Zustand kann zu eincr zu­sHtzlichen Kornle inung bci dei' diffu sions­gesteuertcn Umwandlung gcnutzi bzw, auf das Seklll1dii rgeHlge bci dei' difTusionslosen Umwandlung vcrerbt werden,

AlIf"gru1id dicscl' Gegebenheiten be­schränkt sich das Gefügebcrechnungsmo­deli auf die Bcschre ibung dei' GefOgetlnde­rungen solange der Werkstoff cindeutig ein­phasig fl lI steniti sch ist. ßetl'[lchltlngshlllle des Modells ist alllagcntecllllisch die Strcckc ab Erwii rmungsofcn bis zum Win­ellingsieger bzw. Küh lbetl. Als charaktcri­stische GeWgeparil lJ1cter wcrdcn die Korn­gl'öße (0 ')') und der rekristallisicrtc Antcil (X) angesehen, Die andcren Struktur- lind Oefügeparallleter wie Leerstellcn- und Ver-

DRAHT 44 (1993) 10 559

Draht und Stabstahl

7hbelle /. Eigellscha/tsafljordel'llllgell (/1/ Swhldrältw

Bezeichnung C-Gehalt Leg.-Elemente

[%1 [%1

Schweißstahl < 0 , 12 < 1, 1 Si; < 2 , 1 Mn

Aulomutenslahl < 0 , 12 < 0 ,3 S; < 1.3Mn

ßau ~lahl < 0 ,24 -

Betonstahl < 0 .22 < 1.2 Mn

Kll ltsl fl lIchswhl < 0, 15 -

0 .2 ... 0 ,45 < 1,2 Mn < 1.2 Cr

Scil -, Feder-Spannbeton-, Cord-. Gu rnmieinlegcslllhi < 0 ,65 < 1.5 Si;

Nadel- , Stige. , Wälzlagcl'sli1hl

sct7.lIngsdicillC, spez i fische Phnscngrenz­Oiichc lind Orientieru ng der Kristallite, GI'öße, VCl'lcilung und Anol'dnung der Aus­scheidungen we rden in die Betrachtungen nichl ei nbezogen, obwohl auch hierzu viele gesiCherte Ergebnisse vorJicgc l1.

2 TechnologicparllJl1ctcr-Vcrfahrcnstcchnischcs Modcll

Die 1I1llfOrmlCchllischcIl Kenngrößen Vel'­glcichsumformgrad <:v. Vergleichsulnform­geschwind igkc it € y ' UmForl1ucmperatur t?u. Umformzci t tu, Pnllsellzeil Ip ulld In­bOI11ogenitütsgrml der Umformung <P un­lel'scheiden sich beim DI'flh l- und Slfibslahl ­walzen gravierend von denen beim B'.II1d­bzw, Ol'Obblechwalzen l5J, Oie Abnahmc

1200

'e 1100 Draht

Ao· 12S.12S d [o 5,5mm

,J 1000

Anzahl der Slit:he

560 DRAHT 44 (1993) 10

< 104 Mn

0.35 . . . 0 ,85 < 1, 1 Cr < 0.8 Mn

0 .85 ... 1, 1 < 0.8 Mn ; < 1.2 Cr

in den einzelncn Stichen ist dU I'eh die Ka li ­br icrung vorgegeben, so duß f y meist 0,2 < f , < 0,6 beträgt (Bild 2). Mit steigen­der St ichzahl erhÖht sich die mittlere Ver­gleichsumformgeschwindigkeit je nach Walzgeschw indigkeit von E' y ;:; 0,2 s_1 bis nuf E' = 0,2 s-1 bis auf ~ y ;:; 3500 S- I . Die Ä nderung betl'iigt etwa vier Zchnerpo­tcnzcn, wcnn in 25 Stichcn gewalzt wi l,(\. Dei' Vel'iauf der WalzgultclIlpCratur weist aur Grund dcr kinemat ischen Verhäl tni sse, der Tempel'a lurabhängigkcit dcr wärmc­technischcn Storfkennwcrte und des Anstie­ges der Umfol'lllfesti gkeit lIIit rallcndc r Temperatur ei n ausgcprügtes Tempcratm­minimum im BCl'cich dcl' Mittclstmnc aur. Sic kann nur dureh eine intensive Kühlung der WalzgLllader reim iv gleichmiin ig gehal­tcn bzw. wcite r abgesenkt werden.

,., . 11,00

1200

800 Bild 2. 600'''': UIII!Ol'mpartlllle/er

beim Hfllzen ' 00 1101/ 01'(111, 200 mit \I = 50 m:rJ

,,0 () I - geringe

20 Kiihlullg t?2 - i1llclIsivt] Kiihlimg

Ziele ReiRlll A5; Z 'i'K IMPaJ [%J H

< 650 > 55 >3

< 540 > 30 -

< 420 A, > 23 -

Re > 500 A, > 10 -

< 500 > 60 > 1.5

> 750 > 55 > 1,5

> 1000 > 40 > 1.2

> 800/ 1500 > 30 > 2,3

> 900 > 30 (> 1.6)

D ie Umfo fm- und Pauscnzeiten schwanken bei A Tllagcn dcr nClIcslcll Oene­rHtion mcist zwischen 10-4 < tu < 10° bzw. 10- 2 < tp < 10' s. ßci Stnbslllhl - lind Dmhtstrußc ll mit cntkoppclter VOI'straßc lind crhöhte!' AusJaufgeschwi ndigkc it so­wie Thennorollgang vor der Mittc l s t l'af~e

ist der ' le tnpemtLl I'ab!:-ll1 bedeutend ge­r inger.

Die Berechnung dei' Ei llzc1wcrtc lind insbesondcrc dcr Temperatur-Ze it -Charak­teristik erfolgt nach einem ve rffi hrcllslech­nischen Modell , das sich grundsätzlich aus Teilmodcllen zur Bestimmung der wiin nc­technischcn StofTkcnnwcrte, der Um form­festigke it , dcr Umfonllarbeil lind der TCI11 -

pel'lHurvertcilung übcr dcn Querschnitt des Walzgutes zusammensetzt 16.7 1. Die Er­mitthlng der Tcmpcraturfclder in ihrer Orts- und Zcitabhängigkeit basiert aur der numel'ischen Lösung der Fourier'schen Wii rmcJcitgleichul1g nach dei' Fin ite-Di ffe­I'enz-Methodc (FDM) untcr Zugnmdele­gung von Randbedingungen 3. Art f{\t' dCII WlI l'lnelluf} Hn elcr Obcrnüehe durch Wü r­mcleitung in der Um fOl'lllzone b1.w. durch Strnh lullg und rrcic oder erzwungene Kon­vekt ion wührend der Pausenzeiten.

Die rOM wurde cbenfalls zur Berech­nung der örtlichcn Umfol'lllpal'ametet' bc­VOI'ZUgt, wobei die Inhomogcllitüt der Um­formung durch visioplastisehe Untersu­chungen in Abhtingigkcit vO ll der Ka liber­fo rm, dem Walzspaltve rhältnis Id/h111 lind der Umfol'lHlempcrntur expcrimcntcll er­raßt wurde [1 , 8].

STRECKER STUMPFSCHWEISSMASCHINEN

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I STRECKER]

Draht und Stabstahl

3 Experimcntelle Basis zur Modcllcrstcllung, -angieichullg und -ii beq)rii rillig

Wegen der Verschiedenal'ligkcit der Um­lonnparumcter kanll der Gcsal1llprozeß des Draht- und Stabslahl walzcns in den labor­technischen Grundversuchen durch Stau­chen, Recken, 'lbrdicrcn oder Plachwalzcll experimentell nicht silllll licrl werden. Die Umwandlung des Kalibcrwa lzcns in iiqui­va lente Flochsti che ist ullzulüss ig. 'Das be­zieht sich vo r nllem auf die Einhahullg des Tempel'flllll'-Zeil -Ycrlaufcs, die Spannungs­und Fonnändel'l1ngszuslilnde lll \<I die Um­fO I'mgeschwi lldigkCit . Nur in Sonderfä llen können f. ' ".Werte von 400 S- I erzielt we r­elen. In der Regel können be i den Versu­chen auf den PlaSlomcl'cin l'ichlllngcn gcsi­ehel'te Aussagen nur bis f ' v :;; 250 s-l ge­troffen wcrden. Sofern die mathematischen Beziehungen, mit de llen die Oefügevertin­derungcl1 bei der Umformung beschrieben wel'den können, nielli cindeutig wa ren, ll1ußtC eine experimentelle Übel'lwOrung vorgenommen werden,

Dies crfolgte auf der 4gerOst igcn WaI7_,>taf'fel des Melflilformungs-Institutes de r Bergakademie Frcibel'g. Diese Anl nge iSI gl'Or}teclH; ischen Anlagen im wesent li ­chen identisch. Gewalzt werden können Drähte mit einem Durchmesscr von 5,5 bis 12 11'1111 DurclullesseI'. Die technologischen Parameter könnell in einem relativ breiten Spektrum variiert werden. FÜI' die Charak­teri sierung eies Wel'kstorTgcfiiges beim Wal­Zen wurden die Anlagen so komplettiert, daß das ents\i1ndelle Gefüge in den ver­schiedenen Umform- und Zeit phasen ein­gefroren wel'den konnte, Durch Anätzen der Korngrenzcn wurden die ehemaligen Austeni tkl'istall ite sichtbar gemacht und nach dem Monte~C:lrlo-Verfa l ll'e Tl ausge­wertet.

Es wurdc eine spezielle Yersuchsllle­thod ik erarbeitet, durch die cs möglich ist, einerse its dic Umformgmde ?ur Einleitung ( c~) h1.w. vO ll st!indigen dYIHunischen Re­kristalli sation (c;s)' und elen jeweiligen re­kri stalli sierten All tcil (Xii) sowie anderer­se its den ze itlichen F'ol'tschl'iu der Rekri ­stalli sation bei isothermen Bedingungen zu bestimlllcn [I, 3] . Auf die zusttlzl ichc Auf­nahme von FlieUkurvell und Ocfügeunter­suchungcn in Stauch- lind Torsiollsversll ­ehen ka nn verz ichtct werden. Das Werk­slOffverhulten kann nach dieser Mcthode bei Vergleichsumlo rmgrudcn bis 0,6 (lokal bis 1,2) Vcrgleichsumformgeschwill(ligkei­len bis 1150 S- I (lokal bis 2500 , - I), Um­lo rmtcmpcraturen von 750 bis J 150 °C und bei gleichen ProzcUnbUiufcn wie in techni­schen Yerf'lhl'c ll belegt werden. Durch den gegenüber olidcrcn Verfahrcn erweiterten

562 DRAHT 44 (1993) 10

Zener-Hollolllon-Parflllletcr

Z ~ e exl' (~) Umformgrad f'til' dynamischen Rekristall is!ttionsbeginn

Dynamisc llcr rckrisUl llisicrter

:~I:II - exl' [11 ( E :fi:'Y'J , _ CD" cxp (Cl) e"

0., 1 0 T

Dymulli schc rekristall is ierte Korngröße

Bi/d 3. Dynamisches Teillllodell der Gejlige­bildung

Gültigkeitsbcl'ciCh ergibt sich für das Oefü­gebereehnllngsmodell e ine erhöhte Zuver­läss igkeit und Alissagemhigkcit.

4 Gefiigebel'cchnulIgsl11odcll

Zur Beschreibung des ZUSfl llllllcnhangcs und der wechselse itigcn Bedingtheit zwi­schen den Gefügevel'findenlJlgen lind den PI'o?cHpnrametcrn wurden die mathemati­schen Beziehungen von C. M. ScHars und J. A. WhilCII!!1I1 [10] . E. Ru i".1 1111 sowie VOll T. Senlllll<l und H . Yi)da 1I2] herange­zogen. Das Modcll von C.M. SeHal's. <Ins fll r Walzen von Grobblechen entwickelt wurde, hat sich auch fü r anelere WalzHi lle wegen se iner systemati schen Ordnung und übersichtlichen Beschreibung deI' Ei nzei­größen bewälll't [13-18].

Bild 5. Abhängigk.eit des UI1{formgrades für den dYl/(lIl1ischell Rekl'isral/iso/iolls­beginl/ (f,,) VOll

() . E /ll/riDo

• w

2.0

00 , /

200"" ' ,5

1.0 00 • /

100"~

0.5

0 600 650

Zeit rur ei ne 50% ige statische Rekri stallisation

I = g e" D" eXI' (~) Z" 0.51 I) T

Stati sch I'ekl'istn ll isiertcr An teil

X" ~ I -exp [- ß (\:,lo)"J Swtisch rekl'i stll ilisiertc Korngrößc

D~, = SI e ~l D~' Z5.1

Kornwachstulll

( Q .. ) 0: - D; = A tvl.; exp - RT

ai/tl 4, Statisches TeilmodeJl der Geftige­bildung

Jeder Walzstich wird in einem dynami­schen und stat ischen Absch ill ze rlegt. Für das dynamischc Tcilmodell , das sich auf die UmfOl'lllzone bezicht , sind fü nf Glei­chungen maßgcbcnd (Bi ld 3). Das statische Tcilmodell umfaIJt die Zeitspannc vom Austritt aus dcm Wnlzspalt bis ZUI11 nach­folgenden Stich bzw. bis Zum Beginn der PhllSclllllllwandlung.

Es besteht fl US vier Gleichungen (ni ld 4) , die ebcnfn ll s den funktionellen Zusammenhang in einfacher Art widcrspie­gehL Obwohl ein ige Gleichungen nur eln ­pirisch-stati sti schen Charaktcr tragen, er­wiesen sich die Gleiehu ngsysteme auch rur das Walzen in KnJibern bei hohen Ge­schwindigkeitcn als zutl'effend .

Die in den Ill ftlhcmat isehen Funkt io­nCIl enthaltenen wel'kstoffabh:tngigcn di ­mcnsionsbehaftetcll Koeffizienten lind Ex-

900

Umlocmgeschw ...

500 1/5

"''''''::-'''''--'';::'-'00''''''115::---1 500 1fs 100 1/s

950 '(10() 1050 1100 -e 1150

".

,

1,0 60

0,8 "m 50

Umformgroo z -" D • 0,6

0 40 x

0,1 - / 1CX4>m 0.4 • c 30 0,2

0,2 Q OQ..!.... , ? 501Jrn 0,1 0-

20 0

0,2

0 0,2 0,4 Q6 0,6 10 E:-tK -

- °0 . 49 &,,1050 ~Do· .t.9 ~ ·950 --<;- ° 0.1,9 9-.850 o 6DO 850 900 950

g.

105O'e 1100 -0- 00 .92 !h10SO ....... Do "92 S- s950 -- ° 0.92 !h650

(tJln Grad C . Doin }.Im)

Bild 6. Dynamisch rekrütallisierrel' GeftJgeomeil (r r/) in Abhtln· gigkeit 110" €, " untl Do

Bild 9. AlIsfellirkol"llRröße IIl1ch s/(uischer Rekl'iswJ/islIIioll in Ab­hiillgigkeit \11)11 t!, () /ll/d Do fill' (;' == eOllst,

50

"m ~ 30

20

f: D,-3410Z ·" '"

...

Z - -

O, I"m l 49

68

92

",

t . 560s·1 t ,, 2605"1

0 • 0 • • ,

Id'

" 10~

Bild 7. AusfCllirkomgröße nach dynamischer Rekriswllismioll (Dd)

nahmc veröffentlichte!' WCI'te ist nicht I'fl t­

sam, Das gilt auch für den Umformgrad zur Auslösung der dynurni schen Rekriswl ­li sfl tion, ZlJInal eHe AUslenitkorngrößc, an deren Grcn:G niiehcl1 sich dic Rekriswll isfl­lior\skeime bi lden, al.'O w ichtiger Werkstoff­parameter einfließt (Bild 5). Welln es Zur dyn;unisehen Rekri.'Olallisation komlllt , tritt eine mehr oder wcniger starke KOl'l1feinung ein (Di ld 7). Au.'Osclllaggebend ist vor allem das Tcmperatllrllivcllll . A llerdings ex istiert Hlr die Austenitkorngröße ein unterer Grenzwert , der bei ei nem mitt1cl'cn Korn ­durchmesser' VOll 6 bis 8 P.1ll liegt. Fü r die Korngröße nach sUi ti schel' Rckr iswi l isfi ti oil (xs t = I) i .'Ol maßgebend , daß die Keimbil­dungszahl UI11 so gröner wird. je höher €

ul\(l { lind j e kleiner 1? lind Do sind (Bild 9). Durch die Kopplung der Tcihno­delle, die in eier' angegebenen Abfo lge Zl1

berechnen sind , 11 11 dns vel'lah l'cnstechni­sehe Modell kann das Werkstoffgefüge in allen Stichcn dcfiniert werdcn.

poncntCIi wurden experilllcntcli dun:h In­ve rsion der einzelnen Beziehungen be­stimmt. Die Bi lder 5 bis 9 ve rdeut lichen die YcrslIchscrgebnisse fü r e inen schweiß­buren CrMnV-lcgic rlcll Saustahl. Sie brin-

Bifd 8. Verlauf der statischen Rekl'isf{/I/i­satiOIl (.ts,) ill Abhiillgigkeil 1101/ If}' .,J und Do

0

o • ..... A ~ ~

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~cn ~] e ic h :Ge itig die An der AbhHngigkeil und die Wirkung der einzelnen Einflußgrö­ßen :G1I1Il Ausdruck. Ei n wichtiger Bas is­we l'! des Gefügemodells ist der Zencr-Hol ­]0I11ÜI1-PHrHlneICr Z, Er iSI :Gwa!" formal eine lempel'alll r-ko l'l' igiel'le Ulll fol'lllge­schwimligkcit . kcnl1:Gcichnel aber die ther­mi .'Oche Akti vierbal'keit der Stl'llklUl'- und Gefllgeveriindel'ung bei der Wannumfor­mung. FÜI' die Aktiv iel'lillgsenergic der WllfIIllHlIforlllullg kmlll be i Stiihicil mit Werten zwischen 260 < Qu < 420 kJmol- 1

gerechnet werden , Eine unkritische Über-

Um den vet'.'Ochiedellcll Aufgabcnstc l­lungen entsprechen :GU können, wurden vcf'sehiedelle Moclellmodu le entwickelt (11tbelle 2). Je höhcr die Ordnung .des Mo­delllHodules ist , tim so differenzierte re Aussagen können zum WcrkstoffgeHlge ge­I rolTcl\ wef'den 191,

1fIbelle 2. Bel'echllllllgsmodufe zur Gejligeclwrakierisierlll/g

Modellal'l Gefügebestimmllng

Q-dimcnsional fO r die technologischen Mit telwerte I-dimensionnl in I)ickenr ichtllng in der Mitte des synl. Protiles

quasi 2~dimens iona l in DickenrichlUng un l .. iingssl l'Ci fen gleicher Breite qUflsi 2-dilllensionnl in deI' vertika len Mittenebene in der UmfOl'llll'.one quasi 3~dil11e n s ional für jcdon Ort in der Ulll fol'nl'7.one

DRAHT 44 (19931 10 563

Draht und Stabstahl

5 Gefügesimulation fiir eine Stabstablstraße

Die VorausbercchTluIlg des Austcnitgcfügcs erfolgte für eine kontinuierliche Wal7.­sImile, auf eier' aus Hnlbzeug mit den Ab­messungen 150 Illlll x 150 mm x 13200 mm Stabstahl im Durchmesserbereich zwischcn 16 und 70 n Ull Du rchmesser gewalzt wel'· elen soll. Das Stra/Scnkollzept enthtilt einc cntkoppelte Vorst raße mit freiem Auslauf auf einen Thel'llloroligo llg, eine Mittel­strilße mit Zwischenklihlstrecken und eine

Fel'tigstrnlle, die Hir d:-ls Walzen im Nie­driglemperaturbereich ausgelegt ist, Die Walzung vOn Stnbsl::lhl mit ei nem Durch­messer von 16 mm Durchmesser THuO in 20 Sl ichell bei einer Wand wll lzgcschwindig­kcit von 16 m/s erfolgen. Entsprechend der Kalib l'ierung nach der St rcckkalibricrreihe Oval-Rund kann der Umfonngrad il1 den einzelnen Stichen ,ni l c:v ;;;; 0,25 bis 0,58 bezirfert werden, wiihrencl die Urnfünngc­schw indigkeit von i. v = 5 s- l bis auf 190 s-1 ansteigt. In Bild 10 si nd die Pausenze iten lind Walzgu ttemperfltufcn für eine ange-

HUt! 10. '/elllj)ermlll'ell /llId PWlselll eifel/ beim Hftfzell VOll Stabs/all/mi/ /6 1/111/ Durchll/es­!J'er mir v = /6/11 /s

40

, 900

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Sllen- Nr

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Bi/d 11. AIISfellitkomj'eillllllX beim J#lfzell VOll Stabstalt! mir /6 111111 IJllrc;hmesser (V 1 fllld V 2 I/I/d Bild /0)

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2 3 4 , • 7 8 , 10 11 I, " H, IS " 17 18 " '0 Slieh - Nr

564 DRAHT 44 (1993) 10

nOllllllene Anstichtemperfltur von 925 oe dargestellt. Durch die Umforlllul)g wird das Wnlzgut meist lIufgehcizt. Durch Zwi· schenkühlung wird die Enthalpie des Walz­gutes erniedrigt. Zur Erzielung eines 'Ibm­peraturniveaus von ca . 820 oe wel'den zwei Abkühl va l'ian tell betrnchtet. Die Variante V 1 sicht eine besonders starke Intensiv­kühlung nach dem 14 , lind 16, Stich vor. Demgegenüber so ll die Walzgulader bei Variante V 2 gleichli1HHiger flach dem 14. lInd 18, Stich gekühl t werden. Die mittleren Endwalzentemperntu rcn betragen dann: V 1; 810 oe lind V 2: 820 oe. Die Oesamtab­nah me im ZieliemperaWr'gcbict ist bei Va­riante V I bedeutend höher als bei Val'iante V 2, Das KOl'nleinungsding rillll1ll wird du rch Bild 11 wiedergegeben.

Das Auslenitko!'l\ rekr isUl lli sierl meist vO li stiindig und wird besonders im Bel'eich der Vor~ lind I. ZwischenstralJe ve rreinert. Die Unstctigkeitcn resultieren mls der lan­gen Pausenzeit naeh dem 4. Stich bzw, aus der intensivcn Zwischenkühlllng. Nach dem let7.lell Sti ch stellt sich eine KOl'l1größe mit einem mitt lercn Durchmesser VOll 14 ,5 bzw. 15,8 Jlm ein, die sich bis zum Alinauf mll' eins Klihlbcll in 50 s noch um ea. 3 JlIH vergröbert. Weitel'e ßel'echnungen ze igten, dal} Variante V 1 insbesondere Zli größeren Endabmessungen hin aufgrllnd der höheren Gesflllihlbnllhmc im Zieltempemturgebiet zu bevorzugen ist.

Wird das letzte Gerüst durch eine 3gerüstige Stl'eckl'ecl llziel'einheit zum maß­genauen Walzen ersetzt, so ergeben sich andersart ige UmfOl'lllbcd inglillgen, Der notwcndige Umformgrad von f v tei lt sich in die Einze lumfo rmgerade (;i = O,lIj 0,21 lind 0.08 1I11r. Das Gefüge wird in den Sti­chen 20 une! 22 nUT' teilweise rekristallis ie~

Bild 12. KOl'llfeilll ll/g in eil/er 3gerlistigel1 SI reck reduziereil1heif

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19 20 21 22 StiC h. Nr

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ren. Gnmdsützlich entsteht bei kleinen Umfor'Tllgraden aus einem feinkömigell GeCligc immcr cin groberes i\ustenitgeflige. Der mitllere Korl1dllrchrnesser des Auste­l1its ist demzufo lgc am Austri tt aus dem Mar~wa l zwe l'k gl'ößel' ols bei den VtlrioTl ten V I li nd V 2, Dureh dic Kornstreckung im 22. Sti ch ist die spezifi sche Korngrenzcll ­nüehc größcr und damit aueh die Zahl der Keimstellen ftl T' die stati sche Rekristnllisa­tion. Schon naeh wcnigcr als 30 s wi rd das Gefüge vo ll s t ~ n(l ig rek ri slflllisieren, dann aus relativ fci nen Körnern bestehen und ho­mogen sein.

Die getroffcncn Feststellungen geltcn nUT' fO T' das Walzen bei Temperaturetl um 815 oe, Die thermodynamischen Bedingun­gen fü T' die dynam ische lInd Stfl tische Re­kristallisation ündern sich, wenn die Telll­pel'a(llT' ansteigt. PlI!' den Poil , dlln (lIlS Walzgut mit eincr um 200 K höhcren Tem­peratul', das he j(\ t, mit einer' Austenit kOI'n­größe vOn etwa 42 pm , in dcn Maßwalz­block einläuft , wil'cI die min iere KOT'ngr'öße um 2 ASTM-Klasscn größer sein. Die

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Bild /3. Allsre//irkomfeill/IIIK beim I#d(;C!1/ VOll SralJsrahi mir 16 1/111/ Durchmesser, fiJllj

Kiihlslreckel1 , iJEND = 750 <>C

von seinem Ausgangswcrt auf 38 J.tm nach

~20 0 0•20 OEND I)END Dnnch SO s dem 5, Stich ein , hn weiteren Verlauf ver-kleiner'! sich das Korn nur noch wenig. Di-

oe J.un oe jtm jt , llI rekt nllch dem Walzen ist das Geflige Ilu r

810 15 ,0 8 15 16,3 17,S teilenl festigt . Die Kornfei llungswCharakte-

10 10 4 1.5 101 5 36,2 49 ,0 ristiken anderer AblBessungen sind voll -ko mmen ähnlich. Die Inhomogenität der

nachfolgcnde Gcgcnü berstellung der Ei ll­zelweT'le widel'spiegelt den mnrknntel) Telil­peratu rcinOl1ß : Ein den Um fOl'lnger(\sten IifTchgeschfi lteter Maßwalzblock ist dcmnach ein Kompromiß mit ROcksicht au f die Mllnhalt igkeit des Fertigprodl1ktcs j cs sei dcnn cs gelingt, dic Abnllhmen bei gleichbleibe"der Mrlnhnl ­tigkeit zu erhöhcn. Sofern die Feinkörnig­keit des Gefüges das erw(lnsclHe QUfl liliits­ziel ist , solltcn die Walztemperatur nicht nUT' im letzten Stich, sondern i'l den letzten Stichen auf eincm entsprechend niedrigen Wert gehalten werden. Die Auflieizullg durch dic Umformung muß dureh 11lehr fa~

che Zwischenldlhlung flbgebaut werdelI, Die Ergcbnisse von Modell berechnungen beim Walzen von Slllbswhl mit dern Durch­messer von 16 mlll bei Einsatz von fün f KOh lstT'ecken (C I bis es) verdeutlichen dies nachdrücklich (Bild 13).

Die AustenitkOl'nfeinulig beim Wolzen de r Abmcssungen 50 llllll Durchmesser wii'd du rch Bi ld 14 wiedergegeben. Zu­grundegelegt wurde eine i\nstieh tcmperaw tUI' von 850 oe, zwei A\lsgflTlgskorlig röf~en (150 bzw 350 jt11l) und eine einmalige Kühw I\mg VOT' dem voT'l etzten Stich. ,Der mittlere Ko rndurchmcsser pegelt sieh unabhängig

Formändel"llng lind die untcrschicdlichen

lJiltl /4. AII$ItJni /komjeimmg beim I#tfWIl VOll SW/).Hfthl mir 50 11/111 DllrcJllnes.'u!1~ eille Ktihlstrecke, )I .= 6 11ls- I , {)/jNO ~ 772 oe

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30 s SO

DRAHT 44 (1993) 10 565

Draht und Stabstahl

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7libelle 3. Komgrößelliil/denmg in deli viel' Stichen beim Slobstahlwaf'l.c lI (Komgröß e in p.m; 1/ := GesamlstichzallJ)

Abmessung •

riO

16 mm 0 ...

0 , ,

n - 20 •. "'. 1:. 5 0 ,875

50 ° 11 = 12 0 ,5 0 ,875

70 ° n = 8 0,5 0 ,875

örtlichen Temperaturen bedingen eine un­gleichmäßige Gefügeausbildullg im Walz­gut. ZwangsHi ufig ist das Gefüge am Rand generell feiner al!'> im Kern . In Tabelle 3 sind die ßerechllllllgswcrtc mr drei Stell en vom Walzgut in den jeweils letzten vier Sti­chen nngegeben.

Da die Te mperalul'le lder be i den ver­schiedenen Abmessungen nicht gleich sind , können n<lulI'gemiiU die örtlichen Durchmesser der Austcnitkristalle nichl identisch sein . Die GcfUge inhomögcnitül ist bei den dickeren Abmessungen ausge­prägter. Während bei der Abmessung 16 IHm Durchmesscr der Korndurehmessenln­tersehied nicht gl'öllel' als I 1»11 ist, beträgt er bei 70 111111 Durchmesser schon I'lilld 18 J.1.I11. Die absolute Höhe des mittlcren Korn ~

durchmessers wird durch die Te mperatur­führung und die Gesal1ltHbnuhme im Ziel­tempcrfllurgebiet bestimmt .

6 ZusmumcnfasS\lng

Das Simulationsmodell Draht zur Berech­nung des fl \lsieniti sehcn Gefüges beim Wal­zen in Steekkali be rn basie!'1 nur bekll lll1tcl1 ModellanslIt zen Zur Beschreibung der Vor­gänge im Werkstoff wälll'cnd lind nllch der UmlOrmllng. Durch eine besondere Vel'­suehsmcthodik wurden die 1I lnfo rrnspezifi ­sehen und thermokinctischen Kenngrör\en bei gleichen Prozeßabläufen wie beim tech­nischen Walzproze/J ermittelt . Damit konnte der Gliltigkeitsbel'eich des mathe­mati schen Modells erweitert und den prak­tischen Belangen angepaß t werden. Ent­wickelt wurden verschicdene Bcreehnungs~

mOdulc, so daß ein differenziertes Bi ld übel' die OrIS- und Zeitabhängigkeit der Gcfiigetinderungen gewonnen werden kann .

I)urch das Simulationsmodell kann das Gefüge unter BeaChtung der werkstoff­spezifischen Besonderhciten fü r mögliche

566 DRAHT 44 (1993) 10

Stich Stich Stich n-3 1l-2 n-I

16.3 16 ,0 15,9 14,7 14.3 13,5 15 .2 13,8 11.7

29,0 30,5 2 1.5 30.7 3 1,7 21.8 22,6 28 ,5 22,5

36 .4 36,2 34 ,4 38.4 35,4 35.5 39,6 29.4 36,9

techllologischc Varianten und Anlagerlkon­figurationen voraus berechnet werden. ß ine werkstofftcchn ische Bewertung der Anlagenkonzepte in der Phase der Projek­tiel'ung bzw. Rekonstruktionsvorbereitung ist im Hinblick nur die Erzielung ei ner ho­hen Prodllktqualitiit be im Walzen eine hi lf­reiche Maßnahme.

7 Literalul'vcrzcichnis

[I[ Cuong. N.D. Dissertation, Bergakademie Freiberg, 1991

[21 Kleinwechter, A. Dissenmiun, Bergakademie Freiberg, 1989

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L4] Lehncrt , W.; Finger, M.; Zel~g l er, P. Freibel'gel' Forschungsheft B 240 (1983). 26/40

[5] Lehne!'t . W. Neue Hütte 32 (1987) 11 . 41 2/417

[6] Hense l. A.; Wehage, H .; Wehage, I. Neue Hütte 32 (1987), 406/410

[7] Kopp, R.; deSouZll, M .M .; Dahl , w. ; Hagen, M, Stee!. !'es . 59 (1988), 542/552

L8] Lehncrt , W.; Cuong, N.D. ; Zengier, P. Neue Hütte 36 (1991) 2. 46/52

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[13] Roberts, w.; Snndberg. A .; Siwalk i, T. Conf. Prnc. lnt. Conference, Techn .

Stich nuch n 30 ,

13,0 16, 1 12.2 13.5 12.0 11 ,8

2 1.6 22.3 20.7 19 ,8 18,4 15 .7

29. 1 29,2 3 1,6 33.2 23 .4 17,7

und Applications 01' HSL-Stccls. Ph i~

Indcl phia 1983, 67/84 fl4] Mascanzoni , A. lI . H.

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LI 5J Dli lert . K.-P.; Zouhar, G.; Kost. R.: Donath A.; Donnt, B. SI. u. E . 112 (1992) 10, 93/98

{l61 Kopp, R. ; 1\vickler, M .j Bünten R.; Hachmann , ß. Ka l;bt'elll' (199 1). 54 , 3/39

LI7J K v"ekay, T. Int. Konferenz 2. bis 5. Sept. 1992 in Kus ; •• , 184/196

[1 81 Laasraoui , A.; Jonas. J.J . ISIJ 31 (1991 ), 95/105

Pror. DrA llS. hubi\. Wolfg:lI\g Lehnel·t studierte im dei' Bergakildelllie Preibcrg, Fil !.;U l!iit flir Befgbllll und HHncn\\lCsell. Stm.lien richtung Vcr­form ung..'ikunde, wo er 1963 proillovierte und sich 1969 habil itierte. Von 1969 bis 1992 wftr er ,111 det' Sekt ion Metallu rgie und Wcrkstofftechni k dicllcr Universitiit wissens(:haftlicher Mililrbeiter und uußcrordcnllicher Dozen!. 1992 erfulgte die Berufung zum Professor fiir Umfol'llllcchnik; Seit 1992 ist Wol fgitnS Lehnen Direktor alll 111-sti tul fü r Meta ll formullg des Pilchberciehcs Me­titllu rgie lind Werkstoffc rligungstechnolugic der TU Dergukudell1 ie Prcibe rg.

I) r.-Illg. Nguyell Duc Cuong studierte von 1970 bis 1914 an der Bcrgil kademie Freiberg, Fuch­richtu ng Metailformullg IIn<! war von 1987 bis 1991 Aspirant an der ßergukudcmic Freiberg , wo er !luch 7.\1 111 Or.- ll1g . pl'omoviertc. Stit 1991 ist CI' wissellschuft1icher Mitarbeitei' alll IIlstitut für MelitllforlllullS der 'l'U Berga kademie Frcibers.

I)r.- ln8. Harald Wchage studierte von t982 bis 1986 alll Institut fiir Melll ilforlllung der Derguku­

{lemie Freiberg. Fachrichtllng Mewl lfol'lllu lIg, absolviertc VOll 1986 bis 1990 ein F"orsehungssill ­diu lII und promovierte dort all der Dergftkademie Frclbcrg zum 1) r.-1118. 1990 a['beitete er als Pro­jcktingenieur In der Pmjckt ierung r"'c instahl wlllz­werke der SKET Schwerl11l1!ichinenbau GmbH, MlIgdcburg; seit 1991 ist er Projckt illgcnicur in der Pröli ltcchnik der Mannesmailli DCIIIIIg. Suck GmbH, Düsseldorf.