Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Stahllegierung für einen Walzdraht sowie eine Stahllegierung.

Stahl wird im Allgemeinen in Walzwerken gewalzt, die eine Vielzahl von Gerüsten oder Walzeinheiten umfassen, die hintereinander angeordnet sind, um aufeinanderfolgend den Durchmesser des anfänglich zugeführten Materials zu reduzieren. Zu Beginn des Walzvorgangs besteht das zugeführte Material aus einem Halbzeug aus Stahl, dem sog. Knüppel. Dieser wird in der Regel im Stranggussverfahren hergestellt, hat einen viereckigen Querschnitt und eine Länge von einigen Metern.

Aus den Knüppeln wird dann der Draht in den Gerüsten oder Walzeinheiten gewalzt. Der so entstehende Walzdraht hat üblicherweise einen Durchmesser 5,5 mm. Anschließend wird der Draht gezogen. Das Drahtziehen führt zu einer Reduzierung des Querschnitts des meist runden Drahtes. Der Querschnitt des Drahtes wird in einer oder mehreren Ziehstufen auf die gewünschten Abmessungen reduziert. Üblicherweise hat der gezogene Draht einen Durchmesser zwischen 0,5 und 3 mm, vorzugsweise 1 ,6 oder 2,3 mm.

Durch das Ziehen verlängert sich der Draht. Durch die Kaitverformung kommt es zu einer Verhärtung des Drahtes, d.h. die Zugfestigkeit nimmt zu, die Bruchdehnung nimmt ab. Vor der Weiterverarbeitung des Drahtes ist daher zum Teil ein Weichglühen erforderlich. Beim Weichglühen werden die durch die Kaltverformung des Drahtes beim Ziehen hervorgerufenen Gefügeverdichtungen rekristallisiert.

Die Eigenschaften des Eisens und damit auch der Drähte hängen von der Zu- sammensetzung der im Eisen enthaltenen Elemente ab. So entsteht beispielsweise aus Eisen Stahl, dessen Massenanteil an Eisen größer ist, als das jedes anderen Elementes und andere Elemente nur in Spuren enthält. Stahl ist Eisen, das einen Kohlenstoffgehalt von bis zu 4% aufweist. Mit zunehmendem Koh- -

lenstoff-Gehalt steigen die Festigkeit und Härtbarkeit des Stahles, wohingegen seine Dehnbarkeit, Schmiedbarkeit, Schweißbarkeit und Bearbeitbarkeit (durch spanabhebende Werkzeuge) verringert werden. Der gezogene Draht wird unter bestimmten Anwendungen in sog.„Blanks" geteilt. Diese Blanks haben üblicherweise eine Länge von 30 bis 60 mm. Das Teilen erfolgt durch mechanische Bearbeitung, vorzugsweise durch Hacken oder Scheren. Dabei besteht das Risiko, dass die Enden der so geschaffenen Blanks deformiert werden, was bei der weiteren Handhabung negative Folgen haben kann. Insbesondere kann der vollautomatische Transport der Blanks innerhalb des Fertigungsablaufs gestört werden, bis hin zum Anhalten der nachfolgenden Maschinen, so dass der Weitertransport und damit die gesamte Fertigung unterbrochen ist. Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Stahllegierung für einen Walzdraht zu schaffen, das eine homogene Verteilung der Bestandteile in der Stahllegierung ermöglicht und gleichzeitig eine sehr gut mechanisch bearbeitbare Stahllegierung hervorbringt. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Pa- tentanspruchs 1 gelöst.

Mit der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Stahllegierung für einen Walzdrahtes geschaffen, das eine homogene Verteilung der Bestandteile und damit eine gute Bearbeitbarkeit ermöglicht. Durch die kontrollierte und se- parate Zuführung der Legierungselemente in die Schmelze, ist unter anderem eine gleichmäßige Verteilung der Bestandteile hervorgerufen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass gerade die gemeinsame Zuführung vieler Bestandteile der Legierung eine homogene Verteilung der Bestandteile behindert. Anders als im Stand der Technik, bei dem eine Vielzahl von Legierungselementen gleichzeitig und in kurzer Zeit der Schmelze zugeführt wird, werden bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung nun die Bestandteile getrennt voneinander und über einen längeren Zeitraum hinweg kontrolliert der Schmelze zugeführt. Dabei wird die Stahllegierung in kleinen Chargen von 5 bis 10 Tonnen geschmolzen. Es hat sich herausgestellt, dass durch die Herstellung der Stahllegierung in kleinen Chargen eine Verbesserung hinsichtlich der Homogenität der einzelnen Legierungselemente in dem Walzdraht einstellt. Das gilt auch für die homogene Verteilung des Bleis in der Legierung. Die Herstellung in den im Stand der Technik üblichen Schmelzgrößen von 80 bis 130 Tonnen pro

Schmelze führt zu einer wesentlich ungleichmäßigeren Verteilung der Legierungselemente und damit zu einer wesentlich schiechteren Bearbeitbarkeit. In Weiterbeildung der Erfindung wird die Schmelze im Blockguss verarbeitet. Beim Blockguss wird das flüssige Metall in eine stehende Form (Kokille) gegossen und erstarrt in dieser. Dieses kann sowohl von oben als auch über ein Zuführsystem von unten (steigend) geschehen. Nach dem Erstarren wird die Kokille vom erstarrten Metall gezogen. Die Verarbeitung der Schmelze im Block- guss hat sich insbesondere wegen der kleinen Chargen im Verhältnis zum Strangguss bewährt.

Vorteilhaft wird die Legierung in einem Lichtbogenofen geschmolzen. Zwar ist das Schmelzen in einem Lichtbogenofen mit höheren Kosten verbunden als bei anderen Ofenarten; es hat sich aber gezeigt, dass bei Verwendung eines Lichtbogenofens bessere Qualitäten erzielbar sind, insbesondere bei den kleinen Chargen nach der vorliegenden Erfindung.

In Ausgestaltung der Erfindung wird der Schmelze Blei beigegeben, wobei das Blei getrennt von den übrigen Legierungselementen und kontrolliert beigegeben. Dadurch ist die Bildung sog.„Bleinester", also Bereiche mit einem höheren Bleigehalt, verhindert, die die Bearbeitung der Legierung erschweren.

Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch eine Stahllegierung gelöst, die die Bestandteile Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Chrom, Phosphor und Schwefel aufweist, wobei der Kohlenstoffanteil in der Legierung maximal 0,03 Gew.-% beträgt, der Silizium-Anteil in der Legierung zwischen 0,2 Gew.-% und 0,8 Gew.-% liegt, der Mangan-Anteil zwischen 1 ,0 Gew.-% und 1 ,6 Gew.-% liegt, der Chrom-Anteil zwischen 19 Gew.-% und 23 Gew.-% liegt, der Phosphoranteil zwischen 0,01 Gew.-% und 0,06 Gew.-% liegt, der Schwefelanteil zwischen 0,2 Gew.-% und 0,6 Gew.-% liegt und ein Bleianteil zwischen 0,15 Gew.-% und 0,35 Gew.-% liegt. Diese Zusammensetzung der Stahllegierung führt zu hervor- ragenden Eigenschaften bei der Verarbeitung zum Walzdraht und dessen Weiterverarbeitung.

Die Aufgabe der Erfindung wird darüber hinaus durch eine Stahllegierung gelöst, die die Bestandteile Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Chrom, Phosphor und Schwefel aufweist, wobei der Kohlenstoffanteil in der Legierung maximal 0,03 Gew.-% beträgt, der Silizium-Anteil in der Legierung zwischen 0,2 Gew.-% und 0,8 Gew.-% liegt, der Mangan-Anteil zwischen 1 ,0 Gew.-% und 1 ,6 Gew.-% liegt, der Chrom-Anteil zwischen 19 Gew.-% und 23 Gew.-% liegt, der Phosphoranteil zwischen 0,01 Gew.-% und 0,06 Gew.-% liegt, der Schwefelanteil zwi- sehen 0,2 Gew.-% und 0,6 Gew.-% liegt und ein Eisenanteil zwischen 0,15 Gew.-% und 0,35 Gew.-% liegt. Diese Zusammensetzung der Stahllegierung weist ebenfalls sehr gute Eigenschaften bei der Verarbeitung zum Walzdraht und dessen Weiterverarbeitung auf. Zudem trägt sie aktuellen Bestrebungen insbesondere in der Europäischen Union Rechnung, wegen der negativen Um- weit- und Gesundheitsauswirkungen bleihaltige Legierungen durch bleifreie Legierungen zu ersetzen. in Weiterbildung der Erfindung ist in der Stahllegierung ein Boranteil von maximal 0,005 Gew.-% enthalten. Durch den Boranteil ist die Durchhärtung verbes- sert und es ist damit eine Erhöhung der Kernfestigkeit bewirkt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist in der Legierung ein Vanadiumanteil zwischen 0,03 Gew.-% und 0,18 Gew.-% enthalten. Vanadium bindet Stickstoff und ergibt eine feinkörnige Gussstruktur. Gleichzeitig erhöht es den Ver- schleißwiderstand sowie die Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit.

Äußerst bevorzugt ist in der Legierung ein Wolframanteil von maximal 0,06 Gew.-% enthalten. Der Wolframanteil erhöht die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit. Wolfram erhöht zudem die Warmfestigkeit und Verschieißfestig- keit.

In anderer Weiterbildung der Erfindung ist in der Legierung ein Kupferantei! zwi- sehen 0,05 Gew.-% und 0,55 Gew.-% enthalten. Zwar reichert sich Kupfer unter der Zunderschicht an und verursacht durch Eindringen in die Korngrenze eine große Oberflächenempfindlichkeit bei Warmverformungsprozessen; es werden aber auch die Streckgrenze und das Streckgrenzen-Festigkeitsverhältnis erhöht. Außerdem wird die Härtbarkeit verbessert.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist in der Legierung ein Telluranteil zwischen 0,020 Gew.-% und 0,100% Gew.-% enthalten. Das Tellur fördert die Korrosionsbeständigkeit und verbessert die mechanischen Eigenschaften sowie die Bearbeitbarkeit der Legierung.

Erfindungsgemäß kann in der Legierung ein Bismutanteil zwischen 0,010 Gew.- % und 0,1 0% Gew.-% enthalten sein. Bismut kann als Ersatz für Blei verwendet werden. Es verbessert die Zerspanbarkeit von Stahl ohne die negativen ökologischen Eigenschaften des Bleis.

Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Stahllegierung für einen Walzdraht, die als ein Legierungselement Blei enthalten kann, wird der Stahl vorzugsweise in einem Lichtbogenofen geschmolzen. Dabei wird elektrische und chemische Energie zum Aufschmelzen des Metalls eingesetzt. Es wird ein großer Teil der Gesamtenergie in thermische Energie (bis 3500°C) um- gesetzt, die zum Aufschmelzen des Metalls führt; ein weiterer Anteil führt zur Erwärmung der Ofenzustellung. Die Wärme über dem Lichtbogen, der zwischen der Elektrode und dem Metall brennt, wird hauptsächlich durch Strahlung auf das Metall übertragen. Erfindungsgemäß wird das Material unter Anwendung des sog. VOD- Verfahrens (Vacuum Oxygen Decarburisation) erschmolzen. Dabei wird unter Vakuum Sauerstoff in die Schmelze eingeblasen. Hierzu wird das gesamte Schmelzgefäß hermetisch abgedichtet, um das Vakuum erzeugen zu können. Diese Behandlung verhindert den unerwünschten Übergang der Legierungselemente in die Schlacke. Das vakuumbehandelte Material weist unter anderem einen hohen Reinheitsgrad, niedrige Gasgehalte und enge Legierungstoleranzen auf. Es wird der Kohlenstoffgehalt gesenkt, ohne dabei einen unerwünsch- ten Abbrand von Chrom zu erhalten.

In Abwandlung kann der Stahl auch induktiv erschmolzen werden. Der Induktionsofen schmilzt das Metall mithilfe induktiver Erwärmung. Er überträgt die Energie mittels einer Spule. Möglich wird das Erwärmen bzw. Schmelzen durch die Induktion eines Wirbelstromes in einen metallischen Leiter, wobei der Leiter von dem zu schmelzenden Metall gebildet wird.

Der Schmelze werden Legierungselemente beigegeben. Dabei kann es sich um eine Vielzahl verschiedener Legierungselemente handeln, unter anderem Koh- lenstoff, Silizium, Mangan, Chrom, Phosphor oder Schwefel. Aber auch Nickel, Titan, Zirkonium oder Vanadium können als Legierungsbestandteile hinzugefügt werden. Erfindungsgemäß werden bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung die Legierungselemente getrennt voneinander und über einen längeren Zeitraum hinweg kontrolliert der Schmelze zugeführt. Die Legierungsele- mente können kontinuierlich in flüssiger oder pulverartiger Form beigegeben werden. Die Dosierung erfolgt nach vorgegebenen Rationen. Hierin besteht ein wesentlicher Unterschied zu bekannten Verfahren, bei denen eine Vielzahl von Legierungselementen gleichzeitig und in kurzer Zeit der Schmelze zugeführt wird, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Legierungselemente in der Schmelze führt, wodurch die Qualität der Stahllegierung negativ beeinflusst wird. Das ist mit dem Verfahren nach der Erfindung verhindert. Dieser die Legierungselemente enthaltenden Schmelze wird dann bei Bedarf auch Blei beigegeben. Die Beigabe von Blei erfolgt dabei getrennt von den übrigen Legierungselementen. Die Beigabe des Bleis erfolgt kontrolliert, das heißt, das Blei wird in genau vorgegebenen Rationen der geschmolzenen Legierung beigemischt. Die Beigabe kann kontinuierlich, beispielsweise in flüssiger Form des Bleis erfolgen. Aber auch die Zugabe in Pulverform ist möglich. Es ist aber darüber hinaus auch die Beigabe des Bleis als Feststoff möglich, wobei in diesem Fall sowohl die Portionierung als auch der jeweilige Zeitpunkt, zu dem die jeweiligen Bleistücke der Schmelze beigegeben werden, vorgegeben ist. Genau diese Parameter führen zu der sehr homogenen Verteilung des Bleis in der Legierung, die wiederum zu den hervorragenden Bearbeitungseigenschaften führt.

Die Schmelze der Stahllegierung erfolgt in Chargen von 5 bis 10 Tonnen. Dies sind im Verhältnis zu den üblichen Chargen von 80 bis 130 Tonnen sehr kleine Chargen. Durch diese Größe ist aber eine bessere Beeinflussung der Verteilung der Legierungsbestandteile in der Schmelze möglich. Es ist durch die geringe Größe der Chargen eine verbesserte Durchmischung der Legierungsbestandteile in der Schmelze erzielt. Die Schmelze der Stahllegierung wird im Blockguss verarbeitet. Dabei wird die flüssige Schmelze in eine stehende Form (Kokille) gegossen und erstarrt in dieser. Dieses kann sowohl von oben als auch über ein Zuführsystem von unten (steigend) geschehen. Nach dem Erstarren wird die Kokille dann vom erstarrten Metall gezogen. Die Verarbeitung der Schmelze im Blockguss hat sich insbe- sondere wegen der kleinen Chargen von 5 bis 10 Tonnen im Verhältnis zum Strangguss bewährt.

Die Stahllegierung nach der vorliegenden Erfindung weist in einem ersten Ausführungsbeispiel die Bestandteile Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Chrom, Phos- phor, Schwefel und Blei auf. In einer zweiten Variante ist die Stahllegierung bleifrei. Der Kohlenstoffanteil in der Legierung beträgt dabei maximal 0,03 Gew.-%, der Silizium-Anteil liegt zwischen 0,2 Gew,-% und 0,8 Gew.-% und der Mangan-Anteil zwischen 1 ,0 Gew.-% und 1 ,6 Gew.-%. Der Chrom-Anteil liegt erfindungsgemäß zwischen 19 Gew.-% und 23 Gew.-%, der Phosphoranteil zwischen 0,01 Gew.-% und 0,06 Gew.-% und der Schwefelanteil zwischen 0,2 Gew.-% und 0,6 Gew.-%. Der getrennt beigemischte Bleianteil liegt bei der bleihaltigen Legierung erfindungsgemäß zwischen 0,15 Gew.-% und 0,35 Gew.- %.

Darüber hinaus sind in der Legierung ein Boranteil von maximal 0,005 Gew.-% und ein Titananteil von maximal 0,06 Gew.-% enthalten. In der Legierung ist weiterhin ein Nickelantei! zwischen 0,1 Gew.-% und 0,7 Gew.-% und ein Vana- diumanteil zwischen 0,03 Gew.-% und 0,18 Gew.-% enthalten. Darüber hinaus weist die Legierung einen Kupferanteil zwischen 0,05 Gew.-% und 0,55 Gew.-% auf.

Weitere Legierungsanteile sind erfindungsgemäß Zinn, Niob, Zink, Cobalt, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Aluminium, Molybdän, Tellur, Bismut, Arsen, Magnesium, Tantal und Wolfram.

Die erfindungsgemäße bleihaltige Stahllegierung erhält ihre optimalen Eigenschaften unter folgender Zusammensetzung (%-Angabe meint Gew.-%):

Mit der erfindungsgemäßen Legierung sind sehr gute und gleichmäßige Eigenschaften für die Verarbeitung geschaffen. Es ist ein sehr feinkörniges, ferritisches (rost- und säurebeständiges) Grundgefüge geschaffen. Durch das erfin- dungsgemäße Verfahren wird die Struktur des Gefüges positiv beeinfiusst. Die Bildung von Bleinestern ist vermieden. Da es sich bei Blei um ein relativ weiches Schwermetall handelt, wird es Legierungen beigemischt, um beispielsweise die Bearbeitbarkeit wesentlich zu verbessern. Durch das Blei im Stahl entstehen zum Beispiel kürzere Späne und saubere Schnittflächen.

Die erfindungsgemäße bleifreie Stahllegierung erhält ihre optimalen Eigenschaften unter folgender Zusammensetzung (%-Angabe meint Gew.-%): c = max. 0,030%

Si = 0,200 - 0,800%

Mn = 1 ,000 - 1 ,600%

P = 0,010 - 0,060%

S = 0,200 - 0,600%

Cr = 19,000 - 23,000%

W = max. 0,060%

Diese erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich aufgrund des Verzichts auf Blei durch sehr gute Gesundheits- und Umweltverträglichkeit aus. Gleichzeitig lässt sie sich mechanisch gut bearbeiten.

Die Stahllegierungen nach der vorliegenden Erfindung sind zwischen rostfreien Edelstahllegierungen und rostenden Stahllegierungen angeordnet. Sie zeichnen sich insbesondere durch die Anteile an Bor, Aluminium, Tellur, Wismut, Schwefel, Titan und Vanadium aus.