Hochfeste Stahlkette für den Tieftemperaturbereich

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Stahlketten, wie sie insbesondere als hochfeste Lastketten verwendet werden.

Stand der Technik

Derartige Stahlketten werden zum Heben und Zurren großer Lasten unter allen Klimabedingungen eingesetzt. Sie müssen daher auch bei niedrigen Temperaturen eine hohe Belastbarkeit aufweisen. Gleichzeitig sollten die Kettenabmessungen so klein als möglich sein, um durch eine Gewichtseinsparung die Handhabung zu verbessern.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Rundstahlketten zu schaffen, die im Tieftemperaturbereich eine ausreichende Belastbarkeit besitzen, um zu einer weiterer Gewichtseinsparung und damit einer verbesserten Handhabung zu gelangen.

Diese Aufgabe wird für eine Stahlkette der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sie eine auf den Nenndurchmesser bezogene Mindestbruchspannung von wenigstens 1200 N/mm ² und bei einer Temperatur von -70 ⁰ C eine Rissauffangkraft von wenigstens 4 kN aufweist.

Als Nenndurchmesser wird der standardisierte Durchmesser der Stahlkette bezeichnet, beispielsweise ein Durchmesser aus der Reihe 6 mm, 8 mm, 10 mm, 13 mm oder 16 mm. Von diesem Durchmesser können die Hersteller in Einzelfällen im Bereich von - 4 %/+ 8 % abweichen. So kann der tatsächliche Durchmesser einer Kette mit einem Nenndurchmesser von 10 mm beispielsweise im Bereich von 9,6 mm bis 10,8 mm betragen. Trotz dieser Abweichung vom Nenndurchmesser wird die Stahlkette vom Hersteller als Kette mit 10 mm Durchmesser bezeichnet.

Mit der erfindungsgemäßen Stahlkette lassen sich aufgrund der hohen Mindestbruch- spannung die zum Tragen eines bestimmten Gewichts notwendigen Kettendurchmesser nochmals verringern. Durch die hohe Rissauffangkraft bei -70 ⁰ C ist sichergestellt, dass ein plötzlicher Bruch der Kette ohne vorherige Rissankündigung selbst bei sehr niedrigen Temperaturen nicht stattfindet.

Die Rissauffangkraft wird mit Hilfe eines instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches ermittelt, bei dem die Kraft als Funktion der Zeit bei verschiedenen Temperaturen aufgenommen wird. Ist beim instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch mit 300 J Fallenergie die Rissauffangkraft kleiner als 4 kN, bricht die Probe völlig spröde.

Ein Verfahren zur Bestimmung der Rissauffangkraft mittels eines Kerbschlagbiegeversuchs ist beispielsweise in dem Artikel "Anwendung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuchs zur Abschätzung der Rissauffangzähigkeit" in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Band 32, Heft 6, Seiten 539 bis 543, von K. Müller und G. Pusch beschrieben.

Bei handelsüblichen Ketten selbst der höchsten derzeit erhältlichen Güteklassen 8 und 10 wird eine solch hohe Rissauffangkraft lediglich bei wesentlich höheren Temperaturen zwischen -20 ⁰ C und Raumtemperatur erreicht.

Die hohe Rissauffangkraft bei derartig niedrigen Temperaturen bei der erfindungsgemäßen Stahlkette kann durch eine Doppelhärtung weiter verbessert werden. Bei einer solchen Doppelhärtung wird die Stahlkette zweimal hintereinander auf Austenitisie- rungstemperatur gebracht, wobei die erste Temperatur höher als die zweite Temperatur ist. Die erste Austenitisierungstemperatur kann beispielsweise um höchstens 1.250° C, die zweite Austenitisierungstemperatur höchstens 950° C betragen. Zwischen beiden Austenitisierungsvorgängen wird die Kette im Flüssigkeitsbad auf ca. 20° C abgekühlt. Durch die zweite Austenitisierung lässt sich ein besonders feines Gefüge erreichen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Stahlkette erfüllt die Rissauffangkraft F in kN in Abhängigkeit von der Temperatur in °C folgende dimensionslose Ungleichung:

F ≥ m T + b.

Dabei ist m eine dimensionslose Konstante mit einem Wert zwischen 0,3 und 0,4 und b eine ebenfalls dimensionslose Konstante mit einem Wert zwischen 29,5 und 30,5. Ein Verfahren zur Bestimmung der Rissauffangkraft F ist in dem oben genannten Artikel von Müller und Busch beschrieben.

Ferner kann die Rissauffangkraft F wenigstens 7 kN bei einer Temperatur von -60° C betragen. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Rissauffangkraft F bei einer Temperatur von -40° C wenigstens 13,5 kN betragen, und in einer ebenso vorteilhaften Ausgestaltung bei einer Temperatur von -20° C wenigstens 23,5 kN.

Bei derartigen Rissauffangkräften F ist sichergestellt, dass auch im Tieftemperaturbereich bei hoher Belastung der Kette kein Sprödbruch auftreten kann. Der Anwendungsbereich der Ketten wird erheblich in Richtung tieferer Temperaturen erweitert. Ein Einsatz der Ketten bis -90° C ist möglich.

Eine ausreichende Sicherheit der Kette bei tiefen Temperaturen lässt sich ferner erreichen, wenn die absorbierte Bruchenergie E in Nm für Ketten mit einem Nenndurchmesser D zwischen 6 mm und 16 mm wenigstens beträgt:

E = ki - e ^{k2 " D} .

Dabei ist ki eine dimensionslose Konstante mit einem Wert von wenigstens etwa 560 bis etwa 570, vorzugsweise mit einem Wert zwischen etwa 560 und 565, insbesondere zwischen etwa 562 und 563. Die Konstante k ₂ ist ebenfalls dimensionslos und weist einen Wertebereich zwischen etwa 0,22 und 0,23, vorzugsweise zwischen etwa 0,225 bis etwa 0,23 auf.

Insbesondere kann die Stahlkette bei einem Nenndurchmesser von 10 mm eine absorbierte Bruchenergie E von wenigstens 6300 Joule und/oder bei einem Nenndurchmesser von 6 mm eine absorbierte Bruchenergie E von wenigstens 1950 Joule und/oder bei einem Nenndurchmesser von 8 mm eine absorbierte Bruchenergie von wenigstens 3300 Joule sowie bei einem Nenndurchmesser von 13 mm eine absorbierte Bruchenergie E von wenigstens 10200 Joule und/oder bei einem Durchmesser von 16 mm eine absorbierte Bruchenergie E von wenigstens 19600 Joule aufweisen.

Die Stahlkette kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung gereckt sein. Bei dieser Ausgestaltung wurde die Stahlkette während ihrer Herstellung, vorzugsweise nach dem Vergüten, einer Reckzugkraft ausgesetzt, die wenigstens die Hälfte, insbesondere 62,5 % der Mindestbruchspannung, also 750 N/mm ² bezogen auf den Nenndurchmesser beträgt. Durch das Recken wird erreicht, dass die fertige Kette bis in den Bereich der Reckzugkraft einen nahezu linearen Verlauf der Längung über die Kraft aufweist. Erst oberhalb der Reckzugkraft weicht die Spannungs-Dehnungs-Kurve vom linearen Verlauf ab und wird flacher.

Ein besonderes Problem bei Stahlketten bildet der Bereich, an dem die Kettenglieder miteinander stumpf verschweißt sind, da an dieser Stelle des Schweißwulstes durch eine Spannungskonzentration infolge einer Kerbwirkung eine erhöhte Bruchgefahr bei niedrigen Spannungen besteht. Um die Festigkeit des Stahls auszunutzen, weist die Stahlkette daher in einer vorteilhaften Ausgestaltung im Bereich der Stumpfschweißung einen Schweißwulst auf, der höchstens etwa das 1 ,06-fache des Durchmessers beträgt.

Der Durchmesser der erfindungsgemäßen Stahlketten kann zwischen 6 und 16 mm bei Rundstahlketten betragen.

Im Folgenden wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stahlkette mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Stahlkette;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der zur Herstellung der Kette verwendeten Verfahrensschritte;

Fig. 3 einen schematischen Verlauf der Rissauffangkraft über die Temperatur bei einer erfindungsgemäßen Stahlkette;

Fig. 4 den Verlauf der Kraft über die Zeit bei einem Kerbschlagbiegeversuch zur

Ermittlung der Sprödbruchübergangstemperatur bei einer erfindungsgemäßen Stahlkette.

Fig. 5 den Verlauf der absorbierten Bruchenergie E für erfindungsgemäße Stahlketten mit verschiedenen Durchmessern.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Stahlkette 1 , beispielsweise einer Rundstahlkette.

Die Stahlkette 1 besteht aus einer Mehrzahl von Kettengliedern 2 mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt Q und einem Nenndurchmesser D von 6 mm, 8 mm, 10 mm, 13 mm, 16 mm, 18 mm, 20 mm oder 22 mm, wobei natürlich auch Zwischenstufen möglich sind. Der Nenndurchmesser ist standardisiert und wird von den Kettenherstellern zur Kennzeichnung ihrer Kette verwendet. Der tatsächliche Durchmesser der Stahlkette 1 kann von dem Wert des Nenndurchmessers etwas abweichen, beispielsweise um etwa - 4 %/+ 8 %.

Die Kettenglieder 2 sind durch eine Stumpfschweißstelle 3 geschlossen, wobei der Schweißwulst höchstens um 10 %, vorzugsweise höchstens 6 %, gegenüber dem Nenndurchmesser der Stahlkette 1 verdickt ist. Um eine ausreichende Oberflächenqualität zu der Stumpfschweißstelle 3 zu erlangen, wird nach dem Schweißen über den Schweiß- wulst gehobelt.

Die Stahlkette 1 der Figur 1 weist bezogen auf Ihren Nenndurchmesser eine Mindest- bruchspannung von wenigstens 1200 N/mm ² auf. Bei einer Temperatur von -70 ⁰ C beträgt die in einem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch ermittelte Rissauffangkraft F wenigstens 4 kN. Die Sprödbruchübergangstemperatur T _ND T (Nil Ductility Transition Temperature), bei der die Rissauffangkraft die Grenze von 4 kN unterschreitet, beträgt unter - 70° C, vorzugsweise um etwa - 72° C. Die niedrigste Anwendungstemperatur liegt nach Versuchen und Berechnungen der Anmelderin ca. 20 K unter der Sprödbruchübergangstemperatur T _ND T-

Diese Eigenschaften werden durch das schematisch in Figur 2 dargestellte Verfahren zur Herstellung der Stahlkette 1 erreicht.

Das Ausgangsmaterial für die Stahlkette ist Stangenmaterial 5 oder ein Draht 6 von einer Rolle 7 aus einem hochfesten Stahl, wie er beispielsweise weiter unten beschrieben ist. Das Stangenmaterial 5 oder der Draht 6 weisen bereits den Durchmesser D der fertigen Stahlkette 1 auf.

In einem ersten, schematisch durch den Pfeil 8 dargestellten Verfahrensschritt wird das Stangenmaterial 5 oder der Draht 6 kalt in Form eines offenen Kettengliedes 2a gebogen. Das offene Kettenglied 2a wird im Zuge des Biegevorganges in die entstehende Kette 1a eingehängt und an Ort und Stelle in einem weiteren Verfahrensschritt 9 an der offenen Stelle 10 stumpf verschweißt. Hierzu werden Elektroden 11 , 12 in Kontakt mit dem zu verschweißenden, soeben geformten Kettenglied 2a in Kontakt gebracht und mit einem Schweißstrom beaufschlagt.

Die an der offenen Stelle 10 des Kettengliedes 2a einander gegenüberliegenden Stirnflächen heizen sich aufgrund des Schweißstromes auf Temperaturen geringfügig unter- halb der Schmelztemperatur auf und werden durch Stauchen stumpf verschweißt, so dass anstelle der offenen Stelle 10 die Stumpfschweißstelle 3 entsteht. Die Stumpfschweißstelle wird abgehobelt, um die Kerbwirkung zu minimieren. Anschließend wird die gerade hergestellte Kette 1a entlang der Transportrichtung 13 um ein Kettenglied weitertransportiert und ein neues Kettenglied am Ende 14 geschweißt.

Anschließend wird die noch unfertige Stahlkette 1a in einem nächsten Verfahrensschritt 18 in einem Härteofen 19 vorzugsweise zweimal hintereinander auf eine Austenitisie- rungstemperatur T _A gebracht. Die erste Austenitisierungstemperatur beträgt dabei höchstens 1.250° C, die zweite Austenitisierungstemperatur höchstens 950° C. Durch den zweiten Schritt wird ein besonders feinkörniges Gefüge erreicht.

Nach jeder Austenitisierung wird die Stahlkette 1 a in einem nachfolgenden Verfahrensschritt 26 in ein Flüssigkeitsbad 27, das auf einer Temperatur T _B von etwa 20° C gehalten wird, eingetaucht.

Nach diesen Härten wird die Kette in einem Anlassofen 28 auf die Mindestbruchspan- nung von wenigstens 1200 N/mm ² angelassen.

Im nächsten Verfahrensschritt 29 wird die Kette zu einer Reckeinrichtung 30 transportiert, wo ein Abschnitt 31 aus einer Mehrzahl von Kettengliedern 2a der wärmebehandelten Stahlkette 1 mit einer Reckzugkraft F gereckt wird, die einer Spannung von wenigstens 62,5 % der Mindestbruchspannung entspricht. Die Stahlkette 1a wird dabei abschnittsweise jeweils so gereckt, dass jedes Kettenglied 2a genau einmal der Reckkraft F ausgesetzt ist. Die Stahlkette 1 weist somit bis in den Bereich der Reckzugkraft F einen nahezu linearen Verlauf des Spannungs-Dehnungs-Diagramms auf.

Der Stahl, aus dem die Stahlketten 1 mit dem in Figur 2 hergestellten Verfahren erzeugt werden, kann insbesondere folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweisen:

C: 0,08 - 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,16 - 0,23 Gew.-%;

Si: 0,10 - 0,30 Gew.-%;

Mn: 0,80 - 1.60 Gew.-%, insbesondere 1 ,00 - 1 ,35 Gew.-%;

P: < 0,020 Gew.-%; S: < 0,015 Gew.-%;

Cr: 0,40 - 0,80 Gew.-%, insbesondere 0,40 - 0,65 Gew.-%;

Mo: 0,30 - 0,50 Gew.-%, insbesondere 0,35 - 0,50 Gew.-%;

Ni: 0,70 - 1 ,20 Gew.-%, insbesondere 0,75 - 1 ,00 Gew.-%;

AI: 0,020 - 0,060 Gew.-%, insbesondere 0,020 - 0,045 Gew.-%; N: 0,007 - 0,018 Gew.-%, insbesondere 0,007 - 0,0015 Gew.-%;

V: < 0,15 Gew.-%;

Nb: < 0,07 Gew.-%.

Die Summe aus P- und S-Gehalt sollte bei diesem Stahl kleiner als 0,030 Gew.-% und die Summe aus V- und Nb-Gehalt größer als oder gleich 0,020 Gew.-% sein. Der Rest des Stahles kann aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen bestehen.

Dieser Stahl wurde mit dem mit Bezug auf die Fig. 2 beschriebenen Verfahren zu jeweils einer Rundstahlkette 6 x 18, 8 x 24, 10 x 30, 13 x 39 und 16 x 48 verarbeitet; die erste

Ziffer bezeichnet den Nenndurchmesser in mm, die zweite Ziffer die Teilung in mm. Die Reckzugkraft wurde so eingestellt, dass jeweils 62,5 % der Mindestbruchspannung in der Kette erreicht wurden.

Figur 3 zeigt beispielhaft den Verlauf der Rissauffangkraft F in kN über die Temperatur T in ⁰ C bei Kerbschlagbiegeproben (ISO-V-Proben), welche einer aus dem oben genannten Stahl gefertigten Rundstahlkette mit einem Nenndurchmesser von 13 mm entnommen wurden.

Wie zu erkennen ist, erreichte in dem Versuch die Rundstahlkette 1 bei einer Temperatur von -60 ⁰ C eine Rissauffangkraft F von wenigstens 7 kN, bei einer Temperatur von - 40 ⁰ C eine Rissauffangkraft F von wenigstens 13,5 kN und eine Rissauffangkraft F von wenigstens 23,5 kN bei einer Temperatur von -2O ⁰ C. Die Sprödbruchübergangstempe- ratur TN _D T (A/// Ductility Transition Temperature) betrug -72°C. Bei dieser Temperatur wurde die für dieses Testverfahren geforderte Rissauffangkraft von 4 kN erreicht.

Die Rissauffangkraft F in kN liegt in etwa oberhalb einer Geraden 31 , welche folgende dimensionslose Ungleichung erfüllt:

F ≥ m T + b.

Dabei ist T die Temperatur der Kerbschlagbiegeprobe in ⁰ C, m eine dimensionslose Konstante mit einem Wert zwischen 0,3 und 0,4 und b eine ebenfalls dimensionslose Konstante mit einem Wert zwischen 29,5 und 30,5.

Der Verlauf der Rissauffangkraft F wurde dabei mit Hilfe eines instrumentierten Kerbschlagversuchs bei verschiedenen Temperaturen für die oben genannten Stahlketten durchgeführt. Fig. 4 zeigt beispielhaft den Verlauf der Kraft über die Zeit bei Kerbschlagbiegeversuchen mit verschiedenen Temperaturen für die Stahlkette 13 x 39.

Wie zu erkennen ist, stellt sich beim übergang von einer Temperatur von - 20° C auf - 40° C ein steiler Abfall im Kraftverlauf bei ca. 0,00025 sek. ein. Dieser Kraftverlauf kennzeichnet den beginnenden Sprödbruch der Probe bei tiefen Temperaturen. Als Rissauffangtemperatur wird diejenige Kraft bezeichnet, ab der der Verlauf der Kraft über die Zeit wieder flacher verläuft. In Fig. 4 sind beispielsweise die Rissauffangkräfte F in kN für -

40° C, F _-4O , für - 60° C, F _-60 , und -80 ° C, F. ₈ o, angezeigt. Die Zusammenstellung dieser Rissauffangkräfte führt zu der schematischen Darstellung der Fig. 3.

In Fig. 5 ist die absorbierte Bruchenergie E in Abhängigkeit vom Nenndurchmesser der Kette für die oben genannten, versuchsweise hergestellten Stahlketten aufgetragen. Wie zu erkennen ist, steigt die absorbierte Bruchenergie E in Joule in Abhängigkeit vom Durchmesser D in etwa exponentiell an. Es ergibt sich aus den Versuchen, dass die absorbierte Bruchenergie E in Abhängigkeit vom Durchmesser wenigstens

,

beträgt, wobei ki mit einem Wert von wenigstens etwa 560 und höchstens 570, vorzugsweise zwischen etwa 560 und 565, weiter bevorzugt zwischen etwa 562 und 563. k ₂ ist eine ebenfalls dimensionslose Konstante mit einem Wert von wenigstens etwa 0,22 und höchstens etwa 0,23 ist. Vorzugsweise beträgt ki zwischen etwa 562,73 und etwa 562,75 und k ₂ zwischen etwa 0,225 bis etwa 0,23.

Insbesondere betrug die absorbierte Bruchenergie für die Stahlkette mit einem Nenndurchmesser von 6 mm etwa 2000 Joule für die Stahlkette mit dem Nenndurchmesser von 8 mm etwa 3400 Joule, für die Stahlkette mit dem Nenndurchmesser von 10 mm etwa 6400 Joule, für die Stahlkette mit dem Nenndurchmesser von 13 mm etwa 10400 Joule und für die Stahlkette mit dem Nenndurchmesser von 16 mm etwa 19900 Joule.