Ist kaltgezogener Kohlenstoffstahl für die Herstellung hochfester Verbindungselemente geeignet?

Bei der Besprechung des Kaltziehens konzentrieren wir uns auf die Faktoren, die es fester machen. Hier untersuchen wir den zugrunde liegenden Verfestigungsmechanismus, der als Kaltverfestigung bezeichnet wird und durch das Zusammendrücken des Werkstoffs bei Raumtemperatur – im Gegensatz zur Erweichung durch Erhitzen – erreicht wird. Der Prozess umfasst das Durchziehen von Metallstäben durch eine Reihe sich stetig verkleinernder Ziehdüsen. Als Folge des Fließens und der Verformung verändert sich die innere Mikrostruktur des Stabes, wodurch dieser verstärkt wird. Der spezifische Mechanismus, der hierbei beeinflusst wird, ist die Versetzung – ein eindimensionaler linearer Defekt innerhalb der Kristallstruktur des Materials. Der Prozess führt typischerweise zu einer Zugfestigkeitssteigerung von etwa 15 % bis 25 % sowie zu einer Streckgrenzsteigerung von rund 20 % bis 30 % im Vergleich zu vergütetem warmgewalztem Stahl. Ein anschauliches Beispiel ist der mittelkohlenstoffhaltige Stahl der Güteklasse 1045. Nach dem Ziehen können diese Werkstoffe Streckgrenzen von über 470 MPa erreichen und erfüllen damit die strengen Anforderungen der ASTM-Normen für Bau- und Verbindungselemente wie Schrauben und Befestigungsteile. Beeindruckend ist zudem, dass das Metall trotz der erhöhten Festigkeit ausreichend Duktilität behält, um – wie in den verschiedenen Phasen der bautechnischen Fertigung erforderlich – kaltkopfgeformt werden zu können.

Verbesserte Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit für zuverlässiges Kaltfließpressen

Kaltziehen erzielt sehr hohe Oberflächengüten von etwa 0,8 Mikrometer Ra oder besser und gewährleistet engere Maßtoleranzen von etwa ± 0,001 Zoll. Diese Spezifikationen sind für Komponenten, die in Hochgeschwindigkeits-Kaltfließpressverfahren eingesetzt werden, äußerst kritisch. Durch die hohe Oberflächengüte verringert sich der Reibungswiderstand während des Extrusionsprozesses, was eine bessere Füllung komplexer Werkzeughohlräume ermöglicht und das Auftreten von Mikrorissen infolge von Ermüdungsbrüchen minimiert. Zusätzlich sind Teile mit gleichmäßigen Querschnitten in automatisierten Umformmaschinen zuverlässiger: Sie verursachen seltener Staus und vermeiden Spannungskonzentrationen, die durch Querschnittsirregularitäten hervorgerufen werden. Hersteller berichteten über eine Reduzierung der maßbedingten Ausschussraten um bis zu 42 % bei der Verarbeitung von kaltgezogenen Stäben im Vergleich zu Standardmaterial. Diese Reduzierung ist unmittelbar auf die verbesserte Qualität von Gewinden und Kopfbildungen bei Verbindungselementen zurückzuführen und führt somit zu einer höheren Ausbeute bei den Produktionsläufen.

  
Mittelkohlenstoffstähle, beispielsweise 1035 und 1045, sind ein Standard in der Industrie

Der größte Teil des Stahls, der zur Herstellung von ASTM-A325-Verbindungselementen verwendet wird, stammt aus den Qualitäten 1035 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,35 % und 1045 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,45 %. Während des Kaltziehprozesses erreichen diese Werkstoffe eine Streckgrenze von über 80 ksi bei einer Dehnung von 12 bis 15 Prozent. Diese Kombination aus Perlit-Mikrostruktur bedeutet, dass das Material eine hohe Streckgrenze aufweist und zugleich eine duktile Beschaffenheit besitzt, die eine einfache Umformung ermöglicht. Da der Kohlenstoffgehalt dieser Werkstoffe relativ niedrig ist, neigen sie weniger zur Rissbildung während nachfolgender Wärmebehandlungen. Dies trägt zudem dazu bei, eine gleichbleibende Qualität über verschiedene Produktionschargen hinweg sicherzustellen. Diese Werkstoffe reagieren außerdem günstig auf zahlreiche Standardbeschichtungen zum Schutz der Bauteile; im Fall der Feuerverzinkung ist die Reaktion ebenfalls günstig. Diese Faktoren sind Gründe dafür, dass bei Bolzen, die in wesentlichen Komponenten einer Brücke, eines Gebäudes oder großer Maschinen eingesetzt werden, der Verzicht auf diese Qualitäten erforderlich ist.

Varianten mit hohem Kohlenstoffgehalt: Wenn die Festigkeitsanforderungen die Duktilitätsbeschränkungen überwiegen

Ingenieure wählen üblicherweise den Stahlwerkstoff 1080, eine Sorte hochkohlenstoffhaltigen Stahls mit 0,80 % Kohlenstoff, für ASTM-A490-Verbindungselemente mit einer Zugfestigkeit ≥ 150 ksi (ca. 1.034 MPa). Noch höhere Festigkeitswerte sind mit der Sorte 1095 erreichbar, die 0,95 % Kohlenstoff enthält. Das Kaltziehverfahren, das bei der Herstellung von A490-Verbindungselementen eingesetzt wird, ermöglicht diese hohe Festigkeit. Die Duktilität dieser Verbindungselemente ist jedoch stark reduziert, oft auf weniger als 8 % Dehnung. Dadurch eignen sich diese Verbindungselemente hervorragend für kritische strukturelle Komponenten, die regelmäßig wechselnde Spannungsbelastungen über 170 ksi erfahren. Beispiele für solche Komponenten sind Verbindungen in erdbebensicheren Bauwerken, große Kranaufbauten sowie Teile schwerer Industriemaschinen. Ein detailliertes Verständnis des Fertigungsprozesses ist entscheidend für den sachgemäßen Einsatz dieser Werkstoffe. So müssen Schweißer beispielsweise die Bauteile zur Vermeidung gefährlicher Wasserstoffrisse auf Temperaturen zwischen 250 und 300 Grad Celsius vorwärmen. Diese Aufgabe wird durch das Vorhandensein größerer Mengen Bor und Chrom beim Legieren erschwert, die jedoch ebenfalls die Härtbarkeit und Zähigkeit der Werkstoffe verbessern können. Aus diesen Gründen bedürfen alle Komponenten einer sorgfältigen Prüfung, die häufig mittels ZfP (Zerstörungsfreier Prüfung) erfolgt.

Einige Hersteller sind noch einen Schritt weitergegangen und verwenden kryogene Behandlungsverfahren, die die Schlagzähigkeit bei kryogenen Temperaturen bis hinab zu −30 Grad Celsius erhöhen und damit die Anforderungen des Charpy-V-Nutentests für verschiedene sicherheitskritische Anwendungen erfüllen.

Kaltziehen plus Wärmebehandlung: Zweistufige Verfahren zur zertifizierbaren Befestigungselement-Leistung

Wie das Kaltziehen die Mikrostruktur für eine gleichmäßige Abschreckung vorbereitet

Beim Kaltziehen wird zunächst die Kornstruktur ausgerichtet und verbessert, bevor eine Wärmebehandlung erfolgt. Dadurch entsteht ein homogeneres Material, das durch Kaltverfestigung vorverfestigt wurde, um die Austenitisierung und die Umwandlung in Martensit zu erleichtern. Der Prozess selbst verringert die Streuung der Austenitkorngröße, erhöht die Geschwindigkeit der Kohlenstoffdiffusion um etwa zwanzig Prozent und beseitigt die Restspannungen, die bei einer schnellen Abkühlung häufig zu Verzug der Bauteile führen. Aufgrund dieser umfassenden Vorbehandlung weist kaltgezogener Stahl nach dem Abschrecken etwa fünfzehn Prozent geringere Härteschwankungen auf als normaler warmgewalzter Stahl. Diese Konsistenz ermöglicht es Herstellern, die strengeren Anforderungen der ASTM-Normen A325 und A490 hinsichtlich sowohl Form als auch Festigkeit zu erfüllen.

Ausbalancieren von Zähigkeit und Härte mittels präziser Temperung zur Erfüllung der ASTM-Normen

Geglätteter Martensit und nicht spröder Martensit entsteht bei der Temperung von Martensit, da die Temperung eine gewisse Duktilität und Zähigkeit wiederherstellt, während ein Großteil der ursprünglichen Festigkeit erhalten bleibt. Gemäß der ASTM-A490-Norm muss für diese Schrauben eine Rockwell-C-Härte von 33 bis 39 erreicht werden. Dies entspricht einer Mindestzugfestigkeit von 150 Ksi sowie einer guten Schlagzähigkeit, d. h. Charpy-Werte von mehr als 27 Joule bei −30 Grad Celsius. Die Einhaltung dieser Spezifikationen erfordert Sorgfalt und Präzision bei der Temperung innerhalb eines Bereichs von 400 bis 600 Grad Celsius mit einer maximalen Temperaturstreuung von 10 Grad. Auch die Zeitsteuerung ist wichtig, da die meisten Betriebe nach dem Abschrecken einen Zeitraum von 30 Minuten anstreben, um das Risiko einer spannungsbedingten Korrosionsrissbildung zu verringern. Bei korrekter Ausführung können Stähle der Sorten 1045 oder 1080 vor dem Bruch um mehr als 10 bis 15 Prozent verlängert werden, was ausreichende Bruchzähigkeit zur Aufnahme dynamischer Lasten bietet. Die optimale Kombination aus Festigkeit und Zuverlässigkeit ist der Grund dafür, dass die zertifizierten Spezifikationen für strukturelle Verbindungselemente so wichtig sind.

Kaltgezogener Kohlenstoffstahl: Risiken und Managementstrategien

Aufgrund der guten Verhältnisse von Festigkeit zu Gewicht und der hohen Genauigkeit gibt es drei Einschränkungen beim kaltgezogenen Kohlenstoffstahl, die einer gezielten Steuerung bedürfen:

Korrosionsrisikominderung: Die unbeschichtete Oberfläche aus Kohlenstoffstahl zieht Feuchtigkeit sowie marine Umgebungen an, was zu einem vorzeitigen Versagen führen kann. Eine Feuerverzinkung, Zinklamellenbeschichtungen oder Barriereschichten auf Epoxidharzbasis können die Lebensdauer in aggressiven Umgebungen jedoch um 8–10 Jahre verlängern.

Thermische Begrenzungen: Die Festigkeit des kaltgezogenen Kohlenstoffstahls nimmt bei jeder Erhöhung der Temperatur um 100 °C um 30–50 % ab. Obwohl eine Legierung mit Chrom oder Molybdän die Festigkeitsbewahrung unterstützt, ist es am besten, rostfreie Stähle oder nickelbasierte Werkstoffe einzusetzen.

Schweißbarkeit: Hochkohlenstoffvarianten weisen ohne Vorwärmung und nachfolgende Temperglühung ein hohes Risiko für spannungsbedingte Rissbildung auf. Eine Vorwärmung auf 250–300 °C mit anschließendem langsamen Abkühlen kann die Bildung von Mikrorissen verringern – dies ist insbesondere bei Reparaturen vor Ort unerlässlich.

Jüngste Verfahren der starken plastischen Verformung können die Funktionalität und die Tieftemperaturbeständigkeit bis -196 °C verbessern. Kaltgezogener Kohlenstoffstahl ist die bevorzugte Wahl für hochleistungsfähige strukturelle Verbindungselemente. FAQ

Was ist kaltgezogener Kohlenstoffstahl?

Kaltgezogener Kohlenstoffstahl ist Stahl, der durch Kaltziehen hergestellt wird. Beim Kaltziehen handelt es sich um ein Stahlumformverfahren, bei dem Stahl durch eine Matrize gezogen und zu Draht oder Stab umgeformt wird. Das Ergebnis ist ein Stahlprodukt mit hoher Festigkeit und hoher Präzision. Aus diesem Grund wird kaltgezogener Kohlenstoffstahl bei hochfesten Verbindungselementen eingesetzt.

Warum wird kaltgezogener Kohlenstoffstahl für ASTM-A325- und A490-Verbindungselemente bevorzugt?

Kaltgezogener Kohlenstoffstahl wird für ASTM-A325- und A490-Verbindungselemente aufgrund seiner erhöhten Zug- und Streckgrenze, der verbesserten Oberflächenqualität sowie der engen Toleranzkontrolle bei den Abmessungen stark bevorzugt. Diese Eigenschaften machen kaltgezogenen Kohlenstoffstahl besonders geeignet, um die ASTM-Anforderungen zu erfüllen.

Welche Vorteile bietet die Verwendung von mittelkohlenstoffhaltigen Stählen wie den Güten 1035 oder 1045?

Mittelkohlenstoffstähle wie die Sorten 1035 oder 1045 bieten eine gute und nützliche Kombination aus Festigkeit und Härte sowie Duktilität. Sie weisen zudem eine ausgezeichnete und variable Reaktion auf das Galvanisieren auf, was für eine gleichmäßige Qualität von Vorteil ist.

Wie lässt sich die Korrosionsanfälligkeit von kaltgezogenem Kohlenstoffstahl mindern?

Die Korrosionsanfälligkeit von kaltgezogenen Kohlenstoffstählen kann durch den Einsatz verschiedener Schutzschichten verringert werden, beispielsweise durch Feuerverzinkung und Zinklamellenbeschichtungen sowie durch epoxidbasierte Sperrschichten. Diese Beschichtungen können die Nutzungsdauer des Werkstoffs deutlich verlängern.

Welche Herausforderungen sind mit hochkohlenstoffhaltigen Stahlsorten verbunden?

Obwohl hochkohlenstoffhaltige Stahlsorten eine hohe Festigkeit aufweisen, treten bei ihnen auch Probleme mit der Duktilität sowie die Gefahr von Rissen infolge von Wasserstoffversprödung auf, was die technischen Fertigungsprozesse komplexer macht.