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Dokumentenidentifikation DE60309820T2 11.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001430964
Titel Ziehen von Stahldraht
Anmelder The Goodyear Tire & Rubber Co., Akron, Ohio, US
Erfinder Zelin, Michael Gregory, Fulton / Ohio 44614, US;
Lewis, James Terry, Cuyahoga Falls / Ohio 44223-1519, US
Vertreter Kutsch, B., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., Colmar-Berg, LU
DE-Aktenzeichen 60309820
Vertragsstaaten BE, DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.12.2003
EP-Aktenzeichen 031046295
EP-Offenlegungsdatum 23.06.2004
EP date of grant 22.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse B21C 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B21C 1/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C21D 8/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Ziehen eines Stahldrahts gemäß der Einleitung von Anspruch 1 gerichtet (siehe beispielsweise EP-A-1013819). Spezifischer wird der Draht einem nichtlinearen Verfahren zum Ziehen eines Stahldrahts unterzogen, was zu einer erhöhten Festigkeit des Drahts führt.

Hintergrund der Erfindung

Es ist oft wünschenswert, Gummigegenstände (wie etwa Reifen, Förderbänder, Transmissionsriemen, Zahnflachriemen und Schläuche) durch darin Einarbeiten von Stahlverstärkungselementen zu verstärken. Kraftfahrzeug-Luftreifen werden oft mit Korden verstärkt, die aus messingbeschichteten Stahlfilamenten hergestellt sind. Solche Reifenkorde sind oft aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt oder Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, der mit einer dünnen Messingschicht überzogen ist, zusammengesetzt. Ein solcher Reifenkord kann ein Monofilament sein, wird jedoch normalerweise aus mehreren Filamenten hergestellt, die miteinander verseilt werden. In den meisten Fällen, abhängig von dem Typ des Reifens, der verstärkt wird, werden die Litzen aus Filamenten weiter verdrillt, um den Reifenkord zu bilden. Es ist wichtig, dass die in Filamenten für Verstärkungselemente verwendete Stahllegierung sowohl eine hohe Festigkeit und Duktilität, als auch hohe Ermüdungsbeständigkeit aufweist.

Die Umwandlung der Stahllegierung in ein zur Verstärkung von Gummiartikeln geeignetes Filament bezieht mehrere Verarbeitungsstufen ein, einschließlich Grobziehen, Patentieren, Messingplattieren und Feinziehen. Das ausgewählte Verfahren, um einen Stahldraht mit definierten Merkmalen zu erzielen, kann viele Variationen an diesen Verarbeitungsstufen umfassen, einschließlich der Wiederholung der verschiedenen Stufen.

Typischerweise wird Grobziehen; das heißt, trockenes Ziehen eines Stabs bis auf einen Zwischen-Drahtdurchmesser, durch Anwendung eines Verjüngungszugs vollzogen. Bei einem Verjüngungszug werden größere Durchmesserreduktionen an den anfänglichen Ziehsteinpositionen vorgenommen, während der Draht verformbar ist, d.h. es wird eine relativ hohe Zugspannung angewendet, und an der letzten Ziehsteinposition werden kleinere Reduktionen vorgenommen, d.h. es wird eine relativ niedrigere Zugspannung eingesetzt, wenn der Draht aufgrund von Streckhärtung eine höhere Festigkeit hat. Herkömmliche lineare Verjüngungszüge sind dazu konstruiert, die Erledigung einer gleichen Arbeit an der ersten und der letzten Ziehsteinposition zu erzielen, und die Abhängigkeit der Dehnung von der Ziehsteinposition stellt eine gerade Linie dar. In dieser Herangehensweise werden nur die ursprüngliche Drahtfestigkeit und die letztendliche Festigkeit berücksichtigt, während die Drahtfestigkeit an den dazwischenliegenden Ziehsteinpositionen nicht in Betracht gezogen wird. Somit wird der durch die Zugsteinpositionen eingesetzte Betrag an Zugspannung um einen konstanten Betrag reduziert, wenn der Drahtdurchmesser reduziert wird. 3 illustriert das Verhältnis von Zugspannung und Ziehsteinposition für einen linearen Verjüngungszug. Solches lineares Verjüngungsziehen wird nur während des Grobziehens angewendet.

Ein anderes bekanntes Ziehverfahren ist ein Reduktionszug mit gleichmäßiger Fläche. Während der Reduktion mit gleichmäßiger Fläche ist die an jedem aufeinanderfolgenden Ziehstein in der Ziehbahn angelegte Zugspannung die gleiche, da der Durchmesser des Drahts langsam reduziert wird. Reduktion mit gleichmäßiger Fläche wird sowohl während Grob- als auch Feinziehen eingesetzt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung verschafft eine Lösung zur Gestaltung optimierter Ziehstein-Ziehzüge zur Erzielung einer erhöhten Effizienz des Ziehvorgangs und hochfester Drähte mit verbesserten Torsionsmerkmalen. Die Erfindung berücksichtigt die tatsächliche Drahtfestigkeit an den Ziehstein-Zwischenpositionen während des Ziehens eines Drahts auf einen letztendlichen gewünschten Durchmesser.

Es ist ein Verfahren zum Ziehen eines Drahts auf einen kleineren Durchmesser, entweder eine Zwischengröße von blank gezogenem Draht oder einen endgültigen gewünschten Durchmesser, gemäß Anspruch 1 offenbart. Der Ziehvorgang wird als nichtlinearer Verjüngungszug bezeichnet.

In einem Aspekt der Erfindung hat der gezogene Draht einen letztendlichen gewünchten Durchmesser von 0,1 bis 0,4 mm. Ein solcher Durchmesserbereich ist beispielhaft für einen letztendlichen Durchmesser nach sowohl einem Grobziehen, Patentieren und einem letzten Ziehen. Alternativ beträgt, wenn das Ziehen des Drahts mittels des nichtlinearen Verjüngungszugs das Grobziehen ist, der letztendliche gewünschte Durchmesser 2,5 bis 1,0 mm. Beide Durchmesser sind bevorzugt für einen anfänglichen Drahtdurchmesser von 4,0 bis 5,5 mm, und solche Drähte sind am nützlichsten bei der Reifenherstellung, Kraftfahrzeugteilherstellung und Förderbändern.

Es ist auch offenbart, dass der Draht nach dem nichtlinearen Verjüngungszug erneut gezogen werden könnte; somit findet der nichtlineare Verjüngungszug während des Grobziehens statt. Das auf das Grobziehen folgende zusätzliche Ziehen kann ein Kaltnachziehen sein, wobei der Durchmesser um weniger als 4 % reduziert wird, oder es kann ein gewünschtes Feinziehen sein.

Wenn das zusätzliche Ziehen das Feinziehen des Drahts ist, das an dem letztendlichen Drahtdurchmesser durchgeführt wird, so kann die verwendete Zugtechnik unter den folgenden Ziehverfahren ausgewählt werden allmähliches Reduzieren der Zugspannung an jedem nachfolgenden Ziehstein (d.h. nichtlinearer Verjüngungszug), Reduzieren der Zugspannung an jedem nachfolgenden Ziehstein um einen konstanten Betrag (linearer Verjüngungszug) Anlegen einer konstanten Zugspannung an jedem nachfolgenden Ziehstein (Reduktion mit gleichmäßiger Fläche); oder eine Kombination jedwedes der obigen Verfahren.

In einem anderen Aspekt der offenbarten Erfindung lehren die Anmelder den Einsatz eines Kaltnachziehens nachfolgend auf das Grobziehen des Drahts von einem ursprünglichen Durchmesser auf einen blank gezogenen Drahtdurchmesser. Der während des Grobziehens eingesetzte Zugtyp ist irrelevant und kann der nichtlineare Verjüngungszug, der lineare Verjüngungszug, Reduktion mit gleichmäßiger Fläche oder sogar eine Kombination dieser Typen sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird als Beispiel und unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:

1 ein Diagramm ist, das die Abhängigkeit der Zugfestigkeit als eine Funktion von Zugspannung zeigt;

2 ein Vergleich eines linearen Verjüngungszugs und eines nichtlinearen Verjüngungszugs ist;

3 ein Vergleich nichtlinearer Verjüngungsziehens und standardmäßiger Reduktion mit gleichmäßiger Fläche während des Feinziehens ist, und

4 ein Vergleich der Bruchmerkmale eines einem Kaltnachziehen unterzogenen Drahts und eines Drahts ohne Kaltnachziehen ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Wie erörtert, reduziert Ziehen des Drahts den Drahtdurchmesser, während es die Festigkeitsmerkmale des Drahts erhöht. 1 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Zugfestigkeit und der Zugspannung von Drähten zeigt. Die obere Kurve stellt Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,96 % dar und die untere Kurve stellt Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,77 % dar. Für jede Stahlzusammensetzung steigt die Zugfestigkeit an, wenn die Zugspannung erhöht wird.

Ein typisches Drahtformverfahren beinhaltet zwei getrennte Ziehstufen und beginnt typischerweise mit einem Grobziehen und endet mit einem Feinziehen. Beim Grobziehen, das üblicherweise unter Verwendung eines Trockenschmiermittels vollzogen wird, wird der ursprüngliche Stabdurchmesser auf einen Draht-Zwischendurchmesser, auch als blank gezogener Drahtdurchmesser bekannt, reduziert. Danach wird der Draht typischerweise wärmebehandelt (d.h. patentiert), um die Ziehbarkeit wiederherzustellen, und wird dann dem Feinziehen unterzogen. Beim Feinziehen wird Draht unter Verwendung eines Nassschmiermittels auf seinen endgültigen Durchmesser gezogen. Sowohl beim Grob- als auch Feinziehen wird Draht durch eine Vielzahl von Drahtziehsteinen gezogen. Es ist wünschenswert, Ziehsteinzüge anzuwenden, welche die dynamische Reckalterung und Rest-Oberflächenspannungen reduzieren, die sich negativ auf Drahteigenschaften und übermäßige Ziehsteinabnutzung auswirken.

Die vorliegende Erfindung verschafft Lösungen zur Erzielung dieser erwünschten Effekte während der verschiedenen Ziehvorgänge durch Anwenden von Ziehvorgängen, die sich von den zuvor bekannten und eingesetzten unterscheiden. Offenbart sind Kombinationen verschiedener Züge, die zu verschiedenen Zeiten angewendet werden, Kaltnachziehvorgänge, nichtlineare Verjüngungszüge und gemischte Verjüngungsreduktions- und Reduktionszüge mit gleichförmiger Fläche.

Nichtlinearer Verjüngungszug

Im Gegensatz zu dem herkömmlichen linearen Verjüngungszug, wie vorangehend erörtert, der die Drahtfestigkeit nur an der ersten und der letzten Ziehsteinposition berücksichtigt, wird die Zugspannung in einem nichtlinearen Verjüngungszug auf Basis der tatsächlichen Stahldrahtfestigkeit während jeder Phase des Drahtziehens berechnet. Wenn der Draht den nichtlinearen Verjüngungszug durchläuft, ist die Durchmesserreduktion größer, wenn der Stahl weich ist und eine relativ hohe Duktilität hat, und ist die Zugspannung, der der Draht unterworfen wird, größer, und die Durchmesserreduktion in den letzten Stufen des Ziehvorgangs ist relativ kleiner als zu Beginn des Ziehvorgangs, das heißt, die Zugspannung, der der Draht unterworfen wird, ist relativ geringer.

Während die anfänglichen und letzten Schritte ähnlich dem linearen Verjüngungszug sein können, ist der Unterschied die Veränderung in der Zugspannung während der dazwischenliegenden aufeinanderfolgenden Ziehsteine. Wie in 2 ersichtlich, führt, indem die Zugspannung auf der tatsächlichen Drahtfestigkeit basiert wird, das Verfahren zu einem nichtlinearen Ziehvorgang, wie durch die Zugspannung zu den Ziehsteinpositionen definiert. Die Zugspannung, der der Draht unterworfen wird, wird an aufeinanderfolgenden Ziehsteinen allmählich reduziert, das heißt, die Zugspannung jedes nachfolgenden Ziehsteins wird in Bezug auf den vorangehenden Ziehstein um einen nicht konstanten Betrag reduziert.

Da der nichtlineare Verjüngungszug auf der tatsächlichen Drahtfestigkeit basiert ist, muss vor dem Aufstellen der Ziehsteine für den Zug zuerst die tatsächliche Drahtfestigkeit ermittelt werden. Die tatsächliche Drahtfestigkeit kann ermittelt werden durch experimentelles Ziehen und Messen der tatsächlichen Festigkeit beim Ziehen oder durch die folgende Gleichung Y = Yoexp(&agr;&egr;) wobei Y die Zugfestigkeit in MPa (N/mm2) ist, Yo die Festigkeit des Drahts nach dem Patentieren ist, &agr; ein von der chemischen Zusammensetzung des Drahts und den Ziehbedingungen abhängiger Koeffizient ist, und &egr; eine totale wahre Zugspannung ist. Typischerweise liegt der Koeffizent &agr; für Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,2 bis 0,5.

Für Drähte zur Verwendung in der Reifenfertigung beläuft sich ein anfänglicher Drahtdurchmesser auf 4,0 bis 6,0 mm und wird auf einen Zwischendurchmesser von 2,5 bis 1,0 mm reduziert.

Der nichtlineare Verjüngungszug reduziert die Drahtüberhitzung, wodurch Reckalterung während des Drahtziehens eliminiert und Ziehsteinabnutzung verringert wird. Dieses Verfahren verbessert auch die Drahtziehbarkeit und verringert die Wahrscheinlichkeit von Mikrorissbildung in dem blank gezogenen Draht.

Der nichtlineare Verjüngungszug kann auch während des Feinziehens des Drahts, nachfolgend an das Patentieren des Drahts, verwendet werden, anstelle des herkömmlichen Reduktionsziehens mit gleichförmiger Fläche. Vor dem Feinziehen kann der Draht auf Korrosionsbeständigkeit und zur Verbesserung der Ziehbarkeits- und Haftmerkmale des Drahts behandelt werden. Beispielsweise kann der Draht mit einer dünnen Schicht Messing oder Messinglegierungen beschichtet werden, um die Haftung des Stahldrahts an Elastomeren zu verbessern. Vorzugsweise ist Messing die Beschichtung der Wahl, und das Beschichtungsgewicht sollte ausreichend sein, um nach dem Ziehvorgang auf dem Filament zu verbleiben; auch sollte das Messing vorwiegend Alphamessing sein, um die Ziehbarkeit zu erleichtern.

Der nichtlineare Verjüngungszug kann auch in Kombination mit anderen herkömmlichen Zügen verwendet werden, um entweder Grobziehen oder Feinziehen zu erzielen. 3 stellt die Verwendung des nichtlinearen Verjüngungszugs in Kombination mit einem Zug mit gleichförmiger Fläche während des Feinziehens eines Drahts, gefolgt von einem Kaltnachziehen, graphisch dar, um den Draht mit Zwischendurchmesser von 1,6 mm auf einen endgültigen Durchmesser von 0,2 mm zu reduzieren. Dieser Zug wird mit einem konstanten Reduktionszug mit gleichförmiger Fläche verglichen. Beim Feinziehen ist der Reduktionszug mit gleichförmiger Fläche das eingesetzte herkömmliche Zugverfahren. Der letztendliche Drahtdurchmesser, der typisch für die Verwendung bei der Reifenfertigung ist, beläuft sich auf 0,1 bis 0,4 mm.

Für sowohl Grobziehen als auch Feinziehen mit einer hohen Festigkeit wird das nichtlineare Verjüngungsziehen vollzogen, unter Verwendung von Ziehsteinen mit einem Konuswinkel von 8°, wie von den Fachleuten in der Technik verstanden wird. Das Ziehen kann auch mit verschiedenen Konuswinkeln erzielt werden, einschließlich bekannter 10°- oder 12°-Ziehsteine. Die offenbarten Ziehverfahren sind bei der Fertigung von Drähten jeder Festigkeit anwendbar, sind jedoch am meisten anwendbar zur Fertigung hochzugfester Drähte mit Festigkeiten von vorzugsweise größer als 4000 MPa.

Die Anwendung des nichtlinearen Verjüngungszugs verbessert die Drahtverarbeitbarkeit, eliminiert dynamische Alterung, vermeidet die Notwendigkeit eines dazwischenliegenden Patentierprozesses, wie bei der herkömmlichen Drahtformung verwendet, wodurch die Verarbeitungseffizienz erhöht und die Drahtfertigungszeit verringert wird. Zusätzlich kann, da das Ziehen optimiert ist, die Anzahl der in der Feinziehstufe verwendeten Ziehsteine reduziert werden, was zu Kostenersparnissen und verbesserter Verfahrenseffizienz führt.

Linearer Verjüngungszug

Wie zuvor erörtert, wird während eines linearen Verjüngungszugs der Betrag der während des Ziehens auf den Draht angelegten Zugspannung zwischen aufeinanderfolgenden Ziehsteinen um einen konstanten Betrag reduziert. Dieses Verfahren ist herkömmlich nur während des Grobziehens des Drahts von einem anfänglichen Drahtdurchmesser bis auf einen Zwischendurchmesser des blank gezogenen Drahts eingesetzt worden. Die Anmelder haben ermittelt, dass linearer Verjüngungszug auch aufeinanderfolgend während des Feinziehens des Drahts verwendet werden kann. Die Anwendung von linearem Verjüngungszug während des Feinziehens verringert die Anzahl eingesetzter Ziehsteine, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden, während der Betrag an Zugspannung und die resultierenden Festigkeitsmerkmale des Drahts variiert werden. Die Verwendung einer Zugtechnik mit nicht-gleichförmiger Fläche, die während des Feinziehens verwendet wird, selbst wenn sie in Kombination mit einem Zug mit gleichförmiger Fläche verwendet wird, ermöglicht es dem Konstrukteur, eine spezifischere Festigkeit in dem fertigen Draht zu erzielen und die Gesamtmerkmale des fertigen Drahts zu steuern.

Kaltnachziehen (Skin-pass)

Ein Kaltnachziehen ist eine geringe Reduktion des Drahtdurchmessers, nicht mehr als 4 % des anfänglichen Durchmessers, welche entweder an dem letzten Ziehstein in einem Satz von Ziehsteinen während eines Zugvorgangs oder während eines getrennten Schritts anschließend an das Ziehen stattfindet. Herkömmlich wird Kaltnachziehen nur anschließend an das Feinziehen des Drahts eingesetzt. Die Erfinder haben ermittelt, dass Kaltnachziehvorgänge immer dann eingesetzt werden können, wenn die Steuerung von Torsionseigenschaften wesentlich ist, und Kaltnachziehvorgänge können auch während des Grobziehens des Drahts eingesetzt werden, ungeachtet des verwendeten Ziehtyps.

4 illustriert zwei Drähte, die einer Torsionsprüfung unterzogen werden. Draht A wurde unter Verwendung eines herkömmlichen linearen Verjüngungszugs ohne Kaltnachziehen gezogen, wobei die Gesamtzugspannung 3,64 betrug. Draht B, von derselben Zusammensetzung, wurde unter Verwendung eines linearen Verjüngungszugs, gefolgt von einem Kaltnachziehen mit 4 %-iger Reduktion, gezogen, was zu der Gesamtzugspannung von 3,68 führte. Beide Drähte wurden dann einer Torsionsprüfung unterzogen. Der ohne Kaltnachziehen gezogene Draht zeigt Delaminierung, d.h. axiale Rissbildung, wodurch der Draht entlang seiner Achse gespalten wird. Der mit einem Kaltnachziehen gezogene Draht blätterte nicht ab, selbst wenn die Gesamtzugspannung verglichen mit dem ohne Kaltnachziehen gezogenen Draht höher war. Die Anwendung des Kaltnachziehens verringert die Drahtdelaminierung, wodurch die Torsionsmerkmale des Drahts verbessert werden.

Die resultierenden Drähte, die unter Verwendung einer der offenbarten Kombinationen von Ziehverfahren und Kaltnachziehvorgängen geformt worden sind, können in verschiedenen Produkten, wie etwa Reifen, Schläuchen, Förderbändern, Transmissionsprodukten, und anderen, mit Stahldraht verstärkten Produkten verwendet werden. Bei Reifen hat der Draht eine besondere Anwendung als Filamente, die miteinander verseilt und dann verdrillt werden, um Reifenkorde zu bilden. Abhängig von der Größe sind die Korde gebrauchsgeeignet in Reifenverstärkungslagen, wie etwa Gürteln, Underlays oder Overlays, und Karkassenlagen. Der Draht kann auch beim Formen von Reifenwülsten verwendet werden. Auf dem größten Durchmesser kann der Draht auch als eine Monofilamentverstärkung in verschiedenen Teilen eines Reifens gebrauchsgeeignet sein.


Anspruch[de]
Ein Verfahren zum Ziehen eines Drahts auf einen gewünschten Durchmesser, umfassend die folgenden Schritte:

a) Auswählen eines Drahts, der einen anfänglichen Durchmesser aufweist;

b) Ziehen des Drahts durch eine Serie von Drahtziehsteinen, um den Drahtdurchmesser auf einen gewünschten Durchmesser zu reduzieren,

dadurch gekennzeichnet, dass die Zugspannung bei jedem nachfolgenden Ziehstein in Bezug auf den vorangehenden Ziehstein um einen nicht konstanten Betrag reduziert wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, umfassend den zusätzlichen Schritt des Ziehens des Drahts, um den Drahtdurchmesser weiter zu reduzieren. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, umfassend den zusätzlichen Schritt des Reduzierens des gewünschten Durchmessers des Drahts um weniger als 4 %. Das Verfahren gemäß Anspruch 3, umfassend den zusätzlichen Schritt des erneuten Reduzierens des Drahtdurchmessers um weniger als 4 %. Das Verfahren gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, wobei das weitere Ziehen aus den nachfolgenden Ziehverfahren ausgewählt wird allmähliches Reduzieren der Zugspannung an jedem nachfolgenden Ziehstein; Reduzieren der Zugspannung bei jedem nachfolgenden Ziehstein um einen konstanten Betrag; Anlegen einer konstanten Zugspannung an jedem nachfolgenden Ziehstein; oder eine Kombination jeglicher der obigen Verfahren. Das Verfahren gemäß wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche, wobei vor Schritt a) die tatsächliche Stahldrahtfestigkeit berechnet und zur Ermittlung der an jedem nachfolgenden Ziehstein einzusetzenden Zugspannung verwendet wird. Das Verfahren gemäß wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der anfängliche Drahtdurchmesser 4,0 bis 5,5 mm beträgt und wobei der Draht auf einen gewünschten Durchmesser von entweder 2,5 mm bis 1,0 mm oder 0,4 mm bis 0,1 mm gezogen wird.






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