DE3717257A1 - Verfahren zum herstellen einer verbundwalze - Google Patents
Verfahren zum herstellen einer verbundwalzeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
einer Walze mit einem Ballen und Zapfen jeweils
unterschiedlicher Werkstoffzusammensetzung
(Verbundwalze). Bei Verbundwalzen bestehen die
Ballen und Zapfen aus unterschiedlichen
Werkstoffen. Derartige Walzen werden überall dort
eingesetzt, wo die Anforderungen an eine Walze -
große Oberflächenhärte und Verschleißbeständigkeit
der Walzenballen und hohe Biegewechselfestigkeit
der Walzenzapfen - durch einen einzigen Werkstoff
nicht erfüllt werden können.
Nach dem Stand der Technik werden Verbundwalzen
einerseits nach dem Schleudergußverfahren
hergestellt. Bei nach diesem Verfahren
hergestellten Verbundwalzen besteht das
Kernmaterial aus legiertem Gußeisen und die
Verschleißschicht des Walzenballens aus
hochchromhaltigen Legierungen. Die flüssige
hochchromhaltige Legierung wird in eine schnell
rotierende Kokille vergossen und dabei an die
Innenwand der Kokille geschleudert. Nachdem die
vorgesehenen Mantelstärken erreicht sind, wird die
Kokille zum Stillstand gebracht und der verbliebene
Hohlraum mit legiertem Gußeisen gefüllt. Diese
Verbundwalzen weisen aber eine, im Vergleich zu aus
einem einzigen Werkstoff geschmiedeten Walzen,
schlechtere Oberflächengüte auf, was sich auch auf das
Walzgut negativ auswirkt.
Zum anderen kann eine Verbundwalze nach dem Stand
der Technik dadurch hergestellt werden, daß auf
einen geschmiedeten oder gegossenen zylindrischen
Kern ein geschmiedeter oder gegossener Mantel aus
Legierungen mit hoher Beständigkeit gegen abrasiven
Verschleiß aufgeschrumpft wird. Ein solches
Verfahren ist aber sehr aufwendig und kommt im
Hinblick auf eine Mindeststärke des
aufzuschrumpfenden Mantels nur für Verbundwalzen
größerer Durchmesser in Frage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Herstellen von Verbundwalzen anzugeben, welches
die o. g. Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 abgegebenen
Merkmale gelöst. Dabei wird die Elektrode nach dem
Elektroschlacke-Umschmelzverfahren, das zur
Erzeugung eines homogenen Blocks aus einem einzigen
Werkstoff beispielsweise in der US-PS 23 61 101
beschrieben ist, zur Bildung der Verbundwalze
umgeschmolzen. Durch den Aufbau der erfindungsgemäß
zusammengesetzten Elektrode mit Bereichen
unterschiedlicher Werkstoffe können der
Walzenballen, die Zapfen und die Übergangsbereiche
in einem einzigen einteiligen Werkstück jeweils aus
dem bzw. der Werkstoffkombination hergestellt
werden, der bzw. die den jeweils gestellten
Anforderungen gerecht wird. Beim Herstellen
seigerungsarmer Werkstücke strebt man beim
Elektroschlacke-Umschmelzverfahren möglichst
geringe Schmelzsumpftiefen an. Neben den
elektrischen Umschmelzparametern wird die
Schmelzsumpftiefe wesentlich durch den
Kokillendurchmesser beeinflußt. Durch die
Verwendung einer endkonturnahen Kokille kann nun
für alle Bereiche der Verbundwalze der jeweils
kleinstmögliche Durchmesser der Kokille zur
Minimierung der Schmelzsumpftiefe in allen
Bereichen der Verbundwalze herangezogen werden.
Zur Fertigstellung der Verbundwalze ist es noch
erforderlich, sie einer Wärmebehandlung und einer
Endbearbeitung zu unterziehen.
Aus der GB-OS 20 36 617 ist es zwar bekannt, einen
Block mit über die Länge unterschiedlichen
chemischen Zusammensetzungen herzustellen, indem
einer Elektrode aus einem Grundwerkstoff bzw. einer
Grundlegierung über entsprechende Teillängen ein
Legierungszusatz zugeordnet wird. Hierbei besteht
aber der gesamte Block aus einer
Grundlegierung, die lediglich örtliche Zusätze
erfährt. Die bei dem dort beschriebenen Verfahren
verwendete Kokille ist zudem in keinem Fall
geeignet, eine Verbundwalze der eingangs genannten
Art herzustellen.
Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind in
den Unteransprüchen beschrieben. Nach Anspruch 2
weisen die Übergangsbereiche der Elektrode in
einfachster Weise sowohl den Werkstoff des Ballens
als auch den der Zapfen auf. Dabei kann dort
zusätzlich ein weiterer Werkstoff zur Steuerung der
mechanischen Eigenschaften der Übergangsbereiche
der Walze vorhanden sein-
Der Ballen einer nach den Ansprüchen 3
und 4 hergestellten Verbundwalze weist eine hohe
Härte, eine hohe Einhärtetiefe und eine hohe
Beständigkeit gegen abrasiven und adhäsiven
Verschleiß auf. Zur Erzielung einer hohen
Biegewechselfestigkeit und einer hohen
Oberflächenhärte der Zapfen ist vorgesehen, das
Verfahren entsprechend den Ansprüchen 5 und 6 zu
gestalten. Bei einem entsprechenden Verhältnis der
Werkstoffe nach den Ansprüchen 3 bis 6 ist in den
Übergangsbereichen zwischen den Zapfen und dem
Ballen eine hohe Bruchzähigkeit erreichbar.
Insbesondere zur Vermeidung von Spannungsrissen in
den Übergangsbereichen der Verbundwalze ist nach
Anspruch 7 vorgesehen, die Verbundwalze nach dem
Ausbau aus der Kokille in einem wärmeisolierenden
Behälter langsam abzukühlen. Zur Erzielung einer
hohen Biegewechselfestigkeit ist es vorteilhaft,
eine Wärmebehandlung gemäß Anspruch 8
durchzuführen. Zur Erzielung einer hohen Härte,
einer hohen Einhärtetiefe und einer hohen
Beständigkeit gegen abrasiven und adhäsiven
Verschleiß des Ballens dient die Wärmebehandlung
nach Anspruch 9, zur Verbesserung der
Oberflächenhärte der Zapfen die zusätzlichen
Wärmebehandlungen nach den Ansprüchen10 bis 12.
Eine Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Verbundwalze in einer Seitenansicht,
Fig. 2 eine zum Herstellen einer Walze nach Fig. 1
geeignete Elektrode in einer teilweise
geschnittenen Ansicht und
Fig. 3 eine Kokillenanordnung in einem
Längsschnitt.
Die erfindungsgemäß herzustellende Verbundwalze
(im nachfolgenden nur kurz "Walze" genannt) 1
gemäß Fig. 1 weist ein Mittelteil oder Ballen 2 und
zwei an den Enden befindliche Zapfen 3 auf. Der
Übergangsbereich 4 zwischen dem Ballen 2 und den
Zapfen 3 ist konisch ausgebildet. Für den Ballen 2
ist ein Stahl aus 0,86-0,94% C;
≦0,45% Si; ≦0,40% Mn; ≦0,030% P; ≦0,030%
S; 3,80-4,50% Cr; 4,70-5,20% Mo;
1,70-2,00% V; 6,00-6,70% W; Rest Fe
(Werkstoff-Nr. 1.3343, im folgenden auch nur kurz
mit "WB" bezeichnet) und für die Zapfen ein Stahl aus
0,46-0,54% C; ≦0,40% Si;
0,50-0,80% Mn; ≦0,035% P; ≦0,030% S;
0,90-1,20% Cr; 0,15-0,30% Mo; Rest Fe
(Werkstoff-Nr. 1.7228, im folgenden auch nur kurz
mit "WZ" bezeichnet) vorgesehen.
Zum Herstellen der Verbundwalze 1 wird eine
Elektrode 5 mit je einem an ihren Enden
befindlichen Bereich 6 aus dem Werkstoff WZ und mit
einem mittleren Bereich 7 aus dem Werkstoff WB in
einer Kokille 8 nach dem
Elektroschlacke-Umschmelzverfahren (ESU-Verfahren)
umgeschmolzen. Zwischen den eigentlichen Bereichen
6, 7 verschiedener Werkstoffe sind in der Elektrode
5 Übergangsbereiche 9 vorhanden, in denen sowohl
der Werkstoff WB als auch der Werkstoff WZ
vorhanden ist. Dabei ragt der Werkstoff WZ in Form
eines Zapfens 10 in eine entsprechende Ausnehmung
des mittleren Bereichs 7 mit dem Werkstoff WB
hinein. Durch das Verhältnis des Volumens des
Zapfens 10 zum Gesamtvolumen des Übergangsbereichs
9 kann der Massenanteil des Werkstoffs WZ im
Übergangsbereich 9 bzw. 4 gesteuert werden.
Dabei kann der Zapfen 10 ganz oder teilweise aus
einem anderen Werkstoff bestehen.
Die Masse des Bereichs 6 der Elektrode 5, der über
den ganzen Querschnitt den Werkstoff WZ aufweist,
entspricht der Masse des Zapfens 3 der Walze 1
zuzüglich einer Bearbeitungszugabe. Die Masse eines
Übergangsbereichs 9 der Elektrode 5, in dem sowohl
der Werkstoff WZ als auch der Werkstoff WB
enthalten sind, entspricht im wesentlichen der
Masse des Übergangsbereichs 4 vom Zapfen 3 zum
Ballen 2 zuzüglich einer Bearbeitungszugabe und die
Masse des mittleren Bereichs 7 in dem
ausschließlich der Werkstoff WB enthalten ist,
entspricht im wesentlichen der Masse des
Walzenballens 2 zuzüglich einer Bearbeitungszugabe.
Die auf einer wassergekühlten Bodenplatte 8′
stehende Kokille 8, in der die Elektrode 5
umgeschmolzen wird, weist zwei gleiche, jeweils die
Hälfte der Kokille 8 bildende Teile 11 und 12 auf,
wobei die Mittelachse 13 der Elektrode 5 beim
Umschmelzen in der gemeinsamen Berührungs- oder
Teilungsebene 14 dieser Kokillenhälften 11, 12
liegt. Jede Kokillenhälfte 11 bzw. 12 hat je einen
getrennten Kühlmittelein- und -auslaß15 bzw. 16.
Der Hohlraum 17 der Kokille 8 weist einen mittleren
zylindrischen Bereich 18 auf, dessen Durchmesser
unter Berücksichtigung des Schrumpfverhältnisses
beim Abkühlen des umgeschmolzenen
Elektrodenmaterials und unter Berücksichtigung
einer Bearbeitungszugabe dem des Ballens 2 der
Walze 1 entspricht. An diesen mittleren Bereich 18
schließt sich unter Anordnung von entsprechenden
Übergangsbereichen 19, 20 je ein verengter unterer
bzw. oberer Hohlraum 21 bzw. 22 zur Formgebung der
Zapfen 3 an. Dabei ist der Durchmesser der
Hohlräume 21 bzw. 22 wieder von dem Durchmesser des
fertigen Ballenzapfens 3, dem Schrumpfverhältnis
und der Bearbeitungszugabe abhängig.
Unmittelbar nach dem Umschmelzen der Elektrode 5
werden die Kokillenteile 11, 12 entfernt und die
noch heiße Verbundwalze 1 mit einem geeigneten
(nicht dargestellten) Fördermittel in einen
(ebenfalls nicht dargestellten) wärmeisolierenden
Behälter gebracht und dort langsam auf
Raumtemperatur abgekühlt.
Bei einer praktischen Durchführung des Verfahrens
hatten die Werkstoffe folgende chemische
Zusammensetzung (die Angaben betreffen jeweils den
Massengehalt der entsprechenden Elemente):
Werkstoff WB (Werkstoff-Nr. 1.3343)
0,9% C; 0,4% Si; 0,36% Mn; 4,1% Cr;
4,9% Mo; 1,9% V; 6,4% W; Rest: Fe.
0,9% C; 0,4% Si; 0,36% Mn; 4,1% Cr;
4,9% Mo; 1,9% V; 6,4% W; Rest: Fe.
Werkstoff WZ (Werkstoff-Nr. 1.7228)
0,49% C; 0,26% Si; 0,82% Mn; 1,33% Cr;
0,25% Mo; Rest: Fe.
0,49% C; 0,26% Si; 0,82% Mn; 1,33% Cr;
0,25% Mo; Rest: Fe.
Dabei wurde die Verbundwalze 1 nach dem Abkühlen
in folgenden Teilschritten wärmebehandelt:
- 1. a) Aufwärmen der Verbundwalze auf 850°C, Halten dieser Temperatur während 3 h und anschließendes Abkühlen in Öl,
- b) Erwärmen auf 560°C, Halten dieser Temperatur während 24 h und anschließendes Abkühlen in Luft,
- 2. a) Aufwärmen auf 400°C in einem Warmluftofen,
- b) Aufwärmen auf 860°C in einem Salzbad und Halten dieser Temperatur während 30 min,
- c) Aufwärmen auf 1230°C in einem Salzbad, Halten dieser Temperatur während 15 min und anschließendes Abkühlen in dem Salzbad von 450°C und daran anschließende Abkühlung in Luft nach der Entnahme aus dem Salzbad,
- d) dreimaliges Anlassen bei 540°C und jeweils anschließendes Abkühlen in Luft,
- 3. a) Flammhärten der Zapfen bei 860°C und Abkühlung mit Wasser im Vorschub,
- b) Anlassen bei 360°C mit einem Brenner und anschließendes Abkühlen im Luftstrom im Vorschub.
Durch die beschriebene Wärmebehandlung wurden bei
der Verbundwalze 1 folgende Härtewerte erreicht:
Zapfen 360 HRC
Walzenballen 265 HRC
Übergangsbereiche 440 HRC
Während die Walzenzapfen 3 vor der beschriebenen
Wärmebehandlung mechanisch grob bearbeitet wurden,
wurde die Verbundwalze nach der beschriebenen
Wärmebehandlung durch Schleifen insgesamt
endbearbeitet.
Eine derart hergestellte Verbundwalze eignet sich
insbesondere als Arbeitswalze in einem
Mehrrollengerüst (sog. Z-high-Technologie).
Weitere Verwendungszwecke ergeben sich als
S-förmig bombierte Arbeitswalze in
Kaltwalzgerüsten (CVC-Technologie) und als
Arbeits- oder Zwischenwalze in einem
Kaltwalz-Mehrrollengerüst (6-high-Technologie).
Claims (14)
1. Verfahren zum Herstellen einer Walze mit einem
Ballen und Zapfen jeweils unterschiedlicher
Werkstoffzusammensetzung (Verbundwalze),
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Elektrode (5) mit einem der Masse und
der gewünschten Werkstoffzusammensetzung des
Ballens (2) der Walze (1) entsprechenden
mittleren Bereich (7), der Masse und der
gewünschten Werkstoffzusammensetzung der Zapfen
(3) und der Walze (1) entsprechenden Endbereichen
(6) sowie jeweils zwischen dem mittleren Bereich
(7) und den Endbereichen (6) angeordneten
Übergangsbereichen (9), in denen der
Werkstoff des Ballens (2) sowie mindestens ein
weiterer Werkstoff enthalten ist, nach dem
Elektroschlacke-Umschmelzverfahren in einer der
Walze (1) endkonturnahen, aus mehreren Teilen
(11, 12) zusammengesetzten, wassergekühlten
Kokille (8) mit konischen Übergangsbereichen
(19, 20) zwischen dem dem Ballen (2)
entsprechenden Hohlraumbereich (18) und den den
Zapfen (3) entsprechenden verengten
Hohlraumbereichen (21, 22) umgeschmolzen wird
und daß die so hergestelle Walze (1)
wärmebehandelt und endbearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in den Übergangsbereichen
(9) der Elektrode (5) sowohl der Werkstoff des
Ballens (2) als auch des Zapfens (3)
enthalten ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der zur Herstellung des
Ballens (2) vorgesehene Bereich (7) der
Elektrode (5) aus Werkzeugstahl besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der zur Herstellung des
Ballens (2) vorgesehene Bereich (7) der
Elektrode (5) aus einem Stahl aus 0,86-0,94% C;
≦0,45% Si; ≦0,40% Mn; ≦0,030% P; ≦0,030%
S; 3,80-4,50% Cr; 4,70-5,20% Mo; 1,70-2,00%
V; 6,00-6,70% W; Rest Fe (Werkstoff-Nr. 1.3343)
besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die für die Herstellung der
Zapfen (3) vorgesehenen Bereiche (6) der
Elektrode (5) aus Baustahl besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die für die Herstellung der
Zapfen (3) vorgesehenen Bereiche (6) der
Elektrode (5) aus einem Stahl aus 0,46-0,54% C;
≦O,40% Si; 0,50-0,80% Mn; ≦0,035% P;
≦0,030% S; 0,90-1,20% Cr; 0,15-0,30% Mo;
Rest Fe (Werkstoff-Nr. 1.7228) bestehen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Teile (11, 12) der
Kokille (8) unmittelbar nach dem Umschmelzen der
Elektrode (5) von der Walze (1) entfernt werden
und daß die Walze (1) in einem wärmeisolierenden
Behälter langsam auf Raumtemperatur abgekühlt
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung der
Walze (1) ein Lösungsglühen mit
nachfolgendem Abschrecken und eine oder
mehrere anschließende Anlaßbehandlungen
umfaßt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 7 oder
8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmebehandlung der Walze (1) eine
Salzbadbehandlung bei Temperaturen von 1150
bis 1250°C mit nachfolgendem Abschrecken und
eine oder mehrere anschließende
Anlaßbehandlungen umfaßt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 7
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmebehandlung eine zusätzliche Härtung der
Zapfen (3) umfaßt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Härtung der Zapfen (3)
durch Flammhärtung vorgenommen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Härtung der Zapfen (3)
durch induktive Härtung vorgenommen wird.
13. Verfahren nach einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Endbearbeitung der Walze (1) durch Schleifen
erfolgt.
14. Verwendungen der nach dem Verfahren nach den
vorangegangenen Ansprüchen hergestellten
Verbundwalzen als Arbeits- oder Zwischenwalzen
in Mehrrollengerüsten, als S-förmig bombierte
Arbeitswalzen in Kaltwalzgerüsten und als
Arbeits- und Zwischenwalzen in
Kaltwalz-Mehrrollengerüsten.
Priority Applications (3)
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ID=6328160
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