DE3882636T2

DE3882636T2 - Verschleissfeste verbundwalze und verfahren zu ihrer herstellung.

Info

Publication number: DE3882636T2
Application number: DE88902923T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Hitachi Metal Hatori; Takumi Hitachi Metals Wa Ohata; Masahiko Hitachi Metals Oshima
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1987-03-24
Filing date: 1988-03-24
Publication date: 1993-11-04
Anticipated expiration: 2008-03-25
Also published as: KR890700691A; EP0309587B1; EP0309587A4; US4958422A; BR8806569A; DE3882636D1; JPH079052B1; KR930009983B1; EP0309587A1; WO1988007594A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer verschleißfesten Verbundwalze zum Heiß- oder Kaltwalzen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Als Walzen für Walzwerke werden vielfach Verbundwalzen verwendet, die durch ein Schleudergußverfahren hergestellt werden. Diese Verbundwalzen sind solche mit einer Struktur, die aus einer Außenschicht aus Gußeisenmaterial, in dem viele hochabriebfeste Karbide abgeschieden sind, und einer Innenschicht aus Graugußeisen oder Kugelgraphitgußeisen mit großer Zähigkeit besteht. Bei diesem Herstellverfahren kann jedoch nur eine beschränkte Anzahl von Typen von Materialien für die Außenschicht und die Innenschicht verwendet werden.
Karbide solcher Elemente wie W, V, Nb, Ti, Ta, Zr, Hf usw. weisen eine hohe Vickershärte Hv von 2000 oder mehr auf, und die Aufnahme dieser Karbide in Außenschichten ist hochwirksam, um die Abriebfestigkeit von Walzen zu erhöhen. Jedoch ist es mit einem Schleudergußverfahren praktisch unmöglich, eine Verbundwalze herzustellen, die eine mit den obigen, abgesonderten Karbiden versehene Außenschicht und eine mit dieser fest verbundene Innenschicht aufweist.
Der Grund hierfür ist der, daß, da aus diesen Elementen gebildete Karbide ein anders spezifisches Gewicht als das der Schmelze aufweisen, diese Karbide dazu neigen, sich beim Gießprozeß aufgrund der Zentrifugalwirkung abzusondern. Darüber hinaus sind einige dieser Elemente oxidationsanfällig, was es extrem erschwert, das Schmelzen, Gießen und Verbinden der Innenschicht an Luft auszuführen. Ferner wird bei einem Schleudergußverfahren, bei dem Graugußeisen oder Kugelgraphitgußeisen mit Graphitausscheidungen für die Innenschicht verwendet wird, um ausreichend Zähigkeit zu erreichen, dann, wenn die Außenschicht einen großen Anteil an Elementen enthält, für die hohe Wahrscheinlichkeit für das Bilden von weißem Gußeisen besteht, das Ausbilden von Graphit in der Innenschicht unterdrückt, da einige in der Außenschicht gelöste Komponenten in die Innenschicht gelangen, was die Innenschicht brüchig macht. Insbesondere wird die Innenschicht brüchig, weil die Karbide dazu neigen, sich in einer Grenzschicht zwischen der Innenschicht und der Außenschicht anzureichern, was es wahrscheinlich macht, daß sich die Außenschicht von der Grenzschicht ablöst.
Darüber hinaus ist dann, wenn Graugußeisen oder Kugelgraphitgußeisen für die Innenschicht verwendet wird, die Zugfestigkeit der Innenschicht höchstens etwa 55 km/mm², und ihre Bruchdehnung liegt unter 1 %. Wenn eine höhere Zugfestigkeit und Bruchdehnung zu erzielen sind, sollte die Innenschicht aus Stahlmaterialien bestehen. Jedoch ist dies beim Schleudergußverfahren schwierig. Dies wegen der Tatsache, daß, da die Innenschicht einen höheren Schmelzpunkt als die Außenschicht aufweist, wenn Stahl für die Innenschicht verwendet wird, die Außenschicht während des Gießens der Innenschicht aufschmilzt, wodurch als endgültige Erstarrungsphase ein Grenzschichtbereich entsteht, der aus einer Mischung beider Schichten besteht, welcher Grenzschichtbereich ein Ort mit hoher Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Gießfehlern ist.
Demgemäß war das Schleudergußverfahren nicht dazu in der Lage, eine Verbundwalze zu liefern, die eine Außenschicht mit einem großen Anteil an Karbiden der oben angegebenen Elemente und eine Innenschicht mit einer Zugfestigkeit von 55 kg/mm² oder mehr und einer Bruchdehnung von 1,0 % oder mehr aufweist, wobei beide Schichten fest miteinander verbunden sind.
Andererseits wurde es zum Erhöhen des Wirkungsgrades des Walzvorgangs durch Erhöhen der Menge an Walzerzeugnissen, die innerhalb eines einzigen Walzenreparaturzyklus erhalten werden, und zum Erhöhen der Abmessungsgenauigkeit der Walzerzeugnisse erforderlich, die Abriebfestigkeit der Walzen drastisch zu erhöhen. Gleichzeitig macht es die Verbesserung der Abmessungsgenauigkeit der Walzerzeugnisse erforderlich, eine Biegekraft auf die beiden überstehenden Bereiche eines Walzenschafts in entgegengesetzter Richtung zur Auslenkungsrichtung der Walzen auszuüben, wie sie durch die Walzkraft bewirkt wird, und die Verringerung der zum Abschließen des Walzvorgangs erforderlichen Walzenpositionen erfordert es, den auf die Walzen an einer Walzenposition ausgeübten Druck zu erhöhen. Dies erhöht unvermeidlich die auf die beiden überstehenden Abschnitte des Walzenschafts ausgeübten Biegekräfte, was es wiederum erfordert, daß der Walzenschaft eine höhere Festigkeit aufweist. Bei einer Walze, bei der die Außenschicht und der Schaft durch Aufschrumpfen zusammengesetzt sind, kann jedoch ein Verrutschen zwischen der Außenschicht und dem Schaft auftreten, oder die Außenschicht ist für das Auftreten von Rissen während des Walzbetriebs anfällig. Demgemäß sollten die Außenschicht und der Schaft metallurgisch vollständig miteinander verbunden sein.
Um diesen Erfordernissen gleichzeitig zu genügen, ist es erforderlich, daß die Außenschicht aus Materialien besteht, die solche Komponenten enthalten, daß sie eine große Menge an Karbiden von Elementen wie W, V, Nb, Ti, Ta, Zr, Hf usw. ausfällen, daß der Schaft aus zähem Stahl besteht und daß die Außenschicht und der Schaft metallurgisch vollständig miteinander verbunden sind. In diesem Sinn können Gießverfahren wie das Schleudergußverfahren aus den oben genannten Gründen nicht verwendet werden. Darüber hinaus ist ein Diffusionsverbindungsverfahren zwischen festen Materialien praktisch nicht anwendbar, da es für relativ große Gegenstände wie Walzen extrem teure Anlagen benötigt.
Angesichts der obigen Umstände richtete sich die Aufmerksamkeit auf ein sogenanntes Shell-Maskengießverfahren zum Herstellen einer Verbundwalze dadurch, daß eine Schmelze eines Außenschichtmaterials um einen Mittelschaft aus Gußstahl oder geschmiedetem Stahl zugeführt wird und das Außenschichtmaterial mit dem Schaft verbunden und verfestigt wird. So wurden Verbundwalzen vorgeschlagen, die aus verschiedenen Kombinationen von Außenschichten und Quellen bestehen und mit dem Shell-Maskengießverfahren hergestellt werden.
Z.B. offenbart die Japanische Patentoffenlegung Nr. 60- 180608 eine Verbundwalze für Heißwalzen mit ausgezeichneter Beständigkeit gegen das Anhaften gewalzter Materialien und gegen das Aufrauhen der Oberfläche, die aus einer Außenschicht und einem mit dieser metallurgisch verbundenen Schaft besteht, wobei die Außenschicht stark chromhaltiges Gußeisen ist, das gewichtsmäßig 2,0 - 3,5 % C, 0,5 - 1,5 % Si, 0,4 - 1,5 % Mn, 8 - 25 % Cr, 0,5 - 3,0 % Mo, 10 % oder weniger V, 1,5 % oder weniger Ni enthält, und wobei der Schaft aus Gußeisen oder geschmiedetem Eisen mit einer Zugfestigkeit von 55 kg/mm² oder mehr und einer Bruchdehnung von 1,0 % oder mehr besteht. Die Außenschicht wird auf der vorab erstellten Gießmaske dadurch ausgebildet, daß eine Schmelze für ein Außenschichtmaterial dem Schaft zugeführt und metallurgisch mit diesem verbunden wird. Die Verbindungsfestigkeit zwischen der Außenschicht und der Maske ist höher als die Festigkeit des schwächeren der Außenschicht und des Schaftes, oder ebenso groß, und die Außenschicht weist eine Shorehärte von 70 oder mehr auf, wobei die Shorehärte in einer Tiefe von 100 mm unter der Oberfläche 3 oder weniger ist.
Die Japanische Patentoffenlegung Nr. 60-180609 offenbart eine Kaltwalz-Verbundwalze aus stark chromhaltigem Gußeisen, die aus einer Außenschicht aus stark chromhaltigem Gußeisen und einer Achse aus gegossenem oder geschmiedetem Stahl mit einer Oberflächenhärte der Shorehärte 90 oder mehr besteht, wobei die Außenschicht auf einer vorab dadurch erstellten Maske ausgebildet wird, daß der Maske eine Schmelze eines Außenschichtmaterials zugeführt wird und metallurgisch mit dieser verbunden wird. Das stark chromhaltige Gußeisen der Außenschicht besteht im wesentlichen gewichtsmäßig aus 2,5 - 3,5 % C, 0,5 - 1,5 % Si, 0,4 - 1,5 % Mn, 0,5 - 3,0 % Ni, 8 - 25 % Cr, 1,0 - 5,0 % Mo und im wesentlichen Fe als Rest, und der Schaft weist eine Zugfestigkeit von 55 kg/mm² oder mehr und eine Bruchdehnung von 1,0 % oder mehr auf. Die Verbindungsfestigkeit zwischen der Außenschicht und dem Schaft ist höher als die Festigkeit des schwächeren der Außenschicht und des Schafts, oder gleich groß.
Da die Außenschichten bei den beiden obigen Verbundwalzen aus stark chromhaltigem Gußeisen bestehen, ist ihre Abriebfestigkeit im allgemeinen hoch, jedoch nicht notwendigerweise ausreichend, dem nachgefragten Wert zu genügen, der in den letzten Jahren immer höher wird.
Die Japanische Patentveröffentlichung Nr. 51-24969 offenbart einen extrem abriebfesten Stahl mit einer Eisenmatrix mit 0,2 - 0,6 Gewichtsprozent C und mindestens einem Material, das aus den folgenden ausgewählt ist: 2 Gewichtsprozent oder weniger Ni, 2 - 6 Gewichtsprozent Cr, 1 - 6 Gewichtsprozent Mo, 1 - 6 Gewichtsprozent W und 10 Gewichtsprozent oder weniger Co, in denen Karbide ausgefällt sind, die aus 5 - 12 Gewichtsprozent V, 3 - 10 Gewichtsprozent Nb und Kohlenstoff in einer für ihre Verbindung erforderlichen Menge ausgebildet sind. Es wird beschrieben, daß dieser extrem abriebfeste Stahl für Walzen verwendet werden kann, jedoch ist keine Beschreibung hinsichtlich seiner Verwendung für Verbundwalzen gegeben.
Die Japanische Patentoffenlegung Nr. 53-80351 offenbart ein Elektroschlacke-Gießverfahren, bei dem eine Opfer-Schweißelektrode in einem Raum zwischen einer Achse und einer wassergekühlten Kupferform geschmolzen und direkt abgekühlt und durch die wassergekühlte Kupferform verfestigt wird. Die Schmelze im Raum wird nicht gerührt, was eine gleichförmige Zusammensetzung der auf dem Schaft ausgebildeten Außenschicht gewährleistet. Da die Schmelze für einen ausreichend langen Zeitraum nicht in Kontakt mit dem Schaft gehalten wird, zeigt die sich ergebende Verbindungsschicht keine ausreichend hohe Verbindungsfestigkeit.
Angesichts der obigen Schwierigkeiten ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer abriebfesten Verbundwalze anzugeben, die aus einer Außenschicht aus einem Material, in dem harte Karbide von W, V, Nb, Ti, Ta, Zr, Hf usw. abgeschieden sind, und einem aus zähem Stahl hergestellten Schaft besteht, wobei die frei von abgesonderten Karbiden vorliegende Außenschicht und der Schaft mit relativ kleinen Kosten metallurgisch miteinander verbunden sind.
Die erfindungsgemäße hergestellte, abriebfeste Verbundwalze weist eine Außenschicht aus einer Legierung auf Eisenbasis, die solche Komponenten enthält, daß mindestens ein Karbid von W, V, Nb, Ti, Ta, Zr und Hf aus der Legierungsschmelze bei einem Erstarrungsprozeß derselben ausgeschieden wird, und einen Stahlschaft auf, der metallurgisch mit der Außenschicht verbunden ist, wobei die Außenschicht eine Oberfläche mit einer Shorehärte von 70 oder mehr aufweist und der Schaft eine Zugfestigkeit von 55 kg/mm² oder mehr und eine Bruchdehnung von 1,0 % oder mehr aufweist, und die Grenzschicht zwischen der Außenschicht und der Achse nicht schwächer ist als das Schwächere der Außenschicht und des Schafts.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer derartigen abriebfesten Verbundwalze weist folgende Schritte auf: Einführen des Stahlschaftes konzentrisch in einen Innenraum, der durch eine Verbundform definiert ist, die durch eine von einer Induktionsheitspule umgebenen hitzebeständigen Form und eine unter der hitzebeständigen Form konzentrisch angeordneten Kühlform gebildet wird; Eingießen der Schmelze der Legierung auf Eisenbasis in den Raum zwischen dem Schaft und der Verbundform; Halten der Schmelze in dem Raum unter Beheizen und Rühren auf einer Temperatur zwischen einer Primärkristall-Ausscheidungstemperatur und einer solche, die um bis zu 100º C über der Primärkristall-Ausscheidungstemperatur liegt, wobei die Oberfläche der Schmelze mittels eines Flußmittels verschlossen ist; Abwärtsbewegen des Schaftes konzentrisch zur Verbundform, wodurch sich die Schmelze durch Kontakt mit der Kühlform unter Bindung am Schaft verfestigt, so daß sich die äußere Schicht kontinuierlich auf dem Schaft bildet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt, der eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die ein Walzabrieb- Prüfgerät zum Ausführen einer Abriebprüfung für eine Außenschicht einer Walze zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das Abriebprofile gemäß der Erfindung und gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt, wie vom Walzabrieb-Prüfgerät festgestellt;
Fig. 4 ist ein Mikroskopphoto, das die Verteilung von Karbid in der Metallstruktur der Außenschicht der abriebfesten Verbundwalze gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist ein Mikroskopphoto, das den Zustand der Verbindung zwischen der Außenschicht und dem Schaft einer abriebfesten Verbundwalze gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt; und
Fig. 6 ist ein Mikroskopphoto der Außenschicht einer erfindungsgemäßen abriebfesten Walze, wenn diese mit einem üblichen Stationärgußverfahren gegossen wurde.

BESTE VORGEHENSWEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Die abriebfeste Verbundwalze gemäß der Erfindung weist eine Außenschicht aus einer Eisen-Basislegierung und einem metallurgisch mit der Außenschicht verbundenen Stahlschaft auf. Die obige Eisen-Basislegierung enthält Komponenten zum Ausfällen mindestens eines Karbides von W, V, Nb, Ti, ZA, Zr und Hf aus einer Schmelze bei deren Erstarrungsprozeß. Insbesondere enthält die obige Eisen-Basislegierung vorzugsweise gewichtsmäßig 1,5 - 3,5 % C, 0,3 - 3,0 % Si, 0,3 - 1,5 % Mn, 2 - 7 % Cr, 9 % oder weniger Mo, 20 % oder weniger W, 3 - 15 % V und als Rest im wesentlichen Fe.
C ist zum Ausbilden von Karbiden zum Erhöhen der Abriebfestigkeit der Walze unerläßlich. Wenn es mit weniger als 1,5 % vorhanden ist, ist die Menge ausgeschiedener Karbide klein, was zu unzureichender Abriebfestigkeit führt. Ferner werden im Gleichgewicht mit V, wenn C unter der obigen unteren Grenze vorliegt, die Karbide in den Korngrenzen netzwerkartig ausgeschieden, was es unmöglich macht, die Aufgabe der Erfindung hinsichtlich der Zähigkeit und Beständigkeit gegen Oberflächenaufrauhung zu lösen. Andererseits wird, wenn C über 3,5 % vorhanden ist, das Gleichgewicht mit V zerstört, was zu einem Fehlschlag hinsichtlich des Erzielens einer Legierungsstruktur führt, in der Vc gleichförmig verteilt ist, was seinerseits zu schlechter Beständigkeit der Oberfläche gegenüber Aufrauhung und zu schlechter Zähigkeit führt.
Si ist ein notwendiges Element als Reduktionsmittel. Es wirkt auch dahingehend, teure Elemente wie W, Mo usw. einzusparen, da derartige teure Elemente durch in M&sub6;C-Karbiden gelöstes Si ersetzt werden können. Wenn es mit weniger als 0,3 % vorhanden ist, besteht kein Reduktionseffekt, was es wahrscheinlich macht, daß in den Gußeisenerzeugnissen Gießfehler auftreten. Wenn es über 3,0 % vorliegt, wird das sich ergebende Gußeisen zu spröde.
Mn hat eine Funktion des Reduzierens und Einfangens von S, bei dem es sich um eine Verunreinigung handelt, als MnS. Wenn es mit weniger als 0,3 % vorliegt, kann kein ausreichender Reduktionseffekt erzielt werden. Wenn es jedoch 1,5 % überschreitet, besteht die Neigung zur Erzeugung von Abschreckungsaustenit, was es erschwert, eine ausreichend stabile Härte beizubehalten.
Hinsichtlich Cr wird, wenn es mit weniger als 2 % vorhanden ist, die Härtbarkeit der Legierung schlecht, und wenn es mit über 7 % vorhanden ist, werden zu viele Chromkarbide gebildet. Dies ist unerwünscht, da Chromkarbide wie M&sub2;&sub3;C&sub6; geringere Härte als MC, M&sub4;C&sub3;, M&sub6;C und M&sub2;C aufweisen, so daß sie dazu führen, die Abriebbeständigkeit zu erniedrigen.
Mo ist zum Erzielen guter Härtbarkeit und von Hochtemperaturhärte erforderlich, wenn es jedoch über 9 % vorhanden ist, nimmt der Anteil von M&sub6;C-Karbiden im Gleichgewicht zwischen C, V und Mo zu, was in unerwünschter Weise die Zähigkeit und die Beständigkeit gegenüber Oberflächenaufrauhung verschlechtert. Demgemäß ist die Obergrenze für den Mo-Gehalt 9 %.
W ist dazu erforderlich, die Hochtemperaturhärte beizubehalten, wenn es jedoch über 20 % vorliegt, nimmt der Anteil an M&sub6;C-Karbiden zu, was die Zähigkeit und die Beständigkeit gegenüber Oberflächenaufrauhung in unerwünschter Weise verschlechtert. Demgemäß ist die obere Grenze hierfür 20 %.
V ist ein unerläßliches Element zum Ausbilden von MC-Karbiden, die zum Erhöhen der Abriebfestigkeit wirkungsvoll sind. Wenn es unter 3 % vorliegt, können keine ausreichenden Wirkungen erzielt werden, und wenn es über 15 % vorliegt, kann kaum eine gleichförmige Verteilung der MC-Karbide im Gleichgewicht im oberen Bereich von C erhalten werden.
Zusätzlich zu den obigen Elementen kann die Legierung auf Eisenbasis für die Außenschicht gemäß der Erfindung noch Ni, Co, oder Nb alleine oder in Kombination enthalten.
Ni hat die Funktion des Verbesserns der Härtbarkeit der Legierung. Demgemäß kann es mit einer Menge bis zu 5 % zugesetzt werden. Wenn es jedoch diese Menge überschreitet, fällt zu Abschreckaustenit an, was zu Schwierigkeiten wie Rißbildung und Oberflächenaufrauhung bei Walzvorgängen führt. Demgemäß ist seine Obergrenze 5 %.
CO ist ein nützliches Element hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Tempererweichung und sekundär Härtung. Wenn es 5 % überschreitet, wird jedoch die Härtbarkeit der Legierung verschlechtert.
Nb weist die Funktion des Ausbildens von MC-Karbiden auf, wodurch es die Abriebfestigkeit ähnlich wie V verbessert, wenn es jedoch mit über 5 % vorhanden ist, findet zuviel Oxidation statt, was es erschwert, an Atmosphäre aufzuschmelzen.
Ni, Co und Nb können alleine zugesetzt werden, jedoch können sie auch in Kombination zugesetzt werden.
Daneben kann mindestens eines der Elemente Ta, Zr, Hf und Ti zugesetzt werden, die dazu in der Lage sind, Mc-Karbide zu bilden, um die Abriebfestigkeit zu verbessern.
Ferner kann mindestens ein Seltenerdelement wie La, Ce und Nd zugesetzt werden. Diese Seltenerdelemente erzeugen dann, wenn sie zusammen mit Nb zugesetzt werden, Nb-Seltenerd-Karbide, die fein und gleichförmig dispergieren.
In der Legierung auf Eisenbasis für eine Außenschicht gemäß der Erfindung beträgt die Menge an vorhandenem N wünschenswerte 0,15 % oder weniger. Bei der erfindungsgemäße Legierung ist N in der Regel in einer Menge von 0,005 - 0,10 % vorhanden, was Wirkung hinsichtlich eines Verbesserns der Temperhärtung zeigt. Wenn die Menge jedoch übermäßig wird, wird die Legierung spröde. Demgemäß ist seine Obergrenze 0,15 %.
Neben den obigen Elementen besteht die Legierung auf Eisenbasis im wesentlichen aus Eisen, abgesehen von Verunreinigungen. Hauptverunreinigungen sind P und S, und es ist erwünscht, daß P mit 0,1 % oder weniger und S mit 0,08 % oder weniger vorliegt, um zu verhindern, daß die Legierung spröde wird.
Der Schaft der erfindungsgemäßen Verbundwalze wird aus Stahl hergestellt, wobei es sich um Gußstahl oder Schmiedestahl handeln kann. Es ist erforderlich, daß der Schaft eine Zugfestigkeit von 55 kg/mm² oder mehr und eine Bruchdehnung von 1,0 % oder mehr aufweist. Dies, da er dann, wenn er für Walzzwecke verwendet wird, einem großen Druck unterworfen wird, und eine Biegekraft wird auf beide Enden des Schafts ausgeübt, um die Auslenkung der Walze während des Walzvorgangs zu kompensieren; er muß diesem Druck und dieser Biegekraft standhalten können. Darüber hinaus sollte der Schaft mit der aus der obigen Legierung auf Eisenbasis hergestellten Außenschicht fest verbunden sein. Demgemäß sollte die Verbindungsfestigkeit in einem Grenzflächenbereich höher sein als die mechanische Festigkeit des schwächeren der Außenschicht und des Schafts, oder gleich groß.
Um die Außenschicht um den Stahlschaft mit einer derart hohen Verbindungsfestigkeit auszubilden, wird das folgende Verfahren ausgeführt.
Ein solches Verfahren ist im wesentlichen in der Japanischen Patentoffenlegung Nr. 61-60256 offenbart; es handelt sich um ein Verfahren des kontinuierlichen Ausbildens einer Außenschicht um einen Stahlschaft unter Verwendung einer Hochfrequenzspule.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung, die den erfindungsgemäßen Prozeß ausführen kann. Diese Vorrichtung weist eine Verbundform 10 mit einer trichterförmigen, hitzebeständigen Form 1 mit einem verjüngten Abschnitt und einem zylindrischen Abschnitt sowie eine Kühlform 4 auf, die konzentrisch unter der hitzebeständigen Form angeordnet ist.
Die hitzebeständige Form 1 wird von einer ringförmigen Induktionsheizspule 2 umgeben, und das untere Ende der hitzebeständigen Form 1 ist mit einer konzentrischen, ringförmigen Ausgleichsform 3 versehen, die denselben Innendurchmesser wie die hitzebeständige Form 1 aufweist. Am unteren Ende der Ausgleichsform 3 ist die Kühlform 4 befestigt, die im wesentlichen denselben Innendurchmesser wie die Ausgleichsform 3 aufweist. Kühlwasser wird durch einen Einlaß 14 in die Kühlform 4 eingeleitet und über einen Auslaß 14' aus dieser ausgegeben.
Ein Walzenschaft 5 ist in die Verbundform 10 mit der obigen Struktur eingeführt. Der Schaft 5 ist an seinem unteren Ende oder an einer geeignet gegenüber seinem unteren Ende verschobenen Position mit einem (nicht dargestellten) Abschluß teil versehen, das im wesentlichen denselben Durchmesser wie die auszubildende Außenschicht aufweist. Das untere Ende des Schafts 5 ist an einem (nicht dargestellten) Vertikalbewegungsmechanismus angebracht. Eine Schmelze 7 wird in den Raum zwischen dem Schaft 5 und der hitzebeständigen Form 1 eingeführt, und die Oberfläche der Schmelze 7 wird durch ein geschmolzenes Flußmittel 6 abgedichtet, um zu verhindern, daß die Schmelze der Luft ausgesetzt ist. Um ein Erstarren der Schmelze 7 zu vermeiden, wird sie durch die Heizspule 2 erhitzt und gerührt. Die Schmelze 7 wird durch Konvektion in der durch den Pfeil A in Fig. 1 angezeigten Richtung gerührt. Nachfolgend wird der Schaft 5 allmählich zusammen mit dem an ihm befestigten Abschlußteil nach unten bewegt. Aufgrund der Abwärtsbewegung des Schaftes und des Verschlußteils senkt sich die Schmelze 7 ab und beginnt zu erstarren, wenn sie mit der Ausgleichsform 3 und der Kühlform 4 in Berührung kommt. Durch dieses Erstarren werden der Schaft und die Außenschicht metallurgisch vollständig miteinander verbunden. Die Oberfläche der in der hitzebeständigen Form 1 gehaltenen Schmelze wird ebenfalls zusammen mit dem Absenken des Schafts 5 und des Abschlußteils abgesenkt, jedoch wird frische Schmelze geeignet zugeführt, um die Schmelzenoberfläche auf einem bestimmten Pegel zu halten. Durch ständiges Wiederholen des Absenkens des Schaftes 5 und des Zugießens von Schmelze 7 verfestigt sich die Schmelze allmählich von unten her, um eine Außenschicht 8 zu bilden.
Die so hergestellte Verbundwalze wird ferner einer Wärmebehandlung wie Aushärten und Tempern unterzogen, um eine gewünschte Härte der Außenschicht zu erzielen. Bei der sich ergebenden Verbundwalze ist die Oberflächenhärte der Außenschicht eine solche mit einer Shorehärte von 70 oder mehr, und der Schaft weist eine Zugfestigkeit von 55 kg/mm² oder mehr und eine Bruchdehnung von 1,0 % oder mehr auf, wobei die Außenschicht und der Schaft metallurgisch miteinander verbunden sind, so daß die Verbindungsfestigkeit des Grenzflächenbereichs zwischen ihnen nicht geringer ist als die Festigkeit des schwächeren derselben.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispielen mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Beispiel 1

Jede der Schmelzen für Außenschichten mit den in Tabelle 1 dargestellten Zusammensetzungen wurde in eine CO&sub2;-Sandform mit einem Durchmesser 70 mm und eine Höhe von 80 mm gegossen, um eine kleine Walze für eine Walzabriebprüfung zu gießen. Dieses Walzenmaterial wurde einer Wärmebehandlung mit einem Aushärten bei 1000 - 1100º C und einem Tempern bei 500 -550º C unterzogen und dann zu einer Prüfwalze mit einem Außendurchmesser von 60 mm, einem Innendurchmesser von 50 mm und einer Länge von 40 mm umgeformt.
Die Oberflächenhärte jeder Prüfwalze wurde mit einem Shorehärte-Prüfgerät gemessen; die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Nachfolgend wurde diese Prüfwalze einer Walzabriebprüfung unterworfen. Es wurde ein Walzabrieb-Prüfgerät verwendet, wie es in Fig. 2 dargestellt, mit einer Walzeinrichtung 21, einer oberen Walze 22 und einer unteren Walze 23 in der Walzeinrichtung 21, einem Heizofen 24 zum Vorheizen eines zu walzenden Blechs S, einem Kühlwasserbad 25 zum Kühlen des gewalzten Blechs S, einer Haspel 26 zum Ausüben eines konstanten Zugs auf das Blech während des Walzvorgangs, und einem Zugspannungsregler 27 zum Einstellen der Zugspannung. Die Prüfbedingungen waren die folgenden:
Zu walzendes Blech: SUS 304, 1 mm dick und 15 mm breit
Walzweg: 800 m
Walztemperatur: 900º C
Walz-Dickenverminderung: 25 %
Walzgeschwindigkeit: 150 m/min
Walzenkühlung: Wasserkühlung
Die Abriebtiefe auf der Oberfläche der Prüfwalze wurde mit einem Nadelkontakt-Oberflächenrauigkeitstester (SURFCOM) gemessen. Die Ergebnisse sind für das Beispiel Nr. 1 in Fig. 3(A) dargestellt. Für jede Walze wurde die Abriebtiefe für eine Walzbreite gemittelt, um eine mittlere Abriebtiefe zu erhalten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Vergleichsbeispiele 1, 2

Das Beispiel 1 wurde wiederholt, um eine Prüfwalze unter Verwendung von stark chromhaltigem Gußeisen (Vergleichsbeispiel 1) und eines körnigen Walzlegierungsmaterials (Vergleichsbeispiel 2) als herkömmlichen Materialien herzustellen. Jedoch ist zu beachten, daß hinsichtlich der Wärmebehandlung für diese Materialien geeignete Bedingungen ausgewählt wurden. Wie in Beispiel 1 wurde eine Abriebprüfung ausgeführt; die Meßwerte für die Abriebtiefe sind in den Fig. 3(B) (Vergleichsbeispiel 1) und (C) (Vergleichsbeispiel 2) dargestellt. Die gemessene Härte ist ebenfalls in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 1 Zusammensetzung der Legierungsschmelze auf Eisenbasis für die Außenschicht (Gewichtsprozent) Probe (1) Nr. Hinweis (1): Proben Nr. 1 - 16: Erfindung Proben Nr. 17 und 18: Vergleichsbeispiele Tabelle 1 (Fortsetzung) Zusammensetzung der Legierungsschmelze auf Eisenbasis für die Außenschicht (Gewichtsprozent) Probe (1) Nr. Hinweis (1): Proben Nr. 1 - 16: Erfindung Proben Nr. 17 und 18: Vergleichsbeispiele Tabelle 2 Probe (1) Nr. Härte (HS) Mittlere Abriebtiefe (µm) Hinweis (1): Proben Nr. 1 - 16: Erfindung Proben Nr. 17 und 18: Vergleichsbeispiele

Beispiel 2

Unter Verwendung von Schmelzen für die Außenschicht mit den in Tabelle 3 dargestellten Zusammensetzungen, und für den Schaft mit Durchmessern und Materialien, wie in Tabelle 4 dargestellt, wurden Verbundwalzen unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung hergestellt. Die Aufheiztemperatur jedes Schaftes und die Temperatur jeder Schmelze für eine Außenschicht sind in Tabelle 4 dargestellt. Die Schmelzenoberfläche wurde durch ein geschmolzenes Flußmittel abgeschlossen, um zu verhindern, daß die Schmelze der Luft ausgesetzt ist. Die so hergestellten Verbundwalzen wiesen Abmessungen auf, wie sie in Tabelle 3 dargestellt sind. Jede Verbundwalze wurde einer Wärmebehandlung mit einem Aushärten bei 1000 - 1100º C und einem Tempern bei 500 - 550º C unterzogen.
In keiner Verbundwalze traten Risse usw. durch die obige Wärmebehandlung auf. Die Oberflächenhärte jeder Außenschicht wurde mit einem Shorehärtetester gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 3 Zusammensetzung der Legierungsschmelze auf Eisenbasis für die Außenschicht (Gewichtsprozent) Walzenabmessung Walzendurchmesser x Walzenlänge (mm) Probe Nr. Tabelle 4 Probe Nr. Schaftmaterial Schaftdurchmesser (mm) Vorerhitztemperatur für den Schaft (ºC) Temperatur der Schmelze für die Außenschicht (ºC) Härte der Außenschicht (HS) Gußstahl Schmiedestahl Walzstab
Die Verbundwalze (Probe Nr. 1) wurde radial in einem Abschnitt bearbeitet, der die Außenschicht und den Schaft verbindet, und zwar an einer Position 200 mm von einem Ende der Walzentrommel entfernt, um eine Probe zu erhalten, die dann einer Zugprüfung unterzogen wurde. Die Probe wurde an einer Stelle in der Eisen-Basis-Legierung der Außenschicht zerbrochen, die eine Zugfestigkeit von 64 kg/mm² zeigte.
Die Walze wurde auch in jedem Teil bearbeitet, um Proben zu erhalten, um die Legierungsstrukturen zu betrachten. Fig. 4 zeigt die Metallstruktur der Außenschicht der Verbundwalze. Wie es aus dem Mikroskopphoto von Fig. 4 deutlich ist, sind Härtevanadiumkarbidteilchen fein und gleichmäßig verteilt, was eine gute Gießstruktur ergibt.
Zum Vergleich zeigt Fig. 6 die beobachtete Struktur für eine Legierung mit denselben Bestandteilen wie oben, aber mit einer üblichen, stationären Gießform gegossen. Vanadiumkarbide liegen im Zustand relativ großer Volumenteile vor, und ihre Verteilung ist nicht gleichförmig.
Fig. 5 zeigt die beobachtete Struktur für den Grenzschichtbereich zwischen der Außenschicht und dem Schaft. In dieser Figur zeigt die linke Seite die Außenschicht und die rechte Seite den Schaft. Im Grenzflächenbereich liegt keine Erscheinung dahingehend vor, daß die Karbide konzentriert wären, und es wurde ein guter Verbindungszustand ohne jegliche Gießfehler beobachtet.

Beispiel 3

Unter Verwendung von Außenschichtmaterialien mit den in Tabelle 5 dargestellten Zusammensetzungen wurden Verbundwalzen unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung hergestellt. Das Schaftmaterial war SCM 440. Die Herstellbedingungen waren dieselben wie beim Beispiel 2. Übrigens repräsentiert das herkömmliche Beispiel eine Legierungskornwalze, die mit einem herkömmlichen Schleudergußverfahren gegossen wurde. Tabelle 5 Zusammensetzung der Legierungsschmelze auf Eisenbasis für die Außenschicht (Gewichts-Prozent) Probe (1) Nr. Obere Walze Untere Walze Hinweis (1): Probe Nr. 1: Erfindung Probe Nr. 2: Vergleichsbeispiel
Ferner wurden die Verbundwalzen gemäß der Erfindung einer Wärmebehandlung mit einem Aushärten ab 1050º C und einem Tempern bei 530º C unterzogen. Die sich ergebende Verbundwalze wies die folgende Größe auf:
Walzendurchmesser: 312 mm
Walzenlänge: 500 mm
Außendurchmesser der Achse: 230 mm
Die obigen Walzen wiesen Härten auf, wie sie in der unten stehenden Tabelle 6 dargestellt sind.
Mit diesen Walzen wurden ebene Stahlplatten gewalzt. Die Anzahl gewalzter Platten und die Abnutzung der Walzen sind in Tabelle 6 dargestellt. Tabelle 6 Proben Nr. Härte (HS) Anzahl der gewalzten Platten Abrieb (mm) Obere Walze Untere Walze Hinweis: 1: Erfindung 2: Herkömmliches Beispiel
Übrigens wurde der Abrieb im Mittelbereich der Walze durch Außenmikrometer gemessen, und er wurde als Verringerung des Walzendurchmessers ausgedrückt.
Wie es aus den obigen Ergebnissen ersichtlich ist, weist die Verbundwalze gemäß der Erfindung hohe Oberflächenhärtigkeit und ausgezeichnete Abriebfestigkeit auf, und ihr Schaft weist hohe mechanische Festigkeit mit guter Verbindungsfestigkeit zwischen der Außenschicht und dem Schaft auf. Demgegenüber weist eine Walze mit einer Außenschicht mit einer herkömmlichen Zusammensetzung außerhalb des Schutzbereichs der Erfindung keine ausreichende Abriebfestigkeit auf.
Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung eines Schaftes aus Gußstahl oder Schmiedestahl eine Verbundwalze hergestellt werden, die frei von einer Absonderung der ausgefällten Karbide und frei von Gießfehlern ist und ausgezeichnete Abriebfestigkeit aufweist.

GEBIET INDUSTRIELLER ANWENDUNG

Da die Verbundwalze gemäß der Erfindung gute mechanische Festigkeit und ausgezeichnete Abriebbeständigkeit aufweist, kann sie in weitem Umfang als Walze zum Kalt- und Heißwalzen verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Verbundwalze, die eine äußere Schicht, welche aus einer Eisen- Basislegierung besteht, die solche Komponenten enthält, welche zumindest eines der Karbide von W, V, Nb, Ti, Ta, Zr und Hf aus einer Legierungsschmelze beim Verfestigungsprozeß ausscheidet, und einen metallurgisch mit der äußeren Schicht verbundenen Stahlschaft umfaßt, mit folgenden Schritten:

Einführen des eine Zugfestigkeit von mindestens 55 kg/mm² und eine Bruchdehnung von mindestens 1% aufweisenden Stahlschaftes konzentrisch in einen Innenraum, der durch eine Verbundform definiert ist, die durch eine von einer Induktionsheizspule umgebene hitzebeständige Form und eine unter der hitzebeständigen Form konzentrisch angeordnete Kühlforn gebildet ist;

Eingießen der Schmelze einer Eisen-Basislegierung mit einer Zusammensetzung von, in Gewichtsprozenten, 1,5 - 3,5% C, 0,3 - 3,0% Si, 0,3 - 1,5% Mn, 2 - 7% Cr, 9% oder weniger Mo, 20% oder weniger W, 3 - 15% V, gegebenenfalls andere Karbide ausscheidenden Komponenten und gegebenenfalls 5% oder weniger einem oder mehreren der Elemente Ni, Co, Nb, gegebenenfalls 0,15% oder weniger N, gegebenenfalls einen oder mehreren der Elemente Ta, Zr, Hf, Ti, La, Ce und Nb, und dem Rest, abgesehen von Verunreinigungen, Fe, in den Raum zwischen dem Schaft und der Verbundform;

Halten der Schmelze in dem Raum unter Beheizen und Rühren auf einer Temperatur zwischen einer Primärkristall-Ausscheidungstemperatur und einer solchen, die um bis zu 100ºC über der Primärkristall-Ausscheidungstemperatur liegt, wobei die Oberfläche der Schmelze mittels eines Flußmittels verschlossen ist;

Abwärtsbewegen des Schaftes konzentrisch zur Verbundform, wodurch sich die Schmelze durch Kontakt mit der Kühl form unter Bindung am Schaft verfestigt, so daß sich die äußere Schicht, die eine Oberfläche mit einer Shore-Härte von mindestens 70 aufweist, kontinuierlich auf dem Schaft bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisen-Basislegierung 5 Gew.-% oder weniger Ni enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisen-Basislegierung 5 Gew.-% oder weniger Co enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eisen-Basislegierung 5 Gew.-% oder weniger Nb enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Haftfestigkeit einer Grenzschicht zwischen der äußeren Schicht und dem Schaft nicht geringer ist als die Festigkeit des Schwächeren der äußeren Schicht und des Schaftes ist.