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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundwalze, umfassend
einen Mantelabschnitt mit hervorragender Verschleißfestigkeit
und Oberflächenaufrauhungsbeständigkeit und einem zähen bzw.
harten Kernabschnitt, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer
derartigen Verbundwalze durch ein Zentrifugal-Gießverfahren,
insbesondere eine Verbundwalze mit einem Mantelabschnitt mit
einer feinen und gleichförmigen Metallstruktur sowie ein
Verfahren zum Herstellen einer derartigen Verbundwalze.
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Bei einer zum Heißwalzen oder Kaltwalzen von Stahlmaterialien
verwendeten Walze ist es erforderlich, daß ein Mantelabschnitt,
der in direkten Kontakt mit den zu walzenden Materialien
gebracht wird, eine gleichförmige Gußstruktur und eine
hervorragende Verschleiß festigkeit,
Oberflächenaufrauhungsbeständigkeit und Rißfestigkeit aufweist. Um dieses Erfordernis zu
erfüllen, ist es zweckmäßig, den Mantelabschnitt durch ein
Zentrifugal-Gießverfahren zu bilden, und die Herstellung von
Verbundwalzen mit Mantelabschnitten und Kernabschnitten wird weit
verbreitet durchgeführt. Bei einem Zentrifugal-Gießverfahren
wird eine Schmelze für einen Mantelabschnitt üblicherweise in
eine hohle zylindrische Gießform eingeleitet, die um ihre
Längsachse mit hoher Geschwindigkeit drehbar ist, und die
Schmelze wird in der Gießform verfestigt.
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Da die Schmelze in diesem Eall durch Kontakt mit der
Innenfläche der Gießform, die üblicherweise aus Stahl besteht, rasch
abgekühlt wird, hat der Mantelabschnitt der Verbundwalze eine
feine Metallstruktur. Wenn jedoch ein Abstand zwischen der
Innenfläche der Gießform und der auszuhärtenden Schmelze größer
wird, nimmt die Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze für den
Mantelabschnitt ab, und der Temperaturgradient der Schmelze wird
kleiner. Infolge davon wird die Metallstruktur des
Mantelabschnitts
gröber, so daß die verschiedenen Eigenschaften, die
für den Mantelabschnitt erforderlich sind, wie beispielsweise
die Verschleißfestigkeit usw., verschlechtert werden. Um dieses
Problem zu lösen, ist es als zweckmäßig erachtet worden, die
Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze für den Mantelabschnitt zu
erhöhen, und es ist notwendig, die Abkühlgeschwindigkeit der
Schmelze in einem Abschnitt entlang der radialen Richtung des
Mantelabschnitts so gleichmäßig wie möglich zu machen.
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Um die Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze für den
Mantelabschnitt zu erhöhen, sind Vorschläge gemacht worden, die
Gießform durch Wasser abzukühlen, und die Schmelze auf die
Innenfläche der Gießform zu spritzen (japanische
Patentoffenlegungsschrift Nr. 1-254363). Um eine unerwünschte Segregation und
weitere Defekte zu vermeiden, die im Mantelabschnitt erzeugt
werden, und um die Gleichförmigkeit des Mantelabschnitts zu
verbessern, wurde vorgeschlagen, den Eingießpunkt der Schmelze
in die Gießform bei dem Zentrifugal-Gießverfahren zu bewegen
(japanische Patentschrift Nr. 50-33021). Ferner wurde für die
Materialien für den Mantelabschnitt Forschungsarbeit
durchgeführt. Zur Zeit wird der Mantelabschnitt, der durch das
Zentrifugal-Gießverfahren hergestellt wird, hauptsächlich aus einem
hochlegierten Gußeisen, aus einem Gußeisen mit hohem
Chromgehalt, einem Gußstahl mit hohem Chromgehalt usw. hergestellt.
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In dem Fall, daß eine Walze hauptsächlich auf der Seite einer
Tandemmühle verwendet wird, die einen Mantelabschnitt aufweist,
der aus einem hochlegierten Gußeisen besteht, führt bei diesem
Verfahren die Ungleichförmigkeit der Gußmetallstruktur des
Mantelabschnitts aufgrund der Anwesenheit grober abgeschiedener
Körner und von Segregation zu einer schlechteren
Verschleißfestigkeit, was zur Erhöhung des Walzenverbrauchs pro
Einheitsgewicht eines zu walzenden Materials und zu einer schlechteren
Qualität des gewalzten Materials führt.
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Da für gewalzte Stahlbleche hohe Qualität zunehmend verlangt
wird, werden an die Walze hohe Anforderungen gestellt. Deshalb
ist es erforderlich, daß der Mantelabschnitt der Verbundwalze
eine zunehmend feinere Metallstruktur mit höherer
Gleichförmigkeit aufweist.
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Bei dem hochlegierten Gußeisen handelt es sich um ein Material,
bei welchem Graphitteilchen von Natur aus mit einer
Wahrscheinlichkeit abgeschieden werden. Im Falle der Bildung des
Mantelabschnitts aus hochlegiertem Gußeisen weist deshalb ein
Oberflächenabschnitt des Mantelabschnitts nicht nur eine feine
Metallstruktur auf, sondern enthält auch feine Graphitteilchen
und eine feine Carbidphase durch die rasche Abkühlwirkung der
Gießform. Da jedoch die rasche Abkühlwirkung der Gießform
innerhalb des Mantelabschnitts abnimmt, wird die Metallstruktur
gröber und die Menge an abgeschiedenen Graphitteilchen nimmt
zu, während der Anteil der Carbidphase abniirjnt. Infolge davon
liegt im Tiefenbereich des Mantelabschnitts, der durch ein
mehrmaliges Maschinenbearbeiten freigelegt wird, eine schlechte
Verschleißfestigkeit und Oberflächenaufrauhen vor. In dem Fall,
daß der Mantelabschnitt durch ein Zentrifugal-Gießverfahren
gebildet wird, besteht außerdem das Problem, daß der
Mantelabschnitt unvermeidlich Gußdefekte und eine Nichtgleichförmigkeit
der Metallstruktur enthält. Da die Abkühlgeschwindigkeit
(Temperaturgradient) des Mantelabschnitts im Innern kleiner als
im Oberflächenabschnitt ist, ist es für Gas, in Lösung
vorliegende Elemente, Verunreinigungen usw. in der Schmelze schwierig
für den Mantelabschnitt, zum Innenhohlraum zu entweichen, in
welchen die Schmelze gegossen wird. Demnach werden diese
Bestandteile beim Vorgang der Verfestigung der Schmelze
eingefangen, was zur Segregation, zu einer groben Metallstruktur, zu
Gasdefekten usw. führt.
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Die JP-A-5323820 beschreibt die Herstellung einer Verbundwalze,
umfassend das Zentrifugalgießen eines Außenmantels aus 3,0-4,0
Gew.-% C, 0,2-1,0 Gew.-% Si, 0,4-1,0 Gew.-% Mn, 3,0-5,0 Gew.-%
Ni, 1,0-3,0 Gew.-% Cr, 0,2-1,0 Gew.-% Mo, wobei der Rest Fe mit
geringen Verunreinigungen ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin,
eine Verbundwalze mit einem Mantelabschnitt zu schaffen, der
eine feine Metallstruktur mit hervorragender Gleichförmigkeit
aufweist.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Verbundwalze zu
schaffen.
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Als Ergebnis intensiver Forschung im Hinblick auf die
vorstehend genannten Aufgaben haben die Erfinder gefunden, daß durch
Steuern der Zufuhrtemperatur der Schmelze und der
Mantelabschnittsbildungstemperatur in der Verfestigungsgrenzfläche
zwischen der Schmelze und dem Mantelabschnitt eine große
Abkühlgeschwindigkeit und dadurch ein großer Temperaturgradient
erzielt werden kann, wodurch das übermäßige Wachstum der
Metallstruktur im Mantelabschnitt verhindert wird, was wiederum
dazu führt, daß der Mantelabschnitt frei von Gußdefekten ist.
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Demnach umfaßt die Verbundwalze gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Mantelabschnitt, der aus einem Hartgußeisen mit
einer hervorragenden Verschleißfestigkeit und
Oberflächenaufrauhungsbeständigkeit und einem Kernabschnitt hergestellt ist,
der aus einem zähen Gußeisen oder Gußstahl hergestellt ist,
wobei das Gußeisen des Mantelabschnitts auf das Gewicht bezogen
eine Zusammensetzung aufweist von 2,5 bis 3,5% C, 0,5-1,5% Si,
0,5-1,5% Mn, 0,1% oder weniger P, 0,05% oder weniger S, 3,0-
5,0% Ni, 1,0-2,5% Cr, 0,1-1,5% Mo, gegebenenfalls 0,1-2,0% von
wenigstens V, Nb, W, wobei der Rest gebildet ist durch Fe und
sonstige Verunreinigungen, wobei ein mittlerer Durchmesser der
primären abgeschiedenen Teilchen, die eine Matrix der
Metallstruktur des Mantelabschnitts bilden, 80 µm oder kleiner in
einem Bereich von einer Oberfläche bis auf eine Tiefe von 50 mm
aufweist, bei Ermittlung durch ein Bildanalyseverfahren
betreffend die primären abgeschiedenen Teilchen mit Durchmessern, die
30 µm übersteigen, und wobei die primären abgeschiedenen
Teilchen die folgende Formel erfüllen: m&sub2; ≤ 1,2 m&sub1;, wobei m&sub1; in
mittlerer Durchmesser der primären abgeschiedenen Teilchen auf
der Oberfläche des Mantelabschnitts ist, und wobei m&sub2; ein
mittlerer Durchmesser der primären abgeschiedenen Teilchen in einer
Tiefe von 50 mm ist.
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Das Verfahren zum Herstellen einer Verbundwalze gemäß der
vorliegenden Erfindung umfaßt das Zuführen einer Schmelze für den
Mantelabschnitt bei einer Temperatur T, die die folgende Formel
erfüllt: Tc - 20ºC ≤ T ≤ Tc + 70ºC, wobei Tc eine primäre
Kristallbildungstemperatur in dem Mantelabschnitt ist, zu einer
hohlen zylindrischen Gießform, die um ihre Längsachse drehbar
ist, mit einer derartigen Geschwindigkeit, daß eine mittlere
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit in der Gießform 2-40
mm/min beträgt.
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In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Ansicht des Ergebnisses eines
Schwefeldrucktests in Beispiel 1,
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Fig. 2 ein Mikrophoto (50-fache Verstärkung) unter Darstellung
der Metallstruktur in einem Oberflächenabschnitt des
Mantelabschnitts in Beispiel 2,
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Fig. 3 ein Mikrophoto (50-fache Verstärkung) der Metallstruktur
des Mantelabschnitts bei einer Tiefe von 50 mm, ausgehend von
der Oberfläche in Beispiel 2,
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Fig. 4 ein Mikrophoto (50-fache Verstärkung) der Metallstruktur
in einem Oberflächenabschnitt des Mantelabschnitts im
Vergleichsbeispiel 2, und
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Fig. 5 ein Mikrophoto (50-fache Verstärkung) der Metallstruktur
des Mantelabschnitts bei einer Tiefe von 50 mm, ausgehend von
der Oberfläche in Vergleichsbeispiel 2.
[1] Zusammensetzung des Gußeisens für den Mantelabschnitt
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Das Gußeisen, das für den Mantelabschnitt der erfindungsgemäßen
Verbundwalze verwendet werden kann, hat die folgende
Zusammensetzung:
(1) C: 2,5-3,5 Gew.-%
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Wenn der Gehalt an C zunimmt, nehmen das Cementit und Graphit
zu. Dies führt zu einer Verschlechterung der mechanischen
Eigenschaften der Walze, während ihre Verschleißfestigkeit
verbessert wird. Deshalb sollte der Gehalt an C innerhalb dieses
Bereichs liegen, um die Härte und die Verschleißfestigkeit der
Walze zu verbessern, ohne ihre mechanischen Eigenschaften zu
verschlechtern. Insbesondere wenn der Gehalt an C weniger als
2,5 Gew.-% beträgt, würde die resultierende Walze eine
schlechte Verschleißfestigkeit zeigen. Wenn andererseits der
Gehalt an C mehr als 3,5 Gew.-% beträgt, würde die
resultierende Walze brüchig sein.
(2) Si: 0,5-1,5 Gew.-%
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Si hat die Funktion, den Gehalt an niedergeschlagenen
Graphitteilchen zu erhöhen, wodurch der Gehalt an Cementit erniedrigt
wird. Um eine geeignete Menge von Graphitteilchen zu erhalten,
sollte der Gehalt an Si wenigstens 0,5 Gew.-% betragen. Wenn
der Gehalt an Si 1,5 Gew.-% übersteigt, würde die resultierende
Walze jedoch brüchig sein.
(3) Mn: 0,5-1,5 Gew.-%
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Mn bildet eine Verbindung mit 5 derart, daß die nachteilige
Wirkung von S beseitigt wird. Außerdem hat Mn die Funktion, ein
weißes Gußeisen zu bilden und eine harte Bainitphase und
Martensitphase zu bilden. Um die vorstehend genannten Funktionen
effektiv zu erzielen, sollte der Gehalt an Mn 0,5-1,5 Gew.-%
betragen.
(4) P: 0,1 Gew.-% oder weniger
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Da P die Walze brüchig macht, sollte der Gehalt an P so klein
wie möglich sein. P ist jedoch als unvermeidliche
Verunreinigung in der für den Mantelabschnitt verwendeten Legierung
enthalten. Um die nachteilige Wirkung von P zu unterdrücken,
sollte der Gehalt an P 0,1 Gew.-% oder geringer sein.
(5) S: 0,05 Gew.-% oder weniger
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Da S die Walze brüchig macht und die Fließfähigkeit der
Schmelze erniedrigt, sollte der Gehalt an S so gering wie möglich
sein. S ist jedoch eine unvermeidliche Verunreinigung in der
für den Mantelabschnitt verwendeten Legierung. Um die
nachteilige Wirkung von S zu unterdrücken, sollte der Gehalt an S 0,05
Gew.-% oder geringer sein.
(6) Ni: 3,0-5,0 Gew.-%
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Ni ist zur Bildung der harten Bainitphase und Martensitphase in
der Metallstruktur wirksam. Wenn es im Übermaß zugesetzt wird,
tritt jedoch eine Rest-Austenitphase in der Metallstruktur des
Mantelabschnitts auf, was zu einer geringen Härte führt. Um zu
erreichen, daß der Gußeisen-Mantelabschnitt eine Metallstruktur
auf der Grundlage einer Bainitphase und einer Martensitphase
aufweist, sollte der Gehalt an Ni 3,0-5,0 Gew.-% betragen.
(7) Cr: 1,0-2,5 Gew.-%
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Cr hat eine wesentliche Funktion bei der Bildung von weißem
Gußeisen. Es hat außerdem eine Funktion bei der Bildung der
harten Bainitphase und der Martensitphase. Um die
Graphitisierungsfunktion von Ni wirksam zu verhindern, während die
Funktion, die harte Bainitphase und Martensitphase zu bilden,
erzielt wird, sollte der Gehalt an Cr sich in einem guten
Gleichgewicht mit dem Gehalt an Ni befinden. Insbesondere
sollte der Gehalt an Cr 1,0-2,5 Gew.-% betragen.
(8) Mo: 0,1-1,5 Gew.-%
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Mo dient zur Erhöhung der Gußhärte und der
Anlaßerweichungsbeständigkeit. Diese Wirkungen werden bei einem Gehalt von 0,1
Gew.-% oder mehr angetroffen. Wenn der Gehalt an Mo jedoch 1,5
Gew.-% übersteigt, nimmt die Rest-Austenitphase in der
Metallstruktur zu, was zu einer schlechten Gußhärte führt. Demnach
sollte der Gehalt an Mo 0,1-1,5 Gew.-% betragen.
(9) Zusätzliche Elemente
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Zusätzlich zu den vorstehend genannten Elementen kann das
Gußeisen für den Mantelabschnitt wahlweise V, Nb, W enthalten.
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V erhöht die Anlaßerweichungsbeständigkeit und macht die
Gußstruktur feiner. Die feinere Gußstruktur des Mantelabschnitts
kann zur Erzeugung gut gefertigter Walzbleche führen. Diese
Wirkung wäre nicht ausreichend, wenn der Gehalt an V geringer
als 0,1 Gew.-% wäre. Wenn der Gehalt an V 2,0 Gew.-%
übersteigt, würden jedoch VC-Carbide im Übermaß abgeschieden, so
daß die Gußhärte der Matrix des Mantelabschnitts verschlechtert
würde. Deshalb sollte der Gehalt an V 0,1-2,0 Gew.-% betragen.
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Nb dient zur Bildung eines Carbids (NbC) und zum Feinermachen
der Metallstruktur durch Erniedrigen des Gehalts an Cementit.
Diese Wirkung wäre nicht ausreichend, wenn der Gehalt an Nb
geringer als 0,1 Gew.-% wäre. Wenn der Gehalt an Nb 2,0 Gew.-%
übersteigt, wird jedoch das Carbid (NbC) im Übermaß
abgeschieden. Deshalb beträgt der Gehalt an Nb 0,1-2,0 Gew.-%.
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W hat eine ähnliche Funktion wie diejenige von Mo. Wenn der
Gehalt an W 0,1 Gew.-% erreicht, wird die Funktion wirksam
ausgeübt. Wenn der Gehalt an W 2,0 Gew.-% übersteigt, nimmt jedoch
die Rest-Austenitphase in der Metallstruktur zu, und die
Gußhärte wird verschlechtert. Deshalb sollte der Gehalt an W 0,1-
2,0 Gew.-% betragen.
[2] Zentrifugal-Gießverfahren
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Das Zentrifugal-Gießverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
wird unter den Bedingungen einer kontrollierten
Temperaturzufuhr der Schmelze für den Mantelabschnitt und einer gesteuerten
Mantelabschnitt-Bildungsgeschwindigkeit durchgeführt.
(1) Tc - 20ºC ≤ T ≤ Tc + 70ºC
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Beim Zentrifugal-Gießverfahren wird die Temperatur der Schmelze
für den Mantelabschnitt, die in einer Gießwanne gemessen wird,
üblicherweise als die Gießtemperatur erachtet. Die tatsächliche
Temperatur der Schmelze in der hohlen zylindrischen Gießform
ist jedoch geringfügig niedriger als die Temperatur der
Schmelze, die in der Gießwanne gemessen wird. Um eine genaue
Steuerung der Gießtemperatur zu erreichen, sollte die Temperatur der
Schmelze in der hohlen zylindrischen Gießform ermittelt werden.
Obwohl es üblicherweise schwierig ist, die Temperatur der
Schmelze in der Gießform zu messen, haben die Erfinder
herausgefunden, daß dort eine Korrelation zwischen der Temperatur der
Schmelze, die unmittelbar aus dem Auslaß der Gießwanne
ausgetragen wird, und der Temperatur der Schmelze in der Gießform
besteht. Diese Korrelation kann experimentell abhängig von der
Größe und Form der hohlen zylindrischen Gießform, der
Gießgeschwindigkeit der Schmelze und den Betriebsbedingungen usw.
ermittelt werden. Demnach kann die Temperatur der Schmelze, die
unmittelbar aus dem Auslaß der Gießwanne fließt, gesteuert
werden, um eine besonders bevorzugte Gießtemperatur zu erzielen.
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Um die Temperatur der Schmelze, die unmittelbar aus dem Auslaß
der Gießwanne fließt (und in die hohle zylindrische Gießform
eintritt) als Zufuhrtemperatur "T" festzulegen, sollte die
Zufuhrtemperatur die Anforderungen erfüllen: Tc - 20ºC ≤ T ≤ Tc
+ 70&sup0;c, wobei Tc eine primäre Kristallbildungstemperatur in dem
Mantelabschnitt ist, obwohl die primäre
Kristallbildungstemperatur abhängig von der Zusammensetzung der Schmelze variieren
kann.
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Die vorstehend genannte Zufuhrtemperatur ist niedriger als die
Gießtemperatur bei dem herkömmlichen Zentrifugal-Gießverfahren.
Demnach beginnt die Schmelze, sich zu verfestigen, sobald sie
in die hohle zylindrische Gießform eingeleitet wird. In diesem
Fall können in der Schmelze in der Gießwanne oder in der
Austragdüse der Gießwanne, durch welche die Schmelze in die hohle
zylindrische Gießform eingeleitet wird, bereits
Austenit-Primärkristalle teilweise existieren.
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Wenn die Zufuhrtemperatur T niedriger als Tc - 20ºC ist,
beginnt die Schmelze, sich in der Austragdüse der Gießwanne zu
verfestigen, wodurch die Bildung eines guten Mantelabschnitts
nicht möglich ist. Wenn andererseits die Zufuhrtemperatur T
höher als Tc + 70ºC ist, dauert es zu lange, bis die Schmelze
in der hohlen zylindrischen Gießform verfestigt wird, wodurch
eine große Abkühlgeschwindigkeit nicht bereitgestellt werden
kann. Dies führt einem übermäßigen Wachstum der Metallstruktur
des Mantelabschnitts, was zu einer groben Metallstruktur (grobe
Primärkristalle) führt.
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Insbesondere im Fall, bei dem der Fest-/Flüssigkoexistenzbreich
des Gußeisenmaterials ausreichend breit bzw. groß ist, ist es
bevorzugt, die Zufuhrtemperatur T niedriger als Tc (Tc - 20ºC ≤
T < Tc) zu verwenden.
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Die Zufuhrtemperatur T kann durch Subtrahieren eines
experimentell erhaltenen Parameters (10-60ºC) aus der Temperatur der
Schmelze, die unmittelbar aus der Austragdüse der Gießwanne
austritt, nebenbei bemerkt, ermittelt werden.
(2) Mittlere Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit
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Die mittlere Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit ist
vorliegend als Wert definiert, der durch Teilen der Gesamtdicke
des gebildeten Mantelabschnitts durch die verbrauchte Zeit
erhalten wird. Allgemein ist die
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit bei einem üblichen Zentrifugal-Gießverfahren
auf 50-200 mm/min eingestellt, um sicherzustellen, daß die
eingeleitete Schmelze gleichmäßig auf die gesamte Innenfläche der
Gießform gelegt werden kann. Eine derartige hohe
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit führt jedoch zu einer kleinen
Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze in der Gießform, was
bedeutet, daß eine gleichmäßige feine Metallstruktur im
Mantelabschnitt nicht erzielt werden kann.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist die mittlere
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit auf einen kleinen Wert von 2-40
mm/min eingestellt, um sicherzustellen, daß die Schmelze auf
die Oberfläche des Mantelabschnitts, der in der Gießform
gebildet wird, mit derselben Geschwindigkeit zugeführt wird, wie die
Vorschubgeschwindigkeit der Verfestigungsgrenzfläche. Durch
Steuern der mittleren Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit
auf dieser Höhe kann innerhalb des Mantelabschnitts, der in der
Gießform gebildet wird, stets ein dünner Schmelzenpool
beibehalten werden, und die Verfestigungsgrenzfläche kann ohne
Störung und Ungleichförmigkeit radial einwärts fortschreiten.
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Da der dünne Schmelzenpool eine kleine Wärmekapazität aufweist,
kann eine große Kühlgeschwindigkeit des Schmelzenpools durch
Wärmeleitung und Wärmeableitung durch den verfestigten
Mantelabschnitt und die Gießform erzielt werden. Da der Schmelzenpool
in der Gießform ausgehend von in der Nähe einer primären
Kristallbildungstemperatur auf eine Fest-
/Flüssigverfestigungstemperatur abgekühlt wird, kann ein
größerer Temperaturgradient erzielt werden. Diese große
Abkühlgeschwindigkeit und der Temperaturgradient können innerhalb des
dünnen Schmelzenpools dadurch erzielt werden, daß die
Verfestigungsgrenzfläche parallel zur Achse der hohlen zylindrischen
Gießform unter Beibehaltung der Gleichförmigkeit fortschreitet.
Dies trägt zur Bildung einer gleichförmigen und feinen
Metallstruktur ohne Gußdefekte bei. Derartige Effekte würden nicht
erzielt werden, wenn die mittlere
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit 40 mm/min übersteigen würde, was zu einer
groben Metallstruktur führt. Wenn andererseits die mittlere
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit niedriger ist als 2
mm/min, ist die Zufuhr der Schmelze derart unzureichend, daß
die Zufuhr des Schmelzenpools dem Fortschreiten der
Verfestigungsgrenzfläche nicht folgen kann, wodurch ein guter
Mantelabschnitt nicht erhalten werden kann.
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Bei der anfänglichen Stufe der Zuführung der Schmelze für den
Mantelabschnitt in die Gigßform hinein kann die
Zufuhrgeschwindigkeit der Schmelze eine Höhe von 50-200 mm/min aufweisen,
weil die in Kontakt mit der Innenfläche der Gießform stehende
Schmelze rasch abgekühlt wird. Die Anfangsstufe kann
üblicherweise bis hin zu 40%, bevorzugt bis hin zu etwa 35% der
Gesamtdicke des Mantelabschnitts durchgeführt werden. Daraufhin
sollte die Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit abgesenkt
werden, so daß die mittlere
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit 2-40 mm/min wird.
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In Bezug auf den Kernabschnitt ist zu bemerken, daß seine
Materialien und Herstellungsbedingungen nicht beschränkt sind, und
daß jedes Gußeisen und jeder Gußstahl unter bekannten
Gießbedingungen verwendet werden können, solange eine hohe
mechanische Festigkeit, wie beispielsweise Biegefestigkeit, Zähigkeit
usw., erzielt werden kann.
[3] Metallstruktur des Mantelabschnitts
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Der durch das vorstehend angeführte Zentrifugal-Gießverfahren
hergestellte Mantelabschnitt hat eine Metallstruktur, bei
welcher
feine primäre abgeschiedene Teilchen gleichförmig verteilt
und feine Graphitteilchen gleichförmig dispergiert sind. Der
Begriff "primäre abgeschiedene Teilchen", der vorliegend
verwendet wird, bezieht sich auf Teilchen oder Phasen, die bei der
Verfestigung der Schmelze des Mantelabschnitts primär
abgeschieden werden, der hauptsächlich aus Austenit besteht. Die
primären abgeschiedenen Teilchen werden mitunter als "primäre
Kristalle" bezeichnet.
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Beim ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung haben die feinen
primären abgeschiedenen Teilchen einen mittleren Durchmesser
von 80 µm oder weniger von einer Oberfläche bis zu einer Tiefe
von 50 mm im Mantelabschnitt, wenn lediglich feine primäre
abgeschiedene Teilchen, die Durchmesser aufweisen, die 30 µm
übersteigen, in einem Bildanalyseverfahren gezählt werden.
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Da die primären abgeschiedenen Teilchen auf einem Mikrophoto in
unterschiedlichen Formen vorliegen, können ihre Durchmesser
nicht ohne Wandeln der primären abgeschiedenen Teilchen in
wahre bzw. wirkliche Kreise umgewandelt werden. Demnach werden
sie zunächst in wahre Kreise umgewandelt, die dieselbe Fläche
aufweisen, wie die primären abgeschiedenen Teilchen, durch ein
Bildanalyseverfahren, und die Durchmesser der von den primären
abgeschiedenen Teilchen erhaltenen wahren Kreise werden
gemittelt. In diesem Fall werden lediglich die wahren Kreise mit
Durchmessern, die 30 µm übersteigen, gezählt, weil die Rechnung
extrem schwierig werden würde, wenn solche, die Durchmesser von
weniger als 30 µm aufweisen, bei der Berechnung des mittleren
Durchmessers berücksichtigt werden.
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Wenn der mittlere Durchmesser der primären abgeschiedenen
Teilchen, die durch das vorstehend genannte Verfahren berechnet
werden, größer als 80 µm ist, ist die Metallstruktur des
Mantelabschnitts zu rauh, wodurch hochqualitative gewalzte
Stahlbleche nicht herstellbar sind.
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In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfüllt der
mittlere Durchmesser der primären abgeschiedenen Teilchen die
Formel: m&sub2; ≤ 1,2 m&sub1;, wobei m&sub1; der mittlere Durchmesser der
primären abgeschiedenen Teilchen auf der Oberfläche des
Mantelabschnitts ist, und wobei m&sub2; der mittlere Durchmesser der
primären abgeschiedenen Teilchen in einer Tiefe von 50 mm ist. Wenn
diese Beziehung nicht erfüllt ist, würde die Metallstruktur des
Mantelabschnitts in radialer Richtung zu ungleichmäßig sein,
was bedeutet, daß die Verschleißfestigkeit und die
Beständigkeit gegenüber einer Oberflächenaufrauhung durch Schneiden der
Walzenfläche schnell abnehmen, um die Oberflächenrauhigkeit
nach einer bestimmten Einsatzperiode zu entfernen. Dies führt
zu hohen Walzenkosten pro Einheitsmenge gewalzter Stahlbleche.
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Der mittlere Durchmesser der Graphitteilchen wird in derselben
Weise bestimmt wie bei den primären abgeschiedenen Teilchen. Es
ist bevorzugt, daß die Graphitteilchen in der Metallstruktur
des Mantelabschnitts einen mittleren Durchmesser von 65 µm oder
weniger in einem Bereich von einer Oberfläche bis auf eine
Tiefe von 50 mm aufweisen, ermittelt durch ein
Bildanalyseverfahren für Graphitteilchen mit Durchmessern, die 28 µm
übersteigen. Wenn der mittlere Durchmesser der Graphitteilchen
größer als 65 µm ist, können eine gute Verschleißfestigkeit und
Beständigkeit gegenüber Oberflächenaufrauhung, die für den
Mantelabschnitt erforderlich sind, nicht erzielt werden, wodurch
hochqualitative gewalzte Bleche nicht hergestellt werden
können.
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Die vorliegende Erfindung wird nunmehr im einzelnen anhand der
folgenden Beispiele erläutert.
Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1
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Unter Verwendung einer hohlen zylindrischen Gießform mit einem
Innendurchmesser von 365 mm und einer Walzenkörperlänge von
1.530 mm wurden 725 kg einer Schmelze mit einer in Tabelle 1
gezeigten Zusammensetzung zentrifugal gegossen, um eine Buchse
bzw. Hülse mit einer Dicke von 72 mm bereitzustellen.
Tabelle 1
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Hinweis: * Probe Nr. 1 *** Beispiel 1
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Probe Nr. 2 *** Vergleichsbeispiel 1
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(1): Zufuhrtemperatur der Schmelze
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(2): Mittlere
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit
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In beiden Fällen wurde die Innenfläche der Gießform mit einem
feuerfesten Material mit einer Dicke von 2,5 mm beschichtet,
und die Drehzahl der Gießform wurde derart eingestellt, daß
eine Zentrifugal-Schwerkraftzahl auf der Oberfläche der
Schmelze 140 G betrug, die in den Mantelabschnitt der Gießform hinein
gebildet wurde. Durch Durchführen einer Differenzwärmeanalyse
wurde die primäre Kristallbildungstemperatur Tc als 1225ºC
ermittelt. Demnach betrug die Zufuhrtemperatur der Schmelze Tc
+25ºC in Beispiel 1 und Tc +80Cº im Vergleichsbeispiel 1.
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Um eine Oberflächenabschreckung, Oberflächendefekte und eine
Oberflächenrauhigkeit aufgrund der Abschreckung der Schmelze
durch Kontakt mit der Gießform zu verhindern, wurde die
anfängliche Zufuhrgeschwindigkeit der Schmelze (entsprechend etwa 20%
der Gesamtmenge der zugeführten Schmelze) hoch gemacht, und die
Zufuhrgeschwindigkeit der verbleibenden Schmelze wurde niedrig
gemacht. Im Mantelabschnitt mit einer Gesamtdicke von 72 mm
wurde dabei der anfängliche Guß(außen)abschnitt des
Mantelabschnitts mit einer Dicke von 14 mm bei einer
Zufuhrgeschwindigkeit
von 100 mm/min gebildet, und der spätere
Guß(innen)abschnitt des Mantelabschnitts mit einer Dicke von 58
mm wurde bei einer Zufuhrgeschwindigkeit von 10 mm/min
gebildet. Dadurch wurde das Gießen des Mantelabschnitts in 5 Minuten
50 Sekunden beendet. Die mittlere
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit betrug etwa 12 mm/min.
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Um bei dem Verfahren von Beispiel 1 die Vorschubgeschwindigkeit
der Verfestigungsgrenzfläche der Schmelze zu messen, wurden 200
g Eisensulfid der Schmelze in der Einlaßöffnung der Gießform
zugesetzt, wenn die Dicke der zugeführten Schmelze 35 mm bzw.
56 mm erreichte.
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Der resultierende Mantelabschnitt wurde maschinenbearbeitet, um
Teststücke zum Messen der Metallstruktur des Mantelabschnitts
zu erhalten.
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Fig. 1 zeigt schematisch das Ergebnis des Schwefeldrucktests in
Beispiel 1. Die Meßergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
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Anmerkung *: Dicke
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Da, wie in Fig. 1 gezeigt, die Stellung der
Verfestigungsgrenzfläche der Schmelze 22 mm von der Innenfläche der Gießform
(Außenfläche des Mantelabschnitts) entfernt war, wenn die Dicke
der Schmelze 35 mm betrug, betrug die Dicke des nicht
verfestigten Schmelzenpools 13 mm, und die mittlere
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit (mittlere
Vorschubgeschwindigkeit der Verfestigungsgrenzfläche) betrug 9,8 mm/min. Da
außerdem die Stellung der Verfestigungsgrenzfläche der Schmelze 40
mm von der Innenfläche der Gießform entfernt war, wenn die
Dicke der Schmelze 56 mm betrug, betrug die Dicke des nicht
verfestigten Schmelzenpools 16 mm, und die mittlere
Vorschubgeschwindigkeit der Verfestigungsgrenzfläche betrug 9,2 mm/min.
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Es wurde daraufhin durch die Beobachtung der Metallstruktur des
Mantelabschnitts bestätigt, daß der Mantelabschnitt eine feine
und gleichförmige Matrixstruktur ausgehend von der Oberfläche
bis zu einer Tiefe von 50 mm hatte.
Beispiele 2 und 3, Vergleichsbeispiel 2
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Unter Verwendung einer hohlen zylindrischen Gießform mit einem
Innendurchmesser von 783 mm und einer Walzenkörperlänge von
2250 mm wurde eine Schmelze mit einer in Tabelle 3 gezeigten
Zusammensetzung zentrifugal gegossen, um eine Hülse mit einer
Dicke von 100 mm bereitzustellen.
Tabelle 3
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Anmerkung: * Probe Nr. 3 und 4 *** Beispiele 2 und 3
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Probe Nr. 5 *** Vergleichsbeispiel 2
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(1):
Zufuhrtemperatur der Schmelze
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(2): Mittlere
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit
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In sämtlichen Fällen wurde die Innenfläche der Gießform mit
einem feuerfesten Material mit einer Dicke von 2,0 mm
beschichtet, und die Drehzahl der Gießform wurde so eingestellt, daß
die Zentrifugal-Schwerkraftzahl 120 G auf der Oberfläche der
Schmelze betrug, die in den Mantelabschnitt in die Form hinein
gebildet wurde. Die primäre Kristallbildungstemperatur Tc
betrug 1225ºC. Demnach betrug die Zufuhrtemperatur der Schmelze
Tc +10ºC in Probe Nr. 3 (Beispiel 2), Tc +40ºC in der Probe Nr.
4 (Beispiel 3) und Tc +75ºC in der Probe Nr. 5
(Vergleichsbeispiel 2).
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Die anfängliche Zufuhrgeschwindigkeit der Schmelze
(entsprechend etwa 30% der Gesamtmenge der zugeführten
Schmelze) wurde hoch gemacht, und die Zufuhrgeschwindigkeit der
verbleibenden Schmelze wurde niedrig gemacht. Im Mantelabschnitt
mit einer Gesamtdicke von 100 mm wurde ein anfänglicher
Guß(außen)abschnitt des Mantelabschnitts mit einer Dicke von 30
mm bei einer Zufuhrgeschwindigkeit von 120 mm/min gebildet, und
der spätere Guß(innen)abschnitt des Mantelabschnitts mit einer
Dicke von 70 mm wurde bei einer Zufuhrgeschwindigkeit von 12
mm/min in Beispiel 2 und 6 mm/min in Beispiel 3 gebildet.
Dadurch wurde das Gießen des Mantelabschnitts in Beispiel 2
nach 6 Minuten 5 Sekunden und in Beispiel 3 nach 12 Minuten 20
Sekunden beendet. Die mittlere
Mantelabschnittsbildungsgeschwindigkeit betrug in Beispiel 2 etwa 16 mm/min und in
Beispiel 3 etwa 8 mm/min.
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Um in den Beispielen 2 und 3 die Vorschubgeschwindigkeit der
Verfestigungsgrenzfläche der Schmelze zu messen, wurden 1500 g
Eisensulfid der Schmelze in der Einlaßöffnung der Gießform
zugesetzt, wenn die Dicke der zugeführten Schmelze 70 mm
erreichte.
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Jeder der resultierenden Mantelabschnitte wurde
maschinenbearbeitet, um Teststücke zum Messen der Metallstruktur jedes
Mantelabschnitts zu erhalten. Nach dem Beseitigen der
Oberflächenmaschinenbearbeitungstoleranz der Gußprodukte durch
Maschinenbearbeiten, wurde der gesamte Walzenkörper (Länge: 2250 mm)
jeder Verbundwalze 11 mal ausgehend von einer Oberfläche bis
auf eine Tiefe von 50 mm mit einem Intervall von 5 mm in einer
radialen Richtung maschinenbearbeitet, um die Gußdefekte und
Segragation bzw. Entmischung durch ein
Ultraschall-Testverfahren durch Beobachtung mit bloßem Auge und durch Makroätzen zu
untersuchen.
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In Beispiel 2 erreichte die Verfestigungsgrenzfläche der
Schmelze eine Stellung 42 mm von der Oberfläche des
resultierenden Mantelabschnitts entfernt, wenn die Dicke der Schmelze
70 mm erreichte, nämlich nach Ablauf von 3 Minuten 30 Sekunden
nach dem Einleiten der Zufuhr der Schmelze. Zu diesem Zeitpunkt
betrug die Dicke des unverfestigten Schmelzenpools 28 mm und
die mittlere Vorschubgeschwindigkeit der
Verfestigungsgrenzfläche betrug 12 mm/min (0,2 mm/s).
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Im Beispiel 3 erreichte die Verfestigungsgrenzfläche der
Schmelze eine Stellung 46 mm entfernt von der Oberfläche des
resultierenden Mantelabschnitts, wenn die Dicke der Schmelze 70
mm erreichte, nämlich beim Ablauf von 5 Minuten 30 Sekunden
nach dem Einleiten der Zufuhr der Schmelze. Zu diesem Zeitpunkt
betrug die Dicke des nicht verfestigten Schmelzenpools 24 mm,
und die mittlere Vorschubgeschwindigkeit der
Verfestigungsgrenzfläche betrug 8,4 mm/min (0,14 mm/s).
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Die Fig. 2 und 3 zeigen Mikrophotos der Metallstruktur des
Mantelabschnitts in einem Oberflächenabschnitt und in einem
Tiefenabschnitt (50 mm ausgehend von der Oberfläche) in Beispiel
2, und die Fig. 4 und 5 zeigen Mikrophotos der Metallstruktur
des Mantelabschnitts in einem Oberflächenabschnitt und in einem
Tiefenabschnitt (50 mm ausgehend von der Oberfläche) im
Vergleichsbeispiel 2. Auf diesen Mikrophotos stellen Bereiche
grauer Farbe eine Matrixstruktur (primäre Kristallstruktur),
und diejenige mit schwarzen Graphitteilchen dar.
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Die Metallstruktur des Mantelabschnitts in einem
Oberflächenabschnitt und einem Tiefenabschnitt (50 mm ausgehend von der
Oberfläche) in jeder Verbundwalze wurde durch ein
Bildanalyseverfahren quantitativ gemessen. Bei der Messung wurden primäre
abgeschiedene Teilchen mit unterschiedlichen Formen zunächst in
wahre Kreise gewandelt, welche dieselbe Fläche auf dem
Mikrophoto haben, wie die primären abgeschiedenen Teilchen, und
lediglich die wahren Kreise, deren Durchmesser 30 µm
übersteigen, wurden gezählt, um den mittleren Durchmesser der primären
abgeschiedenen Teilchen zu erhalten. Für die Messung der
Matrixstruktur wurde die Oberfläche des zu messenden Teststücks
einem starken Atzen unterworfen, so daß die Matrixteilchen
(primäre Kristalle) in schwarze Farbe gewandelt wurden, und
dieselbe Messung wurde auf 20 Feldern auf dem Mikrophoto
wiederholt. Ein Mittelwert der gemessenen Ergebnisse wurde als ein
mittlerer Durchmesser der Matrixteilchen verwendet.
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In Bezug auf die Graphitteilchen wurde dasselbe Meßverfahren an
Teilchen mit Durchmessern größer als 28 µm durchgeführt, und
ein Mittelwert wurde aus 10 Feldern auf dem Mikrophoto von
Teststücken erhalten, deren Oberflächen durch eine
Schwabbelscheibe poliert wurden.
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Als Ergebnis hatten die Matrixteilchen in Vergleichsbeispiel 2
einen mittleren Durchmesser von 62 µm in einem
Oberflächenabschnitt und von 85 µm in einem Abschnitt auf einer Tiefe von 50
mm ausgehend von der Oberfläche. Die komförmigen oder
wurmartigen Graphilteilchen hatten einen mittleren Durchmesser von
55 µm in einem Oberflächenabschnitt und von 70 µm in einem
Abschnitt auf einer Tiefe von 50 mm, ausgehend von der
Oberfläche.
In dem 50 mm tiefen Abschnitt lag die Menge der
Graphitteilchen im Überschuß vor.
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Andererseits hatten die Matrixteilchen in den Beispielen 2 und
3 einen mittleren Durchmesser von 60 µm bzw. 58 µm in einem
Oberflächenabschnitt und 70 µm bzw. 68 µm in einem Abschnitt
auf einer Tiefe von 50 mm ausgehend von der Oberfläche. Die
komförmigen oder wurmartigen Graphitteilchen hatten einen
mittleren Durchmesser von 42 µm bzw. 39 µm in einem
Oberflächenabschnitt und 51 µm bzw. 47 µm in einem Abschnitt auf einer
Tiefe von 50 mm ausgehend von der Oberfläche. Das bedeutet, daß
im Mantelabschnitt der Verbundwalze gemäß der vorliegenden
Erfindung der Mantelabschnitt durch eine feine und
gleichförmige Metallstruktur ausgehend von einer Oberfläche bis zu einem
Tiefenbereich gebildet ist.
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Als Ergebnis der Ultraschalluntersuchung wurden in den
Beispielen 2 und 3 keine Fehler beobachtet. Nach dem Beseitigen der
Oberflächenmaschinenbearbeitungstoleranz der Gußprodukte wurde
der Mantelabschnitt wiederholt mit 5 mm in einer radialen
Richtung maschinenbearbeitet, um die Metallstruktur auf dem inneren
Abschnitt des Mantelabschnitts zu beobachten. Eine Hartpunkt-
Segregation (1-2 mm im Durchmesser) wurde durch das bloße Auge
an einem Punkt auf einer Tiefe von 35 mm und an zwei Punkten
auf einer Tiefe von 43 mm in dem Mantelabschnitt beobachtet,
der im Vergleichsbeispiel 2 hergestellt wurde.
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Als Ergebnis der Beobachtung durch das bloße Auge und durch
Mikroätzen wurde bestätigt, daß eine Ungleichförmigkeit der
Metallstruktur (Segregation) in einem gesamten Bereich auf
einer Tiefe vorhanden war, die 15 mm in einem Mantelabschnitt
des Vergleichsbeispiels 2 überstieg. Andererseits wurden in den
Beispielen 2 und 3 Defekte, Gußdefekte und Segregation im
Mantelabschnitt durch das bloße Auge und durch Makroätzen nicht
beobachtet.
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In den vorstehend genannten Beispielen wurde hochlegiertes
Gußeisenmaterial für den Mantelabschnitt verwendet; es ist jedoch
zu bemerken, daß jegliches andere Gußeisen verwendet werden
kann, solange feine und gleichförmige Metallstrukturen durch
ein Zentrifugal-Gießverfahren erhalten werden können.
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Wie vorstehend erläutert, umfaßt die Verbundwalze gemäß der
vorliegenden Erfindung einen Mantelabschnitt mit einer feinen
und gleichförmigen Metallstruktur, die frei von Gußdefekten,
Segregation usw. ist. Deshalb kann sie zur Herstellung von
hochqualitativen gewalzten Stahlblechen durch Heißwalzen oder
Kaltwalzen verwendet werden, und die Mengen an gewalzten
Stahlblechen pro Einheitsverbrauch des Mantelabschnitts der
Verbundwalze können erhöht werden.