Verfahren zum Herstellen einer Verbundwalze

Abstract

 Nach diesem Verfahren wird eine Verbundwalze (1) mit einem Ballen (2) und Zapfen (3) jeweils unterschiedlicher Werkstoffzusammensetzung durch Umschmelzen einer Elektrode (5) nach dem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren in einer Kokille (8) hergestellt. Dabei weist die Elektrode (5) verschiedene Bereiche (6, 7, 9) auf, die den Zapfen (3), dem Ballen (2) und den dazwischen befindlichen Übergangsbereichen (4) der Masse und der gewünschten Werkstoffzusammensetzung nach entsprechen. Der Hohlraum (18) der Kokille (8) weist eine der Verbundwalze (1) entsprechende Kontur mit einem mittleren Bereich (18), verengten Endbereichen (21, 22) und konischen Übergängen (19, 20) zwischen den einzelnen Bereichen auf.

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] Nach dem Stand der Technik werden Verbundwalzen einerseits nach dem Schleudergußverfahren hergestellt. Bei nach diesem Verfahren hergestellten Verbundgußwalzen 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.

[0003] 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.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Verbundwalzen anzugeben, welches die o.g. Nachteile vermeidet.

[0005] Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen 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 2 361 101 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 Obergangsbereiche 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.

[0006] Zur Fertigstellung der Verbundwalze ist es noch erforderlich, sie einer Wärmebehandlung und einer Endbearbeitung zu unterziehen.

[0007] 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.

[0008] Vorteilhafte Weiterbildungen 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.

[0009] 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.

[0010] 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 Ansprüchen 10 bis 12.

[0011] Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

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.

[0012] Die erfindungsgemäß herzustellende Verbundwalze (im folgenden auch 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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 -auslaß 15 bzw. 16. Der Hohlraum 17 der Kokille 8 weist einen mittleren zylindrischen Bereich 18 auf, dessen Durchmesser unter Berücksichtigung des Schrumpfverhältnisses beim Abkühlen des umngeschmolzenen 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.

[0016] 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.

[0017] 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)

[0018] 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)

[0019] 0,49 % C; 0,26 % Si; 0,82 % Mn; 1,33 % Cr; 0,25 % Mo; Rest: Fe.

[0020] 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 dem 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.

[0021] Durch die beschriebene Wärmebehandlung wurden bei der Verbundwalze 1 folgende Härtewerte erreicht:
Zapfen 3      60 HRC
Walzenballen 2      65 HRC
Übergangsbereiche 4      40 HRC

[0022] Während die Walzenzapfen 3 vor der beschriebenen Wärmebehandlung mechanisch grob bearbeitet wurden, wurde die Verbundwalze nach der beschriebenen Wärmebehandlung durch Schleifen insgesamt endbearbeitet.

[0023] 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).

Ansprüche

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) 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 hergestellte 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 der 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 bestehen.

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; ≦ 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) 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. Verwendung 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.

Zeichnung