Verfahren zur Herstellung eines Hohlblocks aus metallischem Material

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlblocks (1) aus metallischem Material, insbesondere aus Wälzlagerstahl, bei dem zylindrisch geformtes Ausgangsmaterial (2) in einem Schrägwalzwerk (3, 4) unter Einsatz eines axial feststehenden Lochdorns (5) zu einem rohrförmigen Hohlblock (1) umgeformt wird. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Ausgangsmaterial (2) aus nicht vorumgeformtem Material besteht, das durch Direktstrangguss hergestellt wird, und dass das Ausgangsmaterial (2) vor der Zuführung in das Schrägwalzwerk (3, 4) keinem Vorwalzvorgang unterzogen wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlblocks aus metallischem Material, insbesondere aus Wälzlagerstahl, bei dem zylindrisch geformtes Ausgangsmaterial in einem Schrägwalzwerk unter Einsatz eines axial feststehenden Lochdorns zu einem rohrförmigen Hohlblock umgeformt wird. Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der EP 0 940 193 A2 bekannt.

[0002] Beispielsweise für die Herstellung von Wälzlagerringen werden nahtlose Rohre aus Wälzlagerstahl benötigt, die durch das gattungsgemäße Verfahren hergestellt werden können. Dabei wird zylindrisch geformtes Ausgangsmaterial einem Schrägwalzwerk zugeführt, das mit einem axial feststehenden Lochdom ausgestattet ist. Zur Umformung des zylindrisch geformten Ausgangsmaterials zu einem nahtlosen Rohr wird das Ausgangsmaterial über den Lochdom gewalzt.

[0003] Neben dem Lochen des Ausgangsmaterials durch Schrägwalzen ist auch noch das Presslochen bekannt, wie es beispielsweise in der DE 195 20 833 A1 beschrieben wird.

[0004] Die Vorteile des Schrägwalzverfahrens sind vor allem die niedrige Exzentrizität der Hohlblöcke und ein hohes Einsatzgewicht der Blöcke, d. h. es können relativ lange Rohre gefertigt werden. Nachteilig ist bei den bekannten Schrägwalzverfahren, dass Zugspannungen in der Materialkernzone auftreten, wodurch die Gefahr der Innenfehler-Entstehung durch Aufreißen besteht; weiterhin ist hier eine relativ hohe Vormaterialqualität notwendig, weshalb in der Regel bei Werkstoffen mit vermindertem Umformvermögen nur vorgewalztes Material verarbeitet werden kann.

[0005] Die Vorteile des Presslochens sind vor allem das Auftreten von Druckspannungen in der Materialkemzone, wodurch keine Gefahr von Innenfehlern gegeben ist, selbst bei Stahltypen mit eingeschränktem Umformvermögen. Nachteilig ist hier die relativ hohe Exzentrizität der Hohlblöcke sowie deren geringeres Einsatzgewicht.

[0006] Aufgrund der genannten Nachteile dieser Schrägwalzverfahren sieht die EP 0 940 193 A2 vor, dass vor dem Lochen des Ausgangsmaterials eine Massivreduktion des Materials vorgenommen wird. Reduktion und Lochung können dabei in einem einzigen Schritt erfolgen (s. Fig. 1 der EP 0 940 193 A2); alternativ können für die Reduktion und die Lochung auch zwei Schritte vorgesehen werden (s. Fig. 2 und 3 der EP 0940193 A2).

[0007] Bei der Nutzung des Schrägwalzverfahrens zur Lochung zylindrischen Ausgangsmaterials hat sich herausgestellt, dass es speziell bei der Verarbeitung von Wälzlagerstahl und hier insbesondere bei Stahl des Typs 100 Cr 6 mit dem vorbekannten Verfahren Probleme gibt. Das gemäß dem Stand der Technik eingesetzte Massivreduzieren des Ausgangsmaterials verteuert den Herstellungsprozess nicht unerheblich.

[0008] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem sich Hohlblöcke aus Wälzlagerstahl durch das Schrägwalzverfahren ökonomisch herstellen lassen. Insbesondere soll das Vormaterial für die Herstellung von Rohren als Ausgangsprodukt für die Fertigung von Lagerringen preiswerter werden.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Ausgangsmaterial aus nicht vorurngeformtem Material besteht, das durch Direktstrangguss hergestellt wird, und dass das Ausgangsmaterial vor der Zuführung in das Schrägwalzwerk keinem Vorwalzvorgang unterzogen wird. Bevorzugt wird das Ausgangsmaterial im Schrägwalzwerk dann beim Lochen nur einem Walzvorgang mit definiert vermindertem, d. h. geringem Umformgrad unterzogen; die Umformparameter sind dann also limitiert, so dass nur eine geringe Umformung erfolgt.

[0010] Gemäß dem Kern der Erfindung wird also direkt stranggegossenes Äusgangsmaterial zur Herstellung nahtloser Rohre verwendet, das ohne Durchführung eines Vorwalzprozesses dem Schrägwalzwerk zugeführt wird. Beim Lochen des Ausgangsmaterials im Schrägwalzwerk wird das Material nur einem Walzvorgang mit definiert vermindertem, d. h. geringem Umformgrad unterzogen, verglichen mit den Möglichkeiten bekannter Schrägwalzverfahren. Es findet beim Schrägwalzen daher keine Massivreduktion vor dem bzw. beim Lochen statt, wie dies bei vorbekannten Verfahren üblich ist. Auf diese Art und Weise kann das Herstellungsverfahren für nahtlose Rohre, insbesondere aus Wälzlagerstahl, wesentlich vereinfacht und damit ökonomischer gestaltet werden.

[0011] Das Schrägwalzwerk ist bevorzugt als Drei-Walzen-Schrägwalzwerk ausgebildet; dabei kommen vorzugsweise Kegel-Schrägwalzen zum Einsatz.

[0012] Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die nachfolgenden Bedingungen eingehalten werden:

[0013] Die Querschnittsabnahme des Ausgangsmaterials während des Lochungsvorgangs im Schrägwalzwerk sollte beim reduzierenden Lochen mit konvergenter Walzenstellung maximal 71 % und beim aufweitenden Lochen mit divergenter Walzenstellung maximal 60 % betragen. Unter Querschnittsabnahme wird dabei die Differenz zwischen Ausgangsquerschnittsfläche und umgeformter Querschnittsfläche bezogen auf die Ausgangsquerschnittsfläche verstanden.

[0014] Die Einschnürung beim Lochungsvorgang sollte mindestens 75 %, vorzugsweise mindestens 87 %, vom Ausgangsdurchmesser betragen. Unter Einschnürung ist hier die Durchmesserreduzierung an der engsten Stelle, dem Hohen Punkt, zu verstehen; sie ergibt sich also als Quotient des Durchmessers am Hohen Punkt bezogen auf den Ausgangsdurchmesser. Der Hohe Punkt ist die engste Stelle zwischen den Walzen, d. h. wo der Materialdurchmesser am kleinsten ist.

[0015] Mit Vorteil beträgt die maximale Streckung des Ausgangsmaterials beim konvergentem Lochen 3,5, vorzugsweise 3,0, und beim divergentem Lochen 2,5, vorzugsweise 2,0. Die Streckung ergibt sich als Verhältnis der Rohrlänge nach der Umformung zur ursprünglichen Block- oder Rohrlänge bzw. als Verhältnis der Querschnittsfläche vor der Umformung zur umgeformten Querschnittsfläche.

[0016] Die Durchmesserabnahme des Ausgangsmaterials im Schrägwalzwerk sollte - wenn ein Massiworreduzieren vorgenommen wird, also im Falle einer Vorumformung - maximal 42 % betragen, vorzugsweise maximal 15 %. Sie ist definiert als Differenz zwischen dem Durchmesser vor der Umformung und dem Durchmesser nach der Umformung bezogen auf den Ausgangs-Durchmesser, d.h. vor der Umformung.

[0017] Das Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft anwenden, wenn das Ausgangsmaterial vor dem Lochen auf eine Temperatur zwischen 1.050 °C und 1.140 °C, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 1.060 °C und 1.080 °C, erwärmt wird.

[0018] Bevorzugt wird der Lochungsvorgang mit divergent ausgerichteten Walzen durchgeführt. Beim divergenten Walzen entfernen sich die Walzenachsen in Walzrichtung voneinander, während sich beim konvergenten Walzen die Walzenachsen in Walzrichtung zunehmend annähern.

[0019] Das vorgeschlagene Verfahren kommt besonders bevorzugt bei der Verarbeitung von Wälzlagerstahl des Typs 100 Cr 6 zum Einsatz.

[0020] Das Verfahren gemäß der Erfindung zeichnet sich durch verschiedene Vorteile aus:

[0021] Durch die genannten Maßnahmen wird es möglich, Wälzlagerstahl, der im Direktstrangguss gefertigt wurde, ohne Vorreduktion zu verarbeiten und zum Hohlblock umzuformen. Im Kerngebiet des Materials liegen dabei vorteilhafte Druckspannungen vor.

[0022] Durch Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens wird ein Hohlblock mit niedriger Exzentrizität erzeugt. Ferner ist es möglich, relativ lange Rohre herzustellen, da das Einsatzgewicht der Blöcke beim Schrägwalzverfahren groß sein kann. Durch die vorhandenen Druckspannungen in der Materialkernzone ist auch die Gefahr der Entstehung von Innenfehlern gering, was sich vor allem bei Stahlsorten mit eingeschränktem Umformvermögen positiv bemerkbar macht.

[0023] Da ein Vorwalzen des Ausgangsmaterials vor dem Lochen entbehrlich wird, kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren der Hohlblock in wesentlichen kostengünstigerer Weise hergestellt werden, verglichen mit dem Schrägwalzverfahren gemäß dem Stand der Technik.

[0024] Mit der vorgeschlagenen Vorgehensweise wird auch in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Qualität des Hohlblocks auf hohem Niveau bleibt: Mit den vorgeschlagenen Walzparametern wird Triangulation (Dreiecksbildung) am hinteren Hohlblockende weitgehend vermieden, und es kommt auch zu keiner großen "Trompetenbildung" (Durchmesseraufweitung am vorderen Ende des Hohlblocks).

[0025] Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet daher die Vorteile des Schrägwalzverfahrens hinsichtlich guter Konzentrizität, hohen Einsatzgewichts und geringer Materialverluste mit den Vorteilen des Presslochens hinsichtlich überwiegender Druckspannungen im Kerngebiet des Materials unter Vermeidung der Nachteile beider Verfahrensprinzipien. Somit ergeben sich neben ökonomischen Vorteilen auch Qualitätsverbesserungen des Hohlblocks.

[0026] Insgesamt ergibt sich eine Einsparung von Energie, Material- und Produktionskosten bei der Vormaterialbereitstellung, insbesondere für die Herstellung von Wälzlagerringen, bei einem hohen Qualitätsniveau der gefertigten Rohre.

[0027] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt schematisch das metallische Ausgangsmaterial, das mittels Walzen zum Hohlblock umgeformt wird.

[0028] In der Figur ist mit 1 der zu fertigende Hohlblock bezeichnet, der dann zu einem nahtlosen Rohr umgeformt wird. Dieses besteht im Ausführungsbeispiel aus Wälzlagerstahl des Typs 100 Cr 6. Der Hohlblock 1 wird aus Ausgangsmaterial 2 mit kreiszylindrischem Querschnitt gefertigt. Die Umformung des Ausgangsmaterials 2 zum Hohlblock 1 erfolgt in einem Drei-Walzen-Schrägwalzwerk; dargestellt sind zwei Walzen 3 und 4 des Schrägwalzwerks. Die Walzen 3, 4 weisen einen kegeligen Abschnitt auf. Die Achsen 6 und 7 der Walzen 3 und 4 entfernen sich in Walzrichtung R voneinander, d. h. es erfolgt ein divergentes Lochen.

[0029] Zum Lochen des Ausgangsmaterials 2 zum Hohlblock 1 ist ein axial festgelegter Lochdorn 5 vorgesehen, über den das Ausgangsmaterial 2 durch die Walzen 3 und 4 gewalzt wird.

[0030] Als wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Ausgangsmaterial 2 aus nicht vorgeformtem Material besteht, das durch Direktstrangguss hergestellt wird. Vor der Zuführung des Ausgangsmaterials 2 in das Schrägwalzwerk 3, 4 wird das Material keinem Vorwalzvorgang unterzogen. Im Schrägwalzwerk 3, 4 selber, beim Lochen des Ausgangsmaterials 2, wird mit einem nur definiert vermindertem, d. h. geringem Umformgrad gewalzt.

[0031] Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Querschnittsabnahme des Ausgangsmaterials 2 während des Lochungsvorgangs im Schrägwalzwerk 3, 4 höchstens 60 % beim divergenten Lochen und höchstens 71 % beim konvergenten Lochen beträgt. Beim Drei-Walzen-Schrägwalzverfahren gemäß dem Stand der Technik liegt die Querschnittsabnahme bei Werten bis zu 80 %.

[0032] Weiterhin beträgt die Einschnürung des Ausgangsmaterials 2 beim Lochungsvorgang mindestens 75 %, besonders bevorzugt mindestens 87 %.

[0033] Der Lochungsvorgang wird gemäß dem Ausführungsbeispiel mit divergent angestellten Walzen durchgeführt. Hierbei beträgt die maximale Streckung des Ausgangsmaterials 2,5.

[0034] Von Bedeutung ist auch noch, dass die Querschnittsabnahme des Ausgangsmaterials 2 beim Vorumformen - falls es aus Gründen der Sortimentserweiterung durchgeführt wird - maximal 66 % beträgt, was einer Streckung von 1 bis 3 entspricht. Dieser Wert ist im Stand der Technik wesentlich größer; er liegt bei 67 % bis 75 % und höher, was einer Streckung von größer oder gleich 3 bis 4 entspricht.

[0035] Das Verfahren ist bevorzugt anwendbar für die Verarbeitung niedrig legierter Stähle aus nicht-vorumgeformtem Stranggussmaterial sowie hochlegierter Stähle unter Vermeidung signifikanter Innenfehler und Endenverlusten bei geringer Exzentrizität. Das Einsatzmaterial kann speziell als Rohrvormaterial erschmolzen, pfannenbehandelt und vergossen sein, so dass es ein feinkörniges, homogenes Gefüge mit feindisperser Verteilung der Primärkarbide und hohem Reinheitsgrad aufweist, wobei besonders die O₂- und S-Gehalte begrenzt sind.

[0036] Man kann also zusammenfassend sagen, dass beim vorgeschlagenen Verfahren keine Vorreduktion, Vorumformung bzw. Massivreduktion zu erfolgen braucht, woraus eine Kosteneinsparung resultiert. Es kann jedoch auch eine Vorreduktion, beispielsweise auf einem Drei-Walzen-Schrägwalzwerk, stattfinden, um aus einem Mutterblock Ausgangsblöcke verschiedener Durchmesser herzustellen; hierdurch kann das Abmessungssortiment der daraus zu walzenden Hohlblöcke erweitert werden.

[0037] Als Beispiel hierfür sei ein Mutterblock mit einem Durchmesser von 120 mm angeführt, aus dem Hohlblöcke mit einem Durchmesser von 127 bis 144 mm gewalzt werden. Wird der Mutterblock vorher, d. h. vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, durch Schrägwalzen auf z. B. 100 mm bzw. 80 mm vorreduziert, können aus den so entstehenden Blöcken Hohlblöcke mit einem Durchmesser von 106 bis 120 mm bzw. 85 bis 96 mm gewalzt werden. Auf diese Weise können also aus dem genannten Mutterblock Hohlblöcke im Durchmesserbereich von 85 mm bis 144 mm gewalzt werden. Insoweit kommt ein Vorreduzieren des Mutterblocks in Betracht, bevor das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.

[0038] Nach dem Stand der Technik ist indes eine Vorumformung durch Längswalzen oder Schmieden notwendig, wobei die Streckung 3 bis 4 bzw. die Querschnittsabnahme mindestens 67 % bis 75 % betragen muss.

[0039] Das Lochen vom Block, also vom Ausgangsmaterial, zum Hohlblock erfolgt mit einem definiert gemäßigten Umformgrad (Streckung maximal 2,0 bis 3,5) unter komplex gleichzeitiger Kombination mehrerer Umformparameter, die in den Ansprüchen angegeben wurden und die ein Optimum für die Herstellung der in Rede stehenden Hohlblöcke darstellen.

[0040] Der Umformgrad bzw. die Streckung kann bei einem Kegelschrägwalzwerk mit 2 Walzen bis zu 6,0 betragen. Bei einem Tonnenwalzwerk mit 2 Walzen kann der Wert bis zu 4,0 betragen. Im Drei-Walzen-Schrägwalzwerk ist beim Einsatz von Tonnenwalzen je nach Durchmesseränderung ein maximaler Wert von 2,8 bis 3,5 möglich, üblich ist ein Wert von 2,3. Vorgeschlagen wird ein Wert von maximal 2,5 bis 3,5, je nach Walzenstellung. Der Streckungsbereich für Schrägwalzwerke liegt zwischen 1,2 und 6,0.

[0041] Bei der Vorumformung durch Massivreduktion sollen 66 % Querschnittsabnahme, entsprechend 42 % Durchmesserabnahme, nicht überschritten werden. Beim nachfolgenden Lochen liegt die Streckung beispielsweise bei Werten von 3,5, 3,0 oder 2,5, was einer Querschnittsabnahme von 71 %, 67 % bzw. 60 % entspricht.

Bezugszeichenliste:

[0042] 

1

Hohlblock

2

Ausgangsmaterial

3

Walze des Schrägwalzwerks

4

Walze des Schrägwalzwerks

5

Lochdorn

6

Achse der Walze 3

7

Achse der Walze 4

R

Walzrichtung

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlblocks (1) aus metallischem Material, insbesondere aus Wälzlagerstahl, bei dem zylindrisch geformtes Ausgangsmaterial (2) in einem Schrägwalzwerk (3, 4) unter Einsatz eines axial feststehenden Lochdorns (5) zu einem rohrförmigen Hohlblock (1) umgeformt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ausgangsmaterial (2) aus nicht vorumgeformtem Material besteht, das durch Direktstrangguss hergestellt wird, und dass das Ausgangsmaterial (2) vor der Zuführung in das Schrägwalzwerk (3, 4) keinem Vorwalzvorgang unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ausgangsmaterial (2) im Schrägwalzwerk (3, 4) beim Lochen nur einem Walzvorgang mit definiert vermindertem Umformgrad unterzogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ausgangsmaterial in einem Drei-Walzen-Schrägwalzwerk (3, 4) umgeformt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Querschnittsabnahme des Ausgangsmaterials (2) während des Lochungsvorgangs im Schrägwalzwerk (3, 4) maximal 71 % bei konvergentem Lochen und maximal 60 % bei divergentem Lochen beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einschnürung des Ausgangsmaterials (2) beim Lochungsvorgang mindestens 75 %, vorzugsweise mindestens 87 %, vom Ausgangsdurchmesser beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die maximale Streckung des Ausgangsmaterials (2) bei konvergentem Lochen 3,5, vorzugsweise 3,0, und bei divergentem Lochen 2,5, vorzugsweise 2,0, beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchmesserabnahme des Ausgangsmaterials (2) beim Massiworreduzieren im Drei-Walzen-Schrägwalzwerk (3, 4) maximal 42 % beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ausgangsmaterial (2) vor dem Lochen auf eine Temperatur zwischen 1.050 °C und 1.140 °C, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 1.060 °C und 1.080 °C, erwärmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Lochungsvorgang mit divergent ausgerichteten Walzen (3, 4) erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass als metallisches Material ein Wälzlagerstahl des Typs 100 Cr 6 umgeformt wird.

Zeichnung