-
Die
Erfindung betrifft einen Walzenkörper für eine
Walze zur Behandlung eines Materials, vorzugsweise eine thermische
oder mechanische Behandlung eines Bahnmaterials. Ferner betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher Walzenkörper.
Der Walzenkörper kann bereits Bestandteil einer Walze sein,
die an den axialen Enden des Walzenkörpers Zapfenflansche
für ihre Drehlagerung aufweist. Die Erfindung betrifft den
Walzenkörper aber auch als solchen, bevor er mit weiteren
Komponenten zu einer Walze zusammengebaut wird.
-
In
der Papierherstellung, einer bevorzugten Anwendung erfindungsgemäßer
Walzenkörper, werden Walzen von mehreren Meter Länge
und mehr als einem Meter Durchmesser verwendet, um aus Celluloseschlamm
mittels thermischer und mechanischer Behandlung die fertige Papierbahn
herzustellen. Zum Einsatz kommen Walzen aus Hartguss, insbesondere
Schalenhartguss, oder Schmiedestahl. Die Walzenkörper aus Hartguss
werden im Kokillengussverfahren hergestellt, zumeist stehend im
statischen Kokillenguss. Durch die Ringkokillen wird erreicht, dass
sich in der äußeren Umfangsrandzone, der Schale,
ein karbidisches, weißes Gusseisen einstellt. Die Umfangsrandzone
beziehungsweise Schale erstarrt metastabil, weiß, der Kohlenstoff ist
dort in Form von Karbiden gebunden. Im Kern kommt es zu einer stabilen
Erstarrung, die Schmelze erstarrt dort grau, der Kohlenstoff liegt
als freier Graphit in der Eisen-Matrix vor. Die erforderliche Härte
am äußeren Umfang des Walzenkörpers,
die Oberflächenhärte, wird von dem Werkstoff der
Schale, dem weißen Gusseisen gewährleistet. Über
die Kokille und die Legierungselemente der Eisenbasisschmelze wird
die Härte an der Oberfläche und im oberflächennahen
Tiefenbereich eingestellt. Nachteilig wirken sich beim Schalenhartguss die
Schlagsprödigkeit, eine Empfindlichkeit gegenüber
plötzlichen Temperaturänderungen und ein aufgrund der
im Weißeisen enthaltenen Karbide ungleichmäßiger
Verschleiß am äußeren Walzenumfang aus.
-
Die
EP 0 505 343 A1 schlägt
zur Überwindung der genannten Nachteile vor, dass der Walzenkörper aus
einer Eisenbasislegierung gegossen wird, sodass eine perlitische
oder ferritisch-perlitische Mikrostruktur entsteht, die wenigstens
zu 60% perlitisch ist. Die Eisenbasislegierung enthält
3.0–3.8% C, 1.5–3.0% Si und 0.5–0.9%
Mn. Für P und S werden Höchstmengen angegeben.
Als weitere Legierungselemente werden Cr, Ni, Cu, Mg, Mo, Sn oder
Al verwendet. Der Walzengusskörper wird oberflächengehärtet,
genannt werden Induktions- und Flammhärten, und nach der
martensitischen Umwandlung angelassen, sodass der Walzenkörper
in seiner Umfangsrandzone eine Anlassmartensitstruktur erhält.
Mit dem martensitischen Gefüge der Umfangsrandzone geht
eine beachtliche Rissgefahr einher.
-
Mit
der Eingangs genannten Alternative, Walzenkörper aus Schmiedestahl,
können die genannten Materialprobleme gelöst werden.
Oberflächenhärte und Einhärttiefe werden
am Walzenkörper durch nachträgliche thermische
Oberflächenbehandlung eingestellt. Die Herstellung erfolgt
allerdings aus einem Schmiedeblock, dessen Gewicht von der Größe
des Walzenkörpers abhängt. Walzenkörper,
wie die Erfindung sie betrifft, wiegen viele Tonnen, große
Walzenkörper haben beispielsweise ein Gewicht von etwa
50 t oder auch mehr. Für derartige Walzenkörper
kann das Gewicht des Schmiedblocks bis zu 200 t betragen. Ein Hohlschmieden ist
in diesem Gewichtsbereich nur mit sehr hohem Aufwand möglich.
Zusätzlich werden hohe Anforderungen an die innere Güte
des Schmiedestahls hinsichtlich Fehlstellen, Einschlüssen
und dergleichen gestellt. Das Ausbringen ist daher sehr gering.
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Walzenkörper mit
gegenüber Schalenhartguss verbesserten mechanischen Eigenschaften
zu günstigem Preis bereitzustellen. Der Walzenkörper
soll die bekannten Walzenkörper aus Schalenhartguss ersetzen
können, insbesondere die geforderte Härte an der
Oberfläche und auch im oberflächennahen Tiefenbereich,
allerdings nicht die in der Anwendung nachteilige Ungleichmäßigkeit im
Verschleiß und Schlagsprödigkeit aufweisen. Die
mit einer Martensitschale einhergehende Rissgefahr soll ebenfalls
vermieden werden.
-
Die
Erfindung geht von einem Walzenkörper aus, der aus einer
einzigen Eisenbasislegierung gegossen ist. Die Eisenbasislegierung
bildet im Walzenkörper eine radial innere Zone des Walzenkörpers
aus grauem Gusseisen, vorzugsweise Sphäroguss, und die
innere Zone umschließend eine den äußeren
Umfang des Walzenkörpers enthaltende Umfangsrandzone, die
am äußeren Umfang eine Oberflächenhärte
größer als 400 HV aufweist, wie dies auch für
den bislang überwiegend zur Anwendung gelangenden Schalenhartguss
der Fall ist. Der Walzenkörper kann im Querschnitt gesehen
aus vollem Material bestehen, so dass die radial innere Zone aus
grauem Gusseisen einen zentralen Kern des Walzenkörpers
bildet. Der Walzenkörper kann stattdessen auch ein hohler
Walzenmantel sein, so dass die radial innere Zone eine Ringzone
ist. Die innere Zone und die Umfangsrandzone werden in einem Stück
gegossen, die Verwendung der beiden Begriffe soll auf die Unterschiedlichkeit
der in den beiden Zonen vorliegenden Mikrogefüge, im folgenden
einfach Gefüge, hindeuten.
-
Nach
der Erfindung besteht die Umfangsrandzone entweder aus feinstreifigem
oder feinststreifigem Perlit mit Vermikulargraphit oder vorzugsweise
Kugelgraphit oder aus einem Zwischenstufengefüge, vorzugsweise
ADI mit Kugel- oder Vermikulargraphit. Den feinstreifigen Perlit
bezeichnet man auch als Sorbit und den feinststreifigen als Troostit.
Die Erfindung vereint die Vorteile der Gusswalzenkörper
mit denen der Walzenkörper aus Schmiedestahl und vermeidet
die mit einer Martensitschale einhergehende Rissgefahr. Als Gusskörper
kann sie über ihre gesamte axiale Länge in einem
Guss und somit im Vergleich zu einem Walzenkörper aus Schmiedestahl
deutlich preiswerter hergestellt werden. Die aus grauem Gusseisen
bestehende innere Zone lässt sich gut bearbeiten, beispielsweise
spanend. So können in der inneren Zone oberflächennah
pheriphere Bohrungen für die Durchleitung eines Thermalfluids
geschaffen werden. Das Härteprofil der Umfangsrandzone,
das heißt der über dem Walzenradius aufgetragene
Verlauf der Härte, entspricht zumindest dem Härteprofil
konventioneller Walzen und kann durch den Wärmebehandlungsprozess
gesteuert werden. Die mechanische Festigkeit ist im Vergleich zum
Schalenhartguss jedoch deutlich verbessert, was sich in höheren Werten
für die 0.2%-Dehngrenze, die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung
ausdrückt. Gegenüber einem Anlassmartensitgefüge
ist die Bruchdehnung vorteilhafterweise erhöht, insbesondere
ist die Rissgefahr deutlich verringert.
-
In
bevorzugten Ausführungen, in denen der freie Graphit der
Umfangsgrundzone zumindest im Wesentlichen als Kugelgraphit vorliegt,
haben die Graphitkugeln, die den Kugelgraphit in der erstarrten
Umfangsrandzone bilden, maximal eine Größe, die
einer Richtzahl von wenigstens 5 (0.06–0.12 mm) nach EN
ISO 945 entspricht. Die Ausscheidung des Graphits in Form
nur solch kleiner Graphitkugeln ist ebenfalls vorteilhaft für die
mechanische Festigkeit und wird im Gießprozess durch Einstellung
der Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze erzielt. Die Schmelze
wird hierfür von Außen, vom äußeren
Umfang her, gekühlt, wobei die Abkühlgeschwindigkeit
einerseits so klein ist, dass sich in der Umfangsrandzone bis zum äußeren
Umfang oder bis praktisch zum äußeren Umfang ein
Sphärogussgefüge einstellt, andererseits aber
doch so groß ist, dass die Graphitkugeln der Umfangsrandzone
kleiner sind als beim herkömmlichen Sphäroguss,
beispielsweise beim Gießen in eine Sandform. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn in dem durch den Guss in der Umfangsrandzone erhaltenen
Grundgefüge der Kugelgraphit nahezu nur, vorzugsweise nur
Graphitkugeln mit einer maximalen Größe aufweist,
die einer Richtzahl von wenigstens 6 (0.03–0.06 mm), noch
besser wenigstens 7 (0.015–0.03 mm) nach EN ISO
945 aufweist. Die Graphitkugeln des bevorzugt auch in der
inneren Zone vorliegenden Sphärogussgefüges können
demgegenüber größer sein. In den erläuterten
bevorzugten Ausführungen beträgt der Anteil des
Kugelgraphits am freien Graphit der erstarrten Umfangsrandzone wenigstens
80%, bevorzugt wenigstens 90%, und von den Graphitkugeln des Kugelgraphits
der Umfangsrandzone entsprechen wenigstens 90%, vorzugsweise wenigstens
95%, den vorstehenden Vorgaben für die Größe
der Graphitkugeln. Bei der genannten Norm handelt es sich um die
zur Zeit gültige EN ISO 945: 1994. Soweit
der freie Graphit in Vermikularform ausgeschieden ist, gelten für
die Vermikular-Graphitteilchen die genannten Angaben zur Größe und
den prozentualen Anteilen ebenfalls. Demgemäß weisen
die Vermikular-Graphitteilchen, soweit vorhanden, in bevorzugten
Ausführungen eine maximale Größe auf,
in diesem Fall die Länge, von 0.12 mm, bevorzugter höchstens
0.06 mm und noch bevorzugter höchstens 0.03 mm. Von den
insgesamt vorhandenen Vermikular-Graphitteilchen fallen wenigstens
90%, vorzugsweise wenigstens 95%, in diesen Größenbereich.
-
Soweit
das Gefüge der Umfangsrandzone überhaupt Karbide
aufweist, liegt deren Anteil unter 5%, bevorzugt macht der Karbidanteil
höchstens 3% aus. Anteilsangaben in % werden stets als
Masse-%, d. h. als %-Anteil an der jeweiligen Gesamtmasse verstanden.
In Bezug auf einen etwaigen Karbidanteil bedeutet dies, dass dieser
von der Masse der Umfangsrandzone im Ganzen, einschließlich
des Karbidanteils, weniger als 5 Massen-% ausmacht, bevorzugt höchstens
3 Massen-% beträgt. Zum Vergleich: Ein weißes
Gusseisen hat typischerweise einen Karbidanteil von 15% und mehr.
Auch aufgrund des deutlich verringerten Karbidanteils und der deshalb
verringerten Mikrokerbwirkung weist der Werkstoff der Umfangsrandzone
des erfindungsgemäßen Walzenkörpers im
Vergleich zum weißen Gusseisen deutlich verbesserte Festigkeitswerte
auf.
-
Der
Walzenkörper mit der erfindungsgemäßen
Struktur – radial innere Zone in Grauguss, bevorzugt in Sphäroguss,
und Umfangsrandzone in fein- oder feinststreifigem Perlit oder als
Zwischenstufengefüge, jeweils mit Vermikular- oder bevorzugt
Kugelgraphit – kann Bestandteil einer Walze für
die Materialbehandlung sein, entweder einer Walze noch außerhalb
einer Maschine oder einer bereits in einer Maschine, beispielsweise
Papiermaschine, eingebauten Walze. Die Walze weist dementsprechend
den Walzenkörper und an den beiden axialen Enden des Walzenkörpers
jeweils einen Zapfenflansch für ihre Drehlagerung, optional
die Einleitung eines Drehmoments oder die Zu- oder Abführung
eines Thermalfluids auf. Das Wort „oder” wird
im üblichen logischen Sinne und somit als ein „inclusive
oder” verstanden, umfasst also sowohl die Bedeutung von „entweder
... oder” als auch die Bedeutung von „und”,
soweit sich aus dem jeweils konkreten Zusammenhang nicht ausschließlich
nur eine eingeschränkte Bedeutung erschließt.
Bezogen auf die Zapfenflansche einer Walze bedeutet dies beispielsweise,
dass die Zapfenflansche entweder nur der Drehlagerung oder der Drehlagerung und
zusätzlich nur der Einleitung des Drehmoments oder in einer
weiteren Alternative der Drehlagerung und der Zu- oder Abführung
eines Thermalfluids dienen können. Des Weiteren kann beispielsweise
einer der Zapfenflansche alle vier Funktionen in Kombination erfüllen,
d. h. der Drehlagerung und Einleitung eines Drehmoments, sowie der
Zu- und Abführung eines Thermalfluids dienen. Die Erfindung
betrifft auch einen Walzenkörper als solchen, der erst
für den Zusammenbau mit weiteren Komponenten solch einer
Walze vorgesehen ist, beispielsweise den genannten Zapfenflanschen.
Der erfindungsgemäße Walzenkörper ist
zumindest insoweit fertig als er keiner thermischen Behandlung mehr
unterworfen wird, die gezielt der Einstellung des Mikrogefüges
dient. Eine etwaige Nachbehandlung, beispielsweise ein Schleifen
oder Polieren, optional eine spanende Bearbeitung oder beispielsweise
auch ein mechanisches Trainieren und grundsätzlich auch
thermische Behandlungen, die insbesondere das für die Umfangsrandzone
beanspruchte Gefüge nicht in solch einem Ausmaß ändern,
dass es nicht mehr der beanspruchten Erfindung entspricht, sind
hiervon allerdings ausgenommen.
-
Die
Walze beziehungsweise der Walzenkörper kann insbesondere
für die thermische oder mechanische Behandlung eines Bahnmaterials,
vorzugsweise in der Papierherstellung, verwendet werden, beispielsweise
als Glätt- oder Kalanderwalze. In der Behandlung von Bahnmaterial
kann die Walze beziehungsweise der Walzenkörper auch als
Prägewalze verwendet werden, um Bahnmaterial mit einer
Gravur zu versehen, beispielsweise ein non-woven Bahnmaterial. Eine
weitere bevorzugte Anwendung ist die Materialzerkleinerung. So kann
die Walze beziehungsweise der Walzenkörper zum Quetschen
beispielsweise von Hopfen oder anderen Früchten verwendet
werden, im Beispielfall als Quetschwalze beziehungsweise Quetschwalzenkörper.
-
Ein
Verfahren zur Herstellung des Walzenkörpers umfasst zumindest
die folgenden Schritte: der Walzenkörper wird aus einer
Schmelze einer Eisenbasislegierung gegossen, so dass die Schmelze
sowohl in der radial inneren Zone des Walzenkörpers als
auch in der sich radial anschließenden und bis zum äußeren
Umfang reichenden Umfangsrandzone stabil als Gusseisen und zumindest
in der Umfangsrandzone, bevorzugt aber auch in der inneren Zone
in einem Sphärogussgefüge oder einem Gussgefüge
mit Vermikulargraphit erstarrt. Die Matrix des Gusseisens ist perlitisch/ferritisch,
wobei der Anteil des Perlits größer als 90% und
der des Ferrits kleiner als 10% sein sollte. Bevorzugt ist der Anteil
des Perlits der Gusseisenmatrix größer als 95% und
der des Ferrits kleiner als 5%. Ein etwaiger Karbidanteil ist in
der Umfangsrandzone kleiner als 5%, vorzugsweise kleiner oder höchstens
gleich 3%. Der mit diesem Gussgefüge erhaltene Walzenkörper
wird mittels einer thermischen Oberflächenbehandlung am äußeren
Umfang, d. h. an der Umfangsoberfläche, und in der Umfangsrandzone
gehärtet.
-
Nach
der Erfindung wird die thermische Oberflächenbehandlung
so durchgeführt, dass der die Umfangsrandzone bildende
Gusswerkstoff, Gusseisen mit Vermiluargraphit oder Kugelgraphit,
wobei Kugelgraphit bevorzugt wird, in fein- oder feinststreifigen
Perlit mit Vermikular- oder Kugelgraphit oder in ein Zwischenstufengefüge
mit Kugelgraphit oder Vermikulargraphit umgewandelt wird. Genauer
gesagt wird die Gusseisenmatrix in den genannten Perlit oder das
Zwischenstufengefüge umgewandelt, und der bereits durch
den Guss als stabile Phase ausgeschiedene freie Graphit bleibt erhalten.
Die Schmelze wird ferner nicht in Sand gegossen, sondern gegen Kokille,
um die Abkühlgeschwindigkeit kontrollieren zu können.
Der Kokillenguss kann statisch oder stattdessen auch dynamisch,
also als Schleudergussverfahren, durchgeführt werden. Der
Walzenkörper wird zweckmäßigerweise stehend,
also mit seiner Längsachse in vertikaler Ausrichtung, gegossen.
Der Guss gegen Kokille erlaubt eine präzisere Einstellung
der Abkühlgeschwindigkeit insbesondere über die
Wahl der radial zur Längsachse des Walzenkörpers
gemessenen Dicke der Kokille, der spezifischen oder der absoluten
Wärmekapazität, der thermischen Leitfähigkeit
oder der Masse der Kokille oder einer geeigneten Kombination solcher
Einstellparameter seitens der Kokille. Im Vergleich mit dem konventionellen
Schalenhartguss, der üblicherweise ebenfalls im Kokillengussverfahren
erfolgt, allerdings mit weiß erstarrender Umfangsrandzone,
kann die Abkühlgeschwindigkeit beispielsweise mittels einer
einzigen oder bevorzugt einer Kombination von mehreren der folgenden
Maßnahmen gesteuert werden: geringere Kokillendicke, Verwendung
einer Kokille aus einem Werkstoff geringerer Wärmekapazität,
Verwendung einer Kokille geringerer thermischer Leitfähigkeit,
geringere Kokillenmasse, jeweils im Vergleich mit einer Kokille
zum Gießen eines Walzenkörpers gleicher Geometrie
und gleichem Materials im konventionellen Schalenhartguss.
-
In
bevorzugten Ausführungen wird die Abkühlgeschwindigkeit
durch Kühlung an der Kokille nicht nur so klein eingestellt,
dass die Schmelze auch in der Umfangsrandzone stabil erstarrt, sondern
andererseits so groß, dass wie vorstehend für
den bevorzugten Kugelgraphit erläutert der Kugelgraphit
in der Umfangsrandzone in Graphitkugeln ausgeschieden wird mit einer
maximalen Größe entsprechend der Richtzahl 5,
vorzugsweise einer maximalen Größe der Richtzahl 6,
nach EN ISO 945. Besonders bevorzugt liegen die
Graphitkugeln im Größenbereich zwischen 7 und
8 nach EN ISO 945, also bei der Richtzahl 7/8 vor.
Solch eine feine Graphitausscheidung wirkt sich positiv auf die
mechanische Festigkeit aus. Die Feinausscheidung des Graphits erhöht
auch die Regelmäßigkeit der umgebenden Gusseisenmatrix,
was wiederum für die Umwandlung dieses nach dem Guss vorliegenden
Grundgefüges in fein- oder feinststreifigen Perlit oder
in ein Zwischenstufengefüge von Vorteil ist.
-
Durch
die thermische Oberflächenbehandlung wird der Walzengusskörper
bis in eine radiale Tiefe von vorteilhafterweise wenigstens 3 mm,
bevorzugt wenigstens 5 mm gehärtet, indem die Gusseisenmatrix
bis wenigstens in dieser Einhärttiefe in den fein- oder
feinststreifigen Perlit oder das Zwischenstufengefüge umgewandelt
wird. Für die Größenklasse von Walzenkörpern,
auf die es die Erfindung in erster Linie absieht, ist eine Einhärttiefe
von 7 mm optimal. Eine Einhärttiefe über 10 mm
soll zwar nicht ausgeschlossen werden, große Einhärttiefen
erzeugen jedoch bei Temperaturwechsel Materialspannungen verbunden
mit der Gefahr, dass die gehärtete Schicht, die Umfangsrandzone,
abplatzt. Als Verfahren der thermischen Oberflächenbehandlung kommen
insbesondere Flammhärten und Induktionshärten
in Frage, wobei Induktionshärten der Vorzug gegeben wird,
da Flammhärten auf den unteren Bereich der Einhärttiefe,
im Allgemeinen noch unterhalb 3 mm, begrenzt ist. Flammhärten
kommt daher in erster Linie für Walzenkörper mit
kleinen Durchmessern von bis zu 600 mm in Betracht, wobei allerdings
dem Induktionshärten auch hier der Vorzug gegeben wird.
Die Umfangsrandzone wird in Abhängigkeit von der gewünschten
Oberflächenhärte und Einhärttiefe kurzzeitig
in den austenitischen Bereich, vorzugsweise auf wenigstens 880°C
und besonders bevorzugt auf etwa 950°C erwärmt. Das
erwärmte Material wird durch eine Oberflächenkühlung,
vorzugsweise mittels einer Wasserabschreckung, in kurzer Zeit auf
unter 100°C, vorzugsweise unter 50°C, abgekühlt,
so dass die isotherme Umwandlung in den fein- oder feinststreifigen
Perlit stattfindet. Soll das Gusseisen der Umfangsrandzone in ein
Zwischenstufengefüge umgewandelt werden, wird eine höhere
Abkühlgeschwindigkeit eingestellt, die aber immer noch
nicht so groß ist, dass nennenswert eine martensitische
Umwandlung stattfindet. Martensit wird wegen der damit verbundenen
Rissgefahr im Idealfall gänzlich vermieden. Das Gusseisen
der Umfangsrandzone weist in bevorzugten Ausführungen daher
eine Martensitstarttemperatur Ms auf, die
unter den vorstehend angegebenen Werten, d. h. unter 100°C,
vorzugsweise unter 50°C, liegt. Besonders bevorzugt weist
der Werkstoff der Umfangsrandzone eine Martensitstarttemperatur
Ms auf, die unterhalb Raumtemperatur, d.
h. unterhalb 20°C liegt.
-
Der
oberflächengehärtete Walzenkörper wird
vorteilhafterweise angelassen, um Spannungen abzubauen. Die Anlasstemperatur
liegt über der Temperatur, die der Walzenkörper
im späteren Betrieb höchstens erreicht, vorteilhafterweise über
300°C, bevorzugt wird eine Anlasstemperatur aus dem Bereich
von 300 bis 350°C. Auch nach solch einem Anlassen weist
der Walzenkörper in der Umfangsrandzone das fein- oder feinststreifig
perlitische Gefüge mit Kugel- oder Vermikulargraphit oder
das Zwischenstufengefüge mit Kugel- oder Vermikulargraphit
auf.
-
Die
Eisenbasislegierung hat einen Kohlenstoffgehalt von vorzugsweise
wenigstens 3%, vorzugsweise höchstens 4%. Der Siliziumgehalt
beträgt vorzugsweise wenigstens 1.7 und vorzugsweise höchstens
2.4%, wobei auch dies wie stets Masse-% sind. Der Sättigungsgrad
Sc der Legierung liegt vorzugsweise im Bereich von 0.97 bis 1.03,
bevorzugt ist er geringfügig kleiner als 1.0, so dass die
Schmelze leicht untereutektisch ist. Ein bevorzugter Legierungspartner
ist Kupfer, als Perlitbildner, und mit einem Anteil von vorzugsweise
wenigstens 0.5 und bevorzugt höchstens 1.3%. Ein besonders
bevorzugter Legierungspartner ist auch Nickel, das in einem Anteil
von vorzugsweise über 0.3%, noch bevorzugter über
0.5%, und vorzugsweise höchstens 1.5% zulegiert ist. Nickel
erhöht die Zähigkeit und macht den Werkstoff korrosionsträger.
Von besonderem Wert ist Nickel allerdings zur Verhinderung einer
Martensitumwandlung beim Härten. Enthält die Eisenbasislegierung sowohl
Silizium als auch Nickel, ist es vorteilhaft, wenn der Siliziumgehalt
mit steigendem Nickelgehalt und der Nickelgehalt mit steigendem
Siliziumgehalt abnehmen. Bevorzugt wird ein Siliziumanteil aus der
unteren Hälfte des für Silizium angegebenen Bereichs
und ein Nickelanteil aus dem mittleren Teil des für Nickel
angegebenen Bereichs. Eine besonders bevorzugte Eisenlegierung enthält
als Legierungspartner sowohl Ni als auch Cu mit bevorzugt wenigstens
den hierfür jeweils angegebenen Mindestanteilen. Optionale
Legierungspartner sind auch Mangan und Zinn, Mangan vorzugsweise
aus dem Bereich von 0.3 bis 0.45%, Zinn bevorzugt aus dem Bereich
von 0.005 bis 0.015%. Gegenüber den vorstehend genannten
anderen Legierungselementen tritt die Bedeutung von Mangan und Zinn
aber zurück. Eine bevorzugte Eisenbasislegierung enthält
dementsprechend C, Si, Ni und Cu innerhalb der bevorzugten Anteilsgrenzen,
gegebenenfalls Mn und Sn, sowie unvermeidbare Restanteile P und
S sowie den Rest Fe. Etwaige Anteile von Phosphor und Schwefel liegen
vorteilhafterweise jeweils deutlich unter 0.1%, bevorzugter noch
deutlich unter 0.05%.
-
Vorteilhafte
Merkmale werden ferner in den Unteransprüchen und deren
Kombinationen offenbart.
-
Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren
erläutert. An den Figuren offenbar werdende Merkmale bilden
je einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände
der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen
vorteilhaft weiter. Es zeigen:
-
1 eine
Walze mit einem erfindungsgemäßen Walzenkörper;
-
2 den
Querschnitt A-A der 1;
-
3 Details
zum Mikrogefüge des Walzenkörpers;
-
4 den
Walzenkörper während einer thermischen Oberflächenbehandlung;
-
5 ein
Schliffbild des Grundgefüges des Walzenkörpers;
-
6 ein
Schliffbild des Gefüges einer mittels der thermischen Oberflächenbehandlung
gehärteten Umfangsrandzone des Walzenkörpers;
und
-
7 den
Mikrohärteverlauf in der gehärteten Umfangsrandzone.
-
1 zeigt
eine Walze für die Behandlung eines Bahnmaterials, beispielsweise
eine Kalanderwalze, mit einem Walzenkörper 1 und
zwei Flanschzapfen 2 und 3, von denen der eine
an der linken und der andere an der rechten Stirnseite des Walzenkörpers 1 montiert
ist. Die Walze ist im Bereich der Zapfenflansche 2 und 3 um
eine Drehachse R drehbar gelagert oder für die Drehlagerung
vorgesehen. Für die thermische Behandlung des Bahnmaterials
ist im Walzenkörper 1 über einen der
Zapfenflansche 2 und 3 ein Thermalfluid zuführbar,
das über den anderen oder vorzugsweise den gleichen Zapfenflansch 2 oder 3 wieder
abgeleitet werden kann. Den Walzenkörper 1 durchziehen
von einem axialen Ende zum anderen durchgehende, nahe des äußeren
Umfangs des Walzenkörpers 1 gelegene, periphere
Temperierkanälen 4, die bei der thermischen Behandlung
des Materials von dem Thermalfluid durchströmt werden.
-
2 zeigt
den Walzenkörper 1 im Querschnitt A-A. Im Walzenkörper 1 ist
axial durchgehend ein zentraler Hohlraum geformt. Der Walzenkörper 1 ist
ein Gusskörper. Er wird im Kokillenguss, beispielsweise
im statischen Kokillenguss, stehend aus einer Schmelze einer Eisenbasislegierung
gegossen. Der zentrale Hohlraum wird gleich bei dieser Urformung
geformt oder nachträglich eingearbeitet. Als Eisenbasislegierung
wird eine Gusseisenlegierung verwendet. Die Abkühlung,
die die Schmelze in erster Linie an der Kokille erfährt, wird
so gesteuert, dass die Schmelze über die gesamte axiale
Länge des Walzenkörpers 1 von radial
innen bis radial außen zum äußeren Umfang
oder nahezu bis zum äußeren Umfang stabil in einem
Sphärogussgefüge erstarrt, d. h. in Form eines
Gusseisens mit Kugelgraphit. Die Steuerung der Abkühlung
wird durch angepasste Auslegung der Kokille vorgenommen. Die Abkühlgeschwindigkeit
kann insbesondere über die radiale Dicke der Kokille, die
Wärmekapazität der Kokille, die thermische Leitfähigkeit
des Kokillenmaterials oder die Gesamtmasse der Kokille eingestellt
werden. Zur Einstellung kann die Kokille nur in Bezug auf einen
einzigen der genannten Parameter oder eine Kombination von zwei,
drei oder allen vier genannten Parametern durch entsprechende Werkstoffauswahl
und Dimensionierung ausgelegt werden.
-
Der
Erstarrungsprozess wird so gesteuert, dass die Schmelze nicht nur
in einer die Rotationsachse R umgebenden inneren Zone 5 stabil
erstarrt, sondern auch in einer die innere Zone 5 umschließenden
Umfangsrandzone 6, die den äußeren Umfang
des Walzenkörpers bildet. Der Walzenkörper 1 erstarrt
somit über seinen gesamten Querschnitt stabil und nicht
weiß. Der Kohlenstoff wird bei der stabilen Erstarrung
in Form von Kugelgraphit ausgeschieden. Der durch den Gießprozess
unmittelbar erhaltene Walzenkörper 1 weist somit überall
ein Sphärogussgefüge auf. Aufgrund der mittels
der Kokille gezielt eingestellten Abkühlgeschwindigkeit
scheidet sich der Graphit in der Umfangsrandzone 1 jedoch
feiner als in der inneren Zone 5 aus. Die Graphit-Sphärolite
SG (Sphäro-Graphitteilchen) der Umfangsrandzone 6 haben
eine Größe aus dem Bereich der Richtzahlen von
5 bis 8, also eine größte Abmessung von höchstens
0.12 mm. Bevorzugter wird die Abkühlgeschwindigkeit so
eingestellt, dass die Graphitteilchen SG der Umfangsrandzone 6 eine
Größe aus dem Bereich der Richtzahlen von 7 (0.022 μm)
bis 8 nach EN ISO 945 haben, also eine größte
Abmessung von höchstens 0.03 mm. Die Gusseisenmatrix ist
auch in der Umfangsrandzone 6 perlitisch mit allenfalls
einem geringen Ferritanteil. Der Perlitanteil beträgt wenigstens
90%, bevorzugter wenigstens 95%, und der Ferritanteil höchstens
10%, bevorzugter höchstens 5%. Soweit eine Karbidbildung
nicht verhindert werden kann, liegt der Karbidanteil nicht nur in
der inneren Zone 5, sondern auch in der mit höherer
Abkühlgeschwindigkeit erstarrten Umfangsrandzone 6 unter
5%, bevorzugter unter 3%.
-
3 zeigt
einen Ausschnitt der 2 und ferner, herausgezogen,
eine nochmals vergrößerte Darstellung des Mikrogefüges
des durch den Guss erhaltenen Walzenkörpers. Es handelt
sich um die hinsichtlich der Feinheit der ausgeschiedenen Graphitteilchen
SG unterschiedlichen Gefüge der inneren Zone 5 und
der Umfangsrandzone 6. Die neben dem Querschnitt des Walzenkörpers 1 dargestellten
Mikrogefüge sind in erster Linie schematischer Natur, verdeutlichen
aber qualitativ, dass die Graphitteilchen SG in der Umfangsrandzone 6 kleiner
als die Graphitteilchen SG in der inneren Zone 5 sind und
in der Umfangsrandzone 6 entsprechend in feinerer Verteilung
vorliegen.
-
Der
Walzenkörper 1 wird in seiner bereits durch den
Guss erhaltenen, höherfesten Umfangsrandzone 6 in
einem nachfolgenden Härtungsprozess verschleißfest
gemacht. Vor oder nach dem Harten werden die peripheren Temperierkanäle 4 eingearbeitet,
vorzugsweise gebohrt. Als Umfangsrandzone 6 wird diejenige
Ringzone des Walzenkörpers 1 verstanden, die nach
dem Härten die für die jeweilige Anwendung geforderte
Härte überall aufweist, sich also vom äußeren
Umfang bis in die Einhärttiefe erstreckt. Falls die Umfangsrandzone 6 des
gehärteten Walzenkörpers 1 sich radial
einwärts bis zu oder sogar über die Temperierkanäle 4 erstreckt, werden
diese zweckmäßigerweise vor dem Härten
eingearbeitet. Andernfalls können die Temperierkanäle 4 ebensogut
erst nach dem Härten eingearbeitet werden.
-
Der
Härtungsprozess wird so durchgeführt, dass das
unmittelbar aus dem Guss erhaltene Grundgefüge der Umfangsrandzone 6 in
feinstreifigen oder noch vorteilhafter, in feinststreifigen Perlit
umgewandelt wird. Die Graphitsphärolite SG werden hierdurch
nicht oder zumindest nicht in einer für die Erfindung maßgeblichen
Weise verändert. Alternativ zu der Umwandlung in fein-
oder feinststreifigen Perlit, d. h. in Sorbit oder Troostit, kann
der Härtungsprozess auch so gestaltet werden, dass sich
die Gusseisenmatrix innerhalb der Umfangsrandzone 6 in
ein Zwischenstufengefüge umwandelt, vorzugsweise in ADI
(austempered ductile iron). In beiden Varianten wird der Walzenkörper 1 in
der Umfangsrandzone 6 gleichmäßig auf
eine Temperatur im austenitischen Bereich erwärmt, beispielsweise
auf 950°C, und anschließend abgeschreckt, wobei
die Abschreckgeschwindigkeit für die Bildung eines Zwischenstufengefüges
höher als für die Umwandlung in den feinen Perlit
eingestellt wird, aber immer noch nicht so groß ist, dass
eine Martensitumwandlung stattfinden kann. Das Zwischenstufengefüge ähnelt
dem Bainit, bevorzugt dem unteren Bainit, ist aber kein Bainit,
da es keine oder für die angestrebte Festigkeit nur vernachlässigbar
wenig Karbide enthält. Auch für das Zwischenstufengefüge
gilt, dass der Karbidanteil vorteilhafterweise weniger als 5%, vorzugsweise
höchstens 3% beträgt. Im Sinne der Erfindung wäre
es ideal, wenn weder das feinperlitische Gefüge noch das
alternative Zwischenstufengefüge Karbide enthalten würden.
-
4 veranschaulicht
einen Härtungsprozess am Beispiel der bevorzugten Induktionshärtung.
Zum Härten werden eine Induktionseinrichtung 8 und
eine Abschreckeinrichtung 9 axial von einem Stirnende des Walzenkörpers 1 zum
anderen bewegt. Die Bewegung ist gleichmäßig mit
der Geschwindigkeit v und einem während des Härtungsprozesses
konstanten axialen Abstand x, um den die Induktionseinrichtung 8 der
Abschreckeinrichtung 9 vorausläuft. Die Induktionseinrichtung 8 und
die Abschreckeinrichtung 9 umgeben den Walzenkörper 1.
Mittels der Induktionseinrichtung 8 wird der Walzenkörper 1 bis
in die vorgegebene Einhärttiefe, d. h. innerhalb der Umfangsrandzone 6 überall
gleichmäßig bis in den genannten Temperaturbereich
erwärmt und anschließend mittels der Abschreckeinrichtung 9 abgeschreckt.
Die Abschreckung wird vorzugsweise mit einem flüssigem
Abschreckfluid, beispielsweise Wasser, vorgenommen, das auf den äußeren
Umfang des Walzenkörpers 1 gespritzt wird. Obgleich
das Induktionshärten ein bevorzugtes Verfahren für
das Härten durch thermische Oberflächenbehandlung
ist, kann die Umfangsrandzone 6 grundsätzlich
auch mittels jedes anderen Verfahrens der thermischen Oberflächenbehandlung
erwärmt werden, solange nur die erforderliche Temperatur
mit der erforderlichen Gleichmäßigkeit eingestellt
wird. Als Alternative zum Induktionshärten kommt insbesondere
das Flammhärten in Betracht, in erster Linie jedoch nur
für geringere Einhärttiefen. Mit zunehmender Einhärttiefe
ist das Induktionshärten die bevorzugte Wahl. Die Einhärttiefe
und dementsprechend die Dicke der Umfangsrandzone 6 beträgt
vorzugsweise wenigstens 3 mm, bevorzugter wenigstens 5 mm. Andererseits
ist es im Hinblick auf Temperaturwechselbeanspruchungen vorteilhaft,
wenn die Einhärttiefe 10 mm nicht übersteigt.
Die Einhärttiefe kann insbesondere durch eine Variation
des Abstands x beeinflusst werden, im Falle des Induktionshärtens
auch durch Variation der Frequenz der jeweiligen Induktionsspule 8. Weitere
Stellparameter zur Beeinflussung der Einhärttiefe sind
die Geschwindigkeit v, die Wahl des Abschreckfluids und der Durchsatz
an Abschreckfluid.
-
Die 5 und 6 sind
Schliffbilder des Gefüges der Umfangsrandzone 6. 5 zeigt
das unmittelbar durch den Guss erhaltene Grundgefüge im
Maßstab 50:1, und 6 ist ein Schliffbild
des Gefüges nach dem Härten, zeigt also das Härtegefüge,
ebenfalls im Maßstab 50:1. Im Grundgefüge der 5 sind
die Graphitkugeln bzw. Graphitsphärolite mit SG, der Perlit
mit P und Ferritinseln mit α bezeichnet. Wie zu erkennen ist,
besteht das Grundgefüge im Wesentlichen aus Perlit und
ausgeschiedenem Kugelgraphit sowie geringen Mengen Ferrit, im Ausführungsbeispiel
weniger als 10% Ferrit. Das Härtegefüge besteht
aus feinstreifigem und feinststreifigem Perlit, also aus Sorbit
und Troostit, sowie den eingebetteten Sphäro-Graphitteilchen
SG, wobei die Perlitgebiete entsprechend der Feinheit der Lamellen
mit S für Sorbit und T für Troostit bezeichnet
sind.
-
In 7 ist
der Mikrohärteverlauf bei einer vorgegebenen Einhärttiefe
von 3 mm dargestellt, nämlich die Härte H in HV
0,1 über dem Abstand d vom äußeren Umfang
des Walzenkörpers 1, das heißt über
der Tiefe d.
-
Der
gehärtete Walzenkörper 1 wird angelassen,
vorteilhafterweise auf eine Anlasstemperatur zwischen 300 und 350°C.
-
In
der nachfolgenden Tabelle wird eine für das Gießen
des Walzenkörpers
1 besonders bevorzugte Eisenbasislegierung
in der letzten Tabellenspalte spezifiziert. Die zweite und dritte
Spalte enthalten bevorzugte Bereiche für den jeweiligen
Legierungspartner, wobei die engeren Bereiche innerhalb des jeweils
weiteren Bereichs für das gleiche Legierungselement besonders
bevorzugt werden. Für den jeweiligen Legierungspartner wird
dann wiederum der in der letzten Spalte angegebene Anteil am stärksten
bevorzugt. Die Eisenbasislegierung enthält in bevorzugter
Ausführung zumindest Kohlenstoff, Silicium, Kupfer und
Nickel innerhalb der jeweils spezifizierten Anteilsbereiche. Kupfer
als Perlitbildner und Nickel zur Verhinderung einer Martensitumwandlung
kommen vorzugsweise in Kombination zum Einsatz. Fe macht den Rest
der jeweiligen Legierung aus.
| Legierungselement | Anteil
in Masse-% | Anteil
in Masse-% | Anteil
in Masse-% |
| C | 3.0–4.0 | 3.4–3.8 | 3.6 |
| Si | 1.7–2.4 | 1.9–2.2 | 2.1 |
| Cu | 0.5–1.3 | 0.7–1.0 | 0.90 |
| Ni | 0.3–1.5 | 0.7–1.0 | 0.85 |
| Mn | ≤ 0.5 | ≤ 0.5 | 0.35 |
| Sn | ≤ 0.05 | ≤ 0.05 | 0.01 |
| P | < 0.1 | < 0.05 | ≤ 0.03 |
| S | < 0.1 | < 0.05 | ≤ 0.01 |
-
Legierungselemente der Eisenbasislegierung
-
Die
Eisenbasisschmelze der Zusammensetzung der letzten Spalte weist
einen Sättigungsgrad Sc von 0.99 bis 1.00 auf. Bevorzugt
werden Eisenbasislegierungen mit einem Sättigungsgrad Sc
aus dem Bereich von 0.97 bis 1.03, wobei aus diesem Bereich von
Legierungen naheutektischer Zusammensetzung solche mit einem Sättigungsgrad
Sc aus der unteren Hälfte des angegeben Bereichs bevorzugt
werden.
-
An
einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gegossenen
und gehärteten Probe mit fein- und feinststreifigem Perlit
mit Kugelgraphit, an der auch die Schliffbilder der 4 und 5 genommen
und das Härteprofil der 6 erstellt
wurden, ergaben die im Zugversuch vorgenommenen Messungen die folgenden Eigenschaften
hinsichtlich der Festigkeit und Härte:
- (i)
0.2%-Dehngrenze Rp,0.2 > 400 N/mm2;
- (ii) Zugfestigkeit Rm > 650 N/mm2;
- (iii) Bruchdehnung A > 3–4%.
- (iv) Härte > 400
HV
-
Der
Walzenkörper 1 des Ausführungsbeispiels
ist in einem Sphärogussgefüge erstarrt. In alternativen Ausführungen
kann der eingelagerte freie Graphit in der inneren Zone 5 und
auch in der Umfangsrandzone 6 im Wesentlichen in Form von
Vermikulargraphit oder auch in Form von Kugelgraphit und Vermikulargraphit ausgeschieden
sein. Der Ausscheidung von Kugelgraphit wird gegenüber
der Ausscheidung von Vermikulargraphit allerdings der Vorzug gegeben.
In Ausführungen, in denen der freie Graphit als Kugelgraphit
und auch als Vermikulargraphit vorliegt, ist es vorteilhaft, wenn
der Kugelgraphit den überwiegenden Teil des freien Graphits
ausmacht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - EN ISO 945 [0008]
- - EN ISO 945 [0008]
- - EN ISO 945: 1994 [0008]
- - EN ISO 945 [0014]
- - EN ISO 945 [0014]
- - EN ISO 945 [0029]