DE69707581T2

DE69707581T2 - Walze zum Warmwalzen mit erhöhter Beständigkeit gegen Bruch und Verschleiss

Info

Publication number: DE69707581T2
Application number: DE69707581T
Authority: DE
Inventors: Thomas Ericson; Udo Fischer; Carl-Johan Maderud
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1997-07-07
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2017-07-08
Also published as: ZA976040B; DE69707581D1; EP0819490B1; US5902942A; CN1084392C; JPH1080706A; SE9602810D0; SE517473C2; EP0819490A1; CN1171985A; KR980008370A; ATE207396T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Hartmetallwalzen zum Warmwalzen von Stahldraht und -stäben. Diese Walzen bestehen aus Hartmetallqualitäten, die WC und eine Bindephase entweder aus Co oder einer Legierung von Co + Ni oder Co + Ni + Cr enthalten.
Einer der Hauptvorteile einer Verwendung von Hartmetall für Walzen zum Warmwalzen im Vergleich mit Walzen aus Gußeisen, Stahl oder Hochgeschwindigkeitsstahl ist die geringere Oberflächentemperatur der Hartmetallwalze als ein Ergebnis der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit von Hartmetall. Diese verzögert die Einleitung thermischer Risse und vermindert den Abriebverschleiß in der Paßform, welche der nutenförmige Teil der Walze ist, welcher mit dem heißen Material in Berührung kommt. Sie wird auch die Ermüdung beim thermischen Kreislauf der Walze vermindern. Alles zusammen führt dies oft zu einer Paßformlebensdauer vom Zehnbis Zwanzigfachen jener einer Walze aus anderen Materialien. Dies führte zu einer weitverbreiteten Verwendung von Hartmetallwalzen für das Warmwalzen von Draht, Stäben und Profilen.
Die Wärmeleitfähigkeit von Hartmetall ist umgekehrt proportional zu dem Gehalt an Bindephase. Dies beruht auf der höheren Wärmeleitfähigkeit in Wolframcarbid im Vergleich zu der Bindephase. Wenn der Bindephasengehalt erhöht wird, findet der Wärmetransport in der Bindephase infolge einer verminderten Carbid/Carbid-Grenzfläche statt.
Bei der Auswahl einer Zusammensetzung für eine bestimmte Warmwalzanwendung ist es oftmals eine Frage des Abgleichs des Bedarfs eines zähen Werkstoffes, der mechanischer Spannung widersteht, mit dem Bedarf einer Minimierung des Bindephasengehaltes, um einen Werkstoff mit einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit zu bekommen und so der Bildung von Wärmerissen und thermischer Ermüdung zu widerstehen und eine möglichst lange Paßformstandzeit zu bekommen, ohne die Gefahr von Rißbildung infolge mechanischer Überlastung zu steigern.
Die hohe mechanische Spannung mit einer Menge Blasen von kalten Enden des Eisenmaterials, das in die Walze eingeführt wird, und von hohen Trennkräften führte zur Verwendung von Qualitäten mit Härtewerten, die im Bereich von 600 bis 1250 HV3 liegen, und zu Kobaltgehalten von 10 bis 30 Gew.-%. Um solche niedrigen Härtewerte beizubehalten, war es erforderlich, möglichst grobkörnige Qualitäten zu verwenden, um den Bindephasengehalt zu vermindern, ohne die Härte zu steigern und so die Zähigkeit des Materials zu vermindern.
Hartmetall wird durch pulvermetallurgische Verfahren hergestellt, die aus Naßvermahlen eines Pulvergemisches, welches Pulver enthält, die die harten Bestandteile und Bindephase bilden, Trocknen des gemahlenen Gemisches zu einem Pulver mit guten Fließeigenschaften, Pressen des getrockneten Pulvers zu Körpern erwünschter Form und schließlich Sintern bestehen.
Das intensive Vermahlen erfolgt in Mühlen unterschiedlicher Größen unter Verwendung von Hartmetallmahlkörpern. Das Vermahlen wird als erforderlich angesehen, um eine gleichmäßige Verteilung der Bindephase in dem gemahlenen Gemisch zu erhalten. Es wird angenommen, daß das intensive Vermahlen eine Reaktivität des Gemisches erzeugt, die die Bildung einer dichten Struktur während des Sinterns weiter fördert. Die Mahlzeit liegt in der Größenordnung mehrerer Stunden bis zu Tagen.
Die Mikrostruktur nach dem Sintern eines aus einem gemahlenen Pulver hergestellten Materials ist durch scharfe gewinkelte WC-Körner mit einer ziemlich weiten WC- Korngrößenverteilung, oftmals mit relativ großen Körnern gekennzeichnet, was ein Ergebnis einer Auflösung von Feinstoffen, Umkristallisation und Kornwachstum während des Sinterkreislaufes ist. In der US-PS 3 993 446 ist ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallwalzen zum Warmwalzen beschrieben. Das Hartmetall besteht aus 70 bis 90 Gew.-% WC und 10 bis 30 Gew.-% Binder, welcher 20 bis 90 Gew.-% Ni, 10 bis 80 Gew.-% Co und 5 bis 25 Gew.-% Cr enthält. Die Verwendung von Cr in dem Binder macht die gesinterten WC-Teilchen rund.
In den US-PS 5 505 902 und 5 529 804 sind Verfahren zur Herstellung von Hartmetall beschrieben, gemäß denen das Vermahlen essentiell ausgeschlossen wird. Um eine gleichmäßige Verteilung der Bindephase in dem Pulvergemisch zu erhalten, werden statt dessen die Hartbestandteilskörner mit der Bindephase vorüberzogen, wobei das Gemisch weiterhin mit Preßmittel vermischt, gepreßt und gesintert wird. In dem erstgenannten Patent wird der Überzug nach einer Sol-Gel-Methode hergestellt, und in dem zweiten wird ein Polyol verwendet. Wenn man diese Methoden anwendet, ist es möglich, die gleiche Korngröße und -form wie vor dem Sintern infolge der Abwesenheit von Kornwachstum während des Sinterns beizubehalten.
Fig. 1 ist eine Mikrophotographie, die die Mikrostruktur einer bekannten Hartmetallwalze in 1200facher Vergrößerung zeigt.
Fig. 2 ist eine Mikrophotographie, die die Mikrostruktur einer Hartmetallwalze nach der Erfindung in 1200facher Vergrößerung zeigt.
Fig. 3 ist eine Photographie einer bekannten Hartmetallwalze, die das Verschleißbild der Paßform nach einer Verwendungsperiode zeigt.
Fig. 4 ist eine Photographie einer Hartmetallwalze nach der Erfindung und zeigt das Verschleißbild der Paßform nach der gleichen Verwendungsdauer.
Es zeigte sich nun überraschenderweise, daß mit den Verfahren der oben erwähnten US-Patentschriften hergestellte Hartmetalle verbesserte mechanische, thermische und Ermüdungseigenschaften haben, was zu verbesserter Eignung für Walzen zum Warmwalzen führt. In den resultierenden Materialien ist die Berührung des WC-Gerüstes höher als bei Materialien, die aus einem gemahlenen Pulver mit dem gleichen Gehalt an Bindephase und der gleichen Härte hergestellt wurden, wobei der einzige Unterschied in den unterschiedlichen Strukturen besteht, die ein Ergebnis starker Umkristallisation und starken Kornwachstums während des Sinterns in dem gemahlenen Pulver sind. Eine höhere Berührung des WC-Gerüstes, welche man durch ein unterschiedliches Verhalten während des Sinterns erreicht, wird zu einer höheren Wärmeleitfähigkeit in dem Körper führen. Da ein stärker kontinuierliches und starres WC- Gerüst erzeugt wird, kann man auch von erhöhter Festigkeit ausgehen. Die engere Korngrößenverteilung und das Fehlen sehr grober WC-Körner dank des gesteuerten Sinterverfahrens werden auch zu verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Einleitung und Fortschreiten von Rissen führen.
Gemäß der Erfindung bekommt man nun eine Walze nach Anspruch 1.
Gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung, das im Anspruch 2 angegeben ist, werden Walzen zum Warmwalzen durch Strahlmühlenbehandlung mit oder ohne Sieben eines WC-Pulvers zu einem Pulver mit enger Korngrößenverteilung hergestellt, worin die feinen und groben Körner ausgesondert werden. Dieses WC-Pulver wird dann mit Co nach einem der obenerwähnten US-Patentschriften beschichtet. Das WC-Pulver wird sorgfältig zu einem Schlamm mit die Bindephase in der erwünschten Endzusammensetzung bildenden Pulvern und Preßmittel vermischt. Weiterhin werden, um ein Absitzen der groben WC-Teilchen zu vermeiden, Verdicker gemäß der schwedischen Patentanmeldung Nr. 9 702 154-7 zugegeben. Das Vermischen soll so ein, daß man ein gleichmäßiges Gemisch ohne Vermahlen erhält, d. h. es soll keine Verminderung der Korngröße stattfinden. Der Schlamm wird durch Sprühtrocknung getrocknet. Aus dem sprühgetrockneten Pulver werden Walzen gepreßt und nach Standardpraxis gesintert.

Beispiel 1

Zwei Sätze von Hartmetallwalzen zum Warmwalzen mit einem Durchmesser von 158 mm und einer Breite von 65 mm wurden hergestellt. Das Hartmetall hatte eine durchschnittliche WC-Korngröße von 4,5 um und 13% Bindephase mit der Zusammensetzung 60 Gew.-% Kobalt, 32 Gew.-% Nickel und 8 Gew.-% Chrom. Die Härte beider Materialien war etwa 1000 HV&sub3;
Variante A: Pulver von WC, Co, Ni und Cr in Mengen, um die erwünschte Zusammensetzung zu erhalten, wurden vermahlen, getrocknet, gepreßt und gesintert. Die Walzen hatten eine Mikrostruktur gemäß Fig. 1.
Variante B: WC-Pulver wurde in einer Strahlmühle behandelt und in das Korngrößenintervall von 2 bis 9 um getrennt. Dieses WC-Pulver wurde mit Kobalt nach der in der US-PS 5 505 902 beschriebenen Methode beschichtet, was zu einem WC-Pulver mit etwa 2 Gew.-% Co führte. Dieses Pulver wurde sorgfältig ohne Vermahlen mit Pulver von Co, Ni, und Cr vermischt, um die erwünschte Endzusammensetzung und Preßmittel zu erhalten. Nach dem Trocknen wurde das Pulver verdichtet und gesintert. Eine Mikrostruktur gemäß Fig. 2 wurde erhalten.
Die Berührung der beiden Varianten wurde mit dem folgenden Ergebnis bestimmt:

Variante Berührung

A, Stand der Technik 0,43
B, nach der Erfindung 0,53
Aus Teststangen der beiden Varianten wurde die Querbruchfestigkeit mit dem folgenden Ergebnis bestimmt:
Es ist ersichtlich, daß die Querbruchfestigkeit für ein Material nach der Erfindung im Vergleich mit einem Material der gleichen Zusammensetzung und Härte, das nach dem Stand der Technik produziert worden war, verbessert wurde. Die Standardabweichung erhaltener Werte war enger. Dies zeigt, daß dies ein Material mit engeren Eigenschaften im Vergleich mit einem Material ist, welches auf dem normalen Vermahlungsweg hergestellt wurde.
Die Walzen liefen in einer Mühle, die nichtrostenden Draht (vorherrschend Qualität AISI 316 L) mit einem Enddurchmesser von 5,6 mm walzte. Die Walzen erhielten eine ovale Paßform und wurden in dem ersten Gestell in dem Nachbearbeitungsblock befestigt, wo die Werkstoffgeschwindigkeit etwa 40 m/s und die Verminderung 20% waren. Die Oberflächentemperatur des heißen Materials in diesem speziellen Gestell war etwa 950ºC.

Ergebnisse:

Variante A: Nach 1200 t hatte die Paßform ein ernsthaftes Wärmerißbild (siehe Fig. 3) und wurde erneut mit einer Tiefe von 0,6 mm geschliffen, um alle Risse zu entfernen.
Variante B: Nach 1200 t ohne Wärmerißbild war nur normaler Verschleiß sichtbar (siehe Fig. 4). Nach 1800 t war ein leichtes Wärmerißbild in der Paßform sichtbar und wurde mit 0,4 mm weggeschliffen.

Claims

1. Walze zum Warmwalzen mit einer Zusammensetzung aus 87% WC und dem Rest einer Bindephase auf Co-Basis mit einem Gehalt von 32 Gew.-% Ni und 8 Gew.-% Cr, wobei die WC-Körner mit einer mittleren Korngröße von 4,5 um abgerundet sind und die maximale Korngröße das Zweifache der mittleren Korngröße nicht übersteigt, und mit nicht mehr als 2% der Körner kleiner als die Hälfte der mittleren Korngröße und mit einer Berührung, C, > 0,5, die durch lineare Analyse wie folgt bestimmt wird:

worin NWC/WC die Anzahl der Carbid/Carbid-Grenzen und NWC/Binder die Anzahl der Carbid- Bindergrenzen je Längeneinheit der Bezugslinie sind.

2. Verfahren zur Herstellung einer Walze zum Warmwalzen, bestehend aus 70 bis 95 Gew.-% WC mit einer mittleren Korngröße zwischen 3 und 10 um und dem Rest Bindephase, die nur aus Kobalt oder alternativ einer Co-Ni-Cr-Legierung mit einem Gehalt von 20 bis 35 Gew.-% Ni und bis zu 10 Gew.-% Cr, gegebenenfalls unter kleinen Molybdänzusätzen besteht, durch Strahlmühlenbehandlung und Sieben eines WC-Pulvers zu einem Pulver mit enger Korngrößenverteilung, worin die feinen und groben Körner ausgesondert sind, Überziehen des WC-Pulvers mit Co, Naßmischen des WC-Pulvers zu einem Schlamm mit Pulvern, die die Bindephase bilden, um die erwünschte Endzusammensetzung zu erhalten, mit einem Preßmittel und Verdickern zu einem gleichmäßigen Gemisch ohne Vermahlen, so daß keine Verminderung der Korngröße stattfinden soll, Trocknen des Schlammes durch Sprühtrocknen, Pressen von Walzen aus dem sprühgetrockneten Pulver und Sintern.