-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen
einer Walze, insbesondere einer Kalanderwalze für eine
Papiermaschine, in welchem Verfahren der Mantel der Walze
gegossen wird oder gegossen und wärmebehandelt wird und in dem
nächsten Schritt der Walzenmantel bearbeitet wird.
-
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Walze, insbesondere
eine Kalanderwalze für eine Papiermaschine, wobei die Walze mit
einem Gußeisenmantel versehen ist.
-
Traditionsgemäß sind als die Walzenmäntel von
Papiermaschinenwalzen, insbesondere von Kalanderwalzen,
Walzenmäntel aus Hartguß verwendet worden, die durch Gießen von
Graugußeisen oder dessen Legierungen in eine Kokillenform
angefertigt wurden, wodurch durch die Wirkung der Kokillenform
die Außenfläche des Gußstückes schnell gekühlt wird und
graphitfreies Weißeisen wird. Die Struktur von Weißeisen besteht
aus harten Eisenkarbiden und aus Perlit. Die Weißeisen sind
hart, in hohem Maße verschleißfest und schwer zu bearbeiten.
-
Ein Nachteil der Walzenmäntel aus Hartguß ist die
Schlagsprödigkeit, die aus dem Material resultiert, sowie die
Empfindlichkeit gegenüber plötzlichen Temperaturänderungen, aus
welchem Grunde es notwendig geworden ist, ihren Einsatz in
Anwendungen zu begrenzen, in welchen sich die Temperaturen
ändern. Überdies wird aufgrund des Fertigungsprozesses, d.h. dem
Hartgießen, die harte weiße Schicht uneben, was in einem
Formfehler in der Walze und in einer ungleichmäßigen
Temperaturverteilung resultiert, wenn die Betriebstemperatur
steigt. Aufgrund der karbidhaltigen Mikrostruktur der
Oberflächenschicht, ist der Verschleiß der Walzenfläche
ungleichmäßig, was in dem Papier ersichtlich sein kann und was
ebenso ein erneutes Schleifen der Walze in Zeitintervallen von
etwa sechs Monaten verursacht.
-
Ebenso ist die Betriebsdauer der für das Gießen verwendeten
Kokillenformen begrenzt und deren Fertigungskosten hoch. Da
überdies mehrere verschiedene Arten von Kokillenformen benötigt
werden, sind hohe Geldsummen an diese gebunden.
-
Überdies ist aufgrund der hohen Härte von Weißeisen das
Bearbeiten von Walzenmänteln aus Hartguß sehr schwierig und
werden daher die Fertigungskosten der Walzen hoch.
-
Bekanntermaßen sind Versuche angestrengt worden, um Mäntel von
Walzen aus Hartguß durch Walzenmäntel aus Stahl zu ersetzen, in
welchen es keine Temperaturbegrenzungen der Mäntel aus Hartguß
gibt. Mäntel aus Hartguß können nicht bei hohen Temperaturen von
etwa 250ºC verwendet werden, wobei, wenn derartige Mäntel
verwendet werden, der Kühl-/Heizrate überdies strenge
Begrenzungen auferlegt sind, beispielsweise 0,5 bis 2ºC pro
Minute, wobei der Temperaturunterschied zwischen der inneren
Fläche und der äußeren Fläche der Walze keinesfalls größer als
30 bis 50ºC sein darf. Solange den obigen Beschränkungen nicht
nachgekommen wird, kann der Wärmeschock den Walzen aus Hartguß
Schaden zufügen. Wenn Stahlmäntel verwendet werden, treten diese
Temperaturbeschränkungen nicht auf; jedoch verursacht
beispielsweise das Abschaben Probleme, da das Abschaben
beträchtlich genauer ist, so daß der Schaber übermäßig
verschlissen wird, wenn Stahlmäntel verwendet werden. Überdies
wird der Mantel einer Stahlwalze während des Betriebs
geschliffen, so daß die Adhäsion von Papier an der Walze
gesteigert ist, woraus Probleme im Aufwickeln der Bahn
resultieren. Auch ist die Fähigkeit von Stahl, Schwingungen zu
schwächen, geringer als die von Gußeisen.
-
Aus dem Stand der Technik sind auch derartige Lösungen für
Walzenmäntel bekannt, in welchen die Oberfläche eines
Gußeisenwalzenmantels erneut geschmolzen worden ist, während
dabei Weißeisen in der Oberflächenschicht erzeugt worden ist;
d.h., es ist Zielsetzung gewesen, einen Prozeß zu schaffen, der
das Hartgießen ersetzt, wodurch eine Mikrostruktur erzeugt wird,
die der von Walzenmäntel aus Hartguß ähnlich ist.
-
Ein derartiger Prozeß ist in dem US-Patent Nr. 4452647
beschrieben, in welchem ein Prozeß und eine Vorrichtung für das
Herstellen von hartflächigen Gußeisenstücken beschrieben wird,
und zwar insbesondere von Walzen, wie etwa Walzen für die
Stahlindustrie oder Papierkalanderwalzen, sowie eine Walze, ein
Zylinder oder dergleichen, die durch den Prozeß angefertigt
worden sind. In dieser aus dem Stand der Technik bekannten
Lösung ist es als neu betrachtet worden, daß die Gußstücke, wie
etwa Walzen und Zylinder, in Sand oder auf gleichartige Weise
gegossen werden, so daß in ihnen in Verbindung mit der
Verfestigung im wesentlichen eine Kristallstruktur von grauem
Gußeisen erzeugt wird und daß nach dieser Stufe eine erneute
Schmelzbehandlung dadurch durchgeführt wird, daß Anwendung von
einem Elektronenstrahl oder -strahlen gemacht wird, um einen Guß
zu erzeugen, der an der Oberfläche hart ist. Somit ist in dieser
aus dem Stand der Technik bekannten Lösung eine erneute
Schmelzbehandlung der Oberfläche durchgeführt worden, die
ausgetragen worden ist, nachdem das Werkstück bis nahe an die
endgültigen Abmessungen behandelt worden ist, wobei der Prozeß
der Oberflächenbehandlung mit einem Elektronenstrahl oder
- strahlen durchgeführt wird, um eine Wärmewirkung zu erzeugen,
die genau gesteuert und bearbeitet werden kann.
-
Eine zweite aus dem Stand der Technik bekannte Lösung, in
welcher die Oberfläche mit Hilfe des
Elektronenstrahlschmelzprozesses behandelt wird, um eine
gehärtete Zementitkarbidoberflächenschicht zu erzeugen, ist in
dem US-Patent Nr. 4000011 beschrieben.
-
Ferner ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Lösung, die
auf dem erneuten Schmelzen der Oberfläche basiert, in dem DE-
Patent Nr. 3640131 beschrieben, das einen Mantel offenbart, der
eine harte Mantelfläche hat, und einen Prozeß zum Herstellen
einer Walze mit einer harten Mantelfläche offenbart, und zwar
insbesondere für Papiermaschinen, welche Walze aus Gußeisen
angefertigt ist, das in einer Sandform gegossen worden ist,
wobei nach einem sehr schnellen Abkühlen an der Walze eine
karbidhaltige Außenschicht zusammen mit einer Graukemzone
erzeugt wird. In dieser aus dem Stand der Technik bekannten
Lösung wird die Gußwalze auf Temperaturen von 400ºC bis 600ºC
vorgewärmt, wobei die vorgewärmte Oberflächenschicht schnell
über die Liquidus-Temperatur erwärmt wird, und zwar nachdem die
erwünschte örtliche Schmelzschicht erreicht worden ist, wobei
diese Schmelzschicht sehr schnell abgekühlt wird, um eine
karbidhaltige Zone zu erzeugen, wobei schließlich die gesamte
Walze auf die Umgebungstemperatur abgekühlt wird.
-
Aus der DE-A-1179721 ist die Anwendung von Sphärogußeisen für
eine Kalanderwalze bekannt, die 3% Cr, Mg oder Mo als ein
Karbidbildner aufweisen kann, und zwar für das Erhalten einer
Härte von 480 bis 620 HB bei der Oberflächenhärtung.
-
In allen der vorbeschriebenen aus dem Stand der Technik
bekannten Lösungen ist versucht worden, eine karbidhaltige
Mikrostruktur in der Oberflächenschicht des Walzenmantels zu
schaffen, in welcher Struktur Partikel von Eisenkarbiden, d.h.
Zementit, vorhanden sind. Diese Eisenkarbide sind sehr hart,
wobei, wenn die Walze verwendet wird, die Walzenfläche um die
Karbide herum verschlissen wird und die Karbide auf der
Oberfläche als nach außen vorstehende Spitzen verbleiben. Der
durch diese Spitzen erzeugte Fehler kann auch in den erzeugten
Papieren bemerkt werden.
-
In den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind in
Verbindung mit den Walzen, die erwärmt werden, auch Probleme
durch die Variationen in der Form des Walzenmantels verursacht
worden, wenn sich die Temperatur ändert. Insbesondere wenn die
Struktur des Walzenmantels aus zwei unterschiedlichen
Materialien besteht, beispielsweise wenn der Innenteil aus
Gußeisen mit flockigem Graphit angefertigt worden ist und wenn
die Manteloberfläche nach dem Hartgießen aus Weißeisen
angefertigt worden ist, resultieren die Temperaturänderungen in
Problemen, da die Eigenschaftender Wärmeexpansion und der
Wärmeleitfähigkeit dieser unterschiedlichen Schichten
unterschiedlich sind und überdies die Dicke der Schicht
variiert. Insbesondere die Variationen in der Form und den
Abmessungen des Walzenmantels sind problematisch, da die
Papierqualität beeinträchtigt wird.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Prozeß für
die Herstellung einer Walze zu schaffen, in dem die Probleme und
Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten
Herstellungsprozesse nicht auftreten und mit dessen Hilfe eine
Walze geschaffen wird, deren Eigenschaften besser sind als jene
der aus dem Stand der Technik bekannten Walzen, insbesondere
eine Walze, die für die Anwendung bei höheren Temperaturen
geeignet ist, und zwar ohne besondere Anwendungsbeschränkungen.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Walze zu
schaffen, deren Fertigung leichter und einfacher ist und daher
für Papiermaschinenanwendungen, insbesondere für das
Kalandrieren, ökonomischer ist.
-
Im Hinblick auf das Erreichen der oben genannten Zielsetzungen
und jener die im folgenden ersichtlich werden, ist der
erfindungsgemäße Prozeß in dem Patentanspruch 1 definiert und
hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß in dem Prozeß die
Oberflächenschicht des Walzenmantels aus Gußeisen gehärtet und
angelassen wird, so daß in der Oberflächenschicht des
Walzenmantels eine Anlaßmartensitstruktur erzeugt wird und der
Walzenmantel in an sich bekannter Weise einer Nachbehandlung
unterworfen wird. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens
sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 definiert.
-
Ferner ist die erfindungsgemäße Walze in Patentanspruch 5
definiert und hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberflächenschicht des Walzenmantels gehärtet und angelassen
ist, so daß die Oberflächenschicht des Walzenmantels
anlaßmartensitisch ist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Walze sind in den Patentansprüchen 6 bis 7 definiert.
-
Wenn gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ein Kugelgraphitgußeisen von hoher Festigkeit und Zähigkeit
verwendet wird und wenn die Fläche des Walzenmantels
oberflächengehärtet ist, beispielsweise durch Flammhärten und
Induktionshärten, wird eine Anlaßmartensitstruktur erreicht, die
härter ist als der aus dem Stand der Technik bekannte
Walzenmantel aus Hartguß, dessen Verschleißwiderstand besser ist
und dessen Verschleiß aufgrund der vorteilhaften Mikrostruktur
gleichmäßiger ist, so daß das Zeitintervall für das Schleifen
der Walze beträchtlich vergrößert ist. Aufgrund des
Grundmaterials von hoher Zähigkeit und Festigkeit ist die
erfindungsgemäße Walze selbst gegenüber hohen
Temperaturänderungen nicht empfindlich, wobei Verformungen in
der Walze selbst bei hohen Betriebstemperaturen nicht erzeugt
werden, da durch das Oberflächenhärten eine in hohem Maße
gleichmäßige gehärtete Schicht auf dem Walzenmantel erhalten
wird. Überdies kann das Werkstück vor dem Härten bis zu seinen
endgültigen Abmessungen bearbeitet werden, so daß die
Bearbeitungskosten der Walze signifikant verringert sind.
-
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die
Möglichkeit eines erneuten Härtens des Walzenmantels, nachdem
die harte Schicht abgerieben worden ist.
-
Die erfindungsgemäße Walze, die einen hartflächigen Walzenmantel
hat, der aus einem Gußeisen gegossen ist, das im Hinblick auf
das Härten geeignet legiert worden ist und dessen Fläche nach
dem Bearbeiten gehärtet worden ist, wodurch eine
Anlaßmartensitmikrostruktur in der Oberfläche ausgebildet worden
ist, ist beim Kalandrieren von Papier aufgrund seiner feinen
Partikelstruktur vorteilhaft.
-
Die Zeitintervalle für das Schleifen der erfindungsgemäßen
Walzen werden länger als mit den aus dem Stand der Technik
bekannten Walzen, und zwar wegen der größeren Härte und dem
besseren Verschleißwiderstand der Fläche im Vergleich mit
beispielsweise Walzen aus Hartguß.
-
In einer erfindungsgemäßen Walze verursachen hohe
Betriebstemperaturen keine Verformungen, da der Walzenmantel
prinzipiell aus ein und demselben Material angefertigt ist. Die
Oberflächenstruktur der erfindungsgemäßen Walze, d.h. die
Anlaßmartensitmikrostruktur, wird gleichmäßig verschlissen, so
daß keine sich von der Oberfläche unterscheidbaren Spitzen-
Stellen als Verschleißergebnis in derselben verbleiben, wodurch
die erreichte Papierqualität besser wird.
-
Im Bezug auf ihren Festigkeitswert, ihre Steifigkeit und
Zähigkeit ist das Kugelgraphitgußeisen, das in einer Walze gemäß
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet
wird, ein Material, das bessere Eigenschaften hat als die
Eigenschaften von Gußeisen aus flockigem Graphit, das in der
Regel im Hartgießen verwendet wird.
-
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Walze im Vergleich zu den aus
dem Stand der Technik bekannten Lösungen, die auf einem
Stahlmantel basieren, ist die Schmierwirkung des Graphits, der
vermischt in dem Anlaßmartensit in dem Walzenmantel vorhanden
ist, so daß der Verschleiß eines Schabers nicht übermäßig ist,
wie es bei Stahlmänteln der Fall ist.
-
Die wichtigsten Vorteile der erfindungsgemäßen Walze, die einen
Gußeisenmantel hat, im Vergleich zu einem Mantel aus Hartguß
sind:
-
- eine feine und gleichmäßige Mikrostruktur
-
- eine gleichmäßige harte Oberflächenschicht
-
- ein homogenes Material und demzufolge geringere Verformungen
und eine gleichmäßigere Oberflächentemperatur bei hohen
Temperaturen über 100ºC
-
- nicht empfindlich gegenüber Temperaturänderungen
-
- besserer Verschleißwiderstand
-
- hohe Zugspannung
-
- hohe Stoßfestigkeit
-
- hohe Steifigkeit
-
Nachstehend ist die Erfindung ausführlicher anhand der Figuren
in der beigefügten Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
-
Fig. 1 eine schematische Veranschaulichung einer Walze,
-
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-A
aus Fig. 1,
-
Fig. 3 die Mikrostruktur der Oberfläche des Waizenmantels einer
aus dem Stand der Technik bekannten Walze aus Hartguß in einer
200-fachen Vergrößerung,
-
Fig. 4 eine Martensitmikrostruktur in einer 500-fachen
Vergrößerung, und
-
Fig. 5 eine Mikrostruktur mit Graphitkörnern an einer
Martensitbasis in einer 200-fachen Vergrößerung.
-
Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Walze ist mit 10 beziffert.
-
Die Walze 10 hat einen Walzenmantel 11 und Welienzapfen 13. Die
Fläche des Walzenmantels 11 ist mit 12 beziffert. Die in Fig. 1
gezeigte Walze 10 ist lediglich ein einfaches beispielhaftes
Ausführungsbeispiel. Der erfindungsgemäße Waizenmantel 11 ist
natürlich auch für die Anwendung in viel komplizierteren Walzen
geeignet.
-
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus Fig.
1. Die Außenfläche 12 des Walzenmantels 11 ist aufgrund der
oberflächengehärteten Schicht 15 hart. Das Innenteil des
Walzenmantels 11 ist mit 16 beziffert.
-
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst der
Walzenmantel 11 gegossen, so daß eine vollständig perlitische
oder ferritisch-perlitische Mikrostruktur erzeugt wird, die
zumindest zu 60% perlitisch ist. Das Material ist legiert
worden, und zwar beispielsweise derart, daß 3,0 bis 3,8% C, 1,5
bis 3,0% Si, 0,5 bis 0,9% Mn, weniger als 0,05% P und weniger
als 0,02% S vorhanden sind. Als weitere Legierungsmittel werden
Cr, Ni, Cu, Mg, Mo, Sn und/oder Al verwendet. Daraufhin wird das
Gußwalzenmantelrohstück 11 einer Bearbeitung unterworfen. Der
bearbeitete Walzenmantel 11 wird oberflächengehärtet, wobei vor
dem Oberflächenhärten, falls notwendig, eine Vorwärmung
durchgeführt wird. Das Oberflächenhärten wird vorzugsweise als
Induktionshärten oder Flammhärten durchgeführt. Daraufhin wird
der Walzenmantel 11 angelassen, damit der Oberfläche eine
Anlaßmartensitstruktur verliehen wird. Das Innenteil 16 des
Walzenmantels hat eine perlitische oder ferritisch-perlitische
Struktur. Die Anlaßtemperatur wird gemäß der zukünftigen
Betriebstemperatur der Walze 10 gewählt. Daraufhin wird das
notwendige Nachbehandlungsschleifen durchgeführt.
-
Der Walzenmantel 11 kann derart angefertigt werden, daß nach dem
Gießen möglicherweise eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, um
eine perlitische Struktur zu erzeugen. Daraufhin wird ein
Spannungslösungsglühen durchgeführt. Nach dem Bearbeiten und
Oberflächenhärten, vorzugsweise Induktions- oder Flammhärten,
ist der Walzenmantel 11 mit Ausnahme des
Nachbehandlungsschleifens fertiggestellt.
-
In dem Verfahren der Erfindung wird das Oberflächenhärten
vorzugsweise als Induktionshärten oder Flammhärten durchgeführt.
Beides davon sind Wärmeoberflächenhärtungsverfahren, d.h.
Verfahren, die auf einer Wärmewirkung basieren, wobei die
Oberfläche für eine kurze Zeitdauer und oftmals örtlich auf eine
Härtetemperatur sehr schnell erwärmt wird, die sich für den
austenitischen Bereich eignet, wobei diese danach abgeschreckt
wird, bevor das Innere Zeit hat, sich in Austenit umzuwandeln.
Im Flammhärten wird die Fläche mit Hilfe einer Gasflamme
erwärmt, wobei das Abschrecken gewöhnlich mit Hilfe eines
Wasserstrahls stattfindet, der nach der Flamme folgt. Beim
Induktionshärten werden in einer Wirktiefe des elektrischen
Induktionsfeldes, das mit Hilfe einer Induktionsspule erzeugt
wird, Wirbelströme in dem Stahl oder Gußeisen ausgebildet,
welche Ströme das Stück von innen erwärmen. Nach dem Erwärmen
wird ein Abschrecken, beispielsweise mit Hilfe eines
Wasserstrahls, durchgeführt.
-
Fig. 3 zeigt die Mikrostruktur der Oberfläche eines aus dem
Stand der Technik bekannten Walzenmantels aus Hartguß in einer
200-fachen Vergrößerung. In der Figur ist Zementit auf einer
Perlitbasis ersichtlich. Zementit ist mit S bezeichnet und
Perlit mit P. Zementit S, d.h. Eisenkarbide Fe&sub3;C, ist hart,
wobei, wenn die Walzenfläche im Betrieb in den Bereichen von
Perlit P verschlissen ist, die Zementite als Vorsprünge in der
Fläche verbleiben. Die Härte der Oberflächenschicht von
Weißeisen auf einem derartigen Walzenmantel aus Hartguß beträgt
etwa 550 bis 630 HV. Die Variation in der Dicke der
Oberflächenschicht beträgt 5 bis 25 mm.
-
Fig. 4 zeigt eine Anlaßmartensitstruktur in einer 500-fachen
Vergrößerung, wobei die Struktur aus linsenförmigen oder
nadelförmigen Kristallen besteht. Fig. 4 zeigt auch ein
Graphitkorn.
-
Fig. 5 zeigt eine gehärtete Fläche mit Graphitkörnern an einer
Martensitbasis, wobei eine derartige Basis an der
erfindungsgemäßen Walze vorgesehen ist. Martensit ist mit N
bezeichnet. In Martensit M sind keine Partikelzwischenflächen
oder dergleichen ersichtlich. Die Graphitkörner sind mit G
bezeichnet. Der Vergrößerungsmaßstab in Fig. 3 beträgt das 200-
fache. Insbesondere ist die Gleichmäßigkeit der
Martensitstruktur anzumerken. Die Härte einer derartigen
Anlaßmartensitstruktur beträgt 680 bis 720 HV, wobei die
Dickevariation der oberflächengehärteten Schicht weniger als 0,5
mm beträgt.
-
In der nachstehenden Tabelle werden die Eigenschaften eines aus
dem Stand der Technik bekannten Walzenmantels aus Hartguß und
des Mantels aus einer oberflächengehärteten Walze gemäß der
Erfindung, in diesem besonderen Fall eine induktionsgehärtete
Kugelgraphitgußeisenwalze, verglichen.
Tabelle
-
Das Material des Mantels 11 der erfindungsgemäßen Walze ist
hauptsächlich von ein und demselben Material, und zwar Gußeisen,
beispielsweise Kugelgraphitgußeisen. Die Oberflächenschicht 15
der Walze ist anlaßmartensitisch nach dem Oberflächenhärten,
wobei das Innenteil 16 zumindest zu 60% perlitisch ist. Die
Dicke der Oberflächenschicht 15 beträgt 5 bis 30 mm,
vorzugsweise etwa 8 bis 10 mm. Die Härte der Oberflächenschicht
15 des Walzenmantels 11 beträgt 680 bis 720 HV, wobei die Härte
des Innenteils 200 bis 300 HB beträgt. Die erfindungsgemäße
Walze 10 ist für die Anwendung bei Temperaturen von 250ºC
geeignet, und zwar ohne besondere Einsatzbeschränkungen.
-
Vorstehend ist die Erfindung mit Bezug auflediglich einige
bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben worden, wobei die
Erfindung jedoch keinesfalls strikt auf die Einzelheiten der
Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll. Viele Variationen und
Abwandlungen sind innerhalb des in den folgenden
Patentansprüchen definierten Bereiches der Idee möglich.