FI20197024A1

FI20197024A1 - Menetelmä monimateriaalisen valssin valmistamiseksi ja monimateriaalivalssi

Info

Publication number: FI20197024A1
Application number: FI20197024A
Authority: FI
Inventors: Mikko Talvitie
Original assignee: Kerpua Solutions Oy
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2020-08-14
Also published as: WO2020165489A1; US20220032351A1; EP3833496A1; EP3833496A4; EP3833496B1; FI128579B

Abstract

Esillä olevassa keksinnössä esitetään menetelmä monlmateriaalisten valssien (1) valmistamiseksi, joka menetelmä käsittää valssin aihion (1') perusmateriaalia (B) käsittävän osion valmistamisen, tähän osioon erikoismateriaalia (A) käsittävän osion liittämisen, perusmateriaalia (B) käsittävän osion ja erikoismateriaalia (A) käsittävän osion käsittävän valssin aihion (1') kuumamuokkauksen ainakin osalta aihion (1') pituudesta siten, että saavutetaan ainakin haluttu kuumamuokkauksen jälkeinen valssin aihion (1') pituus (Lv') ja halkaisija (Hv') sekä kuumamuokatun valssin aihion (1') loppukäsittelyn valmiin valssin (1) aikaansaamiseksi. Menetelmällä voidaan valmistaa suuria, esimerkiksi pituudeltaan (Lv) yli 3 metriä pitkiä valsseja (1) yhtenä kappaleena ilman hitsausta ja mekaanisia liitoksia siten, että valssien (1) työpinnoilla (2) on runsaasti seostusta ja seosaineiden muodostamia karbideja sisältäviä teräksiä.

Description

MENETELMÄ — MONIMATERIAALISEN — VALSSIN — VALMISTAMISEKSI — JA MONIMATERIAALIVALSSI

KEKSINNÖN KOHDE Keksintö liittyy menetelmään ainakin kahdesta eri materiaalista valmistetun metallisten materiaalien kuuma- ja kylmävalssaukseen tarkoitetun valssin valmistamiseksi sekä tällaiseen valssiin.

KEKSINNÖN TAUSTAA Valsseja, erityisesti työvalsseja käytetään metallisten materiaalien kuten teräksen, kuparin, alumiinin ja titaanin kuuma- ja kylmävalssaukseen. Työvalssit joutuvat käytössä huomattavien mekaanisten, termisten ja kemiallisten kuormitusten alaiseksi. Kuormituksen määrä ja tyyppi vaihtelevat valssien eri alueissa. Valssauspinnoilla valssin pintaan kohdistuu kuumavalssauksessa termisiä rasituksia mukaan lukien lämpötilanvaihtelusta johtuvat jännitysvaihtelut. Lisäksi valssausvoimat aiheuttavat valssin pintaan mekaanisia kuormituksia. Kuumavalssattavan materiaalin pinnassa olevat oksidit aikaansaavat abrasivista kulumista valssin työpinnalla, ja adhesiivinen kuluminen aikaansaa jopa materiaalin repeämistä valssin työpinnasta valssattavan materiaalin hitsautuessa kiinni valssin pintaan. Kuumavalssauksessa korkeat lämpötilat aikaansaavat myös työpinnan hapettumista ja pinnan jäähdytyksessä käytettävät jäähdytysnesteet saattavat lisätä korroosiota. Kylmävalsseissa pintaan kohdistuu merkittäviä pinnan väsymistä ja adheesiota edistäviä kuormituksia, jotka vähitellen heikentävät pinnan laatua ja siten valssaamalla = saavutettavaa pinnanlaatua lopputuotteeseen. Näin ollen pinnan vauriomekanismit vaihtelevat N sen mukaan, mikä on valssaussovellus (kuuma- tai kylmävalssaus) sekä sen mukaan, minkä = tyyppisiä ja muotoisia materiaaleja valssataan (esimerkiksi levyt tai tangot).

I E 30 Valssin muille alueille kohdistuu huomattavan erilaisia rasituksia verrattuna valssin työpintaan, N joka on kontaktissa valssattavan materiaalin kanssa. Valssin akseleihin, joiden varassa valssia > voidaan pyörittää ja joiden kautta valssin käyttömoottorit voivat pyörittää valssia, kohdistuu N erityisesti merkittäviä valssausvoimista johtuvia mekaanisia kuormituksia. Valssin akselien riittävät mekaaniset ominaisuudet, ainesvahvuus, pinnanlaatu ja muotoilu mahdollistavat näiden alueiden mekaanisen luotettavuuden ja ehkäisevät vaurioiden syntymistä esimerkiksi väsymisen vuoksi. Erilaisista valssien työpintojen vauriomekanismeista johtuen myös edulliset materiaalivalinnat vaihtelevat | sovelluksittain. Tyypillisesti valssien — työpintojen = materiaalien — tulisi olla käyttäytymiseltään mahdollisimman homogeenisia, jotta ei esiintyisi kestoiän hallitsemattomia vaihteluita tai odottamia vaurioita. Lisäksi materiaalissa tulisi olla mahdollisimman vähän erilaisia materiaalivikoja kuten sulkeumia, säröjä tai huokosia, jotka saattavat aikaansaada valsseihin jopa makroskooppisia vaurioita esimerkiksi väsymisvaurtion alkaessa näistä lähtövioista.

Työvalssien materiaaleina käytetään nykyisin erilaisia valettuja ja taottuja rautapohjaisia materiaaleja, = joiden — ominaisuuksia on — pyritty — kehittämään — edullisiksi — erilaisiin käyttötarkoituksiin. Sekä taottujen että valettujen valssien kohdalla materiaalivalintaa ja materiaaliominaisuuksien = kehittämistä — vaikeuttavat — valmistusmenetelmien — aiheuttamat rajoitukset seosasteen nostamiseksi mm. kulumiskestävyyden, lämpötilankestävyyden tai mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi. Erityisesti suurissa valetuissa ja taotuissa tuotteissa, myös valsseissa, on valmistusteknisistä syistä suuri raekoko, karkea valurakenne ja epähomogeenisempi seosainejakauma kuin pienemmissä tuotteissa, myös valsseissa, mikä vaikeuttaa valssien laadun ja kestoiän parantamista.

Materiaalien ominaisuuksia voidaan parantaa vaihtoehtoisilla valmistusmenetelmillä kuten pulverimetallurgisilla ja sulakerrostukseen perustuvilla teknologioilla sekä esimerkiksi sähkökuonasulatuksella. Kaikilla näillä menetelmillä on mahdollista parantaa valssin materiaalien homogeenisuutta. Lisäksi erityisesti pulverimetallurgisilla ja sulakerrostukseen perustuvilla menetelmillä voidaan lisätä seosastetta enemmän kuin eräillä muilla, esimerkiksi valu- tai = sähkökuonasulatusteknologian mukaisilla menetelmillä, valssien kestoiän parantamiseksi ilman N merkittäviä valmistusteknisiä ongelmia. Toisaalta näiden menetelmien valmistuskustannukset + ovat suuremmat kuin taotuilla tai valetuilla materiaaleilla. Tämä johtuu paitsi itse > valmistusteknologiasta kalliimpien tuotantolaitteiden ja monimutkaisten valmistusratkaisujen E 30 vuoksi, myös kestoiän lisäämiseksi käytettävästä runsaammasta seostuksesta. <+ = o Raaka-aineen, erityisesti erikoisraaka-aineiden, käyttöä ja valmistuskustannuksia on pyritty N alentamaan valmistamalla erityisesti suuremmat valssit siten, että esimerkiksi korkeaseosteisia pulveriraaka-aineita käytetään vain työvalssien valssauspinnoilla muun osan valsseista ollessa erimerkiksi taottua tai valettua matalaseosteista materiaalia. Myös perinteisillä menetelmillä kuten keskipakovalamalla voidaan valmistaa monikerrosmateriaalisia valsseja esimerkiksi valamalla pyörivään kokilliin aluksi esimerkiksi korkeaseosteista työkaluterästä ja tämän jälkeen valssin perusmateriaaliksi esimeriksi matalaseosteista valurautaa. Keskipakovaluun perustuvilla menetelmillä ei kuitenkaan saavuteta samaa homogeenisuutta ja karbidien koon optimointia ja seostusastetta kuin esimerkiksi pulverimetallurgisilla tai sulakerrostetuilla työkaluteräksillä pinnoitetuilla valsseilla. Pulverimetallurgisten ja esimerkiksi sulakerrostettujen menetelmien yksi rajoite liittyy niiden valmistuksen kokorajoituksiin. Pulverimetallurgisten — valssien valmistuksessa käytetään tuotteiden valmistuksessa kuumaisostaattista puristusta (Hot Isostatic Pressing, HIP) mikä suoritetaan erityisessä korkeaan samanaikaiseen isostaattiseen puristukseen ja korkeaan lämpötilaan kykenevässä paineastiassa. Valmistettavien kappaleiden koon kasvaessa kasvaa vastaavasti näiden paineastioiden tarvittava koko sekä prosessin energian- ja tilantarve. Näiden paineastioiden investointi- ja käyttökustannukset myös nousevat merkittävästi koon kasvaessa. Lisäksi tällä hetkellä ei ole olemassa riittävän suuria paineastioita suurimpien valssien valmistukseen, mikä rajoittaa korkeaseosteisten pulverimetallurgisten valssien käyttöä suurissa valsseissa. Suuret valssit viittaavat tyypillisesti valsseihin, joiden pituus on enemmän kuin 3,5 metriä tai enemmän kuin 4 mettiä. Valssin pituus tarkoittaa valmiin valssin sitä dimensiota, joka on suurin. Yleensä tämä suurin dimensio on valssin akselien suuntainen pituusdimensio. Tämä koskee sekä monoliittisia eli yksimateriaalivalsseja että monimateriaalivalsseja eli useammasta kuin yhdestä materiaalista valmistettuja valsseja. Kuumaisostaattisessa puristuksessa saattaa suurten kappaleiden rajapinnoille jäädä epäpuhtauksia ja kuumamuokkaus vähentää niiden vaikutusta rajapinnan mekaanisiin ominaisuuksiin. Lisäksi -kuumamuokkaus leventää pinnoitteen ja perusmateriaalin välistä diffuusioaluetta mikä tekee rajapinnasta vähemmän S jyrkän ja saattaa siten vähentää rajapinnan jännityksiä.

N

S + Sama kokorajoitus kuin kuumaisotaattisen puristuksen yhteydessä liittyy myös ainetta lisäävien > valmistusmenetelmien kuten sulakerrostuksen tai 3D-tulostuksen käyttöön — valssien E 30 valmistuksessa. Esimerkiksi sulakerrostamalla on erittäin vaikeaa ja kallista valmistaa suuria N valsseja, eivätkä nykyisin käytössä olevat tuotantolaitteet kykene valmistamaan suurimpia > valsseja. Valssiaihion koon kasvattaminen sulakerrostuksessa nimittäin heikentää tuotteen N metallurgista laatua hidastaen metallipisaroiden jäähtymistä ja jähmettymistä, mikä tekee jähmettymisrakenteesta karkeamman, kasvattaa raekokoa sekä saa aikaan karbidiverkkojen muodostumista. Sulakerrostusta voidaan käyttää myös monimateriaaliaihioiden valmistukseen esimerkiksi sulakerrostamalla kestävämpää materiaalia kiinteän perusaineen sille osuudelle, joka vastaa valmistettavan valssin työpintaa. Sulakerrostuksella ei kuitenkaan yleensä saavuteta yhtä luotettavaa liitosta sulakerrostettavan materiaalin ja perusmateriaalin välillä kuin esimerkiksi kuumassostaattisella puristuksella. Lisäksi sulakerrostettuna materiaalin ominaisuudet, ainakaan paksuissa materiaalikerroksissa ja korkeaseosteissa materiaaleissa, eivät ole riittävät ainakaan kaikkiin valssaussovelluksiin rakenteessa olevista huokosista ja osin jatkuvista karkeista karbidiverkoista johtuen.

On myös mahdollista valmistaa monimateriaalisia = valsseja siten, että perusaineen valssausalueelle valetaan erikoismateriaalia, joka on pinnoitusta kestävämpää. Tällaisen valumenetelmän eräänä merkittävänä rajoituksena on se, että näin valetun materiaalin mikrorakenne on karkea ja epähomogeeninen, ja lisäksi se saattaa sisältää mekaanisia ominaisuuksia heikentäviä valuvikoja. Lisäksi on mahdollista, että liitoslujuus ei ole valssin käytön aikaisiin kuormituksiin nähden riittävän hyvä.

Valumenetelmää on hyödynnetty toisaalta keskipakovalumenetelmässä, missä pyörivään valukokilliin valetaan ensin työpinnan muodostava kestävämpi materiaali ja tämän jälkeen esimerkiksi valssin rungon muodostava matalaseosteinen valuteräs tai valurauta. Menetelmä mahdollistaa paremman liitoksen eri materiaalien välille. Toisaalta näin aikaansaatu pintakerros on edelleen valumateriaalia, minkä rajoitteina ovat normaalit valuterästen rajoitteet, toisin sanoen karkea epähomogeeninen rakenne, valuvirheet ja rajoitukset seostuksessa ja siten kulumiskestävyyden parantamisessa.

Hitsauspinnoitus eri menetelmillä on eräs ainetta lisäävän valmistuksen menetelmä = sulakerrostuksen ja 3D-tulostuksen tapaan. Hitsauspinnoituksen käytössä tilanne on saman a tyyppinen kuin —valupinnoituksen tapauksessa, eli pinnoituksen metallurginen laatu, = hitsausvirheet ja rajoitukset seostuksessa estävät niiden käytön korkealuokkaisempien, > seostetumpien valssien valmistuksessa. Toisaalta hitsauspinnoitusta voidaan käyttää myös hyvin E 30 pitkien valssien työpintojen pinnoituksessa, koska menetelmässä e ole varsinaisia N kokorajoituksia. Kuitenkaan hitsauspinnoituksessa metallurgista laatua e ole mahdollista > juurikaan parantaa. Hitsauspinnoituksen käyttöä rajoittaa lisäksi se, että perusmateriaalin N hitsattavuuden on oltava riittävän hyvä sekä se, että käytettävää hitsauspinnoitusmateriaalia on oltava saatavissa hitsauslisäaineena.

Esimerkiksi kuumaisostaattisesti puristettujen monimateriaalivalssien kokorajoituksia valssien pituuden suhteen on pyritty ratkaisemaan mm. patentin AT 5129239 B1 mukaisella menetelmällä.

Menetelmässä valmistetaan aluksi kuumaisostaattisella puristuksella pinnoitettu 5 aihio, minkä jälkeen aihion päihin liitetään hitsaamalla jatkokappaleet valssin kokonaispituuden saamiseksi halutuksi.

Menetelmän ongelma on kuitenkin se, että menetelmän vaatimuksena on perusmateriaalin ja hitsattavien jatkokappaleiden materiaalin riittävä hitsattavuus.

Koska valssimateriaalien hiilipitoisuuden on — oltava usein korkea riittävän lujuuden ja pintakarkaistavuuden saavuttamiseksi, on näiden materiaalien hitsattavuus tyypillisesti heikko.

Lisäksi hitsaus vaatii kappaleen ja jatkokappaleiden hitsauspäiden koneistuksen, suhteellisen suuren hitsaustyön erityisesti suurien valssien tapauksessa ja lopuksi hitsauskohtien lämpökäsittelyn jäännösjännitysten vähentämiseksi.

Lisäksi yleensä vaaditaan ainetta rikkomaton tarkastus lopputuloksen eheystason varmistamiseksi.

Lisäksi tässä menetelmässä ei voida parantaa pinnoituksen liitoslujuutta perusaineeseen ja pinnoitteen metallurgista laatua, eikä muokata pinnoitettua aluetta pidemmäksi.

Hitsauksen käyttöä valssien pidentämiseen ei ole merkittävästi hyödynnetty menetelmän laatu- ja laadunvarmistustiskien vuoksi.

Valssia käytettäessä hitsausliitoksen pettäminen saattaa aiheuttaa merkittäviä loukkaantumisriskejä ja vaurioittaa valssauslaitosta, josta voi aiheutua pitkä tuotantoseisokki.

Myös erilaisia mekaanisia liitosteknologioita on käytetty, kuten esimerkiksi kutistusliitoksia erikoismateriaalien liittämiseksi matalaseosteiseen, kustannuksiltaan edulliseen perusaineeseen.

Nämä menetelmät ovat kuitenkin epävarmoja erityisesti suurissa valsseissa ja niiden käyttö on rajoittunut yleensä hyvin pieniin työvalsseihin, esimerkiksi kovametallirenkaiden liittämiseen = mekaanisesti pieniin teräsrunkoisiin valsseihin.

Esimerkiksi holkkimaisen kulumiskestävän N erikoismateriaalin kutistusliittäminen valssin perusmateriaalin ympärille e1 ole mahdollista hyvin = pitkille holkeille ja suurille valsseille, koska pitkien holkkien luotettava asentaminen on vaikeaa, > mistä aiheutuu esimerkiksi holkin liikkumista valssauksen aikana ja holkin tai akselin E 30 mahdollinen vaurioituminen.

Lisäksi kutistusliitetyssä renkaassa on jäännösjännityksiä N kutistusliitoksen jälkeen, ja käytössä se joutuu suurien taivuttavien kuormitusten alaiseksi, mikä 5 aiheuttaa kutistusliitetyn renkaan suhteellista liikettä perusaineeseen nähden, mikä puolestaan N voi aiheuttaa käytössä vaurioita.

Tällä hetkellä ei ole olemassa sellaista valmistusmenetelmää monimateriaaliteknologian hyödyntämiseksi valsseissa, että voitaisiin käyttää erilaisia työpinnaltaan korkeaseosteisia, yhtenä integroituna komponenttina valmistettuja yhdistelmämateriaaleja kustannustehokkaasti hyvin suurissa, kuten esimerkiksi yli 3 metrin pituisissa valsseissa ja taata samanaikaisesti hyvä materiaalikerrosten kiinnipysyvyys ja virheettömyys. Ongelmat liittyvät erityisesti valsseihin, joissa karbidien määrä on enemmän kuin 8 tilavuus-% jolloin rakenteeseen syntyy hyvin helposti sitkeyttä alentavia suuria ja jatkuvia karbideja jolloin on vaikea saavuttaa hienojakoisia karbidijakaumia missä karbidien keskikoko on alle 15 um.

KEKSINNÖN LYHYT YHTEENVETO Keksinnön mukainen valmistusmenetelmä mahdollistaa valssien, erityisesti suurten valssien, valmistuksen monimateriaalirakenteisena siten, että valssien työpinnan erikoismateriaalin ominaisuudet ja liitoslujuus perusmateriaaliin ovat erittäin hyvät. Erityisesti menetelmä mahdollistaa sellaisten materiaalien valmistusmenetelmien käytön mitkä ilman keksinnön mukaista tuotantoprosessia eivät olisi käyttökelpoisia. Suurilla valsseilla tässä tarkoitetaan valsseja, joiden pituus on yli 3 metriä, kuten esimerkiksi yli 3,5 metriä tai yli 4 metriä. Tämä pituus viittaa valssin suurimpaan yhdensuuntaiseen dimensioon. Yleensä tämä dimensio on valssin pituus akselien suuntaisesti sen päästä päähän. Erittäin hyvät työpinnan erikoismateriaalin ominaisuudet tarkoittavat sitä, että työpintaan ei synny valssin käytössä sen käytön kannalta ei-hyväksyttävää kulumista valssattavan materiaalin ja valssin työpinnan vuorovaikutuksesta. Tällainen kuluminen voi johtua esimerkiksi termisistä, = mekaanisista ja kemiallisista vaikutuksista. Yleisesti ottaen työpinnan materiaalin kovuuden tulisi N edullisesti olla, riippuen sovelluksesta, kuumamuokkaussovelluksissa yli HRC50 ja = kylmävalssaussovelluksissa yli HRC60 siten, että työpinnan karbiden koko olisi alle 15 um > karbidien suurimman dimension mukaan määritettynä. E 30 N Frittäin hyvä työpinnan liitoslujuus perusmateriaaliin tarkoittaa sitä, että työpinnan materiaalin > liitoslujuus perusmateriaaliin on riittävä estämään sen repeämisen tai vähittäisen irtoamisen | väsymisen — vaikutuksesta käytön aikaisten dynaamisten kuormitusten, epätyypillisten kuormitusten tai lämpöjännitysten vaikutuksesta. Koska nämä kuormitukset vaihtelevat sovelluksittain, saattavat myös vaatimukset liitoslujuudelle vaihdella sovelluksesta riippuen. Erikoismateriaalilla tarkoitetaan erilaisia seostettuna kulumiskestäviä teräksiä, joissa käytetään yleisesti riittävää hiilipitoisuuden ja karbideja muodostavien seosaimeiden yhdistelmää edullisen karbidijakauman saavuttamiseksi lämpökäsittelyjen jälkeen. Tyypillisesti näissä materiaaleissa hiilipitoisuus on yli 0.8 paino-% ja karbideja muodostavien seosaineiden määrä on yli 8 paino- %. Tavoiteltaessa erityisen hyvää kulumiskestävyyttä voidaan käyttää karbidien muodostajina esimerkiksi vanadiinia, volframia tai niobiumia, joiden muodostamat karbidit ovat kovempia kuin — esimerkiksi — kromin — muodostamat — karbidit. — Tyypillisiä — kulumiskestäviä monimateriaalivalsseihin soveltuvia erikoismateriaaleja ovat mm. teräkset AISI D2, AISI M2, AISI M3, AISI M4, AISI A11 ja AISI T15, joissa on käytetty erilaisia yhdistelmiä seosaineita sopivan ominaisuusyhdistelmän aikaansaamiseksi.

Perusmateriaaleilla tarkoitetaan niitä materiaaleja, joista tyypillisesti valmistetaan se osa monimateriaalivalssista, joka ei pääsääntöisesti joudu kontaktiin valssattavan materiaalin kanssa ja johon ei kohdistu samanlaisia kulumis-, lämpö- ja korroosiorasituksia kuin valssin työpintaan. Perusmateriaalin tulee kuitenkin kestää valssiin kohdistuvat mekaaniset kuormitukset ja sille tulee soveltua samat valmistusparametrit pinnoituksen, kuumamuokkauksen ja lämpökäsittelyn osalta kuin erikoismateriaalille. Soveliaita perusmateriaaleja ovat mm. nuorrutusteräkset kuten esimerkiksi DIN 42CrMo4 tai hiiliteräs EN S355.

Keksintö soveltuu käytettäväksi erityisesti sellaisiin valsseihin, joissa erikoismateriaalin karbidien tilavuusosuus on suuri, vähintään 8 tilavuus-%, ja joissa karbidien koko on rajoitettu alle 15 umiin sitkeyden ja pinnan väsymiskestävyyden parantamiseksi. o

S a Keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä valssi voidaan valmistaa siten, että = - Ensiksi valmistetaan monimateriaalilähtöaihion materiaalikomponentit käytetyille > materiaaleille soveltuvalla tavalla. Materiaaleista riippuen soveltuvia tapoja voivat olla & 30 esimerkiksi valu, hitsaus, pulverimetallurginen menetelmä, sulametalliruiskutus ja - N kerrostus ja/tai taonta. > - — Materiaalikomponenttien valmistuksen jälkeen monimateriaalilähtöaihion & materiaalikomponentit yhdistetään yhdeksi monimateriaaliseksi lähtöaihtoksi, mikäli yhdistämistä ei ole toteutettu jo edellisessä vaiheessa. Materiaalikomponenttien yhdistämiseksi sopivia menetelmiä voivat olla esimerkiksi kuumaisostaattinen puristus, ainetta lisäävä valmistus kuten sulametallikerrostus, 3D-tulostus ja hitsauspinnoitus tai valuliitos. - — Materiaalikomponenttien monimateriaaliseksi lähtöaihioksi = yhdistämisen jälkeen voidaan suorittaa aikaansaadun monimateriaalisen lähtöaihion kuumamuokkaus sopivassa lämpötilassa riittävällä reduktiolla halutun pituuden ja halkaisijan aikaansaamiseksi. - Kuumamuokkauksen jälkeen voidaan suorittaa kuumamuokatulle monimateriaaliselle aihiolle jälkikäsittelyt. Tällaisia jälkikäsittelyitä voivat olla esimerkiksi karkeakoneistus tai -koneistukset, lämpökäsittely(t), viimeistelykoneistus tai -koneistukset, ja/tai tarkastus tai tarkastukset. Lisäksi keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan materiaalikomponenttien yhdistämisen jälkeen ja ennen kuumamuokkausta suorittaa tarvittaessa monimateriaalisen lähtöaihion valmistelu kuumamuokkaukseen. Tällainen valmistelu voidaan käsittää esimerkiksi kapseloinnin ja/tai kaasujen evakuoinnin. Lisäksi keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan valssi valmistaa siten, että esimerkiksi materiaalikomponenttien valmistus, materiaalikomponenttien yhdistäminen ja kuumamuokkaukseen valmistelu tai osa niistä on yhdistetty yhdeksi vaiheeksi, jonka jälkeen voidaan edetä suoraan kuumamuokkaukseen. Näin voidaan toimia esimerkiksi käytettäessä valu- menetelmiä monimateriaalilähtöaihion valmistukseen. Lisäksi tämä valmistustapa soveltuu nk. ainetta lisäävään valmistukseen (additive manufacturing) kuten 3D-tulostus, sulametalliruiskutus tai -kerrostus tai jopa perinteinen täyttö- tai pinnoitushitsaus. Näin toimittaessa on huomioitava menetelmällä valmistetun lähtöaihion laatu ja soveltuvuus kuumamuokkaukseen. Esimerkkinä = aihion erikoismateriaalisen osan ja perusmateriaalisen osan yhtäaikaisesta valmistuksesta on N valaminen yhtäaikaisesti kahden eri sulametallin avulla siten että eri sulametallit eivät sekoitu

O + muotissa vaan se on erotettu esimerkiksi metallilevyillä. Yhtäaikaisen valmistuksen etuna on > mm. se että jos materiaali valmistetaan yhtä aikaa ja valmistus tapahtuu korotetussa lämpötilassa E 30 niiden jäähtyminen tapahtuu homogeenisemmin kuin jos vain toisen materiaalin valmistus N tapahtuu korotetussa lämpötilassa jolloin niiden väliseen liitokseen liittyy pienempiä jännityksiä. > Tämä toteutuu hyvin esimerkiksi valaessa molemmat materiaalit yhtä aikaa piirustuksen 7a N mukaisesti. Tämä valmistustapa edistää myös eri materiaalien liittymistä toisiinsa diffuusion ja materiaalien = rajapintojen — osittaisen sulamisen — ansiosta. Toisaalta ainetta — lisäävässä valmistuksessa voidaan valmistus suorittaa siten että ennen ensimmäisen materiaalin jäähtymistä aloitetaan toisen materiaalin lisääminen sulametalliruiskutuksella tai -kerrostuksella jolloin materiaalien jäähtymisnopeus on lähempänä toisiaan kuin jos ensimmäinen materiaali olisi esimerkiksi täysin kylmä tai vain lievästi esilämmitetty ennen toisen materiaalin kerrostusta. Jos ensimmäinen materiaali on kiinteä ennen toisen materiaalin liittämistä siihen, on se edullista lämmittää korotettuun lämpötilaan ennen toisen materiaalin valmistusta ja liittämistä siihen materiaaliin jäähtymisessä muodostuvien jännitysten pienentämiseksi.

Keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan valmistaa monimateriaalirakenteisia valsseja, joiden valmistus korkealuokkaisemmista, runsaasti hienojakoisia alle 15 um:n kokoisia karbideja sisältävistä materiaaleista e1 onnistu nykyisin esimerkiksi kuumaisostaattisella puristuksella tai sähkökuonasulatuksella pitkien valssien tapauksessa, kuten esimerkiksi yli 3 metrin mittaisina. Tällä hetkellä ei ole mahdollistaa valmistaa kaikkein suurimpia valsseja levy- ja nauhavalssaamothin — hyödyntäen — esimerkiksi — kuumaisostaattista — puristusta pulverimetallurgisia erikoismateriaaleja sisältävien valssien valmistukseen. Tämä johtuu laitteiden kokorajoituksista eikä sopivia laitteita ole käytettävissä. Tämä rajoittaa näiden valssaamoiden tuottavuuden kannalta keskeisten työvalssien laatua, kestoikää ja pinnanlaadun hallintaa.

Keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan rajoittaa erikoismateriaalien käyttöä vain valssien = kriittisille alueille kuten esimerkiksi työpinnoille, ja siten myös säästää kokonaisvalmistuskustannuksissa, koska erikoismateriaalit ovat tyypillisesti kustannuksiltaan korkeita. Näin voidaan rajoittaa suurten valssien tapauksissa erikoismateriaalien käyttöä sekä edesauttaa kustannusten hallintaa. Näin ollen keksinnön mukainen valmistusmenetelmä edesauttaa korkeaseosteisten, kalliimmilla menetelmillä valmistettujen työvalssien teollista = hyödyntämistä.

N

S + Keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan valmistaa monimateriaalisia ja pitkiä, > kuten esimerkiksi pituudeltaan yli 3-metrisiä, valsseja yhdestä integroidusta materiaaliaihiosta E 30 siten, että eri materiaalien liitokset perustuvat metallurgisiin ja diffuusioltitoksiin. Näin voidaan N välttää epävarmoiksi koettujen hitsausten ja mekaanisten liitosten käyttö suurten, pituudeltaan > esimerkiksi yli 3-metristen valssien valmistuksessa.

i

Vaikka keksinnön mukainen menetelmä tuottaa merkittäviä etuja erityisesti suurissa ja pitkissä valsseissa, soveltuu se myös pienempien monimateriaalivalssien valmistukseen materiaali-, resurssi- ja kustannustehokkaasti.

Keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan parantaa eri menetelmillä valmistettujen erikoismateriaalien ominaisuuksia, tiivistää niitä tai rikkoa karbidi- tai valurakenne kuumamuokkauksella. Näin voidaan esimerkiksi käyttää valuteknologiaa erikoismateriaalisen osuuden valmistukseen, koska rakenteessa olevat suuret karbidit ja karbidinauhat voidaan pilkkoa pienemmiksi kuumamuokkauksessa. Rakenteen rikkominen kuumamuokkauksessa ei ole kuitenkaan välttämättä tarpeen esimerkiksi nopeasti jäähtyneiden materiaalien tapauksessa (rapidly solidified materials) esimerkiksi kaasuatomisoinnin avulla valmistettuja raaka-aineita kuten pulvereita käytettäessä mitkä jähmettyvät olennaisesti alle 1000 um:n kokoisina partikkeleina. Tämän tyyppistä partikkeleita käytetään mm. valmistettaessa erikoismateriaali kuten työkalu- tai pikateräs kuumaisostaattisella puristuksella pulvereista, 3D-tulostuksella tai sulametalliruiskutuksella tai -kerrostuksella.

Keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan parantaa erikoismateriaalien liitosten lujuutta perusmateriaaliin kuumamuokkaamalla myös erikoismateriaalilla pinnoitettu alue monimetalliaihiosta. = Tämä = mahdollistaa myös — edullisten — monimateriaaliaihioiden valmistusmenetelmien ja — erikoismateriaalin — liittämismenetelmien — käytön, — koska kuumamuokkauksessa voidaan saavuttaa useimpiin valmistusmenetelmiin kuten littosvaluun ja ruiskutukseen tai sulakerrostukseen nähden —korkealaatuisempi — erikoismateriaalin ja perusmateriaalin välinen liitos.

Keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan erittäin huonosti kuumamuokattavien = materiaalien = tapauksessa aihton — pidennys — suorittaa kohdistamalla muokkaus vain N monimateriaaliaihion helposti muokattavaan perusmateriaaliin, kuten esimerkiksi hiili- tai + nuorrutusterdkseen, ja välttää korkeammin seostetun, vaikeammin kuumamuokattavan > erikoismateriaalin kuumamuokkaus ja siten mahdolliset halkeilut kuumavalssauksen aikana.

E 30 N Keksinnön mukaisen valmistusmenetelmän mukaisesti voidaan tarvittaessa kapseloida koko 5 aihio tai vain erikoismateriaalilla pinnoitettu alue, jolloin voidaan erikoismateriaalin tai N rajapintojen säröytymisen yhteydessä kuumamuokkauksen edetessä kuumamuokkaamalla sulkea syntyneet säröt ilman säröjen hapettumista. Tämä mahdollistaa myös valmistusteknisesti yksinkertaisempien, edullisempien — ja saavutettavalta = laadultaan — heikompien valmistusmenetelmien käytön erikoismateriaalin valmistukseen ja liittämiseen, koska kapselointi helpottaa kuumamuokkausta vähentäen repeämien riskejä tai riskiä siitä, että repeämät jäävät korjautumatta — kuumamuokkauksen — edetessä. Lisäksi —kapseloimalla — voidaan — estää erikoismateriaalin hapettumista ja vähentää hiilenkatoa ja siten tarvetta materiaalin poistamiseen athion pinnasta koneistamalla.

Keksinnön mukaisessa valmistusmenetelmässä voidaan käyttää välikerrosmateriaaleja estämään haitalliset rajapintareaktiot ja voidaan vähentää monimateriaalirakenteisiin — syntyviä jäännösjännityksiä. Tämä mahdollistaa huonosti yhteensopivien materiaalien liittämisen ja prosessoinnin ilman tyypillisiä repeämäongelmia.

Keksinnön — mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan — parantaa — valssien mekaanista luotettavuutta, koska ne alueet valsseissa, joihin kohdistuu valssauksessa suuria taivuttavia kuormituksia, voidaan valmistaa vähemmän halkeiluherkästä perusmateriaalista ja käyttää erikoismateriaalia vain valssin työpinnalle. Tämä lisää valssien luotettavuutta ja edesauttaa niiden käyttöä vaativissa käyttökohteissa, joissa valssien kriittisiin alueisiin kuten esimerkiksi työpinnoille kohdistuu merkittäviä kuormituksia.

Keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä on mahdollista valita joustavasti sovelluksen ja tavoiteltavien valssin ominaisuuksien suhteen tarkoituksenmukainen ja kustannustehokas valssin työpinnan materiaali erikokoisiin, erityisesti suuriin valsseihin. Nykyisin ei kyetä valmistamaan valssin työpintaa korkeaseosteisimmista materiaaleista osana yhdistelmärakenteita erityisesti suurten valssien tapauksessa. Näin ollen keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan toteuttaa valssaussovelluskohtainen räätälöinti ja materiaalivalinta edullisesti.

o

S

S + PIIRUSTUSTEN KUVAUS

I E 30 Piirustukset — 1a-1c — esittävät — skemaattisestt — esimerkkejä = eri — vaihtoehdoista N monimateriaalilähtöaihioiden valmistamiseksi. Piirustus la esittää 5 kuumaisotaattista puristusta, Piirustus 1b esittää sulametalliruiskutusta tai - Q kerrostusta, ja Piirustus 1c esittää valamista.

Piirustukset 24-2c esittävät skemaattisesti monimateriaalivalssin valmistusta vaiheittain kuumamuokkaamalla vain ei-pinnoitettuja alueita siten, että Piirustus 2a esittää valssin monimateriaalista aihiota ennen muokkausta, Piirustus 2b esittää aihion kuumamuokkausta takomalla, ja Piirustus 3c esittää monimateriaalivalssia kuumamuokkauksen jälkeen.

Piirustukset 3a-3c esittävät skemaattisesti monimateriaalivalssin valmistusta vaiheittain siten, että valssin monimateriaaliaihio on valmistettu kuumaisostaattisella puristuksella kokonaan erikoismateriaalilla pinnoitettuna ja kapseloituna, ja kuumamuokkaus tapahtuu takomalla koko aihion pituudelta.

Piirustukset 4a-4c esittävät skemaattisesti monimateriaalivalssin valmistusta vaihteittain siten, että monimateriaalilähtöaihiossa on erikoismateriaalin ja perusmateriaalin välissä kolmatta materiaalia, ja kuumamuokkaus tapahtuu takomalla koko aihion pituudelta.

Piirustukset 5a-5c esittävät skemaattisesti monimateriaalivalssin valmistusta vaiheittain siten, = että — monimateriaalilähtöaihiossa = on — erikoismateriaalia— liitetty monimateriaaliathion — valssaustyöalueelle ja erikoismateriaalin ympärille on valmistettu ohutlevykapseli, ja kuumamuokkaus tapahtuu takomalla koko aihion pituudelta.

Piirustukset 6a-6¢ esittävät skemaattisesti monimateriaalivalssin valmistusta vaiheittain siten, että monimateriaaliaihiossa on erikoismateriaalia — liitetty monimateriaaliaihion = valssaustyöalueelle ja erikoismateriaalin ympärille on = valmistettu ohutlevykapseli, ja kuumamuokkaus tapahtuu takomalla vain muulle N kuin erikoismateriaalia sisältävälle alueelle.

O s - Piirustukset 7a-7d esittävät skemaattisesti monimateriaalivalssin valmistusta vaiheittain E 30 siten, että monimateriaaliathion molemmat materiaalit valmistetaan ja liitetään N toisiinsa yhtäaikaisesti valamalla — teräslevyllä — toisistaan — erotettuna, aihio 5 kapseloidaan tarvittaessa, ja kuumamuokkaus tapahtuu koko aihion pituudelta.

N

Piirustukset 8a-8d esittävät skemaattisesti monimateriaalivalssin valmistamista vaiheittain siten, että perusmateriaalia on muotoiltu helpottamaan — kapselointia ja kuumamuokkausta, ja kuumamuokkaus tapahtuu koko aihion pituudelta.

Piirustukset 94-9d esittävät skemaattisesti monimateriaalivalssin valmistamista vaiheittain siten, että monimateriaaliathio on pinnoitettu jollakin valitulla menetelmällä ja aihion ympärille on valmistettu ohutlevykapseli, ja kuumamuokkaus tapahtuu takomalla koko aihion pituudelta.

Piirustusten on tarkoitus havainnollistaa keksinnöllistä ajatusta. Näin ollen piirustuksia ei ole laadittu tietyssä mittakaavassa eikä niiden ole tarkoitus määritellä nimenomaisia osien tai komponenttien keskinäisiä sijoitteluja.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS Tekstissä viitataan piirustuksiin seuraavin viitemerkinnöin: 1 Valssi P Valssin aihio 2 Työpinta 3 Akseli 4 Runko 5 Kuori 6 Välikerros 2 7 Erottava levy & a 10 Taontatyökalu = 11 Valumuotti > 12 Evakuointiputki E 30 13 Hitsauspää a 14 Paineastia

O > 15 Lämmitysvastus N A Frikoismateriaali B Perusmateriaali

C Välikerrosmateriaali D Kapselimateriaali Hy’ Valssin aihion halkaisija Hy Valssin halkaisija H3 Valssin akselin halkaisija L Pituus | Erikoismateriaalisen osuuden pituus valssin aihiossa La Erikoismateriaalisen osuuden pituus valssissa Lc Kapseloidun alueen pituus Ly Valssin athion pituus ennen kuumamuokkausta Ly Valssin pituus Keksinnön mukaisessa menetelmässä valmistetaan monimateriaalisia valsseja 1 siten että voidaan hyödyntää käyttökohteen mukaisesti edullisimmin valittuja valssin 1 työpinnan 2 erikoismateriaaleja A edullisesti yhdessä matalaseosteisen valssin perusmateriaalin B kanssa. Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan valmistaa suuria, kuten esimerkiksi pituudeltaan Lv yli 3 metriä pitkiä valsseja. Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan valmistaa tällaisia suuria valsseja 1 yhtenä kappaleena ilman hitsausta ja mekaanisia liitoksia siten, että valssien 1 työpinnollla 2 on runsaasti seostusta ja seosaineiden muodostamia karbideja sisältäviä teräksiä. Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan valmistaa pituudeltaan Ly jopa yli 7 metriä pitkiä valsseja 1 siten, että niiden työpinnoilla 2 on kaikkein runsasseosteisimpia kulutuskestäviä teräksiä sisältävistä materiaaleista. Valssin 1 pituudella Ly tarkoitetaan valssin 1 kokonaispituutta. Yleensä tämä kokonaispituus on valssin 1 akselien 3 suuntainen pituus, kuten on esitetty esimerkiksi Piirustuksessa 2c. Tällöin = pituus Ly sisältää sekä työpintaa 2 edustavan osuuden että akselit 3.

N

S + Valssin 1 työpinta 2 tarkoittaa sitä osaa valssista 1, jolla suoritetaan valssaus ja joka on valssin 1 > käytön aikana kontaktissa valssattavan materiaalin kanssa E 30 N Valssin 1 monimateriaalisuus tarkoittaa sitä, että valssi 1 sisältää useita eri materiaaleja, jotka on 5 liitetty toisiinsa metallurgisilla tai diffuusioliitoksilla ilman mekaanisten liitosten kuten N kutistusliitosten, pulttikiinnitysten tai ahdistusliitosten käyttöä.

Jäljempänä monimateriaaliaihiolla tarkoitetaan vähintään kahdesta materiaalista valmistettua valssin aihiota 1? kuumamuokkauksen jälkeen, jolloin valssin aihio P on valmis viimeistelyyn esimerkiksi koneistamalla ja/tai lämpökäsittelyillä. Kuumamuokkauksella tarkoitetaan valssin athion 1 dimensioiden muokkaamista korkeassa lämpötilassa siten, että - — valssin 1 pituus Ly on haluttu ja suurempi kuin valssin aihion P pituus Lv ennen kuumamuokkausta, ja/tai - — valssin 1 halkaisija Hy on haluttu ja pienempi kuin valssin aihion P halkaisija Hv? ennen kuumamuokkausta, ja/tai - — valssin 1 akselin 3 halkaisija Hs on haluttu ja pienempi kuin vastaavan osion halkaisija valssin aihiossa I ennen kuumamuokkausta. On kuitenkin ymmärrettävä, että mikäli kuumamuokatusta valssin aihiosta P valmistetaan useita valsseja 1 esimerkiksi katkaisemalla kuumamuokattu valssin aihio P useaksi valsseiksi 1, kunkin tällaisen kuumamuokatusta aihiosta 1” erottamalla valmistetun valssin 1 pituus Ly ei välttämättä ole suurempi kuin valssin aihion P pituus Ly’ ennen kuumamuokkausta. Tätä erikoistapausta ei jäljempänä esitystavan selkeyden vuoksi toisteta. Kuitenkin tässäkin erikoistapauksessa kuumamuokatusta athiosta 1 erottamalla valmistettujen valssien 1 pituudet Ly ovat yhteenlaskettuna suuremmat kuin valssin athion P pituus Ly’ ennen kuumamuokkausta. Kuumamuokkauksen korkea lämpötila voi olla esimerkiksi yli 1000 °C, kuten esimerkiksi 1060- 1200 °C tai 1000-1175 °C tai 1000-1200 °C tai 1100-1250 °C. Jäljempänä monimateriaalilähtöaihiolla tarkoitetaan monimateriaaliaihiota edellä määritellyn = mukaisesti ennen kuumamuokkausta.

N

S + Keksinnön mukaisessa menetelmässä metallien kuuma- ja kylmämuokkauksessa käytettävä > valssi 1 valmistetaan monimateriaalirakenteisena sopivalla menetelmällä siten, että valssin 1 E 30 työpinnoilla 2 käytetään kestävämpää erikoismateriaalia A ja valssin rungossa 4 ja muissa osissa N materiaalikustannukseltaan edullisempaa mutta mekaanisesti kestävää perusmateriaalia B. 5 i

Valssin 1 erikoismateriaalta A käsittävä osio voi muodostaa koko valssista 1 esimerkiksi enintään 60 tilavuus-% tai enintään 50 tilavuus-% tai enintään 40 tilavuus-% tai enintään 30 tilavuus-% tai enintään 20 tilavuus-% tai enintään 10 tilavuus-% tai enintään 5 tilavuus-%.

Valssin erikoismateriaalia A käsittävä osio voi esimerkiksi muodostaa pinnoitteen valmiin valssin ulkopinnalla. Tällaisessa tapauksessa pinnoitetta voi olla esimerkiksi 500 mm tai 750 mm tai 1000 mm tai 1250 mm tai 1500 mm matkalla valmiin valssin 1 kokonaispituudesta Lv. Erikoismateriaali A voi olla esimerkiksi jokin teräksistä AISI D2, AISI T15, AISI A11, AISI M3 ja AISI M4. Erikoismateriaalille A tunnusomaista on se, että sen kulumiskestävyyden ja kovuuden lisäämiseksi normaaleja teräksiä paremmaksi, sen karbidien kokonaismäärää on nostettu riittävällä hiilipitoisuudella ja karbideja muodostavien seosaineiden käytöllä. Erikoismateriaalin A hiilipitoisuus voi olla esimerkiksi enemmän kun 0,8 paino-% tai esimerkiksi enemmän kuin 1,1 paino-%.

Erikoismateriaali A voi sisältää karbideja ja/tai nitridejä muodostavia seosaineita kuten esimerkiksi kromia, molybdeeniä, vanadiinia, volframia, niobiumia tai titaania. Karbideja ja/tai nitridejä muodostamia seosaineita voi olla esimerkiksi enemmän kuin 8 paino-% tai enemmän kuin 12 paino-Y:a tai enemmän kuin 15 paino-%.

Erikoismateriaali A voi olla käyttökuntoon lämpökäsiteltynä kovuudeltaan esimerkiksi suurempi kuin HRC 35 tai suurempi kuin HRC 45.

EFrikoismateriaalin A karbidien keskikoko voi olla esimerkiksi pienempi kuin keskimäärin 50 um = tar pienempi kuin keskimäärin 20 um. Karbidin koko määritetään karbidin suurimman N . .

A dimension mukaan.

O x - Perusmateriaali B voi olla esimerkiksi teräs DIN 42CrMo4 tai hiiliteräs EN S355.

E 30 Perusmateriaalille B tunnusomaista on se, että sen seosaste on suhteellisen matala ja N hiilipitoisuus yleensä alle 0,5 paino-%.

O N Monimateriaalisen valssin aihion P erikoismateriaalia A käsittävä osio kuten esimerkiksi työpinta 2 liitetään perusmateriaalia B käsittävään osioon kuten esimerkiksi runkoon 4 jollakin sopivalla menetelmällä, joka sopii käytettävien materiaalien valmistukseen ja/tai liittämiseen. Liittäminen voi tapahtua samanaikaisesti erikoismateriaalia A käsittävän osion valmistuksen yhteydessä, kuten esimerkiksi on tilanne hitsauspinnoituksessa tai käytettäessä kuumaisostaattista puristusta pulverimetallurgisen materiaalin valmistukseen ja pinnoitukseen perusmateriaalia B käsittävän osion pinnalle. Keksinnön mukaisessa menetelmässä on myös mahdollista valmistaa valssin athion I erikoismateriaalia A käsittävä osio ja perusmateriaalia B käsittävä osio yhtä aikaa siten, että ne liittyvät yhteen yhtäaikaisesti ainakin toisen näistä osioista valmistuksen aikana. Piirustuksessa 7a on esitetty esimerkki, jossa sekä erikoismateriaalia A käsittävä osio että perusmateriaalia B käsittävä osio valmistetaan valamalla yhtäaikaisesti ja niiden jäähtyessä nämä osiot samalla liittyvät toisiinsa. Valssin 1 monimateriaalilähtöaihton 1 valmistukseen voidaan käyttää eri menetelmiä, kuten esimerkiksi Piirustuksessa 14 esitetty kuumaisostaattinen puristus, Piirustuksessa 19 sulametalliruiskutus tai -kerrostus, tai Piirustuksessa 1c esitetty valaminen. Piirustuksen 14 esittämällä tavalla kuumaisostaattisessa puristuksessa erikoismateriaali A ja perusmateriaali B asetetaan yhteen liitospinnat vastakkain, materiaali kapseloidaan ympäri ohutlevykapselilla ja kappaleelle suoritetaan korotetussa lämpötilassa ja paineessa liittäminen erityisessä korkealämpötilapaineastiassa. Erikoismateriaali A voi olla joko pulverimuodossa tai kiinteänä. Tämän jälkeen monimateriaalilähtöaihio on valmis kuumamuokkaukseen. Piirustuksen 1/4 esittämällä tavalla sulametalliruiskutuksessa tai -kerrostuksessa pinnoituksen jälkeen monimateriaalilähtöaihio on valmis kuumamuokkaukseen. o

S a Piirustuksen 1c esittämällä tavalla valamisessa valetaan erikoismateriaali A ja perusmateriaali B = samassa prosessivaiheessa muottiin käyttäen välikerroslevyä erottamaan sulat metallit toisistaan. > Jähmettymisen jälkeen monimateriaalilähtöaihio on valmis kuumamuokkaukseen. & 30 <+ = o Valssin erikoismateriaalia A käsittävän osion valmistustapa valitaan perusmateriaalin B, kuten N esimerkiksi teräksen, koostumuksen mukaisesti. Esimerkiksi pulverimetallurgisen tai jollain muulla nopean jäähtymisen menetelmillä valmistetun erikoismateriaalin A käyttö sopii kaikkein korkeaseosteisimmille materiaaleille ja sen tiivistäminen ja liittäminen perusmateriaaliin B tapahtuu kuumaisostaattisella puristuksella. Toisaalta hitsauspinnoitusta käytettäessä on huomioitava erikoismateriaalin A hitsattavuus ja saatavuus eri hitsauslisdaineina. Lisäksi hitsauskerrostusmenetelmän tuottavuuden rajoitteiden vuoksi se sopii lähinnä ohuille pinnoitteille. Hyödyntäessä valumenetelmää erikoismateriaalia A käsittävän osion valmistukseen ja liittämiseen perusmateriaalia B käsittävään osioon, on huomioitava erikoismateriaalin A valettavuus ja — riittävä — materiaalin — kuumamuokattavuus = valssin — aihton TP kuumamuokkausvaiheessa.

Myös muita valssin 1 monimateriaalilähtöaihion P valmistustapoja voidaan hyödyntää riippuen käytetystä seostuksen määrästä, mikrorakenteesta ja sopivuudesta valmistusmenetelmän eri vaiheisiin.

Valssin monimateriaalilähtöaihio P voidaan valmistaa myös siten, että sekä erikoismateriaalia A käsittävä osio että perusmateriaalia B käsittävä osio valmistetaan yhtä aikaa ja liitetään samalla toisiinsa. Tämän menettelyn etuna on se, että työvaiheiden määrä vähenee sekä se, että perusmateriaalia B käsittävän osion pintaa ei tarvitse koneistaa ja valmistella pinnoitusta varten. Lisäksi valssin monimateriaalilähtöaihion P näiden molempien eri materiaalia käsittävien osioiden jäähtyessä yhtä aikaa, aihion rakenteeseen syntyy pienemmät jäännösjännitykset.

Piirustuksissa 74-74 on esitetty tällaisen valmistuksen kanssa yhtäaikaiseen liittämiseen perustuvan menetelmän periaate valumenetelmän tapauksessa. Valumenetelmää käytettäessä valetaan muottiin esimerkiksi yhtä aikaa sekä erikoismateriaali A että perusmateriaali B piirustuksen 74 mukaisesti. Erikoismateriaalia A käsittävää osiota ja perusmateriaalia B käsittävää osiota erottaa esimerkin tapauksessa esimerkiksi metallinen erottava levy 7, joka S kestää valulämpötilan ja pystyy erottamaan materiaaleja A ja B käsittävät osiot toisistaan. Tämän N jälkeen monimateriaalilähtöaihio 1? kuumamuokataan piirustuksen 74 mukaisesti joko = sellaisenaan — piirustuksen 74 mukaisena tai kapseloituna piirustuksen 7 mukaisesti. > Kuumamuokkauksen lopputuloksena on haluttuun valssin paksuuteen Hy ja pituuteen Lv E 30 kuumamuokattu monimateriaaliaihio 1’. Tämä valmistustapa sopii myös muille valmistustavoille N kuin valumenetelmään perustuville, kuten esimerkiksi pulverimetallurgisesti valmistetuille > aihioille, missä esimerkiksi erikoismateriaali A ja/tai perusmateriaali B on/ovat N pulverimuodossa ja ne tiivistetään yhdessä työvaiheessa esimerkiksi kuumaisostaattisella puristuksella monimateriaalilähtöaihioksi kuumamuokkausta varten.

Toinen esimerkki materiaalien yhtäaikaisesta valmistuksen on variaation piirustuksen 1b menetelmästä missä aluksi valmistetaan perusmateriaali sulametalliruiskutuksella tai - kerrostuksella — perusmateriaalista B minkä jälkeen sulametalliruiskutusta — jatketaan erikoismateriaalilla A perusmateriaalin B ympärille monimateriaalilähtöaihion valmistamiseksi. Tämän menetelmän samoin kuin aiemmin kuvatun valuteknologiaan piirustuksessa 7a kuvatun menetelmän mukaisesti etuina on pienempi riski halkeamille koska erikoismateriaalin A jäähtyy lähes yhtäaikaisesti perusmateriaalin B kanssa. Lisäksi vältetään perusmateriaalin A valmistus ja mahdolliset koneistukset ennen monimateriaalilähtöaihion valmistusta.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä koko valssin athio 1 kuumennetaan korkeaan lämpötilaan kokonaan tai osittain sen jälkeen, kun erikoismateriaalia A käsittävä osio kuten esimerkiksi työpinta 2 on liitetty perusmateriaalia B käsittävään osioon kuten esimerkiksi runkoon 4. Korkea lämpötila tarkoittaa esimerkiksi 800-1300 °C, tai esimerkiksi yli 1000 PC, kuten esimerkiksi 1060- 1200 °C tai 1000-1175 °C tai 1000-1200 °C tai 1100-1250 °C. Esimerkiksi kuumamuokatessa vain perusmateriaalia B valssin aihion 1 päissä pituuden kasvattamiseksi on mahdollista kuumentaa vain nämä alueet kuumamuokkauslämpötilaan. Kuumamuokkauksella valssin athio 1 voidaan pidentää korkeassa lämpötilassa pituudeltaan Lv riittävän pitkäksi lopullisen valssin 1 valmistusta varten siten, että lopullisen valssin 1 pituus Lv on suurempi kuin valssin aihion 1 pituus LY ennen kuumamuokkausta. Lisäksi kuumamuokkauksella voidaan saavuttaa haluttu erikoismateriaalin A rakenne ja laatu, sekä saavuttaa haluttu erikoismateriaalia A käsittävän osion liitoslujuus perusmateriaalia B käsittävään osioon. Kuumamuokkaus voidaan suorittaa koko valssin aihiolle 1°, kuten Piirustuksissa 3-5 sekä 8-9 esitetään, tai vain osalle sittä, kuten Piirustuksissa 2 ja 6 esitetään. Mikäli kuumamuokkaus = suoritetaan vain osalle valssin aihiosta 12, voidaan se suorittaa esimerkiksi vain sille osalle aihiosta N 1, joka ei käsitä erikoismateriaalia A, kuten on esitetty Piirustuksissa 2 ja 6.

O s - Kuumamuokkauksen laajuus voidaan valita esimerkiksi sillä perusteella, tarvitseeko E 30 erikoismateriaalilla A pinnoitetun osion laadun ja liitoksen lujuuden varmistaminen S kuumamuokkausta vai et.

S Q Erään esimerkin mukaisesti valssin athion 1° kuumamuokkaus voidaan suorittaa Piirrosten 34- 3c esittämällä tavalla siten, että kuumamuokkauksen kohteena on kuumaisostaattisella puristuksella valmistettu monimateriaalilähtöaihio 1°, jossa on uloimpana kerroksena kapselimateriaalista D muodostettu kuori 5, kuten Piirustuksessa 34 on esitetty. Tässä esimerkissä kuumamuokkaus tapahtuu Piirustuksen 32 mukaisesti koko athiolle 1° sen pidentämiseksi valmiin valssin 1 halutun pituuden Ly aikaansaamiseksi.

Toisen esimerkin mukaisesti valssin athion 1? kuumamuokkaus voidaan suorittaa Piirustusten 4a-4c esittämällä tavalla siten, että kuumamuokkauksen kohteena on monimateriaalilähtöaihiossa 1”, jossa on erikoismateriaalia A käsittävän osion ja perusmateriaalia B käsittävän osion välissä välikerrosmateriaalia C käsittävä välikerros 6. Tässä esimerkissä kuumamuokkaus tapahtuu Piirustuksen 46 mukaisesti koko monimateriaalilähtöaihiolle 1°.

Valssin monimateriaaliaihio 1? voidaan valmistaa esimerkiksi Piirustusten 34-3c ja 44-4c kuvaamalla tavalla siten, että erikoismateriaalia A on liitetty koko perusmateriaalia B käsittävän osion ulkopintaan, jolloin kuumamuokkauksessa koko aihio pitenee monimateriaalisena siten, että aihion poikkileikkauksessa perusmateriaalia B käsittävä osio on erikoismateriaalia A käsittävän oston ympäröimä. = Tällöin kuumamuokkauksen myötä pituudeltaan Lv pidentyneessä valssin aihiossa P on erikoismateriaalia A myös mahdollisesti muilla alueilla kuin valmiin valssin työpinnan 2 kohdalla. Näin ollen valmiin valssin 1 valmistamiseksi voidaan suorittaa esimerkiksi viimeistelykoneistus, jossa erikoismateriaalia A voidaan poistaa, esimerkiksi muilta pinnoilta kuin valmiin valssin 1 työpinnalta tai työpinnoilta 2. Tämä valmistustapa sopii sovelluksiin, joissa erikoismateriaalin A halutaan peittävän merkittävän osan perusmateriaalia B käsittävästä osiosta ja/tai kuumamuokkauksella halutaan parantaa erikoismateriaalin A rakennetta ja liitoslujuutta perusmateriaaliin B.

Valssin monimateriaaliathio 1? voidaan valmistaa myös esimerkiksi Piirustusten 54-5c ja 64-6c = kuvaamalla tavalla siten, että erikoismateriaalia A on liitetty perusmateriaalia B käsittävään N osioon vain osalle sen ulkopintaa. Näin menetellen voidaan säästää korkealuokkaisemman ja = materiaalikustannuksiltaan korkeamman —erikoismateriaalin A kustannuksissa ja käyttää > erikoismateriaalia A vain valssin 1 kriittisillä pinnoilla kuten esimerkiksi työpinnalla 2. Tällöin & 30 voidaan liittämisvaiheen jälkeen suorittaa kuumamuokkaus koko valssin athiolle 1? esimerkiksi N Piirustusten 54-5¢ mukaisesti mukaan lukien erikoismateriaalia A käsittävä osio, eli esimerkiksi > erikoismateriaalin A ympäröimä alue valssin athiosta P. Vaihtoehtoisesti voidaan valssin 1 N monimateriaaliaihio muokata vain osittain esimerkiksi Piirustusten 64-6c mukaisesti esimerkiksi niiltä alueilta, jotka eivät käsitä erikoismateriaalia A käsittävää osiota, eli esimerkiksi niiltä alueilta,

joilla ei ole erikoismateriaalia A ympäröimässä perusmateriaalia B käsittävää osiota. Tämä jälkimmäinen vaihtoehto on edullinen erityisesti tilanteissa, joissa erikoismateriaalin A kuumamuokattavuus on huono ja/tai joissa erikoismateriaalia A käsittävä osio ei tarvitse kuumamuokkausta liitoslujuuden tai materiaaliominaisuuksien parantamiseksi.

Tällainen tilanne, jossa liitoslujuus erikoismateriaalin A ja perusmateriaalin B välillä on riittävä myös ilman kuumamuokkausta, on esimerkiksi valmistettaessa erikoismateriaalia A käsittävä 0810 ja liitettäessä se perusmateriaalia B käsittävään osioon käyttäen kuumaisotaattista puristusta. Kuumaisostaattisessa puristuksessa Piirustuksen 14 mukaisesti joko pulverimuodossa tai kiinteässä muodossa oleva erikoismateriaali A kapseloidaan yhteen perusmateriaalia B käsittävän osion kanssa, minkä jälkeen kapselin sisäosa evakuoidaan ilmasta. Tämän jälkeen kapseloitu aihio P siirretään kuumaisostaattisessa puristuksessa käytettävään korkeaa lämpötilaa kestävään paineastiaan 14, jossa missä aihtoon P kohdistetaan korkean lämpötilan ja isostaattisen paineen yhdistelmä, joka johtaa erikoismateriaalin A ja perusmateriaalin B väliseen liitokseen eli erikoismateriaalia A käsittävän osion ja perusmateriaalia B käsittävän osion väliseen liitokseen. Jos erikoismateriaali A on pulverimuodossa, se tiivistyy samassa valmistusvaiheessa. Paineastiassa käytettävä korkea lämpötila voi olla esimerkiksi 1000-1200 °C. Paineastiassa käytettävä isostaattinen paine voi olla esimerkiksi 80-150 MPa.

Jos erikoismateriaalia A käsittävän osion muokkaaminen koko aihion muokkauksen yhteydessä on eduksi esimerkiksi erikoismateriaalin A ominaisuuksien = parantamiseksi = ja/tai erikoismateriaalia A käsittävän osion ja perusmateriaalia B käsittävän osion välisen liitoksen lujuuden lisäämiseksi, voidaan myös erikoismateriaalia A käsittävä osio kuten esimerkiksi erikoismateriaalilla A pinnoitettu osio valssin aihiosta 1 muokata aihion 1? muiden alueiden lisäksi. Ptirustuksissa 54-5c esitetään tällaista menettelyä erään esimerkin mukaisesti.

o

S a Jos muokataan yhtäaikaisesti valssin athion 1’ erikoismateriaalia A käsittävää osiota ja = perusmateriaalia B käsittävää osiota, on tärkeää valita kuumamuokkausparametrit kuten > esimerkiksi muokkauslämpötila siten, että kuumamuokkausparametrit soveltuvat molemmille E 30 materiaaleille sekä siten, että valittujen kuumamuokkausparametrien seurauksena ei aiheudu N erikoismateriaaliin A ja/tai perusmateriaaliin B halkeamia. Esimerkiksi erikoismateriaalin A AISI 5 D2 ja perusmateriaalin B DIN 42CrMo4 yhdistelmä voidaan edullisesti muokata lämpötilassa N 1000-1200 °C. Taman kuumamuokkauksen jilkeen edellä sanotussa tapauksessa kuumamuokattu aihio voidaan siirtää uuniin, jonka lämpötila voidaan edullisesti asettaa alueelle

650—750 °C aiakin 6 tunnin ajaksi, jonka ajan jälkeen uunin lämpötila voidaan hitaasti laskea huoneenlämpötilaan. Joidenkin materiaalien, kuten esimerkiksi erikoismateriaalina A käytettävän teräksen AISI T15 ja perusmateriaalina B käytettävän hiiliteräksen EN S355 välissä voi olla edullista käyttää välikerrosmateriaalia C erikoismateriaalin A ja perusmateriaalin B välissä edesauttamaan erikoismateriaalin A ja perusmateriaalin B välisen liitoksen syntymistä, vähentämään jäännösjännityksiä — ja/tai — estämään = hauraiden — mikrorakenteiden — muodostumista. Välikerrosmateriaalia C näin käytettäessä valssin athiossa P voi olla välikerrosmateriaalia C käsittävä välikerros 6 erikoismateriaalia A käsittävän osion ja perusmateriaalia B käsittävän osion välissä. Välikerrosmateriaalia C näin käytettäessä valmiissa valssissa 1 voi olla välikerrosmateriaalia C käsittävä välikerros 6 erikoismateriaalia A käsittävän osion ja perusmateriaalia B käsittävän osion välissä. Välikerrosmateriaalin C edellä kuvatun kaltaista käyttöä on esitetty Piirustuksissa 44-4c erään esimerkin mukaisesti. Välikerrosmateriaali C voi olla esimerkiksi nuorrutusterästä tai nikkeliä. Ennen kuumamuokkausta, erityisesti jos kuumamuokataan myös materiaalia A käsittävää valssin athion P osiota, saattaa olla tarpeen suojata materiaalia A käsittävä osio kapseloimalle se kuorella 5 esimerkiksi Piirustusten 84-84 ja 94-9c mukaisesti. Kuori 5 voi olla ohutmetallinen.

Ohutmetallinen kuori 5 voi olla esimerkiksi hyvin muovattavaa erittäin matalahiilistä terästä, jonka hiilipitoisuus on alle 0,1 paino-%. Kuorta 5 voidaan käyttää esimerkiksi siten, että kuori 5 peittää koko valssin aihion 1’, kuten on kuvattu Piirustuksissa 94-9c. Kuoren 5 paksuus voi olla esimerkiksi vähintään 0,5 mm tai vähintään 1,5 mm.

Kuorella 5 voidaan suojata erikoismateriaalia A, joka voi olla suuren seostuksen vuoksi altista = halkeamille. Tällaisella suojauksella eli kapseloinnilla voidaan estää erikoismateriaalin A ja N erityisesti valssin athion P erikoismateriaalia A käsittävän osion pintaan mahdollisesti syntyvien = halkeamien pintojen hapettumista. Halkeamien pintojen hapettumisen estäminen on eduksi, sillä > hapettuminen vähentää tai jopa estää kuumamuokkauksessa mahdollisesti syntyvien halkeamien E 30 sulkeutumista kuumamuokkauksen edetessä. Myös valssin aihion 1 erikoismateriaalia A N käsittävän osion ja perusmateriaalia B käsittävän osion välisen rajapinnan repeämien 5 suojaaminen hapettumiselta ja siten korjautumisen estymiseltä muokkauksen aikana helpottuu N kuoren 5 suojatessa kapseloituja pintoja ja estäessä niiden hapettumisen. Kuori 5 suojaa myös erikoismateriaalia A käsittävän osion hapettumiselta ja hiilenkadolta vähentäen tarvetta hiilenkatokerroksen poistoon valssin athion 1 viimeistelykoneistuksessa. Lisäksi kapselointi saattaa vähentää tarvetta erikoisuunien kuten esimerkiksi vakuumi- tai suojakaasu-uunien käyttöön lämpökäsittelyssä, joiden käyttö on myös kalliimpaa kuin tavanomaisten uunien käyttö. Valssin aihion P kuoren 5 ja sen alla olevan kerroksen välinen tyhjä tila, pienikin, on edullista evakuoida eli poistaa tästä tyhjästä tilasta ilma tai vaihtoehtoisesti täyttää tämä tyhjä tila sopivalle inertillä tai e1-haitallisella kaasulla, kuten esimerkiksi typellä, tai kaasuseoksella. Ilman evakuointi parantaa kapseloinnin vaikutuksia estämällä rajapintojen hapettumisen ja parantaen liitosten laatua kuoren ja sen alla olevan kerroksen välillä. Evakuoinnin jälkeen sanottu tyhjä tila voidaan sulkea kaasutiiviisti hapettumisen ja/tai hiilenkadon ehkäisemiseksi.

Jos valssin aihion P erikoismateriaalia A käsittävän osion liittäminen perusmateriaalia B käsittävään ostoon tehdään kuumaisostaattisella puristuksella siten, että hyödynnetään joko koko valssin aihion P ympärille tai vähintään liitettävän erikoismateriaalia A käsittävän osion ympärille valmistettua metallista kapseloivaa kuorta 5, tätä kapseloivaa kuorta 5 ei tarvitse valmistaa enää erikseen kuumamuokkausta varten. Sen sijaan käytettäessä esimerkiksi jotain muuta liittämistapaa kuten sähkökuonasulatusta, valua, ruiskutusta, sulakerrostusta tai päällehitsausta, on kapseloivan kuoren 5 valmistus tehtävä erikseen. Erityisesti tilanteessa, jossa valssin monimateriaalilähtöaihiossa P ei koko perusmateriaalia B käsittävää osiota ole pinnoitettu erikoismateriaalilla A, on mahdollista myös kapseloida erikoismateriaalia A käsittävä osio hitsaamalla kapseloiva kuori 5 erikoismateriaalia A käsittävän osion ympäriltä perusmateriaalia B käsittävään osioon kiinni. Näin voidaan menetellä esimerkiksi Piirustusten 54-50, 64-6c ja 84-84 kuvaamissa tapauksissa. Piirustuksissa 84-84 on esitetty esimerkki tavasta muotoilla valssin aihion 1 kiinteä S perusmateriaalia B käsittävä osio ennen erikoismateriaalia A käsittävän osion liittämistä siten, N että kapselointi ja sen jälkeinen kuumamuokkaus helpottuisi. Piirustuksen 84 mukaisesti = perusmateriaalia B käsittävään osioon tehdään esimerkiksi koneistamalla, valamalla tai takomalla > upotus sille alueelle, mihin liitetään erikoismateriaali A eli mille alueelle erikoismateriaalia A E 30 käsittävä osio muodostetaan. Piirustuksen 82 mukaisesti erikoismateriaali A pinnoitetaan N upotukseen eli erikoismateriaalia A käsittävä osio muodostetaan upotukseen. Piirustuksen 8c > mukaisesti muodostetun erikoismateriaalia A käsittävän osion ympärille tehdään kapselointi N kuorella 5. Piirustuksen 87 mukaisesti koko edellä tavoin kuvatulla tavalla muodostetulle monimateriaalilähtöaihiolle 1? tehdään kuumamuokkaus. Tässä Piirustusten 84-84 esittämässä tapauksessa kapseloiva kuori 5 voidaan valmistaa esimerkiksi rullaamalla levystä tai käyttämällä putkimaista sopivan kokoista kuorta 5. Keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan valmistaa kahdesta eri materiaalista kylmä- tai kuumamuokkaamalla monimateriaalinen valssi 1. Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan valmistaa useammasta kuin kahdesta materiaalista kylmä- tai kuumamuokkaamalla monimateriaalinen valssi 1. Keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan valmistaa monimateriaalinen valssi 1 yhtenä kappaleena ilman hitsausta ja/tai mekaanisia liitoksia.

Erityisesti keksinnön mukainen menetelmä soveltuu suurten, pituudeltaan Lv yli 3 metriä pitkien tai yli 3,5 metriä pitkien tai yli 4 metriä pitkien monimateriaalisten valssien 1 valmistamiseksi.

Keksinnön mukainen menetelmä sisältää ainakin seuraavat vaiheet: - — valmistetaan valssin athion P perusmateriaalia B käsittävä osio esimerkiksi takomalla, hitsaamalla tai valamalla,

- — suoritetaan valssin aihion 1 perusmateriaalia B käsittävän osion tarpeelliset koneistukset, pinnan puhdistukset ja valinnaisesti välikerrosmateriaalia C käsittävän välikerroksen 6 asennus,

- — suoritetaan valssin athion 1 perusmateriaalia B käsittävän osion sekä siihen valinnaisesti liitetyn välikerroksen 6 esilämmitys, jos esilämmitys on tarpeen myöhemmin käytettävän erikoismateriaalin A liittämismenetelmän vaatimusten vuoksi ja/tai mahdollisesti koko valssin 1 valmistusprosessin kannalta esimerkiksi valupinnoituksessa, ainetta lisäävässä valmistuksessa (additive manufacturing) kuten sulametalliruiskutuksessa ja - kerrostuksessa tai hitsauksessa,

- — muodostetaan valssin aihion 1 erikoismateriaalia A käsittävä osio esimerkiksi pinnoittamalla perusmateriaalia B käsittävän osion pinta tai osa sen pinnasta

S erikoismateriaalilla A, joka on kulumiskestävyydeltään ja muilta ominaisuuksiltaan A sopiva valmistettavaan monimateriaaliseen valssiin 1,

= - — suoritetaan näin muodostetulle valssin aihiolle P halutun aihion 1” pituuden Lv I saavuttamiseksi, ja/tai erikoismateriaalia A käsittävän osion mikrorakenteen > 30 optimoimiseksi ja/tai liitoslujuuden parantamiseksi erikoismateriaalia A käsittävän osion N ja perusmateriaalia B käsittävän osion välille,

> - — suoritetaan kuumamuokatun valssin aihion 1 loppukäsittely, kuten esimerkiksi N lämpökäsittely ja/tai koneistus, valmiin valssin 1 aikaansaamiseksi.

On olennaista huomata että monimateriaalilähtöaihion molemmat materiaalit ovat jo ennen kuumamuokkausta lähes tiivittä tai tiiviitä ja ominaisuuksiltaan riittävän hyviä moniin vähemmän vaativiin sovelluksiin kuin valssisovelluksiin.

Lisäksi keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan kapseloida valssin athion P pinta tai osa sen = pinnasta kuorella 5 ennen kuumamuokkausta. Kapselointi — suoritetaan — aina kuumaisostaattista puristusta käytettäessä erikoismateriaalin A ollessa pulverimateriaalia. Kapselointi voidaan kuitenkin suorittaa aiemmin kuvatun mukaisesti myös varmistamaan kuumamuokkauksen onnistumista ja minimoimaan hiilenkatoa muiden erikoismateriaalin A valmistus- ja liitosmenetelmiä käytettäessä. Lisäksi keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan käyttää valssin aihion P erikoismateriaalia A käsittävän osion ja perusmateriaalia B käsittävän osion välissä välikerrosmateriaalia € käsittävää välikerrosta 6 vähentämään haitallisia rajapintareaktioita. Välikerros 6 voidaan asentaa esimerkiksi valssin aihion 1 perusmateriaalia B käsittävän osion pinnalle esimerkiksi hitsauspinnoituksella, ruiskutuksella tai ohuena levynä tai nauhana. Esimerkki 1 Valmistetaan terästakeena valssin athion P perusmateriaalia B käsittävä osio siten, että perusmateriaali B on terästä, jossa on 0,15 paino-% hiiltä. Tämän aihion P ympärille liitetään kuumaisostaattisella puristuksella lämpötilassa 1100 °C ja paineessa 100 MPa erikoismateriaalia A, joka on työkaluterästä, jossa hiilipitoisuus on 1,6 paino- % ja jossa karbideja muodostavien seosaineiden (vanadiini, molybdeeni, kromi) yhteenlaskettu = määrä on 15 paino-% (vanadiini 9,5 paino-%, kromi 5,0 paino-% ja molybdeeni 0,5 paino-%). N Näin muodostetaan aihion P erikoismateriaalia A käsittävä osio perusmateriaalia B käsittävän = osion ympärille. Kuumaisostaattista puristusta varten perusmateriaalia B käsittävän osion ja > erikoismateriaalia A käsittävän osion ympärille tehdään niukkahiilisestä rakenneteräksestä E 30 (hiilipitoisuus 0,1 paino-%) 5 mm paksu kapseloiva kuori 5, joka evakuoidaan ilmasta ennen N kuumaisostaattista puristusta. o N Näin aikaansaatu valssin monimateriaaliaihio P kuumamuokataan takomalla kuumaisostaattisen puristuksen jälkeen lämpötilassa 1060-1200 °C koko aihion P pituudelta siten, että kuumaisostaattisessa puristuksessa käytetty kapseloiva metallinen kuori 5 on kappaleessa jäljellä kuumamuokkauksen ajan. Kapseloiva kuori 5 poistetaan kuumamuokkauksen jälkeen suoritettavan koneistuksen yhteydessä.

Tässä esimerkissä valssin monimateriaaliaihion pituus LY ennen kuumamuokkausta on 2 metriä ja halkaisija Hv on 0,5 metriä, ja kuumamuokkauksen jälkeen pituus Ly’ on 5,5 metriä ja halkaisija Hv? on n. 0,15 metriä.

Esimerkki 2 Valmistetaan terästakeena valssin aihion P perusmateriaalia B käsittävä osuus siten, että perusmateriaali B on AISI H13 -terästä. Tämän aihion P ympärille liitetään kuumaisostaattisella puristuksella lämpötilassa 1150 °C ja paineessa 120 MPa erikoismateriaalia A, joka on pulverimetallurgista työkaluterästä AISI M4. Erikoismateriaalia A liitetään vain sille osalle valssin athion P perusmateriaalia B käsittävää osiota, joka muodostaa aihion 1 myöhemmin suoritettavan kuumamuokkauksen jälkeen valssin 1 työpinnan 2. Näin muodostetaan aihion P erikoismateriaalia A käsittävä osio perusmateriaalia B käsittävän osion yhteyteen.

Näin aikaansaatu valssin monimateriaaliaihio 1 kuumamuokataan kuumaisostaattisen puristuksen jälkeen lämpötilassa 1000-1175 °C siten, että athion 1? molempien päiden erikoismateriaalilla A pinnoittamattomat alueet taotaan pidemmiksi ja erikoismateriaalilla A pinnoitettua aluetta ei kuumamuokata. Kuumamuokkausta ei siis kohdisteta valssin athion 1° erikoismateriaalta A käsittävää osioon, vaan se kohdistetaan valssin aihion 1? muihin osiin. o

S a Tässä esimerkissä monimateriaaliathion P pituus Ly ennen kuumamuokkausta on 2 metriä ja = halkaisija Hv? 0,5 metriä, ja kuumamuokkauksen jälkeen pituus Ly on 5,5 m ja halkaisija Hv’ > on n. 0,15 metriä. & 30 a Esimerkki 3

O 5 N Valmistetaan terästakeena valssin aihio 1 perusmateriaalia B käsittävä osio siten, että perusmateriaali B on nuortutusterästä.

Tämän aihion P ympärille liitetään koko tämän athion 1 pituudelle Ly’ valukerrostamalla erikoismateriaalia A, joka on työkaluterästä AISI D2. Näin muodostetaan athion 1° erikoismateriaalia A käsittävä osio perusmateriaalia B käsittävän osion ympärille.

Näin aikaansaatu valssin monimateriaaliaihto P kapseloidaan kuorella 5, joka on 0,1 paino-% hiiltä sisältävää 10 mm paksua rakenneterästä. Kuorella 5 kapseloitu alue evakuoidaan imemällä kapselin sisältä ilma pois. Tämän jälkeen aihio 1° kuumamuokataan takomalla lämpötilassa 1050-1200 °C koko pituudeltaan mukaan lukien erikoismateriaalilla A pinnoitettu alue. Kuumamuokkauksen jälkeen aihio 1 jäähdytetään hitaasti uunissa huoneenlämpötilaan, minkä jälkeen se loppukoneistetaan haluttuun valssin 1 loppumittaan Ly ja lämpökäsitellään karkaisemalla ja päästämällä kovuuteen HRC52. Tässä esimerkissä monimateriaaliaihion P pituus LY ennen kuumamuokkausta on 2 metriä ja halkaisija Hy’ on 0,5 metriä, ja kuumamuokkauksen jälkeen pituus Lv on 8 metriä ja halkaisija Hy? on 0,125 metriä.

Esimerkki 4 Valmistetaan valamalla valssin athion 1° perusmateriaalia B käsittävä osio siten, että perusmateriaali B 0,15 paino-% hiiltä sisältävä rakenneteräs.

= Sille osalle valssin 1? aihion perusmateriaalia käsittävää osiota, joka vastaa myöhemmin N suoritettavan kuumamuokkauksen jälkeen valssin 1 työpintaa 2, muodostetaan välikerros 6 = pinnoittamalla välikerrosmateriaalina C nikkeliä 1 mm paksuinen kerros. x a 30 Tämän pinnoittamisen jälkeen pinnoitetulle osalle athion PP ulkopintaa liitetään N kuumaisostaattisella puristuksella lämpötilassa 1120 °C ja paineessa 105 MPa erikoismateriaalia > A, joka on työkaluterästä AISI T15. Näin muodostetaan athion P erikoismateriaalia A käsittävä | osio välikerroksen 6 päälle.

Kuumaisostaattisen puristuksen jälkeen monimateriaaliaihio 1? kuumamuokataan takomalla lämpötilassa 1000-1200 °C koko pituudeltaan mukaan lukien erikoismateriaalilla A pinnoitettu alue.

Tässä esimerkissä monimateriaaliaihion P pituus Ly? ennen kuumamuokkausta on 1,5 metriä ja halkaisija Hy’ on 0,5 metriä, ja kuumamuokkauksen jälkeen pituus Lv on 6 metriä ja halkaisija HV on 0,125 m.

Esimerkki 5

Valmistetaan terästakeena valssin aihion 1’ perusmateriaalia B käsittävä osio siten, että perusmateriaali B on hiiliterästä.

Valmistetaan lisäksi kuumaisostaattisella puristuksella erillisenä kappaleena erikoismateriaalia A käsittävä osio siten, että erikoismateriaali A on työkaluterästä AISI D2. Tämä erikoismateriaalia A käsittävä osio koneistetaan erillisenä kappaleena sellaiseen mittaan, että se voidaan asettaa valssin aihion P perusmateria B käsittävän osion ympärille.

Näin syntynyt valssin monimateriaaliathio 1” kapseloidaan kuorella 5 siten, että kuori on 0,1 paino-% hiiltä sisältävää 10 mm paksua rakenneterästä.

Tämän jälkeen kapseloiva kuori evakuoidaan poistaen sieltä ilma.

Tämän jälkeen monimateriaaliathiolle P suoritetaan kuumaisostaattinen puristus lämpötilassa 1140 ”C ja paineessa 100 MPa erikoismateriaalia A käsittävän erillään valmistetun osion liittämiseksi perusmateriaalia B käsittävän osion ympärille. o 3 a Tämän jälkeen valssin monimateriaaliathio 1? kuumataotaan lämpötilassa 1000-1175 °C aihion = erikoismateriaalilla A pinnoittamattomia alueita valssin 1 halutun kokonaispituuden Ly > saavuttamiseksi.

Kuumataonta siis kohdistetaan valssin aihion P muihin kuin erikoismateriaalia E 30 A käsittäviin osioihin. <+ © o Tässä esimerkissä monimateriaaliaihion P pituus Ly ennen kuumamuokkausta on 1,5 metriä ja N halkaisija Hv? on 0,5 metriä, ja kuumamuokkauksen jälkeen pituus Lv on 6 m ja halkaisija Hy’ on 0,125 m.

Esimerkki 6 Valmistetaan terästakeena valssin aihio 1 perusmateriaalia B käsittävä osio siten, että perusmateriaali B on nuorrutusterästä. Valssin aihion P perusmateriaalia B käsittävän osion ympärille muodostetaan erikoismateriaalia A käsittävä osio siten, että perusmateriaalia B käsittävän osion päällehitsataan jauhekaarihitsaamalla pinnoite erikoismateriaalista A, joka on työkaluerästä, jonka hiilipitoisuus on 1,5 paino-% ja kromipitoisuus on 15 paino-%. Hitsauksen jälkeen hitsattu alue kapseloidaan kuorella 5 ja kapseloitu alue evakuoidaan imemällä ilma pois kapselin sisältä. Tämän jälkeen aihio 1? kuumamuokataan takomalla lämpötilassa 1100-1250 °C siten, että kuumamuokkaus kohdistetaan päällehitsatulle alueelle. Kuumamuokkauksen — jälkeen — valssin —monimateriaaliaihio 1 loppukoneistetaan — ja lämpökästtellään karkaisemalla ja päästämällä kovuuteen 45 HRC.

Tässä esimerkissä monimateriaaliaihion pituus Ly? ennen kuumamuokkausta on 2 metriä ja halkaisija Hv’ on 0,3 metriä, ja kuumamuokkauksen jälkeen pituus Lv on 4.5 metriä ja halkaisija Hy? on 0,2 metriä. Esimerkki 7 o i a Valetaan valssin aihio P vertikaalisessa eli pystyasennossa siten, että < - — valssin athion P erikoismateriaalia A käsittävä osio ja perusmateriaalia B käsittävä osio W muodostetaan samanaikaisesti siten, että erikoismateriaali A ja perusmateriaali B

I a 30 valetaan samanaikaisesti, N - — valumuotissa erikoismateriaalia A ja perusmateriaalia B erottaa erottava levy 7, joka on I . O 10 mm paksu teräsholkki, N - —erikoismateriaalina A käytetään työkaluterästä AISI D2, ja - — perusmateriaalina B käytetään hiiliterästä.

Valun jälkeen monimateriaaliaihio 1? kapseloidaan kokonaan kuorella 5 siten, että kuori 5 on 15 mm paksu ja materiaaliltaan 0,1 paino-% hiiltä sisältävää rakenneterästä. Näin kapseloitu valssin aihio 1 kuumamuokataan takomalla lämpötilassa 1000-1200 °C.

Tässä esimerkissä monimateriaaliaihion P pituus Ly ennen kuumamuokkausta on 1,5 metriä ja halkaisija Hv? on 0,4 metriä, ja kuumamuokkauksen jälkeen pituus Ly’ on 3 m ja halkaisija Hy’ on 0,28 metriä.

Esimerkki 8 Sulametallikerrostuksella valmistetaan aluksi perusmateriaali B minkä jälkeen välittömästi ennen perusmateriaaliosuuden jäähtymistä suoritetaan erikoismateriaali A sulakerrostus osan perusmateriaalin B aluetta, - — valssin aihion I perusmateriaalia B ja erikoismateriaalia A käsittävä osio muodostetaan peräkkäisissä työvaiheissa siten että perusmateriaalin lämpötila ei laske alle 3009C:n ennen erikoismateriaalin A pinnoituksen aloittamista, - —erikoismateriaalina A käytetään työkaluterästä AISI M3, ja - — perusmateriaalina B käytetään terästä AISI H13. Kaksivaiheisen sulakerrostuksen jälkeen monimateriaaliaihio P kapseloidaan kokonaan kuorella 5 siten, että kuori 5 on 10 mm paksu ja materiaaliltaan 0,1 paino-% hiiltä sisältävää rakenneterästä.

o 5 Näin kapseloitu valssin aihio 1? kuumamuokataan takomalla lämpötilassa 1000-1200 ”C.

N

S + Tässä esimerkissä monimateriaaliathion P pituus Ly? ennen kuumamuokkausta on 1,5 metriä ja > halkaisija Hv? on 0,4 metriä, ja kuumamuokkauksen jälkeen pituus Lv on 3 m ja halkaisija Hy’ E 30 on 0,28 metriä. N (Esimerkit loppuvat) o N Keksinnöllinen ajatus käsittää lisäksi monimateriaalisen kuuma- tai kylmävalssin 1, joka käsittää valssin perusmateriaalista B valmistetun osion, kulumiskestävämmästä pinnoitemateriaalista A valmistetun osion sekä mahdollisesti kapseloivan kuoren 5 ja/tai erikoismateriaalin A ja perusmateriaalin B välissä käytettävästä välikerrosmateriaalista C valmistetun välikerroksen. Keksinnön — mukaisella menetelmällä — voidaan — valmistaa — esimerkiksi — valsseja, joissa erikoismateriaalia A käsittävän osion kovuus on vähintään HRC 35 lämpökäsittelyn jälkeen ja karbidimäärä on vähintään 5 tilavuus-%. Fdellä kuvattujen esimerkkien on tarkoitus kuvata keksinnöllistä ajatusta. Näin ollen edellä kuvattuja esimerkkejä ei tule pitää keksinnöllisen ajatuksen konkreettisten toteutustapojen tyhjentävänä esityksenä.

o

O N

N ? +

I Ac a +

N O I O O N

Claims

PATENTTIVAATIMUKSET

1. Menetelmä monimateriaalisten valssien (1) valmistamiseksi, joka menetelmä käsittää seuraavat vaiheet: - — valmistetaan valssin aihion (1) perusmateriaalia (B) käsittävä osio valitulla menetelmällä siten, että perusmateriaali (B) on sellaista rautapohjaista materiaalia, jonka muu seostus rautaa lukuun ottamatta on enintään 15 paino-%, - liitetään valssin aihion (1°) perusmateriaalia (B) käsittävään osioon erikoismateriaalia (A) käsittävä osio, joka on valmistettu sopivalla menetelmällä siten että erikoismateriaalin (A) tiiveys on vähintään 90 % teoreettisesta tiiveydestä ja se muodostaa 5-40 tilavuus-% perusmateriaalin (B) ja erikoismateriaalin (A) kokonaistilavuudesta, - — kuumamuokataan perusmateriaalia (B) käsittävän osion ja erikoismateriaalia (A) käsittävän osion käsittävää valssin aihiota (1) ainakin osalta aihion (1) pituudesta (LV) siten, että saavutetaan haluttu kuumamuokkauksen jälkeinen - — valssin aihion (1) pituus (Lv), joka on suurempi kuin valssin aihion (1°) pituus (Lv) ennen kuumamuokkausta, - — valssin aihion (1) halkaisija (Hv), joka on pienempi kuin valssin athion (P) halkaisija (Hv) ja/tai valssin aihton (1) akselin halkaisija (Hs) joka on pienempi kuin perusmateriaalin (A) halkaisija ennen kuumamuokkausta - — monimateriaaliaihion erikoismateriaalikerroksen (A) paksuus on vähintään 5 mm - ennen kuumamuokkausta valssin aihion (P) vähintään erikoismateriaalia (A) käsittävän osion käsittävä osuus on kapseloitu vähintään 0,55 mm paksulla o 25 metallilevystä ja muista metallikomponenteista valmistetulla kuorella (5) valssin > athion (1) kapseloidun osuuden kuumamuokkauksen aikaiseksi suojaamiseksi

S x 2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jossa erikoismateriaali (A) on rautapohjainen I materiaali, jonka 3 30 - — hiilipitoisuus on enemmän kuin 0,8 paino-%, S - karbideja ja nitridejä muodostavien seosaineiden määrä on enemmän kuin 12 paino- N - karbidien ja nitridien kokonaismäärä on 5-30 tilavuus-% ja - — kovuus lämpökäsiteltynä käyttökuntoon on suurempi kuin HRC 35.

3. Jonkin vaatimuksen 1-2 mukainen menetelmä, jossa karbidien keskikoko erikoismateriaalissa (A) on pienempi kuin 50 um.

4. Jonkin vaatimuksen 1-2 mukainen menetelmä, jossa karbidien keskikoko erikoismateriaalissa (A) on 1-10 um

5. Jonkin vaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, jossa kapseloinnin jälkeen ja ennen valssin aihion (1?) kuumamuokkausta - —kapseloivan kuoren (5) ja sen alla olevan kerroksen välinen tyhjä tila evakuoidaan ilmasta tai täytetään kaasuseoksella ja - tämän jälkeen sanottu tyhjä tila suljetaan kaasutiiviisti hapettumisen ja/tai hiilenkadon estämiseksi.

6. Jonkin vaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, jossa valssin aihion (1) perusmateriaalia (B) käsittävään osioon liitetään erikoismateriaalia (A) käsittävä osio siten, että näiden osioiden väliin on järjestetty välikerrosmateriaalia (C) käsittävä välikerros (6).

7. Jonkin vaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, jossa valssin aihion (1°) erikoismateriaalia (A) käsittävä osio tai välikerros (6) on liitetty valssin athion (1) perusmateriaalia (B) käsittävään osioon kuumaisostaattisella puristuksella, valamalla, sulametallituiskutuksella tai -kerrostuksella, 3D-tulostuksella, hitsauksella tai muulla ainetta lisäävällä menetelmällä.

8. Jonkin vaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, jossa erikoismateriaali (A) on D pulverimetallurgista materiaalia. & S

9. Jonkin vaatimuksen 1-8 mukainen menetelmä, jossa valssin athion (1) erikoismateriaalia = (A) käsittävä osio ja perusmateriaalia (B) käsittävä osio liitetään yhteen samanaikaisesti E 30 erikoismateriaalin (A) valmistuksen aikana.

S 5

10. Jonkin vaatimuksen 1-9 mukainen menetelmä, missä sekä perusmateriaali B että > erikoismateriaali A — valmistetaan — ainetta — lisäävällä — valmistuksella — kuten sulametalliruiskutuksella tai -kerrostuksella tai 3D-tulostuksella.

11. Jonkin vaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, jossa kuumamuokkaus kohdistetaan vain valssin aihion (P) niille alueille, jotka eivät käsitä erikoismateriaalia (A) käsittävää osiota.

12. Jonkin vaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, jossa kuumamuokkaus kohdistetaan myös valssin aihion (1) niille alueille, jotka käsittävät erikoismateriaalia (A) käsittävän osion.

13. Jonkin vaatimuksen 1-12 mukainen menetelmä, jossa kuumamuokkaus suoritetaan kuumatakomalla, kuumapuristuksella tai kuumavalssauksella lämpötilassa 800-1300 °C.

14. Jonkin vaatimuksen 1-13 mukainen menetelmä, jossa - — valmiin valssin (1) pituus (Lv) on yli 3 metriä, ja - — erikoismateriaalia (A) käsittävä osio muodostaa pinnoitteen valmiin valssin (1) ulkopinnalla siten, että tätä pinnoitetta on ainakin 500 mm matkalla valmiin valssin (1) kokonaispituudesta (Lv). - — erikoismateriaali (A) muodostaa vähintään 10 mm paksun kerroksen ainakin 80 % pinnoitteen kokonaispinta-alasta.

15. Valssi (1) metallin kuuma- tai kylmämuokkaukseen, joka on valmistettu jonkin vaatimuksen 1-15 mukaisella menetelmällä. o

O

N

N <Q +

I a a +

N

O

N o

O

N