DE10030100A1 - Walzen mit eingearbeiteten Kalibern für die thermomechanische Umformung von metallischen Werkstoffen mit oxydationsoptimierter Matrix zur Minderung von Warmverschleiss - Google Patents

Abstract

Die gegenwärtig verwendeten Walzen mit eingearbeiteten Kalibern bringen auf der Grundlage von ledeburitischen Eisenlegierungen mit hohen Sondermetallkarbidgehalten auch unter Einschluß von Wolfram, Molybdän und Vanadium im Gegensatz zu solchen Walzen mit der Gestalt als glatte Zylinder oder glatte Scheiben bei gleicher Legierungszusammensetzung nur unbefriedigende Ergebnisse beim Leistungsvergleich in Warmwalzwerken speziell bei Kaliberformen wie "Oval" und "Raute" im Endstraßenbereich von Kontianlagen. DOLLAR A Versuche in der Praxis haben gezeigt, daß der oben beschriebene Unterschied sich aus der zu wenig deckschichtgeschützten Matrix der verwendeten Eisenbasislegierungen gegenüber partieller Oxydation speziell im Bereich der Legierungsmatrix ableitet. Die Stabilisierung der Matrix mit Kobalt allein nur im Hinblick auf "Warmhärte" reicht für die Anwendung bei Walzen mit eingearbeiteten Kalibern nicht aus, wenn man diesen aus Kostengründen auf minimal 11,5 Masseprozent beschränkt lassen will. DOLLAR A Eine partielle Oxydation, wobei besonders Vanadiumkarbid und das entstehende Vanadiumpentoxyd herauszustellen sind, sorgt für die Lockerung der Matrix und den schichtweisen Verlust von den primär als Schutz vor Verschleiß dienenden Metallkarbiden besonders im Bereich der wechselnden Relativgeschwindigkeiten zwischen Kaliberwandung und dem umzuformenden Material. DOLLAR A Die tribochemischen und tribomechanischen Eigenschaften der bei der Umformung im Eingriff zum Walzgut stehenden ...

Description

Die Umformung von metallischen Werkstoffen erfolgt aufgrund einer langen technikgeschichtlichen Entwicklung teilweise bei sogenannten Walzwerken, welche entweder mit Kaltumformung oder mittels Warmumformung vorwiegend aus Brammen, Blöcken oder Knüppeln oft auch mehrstufig ein Endprodukt mit den vom Verbraucher geforderten Konturen, Abmessungen und Toleranzen herstellen. Die Unterscheidung von Kalt- und Warmumformung wird als eine durch die Rekristallisationstemperatur des Walzgutes gegebene Schwelle angesehen.

Zu dieser Gruppe von Umformungsmaschinen gehören auch die zur Aufnahme von mindestens zwei Walzen vorgesehenen Gerüste, die in der Fertigungslinie einer Drahtstraße hintereinander aufgestellt sind, wobei ein kontinuierlicher Warmbetrieb vom Vormateriallager bis zum Aufhaspeln ermöglicht wird. So hat sich der Begriff einer "Kontistraße" gebildet, wo im Endbereich der Umformung seit langem Materialgeschwindigkeiten von mehr als 40 Meter/Sekunde üblich sind.

Mehr statistisch zusammengefaßt über die zu verwalzenden diversen Querschnitte (Drahtdurchmesser) und die verschiedenen rostenden und nichtrostenden Werkstoffqualitäten des Walzgutes ist betriebswirtschaftlich davon auszugehen, daß typisch für die Kontinuität der Walzenstraße mindestens 1500 Tonnen Walzmaterial je Ader in Drahtform ohne Auswechslung von Walzen hergestellt werden müssen.

Im Verlauf der Walzenstraße, abhängig vom Umformgrad, Walztemperatur und Walzgeschwindigkeit finden sich dann nach dem Stand der Technik durchaus technisch unterschiedlich arbeitende Umformaggregate (Walzgerüste) in der Linie, die auch ganz verschiedene Walzen-Werkstoffqualitäten benötigen. Dabei konkurrieren beispielsweise Chrom-Hartstahlguß, Sphärogußarten mit verschiedener Morphologie des freien Kohlenstoffs und höchstlegierte Ledeburite ständig miteinander im Bereich der Vor- und Mittelstraße, während im Fertigstraßenteil bisher geradezu als Dömäne die gesinterten Hartmetalle als Walzenwerkstoff überwiegen. Diese sind gegenüber den mehr konventionell schmelzmetallurgisch hergestellten Walzen - hierbei ist auch der Schleuderguß zu nennen - einerseits allerdings wesentlich teurer in der Anschaffung und andererseits zeigen sich Nachteile einer geringeren Zähigkeit. So gibt es Probleme mit der Aufspannung von derartigen Walzen und auch Probleme mit Thermoschock und Brüchen sind bekannt.

Auch die metallische Basis des umzuformenden Materials nimmt Einfluß auf die Anforderung nach den Walzen-Werkstoffqualitäten, je nachdem es sich bei dem Walzgut etwa um Stähle, Nickelbasis- oder Kobaltbasislegierungen, Wolfram, Molybdän, Titan oder deren Legierungen handelt.

So gibt es betriebswirtschaftlich eine Lücke bei der wünschenswerten Beschaffung von verhältnismäßig billigen Walzen im Fertigstraßenbereich mit ausreichenden Warmverschleißeigenschaften. Zu diesem Warmverschleiß gehört auch der Begriff von "Rauhigkeit". Darunter versteht man den an der Walzenoberfläche im Eingriff zum Walzgut sattfindenden partiellen Verschleiß, der sich morphologisch aus den stehenbleibenden Spitzen der Primär- und Sekundärkarbide einerseits und der tiefer "ausgewaschenen" Matrix des Walzenwerkstoffes erklärt. Dieses Oberflächenbild prägt sich dann auf die Walzgutoberfläche ein und führt dort bei ungünstiger Ausbildung zu Ausschuß durch Nichteinhaltung von geforderten Toleranzen oder durch Infragestellung einer ausreichenden Qualität insbesondere für das oft geforderte Nachziehen der Querschnitte unter Kaltverformung.

Dabei ergibt sich ein aus der Praxis bekannt gewordenes technische Problem. Während die im Text folgend beschriebenen hoch sonderkarbidhaldgen Speziallegierungen, die ihren Ursprung offenbar in der schon früher im Grundgehalt abgeschlossenen Entwicklung der sogenannten Schnellarbeitsstähle allerdings für Schneidanwendungen haben, speziell im Mittelstraßenbereich unter Anwendung von rein zylindrischen Walzen so auch bei der Verwendung in den "Dreischeiben-KOCKS-Gerüsten" mit Lieferungen von verschiedenen Herstellern mindestens ausreichende aber oft verbessernd hervorragende Standzeiten erreichen, gilt dies überhaupt nicht, wenn diese folgend beschriebenen Werkstoffe mit tief in die Walze eingeschnittenen Kalibern verwendet werden. Zu solchen Kalibern gehören speziell die in den Drahtwalzwerken eingesetzten Streckreduzierkaliber, wohlbekannt als Folgen von "Oval" und "Raute". Diese Kalibrierungen setzen sich auch in den Fertigstraßenbereich fort.

Die gegenwärtig maximalen Legierungsgehalte für schmelzmetallurgisch erzeugte Walzen auf Eisenbasis mit höchsten Sonderkarbidgehalten nach Analysenergebnissen von praktisch eingesetztem Material und unter Berücksichtigung von international bekannten Lieferanten aufgerundet in Masseprozent gibt die folgende Tabelle wieder:

Die metallurgische Beurteilung solcher Werkstoffe erfolgt auch nach einer etwa einhundertjährigen Entwicklungsgeschichte immer noch mit den Eigenschaften von Härte, Verschleiß und anwendungsbezogener Standzeit, worauf dies ausschließlich zu dem Karbidanteil, dessen Art, Form und Verteilung korreliert wird.

Eine solche Betrachtung ist aber auch bei Walzen nur ein Teil der Beurteilung; fast völlig übersehen wird dabei der tribomechanische Kontakt von Walzenlaufläche und Umformgut, wobei sich sowohl die Reibungseigenschaften im Walzspalt als auch der abrasive Verschleiß durchaus unter der Kontrolle von Oxydationserscheinungen in der etwa nur mit Sekundärkarbiden beladenen Matrix abspielt. Liegen beispielsweise Wolfram, Molybdän, Vanadium, Niob/Tantal, Bor, Titan in einer nur metallischen Bindung vor, die durchaus zur festigenden Stabilisierung der Matrix durch Mischkristallbildung erwünscht ist, unterliegen diese Metalle teilweise einer oft schon ab 400 Grad C auftretenden katastrophalen örtlichen Oxydation, wobei hier das Vanadium - als verschleißminderndes Karbid sonst bestens im Gefüge geeignet - eine sehr schlechte Rolle spielt; Vanadiumpentoxyd fängt schon bei 700 Grad C an zu fließen. Molybdänoxyde neigen zu einer auffälligen Aufnahme von Kristall-Hydratwasser und dies wird im wassergekühlten Walzspalt noch verstärkt. Auch Wolframoxyde sind sehr weich; Mohs-Härten von lediglich 2, 5 (also zwischen Gips und Kalkspat gelegen!) sind etwa für WO₃ veröffentlicht. Den schlechtesten Oxydationswiderstand hat bei den Metallkarbiden dann Vanadiumkarbid als VC. Von Chromkarbid C₂₃C₆, bei Luftzutritt als oxydationsunempfindlich geltend, wird berichtet, daß es sich mit Wasserdampf - also unter dem Einfluß der üblichen Walzenkühlung - bei 750 bis 850 Grad C unter Kohlenwasserstoffbildung zersetzt. Molybdänoxyd in der Verbindungsform von MoO₃ weist einen Schmelzpunkt im Bereich von 750 bis 790 Grad C auf, so daß dieser Phasenwechsel schon beim Walzen von Stählen zu beachten ist (Literatur (1)).

Die partielle Oxydation der metallischen Walzenoberfläche im Walzspalt kontrolliert so auch den Hartstoffverbund. Ist die Legierungsmatrix anfällig gegen Oxydation, werden die noch dem Verschleiß entgegenwirkenden Karbide gelockert und als Partikel abgetragen und so schichtweise wirkungslos.

Benötigt wird also eine Reaktion der Legierungsmatrix, welche diese deckschichtartig vor zu weitgehender Oxydation schützt und, soweit diese abrasiv abgetragen wird, während der Walzenbeanspruchung im Produktionsprozeß sich kontinuierlich erneuert. Dabei muß die sich bildende chemische Verbindung, beispielsweise als Oxyd, selbst einen hohen Widerstand gegen Warmverschleiß bilden.

Untersucht man die nach dem oben angegebenen Schema nur mit den Maximalgehalten angegebenen handelsüblichen Legierungen mit den tatsächlichen Differenzen von Legierungselementen, die zur Deckschichtbildung von tribomechanisch festen Oxiden fähig sind innerhalb der auf dem Markt üblichen Walzen-Legierungsangebote nun im einzelnen, so ist unter Voranstellung des früher nur vorwiegend als für die "Warmfestigkeit" der Matrix zuständig betrachteten Kobalts bisher dieser typische Bereich in Masseprozent zu definieren:

KOBALT(Co) MINUS CHROM(Cr) = MINUS 2,20 bis PLUS 4,00 (Nach obiger Maximalwerttabelle über verschiedene Legierungen durchschnittlich PLUS 3,75).

Die benutzte Differenzbildung ist zur Begutachtung von Ergebnissen mit schmelzmetallurgisch erzeugten Ledeburiten unter höchsten Legierungsanteilen von Sonderkarbidbildnern für kalibrierte Walzen im Gegensatz zu Überlegungen mit Verhältnisbildungen, auch solchen mit dem Bezug auf Atomprozent, besser geeignet und bietet die Festlegung von signifikanten Aussagen hinsichtlich des komplexen Warmverschleißverhaltens mittels gut abgegrenzter Legierungsangaben. Es besteht kein Zweifel darüber, daß der Differenzwert nur eine praktische und keine materialwissenschaftliche Bedeutung hat.

Das Verhältnis von Kobalt zu Aluminium ist in dieser Übersicht nicht zu berücksichtigen, weil hierüber gesonderte technische Erkenntnisse seit langem vorliegen, die besagen, daß man mit dem Einsatz von Aluminium in allerdings schneidenden Werkzeugen aus ledeburitischen Stählen einen verhältnismäßig geringen Anteil von dem teuren Legierungsmetall Kobalt einsparen kann. Die metallurgische Klärung dieser - wohl gesicherten - Erkenntnis steht noch aus; dessen ungeachtet sind solche aluminiumhaltigen Schnellarbeitsstähle aber bereits patentrechtlich bearbeitet worden und stehen im Ausland in praktischer Verwendung. Die dort genannten Aluminiumgehalte um ein Masseprozent haben aber nichts zu tun mit der üblichen Desoxydation von ledeburitischen Stahlschmelzen mit Aluminiummetall; diese Praxis ist technisch üblich und kann nach der oben vermerkten Tabelle durchaus den als obere Grenze ermittelten Wert von 0,05 Masseprozent erreichen.

Der Einsatz von Aluminium für Walzenwerkstoffe ledeburitischer Art mit hohen Sonderkarbidanteilen ist allerdings bei Recherchen zu dieser patentrechtlichen Vorlage nicht ersichtlich geworden. Aluminum gehört aber mit der Bildung von harten Oxyden wie Al₂O₃ zu den möglichen Deckschichtbildnern auch bei ledeburitischen Walzenwerkstoffen, das wird hier als vorbekannt angesehen. Aluminium nimmt so sicher auch Einfluß auf die natürliche Mischoxydbildung im System Chrom - Silizium - Mangan - Sauerstoff. Die Beteiligung von dem üblicherweise über die Desoxydation anwesenden Aluminium an dem hier vorgestellten besonderen Deckschichtenaufbau kann niemand ausschließen; es wird aber vermieden, diesen Einfluß patentrechtlich für Walzenwerkstoffe geltend zu machen. Der Gebrauch von Aluminium für die Desoxydation gehört zum lange vorbekannten Stand der Technik.

Silizium mit den offenbar durch die Desoxydationsbehandlung mit Kalzium - Silizium (Ca - Si) eingeschleppten Gehalten bis 1,2 Masseprozent und Mangan mit Maximalgehalten um 0,70 Masseprozent, das auch zur Kontrolle des Schwefelhaushaltes benötigt wird, bieten jeweils mit ihren verhältnismäßig geringen Gehalten in den ledeburitischen Walzenlegierungen mit hohen Sonderkarbidanteilen keine signifikanten Möglichkeiten zur Erzeugung von warmverschleißfesten Matrix-Deckschichten. Diese Elemente tragen teilweise nur zur Bildung von Mischoxiden bei.

Anders verhält sich dabei mindestens Chrom. Chrom in Überdosierung senkt die Standzeit bei schneidenden ledeburitischen Werkzeugen (2), erhöht aber nach der vorliegenden Patentschrift die Standzeit von Walzen mit eingearbeiteten Kalibern. Insofern läßt sich der positive Einfluß von erhöhten Chromzugaben nicht aus vorbekannten metallurgischen Kenntnissen ableiten, selbst wenn man - patentrechtlich eigentlich unzulässig - den Stand der Technik über Legierungen für schneidenden Einsatz bei der Beurteilung von Walzenwerkstoffen berücksichtigen wollte.

Unter der allgemein üblichen Wasserkühlung der Walzen im Umformungsprozeß wird nun entweder durch im Wasser gelöste Luft mit dem darin befindlichen Sauerstoff oder auch durch direkt in den Walzspalt mit eingeschleppte Luft wie auch aus dem Sauerstoffanteil des Wassers unter der sehr hohen spezifischen Belastung der Walzenwerkstoff zunehmend oxydiert. Die herausgelösten Oxydationsprodukte, komplex hervorgegangen sowohl aus dem Zerfall der Hartstoffe als auch aus der Matrixoxydation über die rein metallische Phase, sind weniger fest als die Hartstoffe und verlassen die walzaktive Position als Abfall. Dabei ist zeitlich der Abbau der metallischen Matrix gegenüber dem abrasiven und oxydativen Abtrag der Hartstoffe als "schneller" zu charakterisieren.

Gegenüber von zylindrischen "Flachwalzen", wo die Breitung des umzuformenden Werkstoffes überwiegt, ist die Beanspruchung in eingeschnittenen Kalibern örtlich komplizierter, weil radial betrachtet, die Walze mit dem umzuformenden Material durch kontinuierlich ändernde Relativgeschwindigkeiten belastet wird, woraus letztendlich die gewünschte Streckung im Kaliber entsteht. Dies aber bei sehr hohen spezifischen Walzenbelastungen auch an den Kaliberseiten.

Will man nun derartige Walzen aus schmelzmetallurgisch erzeugten und hoch sonderkarbidhaltig angereicherten Ledeburiten herstellen, können diese bei der Verwendung mit eingebrachten Kalibern nur dann zu einer technisch für die Wirtschaftlichkeit befriedigenden Standzeit konzipiert werden, wenn man legierungsseitig für einen verbesserten Oxydationsschutz sorgt, der sich primär auf die thermische OBERFLÄCHEN-Stabilisierung der Matrix bezieht. Dieser Oxydationschutz soll selbst das Ergebnis einer Oxydation sein. Auf dieser Grundlage ergibt sich die patentkennzeichnende Bezeichnung über eine "Gesteuerte Oxydation". Es reicht dabei nicht aus, die der Matrix zuzuordnende Warmfestigkeit allein auszunutzen, dies insbesondere durch die bei Walzen bisher bekanntgewordenen Kobaltzusätze bis 10 Masseprozent. Es muß dafür gesorgt werden, daß sich ein den Warmverschleiß vermindernder Oberflächenbelag bildet, der sich nach dem partiellen Abtrag auch immer wieder aus der Legierung selbst hervorgehend erneuert. Es ist zu bedenken, daß die nicht zu Karbiden abgebundenen Restmengen beispielsweise von Niob/Tantal, Vanadium, Wolfram und Molybdän, die sich metallisch in Mischkristallen der Matrix ansammeln, gegenüber der betriebsdingten Oxydation, und das besonders in der Wärme und unter der Einwirkung von mechanischen Spannungen, sehr leicht im Temperaturbereich von mindestens 400 Grad C ansteigend zu leicht mobilisierbaren Oxyden umwandeln. Das wurde bereits im oben angegebenen Teil der Beschreibung genau behandelt.

Es ist also das technische Problem dahingehend so zu lösen, daß der verwendete Walzenwerkstoff selbst in ständiger Erneuerung aus der ihm eigenen Legierungszusammensetzung eine verhältnismäßig stabile Deckschicht insbesondere für die Matrix bildet. Oberflächenveredelnde bzw. oberflächenschützende Maßnahmen, die mit speziellen Hilfsmitteln nur einmal vor Gebrauch der Walze aufgebracht werden, ergeben hinsichtlich der erwünschten Standzeitverlängerung keine durchgreifende Wirkung, da diese nach dem Anfangsabtrag nicht mehr vorhanden und wirksam sind, außerdem verlieren diese ihre Wirksamkeit bei jedem auf Dreh- oder Schleifmaschinen durchgeführten "Nachsetzen" der Kaliber oder bei Kaliberänderungen überhaupt. Einige solcher Verfahren sind ohnehin als "zu dünn" anzusehen, so beispielsweise auch das Bad- oder Ionitrieren sowie lasergestützte Aufschmelzungen.

Die Deckschichtbildung mit "gesteuerter Oxydation" soll weiterhin mit billigen Legierungsmetallen erreicht werden können.

Zur Lösung der technischen Aufgabe bieten sich die oxydierbaren Legierungselemente Chrom, Silizium und Mangan in einzelnen oder gemischten Zugaben an, weil sich dabei tribomechanisch und thermisch hoch belastbare Deckschichten bilden. Bei Chrom gilt das allerdings nur, wenn durch die Kohlenstoffgehalte in den ledeburitsischen Walzenwerkstoffen dieses Legierungselement nicht vollständig als Karbid abgebunden ist, oder anders ausgedrückt, sich metallisch gebundenes Chrom in genügendem Anteil in der Matrix befindet. Dabei kann auf die gleichzeitige Zugabe von Kobalt für die bekannte Warmhärtesteigerung der Matrix nicht verzichtet werden.

Die oben skizzierte technische Aufgabe wird nun so gelöst, daß für schmelzmetallurgisch hergestellte und hochsonderkarbidhaltige Walzenwerkstoffe ledeburitischer Art die Legierungsbestandteil-Verhältnisse von Kobalt zu Chrom legierungstypisch und erfindungsgemäß festgesetzt werden und so Walzenwerkstoffe erzeugt werden, die bedingt durch spezifische Deckschichtausbildung den erhöhten tribomechanischen Bedingungen von Walzen mit eingearbeiteten Kalibern im Sinne einer betriebswirtschaftlich günstigen Standzeiterhöhung entsprechen. Dabei gilt für den Kobaltzusatz ein Mindestwert von 11,5 (Elf, Fünf) Masseprozent, wobei das Chrom allerdings im Mischkristall der Legierungsmatrix vorwiegend metallisch vorliegt und nicht als Karbid abgebunden werden soll.

Die Ergebnisse von praktisch gelaufenen Betriebsversuchen zeigen, daß beispielsweise allein schon durch die Einstellung der Legierungsbestandteil-Differenz von Kobalt zu Chrom nach dem oben beschriebenen Verfahren in ähnlich aufgebauten ledeburitischen Walzenwerkstoffen das Betriebsergebnis, beurteilt nach der erzielten Walztonnage bei ähnlichem Walzprogramm, sich mindestens bis zu einer zehnfachen Standzeit erhöhen läßt, wenn man nach der oben beschriebenen Bedingung die Kobalt zu Chrom-Differenz zwischen +4,02 und +5,20 bei einem Gesamtkobaltgehalt von größer gleich 11,5 Masseprozent einstellt.

Die Betriebsergebnisse wurden im ersten Gerüst einer HV-Staffel im technisch ungestörten Gesamtproduktionsprozeß erzielt. Dabei wurden die bisher üblichen Hartmetallwalzen gegen die schmelzmetallurgisch hergestellten Ledeburitwalzen ausgetauscht und mit mehreren Kampagnen des nach Patentanspruch 3 offenbarten Walzenwerkstoffs nun sofort die Größenordnung der mit Hartmetallwalzen erzielbaren Produktionsleistung von über 1500 Tonnen erreicht. Derartige Leistungen waren bisher bei schmelzmetallurgisch erzeugten Walzenwerkstoffen für Walzen mit Streckkalibern nicht bekannt. Ein günstiger und nach den obigen Angaben verfahrensgerecht eingebrachter Chromgehalt liegt dann bei 6,5 Masseprozent.

Vorausgesetzt werden muß also eine exakte Berechnung des für die Generierung von Primär- und Sekundärkarbiden notwendigen Kohlenstoffgehaltes nach den zum Stand der Technik vorbekannten praktischen bzw. stöchiometrischen Formeln. Dieser Berechnung legt man alle sonderkarbidbildenden chemischen Elemente zugrunde, ausgenommen bleibt dabei der Chromgehalt. Dadurch wird sichergestellt, daß der Chromanteil nicht vollständig zu Karbiden abgebunden wird und so für die Deckschichtbildung im Metallmischkristall vorwiegend erhalten bleibt. Beim Chargieren setzt man dann auch zuerst die MC- und M2C-Karbide bildenden Metalle mit dem entsprechenden Kohlenstoff ein, so beispielsweise Wolfram, Molybdän, Vanadium und Niob/Tantal; soweit benutzt, auch Titan und Bor. Dabei können auch die bekannten Vorlegierungen eingesetzt werden. Die dabei erfolgende oder nachgeschaltete Entgasungstechnik entspricht dem Stand der Technik; auch ist es möglich, die ledeburitische Legierung ebenfalls mit der Kalziumtechnik, vorwiegend mit Kalzium-Silizium, zu behandeln. Die Gießtechnik ist freibleibend einschließlich von Fein- oder Schleuderguß sowie von Anwendungen mit Vakuum- und /oder Schutzgastechnik.

Wird zum Aufbau der Schmelze mit bereits chromlegierten Schrott beispielsweise von ledeburitischen Legierungen herkommend chargiert, ist mittels Voranalyse zunächst über alle karbidbildenden Legierungsbestandteile der - hierbei mit Chrom - notwendige Kohlenstoff zu berechnen und so genau einzustellen, wonach von Kohlenstoff freies Chrom elementar oder als Vorlegierung im Bereich der oben offenbarten Formel zuletzt und zusätzlich eingesetzt wird. Der bereits mit Kohlenstoff in Berührung gekommene Anteil von Chrom im Schrott, also als Chromkarbid vorliegend, sollte im Einsatz möglichst minimiert vorliegen; er bleibt aber dann grundsätzlich als nicht patentbegründendes Merkmal als Zufälligkeit erhalten. Der Kohlenstoff für die martensitische Härtung der Matrix resultiert vorwiegend aus der Diffusion im Festkörper, abhängig von der Höhe der Härtungstemperatur und der zugehörigen Haltezeit.

Für optimale Ergebnisse im Hinblick auf die vorhergehend beschriebene Verfahrenstechnik erhaltenen Standzeiten von Walzen mit eingearbeiteten Kalibern haben sich diese Gruppen von ledeburitischen Basislegierungen mit folgenden Mindestgehalten in Masseprozent bewährt:

• a) 8,5% Wolfram//7,5% Vanadium//2,5% Molybdän/1,3% Niob/Tantal//0,02% Titan//6,50% Chrom//Rest Eisen und der für die karbidbildenden Metalle errechnete Kohlenstoffgehalt.
• b) 19,5% Wolfram//3,5% Molybdän//10,5% Vanadium//3,5% Niob/Tantal//0,02% Titan//7% Chrom//Rest Eisen und der für die karbidbildenden Metalle errechnete Kohlenstoffgehalt.

Beide Legierungen können bis zu 0,014 Masseprozent Bor enthalten (siehe Patentansprüche 3, 4 und 5). Bewährt hat sich, das Chrom mit kohlenstoff-freien Eisenbasis-Vorlegierungen im festen oder flüssigen Zustand, möglich auch über die Injektionstechnik, mit solchen der Zusammensetzung Chrom - Silizium - Mangan - Aluminium - Titan - Bor nach der Kohlenstoff-Chargierung zuzuführen.

Die fertig bearbeiteten und für den vorgesehenen Einsatz bestimmten Walzen mit eingearbeiteten Kalibern sollen bei der vorhergehenden Wärmebehandlung eine Härtetemperatur von 1150 Grad C nicht überschreiten und die Ablieferungssekundärhärte nach mehrmaligem Anlassen maximal 58 HRC betragen.

Literatur

1) Gmelin's Handbuch der anorganischen Chemie
2) Elsen, E., Elsen, G. und M. Markworth. Zs. METALL (1965) S. 334/345

Claims (8)

1. Walzen mit eingearbeiteten Kalibern für die thermomechanische Umformung von Metallen und Metall- Legierungen auf der Basis von kobalthaltigen ledeburitischen Eisenlegierungen auf schmelzmetallurgischer Basis mit den hauptsächlichen Anteilen von beispielsweise Wolfram, Molybdän, Vanadium, Niob/Tantal, Titan und Bor als Primär- und/oder Sekundärkarbidbildner sowie Kobaltgehalten ab 11,50 Masseprozent und üblichen nichtkarbidbildenden Zusatzelementen bis zu einem zugehörigen Gesamtinhalt von 1,85 Masseprozent, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt der Walzenlegierung nur für diese Karbidbildner ohne den im Einsatz vorgesehenen Chromgehalt berechnet und so zunächst chargiert wird, wobei erst folgend im Chargiervorgang beim Schmelzen zuletzt kohlenstoff-freies Chrom in elementarer Form oder als Vorlegierung so eingesetzt wird, daß in Masseprozent die Differenzen vom Kobalt- zum Chromgehalt (Kobalt Minus Chrom) im Bereich der Werte von +4,02 bis +5,20 eingehalten werden und dadurch vermehrt metallisches Chrom zur oberflächlichen Deckschichtbildung im Matrixbereich der Legierung zur Verfügung steht und sich so ein stets erneuernder warmverschleißmindernder Oxydationsprozeß mit der Bildung von Chrom- oder Chrommischoxyden wie auch Cr₂O₃ beim Betrieb der Walzen in der Berührung mit dem umzuformenden Material ergibt.

2. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Chargieren mit chrom- und kohlenstoffhaltigen Legierungen als Schrottbasis für die Schmelze der Kohlenstoffgehalt einschließlich Chrom für alle karbidbildenden Legierungsbestandteile nach der Voranalyse berechnet und eingestellt wird und anschließend sowie dabei zuletzt der nach Anspruch 1) berechnete Zusatz von kohlenstoff-freiem Chrom in elementarer Form oder als Vorlegierung erfolgt.

3. Anspruch nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit höher oder gleich 11,50 Masseprozent kobaltlegierte ledeburitische Eisenbasislegierung die folgenden Basisbereiche als Masseprozente für karbidbildende Metalle und weitgehend karbidfrei einlegiertes Chrom aufweist:
8,5 bis 10% Wolfram
7,5 bis 8,5% Vanadium
2,5 bis 3,5% Molybdän
1,3 bis 1,6% Niob/Tantal
0,020 bis 0,030% Titan
und
6,50 bis X,X% Chrom superponiert zum tatsächlichen Kobaltgehalt,
Rest Eisen mit üblichen nichtkarbidbildenden Zusätzen bis 1,85 Masseprozent und der zur Bildung von Metallkarbiden außer Chrom notwendige Kohlenstoff. Durch Schrotteinsatz eingeschlepptes Chromkarbid bleibt in der Legierung zusätzlich berechnend kontrolliert erhalten.

4. Anspruch nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ledeburitische Eisenlegierung mit mindestens 11,5 Masseprozent Kobalt folgende Basisbereiche von karbidbildenden Elementen in Masseprozent enthält:
Wolfram 19,5 bis 20%
Vanadium 10,5 bis 11%
Molybdän 3,5 bis 4%
Niob/Tantal 3,5 bis 4%
Titan 0,02 bis 0,05%
und
Chrom 7,0 bis X,X% superponiert zum tatsächlichen Kobaltgehalt,
Rest Eisen mit den üblichen nichtkarbidbildenden Zusätzen bis 1,85 Masseprozent und dem für die Metallkarbidbildung notwendigen Kohlenstoff unter Außerachtlassung von Chrom. Durch Schrotteinsatz eingeschlepptes Chromkarbid bleibt zusätzlich in der Legierung berechnend kontrolliert erhalten.

5. Anspruch nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzenlegierung bis zu 0,014 Masseprozent Bor enthält.

6. Anspruch nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zugesetzte Chrom einer kohlenstoff-freien Chrom-Silizium-Mangan-Aluminium-Bor-Titan- Eisen-Vorlegierung entstammt und entweder über die flüssige oder feste Phase sowie auch zusätzlich mit Injektionstechnik eingeführt werden kann.

7. Anspruch nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Platzwechselreaktionen zwischen Legierungselementen nach dem Zusatz von kohlenstoff- freien Chrom unverzüglich abgegossen wird.

8. Anspruch nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Härtung der so hergestellten Walzen eine Temperatur von 1160 Grad C nicht überschritten wird und die Ablieferungssekundärhärte nach mehrmaligem Anlassen maximal 58 HRC beträgt.