DE102006011384A1 - Rolle zur Metallbearbeitung, insbesondere Stranggießrolle, sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Rolle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rolle (1) zur Metallherstellung und/oder Metallbearbeitung, insbesondere eine Stranggießrolle, die einen Rollengrundkörper (2) aus Metall und eine auf diesem aufgebrachte Schicht (3) aus verschleißbeständigem Material aufweist. Um die Rolle, insbesondere die Stranggießrolle, besonders verschleißbeständig zu machen, sieht die Erfindung vor, dass die Schicht (3) galvanisch aufgebrachtes Nickel aufweist, wobei die Oberfläche (4) der Schicht (3) die Arbeitsfläche der Rolle (1) bildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Rolle (1) zur Metallherstellung und/oder Metallbearbeitung, insbesondere einer Stranggießrolle.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Rolle zur Metallherstellung und/oder Metallbearbeitung, insbesondere eine Stranggießrolle, die einen Rollengrundkörper aus Metall und eine auf diesem aufgebrachte Schicht aus verschleißbeständigem Material aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Rolle, insbesondere einer Stranggießrolle.
• Einen großen Anteil an der einwandfreien Funktion einer Stranggießanlage sowie an der Qualität der Gussprodukte und an der Wirtschaftlichkeit der Anlage haben die Strangführungsrollen. Die Aufgabe der Strangführungsrollen ist es, den erstarrten Strang nach dem Verlassen der Kokille abzustützen, zu führen, zu biegen und zu transportieren. Dabei sind die Rollenkörper sowie die Lager der Segmentrollen hohen thermischen, mechanischen und chemisch-korrosiven Belastungen ausgesetzt.
• Die thermische Belastung ergibt sich durch den direkten Kontakt der Oberfläche des Rollenkörpers mit dem Gießstrang, der zwischen 800 °C und 1.200 °C heiß ist. Die mechanische Belastung ist eine Folge der ferrostatischen Kräfte, der Bie ge- und Richtkräfte sowie der Antriebskräfte, die von der Rolle auf den Strang übertragen werden müssen. Außerdem verschleißen die Rollen in Folge der Reibung mit dem Strang. Wegen der großen benötigten Kühlwassermengen und der hohen Temperaturen in Verbindung mit aggressiven chemischen Verbindungen, die z. B. durch die Verwendung des Gießpulvers bedingt sind, muss zusätzlich auf die Korrosionseigenschaften bzw. auf den Korrosionsschutz der für die Rolle verwendeten Werkstoffe und Bauteile geachtet werden.
• Bekannt ist es, die Rollen einer Stranggießanlage aus einem Vergütungsstahl als Grundwerkstoff zu fertigen (z. B. 21 CrMoV 511V, 16 CrMo 44, 24 CrMo 5 und S 355), der in der Lage ist, die hohen mechanischen Belastungen aufzunehmen. Allerdings ist dieser Stahl meist weniger geeignet, dauerhaft den thermischen und chemisch-korrosiven Belastungen zu widerstehen. Um eine hinreichende Beständigkeit auch gegen hohe Temperaturen und gegen chemisch-korrosive Einflüsse zu erzielen, ist es bekannt, den Rollenkörper mittels Auftragsschweißen mit einem weichmartensitischen Werkstoff zu versehen. Allerdings ist dies relativ kostenintensiv.
• Aus der DE 40 27 225 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Stranggießrolle bekannt, die aus einem Kern aus Eisenwerkstoff besteht, der mit einem Mantel aus verschleißbeständigem Material versehen ist. Zwischen dem äußeren Mantel und dem Kern aus Eisenwerkstoff ist eine Schicht aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung vorgesehen. Um die Wärmeleitfähigkeit der Rolle zu optimieren, ist auf die Kupferschicht eine Nickelschicht galvanisch aufgebracht, wobei auf diese Zwischenschicht die verschleißbeständige Deckschicht aus einer Nickel-Chrom-Bor-Legierung mittels Auftragsschweißen aufgebracht wird.
• Auch die US 5,161,306 schlägt vor, eine verschleißfeste Oberflächenschicht auf einen mit Zwischenschichten versehenen Rollengrundkörper aufzubringen, wobei die verschleißfeste Schicht aus Chromoxiden besteht (Cr₂O₃).
• Auch in der US 2002/0056539 A1 wird eine Stranggießrolle mit einer verschleißbeständigen Schicht versehen, wobei diese auf Nickel basiert und Kohlenstoff, Chrom und Molybdän aufweist.
• Andere Rollen mit diversen verschleißfesten Beschichtungsmaterialien sind aus der JP 6218 3950 A1 , der JP 6223 0462 A , der JP 6308 6856 A , der JP 6003 0560 A , der JP 5912 9754 A und aus der JP 6220 7549 A bekannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Blick auf die erläuterten Nachteile Abhilfe zu schaffen und eine Rolle zur Metallbearbeitung, insbesondere eine Stranggießrolle, zu schaffen, die über eine ausreichende Festigkeit verfügt und gleichzeitig den thermischen, mechanisch-abrasiven und chemisch-korrosiven Belastungen widersteht, die im Betrieb der Rolle auftreten, wobei dies möglichst lange und ohne oder nur mit geringfügigen geometrischen Veränderungen erfolgt. Gleichzeitig soll die Rolle mit geringen Kosten hergestellt werden können. Ferner soll ein entsprechendes Herstellverfahren für eine solche Rolle vorgeschlagen werden.
• Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht, die sich auf dem Rollengrundkörper befindet, galvanisch aufgebrachtes Nickel aufweist, wobei die Oberfläche der Schicht die Arbeitsfläche der Rolle bildet.
• Die Erfindung geht also im Verhältnis zu den vorbekannten Lösungen den neuen Weg, dass die verschleißfeste Schicht, deren Oberfläche die Arbeitsfläche der Rolle bildet, mittels eines galvanischen, d. h. elektrolytischen Verfahrens aufgebracht wird.
• Die Dicke der mittels des galvanischen bzw. elektrolytischen Prozesses aufgebrachten Schicht liegt dabei bevorzugt zwischen 0,01 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 0,05 mm und 2 mm.
• Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schicht aus reinem Nickel besteht.
• Allerdings wird bevorzugt vorgesehen, dass die Schicht neben Nickel weitere Bestandteile aufweist.
• Dies können neben Nickel andere Legierungsbestandteile sein, nämlich beispielsweise einer oder mehrere der Bestandteile Kobalt (Co), Phosphor (P), Eisen (Fe), Zink (Zn), Kupfer (Cu), Mangan (Mn) oder Chrom (Cr).
• Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schicht neben Nickel bzw. der genannten Legierung mit Nickel als Grundmaterial keramische Partikel aufweist. Die keramischen Partikel können Karbide von Titan (Ti), von Tantal (Ta), von Wolfram (W), von Zirkonium (Zr), von Bor (B), von Chrom (Cr) und/oder von Silizium (Si) sein.
• Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass die Schicht aus einer Nickel-Kobalt-Legierung besteht, in die keramische Partikel aus Silizium-Karbid eingelagert sind.
• Die keramischen Partikel können auch Oxide von Aluminium (Al), von Chrom (Cr), von Silizium (Si), von Beryllium (Be) oder von Zirkonium (Zr) sein.
• Die Teilchengröße der keramischen Partikel liegt dabei gemäß einer bevorzugten Lösung zwischen 1 und 5 μm. Eine andere Lösung sieht deutlich kleinere Partikel vor; hiernach liegt die Teilchengröße der keramischen Partikel zwischen 10 und 1.000 nm.
• Mit besonderem Vorteil liegen die keramischen Partikel mit hoher Konzentration in dem Nickel bzw. in der Nickellegierung vor. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass der Volumenanteil an keramischen Partikeln in dem Nickel bzw. in der Nickellegierung zwischen 15 % und 40 %, vorzugsweise zwischen 25 % und 30 %, beträgt.
• Nicht zuletzt hierdurch wird erreicht, dass gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung die Härte der Oberfläche der Schicht zwischen 300 und 500 HV 1 (Vickers-Härte), vorzugsweise zwischen 350 und 450 HV 1, liegt.
• Das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung einer Rolle zur Metallbearbeitung, insbesondere einer Stranggießrolle, stellt auf die Schritte ab:
• a) Herstellung eines Rollengrundkörpers aus Metall;
• b) Einbringen des Rollengrundkörpers in ein galvanisches Beschichtungsbad;
• c) galvanisches Aufbringen einer Schicht auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Rollengrundkörpers, wobei die Schicht zumindest teilweise aus Nickel besteht und die Oberfläche der Schicht die Arbeitsfläche der Rolle bildet.
• Der Erfindungsvorschlag stellt also darauf ab, den Grundwerkstoff der Strangführungsrolle nicht mehr – wie bekannt – mit einer aufgeschweißten, weichmartensitischen Oberflächenschicht zu versehen, sondern galvanisch eine Nickelschicht oder eine Schicht einer Nickelverbindung aufzubringen.
• Vorteilhaft ist es dabei, dass in galvanischen Bädern gleichzeitig eine große Zahl an Rollen beschichtet werden kann, so dass die Herstellkosten pro Rolle gering bleiben. Außerdem lässt sich über die Verweildauer der Rollen im galvanischen Beschichtungsbad die Dicke der aufgebrachten Schicht leicht definieren bzw. variieren.
• Die galvanisch aufgebrachte Schicht ist dünn und schützt damit den Grundwerkstoff der Rolle wirksam gegen einen korrosiven Angriff. Gleichzeitig hat die Schicht eine hohe Härte und eine gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen sowie eine große Zunderbeständigkeit. Somit wird die Verschleißfestigkeit der Stranggussrolle zuverlässig und kostengünstig verbessert. Die vorgeschlagenen Rollen können damit länger eingesetzt werden, was zu einer entsprechenden Verminderung der Kosten für den Betreiber einer Stranggussanlage führt.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
• Es zeigen:
• 1 schematisch in der Seitenansicht eine Stranggießrolle,
• 2 die Einzelheit Z gemäß 1 und
• 3 schematisch den Aufbau einer galvanischen bzw. elektrolytischen Beschichtungsanlage mit zwei zu beschichtenden Stranggießrollen.
• In 1 ist eine Stranggießrolle 1 zu sehen, die einen hier nicht weiter interessierenden Zapfen 9 aufweist, die ansonsten aus einem im Ausführungsbeispiel zylindrischen Rollengrundkörper 2 besteht. Auf den Rollengrundkörper 2 ist eine Schicht 3 auf verschleißresistentem Material aufgebracht, dessen Aufbau in 2 näher illustriert ist.
• Die Schicht 3 hat eine Schichtdicke D, die beispielsweise zwischen 0,05 mm und 2,0 mm liegen kann. Wesentlich ist, dass die Oberfläche 4 der Schicht 3 die Arbeitsfläche der Rolle 1 ist, die im Falle einer Stranggießrolle Kontakt mit dem noch heißen Gießstrang hat und folglich einer hohen thermischen, mechanischen und chemisch-korrosiven Belastung ausgesetzt ist.
• Die Schicht 3 besteht aus Nickel oder einer Nickellegierung, wobei diese galvanisch (elektrolytisch) auf den Rollengrundkörper 2 aufgebracht ist (s. hierzu 3).
• Zur Erhöhung insbesondere der mechanischen und thermischen Resistenz der Oberfläche 4 der Rolle 1 ist diese mit einem nicht unerheblichen Anteil an keramischen Partikeln 5 versehen, die einen mittleren Partikeldurchmesser d haben. Dieser kann sich nach einer Ausführungsform im Bereich zwischen 1 bis 5 μm bewegen. Eine alternative Ausgestaltung sieht indes Nanopartikel vor, d. h. in diesem Falle liegt der Durchmesser d zwischen 10 und 1.000 nm.
• Die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Herstellung der Stranggießrolle 1 ist in 3 illustriert. Dort ist ein Beschichtungsbad 6 zu sehen, in dem sich eine für die galvanische bzw. elektrolytische Beschichtung geeignete Flüssigkeit befindet. Es kann sich dabei um eine Säure handeln (z. B. Schwefelsäure (H₂SO₄)). In das Bad taucht eine Anode 7 ein, die durch einen Block Nickel gebildet wird, der die Verbrauchselektrode bildet. Weiterhin tauchen im Ausführungsbeispiel zwei Rollen 1 ein, wobei vorgesehen ist, dass die nicht zu beschichtenden Walzenzapfen 9 mit nicht dargestellten Abdeckungen abgedeckt sind. Die beiden Walzen 1 bilden die Kathode 8. Anode 7 und Kathode 8 sind an eine Gleichspannungsquelle 10 angeschlossen, die in an sich bekannter Weise gesteuert bzw. geregelt werden kann.
• Beim Stromanschluss ergibt sich eine elektrochemische Abscheidung von einem metallischen Niederschlag aus Nickel auf der (nicht abgedeckten) Oberfläche der Rollen 1. Der elektrische Strom löst Metallionen von der Verbrauchselektrode 7 ab und lagert sie durch Reduktion auf der Oberfläche der Rollen 1 ab. Dadurch wird die Rolle 1 allseitig und gleichmäßig mit Nickel beschichtet. Je länger sich die Rollen 1 im Bad 6 befinden, umso dicker wird die Schicht des Nickels auf dem Rollengrundkörper 2.
• Durch die eingebrachten keramischen Partikel lassen sich die mechanischtechnologischen Eigenschaften der Nickelschicht bzw. der Schicht aus Nickel-Metalllegierungen für die jeweilige Anwendung optimieren. So kommt es darauf an, eine Stranggießrolle mit einer chemisch resistenten, bei höheren Temperaturen stabilen Schicht zu versehen, die bei abrasiver Beanspruchung nur geringe Abschleifraten aufweist, sich aber gleichzeitig bei der Herstellung wirtschaftlich bearbeiten lässt. Beispielsweise lassen sich Nickelverbindungen herstellen, die bei Raumtemperatur eine mittlere Härte von 350 bis 450 HV 1 aufweisen und damit mit vertretbarem Aufwand bearbeitet werden können und gleichzeitig selbst bei höheren Temperaturen geringe Abschleifraten aufweisen.
• Besonders geeignet sind für den vorgeschlagenen Anwendungsfall galvanisch hergestellte Metalllegierungsdispersionen auf der Basis von Nickel/Kobalt, in welche keramische Teilchen – bevorzugt Silizium-Karbid – mit einer Teilchengröße von 1 bis 5 μm oder Nanoteilchen mit einer Größe von 10 bis 1.000 nm eingelagert sind.
• Das zum Einsatz kommende Nickel ist bevorzugt hochrein und druckvorspannungsbehaftet.
• Bevorzugt kommt also eine elektrolytische Oberflächenveredlung des Rollengrundkörpers zum Einsatz, bei dem in eine duktile Nickelmatrix harte Feststoffpartikel in hoher Konzentration eingelagert werden. Diese Kombination bewirkt für das zu schützende Teil einen sehr guten Verschleißschutz. Der Gießstrang läuft dann nämlich nicht mehr direkt auf dem Metall der Metallmatrix, sondern auf aus der Grundkontur der Rollenoberfläche herausragenden keramischen Partikeln. Damit kann die Abrasion des Nickels wesentlich reduziert und das Ziel erreicht werden, dass die Strangführungsrollen für eine lebenslange Rollenstandzeit, d. h. für mindestens 10 Jahre Gebrauch, ausgelegt sind.
• Denkbar ist es dabei auch, dass mehrere galvanische Beschichtungen auf den Rollengrundkörper aufgebracht werden, wobei stets das gleiche Beschichtungsmaterial oder auch unterschiedliche Beschichtungsmaterialien zum Einsatz kommen können.
• Die Stranggießrollen können für alle bekannten Anwendungsfälle verwendet werden, d. h. insbesondere bei Block-, Rund-, Profil-, Brammen- und Dünnbrammenanlagen zum Vergießen von Kohlenstoff- und Rostfreistahlqualitäten. Der Rollendurchmesser (Fertigdurchmesser inklusive der Oberflächenbeschichtung) der Strangführungsrolle bewegt sich dabei meist zwischen 80 mm und 350 mm.

1

Rolle (Stranggießrolle)

2

Rollengrundkörper

3

Schicht

4

Oberfläche der Schicht

5

keramische Partikel

6

Beschichtungsbad

7

Anode (Pluspol)

8

Kathode (Minuspol)

9

Zapfen

10

Gleichspannungsquelle

D

Dicke der Schicht

d

Teilchengröße der keramischen Partikel

Claims (15)

1. Rolle (1) zur Metallbearbeitung, insbesondere Stranggießrolle, die einen Rollengrundkörper (2) aus Metall und eine auf diesem aufgebrachte Schicht (3) aus verschleißbeständigem Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) galvanisch aufgebrachtes Nickel aufweist, wobei die Oberfläche (4) der Schicht (3) die Arbeitsfläche der Rolle (1) bildet.
2. Rolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (D) der Schicht (3) zwischen 0,01 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,05 mm und 2 mm, beträgt.
3. Rolle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) aus reinem Nickel besteht.
4. Rolle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) neben Nickel weitere Bestandteile aufweist.
5. Rolle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) neben Nickel eines oder mehrere der Bestandteile Kobalt (Co), Phosphor (P), Eisen (Fe), Zink (Zn), Kupfer (Cu), Mangan (Mn) oder Chrom (Cr) aufweist.
6. Rolle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) neben Nickel keramische Partikel (5) aufweist.
7. Rolle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel (5) Karbide von Titan (Ti), von Tantal (Ta), von Wolfram (W), von Zirkonium (Zr), von Bor (B), von Chrom (Cr) und/oder von Silizium (Si) sind.
8. Rolle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) aus einer Nickel-Kobalt-Legierung besteht, in die keramische Partikel (5) aus Silizium-Karbid eingelagert sind.
9. Rolle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel (5) Oxide von Aluminium (Al), von Chrom (Cr), von Silizium (Si), von Beryllium (Be) oder von Zirkonium (Zr) sind.
10. Rolle nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengröße (d) der keramischen Partikel (5) zwischen 1 und 5 μm liegt.
11. Rolle nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengröße (d) der keramischen Partikel (5) zwischen 10 und 1.000 nm liegt.
12. Rolle nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel (5) mit hoher Konzentration in dem Nickel bzw. in der Nickellegierung vorliegen.
13. Rolle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil an keramischen Partikeln (5) in dem Nickel bzw. in der Nickellegierung zwischen 15 % und 40 %, vorzugsweise zwischen 25 % und 30 %, beträgt.
14. Rolle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Härte der Oberfläche (4) der Schicht (3) zwischen 300 und 500 HV 1, vorzugsweise zwischen 350 und 450 HV 1, liegt
15. Verfahren zur Herstellung einer Rolle (1) zur Metallherstellung und/oder Metallbearbeitung, insbesondere einer Stranggießrolle, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte aufweist: a) Herstellung eines Rollengrundkörpers (2) aus Metall; b) Einbringen des Rollengrundkörpers (2) in ein galvanisches Beschichtungsbad (6); c) galvanisches Aufbringen einer Schicht (3) auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Rollengrundkörpers (2), wobei die Schicht (3) zumindest teilweise aus Nickel besteht und die Oberfläche (4) der Schicht (3) die Arbeitsfläche der Rolle (1) bildet.