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Hartmetallisches
Profilwalzwerkzeug, insbesondere Walzbalken, Walzstange beziehungsweise Walzbacke
oder Rundwalzwerkzeug zum Kaltwalzen, mit einem Grundkörper (4)
mit Befestigungselementen und mindestens einer Profilverzahnung
(7) aus zwei verschiedenen Werkstoffen, die in spanlosen
Fertigungsverfahren als Verzahnungswerkzeug für die kaltumformende Herstellung
von Gewinde, Profilen und Verzahnungen in Profil-Walzmaschinen und
Verzahnungswalzmaschinen zum Einsatz kommen.
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Die
bislang zur Anwendung kommenden, insbesondere zahnstangenförmigen Walzbalken oder
Rundwalzwerkzeuge bestehen herkömmlich aus
einem gehärteten
und geschliffenen Werkzeugstahl mit einer Härte von ungefähr Rockwell
HRC 55 bis HRC 65, die gegebenenfalls mit einer Verschleißschutzschicht
aus Hartstoff beziehungsweise Hartmetall versehen sind.
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Bekannt
sind Walzstangen, die oberflächlich mit
einer Hartmetallbeschichtung versehen sind. Die
US 5509287 A beschreibt eine
Zahnstange mit einer Hartmetallbeschichtung im Anfangsbereich der
Verzahnung, die nur soweit vorhanden ist, wie für die erste und zweite volle
Umdrehung des Werkstückes erforderlich
ist. Damit sollen die Zähne
im Anwalzbereich durch eine zusätzliche
Verschleißschutzschicht besonders
an den Stellen geschützt
werden, die einer hohen Beanspruchung ausgesetzt sind. Außerdem werden
lediglich die Zahnspitzen mit einer Hartmetallbeschichtung versehen.
Vorgeschlagen wird eine Hartmetallbeschichtung mit Wolframcarbid (WC)
oder Titancarbid (TIC) mit einer Dicke der Schicht ungefähr von 0,0015
Zoll bis 0,0020 Zoll. Die Beschichtung erfolgt durch ein Dampfdiffusionsverfahren.
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In
der
US 6314778 B1 wird
zur Beschichtung einer Zahnstange mit Hartmetall eine mit einer
Verzahnung versehene Elektrode eingesetzt, wobei die Verzahnung
der Zahnstange vollständig
oder teilweise mit einer Hartstoffschicht beschichtet wird. Mit dem
Verfahren soll die Oberflächenrauheit
verfeinert und die Herstellung eines Walzwerkzeugs gewährleistet
werden, bei dem eine spezielle Nachbearbeitung der Oberfläche nicht
notwendig ist.
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Schließlich ist
in der
JP 9253779 A1 eine Walzbacke
dargestellt, die aus einem Grundkörper als Werkzeughalter aus
Werkzeugstahl besteht, der mit einem die Verzahnung tragenden Werkzeugkörper verschraubt
ist. Der Werkzeugkörper
mit der Verzahnung besteht vollständig aus Hartmetall (Cemented
Carbide). Das Hartmetall wird pulvermetallurgisch mit Hochdruck
verpresst, indem ein Pulver wie Titancarbid und Metallpuder, wie
Kobalt als Bindemittel verwendet wird. Die Verschraubung des Werkzeugkörpers mit
dem Werkzeughalter ergibt sich beispielsweise aus der Zeichnung
9 und 10. Ein ähnlicher
Werkzeugkörper,
der mit einem Werkzeugträger verschraubt
ist, wird in der
DE
10212256 A1 beschrieben. Nachteilig ist, dass für den wieder
verwendbaren Grundkörper
ein hochfester Werkzeugstahl erforderlich ist. Ein hochfester Werkzeugstahl ist
desgleichen bei den eingangs genannten Walzbalken mit einer oberflächlichen
Hartmetallbeschichtung zum Verschleißschutz erforderlich.
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Die
Walzbalken aus einem hochfesten Werkzeugstahl müssen vor dem Einsatz in einem
Wärmebehandlungsprozess
gehärtet
werden. Aufgrund der großen
Längenausdehnung
führt das
Härten
jedoch zu beträchtlichen
Spannungen im Walzbalken. Diese Probleme bei der Herstellung von
Walzbalken aus gehärtetem
Stahl sind seit langem bekannt und wurden bereits in der
DE 294 822 A ausführlich beschrieben.
Besonders die sehr langen Walzbalken verziehen sich beim Härten und
werden krumm, so dass eine aufwändige
Nachbearbeitung durch Schleifen erforderlich ist.
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Darüber hinaus
besteht in der Praxis die Schwierigkeit, dass die für die Walzstangen
benötigten
Halbzeuge aufgrund der Vielzahl von Anforderungen an die Abmessungen
bezüglich
der Länge,
Breite und Höhe
nicht ausreichend vorhanden sind. Die Angebote spezieller Halbzeuge
aus hochlegiertem Werkzeugstahl am Markt entsprechen nicht dem breiten
Spektrum, das den differenzierten Abmessungen und Profilen der in
der Industrie zum Einsatz kommenden Walzbalken und der Rundwalzwerkzeuge
gerecht wird. Der benötigte
hochfeste Werkzeugstahl mit seinen Legierungen ist als Standardmaterial oft
nicht verfügbar,
was häufig
zu Sonderapplikationen und langen Lieferfristen seitens der Stahllieferanten
führen
kann. Der Werkzeuglieferant kann infolgedessen meist nicht zeitnah
auf Kundenwünsche reagieren.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in einem hartmetallischen Profilwalzwerkzeug,
insbesondere in einem hartmetallischen Walzbalken, bei dem der Spannungsverzug
beim Härten
und der Härteverzug vermieden
wird. Damit sollen die Herstellungskosten für das Schleifen, insbesondere
bei den Walzbalken gesenkt werden. Darüber hinaus soll eine Unabhängigkeit
von dem vorhandenen Spektrum der am Markt angebotenen Halbzeuge
an hochfestem Werkzeugstahl erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei einem Profilwalzwerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 dadurch gelöst,
dass der überwiegende Teil
des Grundkörper
aus einem ersten metallischen Material mit einer Härte von
HRC 30–50
besteht und die Profilverzahnung in eine auftragsgeschweißte hartmetallische
Schicht eingearbeitet ist, die aus einem zweiten hartmetallischem
Material mit einer Härte
von HRC 55 bis HRC 65 besteht, wobei die hartmetallische Schicht
eine Schichtdicke von mindestens 2 mm aufweist und mit dem ersten
Material durch Auftragsschweißen
verbunden ist.
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In
diese Hartmetallschicht wird das Walzprofil per Schleifverfahren
eingebracht. Das Auftragsschweißen
von Hartmetall hat den Vorteil, dass die Härtung der Werkzeugprofilierung
durch die gesteuerte Abkühlung
aus der Schweißhitze
erfolgt. Auf diese Weise kann die Härtung der Walzstange im Ganzen
und der Härteverzug
vermieden werden. Die erforderlichen Schleifarbeiten reduzieren
sich dadurch auf das Schleifen der Werkzeugprofilierung. Eine zusätzliche
Härteoperation
ist zwar möglich,
führt aber nur
zu geringfügig
besseren Eigenschaften. Die Primärhärte ist
abhängig
von den Legierungen und liegt zwischen 55 HRC und 65 HRC. Die Verbundhärte wird
durch die Parameter des Auftragschweißens nicht beeinflusst. Untersuchungen
haben ergeben, dass die durch das Auftragsschweißen erzielbare Verbundhärte im Bereich
konventioneller Werkzeugstähle
liegt. Ein solcher Walzbalken kann wie jeder konventionell aufgebaute
als Verzahnungswerkzeug zur Anwendung kommen und zeichnet sich durch
eine hohe Flexibilität
in der Herstellung aus.
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Das
Aufbringen der Hartmetallschicht per Auftragsschweißen bietet
eine große
Unabhängigkeit von
geforderten Walzbalkenkonturen und hat positive Auswirkungen auf
Lieferzeiten und die Machbarkeit spezieller Anwendungen. Durch den
geringeren Materialanteil von Hartmetall am Gesamtwerkzeug ergibt
sich eine Reduzierung der Herstellkosten der Werkzeuge.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht der Grundkörper des
hartmetallischen Profilwalzwerkzeugs aus Baustahl. Baustähle sind
bei einem günstigen
Preis meist niedrig legiert und nicht wärmebehandelt. Im Allgemeinen
zählen so
gut wie alle kohlenstoffarmen Stähle
zu den Baustählen.
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Wenn
das Auftragen der Hartmetallschicht durch ein Lichtbogenschweißen (Plasma-Auftragsschweißen) oder
durch das Plasma-Pulver-Auftragsschweißen auf das Trägermaterial
erfolgt, kommt es zu einer Aufschmelzung an der Oberfläche des Grundkörpers und
zu einer partiellen Vermischung des Grundkörpermaterials und des durch
den Plasmabogen schmelzflüssig
gewordenen Hartmetalls. Beim Abkühlen
ergibt sich ein einheitliches Gefüge im Vermischungsbereich.
Ein durch Auftragsschweißen
hergestellter hartmetallischer Walzbalken weist im Verzahnungsbereich
eine hohe Verschleißfestigkeit
und aufgrund des weicheren Baustahls einen vergleichsweise zugfesteren
und weniger spröden Grundköper auf.
Dadurch werden höhere
Walzdrücke
oder eine längere
Standfestigkeit ermöglicht.
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Infolgedessen
besitzt die hartmetallische Walzstange oder das hartmetallische
Rundwalzwerkzeug im Vergleich zu höchstlegierten Werkzeugstählen eine
deutlich höhere
Verschleißfestigkeit,
die im Schleifpapiertest nachgewiesen wird. Gegenüber konventionellen
Stählen
ist eine deutliche Verbesserung zu erkennen. Bei Einsatz von Vanadiumcarbid (VC)
im Hartmetall steigt die Festigkeit gegen abrasiven Verschleiß mit steigendem
VC-Gehalt an. Mit diesen Werkstoffen wird somit die bisherige Lücke in der
Verschleißfestigkeit
zwischen konventionellen Stählen
und Hartmetall geschlossen. Durch die höhere Verschleißfestigkeit
ergibt sich insbesondere eine Erhöhung der Standzeit der auf
abrasiven Verschleiß beanspruchten
Profilwalzwerkzeuge.
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Die
Verringerung von Verschleiß durch
die Auftragsschweißschicht
ist somit eine wesentliche Möglichkeit,
die Lebensdauer der Profilwalzwerkzeuge zu erhöhen und damit Rohstoffe und
Kosten zu sparen. Bisher wurde dies vor allem durch mehrmaligen
Nachschliff von Werkzeugen aus gehärtetem Stahl erreicht. Die
kostengünstigere
Herstellung eines hartmetallischen Walzbalkens oder eines hartmetallischen
Rundwalzwerkzeugs ermöglicht
es sogar demgegenüber,
nach dem nicht zu vermeidenden Verschleiß die Profilwalzwerkzeuge einfach
auszutauschen.
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Da
die Hartmetallschicht mittels Auftragsschweißen mit einem Pulververfahren
aufgebracht wird, können
hochlegierte Zusatzwerkstoffe gemischt werden, die ansonsten nicht
mehr als handelsübliche Legierung
verfügbar
sind. Die Legierungsbestandteile der geschweißten Schicht werden als pulverförmiges Zusatzwerkstoffsystem
aus Eisen, Chrom, Vanadium, Titan, Nickel, Wolfram und Kohlenstoff
aufgebracht. Durch die hartmetallische Walzstange und das hartmetallische
Rundwalzwerkzeug wird eine große
Variationsbreite der Legierungen aufgrund der chemischen Zusammensetzung
der Werkstoffe ermöglicht.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels eines Walzbalkens
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungen
gelten desgleichen für Rundwalzwerkzeuge
zum Kaltwalzen mit einem Durchmesser bis zu 400 mm. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im
Einzelnen zeigt
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1 eine
hartmetallische Walzstange,
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2 das
ungeschliffene Rohteil einer hartmetallischen Walzstange in der
Seitenansicht,
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3 das
Rohteil der Walzstange in der Vorderansicht,
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4 das
Rohteil der Walzstange in der Draufsicht in schematischer Darstellung.
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Die 1 zeigt
eine hartmetallische Walzstange 1 zum spanlosen Kaltwalzen
von Profilen und Verzahnungen zum Herstellen eines rotationssymmetrischen
Werkstückes
mit beispielsweise einer geraden oder schrägen Verzahnung, Spiralverzahnung, mit
Nuten, Gewinde oder einer Rändelung.
Beim Kaltwalzen werden zwei Walzstangen 1 paarweise eingesetzt.
Die nicht weiter dargestellte Kaltwalzmaschine umfasst zwei synchron
angetriebene Walzschlitten, auf denen jeweils eine Walzstange 1 angeordnet
ist. Die Walzschlitten mit den Walzstangen 1 bewegen sich
gegenläufig
zueinander. Ein zwischen den Walzstangen 1 eingespanntes
Werkstück 8 wird in
Drehung versetzt und umgeformt. Die Positionierung der Walzstangen 1 in
den Walzschlitten erfolgt mit Hilfe von Anschlägen 2 und Andrückschrauben 3 beziehungsweise
Spannelementen, welche die Walzstangen 1 gegen die Walzschlitten
drücken.
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Die
Walzstange 1 weist einen geradlinig geführten quaderförmigen Grundkörper 4 mit
einer dem Walzschlitten entsprechenden Grundfläche 5 und eine parallel
zu der Grundfläche 5 angeordnete
Walzbackenseite 6 auf. Die kopfseitig angeordnete Walzbackenseite 6 ist
mit einer hartmetallischen Profilverzahnung 7 versehen.
Diese Profilverzahnung 7 kann desgleichen in bestimmten
Fällen
doppelseitig auch an der Grundfläche 5 angeordnet
werden.
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Für die Herstellung
der Walzstange 1 wird ein in 2 bis 4 gezeigtes
Rohteil eingesetzt. Für
den Grundkörper 4 der
Walzstange 1 wird ein längliches
Halbzeug mit einem rechteckigen Querschnitt aus Baustahl mit einem
niedrigen Kohlenstoffgehalt eingesetzt. Die Längenabmessungen der Walzstangen 1 können dabei
zwischen 300 mm und 1.800 mm liegen. Die Höhe und Breite der Walzstange 1 ist
dagegen wesentlich geringer. Aus diesen unterschiedlichen Abmessungen
resultieren der Härteverzug
und der Aufwand beim Schleifen bei herkömmlicher Fertigung.
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Zur
Herstellung einer hartmetallischen Walzstange 1 wird ein
Grundkörper 4 aus
unbehandeltem Baustahl mit einem niedrigen Kohlensstoffgehalt eingesetzt.
Bei einem Baustahl beträgt
der Kohlenstoffgehalt etwa 0,14%–0,26%. Bevorzugt wird ein
Baustahl der Stahlsorte S355, insbesondere S355JO, der für sehr hohe
Umformansprüche
geeignet ist. Die Stahlsorte S355JO nimmt eine Ausnahmestellung ein,
weil sie ein höherfester
und schweißgeeigneter Feinkornbaustahl
ist. Der Stahl hat einen Kohlenstoffgehalt von 0,2%, woraus sich
eine gute Schweißeigenschaften
und eine hohe Zähigkeit
ableitet.
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Der
nicht gehärtete
Grundkörper 4 wird
beim Auftragsschweißen
erwärmt
und mit einer hartmetallischen Schicht 9 durch ein Lichtbogenschweißen (Plasma-Auftragsschweißen) oder
durch das Plasma-Pulver-Auftragsschweißen versehen. Hierbei ist es
vorteilhaft, wenn die hartmetallische Schicht 9 in mehreren
Lagen aufgetragen wird. Nach dem Auftragen der der hartmetallischen
Schicht 9 wird eine kontrollierte Abkühlung der Walzstange 1 vorgenommen. Durch
eine mehrfache Anlassbehandlung im Bereich 500°C bis 600°C kommt es analog zu Schnellarbeitsstählen zur
Ausbildung eines Sekundärhärtemaximums.
Die Härte
bleibt erhalten beziehungsweise wird verbessert und die Ausbruchgefahr
verringert sich, da die Zähigkeit
gesteigert wird. Alle untersuchten Varianten liegen auf diese Weise
in einem Härtebereich
von Rockwell 62 HRC bis 64 HRC.
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Die
Nachbearbeitung der hartmetallischen Walzstange 1 erfolgt
durch Schleifen, wobei die Profilverzahnung 7 fehlerfrei
und geometrisch exakt ausgebildet wird. Entsprechend der Tiefe der
Profilverzahnung 7 beträgt
die Schichtdicke der hartmetallischen Schicht 9 mindestens 2
mm. Unter Anwendung des Plasma-Pulver-Auftragschweißens können Schichtdicken
zwischen 2 und 6 mm erreicht werden. Das Plasma-Pulver-Auftragschweißen ist
generell ein Lichtbogenschweißen.
Der Lichtbogen wird durch ein strömendes Plasma und eine spezielle
Brennerkonstruktion eingeschnürt
und brennt annähernd
parallel aus der Brennerdüse.
Die hohe Energiedichte bewirkt ein definiertes Aufschmelzen des
pulverförmigen
Zusatzwerkstoffes ist so steuerbar, dass ein minimales Anschmelzen
des Grundkörpers 4 realisiert
werden kann. Mit einer Pendelbewegung quer zur Vorschubrichtung
kann die Beschichtungsbreite variiert werden.
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Beim
Auftragschweißen
wird durch den eingesetzten Zusatzwerkstoff die Verschleißeigenschaft der
hartmetallischen Schicht 9 beeinflusst. Die hartmetallische
Schicht 9 kann Stellite und Nickelhartlegierungen, sowie
Zusatzwerkstoffsysteme aus Eisen und Cobalt sowie Wolframcarbid,
Chromcarbid, Vanadincarbid, Titancarbid beziehungsweise Mischcarbide
aufweisen, die mit einem unterschiedlich hohen Carbidgehaltes eingesetzt
werden.
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Für die Herstellung
eines hartmetallischen Walzbalkens 1 unter Einsatz des
Plasma-Pulver-Auftragschweißens sind
Zusatzwerkstoffe auf der Basis von Vanadiumcarbid besonders gut
geeignet. Vanadiumcarbid eignet sich durch seine metallurgischen Eigenschaften
ausgezeichnet für
eine schweißtechnische
Verarbeitung in Fe-Basiswerkstoffen. Die Legierungsbestandteile
der geschweißten
Schicht 9 werden als pulverförmiges Zusatzwerkstoffsystem aus
Eisen, Chrom, Vanadium, Titan, Nickel, Wolfram und Kohlenstoff sowie
weiteren Zusatzstoffen aufgebracht. Hierbei beträgt der Vanadiumcarbidanteil
10 bis 35 Prozent. Diese Legierungen härten martensitisch und die
Zusammensetzung ist hochlegierten Werkzeugstählen beziehungsweise Schnellarbeitsstählen ähnlich.
Ein wesentlicher Vorteil des hartmetallischen Walzbalkens besteht
darin, dass die hartmetallische Schicht 9 auf Fe-Cr-VC-Basis
hochverschleißfest
ist und eine für
Kantenbelastungen optimale Zähigkeit
aufweist.