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Die Erfindung betrifft eine Walzenpresse, insbesondere zur Verarbeitung stark abrasiver Stoffe, mit wenigstens zwei Presswalzen, die jeweils eine auf einem Grundkörper angeordnete Verschleißschutzschicht aufweisen, wobei die Verschleißschutzschicht plattenförmig und stiftförmig ausgebildete verschleißbeständige Elemente umfasst, wobei die plattenförmigen verschleißbeständigen Werkstoffelemente an den beiden einander gegenüberliegenden Randbereichen jedes Grundkörpers angebracht und die stiftförmig ausgebildeten verschleißbeständigen Werkstoffelemente in dem sich zwischen den Randbereichen erstreckenden Abschnitt der Presswalze angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht.
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Entsprechende Walzenpressen werden im Stand der Technik vielfältig insbesondere zur Kompaktierung und Zerkleinerung eingesetzt. Je nach Profilierung der Presswalzen kommt es neben einer Druckbeanspruchung auf die zu verarbeitenden Werkstoffe auch zu einer Gleitbeanspruchung an der Walzenoberfläche. Um die Walzenoberfläche vor dieser Beanspruchung, und dem daraus resultierenden Verschleiß, zu schützen ist es bekannt einen Verschleißschutz auf die Oberfläche aufzubringen. Ein entsprechender Verschleißschutz kann z. B. in der Praxis sehr häufig verwendete zylindrische Hartmetallstifte umfassen, welche in eine weichere Grundmatrix eingebracht werden, und zusammen mit dem eingepressten Mahlgut eine autogene Verschleißschutzschicht bilden. Bei solchen bekannten Walzenpressen ist die Gefahr des Ausbrechens von Stiften sehr groß, wobei die Gefahr des Ausbrechens insbesondere im Randbereich der Presswalze erhöht ist. Aus diesem Grund wird die stiftartige Strukturierung der Oberfläche in der Regel nicht bis zum Rand der Presswalze fortgesetzt, sondern der Rand durch zusätzliche Verschleißmaßnahmen geschützt. Eine mögliche Lösung des Schutzes der Randbereiche sind z. B. mechanisch verankerte Hartmetallplättchen oder zusätzliches Auftragsschweißen. Im Betrieb treten jedoch auch bei diesen zusätzlichen Lösungen Abplatzungen, Ausbrüche oder Loslösungen des Kantenschutzes auf.
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Ein Beispiel einer entsprechenden bekannten Walzenpresse ist z. B. in der
EP-A-0 516 952 beschrieben. Im Einzelnen kann hierbei vorgesehen sein, dass in dem Umfangsbereich der Walzenpresse zahlreiche Grundlochbohrungen angeordnet sind, in welche stiftförmige Werkstoffstücke eingesteckt sind. Der Hauptteil des stiftförmigen Werkstoffstückes befindet sich hierbei im Walzengrundkörper, während der Rest aus diesem hervorsteht. Die Zwischenräume der igelförmig am Walzengrundkörper vorstehenden stiftförmigen Werkstoffstücke können mit einem aus Kunststoff versetzten, keramischen Material gefüllt sein. Eine andere in der
EP-A-0 516 952 beschriebene Lösung sieht vor, dass sowohl platten- als auch stiftförmig ausgebildete Werkstoffstücke im Bereich der Walzenoberfläche eingelagert sind. Bei dieser Ausführungsform schließen die Einlagerungen mit der Walzenmanteloberfläche bündig ab, so dass hier kein zusätzliches Material zwischen den Einlagerungen eingebracht werden kann.
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Ein anderes Konzept eines Verschleißschutzes für Walzenpressen sieht, wie z. B. in der
DE 9422077 U1 beschrieben, das Aufbringen von verschleißbeständigen Kacheln auf den Grundkörper vor, wobei zwischen den einzelnen Kacheln Fugen ausgebildet werden, in welche ein Werkstoff mit anderer Verschleißbeständigkeit eingebracht wird. Entsprechend ausgebildete Presswalzen haben sich durch besonders hohe Widerstandsfähigkeit ausgezeichnet.
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Obwohl bereits eine Vielzahl von verschiedensten Verschleißkonzepten mit mehr oder weniger Nachteilen auf dem Gebiet eingesetzt werden, besteht nach wie vor ein Bedarf daran, die Verschleißbeständigkeit der Walzen noch weiter zu verbessern, um die Standzeiten und den damit verbundenen Produktionsausfall so klein wie möglich zu halten. Ferner soll die Walzenpresse für alle Anwendungsfälle (Kompaktieren und Zerkleinern) verwendbar und einfach herstellbar sein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird für eine gattungsgemäße Walzenpresse, der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass die plattenförmigen, verschleißbeständigen Werkstoffelemente als Fliesen mit vier-, fünf- bzw. sechseckiger Kontur ausgebildet und auf der Oberfläche des Grundkörpers durch einen heiß-isostatischen Pressvorgang aufgebracht sind. Die stiftförmig ausgebildeten verschleißbeständigen Werkstücke sind in dem sich zwischen den Randbereichen erstreckenden Abschnitt jedes Grundkörpers angeordnet.
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Die Walzenpresse gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst somit wenigstens zwei Presswalzen, welche unterschiedliche Verschleißschutzkonzepte im Bereich der Ränder sowie im dazwischen liegenden Mittelbereich der Presswalzen aufweisen, um so die verschiedenen Angriffsbereiche der Presswalzen optimal zu schützen. Der Einsatz sowohl plattenförmiger Werkstoffelemente, welche auf die Oberfläche der Walzen heiß-isostatisch aufgepresst wurden, in Kombination mit in den dazwischen liegenden Mittelbereich des Grundkörpers eingeführten stiftförmigen Werkstoffelementen stellt somit einen optimalen Verschleißschutz für die verschiedensten Anwendungen zur Verfügung, welcher sich durch hohe Standzeiten und geringe Ausfallzeiten auszeichnet.
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Da die plattenförmigen Werkstoffelemente im Bereich des Randes heiß-isostatisch auf die Oberfläche aufgebracht werden, kann eine Verbindung mit dem Walzengrundkörper erzielt werden, die solch eine Festigkeit aufweist, dass die einzelnen Bestandteile der Randverschleißschicht aus dieser nicht herausgelöst werden können. Hierdurch werden insbesondere im Bereich der Ränder der Presswalze die häufig auftretenden Probleme des Ausbrechens der stiftförmigen Elemente oder anderer Verschleißschutzkomponenten vermieden. Der Einsatz von stiftförmigen Werkstoffelementen im Mittelbereich der Presswalzen hat sich seit langer Zeit bewährt.
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Der Vorteil von heiß-isostatischem Pressen ist, dass hierdurch höchste Grenzflächenfestigkeit erzeugt werden kann. So wird hier zumindest immer die Festigkeit des schwächeren Werkstoffpartners erreicht.
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Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass verschiedene, nachfolgend näher erläuterte, Verfahren zur Herstellung der Presswalzen zur Verfügung stehen, die es ermöglichen, auch diese zwei prinzipiell unterschiedlichen Verschleißschutzkonzepte auf einer einzigen Presswalze in relativ kurzer Zeit und kostengünstig herzustellen.
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Erfindungsgemäß sind die in den Randbereichen angeordneten Hartkörper als Fliesen mit vorgegebener Kontur viereckig, fünfeckig, vorzugsweise aber sechseckig, ausgebildet. Eine entsprechende vorgegebene Kontur und Anordnung der Randfliesen schafft Raum für eine alternierende Platzierung der stiftförmigen Werkstoffelemente zwischen den Randbereichen und verhindert im Betrieb die verschleißbedingte Ausbildung einer tangential umlaufenden Rille.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Randbereiche 5 bis 25% der Gesamtfläche der aktiven Verschleißschutzschicht einnehmen. Ein entsprechender Prozentanteil hat sich bewährt, um hier ein Ausbrechen der Randbereiche auszuschließen, und so die Unversehrtheit der Verschleißschutzschicht zu gewährleisten.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die stiftförmigen Werkstoffstücke Hartmetallstifte oder Stifte aus hartmetallähnlichen Werkstoffen, z. B. Cermets, sind. Entsprechende Stifte haben sich in der Praxis bereits seit langem bewährt. Die Herstellung entsprechender Stifte entspricht dem pulvermetallurgischen Stand der Technik, so dass diese relativ kostengünstig herstellbar sind.
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Vorteilhafterweise können die plattenförmigen Werkstoffelemente aus Metallmatrix-Verbundwerkstoffen mit bis zu 80 Gew.-% grober weiterer Phasen, vorzugsweise aus der Gruppe von Karbiden, Boriden und Nitriden, bestehen. Entsprechende Werkstoffe haben sich in der Praxis als besonders geeignet erwiesen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die stiftförmigen Werkstoffelemente in Bohrungen in den Grundkörper, vorzugsweise lösbar, eingesetzt werden. Durch die Anordnung der Löcher wird die Anordnung und Verteilung der Stifte auf dem Grundkörper festgelegt. Hierdurch lässt sich das Einführen der Stifte relativ leicht durchführen, gleichermaßen können beschädigte Stifte auf einfach Art und Weise ausgetauscht werden. Sollen die Stifte unlösbar befestigt werden, könnten diese beispielsweise mittels heiß-isostatischem Pressen mit dem Grundkörper verbunden werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Oberflächen der stiftförmigen Werkstoffelemente und die Oberflächen der plattenförmigen Werkstoffelemente in einer Ebene angeordnet sein. Hierdurch wird die Belastung durch das zu verarbeitende Material gleichmäßig auf die Oberflächen verteilt. Gleichermaßen kann in den Bereichen zwischen den aus der Grundfläche der Presswalze hervorragenden stiftförmigen Werkstoffelementen bereits verarbeitetes Material eingelagert werden, um so einen autogenen Verschleißschutz bilden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann auf dem Grundkörper, auf dem zwischen den Randbereichen angeordneten Abschnitt ein zusätzlicher Zonenwerkstoff angeordnet sein, dessen Oberfläche unter der Oberfläche der stiftförmigen Werkstoffelemente oder in einer Ebene mit dieser angeordnet ist. Hierbei kann der Zonenwerkstoff eine andere Verschleißbeständigkeit als die stiftförmigen und plattenförmigen Werkstoffelemente aufweisen, so dass Bereiche mit unterschiedlichem Verschleißschutz bereitgestellt werden. Die Stifte können vollständig in dem Zonenwerkstoff eingebettet sein, oder über diesen hinausragen. Der Zonenwerkstoff kann hierbei vorzugsweise heiß-isostatisch aufgebracht sein. Vorzugsweise besteht der Zonenwerkstoff aus einer metallischen oder metallkeramischen Pulversorte oder einer pulverähnlichen Masse. Sofern der Zonenwerkstoff bzw. die Oberfläche des Zonenwerkstoffes unter der Oberfläche der stiftförmigen Elemente angeordnet sein soll, kann der Zonenwerkstoff vor Anordnen der stiftförmigen Werkstoffelemente bearbeitet, d. h. im Durchmesser reduziert werden, um die vorbestimmte Höhe des Zonenwerkstoffes zu erzielen. Eine entsprechende Nachbearbeitung hat sich bewährt, da es hierdurch möglich ist, dass Anbringen der plattenförmigen Werkstoffelemente sowie des Zonenwerkstoffes in einem einzigen heiß-isostatischen Pressvorgang durchzuführen, so dass das Verfahren zeitoptimiert werden kann. In diesem Zusammenhang hat sich bevorzugt, dass der Zonenwerkstoff solch eine Festigkeit aufweist, dass er anschließend noch bearbeitbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Durchmesser des Grundkörpers im Bereich der Ränder vor dem Aufbringen der plattenförmigen Werkstoffelemente um ein vorbestimmtes Maß zur Erzielung wenigstens einer Stufe verringert sein. Nach dem Aufbringen der plattenförmigen Werkstoffelemente können sich diese in einer Ebene mit dem ursprünglichen Durchmesser des Grundkörpers befinden oder aber über die ursprüngliche Höhe der Randbereiche hinausragen. Hierdurch wird gewährleistet, dass die plattenförmigen Werkstoffelemente in jeder beliebigen Höhe gefertigt werden können, je nach Anwendungsanforderungen, allerdings nicht weiter über die Oberfläche der späteren Bauteilgrundfläche ragen als die für den Bereich zwischen den Rändern vorgesehenen stiftförmigen Werkstoffelemente. Sofern der Rand mit einer stufenförmigen Ausnehmung ausgebildet ist, ist bevorzugt, dass die tiefere Stufe unmittelbar an die Seitenflächen des Grundkörpers angrenzt. Hierdurch können die Seitenflächen des Grundkörpers durch zusätzliches Einbringen von Verschleißschutzelementen geschützt werden. Diese zusätzlichen Elemente werden vorzugsweise unterhalb der plattenförmig ausgebildeten Werkstoffelemente angeordnet.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Grundkörper der Presswalzen aus wenigstens zwei, einen geschlossenen Ring bildenden Grundkörpersegmente ausgebildet sein, welche lösbar auf einem Basiselement angeordnet sind. Hierdurch lässt sich einerseits der Grundkörper der Presswalze bei Ausfallen von Teilen der Verschleißschutzschicht besonders einfach wiederherstellen, indem nur Teile ausgewechselt werden, andererseits lässt sich auch bei relativ großen Presswalzendurchmessern die Grundschicht auf einfache Art und Weise herstellen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Verschleißschutzschicht auf einer den Grundkörper bildenden geschlossenen Bandage aufgebracht sein, die form- oder reibschlüssig auf dem Basiskörper der Walze angeordnet und diesem zugeordnet ist. Durch eine solche Ausgestaltung können die einzelnen Verschleißelemente mit relativ geringem Aufwand auf dem Grundkörper angeordnet werden. Insbesondere bei einer aufgeschrumpften Bandage kann durch eine entsprechende Einstellung des Werkstoffes die Bildung von Rissen in Folge von Schrumpfspannungen vermieden werden.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform können zusätzliche Verschleißelemente in den Seitenflächen des Grundkörpers unterhalb der plattenförmigen, verschleißbeständigen Werkstoffelemente in in den Seitenflächen ausgebildeten Aufnahmeöffnungen angeordnet sein. Hierdurch ist es möglich, die Seitenflächen des Grundkörpers zusätzlich zu schützen, um so die Verschleißbeständigkeit der gesamten Presswalze deutlich zu erhöhen.
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Vorteilhafterweise können die seitlichen Verschleißschutzelemente als plattenförmige Elemente ausgebildet sein, wobei die Form oder Ausbildung je nach Bedarf gewählt werden kann, z. B. als Ringe, Platten, mehreckig ausgebildete Elemente etc. Gleichermaßen könnte ein pulverförmiger Werkstoff aufgebracht werden und durch heiß-isostatisches Pressen in entsprechende Verschleißschutzelemente umgewandelt werden.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Grundkörper der Presswalzen aus mehreren Ringen besteht, die form- oder reibschlüssig auf einem Basiskörper der Presswalze angeordnet sind, wobei die Randbereiche jeweils durch einen eigenen Ring gebildet sind, auf dessen Umfang die plattenförmigen Werkstoffelemente aufgebracht sind. Eine entsprechende Ausführungsform zeichnet sich durch eine besonders einfache Herstellungsweise der Presswalze aus, da hier die einzelnen Elemente der Presswalze, d. h. die Randbereiche sowie der Mittelbereich, einfach aufgeschoben werden müssen. Hierdurch wird gleichzeitig die Dauer bei der Wartung sowie Reparatur erheblich verkürzt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht, insbesondere für eine Presswalze zum Verarbeiten von stark abrasiven Stoffen, umfasst die folgenden Schritte:
- a) Vorbearbeiten des Grundkörpers der Presswalze, um eine plane Oberfläche zu erhalten;
- b) Aufbringen des durch Sintern, CIP oder HIP hergestellten, plattenförmigen, hochverschleißbeständigen Werkstoffes auf die beiden gegenüberliegenden Randbereiche des vorbearbeiteten Grundkörpers;
- c) Füllen der Zwischenräume der plattenförmigen, hochverschleißbeständigen Werkstoffelemente mit einem verschleißbeständigen ein- oder mehrkomponentigen Werkstoff (Zwischenraumwerkstoff);
- d) Füllen des zwischen den Randbereichen angeordneten Abschnitts des Grundkörpers mit einem verschleißbeständigen ein- oder mehrkomponentigen Werkstoff (Zonenwerkstoff);
- e) Anbringen der plattenförmigen Werkstoffelemente, des Zonen- und des Zwischenraumwerkstoffes auf den Grundkörper, vorzugsweise durch heiß-isostatisches Pressen, so dass die Oberfläche der von den plattenförmigen Werkstoffelementen gebildeten Randelemente, des Zonen- und des Zwischenraumwerkstoffes im Wesentlichen in einer Ebene liegt;
- f) Einbringen von Bohrungen in den zwischen den Randelementen angeordneten Zonenwerkstoff sowie in den Grundkörper der Presswalze und
- g) Einführen von stiftförmig ausgebildeten, hochverschleißbeständigen Werkstoffelementen in die erzeugten Bohrungen, so dass diese Elemente in einer Ebene mit den Randelementen und dem Zonenwerkstoff liegen.
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Dieses Verfahren zeichnet sich durch einen Schritt des Vorbereitens des Grundkörpers aus, wobei diese Vorbearbeitung z. B. durch Abdrehen oder andere bekannte Bearbeitungen des Grundkörpers erfolgen kann. Ferner werden die Zwischenräume zwischen den einzelnen, in den Randbereichen angeordneten plattenförmigen Werkstoffelementen zusätzlich mit einem verschleißbeständigen ein- oder mehrkomponentigen Werkstoff, dem sogenannte Zwischenraumwerkstoff, aufgefüllt. Hierbei kann das Material der Zwischenräume eine andere Verschleißbeständigkeit als die der plattenförmigen Werkstoffelemente aufweisen, so dass der Außenumfang einen Verschleißschutz mit unterschiedlichen Verschleißeigenschaften zur Verfügung stellt, der unterschiedliche Beanspruchungen gut auffangen kann. Gleichermaßen kann der zwischen den Randbereichen angeordnete Abschnitt des Grundkörpers, d. h. der mittlere Abschnitt, mit einem verschleißbeständigen ein- oder mehrkomponentigen Werkstoff (Zonenwerkstoff) aufgefüllt werden. Bezüglich dieses Zonenwerkstoffes ist es auch bevorzugt, dass dieser eine andere Verschleißbeständigkeit aufweist als der plattenförmige hochverschleißbeständige Werkstoff, vorzugsweise eine Verschleißbeständigkeit, die eine weitere Bearbeitung des Zonenwerkstoffes, z. B. durch Abdrehen, zulässt. Hierdurch ist es möglich, die Höhe des Zonenwerkstoffes nach Anbringen der einzelnen Werkstoffelemente auf ein vorbestimmtes Maß zu verändern.
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In diesem Zusammenhang ist bevorzugt, den Zonenwerkstoff so zu bearbeiten, dass die resultierende Oberfläche des Zonenwerkstoffes ein vorbestimmtes Maß tiefer als die Oberfläche der Randelemente liegt, so dass die stiftförmig ausgebildeten, hochverschleißbeständigen Werkstoffelemente so in den Bohrungen angeordnet sind, dass die Oberfläche der stiftförmigen Werkstoffelemente in einer Ebene mit der Oberfläche der Randelemente liegt und sich über die Oberfläche des Zonenwerkstoffs hinaus erstrecken. Hierdurch wird ermöglicht, dass sich Material zwischen den einzelnen Stiften anlagert und hierdurch die Verschleißschicht zusätzlich beeinflusst.
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Gemäß eines weiteren vorteilhaften Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in den Seitenflächen des Grundkörpers zusätzliche Ausnehmungen angeordnet sind, in welche zusätzliche Verschleißelemente aufgenommen werden können. Diese zusätzlichen Verschleißelemente sind dann unterhalb der Randelemente angeordnet.
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Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser des Grundkörpers im Bereich der beiden gegenüberliegenden Randbereiche mit zwei unterschiedlichen Durchmessern verringert werden, wobei die Verringerung des Durchmessers der beiden Presswalzen im Bereich der beiden gegenüberliegenden Randbereiche in zwei Schritten erfolgt, d. h. nach dem ersten Verringern des Durchmessers der beiden Presswalzen erfolgt ein zweites Verringern des Durchmessers der Presswalzen nur in einem sich unmittelbar an die Seitenflächen anschließenden Abschnitt. Die Oberfläche der unmittelbar an die Seiten des Grundkörpers angrenzenden Randbereiche liegt folglich ein vorbestimmtes Maß unter der Oberfläche der zuvor bearbeiteten Randbereiche.
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Nachfolgend kann in einem ersten Schritt ein Ausfüllen der in den Seitenflächen angeordneten Ausnehmungen erfolgen, wobei dieses Auffüllen durch plattenförmige Segmente, Pulver oder andere geeignete Elemente erfolgen kann. Hierbei kann das Auffüllen nur bis zu der Oberfläche der vertieften Randbereiche erfolgen, oder im Falle eines Pulvers, die komplette Vertiefung der Seitenflächen sowie der Randbereiche aufgefüllt werden.
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Bei sämtlichen vorbeschriebenen Verfahren kann statt des heiß-isostatischen Pressens auch ein Sintern mit oder ohne Druck durchgeführt werden.
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Zusammenfassend ist festzuhalten, dass durch das Sintern mit oder ohne Druck eine innige Verbindung der einzelnen Werkstoffe erzielt wird, unabhängig davon, ob der Werkstoff als vorgefertigtes Element oder als Pulver vorliegt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die plattenförmigen Werkstoffelemente durch ein Sinterverfahren oder kalt- bzw. heiß-isostatisches Pressen hergestellte Hartkörper sein. Gleichermaßen können die Werkstoffelemente jedoch auch durch Gießverfahren erzielt werden. Daneben können diese Werkstoffelemente zum Beispiel auch durch Walzen oder Pressen, insbesondere mit hoher Aufheizrate hergestellt werden. Durch Vorfertigung entsprechender plattenförmiger Werkstoffelemente kann das eigentliche Herstellungsverfahren auf den Presswalzen erheblich verkürzt werden. Bei der Anwendung des Sinterns oder des isostatischen Pressens ist es zudem durch die Verwendung gezielt ausgewählter unterschiedlicher Pulverarten möglich, die Eigenschaften der verschiedenen Pulverarten zu kombinieren, und somit die einzelnen Hartkörper konkret auf den beabsichtigten Einsatz einzustellen.
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Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die oben ausgeführten Verfahren den Vorteil bieten, dass die Verschleißschutzschicht auf verschiedene einfach durchzuführende Art aufgebracht werden kann. Ferner kann durch Verändern einiger Verfahrens- oder Werkstoffparameter die Verschleißschutzschicht mit sehr unterschiedlichen Verschleißeigenschaften ausgebildet werden. Auf diese Weise kann die Verschleißschutzschicht der Presswalze genau auf die zu verarbeitenden Stoffe abgestimmt werden.
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Vorteilhafterweise können die plattenförmigen, verschleißbeständigen Werkstoffelemente vor dem Aufbringen auf den Grundkörper durch einen kalt- oder heiß-isostatischen Pressvorgang oder einen Sintervorgang als plattenförmige Hartkörper hergestellt werden. Es ist hierdurch möglich, die Hartkörper in jeder beliebigen Form bzw. mit jeder gewünschten Profilierung auszubilden.
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Gleichermaßen können die plattenförmigen, verschleißbeständigen Werkstoffelemente auch durch einen einzigen heiß-isostatischen Pressvorgang in der gewünschten Form direkt auf den Randbereichen des Grundkörpers ausgebildet und mit diesen verbunden werden.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 – eine Presswalze für eine Walzenpresse, teilweise im Schnitt, wobei die Randbereiche des Grundkörpers mit verringertem Durchmesser ausgebildet sind,
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2a und b – die in 1 dargestellte Presswalze, teilweise im Schnitt bzw. in Aufsicht, nach dem Aufbringen von plattenförmigen Werkstoffelementen sowie nach Einbringen eines die Zwischenräume füllenden verschleißbeständigen Pulverwerkstoffes,
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3 – die in 1 und 2 dargestellte Presswalze, teilweise im Schnitt, nach dem heiß-isostatischem Pressvorgang und einer zusätzlichen Bearbeitung zur Erzielung einer planen Oberfläche,
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4 – die in den 1 bis 3 dargestellte Presswalze im Schnitt, nach Durchführung einer Durchmesserreduzierung in dem Bereich zwischen den Randbereichen sowie Einbringen von Bohrungen,
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5 – die in den 1 bis 4 dargestellte Presswalze im Schnitt, nach Einführungen von stiftförmigen Werkstoffelementen in die Bohrungen,
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6a bis f – ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Presswalze im Schnitt,
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7 – eine Aufsicht auf einen Ausschnitt eines Grundkörpers einer Presswalze nach Einbringen von taschenähnlichen Ausnehmungen in den Randbereichen, diese gemäß einer weiteren Ausführungsform,
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8a bis 8c – eine nicht von der Erfindung umfasste Variante zur Herstellung einer Presswalze im Schnitt,
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9a und b – eine Presswalze im Schnitt, hergestellt gemäß eines weiteren Verfahrens, wobei zusätzlich Seitenausnehmungen bereitgestellt werden,
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9c bis 9g – Seitenansichten der zusätzlichen Seitenausnehmungen der Presswalzen gemäß 9a und 9b, und
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10 – eine Schnittansicht durch eine weitere Variante einer Presswalze.
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1 zeigt den Grundkörper 10 einer Presswalze 1, wobei der Grundkörper als Bandage ausgebildet ist. Gleichermaßen kann der Grundkörper auch als ein Vollkörper ausgebildet werden. Wie dargestellt, wurde der Durchmesser des Grundkörpers im Bereich der beiden einander gegenüberliegenden Ränder 2 um ein vorbestimmtes Maß verringert. Das heißt, der sich zwischen den Randbereichen 2 erstreckende Abschnitt 3 des Grundkörpers steht stegförmig über die Randbereiche 2 hervor. Diese Verringerung des Durchmessers kann durch bekannte Verfahren, z. B. durch Abdrehen des Grundkörpers durchgeführt werden. Die Vertiefung der Randbereiche legt hierbei die Breite der Ränder bereits fest, so dass die Form der Verschleißschutzschicht auch nicht mehr geändert werden kann.
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Anschließend wird auf die vertieften Randbereiche 2 eine Verschleißschutzschicht aufgebracht, die aus pulvermetallurgisch erzeugten, hochverschleißbeständigen, plattenförmigen Werkstoffelementen 5 sowie einem die Zwischenräume füllenden verschleißbeständigen, ein- oder mehrkomponentigen pulverförmigen Werkstoff 6 besteht. Das Verschleißverhalten der ausgewählten Werkstoffe kann hierbei auf die Eigenschaften des zu verarbeitenden Stoffes abgestimmt sein. Idealerweise weisen die beiden Werkstoffe für die Werkstoffelemente 5 sowie die Zwischenräume 6 ein unterschiedliches Verschleißverhalten auf, so dass sich auf den Randbereichen der Presswalze im Betrieb eine Oberflächenprofilierung ausbildet. Die plattenförmigen Werkstoffelemente können vorab durch HIP, CIP, Sinterprozesse oder gegebenenfalls andere Verfahren hergestellt worden sein und in ihrer Höhe über den vorab durch mechanische Bearbeitung hergestellten stegförmigen Abschnitt 3 herausragen.
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Die Werkstoffelemente 5 können auch von bereits zuvor als plattenförmig hergestellte Hartkörper bereitgestellt worden sein, welche durch heiß-isostatisches Pressen hergestellt wurden. Im Folgenden werden die Begriffe Werkstoffelemente und Hartkörper synonym verwendet und beide mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet. Die plattenförmigen Hartkörper 5 werden hierbei fliesenartig auf den Randbereichen der Presswalze angeordnet und anschließend die entstehenden Zwischenräume mit einem verschleißbeständigen Pulvermaterial 6 aufgefüllt. Die Fliesen weisen hierbei vorteilhafterweise eine solche Form auf, dass sie die Randbereiche im wesentlichen vollständig ausfüllen, d. h. insbesondere mit einer durchgehenden Kante an den Abschlusskanten des Grundkörpers und vorteilhafterweise auch am Ende der eingebrachten Vertiefung der Randbereiche 2 abschließen. Hierzu können die Hartkörper mosaikartig aneinander gelegt werden, um ein entsprechendes Ergebnis zu erzielen. Der Einsatz von einzelnen Hartkörpern ermöglicht nicht nur den Einsatz unterschiedlich geformter Elemente zur Erzielung eines entsprechenden Ergebnisses, sondern gleichzeitig kann auch die Größe und Anzahl der Zwischenräume je nach Anwendungsfall bestimmt werden.
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Anschließend werden die Hartkörper, wie auch das Zwischenmaterial durch heiß-isostatisches Pressen auf dem Grundkörper 10 befestigt. Hierdurch bilden sich an den Berührungsstellen des Hartkörpermaterials bzw. des Zwischenraummaterials und des Grundkörpers, wie auch an den Berührungsstellen des Hartkörpermaterials und des Zwischenraummaterials Diffusionszonen aus, die zu einer festen Anbindung der einzelnen Werkstoffe führt. Auf diese Weise kann das Verschleißverhalten der Randbereiche an die Eigenschaften des zu verarbeitenden Stoffes angepasst werden.
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Als Werkstoffe für die Hartkörper wie auch für die Zwischenräume haben sich z. B. hoch verschleißbeständige pulvermetallurgische Werkstoffe bewährt, die z. B. auch Bestandteile keramischen Charakters enthalten können.
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3 zeigt den Zustand des Walzengrundkörpers nach dem heiß-isostatischem Pressen. Sowohl die Hartkörper 5 als auch der Zwischenraumwerkstoff 6 sind in diesem Zustand fest mit dem Grundkörper verbunden. Bei der in 3 gezeigten Darstellung ist der Zwischenraumwerkstoff 6 im Bereich des stegförmig ausgebildeten Abschnitts 3 vollständig entfernt. Dies stellt jedoch nur eine bevorzugte Ausführungsform dar, je nach Einsatzgebiet, kann der Zwischenraumwerkstoff 6 auch noch vorhanden oder nur teilweise entfernt sein.
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Nach der Durchführung des heiß-isostatischen Pressens kann der sich zwischen den Randabschnitten 2 bzw. den darauf angeordneten plattenförmigen Werkstoffelementen 5 erstreckende Abschnitt 3 bearbeitet werden, um eine Verringerung des Durchmessers des Bereichs 3 zu erzielen. In 4 ist der Grundkörper nach Durchführung dieser Durchmesserreduzierung dargestellt, diese Durchmesserreduzierung kann z. B. durch Auskoffern durchgeführt werden. Wie aus 4 deutlich wird, bildet der sich zwischen den Randbereichen bzw. den Werkstoffelementen 5 erstreckende Abschnitt 3 eine wannenförmige Vertiefung 7. Die Oberfläche des Abschnitts 7 liegt ein vorbestimmtes Maß unter der Oberfläche der Werkstoffelemente 5. In diesem vertieften Bereich werden dann Bohrungen 8 auf bekannte Art und Weise eingebracht, die zur Aufnahme von stiftförmigen, hochverschleißbeständigen Elementen dienen.
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Eine entsprechend fertig gestellte Presswalze 1 ist in 5 dargestellt. Hierbei erstrecken sich nun stiftförmige, hochverschleißbeständige Elemente 9 in die im Grundkörper 10 vorgesehenen Bohrungen hinein. Die Bohrungen sind solchermaßen bemaßt, dass sich der größte Teil der stiftförmigen Elemente 9 in den Grundkörper 10 hinein erstreckt, und nur ein kleiner Teil des stiftförmigen Körpers 9 über die Oberfläche hinausragt. Im fertig gestellten Zustand ist die Oberfläche der stiftförmigen Werkstoffelemente 9 vorzugsweise in einer Ebene mit den Oberflächen der Hartkörper 5 angeordnet.
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Die Stifte 9 können bei allen beschriebenen Ausführungsformen lösbar in den Bohrungen angeordnet sein, so dass jederzeit die Möglichkeit besteht, entsprechende Stifte bei auftretendem Verschleiß bzw. bei Beschädigungen durch neue Stifte zu ersetzen. Gleichermaßen können die Stifte natürlich auch unlösbar verankert werden. Auch die Stifte sind vorzugsweise als Hartkörper ausgebildet, und können aus Metallmatrix-Verbundwerkstoffen mit bis zu 80 Gew.-% grober weiterer Phasen, vorzugsweise aus der Gruppe von Karbiden, Boriden und Nitriden bestehen oder aus Hartmetall oder hartmetallähnlichen Werkstoffen (z. B. Cermets) bestehen.
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Im Betrieb lagert sich zwischen den einzelnen Stiften sowie zwischen den Stiften und den Randbereichen zu verarbeitendes Material an und unterstützt somit die Verschleißschutzschicht.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Zwischenraumwerkstoff, d. h. die Oberfläche des Zwischenraumwerkstoffes, auch in einer Ebene zu der Oberfläche der Hartkörper verlaufen. In diesem Fall sind die Stifte dann vollständig versenkt, d. h. die Oberfläche der Stifte verläuft in der gleichen Ebene wie die Oberflächen der Hartkörper und des Zwischenraumwerkstoffes. Die Stifte sind in dieser Ausführungsform vollständig im Grundkörper und im Zwischenraumwerkstoff eingebettet.
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Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsformen können die hochverschleißbeständigen, plattenförmige Werkstoffelemente 5, welche z. B. zuvor durch HIP, CIP oder Sinterprozesse hergestellt wurden, auch direkt auf die Oberfläche eines zuvor plan bearbeiteten Grundkörpers 10 aufgebracht werden, d. h. der Durchmesser des Grundkörpers 10 wird nicht abgestuft, sondern bleibt unverändert. Eine entsprechende Ausführungsform ist in 6a dargestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann verschleißbeständiges, ein- oder mehrkomponentiges pulverförmiges Material 6 in die Zwischenräume der aufgebrachten plattenförmigen Werkstoffelemente 5, welche den Hartkörpern entsprechen, sowie in den zwischen den Randbereichen entstehenden Freiraum aufgebracht (vgl. auch 6b). Die gesamte Anordnung wird anschließend durch HIP behandelt, so dass nicht nur die Hartkörper, sondern das gesamte pulverförmige Material einschließlich des sich zwischen den Hartkörpern befindlichen pulverförmigen Materials untereinander und mit der Oberfläche des Grundkörpers verbunden wird.
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Nach Durchführen des heiß-isostatischen Pressens wird die Oberfläche des Grundkörpers 10 von den in den Randbereichen 2 angebrachten Hartkörpern 5 inklusive Zwischenraumwerkstoff 6 sowie einer aus dem pulverförmigen Material bereitgestellten Oberflächenschicht gebildet, wie in 6c dargestellt.
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Um den Grundkörper für das Einführen der stiftförmigen hochverschleißbeständigen Werkstoffelemente bzw. vor dem Einbringen der entsprechenden Bohrungen vorzubereiten, muss zunächst der zwischen den aus Hartkörpern und Zwischenraumwerkstoff bestehenden Randbereichen gelegene Oberflächenabschnitt 3 um ein vorbestimmtes Maß reduziert werden, um so eine Vertiefung zwischen den Randbereichen 2 zu erzeugen. Das Material kann hier durch bekannte Maßnahmen entfernt werden, z. B. ausgekoffert werden (6d).
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Anschließend erfolgt dann das Einbringen der Bohrungen 8 für die stiftförmigen Werkstoffelemente 9. 6e zeigt, dass sich diese Bohrungen durch die Oberflächenschicht 3 bis in den Grundkörper 10 erstrecken können. Der letzte Verfahrensschritt (6f) zeigt den Grundkörper, nachdem die stiftförmigen Werkstoffelemente 9 in die Bohrungen 8 eingebracht wurden. Auch hier erstreckt sich die Oberfläche der stiftförmigen Werkstoffelemente 9 in einer Ebene mit der Oberfläche der in den Randbereichen angebrachten Hartkörper 5.
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Im Gegensatz zu den vorab beschriebenen Ausführungsformen können die Randbereiche des Grundkörpers auch als strukturierte Oberfläche ausgebildet werden. Zum Beispiel ist es möglich, durch konventionelle Bearbeitung, z. B. Fräsen, regelmäßig verlaufende seitliche Ausnehmungen 12 in den gegenüberliegenden Randbereichen zu erzeugen, welche dann taschenförmige Ausnehmungen bilden. Eine entsprechende Ausführungsform ist in 7 dargestellt. In die ausgebildeten Taschen 12 können dann die durch Sintern, CIP oder HIP hergestellten, plattenförmigen, hochverschleißbeständigen Werkstoffelemente 5 oder eine lose, mindestens einkomponentige Pulverschüttung eingepasst werden. Die hier dargestellte Form der Taschen 12 ist lediglich eine beispielhafte Ausführungsform, gleichermaßen kann die Kontur der Taschen auch vier-, fünf-, sechs- oder mehreckig, jedoch auch rund bzw. verrundet ausgebildet werden.
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Nach Einpassen der durch Sintern, HIP oder CIP hergestellten, plattenförmigen, hochverschleißbeständigen Werkstoffelemente 5 können die Zwischenräume zwischen den Elementen und den taschenförmigen Ausnehmungen 12 noch mit einem verschleißbeständigen, ein- oder mehrkomponentigen Werkstoff, dem Zwischenraumwerkstoff, gefüllt werden.
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Die weiteren Herstellungsschritte entsprechen dann den bereits beschriebenen, d. h. die Anbringung der plattenförmigen Werkstoffelemente 5 und/oder der losen Pulverschüttung an den Grundkörper 10 erfolgt durch HIP in einem weiteren Verfahrensschritt. Nach dem heiß-isostatischen Pressen können Bohrungen 8 ausgebildet werden und stiftförmige Elemente 9 analog zu den vorbeschriebenen Verfahren eingepasst werden.
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8 zeigt eine nicht von der Erfindung umfasste Ausführungsform, bei welcher der Durchmesser des Grundkörpers 10 zunächst im Bereich der gegenüberliegenden Randbereiche 2 durch mechanische Bearbeitung um ein vorbestimmtes Maß verringert wird, wie in 8a dargestellt, d. h. entsprechend der ersten beschriebenen Ausführungsform. Im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform werden jedoch keine plattenförmigen Werkstoffelemente 5, sondern ein hochverschleißbeständiger Werkstoff in Form einer losen, mindestens einkomponentigen Pulverschüttung 13 zur Ausbildung einer flächigen und durchgehenden Randzone 14 aufgebracht, vgl. 8b. Hier kann die Pulvermischung solchermaßen aufgebracht werden, dass sie nicht nur in die Ausnehmungen der Randbereiche, sondern gleichzeitig auch auf den zwischen den Ausnehmungen liegenden stegförmigen Abschnitt 3 aufgebracht wird, so dass eine einheitliche Oberfläche aus der Pulverschüttung 13 auf dem gesamten Grundkörper erzielt wird.
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Nach dem Aufbringen der Pulverschüttung 13 auf die durchmesserreduzierten Randbereiche 2 und/oder den Abschnitt 3 zwischen den Randbereichen, wird das Material durch heiß-isostatisches Pressen mit dem Grundkörper 10 verbunden. Anschließend erfolgt, wie bereits zuvor in den vorangehenden Ausführungsformen beschrieben, das Auskoffern des stegförmigen Abschnittes 3 zwischen den Randbereichen 2, so dass die Oberfläche dieses Bereichs unterhalb der Oberfläche der durch einkomponentige Pulverschüttung ausgebildeten Oberfläche liegt. Anschließend können Bohrungen 8 eingebracht werden und stiftförmige Elemente 9 analog zu den vorstehenden Verfahren eingepasst werden.
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Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen können auch zusätzlich durch einen Verschleißschutz im Bereich der Seitenflanken der Presswalzen ergänzt werden. In diesem Fall hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die sich gegenüberliegenden Randbereiche, welche im Durchmesser reduziert werden, abgestuft ausgebildet werden, d. h. unmittelbar an die Seiten des Grundkörpers angrenzend wird ein tiefer ausgenommener Bereich 15 erzeugt, der dann in einer zweiten Stufe in die normale Ausnehmung übergeht. Dieser tiefe ausgenommene Bereich kann zur Aufnahme eines Seitenflankenschutzes eingesetzt werden.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Seitenflankenschutz 16 hierbei nur bis zu der ersten Stufe, d. h. nach Einbringen des Seitenflankenschutzes, erstreckt sich der nun gefüllte tiefe ausgenommene Bereich 15 lediglich zu der Oberfläche des durchmesserreduzierten Randbereichs 2 der Presswalze. Der weitere Verschleißschutz wird folglich einerseits auf die Oberfläche des Grundkörpers 10 wie auch auf die Oberfläche des Seitenflankenschutzes 16 aufgebracht, so dass hier eine besonders gute Verbindung und damit Festigkeit der einzelnen Elemente erzielt wird.
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Der Seitenflankenschutz selber kann hierbei im Ganzen in Form eines soliden Ringes (9c) oder aber geteilt in Form solider oder durch HIP, CIP oder Sinterprozesse hergestellter Segmente aufgebracht werden (9d). Weiterhin können die Verschleißschutzelemente für den Seitenflankenschutz auch in Form von Kacheln mit Kreis- oder Polygonquerschnitt aufgebracht werden, die ebenfalls durch HIP, CIP oder Sinterprozesse hergestellt wurden (9e, 9f). Die Bestückung der Seitenflanke kann auch mit ein- oder mehrkomponentigem hochverschleißbeständigen Pulvermaterial erfolgen (9g), das auch als Zwischenraumwerkstoff für die platten- bzw. kachelförmigen Elemente dienen kann. Die Werkstoffelemente des Seitenflankenschutzes und die in den unterschiedlichen Varianten der vorherigen Ausführungsformen beschriebenen Elemente des Verschleißschutzes an der Oberfläche werden allesamt durch heiß-isostatisches Pressen auf der Presswalze angebracht.
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Das Einbringen von Bohrungen 8 in den Grundkörper 10 und Einführen von stiftförmig ausgebildeten hochverschleißbeständigen Werkstoffelementen 9 in die erzeugten Bohrungen 8 erfolgt nach dem heiß-isostatischem Pressen analog zu den vorab beschriebenen Verfahren, so dass diese Elemente über der Oberfläche des Grundkörpers 10 hinausragen und in einer Ebene mit der Oberfläche der plattenförmigen Werkstoffelemente 5 liegen. Der Seitenflankenschutz kann auch, wie in 10 ersichtlich, in Form zweier Ringe 10' hergestellt werden, die an beiden Stirnseiten des gebohrten und mit stiftförmig ausgebildeten hochverschleißbeständigen Werkstoffelementen 9 versehenen Grundkörpers 10 angebracht werden. Analog zu den vorab beschriebenen Verfahren können die stiftförmigen Elemente 9 über die Oberfläche des Grundkörpers 10 hinausragen und in einer Ebene mit der Oberfläche der auf den Ringen 10' angeordneten plattenförmigen Werkstoffelemente 5' liegen. Gleichwohl können die stiftförmigen Werkstoffelemente 9 auch vollständig in den Bohrungen versenkt sein und in einer Ebene mit den auf den dünnen Scheiben platzierten plattenförmigen Werkstoffelementen 5' liegen. Die plattenförmigen Werkstoffelemente 5' können analog zu den vorab beschriebenen Verfahren durch HIP, CIP oder Sinterverfahren mit oder ohne Druck oder auch durch Lötverfahren auf den Ringen befestigt werden. Weiterhin können die Ringe 10' komplett aus pulvermetallurgisch hergestelltem Material oder als Grundkörper mit pulvermetallurgischer Beschichtung erzeugt werden. Mit der beschriebenen Lösung ergibt sich eine Gesamtarbeitsbreite der Presswalze, die sich aus der Breite des gestifteten Grundkörpers 10 sowie der Breite der beidseitig angebrachten Seitenflanken-Schutzringe 10' zusammensetzt. Die Dicke der beidseitig an den Grundkörper angebrachten Seitenflanken-Schutzringe beträgt je Ring 1,5 bis 15% der Gesamtarbeitsbreite der Presswalze.
