DE10202212A1 - Verfahren zum Erzeugen von aus metallischem Verbundwerkstoff bestehendem Band oder Blech - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen von aus metallischem Verbundwerkstoff bestehendem Band oder Blech

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von aus einem metallischen Verbundwerkstoff bestehendem Band (W, W1) oder Blech, umfassend folgende Arbeitsschritte: Erzeugen eines Hohlkörpers aus einem ersten metallischen Werkstoff, Füllen des von dem ersten Werkstoff umgrenzten Innenraums des Hohlkörpers mit sich vom ersten metallischen Werkstoff unterscheidendem schmelzflüssigen metallischen Werkstoff, Erwärmen des gefüllten Körpers (1, 18) auf eine Ziehtemperatur und Warmwalzen des gefüllten Körpers (1, 18) zu Warmband (W, W1). Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich metallische Verbundwerkstoffe herstellen, die auch höchsten Anforderungen gewachsen sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von aus metallischem Verbundwerkstoff bestehendem Band oder Blech. Derartige Bleche oder Bänder können Werkstoffeigenschaftskombinationen aufweisen, die bei Verwendung nur eines einzigen Werkstoffmaterials gar nicht oder nur unter erheblichem Aufwand bewerkstelligt werden können. So werden mehrschichtig aufgebaute metallische Bleche oder Bänder der in Rede stehenden Art beispielsweise eingesetzt, wenn das aus ihnen jeweils erzeugte Bauelement eine hohe Härte seiner Außenflächen bei gleichzeitig großer Zähigkeit seiner Kernlage besitzen soll.
  • Üblicherweise werden mehrschichtig aufgebaute metallische Bleche oder Bänder der in Rede stehenden Art durch Walzplattieren hergestellt. Dazu wird zunächst aus einem ersten Metallwerkstoff ein Trägerband produziert, welches die Kernlage des fertigen Verbundwerkstoffs bildet. Auf dieses Trägerband wird anschließend mindestens ein zweites Band aufgewalzt, das aus einem zweiten metallischen Werkstoff besteht und die Decklage des fertigen Verbundwerkstoffs bildet. Die Walzkräfte werden dabei so eingestellt, daß eine auf Stoff-, Kraft- oder Formschluß basierende innige Verbindung zwischen dem Trägerband und der Decklage entsteht. Im Zuge einer anschließend durchgeführten Glühung entsteht in Folge von Diffusionsvorgängen der metallische Verbund (DE 41 37 118 A1).
  • Der mit der Herstellung von durch Walzplattieren erzeugten Verbundwerkstoffen verbundene Aufwand ist erheblich. Insbesondere lassen sich die infolge von Eigenspannungen der einzelnen Schichten auftretenden Probleme des dauerhaften Halts der Verbindung zwischen den Lagen des Verbundmaterials nur unter Schwierigkeiten beherrschen. So besteht bei Verwendung von durch Walzplattieren hergestellten Verbundwerkstoffen in der Praxis bei solchen Anwendungsfällen, bei denen hohe Belastungen wirken, häufig die Gefahr des Abplatzens der Deckschicht von der Trägerschicht.
  • Aus der DE 100 11 758 A1 ist ein anderes Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundwerkstoffs bekannt. Um die Nachteile des Wälzplattierens zu umgehen, wird bei diesem bekannten Verfahren in einer nach Art einer Bandgießanlage ausgebildeten Gießvorrichtung der Werkstoff der Kernschicht zwischen zwei die Außenlagen des fertigen Verbundwerkstoffs bildende vorgefertigte Stahlbänder gegossen. Dazu werden die vorgefertigten Stahlbänder von Coils abgehaspelt und so über gegenläufig rotierende, gekühlte Gießwalzen geleitet, daß zwischen ihnen ein Gießspalt entsteht. In diesen Gießspalt wird die Schmelze des Kernschichtwerkstoffs gegossen. Aufgrund der im Gießspalt wirkenden hohen Flächenpressung und der hohen Gießtemperatur kommt es dabei zu einer intensiven metallurgischen Verbindung zwischen den Stahlbändern der Außenschicht und dem Kernschichtwerkstoff. Der so gebildete Werkstoffverbund kann anschließend zu einem Warmband gewalzt und einer Vergütung unterzogen werden.
  • Das aus der DE 100 11 758 A1 bekannte Verfahren ermöglicht es zwar, Stahl-Schichtwerkstoffe mit extrem unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich des Vergütungszustandes herzustellen. In der Praxis führt jedoch das Vergießen der vorgefertigten Stahlbänder mit dem Werkstoff der Kernlage zu erheblichen Schwierigkeiten.
  • Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ein einfach beherrschbares Verfahren zu schaffen, mit dem sich metallische Verbundwerkstoffe herstellen lassen, die auch höchsten Anforderungen gewachsen sind.
  • Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren zum Herstellen eines aus einem metallischen Verbundwerkstoffs bestehenden Warmbands gelöst worden, welches folgende Arbeitsschritte umfaßt:
    • a) Erzeugen eines Hohlkörpers aus einem ersten metallischen Werkstoff,
    • b) Füllen des von dem ersten Werkstoff umgrenzten Innenraums des Hohlkörpers mit sich vom ersten metallischen Werkstoff unterscheidendem schmelzflüssigen metallischen Werkstoff,
    • c) Erwärmen des gefüllten Körpers auf eine Ziehtemperatur,
    und
    • a) Warmwalzen des gefüllten Körpers zu einem Warmband.
  • Gemäß der Erfindung wird bei der Erzeugung der aus einem metallischen Verbundwerkstoff bestehenden Bänder oder Bleche von einem festen Hohlkörper ausgegangen. Dessen Außenwand wird durch denjenigen Werkstoff gebildet, welcher die Außenlage des zu erzeugenden Endprodukts darstellt. In den Hohlkörper wird der Werkstoff der Innenlage gegossen, so daß ein kompakter Körper entsteht. Dieser solide Körper wird anschließend auf eine für eine Warmverformung ausreichende Ziehtemperatur gebracht und zu Warmband warmgewalzt. Das so erhaltene Warmband kann direkt zu Bauteilen umgeformt oder zu Kaltband weiterverarbeitet werden.
  • Schon beim Eingießen des schmelzflüssigen Werkstoffs der Innenlage in den Hohlkörper entsteht eine metallurgische Bindungszone, die einen sicheren Halt zwischen den Schichten des fertigen Bandes oder Blechs gewährleistet. Durch die während der nachfolgend durchgeführten Warmverformung wirkenden Verformungskräfte wird diese Bindung weiter verstärkt, so daß ein mehrschichtiges Band oder Blech erhalten wird, bei dem die feste Verbindung zwischen der Kernlage und den Außenlagen auch bei hohen Belastungen dauerhaft gewährleistet ist.
  • Die Verwendung eines Hohlkörpers als Ausgangsform ermöglicht es dabei, auf konventionelle Anlagentechnik zurückzugreifen, so daß das erfindungsgemäße Verfahren einfach beherrschbar ist und dementsprechend sicher und kostengünstig durchgeführt werden kann.
  • Die Form des Hohlkörpers wird im wesentlichen durch das zu seiner Herstellung jeweils eingesetzte Verfahren bestimmt. Ergibt dieses Verfahren eine Form, die sich nicht unmittelbar warmwalzen läßt, so ist es zweckmäßig, den gefüllten Hohlkörper nach seiner Erwärmung auf die Warmverformungstemperatur und vor dem Warmwalzen zu einer konventionell geformten Bramme umzuformen, deren Außenlage durch den ersten Werkstoff und deren Kernlage durch den zweiten Werkstoff gebildet ist. Eine solche Bramme läßt sich dann problemlos in einer konventionell ausgebildeten Warmwalzstraße fertigwarmwalzen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Hohlkörper durch ein Gießverfahren aus dem ersten metallischen Werkstoff erzeugt. Dazu eignet sich insbesondere das Schleudergußverfahren. Mit diesem Verfahren lassen sich präzise geformte Hohlkörper aus metallischen Werkstoffen mit geringer Wandstärke ausführen, die optimale Voraussetzungen für die Entstehung einer festen Verbindung mit dem in den Hohlkörper anschließend eingegossenen Werkstoff der Innenlage besitzt.
  • Sollen Bänder oder Bleche erzeugt werden, die mehr als nur eine Innenlage und zwei darauf aufgebrachte Außenlagen besitzen, so läßt sich dies dadurch bewerkstelligen, daß vor dem Füllen des Innenraums des Hohlkörpers mindestens eine aus einem weiteren metallischen Werkstoff bestehende Lage auf die Innenfläche des Hohlkörpers aufgebracht wird. Auf diese Weise lassen sich vielschichtig aufgebaute Bänder und Bleche erzeugen, deren einzelne Lagen jeweils eigene, sich von den anderen Lagen unterscheidende Eigenschaften besitzen.
  • Die Ausprägung der Dicke der Bindungszone zwischen den miteinander verbundenen Werkstoffschichten kann durch eine auf die jeweils verwendeten Werkstoffe abgestimmte Wärmebehandlung eingestellt werden.
  • Das Umformen des gefüllten Körpers bzw. der daraus geformten Bramme beim Warmwalzen kann dadurch vereinfacht werden, daß vor dem Warmwalzen mindestens diejenigen Kantenbereiche des gefüllten Körpers bzw. der Bramme entfernt werden, in denen die Dicke der Kernlage unter einer Mindestdicke liegt. Auf diese Weise kann auch bei solchen Materialkombinationen, bei denen sich der Metallwerkstoff der Außenlage nur schwer verformen läßt, ein gleichförmiges Verformungsverhalten während des Warmwalzens sichergestellt werden.
  • Insbesondere dann, wenn der Hohlkörper im Schleuderguß hergestellt wird, hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Hohlkörper eine zylindrische, rohrförmige Gestalt besitzt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich grundsätzlich zur Verarbeitung beliebiger metallischer Werkstoffe. So können Verbundwerkstoffe aus Leichtmetall oder Buntmetall erzeugt werden. Besonders günstig wirkt sich die mit der Erfindung erreichte Vereinfachung des Herstellweges und die innige, dauerhaft feste Verbindung zwischen den Schichten des erhaltenen Bands bzw. Blechs jedoch dann aus, wenn die den Verbund bildenden metallischen Werkstoffe Stähle mit unterschiedlichen Eigenschaften sind.
  • Dabei können weiche mit verschleißfesten Werkstoffen kombiniert werden, um Warmband für die Herstellung von starken Kräftebeanspruchungen bei gleichzeitig hohem Verschleiß unterliegenden Bauteilen zur Verfügung zu stellen. Dies erweist sich insbesondere bei der Verarbeitung von Stählen als vorteilhaft, wenn Bänder oder Bleche erzeugt werden sollen, die eine zähe Innenlage und eine besonders verschleißfeste, harte Außenlage besitzen.
  • Aufgrund ihrer Eigenschaftskombination eignet sich erfindungsgemäß erzeugtes, mehrschichtig aufgebautes Band- oder Blechmaterial insbesondere für die Herstellung von verschleißfesten Lauf- und Gleitflächen für den Maschinen- und Werkzeugbau, von Gleitlagern, Kugellagern oder ähnlichem, von landwirtschaftlichen Bearbeitungsgeräten, wie Pflugscharen, Scheibeneggen etc., von Schneidwerkzeugen, von Rohren, insbesondere längs- und spiralnahtgefertigten Rohren, sowie für den Behälterbau, insbesondere von Tanks und Druckbehältern.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch jeweils in perspektivischer Ansicht:
  • Fig. 1 einen gefüllten Körper,
  • Fig. 2 eine aus dem gefüllten Körper geformte Bramme,
  • Fig. 3 einen teilweise vergrößert dargestellten Endabschnitt eines aus der Bramme geformten Warmbands,
  • Fig. 4 die in Fig. 2 dargestellte Bramme in einem Zwischenschritt der Verarbeitung,
  • Fig. 5 einen anderen gefüllten Körper,
  • Fig. 6 ein aus dem in Fig. 5 dargestellten Körper hergestelltes Warmband.
  • Zur Herstellung des in Fig. 3 dargestellten dreischichtig aufgebauten Warmbands W wird zunächst aus einem eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisenden Stahl im Schleuderguß ein zylindrischer, rohrförmig gestalteter, hier nicht dargestellter Hohlkörper rotierend gegossen. Der vom Hohlkörper umgebene Innenraum wird anschließend mit einem schmelzflüssigen Stahl ausgegossen, der im festen Zustand beispielsweise eine hohe Zähigkeit besitzt. Dabei bildet sich zwischen dem außenliegenden Werkstoff des Hohlkörpers und der in ihn gefüllten Werkstoff eine metallurgische Bindungszone aus, durch die beide Werkstoffe innig stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird ein gefüllter Körper 1 erhalten, dessen Außenwand 2 durch den verschleißfesten Werkstoff des Hohlkörpers und dessen Kernbereich 3 durch den in den Hohlkörper gegossenen zähen Werkstoff gebildet ist (Fig. 1). In der Praxis kann dabei beispielsweise als Werkstoff für die Außenwand 2 der an sich bekannte, verschleißfeste C-Stahl mit der Bezeichnung "C75" und als Werkstoff für den Kernbereich der eine weiche Stahlmatrix aufweisende, ebenfalls an sich bekannte Stahl mit der Bezeichnung STW22 verwendet werden.
  • Durch eine auf das metallurgische Verhalten der Außenwand 2 und des Kernbereichs 3 abgestimmte Wärmebehandlung wird nach der Erzeugung des gefüllten Körpers 1 die in radialer Richtung des Körpers 1 gemessene Dicke der Bindungszone eingestellt. Die betreffende Wärmebehandlung kann beispielsweise als Diffusionsglühung durchgeführt werden.
  • Anschließend wird der gefüllte Körper auf eine Ziehtemperatur 1050°C bis 1300°C erwärmt und zu einer Bramme 4 umgeformt. Die Abmessungen der Bramme 4 entsprechen dabei den Abmessungen konventioneller Brammen, die regelmäßig in ebenso konventionellen Warmbandstraßen verarbeitet werden. Die Bramme 4 weist dementsprechend eine sich in Längs- und Breitenrichtung erstreckende, aus dem Kernbereich 3 des Körpers 1 gebildete Kernlage 5 auf, die an ihrer Oberseite und ihrer Unterseite jeweils durch eine vom Werkstoff der Außenwand 2 des Körpers 1 gebildete Außenlage 6 bzw. 7 geformt ist. Zusätzlich ist die Kernlage 5 an den seitlichen Längsrändern 8, 9 der Bramme 4 vom verschleißfesten Werkstoff der Außenwand 2 des Körpers 1 eingeschlossen (Fig. 2).
  • Um eine gleichförmige Verformung der Bramme 4 während des nachfolgend durchgeführten Warmwalzens sicherzustellen, werden vor dem Eintritt der Bramme 4 in die nicht dargestellte Warmwalzstraße von den Längsrändern 8, 9 ausgehende Randbereiche 10, 11 der Bramme 4 abgetrennt. Auf diese Weise sind diejenigen Randabschnitte der Bramme 4 entfernt, über welche die Dicke D der Kernlage 5 ein Dickenminimum unterschreitet (Fig. 3).
  • Die Bramme 4 tritt mit einer Temperatur von 1250°C in die Warmwalzstraße ein, in der es zum Warmband W mit einer Dicke von beispielsweise 2 mm bis 6 mm fertigwarmgewalzt wird. Das fertige Warmband weist eine verschleißfeste obere Außenlage 12 mit einer typischen Dicke von 10% bis 20% der Gesamtdicke, eine Kernlage 13 mit einer typischen Dicke von 60% bis 80% der Gesamtdicke und eine unter Außenlage 14 mit einer typischen Dicke von wiederum 10% bis 20% der Gesamtdicke auf.
  • Zur Herstellung eines fünfschichtig aufgebauten Warmbands W1 wird wiederum im Schleuderguß ein Hohlkörper hergestellt, dessen Außenwand 15 aus einem ersten besondere Eigenschaften aufweisenden Stahlwerkstoff hergestellt ist. Anschließend wird auf die Innenfläche der Außenwand 15 im Schleuderguß eine Zwischenlage 16 aufgebracht, die aus einem zweiten Stahlwerkstoff besteht. Der Werkstoff der Zwischenlage 16 weist andere Eigenschaften auf als der Werkstoff der Außenwand 15. Dann wird der von der Außenwand 15 und der Zwischenwand 16 umschlossene Innenraum mit einem dritten Stahlwerkstoff 17 ausgegossen, so daß ein solider Körper 18 gebildet ist (Fig. 5).
  • Erforderlichenfalls wird über eine ausreichende Dauer (beispielsweise bis zu 40 Stunden lang) bei > 800°C eine Wärmebehandlung des mit der Zwischenlage 16 versehenen Hohlkörpers durchgeführt, um die Dicke der metallurgischen Bindungszone zwischen der Außenwand 15 und der Zwischenlage 16 sowie der Zwischenlage 16 und dem aus dem dritten Stahlwerkstoff 17 bestehenden Kernbereich einzustellen.
  • Anschließend oder schon während des Wärmebehandlungsprozesses wird der Körper 18 auf seine Ziehtemperatur von 1050°C bis 1300°C erwärmt und zu einer hier nicht gezeigten Bramme mit konventionellen Abmessungen geformt. Nach einer entsprechend den für die Bramme 4 angegebenen Maßgaben durchgeführten Abtrennung ihrer seitlichen Bereiche ist die Bramme zum Warmband W1 warmgewalzt worden. Das Warmband W1 weist eine Außenlage 19, 20, deren Dicke typischerweise 10% bis 20% der Gesamtdicke des Warmbands W1 beträgt, eine Zwischenlage 21, 22, deren Dicke typischerweise 5% bis 10% der Gesamtdicke des Warmbands W1 beträgt, und eine Kernlage 23 auf, deren Dicke typischerweise 40% bis 80% der Gesamtdicke des Warmbands W1 beträgt (Fig. 6).
  • Die Warmbänder W, W1 können zu einem Bauteil umgeformt oder zu einem Kaltband kaltgewalzt werden. BEZUGSZEICHEN 1 Körper
    2 Außenwand
    3 Kernbereich
    4 Bramme
    5 Kernlage
    6, 7 Außenlage
    8, 9 Längsränder
    10, 11 Randbereiche
    12 obere Außenlage des Warmbands W
    13 Kernlage
    14 untere Außenlage des Warmbands W
    15 Außenwand
    16 Zwischenlage
    17 Stahlwerkstoff des Kernbereichs
    18 Körper
    19, 20 Außenlage
    21, 22 Zwischenlagen
    23 Kernlage
    W Warmband
    W1 Warmband
    D Dicke der Kernlage 5

Claims (12)

1. Verfahren zum Erzeugen von aus einem metallischen Verbundwerkstoffs bestehendem Band (W, W1) oder Blech, umfassend folgende Arbeitsschritte:
a) Erzeugen eines Hohlkörpers aus einem ersten metallischen Werkstoff,
b) Füllen des von dem ersten Werkstoff umgrenzten Innenraums des Hohlkörpers mit sich vom ersten metallischen Werkstoff unterscheidendem schmelzflüssigen metallischen Werkstoff,
c) Erwärmen des gefüllten Körpers (1, 18) auf eine Ziehtemperatur,
und
a) Warmwalzen des gefüllten Körpers (1, 18) zu Warmband (W, W1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gefüllte Körper (1, 18) vor dem Warmwalzen zu einer Bramme (4) umgeformt wird, deren Außenlage (6, 7) durch den ersten Werkstoff und deren Kernlage (5) durch den zweiten Werkstoff gebildet ist, und daß die Bramme (4) warmgewalzt wird.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper durch ein Gießverfahren aus dem ersten metallischen Werkstoff erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper im Schleuderguß erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Füllen des Innenraums des Hohlkörpers mindestens eine aus einem weiteren metallischen Werkstoff bestehende Lage (16) auf die Innenfläche des Hohlkörpers aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper nach dem Aufbringen der aus einem weiteren metallischen Werkstoff bestehenden Lage (16) einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gefüllte Körper (1, 18) einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach dem Warmwalzen mindestens diejenigen Kantenbereiche (10, 11) des gefüllten Körpers (1, 18) bzw. der Bramme (4) entfernt werden, in denen die Dicke (D) der Kernlage (5) unter einer Mindestdicke liegt.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper eine zylindrische Form besitzt.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Werkstoffe Stähle mit unterschiedlichen Eigenschaften sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der eine metallische Werkstoff eine hohe Verschleißfestigkeit besitzt, während der andere metallische Werkstoff weich ist.
12. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der verschleißfeste Werkstoff die Außenlage (6, 7) des Warmbands bildet, während die Kernlage (5) aus dem weichen Werkstoff besteht.
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