DE102022213177A1

DE102022213177A1 - Mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102022213177A1
Application number: DE102022213177.0A
Authority: DE
Inventors: Joachim Ohlert; Matthias Kipping
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2022-12-07
Filing date: 2022-12-07
Publication date: 2024-06-13
Also published as: WO2024121270A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil in einem Walzwerk, mit einem Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einer auf den Grundkörper aufgebrachten Funktionsschicht (3) aus wenigstens einem von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff, wobei der Werkstoff der wenigstens einen Funktionsschicht (3) eine höhere Verschleißfestigkeit als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der Grundkörper wenigstens eine weitere äußere Schicht als Opferschicht (5) umfasst, die die wenigstens eine Funktionsschicht (3) wenigstens teilweise umschließt und die Opferschicht (5) aus einem Werkstoff besteht, der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht (3) aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung eines solchen Bauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil in einem Walzwerk sowie ein Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung eines solchen Bauteils. Ein mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil im Sinne der Erfindung kann beispielsweise eine Gleitführung, eine Linearführung, ein Führungslineal oder eine Rolle oder Walze sein, die beispielsweise in Kontakt mit dem Walzgut stehen und hinsichtlich der Werkstoffkonfiguration als Verschleißpartner ausgelegt ist.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Rolle zum Eingriff in Walzgut in einem Walzwerk sowie ein Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung einer Rolle zum Eingriff in Walzgut in einem Walzwerk, insbesondere in einem Warmwalzwerk.
Eine solche Rolle ist beispielsweise aus der WO 2009/130079A1 bekannt. Diese Veröffentlichung betrifft eine Rolle zum Transportieren von stranggegossenen Stahlsträngen auf einem Rollgang oder in einer Stranggießmaschine, mit einem Rollenkörper, der einen Rollenmantel aus einem Grundwerkstoff und eine durch Auftragsschweißen auf den Grundwerkstoff mit einem Schweißzusatzwerkstoff aufgebrachte Verschleißschicht umfasst, die die Rollenmanteloberfläche einschließt, wobei der Grundwerkstoff des Rollenmantels Stahl ist. Die Auftragsweisung ist als Einlagenschweissung ausgeführt. Die Wiederherstellung der Rolle nach Verschleiß erfolgt dadurch, dass der Rollenmantel als Drehteil vorbereitet wird und dass eine einlagige Auftragsschweißung auf den Grundwerkstoff mit einer bestimmten Mindestdicke aufgebracht wird. Anschließend wird die Schweißschicht auf eine geschlossene einflächige Rollenmanteloberfläche bei Aufrechterhaltung einer Mindestdicke der Verschleißschicht zurückgedreht.
Mechanische Bauteile sind im Betrieb häufig einer Belastung ausgesetzt, die lokal unterschiedlich ist und das Bauteil nicht gleichmäßig erfasst. Insbesondere ist häufig ein Unterschied zwischen dem Kern und dem Rand eines Bauteils zu beobachten. Bei vorwiegend zylinderförmigen Bauteilen, wie beispielsweise Scheiben und Wellen oder auch Rollen sowie bei anderen Bauteilen mit ebenen Flächen, wird vom Kern oft eine hohe Duktilität bei geringer Belastung gefordert, während der oberflächennahe Grenzbereich beispielsweise einer hohen mechanischen, thermischen und/oder korrosiven Beanspruchung ausgesetzt ist.
Aus diesem Grund ist es allgemein bekannt, Rollen, wie sie beispielsweise in der WO 2009/130079A1 beschrieben sind, mit Beschichtungen zu versehen, die unterschiedliche Funktionen übernehmen, zum Beispiel eine erhöhte Verschleißbeständigkeit, eine erhöhte Biege- oder Torsionsbeständigkeit bei statischer, dynamischer oder schwingender Beanspruchung, eine erhöhte Temperaturbeständigkeit, eine bestimmte Wärmeausdehnung oder Wärmeleitfähigkeit sowie erhöhte Korrosionsbeständigkeit.
Wie vorstehend beschrieben, ist es bekannt, derartige Funktionsschichten durch Auftragsschweißen, durch thermisches Spritzen, Bedampfen, Bestäuben, galvanisches oder chemisches Beschichten oder durch Gießen aufzubringen. Vielfach wird für derartige Bauteile eine bestimmte Oberflächenqualität, d. h. beispielsweise eine definierte Rauheit und Welligkeit gefordert. Diese Oberflächenqualität ist nicht notwendigerweise nach dem Aufbringen der Funktionsschichten vorhanden, vielmehr muss diese durch entsprechende Nachbearbeitung wie beispielsweise Drehen, Fräsen oder Schleifen hergestellt werden.
Bei Bauteilen, denen durch die Aufbringung einer sogenannten Funktionsschicht eine erhöhte Verschleißfestigkeit vermittelt werden soll, ist das Herstellen bestimmter Oberflächeneigenschaften durch Nachbearbeitung naturgemäß verhältnismäßig aufwendig, da sich ein verschleißfester Werkstoff einer Nachbearbeitung stärker widersetzt als ein Werkstoff, der weniger verschleißfest ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil zum Eingriff insbesondere in heißes Walzgut in einem Walzwerk bereitzustellen, das hinsichtlich seiner Verschleißeigenschaften optimiert ist und das verhältnismäßig einfach hergestellt werden kann und/oder die einfach wiederhergestellt werden kann.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung und/oder Wiederherstellung eines solchen Bauteils bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil mit einem Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einer auf den Grundkörper aufgebrachten Funktionsschicht bereitgestellt, wobei der Werkstoff der wenigstens einen Funktionsschicht eine höhere Verschleißfestigkeit als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der Grundkörper wenigstens eine weitere äußere Schicht als Opferschicht umfasst, die die wenigstens eine Funktionsschicht wenigstens teilweise umschließt und die Opferschicht aus einem Werkstoff besteht, der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht aufweist.
Ein mechanisch beanspruchtes Bauteil im Sinne der Erfindung ist beispielsweise ein Bauteil, das als Verschleißpartner zum Eingriff in Walzgut oder zur Führung des Walzguts ausgelegt ist. Der Begriff Bauteil im Sinne der Erfindung umfasst beispielsweise aber nicht ausschließlich, Gleitführungen in Rollgängen, Führungslineale, Rollen oder Walzen, beispielweise auch Stützwalzen, die mit anderen Walzen zusammenwirken.
Vorzugsweise besteht die wenigstens eine Funktionsschicht aus einem verhältnismäßig härteren und/oder verschleißfesteren Werkstoff als die Opferschicht.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird als Bauteil im Sinne der Erfindung eine Rolle zum Eingriff in heißes Walzgut in einem Warmwalzwerk bereitgestellt, die einen Rollenkörper aufweist, der einen Rollenmantel aus einem Grundwerkstoff und wenigstens eine Funktionsschicht aus wenigstens einem von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff umfasst, wobei der Werkstoff, der wenigstens einen Funktionsschicht eine höhere Verschleißfestigkeit als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der Rollenkörper wenigstens eine weitere äußere Schicht als Opferschicht umfasst, die die wenigstens eine Funktionsschicht wenigstens teilweise umschließt und die Opferschicht aus einem Werkstoff besteht, der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht aufweist.
Eine Rolle zum Eingriff in heißes Walzgut im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Rolle oder Walze als Rollgangrolle, Walze eines Walzwerks, Walze einer Stranggießmaschine oder Stranggussführung oder eines anderen Aggregats, die zur Stützung, Behandlung und/oder zum Transport des heißen Walzguts vorgesehen ist.
Der Rollenkörper und/oder der Rollenmantel sind beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei die Mantelfläche der Rolle auch konisch oder bombiert ausgestaltet sein kann. Der Mantelkörper der Rolle kann eine Vielzahl von Schichten aufweisen, die einen Verbund mit entsprechenden Materialeigenschaften ausbilden können. Wenigstens eine äußere Schicht des Rollenmantels ist als sogenannte Funktionsschicht ausgebildet, das heißt, dass der Werkstoff der Funktionsschicht die gewünschten Eigenschaften zum Eingriff in das Walzgut im Hinblick auf Verschleißfestigkeit oder Temperaturbeständigkeit oder Härte oder Duktilität aufweist.
Unter einer Funktionsschicht im Sinne der Erfindung ist eine Verschleißschutzschicht zu verstehen, die aus einem bezüglich des Grundwerkstoffs des Rollenkörpers und/oder bezüglich anderer Schichten der Rolle verschleißfesteren Werkstoff besteht.
Vorzugsweise weist die Opferschicht nicht alle Anforderungen zum Eingriff in das Walzgut auf, insbesondere weist diese Opferschicht eine geringere Verschleißfestigkeit auf. Hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit, Welligkeit und Maßhaltigkeit) kann die Opferschicht gleichwohl die gewünschten anwendungsspezifischen Eigenschaften erfüllen.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der Rollenmantel ein oder mehrere Ergänzungsschichten umfasst, die unterhalb wenigstens einer Funktionsschicht angeordnet sind. Ergänzungsschichten können verschiedene Funktionen übernehmen, z.B. Trennen von zwei harten und spröden Schichten zur Vermeidung von Rissen oder Trennen von zwei unterschiedlichen harten Schichten zur Vermeidung von Aufmischung, u.a. aber auch die Funktion als Opferschicht.
Die Ergänzungsschichten können beispielsweise eine geringere Festigkeit und größere Duktilität als die anderen Schichten aufweisen und gestatten so den Abbau von Spannungen und die Vermeidung von Rissen im Grenzbereich zu einer Funktionsschicht hoher Härte und Verschleißbeständigkeit.
Der Begriff Opferschichtmeint, dass diese Teilschicht nicht über die Eigenschaften verfügt, die der Anwendungsfall z.B. in einem Walzwerk verlangt, sondern dass eine Teilschicht oder ein Teil der Gesamtschicht bewusst aufgebracht wird, um dem darunterliegenden Schichtbereich besonders vorteilhafte Eigenschaften zu verschaffen bzw. um allgemein seine effektive, für den Anwendungsfall optimale Nutzung zu fördern.
Die Opferschicht kann beispielsweise oberhalb einer harten Schicht aufgebracht sein und die äußerste Mantelfläche der Rolle bilden. Diese kann so bearbeitet sein, dass sie eine gewünschte Oberflächenqualität bereitstellt, beispielsweise eine bestimmte Rauigkeit der Oberfläche.
Die Opferschicht kann eine äußere Funktionsschicht ganz oder teilweise umschließen. Wenn die Rolle oberhalb einer harten Schicht zusätzlich eine weiche Schicht aufweist, die mechanisch nachbearbeitet wurde, hat das verschiedene Vorteile. Auf diese Art und Weise ist es einfacher, beim Beschichten eine gute Oberflächenqualität einzustellen. Weiterhin ist eine mechanische Bearbeitung der Opferschicht wesentlich einfacher. Die Opferschicht kann mittels eines einfacheren und kostengünstigeren Verfahrens, wie beispielsweise durch Drehen bzw. Rückdrehen auf einen Nenndurchmesser nachbearbeitet werden. Schließlich ist das hierzu verwendete Werkzeug kostengünstiger und einfacher handhabbar. Die wertvolle harte Schicht bzw. Funktionsschicht bleibt vollständig oder nahezu vollständig erhalten, da das Aufbringen und Entfernen der weicheren Schicht optimal auf den Anwendungsfall abgestimmt werden kann. Die Dicke der weicheren Schicht kann in weiten Grenzen frei gewählt und so an die Anforderungen des Gesamtsystems angepasst werden. Der Erhalt der Funktionsschicht ist ein Gesichtspunkt der Erfindung, insbesondere, wenn die Funktionsschicht einen Eigenschaftsgradienten besitzt, bei dem die besten Eigenschaften unmittelbar an der Oberfläche erreicht werden.
Dadurch steigt auch der Gestaltungsspielraum beim Auftragen der harten Schicht, bei bevorzugten Ausführungsformen eine Schicht, die einen Struktur- und Eigenschaftsgradienten besitzt, oder mehrere Schichten, die von Schicht zu Schicht einen Struktur- und Eigenschaftsgradienten besitzen oder mehrere Schichten, die von Schicht zu Schicht und innerhalb der Schichten einen Struktur- und Eigenschaftsgradienten besitzen. Wenn nach dem Beschichten ein Abtrag von beispielsweise 200 bis 500 Mikrometer erfolgen müsste, so wäre eine aufwändige Optimierung von Legierungszusammensetzung und Prozessparametern mit dem Ziel, im randnahen Bereich die optimalen Eigenschaften, z.B. in Form von hoher Festigkeit oder guter Korrosionsbeständigkeit, einzustellen, oftmals sinnlos. Ausgefeilte moderne Beschichtungskonzepte, bei denen beispielsweise der Anteil harter Fremdphasen wie Wolframkarbid oder Titankarbid kontinuierlich (in einer Schicht) oder diskontinuierlich (von Schicht zu Schicht) oder sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich zunimmt, könnten in diesem Fall keine oder nur begrenzte Anwendung finden.
Die Nachteile des Standes der Technik werden erfindungsgemäß durch das Aufbringen einer vorzugsweise weicheren Opferschicht bzw. Deckschicht behoben, die bei der mechanischen Bearbeitung teilweise oder nahezu vollständig entfernt wird. Eventuell vorhandene Reste der weichen Schicht werden beim industriellen Einsatz aufgrund ihrer geringen Verschleißbeständigkeit schnell abgetragen und beeinträchtigen die Funktionalität der Schicht nicht. Die harte Schicht kann dann exakt im Rahmen ihrer ursprünglichen Bestimmung genutzt werden, da sie vollständig erhalten bleibt. Das Eigenschaftsprofil, das mit makroskopischem und mikroskopischem Aufbau der Schicht korreliert, kann dadurch spezifikationsgemäß bzw. wunschgemäß eingestellt werden. Ein aufgrund der fehlenden Bearbeitung dieser harten Schicht ein etwa nicht exakt gleichmäßiger Verlauf der Dicke über Länge und Breite bzw. in axialer und tangentialer Richtung egalisiert sich im Verlauf des Betriebs aufgrund der dabei auftretenden mechanischen Belastung.
Eine optimale Kombination des Aufbringens und anschließenden partiellen Entfernens der Gesamtschicht ist dafür verantwortlich, dass sich einerseits die technischen Eigenschaften besonders vorteilhaft darstellen und andererseits die Wirtschaftlichkeit des Produkts maximiert wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Funktionsschicht aus einem verhältnismäßig härteren und/oder verschleißfesteren Werkstoff als die Opferschicht besteht.
Die Funktionsschicht kann beispielsweise bei einem rotationssymmetrischen Bauteil wie einer Rolle einen radial verlaufenden Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten aufweisen. Beispielsweise kann die Funktionsschicht von innen nach außen einen Härtegradienten, beispielsweise von weicher nach härter aufweisen.
Die Funktionsschicht kann beispielsweise einen Stahl umfassen, der einen bestimmten Anteil harter Fremdphasen wie z.B. Wolframkarbid oder Titankarbid umfasst. Diese Fremdphasen können in einer Schicht, d. h. kontinuierlich, so verteilt sein, dass ein Härtegradient erzielt wird. Ein solcher Härtegradient stellt sich ohne weiteres dann ein, wenn eine harte Funktionsschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung mit einer weicheren Deckschicht als Opferschicht die Mantelfläche des Bauteils oder beispielsweise den Rollenmantel der Rolle bilden. Die Opferschicht gestattet es, dass der eingestellte Gradient erhalten bleibt.
Als Werkstoff für den Grundkörper des Bauteils kommen nahezu alle gängigen Stahlsorten in Betracht, beispielsweise Baustähle wie beispielsweise der S355J oder Vergütungsstähle wie beispielsweise der 25CrMo4
Als Werkstoff für die wenigstens eine Funktionsschicht kommen beispielsweise ein verschleißbeständiger Warmarbeitsstahl wie der 1.2344 oder ein Schnellarbeitsstahl wie der 1.3344 in Betracht. Darüber hinaus sind martensitische Edelstähle beispielsweise auf Basis des 1.4057, Nickel-Basis-Legierungen wie Inconel 625 und Inconel 718 oder Kobalt-Basis-Legierungen wie Stellite 6 und Stellite 21 geeignet. Besonders verschleißbeständige Schichten enthalten zudem Hartphasen wie Wolframkarbide und/oder Titankarbide. Der Volumenanteil der Hartphasen kann im Extremfall den der Matrix übertreffen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Bauteils bzw. der Rolle gemäß der Erfindung ist eine Vielzahl von Funktionsschichten vorgesehen, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Die Vielzahl von Funktionsschichten können beispielsweise einen radialen Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten des Rollenmantels bilden.
Bei einer bevorzugten Variante des Bauteils gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass dessen Mantelfläche als einflächige Mantelfläche ausgebildet ist, d. h., dass diese keine Absätze bzw. Durchmessersprünge aufweist. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann die Mantelfläche einer Rolle als Bauteil zylindrisch, konisch, bombiert oder S-förmig konturiert sein.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung eines mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchten Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einer auf den Grundkörper aufgebrachten Funktionsschicht, die wenigstens einen von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff umfasst, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

- Bereitstellen eines Grundkörpers aus einem Grundwerkstoff,
- Aufbringen wenigstens einer verschleißfesten Funktionsschicht auf den Grundkörper,
- Aufbringen einer äußeren Opferschicht auf die Funktionsschicht, wobei die Opferschicht aus einem Werkstoff besteht, der hinsichtlich der Materialeigenschaften von den Materialeigenschaften der Funktionsschicht abweicht und der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht aufweist,
- Nacharbeiten des Grundkörpers unter Materialabtrag auf eine wenigsten im Bereich einer Funktionsfläche geschlossene Mantelfläche mit vorgegebenen Abmessungen.

Die Verfahrensschritte werden vorzugsweise in der Reihenfolge ihrer Aufzählung durchgeführt.
Das Aufbringen der wenigstens einen Funktionsschicht und/oder der Opferschicht ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe von Verfahren umfassend Auftragsschweißen, thermisches Spritzen, Plasmabeschichten, Gießen, Schleudergießen, Bedampfen, Bestäuben, galvanisches Beschichten, chemisches Beschichten.
Das Nacharbeiten kann beispielsweise durch Drehen und/oder Fräsen und/oder Schleifen erfolgen.
Die Dicke der wenigstens einen Funktionsschicht und/oder der Opferschicht können so gewählt werden, dass die Opferschicht nach dem Materialabtrag die wenigstens eine Funktionsschicht wenigstens teilweise umschließt.
Beispielsweise kann die Mantelfläche als einflächige Mantelfläche hergestellt wird.
Bei einer Variante des Verfahrens kann eine Vielzahl von Funktionsschichten aufgetragen werden, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, derart, dass die Vielzahl von Funktionsschichten einen Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten bilden.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung einer Rolle zum Eingriff in heißes Walzgut in einem Warmwalzwerk, insbesondere zur Herstellung oder Wiederherstellung einer Rolle mit einem Rollenkörper, der einen Rollenmantel aus einem Grundwerkstoff und wenigstens eine Funktionsschicht aus wenigstens einem von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff umfasst, umfassend die folgenden Bearbeitungsschritte:

- Bereitstellen eines Rollenkörpers mit einem Rollenmantel aus einem Grundwerkstoff,
- Aufbringen wenigstens einer verschleißfesten Funktionsschicht auf den Rollenkörper,
- Aufbringen einer äußeren Opferschicht auf die Funktionsschicht, wobei die Opferschicht aus einem Werkstoff besteht, der hinsichtlich der Materialeigenschaften von den Materialeigenschaften der Funktionsschicht abweicht und der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht aufweist,
- Nacharbeiten des Rollenmantels unter Durchmesserverringerung auf eine geschlossene Rollenmantelfläche mit einem vorgegebenen Außendurchmesser.

Die Verfahrensschritte werden vorzugsweise in der Reihenfolge ihrer Aufzählung durchgeführt.
Das Aufbringen der wenigstens einen Funktionsschicht und/oder der Opferschicht kann beispielsweise durch Auftragsschweißen, thermisches Spritzen, Gießen, Bedampfen, Plasmabeschichten, Schleudergießen, Bestäuben, galvanisches Beschichten oder chemisches Beschichten erfolgen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann weiterhin umfassen, die beim Aufbringen der Opferschicht zugeführte Wärme zu nutzen, um die darunterliegende Funktionsschicht hinsichtlich deren Duktilität zu beeinflussen. Die Funktionsschicht wird durch die Opferschicht einem Anlassvorgang unterzogen.
Eine Nachbearbeitung kann durch Drehen und/oder Fräsen und/oder Schleifen erfolgen.
Bevorzugt wird die Dicke der wenigstens einen Funktionsschicht und/oder der Opferschicht so gewählt, dass die Opferschicht nach der Durchmesserreduzierung des Rollenmantels die wenigstens eine Funktionsschicht mindestens teilweise umschließt.
Vorzugsweise ist die Rollenmantelfläche als einflächige Mantelfläche hergestellt. Diese kann beispielsweise vollständig geschlossen sein.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Vielzahl von Funktionsschichten aufgetragen wird, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, derart, dass die Vielzahl von Funktionsschichten einen vorzugsweise radialen Struktur- und/oder eine Eigenschaftsgradienten des Rollenmantels bilden. Die beschriebenen Schichten mit den entsprechenden Eigenschaften können derart auf unterschiedliche Belastungen abgestimmt sein, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf den Rollenmantel wirken, dass die bezüglich der jeweiligen äußeren Belastungen bestmöglichen Rollenmanteleigenschaften existieren, entsprechend der Anordnung der Schichten auf der Rolle.
Die Verschleiß- und/oder Belastungsbeständigkeit der Rolle gemäß der Erfindung kann beispielsweise anwendungsorientiert optimiert werden, wobei ein Verfahren zur anwendungsorientierten Optimierung die Erfassung von tribologischen Daten bei der Herstellung und/oder Wiederherstellung wenigstens einer Rolle, die Erfassung von Verschleiß und/oder Belastungsdaten, die aus der betrieblichen Anwendung der Rolle resultieren, die Korrelation der tribologischen Daten aus der Herstellung und/oder Wiederherstellung der Rolle mit den Verschleiß- und/oder Belastungsdaten aus dem Betrieb einer elektronischen Datenbank und die automatische belastungsorientierte Auslegung und/oder Veränderung des Aufbaus des Rollenmantels und/oder die automatische Veränderung der betriebsbedingten Belastung der Rolle umfassen kann.
Die Optimierung Verschleiß- und/oder Belastungsbeständigkeit des Bauteils bzw., der Rolle kann beispielsweise auch unter Verwendung von Daten bezüglich des Materialabtrags während des Betriebs und/oder bei der Widerherstellung des Bauteils erfolgen.
Die tribologischen Daten sind vorzugsweise Messdaten, die ausgewählt sind aus einer Gruppe von Messdaten umfassend Drehmomente, Schnittkräfte, Vorschubkräfte, Reibkräfte, Reibungskoeffizienten und Temperaturen bei einer spanabhebenden Bearbeitung des Bauteils bzw. des Rollenmantels und Oberflächenrauigkeiten der Rollenmantelfläche unmittelbar nach der Bearbeitung des Rollenmantels.
Die tribologischen Daten können in Bezug auf die Geometrie einer Rolle sowohl ortsbezogen als auch zeitbezogen erfasst werden.
Die Verschleiß- und/oder Belastungsdaten aus dem Betrieb der Rolle sind vorzugsweise Messdaten, welche entweder zeitweise an der in Betrieb befindlichen Rolle aufgenommen werden oder während des Betriebs online erfasst werden.
Die Verschleißdaten können gemessene Oberflächeneigenschaften umfassen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe von Messdaten zur Rauigkeit, Welligkeit, dem Profil, der Oberflächenhärte, Reibungsbeiwert der Mantelfläche der Rolle und der Struktur der Verschleißspuren in der Mantelfläche der Rolle.
Spanabhebende Verfahren mit geometrisch bestimmter und unbestimmte Schneide können auch als Tribometer angesehen werden. Daher kann das Erfassen des Materialabtrags und der damit verbundenen entstehenden Größen wie Oberflächengüte sowie die Form und Lage der Flächen für eine Optimierung Verschleiß- und/oder Belastungsbeständigkeit des Bauteils berücksichtigt werden.
Die Belastungsdaten können ausgewählt sein aus einer Gruppe von Daten umfassend die auf die Rolle einwirkende Punktlasten, Streckenlasten, Flächenpressungen, die Umdrehungsgeschwindigkeiten und den Schlupf der Rolle sowie die Temperatur und/oder Beschaffenheit des Walzguts und/oder der bei einer Walzgutkühlung verwendeten Medien.
Das Verfahren kann eine automatische Auswertung der korrigierten Daten unter Zuhilfenahme wenigstens eines Expertensystems und/oder unter Anwendung von Verfahren die auf Methoden des maschinellen Lernens basieren umfassen, insbesondere basierend auf künstlichen neuronalen Netzen, tiefen künstlichen neuronalen Netzen, Entscheidungsbäumen, Ensemble-Methoden basierend auf Entscheidungsbäumen, linearen oder nichtlinearen Regressionsmodellen mit oder ohne Regularisierung, Support-Vector-Machines mit linearen, polynomialen oder anderen Kernel-Funktionen, oder dergleichen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Teilschnitts durch eine nach dem Stand der Technik ausgebildete Rolle,
2 eine schematische Darstellung mehrerer Fertigungsstufen der in 1 dargestellten Rolle,
3 eine schematische Darstellung des Herstellungs- oder Wiederherstellungsverfahrens einer Rolle gemäß der Erfindung anhand von mehreren Teilschnittansichten,
4 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Rolle nach einer bestimmten Betriebszeit und
5 eine schematische Darstellung eines Mehrschichtsystems einer Rolle gemäß der Erfindung.

Es wird zunächst Bezug genommen auf die 1 und 2, die mehrere Teilschnittansichten einer Rolle nach dem Stand der Technik in verschiedenen Fertigungszuständen zeigen. Die in Bezug auf die 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen werden gleichermaßen für die in den 3 bis 5 dargestellte Rolle gemäß der Erfindung verwendet.
Die in den 1 und 2 dargestellte Rolle 1 ist jeweils als Teilschnittansicht dargestellt, wobei die Schnittansicht oberhalb einer Symmetrieachse der Rolle 1 dargestellt ist. Die Rolle 1 umfasst einen Rollenkörper 2 aus einem Stahl als Grundwerkstoff sowie eine Mantelschicht, die eine sogenannte Funktionsschicht 3 umfasst. Unterhalb der Funktionsschichte 3 kann eine Ergänzungsschicht 4 angeordnet sein.
Entweder bei der Neuherstellung oder bei der Wiederherstellung der Rolle 1 wird die Funktionsschicht in der Regel als Verschleißschutzschicht mit entsprechenden Materialeigenschaften, beispielsweise durch Auftragsschweißen, auf die Ergänzungsschicht 4 oder unmittelbar auf den Rollenkörper 2 aufgebracht. Damit die Mantelfläche der Rolle die entsprechende Oberflächenbeschaffenheit, d. h. Oberflächenrauheit bzw. Oberflächenebenheit entsprechend den Vorgaben hat, wird diese nach Aufbringung der Funktionsschicht 3 maschinell nachbearbeitet, d. h. in der Regel auf den Nenndurchmesser der Rolle 1 abgedreht und entsprechend geschliffen. Der Zustand der Rolle 1 nach Aufbringung der Funktionsschicht 3 ist in 2A dargestellt, der Zustand nach der maschinellen Bearbeitung der Oberfläche ist in 2B veranschaulicht. Es ist ohne weiteres nachvollziehbar, dass das Nachbearbeiten der Oberfläche der Funktionsschicht 3 mit einem entsprechenden Aufwand verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Bauteil, in dem beschriebenen Beispiel eine Rolle 1, sind in den 3 bis 5 veranschaulicht. Wie eingangs bereits erwähnt, kommen als Bauteile beispielsweise auch aber nicht ausschließlich, Gleitführungen in Rollgängen, Führungslineale, Rollen oder Walzen, beispielweise auch Stützwalzen, die mit anderen Walzen zusammenwirken oder andere mechanisch belastete, einem Verschleiß unterliegende Bauteile in Betracht.
3A zeigt den Zustand der Rolle 1 nach Aufbringung der Funktionsschicht 3 aus einem verschleißfesten und harten und/oder zähen Werkstoff, der hinsichtlich der Verschleißeigenschaften günstigere Eigenschaften hat als der Grundwerkstoff des Rollenkörpers 2 und/oder eine dazwischen angeordnete Ergänzungsschicht 4. Die Ergänzungsschicht 4 kann beispielsweise aus einem relativ weichen Material auf der Basis des austenitischen Edelstahls 1.4404 bestehen. Die Funktionsschicht 3, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Auftragsschweißen aufgebracht wurde besteht beispielsweise aus einem verschleißbeständigen Warmarbeitsstahl wie der 1.2344 oder ein Schnellarbeitsstahl wie der 1.3344 umfassend Fremdphasen aus Wolframcarbid und/oder Titankarbid, die eine entsprechende Verschleißfestigkeit der Funktionsschicht 3 erzielen.
Die Funktionsschicht 3 erfüllt unmittelbar nach deren Aufbringung auf den Rollenkörper 2 gemäß 3A keineswegs die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit des fertigen Bauteils. In einem nächsten Schritt, der in 3B veranschaulicht ist, wird auf die Funktionsschicht 3 eine Opferschicht 5 aufgebracht, die beispielsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die übrigen Ergänzungsschichtenbesteht oder aber aus einem anderen Werkstoff, da die Opferschicht beispielsweise eine geringere Duktilität aufweisen kann als die weiter innen liegenden Ergänzungsschichten (z.B. Pufferlagen) oder beispielsweise anders als diese keine besonderen Anforderungen hinsichtlich Wärmeleitung und/oder Wärmeausdehnung erfüllen muss.. Die Opferschicht 5 erfüllt nicht die anwendungsspezifischen Anforderungen an die Verschließfestigkeit und/ oder Härte und/ Zähigkeit des Werkstoffs.
Nach Aufbringen der Opferschicht 5 weist der Rollenmantel ein Übermaß auf, das in einem weiteren Verfahrensschritt durch entsprechende Nachbearbeitung wie Fräsen, Schleifen oder Drehen auf den Nenndurchmesser der Rolle 1 reduziert wird und, wie das in 3C veranschaulicht ist, schlussendlich die gewünschte Oberflächenrauheit entsprechend den Vorgaben aus der Anwendung der Rolle 1 aufweist.
4 zeigt einen Teilschnitt durch die Rolle 1 gemäß der Erfindung nach einer gewissen Standzeit bzw. Betriebszeit. Teile der Opferschicht sind infolge von Beanspruchung abgetragen, Teile davon sind noch vorhanden. Ebenfalls abgenutzt sind Teile der Funktionsschicht 3, wobei der Abtrag in beiden Schichten in der Regel unterschiedlich stark ist. Die Dicke der Funktionsschicht 3 vereinheitlicht sich im Laufe der Zeit.
5 veranschaulicht ein mehrschichtiges System des Mantels der Rolle, das eine Vielzahl von Funktionsschichten 3 und eine Vielzahl von Ergänzungsschichten 4 umfasst, die so angeordnet sind, dass ein radialer Härtegradient erzielt wird. Oberhalb der Schichtenanordnung aus Funktionsschichten 3 wird eine Opferschicht 5 aufgetragen, die in 5 nicht dargestellt ist. Diese wird ebenso, wie bei dem Beispiel gemäß 3 durch entsprechende Nachbearbeitung hinsichtlich der Oberflächenrauigkeiten und hinsichtlich des Nenndurchmessers der Rolle nachbearbeitet.
Bezugszeichenliste

1: Rolle
2: Rollenkörper
3: Funktionsschicht
4: Ergänzungsschicht
5: Opferschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/130079 A1 [0003, 0005]

Claims

Mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil in einem Walzwerk, mit einem Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einer auf den Grundkörper aufgebrachten Funktionsschicht (3) aus wenigstens einem von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff, wobei der Werkstoff der wenigstens einen Funktionsschicht (3) eine höhere Verschleißfestigkeit als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der Grundkörper wenigstens eine weitere äußere Schicht als Opferschicht (5) umfasst, die die wenigstens eine Funktionsschicht (3) wenigstens teilweise umschließt und die Opferschicht (5) aus einem Werkstoff besteht, der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht (3) aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Funktionsschicht (3) aus einem verhältnismäßig härteren und/oder verschleißfesteren Werkstoff als die Opferschicht (5) besteht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2 als Rolle (1) für ein Walzwerk, insbesondere für ein Warmwalzwerk.
Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (3) einen vorzugsweise radial verlaufenden Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Funktionsschichten (3), die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Funktionsschichten (3) einen vorzugsweise radialen Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten des Rollenmantels bilden.
Bauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollenmantelfläche als einflächige Mantelfläche ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung eines mechanisch, insbesondere tribologisch, beanspruchten Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einer auf den Grundkörper aufgebrachten Funktionsschicht (3), die wenigstens einen von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff umfasst, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Bereitstellen eines Grundkörpers aus einem Grundwerkstoff, - Aufbringen wenigstens einer verschleißfesten Funktionsschicht auf den Grundkörper, - Aufbringen einer äußeren Opferschicht (5) auf die Funktionsschicht (3), wobei die Opferschicht (5) aus einem Werkstoff besteht, der hinsichtlich der Materialeigenschaften von den Materialeigenschaften der Funktionsschicht (3) abweicht und der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht (3) aufweist, - Nacharbeiten des Grundkörpers unter Materialabtrag auf eine wenigsten im Bereich einer Funktionsfläche geschlossene Mantelfläche mit vorgegebenen Abmessungen.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Herstellung oder Wiederherstellung einer Rolle (1) als Bauteil, umfassend das Nacharbeiten des Rollenmantels unter Durchmesserverringerung auf eine geschlossene Rollenmantelfläche mit einem vorgegebenen Außendurchmesser.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der wenigstens einen Funktionsschicht (3) und/oder der Opferschicht (5) ausgewählt ist aus einer Gruppe von Verfahren umfassend Auftragsschweißen, thermisches Spritzen, Plasmabeschichten, Gießen, Schleudergießen, Bedampfen, Bestäuben, galvanisches Beschichten, chemisches Beschichten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Nacharbeiten durch Drehen und/oder Fräsen und/oder Schleifen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der wenigstens einen Funktionsschicht (3) und/oder der Opferschicht (5) so gewählt wird, dass die Opferschicht (5) nach dem Materialabtrag die wenigstens eine Funktionsschicht wenigstens teilweise umschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche als einflächige Mantelfläche hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Funktionsschichten aufgetragen wird, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, derart, dass die Vielzahl von Funktionsschichten (3) einen vorzugsweise radialen Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten bilden.