DE3490700C2 - Verfahren zur Herstellung von metallischen zylinderf¦rmigen Hohlk¦rpern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich aus ein Verfahren zur Herstellung von metallischen zylinderförmigen Hohlkörpern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von metallischen zylinderförmigen Hohlkörpern, insbesondere von Walzen, das die Erzeugung eines Rohlings, dessen Oberflächenbefestigung und dessen Feinbearbeitung einschließt.

Im bekannten Verfahren werden die Metallrohlinge für zylinderförmige Hohlkörper durch Walzung hergestellt; aus diesem Grunde liegen die Rohlinge anisotrop vor und besitzen einen hohen Gehalt an schädlichen Verunreinigungen (Schwefel, Phosphor, nichtmetallische Einschlüsse), die im Volumen der Rohrlingsmetalle ungleichmäßig verteilt sind. Diese Faktoren wirken sich auf die Qualitätseigenschaften des Metalls bei der nachfolgenden Verfestigung und insbesondere bei der Feinbearbeitung negativ aus, weil an den Anhäufungsstellen der Verunreinigungen Mikrofehler der Oberflächenschicht entstehen.

Aus der DE-AS 12 52 218 ist ein Verfahren zum Elektro-Schlacken-Umschmelzen von Metallen unter Benutzung von Abschmelzelektroden mit einer Umschmelzgeschwindigkeit von etwa 0,15 mm/s bekannt.

Die Oberflächenverfestigung des Werkstücks wird im allgemeinen durch Nitrieren bewirkt, bei dem eine Veränderung der geormetrischen Form erfolgt und bei dem die Härteverteilung über die Werkstückoberfläche ungleichmäßig und die Tiefe der verfestigten Schicht unzureichend sind. Dies hat zur Folge, daß bei der anschließenden mechanischen Bearbeitung die nitrierte Schicht praktisch abgetragen wird.

Durch die modernen Verfahren zur Feinbearbeitung kann bei großen Hohlkörpern keine Oberflächenrauhigkeit von R _a 0,04 µm erzielt werden. Während des Arbeitsvorgangs bröckelt das im Werkzeug fest zusammengehaltene Schleifmittel (Topfläppen, Superfinischen, Bandschleifen, Honen) aus und wird verölt. Beim Andrücken des Werkzeugs wird der zylindrische Hohlkörper durch Radialkräfte belastet, wodurch die Endabmessungen negativ beeinflußt werden. Unter diesen Verhältnissen kann bei großen dünnwandigen Walzen eine stabile Oberflächenrauhigkeit von R _a 0,04 µm nicht sichergestellt werden.

Walzen mit einer derartigen Oberflächengüte sind nicht imstande, die erforderliche Qualität verschiedener Filme zu gewährleisten, die vorgegebenen einsatzspezifischen Anforderungen genügen sollen. Außerdem zeichnet sich das genannte Verfahren durch einen großen Arbeitsaufwand bei den einzelnen Operationen aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von zylinderförmigen Hohlkörpern zu schaffen, bei dem durch die Wahl von bestimmten Verhältnissen für den jeweiligen Arbeitsgang die Produktion von Werkstücken mit geringer Rauhigkeit bei hoher Produktionsleistung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch den Einsatz des Elektroschlacke-Umschmelzens für die Erzeugung des Hohlrohlings wird ein minimaler Gehalt und eine gleichmäßige Verteilung der schädlichen Verunreinigungen und nichtmetallischen Einschlüsse im Volumen des Rohlingsmetalls erzielt, und Metall mit gu­ ten mechanischen Eigenschaften, mit Isotropie, ohne Haar­ risse, Verwalzungen und anderen inneren Fehlern erzeugt. Dadurch werden günstige Voraussetzungen für eine hoch­ qualitative Metallverfestigung und Feinbearbeitung der Werkstückoberfläche geschaffen.

Durch die erfindungsgemäße Schmelzgeschwindigkeit des Rohlings von 0,3 bis 6 mm/s wird ein ausgerichtetes Metallgefüge mit unterschiedlichen Auftreffwinkeln der Dendriten zueinander im Metall des Hohlrohlings geformt. Außerdem kann die Packungsdichte der Dendriten gesteuert werden, wodurch die erreichbare Härte und die Glühtie­ fe beim Plasmahärten beeinflußt wird. Die Schmelzgeschwindigkeiten der Hohlrohlinge sind zwischen den Extremwerten von 0,3 bis 0,6 mm/s zu wählen. Bei den genannten Schmelzgeschwindigkeiten besitzt der Rohling ein dichtes Mikrogefüge, wodurch stabile mechanische Eigenschaften und ein praktisch fehlerfreier Aufbau des Gußmetalls sichergestellt werden.

Die Oberflächenverfestigung bei der Zuführung eines Stromes konzentrierter Wärmeenergie ist durch eine Schnell­ erhitzung (bis 1000 K/s) gewährleistet, wodurch ein hoch­ disperses Gefüge der gehärteten Metallschicht mit einer hohen Härte erzeugt wird. Dieser Umstand hat eine positi­ ve Wirkung auf die nachfolgende Feinbearbeitung.

Die Plasmaverfestigung erfordert keine komplizier­ ten Einrichtungen und ist im Vergleich zu an­ deren Arten der thermischen und chemothermischen Be­ handlung weniger zeitaufwendig. Hohe Aufheizgeschwidigkeiten gestatten es, ein Metall mit einem feindispersen Gefüge zu erhalten, das eine hohe Härte besitzt.

Bei einer Stromstärke unter 220 A wird ein Plasma­ strahl mit einer für die qualitätsmäßige Verfestigung der Metalloberfläche unzureichenden Wärmeenergie geformt. Bei einer Stromstärke über 320 A kommt eine Überhitzung des Plasmastroms zustande, wodurch seine Betriebsdauer und -stabilität beeinträchtigt werden. Eine Vergrößerung der genannten Umfangsgeschwindigkeit der zu behandelnden Ober­ fläche führt zur Erhöhung der Wärmeabfuhr und zur Ver­ ringerung der Oberflächenhärte. Bei einer Verringerung der genannten Umfangsgeschwindigkeit wird ein Metallver­ brennen hervorgerufen.

Da für diesen Vorgang ein indirekt wirkendes Plasma­ tron eingesetzt wird, hängt die an die zu behandelnde Oberfläche übertragene Wärmeenergie von dem Spalt zwi­ schen dem Plasmatron und dem Werkstück ab. Bei einem Spalt über 10 mm ist die Erwärmung ungenügend und bei ei­ nem Spalt unter 2 mm wird das Metall überhitzt.

Während der magnetisch-abrasiven Bearbeitung wird die zu bearbeitende Oberfläche fein abgetragen. Dabei wird die sich auf den Polschuhen bildende "Arbeitsbürste" aus den Körnern des ferromagnetischen Pulvers nicht ver­ ölt. Das ferromagnetische Pulver wird mit den Scharfkan­ ten gegen die Werkstückoberfläche ausgerichtet, wodurch eine wirksame Bearbeitung und ein gleichmäßiger Metall­ abtrag erzielt wird. Während des Arbeitsvorgangs werden die Schneidkanten erneuert. Die Leistung der magnetisch- abrasiven Bearbeitung ist im Vergleich zu anderen Ver­ fahren der Feinbearbeitung wesentlich höher und infolge der Elastizität der "Bürste" wird eine geringe Rauhig­ keit erreicht.

Bei den gewählten und genannten Verhältnissen der magnetisch-abrasiven Bearbeitung fallen die Bewegungs­ bahnen der beiden Polschuhe im jeweiligen Paar nicht zu­ sammen und auf der Werkstückoberfläche wird eine maximal mögliche Kreuzung der Bearbeitungsmarken erzeugt, wodurch die Wirksamkeit der Bearbeitung bedeutend erhöht und de­ ren Qualität verbessert wird.

Zweckmäßigerweise wird die Umfangsgeschwindig­ keit u des Werkstücks bei der magnetisch-abrasiven Be­ arbeitung in einem Bereich von 0,5 bis 4,0 m/s, die Schwin­ gungsfrequenz ν in einem Bereich von 2 bis 15 s^-1 und die Bogen­ länge l auf der von dem Polschuhpaar umfaßten Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 m gewählt. Diese Größen werden so aufeinander abgestimmt, daß α(ν l) = 10 u, wobei a eine ganze Zahl darstellt.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß die optimale Umfangs­ geschwindigkeit des Werkstücks beim magne­ tisch-abrasiven Läppen in einen Bereich von 0,5 bis 4,0 m/s liegen. Bei einer geringeren Geschwindigkeit wird die Ar­ beitsleistung herabgesetzt, weil die Abtragungs­ geschwindigkeit der Metalloberfläche sinkt. Demgegenüber wird bei einer Ver­ größerung der Geschwindigkeit über 4 m/s das fer­ romagnetische Pulver aus dem Arbeitsspalt ausgetragen und dadurch die Schnittkraft und die Wirksamkeit des Läppvorgangs verringert.

Durch die gewählte Schwingungsfrequenz der Polschuhe wird eine zusätzliche Schwingbewegung der Körner des fer­ romagnetischen Pulvers entlang der Werkstückachse zustan­ degebracht. Bei einer Verringerung der Schwingungsfre­ quenz nehmen die Metall-Abtragungsgeschwindigkeit, die Leistung und die Wirksamkeit des Läppvorganges ab. Eine Verzögerung der Schwingungsfrequenz über 15 s^-1 ist unwirksam, weil die "Bürste" infolge ihrer Trägheit mit einer derartigen alternierenden Geschwindigkeit nicht schwingen kann.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines kon­ kreten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von metallischen zylinder­ förmigen Hohlkörpern vorgeschlagen. Als Hohlkörper wur­ den Walzen für die Maschinen für die Produktion von dünnen und ultradünnen Polymerfilmen verschiedener Zweckbestim­ mung verwendet.

Das Verfahren schließt folgende wichtige Arbeits­ gänge eine Erzeugung eines Rohlings, Oberflächenver­ festigung und Feinbearbeitung. Erfindungsgemäß wird der Rohling in einem Verfahren hergestellt, durch welches eine gleichmäßige Verteilung von schädlichen Verunreini­ gungen und nichtmetallischen Einschlüssen im Volumen des Rohlingsmetalls gewährleistet wird. Als solches Ver­ fahren wird das Elektroschlacke-Umschmelzen mit einer Schmelzgeschwindigkeit des Rohlings von 20 bis 40 mm/min eingesetzt. Das Elektroschlacke-Umschmelzen erfordert keine großen Maschinen und keinen großen Arbeitsaufwand und gestattet es, Rohlinge mit einer praktisch be­ liebigen Länge und mit minimalen Zugaben für die nachfol­ gende mechanische Bearbeitung herzustellen. Das Metall wird beim Durchgang durch die Schlacke gereinigt. Dadurch wird der Gehalt an Schwefel von 0,031 auf 0,021% und an Phosphor von 0,029 auf 0,017% reduziert. Das erzeugte Me­ tall ist chemisch homogen. Durch die gewählten Schmelz­ geschwindigkeiten wird eine dichte Dendritenpackung er­ zielt und die Isotropie im Walzenrohling verbessert.

Die Walzenoberfläche wird durch die Zuführung eines Stroms konzentrierter Wärmeenergie verfestigt. Als Mittel hierfür wird ein Plasmastrahl verwen­ det. Dabei wird der Plasmastrahl in einem Plasmatron mit einer Stromstärke von I =220 bis 320 A geformt und die Ober­ flächenverfestigung bei einer Umfangsgeschwindig­ keit des Rohlings relativ zum Plasmatron von w = 3 bis 10 mm/s und bei einem Spalt zwischen dem Plasmatron und dem Roh­ ling von δ = 2 bis 10 mm durchgeführt.

Hohe Festigkeitseigenschaften des Metalls sind bei der Wärmeverfestigung nur durch die Bildung einer fein­ nadeligen Martensitstruktur zu erzielen, was nur bei Vorhandensein von feinkörnigem Austenit realisierbar ist. Bei der Plasmahärtung wird die Metalloberfläche mit einer erhöhten Geschwindigkeit von 600 bis 800 K/s erhitzt. Dadurch wird die Bildung eines hochdispersen Austenitgefüges ge­ fördert, während bei einer langsamen Erhitzung die Aus­ gangskorngröße beim Übergang in den Austenitbereich prak­ tisch nicht geändert wird. Darin liegt der Vorteil der Plasmaverfestigung im Vergleich zu anderen Verfahren der Oberflächenverfestigung.

Eine Analyse der Einwirkung der gewählten Verhältnis­ se der Plasmaverfestigung auf die Mikrohärte, die Härtbarkeit und das Verformen hat erwiesen, daß diese optimal sind. Die verfestigte Schicht besitzt ein fein­ disperses Martensitgefüge bis zu einer Tiefe von 2 bis 2,5µm mit einer Härte von Hµ = 10 bis 0,7 · 10^-4 MPa, das dann all­ mählich in Sorbit und Perlit-Ferrit-Mischung übergeht.

Zur Feinbearbeitung der Walzen wird das magnetisch- abrasive Läppen mit einer Schwingungsfrequenz der Pol­ schuhe im Bereich von 2 bis 15 s^-1, auf einer Länge des von den ungleichen Polschuhen erfaßten Rohlingsoberflächenbogens von 0,05 bis 0,5 m und bei einer Umfangsgeschwindigkeit des Rohlings in einem Bereich von 0,5 bis 4,0 m/s eingesetzt.

Beim magnetisch-abrasiven Läppen werden die Körner des ferromagnetischen Pulvers mit ihren größten Achsen in Richtung der Magnetfeldlinien, d. h. normal relativ zu dem zu bearbeitenden Rohrlingsoberflächenbogen orientiert. In­ dem die Schleifmittelkörner an dieselbe angepreßt werden, wird das Metall fein abgetragen. Infolge der Reibungskraft an den Kontaktstellen werden die ferromagnetischen Teil­ chen in Drehrichtung des Rohlings um einige verschoben und kreuzen die Magnetfeldlinien, wodurch eine elektro­ motorische Kraft erzeugt wird. Durch die entstehenden Mi­ kroströme wird der Metallabtrag zusätzlich intensiviert und die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der be­ arbeiteten Oberfläche verbessert.

Während der Bearbeitung stehen die Körner des ferro­ magnetischen Pulvers vorwiegend mit den Rauhspitzen der Oberfläche im Kontakt, in denen das Magnetfeld konzentriert wird. Dabei werden die größten Rauhspitzen der Rohling­ oberfläche abgetragen. Durch die gewählten Bearbeitungs­ verhältnisses wird eine für das Anpressen des ferromagne­ tischen Pulvers an die Rohlingoberfläche ausreichende Kraft sowie eine Schnittgeschwindigkeit sichergestellt, durch die die erforderliche Bearbeitungsleistung und eine Rauhig­ keit von R _a = 0,02 bis 0,04 µm erzielt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand von Bei­ spielen für die Fertigung einer Walze mit einem Durch­ messer von 400 mm, einer Länge von 2500 mm und einer Wanddicke von 15 mm aus einem chromhaltigen Baustahl veranschaulicht.

Beispiel 1

Ein Rohling wird durch Elektroschlacke-Umschmel­ zen mit einer Schmelzgeschwindigkeit von v = 0,35 mm/s hergestellt. Die Oberfläche des Rohlings wird mit einem Plasmastrahl, der mit einer Stromstärke von I = 230 A ge­ formt wurde, bei einer Umfangsgeschwindigkeit des Rohlings relativ zum Plasmatron von w=9 mm/s und einem Spalt zwischen dem Plasmatron und dem Rohling von δ = 4 mm verfestigt. Die magnetisch-abrasive Bearbeitung wird bei einer Umfangsgeschwindigkeit des Rohlings von u=0,6 m/s, einer Schwingungsfrequenz der Polschuhe von ν = 3 s^-1 und einer Länge des von dem Polschuhpaar umfaßten Oberflächenbogens des zu bearbeitenden Rohlings von l = 0,1 m durchgeführt. Unter den genannten Verhältnissen dauert die magnetisch-abrasive Feinbearbeitung 6 bis 6,5 h. Die erziel­ te Rauhigkeit beträgt R _a = 0,039 bis 0,04 µm.

Beispiel 2

Ein Rohling wird durch Elektroschlacke-Umschmel­ zen mit einer Schmelzgeschwindigkeit von v = 0,6 mm/s her­ gestellt. Die Oberfläche des Rohlings wird mit einem Plasmastrahl, der mit einer Stromstärke von I = 260 A ge­ formt wurde, bei einer Umfangsgeschwindigkeit des Rohlings relativ zum Plasmatron von w = 6 mm/s und einem Spalt zwischen dem Plasmatron und Rohling von δ = 8 mm verfestigt. Die magnetisch abrasive Bearbeitung wird bei einer Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks von u = 1,8 m/s, einer Schwingungsfrequenz der Polschuhe von ν = 15^-1 und einer Länge des von dem Polschuhpaar um­ faßten Oberflächenbogens des zu bearbeitenden Rohlings von l = 0,4 m durchgeführt. Unter den genannten Verhältnis­ sen dauert die magnetisch-abrasive Feinbearbeitung 4 bis 5 h. Die erzielte Rauhigkeit beträgt R _a = 0,034 bis 0,036 µm.

Beispiel 3

Ein Rohling wird durch Elektroschlacke-Umschmel­ zen bei einer Schmelzgeschwindigkeit von v = 0,4 mm/s her­ gestellt. Die Oberfläche des Rohlings wird mit einem Plasmastrahl, der mit einer Stromstärke von I = 300 A ge­ formt wurde, bei einer Umfangsgeschwindigkeit des Rohlings relativ zum Plasmatron von w = 7 mm/s und einem Spalt zwischen dem Plasmatron und dem Rohling von δ = 6 mm verfestigt. Die magnetisch-abrasive Bearbeitung wird bei einer Umfangsgeschwindigkeit des Rohlings von u = 3 m/s, einer Schwingungsfrequenz der Polschuhe von ν = 10 s^-1 und einer Länge des dem Polschuhpaar umfaß­ ten Oberflächenbogens des zu bearbeitenden Rohlings von l = 0,3 m durchgeführt. Unter den genannten Verhältnissen dauert die magnetisch-abrasive Feinbearbeitung 2,5 bis 3 h. Die erzielte Rauhigkeit beträgt R _a = 0,02 bis 0,024 µm.

Besonders vorteilhaft kann die Erfindung für die Herstellung von großen Hohlkörpern wie Walzen, Rollen, Zylinder, Trommeln Anwendung finden, die eine äußerst geringe Rauhigkeit der bearbeiteten Oberflächen besitzen sollen und in Maschinen für die Produktion von dünnen und ultradünnen Filmen verschiedener Zweckbestimmung (Ki­ no- und Photomaterial, Magnetbänder, Papierware usw.) oder organischem Flachglas eingesetzt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von metallischen zylinderförmigen Hohlkörpern, das die Erzeugung eines Hohlrohlings, dessen Oberflächenverfestigung und eine Feinbearbeitung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Hohlrohling durch Elektroschlacke-Umschmelzen mit einer Schmelzgeschwindigkeit von 0,3 bis 0,6 mm/s erzeugt wird,
• b) die Oberfläche des Hohlrohlings mit einem Plasmastrahl, der in einem Plasmatron mit einer Stromstärke von 220 bis 320 A gebildet wird, bei einer Umfangsgeschwindigkeit des Rohlings relativ zum Plasmatron von 3 bis 10 mm/s und einem Spalt zwischen dem Plasmatron und dem Rohling von 2 bis 10 mm verfestigt und
• c) die Feinbearbeitung durch eine magnetisch-abrasive Bearbeitung, bei der die Polschuhe in Schwingungen versetzt werden, unter der Maßgabe durchgeführt wird, daß das ganzzahlig Vielfache des Produktes, aus der Schwingungsfrequenz und der Länge des von den ungleichnamigen Polschuhen erfaßten Rohlingsoberflächenbogens der 10fachen Umfangs­ geschwindigkeit des Rohlings entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenz der Polschuhe in einem Bereich von 2 bis 15 s^-1, die Länge des von den Polschuhen erfaßten Rohlingsoberflächenbogens in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 m und die Umfangsgeschwindigkeit des Rohlings in einem Bereich von 0,5 bis 4,0 m/s gewählt wird.