DE3640131A1 - Walze mit harter mantelflaeche - Google Patents
Walze mit harter mantelflaecheInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Walze mit harter Mantelfläche, insbesondere
für eine Papiermaschine, bestehend aus grauem Gusseisen, das aussen
eine Lauffläche mit einem karbidischen Gefüge aufweist, wobei die
Walze einen Mindestdurchmesser von 200 mm und eine Mindestwanddicke
von 20 mm aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger
Walzen.
Unter dem Begriff "Walzen" sollen im vorliegenden Fall Voll- und Hohlwalzen
umfasst werden. In Papiermaschinen können sie insbesondere
zum Glätten, Trocknen und Kreppen der Papierbahn eingesetzt werden.
Für diese Einsatzfälle können sie, falls notwendig, zusätzlich geheizt
oder gekühlt werden. Der Linienkraftverlauf entlang des Walzenspaltes
zu beispielsweise einer anderen Walze kann durch entlang der
Walzenlänge variable innere oder äussere Kräfte gesteuert werden.
Alle Konzentrationen von Stoffzusammensetzungen betreffende Prozent-
Werte sind als Masse-% zu verstehen.
Walzen bzw. Walzenmäntel, wie sie vorstehend beschrieben sind, unterliegen
einem hohen Verschleiss. Sie werden daher bisher als Schalenhartguss
gegossen. Dabei entsteht auf einem infolge relativ langsamer
Abkühlung grauerstarrenden Kern aus Gusseisen mit Lamellengraphit
aussen eine Hartgussrandschicht mit karbidischem Gefüge,
die durch Kokillenabschreckung erhalten wird.
Infolge unterschiedlicher Abkühlungsgeschwindigkeit bilden sich
im einzelnen drei Zonen mit unterschiedlichen
Gefügen:
- a) Die grauerstarrende Kernzone, in der der Kohlenstoff überwiegend als Graphit, und zwar als Lamellengraphit, ausgeschieden ist; das Gefüge in dieser Zone ist perlitisch.
- b) Eine Uebergangs- oder melierte Zone aus weissem und grauem Gusseisen, in der der Anteil des weissen (karbidischen) Gusseisens von aussen nach innen ständig ab und die Ausscheidung als Lamellengraphit entsprechend zunimmt; Ausdehnung und Beschaffenheit dieser Uebergangszone variieren in weiten Grenzen und können nicht gezielt gesteuert werden.
- c) Die abgeschreckte Zone, in der der Kohlenstoff völlig als Karbid gebunden ist; diese Zone weist ein grobes Gefüge mit Zementit-Dendriten auf, deren Länge vorwiegend 200 µm und deren Dicke überwiegend über 50 µm betragen. Die Ausrichtung der Dendriten ist dabei relativ regellos; die grobe Gefügestruktur beeinträchtigt die Verschleissfestigkeit.
- Da bei Schalenhartguss definierte Hartguss-Schichten schwierig zu verwirklichen sind, ist es nicht möglich, die Walzen der eingangs genannten Art aus Gusseisen mit Kugel- oder Vermikular-Graphit herzustellen.
Ziel der Erfindung ist es, den Verschleiss-Widerstand
der Laufflächen der genannten Walzen mit Hilfe einer
Verfeinerung der Korngrössen des karbidischen Gefüges
zu erhöhen; dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass
das karbidische Gefüge der Lauffläche eine definierte
Soll-Tiefe von mindestens 1 mm aufweist und seine
Zementit-Dendriten eine maximale Länge von 100 µm und
eine maximale Dicke von 20 µm haben.
Unter "definierten" Soll-Tiefen werden Tiefen der
karbidischen Gefügeschicht verstanden, die von ihrem
vorgesehenen Sollwert - über die ganze Lauffläche der
Walze - um nicht mehr als ± 10% abweichen.
Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen
Läuffläche ist dadurch gekennzeichnet, dass die in eine
Sandform vergossene Walze aus dem Gusszustand vorgewärmt
wird, dass die vorgewärmte Lauffläche durch rasches
Erhitzen bis über die Liquidus-Temperatur des Werkstoffes
schrittweise fortschreitend in der vorgesehenen Soll-
Tiefe örtlich aufgeschmolzen und durch unmittelbar anschliessendes
rasches Abkühlen unter den Ar 1-Punkt des
Eisen-Kohlenstoff-Diagramms mit karbidischem Gefüge
erstarrt wird, und dass schliesslich die Walze auf Umgebungstemperatur
abgekühlt wird.
Durch die rasche Erwärmung der vorgewärmten Lauffläche
mindestens bis zur Liquidus-Temperatur des verwendeten
Gusseisens, d. h. bis mindestens etwa 1200°C und die
nachfolgende rasche Erstarrung und Abkühlung bis unter
den Punkt Ar 1 des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammes, also
bis unter 730°C, entsteht auf der Lauffläche ein feines
karbidisches, insbesondere ein ledeburitistisches Gefüge,
dessen Zementit-Dendriten die beanspruchten maximalen
Abmessungen nicht überschreiten. Denn durch diese Behandlung
wird der Kohlenstoff im geschmolzenen Bereich in Lösung
gebracht; er kristallisiert anschliessend infolge der
hohen Erstarrungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten als
Eisenkarbid aus. In den Walzenkörper hinein schliesst
sich an die karbidische Schicht eine wärmebeeinflusste
Zone an, die als feinperlitisches bainitisches Vergütungsgefüge
anzusprechen ist; ihre Dicke entspricht mindestens
in etwa derjenigen der ihr vorgelagerten karbidischen
Schicht.
Die notwendige Umschmelztiefe kann dabei nur erreicht
werden, wenn die Wanddicke mindestens fünfmal grösser
ist als die Umschmelztiefe, da anderenfalls eine genügend
rasche Abkühlungs- und Erstarrungsgeschwindigkeit des
aufgeschmolzenen Tiefenbereiches nicht gewährleistet ist.
Da die Tiefe des aufgeschmolzenen Bereiches beim Umschmelzen
der Oberfläche relativ genau bestimmt und eingehalten
werden kann, ist es möglich, die geforderte Soll-Tiefe
mit der notwendigen Genauigkeit und Gleichmässigkeit
auf der ganzen Oberfläche zu gewährleisten.
Um eine Rissanfälligkeit insbesondere im Uebergangsbereich
zwischen der Laufflächenschicht und dem durch das Umschmelzen
unbeeinflussten Walzenkörper oder -kern gering
zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die maximale Soll-
Tiefe des karbidischen Gefüges 8 mm beträgt. Diese
maximale Soll-Tiefe ist darüberhinaus wirtschaftlich
sinnvoll, da sie mit Abkühlungsbedingungen herstellbar
ist, die ohne einen extremen Aufwand erreichbar sind.
Als besonders vorteilhaft hat sich die neue Walze erwiesen,
wenn sie aus Gusseisen mit Kugelgraphit besteht
und nachstehende Zusammensetzung (in Masse-%) aufweist:
- C2,3-3,8 Si1-3 Mn0,1-1 P max.0,08 S max.0,01 Mg0,03-0,08 FeRest;
denn dadurch wird erreicht, dass der für die Steifigkeit
wichtige Elastizitätsmodul über den ganzen Walzenquerschnitt
- einschliesslich der karbidischen Schicht -
gleich ist und beispielsweise etwa 160′000 bis 170′000 N/mm2
beträgt. Im Gegensatz dazu ist bei den Walzen
nach dem eingangs beschriebenen Stand der Technik der
Elastizitätsmodul in der karbidischen Schicht zwar etwa
gleich hoch, sinkt dann aber in der melierten Zone
kontinuierlich je nach Graphitanteil ab und beträgt in
der grauen Zone nur noch 100′000 bis 120′000 N/mm2
.
Darüberhinaus hat Gusseisen mit Kugelgraphit den weiteren
Vorteil einer gegenüber konventionellem grauen Gusseisen
erhöhten Ermüdungsfestigkeit.
Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, die
Walzen aus Gusseisen mit Vermikular- oder Lamellengraphit
herzustellen, wobei sich für Walzen mit Vermikular-
Graphitausscheidungen nachstehende Zusammensetzung (in
Masse-%) als vorteilhaft erwiesen hat:
- C2,8-3,6 P max.0,06 Si1-3 Mn0,1-1 S max.0,06 Mg0,01-0,04 FeRest
Für Walzenkörper aus konventionellem Gusseisen, d. h.
solchem mit Lamellengraphit hat sich die folgende Zusammensetzung
(in Masse-%) als vorteilhaft erwiesen:
- C2,8-3,6 P0,01-0,5 S max.0,1 Si0,5-3 Mn0,2-1 FeRest.
Andere Eigenschaften - wie Zugfestigkeit oder Dauerfestigkeit
- der Walzen lassen sich bei allen drei
unterschiedlichen Graphitausscheidungen verbessern,
wenn das Gusseisen zusätzlich mindestens eines der nachstehenden
Legierungselemente - ebenfalls in Masse-%
angegeben - enthält:
- Ni0,1-3 Cu0,1-2 Mo0,1-1 Sn0,01-0,2 Cr0,01-0,4 B0,01-0,1.
Da die Oberfläche der Walzen nach dem Umschmelzhärten
noch mechanisch bearbeitet werden muss, muss die Mindesttiefe
des aufgeschmolzenen und karbidisch erstarrten
Laufflächenbereiches vor dieser Bearbeitung etwa 1 mm
mehr als die geforderte Soll-Tiefe betragen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn
bei dem geschilderten Herstellungsverfahren Vorwärmtemperaturen
von 450-600°C und Aufheizgeschwindigkeiten
von maximal 100°C/h eingehalten werden und/oder wenn
die Abkühlung auf Umgebungstemperatur nach dem Umschmelzprozess
nicht schneller als mit einer Geschwindigkeit von
50°C/h durchgeführt wird, wobei dieser Abkühlung zweckmässigerweise
in einem Ofen erfolgen kann.
Als Energiequelle für das Aufschmelzen eignen sich besonders
elektrische Lichtbogen, wobei Schweissbrenner
- vor allem solche, mit einer Wolframelektrode und beispielsweise
mit einer Energiedichte von 2-4 kW/cm2 -
wegen der relativ einfachen Handhabung und aus wirtschaftlichen
Gründen besonders geeignet sind. Da man das Aufschmelzen
vorteilhafterweise unter Schutzgasatmosphäre
durchführt, verwendet man als Energiequelle vorzugsweise
sogenannte TIG (Tungsten Inert Gas)-Schweissbrenner.
Es ist jedoch auch möglich, das Aufschmelzen mit Laser- oder
Elektronenstrahlen durchzuführen.
Die rasche Erstarrungsabkühlung auf Temperaturen unter
730°C erfolgt an ruhender Luft, wobei - wie bereits
erwähnt - die geforderte Mindestwandstärke eine genügend
rasche Wärmeabfuhr gewährleistet. Das schrittweise fortschreitende
örtliche Aufschmelzen erreicht man am einfachsten
durch eine rotierende und/oder longitudinale
Relativbewegung zwischen dem Brenner und der vorgewärmten
Walze. Dabei hat es sich als zweckmässig erwiesen, die
Walze in axialer Richtung zeilenweise fortschreitend um
den feststehenden Brenner rotieren zu lassen.
Um eine fehlerfreie Lauffläche mit karbidisch erstarrtem
Gefüge zu erreichen, ist es weiterhin zweckmäßig, die
Walze vor der erfindungsgemässen Behandlung mechanisch
von Gusshaut zu befreien. Nach der Behandlung wird, wie
erwähnt, die Lauffläche mechanisch in üblicher Weise
fertig bearbeitet, wobei dann karbidische Laufflächen
zwischen 1-8 mm erhalten werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
Ein Walzenmantel von 400 mm Außendurchmesser undd 70 mm
Wanddicke aus Gusseisen mit Kugelgraphit folgender
chemischer Zusammensetzung (in Masse-%):
- C3,4 Si2,4 P0,2 S0,1 Mn0,2 Cu1 Mg0,04 FeRest
ist als Formguss-Stück mit Hilfe einer Sandform gegossen
worden; im Gusszustand wird sie langsam rotierend zunächst
durch Gasbrenner auf eine Vorwärtstemperatur von 500°C e
vorgewärmt. Ihrem Aussenumfang gegenüberstehend ist ein
TIG-Schweissbrenner mit einer Wolframelektrode von
3,2 mm Durchmesser fest montiert. An dieser Elektrode
wird die Walzenoberfläche mit einer Vorschubgeschwindigkeit
von etwa 15 cm/min vorbeigeführt, wobei von der Elektrode
zum Werkstück aufgrund einer Spannung
U
= 20,5 V ein Lichtbogen
gezogen ist, in dem eine Stromstärke von etwa
I
= 200 A herrscht.
Durch einen Heliumstrom von 7 l/min, der aus dem Brenner
austritt, wird der Aufschmelzbereich des Brennerlichtbogens
in einer Schutzgasatmosphäre gehalten. Unmittelbar hinter
dem Brenner kühlt der aufgeschmolzene Bereich sofort wieder
unter den Punkt Ar 1 des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms ab.
Nach Abschluss der Umschmelzbehandlung wird die Walze
in einen auf 500°C vorgeheizten Ofen gebracht und langsam
mit einer maximalen Abkühlungsgeschwindigkeit von 50°C/h
abgekühlt.
Im vorliegenden Beispiel erreicht man auf diese Weise
eine Umschmelztiefe von etwa 6 mm.
Claims (13)
1. Walze mit harter Mantelfläche, insbesondere für
eine Papiermaschine, bestehend aus grauem Gusseisen,
das aussen eine Lauffläche mit einem karbidischen Gefüge
aufweist, wobei die Walze einen Mindestdurchmesser von
200 mm und einer Mindestwanddicke von 20 mm aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass das karbidische Gefüge der
Lauffläche eine definierte Soll-Tiefe von mindestens
1 mm aufweist und seine Zementit-Dendriten eine maximale
Länge von 100 µm und eine maximale Dicke von 20 µm haben.
2. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die maximale Soll-Tiefe des karbidischen Gefüges 8 mm
beträgt.
3. Walze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass sie aus Gusseisen mit Kugelgraphit besteht und nachstehende
Zusammensetzung (in Masse-%) aufweist:
- C2,3-3,8 Si1-3 Mn0,1-1 P max.0,08 S max.0,01 Mg0,03-0,08 FeRest.
4. Walze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass sie aus Gusseisen mit Vermikular-Graphit besteht
und nachfolgende Zusammensetzung (in Masse-%) aufweist:
- C2,8-3,6 P max.0,06 Si1-3 Mn0,1-1 S max.0,06 Mg0,01-0,04 FeRest
5. Walze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass sie aus Lamellen-Graphit besteht und nachfolgende
Zusammensetzung (in Masse-%) aufweist:
- C2,8-3,6 P0,01-0,5 S max.0,1 Si0,5-3 Mn0,2-1 FeRest.
6. Walze nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gusseisen mindestens eine der nachstehenden
Legierungselemente (in Masse-%) enthält:
- Ni0,1-3 Cu0,1-2 Mo0,1-1 Sn0,01-0,2 Cr0,01-0,4 B0,01-0,1
7. Verfahren zur Herstellung einer Walze nach einem der
Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die in eine
Sandform vorgegossene Walze aus dem Gusszustand vorgewärmt
wird, dass die vorgewärmte Lauffläche durch rasches
Erhitzen bis über die Liquidus-Temperatur des Werkstoffes
schrittweise fortschreitend in der vorgesehenen Soll-
Tiefe örtlich aufgeschmolzen und durch unmittelbar anschliessendes
rasches Abkühlen unter den Ar 1-Punkt des
Eisen-Kohlenstoff-Diagramms mit karbidischem Gefüge
wieder erstarrt wird, und dass schliesslich die Walze
auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Walze auf eine Temperatur zwischen 450° und
600°C vorgewärmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
dass bei der Vorerwärmung eine Aufheizgeschwindigkeit von
maximal 100gC/h eingehalten wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Walze mit einer maximalen Abkühlgeschwindigkeit
von 50°C/h abgekühlt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch
gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der Lauffläche
unter einer Schutzgas-Atmosphäre durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch
gekennzeichnet, dass die Abkühlung der Walze in einem
Ofen vorgenommen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-12, dadurch
gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der Lauffläche mit
einem Metall-Inertgas-Schweissbrenner durchgeführt wird.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |