DE3640131C2

DE3640131C2 -

Info

Publication number: DE3640131C2
Application number: DE3640131A
Authority: DE
Inventors: Gerard Zell Ch Barbezat; Heinz Winterthur Ch Luescher
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1986-02-14
Filing date: 1986-11-25
Publication date: 1989-12-14
Also published as: US4771524A; GB8702116D0; GB2186595A; GB2186595B; CH667285A5; DE3640131A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Walze mit harter Mantelfläche, insbesondere für eine Papiermaschine, bestehend aus Gußeisen, das mindstens C, Si, Mn, P, S und gegebenenfalls mindestens eines der Elemente Mg, Cr, Mo, Cu oder Sn enthält und in eine Sandform vergossen wird, wobei die Walze einen Mindestdurchmesser von 200 mm sowie eine Mindestwanddicke von 20 mm hat und wobei die Walze eine durch rasche Abkühlung erzielte äußere Zone mit karbidischem Gefüge sowie eine grauerstarrte Kernzone aufweist. Die Erfindung betrifft auch die Walze selbst.

Unter dem Begriff "Walzen" soll im vorliegenden Fall Voll- und Hohlwalzen verstanden 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 (Roll, F.: "Handbuch der Gießerei-Technik", 1. Band, 2. Teil, Springer-Verlag Berlin, Göttingen, Heidelberg, 1960, Seite 190).

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 Übergangs- 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 Übergangszone 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, einerseits Walzen der eingangs genannten Art aus Gußeisen mit Kugel- oder Vermikulargraphit herzustellen und andererseits bei Gußeisen mit Lamellen-Graphit mit einem Oberflächenbehandlungsverfahren die Korngrößen des karbidischen Gefüges zu verfeinern, um den Verschleiß-Widerstand der Laufflächen von Walzen mit harter Mantelfläche zu erhöhen; dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß die Gefügeausbildung in der äußeren Zone erzeugt wird, indem

a) die vorgegossene grauerstarrte Walze im Gußzustand auf eine Temperatur zwischen 450 und 600° vorgewärmt wird;
b) die vorgewämrte Lauffläche durch rasches Erhitzen bis über die Liquidus-Temperatur des Werkstoffes schrittweise fortschreitend bis zu einer vorgewählten Solltiefe örtlich aufgeschmolzen wird;
c) die Lauffläche durch unmittelbar anschließendes rasches Abkühlen unter den Ar₁-Punkt des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms mit karbidischem Gefüge wieder erstarrt und wobei
d) schließlich die ganze Walze auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

Unter vorgewählten Soll-Tiefen werden Aufschmelztiefen verstanden, die von ihrem vorgesehene Sollwert um nicht mehr als ±10% abweichen, diese Aufschmelztiefen sind bei einer nach dem Verfahren hergestellten Walze die Tiefen des karbidischen Gefüges.

Mit dem neuen Verfahren wird erreicht, daß das karbidische Gefüge eine definierte Solltiefe von mindestens 1 mm aufweist, und seine Zementit-Dendriten eine maximale Länge von 100 µm und eine maximale Dicke von 10 µm haben.

Durch die rasche Erhitzung 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 Ar₁ des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammes, also bis unter 730°C, entsteht auf der Lauffläche ein feines karbidisches, insbesondere ein ledeburitisches Gefüge, dessen Zementit-Dendriten die beanspruchten maximalen Abmessungen nicht überschreiten. Denn durch die Erhitzung geht der - im Grundgefüge als Graphit ausgeschiedene - Kohlenstoff im aufgeschmolzenen Tiefenbereich in Lösung; 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 Kristallisation von Eisenkarbiden in der aufgeschmolzenen Oberfläche kann dabei nur erreicht werden, wenn die Wanddicke mindestens fünfmal größer ist als die Umschmelztiefe, das 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. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn bei der Vorwärmung 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 diese Abkühlung zweckmäßigerweise in einem Ofen erfolgen kann.

Als Energiequelle für das Aufschmelzen eignen sich besonders elektrische Lichtbogen, wobei Schweißbrenner 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 vorteilhafter unter Schutzgasatmosphäre durchführt, verwendet man als Eneriequelle vorzugsweise Inert Gas-Schweißbrenner, also sogenannte WIG-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 gwährleistet. 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.

Um eine Rißanfälligkeit insbesondere im Übergangsbereich 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 darüber hinaus 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:

C
2,3-3,8
Si	1-3
Mn	0,1-1
P max.	0,08
S max.	0,01
Mg	0,03-0,08
Fe	Rest;

denn dadurch wird erreicht, daß der für die Steifigkeit wichtige Elastizitätsmodul über den ganzen Walzenquerschnitt - einschließlich der karbidischen Schicht - mindestens annähernd 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. Darüber hinaus 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:

C
2,8-3,6
P max.	0,06
Si	1-3
Mn	0,1-1
S max.	0,06
Mg	0,01-0,04
Fe	Rest

Für Walzenkörper aus konventionellem Gußeisen, d. h. solchem mit Lamellengraphit, hat sich die folgende Zusammensetzung (in Masse-%) als vorteilhaft erwiesen:

C
2,8-3,6
P max.	0,01-05
S max.	0,1
Si	0,5-3
Mn	0,2-1
Fe	Rest

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:

Ni
0,1-3
Cu	0,1-2
Mo	0,1-1
Sn	0,01-0,2
Cr	0,01-0,4
B	0,01-0,1

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.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Ein Walzenmantel von 400 mm Außendurchmesser und 70 mm Wanddicke aus Gußeisen mit Kugelgraphit folgender chemischer Zusammensetzung (in Masse-%):

C
3,4
Si	2,4
P	0,2
S	0,1
Mn	0,2
Cu	1
Mg	0,04
Fe	Rest

ist als Formguß-Stück mit Hilfe einer Sandform gegossen worden; im Gußzustand wird sie langsam rotierend zunächst durch Gasbrenner auf eine Vorwärmtemperatur von 500°C vorgewärmt. Ihrem Außenumfang gegenüberstehend ist ein WIG-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 Ar₁ 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

1. Verfahren zur Herstellung einer Walze mit harter Mantelfläche, insbesondere für eine Papiermaschine, bestehend aus Gußeisen, das mindestens C, Si, Mn, P, S und gegebenenfalls mindestens eines der Elemente Mg, Cr, Mo, Cu oder Sn enthält und in eine Sandform vergossen wird, wobei die Walze einem Mindestdurchmesser von 200 mm, sowie eine Mindestwanddicke von 20 mm hat und wobei die Walze eine durch rasche Abkühlung erzielte äußere Zone mit karbidischem Gefüge sowie eine grauerstarrte Kernzone aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefügeausbildung in der äußeren Zone erzeugt wird, indem

a) die vorgegossene grauerstarrte Walze im Gußzustand auf eine Temperatur zwischen 450 und 600° vorgewärmt wird;
b) die vorgewärmte Lauffläche durch rasches Erhitzen bis über die Liquidus-Temperatur des Werkstoffes schrittweise fortschreitend bis zu einer vorgewählten Solltiefe örtlich aufgeschmolzen wird;
c) die Lauffläche durch unmittelbar anschließendes rasches Abkühlen unter den Ar₁-Punkt des Eisen-Kohlenstoff- Diagramms mit karbidischem Gefüge wieder erstarrt und wobei
d) schließlich die ganze Walze auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Vorwärmung eine Aufheizgeschwindigkeit von maximal 100°C/h eingehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze mit einer maximalen Abkühlgeschwindigkeit von 50°C/h abgekühlt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen der Lauffläche unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der Walze in einem Ofen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen der Lauffläche mit einem Wolfram-Inertgas-Schweißbrenner durchgeführt wird.

7. Walze, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das karbidische Gefüge eine definierte Solltiefe von mindestens 1 mm aufweist, und seine Zementit-Dendriten eine maximale Länge von 100 µm und eine maximale Dicke von 20 µm haben.

8. Walze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Solltiefe des karbidischen Gefüges 8 mm beträgt.

9. Walze nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze aus Gußeisen mit Kugelgraphit besteht, das mindestens nachstehende Komponenten (in Masse-%) enthält: 2,3-3,8 C; 1-3 Si; 0,1-1 Mn; max. 0,08 P; max. 0,01 S; 0,03-0,08 Mg und Rest Fe.

10. Walze nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze aus Gußeisen mit Vermikular- Graphit besteht, das mindestens nachstehende Komponenten (in Masse-%) enthält: 2,8-3,6 C; 1-3 Si; 0,1-1 Mn; 0,01-0,04 Mg; max. 0,06 P; max. 0,06 S und Rest Fe.

11. Walze nch Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze aus Gußeisen mit Lamellen-Graphit besteht, das mindestens nachstehende Komponenten (in Masse-%) enthält: 2,8-3,6 C; 0,01-0,5 P; 0,5-3 Si; 0,2-1 Mn; max. 0,1 S und Rest Fe.

12. Walze nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen mindestens eines der nachstehenden Legierungselemente (in Masse-%) enthält: 0,1-3 Ni; 0,1-2 Cu; 0,1-1 Mo; 0,01-0,2 Sn; 0,01-0,4 Cr und 0,01-0,1 B.