DE4019845A1

DE4019845A1 - Arbeitswalze fuer ein metall-walzwerk und herstellungsverfahren hierfuer

Info

Publication number: DE4019845A1
Application number: DE4019845A
Authority: DE
Inventors: Takashi Kikuhara; Osamu Shitamura; Yasuo Kondo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-06-26
Filing date: 1990-06-21
Publication date: 1991-01-10
Anticipated expiration: 2010-06-22
Also published as: DE4019845C2; US5081760A; BE1004247A5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Arbeitswalze für ein Metall-Walzwerk sowie ein Herstellungsverfahren hierfür, und insbesondere eine Arbeitswalze für ein umstellbares (shift type), sechs Walzen hohes Walzwerk mit großer Achsfestigkeit, das deshalb in geeigneter Weise für das Walzen von kaltem Metall benutzt werden kann, sowie ein Herstellungsverfahren hierfür.

Bei einer Walze für ein Metall-Walzwerk ist die Walzenoberfläche einem Wärmeschock infolge des Schlupfes unterzogen, der zwischen der Walze und dem zu walzenden Material während der Walztätigkeit stattfindet, oder infolge eines Unfalls, bei dem das zu walzende Material um die Walze gewickelt wird. Wenn der Wärmeschock zu groß ist, dann werden an der Oberfläche der Walze Risse erzeugt.

Die Beständigkeit der Walze gegenüber dem Wärmschock kann wirksam dadurch verbessert werden, daß man in der Wärmebehandlung, die bei der Walzenoberfläche anzuwenden ist, einen Tempervorgang bei hohen Temperaturen durchführt, d. h., beim Abschreckungs- und Temper-Vorgang.

Bisher wurde eine herkömmliche Arbeitswalze, wie beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 63-60 258, auf solche Weise angeordnet, daß das zu walzende Material mit einer Zusammensetzung, die aus 1,2 bis 2,5% Kohlenstoff, 0,8 bis 3,0% Silicium, 1% oder weniger Mangan, 3,0 bis 6,0% Chrom und 0,2% oder weniger Molybdän besteht, einem Abschreckungs- und Temper-Vorgang unterzogen wird. Bei dem oben beschriebenen Vorgang wurde die Tempertemperatur zum Erreichen einer Shore-Härte (Hs) von 93 oder mehr so eingeteilt, daß sie 160°C oder weniger betrug. Wenn in diesem Fall die Tempertemperatur höher als 160°C betrug, zum Zweck, die Wärmebeständigkeit und die Wärmeschockbeständigkeit zu verbessern, dann kann eine Härte, die Hs 93 überschreitet, nicht erhalten werden und die Verschleißbeständigkeit wird schlechter. Hieraus ergibt sich, daß das Walzergebnis unbefriedigend wird.

Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Arbeitswalze für ein Metallwalzwerk vorzusehen, die sowohl hervorragende Beständigkeit gegenüber Wärmeschock als auch Verschleißbeständigkeit aufweist.

Das oben beschriebene Ziel kann durch eine Arbeitswalze für ein Metallwalzwerk erreicht werden, bei der die Außenoberfläche einer Kernwelle mit einer unterschiedlichen Art eines eine äußere Schicht bildenden Materials bedeckt ist, wobei die Arbeitswalze eine Struktur aufweist, die auf folgende Weise angeordnet ist: Die Kernwelle ist aus niederlegiertem Stahl hergestellt, während das Material der äußeren Schicht aus Schnell-Werkzeugstahl hergestellt ist, mit einer Zusammensetzung, die in Gew.-% im wesentlichen besteht aus:

Kohlenstoff
0,5 bis 1,5%
Silicium	0,5 bis 3,0%
Mangan	1,5% oder weniger
Chrom	2 bis 7%
Molybdän	1 bis 5%
Vanadium	0,5 bis 2%
Wolfram	2,0%
Rest	im wesentlichen Eisen,

und die Druckspannung verbleibt mindestens in der Oberflächenschicht der Außenlage.

Die oben beschriebene Arbeitswalze kann durch das folgende Verfahren hergestellt werden:
ein Verfahren zur Herstellung einer Arbeitswalze für ein Metall-Walzwerk, die auf eine solche Weise angeordnet ist, daß die Außenoberfläche ihrer Kernwelle mit einem eine Außenlage bildenden unterschiedlichen Material abgedeckt ist, umfaßt die folgenden Schritte:

(a) Bilden der Außenlage mit einer Zusammensetzung, die in Gew.-% im wesentlichen besteht aus:

Kohlenstoff

0,5 bis 1,5%

Silicium 0,5 bis 3,0%

Mangan 1,5% oder weniger

Chrom 2 bis 7%

Molybdän 1 bis 5%

Vanadium 0,5 bis 2%

Wolfram 2,0%

Rest im wesentlichen Eisen,
(b) Erwärmen mindestens der gesamten Oberfläche der äußeren Lage und höchstens nur der äußeren Lage bis auf ein Niveau, das eine Transformationstemperatur übersteigt,
(c) Unterziehen eines Abschnitts, der somit erwärmt wurde, einem Abschreckvorgang durch Wasserstrahl-Sprühabschrecken, und
(d) Durchführen eines Tempervorganges bei 300°C oder mehr.

Es wird bevorzugt, daß eine Warmschmiedebehandlung auf die äußere Lage aufgebracht wird, nachdem die äußere Lage, die aus Schnell-Werkzeugstahl hergestellt ist, auf der äußeren Oberfläche der Kernwelle aus niedriglegiertem Stahl gebildet wurde, wobei die Warmschmiedebehandlung zu dem Zweck aufgebracht wird, Carbide zu verteilen, die in der äußeren Lage enthalten sind, und die Struktur gleichförmig zu machen.

Die Walze gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Verbundwalze mit einer Kernwelle und einer äußeren Lage, die die Kernwelle abdeckt. Wenn der Gesamtkörper aus Schnell-Werkzeugstahl hergestellt ist (d. h. eine einstückige Walze, die aus Schnell-Werkzeugstahl hergestellt ist), dann besteht die Befürchtung eines inneren Bruchs (Erzeugung eines Risses) infolge einer Wärmespannung, die zum Zeitpunkt des Sprühwasser-Abschreckens erzeugt wird. Da ferner die Welle eine schlechte Zähigkeit aufweist, kann der Hals der Walze während des Betriebs leicht brechen. Deshalb wird eine Walze mit Verbundaufbau verwendet.

Was das Abschrecken angeht, kann, wenn Luftstrahlabkühlung oder Ölkühlung verwendet wird, eine befriedigende Druck-Restspannung nicht erhalten werden, selbst wenn das oben beschriebene Material verwendet wird. Das heißt, es ist schwierig, eine Härte zu erreichen, die Hs 93 überschreitet, wenn nach dem Abschrecken ein Tempervorgang bei 300°C durchgeführt wird. Somit wird das Wasserstrahl-Sprühabschrecken verwendet, um den Abschreckvorgang gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Es ist bevorzugt, daß die Tempertemperatur 450°C bis 550°C beträgt, und noch weiter bevorzugt, 500°C bis 550°C. Im Fall einer Walze für das Kaltwalzen ist es allgemein erforderlich, daß die Oberflächenhärte etwa Hs 90 oder mehr beträgt, während die Oberflächenhärte im Fall einer Walze für das Warmwalzen so eingestellt ist, daß sie etwa Hs 85 beträgt.

Die Restspannung in dem erfindungsgemäßen Fall, in dem nur der Abschnitt der äußeren Lage auf ein Maß aufgewärmt wird, der seine Transformationstemperatur überschreitet, und das Abschrecken durch die rasche Abkühlung durchgeführt wird, wird die Resultierende aus der Restspannung infolge der Wärmespannung und jener infolge der Transformationsspannung. Wenn die äußere Lage rasch abgekühlt wird, dann wird eine plastische Druckspannung im Bereich der inneren plastischen Verformungstemperatur infolge der Volumenkonzentration erreicht. Als Ergebnis wird eine Rest-Druckspannung im Abschnitt der äußeren Lage erzeugt, während eine Zug-Restspannung im inneren Abschnitt erzeugt wird, wenn die Abkühlung so durchgeführt wird, daß sowohl der innere als auch der äußere Abschnitt dieselbe Temperatur erhalten, d. h. die Restspannung infolge der Wärmespannung. Da ferner das Martensit, das im Abschnitt der äußeren Lage infolge der Transformation erzeugt wird, ein verhältnismäßig großes spezifisches Volumen aufweist, wird eine Zug-Restspannung im Abschnitt der Kernwelle erzeugt, während eine Druck-Restspannung im Abschnitt der gehärteten äußeren Lage infolge des Unterschieds im spezifischen Volumen gegenüber jenem des Abschnitts der Kernwelle erzeugt wird. Wie oben beschrieben, ist die Restspannung, die infolge der Wärmespannung und der Transformationsspannung erzeugt wird, beträchtlich größer als die Restspannung (im üblichen beträgt sie etwa -20 k/mm²) infolge nur der martensitischen Transformation. Deshalb kann die Druck-Restspannung von -70 kg/mm² bis -120 kg/mm² (im Fall, in dem eine Behandlung unter Null bzw. Untertemperaturbehandlung durchgeführt wird) gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden.

Da etwa 40% des Austenits verbleibt, nachdem nur die Wasserstrahl-Sprühabschreckung durchgeführt wurde, wird eine Untertemperaturbehandlung bei -50°C oder noch niedriger zu dem Zweck durchgeführt, die Zersetzung des verbleibenden Austenits noch zu fördern. Die Untertemperaturbehandlung wird auf eine solche Weise durchgeführt, daß die Walze in einem vertikalen Tank zur Behandlung unter Null aufgehängt wird und flüssiger Stickstoff auf die Oberfläche der Walze aufgesprüht wird, wobei man die aufgehängte Walze dreht. Die Menge (oder der Anteil) des Rest-Austenits wird etwa 15% oder weniger, nachdem eine Untertemperaturbehandlung durchgeführt wurde.

Die Menge des Rest-Austenits kann noch um mehrere Prozent gegenüber dem oben erwähnten Wert von etwa 15% verringert werden, wenn man dann einen Tempervorgang bei 300°C oder mehr durchführt. Das schließlich verbleibende Rest-Austenit dient als Puffer zum Entlasten der Wärmeexpansion und -kontraktion der Walzenoberfläche während des Betriebs der Walze, so daß die Erzeugung von Rissen in der Walzenoberfläche verhindert wird. Ferner wird der Tempervorgang der Walze bei hoher Temperatur wirksam die Erzeugung von Rissen infolge der Zersetzung des Rest-Austenits in der Walzenoberfläche verhindern, wenn sich ein warmes Stahlblech infolge einer Betriebsstörung rund um die Walze wickelt und die Temperatur der Walze in jenem Fall angehoben wird, in dem die Walze bei einem Warm-Walzbetrieb verwendet wird.

Es war im allgemeinen bekannt, daß die Temperatur beim Tempern proportional ist zum Ausmaß der Spannungsentlastung infolge des Abschreckens und das Maß der Verringerung in der Restspannung vergrößert werden kann. Der Schnell-Werkzeugstahl gemäß der vorliegenden Erfindung enthält jedoch Si, Cr, Mo, V und dergleichen, die Legierungselemente sind, die die Temperaturbeständigkeit verbessern. Deshalb kann die Spannung durch den Tempervorgang bei etwa 500°C nicht übermäßig entlastet werden, verglichen mit herkömmlichem, niedriglegiertem Stahl. Als Ergebnis kann eine große Restspannung beibehalten werden.

Es ist bevorzugt, daß die Kernwelle gemäß der vorliegenden Erfindung aus niedriglegiertem Stahl hergestellt wird, der eine Zugspannung von 60 kg/mm² oder mehr und einen Stoßwert von 1,5 kg-m/cm² oder mehr aufweist, ferner bevorzugt aus Schmiedestahl, der in Gew.-% 0,5 bis 1% Kohlenstoff, 1% oder weniger Silicium, 1% oder weniger Mangan, 1 bis 5% Chrom und 0,5% oder weniger Molybdän enthält.

Andere und weitere Ziele, Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung noch weiter ersichtlich.

In der Zeichnung ist:

Fig. 1 ein Diagramm, das die Zuordnung zwischen der Tempertemperatur und der Härte der Walze gemäß der vorliegenden Erfindung und jener einer herkömmlichen Walze darstellt.

Fig. 2 ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Vergleichs erläutert, der zwischen der Wärmeschockbeständigkeit der erfindungsgemäßen Walze und jener einer herkömmlichen Walze darstellt.

Fig. 3 ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Vergleichs darstellt, der vorgenommen wurde zwischen der Verschleißbeständigkeit der erfindungsgemäßen Walze und jener einer herkömmlichen Walze.

Fig. 4 ein Querschnitt, der einen wesentlichen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Arbeitswalze darstellt,

Fig. 5 eine Frontansicht, die ein Kaltwalzwerk darstellt, das die erfindungsgemäße Arbeitswalze verwendet.

Fig. 6 ein Diagramm, das die Zuordnung zwischen der Tempertemperatur und der Restspannung der erfindungsgemäßen Walze und jener einer herkömmlichen Walze darstellt,

Fig. 7 eine schematische Ansicht, die eine Einrichtung zur Herstellung einer Verbundwalze auf der Grundlage eines Elektro-Schlackenbelegungsverfahrens darstellt, und

Fig. 8 eine schematische Ansicht, die das Verfahren der Wasserstrahl-Sprühabschreckung der Walze darstellt.

Eine erfindungsgemäße Arbeitswalze zum Walzen ist imstande, in ausreichendem Maße eine hervorragende Leistung zu bieten, was die Verschleißbeständigkeit, die Beständigkeit gegenüber Oberflächenaufrauhung und Zähigkeit angeht, selbst wenn sie bei einem Walzverfahren verwendet wird, bei dem eine große Biegekraft angewandt wird. Insbesondere können bei einer Arbeitswalze, deren äußere Lage mit einer Kernwelle durch eine Elektroverfahren zum erneuten Schmelzen der Schlacke verschweißt ist, Carbide, die aus einem geschmolzenen Bad kristallisiert sind, fein und gleichförmig in der äußeren Lage verteilt werden, da ihr Schwebeverhalten, ihr Absetzen und ihr Abtrennen durch die rasche Verfestigung des geschmolzenen Bades verhindert sind. Als Ergebnis kann die Form des zu walzenden Materials präzise unter hohem Druck gesteuert werden und die Oberflächenqualität des gewalzten Materials kann sichergestellt werden.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine Vielzahl von Experimenten ausgeführt, um die herkömmlichen Probleme zu überwinden und die Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Als Ergebnis wurden die nachfolgenden Kenntnisse, die nun beschrieben werden, gefunden.

Es ist gefordert, daß die äußere Lage aus Schnell-Werkzeugstahl hergestellt ist und einer Wärmebehandlung unterzogen wird, so daß sie eine Härte aufweist, die Hs 90 überschreitet, um ihre Verschleißbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber einer rauhen Oberfläche bzw. Oberflächenaufrauhung sicherzustellen.

Die Gründe für die Erstellung der chemischen Zusammensetzung des Schnell-Werkzeugstahls, der die äußere Lage bildet, liegen darin:

Kohlenstoff ist notwendig, um die Carbide zu bilden und um die Härte der Matrix zu dem Zweck sicherzustellen, die Verschleißbeständigkeit zu verbessern. Wenn dessen Menge kleiner ist als 0,5%, dann wird die Menge der Carbide unzureichend, was dazu führt, daß die Verschleißbeständigkeit unbefriedigend ist. Wenn sie 1,5% überschreitet, dann wird die Menge der Netzcarbide, die im Korngrenzbereich ausgefällt wird, erhöht, was dazu führt, daß die Beständigkeit gegenüber Oberflächenrauhigkeit und die Zähigkeit unzulänglich werden. Insbesondere ist es bevorzugt, daß die Menge hiervon 0,8 bis 1,2% beträgt.

Silicium ist ein Element, das notwendig ist, um als Deoxidierungsmittel zu dienen. Es müssen 0,5% oder mehr an Silicium vorgesehen sein, und Silicium verbessert die Beständigkeit gegenüber dem Tempervorgang. Wenn der Anteil jedoch 3,0% übersteigt, dann tritt leicht Sprödigkeit auf. Es ist bevorzugt, daß der Anteil 1 bis 3% und noch weiter bevorzugt 1,5 bis 2,5% beträgt.

Mangan hat eine deoxidierende Wirkung und dient auch dazu, Schwefel in der Form von MnS zu binden. Wenn der Anteil 1,5% überschreitet, dann nimmt die Menge von verbleibenden Austenit zu. Als Ergebnis wird es dann schwierig, die ausreichende Härte beizubehalten, und die Zähigkeit verschlechtert sich. Es ist bevorzugt, daß der Gehalt 0,2 bis 1,0% und weiter bevorzugt 0,2 bis 0,5% beträgt.

Wenn der Gehalt an Chrom kleiner ist als 2%, dann wird die Abschreckfähigkeit schlechter. Wenn er 7% überschreitet, dann wird die Menge an Chromcarbiden zu groß. Es ist bevorzugt, daß der Gehalt bei 3 bis 6% und weiter bevorzugt bei 3,5 bis 5% liegt.

Molybdän und Wolfram werden jeweils mit Kohlenstoff kombiniert, so daß M₂C- oder M₆C-Carbide erzeugt werden. Ferner können Molybdän und Wolfram in einer festen Lösung in der Matrix so gehalten werden, daß die Matrix verfestigt wird. Als Ergebnis kann die Verschleißbeständigkeit und die Beständigkeit gegenüber dem Tempervorgang verbessert werden. Wenn jedoch der Gehalt zu groß wird, dann wird die Anzahl von M₆C-Carbiden erhöht, was dazu führt, daß sowohl die Zähigkeit als auch die Beständigkeit gegenüber Oberflächenaufrauhung schlechter wird. Die obere Grenze für Molybdän und Wolfram muß 5% bzw. 2% betragen, und es muß ein Gehalt an Molybdän von 1% oder mehr vorliegen. Es ist bevorzugt, daß der Gehalt an Molybdän 1,5 bis 4,5% beträgt. Es ist ferner bevorzugt, daß der Gehalt an Wolfram 0,1 bis 1% und weiter bevorzugt 0,15 bis 0,5% beträgt.

Vanadium bildet in Metall eingebettete Carbide und trägt hierdurch dazu bei, die Verschleißbeständigkeit zu verbessern. Wenn sein Gehalt kleiner ist als 0,5%, dann kann keine ausreichende Wirkung erzielt werden. Wenn sie 2% überschreitet, dann ist die Verarbeitungsfähigkeit außerordentlich behindert. Es ist bevorzugt, daß der Gehalt 0,7 bis 1,5% beträgt.

Kobalt ist ein Element, das in fester Lösung in der Matrix gehalten werden kann, so daß man große Härte beim Hochtemperaturtempern erhält. Die Wirkung hieraus wird selbst dann ausreichend, wenn die Menge klein ist, nämlich kleiner als 5%.

Der verwendete Schnell-Werkzeugstahl zur Bildung der äußeren Lage gemäß der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Elementen Nickel enthalten. Da Nickel die Wirkung hat, die Abschreckfähigkeit zu verbessern, kann sein Gehalt 5% oder weniger betragen. Wenn der Gehalt diese erwähnte Menge übersteigt, dann wird die Menge des zurückgehaltenen Austenits vergrößert, was dazu führt, daß die Härte oder die Beständigkeit gegenüber Oberflächenaufrauhung verschlechtert werden. Es ist bevorzugt, daß der Gehalt 1% oder weniger beträgt, und noch weiter bevorzugt 0,1 bis 5%. Der Rest wird im wesentlichen von Eisen gebildet. Verunreinigungen ausgenommen.

Es ist bevorzugt, daß Schmiedestahl mit einem Hs-Wert, der 35 übersteigt, als Material für die Kernwelle gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Wenn eine Halsspannung (neck stress) von 10 kg/mm² als Nennspannung der Walze gemäß der vorliegenden Erfindung zugeordnet wird, dann wird die erforderliche Ermüdungsgrenze 36 kg/mm², wobei man davon ausgeht, daß der Faktor aus der Formwirkung 0,8 beträgt, der Faktor aus der Oberflächenvergütewirkung 0,9 und der Kerbfaktor 2,0. Deshalb ist es bevorzugt, daß die Härte zum Erhalten des oben beschriebenen Wertes Hs 35 oder mehr beträgt.

Die Nennspannung σ_n beim Walzen-Halsabschnitt kann aus der folgenden Gleichung erhalten werden:

Ferner kann die zulässige Spannung σ_al erhalten werden aus der folgenden Gleichung:

wobei σ_wo: Dreh-Biegeermüdungsgrenze eines glatten Teststückes

η: Faktor der Formwirkung = 0,8
ζ: Faktor der Oberflächengütewirkung = 0,9
β: Kerbfaktor = 2,0
S: Sicherheitsverhältnis = 1,3.

Wenn σ_a = σ_n, kann es als sicher betrachtet werden. Deshalb kann die folgende Zuordnung aus den Gleichungen (1) und (2) erhalten werden:

Wenn σ_n = 10 kg/mm², σ_wo ≧ 36 kg/mm².

Ein Verfahren zur Bildung der äußeren Lage auf der Kernwelle kann beispielsweise durch eine ständige Überlagerungsmethode gebildet werden, die eine Hochfrequenzerwärmung benutzt, wie in der geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 44-4903, eine Methode zur Bildung der äußeren Lage durch isotropes Heißpressen mit einer Pulvermetallurgiemethode, die so verwendet wird, wie dies beispielsweise in der nichtgeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 47-2851 offenbart ist, und eine Überlagerungsmethode, wie sie in der nichtgeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 57-2862 offenbart ist, wo ein Elektroverfahren zum Wiederaufschmelzen der Schlacke verwendet ist.

Dann wird ein Beispiel der Herstellung der Walze gemäß der vorliegenden Erfindung durch Nutzung des empfohlenen Elektro-Schlacken-Wiederaufschmelzungs-Belegungs-Verfahren beschrieben.

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, die eine Einrichtung zum Herstellen einer Verbundwalze durch Nutzung des Elektroschlacken-Belegungs- bzw. -Beschichtungsverfahrens darstellt. Es wird nun auf die Zeichnung Bezug genommen; die Einrichtung umfaßt eine Schweißmaschine 9, einen Verstärker 17, ein Stromzufuhrkabel 12, eine Kohlebürste 12a, ein temperaturmessendes Thermoelement 13, einen Gleichstrommotor 18 und einen Manipulator 19. Der Manipulator 19 wird vom Gleichstrommotor 18 so betätigt, daß eine rohrförmige Elektrode, die eine verzehrbare Elektrode ist, aus Schnell-Werkzeugstahl besteht und von einem Manipulatorarm 19a getragen ist, nach oben bewegt wird. Eine Kernwelle 7 aus niedriglegiertem Stahl ist auf einem Formungstisch 11 angeordnet. Eine wassergekühlte Form 10 ist konzentrisch zur Kernwelle 7 angeordnet, und eine ringförmige Bodenplatte (d. h. ein Formboden) 16 ist nahe dem unteren Endabschnitt der Kernwelle 7 angeordnet, wobei die ringförmige Bodenplatte 16 in einem Raum angeordnet ist, der zwischen der oben beschriebenen Kernwelle 7 und der Wasserkühlform 10 gebildet ist. Die oben beschriebene Kernwelle 7 und die Wasserkühlform 10 sind so angeordnet, daß sie in Umfangsrichtung rotieren. Die rohrförmige Elektrode 8, die vom Manipulator 19 getragen ist, wird in den oben beschriebenen Raum eingeführt, der von der Kernwelle 7 und der Wasserkühlform 10 gebildet ist, d. h. in eine Schmelzkammer eingeführt. Als Ergebnis wird die ringförmige Elektrode 8 abgeschmolzen und verzehrt, und zwar durch einen elektrischen Strom, der über das Kabel 12 dem Raum zwischen der Kernwelle 7 und der Rohrelektrode 8 zugeführt wird. Wenn infolge der Zufuhr des elektrischen Stromes ein Lichtbogen erzeugt wird, dann wird eine Schlacke 15 infolge der Widerstandswärme geschmolzen und gleichzeitig wird ein geschmolzenes Metall 14 gebildet, wobei das geschmolzene Metall 14 als Ergebnis der Berührung mit der wassergekühlten Form 10 so abgekühlt wird, daß es verfestigt wird. Als Ergebnis wird eine Überlagerungsschicht auf der Oberfläche der Kernwelle 7 gebildet. Während des oben beschriebenen Prozesses wird die wassergekühlte Form 10 konzentrisch zur Kernwelle 7 aufwärts bewegt. Die Schlacke 15 wird so eingestellt, daß sie stets die Dicke von 50 bis 60 mm aufweist. Das Abwärtstropfen des geschmolzenen Metalls 14 wird durch die ringförmige Bodenplatte 16 verhindert.

Die somit gewonnene Überlagerungsschicht der kombinierten Walze wird geschmiedet und die überlagerte Lage wird einem Abschreck- und Temperverfahren unterzogen. Als Ergebnis kann eine Beschichtungslage mit einer Oberflächenhärte Hs 90 oder mehr erhalten werden.

Fig. 8 stellt ein Verfahren der Wasserstrahl-Sprühabschreckung dar. Eine äußere Lage 21, die die Beschichtungslage der Walze 20 ist, ist jener Abschnitt, der abgeschreckt werden soll. Eine ringförmige Vorrichtung, die eine Induktionsspule 22 und einen Wasser-Abstrahlzylinder 23 aufweist, ist so angeordnet, daß sie eine Außenlage 21 einer Walze 20 rund umgibt, die vertikal angeordnet ist. Die Walze 20 wird abwärts bewegt, wobei sie gedreht wird, und zwar in einem Zustand, in welchem ein niederfrequenter Strom durch die Induktionsspule 22 geleitet wird. Die äußere Lage 21 wird nachfolgend durch Wasser gekühlt, das von dem Wasser-Abstrahlzylinder 23 eingespritzt wird, wobei sie durch den erzeugten Induktionsstrom erhitzt ist. Als Ergebnis kann eine rasche Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 10°C/s durchgeführt werden.

Ausführungsbeispiele

Eine Walze, die so angeordnet ist, daß sie einen Trommeldurchmesser von 385 mm und eine Trommellänge von 1480 mm aufweist, wurde auf der Grundlage der Elektro-Schlacken-Wiederaufschmelzungsmethode durch die oben beschriebene Einrichtung dadurch hergestellt, daß man ein Wellenmaterial benutzt hat, dessen Durchmesser 300 mm betrug. Der Außendurchmesser der äußeren Lage, nachdem die äußere Lage aufgelegt war, betrug 485 mm. Dann wurde der Außendurchmesser auf 415 mm gebracht, und die Dicke der Außenschicht wurde auf 42,5 mm gebracht, und zwar durch einen Schmiedeprozeß bei 1100°C (Schmiedeverhältnis: 1,3). Dann wurde die Oberfläche der äußeren Lage abgespant, so daß der Durchmesser der äußeren Lage um 2 bis 3 mm größer war als der endbearbeitete Außendurchmesser von 385 mm.

Die chemische Zusammensetzung des Materials der äußeren Lage ist in Tabelle 1 gezeigt (Gew.-%). Die so hergestellte Walze wurde ferner einer Wärmebehandlung unterzogen, die die Schritte des Abschreckens bei 1000°C bis 1200°C und des Temperns bei 120°C bis 520°C für 10 bis 20 Stunden umfaßte. Eine Vergleichswalze mit denselben Abmessungen wurde dadurch hergestellt, daß man einen herkömmlichen 5%-Cr-Schmiedestahl verwendet hat. Die chemische Zusammensetzung dieses Materials ist ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt. Die Vergleichswalze wurde einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen. Ein Schmiedestahl, dessen Zusammensetzung so eingerichtet wurde, daß der Kohlenstoff 0,9% und das Chrom 3% beträgt, wurde verwendet, um das Wellenmaterial für die Walze gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden, wobei das Material eine Härte von Hs 40 aufwies.

Tabelle 1

Fig. 1 stellt den Zusammenhang zwischen der Temperatur bei Tempern und der Härte dar, während Fig. 6 den Zusammenhang zwischen der Temperatur beim Tempern und der Restspannung darstellt. Gemäß den Ausführungsbeispielen 1 und 2 der vorliegenden Erfindung betrug die Abschreckungstemperatur 1060°C, und nur die äußere Lage wurde der Induktionserhitzung mit Niederfrequenz durch das in Fig. 8 gezeigte Verfahren unterzogen. Sie wurde dann der allmählichen Abschreckung (bei einer schnelleren Abkühlgeschwindigkeit als 10°C/s) durch Wasserstrahl-Sprühabkühlen unterzogen. Dann wurde sie einer Untertemperaturbehandlung bei -50°C unterzogen und bei jeder der Temperaturen getempert.

Aus einem Vergleich, der zwischen den Fig. 1 und 6 angestellt wird, ist es ersichtlich, daß die Restspannung zur Härte der Walzenoberfläche nach dem Tempern beiträgt. Gemäß der herkömmlichen Walze liefert das Tempern bei 160°C eine Härte von Hs 93. Gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 wurde jedoch dieselbe Härte durch Tempern bei 520°C erreicht. Wie aus diesem gezeigt wird, wird die Tempertemperatur, von der dieselbe Härte erreicht werden kann, beträchtlich angehoben, verglichen mit der herkömmlichen Walze. Ferner war die Restspannung bei der Oberfläche der Walze gemäß den Ausführungsbeispielen 1 und 2 bei der Tempertemperatur von 500°C größer als -70 kg/mm². Andererseits betrug die Restspannung an der Oberfläche der herkömmlichen Walze etwa -30 kg/mm². Wie aus diesem ersichtlich ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine größere Restspannung sichergestellt werden.

Gemäß Ausführungsbeispiel 2 betrug die Härte nach dem Tempern bei 500°C Hs 88. Eine beträchtliche Auswirkung des Zusatzes von Si kann erhalten werden.

Fig. 2 stellt die Ergebnisse eines Vergleichs dar, der zwischen der Wärmeschockbeständigkeit gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 und jener gemäß einer herkömmlichen Walze angestellt werden kann. Der Versuch wurde so durchgeführt, daß die Materialien von der Oberfläche der geschmiedeten Walzenfläche genommen wurden. Nachdem die Materialien spanend bearbeitet waren, wurden sie abgeschreckt, und die Walze gemäß der Erfindung wurde bei 520°C getempert, während die herkömmliche Walze bei 160°C getempert wurde, bevor sie dem Versuch unterzogen wurde. Die Versuchsbedingungen waren die folgenden: Versuchsstücke mit dem Durchmesser von jeweils 80 mm und der Dicke von jeweils 40 mm wurden mit 1420 min^-1 gedreht und die Wasserabkühlung wurde mit weichem Stahlmaterial von 20 mm im Quadrat durchgeführt, die gegen die Versuchsstücke jeweils mit einer Last von 500 g/mm angelegt wurden.

Die Rißlänge, die durch die Achse der Koordinate bezeichnet wird, zeigt die Gesamtlänge der Risse, die auf der Oberfläche des Versuchsstückes erzeugt wurden. Die Rißlänge gemäß dem herkömmlichen Material betrug 54 mm, während jene gemäß der vorliegenden Erfindung 23 mm betrug, was weniger als die Hälfte des Ergebnisses des herkömmlichen Materials ist. Deshalb ist es ersichtlich, daß durch das Hochtemperaturtempern eine beträchtliche Wirkung erzielt werden kann.

Fig. 3 stellt die Ergebnisse eines Vergleichs auf, der bezüglich der Verschleißbeständigkeit vorgenommen wurde. Der Versuch wurde auf solche Weise ausgeführt, daß Versuchsstücke, bei denen der Durchmesser der bewegten Oberfläche jeweils 18 mm betrug, gleichen Wärmebehandlungen unterzogen wurden und auf Schmirgelpapier Nr. 100 mit einer zusätzlichen Last von 500 g bewegt wurden. Die Menge der Abnutzung der herkömmlichen Walze betrug 230 mg, während jene der vorliegenden Erfindung 120 mg betrug. Es ist ersichtlich, daß die Walze gemäß der vorliegenden Erfindung hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweist.

Als eine Walze gemäß der vorliegenden Erfindung wurde eine Walze, die so gebildet wurde, wie in Fig. 4 gezeigt, hergestellt und diese Walze wurde verwendet, um eine Folie aus rostfreiem Stahl und ein Stahlblech zum Zinnplattieren kalt auszuwalzen, wobei die Dicke von jedem weniger als 1 mm betrug, insbesondere 200 µm oder weniger. Als Ergebnis zeigte die Walze gemäß der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, die das fünf- oder mehrfache einer herkömmlichen einstückigen Walze betrug. Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen stellt das Bezugszeichen 1 ein zu walzendes Material dar, 2 stellt die erfindungsgemäße Arbeitswalze dar, 3 stellt eine Zwischenwalze dar, 4 stellt eine Stützwalze dar, 5 stellt eine äußere Lage dar und 6 stellt ein Kernmaterial dar.

Wie aus dem Obigen ersichtlich ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung das Tempern bei einer hohen Temperatur von 300°C oder mehr selbst dann durchgeführt werden, wenn die Oberflächentemperatur dieselbe ist wie jene bei einer herkömmlichen Walze. Deshalb kann die Beständigkeit gegenüber einem Wärmeschock, der infolge des Schlupfes oder eines Unfalls bzw. einer Störung zum Zeitpunkt der Walztätigkeit erzeugt wird, beträchtlich verbessert werden, wobei eine Verschleißbeständigkeit aufrechterhalten wird, die gleichwertig ist jener einer herkömmlichen Walze.

Obwohl die Erfindung in ihrer bevorzugten Form und einem gewissen Maß an Spezialisierung beschrieben wurde, wird davon hingewiesen, daß die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Form in Einzelheiten von Aufbau sowie Kombination und Anordnung von Teilen geändert werden kann, ohne daß man Gedanken und Umfang der Erfindung verläßt, wie sie auch hier beansprucht wird.

Insbesondere ist gemäß der Erfindung eine Verbundwalze für ein Metallwalzwerk vorgesehen, die sowohl hervorragende Beständigkeit gegenüber Rissen durch Thermalschock als auch hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweist. Die Walze ist so angeordnet, daß ihre Kernwelle aus niedriglegiertem Stahl hergestellt ist und ihre äußere Lage aus Schnell-Werkzeugstahl, mit einer Zusammensetzung, die in Gew.-% im wesentlichen besteht aus 0,5 bis 1,5% C, 0,5 bis 3% Si, 1,5% oder weniger Mn, 2 bis 7% Cr, 1 bis 5% Mo, 0,5 bis 2,0% V, 2,0% W und dem Rest im wesentlichen aus Eisen. Die äußere Lage wird auf der Außenoberfläche der Kernwelle durch die Elektro-Schlackeverfahren gebildet. Die äußere Lage wird einer Wasserstrahl-Sprühabschreckung und einer Temperung bei 300°C oder einer höheren Temperatur, bevorzugt bei 450°C bis 550°C, unterzogen.

Claims

1. Arbeitswalze für ein Metallwalzwerk, bei der die äußere Oberfläche einer Kernwelle mit einer äußeren Lage aus einem Material unterschiedlicher Art abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitswalze (2) den folgenden Aufbau aufweist:

- die Kernwelle (6) ist aus niedriglegiertem Stahl hergestellt,
- die Materialien der äußeren Lage (5) sind jeweils aus Schnell-Werkzeugstahl mit einer Zusammensetzung hergestellt, die im wesentlichen in Gew.-% besteht aus Kohlenstoff 0,5 bis 1,5% Silicium 0,5 bis 3,0% Mangan 1,5% oder weniger Chrom 2 bis 7% Molybdän 1 bis 5% Vanadium 0,5 bis 2,0% Wolfram 2,0% Rest im wesentlichen Eisen,

Verunreinigungen ausgenommen, und
- eine Druckspannung verbleibt mindestens in der Oberflächenschicht der äußeren Lage (5).

2. Arbeitswalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der äußeren Lage (5) ferner 5% oder weniger als Nickel enthält.

3. Arbeitswalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Lage (5) durch einen Auftragschweißprozeß gebildet ist.

4. Arbeitswalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restspannung -70 kg/mm² oder mehr beträgt.

5. Arbeitswalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostruktur mindestens der Oberflächenschicht der äußeren Lage (5) eine martensitische Phase ist, die etwa 15 Vol.-% oder weniger an austenitischer Phase enthält.

6. Verfahren zum Herstellen einer Arbeitswalze für ein Metall-Walzwerk, die auf eine solche Weise ausgebildet ist, daß die äußere Oberfläche ihrer Kernwelle mit einer Lage aus unterschiedlichen Materialien abgedeckt ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) Bilden der äußeren Lage mit einer Zusammensetzung, die in Gew.-% im wesentlichen besteht aus Kohlenstoff 0,5 bis 1,5% Silicium 0,5 bis 3,0% Mangan 1,5% oder weniger Chrom 2 bis 7% Molybdän 1 bis 5% Vanadium 0,5 bis 2,0% Wolfram 2,0% Rest im wesentlichen Eisen,

Verunreinigungen ausgenommen, und
(b) Erwärmen mindestens der gesamten Oberfläche der äußeren Lage und höchstens nur der äußeren Lage bis zu einem Maß, daß eine Transformationstemperatur überschreitet,
(c) Unterziehen eines Abschnitts, der insoweit erwärmt wurde, einem Abschreckverfahren durch Wasser-Sprühabschrecken, und
(d) Durchführen eines Tempervorganges bei 300°C oder mehr.

7. Verfahren zum Herstellen einer Arbeitswalze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von Wärmebehandlungsvorgängen aufgebracht wird, nachdem die äußere Lage, die im Schritt (a) gebildet wurde, einem Warmschmiedeverfahren unterzogen wurde.

8. Verfahren zum Herstellen einer Arbeitswalze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Lage eine Auflage ist, die auf der Außenoberfläche der Kernwelle durch ein Elektro-Schlacken-Schweißverfahren gebildet wird.

9. Verfahren zum Herstellen einer Arbeitswalze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Untertemperaturbehandlung bzw. eine Behandlung unter dem Gefrierpunkt nach dem Abschreckvorgang angewandt wird.

10. Verfahren zum Herstellen einer Arbeitswalze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Tempervorganges 450°C bis 550°C beträgt.

11. Verfahren zum Herstellen einer Arbeitswalze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Untertemperaturbehandlung -50°C beträgt.