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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gießen eines oder mehrerer Ringe von Hartmetall in
Gußlegierungen auf Eisenbasis, vorzugsweise Gußeisen. Das resultierende Produkt ist ein
Verbundmaterialwalzring, der nur in einem Stück gefertigt ist, mit metallurgischer Bindung
zwischen Hartmetall und Gußeisen. Gegenbenenfalls werden Antriebseinrichtungen für eine
Drehkraftübertragung in dem Gußeisenteil angeordnet.
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Die Verwendung von Hartmetallwalzringen für Heiß- oder Kaltwalzen wurde durch das Problem
einer Übertragung der Drehkraft von der Antriebswelle auf den Hartmetallwalzring ohne
Verursachung ernsthafter Zugspannungen behindert. Hartmetall gehört zu der Gruppe von
spröden Materialien und hat begrenzte Zugfestigkeit mit spezieller Kerbempfindlichkeit in inneren
Ecken, wie in Keilnutböden oder anderen Antriebsnuten oder bei Wurzeln von Antriebsansätzen,
die aus einem Stück mit dem Hartmetallring gefertigt sind. Verfahren auf der Grundlage solcher
herkömmlicher Verbindungen arbeiteten nicht zufriedenstellend. Eine andere Methode zur
Drehkraftübertragung ist die mit Hilfe von Reibungskräften an der Bohrungsoberfläche des
Hartmetallringes. Die Radialkraft auf diese Oberfläche läßt jedoch tangentiale Zugspannungen in
dem Hartmetallring mit einem Maximum an seinem inneren Durchmesser ansteigen. Diese
Zugspannungen werden von anderen Zugspannungen überlagert, die erzeugt werden, wenn die
Walze in Verwendung ist.
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Es ist an sich bekannt, ein Gehäuse einer Eisenlegierung auf einen Hartmetallring für Walzen
zu gießen, die für Heiß- und/oder Kaltwalzen verwendet werden (siehe beispielsweise die
schwedische Patentschrift Nr. 7 100 170-5 mit der Veröffenuichungsnummer 371 114).
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Es ist auch bekannt, Verbundwalzenringe zu formen, die aus einem Hartmetallarbeitsteil und
einem auf das Hartmetall gesinterten Metall- oder Metallegierungsgehäuse bestehen, wobei die
beiden Teile metallurgisch miteinander verbunden werden (siehe beispielsweise die
USPatentschrift Nr. 3 609 849).
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In dem ersteren Fall schrumpft während des Abkühlens von der Gießtemperatur das Gehäuse
stärker als der Hartmetallring, was die nach innen auf den Hartmetallring gerichteten Kräfte
ansteigen läßt. Diese Kräfte erzeugen axial ausgerichtete Zugspannungen auf die
Außenoberfläche des Hartmetallringes, die senkrecht zu Mikrorissen wirken, welche in der Walzenoberfläche
während des Walzens erzeugt werden. Unter dem Einfluß dieser Zugspannungen schreiten die
Mikrorisse in der Tiefe voran, was Walzenbrüche oder die Notwendigkeit übermäßiger
Endbearbeitungsmenge verursachen kann, was die Gesamtwalzkapazität der Walze beschränkt.
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Im letzteren Fall werden Gehäusematerialien verwendet, die entweder durch geringe Härte und
niedrige Streckgrenze gekennzeichnet oder Hartmetall sind, welches ein sprödes Material ist.
Keines von beiden ist besonders für die erforderlichen Drehkraftübertragungskupplungen geeignet.
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Im Prinzip kann jede Qualität von Hartmetall in Waizringen nach der Erfindung verwendet
werden. Der Unterschied in der linearen Wärmeausdehnung von duktilem Eisen und Hartmetall,
wobei letzteres die geringere Ausdehnung hat, wächst mit vermindertem Binderphasengehalt in
dem Hartmetall. In Walzen für Heißwalzen erwiesen sich Hartmetallqualitäten mit 15 Gew.-% oder
mehr Binderphase, die Kobalt, Nickel und Chrom in verschiedenen Kombinationen und Mengen
umfaßt, als erfolgreich und werden auch in Verbundwalzringen nach der Erfindung verwendet.
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Die Erfindung ist in dem Anspruch definiert.
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Ein Verbundwalzring liegt nun vor, wo die schädlichen Zugspannungen ausgeschaltet oder
wesentlich reduziert wurden. Dies wurde erreicht, indem das Hartmetall in ein erheblich
graphitisches Gußeisen mit einer Zusammensetzung gegossen wurde, die auf das
Kohlenstoffäqulvalent, Ceqv., in einer Weise eingestellt wurde, die in der schwedischen Patentschrift Nr.
7 601 289-7, Veröffentlichungsnummer 399 911 beschrieben ist. Die Zusammensetzung des
Gußeisens wird auch in Bezug auf optimale metallurgische Bindung an das Hartmetall, auf dessen
Festigkeit, Zähigkeit und Härte ausgewählt, die alle für die Übertragung der Drehkraft und
maschinelle Verarbeitbarkeit nötig sind. Durch Zugabe von Ferro-Silicium-Magnesium und/oder
Nickel-Magnesium bekommt die Gußlegierung einen Magnesiumgehalt von 0,02 bis 0,10,
vorzugsweise von 0,04 bis 0,07 Gew.-%. Durch Impfung mit Ferro-Silicium bekommt die
Gußlegierung einen Siliciumgehalt von 1,9 bis 2,8, vorzugsweise 2,1 bis 2,5 Gew.-%. Dabei erhält
man ein duktiles Eisen mit darin dispergiertem Kugelgraphit. Dieses duktile Eisen hat eine Härte-
Zähigkeit-Festigkeit, die für die Verwendung gut abgeglichen ist. Im hitzebehandelten Zustand ist
die Brinellhärte 250 bis 350. Außerdem wurde das Eisen mit Austhenit legiert, welches
Legierungselemente, wie Nickel, Molybdän, Mangan und Chrom liefert, gewöhnlich Nickel in
Mengen von 3 bis 10, vorzugsweise 4 bis 8 Gew.-% und Molybdän in Mengen von bis zu 3,
vorzugsweise von 0,1 bis 1,5 Gew.-%, was zu einer bestimmten Menge an Restaustenit führt,
nämlich 5 bis 30, vorzugsweise 10 bis 25 oder eher 15 bis 20 Gew.-%, nach dem Gießen.
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Durch Hitzebehandlung in einer oder mehreren Stufen kann eine geeignete Menge an
Restaustenit unter Volumenerhöhung in Bainit umgeformt werden. Diese Volumensteigerung kann
so eingestellt werden, daß der in dem Verbundwalzring während des Abkühlens von der
Gießtemperatur stattfindende Schrumpfungsunterschied ganz oder teilweise ausgeschaltet werden
kann. Das Verfahren für diese Hitzebehandlung wird nach der Hartmetallqualität, der
Zusammensetzung des Eisens und der Walzenanwendung eingestellt. Die Hitzebehandlung schließt ein
Erhitzen und Halten auf einer Temperatur von 800 bis 1000 ºC, ein Kühlen und Halten auf einer
Temperatur von 400 bis 550 ºC und ein Kühlen auf Raumtemperatur ein. Das erste erwähnte
Temperaturintervall von 800 bis 1000 ºC führt zu erhöhter Zähigkeit. Mit einer Zugabe von
Legierungselementen, die gewöhnlich durch Nickel in Mengen von 3 bis 6, vorzugsweise 4 bis 5
Gew.-% und Molybdän in Mengen zwischen 0,5 und 1,5 Gew.-% gekennzeichnet sind, kann die
Hitzebehandlung erfolgen, indem man auf 500 bis 650 ºC erhitzt und hält und auf
Raumtemperatur abkühlt.
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Das Verfahren zum Gießen eines Hartmetallringes in Gußeisen folgt hauptsächlich üblicher
Gießtechnik. Die Anforderungen an eine makellose metallurgische Bindung zwischen Hartmetall
und Gußeisen und an die erforderlichen speziellen Eigenschaften des Gußeisens verlangen
jedoch eine genaue Steuerung der Gießtechnik, unter anderem mit folgenden Forderungen:
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- Extreme Übertemperatur des Eisens in der Mulde.
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- Mengenmäßig und flußgesteuertes Strömen von geschmolzenem Eisen für zeitlich
gesteuertes Erhitzen und Schmelzen einer Oberflächenschicht des Hartmetallringes, der
in der Sandform angeordnet ist.
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- Zündung von exothermem Matrial, das in einem großen Raum über dem Walzringraum
gehalten wird, um eine bestimmte Extramenge an Eisen in geschmolzenem Zustand zum
Nachfüllen des Walzringraumes zu halten.
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- Impfung in der Mulde wie auch in der Form.
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Das duktile Eisen und die Bindung zwischen dem Hartmetall und dem duktilen Eisen in dem
gegossenen Verbundwalzring werden durch Ultraschallmethoden geprüft.
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Der vorliegende Verbundwalzring nimmt die Drehkraft allgemein über herkömmliche
Keilverbindungen, Keilwellennuten, Klauen oder ähnliche bekannte
Drehkraftübertragungsverbindungen auf, die in dem wesentlich weniger kerbempfindlichen Eisenteil des Verbundwalzringes
angeordnet sind und von welchen die Drehkraft zu dem Hartmetallring über die metallurgische
Bindung zwischen dem Hartmetall und dem Gußeisen übertragen wird. Noch gibt es Walzwerke,
die nur Reibungsantrieb in der Walzringbohrung erlauben.
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In Hartmetallwalzringen wird der Trennkraft durch Radialkraft nur von der Welle gegen die
Bohrung des Hartmetallwalzringes entgegengewirkt. Da das Hartmetall einen Young-Modul vom
Zwei- bis Dreifachen desjenigen von Stahl oder Gußeisen hat, verformt die Trennkraft elastisch
das Material, das den Hartmetallwalzring in der Bohrung unterstützt, was zu einer elastischen
Verformung des Hartmetallringes und folglich zu tangentialen Zugspannungen in dem
Hartmetallring mit einem Maximum an der Bohrung führt. In Verbundwalzringen nach der
Erfindung nimmt das Gußeisen auf beiden Seiten des Hartmetallringes einen Teil der Trennkraft
auf und reduziert entsprechend die Zugspannungen.
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Die radiale Wanddicke des Hartmetallringes in Verbundwalzringen nach der Erfindung kann
infolge der gerade diskutierten Einschränkungen der Zugspannungen aus der Trennkraft
vermindert werden. Außerdem trägt die Drehkraftübertragung durch herkömmliche
Keilverbindungen oder ähnliches nicht zu den tangentialen Zuspannungen bei. Auch bei Antrieb durch
Reibung in der Bohrung von Verbundwalzringen oder bei Befestigung mit Preßsitz zwischen dem
Verbundwalzring und der Welle ist die resultierende Zugspannung in dem Hartmetallring begrenzt
gegenüber jener von Walzringen von kompaktem Hartmetall.
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Im Vergleich mit Walzringen aus kompaktem Hartmetall mit Keilnuten oder Ansätzen in den
Ringflächen können die Hartmetallringe in Verbundwalzringen nach der Erfindung schmaler
gemacht werden, indem man die Antriebseinrichtungen in das Gußeisenteil legt.
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Alles zusammengenommen ist der Verbundwalzring nach der Erfindung durch einen
Hartmetallring mit kleineren Abmessungen als Walzringe aus kompaktem Hartmetall
gekennzeichnet, was zu niedrigeren Kosten führt. Außerdem muß der Hartmetallring nur auf seiner
Außenoberfläche maschinell bearbeitet werden, oftmals durch Drehen, und dann vorzugsweise
von Hartmetallqualitäten, die 20 Gew.-% oder mehr Binderphase enthalten, und die maschinelle
Bearbeitung der Bohrung, Stirnflächen und Antriebseinrichtungen erfolgt in Gußeisen, welches
leichter als Hartmetall maschinell bearbeitet werden kann, was ebenfalls zu niedrigeren Kosten
führt.
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Die für die Drehkraftübertragung erforderlichen Nuten können in der Bohrung oder auf den
Stirnflächen des Verbundwalzringes hergestellt werden. Ein oder mehrere Verbundwalzringe
können auf dem Walzenkörper mit Lagerzapfen in beiden Enden befestigt werden, und er hat
Teile, die in die Nuten des Verbundwalzringes passen, wodurch die Drehkraft von der Welle
entweder direkt oder über eine Zwischenbuchse übertragen wird. Einige alternative Konstruktionen
sind in den Fig. 1 bis 3 gezeigt.
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Fig. 1 zeigt eine Walzenkonstruktion, wo die Drehkraft von der Welle 1 über Keile 2, die in
dem Mittelteil 3 der Welle befestigt sind und in die Keilnuten 4 des Verbundwalzringes passen,
auf das duktile Eisenteil 5 des Verbundwalzringes und über die metallurgische Bindung A auf den
Hartmetallring 6 übertragen wird. Die Walzringe sind über die Buchse 7 durch die Mutter 8 mit
einer Verankerungsschraube 9 befestigt.
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Fig. 2 zeigt eine Walzenkonstruktion, bei der die Drehkraft von der Welle 1 über den Keil 2
auf die Buchse 3 übertragen wird. deren Antriebsansätze 4, die in die Nuten 5 passen, die
Drehkraft auf das duktile Eisenteil 6 des Verbundwalzringes und über die metallurgische Bindung
A weiter auf den Hartmetallring 7 übertragen. Die relative axiale Stellung der Walzringe wird durch
die Buchse 3 bestimmt und über die Buchse 8 mit der Mutter 9 mit einer Verankerungsschraube
10 fixiert.
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Fig. 3 zeigt eine Walzenkonstruktion, bei der die Drehkraft von der Welle 1 über den Keil 2
in der Keilnut 3 auf das duktile Eisenteil 4 des Verbundwalzringes und über die metallurgische
Bindung A weiter auf den Hartmetallring 5 übertragen wird. Die Walzringe werden über die Buchse
6 durch die Mutter 7 mit der Verankerungsschraube 8 fixiert.
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Fig. 4 zeigt einen Verbundwalzring, der auf einem freien Wellenende befestigt ist, d. h. die
Walzenwelle hat kein Lager auf einer Seite des Walzringes. Die Drehkraft wird durch Reibung in
der Bohrung des Walzringes, die durch die sich verjüngende Buchse 2 erzeugt wird, welche auf
das sich verjüngende Teil der Welle 1 getrieben ist, auf das duktile Eisenteil 3 des
Verbundwalzringes und über die metallurgische Bindung A auf den Hartmetallring 4 übertragen.
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Verbundwalzringe mit Hartmetallringen, die in duktiles Eisen gegossen wurden, wurden bei
der Nachbearbeitung und Zwischenstabmühlen getestet, die auf Walzenkörpern mit Lagerzapfen
in beiden Enden sowie auf freien Wellenenden befestigt waren. Sie wurden auch als Walzen für
Walzverstärkungsstäbe und -röhren und als Ausführungswalzen getestet. Ihre Leistung stand in
guter Übereinstimmung mit der Erfahrung mit Hartmetallhelßwalzen, die seit 1965 erhalten
wurden. Hartmetallringe im Durchmesserbereich von 100 bis 500 mm, vorzugsweise 200 bis 450
mm, und der Antrieb durch Antriebseinrichtungen in dem duktilen Eisen eröffnen die Möglichkeit
einer Benutzung auch in Stabmühlen. Hartmetallringe mit Durchmessern bis zu 500 mm machen
eine Benutzung in Kaltwalzwerken und in anderen Walzanwendungen möglich.
Belspiel
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Ein Sinterhartmetallring mit 70 % WC in einer Binderphase, die aus 13 % Co, 15 % Ni und
2 % Cr bestand, wurde mit Sandstrahl behandelt, um seine Oberfläche von anhaftenden
Materialien zu befreien. Der Außendurchmesser des Ringes war 340 mm, der Innendurchmesser
270 mm und seine Breite 85 mm. Ein Sandring wurde um den Hartmetallring gebildet und dann
in ein Bodenteil einer Form mit geeigneter Formung und geeigneten Abmessungen und mit den
erforderlichen Kanälen und einem Überlaufkasten für das geschmolzene Eisen versehen gelegt.
Ein Ring eines exothermen Materials wurde in den oberen Teil der Form gelegt und die beiden
Formteile wurden zusammengeführt und fest verankert.
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Geschmolzenes Eisen mit einer Temperatur von 1550 ºC und mit einer Zusammensetzung
in Gewichtsprozenten 3,7 C, 2,3 Si, 0,3 Mn, 5,4 Ni, 0,2 Mo, 0,05 Mg und Rest Fe wurde in die
Form gegossen. In Verbindung hiermit wurden Impfkristalle von Ferro-Silicium-Magnesium
zugegeben, die in die oben erwähnte Analyse einbezogen sind. Das geschmolzene Eisen wurde
in die Form in solcher Menge und mit solcher Fließgeschwindigkeit gegossen, daß ein geeignetes
Schmelzen der Hartmetalloberfläche erhalten wurde. Wenn das Eisen bis zu dem exothermen
Material angestiegen war, begann es zu brennen, was dem Eisen Wärme zuführte. Die Form
kühlte langsam auf Raumtemperatur ab, wonach die Walze aus der Form entfernt, überschüssiges
Eisen weggeschnitten und die Walze gereinigt wurde. Die Stärke der Bindung und die
Abwesenheit von Rissen in dem Eisen wurde durch Ultraschallmethoden geprüft.
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Die Walze wurde dann hitzebehandelt, um restlichen Austenit in Bainit umzuwandeln, indem
auf 900 ºC erhitzt und sechs Stunden auf dieser Temperatur gehalten wurde, dann die
Temperatur auf 450 ºC abgesenkt und dort vier Stunden gehalten wurde, bevor auf
Raumtemperatur gekühlt wurde. Schließlich wurde die Walze maschinell durch Drehen auf ihre Endform und
Endabmessung, d. h. einen Innendurchmesserder Bohrungvon 255 mm und eine Breite von j120
mm, gebracht.