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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hartgusswalze
mit Oberflächeneigenschaften,
die zur Anwendung beim Heißwalzen
von Stahl hoch erwünscht
sind. Insbesondere betrifft die Erfindung die Entdeckung, dass die
Einführung
von Niob in eine Hartgusswalzeneisenmasse Oberflächenhärtewerte ergibt, die bislang
ohne Störung
des Ausgleichs zwischen der Carbidbildung und der freien Graphitdispersion, was
bei solchen Gussmassen erforderlich ist, nicht erhältlich war.
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Hintergrund
der Erfindung
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Beim
kontinuierlichen Heißwalzen
von Stahlbändern
wird ein sich kontinuierlich bewegendes Stahlwerkstück (das
Band) durch eine Walzmühle
geleitet, die üblicherweise
aus mehreren Ständern
von Walzen, angeordnet in einer geraden Linie (im Tandem), besteht.
Das Band kühlt
sich bei seinem Durchlauf durch die Walzenmühle ab, so dass jeder der aufeinanderfolgenden
Ständer
eine niedrigere Temperatur hat als der vorhergegangene Ständer. Typischerweise
besteht, wenn das Band die Walzen der letzten wenigen Mühlenständer erreicht,
die Tendenz, dass das Band sich mit den Walzen, durch die es hindurchgeht,
verschweißt
oder verschmilzt, was auf die niedrigere Temperatur der Walze zurückzuführen ist.
Die Ergebnisse eines solchen Verschweißens können eine katastrophale Zerstörung der
Walzenmühlenständer und
der umgebenden Strukturen sein, ganz zu schweigen von der schwerwiegenden
Bedrohung für
die Arbeiter in diesem Bereich.
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Es
ist daher offensichtlich, dass die Auswahl der richtigen Sorte der
Walze, die in den letzten Ständern der
Walzmühlen
vom Tandemstil verwendet werden sollen, von Wichtigkeit ist. Das
Problem der Walzenauswahl wird durch die Tatsache verkompliziert,
dass die Walzbedingungen im weiten Ausmaß variieren, wobei aber im
Allgemeinen die Fertigstellungswalzen auf einer Tandemheißmühle eine
Außenhaut,
die dicht und hart ist und die trotzdem eine genügend niedrige Reibung in den
Kontaktbereichen mit dem Werkstück
ergibt, haben.
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Seit
den frühen
Tagen der Stahlherstellung sind Walzmühlenwalzen in einer Weise gegossen
worden, dass gewährleistet
wird, dass das flüssige
Eisen auf der Außenoberfläche der
Walze abgekühlt
wird, um die gewünschte
Struktur und die gewünschten
Eigenschaften zu liefern. Eine Technik zum Erhalt dieses raschen Abkühlens ist
das Einsetzen von Metallringen oder Segmenten, die als "Chills" bezeichnet werden,
in die Form nahe der Oberfläche,
die mit dem geschmolzenen Eisen in Kontakt kommen soll. Die Herstellung
von Hartgusswalzengehäusen
umfasst typischerweise ein zweistufiges Verfahren, bei dem ein äußeres Gehäuse gebildet
wird, das die vorgenannten zur Verwendung in einer Walzenmühle erforderlichen
Eigenschaften hat, gebildet wird, gefolgt von der Bildung eines
inneren Kerns, bestehend aus einem Material, das der Hartgusswalze zusätzliche
Festigkeit verleiht, wie Gusseisen. Das äußere Gehäuse wird entweder durch ein
statisches oder Spinngießen
gebildet, wie es in der Industrie gut bekannt ist und beispielsweise
in der US-PS 5 355 932 beschrieben wird.
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Die
meisten frühen
Hartgusswalzen wurden unter Verwendung von üblichen Nickel-Chromlegierungen mit
niedrigem Siliciumgehalt gegossen und mit sehr hoher Geschwindigkeit
ab gekühlt,
um die Bildung von Graphit zu unterdrücken, was für die Walze wegen der Weichheit
als nachteilig angesehen wurde, die der Legierung durch den Graphit
verliehen wurde. Die abgekühlte äußere Oberfläche ist
sehr hart und sie hat beim Bruch eine weiße Bruchfläche für den Abstand unterhalb der
Oberfläche
(als Abkühlungszone
bekannt), was anzeigt, dass die Bildung von freiem Graphit in diesem
Bereich durch das rasche Abkühlen
unterdrückt
worden ist. Die Zone aus weißem
Eisen wird manchmal auch als "weiß gegossenes
Eisen" bezeichnet,
im Vergleich zu Graphit enthaltendem Eisen, das eine graue Bruchfläche hat
und das als "graues
Eisen" bekannt ist.
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In
den 1930er Jahren wurde entdeckt, dass die Einführung von feindispergiertem
Graphit in die Zone des weißen
Eisens den Walzenbruch wesentlich verringerte, trotzdem ein weicheres äußeres Gehäuse zur Verfügung gestellt
wurde. Der Bereich des feindispergierten Graphits in der Legierung
wird als "gesprenkelt" bezeichnet. Die
Anwesenheit von Graphit in dem äußeren Gehäuse verbessert
stark die Widerstandsfähigkeit der
Walze gegenüber
thermischen Schocks, die mit dem Heißwalzen des Stahlbands verbunden
sind, sie vermindert die Reibung zwischen der Walze und dem Band,
wodurch die angelegte Spannung auf das Band verringert wird und
sie verringert stark das Potential des Verschmelzens des Bands mit
der Walze. Im Ergebnis wurden daher Weißguss-Eisenhartgusswalzen weitgehend von einer
Walze überholt,
die durch fein dispergierten Graphit in der Nähe der Außenoberfläche der Walze und das Fehlen
einer definierten Abkühlungszone charakterisiert
war. Eine derartige Walze ist als "unbestimmte Abkühlungs"-Walze (oder "Korn"-Walze)
bekannt geworden.
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Während unbestimmte
Abkühlungswalzen
signifikant die Dauerhaftigkeit der Walze gegenüber Weißhartgusswalzen verbes sert,
führt die
Anwesenheit von Graphit zu einer weicheren Walze mit niedrigerer
Verschleißbeständigkeit
und einer kürzeren
verwertbaren Lebensdauer zwischen den Nachschleifungen als die höher legierten
Walzen in den gleichen Fertigstellungsständern. Weltweit wurden erhebliche
Anstrengungen durchgeführt,
um Walzen zu entwickeln, die sich mit dem gewalzten Stahlband nicht
verschweißen
und die eine bessere Abriebbeständigkeit
haben als die unbestimmten Hartgusswalzen. Ein primärer Gesichtspunkt der
Anstrengungen betrifft die Verwendung von Metallcarbiden, um die
Härte und
die Abriebbeständigkeit
einer Eisenlegierung zu erhöhen,
wie es im Stand der Technik bekannt ist. Jedoch führt die
Erhöhung
der Menge der Carbide im Allgemeinen zu einer erheblichen Verringerung
der Graphitmenge in der Legierung. Es sind zahlreiche Anstrengungen
gemacht worden, um Legierungen, enthaltend potente Kombinationen
von starken carbidbildenden Elementen zu entwickeln, wie sie in
Werkzeugstählen
verwendet werden, um die unbestimmten Hartgusswalzenzusammensetzungen
zu ersetzen. Diese Walzenlegierungen mit hohem Carbid- und niedrigem
Graphitgehalt haben sich aber als ungeeignet für Hartgusswalzenanwendungen
erwiesen und zwar wegen der Tendenz, sich mit dem gewalzten Material
zu verschweißen
und Druckrisse zu bewirken, die erheblich ähnlich sind wie im Falle von
Weißhartgusswalzen.
Wegen des Fehlens einer besseren Alternative sind unbestimmte Hartgusswalzen
in den letzten Fertigstellungsständern
von vielen modernen Hochgeschwindigkeits-Heißbandmühlen beibehalten worden und
die Bildung von potenten carbidbildenden Elementen ist auf relativ
kleine Zugaben, gewöhnlich
von Molybdän,
zu Massen für
unbestimmte Hartgusswalzen zur Veränderung der Matrixstruktur
oder auf extrem kleine Zugaben von Magnesium zur Kontrolle der Form
des Graphits beschränkt
worden.
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Die
EP-A-525 932 beschreibt ein Gusseisen für ein Gehäuse einer Hartgusswalze mit
einer Zusammensetzung gemäß der Erfindung,
die ggf. 0,1 bis 2,0% Niob enthält,
wobei jedoch der Gehalt von freiem Graphit nicht erwähnt wird.
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Ein
wesentliches Merkmal der unbestimmten Hartgusswalzen ist die kritische
Ausgewogenheit zwischen den Legierungselementen, wie Kohlenstoff,
Nickel und Silicium, die die Bildung von Graphit fördern und carbidbildenden
Elementen wie Chrom. Die Bildung einer Legierung, enthaltend die
richtige Ausgewogenheit von Graphit und Carbiden erfordert eine
extrem sorgfältige
Auswahl der Schmelzausgangsmasse, eine enge Kontrolle der Schmelzbedingungen,
eine genaue Kontrolle der Zusammensetzung und der Inokulierungstechniken
zum Erhalt des gewünschten
Typs und der gewünschten
Verteilung des Graphits. Diese Beziehung hat die Verwendung von
potenteren carbidbildenden Elementen, die das Graphit/Carbid/Gleichgewicht
stark unter Begünstigung
der Carbidbildung verzerren und die Legierung für die Verwendung bei unbestimmten
Hartgusswalzen ungeeignet machen, gehemmt. Daher ist über vier
Dekaden die Verwendung von potenten carbidbildenden Legierungen
durch die überwiegende
Notwendigkeit gehemmt worden, freien Graphit in der abgekühlten Struktur
dieses Walzentyps aufrechtzuerhalten.
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Viele
andere Anwendungszwecke erfordern die charakteristischen Eigenschaften
von unbestimmten Hartgusswalzen, wie beispielsweise in Plattenmühlen, Tempermühlen, engen
Bändern,
Backup-Walzen, Stangenmühlen
für Walzflachstücke, Steckelmühlen und
eine Vielzahl von Kalttemperungsmühlen. Bei allen diesen Anwendungszwecken
würden
die derzeitigen Vorteile dieses Walzentyps durch eine signifikante
Verbesserung des Abriebwiderstands stark erhöht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung wird durch einen beliebigen der Ansprüche 1, 7 und 9 definiert, wobei
optionale Merkmale in den Unteransprüchen angegeben sind.
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Es
wird eine Legierungszusammensetzung für eine unbestimmte Hartgusswalze
offenbart, die mindestens 3,3 Gew.-% Kohlenstoff (wenn nichts anderes
angegeben ist, dann sind alle Prozentangaben auf das Gewicht der
Legierung bezogen) der Legierung enthält und der Kohlenstoff als
freier Graphit in einer Menge im Bereich von 2 bis 7%, vorzugsweise
3 bis 6%, des gesamten Kohlenstoffs vorhanden ist. Die Zusammensetzung
schließt
weiterhin Niob im Bereich von 1,0 bis 6,0% ein, das im Wesentlichen
in Form von diskreten Niobcarbidteilchen in der Legierung vorhanden
ist. Ein Verfahren zur Herstellung eines Hartgusswalzengehäuses, gebildet
aus der erfindungsgemäßen Legierung,
schließt
folgende Stufen ein (i) Bereitstellung einer geschmolzenen Eisenlegierungszusammensetzung,
(ii) Einstellung der Zusammensetzung durch Zugabe von Niob in einer
ausreichenden Menge, dass eine geschmolzene Charge, (iii) enthaltend
1,0 bis 6,0 Niob, bezogen auf das Gesamtgewicht der geschmolzenen
Charge, erzeugt wird, Bereitstellung einer stöchiometrischen Menge von überschüssigem Kohlenstoff,
um Niobcarbid und freies Carbid beim Abkühlen zu bilden und (iv) Gießen der
geschmolzenen Charge zur Bildung des Hartwalzengehäuses. Das
erfindungsgemäße Verfahren kann
dazu geeignet sein, unbestimmte Hartgusswalzen, enthaltend signifikante
Mengen von Carbiden von anderen Elementen, die Carbide mit niedrigen
Carbidlöslichkeiten
nahe des eutektischen Punkts der Eisenlegierung bilden, zu bilden,
während
genügend
freier Graphit in der Legierung aufrechterhalten wird, dass eine
Legierung erzeugt wird, die die für Harzgusswalzenanwendungen
erforderlichen Eigenschaften besitzt.
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Die
unbestimmte Niobhartgusswalzenzusammensetzung erhöht stark
die Abriebbeständigkeit
von Walzen vom unbestimmten Abkühlungstyp,
ohne dass ihre Beständigkeit
gegenüber
einem Verschweißen
des Bands oder ihre Beständigkeit
gegenüber
Rissbildung unter Schockbeladung verringert wird, indem ein Gleichgewicht
zwischen freiem Graphit und Carbiden in der abgekühlten Zone
während
der eutektischen Verfestigung aufrechterhalten wird.
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Erfindungsgemäß gestattet
die Verwendung von Niob die Zugabe einer relativ großen Menge
eines stark carbidbildenden Elements zu der Walzenlegierung, die
ihre im Wesentlichen teilweise graphitisierte abgekühlte Gussstruktur
beibehält.
Eine Betrachtung der Partitionierungskoeffizienten von anderen Legierungen, die
bei hohen Temperaturen Carbide bilden, legt nahe, das auch Tantal
geeignet sein könnte.
Im Gegensatz dazu könnte
erwartet werden, dass Vanadium, Wolfram, Titan, Molybdän und Chrom
das Graphit-Carbid-Gleichgewicht
während
der eutektischen Verfestigung dramatisch aus dem Gleichgewicht bringen
und dass diese Elemente für
Hartgusswalzenanwendungen nicht geeignet sind. Somit stellt die
Erfindung eine Indefinit-Gusswalzenzusammensetzung
bereit, die die Probleme des Stands der Technik überwindet. Diese und andere
Details, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung ersichtlich.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
hierin verwendete Bezeichnung "Hartgusswalzen-
bzw. Indefinit-Gusswalzen"-Zusammensetzung bedeutet
eine Legierung auf Eisenbasis, die für die Verwendung beim Gießen eines Gehäuses einer
Walzmühlenwalze
vorgesehen ist und die im Allgemeinen folgende Zusammensetzung hat:
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Tabelle
1 Bekannte
Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzungen und daraus gebildete Walzen
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Legierungen
mit dieser Zusammensetzung sind im Stand der Technik gut bekannt
und sie ergeben eine richtige Ausgewogenheit bzw. ein richtiges
Gleichgewicht zwischen den Carbidbildnern und freien Graphitbildnern
bei der eutektischen Verfestigungstemperatur, die im Bereich von
1130°C bis
1150°C liegt.
Die resultierende Legierung enthält
ungefähr
30 bis 38% des Gesamtkohlenstoffs in Form von Carbiden, ungefähr 2 bis
7% des Gesamtkohlenstoffs in Form von Graphit und der restliche
Kohlenstoff ist mit dem Eisen in der Matrix der Legierung legiert.
Legierungen mit Graphit in größeren Mengen
als 7% des Gesamtkohlenstoffgehalts sind im Allgemeinen zu weich,
als dass sie für
das Außengehäuse einer
Walzmühlenwalze
verwendet werden können,
während
Legierungen mit weniger als 2% freiem Graphit nicht für ein Außengehäuse einer
Hartgusswalze geeignet sind, da sie gegenüber Wärmeschocks nicht genügend beständig sind
und nicht genügend Graphit
enthalten, um ein Verschweißen
des Werkstücks
mit der Walze verlässlich
zu verhindern. Die Legierungen mit den Indefinit-Gusswalzenzusammensetzungen
haben eine Härte
im Bereich von ungefähr
70 bis 82 Shore-C gegenüber
dem in der Legierung verwendeten Kohlenstoffbereich.
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Ni
wird zu der Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzung zugesetzt, um die
Bildung von freiem Graphit in der Legierung zu fördern. Jedoch neigt überschüssiges Ni
dazu, die Struktur der Legierung zu destabilisieren. Mo ist für die Bildung
der Matrixstruktur und zur Kontrolle der Größe der im Gusskörper gebildeten
Carbide wichtig. Jedoch ist das Mo auch ein potentes carbidbildendes
Element, so dass der Gehalt an Mo kontrolliert werden muss, um überschüssige Mengen
von Mo zu minimieren, die das Graphit/Carbid-Gleichgewicht fast vollständig zugunsten
der Carbidbildung verschieben würden.
Cr ist ebenfalls ein carbidbildendes Element, das aber das Graphit/Carbid-Gleichgewicht
nicht so stark zugunsten der Carbidbildung verzerren würde, wie potente
carbidbildende Elemente, z.B. V, wenn ein Gleichgewicht mit den
graphitfördernden
Elementen aufrechterhalten wird. Si und Mn sind Desoxidationsmittel,
die zur Bildung von Graphit beitragen und den Charakter des Gusskörpers aufrechterhalten,
jedoch einen nachteiligen Effekt auf die Rissbeständigkeit
der Legierung ausüben,
wenn sie in höheren
Mengen vorhanden sind. P und S sind im Allgemeinen als Verunreinigungen
in der Legierung enthalten und ihr Gehalt sollte in der Legierung
auf ein praktisches Ausmaß,
wie weniger als 0,07% bzw. 0,08%, minimiert werden. Für den Fachmann
wird ersichtlich, dass geringfügigere
Veränderungen der
Elementarbereiche und auch eine Substitution von vergleichbar aktiven
Elementen in der Indefinit-Gusswalzen- Zusammensetzung gemacht werden können, während die
gewünschten
Eigenschaften der Zusammensetzungen, enthaltend 2 bis 7% des Gesamtkohlenstoffs
als freier Graphit in der Legierung, aufrechterhalten werden.
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Während Indefinit-Gusswalzen
innerhalb der obigen Bereiche hergestellt werden können, können die Zusammensetzung
und die resultierenden Eigenschaften der Gusswalze leichter kontrolliert
werden und sie sind zweckmäßiger, wenn
die Zusammensetzungsbereiche gemäß Tabelle
2 begrenzt werden, was eine Legierung ergibt, die 3 bis 6% des Gesamtkohlenstoffs
als freien Graphit enthält.
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Tabelle
2 Bevorzugte
Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzungen und daraus gebildete Walzen
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Die Zugabe
von Niob
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Im
Temperaturbereich des eutektischen Punkts der geschmolzenen Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzungen
hat Niobcarbid eine sehr niedrige Löslichkeit. Die Anmelderin hat
gefunden, dass die Zugabe von Niob zu der geschmolzenen Legierung
und die Abkühlung
der geschmolzenen Legierung auf oberhalb der eutektischen Verfestigungstemperatur
mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 1°C/s zu einer Ausfällung nahezu
des gesamten Niobs in Form von diskreten Niobcarbidteilchen führt und
dass das feste Niobcarbid weder die Chemie der zurückgebliebenen
geschmolzenen Legierung beeinträchtigt
oder die Bildung von anderen Niederschlägen beim Abkühlen der
restlichen geschmolzenen Legierung auf die eutektische Temperatur.
Da weiterhin feste Niobcabidteilchen extrem hart sind (Vickers Härte oberhalb
2000), erhöht
die Anwesenheit der Carbide in der Legierung erheblich die Abriebbeständigkeit
der Legierung. Niobcarbid ist besonders zur Erhöhung der Härte und der Abriebbeständigkeit
der Legierung wirksam, da die Teilchen eine Dichte von ungefähr 7,8 g/cm3 haben, was sehr nahe an diejenige von Eisen
herankommt. Daher verteilen sich die Carbidteilchen gleichförmig in
der Legierungsmatrix und sie flottieren weder noch setzen sie sich
ab, wenn das Außengehäuse entweder
durch statisches oder Spinngießen
gebildet wird. Die gleichförmige
Verteilung des Niobcarbids in dem Gehäuse ist besonders deswegen
wichtig, weil das Außengehäuse einer
Anzahl von Oberflächennachschleifungen
zur Glättung
der Oberfläche
ohne Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften des Gehäuses widerstehen
kann. Das Niob kann zu der Legierung in einem breiten Bereich der
Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzung, wie untenstehend angegeben,
zugesetzt werden:
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Tabelle
3 Niob
enthaltende Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzungen und daraus gebildete
Walzen
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Eine
weitere Konsequenz dieser Entdeckung besteht darin, dass das bislang
heikle Gleichgewicht zwischen Graphit und Carbiden nunmehr unter
Verwendung von Niob manipuliert werden kann, um einen weiten Bereich
von Graphit zu Carbidverhältnissen
zu erhalten. Im Allgemeinen kann eine Manipulation des Graphit zu
Carbidverhältnisses
voraussichtlich unter Verwendung von beliebigen anderen carbidbildenden
Elementen durchgeführt
werden, die niedrige Carbidlöslichkeiten
in geschmolzenen Indefinit-Gusswalzenlegierungs-Zusammensetzungen oberhalb der eutektischen
Temperatur haben. Beispielsweise können Elemente mit ähnlichen
Eigenschaften wie Niob z.B. Tantal ebenfalls Carbide bilden, die
eine niedrige Löslichkeit
in geschmolzenen Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzungen haben und
die möglicherweise
in ähnlicher
Weise wie Niob wirken könnten.
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Herstellung
der Legierung
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Niobcarbid-Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzungen
können
in ähnlicher
Weise hergestellt werden wie Methoden, die typischerweise zur Herstellung
von solchen Zusammensetzungen angewendet werden. Das Niob kann zu
der Legierung vor oder nach dem Aufschmelzen der Legierung und in
beliebiger Form, z.B. als Niobmetall, Ferroniob oder Niobcarbid,
in einer Menge gegeben werden, die die Gesamtzusammensetzung der
Legierung nicht außerhalb
der vorgeschriebenen Bereiche verschiebt. Die Bildung von Niobcarbid
erfordert, dass eine stöchiometrische
Menge von überschüssigem Kohlenstoff
zur Verfügung
gestellt wird, um Niobcarbid zu erzeugen, während die gewünschten
Kohlenstoffgehalte in der Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzung aufrechterhalten
werden. Vorzugsweise werden Niob und Kohlenstoff in Form von Niobcarbid
zugesetzt, das sich in der geschmolzenen Legierung auflöst und dann
beim Abkühlen
der geschmolzenen Legierung ausfällt.
Es kann auch Ferroniob eingesetzt werden, jedoch muss überschüssiger Kohlenstoff
gleichfalls zugegeben werden und die Zusammensetzungsbereiche der
anderen Legierungselemente müssen
bezüglich der
Zugabe von Eisen mit dem Niob entsprechend angepasst werden. Niobmetall
ist nicht so zweckmäßig wie entweder
Niobcarbid oder Ferroniob und zwar wegen der hohen Schmelztemperatur
des Metalls.
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Die
Herstellung der Legierung erfordert das Erhitzen der Metallcharge
mit einem Gesamtzusammensetzungsbereich, der, wie oben angegeben,
für Indefinit-Gusswalzen
erforderlich ist und die Zugabe von Mengen von Niob und Kohlenstoff,
um die gewünschte
Menge von Niobcarbid bei ungefähr
1515°C bis
1540°C in einem
Induktionsofen im Verlauf von ungefähr 30 bis 60 min oder bis die
Analyse des geschmolzenen Metalls anzeigt, dass sich die geschmolzene
Legierung innerhalb der Spezifikationen befindet, zu bilden. Zu
diesem Zeitpunkt wird die geschmolzene Legierung mit einer Geschwindigkeit
von ungefähr
1°C/s abgekühlt, bis
im Wesentlichen das gesamte Niobcarbid aus der geschmolzenen Legierung
ausgefällt
ist. Dann wird das Kühlen weitergeführt mit
einer Geschwindigkeit von ungefähr
0,25°C/s,
bis der eutektische Punkt erreicht worden ist und eine Verfestigung
der restlichen Legierung stattfindet. Bei der Herstellung der Niob
enthaltenden Legierungen wurde festgestellt, dass ein bevorzugter
Bereich der Legierungszusammensetzungen gemäß Tabelle 4 leicht entsprechend
der vorgenannten Verfahrensweise hergestellt werden kann und eine
Legierung, enthaltend 3 bis 6 des Gesamtkohlenstoffs als freien
Graphit, ergibt.
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Tabelle
4 Bevorzugte
Niob enthaltende Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzungen und daraus
gebildete Walzen
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Beispiele
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Eine
Gusseisenlegierung wurde auf die vorgenannte Weise mit folgender
Zusammensetzung hergestellt:
| Kohlenstoff | 3,3
bis 3,4 |
| Nickel | 4,5
bis 4,6 |
| Chrom | 1,9
bis 2,0 |
| Molybdän | 0,4
bis 0,5 |
| Silicium | 0,7
bis 0,8 |
| Mangan | 0,9
bis 1,0 |
| Phosphor | 0,03
bis 0,04 |
| Schwefel | 0,05
bis 0,06 |
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Die
resultierende Legierung hatte eine Härte von 80 (Shore C). Unter
Verwendung dieser Legierung als Grundlinien-Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzung
wurde eine Anzahl von Niobcarbidlegierungen gegossen, indem steigende
Mengen von Ferroniob zu der Legierung gegeben wurden, ohne dass
der bei der Niobcarbidausfällung
verbrauchte Kohlenstoff kompensiert wurde oder dass zusätzliches
Eisen eingeführt wurde.
Die Härte
der Legierungen wurde bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5
im Vergleich zu der Grundlinienlegierung (Legierung 0) zusammengestellt.
Die Tabelle enthält
auch die kalkulierte Kohlenstoffmenge, die in dem eutektischen Feststoff
zurückgeblieben
war, wobei der durch das Niob verbrauchte Kohlenstoff und die Zugabe
von Eisen mit Niob berücksichtigt
wurden, wobei angenommen wurde, dass das gesamte Niob als Niobcarbid
ausgefällt
wurde und als Mittelwert der beobachteten Bereiche für jedes
Element verwendet wurde. Tabelle
5 Härte der
Gusseisenlegierung als Funktion des Niobgehalts
- * außerhalb
der Erfindung
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Wie
in Tabelle 5 gezeigt, führte
die Zugabe sogar einer geringen Menge (0,55%) zu einer signifikanten Verbesserung
der Härte.
Jedoch nimmt bei einer Erhöhung
der Niobmenge ohne Kompensierung des Kohlenstoffverbrauchs die Härte des
Materials erheblich ab, wie es bei den Proben 4, 5 und 6 der Fall
ist. Der signifikante Effekt der Verminderung des Kohlenstoffgehalts
der restlichen Legierung zeigt das heikle Gleichgewicht an, das
bei Indefinit-Gusswalzen-Zusammensetzungen erreicht werden soll.
Die Zugabe von nahezu 6% Niob ergibt eine Legierung mit einer Härte von
nur 76 Shore C, was weniger ist als diejenige der Grundlinienlegierung.
Die Härte
steht aber in einem günstigen
Vergleich zu einer Legierung, enthaltend nur 2,45% Kohlenstoff in
der Matrix, ohne dass Niobcarbid in der Legierung vorhanden ist.
Im Allgemeinen steigert die Zugabe von Niob die Härte der
Legierung um ungefähr
3 Shore C-Einheiten, was in wichtigerer Weise zu einer signifikanten Erhöhung der
Abriebbeständigkeit
der Indefinit-Hartgusswalzen-Zusammensetzung beiträgt, während die
notwendige Menge von freiem Graphit in der Legierung aufrechterhalten
wird, um als Hartgusswalze zu dienen. Die Werte der Tabelle 5 zeigen,
dass eine maximale Härte
erreicht wird, wenn der Niobgehalt im Bereich von 0,55 bis 1,47
Gew.-% liegt und der Kohlenstoffgehalt im Bereich von 3,27 bis 3,13
Gew.-% der Gesamtlegierung liegt. Weitere Testversuche zeigen, dass
der Niobgehalt vorzugsweise im Bereich von 1,0 bis 3 Gew.-%, am
meisten bevorzugt bei 1,5 Gew.-% liegt, wenn der Kohlenstoffgehalt
im Bereich von 3,3 bis 3,45 Gew.-% liegt.
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Weiterhin
wurden mehrere Hartgusswalzen aus den obigen Legierungen mit den
ungefähren
Abmessungen 76,5 cm (30,5 inch) im Durchmesser und einer Länge von
177,8 cm (70 inch) hergestellt. Eine Hartgusswalze, bestehend aus
einer Niob enthaltenden Legierung, wurde in den letzten Ständer eines
Walzwerks gegeben und im Vergleich zu einer Hartgusswalze des Stands
der Technik getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 zusammengestellt:
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Tabelle
6 Test
des Verschleißes
der Indefinit-Hartgusswalze
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Wie
in Tabelle 6 gezeigt wird, erhöhen
Indefinit-Hartgusswalzen
mit Niobcarbidgehalt stark die erwartete Lebensdauer und zwar um
etwa 45% gegenüber
existierenden Hartgusswalzen, bezogen auf metrische Tonnen Stahl,
gewalzt pro mm Verschleiß aufgrund
des Walzens des Stahls und des Nachschleifens der Walze zwischen
den Seiten oder Läufen
in dem Walzwerk. Zusätzlich
zur Erhöhung
der Zeitspanne zwischen dem Abschalten des Walzwerks, um die Hartgusswalze
nachzuschleifen, verleiht die Hartgusswalze mit Niobcarbid dem Band
einen konsistenteren Oberflächen-Finish
zwischen den Nachschleifvorgängen
wegen des niedrigeren Verschleißes
an der Walzenoberfläche.
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Für den Fachmann
wird ersichtlich, dass die Erfindung signifikante Vorteile gegenüber dem
Stand der Technik ergibt. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung
eine Inde finit-Hartgusswalze bereit, die eine gesteigerte Abriebbeständigkeit
hat, wodurch längere
Betriebszeiten ermöglicht
werden, bevor ein Nachschleifen der Walze notwendig ist. Die Erfindung
ermöglicht
auch die Herstellung von glatten Werkstücken aufgrund der geringeren
Tendenz, dass an der Walzenoberfläche ein Abrieb gebildet wird.
Erfindungsgemäß wird die
Härte der
Indefinit-Gusswalze erhöht,
was weiterhin glattere Werkstücke
liefert.
