EP1206984A2 - Gradientenwerkstoff-Formkörper - Google Patents

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EP1206984A2
EP1206984A2 EP01125434A EP01125434A EP1206984A2 EP 1206984 A2 EP1206984 A2 EP 1206984A2 EP 01125434 A EP01125434 A EP 01125434A EP 01125434 A EP01125434 A EP 01125434A EP 1206984 A2 EP1206984 A2 EP 1206984A2
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EP
European Patent Office
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molded body
alloy
cast
gradient material
content
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EP01125434A
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English (en)
French (fr)
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EP1206984B1 (de
EP1206984A3 (de
Inventor
Manfred Dr. Heinritz
Heinz-Michael Dr. Zaoralek
Rainhard Dr. Laag
Jürgen KRÜGER
Horst Herbst
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Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
Original Assignee
Schwaebische Huettenwerke Automotive GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/12—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ
    • B22D11/124—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ for cooling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12458—All metal or with adjacent metals having composition, density, or hardness gradient

Definitions

  • the invention relates to a gradient material molded body and a method for Production of a gradient material molded body.
  • roller body of a roller over a hard, wear-resistant surface and one against it softer, machinable core.
  • the roller body will For example, made of forged steel, the surface of which is additional is subjected to a hardening process, for example inductive hardening.
  • roller bodies such as the Invention preferred, but not exclusively concerned, are static Chill casting, centrifugal casting and composite casting were introduced.
  • Static gravity die casting uses liquid iron or a liquid Fe-based alloy encapsulated in a thick-walled form made of metal.
  • a fast Cooling in the edge area i.e. in close proximity to the metal mold, can at suitable alloy lead to a white solidification of the iron, i.e. the Carbon of the alloy remains between the lattice sites of the iron crystal.
  • the such strained grating is very hard.
  • At the core of the roller falls at slower Cooling the carbon off as graphite.
  • a bi-metal body is created in one casting with the desired properties.
  • Centrifugal casting differs essentially from static Chill casting by rotating the mold. This offers the possibility of using different casting alloys to work with.
  • a possibly with Chromium and nickel alloy shell iron is filled into the mold where it can be seen through the Centrifugal forces arranged on the mold inner wall and solidified. Then the remaining mold space filled with the so-called core iron. If suitable Adjusting the temperatures melt the core iron and that Shell iron, so that a bi-metal body is also created.
  • Two Fe-based alloys are also used for composite casting.
  • shape is static. After filling the entire form with the shell iron is waited until a solidified shell has formed. Then the still liquid core through an opening in the lower mold area drained. After closing the drain opening, the shape with the Core iron refilled. There is also a variant that is still liquid Shell iron is displaced by refilling with core iron.
  • the rotating mold In centrifugal casting, the rotating mold is usually made up of a tube forged, temperature-resistant steel and is also expensive. For each Roll diameter to be supplied requires at least one shape. Since the Rolls of different lengths may even be several Forms with graded length economical. It is then poured into the shortest possible shape, and it will the unneeded roller piece from the solidified Cast body separated.
  • US Pat. No. 6,089,309 describes the production of gradient materials in one Continuous mold casting from two cast together in a mold Alloys described.
  • In the strand is a cross to the direction of the strand Temperature field set so that a strong atomic diffusion in the liquid State and in the high temperature range of the solid state takes place to cross to the strand a continuous change in the material composition receive.
  • the process is used for the production of steel and Semi-finished products made of Fe-based alloys proposed.
  • the invention has recognized that continuous mold casting for an inexpensive Production of moldings with a property gradient is suitable.
  • the Shaped body gets its final shape in the continuous casting without downstream Forming processes.
  • none is used as molded article in the sense of the invention Understand semi-finished product, which is still plastic for the production of a molded body must be reshaped.
  • Material-removing processing after casting it should not be excluded.
  • the gradient material molded body of the Invention can even be cast with an addition of material and after casting directly to a material-removing unit that may still be required Processing, for example polishing, grinding, turning, milling and / or Drilling operations are subjected to a functional component for a machine receive.
  • a material-reducing surface finishing after casting advantageously only for setting a predetermined surface quality made, which is required for the prefabricated component.
  • the default The surface roughness can in particular be the surface roughness.
  • can worked on a predetermined wettability of the surface of the prefabricated component be the surface for example for a subsequent one To prepare the coating process with a coating material.
  • a post-processing if such is necessary at all, preferably serves to maintain a predetermined roughness depth.
  • material-removing processing after casting serve to avoid any form errors that result from the casting can, i.e. procedural imperfections to eliminate. So he can Moldings obtained directly from the casting may be slightly crooked, one Bulky or have several indentations or constrictions, which by a turning process or, if the shape errors are very small, by grinding be eliminated.
  • the Cast a prefabricated component close to the final shape received.
  • the Molded body so close to the final contour that a material-removing Surface processing can only be carried out with the proviso that a predetermined surface quality, for example the roughness, is set.
  • the Shaped body according to the invention has as a result all material properties and all geometrical properties, preferably except for those for the finished component applicable tolerances.
  • the continuous Chilled cast iron can thus be used for prefabricated components that were previously used in static Chill casting has been obtained, while continuous casting has so far only for the production of semi-finished products and always with the aim of the total homogeneous structure was used.
  • the invention aims to provide one with respect to the Gradient property at least equivalent, preferably even superior to create an alternative for such moldings, which were previously only cast statically become.
  • Particularly preferred exemplary embodiments of such shaped articles are Roll body of rolls for the processing of sheet-like materials, for example for calenders for paper production, or also Wear castings, in particular grinding media, friction bodies and crushing bodies, for example for crushing granular substances. Can use such wear castings in the food industry, Coating industry, the cement and brick industry and the Find coal milling to name just a few preferred uses call.
  • Such functional components are advantageously machinable. On the other hand, these functional components must have a wear-resistant surface in order to be able to fulfill your actual function as an active body. So had the invention in particular also a hard chilled cast of cylindrical Rotational bodies in the continuous casting process to the object.
  • thermodynamic Equilibrium By alloying a metallic base melt in such a way that appropriate tempering when casting outside the thermodynamic Equilibrium solidifies to form one or more elimination phases, can be a gradient material molded body from a single starting melt getting produced.
  • An elaborate casting from several starting melts different composition is not necessary, but should not be excluded.
  • casting around one on it Surface preferably already stabilized core at the same time Forced cooling from the outside also for solidification of the shell outside the thermodynamic equilibrium will be beneficial.
  • the core and the shell can be poured together, which is also continuous cast core after leaving its mold until it enters the mold Subsequent mold for the casting already superficially as mentioned is stabilized.
  • the core can also be formed by a foreign core, which previously otherwise formed, for example independently cast.
  • a preferred one Application for the encapsulation of a foreign core is the production of a fiber-reinforced composite molded body.
  • such a Composite moldings are formed with a wound Al-B core, which in continuous mold casting is poured, preferably with that in the casting formed gradients.
  • a cast body is a continuous one Chill casting a much more intensive tempering, especially one more severe hypothermia, accessible.
  • a cooling medium can directly on the cast body moving in the strand act. The cooling outside the mold enables intensive cooling of the rug in the outer area of the strand.
  • Cast body does not have to be made, but can additionally be provided. So the matrix of the cast body can be replaced by Warming and thereby allowing diffusion processes to be conditioned create a structural state in the cast body shell that is closer to thermodynamic equilibrium is considered immediately after casting.
  • castings are made from a carbon-containing Fe base melt Carbides are even more finely distributed in the shell to pass through in this state repeated cooling to be preserved.
  • the one for an afterthought Heating required energy can already due to the invention existing, advantageous microstructure can be kept low.
  • a core of the molded body is in the thermodynamic equilibrium freezes.
  • the gradient is preferably in a transition area between the core and the shell.
  • grinding media of a grinder can be the same or one Similar structure to the static structure known for such bodies Casting process can be obtained.
  • continuous casting significantly higher heat dissipation rates on the surface of the Cast body than with a static casting and therefore a particularly fine Graininess can be adjusted in the bowl.
  • the at least one base melt can be an Al, Ti, Ni or Cu base alloy his. It is preferably an Fe-based alloy. Although that Basically, only one alloy element can be alloyed the base melt, however, preferably with at least two alloy elements formed, with each alloyed element in the base melt a share that extends to at most the nearest ternary eutectic. This also applies to the alloying of more than two alloy elements, where C as Alloy element is counted.
  • the at least one base melt is preferably a cast alloy, i.e. a Alloy of metals in which the final workpiece shape of if necessary relatively minor postprocessing to be carried out as a result is obtained that the alloy in the liquid state in a suitable mold is filled, as is the case with static molding.
  • the casting alloy has good casting properties. This requirement comes thermodynamically subcoolable and therefore metastable quenchable alloys the preferred casting alloys for the invention Are gradient materials. Alloys are also composed eutectically preferred gradient materials, in particular for moldings in which particularly fine-grained structure right down to the core of the cast component be required.
  • the Cast alloy of the invention is in an even more preferred embodiment a typical cast alloy modified so that the formation of Excretions are favored.
  • a preferred alloying element for each of the The base metal is Zr as a strong glass former.
  • Al in particular Si comes as Alloy element in question, preferably in combination with Zr.
  • Cu based alloys contain particularly preferably as an alloying element or more of the elements Zr, B and Ti.
  • Hardness gradients are alloys based on Fe that are continuously Cast the shell in chilled cast iron, unalloyed or alloyed, the Cr and / or Mo elements are preferred alloy elements for hard cast alloys are.
  • a particularly preferred Fe base melt is compared to a typical one Cast iron preferably undersilicated and has a silicon content of at least 0.1 and at most 1.2% by weight, preferably at most 0.8%, on. Otherwise, the alloy corresponds to cast iron alloys.
  • the silicon content the Fe base melt is preferably higher, the higher the cooling rate or Cooling speed of the cast body is. It also follows that the Silicon content advantageously depending on the cross section of the Cast body obtained directly from the continuous casting becomes. In the case of a cast body with a circular cylindrical cross section, for example the silicon content of the base melt with increasing diameter within of the range mentioned. The following applies to non-circular cylindrical cross sections this analogously.
  • An Fe base melt of carbon is preferably supersaturated, the Carbon content of 0.2 to at most 5% by weight, preferably at most 4% is enough.
  • the melt can also advantageously be used in addition to Carbon supersaturation may be oversaturated on another alloy element.
  • the carbon supersaturation and undersilicate can each individually Application, but are particularly advantageous in combination for Excretion of carbides in the shell with simultaneous stable solidification in a core area of the cast body.
  • Another preferred Fe base melt is by a Tool steel alloy with a C content of at least 0.8 and at most 1.5% by weight, a Cr content of at least 5 and at most 12% by weight and at least one of the primary carbide formers V, Mo and W are formed. Will only if one of the primary carbide formers is added, then in the case of V the V content at least 5 and at most 10% by weight, in the case of Mo the Mo content at least 0.5 and at most 1.5% by weight, and the W content in the case of W is at most 1% by weight.
  • the lower limits per alloying element can also be primary carbide formers be undercut.
  • the levels of C and the primary carbide formers are selected within the specified limits so that the carbon through the or the plurality of primary carbide formers is used up by carbide formation.
  • the alloy element Cr begins the tolerance C, i.e. ultimately not entirely inaccuracy of the addition of C to be avoided due to chromium carbide formation. If necessary, Zr and / or Y can also be alloy components. Si the tool steel alloy preferably does not have.
  • the molded body has the C content mentioned and, if appropriate, also the content of the others Alloy elements in cross section due to the gradient on average.
  • Preferred gradient material moldings used in continuous mold casting obtained from the tool steel alloy are roll bodies for rolling of films or roll bodies for film calenders, in particular for high-strength, filled plastic films.
  • Another example of a preferred one Gradient material moldings are screw sets for extruders Manufacture of plastic profiles.
  • Rotational bodies in particular roller bodies, with one over the Roller body length defined Young's modulus, hereinafter abbreviated as modulus of elasticity.
  • modulus of elasticity So for a roller body made of tool steel for a foil calendar, a modulus of elasticity that is constant over the entire length of the roll body of, for example, 210 GPa.
  • the setting of a defined E-module can also be used with roller bodies made of cast iron and basically used in all gradient material moldings according to the invention become.
  • the continuous mold casting also enables controlled variation of the modulus of elasticity over the molded body length.
  • such targeted adjustment of the modulus of elasticity in continuous casting the radial rigidity of a Roller body for a calender, for example a paper calender, in the axial Direction can be set so that a gap between two rolling Roll bodies for web treatment is formed in the axial direction has a constant gap width. That in the load case without such compensation expected variation of the gap width is thus already in the casting corresponding variation of the modulus of elasticity in the axial direction is taken into account.
  • process parameters become continuous Chill casting, such as in particular strand withdrawal speed and cooling of the Strand surface, selected in accordance with the modulus of elasticity.
  • Adjustment of the modulus of elasticity is preferably a controlled casting process Commitment.
  • the modulus of elasticity is determined indirectly during the casting, for example by means of ultrasound measurement and / or magnetostriction measurement on the strand during solidification. In the case of an ultrasonic measurement, by determination the speed of sound of the modulus of elasticity is determined. The speed of sound forms in this case the controlled variable of the regulation for the casting process.
  • the core area of the cast body can be fully cylindrical or hollow cylindrical.
  • the continuous casting of a hollow cylindrical casting has the advantage that an internal blow problem does not arise.
  • a cylindrical cast body is obtained by that a base alloy, for example an Fe base alloy with a certain carbon content and a certain silicon content and if necessary, further alloying elements in a continuous caster cast a continuous, preferably straight, vertical strand becomes.
  • a base alloy for example an Fe base alloy with a certain carbon content and a certain silicon content and if necessary, further alloying elements in a continuous caster cast a continuous, preferably straight, vertical strand becomes.
  • An average withdrawal speed of the strand from a continuous casting mold preferably satisfies the relation 10 Rel V m 7 7 x 10 7 x D -z .
  • the average pulling speed v m results from this in mm / min.
  • D is the outside diameter of the body in mm
  • z is a dimensionless factor with a value in the range between 1.9 and 2.0.
  • the average pulling speed 10 mm / min v v m 140 140 mm / min.
  • the metallurgical length is preferably less than or at most equal to 2/3 of the strand length.
  • the strand can exit at a constant speed Continuous casting mold are removed. In this case it is a momentary Pull-off speed constant and equal to the average pull-off speed.
  • the current pull-off speed can fluctuate, with the Fluctuations or changes in the current pulling speed are periodic. Within the periodicity, the current Peel speed may even be zero, with the resulting The standstill phases are each no longer than 5 seconds.
  • the invention allows for an extensive and expensive mold park to be dispensed with. It is also only necessary to provide as much liquid alloy become, as is necessary for the length of the molded body to be produced.
  • the subcooling of the Strands particularly well on the desired gradient during the stripping be adjusted.
  • the possibilities for action and the intensity are opposite the static cast significantly expanded.
  • the Pulling speed and cooling of the strand is the Solidification process in the strand specifically in relation to the desired gradient affected.
  • the thickness and the uniformity of the shell formation are so controllable.
  • the fine grain of the structure is improved and with it the Strength and hardness of the surface.
  • the Hypothermia, nucleation and crystallization of the melt can be influenced that alloys far out of thermodynamic equilibrium arise.
  • Mechanical and physical properties such as for example the hardness, tensile strength, thermal conductivity, the mechanical Damping behavior and / or the heat storage capacity can be achieved in the case of a chill casting and a centrifugal casting, not or only to a significant extent higher technical effort can be achieved. This is for the Usage properties as well as the wear and corrosion resistance of Advantage.
  • the invention allows the targeted production of a multi-phase Gradient material with a continuous, but still defined Transition between a hard shell and a softer one Single base alloy core.
  • the invention particularly allows one targeted manufacture of a bi-metallic body by a metastable solidifying alloyed base melt.
  • two molds are on the way of the strand one behind the other, in particular one below the other.
  • the in The downward mold has a larger diameter than the upstream mold Mold.
  • a core strand is formed in the upward mold, which is formed by the led down mold and around the one in the down mold Shell alloy is poured. This makes it possible in one continuous casting process from a cylindrical bi-metal body To produce gradient material, the gradient material being replaced by a first Alloy for the core and a different, second alloy for the shell is formed.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a continuous casting plant for production of a cylindrical molded body made of chilled cast iron.
  • a warming device 1 of the continuous caster is a liquid Iron alloy with a carbon content in the range between 2 and 5 % By weight and a silicon content in the range between 0.2 and 1.2 % By weight, preferably 0.2 and 0.6%, based on the Total alloy mass, recorded.
  • a continuous casting mold 2 is arranged.
  • Between the mold 2 and the platform 3 is a cooling device 5 or around the strand 4 optionally arranged several cooling devices.
  • the cooling device or Cooling devices 5 have or have blowing nozzles for a cooling gas and / or Spray nozzles for a coolant.
  • the liquid iron alloy is removed from the holding device 1 of the mold 2 fed.
  • the melt solidifies on the surface in a thin supporting skin the cooled mold 2.
  • the strand thus stabilized passes 4 the cooling device 5 and is cooled in a controlled manner after it leaves the Area of effect of the mold 2 has been lowered.
  • the forced cooling begins close to the mold, preferably immediately behind the mold outlet.
  • a rugged cooling system is used performed in which within an outer shell of the strand and later shaped body excreted in finely dispersed carbides and that fine-grained structure is frightened. Radially under the hard so formed The shell solidifies, i.e. the thermodynamically stable is formed Graphite phase.
  • the strand 4 rests on the platform 3.
  • the Pull-off speed v of strand i.e. the speed at which the Strand 4 is withdrawn from the mold 2 and passed through the cooling device 5, is equal to the lowering speed of the platform 3.
  • the lowering device 10 supports and guides the platform 3.
  • the platform 3 is preferably designed as a hydraulic lift.
  • the strand 4 can in the case of a circular cylindrical strand when casting one Fe-based alloy have a diameter of up to 2000 mm.
  • a Cu-based alloy can Strand diameter because of the better thermal conductivity of Cu be even bigger.
  • the silicon content of an Fe base melt is preferred Embodiments increased with the strand diameter. With thin strands, of, for example, about 200 mm, the silicon content can be up to 0.7%, while the silicon content of the base melt is lower for thicker strands should and with a strand diameter of about 2000 mm preferably up to Is reduced by 0.1%. Gradient formation is achieved by sub-siliciding supported.
  • the outer shell solidified outside of the thermodynamic equilibrium is preferably the thicker, the larger the diameter of the cast body is not lastly by the larger material addition required in the case of larger diameters In case of machining post-processing of the surface.
  • the thickness of the quench layer Roll bodies preferably about 100 mm.
  • the thickness of the fright layer is advantageously between 1% and 10% of the Diameter of the cast body, the thickness over the circumference of the Cast body is adjusted as evenly as possible.
  • the thickness of the quench layer can also be targeted over the circumference can be varied.
  • a hollow cylinder can be with a core or with a Inner mold can be worked.
  • a core it is one Design of the platform advantageous in such a way that the platform with the Bottom of the core is connected.
  • the core itself is preferred a lifting or lowering device attached to the mold.

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Abstract

Gradientenwerkstoff-Formkörper, der aus wenigstens einer Metalllegierung, die in einer äußeren Schale des Formkörpers außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts erstarrt ist, in einem kontinuierlichen Kokillenguss erhalten wurde. Verfahren zur Herstellung eines Gradientenwerkstoff-Formkörpers, bei dem der Formkörper aus wenigstens einer übersättigt legierten Metallschmelze in einem kontinuierlichen Kokillenguss in seine Endform gegossen und bei dem Gießen eine äußere Formkörperschale in ihr Kristallgitter eingeschreckt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Gradientenwerkstoff-Formkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines Gradientenwerkstoff-Formkörpers.
Für die Herstellung von Walzen zur Behandlung von bahnförmigen Materialien, wie z. B. Papier und Stahlblech, ist es von Vorteil, wenn ein Walzenkörper einer Walze über eine harte, verschleißbeständige Oberfläche und einen demgegenüber weicheren, spanend gut zu bearbeitenden Kern verfügt. Der Walzenkörper wird beispielsweise aus geschmiedetem Stahl hergestellt, dessen Oberfläche zusätzlich einem Härteprozess, beispielsweise einem induktiven Härten, unterzogen wird.
Für die Herstellung von Formkörpern, beispielsweise Walzenkörper, wie die Erfindung sie bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich betrifft, sind der statische Kokillenguss, der Zentrifugalguss und der Verbundguss eingeführt.
Bei dem statischen Kokillenguss wird flüssiges Eisen oder eine flüssige Fe-Basislegierung in einer starkwandigen Form aus Metall vergossen. Eine schnelle Abkühlung im Randbereich, d.h. in unmittelbarer Nähe zur Metallform, kann bei geeigneter Legierung zu einer Weißerstarrung des Eisens führen, d.h. der Kohlenstoff der Legierung bleibt zwischen den Gitterplätzen des Eisenkristalls. Das derart verspannte Gitter ist sehr hart. Im Kern der Walze fällt bei langsamerer Abkühlung der Kohlenstoff als Graphit aus. Dort entsteht ein graues Eisengefüge, das dem üblichen Grauguss nahe kommt. In einem Guss entsteht so ein Bi-Metallkörper mit den gewünschten Eigenschaften.
Der Zentrifugalguss unterscheidet sich im wesentlichen vom statischen Kokillenguss dadurch, das die Form rotiert. Dies bietet die Möglichkeit, mit verschiedenen Gusslegierungen zu arbeiten. Zunächst wird ein gegebenenfalls mit Chrom und Nickel legiertes Schaleneisen in die Form gefüllt, wo es sich durch die Zentrifugalkräfte an der Forminnenwand anordnet und erstarrt. Danach wird der verbleibende Formraum mit dem sogenannten Kerneisen aufgefüllt. Bei passender Abstimmung der Temperaturen verschmelzen das Kerneisen und das Schaleneisen, so dass ebenfalls ein Bi-Metallkörper entsteht.
Auch bei dem Verbundguss kommen zwei Fe-Basislegierungen zum Einsatz. Die Form ist wie beim Kokillenguss statisch. Nach dem Füllen der gesamten Form mit dem Schaleneisen wird abgewartet, bis sich eine erstarrte Schale gebildet hat. Dann wird der noch flüssige Kern durch eine Öffnung im unteren Formbereich abgelassen. Nach dem Verschließen der Ablauföffnung wird die Form mit dem Kerneisen wieder aufgefüllt. Es existiert auch die Variante, dass das noch flüssige Schaleneisen durch Nachfüllen mit Kerneisen verdrängt wird.
Bei dem Kokillenguss ist die Herstellung der Form teuer und aufwendig. Die Form besteht aus gusseisernen Ringen, den Kokillen, in einer sehr hochwertigen Qualität. Die Kokillen müssen vor jedem Guss bearbeitet, innen beschichtet und angewärmt werden. Das präzise Ausrichten der über 100°C heißen Kokillen ist Schwerarbeit. Durch den Kontakt mit dem flüssigen Eisen wird die Kokilleninnenseite thermisch stark beansprucht. Es entstehen Risse, und der Graphit verbrennt. Nach mehreren Abgüssen müssen die Kokillen deshalb ausgewechselt werden. Für jeden zu liefernden Walzendurchmesser ist ein kompletter Kokillensatz zu bevorraten. Nach dem Eingießen in die Form besteht keine Möglichkeit mehr, die Gussqualität zu beeinflussen.
Bei dem Zentrifugalguss wird die rotierende Form in der Regel durch ein Rohr aus geschmiedetem, temperaturfesten Stahl gebildet und ist ebenfalls teuer. Für jeden zu liefernden Walzendurchmesser ist mindestens eine Form erforderlich. Da die Walzen unterschiedliche Längen haben, sind unter Umständen sogar mehrere Formen mit abgestufter Länge wirtschaftlich. Gegossen wird dann in die kürzestmögliche Form, und es wird das nicht benötigte Walzenstück vom erstarrten Gusskörper abgetrennt.
Für den Verbundguss gilt das für den Kokillenguss Gesagte. Hinzu kommt noch der fast doppelt so hohe Aufwand für das flüssige Eisen. Beim Verdrängungsverfahren vermischt sich zudem stets das Kerneisen mit dem verdrängten Schaleneisen, und diese Mischeisenmenge ist nur unter Einschränkungen wieder verwendbar.
In der US-PS 6,089,309 wird die Herstellung von Gradientenwerkstoffen in einem kontinuierlichen Kokillenguss aus zwei in einer Kokille miteinander vergossenen Legierungen beschrieben. Im Strang wird quer zur Strangrichtung ein Temperaturfeld so eingestellt, dass eine starke atomare Diffusion im flüssigen Zustand und im hohen Temperaturbereich des festen Zustands stattfindet, um quer zum Strang eine kontinuierliche Änderung der Materialzusammensetzung zu erhalten. Das Verfahren wird unter anderem für die Herstellung von Stahl und Halbzeugen aus Fe-Basislegierungen vorgeschlagen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Walzenkörper von Walzen zur Behandlung bahnförmiger Materialien und andere Formkörper, für die ein Gradient in Bezug auf eine mechanische und/oder physikalische Materialeigenschaft vorteilhaft ist, und ein Verfahren zur preiswerten Herstellung solcher Formkörper zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 14 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.
Die Erfindung hat erkannt, dass der kontinuierliche Kokillenguss für eine preiswerte Herstellung von Formkörpern mit einem Eigenschaftsgradienten geeignet ist. Der Formkörper erhält im kontinuierlichen Guss seine Endform ohne nachgeschaltete Umformprozesse. Als Formkörper im Sinne der Erfindung wird insbesondere kein Halbzeug verstanden, das zur Herstellung eines Formkörpers erst noch plastisch umgeformt werden muss. Eine materialabtragende Bearbeitung nach dem Guss soll jedoch nicht ausgeschlossen sein. Der Gradientenwerkstoff-Formkörper der Erfindung kann sogar mit einer Materialzugabe gegossen und nach dem Guss unmittelbar einer gegebenenfalls noch erforderlichen materialabnehmenden Bearbeitung, beispielsweise Polier-, Schleif-, Dreh-, Fräs- und/oder Bohrvorgängen, unterzogen werden, um ein Funktionsbauteil für eine Maschine zu erhalten. Vorteilhafterweise können aus einem einzigen Strang in die Endform gegossene Fertigbauteile im vorstehend genannten Sinne in gleichen oder auch in unterschiedlichen Längen erhalten werden. Durch Ablängen kann noch während des Gusses dem Bedarf, insbesondere den Kundenwünschen, flexibel Rechnung getragen werden, indem der Strang auf die für das Fertigbauteil erforderliche Länge abgelängt wird. Ein späteres Ablängen soll jedoch nicht ausgeschlossen sein.
Eine materialabnehmende Oberflächennachbearbeitung nach dem Guss wird vorteilhafter Weise nur für eine Einstellung einer vorgegebenen Oberflächengüte vorgenommen, die für das Fertigbauteil gefordert wird. Die vorgegebene Oberflächegüte kann insbesondere die Oberflächenrauhigkeit sein. Ebenso kann auf eine vorgegebene Benetzbarkeit der Oberfläche des Fertigbauteils gearbeitet werden, um die Oberfläche beispielsweise für einen nachfolgenden Beschichtungsvorgang mit einem Beschichtungswerkstoff zu präparieren. Eine materialabnehmende Nachbearbeitung, falls eine solche überhaupt erforderlich ist, dient bevorzugter Weise der Einhaltung einer vorgegebenen Rautiefe.
Gegebenenfalls kann eine materialabnehmende Bearbeitung nach dem Guss jedoch dazu dienen, eventuelle Formfehler, die sich aus dem Guss ergeben können, d.h. verfahrensimmanente Formfehler, zu beseitigen. So kann der unmittelbar durch den Guss erhaltene Formkörper geringfügig krumm sein, eine Bauchigkeit oder mehrere Einzüge bzw. Einschnürungen aufweisen, die durch einen Abdrehvorgang oder falls die Formfehler sehr klein sind, durch Schleifen beseitigt werden. In diesem Sinne wird nach der Erfindung unmittelbar aus dem Guss ein endkonturnahes Fertigbauteil erhalten. Vorzugsweise ist der Gussformkörper derart endkonturnah, dass eine materialabnehmende Oberflächenbearbeitung nur noch mit der Maßgabe durchzuführen ist, dass eine vorgegebene Oberflächengüte, beispielsweise die Rautiefe, eingestellt wird. Der Formkörper nach der Erfindung weist im Ergebnis alle Werkstoffeigenschaften und alle Geometrieeigenschaften, vorzugsweise bis auf die für das Fertigbauteil geltenden Toleranzen, auf. Nach der Erfindung wird der kontinuierliche Kokillenguss somit für Fertigbauteile nutzbar gemacht, die bislang im statischen Kokillenguss erhalten wurden, während der kontinuierliche Guss bislang lediglich zur Herstellung von Halbzeugen und stets mit dem Bestreben der insgesamt homogenen Gefügestruktur verwendet wurde.
In bevorzugten Ausführungen zielt die Erfindung darauf ab, eine in Bezug auf die Gradienteneigenschaft zumindest gleichwertige, vorzugsweise sogar überlegene Alternative für solche Formkörper zu schaffen, die bislang nur statisch gegossen werden. Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele solcher Formkörper sind die Walzenkörper von Walzen für die Bearbeitung von bahnförmigen Materialien, beispielsweise für Kalander für die Papierherstellung, oder auch Verschleißgusskörper, insbesondere Mahlkörper, Reibkörper und Quetschkörper, beispielsweise zum Zerkleinern von granulatförmigen Stoffen. Verwendung können solche Verschleißgusskörper in der Nahrungsmittelindustrie, Beschichtungsindustrie, der Zement- und Ziegeleiindustrie und der Kohlevermahlung finden, um nur einige bevorzugte Einsatzmöglichkeiten zu nennen. Solche Funktionsbauteile sind vorteilhafterweise spanend gut bearbeitbar. Andererseits müssen diese Funktionsbauteile über eine verschleißfeste Oberfläche verfügen, um Ihre eigentliche Funktion als Einwirkkörper erfüllen zu können. So hat die Erfindung insbesondere auch einen Schalenhartguss von zylindrischen Rotationskörpern im Stranggießverfahren zum Gegenstand.
Indem eine metallische Basisschmelze derart legiert ist, dass sie bei entsprechender Temperierung bei dem Gießen außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts unter Bildung einer oder mehrerer Ausscheidungsphasen erstarrt, kann ein Gradientenwerkstoff-Formkörper aus einer einzigen Ausgangsschmelze hergestellt werden. Ein aufwendiges Gießen aus mehreren Ausgangsschmelzen unterschiedlicher Zusammensetzung ist nicht erforderlich, soll aber nicht ausgeschlossen werden. So kann beispielsweise das Umgießen eines an seiner Oberfläche vorzugsweise bereits stabilisierten Kerns unter gleichzeitiger Zwangskühlung von außen ebenfalls für eine Erstarrung der Schale außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts von Vorteil sein. Der Kern und die Schale können gemeinsam gegossen werden, wobei der ebenfalls kontinuierlich gegossene Kern nach dem Verlassen seiner Kokille bis zum Einlaufen in die nachgeordnete Kokille für das Umgießen bereits wie erwähnt oberflächlich stabilisiert ist.
Der Kern kann aber auch durch einen Fremdkern gebildet werden, der zuvor anderweitig gebildet, beispielsweise unabhängig gegossen wurde. Eine bevorzugte Anwendung für das Umgießen eines Fremdkerns ist die Herstellung eines faserverstärkten Verbundformkörpers. Beispielsweise kann solch ein Verbundformkörper mit einem gewickelten Al-B-Kern gebildet werden, der im kontinuierlichen Kokillenguss umgossen wird, vorzugsweise mit dem im Guss gebildeten Gradienten.
Im Vergleich zum statischen Guss ist ein Gusskörper bei einem kontinuierlichen Kokillenguss einer weitaus intensiveren Temperierung, insbesondere einer stärkeren Unterkühlung, zugänglich. Ein Kühlmedium kann unmittelbar auf den sich im Strang bewegenden Gusskörper wirken. Die Kühlung außerhalb der Kokille ermöglicht eine intensive Schroffabkühlung im äußeren Bereich des Strangs.
Durch eine intensive Kühlung bei der Verfestigung des Gusskörpers vorzugsweise unmittelbar hinter der Kokille wird eine feindisperse Verteilung der Ausscheidungsphase oder der mehreren Ausscheidungsphasen erzielt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren des kontinuierlichen Kokillengusses wird die thermische Energie des Gusskörpers in Verbindung mit der äußeren Zwangskühlung ausgenutzt, um im Gusskörper das von außen nach innen kontinuierlich sich ändernde Gefüge einzustellen. Gefügevariationen aufgrund von Ausscheidungen versucht man jedoch im traditionellen Strangguss zu verhindern oder, wo dies nicht gelingt, durch nachträgliche Wärmebehandlung wieder zu kompensieren.
Eine nachträgliche Wärmebehandlung des erfindungsgemäß erhaltenen Gusskörpers muss nicht vorgenommen werden, kann jedoch zusätzlich vorgesehen sein. So kann die Matrix des Gusskörpers durch nachträgliches Anwärmen und dadurch ermöglichte Diffusionsvorgänge konditioniert werden, um in der Gusskörperschale einen Gefügezustand herzustellen, der näher am thermodynamischen Gleichgewicht liegt als unmittelbar nach dem Guss. Bei dem Guss beispielsweise aus einer kohlenstoffhaltigen Fe-Basisschmelze werden die Carbide hierbei noch feiner in der Schale verteilt, um in diesem Zustand durch nochmalige Schroffabkühlung konserviert zu werden. Die für ein nachträgliches Anwärmen erforderliche Energie kann aufgrund der durch die Erfindung bereits vorliegenden, vorteilhaften Gefügeausbildung jedoch gering gehalten werden.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist ein Kern des Formkörpers im thermodynamischen Gleichgewicht erstarrt. Der Gradient stellt sich bevorzugt in einem Übergangsbereich zwischen dem Kern und der Schale ein. Ein Walzenkörper für die Bearbeitung von bahnförmigen Materialien oder ein Mahlkörper eines Mahlwerks kann in diesem Falle in der gleichen oder einer ähnlichen Gefügestruktur wie bei den für solche Körper bekannten statischen Gießverfahren erhalten werden. Allerdings können bei dem erfindungsgemäß kontinuierlichen Gießen deutlich höhere Wärmeabführraten an der Oberfläche des Gusskörpers als bei einem statischen Gießen und dadurch eine besonders feine Körnigkeit in der Schale eingestellt werden.
Die wenigstens eine Basisschmelze kann eine Al-, Ti-, Ni- oder Cu-Basislegierung sein. Bevorzugt handelt es sich um eine Fe-Basislegierung. Obgleich dem Basiselement grundsätzlich nur ein Legierungselement zulegiert sein kann, wird die Basisschmelze jedoch bevorzugt mit wenigstens zwei Legierungselementen gebildet, wobei jedes zulegierte Element in der Basisschmelze einen Anteil aufweist, der bis höchstens zum nächstgelegenen ternären Eutektikum reicht. Dies gilt auch bei Zulegierung von mehr als zwei Legierungselementen, wobei C als Legierungselement gezählt wird.
Die wenigstens eine Basisschmelze ist vorzugsweise eine Gusslegierung, d.h. eine Legierung von Metallen, bei der die endgültige Werkstückform von gegebenenfalls vorzunehmenden relativ geringen Nachbearbeitungen abgesehen dadurch erhalten wird, dass die Legierung im flüssigen Zustand in eine geeignete Gießform gefüllt wird, wie dies beim statischen Formguss der Fall ist. Die Gusslegierung weist gute Gießeigenschaften auf. Dieser Forderung kommen thermodynamisch unterkühlbare und somit metastabil abschreckbare Legierungen am Besten nach, die daher bevorzugte Gusslegierungen für erfindungsgemäße Gradientenwerkstoffe sind. Auch eutektisch zusammengesetzte Legierungen sind bevorzugte Gradientenwerkstoffe, insbesondere für Formkörper, bei denen besonders feinkörnige Gefüge bis in den Kern des abgegossenen Bauteils gefordert werden. Demgegenüber wird der kontinuierliche Guss bislang bei Knetlegierungen angewendet, und es erfolgt die eigentliche Formgebung zu Halbzeugformen wie Stangen, Profilen und Blechen durch eine anschließende Warmverformung und/oder mechanische Bearbeitung, so dass man dort im Gegensatz zu einem Formguss nur von einem Rohguss sprechen kann. Die Gusslegierung der Erfindung ist in noch bevorzugterer Ausführung gegenüber einer typischen Gusslegierung so abgewandelt, dass die Bildung von Ausscheidungen begünstigt wird. Ein bevorzugtes Legierungselement für jedes der Basismetalle ist Zr als starker Glasbildner. Für Al kommt insbesondere Si als Legierungselement in Frage, bevorzugt in Kombination mit Zr. Cu-Basislegierungen enthalten besonders bevorzugt als Legierungselement eines oder mehrere der Elemente Zr, B und Ti. Im Falle eines einzustellenden Härtegradienten sind Fe-Basislegierungen so legiert, dass im kontinuierlichen Guss die Schale in Hartguss unlegiert oder legiert gebildet wird, wobei die Elemente Cr und/oder Mo bevorzugte Legierungselemente für Hartguss legiert sind.
Eine besonders bevorzugte Fe-Basisschmelze ist gegenüber einem typischen Gusseisen vorzugsweise untersiliziert und weist einen Siliziumgehalt von wenigstens 0.1 und höchstens 1.2 Gewichts-%, vorzugsweise höchstens 0.8%, auf. Im übrigen entspricht die Legierung Gusseisenlegierungen. Der Siliziumgehalt der Fe-Basisschmelze ist vorzugsweise umso höher, je höher die Abkühlrate bzw. Abkühlgeschwindigkeit des Gusskörpers ist. Hieraus folgt auch, dass der Siliziumgehalt vorteilhafterweise in Abhängigkeit von dem Querschnitt des unmittelbar aus dem kontinuierlichen Gießen erhaltenen Gusskörpers gewählt wird. Bei einem Gusskörper mit beispielsweise kreiszylindrischem Querschnitt wird der Siliziumgehalt der Basisschmelze mit zunehmendem Durchmesser innerhalb des genannten Bereichs verringert. Bei nicht kreiszylindrischen Querschnitten gilt dies analog.
An Kohlenstoff ist eine Fe-Basisschmelze vorzugsweise übersättigt, wobei der Kohlenstoffgehalt von 0.2 bis höchstens 5 Gewichts-%, vorzugsweise höchstens 4%, reicht. Die Schmelze kann mit Vorteil auch zusätzlich zur Kohlenstoffübersättigung an einem anderen Legierungselement übersättigt sein. Die Kohlenstoffübersättigung und Untersilizierung können je einzeln zur Anwendung gelangen, sind aber in Kombination besonders vorteilhaft für die Ausscheidung von Carbiden in der Schale bei gleichzeitig stabiler Erstarrung in einem Kernbereich des Gusskörpers.
Eine ebenfalls bevorzugte Fe-Basisschmelze wird durch eine Werkzeugstahllegierung mit einem C-Gehalt von wenigstens 0.8 und höchstens 1.5 Gewichts-%, einem Cr-Gehalt von wenigstens 5 und höchstens 12 Gewichts% und wenigstens einem der Primärcarbidbildner V, Mo und W gebildet. Wird nur einer der Primärcarbidbildner zulegiert, so ist im Falle von V der V-Gehalt wenigstens 5 und höchstens 10 Gewichts-%, im Falle von Mo der Mo-Gehalt wenigstens 0.5 und höchstens 1.5 Gewichts-%, und der W-Gehalt im Falle von W beträgt höchstens 1 Gewichts-%. Bei Zulegierung einer Kombination von Primärcarbidbildnern können die Untergrenzen pro Legierungselement auch unterschritten werden. Die Gehalte an C und den Primärcarbidbildnern werden innerhalb der angegebenen Grenzen so gewählt, dass der Kohlenstoff durch den oder die mehreren Primärcarbidbildner durch Carbidbildung aufgebraucht wird. Das Legierungselement Cr fängt die Toleranz an C, d.h. die letztlich nicht gänzlich zu vermeidende Ungenauigkeit der Zugabe an C, durch Chromcarbidbildung auf. Gegebenenfalls können auch noch Zr und/oder Y Legierungsbestandteile sein. Si weist die Werkzeugstahllegierung vorzugsweise nicht auf. Der Formkörper weist den genannten C-Gehalt und gegebenenfalls auch die Gehalte an den weiteren Legierungselementen im Querschnitt wegen des Gradienten im Mittel auf.
Bevorzugte Gradientenwerkstoff-Formkörper, die im kontinuierlichen Kokillenguss aus der Werkzeugstahllegierung erhalten werden, sind Walzenkörper zum Walzen von Folien bzw. Walzenkörper für Folienkalander, insbesondere für hochfeste, gefüllte Kunststofffolien. Ein weiteres Beispiel für einen bevorzugten Gradientenwerkstoff-Formkörper sind Schneckengarnituren für Extruder zur Herstellung von Kunststoffprofilen.
Eine weitere bevorzugte Anwendung der Erfindung ist die Herstellung von Rotationskörpern, insbesondere Walzenkörpern, mit einem über die Walzenkörperlänge definierten Elastizitätsmodul (Young's modulus), im folgenden als E-Modul abgekürzt. So kann für einen Walzenkörper aus Werkzeugstahl für einen Folienkalender ein über die gesamte Walzenkörperlänge konstanter E-Modul von beispielsweise 210 GPa eingestellt werden. Die Einstellung eines definierten E-Moduls kann ebenso auch bei Walzenkörpern aus Gusseisen und grundsätzlich bei allen erfindungsgemäßen Gradientenwerkstoff-Formkörpern eingesetzt werden. Der kontinuierliche Kokillenguss ermöglicht auch die kontrollierte Variation des E-Moduls über die Formkörperlänge. Beispielsweise kann durch solch eine gezielte E-Modul-Einstellung im Strangguss die radiale Steifigkeit eines Walzenkörpers für einen Kalander, beispielsweise einen Papierkalander, in axialer Richtung so eingestellt werden, dass ein Spalt, der zwischen zwei abwälzenden Walzenkörpern für die Bahnbehandlung gebildet wird, in axialer Richtung eine konstante Spaltbreite aufweist. Der im Lastfall ohne solch eine Kompensation zu erwartenden Variation der Spaltbreite wird somit bereits im Guss durch entsprechende Variation des E-Moduls in axialer Richtung Rechnung getragen.
Beim Guss auf E-Modul werden Verfahrensparameter des kontinuierlichen Kokillengusses, wie insbesondere Strangabziehgeschwindigkeit und Kühlung der Strangoberfläche, unter der Maßgabe der E-Modul-Einstellung gewählt. Zur Einstellung des E-Moduls kommt vorzugsweise ein geregeltes Gießverfahren zum Einsatz. Der E-Modul wird während des Gießens indirekt ermittelt, beispielsweise mittels Ultraschallmessung und/oder Magnetostriktionsmessung am Strang während der Erstarrung. Im Falle einer Ultraschallmessung wird durch Bestimmung der Schallgeschwindigkeit der E-Modul ermittelt. Die Schallgeschwindigkeit bildet in diesem Falle die Regelgröße der Regelung für das Gießverfahren.
Der Kernbereich des Gusskörpers kann vollzylindrisch oder hohlzylindrisch sein. Das kontinuierliche Gießen eines hohlzylindrischen Gusskörpers hat den Vorteil, dass ein Innenlunkerproblem nicht entsteht.
In bevorzugten Ausführungen wird ein zylindrischer Gusskörper dadurch erhalten, dass eine Basislegierung, beispielsweise eine Fe-Basislegierung mit einem bestimmten Kohlenstoffgehalt und einem bestimmten Siliziumgehalt und gegebenenfalls weiteren Legierungselementen, in einer Stranggießanlage zu einem kontinuierlichen, vorzugsweise geraden senkrechten, Strang vergossen wird.
Eine mittlere Abziehgeschwindigkeit des Strangs aus einer Stranggießkokille genügt vorzugsweise der Relation 10 ≤ Vm ≤ 7 x 107 x D-z. Die mittlere Abziehgeschwindigkeit vm ergibt sich hieraus in mm/min. D ist der Außendurchmesser des Körpers in mm, und z ist ein dimensionsloser Faktor mit einem Wert aus dem Bereich zwischen 1,9 und 2,0. Für einen Voll- oder Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von beispielsweise 1000 mm gilt für die mittlere Abziehgeschwindigkeit: 10 mm/min ≤ vm ≤ 140 mm/min. Die metallurgische Länge ist vorzugsweise kleiner oder höchstens gleich 2/3 der Stranglänge.
Der Strang kann mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit aus der Stranggießkokille abgezogen werden. In diesem Fall ist eine momentane Abziehgeschwindigkeit konstant und gleich der mittleren Abziehgeschwindigkeit. Die momentane Abziehgeschwindigkeit kann jedoch schwanken, wobei die Schwankungen bzw. Änderungen der momentanen Abziehgeschwindigkeit periodisch sind. Innerhalb der Periodizität kann die momentane Abziehgeschwindigkeit sogar Null sein, wobei die sich ergebenden Stillstandsphasen jeweils nicht länger als 5 Sekunden sind.
Durch die Erfindung kann auf einen umfangreichen und teueren Kokillenpark verzichtet werden. Es muss ferner lediglich so viel flüssige Legierung bereitgestellt werden, wie für die Länge des herzustellenden Formkörpers notwendig ist.
Bei einer geringen mittleren Abziehgeschwindigkeit kann die Unterkühlung des Strangs während des Abziehens besonders gut auf den gewünschten Gradienten angepasst werden. Die Einwirkmöglichkeiten und die Intensität sind gegenüber dem statischen Guss erheblich erweitert. Durch eine Steuerung der Abziehgeschwindigkeit und einer Kühlung des Strangs wird der Erstarrungsprozess im Strang gezielt in Bezug auf den gewünschten Gradienten beeinflusst. Die Dicke und die Gleichmäßigkeit der Schalenbildung sind so steuerbar. Die Feinkörnigkeit des Gefüges wird verbessert und damit auch die Festigkeit und Härte der Oberfläche.
Mit wirksamen Abschreckmedien an der Oberfläche des Strangs können die Unterkühlung, Keimbildung und Kristallisation der Schmelze so beeinflusst werden, dass Legierungen weit außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts entstehen. Es können somit mechanische und physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise die Härte, Zugfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit, das mechanische Dämpfungsverhalten und/oder das Wärmespeichervermögen, erreicht werden, die bei einem Kokillenguss und einem Schleuderguss nicht oder nur mit wesentlich höherem technischen Aufwand erzielbar sind. Dies ist für die Gebrauchseigenschaften sowie die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Vorteil.
Die Erfindung erlaubt die gezielte Herstellung eines mehrphasigen Gradientenwerkstoffs mit einem kontinuierlichen, aber dennoch definierten Übergang zwischen einer harten Schale und einem demgegenüber weicheren Kern aus einer einzigen Basislegierung. Die Erfindung erlaubt insbesondere eine gezielte Herstellung eines bi-metallischen Körpers durch eine metastabil erstarrend legierte Basisschmelze.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung werden zwei Kokillen auf dem Weg des Strangs hintereinander, insbesondere untereinander, angeordnet. Die im Strang abwärtige Kokille besitzt einen größeren Durchmesser als die aufwärtige Kokille. In der aufwärtigen Kokille wird ein Kernstrang gebildet, der durch die abwärtige Kokille geführt und um den in der abwärtigen Kokille eine Schalenlegierung gegossen wird. Hierdurch ist es möglich, in einem kontinuierlichen Stranggießverfahren einen zylindrischen Bi-Metallkörper aus Gradientenwerkstoff herzustellen, wobei der Gradientenwerkstoff durch eine erste Legierung für den Kern und eine unterschiedliche, zweite Legierung für die Schale gebildet wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur erläutert. Die dabei offenbarten Merkmale bilden die beanspruchte Erfindung je einzeln und in Kombination weiter.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Stranggießanlage zur Herstellung eines in Schalenhartguss ausgeführten zylindrischen Formkörpers.
In eine Warmhalteeinrichtung 1 der Stranggießanlage ist eine flüssige Eisenlegierung mit einem Kohlenstoffgehalt aus dem Bereich zwischen 2 und 5 Gewichts-% und einem Siliziumgehalt aus dem Bereich zwischen 0.2 und 1.2 Gewichts-%, vorzugsweise 0.2 und 0.6%, bezogen auf die Legierungsgesamtmasse, aufgenommen. Unter der Warmhalteeinrichtung 1 ist eine Stranggießkokille 2 angeordnet. Unter der Kokille 2 befindet sich eine Absenkvorrichtung 10 mit einer absenkbaren Plattform 3. Zwischen der Kokille 2 und der Plattform 3 ist um den Strang 4 eine Kühleinrichtung 5 oder sind gegebenenfalls mehrere Kühleinrichtungen angeordnet. Die Kühleinrichtung bzw. Kühleinrichtungen 5 weist bzw. weisen Blasdüsen für ein Kühlgas und/oder Spritzdüsen für eine Kühlflüssigkeit auf.
Die flüssige Eisenlegierung wird aus der Warmhalteeinrichtung 1 der Kokille 2 zugeführt. Die Schmelze erstarrt an der Oberfläche in einer dünnen Stützhaut in der gekühlten Kokille 2. Nach der Kokille 2 durchläuft der derart stabilisierte Strang 4 die Kühleinrichtung 5 und wird gesteuert abgekühlt, nachdem er aus dem Wirkungsbereich der Kokille 2 abgesenkt worden ist. Die Zwangskühlung beginnt nah bei der Kokille, vorzugsweise unmittelbar hinter dem Kokillenauslass.
Bei dem Durchziehen durch die Kühleinrichtung 5 wird eine Schroffabkühlung durchgeführt, bei welcher innerhalb einer äußeren Schale des Strangs und späteren Formkörpers in feindisperser Verteilung Carbide ausgeschieden und das feinkörnige Gefüge eingeschreckt wird. Radial unter der derart gebildeten, harten Schale erfolgt die Erstarrung stabil, d.h. es bildet sich die thermodynamisch stabile Graphitphase. Auf diese Weise entsteht ein Rohling mit einem Graugusskern und einer weiß erstarrten Schale, der nach dem Guss in gleicher Weise wie die durch die statischen Gießverfahren erhaltenen Rohlinge bearbeitet wird, um beispielsweise einen Walzenkörper für die Behandlung eines bahnförmigen Materials oder einen Mahlkörper zu erhalten.
Der Strang 4 ruht auf der Plattform 3. Durch Absenken der Plattform 3 innerhalb der Absenkvorrichtung 10 wird der Strang 4 aus der Kokille 2 abgezogen. Die Abziehgeschwindigkeit v des Strangs 4, d.h. die Geschwindigkeit, mit der der Strang 4 aus der Kokille 2 abgezogen und durch die Kühleinrichtung 5 geführt wird, ist gleich der Absenkgeschwindigkeit der Plattform 3.
Die Absenkvorrichtung 10 lagert und führt die Plattform 3. Die Plattform 3 ist vorzugsweise wie eine hydraulische Hebebühne ausgebildet.
Der Strang 4 kann im Falle eines kreiszylindrischen Strangs bei dem Gießen einer Fe-Basislegierung einen Durchmesser von bis zu 2000 mm haben. Beim kontinuierlichen Kokillenguss einer Cu-Basislegierung kann der Strangdurchmesser wegen der besseren Wärmeleitfähigkeit von Cu durchaus noch größer sein. Der Siliziumgehalt einer Fe-Basisschmelze wird in bevorzugten Ausführungsbeispielen mit dem Strangdurchmesser erhöht. Bei dünnen Strängen, von beispielsweise etwa 200 mm kann der Siliziumgehalt bis zu 0.7% betragen, während der Siliziumgehalt der Basisschmelze bei dickeren Strängen geringer sein sollte und bei einem Strangdurchmesser von etwa 2000 mm vorzugsweise bis auf 0.1% gesenkt wird. Durch die Untersilizierung wird die Gradientenbildung unterstützt.
Die außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts erstarrte äußere Schale ist vorzugsweise umso dicker, je größer der Durchmesser des Gusskörpers ist, nicht zuletzt um die bei größeren Durchmessern gewünschte größere Materialzugabe im Falle einer spanenden Nachbearbeitung der Oberfläche zu erhalten. Bei Durchmessern von 2000 mm beträgt die Dicke der Schreckschicht bei Walzenkörpern vorzugsweise etwa 100 mm. Für den Großteil der Formkörper beträgt die Dicke der Schreckschicht vorteilhafterweise zwischen 1% und 10% des Durchmessers des Gusskörpers, wobei die Dicke über den Umfang des Gusskörpers möglichst gleichmäßig eingestellt wird. Für besondere Verwendungen des Formkörpers kann die Dicke der Schreckschicht über den Umfang auch gezielt variiert werden.
Für das Stranggießen eines Hohlzylinders kann mit einem Kern oder mit einer Innenkokille gearbeitet werden. Wenn mit einem Kern gegossen wird, dann ist eine Ausgestaltung der Plattform in der Weise vorteilhaft, dass die Plattform mit der Unterseite des Kerns verbunden wird. Der Kern selbst wird dabei bevorzugt an einer Hebe- bzw. Absenkvorrichtung über der Kokille befestigt.

Claims (28)

  1. Gradientenwerkstoff-Formkörper, der aus wenigstens einer Metalllegierung, die in einer äußeren Schale des Formkörpers außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts erstarrt ist, in einem kontinuierlichen Kokillenguss nicht als Halbzeug, sondern als endkonturnahes Fertigbauteil erhalten wurde.
  2. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper in einem Kern stabil bzw. im thermodynamischen Gleichgewicht erstarrt ist.
  3. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung eine Gusslegierung ist.
  4. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung keine Knetlegierung ist.
  5. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung eine Gusseisenlegierung ist.
  6. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung eine Werkzeugstahllegierung mit einem C-Gehalt von wenigstens 0.8 bis höchstens 1.5% im Mittel und einem Cr-Gehalt von wenigstens 5 und höchstens 12% ist, die als weiteres Legierungselement wenigstens eines der Elemente V, Mo und W enthält, wobei der V-Gehalt höchstens 10%, der Mo-Gehalt höchstens 1.5% und der W-Gehalt höchstens 1% beträgt.
  7. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper ein Funktionsbauteil, vorzugsweise ein zylindrischer Rotationskörper, für eine Ver- oder Bearbeitungsmaschine ist.
  8. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper ein Walzenkörper zur Bearbeitung eines bahnförmigen Materials oder ein Verschleißgusskörper zum Zerkleinern, Quetschen, Mahlen oder Reiben ist.
  9. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schale eine Dicke aufweist, die zwischen 1% und 20% des mittleren Abstands der Schalenoberfläche von einer Mittellängsachse des Formkörpers beträgt.
  10. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weiß erstarrte Fe-Basislegierung die Schale bildet.
  11. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper aus einer einzigen Metalllegierung, vorzugsweise eine Fe-Basislegierung, gegossen ist. '
  12. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach einem Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale und ein Kern des Formkörpers durch unterschiedliche Metalllegierungen gebildet werden, wobei die Metalllegierungen vorzugsweise je Fe-Basislegierungen sind.
  13. Gradientenwerkstoff-Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper ein Verbundformkörper mit von der Metalllegierung umgossenen, sich in Längsrichtung des Formkörpers erstreckenden Fasern ist.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Gradientenwerkstoff-Formkörpers, bei dem der Formkörper aus wenigstens einer übersättigt legierten Metallschmelze in einem kontinuierlichen Kokillenguss in seine Endform gegossen und bei dem Gießen eine äußere Formkörperschale in ihr Kristallgitter eingeschreckt wird.
  15. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper in einem senkrechten Strang gegossen wird.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze mit einem Basismetall und wenigstens zwei Legierungselementen gebildet wird, wobei die Legierungselemente je in einem Anteil zulegiert sind, der bis höchstens zum nächstgelegenen ternären Eutektikum reicht.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismetall Al, Ti, Fe, Ni oder Cu ist und die Legierungselemente zu der Gruppe umfassend B, C, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Co, Zr, Mo und W gehören.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze eine untersilizierte Fe-Basisschmelze ist mit einem Siliziumgehalt von wenigstens 0.1% und höchstens 1.2%.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze an Kohlenstoff übersättigt ist mit einem Kohlenstoffgehalt von wenigstens 0.2% bis höchstens 5%.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze eine Werkzeugstahllegierung mit einem C-Gehalt von wenigstens 0.8 und höchstens 1.5%, einem Cr-Gehalt von wenigstens 5 und höchstens 12% ist, die als weiteres Legierungselement wenigstens eines der Elemente V, Mo und W enthält, wobei der V-Gehalt höchstens 10%, der Mo-Gehalt höchstens 1.5% und der W-Gehalt höchstens 1% beträgt.
  21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren so durchgeführt wird, dass sich in Querschnitten des Formkörpers, vorzugsweise in allen Querschnitten des Formkörpers, ein über dem jeweiligen Querschnitt gemittelter, vorgegebener Elastizitäts-Modul einstellt.
  22. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass während des Gusses eine physikalische Kenngröße des Gusskörpers gemessen und als Regelgröße zu einer Verfahrensregelung zurückgeführt wird, wobei die physikalische Kenngröße so gewählt ist, dass aus ihr auf den sich einstellenden Elastizitäts-Modul geschlossen werden kann.
  23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze in einer Stranggießanlage (1, 2, 5, 10) zu einem kontinuierlichen Strang (4) vergossen wird und eine mittlere Abziehgeschwindigkeit (vm) des Strangs (4) der Relation vm ≤ 7 x 107 x D-z genügt, wobei vm die mittlere Abziehgeschwindigkeit in mm/min, D der Außendurchmesser des Formkörpers in mm und z ein dimensionsloser Faktor mit einem Wert zwischen 1,9 und 2,0 ist.
  24. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine momentane Abziehgeschwindigkeit (v) periodisch geändert wird.
  25. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich ergebende Stillstandsphasen des Strangs (4) eine Dauer von höchstens 5 Sekunden aufweisen.
  26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschmelze als Schale um einen zuvor ebenfalls in einem kontinuierlichen Kokillenguss gebildeten Kern oder um einen Fremdkern gegossen wird.
  27. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aus einer Schmelze kontinuierlich gegossen wird und die Schmelze für den Kern eine andere Legierungszusammensetzung als die Schmelze für die Schale aufweist.
  28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einer ersten Kokille kontinuierlich gegossener Kernstrang durch eine zweite Kokille geführt und in der zweiten Kokille mit der Schale umgossen wird.
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