EP1206984B1 - Gradientenwerkstoff-Walzenkörper zur Bearbeitung eines bahnförmigen Materials und sein Herstellungsverfahren - Google Patents

Gradientenwerkstoff-Walzenkörper zur Bearbeitung eines bahnförmigen Materials und sein Herstellungsverfahren Download PDF

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EP1206984B1
EP1206984B1 EP01125434A EP01125434A EP1206984B1 EP 1206984 B1 EP1206984 B1 EP 1206984B1 EP 01125434 A EP01125434 A EP 01125434A EP 01125434 A EP01125434 A EP 01125434A EP 1206984 B1 EP1206984 B1 EP 1206984B1
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EP
European Patent Office
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casting
set forth
alloy
cast
roll body
Prior art date
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EP01125434A
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English (en)
French (fr)
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EP1206984A2 (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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Publication of EP1206984A3 publication Critical patent/EP1206984A3/de
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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 roller body for processing a web-shaped material which has been obtained as a gradient material molded body, and a method for producing the roller body.
  • a roller body of a roller has a hard, wear-resistant surface and a softer, machinable core.
  • the roller body is manufactured, for example, from forged steel, the surface of which is additionally subjected to a hardening process, for example inductive hardening.
  • liquid iron or a liquid Fe-based alloy is cast in a thick-walled form made of metal. Rapid cooling in the edge area, ie in the immediate vicinity of the metal mold, can lead to white solidification of the iron with a suitable alloy, ie the carbon of the alloy remains between the lattice sites of the iron crystal. The grating stretched in this way is very hard. In the core of the roll, the carbon precipitates as graphite when it cools more slowly. There is a gray iron structure Cooling the carbon off as graphite. There is a gray iron structure that comes close to the usual gray cast iron. This creates a bi-metal body with the desired properties in one casting.
  • Centrifugal casting differs essentially from static permanent mold casting in that the mold rotates. This offers the possibility to work with different casting alloys.
  • a shell iron optionally alloyed with chrome and nickel, is filled into the mold, where it is arranged and solidified by the centrifugal forces on the inner wall of the mold. Then the remaining mold space is filled with the so-called core iron. If the temperatures are matched appropriately, the core iron and the shell iron fuse, so that a bi-metal body is also created.
  • Two Fe-based alloys are also used for composite casting.
  • the shape is static, as with permanent mold casting. After filling the entire mold with the shell iron, wait until a solidified shell has formed. Then the still liquid core is drained through an opening in the lower mold area. After the drain opening has been closed, the mold is refilled with the core iron. There is also the variant that the still liquid shell iron is displaced by refilling with core iron.
  • the shape consists of cast iron rings, the molds, in a very high quality.
  • the molds must be processed, coated on the inside and heated before each casting.
  • the precise alignment of the molds, which are over 100 ° C, is hard work. Due to contact with the liquid iron, the inside of the mold is thermally stressed. Cracks develop and the graphite burns.
  • the molds must therefore be replaced after several castings. A complete set of dies must be kept in stock for each roll diameter to be supplied. After pouring into the mold there is no way to influence the casting quality.
  • the rotating mold In centrifugal casting, the rotating mold is usually formed by a tube made of forged, temperature-resistant steel and is also expensive. At least one shape is required for each roll diameter to be supplied. Since the rolls have different lengths, it may even be economical to use several shapes with a graduated length. Casting is then carried out in the shortest possible shape and the roll piece that is not required is separated from the solidified cast body.
  • US Pat. No. 6,089,309 describes the production of gradient materials in a continuous mold casting from two alloys cast together in a mold.
  • a temperature field is set transversely to the strand direction so that a strong atomic diffusion takes place in the liquid state and in the high temperature range of the solid state, in order to obtain a continuous change in the material composition across the strand.
  • the process is proposed, among other things, for the production of steel and semi-finished products from Fe-based alloys.
  • US Pat. No. 4,602,416 describes a crowbar which was obtained in continuous mold casting as a gradient material molded body by controlled solidification in the strand. Controlled solidification takes place by appropriately setting the conditions when the bar material is withdrawn from the mold. A steel alloy with a high carbon and carbide content is cast.
  • the invention has recognized that continuous mold casting is suitable for an inexpensive production of moldings with a property gradient.
  • the molded body gets its final shape in a continuous casting without subsequent forming processes.
  • a shaped body in the sense of the invention is in particular not understood to mean a semifinished product which first has to be plastically deformed in order to produce a shaped body.
  • material-removing processing after casting should not be ruled out.
  • the gradient material molded body of the invention can even be cast with a material addition and, after casting, immediately subjected to a material-removing processing, such as polishing, grinding, turning, milling and / or drilling, which may still be necessary, in order to form a roll body for a web processing Machine.
  • roll bodies cast into the final shape can be obtained in the same or in different lengths from a single strand.
  • the needs, in particular the customer's wishes, can be flexibly taken into account during the casting, by cutting the strand to the length required for the roll body.
  • later cutting to length should not be excluded.
  • Material-reducing surface finishing after casting is advantageously carried out only for a setting of a predetermined surface quality, which is required for the roller body.
  • the specified surface quality can in particular be the surface roughness. It is also possible to work on a predetermined wettability of the surface of the roller body in order to prepare the surface for a subsequent coating process with a coating material, for example.
  • a material-reducing post-processing if such is necessary at all, preferably serves to maintain a predetermined roughness depth. If necessary, a material-removing processing after the casting can serve, however, to avoid any form errors that may result from the casting, i.e. procedural imperfections to eliminate.
  • the molded body obtained directly by the casting can be slightly curved, have a bulge or several indentations or constrictions, which can be removed by a turning process or, if the shape errors are very small, by grinding.
  • a roll body close to the final contour is obtained directly from the casting.
  • the molded body is preferably close to the final contour such that a material-removing surface treatment can only be carried out with the proviso that a predetermined surface quality, for example the roughness depth, is set.
  • the molded body has all material properties and all geometric properties, preferably except for the tolerances that apply to the roller body.
  • continuous mold casting is thus made usable for roll bodies which have hitherto been obtained in static mold casting, while continuous casting has so far been used only for the production of semi-finished products and always with the aim of the overall homogeneous structure.
  • the invention aims to provide an alternative which is at least equivalent in terms of the gradient property, preferably even superior, for roll bodies which have hitherto only been cast statically.
  • Particularly preferred exemplary embodiments are roller bodies for Calenders for papermaking. Such roller bodies are advantageously machinable.
  • the roller bodies must have a wear-resistant surface in order to be able to fulfill their actual function as an action body.
  • the invention also relates to a hard shell casting of roller bodies in a continuous casting process.
  • a preferred application for the encapsulation of a foreign core is the production of a fiber-reinforced composite molded body.
  • a composite molded body can be formed with a wound Al-B core, which is cast in continuous mold casting, preferably with the gradient formed in the casting.
  • a cast body with a continuous mold casting is accessible to a much more intensive temperature control, in particular a stronger hypothermia.
  • a cooling medium can act directly on the cast body moving in the strand.
  • the cooling outside the mold enables intensive cooling of the rug in the outer area of the strand.
  • intensive cooling during the solidification of the cast body, preferably directly behind the mold a finely dispersed distribution of the elimination phase or of the several elimination phases is achieved.
  • the thermal energy of the cast body is used in conjunction with the external forced cooling in order to adjust the structure in the cast body, which changes continuously from the outside to the inside. Structure variations due to However, one tries to prevent excretions in traditional continuous casting or, if this does not succeed, to compensate them again by subsequent heat treatment.
  • a subsequent heat treatment of the cast body obtained according to the invention does not have to be carried out, but can be provided in addition.
  • the matrix of the cast body can be conditioned by subsequent heating and the diffusion processes made possible in order to produce a structural state in the cast body shell that is closer to the thermodynamic equilibrium than immediately after the casting.
  • the carbides are distributed even more finely in the shell in order to be preserved in this state by repeated cooling of the rug.
  • the energy required for subsequent heating can, however, be kept low on account of the advantageous structural design already provided by the invention.
  • a core of the shaped body has solidified in thermodynamic equilibrium.
  • the gradient is preferably established in a transition area between the core and the shell.
  • a roller body for the processing of sheet-like materials can be obtained in the same or a similar structure as in the static casting processes known for such bodies.
  • significantly higher heat dissipation rates on the surface of the cast body than with static casting and thus a particularly fine granularity in the shell can be set.
  • the at least one base melt can be an Al, Ti, Ni or Cu base alloy. It is preferably an Fe-based alloy. Although in principle only one alloy element can be alloyed to the base element, the base melt is preferably formed with at least two alloy elements, with each alloyed element in the base melt having a proportion that extends to at most the nearest ternary eutectic. This also applies to the alloying of more than two alloy elements, where C is counted as an alloy element.
  • the at least one base melt is preferably a cast alloy, that is to say an alloy of metals, in which the final workpiece shape is obtained, apart from the relatively minor post-processing that may have to be carried out, by filling the alloy in a suitable casting mold in the liquid state, as is the case with static casting Case is.
  • the casting alloy has good casting properties. This requirement is best met by thermodynamically subcoolable and thus metastable quenchable alloys, which are therefore preferred cast alloys for gradient materials according to the invention. Eutectically composed alloys are also preferred gradient materials, in particular for moldings in which particularly fine-grained structures are required right down to the core of the cast component.
  • a preferred alloying element for each of the base metals is Zr as a strong glass former.
  • Si is an alloying element, preferably in combination with Zr.
  • Cu-based alloys particularly preferably contain one or more of the elements Zr, B and Ti as alloying elements.
  • Fe-based alloys are alloyed in such a way that the shell is formed unalloyed or alloyed in chilled cast iron, with the elements Cr and / or Mo preferred alloy elements for chilled cast iron are alloyed.
  • a particularly preferred Fe base melt is preferably undersilicated compared to a typical cast iron and has a silicon content of at least 0.1 and at most 1.2% by weight, preferably at most 0.8%. Otherwise, the alloy corresponds to cast iron alloys.
  • the silicon content of the Fe base melt is preferably higher, the higher the cooling rate or cooling rate of the cast body. It also follows from this that the silicon content is advantageously selected as a function of the cross section of the cast body obtained directly from the continuous casting. In the case of a cast body with, for example, a circular-cylindrical cross section, the silicon content of the base melt is reduced with increasing diameter within the range mentioned. This applies analogously to non-circular cylindrical cross sections.
  • An Fe base melt is preferably supersaturated with carbon, the carbon content ranging from 0.2 to at most 5% by weight, preferably at most 4%.
  • the melt can advantageously also be oversaturated on another alloy element in addition to the carbon supersaturation.
  • the carbon supersaturation and undersilicate can each be used individually, but in combination they are particularly advantageous for the excretion of carbides in the shell with simultaneous stable solidification in a core area of the cast body.
  • a likewise preferred Fe base melt is formed 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. If only one of the primary carbide formers is added, the V content in the case of V is at least 5 and at most 10% by weight, in the case of Mo the Mo content is 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 fallen below.
  • the levels of C and the primary carbide formers are selected within the specified limits so that the carbon is used up by the one or more primary carbide formers by carbide formation.
  • the alloying element Cr absorbs the tolerance on C, ie the inaccuracy of the addition of C that cannot ultimately be completely avoided by chromium carbide formation.
  • Zr and / or Y can also be alloy components.
  • Si preferably does not have the tool steel alloy.
  • the shaped body has the above-mentioned C content and possibly also the contents of the other alloy elements in cross section because of the gradient on average.
  • Preferred gradient material moldings which are obtained from the tool steel alloy in continuous mold casting are roller bodies for rolling foils or roller bodies for foil calenders, in particular for high-strength, filled plastic foils.
  • roller bodies with an elastic modulus (Young's modulus) defined over the length of the roller body, hereinafter abbreviated as a modulus of elasticity.
  • a modulus of elasticity for a roll body made of tool steel for a film calendar, a modulus of elasticity of, for example, 210 GPa that is constant over the entire length of the roll body can be set.
  • the setting of a defined modulus of elasticity can also be used for roller bodies made of cast iron and in principle for all gradient material molded bodies according to the invention.
  • the continuous mold casting also enables the controlled variation of the modulus of elasticity over the length of the molded body.
  • the radial stiffness of a roll body for a calender can be adjusted in the axial direction by such a targeted adjustment of the modulus of elasticity in the continuous casting in such a way that a gap that is formed between two rolling roll bodies for web treatment is in the axial direction Direction has a constant gap width.
  • the variation in the gap width to be expected in the load case without such compensation is thus already taken into account in the casting by appropriate variation of the modulus of elasticity in the axial direction.
  • process parameters of continuous mold casting such as, in particular, strand pulling speed and cooling of the strand surface, are selected in accordance with the modulus of elasticity setting.
  • a controlled casting process is preferably used to adjust the modulus of elasticity.
  • the modulus of elasticity is determined indirectly during casting, for example by means of ultrasound measurement and / or magnetostriction measurement on the strand during solidification. In the case of an ultrasound measurement, the modulus of elasticity is determined by determining the speed of sound. In this case, the speed of sound is the controlled variable of the control 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 there is no problem with internal voids.
  • a cylindrical cast body is obtained by casting a base alloy, for example an Fe base alloy with a specific carbon content and a specific silicon content and optionally further alloy elements, in a continuous casting installation to form a continuous, preferably straight, vertical strand.
  • a base alloy for example an Fe base alloy with a specific carbon content and a specific silicon content and optionally further alloy elements
  • An average pulling speed of the strand from a continuous casting mold preferably satisfies the relation 10 v 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 be withdrawn from the continuous casting mold at a uniform speed.
  • a current pull-off speed is constant and equal to the average pull-off speed.
  • the current pull-off speed can fluctuate, the fluctuations or changes in the current pull-off speed being periodic. Within the periodicity, the current pull-off speed can even be zero, with the resulting standstill phases each not longer than 5 seconds.
  • the invention makes it possible to dispense with an extensive and expensive mold park. It is also only necessary to provide as much liquid alloy as is necessary for the length of the molded body to be produced.
  • the subcooling of the strand during the pulling can be adapted particularly well to the desired gradient.
  • the effects and the intensity are considerably expanded compared to the static casting.
  • the pull-off speed and cooling the strand By controlling the pull-off speed and cooling the strand, the solidification process in the strand is specifically influenced in relation to the desired gradient.
  • the thickness and the uniformity of the shell formation can thus be controlled.
  • the fine grain of the structure is improved and with it the strength and hardness of the surface.
  • the supercooling, nucleation and crystallization of the melt can be influenced in such a way that alloys are formed far outside of the thermodynamic equilibrium.
  • Mechanical and physical properties such as hardness, tensile strength, thermal conductivity, mechanical damping behavior and / or heat storage capacity, can thus be achieved, which cannot be achieved with gravity die casting and centrifugal casting or can only be achieved with significantly higher technical outlay. This is for the Use properties as well as wear and corrosion resistance are an advantage.
  • the invention allows the targeted production of a multi-phase gradient material with a continuous, but nevertheless defined transition between a hard shell and a core, which is softer in comparison, from a single base alloy.
  • the invention allows a bi-metallic body to be produced in a targeted manner by means of a base melt that solidifies in a metastably solidifying manner.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a continuous casting plant for producing a cylindrical molded body made of hard chilled casting.
  • 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, is accommodated in a warming device 1 of the continuous casting installation.
  • a continuous casting mold 2 is arranged under the holding device 1. Below the mold 2 there is a lowering device 10 with a lowerable platform 3. Between the mold 2 and the platform 3 there is a cooling device 5 around the strand 4 or, if appropriate, a plurality of cooling devices are arranged.
  • the cooling device or cooling devices 5 has blowing nozzles for a cooling gas and / or spray nozzles for a cooling liquid.
  • the liquid iron alloy is fed from the holding device 1 to the mold 2.
  • the melt solidifies on the surface in a thin supporting skin in the cooled mold 2.
  • the cooling device 5 After the mold 2, the strand stabilized in this way runs through 4, the cooling device 5 and is cooled in a controlled manner after it has been lowered from the effective area of the mold 2.
  • the forced cooling begins close to the mold, preferably immediately behind the mold outlet.
  • a rugged cooling is carried out, in which carbides are precipitated in an finely dispersed distribution within an outer shell of the strand and later shaped body and the fine-grained structure is frightened.
  • the solidification takes place radially under the hard shell thus formed, i.e. the thermodynamically stable graphite phase is formed.
  • a blank with a gray cast iron core and a white solidified shell is produced, which after the casting is processed in the same way as the blanks obtained by the static casting processes, in order, for example, to obtain a roller body for the treatment of a web-shaped material or a grinding body.
  • the strand 4 rests on the platform 3.
  • the pulling speed v of the strand 4 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 like a hydraulic lifting platform.
  • the strand 4 can have a diameter of up to 2000 mm when casting an Fe-based alloy in the case of a circular cylindrical strand.
  • the strand diameter can be even larger due to the better thermal conductivity of Cu.
  • the silicon content of an Fe base melt is increased with the strand diameter.
  • the silicon content can be up to 0.7%, while the silicon content of the base melt is lower in the case of thicker strands should be and with a strand diameter of about 2000 mm is preferably reduced to 0.1%. Gradient formation is supported by the sub-silicification.
  • the outer shell solidified outside of the thermodynamic equilibrium is preferably thicker the larger the diameter of the cast body, not least in order to obtain the larger material addition desired for larger diameters in the event of machining the surface.
  • the thickness of the quench layer in the case of roller bodies is preferably approximately 100 mm.
  • the thickness of the quench layer is advantageously between 1% and 10% of the diameter of the cast body, the thickness being set as uniformly as possible over the circumference of the cast body.
  • the thickness of the quench layer can also be varied in a targeted manner over the circumference.
  • a core or an inner mold can be used for the continuous casting of a hollow cylinder.
  • the core itself is preferably attached to a lifting or lowering device above the mold.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Reduction Rolling/Reduction Stand/Operation Of Reduction Machine (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Walzenkörper zur Bearbeitung eines bahnförmigen Materials, der als Gradientenwerkstoff-Formkörper erhalten wurde, und ein Verfahren zur Herstellung des Walzenkörpers.
  • 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 Walzenkörpern 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, 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.
  • Die US-PS 4,602,416 beschreibt eine Brechstange, die im kontinuierlichen Kokillenguss als Gradientenwerkstoff-Formkörper durch kontrollierte Erstarrung im Strang erhalten wurde. Die kontrollierte Erstarrung erfolgt durch entsprechende Einstellung der Bedingungen beim Abzug des Stangenmaterials von der Kokille. Gegossen wird eine Stahllegierung mit hohem Kohlenstoff- und hohem Carbid-Gehalt.
  • Aus der EP 0 365 757 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Einzelnocken aus Gusswerkstoff für aufgebaute Nockenwellen bekannt, bei dem eine Stange mit dem Querschnitt einer Nocke im Stranggussverfahren endkonturnah gegossen wird und von der erstarrten Stange die einzelnen Nocken abgetrennt werden.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Walzenkörper von Walzen zur Behandlung bahnförmiger Materialien für die ein Gradient in Bezug auf eine mechanische und/oder physikalische Materialeigenschaft vorteilhaft ist, und ein Verfahren zur preiswerten Herstellung solcher Walzenkörper zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 8 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 einen Walzenkörper für eine bahnbearbeitende Maschine zu erhalten. Vorteilhafterweise können aus einem einzigen Strang in die Endform gegossene Walzenkörper 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 den Walzenkörper 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 den Walzenkörper gefordert wird. Die vorgegebene Oberflächegüte kann insbesondere die Oberflächenrauhigkeit sein. Ebenso kann auf eine vorgegebene Benetzbarkeit der Oberfläche des Walzenkörpers 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 endkonturnaher Walzenkörper 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 weist im Ergebnis alle Werkstoffeigenschaften und alle Geometrieeigenschaften, vorzugsweise bis auf die für den Walzenkörper geltenden Toleranzen, auf. Nach der Erfindung wird der kontinuierliche Kokillenguss somit für Walzenkörper 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 Walzenkörper zu schaffen, die bislang nur statisch gegossen werden. Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Walzenkörper für Kalander für die Papierherstellung. Solche Walzenkörper sind vorteilhafterweise spanend gut bearbeitbar. Andererseits müssen die Walzenkörper über eine verschleißfeste Oberfläche verfügen, um Ihre eigentliche Funktion als Einwirkkörper erfüllen zu können. So hat die Erfindung insbesondere auch einen Schalenhartguss von Walzenkörpern 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.
  • 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 kann 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.
  • Eine weitere bevorzugte Anwendung der Erfindung ist die Herstellung von 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.
  • 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 (18)

  1. Walzenkörper zur Bearbeitung eines bahnförmigen Materials, der als Gradientenwerkstoff-Formkörper mit einem Kern und einer äußeren Schale gebildet ist, wobei der Gradientenwerkstoff-Formkörper aus einer Metalllegierung, die in der Schale des Formkörpers außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts erstarrt ist, in einem kontinuierlichen Kokillenguss nicht als Halbzeug, sondern der Endkontur des Walzenkörpers nah erhalten wurde,
    wobei die Metalllegierung in dem Kern stabil erstarrt und durch Schroffabkühlung in der Schale in ihr Kristallgitter eingeschreckt ist.
  2. Walzenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung eine Gusslegierung ist.
  3. Walzenkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung eine Fe-Basislegierung ist.
  4. Walzenkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung eine Gusseisenlegierung ist.
  5. Walzenkörper 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 Walzenkörpers beträgt.
  6. Walzenkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weiß erstarrte Fe-Basislegierung die Schale bildet.
  7. Walzenkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Walzenkörper ein Verbundformkörper mit von der Metalllegierung umgossenen, sich in Längsrichtung des Walzenkörpers erstreckenden Fasern ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Walzenkörpers zur Bearbeitung eines bahnförmigen Materials, der als Gradientenwerkstoff-Formkörper mit einem Kern und einer äußeren Schale gebildet ist, wobei
    a) der Walzenkörper aus wenigstens einer übersättigt legierten Metallschmelze in einem kontinuierlichen Kokillenguss in seine Endform gegossen wird,
    b) die Metallschmelze bei dem Gießen von außen gekühlt wird, so dass sie in einer äußeren Schale, welche die äußere Formkörperschale bildet, außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts erstarrt,
    c) die Metallschmelze in ihrer äußeren Schale durch intensive Schroffabkühlung in ihr Kristallgitter eingeschreckt wird
    d) und in einem von der äußeren Schale umgebenen Kern, der den Formkörperkern bildet, stabil erstarrt.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper in einem senkrechten Strang gegossen wird.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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%.
  13. 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%.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet; dass eine momentane Abziehgeschwindigkeit (v) periodisch geändert wird.
  18. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich ergebende Stillstandsphasen des Strangs (4) eine Dauer von höchstens 5 Sekunden aufweisen.
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