Verfahren zur Herstellung von Bändern aus Stahl, insbesondere zur Herstellung von Schneid- und Zerspanwerkzeugen mit verbesserter Standzeit
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bändern aus Stahl, insbesondere zur Herstellung von Schneid- und Zerspanwerkzeugen mit verbesserter Standzeit, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Derartige Schneid- und Zerspanwerkzeuge können z.B. Messerklingen oder Sägeblätter sein, die im industriellen oder im privaten Bereich eingesetzt werden.
Üblicherweise wird für Schneid- und Zerspanwerkzeuge ein Blech aus kohlenstoffreichem, martensitischem Stahl eingesetzt, der sich durch eine hohe Härte und Abriebfestigkeit auszeichnet. Neben einem relativ hohen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,4 bis zu 1 ,25 Gew.-% wird dem Stahl zur weiteren Steigerung der Härte oftmals Chrom hinzugefügt, wobei Chrom als Karbidbildner fungiert. Üblich für diesen Anwendungsbereich ist z.B. für einen Stahl 100Cr6 nach Stahl-Eisen-Werkstoffblatt ein Chromgehalt von 1 ,5 Gew.-%. Soll der Stahl zusätzlich rostfrei sein, werden gemäß DE 11 2010 004 925 T5 Chromgehalte von 11 bis 16 Gew.-% hinzugegeben.
Die Härte des Schneid-oder Zerspanwerkzeugs resultiert aus einem Vergütungsvorgang, bei dem das Werkzeug auf Austenitisierungstemperatur erwärmt, abgeschreckt und
anschließend angelassen wird. Neben einem erhöhten Kohlenstoffgehalt bewirkt das Legierungselement Chrom eine Verringerung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit und eine erhebliche Steigerung der Härte infolge einer Karbidbildung.
Typische Herstellverfahren für Stähle für Schneid- oder Zerspanwerkzeuge sind das Blockguss- und Stranggießverfahren. Die beim Blockguss bekannten groben
Karbidausscheidungen führen allerdings im Vergleich zu fein dispers ausgeschiedene Karbiden zu einer verringerten festigkeitssteigernden Wirkung, so dass ein höherer Cr-Anteil erforderlich ist. Ein höherer Cr-Gehalt verringert dann jedoch auch wieder die
Kerbschlagzähigkeit.
Allgemein ist zudem bekannt, dass besonders hochkohlenstoffhaltige Stähle deutlich über 0,80% C sowie hochkohlenstoffhaltige Stähle mit karbidbildenden Legierungselementen (z.B. Cr und Mo sowie das nicht karbidbildende Element Si in Summe über 1 ,5%) konventionell als Bramme nicht sicher und fehlerfrei mittels der konventionellen Strangießtechnik zu erzeugen sind. Das Ausfallrisiko dieser Stahlsorten ist unverhältnismäßig hoch. Ursache hierfür ist die ungenügende Duktilität des Werkstoffs beim Biegen und Rückbiegen des Strangs unmittelbar nach dem Gießen, was zu Rissbildungen führen kann. Dies trifft grundsätzlich auch auf Stahlsorten mit hohem Massenanteil an Kohlenstoff von mehr als 0,8 % zu.
Zur Herstellung von Schneidwerkzeugen ist es aus der DE 11 2010 004 925 T5 bekannt, Stähle zu verwenden, welche durch vertikales Bandgießen zwischen sich gegenläufig drehenden Walzen hergestellt und anschließend ausgewalzt werden. Das vertikale
Bandgießen soll gegenüber dem Blockguss den Vorteil aufweisen, dass die bei der
Erstarrung des Stahls entstehenden Primärkarbide wesentlich kleiner sind als beim
Blockguss, so dass beim Schärfen von Messer- oder Rasierklingen die Gefahr von
Kantenausbrüchen an der Schneide deutlich verringert wird. Auch die Herstellung derartiger Stähle mittels Stranggießen ist bekannt. Das gegossene Band wird anschließend warmgewalzt, geglüht und dann auf die geforderte Enddicke kaltgewalzt.
Nachteil bei den bekannten Herstellverfahren für Stahlbänder zur Herstellung von Schneidoder Zerspanwerkzeugen ist, dass erstarrungsbedingt die Resterstarrung beim Blockguss, Strangguss und beim vertikalen Bandgießen mittig genau im Bereich der späteren Schneide erfolgt. Das Problem liegt darin, dass Klingen für die Industrie und den Haushalt
überwiegend symmetrische Formen aufweisen und sich der Bereich für die Schneiden folglich im Kernbereich also in der Mitte der daraus hergestellten Stahlbänder befindet.
Untersuchungen haben ergeben, dass üblicherweise in diesem Bereich während der Erstarrung sowohl vermehrt Schwindungshohlräume (Lunker), als auch ein grobes
Erstarrungsgefüge mit großen Ausscheidungen (Sulfide, Karbide) auftreten.
Die Untersuchungen belegen außerdem das Vorhandensein von Seigerungsbereichen und auch einer zellenförmigen Anordnung der Ausscheidungen bei diesen Herstellverfahren, die bei statischen Zug-/Scher- und zyklischen Belastungen, wie sie auch bei Klingen und Sägekanten auftreten, Startpunkt für Risse sein können.
Durch die mittige Anordnung dieser Resterstarrungszone und dem damit verbundenen frühzeitig auftretenden Verschleiß durch Ausbrüche, Risse und dergleichen, wird die Standzeit der Werkzeuge herabgesetzt und der frühzeitige Austausch mit entsprechendem Kostenaufwand erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Bändern aus Stahl, insbesondere zur Herstellung von Schneid- und Zerspanwerkzeügen anzugeben, weiches die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und das Erstarrungsgefüge bei der Herstellung des Stahlbandes so beeinflusst, dass im Vergleich zu den bekannten Verfahren eine deutliche Standzeiterhöhung der daraus hergestellten Schneid- und Zerspanwerkzeuge erreicht wird.
Nach der Lehre der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Bändern bereitgestellt, bei dem ein Vorband aus einer Schmelze eines härtbaren Stahls im Gießverfahren erzeugt und anschließend zu einem Warmband ausgewalzt und erforderlichenfalls anschließend einem Glüh- und Kaltwaizvorgang unterzogen wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Vorband in einer horizontalen Bandgießanlage hergestellt wird, wobei die
Schmelze aus einem Zulaufgefäß auf ein über zwei Umlenkrollen umlaufendes gekühltes Förderband aufgegeben und strömungsberuhigt und biegefrei zu einem Vorband im Bereich zwischen 6 und 40 mm vergossen, anschließend zu Warmband mit einem Umformgrad von mindestens 50% gewalzt wird und wobei die Abkühigeschwindigkeit an Ober- und Unterseite des Vorbandes im Hinblick auf eine außermittige Lage der Resterstarrung des Vorbandes unterschiedlich eingestellt wird.
Das erfindungsgemäße horizontale Bandgießverfahren ist für die Erzeugung von Bändern für die Herstellung von Schneid- oder Zerspanwerkzeuge unüblich und weist gegenüber den bislang bekannten Herstellverfahren für Stahlbänder, aus denen Schneidwerkzeuge hergestellt werden, den Vorteil auf, dass einerseits die Linie der Resterstarrung des gegossenen Bandes nicht mehr mittig in der Bandebene liegt, sondern außermittig, so dass der Bereich für die Schneide außerhalb der Resterstarrung liegt und damit die
beschriebenen Nachteile eines mittig liegenden Erstarrungsbereiches der bekannten Verfahren vermeidet. Die Standzeit und Schnitthaltigkeit des Schneidwerkzeugs wird damit deutlich verbessert.
Gleichzeitig bewirkt die hohe erreichbare Abkühlgeschwindigkeit des Bandes beim horizontalen Bandgießen, dass die Ausscheidungen, z.B. Karbide, sehr fein und homogen verteilt sind, was sich vorteilhaft auf die Schneidhaltigkeit und Dauerfestigkeit der Schneid-
oder Zerspanwerkzeuge auswirkt. Gegegebenenfalls lässt sich dadurch auch der Anteil an Karbidbildnern, wie z.B. Chrom reduzieren, was sich günstig auf die Herstellkosten auswirkt.
Durch das feinere Gefüge und die fein verteilten Ausscheidungen kann die Festigkeit gegebenenfalls, erheblich gesteigert werden, so dass gegenüber dem Blockgussverfahren Legierungselemente wie Chrom, Molybdän etc. eingespart werden und im Hinblick auf das Stranggießen das Ausfallrisiko durch Rissbildung deutlich reduziert werden kann.
Ein Umformgrad beim Warmwalzen des Vorbandes von mindestens 50% ist erforderlich, um ein möglichst feinkörniges, homogenes Gefüge zu erzeugen. Je nach zu erzeugender
Warmbanddicke und Legierungszusammensetzung kann der Umformgrad auch mehr als 70 % betragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich deshalb insbesondere auch für die Erzeugung von härtbaren Stahlsorten für Schneidwerkzeuge, die mit Kohlenstoffgehalten über 0,80% insbesondere in Kombination mit karbidbildenenden Legierungselementen (z.B. Chrom und Molybdän mit dem nicht karbidbildenden Element Silizium in Summe über 1 ,5%) nicht fehlerfrei als Bramme strangvergi eßbar sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist zudem vorteilhaft, dass die Lage der Ebene der Resterstarrung des Vorbandes durch unterschiedliche Abkühlbedingungen an Ober- und Unterseite des Vorbandes leicht steuerbar ist, wobei eine der Bandseiten beispielsweise beschleunigt mittels Wasser und die andere beispielweise an ruhender Luft abgekühlt wird. Beispielsweise kann die Unterseite des Vorbandes indirekt über eine intensive
Wasserkühlung der Unterseite des Förderbandes, auch Casterband genannt, erreicht werden, während die Oberseite des Vorbandes an Luft abkühlt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Warmbänder wurden mit
unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen gemäß der nachstehenden Tabelle 1 untersucht.
Tabelle 1a Legierungszusammensetzung 125Cr1
c Si Mn Cr
1,25 % 0,25 % 0,35 % 0,35 %
Tabelle 1b Legierungszusammensetzung 100Cr6 nach Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 200
Tabelle 1a zeigt einen Stahl 125Cr1 , der einen C-Gehalt von 1 ,25 Gew.% und einen Cr- Gehalt von 0,35 Gew.% aufweist.
In Tabelle 1b weist der Stahl insbesondere einen mit 1 ,50 Gew.% höheren Anteil an Chrom aus, wohingegen der Stahl in Tabelle 1c mit 2,70 Gew.% einen deutlich erhöhten Si-Anteil gegenüber den anderen Stählen aufweist.
Bei allen Legierungsvarianten konnte ein sehr feinkörniges gleichmäßiges Gefüge erzeugt werden, wobei die Lage der Resterstarrung in Bandebene gezielt außerhalb der Bandmitte, also außerhalb der Lage der späteren Schneide eingestellt werden konnte.
Das erfindungsgemäße Verfahren verfügt über unterschiedliche Kühlstrategien für die Ober- und Unterseite des Vorbandes, wobei diese unterschiedlich gekühlt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Unterseite des Vorbandes durch ein wassergekühltes Förderband (auch Casterband genannt) beschleunigt abgekühlt, während die Bandoberseite unter Schutzgasatmosphäre langsamer abkühlt. In der Folge verschiebt sich der Bereich der Resterstarrung aus der„geometrischen Mitte" nach oben und befindet sich in etwa in einer Position 1/3 von der Bandoberseite (Figur 1, links). Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus den hohen Abkühlraten bei dem erfindungsgemäßen endabmessungsnahen Gießverfahren, die zu einem feineren Gefüge unter Vermeidung von groben Karbiden und Lunkern führen, die bei der konventionellen Herstellroute über die Stranggießanlage oder beim Blockguss auftreten können (Figur 1, rechts). Der Anspruch von Stahlverbrauchern Lunker, grobe Ausscheidungen, z.B. grobe Karbide, insbesondere im Bereich der Schneide zu vermeiden, kann somit mit dem
erfindungsgemäßen horizontalen Bandgießen, durch Realisierung unterschiedlicher Kühlstrategien an Bandober- und Unterseite besser erfüllt werden.
Bei einer symmetrischen Klinge kann die Schneide direkt mittig bzw. bei einer
asymmetrischen Klinge entsprechend auf der gegenüberliegenden Seite gefertigt werden, damit die Schneide nicht im Bereich der Linie der Resterstarrung liegt (Figur 2). Insbesondere die außermittige Erstarrung des gegossenen Bandes ermöglicht es bei gleichzeitig mittiger Lage des Schneidebereiches von Messern in Bezug auf die
geometrische Bandmitte (Kern), Bereiche der Resterstarrung mit allen Nachteilen (grobe Karbide, Lunker) zu vermeiden. Bei Messern mit außermittiger Lage des Schneidebereiches hingegen kann die Lage der Ober- und Unterseite des gegossenen Bandes gezielt berücksichtigt werden, um den Schneidenbereich außerhalb des Bereichs der
Resterstarrung zu legen Die Lage der Schneide in Bezug auf die Zone der Resterstarrung verändert sich auch durch Nachschleifen nicht. Die Bearbeitbarkeit der Schneide wird ebenfalls verbessert und die Gefahr des Ausbrechens der Schneide durch Lunker oder grobe Ausscheidungen wird vermieden.
Insbesondere grobe Chromkarbide bewirken bei schlagartiger Beanspruchung von Messern, eine lokale Zerstörung der Klinge und erfordern häufigeres Nachschleifen oder einen kompletten Ersatz, was bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden wird. Neben dem Einsatz für Industriemesser ist darüber hinaus der Einsatz als Sägeblätter für das Zerspanen von Holz- und Kunststoff möglich. Die über das Bandgießen möglichen hohen Kohlenstoff- und Silizium-Masseanteile ermöglichen gegebenenfalls im Randbereich bei der Sägeverzahnung auf den Einsatz von Hartmetallschneiden zu verzichten, da der Grundwerkstoff aufgrund seiner Analyse bereits das Aufbringen einer harten und verschleißfesten Schicht ermöglicht. Das homogene Gefüge insbesondere mit fein dispers verteilten Karbiden erreicht erheblich höhere Standzeiten verbunden mit geringeren Wechselzeiten.
In der Figur 3 ist schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Vorbandes mit außermittiger Erstarrung und anschließendem Warmwalzvorgang zur Herstellung der geforderten Banddicke dargestellt.
Dem Warmwalzprozess vorgeschaltet ist das Gießverfahren mit einer horizontalen
Bandgießanlage 1 , bestehend aus einem umlaufenden Förderband 2 und zwei Umlenkrollen 3, 3". Zu erkennen ist auch eine Seitenabdichtung 4, die verhindert, dass die aufgegebene Schmelze 5 rechts und links vom Förderband 2 herunterfließen kann. Die Schmelze 5 wird mittels einer Pfanne 6 an die Bandgießanlage 1 transportiert und fließt durch eine im Boden
der Pfanne vorgesehene Öffnung 7 in ein Zulaufgefäß 8. Dieses Zulaufgefäß 8 ist wie ein Überlaufgefäß ausgebildet.
Dargestellt sind ebenfalls die Einrichtung K zur intensiven Kühlung der Unterseite des Obertrums des Förderbandes 2 sowie die vollständige Einhausung 11 der Bandgießanlage 1 mit entsprechender Schutzgasatmosphäre.
Nach Aufgabe der Schmelze 5 auf das umlaufende Förderband 2 kommt es infolge der intensiven Kühlung zur Erstarrung und zur Bildung eines Vorbandes 9, das am Ende des Förderbandes 2 weitestgehend durcherstarrt ist. Durch die Kühleinrichtung K kann erfindungsgemäß die Kühlung im Vergleich zur Oberseite des Vorbandes 9 gezielt so beeinflusst werden, dass eine außermittige Erstarrung (metallurgische Mitte) des Vorbandes 9 erreicht wird.
Zum Temperaturausgleich und Spannungsabbau schließt sich an die Bandgießanlage 1 eine Homogenisierungszone 10 an. Diese besteht aus der wärmegedämmten Einhausung 11 und einem hier nicht dargestellten Rollgang.
Das dann nachfolgende erste Gerüst 12 ist entweder nur als reines Treiberaggregat ggf. mit einem geringen Anstich oder als Walzenaggregat mit einem vorgegebenen Anstich ausgebildet.
Es folgt eine Zwischenerwärmung, vorteilhafterweise hier als induktive Erwärmung z. B. in Form einer Spule 13 ausgebildet. Die eigentliche Warmumformung findet in der
nachfolgenden Gerüststaffel 14 statt, wobei die ersten drei Gerüste 15, 15', 5" die eigentliche Stichabnahme bewirken, während das letzte Gerüst 16 als Glättwalzwerk ausgebildet ist.
Nach dem letzten Stich folgt eine Kühlzone 17, in der das fertige Warmband bis auf
Haspeltemperatur heruntergekühlt wird.
Zwischen Ende der Kühlstrecke 17 und Haspel 19, 19' ist eine Schere 20 angeordnet. Diese Schere 20 hat die Aufgabe, das Warmband 18 quer zu teilen, sobald einer der beiden Haspel 19, 19' vollgewickelt ist. Der Anfang des nachfolgenden Warmbandes 18 wird dann auf der. zweiten frei gewordenen Haspel 19, 19' geleitet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Bandzug über die gesamte Bandlänge aufrecht erhalten bleibt. Dies ist insbesondere bei der Erzeugung dünner Warmbänder von Bedeutung.
Nicht dargestellt sind in der Figur die Anlagenteile zum optionalen Glühen und Kaltwalzen des Warmbandes.
Bezugszeic enliste
Hr. Bezeichnung
1 Bandgießanlage
2 Förderband
3, 3" Umlenkrolle
4 Seitenabdichtung
5 Schmelze
6 Pfanne
7 Öffnung
8 Zulaufgefäß
9 Vorband
10 Homogenisierungszone
11 Einhausung
12 erstes Gerüst
13 Induktionsspule
14 Gerüststaffel
15, 15', 15" Walzgerüst
1 6 Glättgerüst
17 Kühlstrecke
18 fertiges Warmband
19, 19' Haspel
20 Schere
K Kühleinrichtung