EP4630954A1 - Mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes bauteil sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes bauteil sowie verfahren zu dessen herstellung

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Publication number
EP4630954A1
EP4630954A1 EP23821565.1A EP23821565A EP4630954A1 EP 4630954 A1 EP4630954 A1 EP 4630954A1 EP 23821565 A EP23821565 A EP 23821565A EP 4630954 A1 EP4630954 A1 EP 4630954A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
functional layer
roller
functional
sacrificial layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23821565.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Ohlert
Matthias Kipping
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Group GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SMS Group GmbH filed Critical SMS Group GmbH
Publication of EP4630954A1 publication Critical patent/EP4630954A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/16—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making compound objects cast of two or more different metals, e.g. for making rolls for rolling mills
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B38/00—Methods or devices for measuring, detecting or monitoring specially adapted for metal-rolling mills, e.g. position detection, inspection of the product
    • 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
    • B22D11/128—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ for removing
    • B22D11/1287—Rolls; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/02—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making reinforced articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/08—Casting in, on, or around objects which form part of the product for building-up linings or coverings, e.g. of anti-frictional metal
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design

Definitions

  • the invention relates to a mechanically, in particular tribologically stressed component in a rolling mill and to a method for producing or restoring such a component.
  • a mechanically, in particular tribologically stressed component within the meaning of the invention can be, for example, a sliding guide, a linear guide, a guide ruler or a roller or roll which, for example, is in contact with the rolling stock and is designed as a wear partner in terms of the material configuration.
  • the invention particularly relates to a roller for engaging rolling stock in a rolling mill and to a method for producing or restoring a roller for engaging rolling stock in a rolling mill, in particular in a hot rolling mill.
  • Such a roller is known, for example, from WO 2009/130079A1.
  • This publication relates to a roller for transporting continuously cast steel strands on a roller table or in a continuous casting machine, with a roller body that comprises a roller shell made of a base material and a wear layer applied to the base material by welding with a welding filler material, which encloses the roller shell surface, the base material of the roller shell being steel.
  • the application is carried out as a single-layer weld.
  • the roller is restored after wear by preparing the roller shell as a turned part and applying a single-layer weld to the base material with a certain minimum thickness.
  • the weld layer is then turned back to a closed, single-surface roller shell surface while maintaining a minimum thickness of the wear layer.
  • rollers such as those described in WO 2009/130079A1
  • coatings that perform different functions, for example increased wear resistance, increased bending or torsion resistance under static, dynamic or oscillating stress, increased temperature resistance, a certain thermal expansion or thermal conductivity, and increased corrosion resistance.
  • the invention is therefore based on the object of providing a component for engagement, in particular, in hot rolling stock in a rolling mill, which is optimized with regard to its wear properties and which can be manufactured relatively easily and/or which can be easily restored.
  • the invention is further based on the object of providing a corresponding method for producing and/or restoring such a component.
  • a mechanically, in particular tribologically stressed component is provided with a base body made of a base material and at least one functional layer applied to the base body, wherein the material of the at least one functional layer has a higher wear resistance than the base material, wherein the base body comprises at least one further outer layer as a sacrificial layer, which at least partially encloses the at least one functional layer and the sacrificial layer consists of a material that has a lower wear resistance than the at least one functional layer.
  • a mechanically stressed component within the meaning of the invention is, for example, a component that is designed as a wear partner for engaging in rolling stock or for guiding the rolling stock.
  • the term component within the meaning of the invention includes, for example, but not exclusively, sliding guides in roller tables, Guide rails, rollers or rolls, for example support rollers that interact with other rollers.
  • the at least one functional layer consists of a relatively harder and/or more wear-resistant material than the sacrificial layer.
  • a roller for engaging in hot rolling stock in a hot rolling mill is provided as a component within the meaning of the invention, which roller has a roller body which comprises a roller shell made of a base material and at least one functional layer made of at least one material different from the base material, wherein the material of the at least one functional layer has a higher wear resistance than the base material, wherein the roller body comprises at least one further outer layer as a sacrificial layer which at least partially encloses the at least one functional layer and the sacrificial layer consists of a material which has a lower wear resistance than the at least one functional layer.
  • a roller for engaging hot rolling stock within the meaning of the present invention is a roller or roll as a roller table roller, roll of a rolling mill, roll of a continuous casting machine or continuous casting guide or another unit which is intended for supporting, treating and/or transporting the hot rolling stock.
  • the roller body and/or the roller shell are, for example, essentially cylindrical, whereby the shell surface of the roller can also be conical or cambered.
  • the shell body of the roller can have a plurality of layers that can form a composite with corresponding material properties.
  • At least one outer layer of the roller shell is designed as a so-called functional layer, which means that the material of the functional layer has the desired properties for intervention in the rolled stock with regard to wear resistance or temperature resistance or hardness or ductility.
  • a functional layer within the meaning of the invention is understood to mean a wear protection layer which consists of a material which is more wear-resistant with respect to the base material of the roller body and/or with respect to other layers of the roller.
  • the sacrificial layer does not meet all the requirements for engaging with the rolling stock, in particular this sacrificial layer has a lower wear resistance.
  • the sacrificial layer can nevertheless meet the desired application-specific properties.
  • the roller shell can comprise one or more supplementary layers that are arranged underneath at least one functional layer.
  • Supplementary layers can perform various functions, e.g. separating two hard and brittle layers to prevent cracks or separating two different hard layers to prevent mixing, but can also function as a sacrificial layer.
  • the supplementary layers can, for example, have lower strength and greater ductility than the other layers, thus allowing the reduction of stresses and the prevention of cracks in the boundary area to a functional layer of high hardness and wear resistance.
  • sacrificial layer means that this partial layer does not have the properties required by the application, e.g. in a rolling mill, but that a partial layer or part of the total layer is deliberately applied in order to to provide the underlying layer area with particularly advantageous properties or to generally promote its effective use, optimal for the application.
  • the sacrificial layer can, for example, be applied above a hard layer and form the outermost surface of the roll. This can be machined to provide a desired surface quality, for example a certain surface roughness.
  • the sacrificial layer can completely or partially enclose an outer functional layer. If the roll has an additional soft layer above a hard layer that has been mechanically reworked, this has various advantages. In this way, it is easier to achieve a good surface quality when coating. Furthermore, mechanical processing of the sacrificial layer is much easier. The sacrificial layer can be reworked using a simpler and more cost-effective process, such as turning or reversing to a nominal diameter. Finally, the tool used for this is cheaper and easier to handle. The valuable hard layer or functional layer is completely or almost completely preserved, since the application and removal of the softer layer can be optimally tailored to the application. The thickness of the softer layer can be freely selected within wide limits and thus adapted to the requirements of the overall system. Preservation of the functional layer is one aspect of the invention, particularly if the functional layer has a property gradient in which the best properties are achieved directly on the surface.
  • This also increases the design freedom when applying the hard layer, in preferred embodiments one layer that has a structure and property gradient, or several layers that have a structure and property gradient from layer to layer or several Layers that have a structure and property gradient from layer to layer and within the layers. If, for example, 200 to 500 micrometers had to be removed after coating, a complex optimization of alloy composition and process parameters with the aim of setting the optimal properties in the area near the edge, e.g. in the form of high strength or good corrosion resistance, would often be pointless.
  • the disadvantages of the prior art are remedied according to the invention by applying a preferably softer sacrificial layer or cover layer, which is partially or almost completely removed during mechanical processing. Any remnants of the soft layer are quickly removed during industrial use due to their low wear resistance and do not impair the functionality of the layer.
  • the hard layer can then be used exactly for its original purpose because it is completely preserved.
  • the property profile which correlates with the macroscopic and microscopic structure of the layer, can thus be adjusted according to specifications or as desired. Any thickness that is not exactly uniform over length and width or in the axial and tangential direction due to the lack of processing of this hard layer is evened out during operation due to the mechanical stress that occurs.
  • An optimal combination of application and subsequent partial removal of the entire layer ensures that, on the one hand, the technical properties are particularly advantageous and, on the other hand, the economic efficiency of the product is maximized.
  • the at least one functional layer consists of a relatively harder and/or more wear-resistant material than the sacrificial layer.
  • the functional layer can have a radially extending structural and/or property gradient.
  • the functional layer can have a hardness gradient from the inside to the outside, for example from softer to harder.
  • the functional layer can, for example, comprise a steel that contains a certain proportion of hard foreign phases such as tungsten carbide or titanium carbide. These foreign phases can be distributed in a layer, i.e. continuously, in such a way that a hardness gradient is achieved. Such a hardness gradient is easily achieved when a hard functional layer in the sense of the present invention with a softer cover layer as a sacrificial layer forms the outer surface of the component or, for example, the roller shell of the roller.
  • the sacrificial layer allows the set gradient to be maintained.
  • a wear-resistant hot-work steel such as 1.2344 or a high-speed steel such as 1.3344 can be considered as a material for the at least one functional layer.
  • martensitic Stainless steels based on 1.4057 for example, nickel-based alloys such as Inconel 625 and Inconel 718 or cobalt-based alloys such as Stellite 6 and Stellite 21 are suitable.
  • Particularly wear-resistant layers also contain hard phases such as tungsten carbides and/or titanium carbides. In extreme cases, the volume fraction of the hard phases can exceed that of the matrix.
  • a plurality of functional layers are provided which have different properties and/or consist of different materials.
  • the plurality of functional layers can, for example, form a radial structural and/or property gradient of the roller shell.
  • the component according to the invention it is provided that its outer surface is designed as a single-surface outer surface, i.e. that it has no steps or diameter jumps.
  • the outer surface of a roller as a component can be cylindrical, conical, cambered or S-shaped.
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing or restoring a mechanically, in particular tribologically stressed component according to one of claims 1 to 8, with a base body made of a base material and at least one functional layer applied to the base body, which comprises at least one material different from the base material, comprising the following method steps:
  • the sacrificial layer consists of a material which differs in terms of material properties from the material properties of the functional layer and which has a lower wear resistance than the at least one functional layer
  • the application of the at least one functional layer and/or the sacrificial layer is preferably selected from a group of methods comprising build-up welding, thermal spraying, plasma coating, casting, centrifugal casting, vapor deposition, dusting, galvanic coating, chemical coating.
  • the reworking can be done, for example, by turning and/or milling and/or grinding.
  • the thickness of the at least one functional layer and/or the sacrificial layer can be selected such that the sacrificial layer at least partially encloses the at least one functional layer after the material removal.
  • the shell surface can be manufactured as a single-surface shell surface.
  • a plurality of functional layers can be applied which have different properties and/or consist of different materials, such that the plurality of functional layers form a structure and/or property gradient.
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing or restoring a roll for engaging hot rolling stock in a hot rolling mill, in particular for producing or restoring a roll with a roll body comprising a roll shell made of a base material and at least one functional layer made of at least one material different from the base material, comprising the following processing steps:
  • the sacrificial layer consists of a material which differs from the material properties of the functional layer in terms of material properties and which has a lower wear resistance than the at least one functional layer
  • the process steps are preferably carried out in the order in which they are listed.
  • the application of the at least one functional layer and/or the sacrificial layer can be carried out, for example, by deposition welding, thermal spraying, casting, vapor deposition, plasma coating, centrifugal casting, dusting, galvanic coating or chemical coating.
  • the method according to the invention can further comprise using the heat supplied during application of the sacrificial layer to influence the underlying functional layer with regard to its ductility.
  • the functional layer is subjected to an annealing process by the sacrificial layer.
  • Post-processing can be done by turning and/or milling and/or grinding.
  • the thickness of the at least one functional layer and/or the sacrificial layer is selected such that the sacrificial layer at least partially encloses the at least one functional layer after the diameter reduction of the roller shell.
  • the roller shell surface is preferably manufactured as a single-surface shell surface. This can, for example, be completely closed.
  • a plurality of functional layers are applied which have different properties and/or consist of different materials, such that the plurality of functional layers form a preferably radial structure and/or property gradient of the roller shell.
  • the described layers with the corresponding properties can be adapted to different loads which act on the roller shell at different times in such a way that the best possible roller shell properties exist with regard to the respective external loads. according to the arrangement of the layers on the roll.
  • the wear and/or load resistance of the roller according to the invention can, for example, be optimized in an application-oriented manner, wherein a method for application-oriented optimization can comprise the acquisition of tribological data during the manufacture and/or restoration of at least one roller, the acquisition of wear and/or load data resulting from the operational use of the roller, the correlation of the tribological data from the manufacture and/or restoration of the roller with the wear and/or load data from the operation of an electronic database and the automatic load-oriented design and/or modification of the structure of the roller shell and/or the automatic modification of the operational load of the roller.
  • a method for application-oriented optimization can comprise the acquisition of tribological data during the manufacture and/or restoration of at least one roller, the acquisition of wear and/or load data resulting from the operational use of the roller, the correlation of the tribological data from the manufacture and/or restoration of the roller with the wear and/or load data from the operation of an electronic database and the automatic load-oriented design and/or modification of the structure of the roller shell and/or the
  • the optimization of wear and/or load resistance of the component or roller can, for example, also be carried out using data regarding material removal during operation and/or during restoration of the component.
  • the tribological data are preferably measurement data selected from a group of measurement data comprising torques, cutting forces, feed forces, friction forces, friction coefficients and temperatures during machining of the component or the roller shell and surface roughness of the roller shell surface immediately after machining of the roller shell.
  • the tribological data can be recorded both location-related and time-related in relation to the geometry of a roller.
  • the wear and/or load data from the operation of the roller are preferably measured data which are either temporarily recorded on the roller in operation recorded on the roll or captured online during operation.
  • the wear data may include measured surface properties selected from a group of measurement data on roughness, waviness, profile, surface hardness, coefficient of friction of the outer surface of the roller and the structure of the wear traces in the outer surface of the roller.
  • Cutting processes with geometrically defined and indeterminate cutting edges can also be considered tribometers. Therefore, the recording of material removal and the associated resulting variables such as surface quality as well as the shape and position of the surfaces can be taken into account to optimize the wear and/or load resistance of the component.
  • the load data can be selected from a group of data comprising the point loads acting on the roll, line loads, surface pressures, the rotational speeds and the slip of the roll as well as the temperature and/or nature of the rolling stock and/or the media used for rolling stock cooling.
  • the method may comprise an automatic evaluation of the corrected data with the aid of at least one expert system and/or using methods based on machine learning methods, in particular based on artificial neural networks, deep artificial neural networks, decision trees, ensemble methods based on decision trees, linear or nonlinear regression models with or without regularization, support vector machines with linear, polynomial or other kernel functions, or the like.
  • Figure 1 is a schematic representation of a partial section through a roller designed according to the prior art
  • FIG 2 is a schematic representation of several manufacturing stages of the roll shown in Figure 1,
  • Figure 3 is a schematic representation of the manufacturing or repair process of a roll according to the invention by means of several partial sectional views
  • Figure 4 shows a partial section through a roller according to the invention after a certain operating time
  • Figure 5 is a schematic representation of a multilayer system of a roll according to the invention.
  • Figures 1 and 2 show several partial sectional views of a prior art roller in various stages of manufacture.
  • the reference numerals used in relation to Figures 1 and 2 are equally used for the roller according to the invention shown in Figures 3 to 5.
  • the roller 1 shown in Figures 1 and 2 is shown as a partial sectional view, with the sectional view being shown above an axis of symmetry of the roller 1.
  • the roller 1 comprises a roller body 2 made of steel as the base material and a jacket layer which comprises a so-called functional layer 3.
  • a supplementary layer 4 can be provided below the functional layer 3. be arranged.
  • the functional layer is usually applied as a wear protection layer with corresponding material properties, for example by welding, to the supplementary layer 4 or directly to the roller body 2.
  • the functional layer 3 is machined after the functional layer 3 has been applied, i.e. it is usually turned to the nominal diameter of the roller 1 and ground accordingly.
  • the state of the roller 1 after the functional layer 3 has been applied is shown in Figure 2A, and the state after the surface has been machined is shown in Figure 2B. It is easy to understand that reworking the surface of the functional layer 3 is associated with a corresponding amount of effort.
  • inventions 3 to 5 The method according to the invention and the component according to the invention, in the example described a roller 1, are illustrated in Figures 3 to 5.
  • possible components include, for example, but not exclusively, sliding guides in roller tables, guide rails, rollers or rolls, for example also support rolls that interact with other rolls or other mechanically loaded components that are subject to wear.
  • Figure 3A shows the state of the roller 1 after application of the functional layer 3 made of a wear-resistant and hard and/or tough material, which has more favorable properties in terms of wear properties than the base material of the roller body 2 and/or a supplementary layer 4 arranged between them.
  • the supplementary layer 4 can, for example, consist of a relatively soft material based on the austenitic stainless steel 1 .4404.
  • the functional layer 3, which in the described embodiment of the invention was applied by deposition welding consists, for example, of a wear-resistant hot-work steel such as 1.2344 or a high-speed steel such as 1.3344 comprising foreign phases of tungsten carbide and/or titanium carbide, which achieve a corresponding wear resistance of the functional layer 3.
  • a sacrificial layer 5 is applied to the functional layer 3, which consists, for example, of the same material as the other supplementary layers or of a different material, since the sacrificial layer can, for example, have a lower ductility than the supplementary layers further inside (e.g. buffer layers) or, for example, unlike these, does not have to meet any special requirements with regard to heat conduction and/or thermal expansion.
  • the sacrificial layer 5 does not meet the application-specific requirements for the wear resistance and/or hardness and/or toughness of the material.
  • the roller shell After application of the sacrificial layer 5, the roller shell has an excess dimension which is reduced to the nominal diameter of the roller 1 in a further process step by appropriate post-processing such as milling, grinding or turning and, as illustrated in Figure 3C, finally has the desired surface roughness in accordance with the specifications from the application of the roller 1.
  • Figure 4 shows a partial section through the roller 1 according to the invention after a certain period of use or operating time. Parts of the sacrificial layer have been worn away as a result of stress, parts of which are still present. Parts of the functional layer 3 are also worn away, with the removal in both layers generally being of different degrees. The thickness of the functional layer 3 becomes more uniform over time.
  • Figure 5 illustrates a multi-layer system of the roll shell, which comprises a plurality of functional layers 3 and a plurality of supplementary layers 4, which are arranged in such a way that a radial hardness gradient is achieved.
  • a sacrificial layer 5, which is not shown in Figure 5, is applied above the layer arrangement of functional layers 3. This is also reworked, as in the example according to Figure 3, by appropriate post-processing with regard to the surface roughness and with regard to the nominal diameter of the roll.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil in einem Walzwerk, mit einem Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einer auf den Grundkörper aufgebrachten Funktionsschicht (3) aus wenigstens einem von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff, wobei der Werkstoff der wenigstens einen Funktionsschicht (3) eine höhere Verschleißfestigkeit als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der Grundkörper wenigstens eine weitere äußere Schicht als Opferschicht (5) umfasst, die die wenigstens eine Funktionsschicht (3) wenigstens teilweise umschließt und die Opferschicht (5) aus einem Werkstoff besteht, der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht (3) aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung eines solchen Bauteils.

Description

Mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil in einem Walzwerk sowie ein Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung eines solchen Bauteils. Ein mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil im Sinne der Erfindung kann beispielsweise eine Gleitführung, eine Linearführung, ein Führungslineal oder eine Rolle oder Walze sein, die beispielsweise in Kontakt mit dem Walzgut stehen und hinsichtlich der Werkstoffkonfiguration als Verschleißpartner ausgelegt ist.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Rolle zum Eingriff in Walzgut in einem Walzwerk sowie ein Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung einer Rolle zum Eingriff in Walzgut in einem Walzwerk, insbesondere in einem Warmwalzwerk.
Eine solche Rolle ist beispielsweise aus der WO 2009/130079A1 bekannt. Diese Veröffentlichung betrifft eine Rolle zum Transportieren von stranggegossenen Stahlsträngen auf einem Rollgang oder in einer Stranggießmaschine, mit einem Rollenkörper, der einen Rollenmantel aus einem Grundwerkstoff und eine durch Auftragsschweißen auf den Grundwerkstoff mit einem Schweißzusatzwerkstoff aufgebrachte Verschleißschicht umfasst, die die Rollenmanteloberfläche einschließt, wobei der Grundwerkstoff des Rollenmantels Stahl ist. Die Auftragsweisung ist als Einlagenschweissung ausgeführt. Die Wiederherstellung der Rolle nach Verschleiß erfolgt dadurch, dass der Rollenmantel als Drehteil vorbereitet wird und dass eine einlagige Auftragsschweißung auf den Grundwerkstoff mit einer bestimmten Mindestdicke aufgebracht wird. Anschließend wird die Schweißschicht auf eine geschlossene einflächige Rollenmanteloberfläche bei Aufrechterhaltung einer Mindestdicke der Verschleißschicht zurückgedreht. Mechanische Bauteile sind im Betrieb häufig einer Belastung ausgesetzt, die lokal unterschiedlich ist und das Bauteil nicht gleichmäßig erfasst. Insbesondere ist häufig ein Unterschied zwischen dem Kern und dem Rand eines Bauteils zu beobachten. Bei vorwiegend zylinderförmigen Bauteilen, wie beispielsweise Scheiben und Wellen oder auch Rollen sowie bei anderen Bauteilen mit ebenen Flächen, wird vom Kern oft eine hohe Duktilität bei geringer Belastung gefordert, während der oberflächennahe Grenzbereich beispielsweise einer hohen mechanischen, thermischen und/oder korrosiven Beanspruchung ausgesetzt ist.
Aus diesem Grund ist es allgemein bekannt, Rollen, wie sie beispielsweise in der WO 2009/130079A1 beschrieben sind, mit Beschichtungen zu versehen, die unterschiedliche Funktionen übernehmen, zum Beispiel eine erhöhte Verschleißbeständigkeit, eine erhöhte Biege- oder Torsionsbeständigkeit bei statischer, dynamischer oder schwingender Beanspruchung, eine erhöhte Temperaturbeständigkeit, eine bestimmte Wärmeausdehnung oder Wärmeleitfähigkeit sowie erhöhte Korrosionsbeständigkeit.
Wie vorstehend beschrieben, ist es bekannt, derartige Funktionsschichten durch Auftragsschweißen, durch thermisches Spritzen, Bedampfen, Bestäuben, galvanisches oder chemisches Beschichten oder durch Gießen aufzubringen. Vielfach wird für derartige Bauteile eine bestimmte Oberflächenqualität, d. h. beispielsweise eine definierte Rauheit und Welligkeit gefordert. Diese Oberflächenqualität ist nicht notwendigerweise nach dem Aufbringen der Funktionsschichten vorhanden, vielmehr muss diese durch entsprechende Nachbearbeitung wie beispielsweise Drehen, Fräsen oder Schleifen hergestellt werden.
Bei Bauteilen, denen durch die Aufbringung einer sogenannten Funktionsschicht eine erhöhte Verschleißfestigkeit vermittelt werden soll, ist das Herstellen bestimmter Oberflächeneigenschaften durch Nachbearbeitung naturgemäß verhältnismäßig aufwendig, da sich ein verschleißfester Werkstoff einer Nachbearbeitung stärker widersetzt als ein Werkstoff, der weniger verschleißfest ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil zum Eingriff insbesondere in heißes Walzgut in einem Walzwerk bereitzustellen, das hinsichtlich seiner Verschleißeigenschaften optimiert ist und das verhältnismäßig einfach hergestellt werden kann und/oder die einfach wiederhergestellt werden kann.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung und/oder Wiederherstellung eines solchen Bauteils bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil mit einem Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einer auf den Grundkörper aufgebrachten Funktionsschicht bereitgestellt, wobei der Werkstoff der wenigstens einen Funktionsschicht eine höhere Verschleißfestigkeit als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der Grundkörper wenigstens eine weitere äußere Schicht als Opferschicht umfasst, die die wenigstens eine Funktionsschicht wenigstens teilweise umschließt und die Opferschicht aus einem Werkstoff besteht, der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht aufweist.
Ein mechanisch beanspruchtes Bauteil im Sinne der Erfindung ist beispielsweise ein Bauteil, das als Verschleißpartner zum Eingriff in Walzgut oder zur Führung des Walzguts ausgelegt ist. Der Begriff Bauteil im Sinne der Erfindung umfasst beispielsweise aber nicht ausschließlich, Gleitführungen in Rollgängen, Führungslineale, Rollen oder Walzen, beispielweise auch Stützwalzen, die mit anderen Walzen Zusammenwirken.
Vorzugsweise besteht die wenigstens eine Funktionsschicht aus einem verhältnismäßig härteren und/oder verschleißfesteren Werkstoff als die Opferschicht.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird als Bauteil im Sinne der Erfindung eine Rolle zum Eingriff in heißes Walzgut in einem Warmwalzwerk bereitgestellt, die einen Rollenkörper aufweist, der einen Rollenmantel aus einem Grundwerkstoff und wenigstens eine Funktionsschicht aus wenigstens einem von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff umfasst, wobei der Werkstoff, der wenigstens einen Funktionsschicht eine höhere Verschleißfestigkeit als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der Rollenkörper wenigstens eine weitere äußere Schicht als Opferschicht umfasst, die die wenigstens eine Funktionsschicht wenigstens teilweise umschließt und die Opferschicht aus einem Werkstoff besteht, der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht aufweist.
Eine Rolle zum Eingriff in heißes Walzgut im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Rolle oder Walze als Rollgangrolle, Walze eines Walzwerks, Walze einer Stranggießmaschine oder Stranggussführung oder eines anderen Aggregats, die zur Stützung, Behandlung und/oder zum Transport des heißen Walzguts vorgesehen ist.
Der Rollenkörper und/oder der Rollenmantel sind beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei die Mantelfläche der Rolle auch konisch oder bombiert ausgestaltet sein kann. Der Mantelkörper der Rolle kann eine Vielzahl von Schichten aufweisen, die einen Verbund mit entsprechenden Materialeigenschaften ausbilden können. Wenigstens eine äußere Schicht des Rollenmantels ist als sogenannte Funktionsschicht ausgebildet, das heißt, dass der Werkstoff der Funktionsschicht die gewünschten Eigenschaften zum Eingriff in das Walzgut im Hinblick auf Verschleißfestigkeit oder Temperaturbeständigkeit oder Härte oder Duktilität aufweist.
Unter einer Funktionsschicht im Sinne der Erfindung ist eine Verschleißschutzschicht zu verstehen, die aus einem bezüglich des Grundwerkstoffs des Rollenkörpers und/oder bezüglich anderer Schichten der Rolle verschleißfesteren Werkstoff besteht.
Vorzugsweise weist die Opferschicht nicht alle Anforderungen zum Eingriff in das Walzgut auf, insbesondere weist diese Opferschicht eine geringere Verschleißfestigkeit auf. Hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit, Welligkeit und Maßhaltigkeit) kann die Opferschicht gleichwohl die gewünschten anwendungsspezifischen Eigenschaften erfüllen.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der Rollenmantel ein oder mehrere Ergänzungsschichten umfasst, die unterhalb wenigstens einer Funktionsschicht angeordnet sind. Ergänzungsschichten können verschiedene Funktionen übernehmen, z.B. Trennen von zwei harten und spröden Schichten zur Vermeidung von Rissen oder Trennen von zwei unterschiedlichen harten Schichten zur Vermeidung von Aufmischung, u.a. aber auch die Funktion als Opferschicht.
Die Ergänzungsschichten können beispielsweise eine geringere Festigkeit und größere Duktilität als die anderen Schichten aufweisen und gestatten so den Abbau von Spannungen und die Vermeidung von Rissen im Grenzbereich zu einer Funktionsschicht hoher Härte und Verschleißbeständigkeit.
Der Begriff Opferschichtmeint, dass diese Teilschicht nicht über die Eigenschaften verfügt, die der Anwendungsfall z.B. in einem Walzwerk verlangt, sondern dass eine Teilschicht oder ein Teil der Gesamtschicht bewusst aufgebracht wird, um dem darunterliegenden Schichtbereich besonders vorteilhafte Eigenschaften zu verschaffen bzw. um allgemein seine effektive, für den Anwendungsfall optimale Nutzung zu fördern.
Die Opferschicht kann beispielsweise oberhalb einer harten Schicht aufgebracht sein und die äußerste Mantelfläche der Rolle bilden. Diese kann so bearbeitet sein, dass sie eine gewünschte Oberflächenqualität bereitstellt, beispielsweise eine bestimmte Rauigkeit der Oberfläche.
Die Opferschicht kann eine äußere Funktionsschicht ganz oder teilweise umschließen. Wenn die Rolle oberhalb einer harten Schicht zusätzlich eine weiche Schicht aufweist, die mechanisch nachbearbeitet wurde, hat das verschiedene Vorteile. Auf diese Art und Weise ist es einfacher, beim Beschichten eine gute Oberflächenqualität einzustellen. Weiterhin ist eine mechanische Bearbeitung der Opferschicht wesentlich einfacher. Die Opferschicht kann mittels eines einfacheren und kostengünstigeren Verfahrens, wie beispielsweise durch Drehen bzw. Rückdrehen auf einen Nenndurchmesser nachbearbeitet werden. Schließlich ist das hierzu verwendete Werkzeug kostengünstiger und einfacher handhabbar. Die wertvolle harte Schicht bzw. Funktionsschicht bleibt vollständig oder nahezu vollständig erhalten, da das Aufbringen und Entfernen der weicheren Schicht optimal auf den Anwendungsfall abgestimmt werden kann. Die Dicke der weicheren Schicht kann in weiten Grenzen frei gewählt und so an die Anforderungen des Gesamtsystems angepasst werden. Der Erhalt der Funktionsschicht ist ein Gesichtspunkt der Erfindung, insbesondere, wenn die Funktionsschicht einen Eigenschaftsgradienten besitzt, bei dem die besten Eigenschaften unmittelbar an der Oberfläche erreicht werden.
Dadurch steigt auch der Gestaltungsspielraum beim Aufträgen der harten Schicht, bei bevorzugten Ausführungsformen eine Schicht, die einen Struktur- und Eigenschaftsgradienten besitzt, oder mehrere Schichten, die von Schicht zu Schicht einen Struktur- und Eigenschaftsgradienten besitzen oder mehrere Schichten, die von Schicht zu Schicht und innerhalb der Schichten einen Struktur- und Eigenschaftsgradienten besitzen. Wenn nach dem Beschichten ein Abtrag von beispielsweise 200 bis 500 Mikrometer erfolgen müsste, so wäre eine aufwändige Optimierung von Legierungszusammensetzung und Prozessparametern mit dem Ziel, im randnahen Bereich die optimalen Eigenschaften, z.B. in Form von hoher Festigkeit oder guter Korrosionsbeständigkeit, einzustellen, oftmals sinnlos. Ausgefeilte moderne Beschichtungskonzepte, bei denen beispielsweise der Anteil harter Fremdphasen wie Wolframkarbid oder Titankarbid kontinuierlich (in einer Schicht) oder diskontinuierlich (von Schicht zu Schicht) oder sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich zunimmt, könnten in diesem Fall keine oder nur begrenzte Anwendung finden.
Die Nachteile des Standes der Technik werden erfindungsgemäß durch das Aufbringen einer vorzugsweise weicheren Opferschicht bzw. Deckschicht behoben, die bei der mechanischen Bearbeitung teilweise oder nahezu vollständig entfernt wird. Eventuell vorhandene Reste der weichen Schicht werden beim industriellen Einsatz aufgrund ihrer geringen Verschleißbeständigkeit schnell abgetragen und beeinträchtigen die Funktionalität der Schicht nicht. Die harte Schicht kann dann exakt im Rahmen ihrer ursprünglichen Bestimmung genutzt werden, da sie vollständig erhalten bleibt. Das Eigenschaftsprofil, das mit makroskopischem und mikroskopischem Aufbau der Schicht korreliert, kann dadurch spezifikationsgemäß bzw. wunschgemäß eingestellt werden. Ein aufgrund der fehlenden Bearbeitung dieser harten Schicht ein etwa nicht exakt gleichmäßiger Verlauf der Dicke über Länge und Breite bzw. in axialer und tangentialer Richtung egalisiert sich im Verlauf des Betriebs aufgrund der dabei auftretenden mechanischen Belastung. Eine optimale Kombination des Aufbringens und anschließenden partiellen Entfernens der Gesamtschicht ist dafür verantwortlich, dass sich einerseits die technischen Eigenschaften besonders vorteilhaft darstellen und andererseits die Wirtschaftlichkeit des Produkts maximiert wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Funktionsschicht aus einem verhältnismäßig härteren und/oder verschleißfesteren Werkstoff als die Opferschicht besteht.
Die Funktionsschicht kann beispielsweise bei einem rotationssym metrischen Bauteil wie einer Rolle einen radial verlaufenden Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten aufweisen. Beispielsweise kann die Funktionsschicht von innen nach außen einen Härtegradienten, beispielsweise von weicher nach härter aufweisen.
Die Funktionsschicht kann beispielsweise einen Stahl umfassen, der einen bestimmten Anteil harter Fremdphasen wie z.B. Wolframkarbid oder Titankarbid umfasst. Diese Fremdphasen können in einer Schicht, d. h. kontinuierlich, so verteilt sein, dass ein Härtegradient erzielt wird. Ein solcher Härtegradient stellt sich ohne weiteres dann ein, wenn eine harte Funktionsschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung mit einer weicheren Deckschicht als Opferschicht die Mantelfläche des Bauteils oder beispielsweise den Rollenmantel der Rolle bilden. Die Opferschicht gestattet es, dass der eingestellte Gradient erhalten bleibt.
Als Werkstoff für den Grundkörper des Bauteils kommen nahezu alle gängigen Stahlsorten in Betracht, beispielsweise Baustähle wie beispielsweise der S355J oder Vergütungsstähle wie beispielsweise der 25CrMo4
Als Werkstoff für die wenigstens eine Funktionsschicht kommen beispielsweise ein verschleißbeständiger Warmarbeitsstahl wie der 1.2344 oder ein Schnellarbeitsstahl wie der 1.3344 in Betracht. Darüber hinaus sind martensitische Edelstahle beispielsweise auf Basis des 1.4057, Nickel-Basis-Legierungen wie Inconel 625 und Inconel 718 oder Kobalt-Basis-Legierungen wie Stellite 6 und Stellite 21 geeignet. Besonders verschleißbeständige Schichten enthalten zudem Hartphasen wie Wolfram karbide und/oder Titankarbide. Der Volumenanteil der Hartphasen kann im Extremfall den der Matrix übertreffen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Bauteils bzw. der Rolle gemäß der Erfindung ist eine Vielzahl von Funktionsschichten vorgesehen, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Die Vielzahl von Funktionsschichten können beispielsweise einen radialen Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten des Rollenmantels bilden.
Bei einer bevorzugten Variante des Bauteils gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass dessen Mantelfläche als einflächige Mantelfläche ausgebildet ist, d. h., dass diese keine Absätze bzw. Durchmessersprünge aufweist. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann die Mantelfläche einer Rolle als Bauteil zylindrisch, konisch, bombiert oder S-förmig konturiert sein.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung eines mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchten Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einer auf den Grundkörper aufgebrachten Funktionsschicht, die wenigstens einen von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff umfasst, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
Bereitstellen eines Grundkörpers aus einem Grundwerkstoff,
Aufbringen wenigstens einer verschleißfesten Funktionsschicht auf den Grundkörper,
Aufbringen einer äußeren Opferschicht auf die Funktionsschicht, wobei die Opferschicht aus einem Werkstoff besteht, der hinsichtlich der Materialeigenschaften von den Matenaleigenschaften der Funktionsschicht abweicht und der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht aufweist,
Nacharbeiten des Grundkörpers unter Materialabtrag auf eine wenigsten im Bereich einer Funktionsfläche geschlossene Mantelfläche mit vorgegebenen
Abmessungen.
Die Verfahrensschritte werden vorzugsweise in der Reihenfolge ihrer Aufzählung durchgeführt.
Das Aufbringen der wenigstens einen Funktionsschicht und/oder der Opferschicht ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe von Verfahren umfassend Auftragsschweißen, thermisches Spritzen, Plasmabeschichten, Gießen, Schleudergießen, Bedampfen, Bestäuben, galvanisches Beschichten, chemisches Beschichten.
Das Nacharbeiten kann beispielsweise durch Drehen und/oder Fräsen und/oder Schleifen erfolgen.
Die Dicke der wenigstens einen Funktionsschicht und/oder der Opferschicht können so gewählt werden, dass die Opferschicht nach dem Materialabtrag die wenigstens eine Funktionsschicht wenigstens teilweise umschließt.
Beispielsweise kann die Mantelfläche als einflächige Mantelfläche hergestellt wird. io Bei einer Variante des Verfahrens kann eine Vielzahl von Funktionsschichten aufgetragen werden, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, derart, dass die Vielzahl von Funktionsschichten einen Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten bilden.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung einer Rolle zum Eingriff in heißes Walzgut in einem Warmwalzwerk, insbesondere zur Herstellung oder Wiederherstellung einer Rolle mit einem Rollenkörper, der einen Rollenmantel aus einem Grundwerkstoff und wenigstens eine Funktionsschicht aus wenigstens einem von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff umfasst, umfassend die folgenden Bearbeitungsschritte:
Bereitstellen eines Rollenkörpers mit einem Rollenmantel aus einem Grundwerkstoff,
Aufbringen wenigstens einer verschleißfesten Funktionsschicht auf den Rollenkörper,
Aufbringen einer äußeren Opferschicht auf die Funktionsschicht, wobei die Opferschicht aus einem Werkstoff besteht, der hinsichtlich der Materialeigenschaften von den Materialeigenschaften der Funktionsschicht abweicht und der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht aufweist,
Nacharbeiten des Rollenmantels unter Durchmesserverringerung auf eine geschlossene Rollenmantelfläche mit einem vorgegebenen Außendurchmesser.
Die Verfahrensschritte werden vorzugsweise in der Reihenfolge ihrer Aufzählung durchgeführt. Das Aufbringen der wenigstens einen Funktionsschicht und/oder der Opferschicht kann beispielsweise durch Auftragsschweißen, thermisches Spritzen, Gießen, Bedampfen, Plasmabeschichten, Schleudergießen, Bestäuben, galvanisches Beschichten oder chemisches Beschichten erfolgen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann weiterhin umfassen, die beim Aufbringen der Opferschicht zugeführte Wärme zu nutzen, um die darunterliegende Funktionsschicht hinsichtlich deren Duktilität zu beeinflussen. Die Funktionsschicht wird durch die Opferschicht einem Anlassvorgang unterzogen.
Eine Nachbearbeitung kann durch Drehen und/oder Fräsen und/oder Schleifen erfolgen.
Bevorzugt wird die Dicke der wenigstens einen Funktionsschicht und/oder der Opferschicht so gewählt, dass die Opferschicht nach der Durchmesserreduzierung des Rollenmantels die wenigstens eine Funktionsschicht mindestens teilweise umschließt.
Vorzugsweise ist die Rollenmantelfläche als einflächige Mantelfläche hergestellt. Diese kann beispielsweise vollständig geschlossen sein.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Vielzahl von Funktionsschichten aufgetragen wird, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, derart, dass die Vielzahl von Funktionsschichten einen vorzugsweise radialen Struktur- und/oder eine Eigenschaftsgradienten des Rollenmantels bilden. Die beschriebenen Schichten mit den entsprechenden Eigenschaften können derart auf unterschiedliche Belastungen abgestimmt sein, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf den Rollenmantel wirken, dass die bezüglich der jeweiligen äußeren Belastungen bestmöglichen Rollenmanteleigenschaften existieren, entsprechend der Anordnung der Schichten auf der Rolle.
Die Verschleiß- und/oder Belastungsbeständigkeit der Rolle gemäß der Erfindung kann beispielsweise anwendungsorientiert optimiert werden, wobei ein Verfahren zur anwendungsorientierten Optimierung die Erfassung von tribologischen Daten bei der Herstellung und/oder Wiederherstellung wenigstens einer Rolle, die Erfassung von Verschleiß und/oder Belastungsdaten, die aus der betrieblichen Anwendung der Rolle resultieren, die Korrelation der tribologischen Daten aus der Herstellung und/oder Wiederherstellung der Rolle mit den Verschleiß- und/oder Belastungsdaten aus dem Betrieb einer elektronischen Datenbank und die automatische belastungsorientierte Auslegung und/oder Veränderung des Aufbaus des Rollenmantels und/oder die automatische Veränderung der betriebsbedingten Belastung der Rolle umfassen kann.
Die Optimierung Verschleiß- und/oder Belastungsbeständigkeit des Bauteils bzw., der Rolle kann beispielsweise auch unter Verwendung von Daten bezüglich des Materialabtrags während des Betriebs und/oder bei der Widerherstellung des Bauteils erfolgen.
Die tribologischen Daten sind vorzugsweise Messdaten, die ausgewählt sind aus einer Gruppe von Messdaten umfassend Drehmomente, Schnittkräfte, Vorschubkräfte, Reibkräfte, Reibungskoeffizienten und Temperaturen bei einer spanabhebenden Bearbeitung des Bauteils bzw. des Rollenmantels und Oberflächenrauigkeiten der Rollenmantelfläche unmittelbar nach der Bearbeitung des Rollenmantels.
Die tribologischen Daten können in Bezug auf die Geometrie einer Rolle sowohl ortsbezogen als auch zeitbezogen erfasst werden.
Die Verschleiß- und/oder Belastungsdaten aus dem Betrieb der Rolle sind vorzugsweise Messdaten, welche entweder zeitweise an der in Betrieb befindlichen Rolle aufgenommen werden oder während des Betriebs online erfasst werden.
Die Verschleißdaten können gemessene Oberflächeneigenschaften umfassen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe von Messdaten zur Rauigkeit, Welligkeit, dem Profil, der Oberflächenhärte, Reibungsbeiwert der Mantelfläche der Rolle und der Struktur der Verschleißspuren in der Mantelfläche der Rolle.
Spanabhebende Verfahren mit geometrisch bestimmter und unbestimmte Schneide können auch als Tribometer angesehen werden. Daher kann das Erfassen des Materialabtrags und der damit verbundenen entstehenden Größen wie Oberflächengüte sowie die Form und Lage der Flächen für eine Optimierung Verschleiß- und/oder Belastungsbeständigkeit des Bauteils berücksichtigt werden.
Die Belastungsdaten können ausgewählt sein aus einer Gruppe von Daten umfassend die auf die Rolle einwirkende Punktlasten, Streckenlasten, Flächenpressungen, die Umdrehungsgeschwindigkeiten und den Schlupf der Rolle sowie die Temperatur und/oder Beschaffenheit des Walzguts und/oder der bei einer Walzgutkühlung verwendeten Medien.
Das Verfahren kann eine automatische Auswertung der korrigierten Daten unter Zuhilfenahme wenigstens eines Expertensystems und/oder unter Anwendung von Verfahren die auf Methoden des maschinellen Lernens basieren umfassen, insbesondere basierend auf künstlichen neuronalen Netzen, tiefen künstlichen neuronalen Netzen, Entscheidungsbäumen, Ensemble-Methoden basierend auf Entscheidungsbäumen, linearen oder nichtlinearen Regressionsmodellen mit oder ohne Regularisierung, Support-Vector-Machines mit linearen, polynomialen oder anderen Kernel-Funktionen, oder dergleichen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Teilschnitts durch eine nach dem Stand der Technik ausgebildete Rolle,
Figur 2 eine schematische Darstellung mehrerer Fertigungsstufen der in Figur 1 dargestellten Rolle,
Figur 3 eine schematische Darstellung des Herstellungs- oder Wiederherstellungsverfahrens einer Rolle gemäß der Erfindung anhand von mehreren Teilschnittansichten,
Figur 4 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Rolle nach einer bestimmten Betriebszeit und
Figur 5 eine schematische Darstellung eines Mehrschichtsystems einer Rolle gemäß der Erfindung.
Es wird zunächst Bezug genommen auf die Figur 1 und 2, die mehrere Teilschnittansichten einer Rolle nach dem Stand der Technik in verschiedenen Fertigungszuständen zeigen. Die in Bezug auf die Figuren 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen werden gleichermaßen für die in den Figuren 3 bis 5 dargestellte Rolle gemäß der Erfindung verwendet.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Rolle 1 ist jeweils als Teilschnittansicht dargestellt, wobei die Schnittansicht oberhalb einer Symmetrieachse der Rolle 1 dargestellt ist. Die Rolle 1 umfasst einen Rollenkörper 2 aus einem Stahl als Grundwerkstoff sowie eine Mantelschicht, die eine sogenannte Funktionsschicht 3 umfasst. Unterhalb der Funktionsschichte 3 kann eine Ergänzungsschicht 4 angeordnet sein.
Entweder bei der Neuherstellung oder bei der Wiederherstellung der Rolle 1 wird die Funktionsschicht in der Regel als Verschleißschutzschicht mit entsprechenden Materialeigenschaften, beispielsweise durch Auftragsschweißen, auf die Ergänzungsschicht 4 oder unmittelbar auf den Rollenkörper 2 aufgebracht. Damit die Mantelfläche der Rolle die entsprechende Oberflächenbeschaffenheit, d. h. Oberflächenrauheit bzw. Oberflächenebenheit entsprechend den Vorgaben hat, wird diese nach Aufbringung der Funktionsschicht 3 maschinell nachbearbeitet, d. h. in der Regel auf den Nenndurchmesser der Rolle 1 abgedreht und entsprechend geschliffen. Der Zustand der Rolle 1 nach Aufbringung der Funktionsschicht 3 ist in Figur 2A dargestellt, der Zustand nach der maschinellen Bearbeitung der Oberfläche ist in Figur 2B veranschaulicht. Es ist ohne weiteres nachvollziehbar, dass das Nachbearbeiten der Oberfläche der Funktionsschicht 3 mit einem entsprechenden Aufwand verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Bauteil, in dem beschriebenen Beispiel eine Rolle 1 , sind in den Figuren 3 bis 5 veranschaulicht. Wie eingangs bereits erwähnt, kommen als Bauteile beispielsweise auch aber nicht ausschließlich, Gleitführungen in Rollgängen, Führungslineale, Rollen oder Walzen, beispielweise auch Stützwalzen, die mit anderen Walzen Zusammenwirken oder andere mechanisch belastete, einem Verschleiß unterliegende Bauteile in Betracht.
Figur 3A zeigt den Zustand der Rolle 1 nach Aufbringung der Funktionsschicht 3 aus einem verschleißfesten und harten und/oder zähen Werkstoff, der hinsichtlich der Verschleißeigenschaften günstigere Eigenschaften hat als der Grundwerkstoff des Rollenkörpers 2 und/oder eine dazwischen angeordnete Ergänzungsschicht 4. Die Ergänzungsschicht 4 kann beispielsweise aus einem relativ weichen Material auf der Basis des austenitischen Edelstahls 1 .4404 bestehen. Die Funktionsschicht 3, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Auftragsschweißen aufgebracht wurde besteht beispielsweise aus einem verschleißbeständigen Warmarbeitsstahl wie der 1.2344 oder ein Schnellarbeitsstahl wie der 1.3344 umfassend Fremdphasen aus Wolframcarbid und/oder Titankarbid, die eine entsprechende Verschleißfestigkeit der Funktionsschicht 3 erzielen.
Die Funktionsschicht 3 erfüllt unmittelbar nach deren Aufbringung auf den Rollenkörper 2 gemäß Figur 3A keineswegs die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit des fertigen Bauteils. In einem nächsten Schritt, der in Figur 3B veranschaulicht ist, wird auf die Funktionsschicht 3 eine Opferschicht 5 aufgebracht, die beispielsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die übrigen Ergänzungsschichtenbesteht oder aber aus einem anderen Werkstoff, da die Opferschicht beispielsweise eine geringere Duktilität aufweisen kann als die weiter innen liegenden Ergänzungsschichten (z.B. Pufferlagen) oder beispielsweise anders als diese keine besonderen Anforderungen hinsichtlich Wärmeleitung und/oder Wärmeausdehnung erfüllen muss.. Die Opferschicht 5 erfüllt nicht die anwendungsspezifischen Anforderungen an die Verschließfestigkeit und/ oder Härte und/ Zähigkeit des Werkstoffs.
Nach Aufbringen der Opferschicht 5 weist der Rollenmantel ein Übermaß auf, das in einem weiteren Verfahrensschritt durch entsprechende Nachbearbeitung wie Fräsen, Schleifen oder Drehen auf den Nenndurchmesser der Rolle 1 reduziert wird und, wie das in Figur 3C veranschaulicht ist, schlussendlich die gewünschte Oberflächenrauheit entsprechend den Vorgaben aus der Anwendung der Rolle 1 aufweist.
Figur 4 zeigt einen Teilschnitt durch die Rolle 1 gemäß der Erfindung nach einer gewissen Standzeit bzw. Betriebszeit. Teile der Opferschicht sind infolge von Beanspruchung abgetragen, Teile davon sind noch vorhanden. Ebenfalls abgenutzt sind Teile der Funktionsschicht 3, wobei der Abtrag in beiden Schichten in der Regel unterschiedlich stark ist. Die Dicke der Funktionsschicht 3 vereinheitlicht sich im Laufe der Zeit.
Figur 5 veranschaulicht ein mehrschichtiges System des Mantels der Rolle, das eine Vielzahl von Funktionsschichten 3 und eine Vielzahl von Ergänzungsschichten 4 umfasst, die so angeordnet sind, dass ein radialer Härtegradient erzielt wird. Oberhalb der Schichtenanordnung aus Funktionsschichten 3 wird eine Opferschicht 5 aufgetragen, die in Figur 5 nicht dargestellt ist. Diese wird ebenso, wie bei dem Beispiel gemäß Figur 3 durch entsprechende Nachbearbeitung hinsichtlich der Oberflächenrauigkeiten und hinsichtlich des Nenndurchmessers der Rolle nachbearbeitet.
Bezugszeichenliste
1 Rolle
2 Rollenkörper 3 Funktionsschicht
4 Ergänzungsschicht
5 Opferschicht

Claims

Patentansprüche
1. Mechanisch, insbesondere tribologisch beanspruchtes Bauteil in einem Walzwerk, mit einem Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einer auf den Grundkörper aufgebrachten Funktionsschicht (3) aus wenigstens einem von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff, wobei der Werkstoff der wenigstens einen Funktionsschicht (3) eine höhere Verschleißfestigkeit als der Grundwerkstoff aufweist, wobei der Grundkörper wenigstens eine weitere äußere Schicht als Opferschicht (5) umfasst, die die wenigstens eine Funktionsschicht (3) wenigstens teilweise umschließt und die Opferschicht (5) aus einem Werkstoff besteht, der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht (3) aufweist.
2. Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Funktionsschicht (3) aus einem verhältnismäßig härteren und/oder verschleißfesteren Werkstoff als die Opferschicht (5) besteht.
3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2 als Rolle (1 ) für ein Walzwerk, insbesondere für ein Warmwalzwerk.
4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht (3) einen vorzugsweise radial verlaufenden Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten aufweist.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Funktionsschichten (3), die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Funktionsschichten (3) einen vorzugsweise radialen Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten des Rollenmantels bilden.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollenmantelfläche als einflächige Mantelfläche ausgebildet ist.
8. Verfahren zur Herstellung oder Wiederherstellung eines mechanisch, insbesondere tribologisch, beanspruchten Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Grundkörper aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einer auf den Grundkörper aufgebrachten Funktionsschicht (3), die wenigstens einen von dem Grundwerkstoff verschiedenen Werkstoff umfasst, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
Bereitstellen eines Grundkörpers aus einem Grundwerkstoff,
Aufbringen wenigstens einer verschleißfesten Funktionsschicht auf den Grundkörper,
Aufbringen einer äußeren Opferschicht (5) auf die Funktionsschicht (3), wobei die Opferschicht (5) aus einem Werkstoff besteht, der hinsichtlich der Materialeigenschaften von den Materialeigenschaften der Funktionsschicht (3) abweicht und der eine geringere Verschleißfestigkeit als die wenigstens eine Funktionsschicht (3) aufweist,
Nacharbeiten des Grundkörpers unter Materialabtrag auf eine wenigsten im Bereich einer Funktionsfläche geschlossene Mantelfläche mit vorgegebenen Abmessungen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Herstellung oder Wiederherstellung einer Rolle (1 ) als Bauteil, umfassend das Nacharbeiten des Rollenmantels unter Durchmesserverringerung auf eine geschlossene Rollenmantelfläche mit einem vorgegebenen Außendurchmesser. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der wenigstens einen Funktionsschicht (3) und/oder der Opferschicht (5) ausgewählt ist aus einer Gruppe von Verfahren umfassend Auftragsschweißen, thermisches Spritzen, Plasmabeschichten, Gießen, Schleudergießen, Bedampfen, Bestäuben, galvanisches Beschichten, chemisches Beschichten. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Nacharbeiten durch Drehen und/oder Fräsen und/oder Schleifen erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der wenigstens einen Funktionsschicht (3) und/oder der Opferschicht (5) so gewählt wird, dass die Opferschicht (5) nach dem Materialabtrag die wenigstens eine Funktionsschicht wenigstens teilweise umschließt. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche als einflächige Mantelfläche hergestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Funktionsschichten aufgetragen wird, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, derart, dass die Vielzahl von Funktionsschichten (3) einen vorzugsweise radialen Struktur- und/oder Eigenschaftsgradienten bilden.
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