SE464064B - Pilgerskiva foer roertillverkning - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 464 064 z relativt spårets axel.

Man har på olika sätt försökt att klara av dessa cyk- liska dragpåkänningar i pilgerskivor. Ett sätt är att tillse att en skiva med hög hårdhet, såsom en skiva av Bofors SRl855 verktygsstål, är sätthärdad i stället för genomhärdad. Sätt- härdningen har visat sig resultera i en kvarstående tryck- spänning i stället för dragspänning i ytan, vilket tjänar till att motverka dragspänningarna i skivans spår under drift, varigenom skivans livslängd ökas väsentligt. En annan metod för att säkerställa ett härdat ytskikt beskrives i den publi- cerade japanska patentansökningen 55-llH872. Däri beskrives en värmebehandlingsmetod med "riktad härdning" för verktygs- stål för pilgermaskiner, genom att en pilgerskiva upphettas till temperaturintervallet för austenitisering, värme avlägs- nas selektivt från skivan med en förutbestämd högre hastighet i riktningen för det önskade sätthärdningsskiktet än värme- avlägsningshastigheten för resten av skivan, och skivan där- efter anlöpes. Den beskrivna processen gav skivor av Bofors SR 1855 eller AISI 52100 verktygsstål, som hade en sätthärd- ningshårdhet av 53-63 Rockwell C med en tjocklek av ca 1,25- 2,54 cm, medan resten av skivan hade en hårdhet av 35-H5 Rockwell C.

Ett annat sätt att hantera dragspänningarna i pilger- skivor under drift består däri att en elastisk böjning till- låtes under belastning för alstring av tryckspänningar i spårområdet. Denna metod beskrives i den amerikanska patent- skriften 4 674 312. Såsom beskrives däri anordnas en urtag- ning i den inre omkretsen av en roterbar pilgerskiva, som är försedd med ett spår i sin yttre omkrets, så att skivan böjes under inverkan av den pålagda belastningen och draghâllfast- heten i området för spåret kontrolleras av en tryckspänning som alstras genom böjningen som följd av närvaron av nämnda urtagning.

Sätthärdning av pilgerskivor resulterar i en egentryck- spänning i området för skivans yttre omkrets. Sätthärdningen betyder att endast ett tionen i stålet, medan ytskikt härdas genom martensitreak- den större delen av skivan förblir i det mjuka, oomvandlade tillståndet. Egenspänningarna är ett 10 15 20 25 30 35 3 464 Û64 resultat av termisk sammandragning vid kylning och den av martensithärdningen förorsakade volymutvidgningen. Under av- kylningsoperationen medför sålunda den snabba avkylningen av ytan en martensithärdning och sålunda en volymutvidgning. Då skivans inre svalnar, kan den också omvandlas till martensit (vilket resulterar i en genomhärdning) och fortsätta att sval- na och undergå en termisk sammandragning. Om skivans inre också omvandlas till martensit, kommer den åtföljande volym- utvidgningen att tvinga den redan avkylda och härdade ytan att förskjuta sig utåt, vilket resulterar i dragegenspänningar i skivans yta. Om skivans inre ej omvandlas utan fortsätter att dra sig samman termiskt, kommer sammandragningen att förorsaka tryckegenspänningar i kärnans yta och i ytskiktet. Dessa två betingelser har visat sig ha en dramatisk inverkan på livs- längden hos pilgerskivor, varvid mycket dåliga livslängder uppvisas av genomhärdade skivor. Egenspänningar och sålunda livslängden hos pilgerskivor och därmed deras ekonomi be- stämmes primärt av volymändringen i det inre eller kärnan under avkylningen. Huruvida kärnans volym ökar eller minskar bestämmes för närvarande av värmebehandlingsprocessen.

Enligt föreliggande uppfinning innefattar en valsskiva för pilgermaskiner för reducering av rör ett ringformat ele- ment, som består av åtminstone två stållegeringssektioner, varvid den första sektionen sträcker sig från ringens yttre omkrets radiellt inåt en sträcka, som är större än det ra- diella djupet hos det i ringens omkrets för pilgervalsningen utformade spåret men mindre än ringens radiella tjocklek, och den andra stållegeringssektionen sträcker sig från nämnda första sektion radiellt inåt och utgör den större delen av skivans radiella tjocklek. Den första stållegeringen består av en härdad stållegering, som är härdad genom omvandling till martensit under förutbestämda värma ehandlingsbetingelser, medan den andra stållegeringen består av ett material som ej omvandlas till martensit under de värmebehandlingsbetingelser som användes för härdning av den första stållegeringen, så att den första stållegeringssektionen eller ytterhylsan i skivan består av en stållegering med den önskade hållfastheten och hårdheten för att motstå höga tryckspänningar under drift, 10 15 20 25 30 35 464 064 ** medan den andra stållegeringssektionen, eller kärnan, hos skivan har egenskaper som fordras för att ge den önskade volymsammandragningen, som resulterar i önskade tryckegen- spänningar i ytterhylsan för att motstå de cykliska dragspän- ningarna under drift.

Vid en utföringsform av uppfinningen sträcker sig den första sektionen en radiell sträcka motsvarande upp till ca 25 % av skivans totala radiella tjocklek, medan den andra sektionen utgör den återstående delen av skivan. Vid en annan utföringsform innefattar skivan en tredje stållegeringssektion som sträcker sig radiellt från skivans centrumhål till en punkt belägen på avstånde från den första stållegeringssektio- nen, varvid denna tredje stållegeringssektion består av en härdad stållegering, som härdas genom omvandling till martensit under de värmebehandlingsbetingelser som användes för härdning av den första stållegeringssektionen, och nämnda tredje stål- legeringssektion sträcker sig radiellt en sträcka om upp till ca l0 % legeringssektionen fortfarande utgör den större delen av av skivans radiella tjocklek, medan den andra stål- skivan.

Vid en ytterligare utföringsform av uppfinningen består den andra stållegeringssektionen i skivan av ett material, som har en större värmeutvidgning än värmeutvidgningen för mate- rialet i den första stållegeringssektionen, så att volym- sammandragningen som följd av avkylning är hög och resulterar i en ytterligare ökning av tryckegenspänningarna i skivans ytterhylsa.

I det följande skall föredragna utföringsformer av upp- finningen beskrivas såsom exempel och med hänvisning till bifogade ritningar, i vilka fig. l schematiskt visar en pilgervalsskiva enligt uppfinningen; fig. 2 är en planvy av skivan enligt fig. l; fig. 3 är en sidovy av skivan enligt fig. 2; fig. H visar ett snitt genom skivan utefter linjen IV-IV i fig. 2; och fig. 5 är en vy liknande den i fig. 4, illustrerande en annan utföringsform av uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 5 464 Û54 Fig. l visar en pilgervalsskiva 1, som har formen av en ringformad vals eller ring med en axiell öppning 3 för en axel. Ringens yttre omkrets är utformad med ett periferiellt förlöpande, avsmalnande spår 5 med en väsentligen halvcirku- lär tvärsektion. Den axiella öppningen 3 är försedd med ett kilspår 7 för mottagning av en kil (ej visad) vid fastsätt- ning av skivan på axeln. Spårets 5 tvärsektion i varje punkt runt skivans l omkrets är cirkelbågformad och, mera bestämt, väsentligen halvcirkulär. Över åtminstone en del av skivans omkrets varierar cirkelbågens radie från ett värde, som är något större än utgångsytterdiametern för det rör som skall reduceras, till ett värde, som är något mindre än ytterdia- metern för röret efter reduktionen. Spåret sträcker sig en väsentlig sträcka förbi änden med den mindre radien. Denna förlängning kallas "kalibreringsavsnittet". Spåret sträcker sig också förbi änden med den större radien och vid denna ände är spårets radie förstorad för att förhindra kontakt mellan rör och verktyg och för att underlätta rörets matning.

Skivans cylindriska mantelyta, som sträcker sig axiellt från spåret, kallas "löpbana", medan skivans sidor kallas "flanker".

Såsom fig. U visar, består pilgervalsskivan enligt uppfin- ningen av åtminstone två sektioner tillverkade av olika stål- legeringar. Den första eller radiellt yttre sektionen 9 be- står av en första härdad stållegering, som omvandlas till martensit under förutbestämda värmebehandlingsbetingelser.

Denna sektion av härdad stållegering sträcker sig från skivans vttre omkrets radiellt inåt över en sträcka, som över- stiger spårets 5 maximala djup d, men som är väsentligt mindre än det fulla radiella avståndet in till axelhålet 3.

En andra eller radiellt inre sektion ll består av en andra stållegering som ej omvandlas till martensit, då den under- kastas de värmebehandlingsbetingelser som erfordras för om- vandling av den första legeringen till martensit. Genom an- vändning av en skiva bestående av två sektioner av olika stållegeringar uppnås en kontroll över volymförändringen och därmed egenspänningen under värmebehandlingen, varvid man för sektionen ll eller skivans kärna väljer en stållegering som skiljer sig från stållegeringen i sektionen 9 eller skivans l0 15 20 25 30 35 464 064 6 ytterhylsa, så att den önskade volymsammandragningen erhålles under avsvalningen eller kylningen av skivan under värmebe- handlingen. Skivans ytterhylsa eller första sektion 9 består sålunda fortfarande av en verktygsstållegering med den önskade hållfastheten och hårdheten för att kunna motstå de höga tryckspänningarna i skivan under drift, medan den andra sektionen eller kärnan ll består av en legering, som har er- forderliga egenskaper för alstring av den önskade volymsamman- dragningen, som resulterar i önskade egenspänningar i ytter- hylsan för att motstå de cykliska arbetsdragspänningar som uppträder under en valsningsoperation.

Den andra stållegeringen för skivans andra sektion ll, dvs. för skivans kärna, kan vara en stållegering liknande den i den första sektionen 9, dvs. i ytterhylsan, med undantag för att dess kemiska sammansättning (dvs. lägre kolhalt) är sådan att den förhindrar martensithärdningsreaktionen och sålunda garanterar volymsammandragningen i kärnan vid avkyl- ning och därmed en egentryckspänning i skivans ytterhylsa.

Den första sektionen, eller ytterhylsan, kan exempelvis bestå av ett höghâllfast verktygsstål, såsom exempelvis Bofors SR 1855, som har följande nominella sammansättning i vikt- procent: kol 0,95 mangan 0,9 kisel l,5 krom l,8 järn återstoden eller ett likande höghâllfast Bofors-verktygsstål. En annan lämplig stållegering är AISI-520100, som har följande nomi- nella sammansättning i viktprocent: kol 1,0 mangan 0.4 kisel 0,3 krom 1,45 järn återstoden.

Dessa och andra lämpliga stålsammansättningar inne- håller typiskt ca l viktprocent kol,upp till ca l viktprocent mangan, upp till ca 1,5 viktprocent kisel, ca l-l,5 viktprocent 10 15 20 25 30 35 7 464 Û64 krom och resten järn med vanliga oavsiktliga föroreningar.

Den första sektionen eller ytterhylsan skulle också kunna be- stå av AISI-A8, som har följande nominella sammansättning i viktprocent: kol 0,53-0,58 mangan 0,25-0,35 kisel 0,85-l,l0 krom 4,80-5,10 volfram l,00-1,50 molybden l,00-l,50 järn återstoden.

Den första sektionen 9 eller ytterhylsan hos skivan bör kunna härdas till ett värde av 53-63 Rockwell C, och före- ca 56-58 Rc. andra sektionen ll eller kärnan hos Valsskivan trädesvis Den skulle kunna tillverkas av en icke-martensitbildande ställe- gering, såsom en kolfattig stållegering, exempelvis AISI-1020, som innehåller 0,2 % eller mindre kol. Den låga kolhalten kommer att förhindra martersithärdningsreaktionen. Hårdheten hos den andra sektionen ll eller kärnan i skivan bör ligga mellan 35 och 45 Rc, och företrädesvis ungefär inom inter- vallet 38-H5 Rc.

För att ge tillräckligt kärnmaterial måste den andra sektionen ll eller kärnan ha en radiell tjocklek svarande mot en större del av skivans totala radiella väggtjocklek. Ytter- hylsan eller den första sektionen kan därför sträcka sig ra- diellt endast en mindre del av avståndet från skivans yttre omkrets P till axelhålet 3, men måste såsom tidigare nämnts sträcka sig djupare än spåret 5, varvid den radiella tjock- leken av denna första sektion 9 med fördel är upp till ca 25 % av skivans totala radiella väggtjocklek.

En valsskiva enligt fig. 4 för pilgervalsning av zirca- loyrör för en reduktion från en ytterdiameter av l8 mm till en ytterdiameter av 9,5 mm och en väggtjocklek av 0,6 mm, kan exempelvis ha en diameter av ca 20 cm och ett axelhål med en diameter av ca ll cm, så att den radiella väggtjockleken är ca 4,5 cm. Valsskivan kan vara ca 7,5 cm bred och vara för- sedd med ett periferiellt förlöpande spår, som är ca 0,9 mm 10 15 20 25 30 35 464 064 s djupt vid sitt djupaste ställe. Den första sektionen eller ytterhylsan kan vara åtminstone ca 1,5 cm tjock i radiell riktning, dvs. ca 6 mm tjockare än spårets djup.

Vid den i fig. 5 visade utföringsformen innefattar vals- skivan en tredje stållegeringssektion l5 intill axelhålet 3 utöver de första och andra legeringssektionerna. En stållege- ring, som kan härdas till martensit under förutbestämda värme- behandlingsbetingelser, användes i den första sektionen 9 och den tredje sektionen l5 vid den yttre omkretsen P respektive axelhålet 3, medan en icke härdbar legering bestående av ett material som ej omvandlas till martensit då den utsättes för nämnda förutbestämda värmebehandlingsbetingelser, användes för den andra sektionen ll. Även i detta fall är den radiella tjockleken hos den första sektionen eller ytterhylsan i skivan, dvs. det radiella avståndet från skivans omkrets P till gräns- ytan l3 mellan den första sektionen 9 och den andra sektionen ll, sådan att den överstiger spårets 5 djup d och sträcker sig till en punkt 13 på avstånd från axelhålet 3. Den tredje sektionen l5, vilken likaledes består av en härdad stållege- ring som omvandlas till martensit under de förutbestämda värmebehandlingsbetingelserna, sträcker sig från axelhålet 3 radiellt en sträcka d' till att bilda en gränsyta med den andra sektionen ll, som består av den andra stållegeringen som ej omvandlas till martensit då den utsättes för de värme- behandlingsbetingelser som erfordras för omvandling av den första legeringen och den andra legeringen till martensit.

Kärnan ll, som är tillverkad av en icke härdbar stållegering med en hårdhet om ca 35-45 Rc, är sålunda inlagd mellan ytter- hylsan 9 och den tredje eller innersta sektionen l5, vilka båda är tillverkade av en härdad legering med en hårdhet av 53-63 Rc.

Vid utföringsformen enligt fig. 5 kan den ringformade valsskivan l' ha samma totala dimensioner som den i samband med fig. l-4 beskrivna valsskivan 1, med undantag för att den innehåller den tredje sektionen 15, vilken med fördel har en radiell tjocklek uppgående till ca 10 % av skivans totala radiella väggtjocklek (H,5 cm), exempelvis ca 0,5 cm. Om det antages att den första sektionens 9 radiella tjocklek är 10 l5 20 25 30 35 9 464 064 25 % av skivans totala radiella väggtjocklek, dvs. ca l,l cm, så skulle den andra sektionen eller kärnan ll ha en radiell tjocklek uppgående till 65 % av H,5 cm, dvs. ca 2,9 cm.

Det inses sålunda,att i utföringsformen enligt fig. l-4 är den andra sektionen eller kärnan ll väsentligt tjockare än den första sektionen eller ytterhylsan 9 i valsskivan l, och att i utföringsformen enligt fig. 5 den andra sektionen eller kärnan ll fortfarande är tjockare än den första sektionen 9 och den tredje sektionen l5 tillsammans. Vid båda utförings- formerna har sålunda den andra sektionen eller kärnan av den en radiell tjocklek, som motsvarar totala radiella tjocklek. som består av en ringformade pilgerskivan en större del av skivans Den första sektionen eller kärnan, stållegering som ej omvandlas till martensit under värmebehand- lingsbetingelserna för den första sektionen eller den tredje sektionen, kan ha en större värmeutvidgning än stållegeringen i den första sektionen eller den tredje sektionen, så att _volymsammandragningen hos den andra sektionen är stor vid kyl- ningen under värmebehandlingen av skivan, vilket resulterar till en ytterligare ökning av tryckegenspänningar i den första sektionen eller ytterhylsan av skivan. Den första sek- tionen skulle exempelvis kunna bestå av AISI-52100, som har en värmeutvidgningskoefficient av 3,8 x 106/OC (rumstemperatur till 95°C, eller AISI-A8, som har en värmeutvidgningskoeffi- cient av 3,7 x 10-6/OC (rumstemperatur till QSOC), medan den andra sektionen skulle kunna bestå av en stållegering såsom AISI-304 rostfritt stål, som har en värmeutvidgningskoeffici- ent av 5,2 X l0_6/OC (rumstemperatur till 95OC).

Pilgervalsskivor av flera legeringar enligt föreliggande uppfinning kan framställas medelst kända metallurgiska tek- niker. Det grundliggande kravet för tillverkningen är att åstadkomma en metallurgisk förbindning mellan två olika metallegeringssektioner, eftersom en mekanisk krymppassning ej skulle ge en tillräcklig foghållfasthet för att klara av värmebehandlingen och driften. Potentiellt skadliga reaktioner mellan två legeringar, så att exempelvis koldiffusion er- hålles från ett verktygsstål till exempelvis ett rostfritt stål, kan förhindras genom användning av ett mellanskikt av 10 15 20 25 30 35 464 064 10 nickel vid foggränsytan.

Två kända tekniker, som är väl lämpade för framställning av pilgervalsskivor enligt uppfinningen, är exempelvis iso- statisk varmpressning och varmsträngpressning. För isostatisk varmpressning sättes först de olika stållegeringssektionerna för pilgerskivan in i varandra till att bilda en enhet, var- ° jämte en tätningssvets åstadkommes på vardera sidan om denna enhet utmed ytteränden av gränsytan mellan de intill varandra liggande olika legeringssektionerna. Sådana tätningssvetsar på båda sidor om enheten är önskvärda, för att den nödvändiga tryckskillnaden skall kunna uppstå under den isostatiska varm- pressningen. Sammanfogningen mellan de olika legeringssektio- nerna åstadkommes därefter, genom att hela enheten utsättes för ett isostatiskt gastryck om ca 1360 atmosfärer vid en temperatur av ca l090°C under en tid av två timmar. Sammanfog- ningen av de olika stållegeringssektionerna genom varmsträng- pressning åstadkommes genom varmsträngpressning, vid ca l090oC, av ett sammansatt ämne bestående av komponenter av varje lege- ring med lämplig storlek, mängd och konfiguration. Eftersom varmsträngpressningen i grunden är en metod för åstadkommande av en väsentlig reduktion av ämnets tvärsektionsarea, måste ämnets totala tvärsektionsarea och därmed tvärsektionsarean hos varje stållegeringssektion före varmsträngpressningen vara så mycket större än den slutgiltiga tvärsektionsarean som mot- svarar den vid strängpressningen åstadkomna reduktionen av tvärsektionsarean. För att skydda de gränsytor som skall sam- manfogas mot föroreningar under uppvärmningen före strängpress- ningen, är det troligen nödvändigt med tätningssvetsar utmed ändkanterna av varje gränsyta eller med en vakuuminkapsling av hela ämnet i en omgivnade behållare. Denna operation genom- föres tidigare i tillverkningssekvensen och ingår i de normala arbetsoperationerna, såsom smidning, för åstadkommande av de slutliga dimensionerna hos ett ämne för en pilgervalsskiva.

Pilgervalsskivor enligt uppfinningen kommer att ha en högre egentryckspänning i spårområdet än tidigare kända vals- skivor och därmed ha en markant högre produktionsekonomi. Vi- dare är sådana valsskivor lättare att värmebehandla, eftersom de ej kräver isoleringsprocedurer av det slag som användes 464 'G64 ll vid de hittills använda riktade avkylningsprocedurerna för att säkerställa ett härdat ytskikt.

Claims (11)

464 064 12 Patentkrav

1. l. Pilgervalsskiva för reducering av ett rörs tvärsektions- dimensioner, innefattande ett ringformat element, som i sin yttre omkretsyta har ett periferiellt förlöpande spår med en väsentligen halvcirkulär tvärsektion och ett förutbestämt f) djup, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ringformade element (l eller l') består av åtminstone två,väsentligen _koaxiella, ringformade sektioner (9, ll) bildande en yttre hylsa (9),som innefattar nämnda yttre omkretsyta med det däri utformade spåret (5), respektive en inre till nämnda yttre hylsa gränsande kärna (ll), varvid nämnda yttre hylsa (9) har en radiell tjocklek, som överstiger djupet hos nämnda spår (5) men motsvarar en mindre del av det ringformade elementets totala radiella tjocklek, nämnda inre kärna (ll) är väsentligt tjockare i radiell riktning än den yttre hylsan, och den yttre hylsan (9) består av en legering härdad genom omvandling till martensit under förutbestämda värmebehand- lingsbetingelser, medan nämnda inre kärna (ll) består av en legering, som ej är i stånd att omvandlas till martensit under nämnda förutbestämda värmebehandlingsbetingelser, som användes för härdning av legeringen i den yttre hylsan (9).

2. Pilgervalsskiva enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den yttre hylsan (9) har en hårdhet av 53-63 Rockwell C.

3. Pilgervalsskiva enligt krav l eller 2, k ä n n e - t e c k n a d av att den inre kärnan (ll) har en hårdhet av 35-H5 Rockwell C.

4. U. Pilgervalsskiva enligt något av kraven l - 3, k ä n n e - t e c k n a d av att den yttre hylsan (9) sträcker sig ra- diellt inåt från det ringfcrmade elementets (l eller l') yttre omkrets en sträcka motsvarande upp till ca 25 % av det ring- ä formade elementets totala radiella tjocklek.

5. Pilgervalsskiva enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e cÉk n a d av att den inre kärnan (ll) består av en legering med en större värmeutvidgning än legeringen i den yttre hylsan (9).

6. Pilgervalsskiva enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att den yttre hylsan (9) består av 13 464 064 ett höghållfast verktygsstål innehållande upp till l vikt- procent kol, upp till l viktprocent mangan, upp till 1,5 vikt- procent kisel, ca l-1,5 viktprocent krom och resten järn.

7. Pilgervalsskiva enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att den inre kärnan (ll) består av en kolfattig stållegering väsentligen ej innehållande mer än 0,2 % kol. "

8. Pilgervalsskiva enligt något av kraven l - 5, k ä n n e t e c k n a d av att den yttre hylsan (9) består av en stållegering såsom AISI-8A och AISI-52100, medan den inre kärnan (ll) består av AISI-304 rostfritt stål.

9. Pilgervalsskiva enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att det ringformade elementet (l') innefattar en tredje ringformad sektion (l5) anordnad innanför den inre kärnan (ll) och gränsande till denna, vilken tredje ringformade sektion (15) består av en legering härdad genom omvandling till martensit under nämnda förutbe- stämda värmebehandlingsbetingelser och har en radiell tjock- lek, som är väsentligt mindre än den inre kärnans (ll) radiella tjocklek.

10. Pilgervalsskiva enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda tredje ringformade sektion (l5) har en radiell 9 tjocklek motsvarande väsentligen 10 0 av det ringformade elementets (l') totala radiella tjocklek.

11. ll. Pilgervalsskiva enligt krav 9 eller 10, k ä n n e - t e c k n a d av att nämnda tredje ringformade sektion (15) består av en legering med samma sammansättning som legeringen i nämnda yttre hylsa (9).