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Dokumentenidentifikation DE69225466T2 17.12.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0553388
Titel Kaliberwalze
Anmelder Sumitomo Metal Industries, Ltd., Osaka, JP
Erfinder Nagai, Masayuki, Suita-Shi, Osaka, JP
Vertreter Kahler, Käck & Fiener, 87719 Mindelheim
DE-Aktenzeichen 69225466
Vertragsstaaten DE, FR, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 11.02.1992
EP-Aktenzeichen 921022521
EP-Offenlegungsdatum 04.08.1993
EP date of grant 13.05.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.12.1998
IPC-Hauptklasse B21B 27/02
IPC-Nebenklasse B21B 21/02   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung, bestehend aus einem Walzenhauptkörper und einer Walzenachse, die bei der Kaliber-Walzbearbeitung von Rohren und Stangen verwendet wird, und insbesondere auf eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung, die eine ausreichende Abriebfestigkeits- und Rißfestigkeitscharakteristik besitzt und eine ausgezeichnete Haltbarkeit aufweist. Eine Walze des Typs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der US-A-4, 674,312 dargestellt.

Beschreibung des Standes der Technik

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung, die bei der Kaliber-Walzbearbeitung von Rohren und Stangen verwendet wird, einen hohlen Walzenhauptkörper 1 mit einem Kaliber 1a und eine paßgenau in einen Achsendurchgang 1b des Walzenhauptkörpers 1 eingesetzte Walzenachse 2 auf. Während des Walzbearbeitungsbetriebs dieser Kaliberwalze wirkt wegen des auf das Kaliber 1a des Walzenhauptkörpers 1 wirkenden Oberflächendrucks P eine Zugspannung t auf den Bodenabschnitt des Kalibers 1a des Walzenhauptkörpers 1. Die Verteilung dieser Zugspannung t erreicht das Maximum auf der Bodenfläche des Kalibers 1a und wenn für diesen Höchstwert tmax angenommen wird, ist der Oberflächendruck P abhängig von der Walzbedingung hoch, und tmax steigt an und wenn dieser tmax die Materialfestigkeit des Walzenhauptkörpers 1 übersteigt, wird die Bodenfläche des Kalibers 1a rissig, und dadurch zerbricht der Walzenhauptkörper 1. Außerdem wird die Bodenfläche des Kalibers 1a des Walzenhauptkörpers 1 wahrscheinlich rissig, weil sie periodischen Temperaturspannungen von Bearbeitungswärme und Abkühlen durch Schmieröl ausgesetzt ist.

Als Gegenmaßnahme zum Walzenbruch wird bisher das Walzenmaterial gegen einen stärkeren Werkstoff ausgetauscht, aber die Walzenkosten steigen, und im allgemeinen wird die Zähigkeit um so geringer, je höher die Festigkeit ist, und es ist wahrscheinlicher, daß Risse aufgrund von Schlagstößen auftreten.

Als anderes Verfahren wird in den Kontaktflächen des Walzenhauptkörpers 1 und der Walzenachse 2 ein Spalt vorgesehen (JP-A-59-2561, US-A-4,674,312 und JP-A-61-216807, welche die oberbegrifflichen Merkmale des Anspruches 1 zeigen). Mit diesen Verfahren wird beabsichtigt, die durch die Walzenergie verursachte Zugspannung auf der Bodenfläche des Kalibers 1a dadurch zu verringern, daß im Mittelteil des Walzenhauptkörpers 1 oder an der entsprechenden Stelle der Walzenachse 2 eine Vertiefung ausgebildet und die Walze während der Walzbearbeitung durch die Vertikalkomponenten des Oberflächendrucks umgelenkt wird, wodurch eine Druckspannung auf der Bodenfläche des Kalibers 1a erzeugt wird. Das heißt, durch die Walzreaktion wird im Bodenabschnitt des Kalibers 1a eine Biegespannung erzeugt, und diese Biegespannung wirkt als Druckspannung auf die Bodenfläche des Kalibers 1a, und durch diese Druckspannung wird der Zugspannungshöchstwert tmax herabgesetzt, wodurch ein Zerwalzen verhindert wird.

Selbst mit dem Verfahren, eine Vertiefung im Mittelteil des Walzenhauptkörpers 1 oder an der entsprechenden Stelle der Walzenachse 2 auszubilden, konnten Riß und Walzenbruch, bedingt durch die folgenden Gründe, jedoch nicht in ausreichendem Maße verhindert werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Vertikalkomponentenverteilung (Walzreaktion) P in Walzenumfangsrichtung des an die Kaliberwalze der Kaltpilger-Walzstraße angelegten Oberflächendrucks, die ein sich radial verjüngendes Kaliber in Umfangsrichtung ausbildet, wobei sie eine Formänderungsspannung H des Kaliberbodenabschnitts und eine Zugspannung T der Kaliberbodenfläche (entsprechend tmax in Fig. 1) verursacht, wobei die X-Achse die Position in Walzenumfangsrichtung bezeichnet und die Y-Achse die Walzenreaktion und die Zugspannung darstellt. Das heißt, gemäß diesem Diagramm erreicht die Walzreaktion P das Maximum bei Segment Nr. 0.3 in der Walzenumfangsposition, die Formänderungsspannung H ereicht das Maximum fast an der höchsten Position der Walzreaktion P, und die Zugspannung T der Kaliberbodenfläche erreicht das Maximum fast am Segment Nr. 0.55.

Der Grund für die Abweichung der Maximumposition der Zugspannung T der Kaliberbodenfläche nach rechts oder in Richtung der Kaliberradiusverjüngung hinsichtlich der Maximumposition der Walzenreaktion ist folgendermaßen: Die Formänderungsspannung H steigt an, wenn die Walzreaktion größer wird, aber selbst bei derselben Walzreaktion alle zwei, wenn der Kaliberradius kleiner wird, wie in dem Diagramm dargestellt, die Maximumposition der Zugspannung T der Kaliberbodenfläche steigt aufgrund der Spannungskonzentration an und wird durch die Auswirkungen der Zugspannung T der Kaliberbodenfläche zur radiuskleineren Seite des Kalibers abgelenkt. Unterdessen fällt der den mehrfachen Bruch ausbildende Bereich der Kaliberwalze zur Walzbearbeitung in dem Diagramm mit der Maximumposition der Zugspannung T der Kaliberbodenfläche zusammen.

Wenn bei der eine derartige Verteilung zeigenden Kaliberwalze zur Walzbearbeitung die obige Vertiefungsausbildetechnik angewendet wird, ist die auf der Walzenkaliberbodenfläche erzeugte Spannung von der Walzreaktionskraft selbst abhängig, und daher ist die an der Maximumposition der Zugspannung der Kaliberbodenfläche erzeugte Druckkraft kleiner als die an der Maximumposition der Walzreaktion erzeugte Druckspannung, und daher ist die Auswirkung durch die Druckspannung an der Maximumposition der Zugspannung der Kaliberbodenfläche gering, wodurch ein Walzenbruch herbeigeführt wird.

Nachstehend wird der Werkstoff des Walzenhauptkörpers der Kaliberwalze zur Walzbearbeitung erläutert.

Üblicherweise wurde der Walzenhauptkörper der Kaliberwalze zur Walzbearbeitung im allgemeinen aus SUJ5-Stahl, der in der JIS (Japanische Industrienorm) als Lagerstahl spezifiziert ist, oder aus niedrig legiertern Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt, beispielsweise Stahl aus 0,8 % C, 1,7 % Cr, 0,3 % Mo und 0,1 % V (nachstehend erfolgt die Prozentangabe, die den Gehalt der Inhaltsstoffe ausdrückt, in Gew.-%). Die niedrig legierten Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt härten jedoch nicht genügend aus und weisen wegen ungleichmäßiger Härtung und Masseneffekt große Härteschwankungen auf und verursachen je nach Anwendungsbedingungen wahrscheinlich Abnutzung und Riß. Daher wurde zum Härten anstelle der Härtung des gesamten Walzenprofils eine Technik verwendet, die Kernhärtung genannt wird, um nur die Oberflächenschicht durch eine spezielle Wärmebehandlung zu härten. Da bei der mit Kernhärtung hergestellten Walze der gehärtete Teil nur die Oberflächenschicht ist, wird die Abriebfestigkeit nur eine kurze Zeit lang aufrechterhalten und wenn die Kaliberoberflächenschicht in einem gewissen Maß abgenutzt ist, fällt die Härte der Kaliberfläche plötzlich ab, wodurch ein Zusammenbruch der Kaliberform herbeigeführt wird.

Folglich kam der JIS-Stahl SKD11 (hochlegierter Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt) mit ausgezeichneter Härtefähigkeit als Werkstoff des Walzenhauptkörpers in Gebrauch. Die aus diesem hochlegierten Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt hergestellte Walze besitzt eine ausgezeichnete Härtefähigkeit und kann vollständig gehärtet werden, und eine spezielle Behandlung wie das Kernhärten ist nicht erforderlich. Der aus SKD11-Stahl hergestellte Walzenhauptkörper benötigt jedoch eine Härte von 60 HRC oder mehr (Rockwell-Härteskala), von der Verhütung von Kaliberabrieb und Oberflächenausbrüchen her gesehen. Wie aus der Härtetemperaturkurve in Fig. 3 ersichtlich ist, muß zur Ausstattung mit dieser Härte jedoch z. B. nach dem Härten bei 1030ºC ein Nachglühen mit einer niedrigen Temperatur von ca. 200ºC durchgeführt werden. Demgemäß ist der Nachwärmtemperaturbereich eingeschränkt, und nicht nur die Temperaturregelung während der Schrumpfungseinpassung in die Walzenachse ist schwierig, sondern es kann möglicherweise durch Verarbeitungswärme oder Abriebwärme bei der Walzbearbeitung auch eine Entfestigung verursacht werden. Darüber hinaus ist dieser SKD11-Stahl von der Zähigkeit her nicht ausreichend und wenn er im Walzenhauptkörper verwendet ist, wird darauf hingewiesen, daß das Kaliber während der Walzbearbeitung wahrscheinlich vom Boden her brechen wird.

Vor diesem Hintergrund wurde einmal vorgeschlagen, Kalt- Werkzeugstahl (C: 0,75 bis 1,75 %, Si: 3 % oder weniger, Mn: 0,1 bis 2,0 %, P: 0,02 % oder weniger, S: 0,003 % oder weniger, Cr: 5 bis 11 %, Mo: 1,3 bis 5,0 %, V: 0,1 bis 5,0 %, N: 0,02 % oder weniger, 0: 0,003 % oder weniger) bei einem Versuch zu verwenden, die Zähigkeit bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der hohen Härte des SKD11-Stahls auf der Grundlage des SKD11-Stahls dadurch zu verbessern, daß der Gehalt an P, S, O und N verringert wurde und der Mo-Anteil erhöht wurde (Japanische Offenlegungsschrift Nr. 64-11945). Dieser Stahl (nachfolgend modifizierter SKD11-Stahl genannt) ist dem SKD11-Stahl an Zähigkeit überlegen, verwirklicht die Anlaßwirkung durch Erwärmen bei 450ºC oder darüber, und die Temperaturregulierung bei der Schrumpfungseinpassung ist leicht, und es besteht nicht die Gefahr des Weichwerdens durch die Verarbeitungswärme während des Gebrauchs, aber die folgenden Probleme sind bekannt.

Das heißt, der modifizierte SDK11-Stahl (der in der JP-A-64-11945 offenbarte Kalt- Werkzeugstahl), erzielt das Merkmal der Abriebfestigkeit, daß er bei hoher Härte verwendet werden kann, hauptsächlich durch den Anteil der hervorragenden Zähigkeit, und demgemäß soll die zweckdienliche Härte bei Verwendung im Walzenhauptkörper der Kaliberwalze zur Walzbearbeitung 62 bis 63 HRC sein. Wenn jedoch, wie bei der Kaliberwalze zur Walzbearbeitung, eine hohe Schlagbeanspruchung ausgeübt wird, ist es selbst bei Verwendung des modifizierten SKD11-Stahls schwierig, Ausbrüche aus dem Kaliberboden zu verhindern, und diese Tendenz ist im Einsatz bei derart hoher Härte noch offenkundiger.

Außerdem muß zur Aufrechterhaltung der Materialhärte von 62 oder 63 HRC bei diesem modifizierten SKD11-Stahl die Anlaßtemperatur nach einem Härten bei 1030ºC bei 490 bis 530ºC liegen, wie aber aus Fig. 3 klar hervorgeht, ist dies der Temperaturbereich vor und nach der Nachhärtetemperatur, und selbst in diesem Temperaturbereich fällt bei Überschreiten der Nachhärtetemperatur die Härte plötzlich ab, und diese Härte kann nicht stabil gehalten werden. Daher liegt die Anlaßtemperatur gewöhnlich unter der Nachhärtetemperatur, und die Restzugspannung der Oberflächenschicht (die beim Zusammenziehen der Oberfläche während des Abkühlens beim Härten erzeugt wird) und der Restaustenit (der sich mit der Zeit durch Martensitbildung ausdehnt) werden nicht beseitigt, wodurch die Rißfaktoren zurückbleiben.

Daher war der Walzenverschleiß bei der herkömmlichen Kaliberwalze zur Walzbearbeitung übermäßig groß, und es war häufig erforderlich, den Walzenspalt abhängig vom Ausmaß des Walzenverschleißes einzustellen (Anpassen des Außendurchmessers) und die Spanndorne in verschiedenen Größen vorzubereiten (Anpassen der Produktwandstärke), und die Kurzlebigkeit der Walze und andere Probleme wurden nicht hinreichend gelöst.

WESEN DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung vorzustellen, die einen ausgezeichneten Verschleißwiderstand und ausgezeichnete Rißfestigkeit besitzt und leicht zu handhaben ist und eine lange Haltbarkeit aufweist. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine preisgünstige Kaliberwalze zur Walzbearbeitung vorzustellen. Die Kaliberwalze zur Walzbearbeitung der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert und weist einen Walzenhauptkörper mit einem Kaliber auf dem Außenumfang und einem zentrisch hindurch verlaufenden Achsendurchgang sowie eine in den Achsendurchgang des Walzenhauptkörpers eingesetzte Walzenachse auf, wobei die Druckspannung in Breitenrichtung des Walzenhauptkörpers an den Boden des Kalibers angelegt wird. Wenn die Druckspannung in Breitenrichtung des Walzenhauptkörpers derart an den Boden des Kalibers des Walzenhauptkörpers angelegt wird, wird der Höchstwert der Zugspannung der Kaliberbodenfläche, die Rißbildung oder Bruch verursacht, gesenkt.

Diese Druckspannung wird entweder durch Abschrägen des Innenumfangs des Walzenhauptkörpers oder des Umfangs der Walzenachse und Schrumpfungseinpassung oder Kalteinpassung von Walzenhauptkörper und Walzenachse angelegt.

In der Mitte des Breiteninnenumfangs des Walzenhauptkörpers oder seines entsprechenden Umfangs der Walzenachse oder in beiden ist ein Vertiefungsspalt angeordnet. Durch Ablenkung der Walze durch diesen Vertiefungsspalt wird die Druckspannung im Bodenteil des Kalibers des Walzenhauptkörpers erzeugt und eine größere Druckspannung an den Boden des Kalibers des Walzenhauptkörpers angelegt.

Der Walzenhauptkörper ist aus einer Legierung auf Eisenbasis hergestellt, die sich zusammensetzt aus 0,75 bis 1,75 Gew.-% C, ≤ 3 Gew.-% Si, ≤ 2 Gew.-% Mn, ≤ 0,03 Gew.-% P, ≤ 0,03 Gew.-% S, 5 bis 13 Gew.-% Cr, 0,8 bis 5 Gew.-% Mo und 0,1 bis 0,5 Gew.-% V, und die Gesamthärte ist auf 52 bis 56 HRC eingestellt, und sie besitzt einen Metallfluß in Achsenmittenrichtung. Die Gründe für die Festlegung der chemischen Zusammensetzung der Legierung auf Eisenbasis als Werkstoff für den Walzenhauptkörper, der Gesamthärte des Walzenhauptkörpers und der Richtung des Metallflusses, wie oben erwähnt, werden nachstehend erläutert.

Der für den Walzenhauptkörper der Kaliberwalze zur Walzbearbeitung verwendete Werkstahl sollte nach Verfügbarkeit möglichst in einem Zusammensetzungsbereich liegen, der dem JIS- Stahl SKD11 entspricht und 1,4 bis 1,6 % C, ≤ 0,4 % Si, ≤ 0,6 % Mn, ≤ 0,03 % P, ≤ 0,03 % S, 11 bis 13 % Cr, 0,8 bis 1,2 % Mo und 0,2 bis 0,5 % V aufweist, sowie, nach Bedarf, ebenfalls zulässige Bestandteile wie Ni. Auch vom Standpunkt der Erhaltung der Zähigkeit her gesehen ist es wünschenswerter, bei der Verringerung von P, S, O und N in der obigen Zusammensetzung im Zusammensetzungsbereich des modifizierten SKD11-Stahls zu bleiben, nämlich mit 0,75 bis 1,75 % C, ≤ 3 % Si, 0,1 bis 2,0 % Mn, ≤ 0,02 % P, ≤ 0,003 % S, 5 bis 11 % Cr, 1,3 bis 5 % Mo, 0,1 bis 0,5 % V, ≤ 0,02 % N und ≤ 0,003 % O. ≤Das heißt, SKD11-Stahl und modifizierter SKD11-Stahl, die anderen existierenden Werkstoffen in Härtebetrieb und Abriebfestigkeit überlegen und von Kalt- Werkzeugstählen leicht zu erhalten sind, verursachen beim Einsatz als Material für den Walzenhauptkörper der Kaliberwalze zur Walzbearbeitung tatsächlich leicht große Risse, wenn sie gemäß dem üblichen Anlaßstandard, wie oben erwähnt, bei hoher Härte vorbereitet werden und verursachen wahrscheinlich Verschleiß, Ausbrüche und Rißbildung, wenn sie bei niedriger Härte vorbereitet werden.

Nichtsdestoweniger hängen solche "großen Risse" nicht allein von der Härte ab, sondern werden auch in hohem Maße durch Metallfluß, Restspannung und Restaustenit des Werkstoffs beeinflußt. Durch stufenloses Regulieren des Metallflusses in Mittenrichtung der Walzenachse und Anlassen nach dem Härten in einem Temperaturbereich über der Nachhärtetemperatur (siehe Fig. 3) können daher die Auswirkungen von nichtmetallischen Einschlüssen und Riesencarbiden entlang der Metallflüsse unterdrückt werden, und die Restspannung wird durch Hochtemperatur-Anlassen beseitigt, und darüber hinaus, wie in Fig. 4 gezeigt, verliert sich der Restaustenit, und die Rißneigung wird extrem abgebaut. Zudem wird die Härte bei Anlassen mit hoher Temperatur über der Nachhärtetemperatur auf 52 bis 56 HRC reduziert, aber der Verschleißwiderstand ist in der Praxis nicht so verringert wie bei der mit der Behandlung gemäß dem herkömmlichen Anlaß-Standard erzielten Rockwell-Härte HRC 57 bis 63.

Demgemäß ist es bei der Wahl von SKD11-Stahl und modifiziertem SKD11-Stahl als Werkstoffe möglich, durch Festlegen vorgeschriebener Grade zum Regulieren des Metallflusses in Mittenrichtung der Walzenachse und Anlassen bei hoher Temperatur über der Nachhärtetemperatur nach dem Härten zum Einstellen der Härte in einem Bereich von HRC 52 bis 56 eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung zu verwirklichen, die genügend Rißfestigkeit und Verschleißwiderstand besitzt und frei ist von widrigen Auswirkungen zum Zeitpunkt der Schrumpfungseinpassung in die Walzenachse und vom Risiko, durch Verarbeitungswärme und Abriebwärme bei der Walzbearbeitung weich zu werden.

Neben der Erhöhung der Härte des Martensits wirkt C zur Verbesserung des Verschleißwiderstands durch Bilden eines Carbids zusammen mit Cr, Mo und V, aber wenn sein Anteil weniger als 0,75 % beträgt, wird der gewünschte Effekt durch diese Aktion nicht erwartet, oder wenn mehr als 1,75 % enthalten sind, wird die Zähigkeit herabgesetzt, und daher ist der Anteil von C auf 0,75 bis 1,75 % eingegrenzt. Si ist eine nützliche Komponente als Desoxidationssubstanz für Stahl, und gleichzeitig ist es wirksam zur Erhöhung der Härte bei der Glühbehandlung. Wenn es jedoch im Übermaß enthalten ist, werden die Warmverarbeitbarkeit und Zähigkeit gemindert, und die Obergrenze des Si-Gehalts wird mit 3 % definiert. Mn ist eine nützliche Komponente als Desoxidationssubstanz und Entschwefelungsmittel für Stahl und ist gleichzeitig auch wirksam zur Verbesserung der Härtbarkeit. Wenn es jedoch im Übermaß enthalten ist, wird die Verarbeitbarkeit gemindert, und daher ist die Obergrenze des Mn-Gehalts mit 2 % definiert. Mit zunehmendem P-Gehalt verringert sich die Zähigkeit von Stahl, und die Obergrenze des P-Gehalts wird mit 0,03 % definiert. Bei übermäßigem S-Gehalt fällt der Schlagwert des Stahls ab, und die Obergrenze des S-Gehalts wird mit 0,03 % definiert. Cr wird beim Härten in der Matrix gelöst, um die Härtbarkeit zu verbessern und bildet auch ein Cr-Carbid zur Verbesserung des Verschleißwiderstands, aber wenn der Anteil weniger als 5 % beträgt, wird der gewünschte Effekt durch seine Wirkung nicht erhalten, oder wenn mehr als 13 % enthalten sind, verschlechtert sich die Zähigkeit, und daher ist der Cr-Gehalt auf 5 bis 13 % eingegrenzt. Mo wird beim Härten in der Matrix gelöst und bildet ein Carbid zur Verbesserung des Verschleißwiderstands und wirkt auch zur Erhöhung der Härte und des Anlaßwiderstands, aber wenn der Anteil weniger als 0,8 % beträgt, wird der gewünschte Effekt durch seine Wirkung nicht erwartet, oder wenn mehr als 5 % enthalten sind, wird keine weitere Verbesserung der Wirkung erwartet, sondern ebenfalls die Warmverarbeitbarkeit gemindert, und daher ist der Mo-Gehalt auf 0,8 bis 5,6 % eingegrenzt. V wirkt zur Verhinderung des Größenwachstums von Austenitteilchen und zur Bildung feiner Carbide zur Verbesserung des Verschleißwiderstands und der Härtbarkeit des Stahls, aber wenn sein Gehalt weniger als 0,1 % beträgt, wird der gewünschte Effekt durch seine Wirkung nicht erhalten, oder wenn mehr als 0,5 % enthalten sind, wird die Verarbeitbarkeit gemindert, und daher ist der V-Gehalt auf 0,1 bis 0,5 % eingegrenzt. Unterdessen kann die zu verwendende Legierung auf Eisenbasis neben den oben definierten Bestandteilen auch Spurenelemente, beispielsweise Ni, enthalten.

Die Gesamthärte des Walzenhauptkörpers muß auf HRC 52 bis 56 eingestellt sein. Dies ist deshalb so, weil ein ausreichender Verschleißwiderstand bei einer Härte des Gesamtwalzenprofils von weniger als 52 HRC nicht über eine längere Zeit aufrechterhalten wird und die gewünschte Haltbarkeit nicht gewährleistet ist, oder wenn die Härte des Walzenhauptkörpers 56 HRC übersteigt, die Zähigkeit ungenügend ist und es wahrscheinlich ist, daß große Risse auftreten, die dazu führen, daß die Walze unbrauchbar wird.

Verschleißarten der Kaliberwalze zur Walzbearbeitung sind unter anderem die folgenden: Zunächst ist der Verschleiß auf die unterschiedliche Geschwindigkeit bei der Walzbearbeitung zwischen dem zu walzenden Rohr und dem Kaliber des Walzenhauptkörpers zurückzuführen. Er geht über eine relativ lange Zeit schrittweise voran, aber wenn die Härte weniger als 52 HRC beträgt, wird dieser Verschleiß in kurzer Zeit vorangetrieben, und die Politur der Kaliberoberfläche geht verloren. Typische Verschleißerscheinungen, die zu einem Ausfall der Walze führen, sind Grübchenkorrosion und Ausbrüche, die in Fig. 5 dargestellt sind, und der Rohrende-Eindruck, der in Fig. 6 dargestellt ist. Ganz besonders gravierend sind Grübchenkorrosion und Ausbrüche, die in den Kaliberstellungen hervorgerufen werden, die den Teil berühren, der dem Hauptachsenteil der Ellipse bei rohreigener Rotation und Vorschub nach dem Walzen zu einer fast elliptischen Form entspricht. Genauer gesagt, weist dieses Gebiet örtlich einen hohen Oberflächendruck auf und wenn die Härte der Kaliberoberfläche gering und die Festigkeit ungenügend ist, werden Grübchenkorrosion oder Abschälanrisse erzeugt. Der Rohrende-Eindruck ist eine Einkerbung der Walzenfläche aufgrund des Kontakts mit der Rohrendnaht (Rohrendecke) zum Zeitpunkt des Walzens, und in einem extremen Fall wird die Kaliberfläche ungleichmäßig in Umfangsrichtung eingeführt, was die Oberflächenbeschaffenheit und Maßgenauigkeit des gewalzten Rohrs ungünstig beeinflußt.

Andererseits ist der große Riß, der zum Bruch des Walzenhauptkörpers durchschossen ist und wahrscheinlich auftritt, wenn die Härte des Walzenhauptkörpers auf über 56 HRC festgesetzt wird, gleichzusetzen mit der Kürze des Walzenlebens. Im allgemeinen zieht eine Erhöhung der Walzenhärte eine günstige Wirkung in Bezug auf die Verbesserung des Verschleißwiderstands und der Ermüdungsfestigkeit nach sich, aber aufgrund mangelnder Zähigkeit induziert dies Risse, was möglicherweise in vielen Fällen zu einer kürzeren Lebensdauer führt. Das heißt, das gewöhnliche Rohrkaltwalzen (Pilgerwalzen) selbst ist eine schrittweise Aktion, und es kann zu Überbearbeitung aufgrund von normwidrigem Vorschub kommen, oder der Spanndorn kann kaputtgehen und in Walzrichtung geraten, und eine Stoßüberlastung aufgrund solcher Störungen ist schwer zu vermeiden, und wenn die Zähigkeit ungenügend ist, wird in einem solchen Fall ein großer Riß ausgebildet. Oder es muß zum Anheben der Härte des Walzenhauptkörpers auf einen so hohen Wert, wie oben beschrieben, die Wärmebehandlungs(Anlaß-)-Temperatur abgesenkt werden, was zu Restspannung oder Restaustenit führen kann und in einem großen Riß resultiert.

Demgemß wird der Abriebwert durch Einstellen der Härte des Walzenhauptkörpers in einem Bereich von 52 bis 56 HRC S oder weniger des herkömmlichen Stahls aus 0,8 % C, 1,7 % Cr, 0,3 % Mo, 0,1 % V, und große Risse des Walzenhauptkörpers werden fast vollständig ausgeschaltet. Darüber hinaus kann das Anlassen in diesem Härtebereich noch über der Nachhärtetemperatur erfolgen, so daß die Probleme bezüglich Restspannung und Restaustenit fast völlig gelöst werden können.

Des weiteren ist auch die Metallflußrichtung im Walzenhauptkörper äußerst wichtig. Das heißt, wenn gar kein Nichtmetalleinschluß oder Riesencarbid in dem Werkstoff zur Bildung des Walzenhauptkörpers vorhanden ist, ist die Richtung des Metallflusses nicht so wichtig, aber es ist praktisch unmöglich, daß Nichtmetalleinschluß und Riesencarbid vollständig fehlen. Diese Nichtmetalleinschlüsse und Riesencarbide werden in die Richtung gewalzt (Metallflußrichtung), in die der Werkstoff durch Walzen, Schmieden und andere Verarbeitungsarten gewalzt wird. Wenn der in Metallflußrichtung gewalzte nichtmetallische Einschluß in einer in Walzenradiusrichtung gestreckten Form auf der Bodenfläche des Kalibers 1a des Walzenhauptkörpers 1 oder unmittelbar darunter vorhanden ist, wie in Fig. 7(a) gezeigt, geht aufgrund der Zugkraft (Zugspannung des Kaliberbodens durch das zu walzende Rohr) in Breitenrichtung des Walzenhauptkörpers 1 bei der Walzbearbeitung ein Riß von ihm aus. Daher muß der Metallfluß stufenlos in Achsenmittenrichtung der Walze reguliert werden, wenn der zwangsläufig vorhandene nichtmetallische Einschluß und das Riesencarbid gewalzt werden, damit die Richtung die Breitenrichtung (d. h. zentrisch) des Walzenhauptkörpers 1 sein kann, wie in Fig. 7(b) gezeigt.

Die obigen und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen genauer sichtbar.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Begleitfigur zur Darstellung der Verteilung der durch den Oberflächendruck P auf die Kaliberbodenfläche einer Kaliberwalze zur Walzbearbeitung des Standes der Technik wirkenden Zugspannung T.

Fig. 2 ist ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels der Walzenumfangsverteilung vertikaler Komponenten des auf eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung des Standes der Technik ausgeübten Oberflächendrucks und der dadurch verursachten Kaliberzugspannung.

Fig. 3 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Anlaßtemperaturkurve für hochlegierten Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffanteil.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung des Verhältnisses von Anlaßtemperatur, Anzahl der Anlaßbehandlungen und Restaustenitanteil von hochlegiertem Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffanteil.

Fig. 5 ist eine Konzeptdarstellung zur Erläuterung der Lage bei Grübchenkorrosion und Ausbrüchen einer Kaliberwalze zur Walzbearbeitung.

Fig. 6 ist eine Konzeptdarstellung zur Erläuterung der Lage bei Auftreten von Rohrende-Eindrücken an einer Kaliberwalze zur Walzbearbeitung.

Fig. 7 ist eine Konzeptdarstellung zur Erläuterung der Situation von Metallflußrichtung und nichtmetallischem Einschluß einer Kaliberwalze zur Walzbearbeitung.

Fig. 8 ist eine Konzeptdarstellung zur Erläuterung eines Verarbeitungsverfahrens eines Stahlknüppels, der bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Kaliberwalze zur Walzbearbeitung verwendet werden kann.

Fig. 9 ist eine schematische Darstellung, die die Gesamtgestaltung eines Walzenhauptkörpers einer Kaliberwalze zur Walzbearbeitung zeigt.

Fig. 10 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel einer Gestaltung des Walzenhauptkörpers der Kaliberwalze zur Walzbearbeitung zeigt.

Fig. 11 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel einer anderen Gestaltung des Walzenhauptkörpers der Kaliberwalze zur Walzbearbeitung zeigt.

Fig. 12 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kaliberwalze zur Walzenbearbeitung zeigt.

Fig. 13 ist eine schematische Darstellung, die eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kaliberwalze zur Walzbearbeitung zeigt.

Fig. 14 ist eine schematische Darstellung, die eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kaliberwalze zur Walzbearbeitung zeigt.

Fig. 15 ist eine schematische Darstellung, die noch eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kaliberwalze zur Walzbearbeitung zeigt.

Fig. 16 ist eine Begleitfigur zur Darstellung eines Erzeugungsmechanismus für Druckspannung zum Zeitpunkt der Schrumpfungseinpassung (oder Kalteinpassung) von Walzenhauptkörper und Walzenachse.

Fig. 17 ist eine Begleitfigur zur Darstellung eines anderen Erzeugungsmechanismus für Druckspannung zum Zeitpunkt der Schrumpfungseinpassung (oder Kalteinpassung) von Walzenhauptkörper und Walzenachse.

Fig. 18 ist eine schematische Darstellung, die die Erzeugung von Druckspannung durch einen Preßring zeigt.

Fig. 19 ist eine schematische Darstellung, die die Erzeugung von Druckspannung durch einen Preßring zeigt.

Fig. 20 ist eine schematische Darstellung, die ein Bezugsbeispiel als Gegenüberstellung zu einer erfindungsgemäßen Kaliberwalze zur Walzbearbeitung zeigt.

Fig. 21 ist eine schematische Darstellung, die ein anderes Bezugsbeispiel als Gegenüberstellung zu einer erfindungsgemäßen Kaliberwalze zur Walzbearbeitung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Zunächst wird das Herstellungsverfahren des Walzenhauptkörpers einer Kaliberwalze zur Walzbearbeitung erläutert.

Bei der Herstellung des Walzenhauptkörpers einer erfindungsgemäßen Kaliberwalze zur Walzbearbeitung wird zuerst ein Stahlknüppel (Rohblock) aus einem Legierungsstahl auf Eisenbasis hergestellt, der sich zusammensetzt aus: 0,75 bis 1,75 Gew.-% C, ≤ 3 Gew.-% Si, ≤ 2 Gew.-% Mn, ≤ 0,03 Gew.-% P, ≤ 0,03 Gew.-% 5, 5 bis 13 Gew.-% Cr, 0,8 bis 5 Gew.-% Mo und 0,1 bis 0,5 Gew.-% V. Dieser Stahlknüppel kann durch Schmelzen von Stahl mit der obigen chemischen Zusammensetzung, beispielsweise in einem Elektroofen, erhalten werden, aber nach Möglichkeit ist die Verwendung eines stangenförmigen Blocks durch Schmelzen in einem Elektroofen zum Erhalt eines säulenartigen Teils als Elektrode und Weiterverarbeitung durch Elektroschlacke-Umschmelzung (ESU) vorzuziehen. Das heißt, durch das ESU-Verfahren wird Seigerung weitestgehend beseitigt, und die Riesencarbidgröße wird verkleinert und auch deren Anzahl verringert, und darüber hinaus werden nichtmetallische Einschlüsse weniger und die Ermüdungsfestigkeit wird angehoben, so daß die Rißfestigkeit weiter verbessert wird.

Im Anschluß wird dieser Stahlknüppel in Axialrichtung gewalzt, indem durch Walzen oder Schmieden Druck aus der Radialrichtung (die Richtung des Pfeils A in Fig. 8) angelegt wird, wodurch man einen stangenförmigen Werkstoff erhält. Als Ergebnis ist die Metallflußrichtung die Achsenmittenrichtung, wie durch den Pfeil B in Fig. 8 angedeutet. So wird der Metallfluß in Achsenmittenrichtung der Walze durch Anstellen des Gußmaterials aus der Radialrichtung durch Walzen oder Schmieden mit einer ausreichenden Reduktion zu einer säulenartigen Gestaltung verwirklicht, wenn ein säulenartiger Werkstoff zur Fabrikation des Walzenhauptkörpers erhalten wird. Zu dieser Zeit sollte das Dehnungsverhältnis (Querschnittsfläche vor der Bearbeitung/Querschnittsfläche nach der Bearbeitung) vierfach oder mehr sein, um einen ausreichenden Metallfluß zu erzeugen.

Im Anschluß daran wird ein derartiger säulenartiger Werkstoff in Scheiben geschnitten und ein scheibenförmiges Walzenmaterial erhalten, aber zuvor wird der säulenförmige Werkstoff weichgeglüht, indem er drei Stunden oder länger auf 830 bis 880ºC gehalten und im Brennofen abgekühlt wird. Der Zweck dieses Weichglühens besteht darin, Bearbeitungsspannungen zu beseitigen, und wenn an der Glühtemperatur von unter 830ºC weniger als drei Stunden festgehalten wird, werden die Bearbeitungsspannungen nicht in ausreichendem Maße beseitigt, oder ein Glühen in einem 880ºC übersteigenden Temperaturbereich fördert die Bildung von Riesencarbiden, was nicht wünschenswert ist. In auf diese Weise präpariertem Werkstoff verläuft die Richtung des Metallflusses in Breitenrichtung (der Achsenmittenrichtung), und es erübrigt sich zu sagen, daß dadurch die rißresistente Anisotropie erhalten wird.

Inzwischen wird als Verfahrenstechnik zur Vorbereitung eines Scheibenmaterials zum Herstellen eines Walzenhauptkörpers z. B. der stangenförmige Block direkt in Scheiben geschnitten, und die erhaltenen kurzen, stangenförmigen Blöcke werden geschmiedet und in Achsenmittenrichtung angestellt, um den Durchmesser zu verbreitern. In diesem Fall ist die Metallflußrichtung jedoch die Radialrichtung des Scheibenmaterials, und daher werden die nichtmetallischen Einschlüsse und Riesencarbide in Radialrichtung gewalzt, und es ist wahrscheinlich, daß der daraus hergestellte Walzenhauptkörper durch die während der Walzzeit an den Kaliberboden angelegte Zugkraft zerrissen wird, was nicht wünschenswert ist.

Als nächstes wird in das Scheibenmaterial, wie in Fig. 9 dargestellt, ein abgeschrägtes Kaliber 1a gefräst und ausgebildet, und die Seitenfläche und Umfangsfläche werden durch Fräsen ausgerichtet. Des weiteren wird zur Schrumpfungseinpassung (oder Kalteinpassung) an die Walzenachse zentrisch ein Achsendurchgang 1b hineingebohrt, wodurch der Walzenhauptkörper 1 fertiggestellt ist.

Der so vorbereitete Walzenhauptkörper 1 wird dann durch Härten und Anlassen behandelt.

Der Härtungsprozeß wird durchgeführt, um das Werkstoffgefüge in Martensitgefüge umzuwandeln, um eine hohe Härte zu erhalten, und nach dem Erwärmen auf 1000 bis 1050ºC wird der Werkstoff an der Luft abgekühlt oder in Öl gekühlt. Als Ergebnis wird eine Härte von ca. 63 HRC erhalten. Wenn die Härtetemperatur bei diesem Schritt weniger als 1000ºC beträgt, wird keine ausreichende Härtungswirkung erzielt oder, wenn die Härtetemperatur 1050ºC übersteigt, dann wird das Gefüge grob gemacht und die Zähigkeit verringert.

Anlassen ist eine Wärmebehandlung zum Einstellen der Härte auf 52 bis 56 HRC und wird mit der Bedingung Halten auf 540 bis 590ºC für eine Stunde oder mehr und Abkühlen an der Luft durchgeführt. Falls die Anlaßtemperatur außerhalb des obigen Bereichs liegt oder die Anlaßzeit weniger als eine Stunde beträgt, ist die Einstellung auf die gewünschte Härte instabil. Hier muß für die Anlaßtemperatur abhängig von der Stahlgüte und dem Härtezustand eine geeignete Temperatur in diesem Temperaturbereich gewählt werden, um die Härte auf 52 bis 56 HRC einzustellen, und wenn der SKD11-Stahl bei 1030ºC gehärtet und an der Luft abgekühlt wird, ist ein Anlassen bei 540 bis 560ºC erwünscht oder, wenn der modifizierte SKD11- Stahl bei 1030ºC gehärtet und an der Luft abgekühlt wird, bei 560 bis 580ºC oder, wenn er bei 1030ºC gehärtet und in Öl abgekühlt wird, bei 570 bis 590ºC.

Wie inzwischen aus der Anlaßtemperaturkurve in Fig. 3 bekannt ist, wird die Anlaßtemperatur entsprechend festgelegt, sobald die Härte bestimmt ist, und beim Anlassen der Erfindung liegt diese Temperatur über der Nachhärtetemperatur. Da die Anlaßtemperatur außerdem auf eine hohe Temperatur über der Nachhärtetemperatur eingestellt wird, wird der Restaustenit zersetzt und geht fast vollständig verloren, und die Restzugspannung wird leicht entspannt. Im übrigen ist mehrmaliges Anlassen erwünscht. Das heißt, es ist beabsichtigt, den Restaustenit weiter abzubauen, wie aus Fig. 4 deutlich wird, die den Bezug von Anlaßtemperatur, Anlaßhäufigkeit und Restaustenit zeigt.

Der Walzenhauptkörper 1 wird nach dem Härten und Anlassen ganz abgeschliffen und poliert, um die Formspannung durch Härten und Anlassen zu korrigieren, die Rauheit des Kalibers auszugleichen und Maßgenauigkeit zu erreichen, und ein Produkt ist fertiggestellt.

Nachstehend wird die Gestaltung des Walzenhauptkörpers einer erfindungsgemäßen Kaliberwalze zur Walzbearbeitung und die darin einzusetzende Walzenachse zur Erzeugung einer Druckspannung im Boden des Kalibers des Walzenhauptkörpers im einzelnen erläutert.

Fig. 10 und Fig. 11 sind schematische Darstellungen, die die Arten eines Walzenhauptkörpers 1 zeigen. Das in Fig. 10 gezeigte Beispiel ist der Walzenhauptkörper 1 des Typs mit einem bestimmten, auf der Außenumfangsfläche ausgebildeten Kaliber 1a und einem zentrisch hineingebohrten Achsendurchgang 1b. Das in Fig. 11 gezeigte Beispiel ist der Walzenhauptkörper 1 des Typs mit einem bestimmten, auf der Außenumfangsfläche ausgebildeten Kaliber 1a und einem zentrisch hineingebohrten Achsendurchgang 1b und ferner einem daran angrenzenden Vertiefungsspalt 1c in der Mitte des Achsendurchgangs 1b. In Fig. 10, 11 bezeichnen W, D, d jeweils die Breite des Walzenhauptkörpers 1, den Außendurchmesser des Walzenhauptkörpers 1 und den Innendurchmesser des Walzenhauptkörpers 1 (Durchmesser des Achsendurchgangs 1b), und L in Fig. 11 stellt die Länge des Vertiefungsspaltes 1c in Breitenrichtung dar.

Fig. 12 bis 15 sind schematische Darstellungen, die Beispiele des Walzenhauptkörpers 1 und der Walzenachse 2 der erfindungsgemäßen Kaliberwalze zur Walzbearbeitung zeigen, und ein Teil des Walzenhauptkörpers 1 ist weggelassen. In jedem Beispiel ist an der Innenumfangsseite des Walzenhauptkörpers 1 eine Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) 1d eingerichtet, und diese Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) 1d ist an beiden Seiten des Walzenhauptkörpers 1 in Breitenrichtung groß und nimmt zum Mittelteil hin allmählich ab. Jede Ausführungsform wird nachstehend einzeln beschrieben.

Fig. 12 bezieht sich auf eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung, mit einem Walzenhauptkörper 1, der ein Kaliber 1a und einen Achsendurchgang 1b mit einheitlichern Durchmesser aufweist und mit einer Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) 1d versehen ist, und einer Walzenachse 2, deren Durchmesser sich von beiden Enden zum Mittelteil hin allmählich kegelförmig verjüngt. Wenn bei dieser Kaliberwalze zur Walzbearbeitung der Walzenhauptkörper 1 und die Walzenachse 2 durch Schrumpfungseinpassung (oder Kalteinpassung) zusammengefügt sind, baut sich im Boden des Kalibers 1a des Walzenhauptkörpers 1 aufgrund der Verjüngungswirkung der Walzenachse 2 eine Druckspannung auf.

Fig. 13 zeigt eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung mit einem Walzenhauptkörper 1, der ein Kaliber 1a und einen Achsendurchgang 1b aufweist, dessen Durchmesser sich zum Mittelteil hin kegelförmig verbreitert und der mit einer Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) 1d versehen ist, und einer Walzenachse 2 mit gleichem Durchmesser. Ebenso wie in der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform wird auch bei dieser Kaliberwalze zur Walzbearbeitung durch Schrumpfungseinpassung (oder Kalteinpassung) der beiden im Boden des Kalibers 1a eine Druckspannung erzeugt.

Fig. 14 zeigt eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung, mit einem Walzenhauptkörper 1, der ein Kaliber 1a und einen Achsendurchgang 1b mit einheitlichem Durchmesser aufweist und im Mittelteil des Achsendurchgangs 1b mit einem Vertiefungsspalt 1c sowie einer Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) 1d versehen ist, und einer Walzenachse 2, deren Durchmesser sich von beiden Enden zum Mittelteil hin allmählich kegelförmig verjüngt. In diesem Fall wird eine Druckspannung aufgrund der Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) 1d und eine Druckspannung aufgrund der Ablenkung der Walze durch den Vertiefungsspalt 1c im Boden des Kalibers 1a erzeugt.

Fig. 15 zeigt eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung, mit einem Walzenhauptkörper 1, der ein Kaliber 1a und einen Achsendurchgang 1b aufweist, dessen Durchmesser sich zum Mittelteil hin kegelförmig vergrößert, und der im Mittelteil des Achsendurchgangs 1b mit einem Vertiefungsspalt 1c sowie einer Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) 1d versehen ist, und mit einer Walzenachse 2 mit gleichem Durchmesser. Ebenso wie bei der in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform wird auch in diesem Fall sowohl eine Druckspannung aufgrund der Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) 1d, als auch eine Druckspannung aufgrund der Walzenablenkung durch den Vertiefungsspalt 1c im Boden des Kalibers 1a erzeugt.

Hier wird der Mechanismus der Druckspannungserzeugung aufgrund der Schrumpfungseinpassung (oder Kalteinpassung) bei kegeliger Bearbeitung des Innenumfangs des Walzenhauptkörpers 1 erläutert. Wie in Fig. 16, 17 dargestellt, hat die Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) den Minimumwert δmin in der Mitte des Walzenhauptkörpers 1 in Breitenrichtung und den Maximumwert δmax an beiden Enden, und wenn eine Schrumpfungseinpassung (oder Kalteinpassung) vorgenommen wird, wird der Walzenhauptkörper 1 verformt, wie durch die Strichlinie angedeutet und eine Druckspannung an den Boden des Kalibers 1a angelegt.

Das Verfahren zur Bestimmung der Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) wird nachstehend beschrieben.

1. Mittlere Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) δmitt Bei einer herkömmlichen Kaliberwalze zum Pilgerwalzen (ohne Schrägbearbeitung und Vertiefungsspalt im Walzenhauptkörper) wird zur Verhinderung des Rutschens des Walzenhauptkörpers und der Walzenachse die Schrumpfungseinpassungskraft (oder Kalteinpassungskraft) als Konstruktionsspezifikation festgelegt, und die Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) wird vorher bestimmt, um diese Schrumpfungseinpassungskraft (oder Kalteinpassungskraft) beizubehalten. Wenn daher die Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe), wie z. B. in Fig. 16 dargestellt, an beiden Seiten des Walzenhauptkörpers 1 δmax und im Mittelteil δmin beträgt, wird die mittlere Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) δmitt = (δmax + δmin)/2 so festgelegt, daß sie größer ist als die vorbestimmte Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe).

2. Maximum-Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) δmax Der Walzenhauptkörper und die Walzenachse sind z. B. aus JIS-Stahl SKD11 hergestellt, und die Festigkeit wird durch Schlußhärten und Anlassen eingestellt, und die Anlaßtemperatur beträgt mindestens ca. 250ºC, obwohl sie je nach Stahlsorte variieren kann, Zur Zeit der Schrumpfungseinpassung darf die Glühtemperatur des Walzenhauptkörpers unterdessen nicht über der Anlaßtemperatur liegen und um zu verhindern, daß die Oberfläche des Walzenhauptkörpers weich wird, ist es erwünscht, eine Temperatur von 200ºC oder weniger festzusetzen. Daher basiert die maximale Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) auf der Wärmeausdehnungsabweichung bei Erwärmen des Walzenhauptkörpers (oder Schrumpfungszugabe bei Abkühlen der Walzenachse) und wird unter Berücksichtigung des Nutzeffekts und anderer Bedingungen bestimmt.

3. Minimum-Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) δmin Sobald die mittlere Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) δmitt und die Maximum- Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) bestimmt sind, wird in der folgenden Formel δmin berechnet:

δmin = 2 δmitt - δmax

Indem also δmax, δmin bestimmt werden, um an beiden Enden des Walzenhauptkörpers δmax und im Mittelteil δmin zu erzielen, wird der Innenumfang des Walzenhauptkörpers 1 oder der Umfang der Walzenachse 2 abgeschrägt. Oder da, wie in Fig. 17 gezeigt, bei einer Kaliberwalze zur Walzbearbeitung mit einem Vertiefungsspalt 1c in der Mitte des Walzenhauptkörpers 1 der Vertiefungsspalt 1c nicht für die Aufrechterhaltung der Schrumpfungseinpassungskraft (oder Kalteinpassungskraft) während der Schrumpfungseinpassung (oder Kalteinpassung zuständig ist, wird die mittlere Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) δmitt an beiden Seiten in Abhängigkeit von der Breite des Vertiefungsspaltes 1c in ausreichendem Maße in Anspruch genommen, und die Maximum- Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) δmax und Minimum-Schrumpfungseinpassungs zugabe (oder Kalteinpassungszugabe) δmin werden bestimmt.

Wenn die Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) auf diese Weise bestimmt ist, wird der Flanschteil des Walzenhauptkörpers 1 abhängig vom Anzugwinkel (α in Fig. 16, β in Fig. 17) der Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) in Richtung des Kalibers 1a geneigt, und eine dem Anzugwinkel α, β entsprechende Druckspannung A wirkt auf den Boden des Kalibers 1a. Als Ergebnis einer derartigen Bestimmung des Anzugwinkels der Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) wird übrigens die auf den Boden des Kalibers 1a wirkende Druckspannung A groß, und demgemäß wird auch die auf die Mitte des Innenumfangs des Walzenhauptkörpers 1 wirkende Zugspannung B groß. Folglich kann der Wert der Subtraktion der einleitend angelegten Druckspannung A von der Maximum-Zugspannung Tmax, die während der Walzbearbeitung auf die Bodenfläche des Kalibers 1a wirkt, manchmal kleiner sein als die Zugspannung B, die auf die Mitte des Innenumfangs des Walzenhauptkörpers 1 wirkt. Obwohl ein Walzenriß vom Boden des Kalibers 1a her verhindert werden kann, kann in einem derartigen Zustand ein Walzenriß von der Mitte der Innenseite des Walzenhauptkörpers 1 ausgehen, weil die Zugspannung B groß ist. Zu dieser Zeit wird der Anzugwinkel der Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) verkleinert, so daß der Wert der Subtraktion von A von Tmax ungefähr B sein kann. Oder bei einer Kaliberwalze zur Walzbearbeitung mit einem an den Achsendurchgang 1b angrenzenden Vertiefungsspalt 1c, wie oben erwähnt, wirkt eine Druckspannung durch Ablenken des Walzenhauptkörpers 1 aufgrund des Vertiefungsspaltes 1c auf den Boden des Kalibers 1a. Wenn das Ergebnis der Subtraktion der Summe dieser Druckspannung und der durch den Anzugwinkel der Schrumpfungseinpassungszugabe (oder Kalteinpassungszugabe) verursachten Druckspannung von Tmax kleiner ist als B, dann sollte der Anzugwinkel verkleinert werden.

Eine Druckspannung an den Boden des Kalibers 1a des Walzenhauptkörpers 1 kann man durch eine Druckspannvorrichtung anlegen. Fig. 18, 19 sind schematische Darstellungen solcher Kaliberwalzen zur Walzbearbeitung. Die in Fig. 18 und 19 dargestellten Walzen sind hilfreich zum Verständnis der Erfindung, fallen aber nicht unter den Schutzbereich der angefügten Ansprüche. Fig. 18 bezieht sich auf einen Walzenhauptkörper 1 mit einem gleich gestalteten Kaliber 1a in Außenumfangsrichtung, und Fig. 19 zeigt einen Walzenhauptkörper 1 mit einem kegelformig zulaufenden Kaliber 1a in Außenumfangsrichtung.

Fig. 18 zeigt eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung, die einen Walzenhauptkörper 1 mit einem gleichartig gestalteten Kaliber 1a in Außenumfangsrichtung aufweist und mit einem Vertiefungsspalt 1c versehen ist, und eine Walzenachse 2 aufweist, an deren beiden Enden Außengewinde 2a ausgebildet sind. Ein runder Preßring 3 mit einer dem Boden des Kalibers 1a in Außenumfangsrichtung entsprechenden Drucksäule 3a wird zusammen mit einer Gegenmutter 4 in die Außengewinde 2a der Walzenachse 2 eingeschraubt, und es wird eine Druckkraft an den Boden des Kalibers 1a angelegt.

Fig. 19 zeigt eine Kaliberwalze zur Walzbearbeitung mit einem Walzenhauptkörper 1, der ein in Außenumfangsrichtung kegelförmig zulaufendes Kaliber 1a aufweist und mit einem Vertiefungsspalt 1c versehen ist, und mit einer Walzenachse 2, an deren beiden Enden Außengewinde 2a ausgebildet sind. Ein nichtrunder Preßring 3 mit einer dem Boden des Kalibers 1a in Außenumfangsrichtung entsprechenden Drucksäule 3a ist außen an der Walzenachse 2 befestigt und zur entsprechenden Verbindung der Drucksäule 3a und des Bodens des Kalibers 1a mit einem Senksplint 5 verriegelt, und in die Außengewinde 2a der Walzenachse 2 ist eine Gegenmutter 4 eingeschraubt, so daß eine Druckkraft auf den Boden des Kalibers 1a ausgeübt wird.

In Fig. 18, 19 ist der Vertiefungsspalt 1c vorgesehen, aber er ist nicht immer erforderlich.

Aktuelle Herstellungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kaliberwalze zur Walzbearbeitung und ihre Leistungsfähigkeit werden nachstehend im einzelnen beschrieben.

Zuerst werden in einem Elektroofen Stähle aus verschiedenen chemischen Zusammensetzungen geschmolzen und stangenförmige Blöcke mit einem Außendurchmesser von 800 mm φ erhalten. Einige der Proben werden durch weitere Elektroschlacke-Umschmelzung zu stangenförmigen Blöcken derselben Größe aufbereitet. Die stangenförmigen Blöcke werden durch Anstellen nur in radialer Richtung vorangetrieben und stangenförmige Werkstoffe mit einem Außendurchmesser von 310 mm φ erhalten, und die erhaltenen stangenformigen Werkstoffe werden unter verschiedenen Bedingungen weichgeglüht und in Scheiben geschnitten, und es werden Scheibenwerkstoffe mit einer Breite von 140 mm erhalten. Nacheinander wird in dem Scheibenmaterial durch Fräsen und Bearbeiten ein kegeliges Kaliber ausgebildet, und die Seitenfläche und Umfangsfläche werden in geeigneter Weise behandelt, und es wird ein zentrischer Achsendurchgang zur Schrumpfungseinpassung der Walzenachse hineingebohrt. Nach Härten und Anlassen unter verschiedenen Bedingungen wird die ganze Oberfläche abgeschliffen, und es wird ein Walzenhauptkörper mit einem Außendurchmesser von 300 mm φ und einer Breite von 130 mm erhalten. Es erübrigt sich zu sagen, daß der Metallfluß des hergestellten Walzenhauptkörpers in Achsenmittenrichtung verläuft.

Bei diesem Herstellungsverfahren werden drei Legierungsstähle auf Eisenbasis mit den chemischen Zusammensetzungen, wie in Tabelle 1 gezeigt, als Werkstähle verwendet. Die Stahlsorten A und B in Tabelle 1 sind die bevorzugten Stähle für die Erfindung, und insbesondere die Stahlsorte B ist der modifizierte SKD11-Stahl, während die Stahlsorte C in Tabelle 1 ein Bezugsstahl ist.

Tabelle 1:

Unter Verwendung der Kaliberwalze zur Walzbearbeitung mit einem auf diese Weise hergestellten Walzenhauptkörper wird der Walzvorgang unter den in Tabelle 2 dargestellten Walzbedingungen durchgeführt.

Tabelle 2:

Das Material des Walzenhauptkörpers in Tabelle 2 entspricht der Stahlsorte B in Tabelle 1. Die Zahlenwerte des Walzenhauptkörpertyps in Tabelle 2 stellen die Abmessungen in Fig. 10, 11 dar. Die Ergebnisse des Walzvorgangs sind in den Tabellen 3, 4 zusammengefaßt.

Tabelle 3(a)
Tabelle 3(b)
Tabelle 4(a)
Tabelle 4(b)

In den Tabellen 3, 4 unterscheiden sich die Kaliberwalzen mit derselben Testnummer nur in der Härte ihres Walzenhauptkörpers. In Tabelle 3 beträgt die Härte des Walzenhauptkörpers bei allen Kaliberwalzen zur Walzbearbeitung 58 HRC, und in Tabelle 4 beträgt die Härte des Walzenhauptkörpers bei allen Kaliberwalzen zur Walzbearbeitung 54 HRC. Bei allen Kaliberwalzen zur Walzbearbeitung in den Tabellen 3 und 4 ist die Metallflußrichtung die Achsenmittenrichtung. Die Konstruktionsart der Bezugsfälle der Testnummern 1, 3 in den Tabellen 3, 4 ist in Fig. 20 bzw. 21 gezeigt. In beiden Fällen ist die Stärke der Schrumpfungseinpassungszugabe 1d einheitlich. Bei dem in Fig. 20 dargestellten Beispiel ist die Walzenachse 2 mit einheitlichern Durchmesser in den Walzenhauptkörper 1 mit dem Kaliber 1a und dem Achsendurchgang 1b mit gleichem Durchmesser eingesetzt, und bei dem Beispiel in Fig. 21 ist die Walzenachse 2 mit einheitlichem Durchmesser in den Walzenhauptkörper 1 mit dem Kaliber 1a und dem Achsendurchgang 1b mit gleichem Durchmesser eingesetzt und mit dem an den Achsendurchgang 1b angrenzenden Vertiefungsspalt 1c versehen.

Wie aus den Ergebnissen in den Tabellen 3, 4 deutlich wird, ist die Lebensdauer der Walze im Falle der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (Testnummern 2, 4) mit dem Anlegen von Druckspannung an den Boden des Kalibers 1a des Walzenhauptkörpers 1 durch Verbinden der verjüngten Walzenachse 2 mit dem Walzenhauptkörper 1 mit dem Achsendurchgang 1b mit gleichem Durchmesser oder im Falle des nicht unter den Schutzbereich der Ansprüche fallenden Beispiels (Testnummer 5) mit dem Anlegen von Druckspannung an den Boden des Kalibers 1a des Walzenhauptkörpers 1 mittels Druckvorrichtung (Preßring 3) drei- bis viermal so hoch wie bei den Bezugsbeispielen (Testnummern 1, 3) ohne diese Druckspannung.

Außerdem ist die durch den Betrieb der Walzenachse 2 verursachte Druckspannung in jeder Tabelle in dem Beispiel (Testnummer 4) unter Verwendung des Walzenhauptkörpers 1 mit dem an den Achsendurchgang 1b angrenzenden Vertiefungsspalt 1c mit der durch die Ablenkung der Walze durch diesen Vertiefungsspalt 1c verursachten Druckspannung verbunden, und daher ist die Walzenstandzeit im Vergleich zu dem Beispiel (Testnummer 2) unter Verwendung des Walzenhauptkörpers 1 ohne Vertiefungsspalt 1c verlängert.

Des weiteren ist die Lebensdauer der Walze bei einer Gesamthärte des Walzenhauptkörpers 1 von 54 HRC (Tabelle 3) im Vergleich zu 58 HRC (Tabelle 4) länger, wie aus dem Vergleich zwischen Tabelle 3 und Tabelle 4 verständlich wird.

Unter Verwendung von Stahlgattungen A, B, C in Tabelle 1, die sich in der chemischen Zusammensetzung der Werkstoffe unterscheiden, werden Kaliberwalzen zur Walzbearbeitung durch weiteres Variieren der Anlaßbedingungen hergestellt, und das Walzen wird durch Verwendung derselben im Walzverfahren untersucht, wovon Ergebnisse in Tabelle 5 gezeigt sind.

Bei allen Kaliberwalzen zur Walzbearbeitung in Tabelle 5 sind die Walzbedingungen dieselben wie in Tabelle 2, und der Typ des Walzenhauptkörpers 1 ist der Typ gemäß Fig. 10, der aufgrund der Ablenkung der Walze ohne Vertiefungsspalt 1c frei von Druckspannung ist, und der Gesamtaufbau ist vom Typ gemäß Fig. 20, der aufgrund von Schrumpfungseinpassung frei von Druckspannung ist, dc h., bei der Walze handelt es sich um einen Typ, der nicht unter den Schutzbereich der Ansprüche fllt. Die Bezugsbeispiele mit den Testnummern 14, 15 sind nicht geschmiedet, und der Metallfluß erfolgt nicht in Achsenmittenrichtung, während der Metallfluß bei allen anderen Beispielen in Achsenmittenrichtung stattfindet.

Ferner werden die Kaliberwalzen zur Walzbearbeitung des Typs, die Druckspannung im Kaliber erzeugen, unter Verwendung der Legierung auf Eisenbasis mit der chemischen Zusammensetzung betreffend die bevorzugte Ausführungsform (insbesondere Stahlsorte A oder B in Tabelle 1) und mit den Anlaßbedingungen im Bereich der bevorzugten Ausführungsform hergestellt (insbesondere ist der Walzenhauptkörper 1 der Typ gemäß Fig. 11, und der Gesamtaufbau ist vom Typ gemäß Fig. 14), und mit diesen Kaliberwalzen zur Walzbearbeitung wird der Walzvorgang durchgeführt (mit denselben Walzbedingungen wie in Tabelle 2). Die Walzresultate sind in Tabelle 6 gezeigt.

Tabelle 5(a)
Tabelle 5(b)
Tabelle 6(a)
Tabelle 6(b)

In Tabelle 6 bezeichnen Spannung A bzwc Spannung B die durch den Vertiefungsspalt jeder Walze verursachte Druckspannung und die durch Schrumpfungseinpassung verursachte Druckspannung, und die während des Walzens auftretende maximale Zugspannung liegt konstant bei 81 kp/mm². Bei allen für den Walzvorgang präsentierten Kaliberwalzen zur Walzbearbeitung bestätigen sich exzellenter Verschleißwiderstand und exzellente Rißfestigkeit.


Anspruch[de]

1. Kaliberwalze zur Walzbearbeitung, aufweisend:

einen Walzenhauptkörper (1) mit einem Kaliber (1a) auf dem Außenumfang und einem zentrisch hindurch verlaufenden Achsendurchgang; und eine in den Achsendurchgang (1b) des Walzenhauptkörpers (1) eingesetzte Walzenachse (2), wobei durch Schrumpfungs- oder Kalteinpassung des Walzenhauptkörpers (1) und der Walzenachse (2) eine Druckspannung in Breitenrichtung des Walzenhauptkörpers (1) an den Boden des Kalibers (1a) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckspannung ausgeübt wird, indem entweder der Innenumfang des Walzenhauptkörpers (1) oder der Umfang der Walzenachse (2) mit zwei Schrägabschnitten mit gegensätzlichen Anzugwinkeln (α, β) ausgebildet ist.

2. Kaliberwalze nach Anspruch 1, wobei im Innenumfang in der Mitte der Breitenrichtung des Walzenhauptkörpers (1) und/oder im Umfang in der Mitte der Breitenrichtung der Walzenachse (2) ein Vertiefungsspalt (lc) ausgebildet ist.

3. Kaliberwalze nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Walzenhauptkörper (1) aus einer Legierung auf Eisenbasis besteht, die sich zusammensetzt aus: 0,75 bis 1,75 Gew.-% C, ≤ 3 Gew.-% Si, ≤ 2 Gew.-% Mn, ≤ 0,03 Gew.-% P, ≤ 0,03 Gew.-% 5, 5 bis 13 Gew.-% Cr, 0,8 bis 5 Gew.-% Mo und 0,1 bis 0,5 Gew.-% V, wobei die Gesamthärte des Walzenhauptkörpers (1) auf HRC 52 bis 56 eingestellt ist und der Metallfluß in Achsenmittenrichtung erfolgt.







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