Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines warmgefertigten Rohres aus hochgekohltem insbesondere übereutektoidem Stahl gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Der Werkstoff mit der DIN-Bezeichnung 100Cr6 und entsprechende Stähle anderer Normen und Regelwerke, aus denen im europäischen Raum überwiegend Wälzlager hergestellt werden, zählt wegen des hohen Kohlenstoffgehaltes zu den übereutektoiden Stählen. Zur Herstellung eines warmgefertigten Rohres als

Ausgangsmaterial für die Fertigung einzelner Wälzlagerringe, werden folgende Verfahren angewendet.

Ausgehend vom Roheisen über das LD-Stahlwerk und einem Pfanπenofen sowie einer Pfannenentgasung oder alternativ ausgehend vom E-Stahlwerk, einem Pfanneπofen und einer Pfannenentgasung und in besonderen Fällen über ein Umschmelzstahlwerk wird ein Block gegossen, der auf einer Vorblockwalzstraße zu einem Röhrenrund gewalzt wird. Dieses Röhrenrund wird vorzugsweise mittels des Assel-Verfahrens zu einem warmgerfertigten Rohr umgeformt (s. hierzu Stahlrohr-Handbuch 10. Auflage, Vulkan-Verlag, Essen, 1986, Seiten 141 - 143). Die Assel-Straße weist üblicherweise einen Drehherdofen als Erwärmungsanlage auf, dem ein als Schrägwaizwerk ausgebildeter Lochapparat zur Erzeugung eines Hohlkörpers folgt. Dieser Hohlkörper wird einem Assel-Walzwerk bestehend aus drei am Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten Schrägwalzen zugeführt, die mit einer Schulterkalibrierung versehen sind. Nach dem Herausziehen der als innenwerkzeug dienenden Stange wird das

Zwischenrohr nacherwärmt und über ein mehrgerüstiges Reduzierwaizwerk und über ein nachgeschaltetes Maßwalzwerk das warmgefertigte Rohr erzeugt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß das eingesetzte Röhrenrund abmessungsnah dem warmgefertigten Rohr sein muß und zur Abdeckung des Lieferprogrammes eine Vielzahl von gewalztem bzw. geschmiedetem Röhrenrundmaterial erforderlich ist.

Die Assel-Straße ist zwar die bevorzugte Anlage zur Herstellung von Wälzlagerrohren, aber auch andere Rohrerzeugungsanlagen, wie Stoßbankanlagen oder Rohrkontistraßen, werden benutzt immer unter Verwendung von vorverformten und diffusionsgeglühtem Einsatzmaterial.

Bekannt ist auch, statt eines Gußblockes (ingot) einen Stranggußblock (Bloom) - überwiegend im Rechteckformat - zu erzeugen - und diesen über einen Walz- oder Schmiedeprozeß zu einem Röhrenrund umzuformen. Alternativ wird statt eines Rechteckformates ein Rundstrangguß hergestellt, wobei auch dieser Stranggußblock nach dem Abtrennen gewalzt oder geschmiedet wird (s. La Revue de Metallurgie CIT April 1989, Seiten 344 - 350). Nach dem Stand der Technik wird der Umformgrad derart gewählt, daß ein Verschmiedungs- oder Walzgrad von I = 5 erzielt wird. Dem erwähnten Walz- oder Schmiedeprozeß ist immer eine Diffusionsglühung vorgeschaltet, um die vom Gießverfahren herrührenden Seigerungen und groben Karbid-Ausscheidungen weitgehend abzubauen bzw. zu verringern. Alle erwähnten Herstellverfahren für das Vormaterial sind kostenaufwendig, da große kapitalintensive Anlagen für die Umformung benötigt werden und das Material mehrfach bewegt wird. Da die Stäbe durch die Streckungen immer wieder aufgeteilt werden müssen, fällt auch eine entsprechende Menge an Schopfmaterial an. Jeder zusätzliche Arbeits- und Transportschritt bedeutet eine Gefahr der Erzeugung weiterer oder sich verstärkender Fehler, deren Beseitigung die Kosten erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines warmgefertigten Rohres aus hochgekohltem insbesondere übereutektoidem Stahl anzugeben, das im Vergleich zu den bekannten Verfahren kostengünstiger ist und mit dem eine höhere Materialausnutzung sowie eine kürzere Materialdurchlaufzeit erreichbar sind.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Kernpunkt der Erfindung ist der Einsatz unverformten Stranggusses aus Stahl insbesondere aus der Werkstoff-Gruppe der Wälzlagerstähle beliebigen Querschnitts auf einer Rohrerzeugungsanlage unter Wegfall des bisher üblichen vorgeschalteten Walz- oder Schmiedeprozesses sowie unter Verzicht auf die nach dem Stand der Technik erforderliche Diffusionsglühung Der Wegfall dieser Arbeitsschritte erspart erhebliche Kosten und Zeit. Außerdem wird das Material besser genutzt, da es nicht so oft geteilt und geschöpft werden muß. Bei einem solchen Einsatz von unverformtem und nicht diffusionsgeglühtem Strangguß ist darauf zu achten, daß beim Lochprozeß als Teil des Gesamtprozesses der Rohrerzeugungsaniage in der umzuformenden Einsatzlänge ein Spannungszustand aufgebaut wird, der unter Minimierung von Scherspannungen einen möglichst hohen negativen Spannungsmittelwert s _m aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar für alle Arten der Stranggußerzeugung wie Senkrechtstrangguß oder Bogenstrangguß und unabhängig vom Querschnitt, d. h. ob Vierkant, achtkant, polygonal oder rund. Der erzeugte

Stranggußblock wird nach dem Aufteilen in Einsatzlängen ohne Vorverformung, d. h. im Gußzustand, auf Umformtemperatur erwärmt und dann der Rohrerzeugungsanlage zugeführt. Als besonders vorteilhaft hat sich das Stoßbank- und das Ziehpreßverfahren erwiesen. Bei allen genannten Verfahren wird die erwärmte Einsatzlänge für den Lochprozeß in eine runde Matrize eingelegt und beim

Lochvorgang im umzuformenden Werkstück, wie schon zuvor erwähnt, ein negativer Spannungsmittelwert s _m aufgebaut. Dadurch wird ein Aufreißen des Materials verhindert. Aber auch andere Lochaggregate mit nicht geschlossenem Arbeitsraum, beispielsweise ein Kegelschrägwalzwerk, vorgeschaltet bei Rohrkonti- oder Stopfenwalzverfahren, können dafür verwendet werden. Es muß aber durch die Wahl der Walzengeometrie, der Anstellung sowie der Art der Führungen dafür gesorgt werden, daß auch hier ein Spannungszustand s _m entsteht, bei dem der Anteil an Zugspannungen minimiert wird und damit die Gefahr eines Aufreißens des Werkstückes beim Lochprozeß nicht mehr gegeben ist.

Der Einsatz von Direktstrangguß bedingt gegenüber dem konventionell eingesetzten vorverformten und diffusionsgeglühtem Material einen Strangguß, der eine möglichst homogene und feindisperse Verteilung der Primärkarbide und einen hohen Reinheitsgrad aufweist sowie möglichst feinkörnig ist, Charakteristiken, die durch den nachfolgend erläuterten Erschmelzungs- und Gießprozeß gewährleistet werden. Der hohe Reinheitsgrad ist erforderlich, da die bei der Stahlherstellung unvermeidlich entstehenden nichtmetallischen Einschlüsse in ihrer ursprünglichen Teilchengröße und Zahl pro Masseneinheit bis zum Einsatz als Röhrenvormaterial erhalten bleiben und nicht durch Verformung gestreckt und verändert werden. Dieser Zusammenhang gilt in gleicher Weise auch für die mittlere Korngröße. Die Reduzierung der groben Karbid- Ausscheidungen steht in Verbindung mit dem Wegfall der bisher üblichen Diffusionsglühung, die bei dem herkömmlichen Verfahren für einen Konzentrationsausgleich des Kohlenstoffs und für eine Homogenisierung des Gefüges sorgt.

Zur Erzeugung eines so gekennzeichneten Stranggußmaterials als Einsatzmaterial für eine Rohrerzeugungsanlage sind erfindungsgemäß als Maßnahmen vorgesehen eine geänderte Metallurgie sowie Sondermaßnahmen beim Gießen des Stranggusses. Hierzu zählt auch eine angepaßte Gießgeschwindigkeit im Bereich vorzugsweise von 1 ,8 - 1 ,2 m/min. für den Abmessungsbereich 170 - 240 mm D. Diese

Gießgeschwindigkeiten in Verbindung mit sorgfältiger Pfannenmetallurgie und günstiger Ausbildung des Verteilers im Hinblick auf Luftabschluß, feuerfeste Auskleidung und Stahlströmung sowie einem besonderen Tauchausguß und eine im Hinblick auf Vergießbarkeit und Reinheitsgrad angepaßte Stahlzusammensetzung, insbesondere der Elemente AI, S und O2 gewährleisten den gewünschten

Reinheitsgrad. Die oben angegebenen Gießgeschwindigkeitsbereiche erleichtern ein Aufsteigen der Blasen und Einschlüsse im Sinne eines hohen Reinheitsgrades, sind aber so gewählt, daß die gewünschte Feinkörnigkeit nicht beeinträchtigt wird. Die schnelle Erstarrung bei den relativ kleinen Querschnitten führt schon im Gußzustand zu einem Gefüge mit hoher Feinkörnigkeit und unterbindet gleichzeitig die

Ausscheidung grober Karbide. Im Hinblick auf die Vergleichmäßigung der Abkühlung über den Querschnitt gesehen und im Hinblick auf die Verteilung der Seigerungen ist dem Rundformat der Vorzug zu geben. Grundsätzlich ist es aber ebenso möglich, ein vergleichbares Vier- Achteck oder Polygon zu gießen. Der besondere Tauchausguß ist dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser < 25 mm bei einer entsprechenden

Bauhöhe ist. Das wirkt sich günstig auf den ferrostatischen Druck und auf das Strömungsverhalten beim Gießen aus.

Für den besonderen Fall des übereutektoiden Stahls der Werkstoff-Gruppe der Wälzlagerstähle wird von den Wälziagerherstellern ein Mindestgehalt an Schwefel vorgeschrieben, um das warmfertige Rohr bzw. die abgetrennten Ringe ohne Schwierigkeiten einwandfrei zerspanend bearbeiten zu können. Im Sinne eines guten Reinheitsgrades sollte auf der einen Seite so wenig wie möglich Schwefel im Stahl sein, aber für die Zerspanung der Stahl einen Mindestgehalt an Schwefel aufweisen. Als zweckmäßig hat sich in diesem Sinne ein Bereich von 0,008 - 0,015 Massenanteil in Prozent Schwefel herausgestellt. Ist im Unterschied dazu die Weiterverarbeitung weitgehend spanlos, dann wird ein Schwefelgehalt von max. 0,005 Massenanteil in Prozent als vorteilhaft angesehen. Für beide Arten der Weiterverarbeitung, d. h. spanend oder spanlos ist ein Chrom-Kohlenstoffverhältnis im Bereich zwischen 1,35 bis 1 ,52 vorzugsweise von 1 ,45 von Vorteil. Über dieses Verhältnis kann die nicht gewünschte Karbidzeiligkeit positiv beeinflußt werden.

Weiterhin wird im Sinne eines niedrigen Sauerstoffgehaltes und einer Feinkörnigkeit des Materials häufig ein Mindestgehalt an Aluminium gefordert. Da eine allgemein übliche Kalziumbehandlung im Sinne der Bildung flüssiger Kalziumaluminate zur

Verbesserung des Reinheitsgrades für den Wälzlagerstahl nicht gestattet ist, muß der Aluminiumgehalt so gewählt werden, daß die Menge des sich bildenden AI2O3 im abgegossenen Strangguß gering ist. Aus diesem Grunde wird beim erfindungsgemäßen Verfahren auf eine Zugabe von Aluminium verzichtet ohne daß der Sauerstoffgehalt unerwünschte Werte annimmt. Der Verzicht auf eine Zugabe von AI bedeutet nicht, daß in der Schmelze kein AI in Spuren vorhanden ist, sei es über geringe AI-Gehalte der Legierungsbestandteile oder aber über die Ausmauerung.

Anhand eines willkürlich gewählten Beispieles wird das erfindungsgemäße Verfahren - Einsatz von unverformten und nicht diffusionsgeglühtem Strangguß aus vorzugsweise übereutektoiden Stahl für die Herstellung nahtloser Wälzlagerrohre auf einer Rohrerzeugungsanlage mit einer Lochpresse, in der durch die Wahl der Umformbedingungen ein Druckspannungszustand beim Lochen entsteht - näher erläutert. Hergestellt werden soll beispielsweise ein warmgefertigtes Rohr der Abmessung 60,3 D mit 8,0 mm Wand aus Wälzlagerstahl 100Crδ. Ausgehend von

einem im Hochofen erzeugten Roheisen wird in einem ersten Schritt dieses entschwefelt, und zwar auf einen Bereich kleiner 0,010 Massenanteil in Prozent. Über einen LD-Konverter mit einem Fassungsvermögen bis zu 2501 wird das Roheisen zu Stahl Verblasen. Beim schlackenfreien Abstich in die Gießpfanne erfolgt das Legieren sowie eine kombinierte Desoxidation ausschließlich mit Kohlenstoff, Silizium und Mangan. Die sonst häufig übliche Zugabe von Aluminium im Sinne einer Vorberuhigung wird hier aus den zuvor erläuterten Gründen nicht angewendet. In der Gießpfanne wird der Stahl weiterbehandelt, d. h. es erfolgt das Feinlegieren im Sinne einer genauen Erfüllung der vorgegebenen Analysengrenzen, eine Entgasung einschließlich einer Kohlenstoff-Desoxidation im Vakuum und zusätzlich ein

Reinheitsgradspülen mit einem Inertgas. Im Unterschied zum Stand der Technik wird bei diesem Verfahren auf den Einsatz eines Pfannenofens verzichtet. Die Einstellung des Temperaturhaushaltes im Sinne der Einhaltung der vorgegebenen Gießtemperatur wird durch ein hohes Chargengewicht mit entsprechendem Wärmeinhalt gewährleistet. Auf einer mehradrigen Bogenstranggußanlage erfolgt dann der Abguß im Rundformat auf einen Durchmesser von 220 mm. Die Gießgeschwindigkeit beträgt ca. 1 ,4 m/min. Der Verteiler ist mit Zwischenwänden zur besseren Strömungslenkung versehen und der Tauchausguß hat vorzugsweise einen Durchmesser < 25 mm mit einem längeren Eingußtrichter, der immer gefüllt bleibt. Der gesamte Gießraum ist mit Argon abgedichtet und beim Abgießen wird die Schmelze nicht mit Argon gespült, so daß kein Permstopfen erforderlich ist. Zur Beherrschung des Fließverhaltens von übereutektoiden Stählen werden spezielle Anfahrköpfe zum Gießen verwendet. Nach dem Abtrennen in lange Stäbe werden diese gekennzeichnet und visuell auf Fehler kontrolliert und dann zur Stoßbankanlage transportiert. Auf einer Kaltsäge werden die langen Stangen in vorgegebene Einsatzlängen unterteilt und in einem Drehherdofen auf 1140 - 1180°C erwärmt. In der Lochpresse findet die erste Umformung des erwärmten Stranggußblockes zu einem Hohlkörper mit der Abmessung 223,0 x 51,0 mm statt. Dies entspricht einer Streckung von 1,39. Im Elongator wird der Hohlkörper weiter gestreckt auf eine Abmessung 192,0 x 40,0 mm. Dies entspricht einer Streckung von 1 ,43. Danach wird der einen Boden aufweisende gestreckte Hohkörper in die Stoßbank eingelegt. Mittels einer eingeschobenen Stange wird der Hohlkörper durch mehrere Gerüste gestoßen und dabei auf eine Abmessung von 127,5 x 8,25 mm gelängt. Die Streckung beträgt dabei 6,18. Die Stange wird herausgezogen und der Bodenbereich abgetrennt. Bis zu diesem Arbeitsschritt erfolgt die zuvor beschriebene Umformung in einer Wärme. Um die abschließende Umformung im

Streckreduzierwalzwerk durchführen zu können, muß das abgekühlte Zwischenrohr auf Umformtemperatur wieder erwärmt werden. Im Streckreduzierwalzwerk wird ohne ein innenwerkzeug das endgültige Fertigmaß von 60,3 D x 8,0 mm Wand mit einer Streckung von 2,35 erzeugt. Die Abkühlung an Luft erfolgt auf einem üblichen Kühlbett. Das so erzeugte warmgefertigte Rohr ist dann nach einer Weichglühung das Einsatzmaterial für die nachgeschalteten Kaltumformungen wie Kaltpilgern oder Kaltziehen. Von diesen kaltgefertigten Rohren werden in Drehautomaten Ringe abgestochen und die endgültige Kontur des Wälzlagers angearbeitet.

Der wesentliche Vorteil des zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß der für Röhrenvormaterial (Halbzeug) aus hochgekohlten insbesondere übereutektoiden Stählen bisher erforderliche vorgeschaltete Walz- oder Schmiedeprozeß und die Diffusionsglühung entfallen können und der Stranggußblock durch die AI-freie Metallurgie sowie durch die beschriebenen Gießbedingungen eine Gefügeausbildung derart aufweist, daß er direkt auf einer Rohrerzeugungsanlage, die vorzugsweise eine Lochpresse in ihrem Anlagenkonzept hat, eingesetzt werden kann.