Stahlguss GP4M für Rollen und Walzen
Durch den Einsatz des Werkstoffes GP4M wird die Realisierung komplexer Rollengeometrien einfacher als mit herkömmlichen Standardwerkstoffen. Mit einer einstellbaren Arbeitshärte von bis zu 60 HRC und einem zäheren Gefüge zeichnet sich der Werkstoff zudem durch einen höheren Widerstand gegen Oberflächenzerrüttung aus.
Roll- und Walzwerkzeuge unterliegen einer zyklischen Druckbelastung. Neben einer ausreichend hohen Härte und einem guten Verschleißwiderstand müssen die verwendeten Werkzeugwerkstoffe daher eine entsprechend hohe Ermüdungsfestigkeit gegen Überrollung aufweisen.
Häufig wird für Roll- und Walzwerkzeuge Stahlguss aus dem karbidreichen Kaltarbeitsstahl GX155CrVMo12-1 (W.-Nr. 1.2382) eingesetzt. Aufgrund seiner Legierungszusammensetzung ist sein Härte-Anlassverhalten durch ein Sekundärhärtemaximum geprägt. Die Einstellung einer Arbeitshärte von 58-60 HRC kann folglich bei Anlasstemperaturen oberhalb 500°C erfolgen, womit die martensitische Matrix seines Gefüges sich deutlich entspannen kann und an Zähigkeit gewinnt. Darüber hinaus besitzt der Stahlguss 1.2382 ein Karbidvolumen von etwa 12 Volumenprozent, was sich positiv auf die Verschleißbeständigkeit auswirkt. Allerdings sind die Karbide als sprödes Netzwerk ausgebildet, sodass bei mechanischer Überlastung respektive Ermüdung, Risse entlang des Karbidnetzwerkes wachsen und zu einem frühzeitigen Ausfall durch Abplatzungen, Grübchen, oder Bruch führen können.
Optimierte Zusammensetzung der Legierung
Eine technische Weiterentwicklung stellt hier der Stahlguss-Sonderwerkstoff GP4M dar. Seine Legierungszusammensetzung wurde so optimiert, dass er ein vergleichbares Härte-Anlassverhalten aufweist, wie der Standardwerkstoff 1.2382. Die Anlassschaubilder der beiden Werkstoffe zeigen, dass auch der mit Chrom, Molybdän und Vanadin legierte Sonderwerkstoff GP4M ein ausgeprägtes Sekundärhärtemaximum besitzt. Die Einstellung einer zähen martensitischen Gefügematrix mit einer Härte von 58-60 HRC ist hier ebenfalls durch hohe Anlasstemperaturen realisierbar.
Anders als bei dem karbidreichen Standardwerkstoff GX155CrVMo12-1 zeichnet sich das Gefüge des Sonderwerkstoffes GP4M jedoch durch das Fehlen des spröden Karbidnetzwerkes aus. Die Zähigkeit und die Duktilität ist damit deutlich gegenüber dem Standardwerkstoff gesteigert. Dies macht sich besonders positiv im Betriebseinsatz bemerkbar, wo durch ständige Überrollung des Werkzeuges die Gefahr von Oberflächenzerrüttung besteht. Die gesteigerte Zähigkeit kann zum einen bei schlagartiger Belastung einen Gewaltbruch verhindern, zum anderen bereits vorhandene Oberflächenrisse an ihrer Ausbreitung behindern.
Darüber hinaus ist das karbidarme Gefüge des Sonderwerkstoffes GP4M aber auch bei der Herstellung der Rollen und Walzen von großem Vorteil. So entstehen bei der Wärmebehandlung während des Aufheizens und des Abkühlens thermische Eigenspannungen zwischen Rand und Kern, da der Kern je nach Wandstärke entsprechend von der Temperatur nachzieht. Beim Härten werden den thermischen Eigenspannungen noch zusätzliche Umwandlungseigenspannungen überlagert, sodass bei dem Standardwerkstoff GX155CrVMo12-1 das Rissrisiko sehr hoch ist, da er durch sein Karbidnetzwerk nur schlecht Zugeigenspannungen aufnehmen kann. Zusätzlich ist das Umwandlungsverhalten des Stahlgusswerkstoffes GP4M sogar noch etwas günstiger als beim Standardwerkstoff GX155CrVMo12-1. Das bedeutet, dass bei der Wärmebehandlung sanfter abgeschreckt werden kann, ohne eine verringerte Härteannahme zu bekommen.
Optimal eingestelltes Gefüge
Das ernüchternde Ergebnis der Untersuchung eine Profilrolle aus dem karbidreichen Stahlgusswerkstoff GX155CrVMo12-1 (W.-Nr. 1.2382) zeigt Schäden schon durch die Wärmebehandlung. Nach dem Härten zeigten sich radiale Risse, die zur Verschrottung der Rolle führten. Um einen derartig dicken Querschnitt durchhärten zu können, musste bei der Abschreckung ein Temperaturunterschied von etwa 200°C zwischen Rand und Kern in Kauf genommen werden. Die hierdurch verursachten Zugeigenspannungen führten zu den Härtespannungsrissen.
Bei der dargestellten Formrolle wurde dagegen der Werkstoff GP4M gewählt. Trotz des deutlich dickeren Querschnittes konnte die Rolle rissfrei auf 58-60 HRC gehärtet werden. Wie Temperaturmessungen im Rand und Kern während der Wärmebehandlung belegen, herrschte bei der Abschreckung kurzzeitig eine Temperaturdifferenz von 350°C, die der Werkstoff GP4M ohne Rissbildung ertragen hat. Durch das anschließend dreimalige Anlassen bei Temperaturen oberhalb 500°C wurden ein Großteil der Eigenspannung abgebaut.
Durch den Einsatz des Werkstoffes GP4M ist die Realisierung komplexer Rollengeometrien deutlich einfacher als mit den bisherigen Standardwerkstoffen. Mit einer einstellbaren Arbeitshärte von bis zu 60 HRC und dem deutlich zäheren Gefüge zeichnet sich der Werkstoff GP4M gegenüber dem Stahlguss GX155CrVMo12-1 (W.-Nr. 1.2382) im Betriebseinsatz durch einen höheren Widerstand gegen Oberflächenzerrüttung aus.
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