Walzen: Der grundlegende Metallumformungsprozess in der Stahlproduktion

Definition und Grundkonzept

Walzen ist ein Verfahren zur Formgebung von Metallen, bei dem Metallrohlinge durch ein oder mehrere Walzenpaare geleitet werden, um die Dicke zu reduzieren, die Dicke einheitlich zu gestalten und/oder gewüschte mechanische Eigenschaften zu verleihen. Es stellt einen der grundlegendsten und am weitesten verbreiteten Umformungsprozesse in der Stahlindustrie dar, der etwa 90 % aller hergestellten Metallprodukte ausmacht.

Walzen verwandelt die anfängliche gegossene Mikrostruktur von Stahl in eine bearbeitete Struktur mit verbesserten mechanischen Eigenschaften. Der Prozess induziert plastische Deformation, die die gegossene dendritische Struktur aufbricht und eine verfeinerte, gerichtete Kornstruktur erzeugt.

Im weiteren Bereich der Metallurgie nimmt das Walzen eine zentrale Position als primäre Technik der Metallbearbeitung ein, die Stahlerzeugung und Herstellung von Fertigprodukten miteinander verbindet. Es dient sowohl als Mittel zur Formgebung von Stahl als auch als kritischer Prozess zur Kontrolle seiner Mikrostruktur und Eigenschaften durch Umformungsverfahren.

Physikalische Natur und Theoretische Grundlage

Physikalischer Mechanismus

Auf mikrostruktureller Ebene induziert das Walzen plastische Deformation durch die Bewegung von Versetzungen innerhalb des Kristallgitters von Stahl. Während das Material zwischen den Walzen hindurchgeht, überschreiten die Druckspannungen die Streckgrenze, was dazu führt, dass sich Versetzungen vervielfachen und entlang der Gleitebenen bewegen.

Dieser Deformationsprozess führt zu einer Kornelongation in Walzrichtung und einer Kornverfeinerung durch Rekristallisation, wenn er bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird. Die Bewegung und Wechselwirkung von Versetzungen führen zu einer Werkstoffverfestigung während des Kaltwalzens oder zu dynamischer Erholung und Rekristallisation im Warmwalzprozess.

Die aufgebrachte Verformung verursacht die Entwicklung kristallographischer Texturen, wobei bestimmte Kristallorientierungen bevorzugt in Bezug auf die Walzrichtung ausgerichtet werden. Diese Texturen beeinflussen erheblich die mechanische Anisotropie des gewalzten Produkts.

Theoretische Modelle

Die Plattenmethode stellt das primäre theoretische Modell zur Analyse von Walzprozessen dar, das von von Kármán im frühen 20. Jahrhundert entwickelt wurde. Dieser Ansatz behandelt die Deformationszone als Kontinuum und wendet Prinzipien des Kraftgleichgewichts an, um Walzkraft und Leistungsanforderungen vorherzusagen.

Das historische Verständnis entwickelte sich von empirischen Beobachtungen zu komplexen computergestützten Modellen. Frühe Arbeiten von Siebel und Orowan stellten grundlegende Beziehungen zwischen Walzkraft, Kontaktfläche und Fließspannung des Materials her.

Moderne Ansätze umfassen die Finite-Elemente-Modellierung (FEM), die die elastische Deformation der Walzen (Walzenflatten), Temperaturgradienten und die mikostrukturelle Evolution berücksichtigt. Obergrenzen-Methoden bieten analytische Lösungen für komplexere Deformationsmuster, während kristallplastische Modelle makroskopische Deformation mit kristallographischen Gleitechnismen verbinden.

Materialwissenschaftliche Grundlage

Walzen beeinflusst direkt die Kristallstruktur, indem es die Körner in Walzrichtung elongiert und sie in der Normalrichtung verdichtet. An den Korn grenzflächen erzeugt die Deformation hochenergetische Regionen, die als Keimstellen für die Rekristallisation während nachfolgender Glühvorgänge dienen können.

Die Mikrostrukturevolution während des Walzens hängt von Temperatur, Verformung und Verformungsrate ab. Warmwalzen (oberhalb der Rekristallisationstemperatur) erzeugt dynamische Rekristallisation und Erholung, während das Kaltwalzen gespeicherte Energie durch Werkstoffverfestigung ohne sofortige Rekristallisation erzeugt.

Walzen verbindet sich mit grundlegenden Prinzipien der Materialwissenschaft zu plastischer Deformation, Werkstoffverfestigung, Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum. Der Prozess veranschaulicht, wie kontrollierte Deformation die Mikrostruktur gestalten kann, um gewüschte mechanische Eigenschaften zu erreichen.

Mathematische Ausdrucksweise und Berechnungsmethoden

Grundlegende Definitionsformel

Der grundlegende Parameter beim Walzen ist der Abzug, definiert als die Verringerung der Dicke:

$$d = h_0 - h_f$$

Wo:
- $d$ = absoluter Abzug (mm)
- $h_0$ = anfängliche Dicke (mm)
- $h_f$ = endgültige Dicke (mm)

Die prozentuale Reduktion wird durch gegeben:

$$r = \frac{h_0 - h_f}{h_0} \times 100\%$$

Verwandte Berechnungsformeln

Die Walzkraft kann unter Verwendung von:

$$F = w \cdot L \cdot \bar{p}$$

Wo:
- $F$ = Walzkraft (N)
- $w$ = Bandbreite (mm)
- $L$ = projektiere Kontaktlänge (mm)
- $\bar{p}$ = durchschnittlicher Druck (MPa)

Die projizierte Kontaktlänge wird angenähert durch:

$$L \approx \sqrt{R \cdot (h_0 - h_f)}$$

Wo $R$ der Walzenradius (mm) ist.

Das Drehmoment pro Walze wird berechnet als:

$$T = F \cdot a$$

Wo $a$ der Hebelarm (mm) ist, typischerweise approximiert als $L/2$.

Anwendbare Bedingungen und Einschränkungen

Diese Formeln setzen starre Walzen und homogene Deformation voraus, was bei großer Walzenverformung oder beim Walzen hochfester Materialien weniger genau wird.

Die Plattenmethode ist gültig für Breiten-zu-Dicke-Verhältnisse größer als 10, wo Ebenen von Dehnungszuständen vorherrschen. Bei schmaleren Bändern werden Randwirkungen signifikant und 3D-Modelle sind erforderlich.

Diese Modelle nehmen isotherme Bedingungen an, was in der industriellen Walztechnik, in der Temperaturgradienten durch Dicke und entlang der Walzrichtung bestehen, selten der Fall ist.

Mess- und Charakterisierungsmethoden

Standardprüfspezifikationen

ASTM A1030: Standardverfahren zur Messung der Ebenheitsmerkmale von Stahlblechprodukten.

ISO 9517: Metallische Materialien — Bleche und Bänder — Bestimmung des plastischen Verhältnisses.

ASTM E517: Standardprüfverfahren für das plastische Verhältnis r für Bleche.

ASTM E8/E8M: Standardprüfmethoden für Zugversuche an metallischen Materialien, verwendet zur Bewertung der Eigenschaften nach dem Walzen.

Prüfgeräte und Prinzipien

Walzwerke variieren von Laboranlagen (typischerweise Zweihochkonfiguration) bis hin zu industriellen Mehrstandwalzwerken. Instrumentierte Walzwerke messen Walzkraft, Drehmoment und Geschwindigkeit mithilfe von Kraftmesszellen, Drehmomentmessgeräten und Encodern.

Optische und laserbasierte Dickenmessgeräte überwachen kontinuierlich die Dicke während des Walzvorgangs. Diese Systeme nutzen Prinzipien der Lichtübertragung, Reflexion oder Triangulation, um eine Genauigkeit von ±1 μm zu erreichen.

Fortgeschrittene Charakterisierung verwendet Elektronenrückstreudiagramm (EBSD), um die kristallographische Textur zu analysieren, und die Röntgendiffraktion, um verbleibende Spannungen zu messen, die durch das Walzen induziert werden.

Probenanforderungen

Standardproben zur Bewertung gewalzter Produkte folgen typischerweise den in ASTM E8/E8M spezifizierten Abmessungen, mit Messlängen von 50 mm und Breiten von 12,5 mm für Bleche.

Die Oberflächenvorbereitung für mikrostrukturelle Analysen erfordert Schleifen, Polieren auf Hochglanz und Ätzen mit geeigneten Reagenzien (z.B. 2-5 % Nitral für Kohlenstoffstähle).

Proben müssen in mehreren Orientierungen (Walzrichtung, Querrichtung und 45° zur Walzrichtung) entnommen werden, um die durch das Walzen induzierte Anisotropie zu charakterisieren.

Prüfparameter

Standardprüfungen finden typischerweise bei Raumtemperatur (23 ± 5 °C) statt, es sei denn, die Eigenschaften bei hoher Temperatur werden bewertet oder Betriebsbedingungen werden simuliert.

Verformungsraten für Zugversuche an gewalzten Produkten liegen typischerweise im Bereich von 10^-3 bis 10^-4 s^-1 gemäß ASTM E8/E8M.

Walzprozessparameter umfassen Walzgeschwindigkeit (0,5-20 m/s), Reduktion je Durchgang (typischerweise 10-30 % beim Warmwalzen, 5-15 % beim Kaltwalzen) und Walztemperatur (1000-1250 °C beim Warmwalzen von Kohlenstoffstählen).

Datenverarbeitung

Die Kraft-Verschiebungsdaten werden während des Laborwalzens durch digitale Erfassungssysteme mit Abtastraten von 10-100 Hz gesammelt.

Die statistische Analyse umfasst typischerweise die Berechnung von Mittelwerten und Standardabweichungen aus mehreren Proben, mit mindestens drei Proben pro Bedingung.

Texturdaten von EBSD oder Röntgendiffraktion werden unter Verwendung von Orientierungsverteilungsfunktionen (ODFs) verarbeitet, um bevorzugte kristallographische Orientierungen zu quantifizieren, die aus dem Walzen resultieren.

Typische Wertebereiche

Stahlklassifikation	Typische Reduktion je Durchgang	Walztemperatur	Referenzstandard
Niedriglegierter Stahl	20-30% (warm), 5-15% (kalt)	850-1150 °C (warm), 20-100 °C (kalt)	ASTM A1011
Hochfester, niedriglegierter Stahl	15-25% (warm), 3-10% (kalt)	900-1200 °C (warm), 20-100 °C (kalt)	ASTM A1018
Edelstahl	10-20% (warm), 2-8% (kalt)	1050-1250 °C (warm), 20-100 °C (kalt)	ASTM A480
Werkzeugstahl	5-15% (warm), 1-5% (kalt)	1000-1200 °C (warm), 20-150 °C (kalt)	ASTM A681

Variationen innerhalb jeder Klassifikation hängen hauptsächlich vom Kohlenstoffgehalt und den Legierungselementen ab, welche die Fließspannung und das Rekristallisationsverhalten beeinflussen.

Diese Werte dienen der Einrichtung der Walzanlage, müssen jedoch basierend auf der spezifischen Legierungszusammensetzung, den gewünschten Endeigenschaften und den Möglichkeiten der Walzwerke angepasst werden. Höher legierte Stähle erfordern im Allgemeinen geringere Reduzierungen pro Durchgang aufgrund des höheren Verformungswiderstands.

Es besteht ein klarer Trend, dass ein steigender Legierungsgehalt höhere Walztemperaturen und geringere Reduzierungen pro Durchgang erfordert, um ähnliche Verformungen ohne Rissbildung oder übermäßigen Walzenverschleiß zu erreichen.

Ingenieuranalyse der Anwendungen

Designüberlegungen

Ingenieure müssen die richtungsabhängigen Eigenschaften (Anisotropie) in gewalzten Produkten bei der Konstruktion von Bauteilen berücksichtigen. Die Walzrichtung weist typischerweise höhere Festigkeit und geringere Duktilität im Vergleich zur Querrichtung auf.

Sicherheitsfaktoren für gewalzte Produkte liegen typischerweise zwischen 1,5 und 2,5, wobei höhere Werte angewendet werden, wenn die Lastrichtung senkrecht zur Walzrichtung steht oder wenn Eigenschaften durch die Dicke entscheidend sind.

Materialauswahlentscheidungen priorisieren oft gewalzte Produkte mit geeigneter Texturentwicklung für spezifische Umformoperationen, wie Tiefziehen (hoher r-Wert) oder Dehnoperationen (ausgewogene planare Anisotropie).

Wichtige Anwendungsbereiche

Karosserieteile für Automobile erfordern präzise gesteuerte Walzpläne, um optimale Formbarkeit bei gleichzeitiger Erhaltung der Festigkeit zu erreichen. Hochfeste Stähle verwenden sorgfältig gestaltete Walz- und Kühlstrategien zur Entwicklung von Mehrphasen-Mikrostrukturen.

Bau- Stahl verlangt konsistente Eigenschaften durch die Dicke, die durch kontrollierte Walzpraktiken erreicht werden, die die Korngröße verfeinern und die Mittensegregation minimieren.

Pipelinestehle nutzen kontrolliertes Walzen gefolgt von beschleunigter Kühlung, um feinkörnige Mikrostrukturen mit hervorragenden Kombinationen aus Festigkeit, Zähigkeit und Schweißbarkeit für raue Betriebsbedingungen zu entwickeln.

Leistungswechselwirkungen

Festigkeit und Formbarkeit stellen einen grundlegenden Kompromiss bei gewalzten Produkten dar. Kaltwalzen erhöht die Festigkeit durch Werkstoffverfestigung, verringert jedoch die Formbarkeit, was für viele Anwendungen anschließende Glühbehandlungen erforderlich macht.

Die Oberflächenqualität konkurriert oft mit der Produktivität, da höhere Walzgeschwindigkeiten zu Oberflächenfehlern führen können, während langsamere Geschwindigkeiten die Walzausbeute reduzieren. Dieses Gleichgewicht ist besonders kritisch bei sichtbaren Anwendungen in der Automobilindustrie.

Ingenieure müssen die Kornverfeinerung (für Festigkeit) gegen die Texturentwicklung (für Formbarkeit) abwägen, indem sie Walz-Reduktionspläne und Temperaturen optimieren, insbesondere bei hochfesten Stählen.

Fehlanalyse

Kantenrissbildung stellt einen häufigen Fehlermodus während des Walzens dar, verursacht durch Zugspannungen an den Kanten des Bands, die die Duktilität des Materials überschreiten. Dies resultiert typischerweise aus übermäßiger Reduktion pro Durchgang oder unsachgemäßer Kantenbearbeitung des einlaufenden Materials.

Alligatoring (Zentrumsteilungsfehler) tritt auf, wenn das Zentrum des Bandes schneller bewegt als die Oberflächen, wodurch interne Scherkräfte entstehen, die in longitudinale Trennungen propagieren. Dieser Mechanismus hängt mit den Reibungsbedingungen und der inhomogenen Deformation durch die Dicke zusammen.

Diese Fehler können durch eine ordnungsgemäße Kantenbearbeitung vor dem Walzen, abgestufte Reduktionspläne und die Aufrechterhaltung geeigneter Schmierungsbedingungen zwischen Walze und Werkstück gemindert werden.

Einflussfaktoren und Kontrollmethoden

Einfluss der chemischen Zusammensetzung

Der Kohlenstoffgehalt beeinflusst das Walzverhalten erheblich, wobei jeder Anstieg um 0,1 % den Fließstress um etwa 35-40 MPa erhöht, was höhere Walzkraft erfordert und die erreichbaren Reduzierungen einschränkt.

Spurenelemente wie Phosphor und Schwefel können an die Korngrenzen segregieren, die Hochduktilität bei hohen Temperaturen zu verringern und das Risiko von Kantenrissen während des Walzens zu erhöhen, insbesondere bei Konzentrationen über 0,025 %.

Microlegierungselemente (Nb, Ti, V) werden gezielt bei 0,02-0,1 % hinzugefügt, um die Rekristallisation während des Warmwalzens zu steuern, was eine Kornverfeinerung durch die Niederschlagspinning der Korngrenzen ermöglicht.

Einfluss der Mikrostruktur

Feinere anfängliche Korngrößen reduzieren die erforderliche Walzkraft, können jedoch die Rekristallisation zwischen Walz-Durchgängen beschleunigen, was die endgültige Verstärkungseffekte möglicherweise einschränkt.

Die Phasendistribution hat erheblichen Einfluss auf das Walzverhalten, wobei biphasige Stähle eine sorgfältige Temperaturkontrolle erfordert, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen Ferrit und Martensit während des Warmwalzens aufrechtzuerhalten.

Nichtmetallische Einschlüsse wirken während des Walzens als Spannungs Konzentratoren, die bei Überschreitung ihrer kritischen Größen (typischerweise >100 μm für Sulfide und >20 μm für Oxide) die Rissbildung induzieren können.

Einfluss des Verarbeitungsprozesses

Eine Wärmebehandlung vor dem Walzen kann die Mikrostruktur homogenisieren und Ausfällungen auflösen, wodurch die Anforderungen an die Walzkraft um 10-15 % gesenkt und die Verformungsuniformität verbessert werden.

Kontrolliertes Walzen, bei dem die Verformung unter der Rekristallisationstemperatur erfolgt, führt zu abgeflachten Austenitkörnern, die sich beim Abkühlen in feinen Ferrit umwandeln, was die Festigkeit um 20-30 % im Vergleich zum herkömmlichen Walzen erhöht.

Kühlraten nach dem Warmwalzen beeinflussen entscheidend die endgültigen Eigenschaften, wobei beschleunigte Kühlung (>10 °C/s) feine Umwandlungsprodukte fördert, während langsame Kühlung (<1 °C/s) Ausfällungen und Kornwachstum erlaubt.

Umweltfaktoren

Temperaturunterschiede über die Breite oder durch die Dicke gewalzter Produkte können unterschiedliche Deformationen verursachen, was zu Ebenheitsdefekten wie welligen Kanten oder Mittelfalten führt.

Feuchte Umgebungen können die Kühlung während des Warmwalzens durch verstärkten verdampfung Wärmeübergang beschleunigen, was unbeabsichtigte mikrostrukturelle Gradienten verursachen kann, wenn sie nicht ordnungsgemäß kontrolliert werden.

Die Oxidschichtbildung während des Warmwalzens nimmt mit Temperatur und Sauerstoffpartialdruck zu, wodurch die Oberflächenqualität und der Walzenverschleiß beeinträchtigt wird. Die Schichtdicke wächst typischerweise mit 0,1-0,5 mm/min bei Temperaturen über 1000 °C.

Verbesserungsmethoden

Thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung (TMCP) kombiniert präzise Temperaturkontrolle mit spezifischen Walzreduktionsplänen, um die Korngröße auf 5-10 μm zu verfeinern, wodurch sowohl Festigkeit als auch Zähigkeit um 30-50 % im Vergleich zum herkömmlichen Walzen erhöht werden.

Die Optimierung der Schmiermittel kann die Walzkraft um 15-30 % reduzieren und gleichzeitig die Oberflächenqualität verbessern. Öl-in-Wasser-Emulsionen (3-10 % Konzentration) sind für das Kaltwalzen verbreitet, während beim Warmwalzen normalerweise nur Wasser zum Kühlen und zur Entfernung von Ablagerungen verwendet wird.

Das Biegen und Verschieben der Arbeitswalzen kompensiert elastische Verformungen der Walzen und verbessert die Dicken Toleranz auf ±0,5 % und die Ebenheit auf weniger als 5 I-Einheiten (5 mm/m Abweichung von perfekter Ebenheit).

Verwandte Begriffe und Standards

Verwandte Begriffe

Werkstoffverfestigung beschreibt den Anstieg der Festigkeit, der während des Kaltwalzens aufgrund der Vervielfachung und Wechselwirkung von Versetzungen auftritt, quantifiziert durch den Verfestigungsindex (n-Wert).

Anisotropie bezieht sich auf die richtungsabhängige Variation der mechanischen Eigenschaften, die aus der kristallographischen Textur resultiert, die während des Walzens entwickelt wurde, gemessen durch das plastische Verhältnis (r-Wert).

Rekristallisation beschreibt die Bildung neuer, spannungsfreier Körner, die deformierte Körner während oder nach dem Walzen ersetzen, wodurch die endgültige Korngröße und Textur im Produkt gesteuert wird.

Diese Begriffe sind durch die grundlegende Beziehung zwischen Umformungsverarbeitung, mikrostruktureller Evolution und den endgültigen mechanischen Eigenschaften gewalzter Produkte miteinander verbunden.

Wichtigste Standards

ASTM A1018/A1018M bietet Standardanforderungen für warmgewalzte Kohlenstoff- und hochfeste, niedriglegierte Stahlbleche und -bänder, die chemische Zusammensetzungsgrenzen und mechanische Eigenschaftsanforderungen definieren.

EN 10149 spezifiziert Anforderungen für warmgewalzte Flachprodukte aus hochfesten Stählen für die Kaltumformung, wobei die Teile 1-3 verschiedene Festigkeitsklassen und Verarbeitungsrouten abdecken.

JIS G3131 unterscheidet sich von ASTM-Standards durch strengere Ebenheitsanforderungen und beinhaltet Umformungsparameter wie den r-Wert und den n-Wert in seinem Klassifizierungssystem.

Entwicklungstrends

Aktuelle Forschungen konzentrieren sich auf die ganzheitliche Prozessmodellierung, die Walzparameter direkt mit der endgültigen Mikrostruktur und den Eigenschaften verknüpft, was digitale Zwillinge von Walzprozessen für eine Echtzeitoptimierung ermöglicht.

Innovative Technologien umfassen die Online-Überwachung der Mikrostruktur mittels elektromagnetischer oder ultrasonischer Techniken, die eine adaptive Kontrolle von Walzparametern basierend auf sich entwickelnden Materialeigenschaften ermöglichen.

Zukünftige Entwicklungen werden wahrscheinlich künstliche Intelligenz für die autonome Steuerung von Walzwerken integrieren, die Variationen im Prozess vorhersagen und ausgleichen, bevor sie die Produktqualität beeinträchtigen, was potenziell die Eigenschaftsvariationen um 30-50 % reduzieren könnte.