Die Walzenpresse ist eine weit verbreitete, hocheffiziente und energiesparende Mahlanlage, die sich besonders für die Vorvermahlung von Zementklinker eignet. Sie ist auch effektiv für die Vermahlung von Kalkstein, Hochofenschlacke, Kalksandstein, Rohkohle, Gips, Quarzsand, Eisenerz und anderen Materialien. Das Hauptmerkmal der Walzenpresse ist die Extrusion des Materials unter hohem Druck von 50 bis 300 MPa zur Zerkleinerung. Die Oberfläche der Walzenpresse ist unter extremen Betriebsbedingungen einem hohen abrasiven Verschleiß ausgesetzt, der nach einer gewissen Nutzungsdauer unvermeidlich ist. Darüber hinaus kann es durch Fremdkörper wie Eisenblöcke oder unsachgemäße Bedienung, die zu einem zu geringen Walzenspalt führt, zu Abplatzungen oder Ermüdungsabplatzungen an der Walzenpresse kommen.

Das Walzenkörpermaterial besteht aus geschmiedetem Stahl 34CrNiMoA oder 42CrMo, der sehr teuer ist. In den meisten Fällen ist ein Austausch nicht möglich, sodass eine Reparatur vor Ort die einzige Option darstellt. Daher muss die Oberfläche der Extrusionswalze bereits bei der Herstellung der Walzenpresse wirksam geschützt werden. Aktuell gilt die Beschichtung der Extrusionswalze mit verschleißfesten Materialien als die effektivste und praktikabelste Methode.

Zwischen der hochfesten, verschleißfesten Schicht der Walzenoberfläche und dem Walzenkörpermaterial besteht ein signifikanter Festigkeitsunterschied. Das direkte Aufbringen der verschleißfesten Schicht auf den Walzenkörper birgt die Gefahr großflächiger Abplatzungen. Daher ist es notwendig, Beschichtungsmaterialien mit unterschiedlichen Festigkeitsniveaus für die verschleißfeste Beschichtung der Walzenoberfläche und das Walzenkörpermaterial zu entwickeln, um die Zuverlässigkeit der Beschichtung zu gewährleisten. Neben der Verschleißfestigkeit der Walzenoberflächenstruktur muss auch die Ermüdungsbeständigkeit der Übergangsschicht sichergestellt sein. Das Beschichtungsmaterial für die Übergangsschicht der Walzenpresse muss daher eine gute Plastizität und Zähigkeit aufweisen.

Das Material für die Walzenhülse ist im Allgemeinen ein mittelgekohlter legierter Stahl, beispielsweise 42CrMo, der nach dem Schmieden vergütet wird. 42CrMo-Stahl zeichnet sich durch hohe Festigkeit, gute Härtbarkeit, Zähigkeit, geringe Verformung beim Abschrecken sowie hohe Kriech- und Zeitfestigkeit bei hohen Temperaturen aus. Er wird zur Herstellung von Schmiedeteilen verwendet, die höhere Festigkeiten und größere vergütete Querschnitte als 35CrMo-Stahl erfordern. Der Kohlenstoffgehalt von 42CrMo beträgt 0,78 %. Aufgrund dieses hohen Kohlenstoffgehalts weist er eine starke Härtungstendenz auf und ist relativ schwer schweißbar. Elemente wie Mangan und Molybdän erhöhen die Anfälligkeit für Weißfleckenbildung und begünstigen verzögerte Rissbildung. Bei hohen Gehalten an Phosphor und Schwefel kann es zu Heißrissen kommen. Um Heißrisse zu vermeiden, sollte der Schweißdraht niedrige Gehalte an Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel sowie einen hohen Mangangehalt aufweisen, um die Entschwefelung zu verbessern. Das Mikrogefüge nach dem Abschrecken und Anlassen besteht aus angelassenem Sorbit, der die martensitische Orientierung beibehält.

Die Schweißdrähte der T-Serie von Shandong Xinyuan Botong sind Fülldrähte aus hochchromhaltigem Eisenguss (Fe-Cr-C). Sie zeichnen sich durch Selbstschutz, minimale oder gar keine Schlackebildung aus und werden ohne Zusatz von Schlackenbildnern hergestellt. Als Pionier im Bereich des Freilicht-Auftragschweißens in China verfügen diese Schweißdrähte über einen hohen Marktanteil und genießen in der Branche hohes Ansehen. Ihre Legierung behält auch bei hohen Temperaturen über 350 °C eine gute Härte und Verschleißfestigkeit. Die Härte der verschleißfesten Arbeitsschicht nach dem Auftragschweißen beträgt mindestens HRC 60 und weist zahlreiche Mikrorisse auf.

Werden verschleißfeste Fülldrähte direkt auf das Grundmaterial aufgetragen, kommt es aufgrund des großen Unterschieds in der Schmelztemperatur zwischen der verschleißfesten Schicht und dem Grundmaterial zu einem asynchronen Schmelzprozess. Das Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt schmilzt vorzeitig, was zu Durchhängen oder mangelnder Verschmelzung mit dem Metall mit dem höheren Schmelzpunkt führt. Zudem erstarrt und schrumpft das Metall mit dem höheren Schmelzpunkt früher, wodurch Spannungen im noch teilweise erstarrten und schwachen Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt entstehen, die möglicherweise zu Rissen führen.

Darüber hinaus unterscheiden sich die linearen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Mikrostrukturen erheblich. Unterschiedliche Abkühlungsschrumpfungen verursachen hohe innere Oberflächenspannungen, die im Extremfall zu Oberflächenrissen führen können. Beim Hochtemperaturbetrieb entstehen thermische Spannungen. Diese lassen sich nicht vollständig beseitigen (eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann zwar Schweißrestspannungen abbauen, thermische Spannungen entstehen jedoch im Betrieb).

Gemäß den oben genannten Arbeitsbedingungen fällt diese Anwendung nicht mehr unter das Schweißen ungleichartiger Stähle, wie beispielsweise das Schweißen von F- (Ferrit), M- (Martensit) und A-Stählen (Austenit). Vielmehr handelt es sich um das Schweißen von mittelgekohltem legiertem Stahl und verschleißfestem, hochchromhaltigem Weißguss. Das speziell entwickelte Übergangsschichtmaterial muss eine hohe Zähigkeit und Rissstoppwirkung aufweisen, und das Deckmetall muss eine ausgezeichnete Rissbeständigkeit und Schlagzähigkeit besitzen. Es muss wirksam verhindern, dass sich Schweiß- und Ermüdungsrisse an der Walzenoberfläche in Richtung des Walzenkörpers ausbreiten und diesen somit vor Beschädigungen schützen.

Das Isolationsauftragschweißverfahren wird zwischen dem mittelgekohlten legierten Stahl und der verschleißfesten Auftragschicht angewendet. Um die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verursachten thermischen Spannungen zu reduzieren, wird für die Übergangsschicht ein Metall mit einem zwischen den beiden Metallen liegenden linearen Ausdehnungskoeffizienten als Zusatzwerkstoff gewählt. Kostenaspekte müssen ebenfalls berücksichtigt werden, um die genannten Probleme zu lösen. Anders als in der chemischen Industrie und der Kessel- und Druckbehälterindustrie weist die Isolationsschicht eine große Dicke auf. Die Verwendung herkömmlicher austenitischer Edelstahl-Schweißzusätze (18-8) für die Auftragung der Isolationsschicht wäre sehr kostspielig. Darüber hinaus müssen die Zähigkeit und Plastizität der Schmelzzone zur verschleißfesten Auftragschicht beachtet werden. In dieser Schicht findet Kohlenstoffmigration statt, wodurch aufgekohlte und entkohlte Übergangszonen entstehen. Die abrupte Härteänderung in diesen Zonen kann negative Auswirkungen haben und somit leicht zu Ermüdungsbrüchen in diesen Bereichen führen.

Aufgrund der Knappheit von Nickelressourcen und des jüngsten starken Preisanstiegs ist es jedoch notwendig, Nickel durch andere Elemente zu ersetzen, um die Kosten zu senken. Mangan hat eine ähnliche Wirkung auf Austenit wie Nickel. Daher kann Mangan anstelle von Nickel zur Herstellung kostengünstiger austenitischer Edelstahl-Schweißmaterialien verwendet werden.

Kohlenstoff ist ein starkes Austenitbildungselement mit einer 30-mal höheren Austenitbildungskapazität als Nickel. Er kann jedoch korrosionsbeständigem Edelstahl nicht zugesetzt werden, da dies nach dem Schweißen zu Sensibilisierungskorrosion und in der Folge zu interkristalliner Korrosion führt. Unter diesen Betriebsbedingungen beträgt der Kohlenstoffgehalt des verschleißfesten Fülldrahts nach dem Auftragschweißen mehr als 4 %. Ein zu hoher Kohlenstoffgehalt erhöht die Härte und Sprödigkeit der Schweißnaht, was die Zähigkeit beeinträchtigt.

Um die interkristalline Korrosion von Chrom-Nickel-Edelstählen wie 18-8 zu verhindern, wird der Kohlenstoffgehalt des Stahls üblicherweise auf unter 0,03 % reduziert oder Elemente mit höherer Affinität zu Kohlenstoff als Chrom (wie Titan oder Niob) zugesetzt, um die Bildung von Chromcarbiden zu vermeiden. Bei Anwendungen, bei denen hohe Härte und Verschleißfestigkeit die Hauptanforderungen sind, wird der Kohlenstoffgehalt des Stahls erhöht, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Sowohl Mangan als auch Nickel sind austenitbildende Elemente, d. h., sie können mit Eisen eine unendlich mischbare feste Lösung (Austenit) bilden. Die Rolle von Mangan besteht jedoch nicht in der Austenitbildung, sondern in der Reduzierung der kritischen Abschreckgeschwindigkeit von Stahl, der Erhöhung der Austenitstabilität beim Abkühlen, der Hemmung der Austenitzersetzung und der Erhaltung des bei hohen Temperaturen gebildeten Austenits bei Raumtemperatur. Mangan hat nur geringen Einfluss auf die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Stahl. Daher ist es in diesem Anwendungsfall, in dem Korrosionsbeständigkeit nicht erforderlich ist, durchaus sinnvoll, Mangan anstelle von Nickel zu verwenden, um eine einphasige Austenitstruktur zu erzielen. Gleichzeitig weist Mangan eine stärkere Mischkristallverfestigung als Nickel auf, was die Stahleigenschaften verbessern kann. Darüber hinaus kann das gebildete Mangansulfid (MnS) Eisensulfid (FeS) ersetzen, wodurch Heißrisse verhindert und somit das Schweißen erleichtert wird. Mangan kann außerdem die negativen Auswirkungen einiger schädlicher Elemente ausgleichen und die Anfälligkeit für Erstarrungsrisse verringern.

Stickstoff ist ebenfalls ein starkes Austenitbildnerelement mit einer 30-mal höheren Austenitbildungskapazität als Nickel. Da es sich jedoch um ein Gas handelt, kann nur eine begrenzte Menge Stickstoff zugesetzt werden, um Porositätsprobleme zu vermeiden. Aus der Nickeläquivalentformel geht hervor, dass die Zugabe von Mangan die Austenitbildung nicht sehr effektiv fördert. Mangan kann jedoch mehr Stickstoff im Edelstahl lösen, und Stickstoff ist ein sehr starkes Austenitbildnerelement. Ein Stickstoffgehalt von 0,25 % entspricht der Austenitbildungskapazität von 7,5 % Nickel. Der Mangangehalt sollte jedoch nicht zu hoch sein, da sonst während der Erstarrung und im Hochtemperaturbetrieb leicht Grobkornbildung auftreten und die Sprödigkeit des Materials zunimmt. Daher dürfen weder Mangan noch Stickstoff in übermäßigen Mengen zugesetzt werden.

Bei fehlendem oder niedrigem Nickelgehalt kann die Chromzugabe zur Bildung einer 100%igen Austenitstruktur anhand des Schaeffler-Diagramms reduziert werden. Dies führt zwar zu einer geringeren Korrosionsbeständigkeit, ist aber unter Betriebsbedingungen mit lediglich Stoß- und Verschleißbelastung sowie keiner oder nur geringfügiger Korrosion praktikabel. Um bei reduziertem Chromgehalt und hohem Kohlenstoffgehalt die Bildung von Chromcarbiden zu verhindern, können stark karbidbildende Elemente wie Niob und Titan in bestimmten Mengen zugesetzt werden.

Bei Edelstählen der 200er-Serie wird Nickel durch ausreichend Mangan und Stickstoff ersetzt, um ein 100%iges Austenitgefüge zu erzielen. Je niedriger der Nickelgehalt, desto höher sind die benötigten Mengen an Mangan und Stickstoff. Beispielsweise enthält Edelstahl vom Typ 201 nur 4,5 % Nickel und 0,25 % Stickstoff. Gemäß der Nickeläquivalentformel entspricht die Austenitbildungskapazität dieses Stickstoffgehalts der von 7,5 % Nickel, sodass ebenfalls ein 100%iges Austenitgefüge erreicht werden kann. Dies ist das Herstellungsprinzip von Edelstählen der 200er-Serie.

Aufbauend auf den obigen Überlegungen hat unser Unternehmen durch Rezepturversuche erfolgreich den speziellen Isolier-Fülldraht T96 entwickelt. Die Härte nach dem Auftragschweißen beträgt 180–220 HB. Es handelt sich um eine schweißbare Metalllegierung mit Korrosionsbeständigkeit, Schlagfestigkeit und hoher Druckfestigkeit.

Bei gleichzeitiger Erfüllung der Leistungsanforderungen an die Übergangsschicht von Walzenhülsen werden die Kosten im Vergleich zu austenitischem 18-8 Chrom-Nickel-Edelstahl um 45 % gesenkt. Dies schont wertvolle Nickelressourcen und reduziert die Kosten. Der Fülldraht T96 eignet sich sowohl für die Neufertigung und Reparatur von Walzenhülsen für Walzenpressen als auch für die Neufertigung und Reparatur von Walzenhülsen für Vertikalwalzwerke aus Stahlguss. Er kann auch zum Auftragschweißen von Werkstücken eingesetzt werden, die hohen Stoß- oder Rotationsbelastungen ausgesetzt sind. Er eignet sich für das Übergangsschichtschweißen beim Hartauftragen und für das Reparaturschweißen von verschleißfesten Teilen aus Manganstahl.