CN105848798B - 无缝金属中空体生产中作为内部工具的轧制棒材和生产金属中空体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无缝中空体生产中作为内部工具的轧制棒材，特别是涉及金属中空体的拉伸成形中的轧制棒材，由其通过多机架轧机形成无缝管，所述轧制棒材具有包括渗氮层的表面。为了提高所述轧制棒材的使用寿命，建议所述轧制棒材由耐热钢材料构成，所述耐热钢材料具有根据Cr_eq.＝％Cr+％Mo+1.5x％Si+0.5x％Nb+2x％Ti(1)计算出的超过6.5的铬当量Cr_eq，所述耐热钢材料具有200HV0.5的最小硬度，所述最小硬度在所述轧制棒材的表面以下0.5毫米处测得，具有在500℃至少为450MPa的屈服点以及具有在500℃至少600MPa的拉伸强度，并从表面开始，所述渗氮层具有大于0.15mm的深度和超过950HV 0.5的渗氮硬度。本发明还涉及一种使用所述轧制棒材生产无缝热轧金属中空体特别是钢管的方法。

Description

无缝金属中空体生产中作为内部工具的轧制棒材和生产金属 中空体的方法

技术领域

本发明涉及无缝金属中空体生产中作为内部工具的轧制棒材(rolling rod)，特别是涉及金属中空块的拉伸成形中的轧制棒材，由该轧制棒材通过多机架轧机(multiple-stand rolling mill)形成无缝管，其中，所述轧制棒材具有包括渗氮层的表面。本发明还涉及生产无缝热轧金属中空体特别是钢管的方法，其中预先生产的中空块在多机架轧机中通过穿入所述中空块的根据本发明的轧制棒材，经受拉伸成形工艺，且在轧制开始之前，即将所述轧制棒材穿入所述中空块之前，所述轧制棒材被供给有液体润滑剂，所述润滑剂随后干燥。

背景技术

在曼内斯曼(Mannesmann)兄弟发明经轧制由加热好的块生产厚壁中空块管之后，已经出现了在进一步的热加工工序中以相同的热量将所述中空块管拉伸成形的各种提案，其中在第三轧制工序中外直径被减少到所述轧机的成品直径。在这方面的关键词包括后退工序法(the back-step method)、顶管机法(push bench method)、塞轧制法(plugrolling method)和棒材轧制法(rod rolling method)。在第一轧制工序，旋转锻造机(rotary forge mill)用通常为实心的块生产出所谓的中空块。在特殊情况下，预钻孔块也可以被用来代替实心块。在第二轧制工序中，中空块被拉伸成形，其中，为此现在主要使用多机架棒材轧机。进入轧机并在约1000至1200℃温度下的所述中空块的拉伸成形借助轧制棒材实现。出于这个目的，将所述轧制棒材穿入所述中空块，且大部分情况下由从动输送辊将所述轧制棒材输送到第一轧制机架。每个机架的辊的数量一般为至少两个，但现在通常是三个，其中该过程步骤如下。

一方面根据控制棒速的方式来区分棒材轧机，另一方面根据每个机架的辊的数量来区分棒材轧机，其中可以设置两个或三个辊。多个机架始终一个接一个连接。当考虑本情况的方法变体时，在实际的轧制过程中所述轧制棒材以恒定的速度移动穿过所述轧机。出于这个目的，所述轧制棒材必须由机电系统保持，并以受控的方式被引导来实现恒定的轧制棒速度。所述保持系统被称为保持器。为了确保上述目的，在纵向拉伸成形期间所述轧制棒材已被穿入中空块之后，待轧制的中空块在轧制过程中能够在所述轧制棒材上滑动，所述轧制棒材必须预先被供给有润滑剂。出于这个目的，含石墨的润滑剂通常以液体形式喷洒到所述轧制棒材上，并在80℃到130℃的温度下干燥。在较低温度下，所述润滑剂不能以可靠的方式完全干燥，而在较高温度下发生所谓的莱顿弗罗斯特效应(Leidenfrosteffect)，其结果是没有产生均匀层且表面的多个部分仍然未被润滑。因此，该尝试为在低于100℃的温度下进行干燥。

除了润滑所述轧制棒材，根据欧洲专利说明书EP 1 775 038 B1，在棒材轧机中的拉伸成形过程之前，待轧制的中空块内部喷有脱氧剂(例如硼砂)，以溶解轧制中空块之后导致的氧化皮，其中所述溶解的氧化物皮起到额外润滑的作用。这种情况中的缺点是使用硼砂，其具有能够导致基因突变的影响，因此不应被使用。

位于所述轧制棒材上的所述中空块则在棒材轧制机中轧制以形成所谓的母管。使用术语“母管”，是因为在第三轧制工序中，具有各种成品直径的管可以用相同的母管尺寸通过定径轧制(size rolling)或拉拔减径(stretch reducing)生产。所述轧制棒材本身通常由工作部分和空白部分组成。所述空白部件是需要的，以便弥合在加工技术方面所必需的距离。因此，轧制不发生在所述轧制棒材的空白部分。为简单起见，术语“棒长”将在下文中用于指所述工作部分的长度。

虽然基于铬-钼的高耐热钢通常被用作棒材材料，但是特别是难以成形的材料不可能在轧制中不遇到问题。这样的材料通常含有铬，如100Cr6或用于能源领域的具有大于5％(重量)的铬含量的耐腐蚀钢。所述轧制棒材经受由这些材料导致的不均衡的热负荷以及磨损，大大减 小了所述轧制棒材的使用寿命。这个问题随着钢的铬含量的增加而变得严重。此外，大大增加了由过早磨损的轧制棒材所引起的管的内表面上的缺陷的风险。

为了最大限度地降低摩擦系数，德国公开文件DE 37 42 155 A1公开了在轧制棒材表面镀铬以及涂敷润滑剂。然而，镀铬排放对环境有害的有毒的Cr IV，由于这个原因已经开始寻找其替代解决方案。

为了增加这些在轧制中受到广泛的热负荷和磨损的轧制棒材、尤其是增加受到含铬钢的热负荷和磨损的轧制棒材的使用寿命，并且为了最大限度地降低摩擦引起的管的内表面上的缺陷，日本公开文件JP06262220 A公开了用渗氮层替代了给轧制棒材镀铬，该渗氮层具有0.5到5.0μm的粗糙度。但是并没有提供有关所需的层厚的细节。

在日本公开文件JP 2009045632 A中，所述渗氮层由氧化层补充，所述渗氮层被涂敷到氧化层上，以确保轧制棒材的可观的使用寿命。所述渗氮层的层厚被规定为50-500微米，并且所述氧化层的层厚被规定为3-20微米。

试验表明，虽然当润滑膜在轧制过程中撕下时，渗氮表面具有应急操作特性，但以这种方式处理的所述轧制棒材的使用寿命仍然不能得到显著改善，管的内表面上的缺陷仍然不能得到显著减少。

对于由非合金钢种组成的钢管，一直到由难以加热成形的含铬钢组成的钢管，采用表面渗氮轧制棒材的已知的困难本身存在于对整个过程的适应中，从生产所述轧制棒材、预处理所述中空块、润滑棒材到轧制过程本身彼此适应以使得确定的轧制过程得到保证。

此外从德国专利文献DE 197 14 317 C1中已经知道轧制芯轴(mandrel)，其通过PVD(物理气相沉积)方法设有基于CrN的表面层。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种无缝金属中空体的生产中作为内部工具的轧制棒材，特别是金属中空块的拉伸成形，以通过多机架轧 机形成无缝管，并提供一种用于生产无缝热轧金属中空体特别是钢管的方法，由此在难以成形的管材料特别是含铬的管材料的情况下，实现了提高轧制棒材的使用寿命，并且有效地最大程度减少或避免在轧制过程中产生的管的内表面上的缺陷。此外，与已知的渗氮轧制棒材相比，不必通过含硼砂剂使中空块内表面脱氧来实现相当的或提高的使用寿命。

对于轧制棒材，通过技术方案1的特征来实现所述目的。对于所述方法，通过技术方案7的特征来实现所述目的。在从属技术方案中描述所述轧制棒材和所述方法的优选实施例。

根据本发明的启示，技术方案1中，使用所述轧制棒材作为无缝金属中空体生产中的内部工具，特别是金属中空体的拉伸成形工艺，以通过多机架轧机形成无缝管，其中所述轧制棒材具有包括渗氮层的表面并由耐热钢材料构成。所述耐热钢材料：

-具有超过6.5的铬当量Cr_eq，所述超过6.5的铬当量Cr_eq根据Cr_eq＝％Cr+％Mo+1.5x％Si+0.5x％Nb+2x％Ti(1)计算出，

-具有200HV 0.5的最小硬度，所述200HV 0.5的最小硬度在轧制棒材的表面以下0.5毫米处测得，

-具有在500℃至少为450MPa的屈服点以及

-具有在500℃至少600MPa的拉伸强度(tensile strength)，以及

-从表面开始，渗氮层具有大于0.15mm的深度和超过950HV 0.5的渗氮硬度。

本发明还提供了生产无缝热轧金属中空体特别是钢管的技术方案7的方法，其中预先生产的中空块在多机架轧机中通过将如上所述的本发明的轧制棒材穿入中空块，经受拉伸成形工艺，且在轧制开始之前，即将所述轧制棒材通过穿入所述中空块之前，所述轧制棒材被供给有液体润滑剂，所述润滑剂随后干燥，其中将所述轧制棒材带有间隙地穿入，所述间隙为相对于中空体的内直径的至少为10mm的圆周外围间隙，并且紧靠棒材穿入开始之前，所述中空块的平均温度为至少1000℃，并且就最大速度而言，棒材轧机中的轧制期间的棒速V_ST满足以下条件：

-V_STmax＝0.9×棒长/上一机架的轧制时间 (3)，

-V_STmax＝0.9×V_Mmin (4)，

其中V_Mmin是管材在棒材轧机的轧制中的最小速度。

在本发明的术语中，轧制棒材被理解为相比于芯棒，不具有扩大的直径的头部而是具有恒定尺寸的圆形横截面的棒。

出于此目的所提出的方法和所使用的轧制棒材的优势在于：现在也可以经济地生产由难以成形的材料构成的中空体，其具有最佳内表面而同时所述轧制棒材的使用寿命大大增加。

具体实施方式

下文参考附图中说明的示例性的实施方式，对本发明进行更详细的描述。

图1示出材料A和B在渗氮期间棒材硬度与渗氮层深度关系图；

图2示出与不同的润滑剂结合的未处理轧制棒材、镀铬轧制棒材和渗氮轧制棒材的摩擦性能的试验结果。

针对期望，测试表明，只有轧制棒材材料、渗氮层和轧制棒材的工作部分的长度的有创造性的特征的组合带来了所希望的结果。

在进行测试的范围中，在第一工序中从热加工钢的集合中选择适合于渗氮并且展示足够用于轧制处理的基本硬度的热加工钢。表1示出了为了此目的所需要大于6.5的铬当量，其中，在这种情况下，所述铬当量根据下式计算：

Cr_eq.＝％Cr+％Mo+1.5x％Si+0.5x％Nb+2x％Ti (1)

为了成功地保证轧制棒材的插入，所述棒面在渗氮前必须具有特定的最小硬度。测试表明，该限制在未渗氮棒的表面以下0.5mm处测得为200HV 0.5。在这种情况下，如果这个最小硬度向棒芯延伸，那 么轧制棒材的直径的50％处仍应该存在至少60％的最小硬度是有利的。

根据本发明的优选实施例，在轧制棒材上涂敷渗氮层发生在最大值为低于所述轧制棒材的钢材的回火温度20％的温度下。

渗氮过程中，所述方法，无论是基于气体或者基于等离子体，都是不重要的。唯一重要的因素是带有所需的特性的渗氮层的构成。以一种有利的方式，它应该具有大于0.15mm的渗氮硬化深度。此外，需要超过950HV 0.5的近表面硬度，所述近表面硬度在也参与渗氮工序的参照样品的截面抛光处测量。下述表1a表示各种测试棒材的化学成分。

下面表1b显示了根据等式(1)Cr_eq.(wt.％)＝％Cr+％Mo+1.5x％Si+0.5x％Nb+2x％Ti计算出的铬当量Cr_eq的计算值以及是否达到足够的渗氮层的厚度、渗氮层深度和基本硬度。

材料A，B和C具有大于所需值6.5的铬当量，而参照材料D和E具有较低的值。

首先对于如表1a和1b所示的前两种棒的材料A和B，图1示出了在渗氮期间哪个硬度和哪个渗氮层的深度已经被达到。很明显，即使在比从轧制棒材的表面开始0.5mm的深度更深的深度也能安全地实现所需的200HV 0.5的最低硬度。

由于在轧制过程中，所述轧制棒材在表面上大幅度加热至一般大于500℃，并为了确保所述加热不会导致强度的损失或损坏，除了上述的铬当量，所用的热加工钢也必须有在500℃至少450MPa的屈服点和在500℃至少600MPa的拉伸强度。

所述润滑剂还必须满足特定条件。当润滑剂被喷到轧制棒材上时，润滑剂还含有水，在可能的情况下，所述水在将轧制棒材穿入中空块之前应被完全蒸发。为了确保完全蒸发，在涂敷润滑剂之前，所述轧制棒材的表面温度应有利地为至少70℃。

试验还表明，所述轧制棒材上需要至少40g/m²的表面重量的润滑剂作为剩余干质量，以确保在轧制过程中充分的润滑效果。当轧钢具有大于5％(重量)的铬的比例时，如果至少两倍的润滑剂的干质量，即至少80g/m²被涂敷到轧制棒材上，被证明是特别有利的。在这种情况下，涂敷的润滑剂的数量基于轧制棒材的表面。

试验还表明，在将润滑剂涂敷到所述轧制棒材上的结束之后直到将轧制棒材穿入所述中空块的开始，需要至少60秒的一段时间，以确 保润滑剂可以充分干燥。

如果负载分布在最长的可能长度上，也有利于所述棒材的使用寿命。另一方面，所述轧制棒材的工作部分L_ST一定不能太长，否则棒重过大。已经表明，如果棒长被限制为棒材轧机中的最大可能轧制长度的50％是特别有利的。

出于这个目的，应用以下公式：

-L_STmax＝0.5×多机架轧机的上一机架的最大管伸出长度(maximum pipe run-outlength) (2)。

在这种情况下，所述轧制棒材由工作部分和空白部分构成，其中至少所述工作部分具有渗氮层。

同时，所述棒速V_ST不得超过棒长/轧制时间的比例的最大值，因为否则在轧制过程中将超过棒的工作区域。在这种情况下，所述棒材轧机的所述上一机架的所述轧制时间被定义为轧制时间。

然而，为了一个有保证的工艺顺序，建议不要完全用尽可能的速度，且不超过所述值的90％的上限值。

应用下面的公式：V_STmax＝0.9×棒长/上一机架的轧制时间。

此外，所述棒速V_ST不得超过所述棒材轧机的轧制过程中管材的速度V_M，因为否则摩擦力的方向将会反转。在这种情况下，对于管材的最小速度V_{M min}的最大允许值的90％的限制也是有利的。

因此，应用以下公式：V_{ST max}＝0.9×V_{M min}

另外的两个对渗氮轧制棒材的成功使用具有决定性的影响的变量为所述中空块的内直径和轧制棒材的直径之间的差以及当所述轧制棒材被穿入的时刻的所述中空块的温度，其中所述差被称为间隙。

为了避免当正在将轧制棒材穿入所述中空块时润滑剂可能从轧制棒材上的剥离，但仍然保证可靠的穿入，所述间隙应该至少为10mm，所述中空块的平均温度应高于1000℃。

即使所述轧制棒材的可观的使用寿命可以通过本发明的轧制棒材和本发明的轧制方法实现，而不需要额外的所述中空块的内表面的脱氧来实现，在难以成形的材料的情况下，在某些情况下执行额外的 脱氧可能是有利的，其中所述除氧剂的表面重量则为至少100g/m²，在应用脱氧剂的结束到在轧制棒材上轧制的开始之间的时间至少应为30秒。涂敷脱氧剂的量基于所述中空块的内表面。

图2中示出与不同的润滑剂结合的未处理轧制棒材、镀铬轧制棒材和渗氮轧制棒材的摩擦性能的试验结果。

很明显，所述镀铬的润滑表面实际上比所述未处理的润滑表面(图2中未示出)产生更差的摩擦指标系数的值。也可以看出，未润滑的渗氮表面具有很好的应急操作特性。甚至很短的一段时间之后，所述相关的摩擦指标系数远低于所述镀铬的润滑表面的值。这些相关性基本上不依赖于不同的润滑剂1或2。

这种表现从实际经验中也可以得知。所述润滑剂不会很好地附着新镀铬的棒材，因此在这种情况下产生额外的润滑膜的所述中空块的所述脱氧必须协助润滑。此外，频繁用于插入轧制棒材的进一步措施，如双重润滑或专用润滑剂，是非常复杂的，并会导致额外的费用。

在本发明的另一有利实施例中，本发明的轧制棒材的表面的渗氮以促进形成朝向表面开放的孔的的方式进行，所述孔起到润滑剂的口袋或储层的作用，从而通过改善润滑提高轧制棒材的使用寿命。

Claims (13)

1.一种在无缝金属中空体生产中作为内部工具的轧制棒材，即在金属中空块的拉伸成形中作为内部工具的轧制棒材，由其通过多机架轧机形成无缝管，其中所述轧制棒材具有包括渗氮层的表面，其特征在于：所述轧制棒材由耐热钢材构成，所述耐热钢材具有超过6.5的铬当量Cr_eq.，所述超过6.5的铬当量Cr_eq.根据Cr_eq.＝％Cr+％Mo+1.5x％Si+0.5x％Nb+2x％Ti(1)计算出,所述耐热钢材具有200HV 0.5的最小硬度，所述最小硬度在所述轧制棒材的表面以下0.5毫米处测得，具有在500℃至少为450MPa的屈服点以及具有在500℃至少600MPa的拉伸强度，并从表面开始，所述渗氮层具有大于0.15mm的深度和超过950HV 0.5的渗氮硬度。

2.如权利要求1所述的轧制棒材，其特征在于，所述轧制棒材的直径的50％处仍然存在所述最小硬度的至少60％。

3.如权利要求1所述的轧制棒材，其特征在于，所述轧制棒材具有在最大值为低于钢材的回火温度20％的温度下涂敷的渗氮层。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的轧制棒材，其特征在于，其中被涂敷到所述轧制棒材的所述表面上以及在轧制的开始之前干燥的润滑剂具有至少为40g/m²的表面重量。

5.如权利要求4所述的轧制棒材，其特征在于，对于具有超过5％(重量)的铬含量钢的轧制，涂敷到所述轧制棒材的所述润滑剂的表面重量为至少80g/m²。

6.具有如权利要求1至5中的任一项所述的轧制棒材的多机架轧机，其特征在于，所述轧制棒材由工作部分和空白部分构成，且所述轧制棒材的工作部分L_ST具有最大长度，所述最大长度根据方程L_STmax＝0.5×多机架轧机的上一机架的最大管伸出长度(2)计算出。

7.一种生产无缝热轧金属中空体的方法，其中预先生产的中空块在多机架轧机中通过将权利要求1至5任一项所述的轧制棒材穿入中空块，经受拉伸成形，且在轧制开始之前，即将所述轧制棒材穿入所述中空块之前，所述轧制棒材被供给有液体润滑剂，所述润滑剂随后干燥，其特征在于，将所述轧制棒材带有间隙地穿入中空体，所述间隙为相对于中空体的内直径为至少10mm的间隙，并且紧靠在所述棒材的穿入开始之前，所述中空块的平均温度为至少1000℃，并且在轧制过程中棒材轧机中的棒速V_ST最多满足以下条件：V _STmax＝0.9×棒长/上一机架的轧制时间(3)，V _STmax＝0.9×V_Mmin(4),其中V_Mmin是在轧制过程中棒材轧机中的管材的最小速度。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述轧制棒材的润滑的结束到轧制的第一开始之前的干燥时间维持为至少60秒。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述液体润滑剂在所述轧制棒材的至少70℃的表面温度时涂敷到所述轧制棒材上。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于涂敷的所述液体润滑剂的量以干燥后实现至少40g/m²的表面重量的方式计量。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，应用于具有超过5％的铬的比例的钢的轧制的液体润滑剂的量以干燥后实现至少80g/m²的表面重量的方式计量。

12.如权利要求7至11任一项所述的方法，其特征在于，所述中空块的内部具有在穿入所述轧制棒材之前涂敷到所述中空块的内部的脱氧剂，其中，所述脱氧剂的量为至少为100g/m²，涂敷所述脱氧剂的结束到轧制的开始之间的时间至少为30秒。

13.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述无缝热轧金属中空体是钢管。