DE102005046459B4

DE102005046459B4 - Verfahren zur Herstellung von kaltgefertigten Präzisionsstahlrohren

Info

Publication number: DE102005046459B4
Application number: DE102005046459A
Authority: DE
Inventors: Josef Siekmeyer; Wolfgang Mussmann; Lothar See; Sven Herzig
Original assignee: MHP MANNESMANN PRAEZISROHR GmbH; MHP Mannesmann Prazisrohr GmbH
Current assignee: MHP MANNESMANN PRAEZISROHR GmbH; MHP Mannesmann Prazisrohr GmbH
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: KR20080063313A; CA2622410A1; CN101268203A; UA88573C2; BRPI0616367A8; BRPI0616367B1; EP1926837A1; EP1926837B1; PL1926837T3; BRPI0616367A2; ES2470674T3; WO2007033635A1; US20080302452A1; JP2009509040A; CA2622410C; JP5679632B2; DE102005046459A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von kaltgefertigten insbesondere kaltgezogenen Präzisionsstahlrohren zur Anwendung insbesondere als druckbeaufschlagte Zylinderrohre mit folgender chemischer Zusammensetzung (Gew.-%):C = 0,05–0,25 Si = 0,15–1,0 Mn = 1,0–3,5 Al = 0,020–0,060 V max. 0,20 N max. 0,15 S max. 0,03 mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Legierungselemente von Cr, Mo, Ni, W, Ti oder Nb, sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei ein nahtlos warmgefertigtes oder aus einem Warmband hergestelltes geschweißtes Vorrohr mit definiertem Ausgangszustand in einem Zug oder in mehreren Zügen zu einem Fertigrohr gezogen und das Rohr vor dem Fertigzug einer Vergütungsbehandlung unterzogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kaltgefertigten, insbesondere kaltgezogenen, Präzisionsstahlrohren, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Insbesondere werden in diesem Zusammenhang Präzisionsstahlrohre nach DIN EN 10305 Teil 1 und 2 betrachtet, die im Betriebszustand unter hohem Innendruck stehend, beispielsweise Zylinderrohre im Hydraulik- oder Pneumatik-Bereich Anwendung finden.
Der grundsätzliche Herstellungsprozess nahtloser oder geschweißter, kaltgezogener Präzisionsstahlrohre wird beispielsweise im Stahlrohr Handbuch, 12. Auflage 1995, Vulkan Verlag Essen, beschrieben.
Derart hergestellte Rohre zeichnen sich insbesondere durch enge Wanddicken- und Durchmessertoleranzen aus.
Ausgangsprodukt kann entweder ein nahtlos gefertigtes warmgewalztes oder ein aus Warmband mittels Hochfrequenz-Induktion-Schweißen (HFI-Schweißen) hergestelltes Vorrohr sein.
Dieses als Luppe bezeichnete Vorrohr wird im nachfolgenden Kaltziehprozess, der ein oder mehrere Züge beinhalten kann, auf die geforderte Fertigabmessung (Durchmesser, Wanddicke) zum Fertigrohr gezogen.
Durch die Kaltumformung tritt eine Verfestigung des Werkstoffes ein, d. h. seine Streckgrenze und Festigkeit werden erhöht, während gleichzeitig seine Dehnungs- und Zähigkeitswerte kleiner werden.
Dies ist ein erwünschter Effekt für viele Anwendungszwecke. Wegen des verminderten Formänderungsvermögens ist jedoch vor weiteren Umformvorgängen fallweise eine rekristallisierende Wärmebehandlung notwendig, um den Werkstoff für den nächsten Ziehvorgang wieder kaltumformbar zu machen.
Die Eigenschaften derart hergestellter Präzisionsstahlrohre werden in der DIN EN 10305 Teil 1 und 2 beschrieben.
Als Stahlsorten kommen sowohl unlegierte Qualitätsstähle bis E 355 als auch höherfeste Güten bis StE 690 zum Einsatz.
Für die Verwendung solcher unter hohem Innendruck stehenden Rohre, z. B. als Hydraulik-Zylinderrohre, werden hohe Anforderungen an deren Zähigkeit gestellt. Hydraulik-Zylinder steuern Bewegungsabläufe bei vielen Geräten und Maschinen, die u. a. auch im Freien bei großen Temperaturunterschieden eingesetzt werden.
Unter Temperaturbedingungen von bis zu –20°C konnte aufgrund von Sprödbruchneigung bei unter Druck stehenden Zylindern oder Rohren bisheriger Werkstoffe die Gefahr von Personen- und Sachschäden nicht sicher ausgeschlossen werden.
Untersuchungen haben gezeigt, dass auch die bislang übliche Forderung von 27 J Kerbschlagarbeit bei –20°C an genormten Proben nicht ausreicht, um ein Bauteilversagen durch Sprödbruch bei dieser Temperatur mit großer Sicherheit auszuschließen.
Vergleichende systematische Untersuchungen an einbaufertigen Zylinderrohren unter Einbeziehung von Kerbschlagbiegeversuchen, Drop-Weight-Tear-Tests und Bauteilversuchen zeigen, dass erst für einen Mindestwert der Kerbschlagarbeit, der einen 50%-igen Scherbruchanteil im DWT-Test ergibt, ein weitgehend duktiles Bauteilversagen erwartet werden kann.
Für die zu erreichenden Werte im Kerbschlagbiegeversuch bedeutet dies aber z. B. für einen St52 einen Mindestwert von ca. 80 J bei Einsatztemperatur, der dem Bauteil genügend plastische Verformungsreserven gibt und die Gefahr einer spröden, mehrteiligen Bauteilzerlegung vermeidet.
Die im Kerbschlagbiegeversuch für das fertige Rohr ermittelte Kerbschlagarbeit kann mit dem bislang angewandten Herstellungsverfahren jedoch nicht auf das erforderliche Niveau angehoben werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung kaltgefertigter insbesondere kaltgezogener Präzisionsstahlrohre zur Anwendung insbesondere als druckbeaufschlagte Zylinderrohre anzugeben, mit dem auf einfache und kostengünstige Weise ein weitgehend duktiles Versagen des Rohres auch bei Einsatztemperaturen von bis zu –20°C sicher erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird ein Verfahren angewendet, bei dem das Vorrohr in einem oder mehreren Durchgängen fertiggezogen wird, wobei vor dem Fertigziehen das Rohr einer Vergütungbehandlung unterzogen wird und das Stahlrohr folgende chemische Zusammensetzung (in %) aufweist:

C = 0,05–0,25

Si = 0,15–1,0

Mn = 1,0–3,5

Al = 0,020–0,060

V max. 0,20

N max. 0,150

S max. 0,030

mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Legierungselemente wie Cr, Mo, Ni, W, Ti oder Nb sowie erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.
Die optionale Zugabe der Legierungselemente wird je nach gefordertem Eigenschaftsprofil, d. h. insbesondere entsprechend der gewünschten mechanischen Eigenschaften, festgelegt und weisen vorteilhaft folgende Gehalte (in Gew.-%) auf:

Cr max. 0,80

Mo max. 0,65

Ni max. 0,90

W max. 0,90

Ti max. 0,20

Nb max. 0,20
Die Vergütungsbehandlung selber, besteht aus einem klassischen Härten mit anschließendem Anlassen der Rohre. Abgestimmt auf den jeweiligen Werkstoff wird die Austenitisierung bei Temperaturen von ca. 910–940°C durchgeführt, gefolgt von einem ein Härtungsgefüge bildenden Abschreckvorgang. Die Abschreckung kann über verschiedene Abschreckmedien erfolgen, üblicherweise wird die Abschreckung mittels Wasser über eine Wasserbrause vorgenommen. Bei einem Einsatz von lufthärtenden Werkstoffen erfolgt die Abkühlung beispielsweise an ruhender Luft.
Nach dem Härten erfolgt die Anlassbehandlung, die abhängig vom Werkstoff bei Temperaturen von ca. 540–720°C erfolgt.
Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass durch einen Vergütungsschritt vor dem Fertigzug ein sehr gleichmäßiges homogenes Gefüge mit ausgezeichneter Zähigkeit erzeugt wird, die im Wesentlichen auch nach dem Fertigzug des Rohres erhalten bleibt. Untersuchungen ergaben, dass die Werte für die Kerbschlagarbeit bei –20°C und einem 50%-igen Scherbruchanteil im DWT-Test bei hervorragenden 80 J für Querproben und 100 J für Längsproben liegt.
Eine eventuell vom Kunden geforderte Schlussglühung in Form einer Spannungsarmglühung nach dem Fertigzug trägt zu einer nochmaligen Verbesserung der Kerbschlagarbeitswerte und damit der Zähigkeit im Bauteil bei.
Werkstoffabhängig wird die Schlüssglühung vorteilhaft in einem Temperaturbereich von 500–700°C durchgeführt, wobei darauf zu achten ist, dass die exakte Temperaturfestlegung in Abhängigkeit von den zu erreichenden Werkstoffeigenschaften, wie z. B. Festigkeit, Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit, erfolgen sollte.
Untersuchungen an mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rohren haben gezeigt, dass das ansonsten typischerweise vorhandene ferritisch-perlitische Gefüge der Baustähle mit ausgeprägten Unterschieden im Kerbschlagarbeitsniveau in Quer- sowie Längsrichtung sich bei den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Werkstoffen nicht findet.
Deutlich zeigen dies die in 1 dargestellten Versuchsergebnisse für Kerbschlagarbeitswerte an Zylinderrohren aus StE460 mod.. Sowohl in Längs- wie auch in Querrichtung wird ein nahezu identisches Kerbschlagarbeitsniveau bis etwa 180 J erreicht.
Wie in 2 dargestellt, weisen die Bauteile aus dem erfindungsgemäß hergestellten Stahlrohr StE 460 mod. bei Temperaturen bis –20°C im Vergleich zum konventionell erzeugten Stahlrohr aus StE 460 konv. einen ausreichend hohen Anteil duktilen Bruchverhaltens auf und haben damit genügend plastische Verformungsreserven, um die Gefahr einer mehrteiligen Bauteilzerlegung sicher zu verhindern.
Das erfindungsgemäße Werkstoffkonzept lässt damit den Betrieb von Hydraulkzylindern auch im Temperaturbereich bis –20°C sicher zu.
Als positiver Nebeneffekt ist bei bestimmten Stahlgüten eine deutliche Erhöhung der Festigkeitswerte zu verzeichnen. Dies ermöglicht vorteilhaft eine Wanddickenreduzierung der Zylinderrohre um bis zu 30% und damit eine Gewichtsreduzierung, die den Forderungen nach Leichtbau Rechnung trägt.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für druckbeaufschlagte Zylinderrohre ein mehrteiliges Bauteilversagen auch bei Einsatztemperaturen bis –20°C sicher verhindert wird und außerdem eine Wanddickenreduzierung der Zylindermäntel von bis zu 30% möglich ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung von kaltgefertigten insbesondere kaltgezogenen Präzisionsstahlrohren zur Anwendung insbesondere als druckbeaufschlagte Zylinderrohre mit folgender chemischer Zusammensetzung (Gew.-%): C = 0,05–0,25 Si = 0,15–1,0 Mn = 1,0–3,5 Al = 0,020–0,060 V max. 0,20 N max. 0,15 S max. 0,03

mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Legierungselemente von Cr, Mo, Ni, W, Ti oder Nb, sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei ein nahtlos warmgefertigtes oder aus einem Warmband hergestelltes geschweißtes Vorrohr mit definiertem Ausgangszustand in einem Zug oder in mehreren Zügen zu einem Fertigrohr gezogen und das Rohr vor dem Fertigzug einer Vergütungsbehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die dem Stahl optional zugegebenen Legierungselemente folgende Gehalte aufweisen (Gew-%): Cr max. 0,80 Mo max. 0,65 Ni max. 0,90 W max. 0,90 Ti max. 0,20 Nb max. 0,20
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergütung das Rohr bis zu einer Temperatur von 910–940°C erwärmt, abgekühlt und anschließend einer Anlassbehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung ein beschleunigtes Abkühlen ist.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das beschleunigte Abkühlen ein Abschrecken ist.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Abschreckung mittels einer Wasserbrause erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung an ruhender Luft erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass die Anlassbehandlung in einem Temperaturbereich von 540 bis 720°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8 dadurch gekennzeichnet, dass das fertiggezogene Rohr einer Schlussglühung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Schlussglühung in einem Temperaturbereich von 500 bis 700°C durchgeführt wird.