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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strangpressen eines Blocks aus einer Eisenbasislegierung, insbesondere Stahl, oder einer Nickelbasislegierung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Für Legierungen auf Eisen- oder Nickelbasis ist es bekannt, beim Strangpressen durch eine Matrize zugleich über einen mit mitgeführten also gegenüber der Matrize bewegten, Dorn zu pressen. Hierdurch verteilt sich die beim Pressen entstehende thermische und mechanische Einwirkung über die mitgeführte Länge des Dorns.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Strangpressen eines Blocks aus einer Eisenbasislegierung, insbesondere Stahl, oder einer Nickelbasislegierung anzugeben, bei dem der Umformvorgang besonders flexibel ist.
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Diese Aufgabe wird für ein eingangs genanntes Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch das Pressen über einen gegenüber der Matrize feststehenden Dorn wird es insbesondere erreicht, dass die Umformung immer über denselben Bereich des Dorns erfolgt.
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Durch die Formgebung dieses Bereichs kann das Pressverfahren entsprechend flexibel gestaltet werden.
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Besonders bevorzugt kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein Verfahren zum Pressen eines Rohres, insbesondere mit kreisförmigem Querschnitt handeln. Der Dorn kann zum Beispiel in seinem Endbereich eine entsprechende Rotationssymmetrie aufweisen, wobei insbesondere ein sich in Pressrichtung verjüngender Querschnitt vorgesehen sein kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Dorn eine Dornspitze aufweist, die lösbar mit einem Dornkörper verbunden ist. Hierdurch kann der vorrangig einem Verschleiß ausgesetzte Teil des Dorns austauschbar gestaltet sein und/oder es ist die Möglichkeit einer einfachen Anpassung des Dorns an ein jeweiliges Produkt gegeben.
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Allgemein vorteilhaft ist es zur Verbesserung der Standzeiten des Dorns vorgesehen, dass der Dorn eine Beschichtung aufweist. Bevorzugt, aber nicht notwendig umfasst die Beschichtung eine Zunderbeschichtung, eine keramische Beschichtung und/oder eine Beschichtung mit einer aufgetragenen Metalllegierung und/oder Hartlegierung.
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Unter dem Auftrag einer Metalllegierung und/oder Hartlegierung ist dabei Insbesondere jeder Auftrag von harten Phasen, z. B. Wolframkarbid, Siliziumkarbid, Bornitrid etc., umfasst, bei dem die harten Phasen in einer ausreichend zähen metallischen Matrix eingebunden sein können. Die Matrix vermittelt dabei vorrangig die Haftung der Beschichtung an einem Untergrund des Dorns. Die Hartstoffe können je nach Ausführungsform als makroskopische Partikel in der Matrix eingebunden sein oder auch als eingemischte Phasen, deren Korngrößen in ähnlichen Bereichen liegen übliche metallische Legierungskorngrößen.
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Entsprechend bevorzugt hat der Dorn einen Werkzeug-Grundkörper, wobei der Werkzeug-Grundkörper zumindest in einem Arbeitsbereich mit einer Beschichtung versehen ist. Der Arbeitsbereich kann je nach Ausführung auch auf einem auswechselbaren Teil des Dorns, zum Beispiel einer Dornspitze, vorgesehen sein.
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Es kann zur Herstellung des Dorns allgemein vorgesehen sein, zur Standzeiterhöhung vor dem Beschichten – zum Beispiel handelt es sich bei dem Beschichtungsverfahren um ein thermo-chemisches Beschichtungsverfahren – beispielsweise den Arbeitsbereich durch Strahlen aufzurauen, um die Haftung der anschließend aufzubringenden Beschichtung zu verbessern. Allerdings hat es sich gezeigt, dass die raue Oberfläche oft keine ausreichende Haftung gewährleistet und in vielen Fällen während des Beschichtungsvorgangs oder des Einsatzes verloren geht. Wenn dann thermische oder mechanische Spannungen in den Kontaktbereich zwischen Grundkörper und Beschichtung wirken, schält sich die Schutzschicht ab.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung soll in diesem Zusammenhang der Dorn bzw. das Warmwerkzeug eine erhöhte Standzeit aufweisen. Insbesondere, aber nicht notwendig kann die Fertigung von nahtlosen Rohren somit wirtschaftlicher werden. Vorteilhaft ist es daher vorgesehen, dass der Werkzeug-Grundkörper bzw. Dorn-Grundkörper eine Oberflächen-Profilierung aufweist, und dass auf die Oberflächen-Profilierung eine Beschichtung aufgebracht ist.
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Die Oberflächen-Profilierung bildet bevorzugt in eine Achsrichtung des Werkzeugs mindestens einen Hinterschnitt, wobei die Oberflächen-Profilierung insbesondere eins Anzahl Erhebungen und Vertiefungen auf der Oberfläche des Werkzeug-Grundkörpers aufweist.
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Der Werkzeug-Grundkörper besteht bevorzugt aus Stahl.
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Die Beschichtung kann eine gegen thermische und mechanische Belastungen schützende Schicht sein. Sie kann durch ein thermo-chemisches Beschichtungsverfahren aufgebracht sein.
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Allgemein vorteilhaft ist der Strangpressdorn mit einer Innenkühlung versehen, durch die er mit einem Kühlmittel beströmbar ist. Je nach Anforderungen kann eine solche Innenkühlung alternativ oder ergänzend zu Beschichtungen an dem Dorn vorgesehen sein.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Dorns bzw. Warmwerkzeugs weist vorteilhaft die Schritte auf:
- a) Herstellen eines Werkzeug-Grundkörpers, wobei das Herstellen des Werkzeug-Grundkörpers die Erzeugung einer Oberflächen-Profilierung umfasst, wobei die Erzeugung der Oberflächen-Profilierung bevorzugt durch mechanische Bearbeitung, insbesondere durch Drehen, erfolgt;
- b) Aufbringen einer Beschichtung auf den Werkzeug-Grundkörper.
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Bei der Erzeugung der Oberflächen-Profilierung werden bevorzugt eine Anzahl Erhebungen und Vertiefungen auf der zuvor glatt bearbeiteten Oberfläche des Werkzeug-Grundkörpers hergestellt. Dabei sind die Erhebungen insbesondere als im Radialschnitt stegförmige, vorzugsweise rechteckförmige Vorsprünge ausgebildet, die sich über eine vorgegebene Länge in Richtung einer Längsachse des Werkzeugs erstrecken und die sich über eine vorgegebene Höhe über die Vertiefungen erheben. Die Vertiefungen werden vorzugsweise bei der Aufbringung der Beschichtung gemäß obigem Schritt b) zumindest bis zur Höhe der Erhebungen mit der Beschichtung aufgefüllt, wobei vorzugsweise die Oberfläche der Beschichtung die Höhe der Erhebungen sogar übersteigt.
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Nach obigem Schritt a) und während des abigen Schrittes b) kann ein Teil des Werkzeug-Grundkörpers einer thermo-chemischen Umwandlung unterzogen werden, wobei die thermo-chemische Umwandlung insbesondere die Herstellung eines Eisenoxids, besonders bevorzugt von Zunder, umfasst.
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Das Aufbringen der Beschichtung gemäß obigem Schritt b) kann auch beispielsweise durch Flammspritzen oder Plasmaspritzen erfolgen.
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Demgemäß wird eine Verbesserung des Verbundes zwischen Werkzeug-Grundkörper und Beschichtung dadurch erzielt, dass die Oberfläche des metallischen Trägermaterials glatt bearbeitet und dann mit einer definierten Struktur – bestehend aus Stegen und diese voneinander beabstandenden Lücken, vorzugsweise hergestellt durch mechanische Bearbeitung, insbesondere durch Drehen – ausgebildet wird.
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Anschließend kann durch ein gezieltes thermo-chemisches Beschichtungsverfahren entlang der solchermaßen strukturierten Oberflächenkontur des Trägermaterials ein Teil dieses Trägermaterials in eine Schutzschicht umgewandelt werden.
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Dabei verringern sich entsprechend die Breite sowie die Höhe der Stege und die Tiefe der Lücken. Auf diese durch Umwandlung des Trägermaterials erzeugte primäre Schutzschicht wird durch das thermo-chemische Verfahren eine zusätzliche äußere Schutzschicht aufgebracht, die gleichzeitig die zwischen den Stegen verbliebenen Lücken bzw. Vertiefungen auffüllt bzw. schließt.
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Durch die je nach Einsatzbedingung des Werkzeugs vorab angepasst optimierte Strukturierung des Übergangs zwischen dem Trägermaterial (Grundkörper) und der aufgetragenen Schicht wird die Haftung des erreichten Schichtenaufbaus deutlich verbessert und eine komplette Abschälung der Schicht verhindert.
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Allgemein wird der Übergang zwischen dem Strangpressgut und dem Dorn durch die Oxidschicht verbessert.
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Das vorgeschlagene Vorgehen bzw. die erläuterte Ausgestaltung eignet sich generell für Dorne, die durch eine Beschichtung geschützt werden sollen, um einer thermischen und mechanischen Belastung besser standhalten zu können.
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Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Strangpressen sieht vor, dass Schritt a das Bohren des Blocks zur Herstellung einer Ausnehmung umfasst. Durch das Bohren kann insbesondere eine besonders passgenaue Ausnehmung hergestellt werden, wodurch eine Einwirkung auf den feststehenden Dorn optimiert werden kann.
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Alternativ oder ergänzend kann es vorgesehen sein, dass Schritt a das Lochen eines Blocks auf einer Lochpresse zur Herstellung und/oder Nachbearbeitung der Ausnehmung umfasst.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht nach einer Herstellung der Ausnehmung ein mechanisches Bearbeiten des Blocks mit der Ausnehmung, vor, bevorzugt zur Verringerung einer Ungleichmäßigkeit der Ausnehmung. Hierdurch wird allgemein der Pressvorgang durch die Matrize und über den Dorn optimiert.
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Eine mögliche Detailgestaltung des Verfahrens umfasst den Schritt des Erwärmens des Blocks mit der Ausnehmung vor Schritt b. Das Erwärmen kann zum Beispiel in einem besonders dafür vorgesehenen Heizofen erfolgen. Je nach weiterer Ausgestaltung kann das Erwärmen vor einem Lochen erfolgen, zum Beispiel um das Lochen zu vereinfachen. Insbesondere vorteilhaft beginnt der Strangpressvorgang an dem zuvor erwärmten Block, um die Umformung im Zuge des Strangpressens zu verbessern. Die Erwärmung erfolgt insbesondere auf oder in die Nähe einer Umformtemperatur für das jeweilige Blockmaterial.
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Eine weitere Detailgestaltung des Verfahrens umfasst den Schritt des Entzunderns des Blocks vor Schritt b. Bevorzugt kann dies ein mechanisches Entzundern umfassen. Besonders vorteilhaft ist das (mechanische) Entzundern vorgesehen, wenn der Block aus Chromstahl zwischen 9% und 12% Chromanteil besteht, um die Ergebnisse des Strangpressens zu verbessern.
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Allgemein vorteilhaft umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verbesserung des Pressvorgangs und zur Verminderung des Eintrags von thermischer und mechanischer Belastung in die Werkzeuge den Schritt des Schmierens zumindest eines Bereichs des Blocks vor Schritt c, insbesondere vor Schritt b. Bevorzugt, aber nicht notwendig erfolgt dies mittels eines Schmiermittels auf Basis von Glas und/oder Phosphat und/oder Graphit.
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Weitere Vorteile und Merkmale eines erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt ein Warmwerkzeug in Form einer Dornspitze eines Strangpressdorns in einer Seitenansicht.
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2 zeigt die Einzelheit „Z” gemäß 1 für den noch nicht beschichteten Werkzeug-Grundkörper.
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3 zeigt die Einzelheit „Z” gemäß 1 für den jetzt beschichteten Werkzeug-Grundkörper.
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4 zeigt die Einzelheit „Z” gemäß 1 für eine alternative Ausführungsfarm des beschichteten Werkzeug-Grundkörper.
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5 zeigt ein erstes Schliffbild für die Einzelheit „Z” gemäß 1 durch das Warmwerkzeug; und
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6 zeigt ein zweites Schliffbild für die Einzelheit „Z” gemäß 1 durch das Warmwerkzeug.
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7 zeigt eine schematische Gesamtansicht einer Strangpressvorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Strangpressen umfasst bevorzugt folgende Schritte:
- a. Bereitstellen eines Blocks aus einer Eisenbasislegierung, besonders bevorzugt ein Stahl, oder einer Nickelbasislegierung;
- b. Einbringen des Blocks in eine Strangpressvorrichtung mit einem Dorn; und
- c. Pressen des Blocks durch eine Matrize und über den Dorn, wobei der Dorn während des Pressens gegenüber der Matrize feststehend ist.
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7 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung zum Strangpressen, an der das Verfahren durchgeführt werden kann. Dabei befinden sich ein Aufnehmer oder äußerer Rahmen 101, eine durch einen Halter 102 gehaltene Matrize 103 und ein zentral in dem Rahmen angeordneter Dorn 1 in zueinander ortsfester Anordnung. Ein umzuformender Block 104 besteht aus einer eisen- oder nickelbasierten Legierung mit einer für solche Legierungen charakteristischen Härte. Der Block 104 wird vor einem Einsetzen in die Strangpressvorrichtung mit einer zentralen Ausnehmung 104a versehen und vorgewärmt.
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Eine Pressscheibe 105 liegt auf einer der Matrize 103 gegenüberliegenden Seite des Blocks 104 an dem Block an und hat eine zentrale Ausnehmung 105a, durch die der feststehende Dorn 1 ragt. Ein Pressstempel 106 wird hydraulisch angetrieben und presst die Pressscheibe 105 gegen den Block 104, so dass dieser über einen Arbeitsbereich 3 des Dorns 1 und durch die Matrize 103 gedrückt wird.
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Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf anderen Strangpressvorrichtungen durchgeführt werden kann. Zum Beispiel kann der Dorn hydraulisch bewegbar aufgenommen sein, um zu Beginn in eine Grundposition zu verfahren. Wesentlich im Sinne der Erfindung ist es, dass der Strangpressdorn während des eigentlichen Umformvorgangs des Blocks im Wesentlichen ortsfest zu der Matrize angeordnet ist.
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In bevorzugter Weiterbildung und ohne Abweichung von einer ortsfesten Anordnung im vorgenannten Sinn kann eine kleine axiale Verschiebung der Dornspitze relativ zu der Matrize vorgesehen sein. Die Verschiebung kann z. B. zwischen aufeinander folgenden Pressvorgängen vorgenommen werden, um die Standzeit des Werkzeugs zu erhöhen.
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In 1 ist der Dorn bzw. das Warmwerkzeug 1 in Form eines Dorns zur Herstellung eines nahtlosen Rohres dargestellt. Die Darstellung ist rein schematisch und die genaue Form der Spitze eines Strangpressdorns kann je nach Anforderungen abweichen. Das Werkzeug 1 weist einen Werkzeug-Grundkörper 2 auf, der einen Arbeitsbereich 3 hat, der sich über eine gewisse Länge in Richtung einer Achse a erstreckt. im Arbeitsbereich 3 ist das Werkzeug 1 mit einer Beschichtung 4 versehen, die das Werkzeug 1 vor thermischer bzw. mechanischer Belastung schützt.
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Der gesamte in 1 gezeigte Werkzeug-Grundkörper 2 stellt im Sinne der vorliegenden Erfindung eine auswechselbare Dornspitze dar, die zum Beispiel lösbar auf einen Dornkörper, z. B. in Form eines Schafts (nicht dargestellt), des Strangpressdorns aufgesetzt werden kann. Andere Ausgestaltungen bzw. Aufteilungen einer auswechselbaren Dornspitze und eines Dornkörpers sind je nach Anforderungen möglich.
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Der genaue Aufbau des Werkzeugs als Einzelheit im Bereich „Z” gemäß 1, d. h. als Ausschnitt des Werkzeug-Grundkörpers 2 ist in den 2 und 3 dargestellt. Wie zu sehen ist, weist die radial außenliegende Oberfläche des Werkzeug-Grundkörpers 2 eine Oberflächen-Profilierung 5 auf, die aus einer Anzahl von radial vorstehenden Erhebungen 6 besteht, die zwischen sich somit ergebenden Vertiefungen 7 angeordnet sind. Die Erhebungen 6 erstrecken sich in Achsrichtung a um einen Betrag B, der bevorzugt im Bereich von ca. 250 μm bis 4.000 μm liegt. Die Höhe D der Erhebungen 6 gegenüber den Vertiefungen 7 liegt in einem Bereich von ca. 500 μm bis 5.000 μm. Der Abstand A zwischen zwei Erhebungen 7 liegt bevorzugt in einem Bereich von ca. 200 μm bis 2.000 μm.
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Die Profilierung 5 ist dabei so auf die Oberfläche des Grundkörpers 2 aufgebracht, dass dieser zunächst glatt bearbeitet ist und anschließend durch mechanische Bearbeitung die im Radialschnitt stegförmigen bzw. rechteckförmigen Ausnehmungen 7 eingearbeitet, insbesondere eingedreht, werden.
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Nach dieser Vorbearbeitung wird die Oberfläche des Werkzeug-Grundkörpers 2 mit einer Beschichtung 4 versehen, wie es in 3 gezeigt ist. Die Gesamtschichtdicke C der Beschichtung 4 füllt dabei die Vertiefungen 7 aus und übersteigt die Höhe der Erhebungen 6.
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In Achsrichtung a gesehen, ergibt sich somit für das Material der Beschichtung 4 infolge der Oberflächen-Profilierung 5 ein Hinterschnitt, so dass die Beschichtung 4 bei Benutzung des Werkzeugs 1 sehr fest auf dem Grundkörper 2 haftet.
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In 4 ist eine bevorzugte Ausführung bzw. Lösung zu sehen. Die Vorbearbeitung des Werkzeug-Grundkörpers 2 ist analog zur Lösung gemäß 2 und 3 vorgenommen, d. h. es wurde zunächst die Oberflächen-Profilierung 5 in den glatt bearbeiteten Werkzeug-Grundkörper 2 eingebracht. Der Verlauf der Profilierung entspricht derjenigen gemäß 2.
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Dann wurde allerdings vor dem Aufbringen der Beschichtung 4 zunächst durch Einsatz eines thermo-chemischen Behandlungsverfahrens ein Teil des Materials des Grundkörpers 2 in eine Schutzschicht umgewandelt. Das umgewandelte Material 8 verläuft äquidistant zur Profilierung 5 und ist mit gestrichelten Linien angedeutet. Dabei verringert sich entsprechend die Breite der Erhebungen (Stege) 6 und die Tiefe der im Querschnitt wiederum rechteckigen Lücken, wie es 4 zeigt.
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Auf die so umgewandelte Materialschicht 8, d. h. auf die durch Umwandlung des Trägermaterials erzeugte primäre bzw. innere Schutzschicht wird während der Umwandlung oder anschließend die Beschichtung 4 als zweite, äußere Schicht aufgebracht, wie es 4 für das fertige Werkzeug zeigt. Dies erfolgt wiederum durch ein thermo-chemisches Verfahren oder beispielsweise durch Flammspritzen oder Plasmaspritzen.
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Gemäß der in 4 dargestellten Lösung wird also zwischen dem Trägermaterial (Grundkörper) 2 und der Schicht 4 eine Struktur vor oder während des Aufbringens bzw. des Erzeugens der Schicht 4 auf dem Trägermaterial 2 geschaffen, die sich im umgewandelten Material 8 manifestiert.
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Den Darstellungen in den 5 und 6 lassen sich Beispiele konkreter Beschichtungen entnehmen. Die durch Umwandlung der Stege (Erhebungen) 6 und Auffüllung von Lücken (Vertiefungen) 7 erzeugte innere, porigere Schicht 8 und die darauf aufgebrachte zweite äußere Schicht 4 sind gut zu erkennen. Die innere Schicht 8 (umgewandeltes Material) besteht vorliegend aus Eisenoxiden und wächst von der Oberfläche des Grundkörpers bzw. der Profilierung aus. Die Lücken zwischen den Stegen (Erhebungen) werden durch die äußere Beschichtung 4 (auf)gefüllt.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 bzw. 6 wurde das Trägermaterial (Werkzeug-Grundkörper) mit Eisenoxiden beschichtet bzw. Material des Grundkörpers in Eisenoxid umgewandelt. Das Trägermaterial ist vorliegend Stahl. Die maximale Dicke der Beschichtung auf dem Grundkörper beträgt in diesem Beispiel ca. 1.000 μm.
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Der strukturierte Übergang zwischen dem Trägermaterial und der Beschichtung kann je nach Anwendung optimiert gestaltet werden, so dass eine komplette Abschälung der Schicht während des Einsatzes verhindert werden kann. Hierdurch kann insbesondere die Standzeit des Werkzeugs 1 wesentlich erhöht werden.
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Die Oberflächen der beschichteten Werkzeuge können vor oder während des Einsatzes durch mechanische Bearbeitungen, z. B. Schleifen und Polieren (vor dem Einsatz) oder Walzen (während des Einsatzes), geglättet werden.
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Die Glättung der Oberfläche reduziert die Reibung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück (Walzgut).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Warmwerkzeug bzw. Strangpressdorn
- 2
- Werkzeug-Grundkörper
- 3
- Arbeitsbereich
- 4
- Beschichtung
- 5
- Oberflächen-Profilierung
- 6
- Erhebung
- 7
- Vertiefung
- 8
- umgewandeltes Material
- 101
- Aufnehmer/Rahmen
- 102
- Halter für Matrize
- 103
- Matrize
- 104
- Block
- 104a
- Ausnehmung in Block
- 105
- Pressscheibe
- 105a
- Ausnehmung in Pressscheibe
- 106
- Pressstempel
- a
- Achsrichtung
- B
- Länge
- D
- Höhe
- A
- Abstand
- C
- Gesamtschichtdicke
