DE102014000461A1

DE102014000461A1 - Innenwerkzeug für die Herstellung nahtloser Stahlrohre

Info

Publication number: DE102014000461A1
Application number: DE102014000461.9A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2034-01-15
Also published as: DE102014000461B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Innenwerkzeug für die Herstellung nahtloser Stahlrohre. Zur Erhöhung der Standzeit der Innenwerkzeuge werden diese mit einer keramischen Schutzschicht versehen, die einerseits eine effektive Hemmung des Wärmezuflusses bewirkt und andererseits so strukturiert und aufgebaut ist, dass sie unter den bei der Warmumformung vorherrschenden komplexen Belastungszuständen nicht zerbricht.

Description

Nahtlose Stahlrohre werden im Allgemeinen in drei Umformstufen auf entsprechenden Walzwerken durch Warmumformung gefertigt in einer ersten Stufe wird auf einem sogenannten Lochschrägwalzwerk ein auf etwa 1200°C erhitzter massiver Stahlblock mittels eines Innenwerkzeuges, des Lochdornes, zum Hohlblock umgeformt. Dabei wird der Block mittels schräg gestellter Walzen über den Lochdorn getrieben. In der zweiten Umformstufe wird der Hohlblock in einem Längswalzprozess über dem Innenwerkzeug, einer Walstange, in Durchmesser und Wanddicke reduziert und in Längsrichtung gestreckt In der dritten Umformstufe wird das Walzgut zu den geforderten Maßen in Durchmesser und Wanddicke umgeformt, wobei in der Regel kein Innenwerkzeug verwendet wird.
Die Innenwerkzeuge in den beiden ersten Umformstufen sind bei der Produktion hohen Temperaturen und hohen mechanischen Drücken ausgesetzt In den meisten Fällen bestehen die Innenwerkzeuge aus hochwarmfestem Stahl. Bei der Produktion speziell mit größeren Walzzeiten ist eine sukzessive Erwärmung des Innenwerkzeuges oft nicht zu vermeiden. Infolge der Erwärmung nimmt die Festigkeit des Werkzeuges ab und das Werkzeug kann dann den mechanischen Belastungen nicht mehr standhalten. Das Werkzeug deformiert sich und bricht.
Um hohe Standzeiten zu erreichen, werden Lochdorne mit natürlichen Zunderschichten versehen. Diese Zunderschichten hemmen den Wärmezufluss vom Umformgut in das Werkzeug und schützen das Werkzeug vor schneller Erwärmung und raschem Festigkeitsverlust. Bei der Umformung von höher legierten Werkstoffen wird die Zunderschicht jedoch schnell abgetragen und der Wärmeschutz versagt.
Bei Walzstangen werden je nach Umformverfahren natürlich verzunderte oder mit einer Chromschicht versehene Werkzeuge verwendet In beiden Fällen ist die Wärmedämmung gegenüber dem Wärmezufluss vom Umformgut in das Werkzeug gering. So kommt es speziell bei Innenwerkzeugen mit reduzierter Geschwindigkeit und Kontaktlänge zu Erwärmung des Innenwerkzeuges und dessen Versagen durch Deformation und Bruch.
Es wurde auch versucht, Innenwerkzeuge mit keramischer Beschichtung zu versehen, jedoch waren diese Versuche nicht erfolgreich, weil die keramische Schutzschicht aufgrund der komplexen mechanischen und thermischen Belastung beim Umformvorgang zerbricht Um eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit zu erreichen, war man dabei bestrebt, eine möglichst geringe Porosität der aufgetragenen Keramikschicht zu erzeugen. Die erreichte Porosität ist abhängig vom Auftragsverfahren sowie beim thermischen Spritzen von Prozessparametern wie Korngröße, Auftraggeschwindigkeit und Temperatur. Die erreichten Porositätswerte liegen zwischen 1% und 15%. Solche kompakten Schichten sind jedoch sehr spröde und zerbrechen beim Einsatz auf Innenwerkzeugen, die bei der Herstellung nahtloser Rohre verwandt werden.
Die einzige vorbekannte keramische Beschichtung, die den Belastungen standhält, ist die natürliche Verzunderung. Sie besitzt folgende Merkmale: Sie ist eng mit dem Grundkörper verzahnt und sie besitzt eine poröse Struktur. Die Verzahnung verhindert das Abscheren der Oberflächenschicht. Die poröse Struktur verhindert das Zerbrechen der Schicht, indem sie eine gewisse Deformation der Schicht zulässt, wodurch Rissbildung bzw. Rissausbreitung behindert wird. Eine hohe Porosität verbessert auch die Wärmedämmung. Nachteil der natürlichen Zunderschicht ist ihr vergleichsweise geringer Widerstand gegen Abtrag bei der Umformung höher legierter Werkstoffe, weil die sie bildenden Eisenoxide speziell auch in der sich bei der Verzunderung bildenden Struktur eine vergleichsweise geringe Härte aufweisen.
Für das Walzen höher legierter Werkstoffe gibt es nach dem Stand der Technik keine Beschichtung, die einen nachhaltigen effektiven Wärmeschutz eines Innenwerkzeuges aus Stahl gewährleistet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Standzeit von Wärme dämmenden Oberflächenbeschichtungen von Innenwerkzeugen für die Erzeugung von nahtlosen Stahlrohren zu erhöhen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erfüllt, dass die Oberfläche des Werkzeuggrundkörpers mit Erhöhungen und Vertiefungen und mit einer porösen Beschichtung aus Keramik versehen wird, wobei die Keramik eine Porosität von 16 bis 40% aufweist.
Eine gegenüber einer natürlichen Verzunderung erhöhte Standzeit wird nach der Lehre der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass das Eisenoxid ersetzt wird durch eine Keramik höherer Härte und geeigneter Struktur. Eisenoxid besitzt eine Härte von etwa 60 HRC. Ein geeigneter keramischer Werkstoff oder ein Verbund aus keramischen Werkstoffen sollte daher bevorzugt eine höhere Härte speziell bei höheren Temperaturen aufweisen, wie z. B. Zirkoniumoxid. Auch aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzte Schichten können so erzeugt werden.
Da die Wärmedämmung die eigentliche Aufgabe der Schutzschicht ist, sollte der keramische Werkstoff auch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wie z. B. kleiner als 20 W/(mK). Durch Einstellung einer großen Porosität wird die Wärmeleitfähigkeit zusätzlich reduziert. Die Auftragung der keramischen Schicht erfolgt durch eines der für diese Zwecke bekanntermaßen eingesetzten Auftragsverfahren, wie z. B. durch thermisches Spritzen. Ein weiteres unverzichtbares Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung ist die Verwendung von Oberflächenprofilierungen des Grundmaterials, wie Erhöhungen und Vertiefungen. Mittels dieser Struktur wird der keramischen Beschichtung ausreichend Halt auf dem Grundkörper verliehen. Die Schicht selbst erhält mit Hilfe der Profilierung der Oberfläche des Grundmaterials eine stabilisierende Struktur, die sie gegen Abscheren widerstandsfähig macht.
Schließlich ist es erforderlich, dass das aufgetragene keramische Material eine körnige, poröse Struktur aufweist, damit es bei Belastung nicht zerbricht. Die körnige, poröse Struktur erlaubt eine begrenzte Deformation der Schicht, wodurch auftretende Risse an einer Ausbreitung gehindert werden. Infolgedessen kommt es bei einer Rissentstehung nicht zum Bruch der gesamten Oberflächenschicht, sondern es bilden sich nur kurze Risse, die eine begrenzte Länge haben, unregelmäßig verlaufen und daher die Schicht nicht zerstören können. Dass dieser Mechanismus gut funktioniert, ist an den Schichten aus natürlicher Verzunderung zu erkennen, die ebenfalls eine hohe Porosität aufweisen und die einzigen keramikartigen Schichten darstellen, die bei den komplexen Belastungen des Lochprozesses nicht zerbrechen.
Doch nicht nur bei Lochdornen, den Innenwerkzeugen beim Lochen durch Schrägwalzen, auch bei den anderen Innenwerkzeugen, die bei der Herstellung nahtloser Stahlrohre verwendet werden, kann die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung vorteilhaft angewandt werden. Bei den Walzstangen, den Innenwerkzeugen bei den Walzwerken mit mehreren hintereinander angeordneten Walzgerüsten in der zweiten Umformstufe ist insbesondere darauf zu achten, dass die Reibung zwischen Werkzeug und Walzgut gering ist. Daher muss für diesen Anwendungsfall die erfindungsgemäße Oberflächenschicht geschliffen und poliert werden. Auch kann eine zusätzliche Schicht z. B. aus Chrom auf die erfindungsgemäße Schutzschicht aufgetragen werden.
In 1 ist die erfindungsgemäße Oberflächenschutzschicht schematisch dargestellt. Die Oberfläche des Grundmaterials ist mit Erhöhungen und Vertiefungen versehen, auf die ein keramisches Material aufgetragen ist, das die Vertiefungen ausfüllt und auch die Erhöhungen des Grundmaterials abdeckt Unebenheiten, die bei der Auftragung des keramischen Materials an der Oberfläche auftreten können, werden durch Schleifen beseitigt. Das keramische Material besitzt hohe Härte, geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Porosität. Die Schichtdicke sollte je nach Anwendungsfall, d. h. erforderlicher Wärmedämmung, zum Beispiel etwa 0.5 bis 5 mm betragen, wobei die Größe der Vertiefungen und Erhöhungen 10 bis 90% der Schichtdicke betragen kann. Die geeigneten Parameter sind je nach Anwendungsfall einzustellen. Die Schichtdicke ist z. B. so zu wählen, dass die nach mehreren aufeinanderfolgenden Umformprozessen, die Temperatur im Werkzeug eine zur Vermeidung unzulässiger Entfestigung Grenze, z. B. 700°C nicht übersteigt. Die Porosität ist so einzustellen, dass sie einerseits möglichst klein ist, um die Verschleißfestigkeit sicher zu stellen, andererseits so groß, dass die Beschichtung nicht zerbricht. Die Erhöhungen und Vertiefungen der Oberfläche des Grundmaterials können unterschiedliche Konturen aufweisen. Sie können, wie in 1 dargestellt, rechteckig sein, sie können aber auch zum Beispiel wellenartige Kontur haben, um beim Beschichten mit gröberem Korn einen guten Kontakt zwischen aufgetragener Schicht und Grundmaterial sicher zu stellen.
Erläuterung zu den Bildern.
1 Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schutzschicht an Innenwerkzeugen für die Herstellung nahtloser Stahlrohre.
Bezugszeichenliste

1: Grundmaterial mit Erhöhungen und Vertiefungen
2: Keramische Schicht mit hoher Porosität

Claims

Innenwerkzeug aus Stahl, wie Lochdorn oder Walzstange, für die Warmfertigung nahtloser Stahlrohre mit einer durch Beschichtung aus einem körnigen oder pulverförmigen Zustand aufgetragenen Schutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht Oberflächenerhebungen und -vertiefungen des Grundmaterials enthält und darüber hinaus aus einem keramischen Material mit einer Porosität von 16% bis 40% besteht.