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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen, mehrlagigen Rohrproduktes.
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Mehrlagige Rohrprodukte aus unterschiedlichen metallischen Lagen sind Stand der Technik. Sie können z. B. durch Co-Extrusion im Strangpressverfahren hergestellt werden. Dieses Verfahren ist aufwendig. Auch ist die Produktivität der Co-Extrusion vergleichsweise gering. Eine weitere Möglichkeit, ein Multilayer- oder auch Bimetallrohr zu schaffen, besteht darin, eine weitere Lage auf ein Rohr manuell aufzuschweißen. Auch dieses Verfahren ist vergleichsweise aufwendig und bedingt zudem eine relativ komplizierte Wärmebehandlung. Es besteht auch die Möglichkeit, verschiedene Lagen eines Bimetallrohrs mechanisch zu fügen, z. B. durch Innenhochdruckumformung. Auch hiermit ist ein hoher Fertigungsaufwand verbunden.
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Zum Stand der Technik ist die
EP 2 538 099 B1 zu nennen, die ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings beschreibt. Es wird ein rohrförmiger Verbundblock für Lagerringe zweilagig schleudergegossen, mechanisch auf eine Zwischengeometrie oberflächlich bearbeitet, anschließend wärmebehandelt und anschließend reduziert durch Warmextrusion, Schmieden, Pilgern oder Fräsen. Die
CN 101417387 B betrifft ein Herstellverfahren für mehrschichtige Metall-Verbundplatten, in dem ein Verbundrohr spiralförmig aufgetrennt, abgerollt und zum Verbundblech gewalzt wird.
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Es zählt auch zum Stand der Technik (
DE 28 52 030 A1 ), Nickeleingüsse als Thermodiffusionsbarrieren zwischen benachbarten Lagen eines im Schleudergießverfahren hergestellten Bimetall-Rohrrohlings vorzusehen. Dieses Verfahren zum Schleudergießen soll es gestatten, Bimetall-Rohrrohlinge von großem Durchmesser mit einem Verhältnis von L/D > 8:10 ohne deren Auswalzen unter gleichzeitiger Verbesserung der Verschweißbarkeit der zwei Metalle, Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit der Schweißverbindung sowie Herabsetzung der Arbeitsintensität und der Selbstkosten im Vergleich zu den existierenden Fertigungsvorgängen zu erzeugen.
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Die
DE 34 41 569 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Verbundgußkörpern nach dem Schleudergießverfahren. Die Gussstückgeometrie wird in einer Sandform ausgebildet, in eine metallische Form eingesetzt und anschließend mit einem Grundwerkstoff ausgeschleudert. Nach einer Verweilzeit wird die Form mit einem zweiten Eisenwerkstoff vollgegossen, wobei das Vergießen unter einer Inertgasatmosphäre erfolgt.
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Die
EP 0 141 966 A1 offenbart ein Schleudergussverfahren zur Herstellung von Rohren, bei welchen außenseitig Korrosionsfestigkeit durch Bilden einer Außenhaut aus austenitischem Gusseisen mit 21 % bis 24 % Nickel erzeugt wird. Hierzu wird vor dem Einbringen der Schmelze ein Metallpulver mit 80 % oder mehr Nickel in die rotierende Gießkokille eingebracht.
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Die
US 2015/0183015 A1 beschreibt ein Schleudergussverfahren zur Herstellung von Verbundrohren. Die Verbundrohre werden anschließend kalt umgeformt, wobei kalt unterhalb der Austennitisierungstemperatur Ac3 bedeutet, mit dem Ziel, die Bauteile im Durchmesser zu reduzieren bzw. gleichsam zu strecken. Auch die
JP 2002122043 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung doppellagiger, zylindrischer Bauteile im Schleudergussverfahren, konkret zur Herstellung eines doppellagigen Zylinders für einen Verbrennungsmotor. Der so hergestellte Zylinder wird spanabhebend bearbeitet und weist anforderungsgerechte Werkstoffe auf seiner Innenseite bzw. Außenseite auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mehrlagige metallische Rohre mit hoher Produktivität herzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein wesentlicher Bestandteil des Verfahrens ist ein zu verarbeitender Rund- oder Mehrkantblock.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Es ist Gegenstand der Erfindung, mehrlagige Rohrprodukte durch Warmwalzen eines mehrlagigen Ausgangsproduktes herzustellen. Das Verfahren sieht folgende Schritte vor: Zunächst wird in einer rotierenden Kokille eine Basislage im Schleudergussverfahren hergestellt. Im nächsten Schritt wird auf diese Basislage eine 2. Lage ebenfalls im Schleudergussverfahren aufgebracht. Die 2. Lage wird erst dann eingebracht, wenn die Basislage beginnt, fest zu werden, so dass es zu einer möglichst geringen Durchmischung kommt. Die verarbeiteten metallischen Werkstoffe besitzen voneinander abweichende Eigenschaften, die sowohl chemisch, als auch thermisch und/oder mechanisch und/oder in der Gefügestruktur begründet sein können. Bevorzugt werden chemisch, thermisch oder mechanisch unterschiedlich widerstandsfähige Werkstoffe miteinander kombiniert.
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Die Erfindung schließt ein, dass auf die 2. Lage auch eine dritte oder weitere Lage aufgetragen werden kann. Es sind mithin mindestens zwei Lagen an dem als Ausgangsprodukt verwendeten Block ausgebildet.
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Der so vorbereitete Block wird durch Warmumformung in einer oder mehreren Stufen zu dem Rohrprodukt unter Reduzierung der Wanddicke und des Ausgangsumfangs umgeformt. Die Dicke der Lagen nimmt dabei ab, wobei die Dicke der dünneren Lage eine finale Dicke von 100 µm nicht unterschreiten soll. Die dünnere Lage kann sowohl die Basislage als auch die 2. Lage sein. Zwischen der Basislage und der 2. Lage wird durch Wärmebehandlung vor und, optional zusätzlich nach dem wenigstens einen Warmumformschritt eine Diffusionsschicht eingestellt. Die Dicke der Diffusionsschicht soll in einem Bereich von 0,1% bis 50% der Dicke der dünneren Lage am fertigen, warmgewalzten Rohrprodukt liegen. Die Dicke der Diffusionsschicht soll an dem fertigen warmgewalzten Rohrprodukt 5 µm bis vorzugsweise 500 µm betragen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der so hergestellte Block von vornherein ein Hohlkörper. Vor dem ersten Umformschritt kann der mehrlagige Block innenseitig spanabhebend bearbeitet werden, um die sich radial innenseitig sammelnde Schlacke zu entfernen.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten gewalzten Rohrprodukte können mit wesentlich höherer Produktivität und deutlich kostengünstiger hergestellt werden als Rohre, die durch Co-Extrusion, durch nachträgliche Beschichtung oder mechanisches Fügen hergestellt werden.
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Ein Rund- oder Mehrkantblock ist das Ausgangsprodukt des warmgewalzten Rohrproduktes. Er besitzt ein Verhältnis zwischen Umfang und Länge, das vorzugsweise zwischen 2 und 8, insbesondere zwischen 2,8 und 4 liegt. Der Umfang beträgt vorzugsweise zwischen 450 mm bis 750 mm. Der Block kann auch nach der innenseitigen spanabhebenden Bearbeitung zusätzlich noch innenseitig formgebend bearbeitet werden um eine spezielle Vorlochung zu erreichen, um ihn beispielsweise im Stoßbankverfahren umformen zu können. Für das Stoßbankverfahren kann der Block an einem Ende verschlossen werden, z. B. indem ein Deckel angeschweißt wird.
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Bei dem Block handelt es sich noch nicht um eine sogenannte Luppe, sondern um einen sehr dickwandigen Hohlblock, den man auch als gelochten Vollzylinder bezeichnen kann.
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Vorzugsweise besteht der Block aus Stahl. Die Erfindung ist jedoch nicht auf metallische Blöcke aus Eisenwerkstoffen beschränkt.
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Die Basislage und die darauf aufgebrachte 2. Lage sind stoffschlüssig miteinander verbunden und bilden zwischen sich eine Diffusionsschicht aus, deren Dicke gezielt eingestellt wird. Die Dicke der Diffusionsschicht kann durch abgestimmte Wärmebehandlung auf bis zu 50% der Dicke der dünneren Lage des fertigen, warmgewalzten Rohrproduktes anwachsen. Die Diffusionsschicht erstreckt sich mit im Wesentlichen gleichbleibender Dicke vorzugsweise über den gesamten Kontaktbereich zwischen der Basislage und der 2. Lage.
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Ein Vorteil des Verfahrens ist es, dass der mehrlagige Block auch dann warm zu dem Rohrprodukt umformbar ist, wenn die Außenseite oder auch die Innenseite gewisse Unebenheiten aufweisen. Der zwei- oder mehrlagige Block ist ohne Weiteres walzbar. Beim Walzen wird der Block gelocht, gestreckt und zu einem Rohrprodukt umgeformt, wobei die Dicke der Wand und der Außenumfang des Rohrproduktes in gezielter Weise so reduziert wird, dass eine Längenzunahme um mindestens das 10-fache erfolgt. Im Ergebnis sollte die Dicke der Diffusionsschicht zwischen 1 % und 20 % der dünneren Lage des warmgewalzten Rohrproduktes betragen, insbesondere bei einer Stahl-Stahl-Paarung.
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Die Dicke der Diffusionsschicht wird durch die Wärmebehandlung beeinflusst. Die Wärmebehandlung erfolgt unterhalb der Schmelztemperaturen der verwendeten Werkstoffe. Maßgeblich ist hierbei der niedrigere Schmelzpunkt der verwendeten Werkstoffe. Die erste Wärmebehandlung erfolgt nach dem Schleudergießen. Vorzugsweise wird in einem Drehherdofen der mit der 2. Lage versehene Block über einen Zeitraum von 70 bis 150 Minuten auf eine Zieltemperatur in einem Bereich von 800°C bis 1400°C erwärmt. Vorzugsweise liegen die Temperaturen über 1200°C und bevorzugt in einem Bereich von 1250°C bis 1400°C.
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Nach der ersten Warmumformung bzw. vor der nächsten Warmumformung erfolgt eine weitere Wärmebehandlung. Auch hierbei soll eine Temperatur in einem Bereich von 800°C bis 1400°C, insbesondere über 1200°C und bevorzugt in einem Bereich von 1250°C bis 1400°C erreicht werden. Die Temperatur soll über einen Zeitraum von 5 bis 15 Minuten, insbesondere 5 bis 10 Minuten, bevorzugt 8 bis 10 Minuten gehalten werden, bevor sich eine weitere Warmumformung anschließt.
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Eine der Lagen wird vorzugsweise mit einer Dicke von 1 mm bis 10 mm erzeugt. Dabei handelt es sich um die Lage mit dem höherwertigen Werkstoff, welche bevorzugt relativ zu der anderen Lage dünner ausgebildet ist, so dass die Kosten für den Materialeinsatz gering sind. Die Dicke wird bei der nachfolgenden Warmumformung stark reduziert. Die Dickenreduzierung erfolgt beim Warmwalzen vorzugsweise durch Schrägwalzen, auf einer Stoßbank und durch Streckreduzierwalzen. Parallel zu der Dickenabnahme der beiden miteinander verbundenen Lagen wird auch der Außenumfang bzw. Außendurchmesser verringert. Die Außendurchmesserabnahme beträgt vorzugsweise mindestens 30%, bevorzugt mindestens 50% bezogen auf den Außendurchmesser des Blockes. Die Durchmesserabnahme kann durch Warmwalzen als Schrägwalzen und durch Streckreduzierwalzen erreicht werden. Optional kann das warmgewalzte Rohrprodukt anschließend noch kaltgezogen werden, wobei sich die vorstehenden Angaben bezüglich der relativen oder absoluten Dicke der Diffusionsschicht oder der Lagen auf den warmgewalzten Zustand des Rohrproduktes beziehen, wenn es nicht anders angegeben ist.
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Wesentlich für die Qualität des mehrlagigen Rohrproduktes sind die Herstellung und die Zusammensetzung sowie die Weiterverarbeitung des Blocks. Durch das Schleudergießen kann die Oberfläche des Blocks je nach Gestalt der Kokille und je nach Erstarrungszustand der Basislage bedingt uneben sein. Solche Unebenheiten können bei einem mehrschichten Schleudergießen teilweise ausgeglichen werden. Das fertiggewalzte Rohrprodukt mit der durch Schleudergießen aufgebrachten Lage weist äußerlich keine auf das Schleudergießen zurückzuführende Unebenheiten auf. Für die Erfindung ist die Oberflächenbeschaffenheit der Basislage, als auch der 2. Lage daher zweitrangig, was größere Fertigungstoleranzen erlaubt.
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Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, auf die Basislage oder auch auf die 2. Lage eine weitere Lage durch Auftragschweißen aufzubringen. Die durch Auftragschweißen aufgetragene weitere metallische Lage besteht vorzugsweise aus einem anderen Werkstoff als die Basislage oder die 2. Lage. Auch zwischen diesen nachträglich aufgebrachten Lagen kann eine Diffusionsschicht ausgebildet und gezielt eingestellt werden. Die Diffusionsschicht kann in diesem Fall eine Dicke von 5 bis vorzugsweise 500 µm haben und beträgt vorzugsweise 0,1% bis 50% der Dicke der durch Auftragschweißen aufgetragene Lage am fertigen Rohrprodukt.
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Die Qualität des fertigen Rohrproduktes hängt maßgeblich von der Warmumformung des mehrlagigen Blocks ab. Während der Warmrohrherstellung wächst die Diffusionsschicht zwischen den Lagen auf eine gewünschte Mindestschichtdicke.
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Gleichzeitig werden etwaige oberflächliche Unregelmäßigkeiten egalisiert. Bei einer Erwärmung zum Warmwalzen in z. B. einem Drehherdofen und einem gegebenenfalls vorgenommenen Zwischenglühen zwischen zwei Warmumformschritten kann die Diffusionsschicht auf bevorzugte Dicken größer 5 µm, insbesondere über 10 µm am fertigen Rohrprodukt eingestellt werden.
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Der zur Herstellung eines nahtlosen, warmgewalzten Rohrproduktes gemäß dem vorstehend geschilderten Verfahren verwendete metallische Block besitzt die vorstehend beschriebene durch Schleudergießen hergestellte Basislage, auf die durch Schleudergießen wenigstens eine weitere Lage aus einem von der Basislage abweichenden metallischen Werkstoff aufgebracht ist. Das Schleudergießen kann mehrschichtig erfolgen, wobei die 2. oder auch weitere Lage im Ausgangszustand, das heißt, vor der Warmumformung, eine Dicke von 5 bis 200 mm besitzt.
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Die Zusammensetzung des Blockes bestimmt die Eigenschaften des fertigen Rohrproduktes. Vorzugsweise handelt es sich bei den unterschiedlichen metallischen Werkstoffen um Stähle, die auf den jeweiligen Anwendungsfall des Rohrproduktes abgestimmt sind. Beispielsweise kann die Basislage eine warmfeste Stahllegierung sein, während die aufgebrachte 2. Lage aus Edelstahl, rostfreiem austenitischen Stahl, rostfreiem ferritischen Stahl oder aus einem Mehrphasenstahl mit austenitisch-ferritischem Gefüge besteht. Es kann für die 2. Lage insbesondere ein warmfester Stahl z. B. 16Mo3 verwendet werden. Ein solches Rohrprodukt eignet sich beispielsweise als Kesselrohr, d. h. für Einsatzzwecke mit erhöhten Temperaturen.
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Rohrprodukte, die als Förder- oder Leitungsrohr verwendet werden sollen, können hingegen außenseitig z. B. aus Baustahl gemäß EN10025-1:2005 bestehen und innenseitig eine Lage aus Edelstahl, rostfreiem austenitischem Stahl oder rostfreiem ferritischem Stahl besitzen.
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Bei einem Rohrprodukt zur Verwendung als Antriebswelle oder Getriebewelle können als zweite Lage beispielsweise Baustähle gemäß EN10025-1:2005 und als äußere Basislage austenitische oder härtbare Stahllegierungen verwendet werden.
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Derartige Rohrprodukte können auch als Förderrollen, z. B. als Anwendungen in Öfen oder beim Stückguttransport zum Einsatz kommen sowie als Hydraulikzylinder.
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Die radial äußeren Oberflächen derartiger Rohrprodukte sind dabei bevorzugt rostfrei. Es können daher als äußere Lagen (Basislagen) Edelstähle, rostfreie austenitische Stähle oder rostfreie ferritische Stähle sowie rostfreie martensitische Stähle auch als Duplexstähle mit Ferrit/Austenit-Mix zum Einsatz kommen, während die 2., innere Lage aus einem mittel legierten oder niedrig legierten Stahl besteht. Für Hydraulikzylindergehäuse ist aufgrund der erhöhten Beanspruchung der inneren Oberfläche ein umgekehrter Lagenaufbau sinnvoll.
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Bevorzugt kommen allerdings für die Basislage des Blocks Stahllegierungen mit 0,05 bis 2,06 Gew.-% Kohlenstoff mit austenitischem, ferrritisch-perlitischem oder martensitischem Gefüge oder einer Kombination der vorgenannten Gefüge, in Kombination mit einer durch Schleuderguss aufgetragenen 2. Lage zum Einsatz.
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Die Erfindung ist nicht auf zweilagige Rohrprodukte beschränkt. Eine Dreilagenanordnung ergibt sich bei Rohrprodukten, bei denen auf die Basislage und/oder die 2. Lage eine weitere Lage durch Aufragschweißung aufgebracht ist. Innenseitig sind auch mehrere Lagen durch Schleudergießen herstellbar.
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Die Erfindung zeichnet sich durch eine vergleichsweise kostengünstige Fertigung aus, die keine spanabhebende äußere Bearbeitung des Blocks vor dem Warmbetrieb erforderlich macht. Es ergeben sich Diffusionsschichten mit sehr sanften Übergängen zwischen den miteinander zu verbindenden Lagen. Die Haftung der Lagen ist sehr gut einstellbar und gleichzeitig sehr homogen. Daraus resultiert ein sehr gleichmäßiger thermischer Übergang zwischen den Lagen. Anders als beim Aufschweißen oder Aufpressen eines 2. Rohres auf ein erstes Rohr ist keine nachträgliche Wärmebehandlung des Übergangsbereichs an diesen Rohren erforderlich. Zudem kann durch das Warmwalzen ein lunkerfreier Übergang zwischen den einzelnen Lagen hergestellt werden. Die ausgesprochen wirtschaftliche Fertigungsweise ermöglicht es, mehrlagige Rohre mit hervorragenden Oberflächeneigenschaften herzustellen, die sich insbesondere durch das Streckreduzierverfahren ergeben. Dort kann das Rohr ohne Innenwerkzeug im Durchmesser reduziert werden, indem es eine Vielzahl von 3-Walzen-Gerüsten durchlaufen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher ohne zusätzliche Maschinen oder zusätzlichen Werkzeugaufwand in bestehende Fertigungsprozesse und Anlagen der Warmrohrfertigung integriert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
- 1a einen Querschnitt durch einen zweilagigen, im Schleudergußverfahren hergstellten Block,
- 1b den umgeformten Block der 1a im Querschnitt;
- 2a eine weitere Ausführungsform eines zweilagigen Blocks und
- 2b den umgeformten Block der 2a im Querschnitt.
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1 zeigt einen im Querschnitt kreisrunden Block 1 wie er zur Herstellung eines nahtlosen, mehrlagigen Rohrproduktes verwendet werden soll. Der Block 1 besteht aus einem metallischen Werkstoff. Er ist im Schleudergußverfahren hergestellt. Hierzu wurde in einer rotierenden Kokille eine Basislage 2 schleudergegossen. Die Basislage 2 bildet den radial außenliegenden Bereich des Blockes 1. Auf diese Basislage 2 wurde in einem zweiten Schritt eine 2. Lage 3 schleudergegossen. Die 2. Lage 3 unterscheidet sich von der Basislage 2 in diesem Ausführungsbeispiel durch ihre Dicke. Die 2. Lage besitzt eine geringere Dicke. Die verarbeiteten metallischen Werkstoffe besitzen insbesondere voneinander abweichende Eigenschaften, die sowohl chemisch als auch thermisch und/oder mechanisch und/oder in der Gefügestruktur begründet sein können. Der so hergestellte, hohlzylindrische Block 1 wird zur Herstellung eines nahtlosen mehrlagigen Rohrproduktes warmumgeformt. Durch die Temperaturführung und auch durch den Umformschritt wird zwischen der Basislage 2 und der darauf aufgebrachten 2. Lage 3 eine Diffusionsschicht 4 ausgebildet, wie sie in 1b dargestellt ist. Die Diffusionsschicht 4 soll am fertigen, warmgeformten Rohrprodukt eine Dicke von wenigstens 5 µm besitzen und eine Dicke von 0,1% bis 50% bezogen auf die Dicke der im Schleudergußverfahren aufgebrachten dünneren Lage, in diesem Fall bezogen auf die 2. Lage 3.
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Die Erfindung betrifft auch die umgekehrte Konfiguration, bei welcher die Basislage 2 die dünnere der beiden Lagen 2, 3 ist und wobei die 2., durch Schleudergießen aufgetragene Lage 3 die dickere Lage ist. 2a zeigt einen solchen Block 1 als Vorprodukt zur Herstellung eines nahtlosen, mehrlagigen Rohrproduktes.
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2b zeigt den umgeformten Block der 2a nach einem Warmumformschritt. Es ist erkennbar, dass eine Diffusionsschicht 4 zwischen der Basislage 2 und der darauf von innen aufgetragenen 2. Lage 3 ausgebildet ist. Die Dicke der Diffusionsschicht 4 soll mindestens 5 µm betragen. Vorzugsweise beträgt ihre Dicke 0,1% bis 50% der Dicke der im Schleudergußverfahren aufgebrachten dünneren Lage, das heißt in diesem Fall der Basislage 2.
