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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Rundstäben aus einem metallurgischen Verbund verschiedener metallischer Werkstoffe durch Umformung, indem mindestens ein rohrförmiger Mantel auf einen zylindrischen Kern aufgewalzt wird.
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Unter den gegenwärtig angewendeten Plattierungsverfahren ist das Walzplattieren von besonderer Bedeutung. Dabei wird zwischen dem Warm- und Kaltplattieren unterschieden. Beim Warmplattieren laufen im Unterschied zum Kaltplattieren neben den mechanischen Vorgängen gleichzeitig auch thermisch bedingte Diffusionsprozesse ab. Für das Warmplattieren spricht, dass nur geringe Oberflächenvorbehandlungen der Verbundschichten notwendig sind. Nachteilig kann sich allerdings der erhöhte Temperatureintrag auf die lokalen Gefügeausbildungen auswirken.
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Generell werden beim Walzplattieren flächige und lokale Plattierungen in Band-, Blech-, Stab-, Rohr- und Profilform hergestellt. Die weit verbreiteten Produktionstechniken für Band- und Blechplattierungen sind nahezu ausgereift, und sie bereiten aufgrund der ebenen Oberflächen der Produkte nur geringe Probleme. Problematischer sind hingegen Plattierungen gekrümmter Oberflächen im Stab-, Rohr und Profilbereich.
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In der Rohrindustrie werden plattierte Rohre großindustriell durch Warmwalzen hergestellt, wobei die inneren und äußeren Rohre eines Rohrverbundes unterschiedliche Funktionen erfüllen. So wird beispielsweise bei einem Rohrverbund die Korrosionsbeständigkeit des inneren Rohres durch dessen Ni-Basis-Legierung und die Festigkeit durch das äußere Rohr aus Stahl gewährleistet. Derartige Konstellationen sind bei der Erdöl- und Erdgasförderung sowie im chemischen Anlagenbau weit verbreitet.
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Für das Walzplattieren von Rohren kommen in der Praxis mehrere, unterschiedliche Rohrwalzwerke in Betracht. Bekannt ist, dass zur Gewährleistung der Bindefestigkeit im Werkstoffverbund vielfach ein hoher anlagentechnischer Aufwand für das mehrstichige Walzen auf mehreren Anlagen erforderlich ist. Ferner ist zu beobachten, dass dem Walzplattieren bei vielen Technologien zeit- und kostenintensive Vorbehandlungsprozesse (Explosionsverfahren, Kaltziehen) vorausgehen, um bereits im Vormaterial mechanische Bindungskräfte zwischen den Verbundschichten einzustellen.
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Auch im Stabstahlbereich sind seit vielen Jahren Herstellungsverfahren für plattiertes Stabmaterial durch Warmwalzen bekannt. In den meisten Fällen wird dabei stabförmiges Verbundmaterial für den Einsatz in stark korrosionsbelasteten Umgebungen erzeugt. Diese Verbundstäbe weisen in der Regel einen Kern aus C-Stahl oder niedriglegierten Stählen auf, der von einem Mantel aus nichtrostendem Stahl umgeben ist. Typische Produkte dafür sind beispielsweise Bewehrungsstähle für Spezial-Betonkonstruktionen, die in Meerwasseranlagen, Reaktorbauten, Abwasser- oder Chemieanlagen eingesetzt werden.
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In der Regel werden diese Bewehrungsstähle in mehrgerüstigen Kaliber-Stabstahlwalzwerken hergestellt.
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In der
DE 30 39 428 C2 wird die Herstellung plattierter Stahlstäbe durch Warmwalzen in einem Stabstahlwalzwerk beschrieben. Dabei wird ein zylindrischer Stab aus C-Stahl mit Außendurchmesser von 191 mm in ein Rohr aus nichtrostendem Stahl (Innendurchmesser 206 mm, Außendurchmesser 216 mm, Wanddicke 5mm) eingeführt. Das ineinandergefügte Material wird auf einer hydraulischen 200-t-Ziehbank zu einem plattierten Zwischenmaterial kaltgezogen, um die Haftfestigkeit zwischen Rohr und Stab zu verbessern.
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Dieses plattierte Zwischenmaterial wird in einem Vorwärmofen auf die Umformtemperatur von 1160 °C erhitzt. Die endgültige, gewünschte Produktqualität wird in einem kontinuierlichen Stabwalzwerk mit Vorwalz-, Zwischen- und Fertiggerüsten in mehreren Stichen unter Auswahl der Stichanzahl, der Stichfolge und der Stichabnahme eingestellt. Nach einem abschließenden Kaltziehen weisen die plattierten Stäbe einen Außendurchmesser von 19 mm und eine Manteldicke von 0,45 mm auf.
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Ein Verfahren zur Herstellung von plattiertem Bewehrungsstahl wird in der
DE 101 48 625 A1 vorgestellt. Das Ausgangsmaterial besteht aus zylinderförmigen, Si- und Allegierten Stahlstäben, die in hohle Rohlinge aus rostfreiem Stahl eingesetzt werden. Die so entstandenen Bimetallblöcke werden auf Umformtemperatur erhitzt und in einem Gerüst mit „Rhombus-Quadrat“-Kalibersystem durch reversierendes Warmwalzen in mehreren Stichen zu Zwischenrohlingen von 40x40 mm umgeformt.
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Nach einer Wärmebehandlung werden die quadratischen Rohlinge in einem weiteren Warmwalzen durch ein Kalibersystem „Oval-Rund“ zu Stangen mit Durchmesser 20 bis 14 mm umgeformt. Dabei wird in den letzten Stichen mittels Walzen mit geriffelter Oberfläche ein Rippenprofil auf die plattierten Stangen aufgebracht. Das vorgestellte Verfahren soll zur Herstellung verhältnismäßig billiger, korrosionsbeständiger und hochfester Bewehrungsprofile geeignet sein.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zum Walzplattieren von Rohren und Stäben zielen in der Regel vorrangig darauf ab, in großtechnischen Fertigungsprozessen geradlinige Produkte mit ausreichender Bindungsfestigkeit zwischen den Verbundschichten herzustellen. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren werden zudem große Anstrengungen zur Vereinfachung der Vorbehandlungen des Ausgangsmaterials unternommen.
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Für die praktische Umsetzung der o.g. Zielstellungen ist jedoch gemäß den bekannten Lösungsvorschlägen nach wie vor ein beträchtlicher technologischer und anlagentechnischer Aufwand notwendig. So werden beispielsweise die gängigen Walzplattierungsverfahren sowohl im Rohr- als auch im Stabbereich mit einer Vielzahl von Walzstichen auf mehrgerüstigen Anlagen durchgeführt und dem Walzprozess sind häufig zusätzliche zeit- und kostenintensive Kaltziehschritte vorangestellt und/oder nachgeordnet.
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Im Rahmen der bekannten Walzplattierungsverfahren werden in der Mehrzahl Werkstoffverbunde hergestellt, die im Wesentlichen zur Verbesserung des Korrosions- oder Verschleißschutzes in besonderen Anwendungsbereichen beitragen. Es handelt sich hierbei um Standardprodukte, die keine innovativen Eigenschaftsmerkmale, wie beispielsweise variable Geometrieausbildungen oder unterschiedliche Funktionsausprägungen, aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen plattierter Rundstäbe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die über ihre Länge variable Durchmesser und unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die technologischen Voraussetzungen zur gezielten Herstellung endabmessungsnaher Produkte mit unterschiedlich ausgeprägten Funktionsmerkmalen und somit hohem Wertschöpfungsanteil geschaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden in den Ansprüchen 2 bis 6 erläutert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, durch Walzplattieren verschiedener metallischer Werkstoffe Verbundstäbe herzustellen, die über ihre Länge unterschiedliche Durchmesser und unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.
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Darüber hinaus ist im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, die prozessspezifische Eigenart des Schrägwalzens, die „Verdrillung“ des Werkstoffs in der oberflächennahen Zone des Walzgutes, gezielt für eine besonders intensive Ausbildung der Bindungsfestigkeit zwischen den Werkstoffschichten zu nutzen.
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Die zu den vorteilhaften Produktinnovationen führenden technologischen Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens äußern sich darin, dass bei der induktiven Erwärmung des Rohlings auf Umformtemperatur über dessen Querschnitt ein Temperaturgradient eingestellt werden kann und dass die Umformparameter während des Walzens durch Auf- und Zufahren der Walzenanstellung und/oder durch Verstellen des Spreizwinkels geändert werden können.
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Das erfindungsgemäße Warmwalzplattieren erfolgt in einem 3-Walzen-Schrägwalzgerüst und die für den Plattierungsprozess maßgebliche Umformintensität wird durch inkrementelles Umformen in einem Walzstich aufgebracht.
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Die Erfindung weist gegenüber den bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik beträchtliche Vorteile auf. Mit den erfindungsgemäßen Verbundstäben, die unterschiedliche Durchmesser und Schichtdicken über ihre Länge aufweisen, werden endabmessungsnahe Produkte bereitgestellt, die als Ausgangsmaterial für die Fertigung von Bauteilen mit spezifischen Eigenschaftskombinationen eingesetzt werden. Aufgrund der endabmessungsnahen Kontur der erfindungsgemäßen Verbundstäbe können daraus mit vergleichsweise geringfügigem Spanungsaufwand Bauteil-Komponenten mit einbaufertigen Maßen hergestellt werden.
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Darüber hinaus eröffnen die endabmessungsnahen Verbundstäbe sehr vorteilhafte Voraussetzungen für die Umsetzung von Leichtbaukonzepten.
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Verbundmaterialien, in denen Werkstoffkomponenten mit geringer Dichte und somit geringerer Masse zum Einsatz kommen, tragen generell zur Umsetzung der Leichtbauweise bei.
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Mit dem Einsatz der erfindungsgemäß hergestellten Verbundstäbe werden jedoch darüber hinaus die Leichtbaupotenziale von Verbundwerkstoffen unter Berücksichtigung des späteren Belastungsprofils der stabförmigen Bauteile optimaler ausgeschöpft. So können beispielsweise über die Länge der Stäbe belastungsspezifische Geometrien eingestellt werden. Randschichtdicken und Durchmesser eines Verbundstabes können in den Stabbereichen, in denen das spätere Bauteil den höchsten Belastungen ausgesetzt ist, stärker ausgelegt werden als in anderen Längenbereichen des Stabes. Analog dazu werden die Stabgeometrien in den Bereichen mit geringerer Belastung entsprechend schlanker ausgeprägt. Auf diese Weise können die Potenziale zur Gewichtseinsparung optimal ausgenutzt werden.
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Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der erforderliche anlagentechnische Aufwand für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich geringer ist als bei den bekannten Lösungen des Standes der Technik. So werden die beim Walzplattieren generell angestrebten Effekte, Einstellung gewünschter Durchmesser- und Schichtdicken-Geometrien sowie guter Bindungsfestigkeiten zwischen den Verbundschichten, beim erfindungsgemäßen Verfahren auf einem 3-Walzen-Schrägwalzgerüst in einem Walzstich erreicht.
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Die Erklärung dafür liefert eine FEM -Analyse des Schrägwalzprozesses. Darin wird nachgewiesen, dass bei einem Durchlauf des Walzgutes durch den Walzspalt eines Schrägwalzgerüstes ein inkrementelles Umformpotenzial aufgebracht wird, das der Umformintensität von 10 bis 12 Walzstichen in konventionellen Kaliberwalzgerüsten entspricht.
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Im Vergleich zu den Anlagenkonfigurationen bekannter Walzplattier-Verfahren erfordert die Umformtechnik des erfindungsgemäßen Verfahrens einen wesentlich geringeren Platzbedarf, es fallen geringere Investitions-, Produktions- und Energiekosten an und das Verfahren weist insgesamt eine bessere Wirtschaftlichkeit auf.
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Nach den Merkmalen der Erfindung werden die Rohlinge, die in der Regel aus einem zylindrischen Kern und einem darauf gesteckten rohrförmigen Mantel unterschiedlicher Werkstoffe bestehen, vor dem Walzplattieren auf Umformtemperatur erwärmt. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung können auf den zylindrischen Kern auch zwei oder mehrere Mantelrohre aufgesteckt werden. Erfindungsgemäß erfolgt die Erwärmung der Rohlinge in einer Induktionsanlage.
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Beim Warmwalzplattieren ist grundsätzlich zu beachten, dass die einzelnen Werkstoffe der ausgewählten Verbundpaarungen ein jeweils unterschiedliches Fließspannungsverhalten aufweisen. Insbesondere beim Warmwalzplattieren von Werkstoffen mit sehr unterschiedlicher Festigkeit tritt das Problem auf, dass die Verbindungsbildung zwischen den Verbundschichten durch das frühere Fließen des weicheren Werkstoffs erschwert wird. Ferner ist beim Walzplattieren einer dünnen weichen Schicht auf einen dicken festen Kern eine unterschiedliche Längung und somit eine Relativbewegung zwischen den Plattierungswerkstoffen zu beobachten. Auch bei der Reduktion von Schichtdicken spielt die differenzierte Fließspannung der unterschiedlichen Verbundwerkstoffe eine wesentliche Rolle.
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Diesen Schwierigkeiten kann weitestgehend begegnet werden, indem die Fließspannungsunterschiede verschiedener Werkstoffe durch die gezielte Einstellung differenzierter Temperaturfelder abgebaut werden und eine Angleichung des Fließspannungsverhaltens zwischen den verschiedenen Werkstoffen erfolgt.
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Die beim Warmwalzplattieren durch Fließspannungsunterschiede hervorgerufenen Probleme werden mit den Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gelöst, dass bei der Erwärmung des aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Rohlings ein Temperaturgradient über dessen Querschnitt eingestellt wird. Dabei erfolgt die gezielte Temperaturfeldbeeinflussung derart, dass am Ort der Umformzone senkrecht zur Walzebene ein Temperaturgradient wirksam ist, dessen Maximaltemperatur in den einzelnen Plattierebenen immer unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs der betreffenden Ebene liegt.
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Der Temperaturgradient über den Querschnitt des Rohlings wird primär in einer Induktions-Erwärmungsanlage eingestellt. Um sicher zu stellen, dass der gezielt eingestellte Temperaturgradient auf dem Weg zum Walzspalt keine Temperaturveränderungen erfährt, durchläuft das Walzgut zwischen Austritt aus der Induktionsanlage und Eintritt in den Walzspalt eine thermische Behandlungsstrecke. In dieser thermischen Behandlungsstrecke sind Erwärmungs- und Kühleinheiten angeordnet, die zur Aufrechterhaltung des eingestellten Temperaturfeldes alternativ aktiviert werden können.
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Die konkrete Ausbildung des Temperaturgradienten über den Querschnitt des Walzguts wird über die elektrischen Stellgrößen der Induktionsanlage gesteuert. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Auswahl spezifischer Frequenzbereiche der Induktionsspulen. So führen beispielsweise bei der Erwärmung stabförmigen Walzgutes höherer Frequenzen zu einer stärkeren Aufheizung der Randbereiche.
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Ausgehend von den gewählten Ausgangsbedingungen und den Zielstellungen eines erfindungsgemäßen Warmplattierungsvorgangs werden die konkreten Eingangsdaten für die Beschreibung des einzustellenden Temperaturgradienten und für die Festlegung der dafür notwendigen Steuerparameter der Induktionsanlage durch ein Erwärmungsprozessmodell bereitgestellt.
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Das erfindungsgemäße Erwärmungsprozessmodell ist in der Lage, die Temperaturverteilung im Walzgut während des gesamten Prozessablaufes zu beschreiben.
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Für den erfindungsgemäßen Einsatz des Erwärmungsprozessmodells wurde ein vorhandenes Erwärmungsmodell an alle zeitlichen und räumlichen Bedingungen des Wärmehaushalts beim Warmwalzplattieren mittels Schrägwalzen angepasst. In diesem Anpassungsprozess wurden alle thermophysikalischen sowie elektrischen und magnetischen Eigenschaften in Frage kommender Werkstoffe, die Gesamtheit der technologischen Parameter des Schrägwalzens, die Anlagenspezifik von 3-Walzen-Schrägwalzgerüsten sowie von Induktions-Erwärmungsanlage für Stabmaterial berücksichtigt.
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Nach Erwärmung des aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Rohlings und Einstellung der vom Erwärmungsprozessmodell vorgegebenen Temperaturfelder in den einzelnen Plattierungsschichten läuft das Ausgangsmaterial in den Walzspalt eines 3-Walzen-Schrägwalzgerüstes ein.
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Das für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete 3-Walzen-Schrägwalzgerüst weist anlagentechnische Besonderheiten auf, die eine Veränderung ausgewählter Umformparameter während des Walzens ermöglichen. So ist das Gerüst mit einer Durchmesserregelung ausgestattet, die eine Einstellung variabler Durchmesser über die Länge des Walzgutes während des Walzens ermöglicht. Die Vorgaben der Durchmesserregelung werden über einen Walzenanstellmechanismus durch gezieltes Auf- und Zufahren der Walzen während des Prozessablaufes realisiert.
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Durch das Auf- und Zufahren der Walzenanstellung während des Umformvorgangs wird der Umformgrad geändert und es können unterschiedliche Durchmesser über die Länge des Walzgutes eingestellt und Produkte mit endabmessungsnahen Dimensionen hergestellt werden.
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Zudem ist das Gerüst mit geeigneten Verstelleinrichtungen ausgestattet, um den Spreizwinkel der Walzen ebenfalls während des Walzvorgangs zu verändern. Durch Änderung des Spreizwinkels können die Vorschubbedingungen derart verändert werden, dass Übergänge von einem Durchmesser zu einem anderen in kurzzeitiger Aufeinanderfolge möglich werden.
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Darüber hinaus kann durch die Online-Verstellung der Spreizwinkel der Walzen zusätzlich Einfluss auf die aktuell anliegende Umformintensität insbesondere in den oberflächennahen Bereichen des Walzgutes ausgeübt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination von online Änderungen des integralen Umformgrades und Anpassung des Fließverhaltens der Verbundwerkstoffe durch Einstellung eines entsprechenden Temperaturgradienten über den Querschnitt des Walzgutes können über die Länge des gewalzten Stabes unterschiedliche Durchmesser und unterschiedliche Schichtdickenverhältnisse eingestellt werden.
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Ausgehend von den erfindungsgemäßen Merkmalen, Einstellung eines Temperaturgradienten über den Querschnitt des Rohlings und Änderungen ausgewählter Umformparameter während des Walzens, können die der inkrementellen Umformung beim Schrägwalzen innewohnenden Eigenarten, hohe Umformintensität und Verdrillung des Gefüges im oberflächennahen Bereich, bereits mit einem Walzstich sehr wirkungsvoll beim Walzplattieren ausgenutzt werden.
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Die beim Schrägwalzen über sehr kleine Kontaktflächen zwischen Walze und Walzgut erfolgende Umformung führt zu einem sehr komplexen Spannungszustand mit ausgeprägten Gradienten zwischen Oberfläche und Kernbereich. In Folge dieses Spannungszustandes erfolgt eine intensive „Verdrillung“ der oberflächennahen Bereiche des Stabes. Diese „Verdrillung“ des Gefüges kann auch als eine Form der „Verseilung“ des Gefüges betrachtet werden. Im Ergebnis der Umformung entsteht somit ein Walzstab, dessen Kern aus einem normalen Walzgefüge besteht, das von einem sehr feingliedrig geflochtenen Netz umspannt wird. Beim Schrägwalzen von Verbundmaterialien fällt die oberflächennahe Zone der intensiven „Verdrillung“ in der Regel in den Grenzflächenbereich zwischen Mantelschicht und Kern. Der mit der intensiven „Verdrillung“ einhergehende „Verseilungseffekt“ des Gefüges führt zu einer Verzahnung der beiden Werkstoffe im Grenzbereich und unterstützt somit die Herausbildung der metallurgischen Bindungsfestigkeit zwischen den Verbundschichten.
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Die Intensität der „Verdrillung“ des Gefüges kann über die Einstellung des Spreizwinkels beeinflusst werden. Durch Veränderungen des Spreizwinkels wird der tangentiale Formänderungsanteil beim Schrägwalzen direkt beeinflusst. Je kleiner der eingestellte Spreizwinkel ist, desto höher ist der tangentiale Formänderungsanteil und desto intensiver ist der „Verdrillungsprozess“ in der Grenzfläche zwischen Mantelschicht und Kernzone ausgeprägt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Verbundstäben aus verschiedenen metallischen Werkstoffen wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Gemäß der vorliegenden Erfindung wurden plattierte, abgesetzte Wellen gewalzt, die zur Fertigung von Pumpenstangen für den Einsatz in der Erdölindustrie vorgesehen sind.
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Pumpenstangen werden in der Erdölindustrie als Verbindungsgestänge zwischen einer im Bohrloch befindlichen Pumpe und der an der Bohrlochmündung angeordneten Hub- oder Pumpvorrichtung eingesetzt. Nach internationalen Standards werden Pumpenstangen als ungeteilte Ganzstücke hergestellt, die in ihrem Hauptlängenbereich einen gleichmäßigen Querschnitt und in der Nähe ihrer beiden Enden jeweils eine Querschnittsverdickung aufweisen. Diese Querschnittsverdickungen werden mit Gewindeköpfen versehen und sie dienen der endseitigen Verbindung mehrerer Pumpenstangen miteinander. In der Regel werden die endseitigen Querschnittsverdickungen durch Stauchvorgänge auf Horizontal-Schmiedemaschinen oder Pressen ausgeformt. Besondere Bedeutung hat bei diesem Vorgang die stufenlose Ausbildung der Übergänge vom zylindrischen Stab zu den beiden endseitigen Querschnittsverdickungen. Diese Übergangszonen werden als tangential verlaufende Kreisbögen ausgeführt, um etwaige Spannungsanhäufungen, die während des Stangenbetriebes zu Korrosions- und Ermüdungsrissen führen können, zu reduzieren.
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Pumpenstangen werden während des Betriebes komplexen, zyklischen Belastungen bei der Übertragung der hin- und hergehenden Bewegung auf die Pumpenkolben, starken korrosiven Einwirkungen durch das Erdölmedium sowie Biegebeanspruchungen in gekrümmten und geneigten Bohrlöchern ausgesetzt.
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An Pumpenstangen werden höchste Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt, weil der Bruch einer Stange zu Beschädigungen anderer Stangen am Bohrgestänge führt und somit eine Unterbrechung des Bohrbetriebes und aufwendige Reparaturarbeiten am Bohrloch die Folge sind.
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Um diesen Zuverlässigkeitsanforderungen erfolgreich zu begegnen, werden für die Herstellung von Pumpenstangen kostspielige Werkstoffe eingesetzt, die sowohl den mechanischen Belastungen als auch den Korrosionsbeanspruchungen standhalten. Ferner ist festzustellen, dass der Fertigungsprozess selbst durch die unterschiedlichen Fertigungsstufen zeit- und kostenintensiv ist.
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Die Zielstellung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels besteht in erster Linie darin, den Anteil teurer Werkstoffe bei der Herstellung von Pumpenstangen durch Einsatz von Werkstoffverbunden spürbar zu senken. Ein zweiter vorteilhafter Gesichtspunkt wird dadurch realisiert, dass beim Schrägwalzen in nur einem Walzschritt ein auf das Beanspruchungsprofil ausgerichteter Werkstoffverbund in Form eines endabmessungsnahen Pumpenstangen-Rohlings hergestellt wird und der nachfolgende spanabhebende Bearbeitungsaufwand zur Fertigstellung einer einbaufertigen Pumpenstange vermindert werden kann.
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Der Lösungsansatz des erfindungsgemäßen Fertigungsbeispiels geht davon aus, dass die beiden Hauptfunktionen einer Pumpenstange, Aufnahme extremer mechanischer Belastungen bei gleichzeitiger Korrosionsbeständigkeit, durch den Einsatz eines Werkstoffverbundes in optimaler Weise auf zwei Werkstoffe unterschiedlicher Eigenschaftsausprägung aufgeteilt werden können.
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Die mechanischen Belastungen werden in erster Linie von dem stabförmigen Kern der Pumpenstange aus einem C45-Stahl aufgenommen. Die Funktion der Korrosionsbeständigkeit wird durch den Mantelwerkstoff, einen nichtrostenden Chrom-Stahl mit Molybdänzusatz (X39CrMo17-1), realisiert.
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Der C 45 weist max. 0,4 % Cr, 0,4 % Ni und max. 0,1 % Mo auf. Der X39CrMo17-1, der vielfach als Ausgangswerkstoff für die Fertigung von Pumpenwellen eingesetzt wird, enthält 15,5-17,5 % Cr, 0,8-1,3 % Mo und max. 1 % Ni.
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Die aus C45-Stahl bestehenden Stäbe für den Kernbereich des Materialverbundes haben einen Durchmesser von 34 mm, die Mantelrohre aus Chrom-Stahl weisen eine Wanddicke von 4 mm auf. Der Innendurchmesser der Mantelrohre ist geringfügig größer als der Durchmesser der Kernstäbe, so dass beide Komponenten des Ausgangsmaterials problemlos ineinandergesteckt werden können. Vor dem Ineinanderstecken ist zu gewährleisten, dass die Außenhaut der Kernstäbe und die Innenfläche der Mantelrohre keine Zunderanhaftungen oder Verunreinigungen aufweisen.
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Die als Ausgangsmaterial für das Walzplattieren bereitgestellten Verbundstäbe weisen einen Durchmesser von 42 mm auf und sie sind 3 200 mm lang.
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Vor Beginn des eigentlichen Walzplattierens werden die anlagenspezifischen und technologischen Parameter für den Erwärmungs- und Umformprozess ermittelt und in die Steuerung der Induktions-Erwärmungsanlage sowie des Walzgerüstes eingegeben.
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Bei der Ermittlung dieser speziellen Steuerungsparameter spielen die Eigenschaftsprofile der unterschiedlichen Werkstoffen der Verbundstäbe, die Abmessungen der Kern- und Mantelkomponenten des Ausgangsmaterials und vor allem die finalen Zielstellungen hinsichtlich der endabmessungsnahen Kontur des Walzproduktes eine entscheidende Rolle.
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Generell führt das Walzplattieren von Werkstoffen mit unterschiedlicher Festigkeit zu dem Problem, dass die Verbindungsbildung zwischen den Verbundwerkstoffen durch das frühe Fließen des weicheren Werkstoffes erschwert wird.
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Auch die beiden im Ausführungsbeispiel verwendeten Verbundwerkstoffe weisen ein sehr unterschiedliches Fließspannungsverhalten auf. So beträgt beispielsweise bei einer Umformtemperatur von 800 °C und ansonsten gleichen Umformbedingungen (Umformgrad 0,6; Umformgeschwindigkeit 100 s-1) der Fließspannungswert des C 45 ca. 339 MPa, der des Chrom-Stahls ca. 452 MPa.
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Beim Walzplattieren kann die Verbindungsbildung im Grenzbereich der Verbundschichten weitestgehend durch eine temperaturbedingte Angleichung der Fließspannungen der beiden Werkstoffe des Werkstoffverbundes positiv beeinflusst werden.
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Die Fließspannung ist abhängig vom Werkstoff selbst und von den Umformparametern Temperatur, Umformgrad und -geschwindigkeit.
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Als Stellgröße für eine möglichst nahe Angleichung der Fließspannungen des C45 und des Chromstahls während des Walzplattierens wird im Ausführungsbeispiel die Umformtemperatur genutzt.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Erwärmungsprozessmodells werden im Vorfeld des eigentlichen Walzvorgangs für die beiden Werkstoffe des zu plattierenden Stabes die Temperaturfelder ermittelt, in denen die Fließspannungen der beiden Werkstoffe weitestgehend übereinstimmen und in denen die Umformung der beiden Werkstoffe erfolgen muss. Das Erwärmungsprozessmodell ermittelt die einzustellenden Temperaturgradienten auf der Grundlage umfassender Eigenschaftsparameter der eingesetzten Werkstoffe, vorgesehener technologischer Walzparameter, spezifischer Besonderheiten des Schrägwalzgerüstes und spezifischer Angaben zu den Erwärmungsanlagen, die allesamt in das Modell eingegeben werden müssen.
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Ausgehend von dem aktuellen Modellinput im Rahmen des erfindungsgemäßen Fertigungsbeispiels wurde ein Temperaturgradient über den Querschnitt des Verbundstabes ermittelt, der als Umformtemperatur für das Kernmaterials 800 °C und als Umformtemperatur für das Mantelmaterial 900 °C vorsieht. In diesen beiden werkstoffspezifischen Temperaturbereichen wird eine weitestgehende Angleichung der Fließspannungen der beiden Verbundwerkstoffe C45 (339 MPa) und X39CrMo17-1 (332 MPa) erreicht.
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Die Ergebnisse des Erwärmungsmodells fließen in die Steuerung der Induktionsanlage ein. Auf der Basis der vorgegeben, unterschiedlichen Temperaturfelder für die einzelnen Stabquerschnittsbereiche und unter Berücksichtigung der aktuellen Stababmessungen (Gesamtdurchmesser, Durchmesser Kern, Wanddicke Mantelmaterial) werden die elektrischen Stellgrößen der Induktionsanlage so angesteuert, dass eine unterschiedliche Aufheizung von Kern- und Randbereich erfolgt.
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Zur Einstellung der endabmessungsnahen Kontur der zu walzenden Pumpenstangen muss die Durchmessersteuerung des erfindungsgemäßen 3-Walzen-Schrägwalzgerüstes mit den entsprechenden geometrischen Eingangsdaten versorgt werden (siehe 1). So werden beispielsweise im Falle der Pumpenstangen die Durchmesser und Längenausdehnungen der beiden Endbereiche 1a, 1b, der beiden Bereiche mit Querschnittsverdickung 2a, 2b und des Pumpenstangenschaftes 3 angegeben. Ferner werden die Verfahrgeschwindigkeiten der Walzen für die Übergangsbereiche 4a, 4b, 4c und 4d von einem Durchmesser zu einem anderen Durchmesser festgelegt, um auf diese Weise die Steigung dieser Übergangsbereiche zu definieren.
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Die auf 3200 mm Länge zugeschnittenen Ausgangsstäbe laufen einzeln in die Induktionsanlage ein und werden im Durchlauf auf die berechnete Umformtemperatur erwärmt. Dabei wird über den Stabquerschnitt ein Temperaturgradient eingestellt, der im Mantelbereich des Stabes 900 °C und im Kernbereich 800 °C aufweist. Auf dem Weg vom Verlassen der Induktionseinrichtung bis zum Eintritt in den Walzspalt durchläuft der Ausgangsstab eine Temperaturführungseinrichtung, die mit Kühl- bzw- Erwärmungseinheiten und mit Temperaturmessgeräten ausgestattet ist. Die Funktion der Temperaturvorrichtung besteht darin, den in der Induktionsanlage eingestellten Temperaturgradienten bis zum Einlauf des Stabes in den Walzspalt aufrechtzuerhalten.
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Der den o.g. Temperaturgradienten aufweisende Ausgangsstab wird beim Durchlauf durch den Walzspalt des 3-Walzen-Schrägwalzgerüstes zunächst auf einen Querschnitt von 30 mm reduziert und dabei wird der Endbereich 1a ausgeformt. Nach sehr kurzer Wegstrecke (200 mm) werden die Walzen mittels Walzenanstellmechanismus im Übergangsbereich 4a auf den Durchmesser des Bereiches Querschnittsverdickung 2a „Aufgefahren“. Der Abschnittsbereich der Querschnittsverdickung 2a weist einen Querschnitt von 35 mm und eine Längenausdehnung von 300 mm auf. Anschließend werden die Walzen im Übergangsbereich 4b erneut auf einen Stabquerschnitt von 30 mm „Zugefahren“ und über eine Länge von 5000 mm wird der Pumpenstangenschaft 3 gewalzt. Nach „Auffahren“ der Walzen im Übergangsbereich 4c auf einen Querschnitt von 35 mm entsteht die Querschnittsverdickung 2b, die ebenfalls eine Länge von 300 mm aufweist.
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Nach erneutem „Zufahren“ im Übergangsbereich 4d wird der Endbereich 1b des Stabes auf einen Querschnitt von 30 mm heruntergewalzt.
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Die Umformung über die gesamte Länge der Pumpenstange erfolgt mit einer mittleren Längung von 1,9. Die Verfahrgeschwindigkeit der Walzen bei den Übergängen von einem Durchmesser zu einem anderen Durchmesser wird so eingestellt, dass die Übergangsbereiche 4a, 4b, 4c und 4d eine Schräge von 10° aufweisen.
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Nach Durchlauf des Ausgangsmaterials durch den Walzspalt des 3-Walzen-Schrägwalzgerüstes weisen die endabmessungsnahen Konturen der Pumpenstange in den Längenabschnitten „Endbereiche“, „Querschnittsverdickung“ und „Pumpenstangenschaft“ folgende Abmessungen auf:
| Ausgangsmaterial | Gesamtdurchmesser | 42 mm |
| Kerndurchmesser | 34 mm |
| Wanddicke Mantel | 4 mm |
| Endbereiche 1a, 1b | Gesamtdurchmesser | 30 mm |
| Kerndurchmesser | 24,3 mm |
| Wanddicke Mantel | 2,85 mm |
| Querschnittsverdickung 2a, 2b | Gesamtdurchmesser | 35 mm |
| | Kerndurchmesser | 28,4 mm |
| Wanddicke Mantel | 3,3 mm |
| Pumpenstangenschaft 3 | Gesamtdurchmesser | 30 mm |
| Kerndurchmesser | 24,3 mm |
| Wanddicke Mantel | 2,85 mm |
| Übergangsbereiche 4a, 4b, 4c, 4d | Schräge | 10° |
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Für die durchgängige Aufrechterhaltung der für Pumpenstangen zwingend notwendigen Funktionalität der besonderen Korrosionsbeständigkeit über die gesamte Bauteillänge ist von großem Vorteil, dass die Wanddicke des korrosionsbeständigen Mantelwerkstoffes im Bereich der Querschnittsverdickungen 2a, 2b stärker ausgeprägt ist als im Bereich des Pumpenstangenschaftes 3.
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Die Bereiche der Querschnittsverdickungen 2a, 2b werden beispielsweise durch spanende Bearbeitung mit Gewindeköpfen versehen, die zur endseitigen Verbindung mehrerer Pumpenstangen untereinander dienen.
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Die Mantel-Wanddicke von 3,3 mm in den Bereichen der Querschnittsverdickungen gewährleistet, dass die oberflächennahen Zonen der Gewindegänge im korrosionsbeständigen Mantelmaterial eingebettet sind und somit die Funktionalität der Korrosionsbeständigkeit auch im Bereich der Gewindeköpfe uneingeschränkt aufrechterhalten bleibt.
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Die Länge der gewalzten Verbundstäbe beträgt 6080 mm. Sie werden nach dem Walzvorgang auf die vorgesehene Bauteillänge von 6 m zugeschnitten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3039428 C2 [0008]
- DE 10148625 A1 [0010]
