DE102018133034A1

DE102018133034A1 - Verfahren zur Herstellung eines Rohres und Rohrprodukt

Info

Publication number: DE102018133034A1
Application number: DE102018133034.0A
Authority: DE
Inventors: Jayaram Dadda; Jozef Balun; Andreas Bolte
Original assignee: Benteler Steel Tube GmbH
Current assignee: Benteler Steel Tube GmbH
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres (10) aus Stahl, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren zumindest einen Schritt des Halbwarmziehens eines Vorrohres (1) mit einem Umformgrad von mehr als 50% umfasst. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Rohrprodukt, das aus einem so hergestellten Rohr (10) hergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres und ein Rohrprodukt.
Für viele Anwendungen von Rohren oder daraus gefertigte Rohrprodukte, ist es notwendig, dass diese hochfest sind und dennoch eine ausreichende Zähigkeit aufweisen. Insbesondere bei Anwendungen als Airbag-, Kolben-, Hydraulikpräzisionsleitungs-, Hydraulikpräzisionszylinder-Rohr oder als sogenanntes OCTG-Rohr sind diese Anforderungen besonders hoch.
Zur Verbesserung von Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit von Bauteilen aus Stahl sind unterschiedliche Maßnahmen bekannt. Beispielsweise kann die Festigkeit mittels Kaltumformen durch Kaltverfestigung gesteigert werden. Zudem können auch Mechanismen, wie Ausscheidungshärten, Kornfeinung und Mischkristallhärtung durch geeignete Legierungszusammensetzungen verwendet werden. Diese Maßnahmen sind allerdings nachteilig, da diese in der Regel nur zur Verbesserung von Festigkeit geeignet sind. Da Festigkeit und Zähigkeit zu einander umgekehrt proportional sind, ist das Einstellen einer hohen Festigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit schwierig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen mittels derer Rohre und Rohrprodukte mit hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit auf einfache und zuverlässige Weise hergestellt werden können.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, indem die Herstellung des Rohres bei verhältnismäßig geringen Temperaturen und mit hohem Umformgrad erfolgt.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung daher ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres, insbesondere eines nahtlosen Rohres, aus Stahl. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest einen Schritt des Halbwarmziehens eines Vorrohres mit einem Umformgrad von mehr als 50% umfasst.
Alternativ zum Halbwarmziehen kann erfindungsgemäß auch Halbwarm-Strangpressen/Fließpressens als Halbwarmumformschritt durchgeführt werden. Soweit nicht anders angegeben, gelten somit die Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Halbwarmziehschritt auch für die Verfahren mit anderer Halbwarmumformung, insbesondere des Halbwarm-Strangpressen/Fließpressens.
Als Vorrohr wird im Sinne der Erfindung eine Luppe oder ein warmgeformtes Rohr bezeichnet. Das Vorrohr kann beispielsweise durch Behandlung auf einer Stoßbank oder durch andere Verfahren hergestellt werden. Alternativ kann ein geschweißtes Rohr als Vorrohr Verwendung finden. Das Vorrohr kann auch als Hohlkörper bezeichnet werden.
Das Halbwarmziehen kann ein Rohrziehen, insbesondere ein Gleitziehen mit oder ohne Innendorn sein. Als Halbwarmziehen wird hierbei das Ziehen eines Vorrohres bezeichnet, bei dem die Temperatur des Vorrohres bei der Umformung oberhalb 100 °C, beispielsweise oberhalb 200 °C, aber unterhalb der Ac1-Temperatur des Stahls, aus dem das Vorrohr besteht, liegt. Besonders bevorzugt liegt die Temperatur des Vorrohres unterhalb 700 °C. Durch das Halbwarmziehen kann eine Kornfeinung auftreten und insbesondere eine Gefügestruktur mit ultrafeinen Körnern geschaffen werden. Zudem sind die Zugkräfte, die zum Ziehen des Vorrohres notwendig sind, aufgrund der höheren Temperaturen gegenüber einem Kaltziehen verringert.
Das Halbwarmziehen wird erfindungsgemäß mit einem Umformgrad von mehr als 50% durchgeführt. Insbesondere wird als Umformgrad eine Flächenabnahme der Querschnittsfläche und vorzugsweise die Wandstärkeabnahmebezeichnet. Der Umformgrad kann auch als logarithmische Formänderung bezeichnet werden. Bei der Umformung können eine Längenänderung und die Wandstärkenänderung zueinander proportional zueinander sein. Beispielsweise kann die Vergrößerung der Länge um einen gewissen Prozentsatz zu einer Abnahme der Wandstärke um den gleichen Prozentsatz führen. Es ist aber auch möglich, dass die Längenänderung und die Wandstärkenänderung nicht proportional zueinander sind. Beispielsweise kann bei einer Zunahme der Länge um einen Prozentsatz die Wandstärke um einen geringeren Prozentsatz abnehmen, wenn beispielsweise der Innen- und Außendurchmesser gleichzeitig zunehmen oder abnehmen.
Durch den hohen Umformgrad beziehungsweise die hohe Wandstärkeabnahme, die bei dem Ziehschritt auftritt, kommt es zu einer Streckung der Körner in dem Gefüge des Werkstoffes des Vorrohres, insbesondere des Stahls des Vorrohres. Zudem kann durch den hohen Umformgrad durch dynamische Rekristallisation eine große Anzahl von Körnern gebildet werden, deren Wachstum sich gegenseitig behindert und somit zu kleinen Körnern führt. Dieser Effekt tritt beispielsweise bei martensitischen Stählen auf.
Da die gestreckten Körner für eine hohe Festigkeit in der Wand des Rohres sorgen, insbesondere in der transversalen oder tangentialen Richtung des Rohres, sorgen, kann das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Rohr Beanspruchungen, wie einem hohen Innendruck zuverlässig standhalten. Insbesondere kann das erfindungsgemäß hergestellte Rohr der Kesselformel entsprechen, nach der in einem mit Innendruck beaufschlagten Rohren die tangentialen Spannungen in der Rohrwand größer sind als die axialen Spannungen in der Rohrwand in der Längsrichtung des Rohres. Da zudem das Gefüge aus ultrafeinen Körnern besteht, ist die Zähigkeit des Rohres gewährleistet und ein Versagen des Rohres ist nicht zu befürchten.
Vorzugsweise wird der Umformgrad in nur einem Ziehschritt erzielt. Im Gegensatz zu Ziehvorgängen, die mehrere Ziehschritte aufweisen, ist die Streckung der Körner des Gefüges besonders groß und die Herstellung darüber hinaus aufgrund der verringerten Umformschritte vereinfacht. Ein hoher Umformgrad ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, da die Umformung, insbesondere das Ziehen, als Halbwarmumformung durchgeführt wird. Somit können die bei einer Kaltumformung erforderlichen mehreren Zugschritte eingespart werden. Aufgrund der erhöhten Temperatur bei dieser Umformung sind sowohl die erforderlichen Zugkräfte als auch der Anstrengungsgrad verringert und eine Beschädigung des Vorrohres beim Ziehen kann verhindert werden.
Im Rahmen der Erfindung kann das Halbwarmziehen über der gesamten Rohrlänge erfolgen. Alternativ ist eine Halbwarmziehen in einem begrenzten Längenabschnitt des Rohres möglich, insbesondere Einziehen eines Rohrendes.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren nur einen Halbwarmziehschritt. Es wird hierbei nur ein einziger Halbwarmziehschritt durchgeführt und vorzugsweise auch kein weiterer Umformschritt oder Wärmebehandlungsschritt nach dem Halbwarmziehen durchgeführt. Somit stellt vorzugsweise das Rohr nach dem Halbwarmziehen das Fertigrohr dar, das abgelängt und gegebenenfalls durch Biegen, Stauchen oder spanende Verfahren zu Rohrprodukten weiterverarbeitet werden kann. Insbesondere ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich das Rohr einem Spannungsarmglühen (+SR) zu unterziehen, was bei einem durch Kaltumformung hergestellten Rohr meist erforderlich ist.
Im Rahmen der Erfindung kann das Halbwarmumformen anstelle des Halbwarmziehens ein Halbwarm-Pressen, Halbwarmrollieren und /oder Halbwarmkrimpen erfolgen, und zwar bevorzugt über der gesamten Rohrlänge. Alternativ ist ein genanntes Halbwarmumformen in einem begrenzten Längenabschnitt des Rohres möglich, insbesondere in der Mitte des abgelängten Rohres.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Schritt des Halbwarmziehens bei Temperaturen oberhalb 100°C, insbesondere oberhalb 200 °C und unterhalb der Ac1-Temperatur des Stahls. Besonders bevorzugt liegt die Temperatur in einem Temperaturbereich von 300 bis 700°C und weiter bevorzugt in einem Temperaturbereich von 400 bis 600°C. Bei diesen Temperaturen können die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich die geringeren Zugkräfte und der dadurch mögliche hohe Umformgrad (insbesondere Wandstärkeabnahme) erzielt werden, ohne, dass das sich ausbildende ultrafeine gestreckte Gefüge verändert wird, insbesondere ohne dass es zu einem ungewünschten Kornwachstum oder einer Gefügeänderung kommt. Die Temperaturbereiche, in denen eine werkstoffabhängige Blausprödigkeit (Anlassen zwischen 250 - 400 °C, auch genannt „300 °C-Versprödung“) und Anlassversprödung (Anlassen zwischen 370 - 500 °C) in den Stählen auftreten, müssen berücksichtigt werden und die dementsprechende Maßnahmen verwendet werden. Dies kann beispielsweise erzielt werden, indem ein längeres Halten bei diesen Temperaturen-Bereichen vermieden wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Stahllegierung entsprechend angepasst werden. Insbesondere kann Silizium zulegiert werden, um Blausprödigkeit zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich können Molybdän und/oder Wolfram zulegiert werden, um Anlassversprödung zu verhindern. Durch diese Maßnahmen können die Phänomene der Abnahme der Zähigkeit und damit der Verringerung der verbrauchten Kerbschlagenergie verhindert werden. Bei der Blausprödigkeit sammelt gelöster Kohlenstoff oder Stickstoff sich in den Zugspannungsbereichen von Versetzungen und blockiert plastische Verformung. Anlassversprödung bewirkt die Diffusion von verunreinigenden Elementen (P, S, Sb, As, Sn) zu den Korngrenzen und die Anreicherung dieser Elemente an den Korngrenzen und vermindert dadurch die Bindungskräfte (Kohäsion) zwischen den Kristalliten. Spröde, interkristalline Brüche werden begünstigt. Beim erfindungsgemäßen feinkörnigen Gefüge verteilen sich die verunreinigenden Elemente auf mehr Korngrenzen, dadurch nimmt Ihre örtliche Konzentration ab und damit auch ihre versprödende Wirkung. Wird mit den ausgewählten Halbwarmumformtemperaturen insbesondere bei bainitischen Stählen (z.B. luftgehärteten Stählen) die Bainit-Start-Temperatur (Bs) überschritten, wandelt sich der Bainit (eine zwischenstufige Phase) um, was zu ungünstigen Auswirkungen auf die Gefügestruktur damit zu unerwünschten Eigenschaften des Werkstoffes führt.
Vorzugsweise wird das Vorrohr vor der Umformung, das heißt vor dem Eintreten in das Ziehwerkzeug, insbesondere die Ziehmatrize, auf die Umformtemperatur erwärmt.
Es hat sich gezeigt, dass für das erfindungsgemäße Verfahren als Ausgangsmaterial unterschiedliche Stahllegierungen und unterschiedlich behandelte Stähle verwendet werden können.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Stahl des Vorrohres und damit auch der Stahl des Rohres eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aufweist. Dieser Stahl kann auch kubisch-raumzentrierter Stahl bezeichnet werden. Beispielsweise kann der Stahl ein Ferrit-Perlit Gefüge aufweisen und als ferritisch-perlitischer Stahl bezeichnet werden. Auch ein Stahl mit einem Bainit-Gefüge, das heißt ein bainitischer Stahl, kann als Stahl für das Rohr verwendet werden. Weiterhin kann ein Stahl mit einem Martensit-Gefüge, ein sogenannter martensitischer Stahl verwendet werde. Zudem sind Stähle mit Ferrit-Gefüge, das heißt ferritische Stähle einsetzbar. Auch ein IF-Stahl (interstitiellfreier Stahl), der nur einen geringen Gehalt an interstitiell eingelagerten Legierungselementen aufweist, kann verwendet werden. Auch weitere Stähle mit kubisch-raumzentrierter Gitterstruktur können verwendet werden. Als kubisch-raumzentriert wird eine Gitterstruktur bezeichnet, bei der Eisenatome in der Raummitte des Kubus und insgesamt acht Atome auf den Ecken des Kubus liegen. In der Gitterstruktur liegt damit in den aneinander angrenzenden Kuben an den Ecken jeweils 1/8 Atom und ein Atom im Zentrum. Somit liegen in dem jeweiligen Kubus 2 Atome vor. Als kubisch flächenzentriert wird eine Gitterstruktur bezeichnet, bei der auf den acht Ecken des Kubus und in der Mitte jeder Seitenfläche ein weiteres Eisenatom liegt. In der Gitterstruktur liegt damit in den aneinander angrenzenden Kuben an den Ecken jeweils 1/8 Atom und ½ Atom in der Mitte jeder Seitenfläche. Somit liegen in dem jeweiligen Kubus 4 Atome vor.
Es hat sich gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einem Stahl mit einer kubisch-raumzentrierten Gitterstruktur annähernd Zähigkeiten bei niedrigen Temperaturen erhalten werden können, die sonst nur mit Stählen mit kubisch-flächenzentrierter Gitterstruktur erzielt werden können.
Auch Stähle mit anderer Gitterstruktur können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Beispielsweise können austenitische Stähle, die eine kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur aufweisen, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Auch Dualphasenstähle (DP), Komplexphasenstähle (CP) und Q&P-Stähle (Quenching & Partitioning Stähle) können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich aus diesen Stählen Rohre mit ultrafeiner Kornstruktur in Massenproduktion herzustellen.
Das Vorrohr kann beispielsweise aus einem vergüteten Stahl, einem unvergüteten Stahl oder einem gehärteten, insbesondere luftgehärteten Stahl bestehen.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise ein Vorrohr aus vergütetem Stahl verwendet werden. Durch das Halbwarmziehen kann aufgrund der erhöhten Temperatur trotz der hohe Festigkeit eines aus vergütetem Stahl bestehenden Vorrohres die Umformung mit hohem Umformgrad durchgeführt werden und dadurch die gewünschten Eigenschaften des Rohres, insbesondere hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen erzielt werden. Zudem kann durch das Halbwarmziehen ein Spannungsarm-Glühen entfallen. Allerdings kann das Vorrohr beispielsweise auch aus einem unvergüteten Stahl bestehen.
Auch bei gehärtetem Stahl kann durch das Halbwarmziehen oder beispielsweise Halbwarmpressen der hohe Umformgrad erreicht werden, ohne, dass es zu einer Beschädigung des Rohres kommt, und dennoch das ultrafeine gestreckte Gefüge erzielt werden.
Das Vorrohr wird vorzugsweise vor dem Halbwarmziehschritt in einer Erwärmungseinheit auf die Halbwarmziehtemperatur erwärmt. Die Erwärmungseinheit kann beispielsweise ein Ofen sein. Vorzugsweise wird das Vorrohr aber durch eine Erwärmungseinheit, die an der Ziehvorrichtung vorgesehen ist und der Matrize vorgelagert ist, erwärmt. Handelt es sich bei dem Halbwarmumformen um Halbwarm-Pressen, so ist die Erwärmungseinheit vorzugsweise an der Pressvorrichtung vorgesehen.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Vorrohr durch Induktion auf die Halbwarmziehtemperatur, die auch als Umformtemperatur bezeichnet wird, erwärmt. Diese Art der Erwärmung erlaubt zum einen eine gezielte Einstellung der Halbwarmziehtemperatur. Zudem kann das Erwärmen hierbei durch eine Induktionsheizspule durchgeführt werden, die auf einfache Weise in unmittelbarer Nähe der Matrize angeordnet werden kann. Bei der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich eine Matrizenkühlung oder ein geeigneter Werkstoff für die Matrize und/oder den Dorn verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Rohrprodukt aus Stahl, das dadurch gekennzeichnet ist, dass dieses ein ultrafeines Korngefüge mit einer bevorzugten mittleren Korngröße von <= 2 µm, besonders bevorzugt <= 1µm, aufweist. Das Rohrprodukt ist insbesondere aus einem Rohr hergestellt, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Vorteile und Merkmale, die bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden, gelten - soweit anwendbar - auch für das erfindungsgemäße Rohrprodukt und umgekehrt und werden daher gegebenenfalls nur einmalig beschrieben.
Als Rohrprodukt wird erfindungsgemäß ein zumindest bereichsweise rohrförmiges Produkt bezeichnet, das durch Ablängen und/oder weitere Behandlungsschritte aus einem erfindungsgemäß hergestellten Rohr gefertigt wird. Insbesondere kann das Rohr nach der Rohrherstellung umgeformt und/oder oberflächenbehandelt, beispielsweise beschichtet werden. Die erfindungsgemäßen Rohrprodukte können beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder im Bergbergbau, Tunnelbau oder bei der Öl- und Gasförderung eingesetzt werden. Beispiele für Rohrprodukte sind Airbagrohre, Hydraulikpräzisionszylinderrohre, Hydraulikpräzisionsleitungsrohre, Kolbenrohre, Injektionsankerrohre, OCTG-Produkte (Oil Country Tubular Goods), wie beispielsweise OCTG-Rohre, Bohrrohre, Futterrohre, Steigrohre, Antriebswellen, Rotorwellen und dergleichen.
Vorzugsweise weist das Rohrprodukt eine ultrafeine Kornstruktur auf, die in Längsrichtung des Rohres gestreckt ist. Die Kornstruktur ist daher anisotrop, wodurch auch die Eigenschaften des Rohrproduktes in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich sind. Durch die Streckung der Körner, die durch den hohen Umformgrad beim Halbwarmziehen erzeugt wird, kann die Festigkeit und Zähigkeit in Querrichtung, das heißt in transversaler Richtung oder Umfangsrichtung des Rohres verbessert werden.
Vorzugsweise weist das Rohrprodukt eine mittlere Korngröße von maximal 2µm, vorzugsweise maximal 1 µm auf. Als Korngröße des Rohrproduktes wird die Korngröße des Werkstoffes des Rohrproduktes nach der Herstellung des Rohres bezeichnet. Die mittlere Korngröße kann beispielsweise mittels Linienschnittverfahren oder Bildverarbeitungssoftware bestimmt werden. Hierzu wird ein Längsschliff des Rohrproduktes beziehungsweise des Rohres hergestellt. Die Kornhöhe der Körner in diesem Längsschnitt wird gemessen und daraus der Mittelwert gebildet, der dann die mittlere Korngröße angibt.
Vorzugsweise ist die Kornstruktur des Rohrproduktes über die Wandstärke des Rohrproduktes homogen. Als homogene Kornstruktur wird insbesondere eine Kornstruktur, bei der die Verteilung der Korngröße homogen ist, bezeichnet. Insbesondere liegen vorzugsweise über die gesamte Wandstärke ultrafeine Körner vor. Diese homogene Kornstruktur kann durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt werden, da große Umformgrade erzielt werden und daher eine Kornfeinung durch dynamische Rekristallisation über die gesamte Wandstärke und nicht nur in den Randbereichen erzielt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Rohrprodukt eine spezifische Kerbschlagarbeit bei -196°C von mindestens 50J/cm² bevorzugt mindestens 60 J/cm2 insbesondere mindestens 70 J/cm2 auf. Die spezifische Kerbschlagarbeit ist die Kerbschlagarbeit, die vorzugsweise nach dem Charpy-V-Notch-Test bestimmt wird, bezogen auf die Querschnittsfläche. Indem die Zähigkeit auch bei geringen Temperaturen hoch ist, kann das Rohrprodukt auch extremen Bedingungen standhalten.
Bei einem lufthärtenden Stahl kann das Rohrprodukt beispielsweise auch eine spezifische Kerbschlagarbeit von mindestens 20 J/cm² bei -80°C aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Rohrprodukt eine niedrige Übergangstemperatur auf. Besonders bevorzugt liegt die Übergangstemperatur unterhalb von -196°C. Die Übergangstemperatur, die auch als Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT) bezeichnet wird und auch in der DIN ISO 148-1 beschrieben ist, gibt die Temperatur an, bei der die Zähigkeitseigenschaften von einer Hochenergielage, die einfach auch als Hochlage bezeichnet werden kann, in eine Tiefenergielage, die einfach auch als Tieflage bezeichnet werden kann, übergehen. Beim Abkühlen unter die Übergangstemperatur kommt es zu einem starken Abfall der Kerbschlagarbeit. Insbesondere bei kubisch-raumzentrierten Kristallsystemen ist dies von Bedeutung, da diese unterhalb der Übergangstemperatur zu Sprödbruch neigen. In den Temperarturbereichen, in denen das Rohrprodukt eingesetzt wird, insbesondere bis zu -196°C weist der Werkstoff des Rohrproduktes vorzugsweise keine Übergangstemperatur auf, das bedeutet, dass kein oder zumindest kein klarer Übergang von der Hochenergielage zu der Tiefenergielage vorliegt. Insbesondere bei einem kubisch-raumzentrierten Kristallsystem liegen die absoluten Kerbschlagzähigkeitswerte aber über denen, die mit einem Werkstoff, der ein kubisch-flächenzentriertes Kristallsystem aufweist, erreicht werden können. Durch eine Kombination aus hohen absoluten Kerbschlagzähigkeitswerten und dem Fehlen einer Übergangstemperatur, kann das Rohrprodukt extremen Bedingungen, die beispielsweise in der Ölindustrie oder bei einem Airbag auftreten, standhalten.
Vorzugsweise weist das Rohrprodukt eine Zugfestigkeit von mindestens 700 MPa, vorzugsweise mindestens 900 MPa auf. Diese hohen Festigkeiten können bei dem erfindungsgemäßen Rohrprodukt auf einfache Weise durch den hohen Umformgrad und durch die sich aufgrund des Halbwarmziehens einstellende Kornstruktur erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Rohrprodukt stellt beispielsweise ein Airbagrohr oder ein Hydraulikpräzisionsleitungs-, Hydraulikpräzisionszylinder-Rohr, Kolbenrohr oder OCTG-Rohr dar. Als Airbagrohr wird in Airbagsystemen beziehungsweise Airbagmodulen beispielsweise das Gehäuse des Gasgenerators und/oder die Reaktionskammer bezeichnet. Das Airbagrohr kann damit auch als Gasdruckbehälter bezeichnet werden. Diese Airbagrohre müssen einer hohen Innendruckbeanspruchung standhalten können. Zudem darf bei diesen Rohrprodukten auch bei tiefen Temperaturen kein Sprödbruch auftreten. Bei OCTG-Rohren, die beispielsweise Bohrrohre oder Pipelinerohre darstellen können, ist die Umgebungstemperatur beispielsweise in arktischen Gebieten gering. Zudem müssen diese Rohre mechanischen Belastungen standhalten. Somit kann das erfindungsgemäße Rohrprodukt, das eine hohe Kerbschlagzähigkeit aufweist und zudem eine hohe Festigkeit aufweist, für diese Verwendung vorteilhaft eingesetzt werden. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Rohrprodukt die mittlerweile gesteigerten Anforderungen an die Zähigkeit für Hydraulikpräzisionsleitungs-, Hydraulikpräzisionszylinder-Rohre und Kolbenrohre, nach denen der Werkstoff sich bis zu -60 °C zäh verhalten soll, erfüllen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Rohrprodukt in wenigstens einem Rohrende eine Aufdickung mit einer um mindestens 10% vergrößerten Wandstärke und/oder eine Verjüngung mit einem um mindestens 10% reduzierten Außendurchmesser oder eine Expansion mit einem mindestens um 10% vergrößerten Außendurchmesser auf. Das Rohrprodukt kann insbesondere durch Ablängen des Rohres und anschließendes Stauchen, Einziehen oder Aufweiten zumindest an einem der Rohrenden hergestellt sein. Zusätzlich kann je nach Einsatzgebiet des Rohrproduktes auch ein Biegen des abgelängten Rohres erfolgen. Durch das Stauchen oder Einziehen an mindestens einem Ende kann beispielsweise eine Aufdickung der Wandstärke an dem Rohrende erzeugt werden, durch die dann ein Einbringen eines Gewindes möglich ist, über das das Rohrelement mit weiteren Rohrelementen oder anderen Bauteilen verbunden werden kann. Durch ein Einziehen kann das Rohrende den Abmessungen weiterer Bauteile angepasst werden. Das Stauchen oder Einziehen kann durch Warmumformung, Halbwarmumformung oder durch Kaltumformung erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform wird als Werkstoff des Rohres beziehungsweise des daraus herzustellenden Rohrelementes ein Stahl verwendet, der außer Eisen und unvermeidbaren schmelzbedingten Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent aufweist:

C: 0,07 - 0,50, vorzugsweise 0,07 - 0,20
Si: 0,05 - 0,55
Mn: 0,2 - 2,5, vorzugsweise 0,4 - 0,8
P: < 0,025
S: < 0,02

Cr: < 2 vorzugsweise 0,8 - 1,0
Ti: < 0,03, vorzugsweise < 0,015
Mo: < 0,6, vorzugsweise 0,25 - 0,4
Ni: < 0,6, vorzugsweise 0,2 - 0,3
Al: 0,001 - 0,05, vorzugsweise 0,02 - 0,04
V: < 0,5, vorzugsweise < 0,1
Nb: < 0,1, vorzugsweise < 0,06

Mit diesem Vergütungsstahl können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Kerbschlagarbeitswerte von mindestens 70 J/cm² bei 20°C und mindestens 50 J/cm² bei -196°C erreicht werden.
Wird beispielsweise ein martensitischer 11 CrMo4 Stahl im vergüteten Zustand als Ausgangsmaterial für das Halbwarmziehen verwendet, so können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Kerbschlagarbeitswerte von 86 J/cm² bei 20°C und 70 J/cm² bei -196°C erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform stellt der Stahl einen lufthärtenden Stahl dar. Ein Beispiel eines solchen Stahls weist neben Eisen und unvermeidbaren schmelzbedingten Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent auf:

C: 0,05-0,3, vorzugsweise 0,08-0,12
Si: 0,5 - 1,8,
Mn: 1,6 - 4,0, vorzugsweise 2,2 - 2,4
P: 0 - 0,05
S: 0-0,005
Cr: 0,8-1,6
Mo: 0 - 0,3
Ni: 0 - 0,3
Cu: 0-0,3
Sn: 0 - 0,04
Al: 0 - 0,08
V: 0,07 - 0,15
Nb: 0,02 - 0,04
N: 0-0,02.

Bei Verwendung eines solchen luftgehärteten Stahl als Ausgangsmaterial für das Halbwarmziehen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine spezifische Kerbschlagarbeit von mindestens 40 J/cm² bei 20°C und mindestens 20 J/cm² bei -80°C erzielt werden.
Ein weiteres Beispiel eines Stahls, der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann ist ein Baustahl. Beispielsweise kann ein E355 Stahl verwendet werden.
Die chemische Zusammensetzung des E355 Stahls weist außer Eisen und unvermeidbaren schmelzbedingten Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente in Gewichtsprozent auf:

C: ≤ 0,22
Si: ≤ 0,55
Mn: ≤ 1,60
P: ≤ 0,025
S: ≤ 0,015.

Die Stahllegierung, die zur Herstellung des Rohres und damit des Rohrproduktes erfindungsgemäß verwendet werden kann, kann zusätzlich zu den oben genannten Legierungselementen beispielsweise Wolfram aufweisen, um Anlassversprödung zu verhindern.
Die Erfindung wird im Folgenden erneut unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1a und 1b: eine schematische Darstellung des Gefüges eines Rohres vor und nach dem Halbwarmziehen;
2: eine schematische Darstellung der Kerbschlagarbeit des Rohres nach 1 vor und nach dem Halbwarmziehen;
3a und 3b: eine schematische Darstellung des Gefüges eines warmgewalzten Rohres und eines Rohres nach dem Halbwarmziehen;
4: eine schematische Darstellung der Kerbschlagarbeit eines erfindungsgemäßen Rohres im Vergleich zu der einem herkömmlichen Rohr; und
5: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Halbwarmziehschrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1a ist das bainitische Gefüge einer Stahllegierung in dem Lieferzustand +N, das heißt normalisiert, gezeigt. Wird ein Vorrohr aus einem solchen Stahl durch Halbwarmziehen bei 500°C mit einem Umformgrad von 80% behandelt, ergibt sich die in 1b gezeigte Gefügestruktur. Wie sich aus dieser Darstellung ergibt, sind die Körner des Gefüges wesentlich kleiner als in dem Ausgangsgefüge. Zudem sind die Körner in die Ziehrichtung gestreckt. Die Verteilung der Korngröße ist homogen.
In 2 ist in einem Diagramm die spezifische Kerbschlagarbeit des Rohres nach 1 vor und nach dem Halbwarmziehen über die Versuchstemperatur aufgetragen. Die Kerbschlagarbeit wurde durch einen Kerbschlagbiegeversuch (Charpy) mit einer Probengröße von 3×4×27 mm³ durchgeführt. Die Kerbschlagarbeitwerte vor dem Halbwarmziehen sind mit Kreuzen angegeben und die Werte nach dem Halbwarmziehen mit Vierecken. Während bei Temperaturen von 20 °C die Kerbschlagarbeit des normalisierten Vorrohres Werte aufweist, die mit den Werten des halbwarmgezogenen Rohres vergleichbar sind, liegen bereits bei -20 °C die Werte des normalisierten Vorrohres weit unterhalb der Werte des halbwarmgezogenen Rohres. Selbst bei -80 °C sind die Werte der Kerbschlagarbeit des halbwarmgezogenen Rohres noch in dem Bereich der Werte des normalisierten Vorrohres bei -20 °C. Ein klarer Übergang von Hochenergieebene auf Tiefenergieebene liegt somit bei dem halbwarmgezogenen Rohr nicht vor. Zudem weist das halbwarmgezogene Rohr eine Festigkeit von 1100 MPa auf, während das normalisierte Vorrohr lediglich eine Festigkeit von 950 MPa aufgewiesen hat.
In 3a ist das Gefüge eines warmgewalzten Rohres in dem Lieferzustand +AR (wie gewalzt) gezeigt. Hierbei sind die groben Körner bestehend aus Ferrit und Perlit des Gefüges zu erkennen. Das Rohr besteht hierbei aus einem Baustahl E355. In 3b ist hingegen das Gefüge des Rohres aus dem gleichen Stahl nach dem Halbwarmziehen gezeigt. Das Vorrohr wurde bei 500°C mit einem Wandstarkabnahme von 80% gezogen. Hierbei erfolgt eine vollständige Sphäroidisierung der Karbide beim Halbwarmziehen. Hieraus resultiert eine bessere Umformbarkeit und Zerspanbarkeit sowie eine Einsparung weiterer Glühbehandlungen. Zudem sind die Körner in der Ziehrichtung gestreckt. Die Festigkeit des Werkstoffes des halbwarmgezogenen Rohr ist um etwa 72% höher als bei dem warmgewalzten Rohr. Insbesondere konnte die Festigkeit von 495 MPa auf 850 MPa gesteigert werden. Die Kerbschlagarbeit wird hingegen nur geringfügig gesenkt.
In 4 ist die speizische Kerbschlagarbeit eines erfindungsgemäßen Rohres im Vergleich zu der Kerbschlagarbeit eines herkömmlichen Rohres über die Temperatur aufgetragen. Insbesondere ist mit den Dreiecken die Kerbschlagarbeit eines Vorrohres aus vergütetem martensitischem Stahl, insbesondere 11 CrMo4, gezeigt. Das Vorrohr ist insbesondere durch Abschrecken und Anlassen (Quenching & Tempering (Q&T)) behandelt. Der Stahl des Vorrohres weist eine Festigkeit Rm vom 920MPa auf. Mit den Vierecken sind die Kerbschlagarbeiten des Rohres nach dem Halbwarmziehen des vergüteten (Q&T) Vorrohres bei 500°C mit einer Wandabnahme von 58% gezeigt. In diesem Zustand (Q&T + Halbwarmziehen) weist das Rohr eine Festigkeit Rm von 970MPa auf. Wie sich aus diesem Diagramm ergibt, weist die Kurve der Kerbschlagarbeit des halbwarmgezogenen Rohres nur eine geringe Abnahme zu niedrigeren Temperaturen auf und zeigt keine Übergangstemperatur. Die Kurve des Q&T behandelten Vorrohres hingegen weist bei -100°C einen klaren Übergang von der Hochenergieebene auf eine Tiefenergieebene auf.
In 5 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Halbwarmziehschrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das Vorrohr 1 wird hierbei durch Halbwarmziehen ohne Innendorn umgeformt. Das Ziehen kann bei einer Temperatur von 200°C bis 700°C, vorzugsweise 400°C bis 600°C, durchgeführt werden. Hierzu wird das Vorrohr 1 durch eine Erwärmungseinheit auf die Umformtemperatur gebracht. In der gezeigten Ausführungsform ist die Erwärmungseinheit eine Induktionsheizspule 3, die das Vorrohr 1 umgibt. Das so erwärmte Vorrohr 1 wird durch eine Matrize 2 in die Ziehrichtung Z gezogen. Die Matrize 2 weist einen Verjüngungswinkel α auf. Durch das Ziehen durch die Matrize 2 wird der Außendurchmesser AD₀ des Vorrohres auf den Außendurchmesser AD₁ des Rohres 10 verringert. Zudem wird in der gezeigten Ausführungsform auch der Innendurchmesser ID₀ des Vorrohres 1 auf den Innendurchmesser ID₁ des Rohres 10 verringert. Die Wandstärke des Rohres 10 ist vorzugsweise gegenüber der Wandstärke des Vorrohres 1 um wenigstens 50 Prozent verringert.
Mit der vorliegenden Erfindung wird somit ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten nahtlosen Rohres und einem daraus hergestellten Rohrprodukt geschaffen, bei dem die Umformung durch Halbwarmziehen erfolgt.
Insbesondere wird ein neues Verfahren der massiven Verformung mit zumindest 50% Flächenreduktion bei Temperaturen zwischen 200 bis 700°C, vorzugsweise unterhalb der Ac1-Umwandlungstemperatur, geschaffen. Hierdurch resultiert die Ausbildung einer ultra-feinen Gefügestruktur, die in Ziehrichtung gelängt ist. Hierdurch wird eine gleichzeitige Steigerung der Festigkeit und Niedrigtemperatur-Zähigkeit auch von beispielsweise kubisch raumzentrierten Stahl (beispielsweise ferritisch-perlitische, bainitische, martensitische, IF (interstitial free) zwischengitteratomfreien und ferritische Stähle) erzielt. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf kubisch-raumzentrierte Stähle beschränkt, sondern kann auch ausgeweitet werden auf austenitische Stähle, DP, CP und Q&P Stähle, um ultrafeine Kornstrukturen und die damit verbundenen exzellenten mechanischen Eigenschaften durch Massenproduktion zu erhalten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich das Niedrigtemperatur-Zähigkeitsverhalten eines kubisch-raumzentrierten Materials ähnlich einem kubischflächenzentrierten Material zu erzielen, das heißt ohne klaren Übergang von Hochlage- zu Niedriglageenergie.
Die Umformtemperatur beim Halbwarmziehen liegt vorzugsweise bei 400-600°C. Hierdurch ist das Vorrohr formbar. Insbesondere ist eine Querschnittsabnahme von >50% möglich. Zudem wird verhindert, dass zu hohe Zugkräfte für die Umformung erforderlich sind. Schließlich wird in diesem Temperaturbereich die Temperaturstabilität für Kerbschlagzähigkeit aufrechterhalten. Bei Temperaturen oberhalb 600°C sinkt die Temperaturstabilität. Insbesondere entstehen bei >600°C in der Regel größere Körner, was nachteilig für die Kerbschlagzähigkeit ist.
Durch den hohen Umformgrad von 50% wird ein ausgeprägter Rekristallisationseffekt erzielt. Aufgrund des hohen Umformgrades kommt es zu einer dynamischen Rekristallisation, bei der eine feine Kornstruktur entsteht, die auch als ultrafeine Gefügestruktur bezeichnet werden kann. Die ultrafeine Gefügestruktur weist vorzugsweise eine mittlere Korngröße von <= 1µm auf. Mit der vorliegenden Erfindung kann eine höhere Querschnittsmaßnahme beim Ziehen vorgenommen werden als beim Kaltziehen und die bei herkömmlichen Verfahren notwendigen Glühbehandlungszeiten oder Zwischenglühungen können reduziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrohr
10: Rohr
2: Matrize
3: Erwärmungseinheit
α: Matrizenwinkel
Z: Ziehrichtung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rohres (10) aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest einen Schritt des Halbwarmziehens eines Vorrohres (1) mit einem Umformgrad von mehr als 50% umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nur einen Halbwarmziehschritt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbwarmziehen bei Temperaturen oberhalb 100°C und unterhalb der Ac1-Temperatur des Stahls, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 200 bis 700°C, weiter vorzugsweise 400 bis 600°C, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorrohr (1) aus einem vergüteten Stahl, einem unvergüteten Stahl oder einem gehärteten, insbesondere luftgehärteten Stahl besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorrohr (1) durch Induktion auf die Halbwarmziehtemperatur erwärmt wird.
Rohrprodukt aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus einem Rohr hergestellt ist, das insbesondere nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt wurde, wobei das Rohrprodukt ein ultrafeines Korngefüge mit einer bevorzugten mittleren Korngröße von <= 2 µm, besonders bevorzugt <= 1µm, aufweist.
Rohrprodukt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrprodukt die ultrafeine Kornstruktur aufweist, wobei die Körner in Längsrichtung des Rohres (10) gestreckt sind.
Rohrprodukt nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kornstruktur über die Wandstärke des Rohrproduktes homogen ist.
Rohrprodukt nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl des Rohrproduktes eine spezifische Kerbschlagarbeit bei minus 196°C von mindestens 50 J/cm² aufweist.
Rohrprodukt nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl des Rohrproduktes eine niedrige Übergangstemperatur aufweist.
Rohrprodukt nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl des Rohrproduktes eine Zugfestigkeit von mindestens 700 MPa, vorzugsweise mindestens 900 MPa aufweist.
Rohrprodukt nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrprodukt ein Airbagrohr oder ein OCTG-Rohr darstellt.
Rohrprodukt nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrprodukt in wenigstens einem Rohrende eine Aufdickung mit einer um mindestens 10% größeren Wandstärke und/oder eine Verjüngung mit einem um mindestens 10% reduzierten Außendurchmesser oder eine Expansion mit einem mindestens um 10% vergrößerten Außendurchmesser aufweist.