DE102019007653A1

DE102019007653A1 - Hot forming tool

Info

Publication number: DE102019007653A1
Application number: DE102019007653.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2021-05-06

Abstract

Ein Warmumformwerkzeug aus Stahl besitzt eine Schutzschicht aus einem Metall-Keramikverbund sowie darauf aufgetragen, einer Schicht aus Metall und Metalloxiden. Das so ausgestattete Werkzeug kann in einer oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt werden, wobei eine optimales Mischungsverhältnis aus dem aufgetragenen Metall und den verschiedenen Metalloxiden eingestellt wird.A hot forming tool made of steel has a protective layer made of a metal-ceramic composite and, applied to it, a layer made of metal and metal oxides. The tool equipped in this way can be heat-treated in an oxidizing atmosphere, an optimal mixing ratio of the applied metal and the various metal oxides being set.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Herstellung von rohrförmigen Metallwerkstücken und betrifft Umformungswerkzeuge, speziell Lochdorne, Schmiededorne und Walzstangen mit verbesserter Standfestigkeit.The invention is in the field of the production of tubular metal workpieces and relates to forming tools, especially piercing mandrels, forging mandrels and rolling bars with improved stability.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Nahtlose Stahlrohre werden im Allgemeinen in drei Umformstufen auf entsprechenden Walzwerken durch Warmumformung gefertigt. In einer ersten Stufe wird auf einem sogenannten Lochschrägwalzwerk ein auf etwa 1200°C erhitzter massiver Stahlblock mittels eines Innenwerkzeuges, des Lochdornes, zum Hohlblock umgeformt. Dabei wird der Block mittels schräg gestellter Walzen rotierend über den Lochdorn getrieben. In der zweiten Umformstufe wird der Hohlblock in einem Längswalzprozess über dem Innenwerkzeug, einer Walzstange, in Durchmesser und Wanddicke reduziert und in Längsrichtung gestreckt. In der dritten Umformstufe wird das Walzgut zu den geforderten Maßen in Durchmesser und Wanddicke umgeformt, wobei in der Regel kein Innenwerkzeug verwendet wird.Seamless steel tubes are generally produced in three forming stages on appropriate rolling mills by hot forming. In a first stage, a massive steel block heated to about 1200 ° C is formed into a hollow block using an internal tool, the piercer, on a piercing rolling mill. The block is driven over the piercing mandrel in a rotating manner by means of inclined rollers. In the second forming stage, the hollow block is reduced in diameter and wall thickness in a longitudinal rolling process over the inner tool, a rolling rod, and stretched in the longitudinal direction. In the third forming stage, the rolling stock is formed to the required dimensions in terms of diameter and wall thickness, with no internal tool being used as a rule.

Die Innenwerkzeuge in den beiden ersten Umformstufen sind bei der Produktion hohen Temperaturen und hohen mechanischen Drücken ausgesetzt. In den meisten Fällen bestehen die Innenwerkzeuge aus hochwarmfestem Stahl und werden mit natürlichen Zunderschichten versehen. Die Zunderschichten werden durch Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen unter oxidierender Atmosphäre erzeugt. Diese Zunderschichten hemmen den Wärmezufluss vom Umformgut in das Werkzeug und schützen das Werkzeug vor schneller Erwärmung und raschem Festigkeitsverlust. Zudem schützt die Zunderschicht vor einem direkten Kontakt zwischen Werkzeug und Walzgut, wodurch Verschweißungen und dadurch erzeugte Materialausbrüche verhindert werden.The internal tools in the first two forming stages are exposed to high temperatures and high mechanical pressures during production. In most cases, the inner tools are made of high-temperature steel and are provided with natural layers of scale. The scale layers are created by heat treatment at high temperatures in an oxidizing atmosphere. These layers of scale inhibit the flow of heat from the material to be formed into the tool and protect the tool from rapid heating and rapid loss of strength. In addition, the layer of scale protects against direct contact between the tool and the rolling stock, which prevents welds and the resulting material breakouts.

Bei der Produktion speziell mit größeren Walzzeiten ist eine sukzessive Erwärmung des Innenwerkzeuges oft nicht zu vermeiden. Infolge der Erwärmung nimmt die Festigkeit des Werkzeuges ab und das Werkzeug kann dann den mechanischen Belastungen nicht mehr standhalten. Das Werkzeug deformiert sich und bricht.During production, especially with longer rolling times, successive heating of the inner tool can often not be avoided. As a result of the heating, the strength of the tool decreases and the tool can then no longer withstand the mechanical loads. The tool deforms and breaks.

Bei der Umformung von höher legierten Werkstoffen wird die Zunderschicht dazu schnell abgetragen und der Wärmeschutz versagt.When forming higher alloyed materials, the scale layer is quickly removed and the thermal protection fails.

Um höhere Standzeiten der Werkzeuge zu erreichen wurde vorgeschlagen, die Werkzeugoberfläche mit keramischem Material zu versehen. Allerdings zeigte sich schnell, dass eine einfache keramische Beschichtung unter den komplexen mechanischen und thermischen Beanspruchungen beim Umformprozess schon nach kurzer Zeit versagt, da sie in der Regel spröde ist und bricht.In order to achieve a longer tool life, it has been proposed to provide the tool surface with ceramic material. However, it quickly became apparent that a simple ceramic coating failed after a short time under the complex mechanical and thermal stresses during the forming process, as it is usually brittle and breaks.

In der DE 10 2014 000 461 B4 wird daher vorgeschlagen, die aufgetragene keramische Schicht durch eine in der Schicht vorhandene Stahlmatrix zu stabilisieren und durch einen hohen Porenanteil der Keramik eine Plastizität der keramischen Schicht unter Umformbedingungen zu erreichen.In the DE 10 2014 000 461 B4 It is therefore proposed to stabilize the applied ceramic layer by a steel matrix present in the layer and to achieve a plasticity of the ceramic layer under deformation conditions through a high proportion of pores in the ceramic.

Nachteil der Beschichtung nach der DE 10 2014 000 461 B4 ist die sich aus der hohen Porosität zwangsläufig ergebende begrenzte Festigkeit gegen Abrieb und Kompression.Disadvantage of the coating after the DE 10 2014 000 461 B4 is the limited resistance to abrasion and compression that inevitably results from the high porosity.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat daher darin bestanden, Warmumformwerkzeuge mit weiter verbesserter Standfestigkeit zur Verfügung zu stellen, die frei von den eingangs geschilderten Nachteilen sind. Insbesondere sollten diese Werkzeuge im Vergleich zum Stand der Technik eine Schutzschicht mit höherer Festigkeit und verbesserter Wärmedämmung aufweisen.The object of the present invention was therefore to provide hot-forming tools with further improved stability, which are free from the disadvantages outlined at the beginning. In particular, these tools should have a protective layer with higher strength and improved thermal insulation compared to the prior art.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Die Aufgabe, eine Schutzschicht zu schaffen, die eine besonders hohe Haltbarkeit eines Warmumformwerkzeuges durch Wärmedämmung und Widerstand gegen Abrasion ermöglicht, wird nach vorliegender Erfindung dadurch gelöst, dass eine Schutzschicht aufgetragen wird, die aus zwei funktional unterschiedlichen Schichten besteht, eine untere, direkt auf den Grundkörper des Werkzeugs aufgebrachte Schicht aus einem Verbund von Stahl und Keramik sowie eine darüber aufgetragene, obere Schicht aus Metall und Metalloxiden.The object of creating a protective layer that enables a particularly high durability of a hot forming tool through thermal insulation and resistance to abrasion is achieved according to the present invention in that a protective layer is applied which consists of two functionally different layers, a lower one directly on the Base body of the tool applied layer made of a composite of steel and ceramic as well as a top layer made of metal and metal oxides applied over it.

Die untere Schicht bestehend aus einem Verbund von Stahl und Keramik hat die Aufgabe, den Wärmefluss vom Walzgut in das Werkzeug zu unterbinden oder zu reduzieren. Die Keramik dient als Isolationsmittel, der Stahl, in den die Keramik eingebettet ist, sorgt für die erforderliche Abschirmung der Keramik gegen mechanische Einflüsse. Unter Keramik ist technische Keramik oder keramikartige Werkstoffe zu verstehen, die sich durch geringe Wärmeleitung auszeichnen.The lower layer, consisting of a composite of steel and ceramics, has the task of preventing or reducing the flow of heat from the rolling stock into the tool. The ceramic serves as an insulating medium, the steel in which the ceramic is embedded provides the necessary shielding of the ceramic against mechanical influences. Ceramic is to be understood as technical ceramics or ceramic-like materials that are characterized by low heat conduction.

Die obere Schicht besteht aus einer unter Umformbedingungen, d.h. bei hoher Temperatur und hohen mechanischen Drücken plastischen Schicht aus Metall und Metalloxiden. Als besonders geeignet hat sich ein Gemisch aus Eisen, Fe, Eisen (II)-oxid, FeO, und Eisen (II,III)-oxid, Fe₃O₄, erwiesen. Diese Schicht besitzt vorzugsweise eine hohe Porosität und Körnigkeit, was die Plastizität der Schicht unterstützt. Auch der relativ niedrige Schmelzpunkt von FeO und ein teilweises Aufschmelzen an Korngrenzen kann dazu beitragen, dass diese Schicht sich plastisch verhält und nicht spröde unter mechanischer Belastung bricht.The upper layer consists of a layer of metal and metal oxides that is plastic under deformation conditions, ie at high temperature and high mechanical pressure. A mixture of iron, Fe, iron (II) oxide, FeO and iron (II, III) oxide, Fe ₃ O ₄ , has proven to be particularly suitable. This layer preferably has a high porosity and Graininess, which helps the plasticity of the layer. The relatively low melting point of FeO and partial melting at grain boundaries can also contribute to the fact that this layer behaves plastically and does not break brittle under mechanical stress.

Die obere Schicht kann auch aus anderen Metallen und Oxiden aufgebaut sein, wenn diese für genügend Plastizität sorgen können. Auch geeignet ist z.B. ein Gemisch aus Nickel und Nickeloxiden.The upper layer can also be composed of other metals and oxides, if these can provide sufficient plasticity. A mixture of nickel and nickel oxides, for example, is also suitable.

Das so ausgestattete Werkzeug kann unter oxidierender Atmosphäre bei Temperaturen zwischen ca. 900°C und ca. 1100°C wärmebehandelt werden, wobei das Verhältnis von Eisen und den Eisenoxiden, bzw. Metall und den Metalloxiden mittels der gewählten Temperatur und der Zusammensetzung der Atmosphäre optimiert eingestellt werden kann. Die optimale Einstellung wird durch Praxistests ermittelt.The tool equipped in this way can be heat-treated in an oxidizing atmosphere at temperatures between approx. 900 ° C and approx. 1100 ° C, the ratio of iron and iron oxides or metal and metal oxides being optimized by means of the selected temperature and the composition of the atmosphere can be adjusted. The optimal setting is determined through practical tests.

Die obere Schicht kann, wenn sie nach dem Einsatz verschlissen ist, erneuert werden. Die untere Schicht schützt den Werkzeuggrundkörper, sodass dieser auch nach Verschleiß der oberen Schicht zusammen mit der unteren Schicht weiterverwendet werden kann.The top layer can be replaced if it is worn out after use. The lower layer protects the tool body so that it can still be used together with the lower layer after the upper layer has worn out.

Hergestellt wird das vorgenannte Werkzeug, indem zunächst auf den Grundkörper des Werkzeuges eine Metallstruktur z.B. durch Auftragsschweißen aufgebracht oder mechanisch in die Oberfläche des Grundkörpers des Werkzeuges eingeschnitten wird. Diese Struktur besteht aus einer Metallmatrix, z.B. in Form von Erhebungen, wie Stegen sowie Leerbereiche, die mit einem anderen Werkstoff gefüllt werden können.The aforementioned tool is manufactured by first applying a metal structure to the base body of the tool, e.g. by build-up welding, or by cutting mechanically into the surface of the base body of the tool. This structure consists of a metal matrix, e.g. in the form of elevations such as bars and empty areas that can be filled with another material.

Im zweiten Bearbeitungsschritt werden die Leerbereiche mit Keramik gefüllt. Das geschieht z.B. mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens.In the second processing step, the empty areas are filled with ceramic. This is done, for example, with the help of a thermal spray process.

Anschließend wird die Oberfläche, falls nötig, z.B. durch Schleifen geglättet.Then, if necessary, the surface is smoothed, e.g. by sanding.

Schließlich wird eine gleichmäßige Schicht aus Metall und Metalloxiden aufgetragen. Auch diese Auftragung kann mit Hilfe eines thermischen Beschichtungsverfahrens erfolgen.Finally, an even layer of metal and metal oxides is applied. This application can also be carried out with the aid of a thermal coating process.

Das Werkzeug kann abschließend noch wärmebehandelt werden. Dabei wird Metall der oberen Schicht oxidiert und das Verhältnis der unterschiedlichen Metalloxide kann abhängig von der Temperatur und der Zusammensetzung der Atmosphäre gezielt eingestellt werden.The tool can then be heat-treated. The metal of the upper layer is oxidized and the ratio of the different metal oxides can be set in a targeted manner depending on the temperature and the composition of the atmosphere.

Der wirtschaftliche Nutzen der Erfindung besteht insbesondere in der Verringerung der Werkzeugkosten bei der Erzeugung von Stahlprodukten sowie der Verlängerung der Walzzeit, was in der Regel mit größeren Walzgutlängen und vermindertem Materialausschuss verbunden ist.The economic benefit of the invention consists in particular in the reduction of tool costs in the production of steel products as well as the extension of the rolling time, which is usually associated with greater lengths of rolling stock and reduced material waste.

GEWERBLICHE ANWENDBARKEITCOMMERCIAL APPLICABILITY

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung des oben ausführlich beschriebenen neuen Werkzeugs, speziell als Lochdorn, Schmiededorn oder Walzstange zur Herstellung von nahtlosen Rohren oder zum Warmschmieden von rohrförmigen Werkstücken aus Metall.Another object of the invention relates to the use of the new tool described in detail above, specifically as a piercing mandrel, forging mandrel or rolling rod for the production of seamless tubes or for the hot forging of tubular workpieces made of metal.

BEISPIELEXAMPLE

Auf der Oberfläche eines Lochdorngrundkörpers (1) wird eine Stahlmatrix (3) so aufgetragen, dass Leerbereiche entstehen, die mit keramischem Material (4) aufgefüllt werden. Zur Verbesserung der Haftung kann eine Grundierung z.B. aus Ni oder Al verwendet werden. Auf die Schicht aus Stahlmatrix und Keramik wird eine Schicht (5) aus Metall und Metalloxiden aufgebracht. Anschließend wird das Werkzeug in einer oxidierenden Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 900°C und 1100°C wärmebehandelt. Hierbei wird Metall oxidiert und Metalloxide unterschiedlicher Zusammensetzung reduziert und oxidiert. Durch Beimengungen anderer Elemente (Ni, Cr, Cu) oder Oxide, wie Al₂O₃ und ZrO₂ kann dieser Prozess gezielt beeinflusst werden. Durch anschließende Versuche im Walzwerk unter Verwendung des Werkzeuges wird die Standzeit geprüft und der Wärmebehandlungsprozess ggf. in Temperatur und Zusammensetzung der Atmosphäre verändert.On the surface of a piercer body ( 1 ) becomes a steel matrix ( 3 ) applied in such a way that empty areas are created that are covered with ceramic material ( 4th ) are filled. A primer made of Ni or Al, for example, can be used to improve adhesion. A layer ( 5 ) made of metal and metal oxides. The tool is then heat-treated in an oxidizing atmosphere at temperatures between 900 ° C and 1100 ° C. Metal is oxidized and metal oxides of different compositions are reduced and oxidized. This process can be influenced in a targeted manner by adding other elements (Ni, Cr, Cu) or oxides such as Al ₂ O ₃ and ZrO _2. The service life is checked by subsequent tests in the rolling mill using the tool and the temperature and composition of the atmosphere are changed in the heat treatment process, if necessary.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: LochdorngrundkörperPerforated mandrel body
22: Schutzschicht, bestehend aus zwei unterschiedlichen SchichtenProtective layer, consisting of two different layers
33: StahlmatrixSteel matrix
44th: keramisches Materialceramic material
55: Schicht aus Metall und MetalloxidenLayer of metal and metal oxides

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102014000461 B4 [0007, 0008]

Claims

Hot forming tool, consisting of a tool body (1) and at least a partial surface protection layer (2), characterized in that the surface protection layer (2) consists of a layer of a steel matrix (3) and ceramic (4) embedded therein and which is applied to the surface of the tool body and over it a layer (5) made of metal and metal oxides is applied.

Tool after Claim 1 , characterized in that it is a piercing mandrel, a forging mandrel or a rolling rod.

Hot forming tool, characterized in that the after Claim 1 The tool produced is then treated in an oxidizing atmosphere at a temperature between 900 ° C and 1100 ° C.

Method for manufacturing a tool consisting of a tool body (1) and at least a partial surface protective layer (2), in which the tool body is firstly coated with a layer of a steel matrix (3) and ceramic (4) embedded therein, and then with a layer (5) Metal and metal oxides is applied.

Procedure according to Claim 4 , characterized in that the surface protection layer is treated in an oxidizing atmosphere at temperatures between 900 ° C and 1100 ° C after application.

Use of a tool after at least one of the Claims 1 to 3 for the production of seamless tubes or for forging tubular workpieces made of metal.

Hot forming tool according to Claim 1 to 3 , characterized in that the top layer is renewed when worn.