DE19628714C1 - Verfahren zur Herstellung von Präzisionsstahlrohren - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Präzisionsstahlrohren durch
Kaltumformung von Rohrluppen, insbesondere in mehreren Umformschritten, mit oder
ohne Innenwerkzeug.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 38 14 648 A1 bekannt.
Es gehört seit vielen Jahren zum allgemeinen Stand der Technik, nahtlose oder
geschweißte Stahlrohre in ihren Abmessungen (Durchmesser und Wanddicke) durch
Kaltumformung zu Präzisionsrohren weiter zu reduzieren. Dabei kann mit oder ohne
Innenwerkzeug gearbeitet werden. Am weitesten verbreitet ist die Kaltumformung
durch Kaltziehen. Es ist aber z. B. auch möglich, die als Einsatzmaterial verwendeten
Rohrluppen durch Kaltpilgern auf die gewünschten Abmessungen umzuformen.
Letzteres ist üblicherweise auf die Verarbeitung von Edelstählen und
Sonderlegierungen beschränkt. Insbesondere beim Kaltziehen werden vorwiegend
Rohrluppen aus Baustählen eingesetzt.
Bei der Kaltumformung von Stählen treten regelmäßig Veränderungen der
technologischen Eigenschaften ein. Es kommt je nach Umformgrad zu deutlichen
Steigerungen der Zugfestigkeit (Kaltverfestigung). Bei Baustählen ist dies aufgrund
des Kohlenstoff- und Stickstoffgehaltes (wesentlich über 0,005%) unvermeidbar mit
erheblichen Verschlechterungen der Duktilität (z. B. Bruchdehnung) verbunden. Die
Kaltverfestigung, die vielfach im Endprodukt durchaus erwünscht ist, bringt für die
Kaltumformung selbst einen erheblichen Nachteil mit sich, da mit zunehmendem
Umfang der Kaltumformung immer größere Kräfte für die weitere Umformung
aufgebracht werden müssen, so daß die Leistungsgrenzen der eingesetzten
Umformmaschine überschritten werden können. Darüber hinaus stößt die weitere
Kaltumformbarkeit wegen der abnehmenden Duktilität an Grenzen. Aus diesen
Gründen ist es normalerweise notwendig, nach ein oder zwei Kaltumformschritten eine
Gefügeumwandlung durch eine Normalisierungsglühung vorzunehmen. Bevor der
nächste Kaltumformschritt erfolgen kann, ist eine Ziehmittel- und
Ziehmittelträgerschicht zu erzeugen. Dies erhöht den Aufwand der Herstellung von
Präzisionsstahlrohren in erheblichem Maße.
Aus der US 5 200 005 ist ein Verfahren bekannt, nach dem Bleche mit erhöhter
Festigkeit und Duktilität durch Warmumformung aus einem sog. IF-Stahl (Interstitial
Free) hergestellt werden können. Derartige Stähle sind zur Herstellung von
Tiefziehblechen seit vielen Jahren bekannt. In einer ersten Variante sieht die US 5 200
005 die Herstellung von Stahlband durch Vorwalzen bei einer Temperatur von 1260°C
und Fertigwalzen bei etwa 710°C vor. Nach einer zweiten Verfahrensvariante erfolgt
das Vorwalzen bei 850°C und das Fertigwalzen bei etwa 700°C.
Eine Herstellung von Stahlrohren aus IF-Stählen ist bisher nicht bekanntgeworden.
Dies dürfte einerseits durch den Umstand bedingt sein, daß IF-Stähle von Natur aus
eine vergleichsweise geringe Festigkeit aufweisen. Andererseits lassen sich solche
Stähle unter den üblichen Verfahrensbedingungen der Herstellung nahtloser
Stahlrohre durch Warmwalzen nicht bearbeiten, da ihr Verformungswiderstand zu
gering ist. Auch die Herstellung geschweißter Rohre aus IF-Stahl ist bisher nicht in
Erwägung gezogen worden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem
Präzisionsstahlrohre herstellbar sind, die im Verhältnis zu ihrer Festigkeit eine
außerordentlich hohe Duktilität (z. B. Bruchdehnung) besitzen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.
Die Erfindung sieht vor, als Einsatzmaterial für die Herstellung von
Präzisionsstahlrohren Rohrluppen aus einem IF-Stahl zu verwenden. Derartige
IF-Stähle zeichnen sich durch sehr geringe Massenanteile der Elemente Kohlenstoff und
Stickstoff aus, die sich auf Zwischengitterplätzen im Eisenkristallgitter (interstitiell)
ein lagern. Die Rohrluppen können nahtlos durch Warmwalzen unter speziellen
Bedingungen oder durch Schweißen hergestellt werden. Dabei können z. B. übliche
HF-Schweißverfahren oder vorteilhafterweise auch Laserschweißverfahren (sehr
kleine Wärmeeinflußzone) eingesetzt werden. Das Gefüge der verwendeten
Rohrluppen sollte eine Korngröße von mindestens der Güte ASTM6 bis zu ASTM9
aufweisen.
Die Zusammensetzung des im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten IF-Stahls
ist zweckmäßigerweise wie folgt:
Die Rohrluppen aus IF-Stahl lassen sich in hervorragender Weise durch
Kaltumformung zu Präzisionsstahlrohren weiterverarbeiten. Bisher wurden solche
Präzisionsrohre üblicherweise aus nahtlosen oder geschweißten Luppen konventioneller
Baustähle durch Kaltziehen hergestellt, wobei wegen des eingeschränkten
Kaltumformvermögens das Kaltziehen in sehr vielen Teilschritten (Einzelzüge) erfolgen
mußte, wenn Rohre mit besonders kleinem Durchmesser erzeugt werden sollten, wie
dies beispielsweise bei Präzisionsstahlrohren der Fall ist, die als
Kraftstoffeinspritzrohre oder als Vormaterial zur Niet-Herstellung eingesetzt werden
sollen. Bei Kraftstoffeinspritzrohren aus Baustahl wird üblicherweise nach jedem
Kaltzug eine Normalisierungsglühung durchgeführt. Dieser bekannte Verfahrensablauf
ist wegen der vielen Arbeitsschritte mit hohem Aufwand belastet. Hinzu kommt, daß
bei der Werkstoffklasse der Baustähle jede verformungsbedingte
Festigkeitssteigerung mit einer Verminderung an Duktilität verbunden ist. In vielen
Anwendungsfällen von Präzisionsrohren möchte man aber gleichzeitig gute
Festigkeits- und Duktilitätswerte haben. Hier bieten Rohre aus IF-Stahl den Vorteil,
daß trotz erheblicher Festigkeitssteigerungen infolge Kaltverformung nur
vergleichsweise geringe Einbußen bei der Duktilität hingenommen werden müssen.
Bei den nach der Erfindung eingesetzten nahtlosen oder geschweißten Rohrluppen
aus IF-Stahl ergibt sich demgegenüber bei der Kaltumformung eine ganz wesentliche
Verringerung des Herstellungsaufwandes. Diese Kaltumformung kann beispielsweise
durch Kaltziehen mit oder ohne Innenwerkzeug erfolgen. Bei jedem Einzelzug ergibt
sich zwar auch eine Erhöhung der Festigkeit, also eine Erhöhung des
Formänderungswiderstands. Diese Erhöhung ist allerdings erheblich geringer als bei
einem Kohlenstoffstahl und bei allen anderen in der Präzisionsrohrherstellung üblichen
Stählen. Aus diesem Grunde lassen sich Stahlrohre aus IF-Stählen mit
vergleichsweise deutlich geringerer Anzahl an Einzelzügen auf eine bestimmte
Abmessung reduzieren, als dies bei einem Kohlenstoffstahl der Fall ist. Der
Umformgrad bei jedem Einzelzug kann also größer sein. Daher ist die Erfindung auch
vorteilhaft, wenn die Kaltumformung lediglich in einem einzigen Umformschritt
stattfindet. Weiterhin ist als wesentlich zu beachten, daß im Mittel deutlich mehr
Einzelzüge hintereinander durchgeführt werden können, ohne daß zuvor durch eine
Glühung eine Reduzierung des Formänderungswiderstandes herbeigeführt werden
muß, damit die weitere Kaltumformung auf noch kleinere Abmessungen erfolgen kann.
Zweckmäßigerweise beträgt das Verhältnis der Anzahl der Verformungsschritte zur
Anzahl der Glühungen mindestens 3, vorzugsweise mindestens 3,5 und besonders
bevorzugt mindestens 4. Vorzugsweise sollte die Glühung jeweils unterhalb der
Normalisierungstemperatur in einem Temperaturbereich von etwa 680 bis 720°C
erfolgen. Soll die Festigkeitserhöhung nach der Kaltverfestigung weitgehend erhalten
bleiben und ist gleichzeitig eine sehr hohe Duktilität erwünscht, kann bei Temperaturen
unter 550°C spannungsarm geglüht werden. Um nach der Kaltumformung eine
besonders hohe Festigkeit des erzeugten Präzisionsrohres zu erreichen, kann
zweckmäßigerweise nach der letzten Glühung noch eine Kaltumformung in
mindestens 3 Verformungsschritten folgen. Dadurch lassen sich ohne weiteres
Festigkeitsstufen erreichen, die mit denen üblicher Baustähle (St37) vergleichbar sind,
wobei diese günstigen Festigkeitswerte begleitet sind von ausgezeichneten Werten
der Duktilität. Insoweit sind die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Präzisionsrohre den bekannten Präzisionsrohren aus Kohlenstoffstahl sogar
überlegen. Die erfindungsgemäße Herstellung ist insgesamt deutlich weniger
aufwendig, obwohl für die Herstellung des Stahlvormaterials ein höherer Aufwand
getrieben werden muß, da die Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff auf sehr niedrige
Werte abgesenkt werden müssen. Wenn nach der Kaltumformung eine abschließende
Glühung bei 680-720°C durchgeführt wird, liefert das erfindungsgemäße Verfahren
Rohre oder rohrähnliche Hohlkörper, die bei niedriger Festigkeit eine
außergewöhnliche Verformbarkeit besitzen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
Auf einer Kaltziehbank wurde eine nahtlose Rohrluppe aus einem IF-Stahl eingesetzt,
die folgende Zusammensetzung aufwies:
C|0,003% | |
Si | 0,01% |
Mn | 0,11% |
P | 0,007% |
S | 0,005% |
Alges | 0,024% |
Cu | 0,05% |
Cr | 0,04% |
Ni | 0,03% |
Mo | 0,01% |
V | <0,002% |
Ti | 0,064% |
Nb | 0,0020% |
B | <0,0003% |
N | 0,0046% |
Fe | Rest |
Diese Rohrluppe hatte einen Durchmesser von 42,4 mm und eine Wanddicke von 5,6
mm und wies eine mittlere Korngröße der Güte ASTM6 auf. Das Kaltziehen wurde in
insgesamt sechs Einzelzügen bis auf eine Endabmessung von 6,0 mm Durchmesser
und 2,0 mm Wanddicke durchgeführt. Nach dem dritten Kaltzug erfolgte eine Glühung
bei 680-720°C. Hätte man ein vergleichbares Rohr aus einem Stahl St37 hergestellt,
wäre zwar eine Kaltumformung ebenfalls in sechs Kaltzügen möglich gewesen.
Allerdings hätten mindestens drei Zwischenglühungen erfolgen müssen, um den
Formänderungswiderstand des Materials auf einen für die benutzte Ziehbank
zulässigen Wert zu vermindern.
Eine HF-geschweißte Rohrluppe gleicher Abmessung und gleicher Zusammensetzung
wie im Beispiel 1 wurde auf einer Kaltziehbank eingesetzt. Die mittlere Korngröße
dieser Rohrluppe entsprach der Güte ASTM7. Die Kaltumformung wurde in insgesamt
11 Kaltzügen durchgeführt, wobei das umgeformte Rohr jeweils nach dem 3., 6. und 8.
Zug unterhalb der Normalisierungstemperatur bei 720°C geglüht wurde. Die
Kaltverformung führte zu Präzisionsrohren mit nur noch 2,5 mm Durchmesser und
0,25 mm Wanddicke. Im Falle einer Herstellung derartiger Präzisionsrohre in der
konventionellen Weise aus einem St37 wären insgesamt 13 Kaltzüge und
5 Glühungen notwendig geworden.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Rohrluppen aus IF-Stahl läßt sich der für
die Erzeugung von Präzisionsstahlrohren notwendige Aufwand vermindern, obwohl
beim Einsatzmaterial (Erzeugung der Stahlschmelze) deutlich mehr Aufwand getrieben
werden muß. Die gezielte Ausnutzung der Kaltverfestigung durch einen oder mehrere
Umformschritte ist vorteilhafterweise möglich ohne eine unerwünscht starke
Verschlechterung der Duktilität. Daher sind technologische Eigenschaften darstellbar,
die denen einfacher Baustähle (wie z. B. St37) ebenbürtig oder sogar überlegen sind.
Dies läßt sich mit vergleichsweise weniger Kaltumformungsschritten realisieren, so
daß die Kapazität einer bestehenden Kaltziehbank entsprechend erhöht werden kann.
Außerdem kann die Zahl der erforderlichen Glühungen zwischen einzelnen
Kaltziehschritten wesentlich reduziert werden. Es sind Rohre herstellbar, die ein
außerordentlich hohes Umformvermögen aufweisen.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von Präzisionsstahlrohren durch Kaltumformung von
Rohrluppen, insbesondere in mehreren Umformschritten, mit oder ohne
Innenwerkzeug,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Einsatzmaterial eine Rohrluppe aus IF-(interstitial free)-Stahl verwendet
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein IF-Stahl mit folgender Zusammensetzung eingesetzt wird:
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der IF-Stahl folgende Zusammensetzung aufweist:
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach mehreren Umformschritten jeweils eine Glühung bei 680 bis 720°C
erfolgt, wobei das Verhältnis der Anzahl der Umformschritte zur Anzahl der
Glühungen mindestens 3 beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach der letzten Glühung mindestens noch 1, insbesondere mindestens
noch 3 Umformschritte folgen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Rohrluppen geschweißte, insbesondere lasergeschweißte Stahlrohre
eingesetzt werden.
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