DE3810261A1 - Verfahren zum herstellen von rohren, stangen und baendern - Google Patents

Verfahren zum herstellen von rohren, stangen und baendern

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Description

Das Verfahren gemäß der Erfindung bezieht sich auf die Her­ stellung von Rohren, Stangen und Bändern aus kontinuierlich gegossenen oder ähnlichen Barren im Wege der Kaltbearbei­ tung, bei der die Temperatur des Werkstoffs aufgrund des Einflusses des Verformungswiderstandes bis auf den Rekri­ stallisationsbereich ansteigt. Insbesondere bezieht sich das Verfahren auf die Weiterverarbeitung von Barren aus Nichteisenmetallen, wie Kupfer, Aluminium, Nickel, Zirko­ nium und Titan sowie Legierungen jedes dieser Stoffe.
Bei der Herstellung von Halbzeug aus Kupfer und Kupferle­ gierungen wird zur Weiterverarbeitung von Blöcken aus dem Blockgußverfahren, beispielsweise runden Barren und Brammen allgemein gemäß dem Stand der Technik zunächst Warmformung und dann Kaltformung angewandt. Die Warmformstufe besteht beispielsweise aus dem Walzen, Strangpressen oder Walzen in einem Stopfenwalzwerk und die Kaltformstufe beispielsweise aus dem Walzen, Ziehen oder Auswalzen in einem Pilger­ schrittwalzwerk. Anschließend wird das erhaltene Produkt je nach seiner Art einer speziellen Weiterbehandlung unterzo­ gen.
Um die Arbeitsstufen im Herstellungsprozeß zu verringern, ist die moderne Industrie zunehmend zum Stranggießen über­ gegangen, wobei der Zweck darin besteht, einen Block mit Abmessungen zu erhalten, die den Abmessungen des Endproduk­ tes so nahe wie möglich kommen. In manchen Fällen wird dies Gießverfahren auch als kontinuierliches Gießen mit unterge­ tauchter Kokille bezeichnet. Die Kristallstruktur eines durch Stranggießen erhaltenen Produktes, beispielsweise eines Rohrmantels ist von Natur aus grobkristallin und in­ homogen. Das verursacht besondere Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung des Materials. Als Weiterverarbeitung von Stranggußmaterial mit kleiner Querschnittsfläche, bei­ spielsweise Bändern wird häufig Kaltformung vorgesehen. Aber insbesondere bei der Kaltformung eines Rohres oder einer Stange kann die beim Gießen entstandene grobe und in­ homogene Struktur zu einer sogenannten Orangenhaut-Ober­ fläche des Werkstoffs führen, einem Defekt der sogar im Endprodukt noch sichtbar ist und dessen Abnahme bei der endgültigen Inspektion beeinträchtigt. Ein weiterer Nach­ teil dieser Struktur besteht darin, daß bei fortgesetzter Kaltformung ohne Zwischenglühen, wie es in der Industrie üblich ist, der Werkstoff bereits in einem frühen Stadium zur Bildung von Rissen neigt, die zu seinem Bruch führen. Dies ist besonders üblich bei solchen Bearbeitungsverfah­ ren, bei denen der Werkstoff sich unter Zugspannung biegen muß, beispielsweise wenn Rohre einem Ziehverfahren mit Lochdorn (bull block) unterzogen werden.
Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen von Rohren wird der stranggepreßte Rohrmantel zunächst in einem Pil­ gerschrittwalzwerk gewalzt und anschließend mittels Loch­ dorn gezogen. Die Kosten für das Verfahren im Pilger­ schrittwalzwerk sind jedoch hoch, und außerdem sollte noch auf den Nachteil hingewiesen werden, daß unter Umständen die Exzentrizität des Mantels im Pilgerschrittwalzwerk nicht korrigiert werden kann.
Wie bereits erwähnt, ist die Warmformung die traditionelle Lösung im Zusammenhang mit Blockguß und teilweise auch mit Strangguß. Bei Anwendung eines solchen Verfahrens können die durch die inhomogene Kristallstruktur nach dem Gießen verursachten Probleme auch gelöst werden, da es von Metal­ len und Legierungen bekannt ist, daß sie bei der Warmfor­ mung rekristallisieren und folglich homogenisieren. Aber die Anwendung eines Warmformverfahrens, insbesondere für als Strangguß hergestellte Barren aus Kupfer, Aluminium so­ wie Legierungen dieser Stoffe mit kleinen Querschnittsflä­ chen ist viel zu unwirtschaftlich.
Von der Firma SMS Schloemann-Siemag AG ist eine Planeten­ walztechnik entwickelt worden, bei der drei konische Walzen unter einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind. Die Walzen drehen sich um ihre eigene Achse und auch um die zentrale Achse des ganzen Planetensystems. Die bei einem einzigen Stich erhaltene Reduktion der Fläche ist hoch, liegt sogar bei über 80%. Auf die Planetenwalztechnik wird häufig unter Verwendung der Abkürzung PSW (Planetenschräg­ walzwerk) hingewiesen, und die entsprechende Vorrichtung ist durch verschiedene Patente geschützt.
Die Planetenwalztechnik wird bisher für das Walzen von Stahl angewandt. Im Fall von Rohren laufen die vorerwärmten Barren zunächst in ein Stopfenwalzwerk und anschließend in ein PSW-Walzwerk ein. Während Stangen gewalzt werden, wer­ den zunächst die Barren getrennt vorerwärmt; somit wird im Zusammenhang mit dem Walzen von Stahl in Planetenwalzwerken zunächst immer das Verfahren der herkömmlichen Warmformung angewandt.
Eine überraschende Entdeckung hat vor kurzem offengelegt, daß bei der Bearbeitung von Nichteisenmetallen, insbeson­ dere Kupfer, Aluminium, Nickel, Zirkonium und Titan sowie Legierungen jedes dieser Stoffe ein gutes Endergebnis hin­ sichtlich der Mikrostruktur des Werkstoffs ohne gesondertes Vorerwärmen oder ohne gesondertes Zwischenglühen erhalten wird, wenn bei der Kaltformung die Temperatur des Werk­ stoffs aufgrund einer starken Flächenminderung und innerer Reibung des fraglichen Werkstoffs bis auf den Rekristalli­ sationsbereich ansteigt. Die wesentlichen neuen Merkmale der Erfindung gehen aus Anspruch 1 hervor.
Kaltformung bedeutet insgesamt ein Verfahren, dem der zu behandelnde Werkstoff ohne Vorerwärmung zugeführt wird und bei dem die Temperatur des Werkstoffs während der Bearbei­ tungsstufe unterhalb der Rekristallisationstemperatur bleibt. Wo im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auf Kaltformung hingewiesen wird, verstehen wir darunter eine Bearbeitung, bei der die Temperatur zu Beginn des Ar­ beitsprozesses der Umgebungstemperatur entspricht aber im Verlauf des Arbeitsprozesses wesentlich über die normale Kaltformtemperatur ansteigt, das heißt bis auf den Rekri­ stallisationsbereich des Werkstoffs.
Durchgeführte Versuche haben erwiesen, daß im Verlauf der Bearbeitung aufgrund des im Werkstoff durch starke Flächen­ minderung und interne Reibung entstehenden Verformungswi­ derstandes die Temperatur des Werkstoffs bis auf einen Be­ reich von 250 bis 750°C ansteigt. Aus Erfahrung wissen wir, daß eine geeignete Rekristallisationstemperatur für Kupfer und Kupferlegierungen im Bereich von 250 bis 700°C liegt, während sie für Aluminium und Aluminiumlegierungen im Bereich von 250 bis 450°C für Nickel und Nickellegie­ rungen im Bereich von 650 bis 760°C, für Zirkonium und Zirkoniumlegierungen im Bereich 700 bis 785°C und für Ti­ tan und Titanlegierungen im Bereich von 700 bis 750°C liegt. Die Arbeitstemperatur kann durch Einstellen des Küh­ lens so reguliert werden, daß sie für jeden fraglichen Werkstoff geeignet ist. Die zumindest teilweise rekristal­ lisierte Struktur erlaubt eine Weiterverarbeitung im Wege der Kaltformung, beispielsweise das Ziehen eines Rohres mittels Lochdorn, ohne daß dabei die Gefahr einer Rißbil­ dung im Werkstoff besteht.
Ferner ist es für das Verfahren vorteilhaft, daß der Tempe­ raturanstieg im Zusammenhang mit der Bearbeitung von kurzer Dauer ist, was die Gefahr eines übermäßigen Kornwachstums und übermäßig starker Oxydation der Oberflächen vermeidet. Die Korngröße des die Arbeitsstufe verlassenden Materials ist klein, circa 0,005 bis 0,050 mm.
Bei der Kaltformung eines Rohrmantels hat sich das Walzen in einem Planetenwalzwerk als geeignetes Verfahren zum An­ heben der Temperatur bis auf den Rekristallisationsbereich erwiesen. Innerhalb des Rohrmantels, der vorteilhafterweise einen Durchmesser von zum Beispiel 80/40 mm hat, wird mit­ tels eines Trägers ein Dorn angeordnet und der Rohrmantel auf Dimensionen von mindestens 55/40 mm, am vorteilhafte­ sten auf Dimensionen von 45/40 mm gewalzt, woraufhin wei­ teres Ziehen durchgeführt wird. Das Walzen von Stangen er­ folgt auf die gleiche Weise wie das von Rohren, aber natür­ lich ohne den Stopfen. Bei der Herstellung von Bändern kann ein anderes Arbeitsverfahren angewandt werden, vorausge­ setzt, daß es eine ausreichend große Flächenreduktion er­ bringt, beispielsweise Schmieden.
Wenn der durch das Arbeitsverfahren verursachte Temperatur­ anstieg für die Rekristallisation des Werkstoffs nicht aus­ reicht, kann er durch leichte Vorerwärmung des Werkstoffs, beispielsweise mit Hilfe einer Induktionsspule, durch die der Barren unmittelbar vor der Arbeitsstufe hindurchläuft, gefördert werden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist im Strang­ gußverfahren erhaltenes Material ein geeigneter Ausgangs­ werkstoff für das PSW-Walzen. Abgesehen davon kann es aber beispielsweise auch ein stranggepreßter Rohrmantel sein. Das teuere Walzen im Pilgerschrittwalzwerk kann also durch das billigere PSW-Walzen ersetzt werden, und zu den weiter erreichten Vorteilen gehört die bessere Mikrostruktur des Werkstoffs und die Möglichkeit, die Exzentrizität eines Rohrmantels während des Verfahrens zu verringern. Die vor­ teilhafteste Alternative des Verfahrens gemäß der Erfindung bei der Herstellung von Rohren und Stangen besteht in der Benutzung einer verhältnismäßigen billigen Kombination aus Strangguß - PSW - Walzausrüstung, die anstelle des teuren Verfahrens des Gießens - Extrudierens (oder Walzens im Stopfenwalzwerk) - Walzens im Pilgerschrittwalzwerk von Barren benutzt werden kann.
Die Erfindung soll anhand der folgenden Beispiele näher er­ läutert werden.
Beispiel 1 (Stand der Technik)
Ein Strangguß-Rohrmantel aus phosphorhaltigem, desoxydier­ tem Kupfer (Cu-DHP) wurde in einem Pilgerschrittwalzwerk gewalzt. Die Anfangsgröße des Rohrmantels betrug 80/60 mm, und die Korngröße des Gußstücks war 1 bis 20 mm. Das Walzen war erfolgreich, die Größe des erhaltenen Rohres war 44/40 mm, und die Gußstruktur hatte sich damit zu einer durch Bearbeitung gehärteten Struktur geändert. Die Härte des Rohres lag im Bereich von 120 bis 130 HV5. Allerdings hielt das in der beschriebenen Weise gewalzte Rohr das Zie­ hen mittels Lochdorn nicht aus, erfolgreich war allein das Ziehen auf gerader Ziehbank. Um das auf die genannte Weise erhaltene Rohr mittels Lochdornen ziehen zu können, war ein Zwischenglühen erforderlich. Folglich wird behauptet, daß die Gußstruktur beim Walzen nicht verschwindet, weil bei dieser Art von Walzen die Temperatur des Werkstoffs niedrig bleibt. Außerdem war die Oberflächenqualität wegen der gro­ ben Gußstruktur nicht zufriedenstellend.
Beispiel 2 (Stand der Technik)
Ein Strangguß-Rohrmantel, 80/40 mm, wurde in einer Ziehbank gerade gezogen. Die Qualität der Rohroberfläche war schlecht, und das Ziehen konnte nicht ohne Zwischenglühen mittels Lochdorn fortgesetzt werden, weil die Gußstruktur starke Reduktionen nicht aushält. Der Werkstoff des Rohr­ mantels war der gleiche wie beim vorhergehenden Beispiel, und ähnlich blieb die Struktur des Gusses und die durch Be­ arbeiten gehärtete Struktur ebenso wie die Härte des kalt­ geformten Rohres innerhalb des gleichen Bereichs wie oben.
Beispiel 3 (Stand der Technik)
Ein Rohrmantel, 80/60 mm, Korngröße circa 0,1 mm, der aus einem Gußbarrenstrang gepreßt wurde, Größe 280×660 mm und aus phosphorhaltigem, desoxydiertem Kupfer (Cu-DHP) be­ stand, wurde in einem Pilgerschrittwalzwerk auf die Dimen­ sion 44/40 mm gewalzt. Die Härte eines auf diese Weise ge­ walzten Rohres war circa 120 bis 130 HV5, und die Struktur war die durch Bearbeiten gehärtete Struktur. Die weitere Bearbeitung des Rohres zu den endgültigen Abmessungen er­ folgt ohne Zwischenglühen mittels Lochdorn und Ziehen auf der Bank. Das Endprodukt kann, wenn nötig, weichgeglüht werden.
Beispiel 4
Ein Strangguß-Rohrmantel aus phosphorhaltigem, reduziertem Kupfer (Cu-DHP), Durchmesser 80/40 mm und mit Normalguß­ struktur (Korngröße 1 bis 20 mm) wurde in einem Pilger­ schrittwalzwerk auf die Dimensionen 46/40 mm gewalzt. Das Walzen war erfolgreich und das so gewalzte Rohr konnte auch mittels Lochdornen weiter gezogen werden. Hinsichtlich der Mikrostruktur des gewalzten Rohres wurde beobachtet, daß die Korngröße klein war, nämlich 0,005 bis 0,015 mm, was bedeutete, daß eine Rekristallisation in der Struktur wäh­ rend des Walzens stattgefunden hatte. Die Härte des gewalz­ ten Rohres war 75 bis 80 HV5, was bedeutete, daß ein Weich­ glühen unnötig war. Das Rohr wurde sechsmal mittels Loch­ dornen gezogen und erhielt die Abmessungen 18/16,4 mm. Nach dem Ziehen war die Härte des Rohres 132 HV5.
Beispiel 5
Ein extrudierter Rohrmantel, 80/40 mm, Material: sauer­ stoffreies Kupfer Cu-OF, wurde in einem PSW-Walzwerk auf die Dimensionen 46/40 mm gewalzt. Das Walzen war erfolg­ reich und die Struktur war aufgrund des Einflusses des Tem­ peraturanstiegs beim Arbeitsverfahren rekristallisiert. Die Korngröße des gewalzten Rohres war circa 0,010 mm und die Härte circa 80 HV5.

Claims (24)

1. Verfahren zum Herstellen von Rohren, Stangen und Bän­ dern aus einem Nichteisenmetall, dadurch gekennzeichnet, daß ein Barren in sol­ cher Weise kaltbearbeitet wird, daß die Temperatur des zu verarbeitenden Werkstoffs aufgrund des Einflusses des Wi­ derstandes gegen die Verformung bis zum Rekristallisations­ bereich ansteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaltbearbei­ ten als Kaltwalzen durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Kaltbearbeitens der Barren unmittelbar vor dem Kaltbearbei­ ten einer Vorerwärmung unterzogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorerwärmen unter Verwendung einer Induktionsspule durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Barren aus Kupfer oder Kupferlegierung benutzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Barren aus Aluminium oder Aluminiumlegierung benutzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Barren aus Nickel oder Nickellegierung benutzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Barren aus Zirkonium oder Zirkoniumlegierung benutzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Barren aus Titan oder Titanlegierung benutzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kaltbear­ beitung die Fläche um mindestens 70% reduziert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kaltbear­ beitung die Fläche vorteilhafterweise um circa 90% redu­ ziert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltbearbei­ tung des Barrens als Planetenwalzverfahren durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltbearbei­ tung eines Rohrmantels als Planetenwalzverfahren durchge­ führt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltbearbei­ tung eines massiven Barrens als Planetenwalzverfahren durchgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu bearbei­ tende Barren durch Stranggießen hergestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu bearbei­ tende Barren durch Strangpressen hergestellt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des zu bearbeitenden Werkstoffs auf den Bereich von 250° bis 750°C angehoben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 5 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur auf den Bereich von 250 bis 700°C angehoben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 6 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur auf den Bereich von 250 bis 450°C angehoben wird.
20. Verfahren nach Anspruch 7 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur auf den Bereich von 650 bis 750°C angehoben wird.
21. Verfahren nach Anspruch 8 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur auf den Bereich von 700 bis 750°C angehoben wird.
22. Verfahren nach Anspruch 9 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur auf den Bereich von 700 bis 750°C angehoben wird.
23. Verfahren nach Anspruch 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur durch Einstellen der Kühlung reguliert wird.
24. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des zu bearbeitenden Werkstoffs innerhalb des Bereichs von 0,005 bis 0,050 mm bleibt.
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