DE69114991T2

DE69114991T2 - Verfahren zur Verbesserung der Biegsamkeit von Röhren aus Kupfer mittels einer dynamischen Wärmebehandlung.

Info

Publication number: DE69114991T2
Application number: DE1991614991
Authority: DE
Inventors: Tavakoli Abbas Bohran; Patrick Boisgontier
Original assignee: Trefimetaux SAS
Current assignee: Trefimetaux SAS
Priority date: 1990-10-18
Filing date: 1991-10-16
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2011-10-17
Also published as: DE69114991D1; EP0481902A1; FR2668170A1; FR2668170B1; EP0481902B1; ES2079618T3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das zur Verbesserung der Biegsamkeit von gezogenen Kupferrohren im harten Zustand bestimmt ist.

HINWEIS AUF DEN STAND DER TECHNIK

Die Kupferrohre im harten Zustand werden im wesentlichen in den Sanitäranlagen verwendet. ihr Verwendungsgrad bei Sanitärwasser unter Druck im inneren der Wohnungen erreicht heute 90 %.
in der vorliegenden Anmeldung umfaßt der Ausdruck "harte Kupferrohre" die Rohre aus Kupfer oder Kupferlegierungen, die sich zur Verwendung u.a. in den Sanitäranlagen eignen.
Der Einsatz dieser Rohre erfordert Biegungsvorgänge, die entweder auf dem Bauplatz mit Handbiegevorrichtungen oder in der Fabrik mit automatischen Biegevorrichtungen mit pneumatischer oder hydraulischer Steuerung stattfinden.
Die geraden Kupferrohre werden meistens aus einem rohrförmigen Rohling großen Durchmessers hergestellt, der durch Heißstrangpressen mit nachfolgendem Kaltwalzen und Ziehen bis zu den Endabinessungen ohne Zwischenanlaßbehandlungen erhalten wurde.
Daher weisen die fertigen harten Rohre eine sehr geringe Restduktilität auf, und infolgedessen besteht beim Biegungsvorgang die Gefahr der Bildung von Rissen, Bruchansätzen und sogar Brüchen.
Andererseits wird die Verwendung von Rohren im weichgeglühten Zustand wegen ihrer übermäßigen Duktilität ausgeschlossen, die im Fall von Anlagen, wo die Rohre sichtbar sind, zu unästhetischen Verformungen führt.
Die in den Sanitäranlagen verwendeten Kupferrohre sind allgemein harte Rohre aus mit Phosphor desoxidiertem Kupfer, wie z.B. dem Cub&sub2; (Cu-DLP) und dem Cub&sub1; (Cu-DHP), deren mittlere Werte der mechanischen Eigenschaften die folgenden sind:
* Belastung beim Bruch (Rm) = 450 MPa
* elastische Grenze (R0,2) = 430 MPa
* Dehnung beim Bruch auf einer Basis von 50 mm (Asomm %) = 5 %.
Andererseits gibt es Normen für die harten Kupferrohre:
- gemäß der Norm ARNOR (NR A51-120) müssen die harten Rohre (Zustand H14) die folgenden Eigenschaften haben:
* Rm ≥ 310 MPa
* A% ≥ 5%
- gemäß der geplanten europäischen Norm (EN133/22) müssen die harten Rohre die folgenden Eigenschaften haben:
* Rm ≥ 290 MPa
* A% ≥ 3 %
* HV&sub5; ≥ 100 (Härte).
Es ist bekannt, daß sich eine Erhöhung der Dehnung in einer Verbesserung der Duktilität zeigt, die die Biegsamkeit der Rohre allgemein begünstigt.
Man kennt auch die Wirkungen der Wärmebehandlungen auf die mechanischen Eigenschaften, wie die Belastung beim Bruch (Rm) und die Dehnung (A %), die typisch durch das Diagramm der Fig. 1 dargestellt sind, die den Verlauf der Belastung beim Bruch (Rm) und der Dehnung (A %) als Funktion der Temperatur (T) zeigt, wobei T als Abszisse und Rm, A % als Ordinate erscheinen.
Die Kurve Rm = f(T) (in der Folge der Beschreibung auch "Erweichungskurve" genannt) sowie auch die Kurve A % = F(T) hat eine "S"-Form (s. Fig. 1) . Diese Kurven haben jeweils einen Abszisseninflexionspunkt TRm bzw. TA %, wobei diese Inflexionspunkte auch sehr nahe beim Schnittpunkt der zwei Kurven mit der Abszisse Ti sind.
Alle Kupferlegierungen weisen charakteristische Erweichungskurven auf, die allgemein zu den hohen Temperaturen versetzt sind. Diese Versetzung ergibt sich, bei sonst sämtlichen gleichen Bedingungen, im wesentlichen aus der Anwesenheit der Zusatzelemente.
In allgemeiner Weise zeigt dieser Diagrammtyp, daß die Belastung beim Bruch und die Dehnung einander entgegengesetzt variieren und daß es tatsächlich drei Temperaturbereiche gibt:
- mit A" bezeichneter Bereich: hohe Rm und niedrige A % (verformtes Metall)
- mit "T" bezeichneter Bereich: Übergangsbereich mit starker Instabilität
- mit "B" bezeichnter Bereich: geringe Rm und hohe A % (rekristallisiertes Metall).
Für den Fachmann wären bei einer Wärmebehandlung von harten Kupferrohren, die eine Verbesserung der Duktilität bei gleichzeitiger Bewahrung des harten Zustandes bezweckt, die Zonen T und B zu vermeiden. Tatsächlich sind in der Zone T die Übergänge einerseits zu brutal (dRm/dtT und dA %/dT zu hoch) und daher industriell schwierig beherrschbar und können es nicht ermöglichen, gleichzeitig eine hohe Rm und eine hohe A % zu haben. Was die Zone B betrifft, so wird sie ausgeschlossen, da sie dem Bereich des Erhaltens von weichgeglühten Rohren mit einer "geringen" Belastung beim Bruch und einer "hohen" Dehnung entspricht. Die bisher bekannten, in der Zone A durchgeführten Behandlungen führten zu gewissen Ergebnissen. So beschreibt die französische Anmeldung Nr. 83 09 942 (EP-A-0 129 846) im Namen der Anmelderin ein Verfahren zur Verbesserung der Biegsamkeit von harten Kupferrohren mit Hilfe einer statischen Teilglühungswärmebehandlung, die nur die Randzone des Rohres betrifft und zwischen 150 und 350 ºC und während einer Dauer im Bereich von 5 min bis 24 h durchgeführt wird. Die nach einer Behandlung in einem Ofen mit heißer Luft erhaltenen Ergebnisse waren die folgenden:
* Rm = zwischen 390 und 420 MPa
* A % = zwischen 4 und 6 %.
Diese Ergebnisse führten zu einer merklichen Verbesserung der Biegsamkeit, doch hatte dieses Verfahren abgesehen davon, daß es nur eine teilweise Lösung des Problems der Biegsamkeit war, da dieses Verfahren die Zahl von bei der Biegung aufgetretenen Fehlern verringerte, ohne sie jedoch völlig zu beseitigen, auch den Fehler, relativ langwierig und kostspielig zu sein&sub1; bei der Anwendung wenig reProduzierbar zu sein und vor allem sehr empfindlich bezüglich des Verfahrens zum Erhalten der rohrförmigen Ausgangsrohlinge zu sein, was dazu geführt hat, seine industrielle Anwendung stark zu begrenzen bzw. aufzugeben.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Die Erfindung hat als erste Aufgabe ein Verfahren, das die Steigerung der Dehnung (A %) der harten Kupferrohre auf ein ausreichendes Niveau, damit die aus der Biegung von harten Kupferrohren nach dem Stand der Technik resultierenden Fehler nicht auftreten, und dies bei Einhaltung der gegenwärtigen oder in Vorbereitung befindlichen Normen bezüglich der harten Kupf errohre ermöglicht.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist ein verläßliches und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von harten biegsamen Kupferrohren ohne Auftreten von Fehlern und mit reproduzierbaren Ergebnissen, wie auch immer die angewandten Verfahren zur Herstellung der harten Kupferrohre seien.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung weist das Verfahren zur Verbesserung der Biegsamkeit von harten Rohren aus Kupfer oder Kupferlegierung eine Wärmebehandlung der harten Rohre auf und ist dadurch gekennzeichnet, daß man die harten Rohre kontinuierlich durch a) eine Heizeinrichtung, in der man das Rohr auf eine Behandlungstemperatur im Bereich von TRm-50ºC bis TRm-100ºC während einer Dauer von 0,1 bis 10 s bringt, wobei TRm die Temperatur (ºC) ist, bei der die Erweichungskurve des Kupfers oder der Kupferlegierung, die die Belastung beim Bruch Rm als Funktion der Temperatur angibt, einen Inflexionspunkt aufweist (diese Temperatur wird Malberweichungstemperatur genannt), und dann durch b) eine Abkühlungsvorrichtung durchlaufen läßt, in der man die Temperatur des Rohres rasch stürzen läßt.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist die Meizeinrichtung ein lnduktionsofen mit einer ausreichenden Leistung&sub7; um den Durchlauf von Rohren mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 250 m/min zu ermöglichen.
Der Fachmann kann die Geometrie des induktors anpassen, die Leistung und die Frequenz wählen, um die Erfindung durchzuführen.
Im Fall von harten Kupferrohren aus mit Phosphor desoxidiertem Kupfer Cub&sub1; oder Cub&sub2; ist die dem inflexionspunkt der Erweichungskurve Rm = f(T) entsprechende Temperatur TRm nahe 470 ºC (bei einer dynamischen Erhitzung durch Induktion) derart, daß die Behandlungstemperatur gemäß der Erfindung in diesem Fall im Bereich von 370 bis 420 ºC ist.
Vorzugsweise liegt die Behandlungstemperatur im Bereich von 380 bis 415 ºC.
Die Anmelderin beobachtete, daß es vorteilhaft war, die Atmosphäre im inneren und außerhalb der harten Rohre während der kurzen Zeitdauer zu steuern, wo sie auf hohe Temperatur gebracht werden.
So besteht vorzugsweise die Gasatmosphäre außerhalb der harten Rohre während der Erhitzung aus einem neutralen Gas, während die des inneren der harten Rohre Sauerstoff enthält. So kann die Gasatmosphäre im inneren der harten Rohre Luft oder ein Gemisch von Luft und Sauerstoff in allen Verhältnissen sein, die bzw. das man eventuell zirkulieren
Es ist so möglich, einerseits den Gehalt an Schmiermittelrückständen stark zu vermindern und andererseits eine dünne Cu&sub2;O-Schicht auf der innenoberfläche des Rohres zu bilden, lauter Dinge, die die Korrosionsbeständigkeit verbessern.
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie zu beschränken:
Man arbeitete mit zwei "Kronen" von harten Rohren aus Cub&sub1;. Diese mit C1 und C2 bezeichneten "Kronen" bestehen aus etwa 1200 m harten Rohren mit einem Außendurchmesser von 14 mm und einer Dicke von 0,94 mm. ihr Gewicht ist 400 kg.
Die bei diesen "Kronen" gemessenen Eigenschaften: "Krone" C1 "Krone" C2 Belastung beim Bruch Rm (MPa) Dehnung A&sub5;&sub0; % Restkohlenstoff (mg/dm2) Phosphorgehalt (ppm) Verunreinigungssumme (ppm)
In dieser Tabelle werden die Werte der Belastung beim Bruch, der Dehnung und des Restkohlenstoffs mit einem Verläßlichkeitsintervall von 95 % angegeben.
Man behandelte die beiden "Kronen" nach dem Verfahren der Erfindung, indem man die geraden harten Rohre durch einen Induktionsofen mit den folgenden Arbeitsparametern durchlaufen ließ:
- Atmosphäre im innen der Rohre: Luft
- Atmosphäre außerhalb der Rohre: Stickstoff
- angestrebte Behandlungstemperatur: 400 ºC
- Dauer der Behandlung: 0,8 s.
Die Fig. 2 zeigt das Schema der Anlage. Sie weist eine Einspeisung von hartem, geradem Kupferrohr (9) mit Mitteln (7) zur Sicherung eines regelmäßigen Vorrückens des Rohres und mit vorbestimmter Geschwindigkeit, den Durchlauf des Rohres durch eine Heizvorrichtung durch induktion mit dem induktionsofen (1) und dem Generator (6) , und den Durchlauf durch eine Abkühlungsvorrichtung (2) auf, die einen rapiden Sturz der Temperatur des Rohres (Abschreckung) ermöglicht.
Um die Außenatmosphäre des Rohres während der Wärmebehandlung zu steuern, ließ man das Rohr durch ein mit einer Stickstoffspülung versehenes Gehäuse (3) durchlaufen.
Die Anlage kann, wie schematisch in der Fig. 2 dargestellt, eine Einrichtung zur Kontrolle der Härte (5), die kontinuierlich beim Durchlauf die Härte des behandelten Rohres mißt. Da sich die Härte im wesentlichen wie die Belastung beim Bruch ändert, ist es vorteilhaft, die Verweilszeit und/oder die Behandlungsdauer in Abhängigkeit von der kontinuierlich gemessenen Härte beispielsweise mit Hilfe einer Einrichtung (10) zu steuern, die die Anlage in automatischer Weise als Funktion vorbestimmter Pflichtwerte und als Funktion der Werte der Parameter, wie der (durch den Aufnehmer 5 schematisierten) Härte oder der Temperatur (Auf nehmer in der Figur nicht dargestellt) steuert, was weiter zur Verbesserung der Verläßlichkeit und der Reproduzierbarkeit des Verfahrens beiträgt.
Die Anlage kann eine Einrichtung (8) zur Durchsatzeinstellung von harten, geraden Rohren vorbestimmter konstanter Länge aufweisen.
Man maß die Eigenschaften der erfindungsgemäß behandelten harten Rohre: "Krone" C1 "Krone" C2 Belastung beim Bruch Rm (MPa) Dehnung A&sub5;&sub0; % Restkohlenstoff (mg/dm2)
Man führte auch Biegungsproben mit den beiden "Kronen" vor und nach der Behandlung der Erfindung mit einer hydraulischen und automatischen Biegevorrichtung durch, die eine Erzeugung der Biegungen eines Radius (in der neutralen Faser) von 52,5 mm, 49 mm (normalisierter Wert), 42 mm, 35 mm und 28 mm ermöglichte. Diese Radien entsprechen jeweils Biegungsverhältnissen (Biegungsradius/Durchmesser des Rohres) von 3,75, 3,5, 3,0, 2,5 bzw. 2,0.
Das Diagramm der Fig. 3 faßt die Ergebnisse zusammen: Als Abszisse ist das Biegungsverhältnis (= Biegungsradius/Durchmesser des Rohres) aufgetragen, das umgekehrt zur Strenge der Biegung variiert, und als Ordinate ist der Prozentsatz "guter" Biegungen, d.h. ohne sichtbaren Fehler, aufgetragen.
Jeder Punkt des Diagramms entspricht 300 Biegungsversuchen.
Das Diagramm weist 3 Kurven auf:
- Die Kurve A entspricht dem nicht behandelten Rohr,
- die Kurve B entspricht dem gemäß dem Beispiel bei 400 ºC behandelten Rohr.
- Die Kurve C ergibt sich aus einemn Versuch, der ausgehend von den gleichen harten Ausgangsrohren mit der Vorrichtung der Erfindung, jedoch bei 300 ºC, d.h. bei einer niedrigeren Temperatur und außerhalb des von der Erfindung vorgesehenen Bereichs durchgeführt wurde.
Diese Ergebnisse veranschaulichen den ganzen Vorteil der Erfindung und zeigen den beträchtlichen Fortschritt, dessen Erreichen die Erfindung ermöglicht hat, was die Biegsamkeit von Rohren aus Kupfer oder Kupferlegierung im harten Zustand betrifft. Dieser Fortschritt wird mit Hilfe eines kontinuierlichen, wirtschaftlichen, eine gute Verläßlichkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse aufweisenden und gegenüber der Art, in der die Rohre hergestellt Wurden- wenig empfindlichen Verfahrens ohne Berücksichtigung der Zusammensetzung der eingesetzten Legierung erhalten, die, wie bereits erwähnt wurde, eine Lage auf der Erweichungskurve der Legierung und daher eine Lage des Wertes von TRm hat.
Typisch ermöglicht die Erfindung das Erhalten von Rohren aus Kupfer oder Kupferlegierung im harten Zustand, die gleichzeitig aufweisen:
- eine hohe Belastung beim Bruch über 360 MPa
- eine hohe Dehnung über 8 %, die ein ausgezeichnetes Verhalten für die Biegsamkeit bringt
- eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit einerseits durch Verringerung des Gehalts an Kohlenstoff und andererseits durch Bildung einer Cu&sub2;O-Schicht auf der innenoberfläche des Rohres.
Solche Kupferrohre im harten Zustand mit merklich über den in Kraft befindlichen Normen liegenden Leistungen weisen den größten Vorteil gleichzeitig unter dem wirtschaftlichen Gesichtspunkt und für den Verwender auf, der die Rohre durch Biegung in Form bringen muß.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Fig. 1 ist ein Diagramm, das den qualitativen Verlauf der Belastung beim Bruch Rm (linke Ordinatenachse) als Funktion der Temperatur T (Erweichungskurve der Legierung) und den qualitativen Verlauf der Dehnung beim Bruch A % (rechte Ordinatenachse) als Funktion der Temperatur zeigt.
Die Fig. 2 zeigt schematisch eine Anlage zur Durchführung der Erfindung, die aufweist:
- Mittel (7) zur Sicherung des Durchlaufs des Rohres mit durch die Steuereinrichtung (10) gesteuerter konstanter Geschwindigkeit,
- eine Einrichtung zur Heizung durch induktion mit einem induktionsofen (1), der mit einem Gehäuse (3) versehen ist, durch das das Rohr (9) durchläuft und in dem ein neutrales Gas (4) zirkuliert, und mit einem Generator (6) versehen ist, der mit der Steuereinrichtung (10) verbunden ist,
- eine Abkühlungsvorrichtung (2) die ein rasches Abschrecken des Rohres ermöglicht,
eine Einrichtung zur kontinuierlichen Messung der Härte (5) die an die Steuereinrichtung (10) angeschlossen ist.
Es ist zu bemerken, daß in diesem Schema zwecks Vermeidung einer Überfrachtung die Temperaturfühler und die Einrichtung nicht dargestellt sind, die das Einführen oder das Zirkulieren einer oxidierenden Atmosphäre im inneren des Rohres ermöglicht.
Die Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Biegsamkeitsergebnisse mit dem Prozentsatz von als gut eingestuften Biegungsversuchen als Ordinate und dem Verhältnis "Biegungsradius/Durchmesser des Rohres" als Abszisse wiedergibt. Je kleiner dieses Verhältnis ist, umso strenger ist die Biegung.
Die Kurve A entspricht den Rohren vor der Behandlung gemäß der Erfindung.
Die Kurve B entspricht den gemäß der Erfindung bei einer Temperatur von 400 ºC erhaltenen Rohren.
Die Kurve C entspricht den Rohren, die eine Behandlung bei 300 ºC (außerhalb des durch die Erfindung definierten Bereichs) durchgemacht haben.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Biegsamkeit von harten Rohren aus Kupfer oder Kupferlegierung durch eine Wärmebehandlung der harten Rohre, dadurch gekennzeichnet, daß man die harten Rohre kontinuierlich durch a) eine Heizeinrichtung, in der man das Rohr auf eine Behandlungstemperatur im Bereich von TRm - 50 ºC bis TRm - 100 ºC während einer Dauer von 0,1 bis 10 s bringt, wobei TRm die Temperatur (ºC) ist, bei der die Erweichungskurve des Kupfers oder der Kupferlegierung, die die Belastung beim Bruch Rm als Funktion der Temperatur angibt, einen Inflexionspunkt aufweist, und dann durch b) eine Abkühlungsvorrichtung durchlaufen läßt, in der man die Temperatur des Rohres rasch stürzen

2. Verfahren nach dem Anspruch 1, bei dem die Einrichtung ein induktionsofen mit einer ausreichenden Leistung ist, um den Durchlauf von Rohren mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 250 m/min zu ermöglichen.

3. Verfahren nach dem Anspruch 1 oder 2, bei dem das harte Kupferrohr aus mit Phosphor desoxidiertem Kupfer Cub&sub1; oder Cub&sub2; ist und auf eine Behandlungstemperatur im Breich von 370 bis 420 ºC erhitzt wird.

4. Verfahren nach dem Anspruch 3, bei dem die Behandlungstemperatur im Bereich von 380 bis 415 ºC ist.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Außenatmosphäre der harten Rohre während der Erhitzung aus einem neutralen Gas besteht, während die Atmosphäre des inneren der harten Rohre Sauerstoff enthält.

6. Verfahren nach dem Anspruch 5, bei dem die Atmosphäre im inneren der harten Rohre Luft oder eine Mischung von Luft und Sauerstoff in allen Verhältnissen enthält.

7. Gemäß dem Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 erhaltene harte Rohre aus Kupfer oder Kupferlegierung, die verbesserte Biegsamkeitseigenschaften aufweisen.

8. Rohre nach dem Anspruch 7, die eine Belastung beim Bruch Rm über 360 MPa und eine Dehnung A % über 8 % aufweisen.

9. Rohre nach dem Anspruch 5 oder 6, deren innere Oberfläche mit einer dünnen Cu&sub2;O-Schicht bedeckt ist und die verbesserte Biegsamkeits- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften aufweisen.