EP0912264B1 - Verfahren zur herstellung von präzisionsstahlrohren - Google Patents

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EP0912264B1
EP0912264B1 EP97932754A EP97932754A EP0912264B1 EP 0912264 B1 EP0912264 B1 EP 0912264B1 EP 97932754 A EP97932754 A EP 97932754A EP 97932754 A EP97932754 A EP 97932754A EP 0912264 B1 EP0912264 B1 EP 0912264B1
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steel
cold
approx
tubes
forming
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Jürgen WIETE
Rüdiger Hahn
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C1/00—Manufacture of metal sheets, wire, rods, tubes or like semi-manufactured products by drawing
    • B21C1/16—Metal drawing by machines or apparatus in which the drawing action is effected by means other than drums, e.g. by a longitudinally-moved carriage pulling or pushing the work or stock for making metal sheets, rods or tubes
    • B21C1/22—Metal drawing by machines or apparatus in which the drawing action is effected by means other than drums, e.g. by a longitudinally-moved carriage pulling or pushing the work or stock for making metal sheets, rods or tubes specially adapted for making tubular articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/14—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing titanium or zirconium

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of precision steel tubes Cold forming of tube blanks, in particular in several forming steps, with or without inner tool.
  • the object of the invention is to propose a method with which Precision steel tubes can be produced, which are a in relation to their strength have extraordinarily high ductility (e.g. elongation at break).
  • the invention provides as a feedstock for the production of Precision steel tubes to use tube blanks made of an IF steel.
  • IF steels are characterized by very low mass fractions of the elements carbon and Nitrogen from the interstitial sites in the iron crystal lattice (interstitial) store.
  • the tube blanks can be seamless by hot rolling under special Conditions or by welding. Here, e.g. usual HF welding process or advantageously also laser welding process (very small heat affected zone) are used.
  • the structure of the used Pipe blanks should have a grain size of at least grade ASTM6 up to ASTM9 exhibit.
  • composition of the IF steel used in the process according to the invention is expediently as follows: element appropriate composition preferred composition C. ⁇ 0.005% ⁇ 0.003% Si ⁇ 0.2% approx. 0.02% Mn 0.05 - 0.4% 0.05 - 0.15% P ⁇ 0.04% ⁇ 0.01% S ⁇ 0.01% ⁇ 0.005% Al tot 0.02 - 0.05% approx.
  • the tube blanks made of IF steel can be passed through in an excellent manner Process cold forming into precision steel tubes.
  • Precision tubes usually made from seamless or welded billets more conventional Structural steels made by cold drawing. being because of the restricted Cold forming capacity, cold drawing takes place in a large number of sub-steps (individual pulls) had to, if tubes with a particularly small diameter were to be produced, such as this is the case, for example, with precision steel tubes, which as Fuel injection pipes or as a raw material for rivet production should.
  • Fuel injection pipes or as a raw material for rivet production should.
  • For fuel injection pipes made of structural steel usually after each Cold drawing performed a normalization annealing. This known process flow is burdened with a lot of effort because of the many work steps.
  • IF steel In the seamless or welded tube blanks used according to the invention IF steel, on the other hand, is a very important one in cold forming Reduction in manufacturing costs.
  • This cold forming can, for example by cold drawing with or without an inner tool.
  • this increase is considerably less than for a carbon steel and in all other usual in precision tube production Steels.
  • steel pipes made of IF steels can be used comparatively much smaller number of single trains to a certain one Reduce dimension than is the case with a carbon steel.
  • the degree of deformation in each individual train can therefore be greater. Therefore the invention is also advantageous if the cold forming only in a single forming step takes place.
  • Annealing a reduction in the deformation resistance can be brought about must, so that the further cold forming can take place on even smaller dimensions.
  • the ratio of the number of deformation steps to is expediently Number of anneals at least 3, preferably at least 3.5 and especially preferably at least 4.
  • the annealing should be below the Normalization temperature in a temperature range of approximately 680 to 720 ° C respectively. Should largely increase the strength increase after strain hardening remain and at the same time a very high ductility is desired, can at temperatures stress relieved below 550 ° C.
  • a seamless tube blank made of an IF steel was used on a cold drawing bench and had the following composition: C. 0.003% Si 0.01% Mn 0.11% P 0.007% S 0.005% Al tot 0.024% Cu 0.05% Cr 0.04% Ni 0.03% Mon 0.01% V ⁇ 0.002% Ti 0.064% Nb 0.0020% B ⁇ 0.0003% N 0.0046% Fe rest
  • This pipe blank had a diameter of 42.4 mm and a wall thickness of 5.6 mm and had an average grain size of grade ASTM6.
  • the cold drawing was in a total of six individual trains up to a final dimension of 6.0 mm in diameter and 2.0 mm wall thickness. After the third cold draft there was an annealing at 680-720 ° C. If you had made a comparable tube out of St37 steel, cold forming would also have been possible in six cold passes. However, at least three intermediate anneals should have been carried out to achieve the Resistance to deformation of the material on a drawing bench used decrease permissible value.
  • Example 2 An HF-welded tube blank of the same size and composition as in Example 1 was used on a cold drawing bench. The average grain size this tube blank corresponded to quality ASTM7. The cold forming was in total 11 cold pulls carried out, the formed tube after the 3rd, 6th and 8th Train was annealed below the normalization temperature at 720 ° C. The Cold forming led to precision tubes with a diameter of only 2.5 mm and 0.25 mm wall thickness. In the case of manufacturing such precision tubes in the conventional way from a St37 would be a total of 13 cold trains and 5 anneals become necessary.
  • tube blanks made of IF steel reduce the effort required, though the input material (production of the molten steel) is significantly more expensive must become.
  • the targeted use of work hardening by one or more Forming steps are advantageously possible without an undesirably strong one Ductility deterioration. Therefore, technological properties can be represented which are on a par or even superior to simple structural steels (such as St37). This can be achieved with comparatively fewer cold forming steps that the capacity of an existing cold drawing bench can be increased accordingly.

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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. Bruchdehnumng) 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) einlagern. 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:
Element zweckmäßige Zusammensetzung bevorzugte Zusammensetzung
C < 0,005 % < 0,003 %
Si < 0,2 % ca. 0,02 %
Mn 0,05 - 0,4 % 0,05 - 0,15 %
P < 0,04 % < 0,01 %
S < 0,01 % < 0,005 %
Alges 0,02 - 0,05 % ca. 0,02 %
Cu < 0,1 % < 0,1 %
Cr < 0,2 % < 0,1 %
Ni < 0,2 % < 0,1 %
Mo < 0,1 % < 0,01 %
mindestens ( Ti 0,01 - 0,12 % zusammen
eines der
beiden Elemente ( Nb 0,01 - 0,24 % ca. 0,06 %
B < 0,0005 % < 0,0003 %
N 0,0020- 0,0120 % ca. 0,0050 %
Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
Die Rohrluppen aus IF-Stahl lassen sich in hervorragender Weise durch Kaltumformung zu Präzisionsstahlrohren weiterverarbeiten. Bisher wurden solche Präzisrohre 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.
Beispiel 1
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.
Beispiel 2
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-Stahl (interstitial free) verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein IF-Stahl mit folgender Zusammensetzung eingesetzt wird: C < 0,005 % Si < 0,2 % Mn 0,05 - 0,4 % P < 0,04 % S < 0,01 % Alges 0,02 - 0,05 % Cu < 0,1 % Cr < 0,2 % Ni < 0,2 % Mo < 0,1 % mindestens eines ( Ti 0,01 - 0,12 % der beiden Elemente ( Nb 0,01- 0,24 % B < 0,0005 % N 0,0020 - 0,0120 % Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der IF-Stahl folgende Zusammensetzung aufweist: C < 0,003 % Si ca. 0,02 % Mn 0,05 - 0,15 % P < 0,01 % S < 0,005 % Alges ca. 0,02 % Cu < 0,1 % Cr < 0,1 % Ni < 0,1 % Mo < 0,01 % mindestens eines ( Ti zusammen der beiden Elemente ( Nb ca. 0,06 % B < 0,0003 % N ca. 0,0050 % Rest Eisen und übliche Verunreinigungen
  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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