JP2013521128A - 熱間工具を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱間工具（１）、特に継目無管を製造するための穿孔マンドレル若しくは圧延ロッド又は金属からなる管状の被加工物を熱間鍛造するための鍛造マンドレルであって、工具基体（２）を備え、工具基体（２）が少なくとも作業領域（３）にコーティング（４）を有している熱間工具（１）に関する。工具基体におけるコーティング（４）の強度の改善を達成するために、本発明では、工具基体（２）が表面異形成形部（５）を有しており、表面異形成形部（５）にコーティング（４）が被着されているようにした。さらに本発明は、このような熱間工具を製造する方法に関する。

Description

本発明は、熱間工具（Ｗａｒｍｗｅｒｋｚｅｕｇ）、特に継目無管を製造するための穿孔マンドレル（Ｌｏｃｈｄｏｒｎ）若しくは圧延ロッド（Ｗａｌｚｓｔａｎｇｅ）又は金属からなる管状の被加工物を熱間鍛造するための鍛造マンドレル（Ｓｃｈｍｉｅｄｅｄｏｒｎ）であって、工具基体を備え、工具基体が少なくとも作業領域にコーティングを有している熱間工具に関する。さらに本発明は、このような熱間工具を製造する方法に関する。

本発明の前提をなす形式の、円形のロッドを穿孔するための穿孔マンドレルは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００８０５６９８８号明細書において公知である。穿孔マンドレルの作業領域は、この従来技術では、穿孔中のマンドレルボディへの熱伝導を低減する、マンドレルボディに固着した層を有している。工具の機能にとって、この層が強固に保持されていることは重要である。

さらに、熱間工具又は類似の部材において、耐用時間延長のため、コーティング（大抵の場合、熱化学的なコーティング法であるコーティング）前に、例えば作業領域をビームによって粗面化して、続いて被着したいコーティングの付着を改善させることが、一般に公知である。

しかしながら、粗面が、しばしば十分な付着を保証せず、多くの場合、コーティングプロセス中又は使用中に失われてしまうことが分かっている。そして、熱的又は機械的な応力が基体とコーティングとの接触領域に働くと、保護層は剥離してしまう。

それゆえ本発明の課題は、工具の基体とコーティングとの間に改善された結合が存在することが保証されている、冒頭で述べた形式の熱間工具及びこのような熱間工具を製造する方法を提供することである。これに応じて、熱間工具は、延長された耐用時間を有し、特に継目無管の製造は、これにより、より経済的となることが望ましい。

本発明の上記課題を解決する手段は、工具基体が表面異形成形部（Ｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅｎ−Ｐｒｏｆｉｌｉｅｒｕｎｇ）を有しており、表面異形成形部にコーティングが被着されていることを特徴とする。

好ましくは、表面異形成形部は、工具の軸線方向で見て少なくとも１つのアンダカットを形成し、特に、複数の凸部及び凹部を工具基体の表面に有している。

好ましくは、工具基体は鋼からなる。

コーティングは、熱的かつ機械的な負荷から保護する層であってよい。コーティングは、熱化学的なコーティング法により被着されていてよい。

このような熱間工具を製造する方法は、本発明により、以下の工程、すなわち：
ａ）工具基体を製造する工程であって、工具基体の製造が表面異形成形部の形成を含み、表面異形成形部の形成を好ましくは機械的な加工、特に旋削により実施する、工具基体を製造する工程と、
ｂ）工具基体にコーティングを被着する工程と、
を含む。

好ましくは、表面異形成形部の形成時、複数の凸部及び凹部を工具基体の予め平滑に加工された表面に形成する。その際、凸部は、特に半径方向断面で見てウェブ状（ｓｔｅｇｆｏｅｒｍｉｇ）の突出部、好ましくは長方形の突出部として形成されており、突出部は、所定の長さにわたって工具の長手方向軸線の方向で延在し、かつ所定の高さにわたって凹部から屹立する。好ましくは、凹部を、上述の工程ｂ）におけるコーティングの被着時に、少なくとも凸部の高さまでコーティングにより充填し、好ましくはコーティングの表面が凸部の高さをそれどころか越えるようにする。

上述の工程ａ）の後、上述の工程ｂ）中に、工具基体の一部を熱化学的な変換にかけ、熱化学的な変換が特に酸化鉄、特に好ましくはスケールの形成を含むようにしてもよい。

上述の工程ｂ）におけるコーティングの被着を例えばフレーム溶射又はプラズマ溶射により実施してもよい。

これに応じて、工具基体とコーティングとの間の結合部の改善は、金属の担体材料の表面を平滑に加工し、その後、所定の構造、好ましくは機械的な加工、特に旋削によって形成される、ウェブと、互いに間隔を置いた間隙とからなる所定の構造を形成することによって達成される。

次に、適当な熱化学的なコーティング法により、担体材料の、そのように構造化された表面輪郭に沿って、この担体材料の一部を保護層に変換してもよい。

この場合、相応に、ウェブの幅及び高さ並びに間隙の深さは減少する。担体材料の変換により形成されるこの一次の保護層の上に、熱化学的な方法によって、付加的な外側の保護層が被着される。外側の保護層は、同時に、ウェブ間に残される間隙あるいは凹部を充填あるいは閉鎖する。

担体材料（基体）と、担体材料を覆う層との間の移行部の、工具の使用条件に応じて予め適合されて最適化された構造化によって、実現された層構造の付着は、明らかに改善され、層の完全な剥離は、防止される。

圧延品と酸化物層との間の移行の改善に加え、圧延品と工具との間の係合特性（Ｇｒｅｉｆｖｅｒｈａｌｔｅｎ）も改善される。

提案するプロセスあるいは説明する態様は、一般に、熱的かつ機械的な負荷により良好に耐え得るように、コーティングにより保護されることが望ましい工具や部材のために好適である。

図面には、本発明の実施の形態が概略的に示されている。

穿孔マンドレルの形態の熱間工具の側面図である。 未コーティングの工具基体についての、図１に示した部分Ｚの詳細図である。 コーティング済み工具基体についての、図１に示した部分Ｚの詳細図である。 コーティング済み工具基体の択一的な実施の形態についての、図１に示した部分Ｚの詳細図である。 熱間工具を断面した、図１に示した部分Ｚの第１の顕微鏡写真である。 熱間工具を断面した、図１に示した部分Ｚの第２の顕微鏡写真である。

図１は、継目無管を製造するための穿孔マンドレルの形態の熱間工具１を示している。工具１は、工具基体２を有している。工具基体２は、所定の長さにわたって軸線方向ａで延在する作業領域３を有している。工具１の作業領域３には、コーティング４が施されており、工具１を熱的あるいは機械的な負荷から保護する。

工具の詳細な構造は、図１に示した領域「Ｚ」における詳細図、すなわち工具基体２の抜粋図として、図２及び図３に示してある。看取可能であるように、工具基体２の、半径方向外側に位置する表面は、表面異形成形部あるいはプロファイルド表面５を有している。表面異形成形部あるいはプロファイルド表面５は、半径方向で突出した複数の凸部６を有している。凸部６は、これにより生じる凹部７間に配置されている。凸部６が軸線方向ａで延在する長さＢは、好ましくは約２５０μｍ〜４０００μｍの範囲にある。凹部７に対する凸部６の高さＤは、約５００μｍ〜５０００μｍの範囲にある。２つの凸部６間の間隔Ａは、好ましくは約２００μｍ〜２０００μｍの範囲にある。

この場合、異形成形部５は、基体２をまず平滑に加工しておいて、次に、機械的な加工により、半径方向断面で見てウェブ状あるいは長方形状の切欠き７を加工、特に旋削することによって、基体２の表面に形成されている。

この前加工の後、図３に示すように、工具基体２の表面にコーティング４が施される。コーティング４の総層厚さＣは、凹部７を充填し、かつ凸部６の高さを上回る。

これにより、軸線方向ａで見て、コーティング４の材料のために、表面異形成形部５の結果としてアンダカットが生じる。その結果、コーティング４は、工具１の使用時に極めて強固に基体２に付着する。

図４には、好ましい態様あるいは解決手段が看取可能である。工具基体２の前加工は、図２及び図３に示した解決手段と同様に行われている。すなわち、まず表面異形成形部５が、平滑に加工された工具基体２に設けられている。異形成形部の延びは、図２に示した異形成形部の延びに相当する。

しかし、本実施の形態では、コーティング４の被着前に、まず、熱化学的な処理方法の使用により、基体２の材料の一部が保護層に変換されている。変換された材料８は、異形成形部５に対して等間隔に延びており、破線により概略的に示されている。この場合、相応に、凸部（ウェブ）６の幅及び断面で見てやはり長方形の間隙の深さは、図４に示すように減少している。

このように変換された材料層８、すなわち担体材料の変換により形成された一次あるいは内側の保護層上に、変換中にか、又は引き続いて、コーティング４を、第２の外側の層として被着する。図４は、完成した工具を示している。コーティング４の被着は、やはり熱化学的な方法によってか、又は例えばフレーム溶射若しくはプラズマ溶射によって実施される。

図４に示した解決手段によれば、つまり、担体材料（基体）２と層４との間に、変換された材料８内に表出される構造が、担体材料２への層４の被着あるいは形成の前又は間に形成される。

図５及び図６の図面からは、具体的なコーティングの例が看取される。ウェブ（凸部）６の変換及び間隙（凹部）７の充填により形成される比較的多孔質の内側の層８と、この内側の層８上に被着される第２の外側の層４とが、良好に看取可能である。内側の層８（変換された材料）は、本実施の形態では、酸化鉄からなり、基体あるいは異形成形部の表面から成長する。ウェブ（凸部）間の間隙は、外側のコーティング４により充填される。

図５あるいは図６に示した実施の形態において、担体材料（工具基体）は、酸化鉄でコーティングされるか、あるいは基体の材料は、酸化鉄に変換される。担体材料は、本実施の形態では鋼である。基体上のコーティングの最大厚さは、本実施の形態では約１０００μｍである。

担体材料とコーティングとの間の構造化された移行部は、用途に応じて最適化されて形成可能である。その結果、使用中の層の完全な剥離は回避可能である。これにより、特に、工具１の耐用時間は、大幅に延長可能である。

コーティングされた工具の表面は、使用前又は使用中、機械的な加工、例えば研削及び研磨（使用前）又は圧延（使用中）により平滑化可能である。

表面の平滑化は、工具と被加工物（圧延品）との間の摩擦を低減する。

１ 熱間工具
２ 工具基体
３ 作業領域
４ コーティング
５ 表面異形成形部
６ 凸部
７ 凹部
８ 変換された材料
ａ 軸線方向
Ｂ 長さ
Ｄ 高さ
Ａ 間隔
Ｃ 総層厚さ

本発明は、熱間工具（Ｗａｒｍｗｅｒｋｚｅｕｇ）、特に継目無管を製造するための穿孔マンドレル（Ｌｏｃｈｄｏｒｎ）若しくは圧延ロッド（Ｗａｌｚｓｔａｎｇｅ）又は金属からなる管状の被加工物を熱間鍛造するための鍛造マンドレル（Ｓｃｈｍｉｅｄｅｄｏｒｎ）を製造する方法であって、以下の工程、すなわち：
ａ）工具基体を製造する工程であって、工具基体の製造が、工具基体の表面上への、複数の凸部及び凹部を備える表面異形成形部（Ｏｂｅｒｆｌａｅｃｈｅｎ−Ｐｒｏｆｉｌｉｅｒｕｎｇ）の形成を含み、凸部を特に半径方向断面で見てウェブ状（ｓｔｅｇｆｏｅｒｍｉｇ）の突出部、好ましくは長方形の突出部として形成し、突出部が、所定の長さにわたって工具の長手方向軸線の方向で延在し、かつ所定の高さにわたって凹部から屹立するようにし、表面異形成形部の形成を好ましくは機械的な加工、特に旋削により実施する、工具基体を製造する工程と、
ｂ）工具基体にコーティングを被着する工程と、
を含む、熱間工具を製造する方法に関する。

米国特許第５０３１４３４号明細書において、継目無管を圧延するために、このような表面異形成形部と、表面異形成形部上に続いて別個に被着されるコーティングとを備える基体を備える圧延ロッドが公知である。

円形のロッドを穿孔するための穿孔マンドレルは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００８０５６９８８号明細書において、さらに、例えば特開昭５４−０１７３６３号公報及び特開昭６３−１９２５０４号公報において公知である。穿孔マンドレルの作業領域は、これらの従来技術では、穿孔中のマンドレルボディへの熱伝導を低減する、マンドレルボディに固着した層を有している。工具の機能にとって、この層が強固に保持されていることは重要である。

さらに、熱間工具又は類似の部材において、耐用時間延長のため、コーティング（大抵の場合、熱化学的なコーティング法であるコーティング）前に、例えば作業領域をビームによって粗面化して、続いて被着したいコーティングの付着を改善させることが、一般に公知である。

しかしながら、粗面が、しばしば十分な付着を保証せず、多くの場合、コーティングプロセス中又は使用中に失われてしまうことが分かっている。そして、熱的又は機械的な応力が基体とコーティングとの接触領域に働くと、保護層は剥離してしまう。

それゆえ本発明の課題は、工具の基体とコーティングとの間に改善された結合が存在することが保証されている、冒頭で述べた形式の熱間工具を製造する方法を提供することである。これに応じて、熱間工具は、延長された耐用時間を有し、特に継目無管の製造は、これにより、より経済的となることが望ましい。

上記課題は、本発明により、工程ａ）の後、熱化学的な処理方法を用いて、構造化された表面に沿って、工具基体の材料の一部から、まず、変換された材料からなる一次の保護層を形成し、凸部の幅及び凹部の深さを減少させ、このとき、熱化学的な変換が特に酸化鉄、特に好ましくはスケールの形成を含み、かつ変換された一次の材料層上に、凹部の、凸部間に残された間隙を充填する外側の保護層を被着することにより解決される。

好ましくは、表面異形成形部は、工具の軸線方向で見て少なくとも１つのアンダカットを形成し、特に、複数の凸部及び凹部を工具基体の表面に有している。

好ましくは、工具基体は鋼からなる。

コーティングは、熱的かつ機械的な負荷から保護する層であってよい。コーティングは、熱化学的なコーティング法により被着されていることができる。

上述の工程ｂ）におけるコーティングの被着を例えばフレーム溶射又はプラズマ溶射により実施してもよい。

これに応じて、工具基体とコーティングとの間の結合部の改善は、金属の担体材料の表面を平滑に加工し、その後、所定の構造、好ましくは機械的な加工、特に旋削によって形成される、ウェブと、互いに間隔を置いた間隙とからなる所定の構造を形成することによって達成される。

次に、適当な熱化学的なコーティング法により、担体材料の、そのように構造化された表面輪郭に沿って、この担体材料の一部を保護層に変換することができる。

この場合、相応に、ウェブの幅及び高さ並びに間隙の深さは減少する。担体材料の変換により形成されるこの一次の保護層の上に、熱化学的な方法によって、付加的な外側の保護層が被着される。外側の保護層は、同時に、ウェブ間に残される間隙あるいは凹部を充填あるいは閉鎖する。

担体材料（基体）と、担体材料を覆う層との間の移行部の、工具の使用条件に応じて予め適合されて最適化された構造化によって、実現された層構造の付着は、明らかに改善され、層の完全な剥離は、防止される。

圧延品と酸化物層との間の移行の改善に加え、圧延品と工具との間の係合特性（Ｇｒｅｉｆｖｅｒｈａｌｔｅｎ）も改善される。

提案するプロセスあるいは説明する態様は、一般に、熱的かつ機械的な負荷により良好に耐え得るように、コーティングにより保護されることが望ましい工具や部材のために好適である。

図面には、本発明の実施の形態が概略的に示されている。

穿孔マンドレルの形態の熱間工具の側面図である。 未コーティングの工具基体についての、図１に示した部分Ｚの詳細図である。 コーティング済み工具基体についての、図１に示した部分Ｚの詳細図である。 コーティング済み工具基体の択一的な実施の形態についての、図１に示した部分Ｚの詳細図である。 熱間工具を断面した、図１に示した部分Ｚの第１の顕微鏡写真である。 熱間工具を断面した、図１に示した部分Ｚの第２の顕微鏡写真である。

図１は、継目無管を製造するための穿孔マンドレルの形態の熱間工具１を示している。工具１は、工具基体２を有している。工具基体２は、所定の長さにわたって軸線方向ａで延在する作業領域３を有している。工具１の作業領域３には、コーティング４が施されており、工具１を熱的あるいは機械的な負荷から保護する。

工具の詳細な構造は、図１に示した領域「Ｚ」における詳細図、すなわち工具基体２の抜粋図として、図２及び図３に示してある。看取可能であるように、工具基体２の、半径方向外側に位置する表面は、表面異形成形部あるいはプロファイルド表面５を有している。表面異形成形部あるいはプロファイルド表面５は、半径方向で突出した複数の凸部６を有している。凸部６は、これにより生じる凹部７間に配置されている。凸部６が軸線方向ａで延在する長さＢは、好ましくは約２５０μｍ〜４０００μｍの範囲にある。凹部７に対する凸部６の高さＤは、約５００μｍ〜５０００μｍの範囲にある。２つの凸部６間の間隔Ａは、好ましくは約２００μｍ〜２０００μｍの範囲にある。

この場合、異形成形部５は、基体２をまず平滑に加工しておいて、次に、機械的な加工により、半径方向断面で見てウェブ状あるいは長方形状の切欠き７を加工、特に旋削することによって、基体２の表面に形成されている。

この前加工の後、図３に示すように、工具基体２の表面にコーティング４が施される。コーティング４の総層厚さＣは、凹部７を充填し、かつ凸部６の高さを上回る。

これにより、軸線方向ａで見て、コーティング４の材料のために、表面異形成形部５の結果としてアンダカットが生じる。その結果、コーティング４は、工具１の使用時に極めて強固に基体２に付着する。

図４には、好ましい態様あるいは解決手段が看取可能である。工具基体２の前加工は、図２及び図３に示した解決手段と同様に行われている。すなわち、まず表面異形成形部５が、平滑に加工された工具基体２に設けられている。異形成形部の延びは、図２に示した異形成形部の延びに相当する。

しかし、本実施の形態では、コーティング４の被着前に、まず、熱化学的な処理方法の使用により、基体２の材料の一部が保護層に変換されている。変換された材料８は、異形成形部５に対して等間隔に延びており、破線により概略的に示されている。この場合、相応に、凸部（ウェブ）６の幅及び断面で見てやはり長方形の間隙の深さは、図４に示すように減少している。

このように変換された材料層８、すなわち担体材料の変換により形成された一次あるいは内側の保護層上に、変換中にか、又は引き続いて、コーティング４を、第２の外側の層として被着する。図４は、完成した工具を示している。コーティング４の被着は、やはり熱化学的な方法によってか、又は例えばフレーム溶射若しくはプラズマ溶射によって実施される。

図４に示した解決手段によれば、つまり、担体材料（基体）２と層４との間に、変換された材料８内に表出される構造が、担体材料２への層４の被着あるいは形成の前又は間に形成される。

図５及び図６の図面からは、具体的なコーティングの例が看取される。ウェブ（凸部）６の変換及び間隙（凹部）７の充填により形成される比較的多孔質の内側の層８と、この内側の層８上に被着される第２の外側の層４とが、良好に看取可能である。内側の層８（変換された材料）は、本実施の形態では、酸化鉄からなり、基体あるいは異形成形部の表面から成長する。ウェブ（凸部）間の間隙は、外側のコーティング４により充填される。

図５あるいは図６に示した実施の形態において、担体材料（工具基体）は、酸化鉄でコーティングされるか、あるいは基体の材料は、酸化鉄に変換される。担体材料は、本実施の形態では鋼である。基体上のコーティングの最大厚さは、本実施の形態では約１０００μｍである。

担体材料とコーティングとの間の構造化された移行部は、用途に応じて最適化されて形成可能である。その結果、使用中の層の完全な剥離は回避可能である。これにより、特に、工具１の耐用時間は、大幅に延長可能である。

コーティングされた工具の表面は、使用前又は使用中、機械的な加工、例えば研削及び研磨（使用前）又は圧延（使用中）により平滑化可能である。

表面の平滑化は、工具と被加工物（圧延品）との間の摩擦を低減する。

１ 熱間工具
２ 工具基体
３ 作業領域
４ コーティング
５ 表面異形成形部
６ 凸部
７ 凹部
８ 変換された材料
ａ 軸線方向
Ｂ 長さ
Ｄ 高さ
Ａ 間隔
Ｃ 総層厚さ

Claims (10)

1. 熱間工具（１）、特に継目無管を製造するための穿孔マンドレル若しくは圧延ロッド又は金属からなる管状の被加工物を熱間鍛造するための鍛造マンドレルであって、工具基体（２）を備え、該工具基体（２）が少なくとも作業領域（３）にコーティング（４）を有している熱間工具（１）において、
   前記工具基体（２）が表面異形成形部（５）を有しており、該表面異形成形部（５）に前記コーティング（４）が被着されていることを特徴とする、熱間工具。
2. 前記表面異形成形部（５）は、前記工具（１）の軸線方向（ａ）で見て少なくとも１つのアンダカットを形成し、特に、複数の凸部（６）及び凹部（７）を前記工具基体（２）の表面に有している、請求項１記載の熱間工具。
3. 前記工具基体（２）は鋼からなる、請求項１又は２記載の熱間工具。
4. 前記コーティング（４）は、熱的かつ機械的な負荷から保護する層である、請求項１から３までのいずれか１項記載の熱間工具。
5. 前記コーティング（４）は、熱化学的なコーティング法により被着されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の熱間工具。
6. 熱間工具（１）、特に継目無管を製造するための穿孔マンドレル若しくは圧延ロッド又は金属からなる管状の被加工物を熱間鍛造するための鍛造マンドレルを製造する方法であって、
   以下の工程、すなわち：
   ａ）工具基体（２）を製造する工程であって、該工具基体（２）の製造が表面異形成形部（５）の形成を含み、該表面異形成形部（５）の形成を好ましくは機械的な加工、特に旋削により実施する、工具基体（２）を製造する工程と、
   ｂ）前記工具基体（２）にコーティング（４）を被着する工程と、
   を含むことを特徴とする、熱間工具を製造する方法。
7. 前記表面異形成形部（５）の形成時、複数の凸部（６）及び凹部（７）を前記工具基体（２）の表面に形成し、前記凸部（６）を特に半径方向断面で見てウェブ状の突出部、好ましくは長方形の突出部として形成し、該突出部が、所定の長さ（Ｂ）にわたって前記工具（１）の長手方向軸線（ａ）の方向で延在し、かつ所定の高さ（Ｄ）にわたって前記凹部（７）から屹立するようにする、請求項６記載の方法。
8. 前記凹部（７）を、請求項６に記載の工程ｂ）における前記コーティング（４）の被着時に、少なくとも前記凸部（６）の高さまで前記コーティング（４）により充填し、好ましくは前記コーティング（４）の表面が前記凸部（６）の高さを越えるようにする、請求項７記載の方法。
9. 請求項６に記載の工程ａ）の後、工程ｂ）の前に、前記工具基体（２）の一部を熱化学的な変換にかけ、該熱化学的な変換が特に酸化鉄、特に好ましくはスケールの形成を含む、請求項６から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 請求項６に記載の工程ｂ）における前記コーティング（４）の被着をフレーム溶射、プラズマ溶射又は熱化学的な方法により実施する、請求項６から９までのいずれか１項記載の方法。

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