WO2009006873A1 - Schmiededorn zum warmschmieden rohrförmiger werkstücke aus metall - Google Patents

Schmiededorn zum warmschmieden rohrförmiger werkstücke aus metall Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a forging mandrel for hot forging tubular workpieces made of metal according to the preamble of claim 1.
  • a first forming step by punching a thick-walled hollow block is generated, which then by a radial forging process using a forged mandrel inserted into the hollow block as an internal tool and at least two acting on the lateral surface of the hollow block forging jaws of a forging machine forged to a seamless pipe.
  • the hollow block is clocked rotated in the phase of the idle stroke of the forging jaws and moved axially.
  • the forging mandrel is subjected to considerable thermal and mechanical stresses during the forging process, resulting in wear on the tool surface and reducing the life of the forging mandrel.
  • the forging temperatures can be up to over 1300 0 C.
  • the object of the invention is to provide a forging mandrel for hot forging tubular workpieces made of metal, which is inexpensive to produce and has a high wear resistance at the same time great dimensional stability even at high forging temperatures.
  • the mandrel material is made of a heat-resistant alloy, wherein the mandrel body at least in the work area with a heat dissipation during forging in the mandrel body reducing and firmly adhering to the mandrel body layer is provided and the layer has at least a thickness of 50 microns.
  • the essential innovation of this invention is that the layer surrounding the mandrel body has a lower thermal conductivity than the mandrel body, whereby the heat input is significantly reduced in the mandrel body and thus a significantly improved dimensional stability is achieved even at high forging temperatures.
  • the layer has a thermal conductivity which is significantly lower than that of the mandrel body material, advantageously at least 50%.
  • the layer on the mandrel body can be produced according to the invention advantageously very inexpensively by scaling or by applying a corresponding layer z. B. by thermal processes.
  • a scaling of the dome is advantageous to apply in carbon steels, while in highly alloyed Dorntechnikstoffen the layer advantageous by thermal spraying method, such.
  • B. flame or plasma spraying can be applied.
  • the thermally applied layers may contain, for example, zirconium oxide, aluminum oxide or iron oxide.
  • this layer can exert a recognizable effect with regard to a significantly reduced heat input into the mandrel body, it is advantageous to carry out the layer with a minimum thickness of about 50 ⁇ m.
  • the forging mandrel according to the invention has not only advantages in terms of improved dimensional stability even at high forging temperatures, but also with regard to a reduction of abrasive wear. Research has shown that there is some lubricity of the coating material during forging, which reduces abrasive wear.
  • Essential for the selection of a suitable material for the mandrel body is to match this to the particular material to be forged so that welding of forging mandrel and forging workpiece is avoided.
  • the forging mandrel according to the invention has the advantageous effect that the layer acts on the mandrel body as a release layer, which counteracts welding under forging pressure and temperature.
  • the forging mandrel shown in the single figure has a provided with chamfers 3, 4 mandrel body 1 which is fixed to a support rod 2.
  • the support rod 2 is required to axially and rotatably move the forging mandrel in a tubular workpiece, not shown here.
  • the mandrel body 1 consists of a heat-resistant steel which according to the invention is provided with a layer 5 which reduces the heat input into the mandrel body 1 in the working area.
  • the layer 5 in this case has a significantly lower thermal conductivity than the material of the dome body 1, in order to reduce the heat input and thus to ensure the dimensional stability of the mandrel body 1, even at high forging temperatures.
  • the mandrel body 1 is formed in the present case as a solid body, but it is also possible to provide this with an internal cooling to dissipate the unavoidable heat input into the mandrel body 1 during the forging as quickly as possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schmiededorn zum Warmschmieden rohrförmiger Werkstücke aus Metall, bestehend aus einem Dornkörper und einer Dornstange, bei dem der Dornkörper aus einem warmfesten Werkstoff besteht. Dabei ist der erfindungsgemäße Schmiededorn so ausgebildet, dass der Dornkörper mindestens im Arbeitsbereich mit einer die Wärmeableitung während des Schmiedens in den Dornkörper vermindernden und auf dem Dornkörper fest haftenden Schicht versehen ist, wobei die Schicht eine geringere Wärmeleitfähigkeit als der Werkstoff des Dornkörpers und mindestens eine Dicke von 50 μm aufweist.

Description

Schmiededorn zum Warmschmieden rohrförmiger Werkstücke aus Metall
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Schmiededorn zum Warmschmieden rohrförmiger Werkstücke aus Metall gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Das Warmschmieden rohrförmiger Werkstücke, wie z.B. nahtloser Stahlrohre, ist aus der DE 10 2005 052 178 A1 bekannt.
Bei diesem Verfahren wird ausgehend von einem auf Umformtemperatur erwärmten Block, in einem ersten Umformschritt durch Lochen ein dickwandiger Hohlblock erzeugt, der anschließend durch einen Radialschmiedeprozess unter Verwendung eines in den Hohlblock eingeschobenen Schmiededorns als Innenwerkzeug und mindestens zwei auf die Mantelfläche des Hohlblockes einwirkender Schmiedebacken einer Schmiedemaschine zu einem nahtlosen Rohr geschmiedet wird. Dabei wird der Hohlblock getaktet in der Phase des Leerhubes der Schmiedebacken gedreht und axial verschoben.
Der Schmiededorn wird während des Schmiedeprozesses beträchtlichen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, was zu Verschleißerscheinungen an der Werkzeugoberfläche führt und die Standzeit des Schmiededorns herabsetzt. Beispielsweise können die Schmiedetemperaturen bis über 13000C betragen.
Um thermisch bedingte Verschleißerscheinungen zu minimieren ist es aus der DE 2825940 A1 bekannt, den Schmiededorn von der Innenseite her zu kühlen, um die Wärmeabfuhr von der Oberfläche des Doms in den Dorn hinein zu beschleunigen.
Um die Verschleißfestigkeit des Doms zu erhöhen, wird weiterhin vorgeschlagen, den Dornkörper mit einem Außenmantel aus hochwarmfesten Werkstoff wie z.B. einer Nickel- oder Kobaltbasislegierung zu umgeben. Dieser Schmiededorn ist mit mehreren Nachteilen behaftet. Zum einen ist dieser Schmiededorn sehr aufwändig und teuer in der Herstellung, zum anderen wird der Wärmeeintrag in den Dornwerkstoff nicht verringert, was bei hoher Temperaturbeanspruchung die Formstabilität des Schmiededorns verringert und damit zu einem frühzeitigen Ausfall führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schmiededorn zum Warmschmieden rohrförmiger Werkstücke aus Metall anzugeben, der kostengünstig herstellbar ist und eine hohe Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig großer Formstabilität auch bei hohen Schmiedetemperaturen aufweist.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung besteht der Dornwerkstoff aus einer warmfesten Legierung, wobei der Dornkörper mindestens im Arbeitsbereich mit einer die Wärmeableitung während des Schmiedens in den Dornkörper vermindernden und auf dem Dornkörper fest haftenden Schicht versehen ist und die Schicht mindestens eine Dicke von 50 μm aufweist.
Die wesentliche Neuerung dieser Erfindung ist, dass die den Dornkörper umgebende Schicht eine geringere Wärmeleitfähigkeit als der Dornkörper aufweist, wodurch der Wärmeeintrag in den Dornkörper deutlich vermindert und damit eine deutlich verbesserte Formstabilität auch bei hohen Schmiedetemperaturen erreicht wird.
Die Schicht weist dabei erfindungsgemäß eine Wärmeleitfähigkeit auf, die deutlich unter derjenigen des Dornkörperwerkstoffes liegt, vorteilhaft um mindestens 50 %.
Die Schicht auf dem Dornkörper kann dabei erfindungsgemäß vorteilhaft sehr kostengünstig durch Verzundern erzeugt werden oder aber durch Auftragen einer entsprechenden Schicht z. B. durch thermische Verfahren.
Eine Verzunderung des Domes ist dabei vorteilhaft bei Kohlenstoffstählen anzuwenden, während bei hochlegierten Dornwerkstoffen die Schicht vorteilhaft durch thermische Spritzverfahren, wie z. B. Flamm- oder Plasmaspritzen aufgebracht werden kann. Die thermisch aufgebrachten Schichten können dabei beispielsweise Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid oder Eisenoxid enthalten.
Wesentlich ist dabei, dass die Wärmeleitfähigkeit des Beschichtungsmaterials immer deutlich unter derjenigen des Dornwerkstoffs liegt.
Damit diese Schicht eine erkennbare Wirkung im Hinblick auf einen deutlich verminderten Wärmeeintrag in den Dornkörper ausüben kann, ist es vorteilhaft die Schicht mit einer Mindestdicke von ca. 50 μm auszuführen.
Der erfindungsgemäße Schmiededorn weist dabei nicht nur Vorteile im Hinblick auf eine verbesserte Formstabilität auch bei hohen Schmiedetemperaturen auf, sondern auch im Hinblick auf eine Verringerung des abrasiven Verschleißes. In Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass eine gewisse Schmierwirkung des Schichtmaterials beim Schmieden vorhanden ist, die den abrasiven Verschleiß reduziert.
Wesentlich für die Auswahl eines geeigneten Werkstoffes für den Dornkörper ist, diesen auf den jeweils zu schmiedenden Werkstoff so abzustimmen, dass ein Verschweißen von Schmiededorn und Schmiedewerkstück vermieden wird.
Der erfindungsgemäße Schmiededorn weist dabei den vorteilhaften Effekt auf, dass die Schicht auf dem Dornkörper als Trennschicht wirkt, die einem Verschweißen unter Schmiededruck und Temperatur entgegenwirkt.
Da ein gewisser Wärmeeintrag in den Dornkörper nicht vollständig unterbunden werden kann, kann es zur Unterstützung der Formstabilität des Dorns darüber hinaus sinnvoll sein, den Dornkörper mit einer zusätzlichen Innenkühlung zu versehen.
Alternativ kann aber auch vorgesehen werden, in Stillstandsphasen den Dornkörper von außen zu kühlen, was sehr viel kostengünstiger zu realisieren ist, als eine Innenkühlung.
Um den Wärmeeintrag in den Dornkörper während des Schmiedevorgangs auf ein Minimum zu beschränken, kann es darüber hinaus sinnvoll sein, den Dorn beim Schmieden im Werkstück zu verfahren, da bei diesem Vorgang immer andere Arbeitsbereiche der Schmiededornoberfläche in Eingriff gelangen und so der lokale Wärmeeintrag reduziert wird. - A - Der erfindungsgemäße Schmiededorn wird anhand einer Darstellung näher beschrieben.
Der in der einzigen Figur dargestellte Schmiededorn, weist einen mit Fasen 3, 4 versehenen Dornkörper 1 auf, der an einer Haltestange 2 befestigt ist. Die Haltestange 2 wird benötigt, um den Schmiededorn in einem hier nicht dargestellten rohrförmigen Werkstück axial und drehbar verfahren zu können.
Der Dornkörper 1 besteht aus einem warmfesten Stahl, der erfindungsgemäß mit einer im Arbeitsbereich die Wärmeeinleitung in den Dornkörper 1 vermindernden Schicht 5 versehen ist.
Die Schicht 5 weist dabei eine deutlich niedrigere Wärmeleitfähigkeit auf, als der Werkstoff des Domkörpers 1, um den Wärmeeintrag zu reduzieren und damit die Formstabilität des Dornkörpers 1 auch bei hohen Schmiedetemperaturen zu gewährleisten.
Der Dornkörper 1 ist im vorliegenden Fall als Massivkörper ausgebildet, es ist jedoch auch möglich, diesen mit einer Innenkühlung zu versehen, um den unvermeidbaren Wärmeeintrag in den Dornkörper 1 während des Schmiedens möglichst rasch abzuführen.
Bezugszeichenliste
Figure imgf000007_0001

Claims

Patentansprüche
1. Schmiededorn zum Warmschmieden rohrförmiger Werkstücke aus Metall, bestehend aus einem Dornkörper und einer Dornstange, bei dem der Dornkörper aus einem warmfesten Werkstoff besteht dadurch gekennzeichnet, dass der Dornkörper (1) mindestens im Arbeitsbereich mit einer die Wärmeableitung während des Schmiedens in den Dornkörper vermindernden und auf dem Dornkörper (1) fest haftenden Schicht (5) versehen ist, wobei die Schicht (5) eine geringere Wärmeleitfähigkeit als der Werkstoff des Dornkörpers (1) und mindestens eine Dicke von 50 μm aufweist.
2. Schmiededorn nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) eine Zunderschicht ist.
3. Schmiededorn nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) flammgespritzt ist.
4. Schmiededom nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) plasmagespritzt ist.
5. Schmiededorn nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit der Schicht (5) mindestens 50 % geringer ist, als die Wärmeleitfähigkeit des Dornwerkstoffs.
6. Schmiededorn nach einem der Ansprüche 1 - 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Dornkörper (1) als mit einer einseitigen Öffnung versehener Hohlkörper ausgebildet und mit einer mindestens bis in den Arbeitsbereich sich erstreckenden Innenküh- leinrichtung versehen ist.
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