由难加工材料制成、特别是由钢制成的无缝空心体的热锻方法
【技术领域】
[0001]根据权利要求1的前序部分可知，本发明涉及一种由难加工材料制成、特别是由钢制成的无缝空心体的热锻方法。本发明特别涉及由难加工材料制成的管子，所述管子通过热锻方法制成。
【背景技术】
[0002]根据曼尼斯曼兄弟工具股份有限公司(BrUder Mannesmann)的由加热还料制成厚壁的无缝空心毛坯管之发明，该发明提出了多种方案以在进一步的热加工步骤中于恒温加热下拉伸这一空心毛坯管。一般而言，这一方面公知的关键词有连乳、顶管、芯棒乳管以及周期式乳管。
[0003]所有上述方法在不同的乳制尺寸范围和材料方面均具有一定优点，其中的尺寸范围和材料有重叠。连乳和芯棒乳管应用于5英寸至18英寸的平均尺寸范围，而周期式乳管应用于上至26英寸的尺寸范围。对于厚度范围为30mm以上的厚壁而言，连乳和芯棒乳法并不非常适用;然而，这种厚度对于周期式乳管而言是没有问题的，但具有较慢的生产周期。
[0004]对于通过热乳加热坯料来生产无缝管而言，冲孔-延伸乳制-压延乳制这三个步骤是其所特有的。
[0005]在改变尺寸时，所有上述方法的缺点在于:需要或多或少的长的生产转换时间以及小批量生产的高生产成本，而小批量生产需要频繁的生产转换。
[0006]通过使用公开号为WO2006/045301 Al的国际专利申请中所披露的方法可消除上述缺点，其中，以形式为径向锻造的成形步骤代替了目前公知的涉及乳制(延伸乳制和压延乳制)的第二和第三成形步骤。所述径向锻造使用了滑入空心坯料内部的工具和锻造机的至少两个作用在空心坯料外周面上的锻造钳爪(forging jaw)。其中，于锻造钳爪的空行程阶段，空心坯料的轴向移动和旋转同步进行。根据控制类型，空心坯料的旋转和轴向进给能够发生在同一时间或在时间上错开。
[0007]凭借这种特别适用于小批量生产的极高效方法，能够以特别有益的方式生产周长超过500mm且长度超过4000mm的管子。
[0008]然而，已经证明上述方法已不再是锻造难加工材料的最优设计方案。难加工的材料包括金属材料，特别是屈服强度在成形温度、即锻造温度下超过150MPa的钢，其中，所述屈服强度为自然对数应变为0.3和应变速率为ΙΟ/s时的强度。举例来说，这些刚是铬含量超过5.0%重量百分比的钢、双相钢、镍基合金或难熔金属。
[0009]取决于待锻造的材料，一般的锻造温度至少是材料熔化温度的70%。举例来说，因科内尔铬镍铁合金718的锻造温度至少为850°C。
[0010]在锻造加工过程中，在锻造难加工的材料的情况下，锻造开始不久，由于极大的成形力的作用，作为内部工具的锻造芯棒上会出现磨损和结块，或者会出现锻造芯棒与空心坯料热焊接在一起。这样会使锻造加工终止，或至少会产生有缺陷的管内表面并明显降低锻造芯棒的使用寿命。由此，明显限制了针对难加工材料的锻造加工的经济可用性。
[0011]公开号为WO 2009/006873 Al的国际专利申请公开了一种锻造芯棒。所述锻造芯棒包含用于热锻管的耐热材料，并且所述锻造芯轴具有耐磨性和高尺寸稳定性。其中，芯棒主体具有能够减少导入芯棒主体的热量的层，且所述层具有明显低于芯棒主体导热系数的导热系数。因为只有较少的热量导入芯棒主体，这使得芯棒主体保持更好的尺寸稳定性和更好的耐磨性。此外，锻造芯棒可具有内部冷却功能，以在锻造加工过程中实施冷却，或可在锻造加工过程之间对锻造芯棒实施外部冷却。芯棒主体被固定在还被称作芯棒杆的保持杆上。借助所述保持杆，所述芯棒主体在空行程阶段可以在空心坯料中轴向移动或旋转。
[0012]然而，使用公知的锻造方法和公知的锻造芯棒在加工难加工材料时，仍然无法保证锻造芯棒能够具有足够长的工具寿命且无法保证管子内表面具有恒定的高质量。
[0013]此外，公开号为DE 10 2012 107 375 Al的德国专利申请公开了一种涉及空心体锻造的装置。该装置具有与锻造轴同心且围绕锻造轴对称布置的锻造工具。为了增加锻造芯棒的工具寿命，该装置设有旋转驱动机构，所述旋转驱动机构由控制装置根据锻造芯棒相对于锻造工具的旋转位置对其施以控制。
【发明内容】
[0014]本发明的目的在于提供一种通过热锻生产无缝热加工金属空心体的改进方法，SP使是在锻造难加工的锻造材料时，所述方法也可获得高质量的空心体内表面，同时能够提高锻造芯棒的工具寿命。其中，所述难加工的锻造材料具有在成形温度下超过150MPa的屈服强度，而所述屈服强度为自然对数应变为0.3和应变速率为ΙΟ/s时的强度。
[0015]这一发明目的的实现基于权利要求1的前序部分和特征部分。在从属权利要求中描述了其有益改进。
[0016]根据本发明的教导，这一发明目的由通过热锻工艺热锻无缝空心体的方法实现，其中，所述空心体由难加工的材料制成，特别是由钢制成，所述难加工的锻造材料具有在成形温度下超过150MPa的屈服强度，而所述屈服强度为自然对数应变为0.3和应变速率为10/s时的强度。所述方法的其特征在于:根据与待形成的截面相关的变形程度实施所述热锻，所述锻造部分的对数应变1η(Α0/Α1)小于1.5，而所述锻造部分的理论应变速率小于5/s;其中，AO为待锻造的空心体的局部横截面积，以m2为单位;而Al为已锻造成形的空心体的局部横截面积，以m2为单位；以及所述应变速率是与最终锻造的空心体的外径相关的待锻造的空心体的最大速度，以m/s为单位，而所述外径以m为单位。
[0017]在一有益的实施例中，凭借使用的锻造芯棒由500°C下强度至少为700MPa的材料制成这一事实，能够以有益的方式提高锻造芯棒的工具寿命。
[0018]在一有益的实施例中，所述热锻方法的特征在于:在锻造温度下，使用锻造芯棒将空心体成形为平均管周长至少为500mm且长度至少为4000mm的管子;其中，所述锻造芯棒作为内部工具，所述空心体借助锻造机的围绕锻造轴线对称设置的多个锻造钳爪被导入并与芯棒连接;所述锻造钳爪按照径向工作行程被驱动并作用于空心体和锻造芯棒的外表面；并且，在所述锻造钳爪的空行程阶段，所述空心体的轴向移动和旋转以同步方式进行。
[0019]提出的方法具有如下优点:现在，即便空心体由难加工的材料构成，也能够以合算的方式将其加工成具有最佳内表面的成品，同时确保锻造芯棒具有明显增加的工具寿命。
[0020]出乎意料的是，试验结果表明:锻造过程中，与待形成的截面相关的变形程度、理论应变速率并结合高耐热性芯棒材料，是决定质量和工具寿命的变量。其中，为了能够可靠地避免表象为裂纹的局部绝热加热和剪切带变形、材料流动失稳以及局部的过多材料需求，所述的质量和工具寿命限定了变形程度和应变速率的应有值。
[0021]根据待锻造的管子的直径，可使用两个、四个或更多的在平面上同时作用于空心体外表面的锻造钳爪，这样的话，提出的锻造方法特别有效且有助于质量方面的改善。
[0022]原则上，作为内部工具而导入空心体的锻造芯棒可以设置成使其能够在空心体内自由移动。然而，为了改善分布，特别是改善热负载的分布，优选使锻造芯棒在空行程阶段旋转，和/或使锻造芯棒在与空心体的进给方向相同或相反的方向上移动。
[0023]特别有益的是，如果借助控制器或调节机构使锻造芯棒旋转和/或在轴向上移动，则能够以目标控制方式使锻造芯棒的热负载和机械负载均匀化。为此，轴向的芯棒速度是恒定或可变的。
[0024]为了实现最均匀化锻造芯棒上的热分布的目的，应该使锻造芯棒以如下方式旋转，即:使负载在下一次的锻造行程期间作用在锻造芯棒在前一次的锻造行程期间没有受到影响或仅受到轻微影响的区域上。锻造芯棒的旋转方向可被选择为与空心体的旋转方向相同或不同的方向。锻造芯棒的旋转方向优选为不同于空心体的旋转方向的方向，因为这样可在锻造芯棒的表面与空心体的表面之间产生较大的相对运动，由此可更加有效地防止将工件热焊接到锻造芯棒上。
[0025]根据本发明，可选地，还可使锻造芯棒设置有包含陶瓷材料的涂层，例如，所述陶瓷材料为碳化妈，并且所述涂层的最小厚度为0.02mm，最大厚度为0.2mm，且室温下的最小表面硬度为维氏硬度900HV0.1。众所周知，为芯棒设置涂层的目的在于隔热。然而，本发明的涂层涉及有效抗磨层，凭借这一有效抗磨层的厚度，在设置了有效抗磨层的区域能够实现必要的耐磨性，还可防治空心体被焊接在锻造芯棒上。然而，这一有效抗磨层还薄到在热循环载荷下足以防止因热膨胀系数不同于基础材料而产生的涂层剥落。
[0026]特别是在大拉伸度(>4)且小壁厚(<30mm)的情况下，为了避免出现热焊接难加工材料的情况，需要在锻造加工开始之前将分离剂和/或润滑剂导入锻造芯棒和空心体之间的成形区域内。
[0027]在这种情况下，可在径向锻造加工开始之前，将分离