无缝金属中空体生产中作为内部工具的轧制棒材和生产金属中空体的方法

文档序号:10493553阅读:429来源:国知局
无缝金属中空体生产中作为内部工具的轧制棒材和生产金属中空体的方法
【专利摘要】本发明涉及一种无缝中空体生产中作为内部工具的轧制棒材,特别是涉及金属中空体的拉伸成形中的轧制棒材,由其通过多机架轧机形成无缝管,所述轧制棒材具有包括渗氮层的表面。为了提高所述轧制棒材的使用寿命,建议所述轧制棒材由耐热钢材料构成,所述耐热钢材料具有根据Creq.=%Cr+%Mo+1.5x%Si+0.5x%Nb+2x%Ti(1)计算出的超过6.5的铬当量Creq,所述耐热钢材料具有200HV0.5的最小硬度,所述最小硬度在所述轧制棒材的表面以下0.5毫米处测得,具有在500℃至少为450MPa的屈服点以及具有在500℃至少600MPa的拉伸强度,并从表面开始,所述渗氮层具有大于0.15mm的深度和超过950HV 0.5的渗氮硬度。本发明还涉及一种生产无缝热轧金属中空体特别是钢管的方法,其中预先生产的中空块在多机架轧机中通过穿入中空块的如上所述的轧辊,经受拉伸成形工艺,且在轧制开始之前,即将所述轧辊通过螺纹旋入所述中空块之前,所述轧辊设有液体润滑剂,所述润滑剂随后干燥,其中所述轧辊被通过螺纹旋入相对于中空体的内直径的至少10mm的间隙,并且紧靠辊的螺纹式拧入开始之前,所述中空块的平均温度为至少1000℃,并且在轧制过程中辊轧机中的所述辊速VST最多满足以下条件:VSTmax=0.9×辊长/最后机架的轧制时间(3),VSTmax=0.9×VMmin(4)(4),其中VMmin是在轧制过程中辊轧机中的管材的最小速度。
【专利说明】
无缝金属中空体生产中作为内部工具的车L制棒材和生产金属 中空体的方法
技术领域
[0001 ]本发明设及无缝金属中空体生产中作为内部工具的社制棒材(rolling rod),特 别是设及金属中空块的拉伸成形中的社制棒材,由该社制棒材通过多机架社机(multiple- stand rolling mill) 形成无缝管,其中 ,所述社制棒材具有包括渗氮层的表面。本发明还 设及生产无缝热社金属中空体特别是钢管的方法,其中预先生产的中空块在多机架社机中 通过穿入所述中空块的根据本发明的社制棒材,经受拉伸成形工艺,且在社制开始之前,即 将所述社制棒材穿入所述中空块之前,所述社制棒材被供给有液体润滑剂,所述润滑剂随 后干燥。
【背景技术】
[0002] 在曼内斯曼(Mannesmann)兄弟发明经社制由加热好的块生产厚壁中空块管之后, 已经出现了在进一步的热加工工序中W相同的热量将所述中空块管拉伸成形的各种提案, 其中在第Ξ社制工序中外直径被减少到所述社机的成品直径。在运方面的关键词包括后退 工序法(the back-step method)、顶管机法(push bench method)、塞社制法(plug rolling method)和棒材社制法(rod rolling method)。在第一社制工序,旋转锻造机 (rotary forge mill)用通常为实屯、的块生产出所谓的中空块。在特殊情况下,预钻孔块也 可W被用来代替实屯、块。在第二社制工序中,中空块被拉伸成形,其中,为此现在主要使用 多机架棒材社机。进入社机并在约1000至120(TC溫度下的所述中空块的拉伸成形借助社制 棒材实现。出于运个目的,将所述社制棒材穿入所述中空块,且大部分情况下由从动输送漉 将所述社制棒材输送到第一社制机架。每个机架的漉的数量一般为至少两个,但现在通常 是Ξ个,其中该过程步骤如下。
[0003] -方面根据控制棒速的方式来区分棒材社机,另一方面根据每个机架的漉的数量 来区分棒材社机,其中可W设置两个或Ξ个漉。多个机架始终一个接一个连接。当考虑本情 况的方法变体时,在实际的社制过程中所述社制棒材W恒定的速度移动穿过所述社机。出 于运个目的,所述社制棒材必须由机电系统保持,并W受控的方式被引导来实现恒定的社 制棒速度。所述保持系统被称为保持器。为了确保上述目的,在纵向拉伸成形期间所述社制 棒材已被穿入中空块之后,待社制的中空块在社制过程中能够在所述社制棒材上滑动,所 述社制棒材必须预先被供给有润滑剂。出于运个目的,含石墨的润滑剂通常W液体形式喷 洒到所述社制棒材上,并在80°C到130°C的溫度下干燥。在较低溫度下,所述润滑剂不能W 可靠的方式完全干燥,而在较高溫度下发生所谓的莱顿弗罗斯特效应化eidenfrost effect),其结果是没有产生均匀层且表面的多个部分仍然未被润滑。因此,该尝试为在低 于100°C的溫度下进行干燥。
[0004] 除了润滑所述社制棒材,根据欧洲专利说明书EP 1 775 038 B1,在棒材社机中的 拉伸成形过程之前,待社制的中空块内部喷有脱氧剂(例如棚砂),W溶解社制中空块之后 导致的氧化皮,其中所述溶解的氧化物皮起到额外润滑的作用。运种情况中的缺点是使用 棚砂,其具有能够导致基因突变的影响,因此不应被使用。
[0005] 位于所述社制棒材上的所述中空块则在棒材社制机中社制W形成所谓的母管。使 用术语"母管",是因为在第Ξ社制工序中,具有各种成品直径的管可W用相同的母管尺寸 通过定径社制(size rolling)或拉拔减径(stretch reducing)生产。所述社制棒材本身通 常由工作部分和空白部分组成。所述空白部件是需要的,W便弥合在加工技术方面所必需 的距离。因此,社制不发生在所述社制棒材的空白部分。为简单起见,术语"棒长"将在下文 中用于指所述工作部分的长度。
[0006] 虽然基于铭-钢的高耐热钢通常被用作棒材材料,但是特别是难W成形的材料不 可能在社制中不遇到问题。运样的材料通常含有铭,如l〇〇Cr6或用于能源领域的具有大于 5% (重量)的铭含量的耐腐蚀钢。所述社制棒材经受由运些材料导致的不均衡的热负荷W 及磨损,大大减小了所述社制棒材的使用寿命。运个问题随着钢的铭含量的增加而变得严 重。此外,大大增加了由过早磨损的社制棒材所引起的管的内表面上的缺陷的风险。
[0007] 为了最大限度地降低摩擦系数,德国公开文件DE 37 42 155 A1公开了在社制棒 材表面锻铭W及涂敷润滑剂。然而,锻铭排放对环境有害的有毒的& IV,由于运个原因已 经开始寻找其替代解决方案。
[0008] 为了增加运些在社制中受到广泛的热负荷和磨损的社制棒材、尤其是增加受到含 铭钢的热负荷和磨损的社制棒材的使用寿命,并且为了最大限度地降低摩擦引起的管的内 表面上的缺陷,日本公开文件JP06262220 A公开了用渗氮层替代了给社制棒材锻铭,该渗 氮层具有0.5到5.Ομπι的粗糖度。但是并没有提供有关所需的层厚的细节。
[0009] 在日本公开文件肝2009045632 A中,所述渗氮层由氧化层补充,所述渗氮层被涂 敷到氧化层上,W确保社制棒材的可观的使用寿命。所述渗氮层的层厚被规定为50-500微 米,并且所述氧化层的层厚被规定为3-20微米。
[0010] 试验表明,虽然当润滑膜在社制过程中撕下时,渗氮表面具有应急操作特性,但W 运种方式处理的所述社制棒材的使用寿命仍然不能得到显著改善,管的内表面上的缺陷仍 然不能得到显著减少。
[0011] 对于由非合金钢种组成的钢管,一直到由难W加热成形的含铭钢组成的钢管,采 用表面渗氮社制棒材的已知的困难本身存在于对整个过程的适应中,从生产所述社制棒 材、预处理所述中空块、润滑棒材到社制过程本身彼此适应W使得确定的社制过程得到保 证。
[0012] 此外从德国专利文献DE 197 14 317 C1中已经知道社制忍轴(mandrel),其通过 PVD (物理气相沉积)方法设有基于化N的表面层。

【发明内容】

[0013] 因此,本发明的目的是提供一种无缝金属中空体的生产中作为内部工具的社制棒 材,特别是金属中空块的拉伸成形,W通过多机架社机形成无缝管,并提供一种用于生产无 缝热社金属中空体特别是钢管的方法,由此在难W成形的管材料特别是含铭的管材料的情 况下,实现了提高社制棒材的使用寿命,并且有效地最大程度减少或避免在社制过程中产 生的管的内表面上的缺陷。此外,与已知的渗氮社制棒材相比,不必通过含棚砂剂使中空块 内表面脱氧来实现相当的或提高的使用寿命。
[0014] 对于社制棒材,通过技术方案1的特征来实现所述目的。对于所述方法,通过技术 方案7的特征来实现所述目的。在从属技术方案中描述所述社制棒材和所述方法的优选实 施例。
[0015] 根据本发明的启示,技术方案1中,使用所述社制棒材作为无缝金属中空体生产中 的内部工具,特别是金属中空体的拉伸成形工艺,W通过多机架社机形成无缝管,其中所述 社制棒材具有包括渗氮层的表面并由耐热钢材料构成。所述耐热钢材料:
[0016] -具有超过6.5的铭当量Creq,所述超过6.5的铭当量Creq根据Creq= %Cr+%Mo+ 1.5x%Si+0.5x%Nb+2x%Ti(l)计算出,
[0017] -具有200HV 0.5的最小硬度,所述200HV 0.5的最小硬度在社制棒材的表面W下 0.5毫米处测得,
[001引-具有在500°C至少为450M化的屈服点W及
[0019] -具有在50(TC至少eOOMPa的拉伸强度(tensile strength),W及
[0020] -从表面开始,渗氮层具有大于0.15mm的深度和超过950HV 0.5的渗氮硬度。
[0021] 本发明还提供了生产无缝热社金属中空体特别是钢管的技术方案7的方法,其中 预先生产的中空块在多机架社机中通过将如上所述的本发明的社制棒材穿入中空块,经受 拉伸成形工艺,且在社制开始之前,即将所述社制棒材通过穿入所述中空块之前,所述社制 棒材被供给有液体润滑剂,所述润滑剂随后干燥,其中将所述社制棒材带有间隙地穿入,所 述间隙为相对于中空体的内直径的至少为10mm的圆周外围间隙,并且紧靠棒材穿入开始之 前,所述中空块的平均溫度为至少l〇〇〇°C,并且就最大速度而言,棒材社机中的社制期间的 棒速VsT满足W下条件:
[0022] -VsTmax = 0.9X棒长/上一机架的社制时间(3),
[002;3] -VsT 丽= 0.9XVifcin (4),
[0024] 其中\^1。是管材在棒材社机的社制中的最小速度。
[0025] 在本发明的术语中,社制棒材被理解为相比于忍棒,不具有扩大的直径的头部而 是具有恒定尺寸的圆形横截面的棒。
[0026] 出于此目的所提出的方法和所使用的社制棒材的优势在于:现在也可W经济地生 产由难W成形的材料构成的中空体,其具有最佳内表面而同时所述社制棒材的使用寿命大 大增加。
【具体实施方式】
[0027] 针对期望,测试表明,只有社制棒材材料、渗氮层和社制棒材的工作部分的长度的 有创造性的特征的组合带来了所希望的结果。
[0028] 在进行测试的范围中,在第一工序中从热加工钢的集合中选择适合于渗氮并且展 示足够用于社制处理的基本硬度的热加工钢。表1示出了为了此目的所需要大于6.5的铭当 量,其中,在运种情况下,所述铭当量根据下式计算:
[0029] Creq. = %Cr+%Mo+1.5x%Si+0.5x%Nb+2x%Ti (1)
[0030] 为了成功地保证社制棒材的插入,所述棒面在渗氮前必须具有特定的最小硬度。 测试表明,该限制在未渗氮棒的表面W下0.5mm处测得为200HV 0.5。在运种情况下,如果运 个最小硬度向棒忍延伸,那么社制棒材的直径的50%处仍应该存在至少60%的最小硬度是 有利的。
[0031] 根据本发明的优选实施例,在社制棒材上涂敷渗氮层发生在最大值为低于所述社 制棒材的钢材的回火溫度20%的溫度下。
[0032] 渗氮过程中,所述方法,无论是基于气体或者基于等离子体,都是不重要的。唯一 重要的因素是带有所需的特性的渗氮层的构成。W-种有利的方式,它应该具有大于 0.15mm的渗氮硬化深度。此外,需要超过950HV 0.5的近表面硬度,所述近表面硬度在也参 与渗氮工序的参照样品的截面抛光处测量。下述表la表示各种测试棒材的化学成分。
[0033]
[0034] 下面表化显示了根据等式(1 )Creq. (wt. % ) = %Cr+%Mo+l. 5x% Si+0.5x%Nb+ 2x%Ti计算出的铭当量&eq的计算值W及是否达到足够的渗氮层的厚度、渗氮层深度和基 本硬度。
[0035]
[0036] 材料A, B和C具有大于所需值6.5的铭当量,而参照材料D和E具有较低的值。
[0037] 首先对于如表la和lb所示的前两种棒的材料A和B,图1示出了在渗氮期间哪个硬 度和哪个渗氮层的深度已经被达到。很明显,即使在比从社制棒材的表面开始0.5mm的深度 更深的深度也能安全地实现所需的200HV 0.5的最低硬度。
[0038] 由于在社制过程中,所述社制棒材在表面上大幅度加热至一般大于500°C,并为了 确保所述加热不会导致强度的损失或损坏,除了上述的铭当量,所用的热加工钢也必须有 在500°C至少450MI^的屈服点和在500°C至少600MI^的拉伸强度。
[0039] 所述润滑剂还必须满足特定条件。当润滑剂被喷到社制棒材上时,润滑剂还含有 水,在可能的情况下,所述水在将社制棒材穿入中空块之前应被完全蒸发。为了确保完全蒸 发,在涂敷润滑剂之前,所述社制棒材的表面溫度应有利地为至少70°C。
[0040] 试验还表明,所述社制棒材上需要至少40g/m2的表面重量的润滑剂作为剩余干质 量,W确保在社制过程中充分的润滑效果。当社钢具有大于5% (重量)的铭的比例时,如果 至少两倍的润滑剂的干质量,即至少80g/m2被涂敷到社制棒材上,被证明是特别有利的。在 运种情况下,涂敷的润滑剂的数量基于社制棒材的表面。
[0041 ]试验还表明,在将润滑剂涂敷到所述社制棒材上的结束之后直到将社制棒材穿入 所述中空块的开始,需要至少60秒的一段时间,W确保润滑剂可W充分干燥。
[0042] 如果负载分布在最长的可能长度上,也有利于所述棒材的使用寿命。另一方面,所 述社制棒材的工作部分LsT-定不能太长,否则棒重过大。已经表明,如果棒长被限制为棒材 社机中的最大可能社制长度的50%是特别有利的。
[0043] 出于运个目的,应用W下公式:
[0044] -LsTmax = 0.5X多机架社机的上一机架的最大管伸出长度(maximum pipe run-out length) (2)〇
[0045] 在运种情况下,所述社制棒材由工作部分和空白部分构成,其中至少所述工作部 分具有渗氮层。
[0046] 同时,所述棒速VsT不得超过棒长/社制时间的比例的最大值,因为否则在社制过程 中将超过棒的工作区域。在运种情况下,所述棒材社机的所述上一机架的所述社制时间被 定义为社制时间。
[0047] 然而,为了一个有保证的工艺顺序,建议不要完全用尽可能的速度,且不超过所述 值的90%的上限值。
[004引应用下面的公式:VsTmax = 0.9 X棒长/上一机架的社制时间。
[0049] 此外,所述棒速VsT不得超过所述棒材社机的社制过程中管材的速度Vm,因为否则 摩擦力的方向将会反转。在运种情况下,对于管材的最小速度VMmin的最大允许值的90%的 限制也是有利的。
[0050] 因此,应用 W 下公式:VsTmax = 0.9XVlfcin
[0051] 另外的两个对渗氮社制棒材的成功使用具有决定性的影响的变量为所述中空块 的内直径和社制棒材的直径之间的差W及当所述社制棒材被穿入的时刻的所述中空块的 溫度,其中所述差被称为间隙。
[0052] 为了避免当正在将社制棒材穿入所述中空块时润滑剂可能从社制棒材上的剥离, 但仍然保证可靠的穿入,所述间隙应该至少为10mm,所述中空块的平均溫度应高于l〇〇〇°C。
[0053] 即使所述社制棒材的可观的使用寿命可W通过本发明的社制棒材和本发明的社 制方法实现,而不需要额外的所述中空块的内表面的脱氧来实现,在难W成形的材料的情 况下,在某些情况下执行额外的脱氧可能是有利的,其中所述除氧剂的表面重量则为至少 lOOg/m2,在应用脱氧剂的结束到在社制棒材上社制的开始之间的时间至少应为30秒。涂敷 脱氧剂的量基于所述中空块的内表面。
[0054] 图2中示出与不同的润滑剂结合的未处理社制棒材、锻铭社制棒材和渗氮社制棒 材的摩擦性能的试验结果。
[0055] 很明显,所述锻铭的润滑表面实际上比所述未处理的润滑表面(图2中未示出)产 生更差的摩擦指标系数的值。也可W看出,未润滑的渗氮表面具有很好的应急操作特性。甚 至很短的一段时间之后,所述相关的摩擦指标系数远低于所述锻铭的润滑表面的值。运些 相关性基本上不依赖于不同的润滑剂1或2。
[0056] 运种表现从实际经验中也可W得知。所述润滑剂不会很好地附着新锻铭的棒材, 因此在运种情况下产生额外的润滑膜的所述中空块的所述脱氧必须协助润滑。此外,频繁 用于插入社制棒材的进一步措施,如双重润滑或专用润滑剂,是非常复杂的,并会导致额外 的费用。
[0057] 在本发明的另一有利实施例中,本发明的社制棒材的表面的渗氮W促进形成朝向 表面开放的孔的的方式进行,所述孔起到润滑剂的口袋或储层的作用,从而通过改善润滑 提高社制棒材的使用寿命。
【主权项】
1. 一种在无缝金属中空体生产中作为内部工具的乳制棒材,特别是在金属中空块的拉 伸成形中作为内部工具的乳制棒材,由其通过多机架乳机形成无缝管,其中所述乳制棒材 具有包括渗氮层的表面,其特征在于:所述乳制棒材由耐热钢材构成,所述耐热钢材具有超 过6.5的铬当量Cr eq.,所述超过6 · 5的铬当量Creq.根据Creq. = %Cr+%Mo+l · 5x%Si+0 · 5x% Nb+2x%Ti (1)计算出,所述耐热钢材具有200HV 0.5的最小硬度,所述最小硬度在所述乳制 棒材的表面以下0.5毫米处测得,具有在500°C至少为450MPa的屈服点以及具有在500°C至 少600MPa的拉伸强度,并从表面开始,所述渗氮层具有大于0.15mm的深度和超过950HV 0.5 的渗氮硬度。2. 如权利要求1所述的乳制棒材,其特征在于,所述乳制棒材的所述直径的50%处仍然 存在所述最小硬度的至少60%。3. 如权利要求1或2所述的乳制棒材,其特征在于,所述乳制棒材具有在最大值为低于 钢材的回火温度20 %的温度下涂敷的渗氮层。4. 如权利要求1至3中的任一项所述的乳制棒材,其特征在于,其中被涂敷到所述乳制 棒材的所述表面上以及在乳制的开始之前干燥的润滑剂具有至少为40g/m 2的表面重量。5. 如权利要求4所述的乳制棒材,其特征在于,对于具有超过5% (重量)的铬含量钢的 乳制,涂敷到所述乳制棒材的所述润滑剂的表面重量为至少80g/m2。6. 如权利要求1至5中的任一项所述的乳制棒材,其特征在于,所述乳制棒材由工作部 分和空白部分构成,且所述乳制棒材的工作部分L ST具有最大长度,所述最大长度根据方程 LsTmax = 0.5 X多机架乳机的上一机架的最大管伸出长度⑵计算出。7. -种生产无缝热乳金属中空体特别是钢管的方法,其中预先生产的中空块在多机架 乳机中通过将权利要求1至6所述的乳制棒材穿入中空块,经受拉伸成形,且在乳制开始之 前,即将所述乳制棒材穿入所述中空块之前,所述乳制棒材被供给有液体润滑剂,所述润滑 剂随后干燥,其特征在于,将所述乳制棒材带有间隙地穿入中空体,所述间隙为相对于中空 体的内直径为至少l〇mm的间隙,并且紧靠在所述棒材的穿入开始之前,所述中空块的平均 温度为至少l〇〇〇°C,并且在乳制过程中棒材乳机中的所述棒速V ST最多满足以下条件:VSTmax =0.9 X棒长/上一机架的乳制时间(3),VSTmax = 0.9 X Vfcin(4),其中Vfcin是在乳制过程中棒 材乳机中的管材的最小速度。8. 如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述乳制棒材的润滑的结束到乳制的第一开 始之前的干燥时间维持为至少60秒。9. 如权利要求7和8所述的方法,其特征在于,所述液体润滑剂在所述乳制棒材的至少 70 °C的表面温度时涂敷到所述乳制棒材上。10. 如权利要求7至9中的任一项所述的方法,其特征在于涂敷的所述液体润滑剂的量 以干燥后实现至少40g/m2的表面重量的方式计量。11. 根据权利要求10所述的方法,其特征在于,应用于具有超过5%的铬的比例的钢的 乳制的液体润滑剂的量以干燥后实现至少80g/m 2的表面重量的方式计量。12. 如权利要求7至11所述的方法,其特征在于,所述中空块的内部具有在穿入所述乳 制棒材之前涂敷到所述中空块的内部的脱氧剂,其中,所述脱氧剂的量为至少为l〇〇g/m 2, 涂敷所述脱氧剂的结束到乳制的开始之间的时间至少为30秒。
【文档编号】B21B25/00GK105848798SQ201580003280
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年1月5日
【发明人】尼尔斯·舍费尔, 罗尔夫·屈梅尔林, 斯特凡妮·德玛斯, 海伦妮·达尔蒙特
【申请人】瓦卢瑞克德国有限公司
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