热成型工具的制作方法

本发明属于制造管状金属物的领域并涉及成型工具，特别是具备改善耐用度的穿孔顶头、锻造用冲头和芯棒。

背景技术：

无缝钢管通常经过三个热成型阶段生产。第一阶段时，加热到约1200℃的钢坯位于斜轧穿孔机上，借助内成型工具——穿孔顶头，被加工成空心坯。其中斜轧轧辊使钢坯运动从而穿过穿孔顶头。第二阶段时，空心坯在纵向轧制过程中在内成型工具——芯棒的辅助下，直径和壁厚减少而长度增加。第三阶段时，轧件被加工成所需的长度与壁厚，一般不采用内成型工具。

第一第二阶段时使用的内成型工具在生产过程中需承受高温和高机械压。因此多数情况下内成型工具采用耐热钢制造。生产过程中长时间轧制时不可避免的会产生内成型工具的逐步发热。受热后工具的强度减小且不能承受机械负荷。工具本身产生变形并损坏。

为了提高使用寿命，穿孔顶头采用自然氧化层。该氧化层减少工件传导至工具的热量并防止工具的快速升温和快速的强度流失。高合金材料的成型过程中该氧化层却很快脱落并丧失隔热功能。

芯棒根据成型方法的不同采用自然氧化的或具备铬层的工具。相应的顶头例子可以参见德国专利de102008056988a1(smsmeer)。该技术的缺点是针对工件传导至工具的热量的隔热效果过小。所以特别是慢速和小接触长度条件下的内成型工具，会发热并变形损坏。

如果氧化层的厚度得以提高，这些工具的寿命也能得以提升。因为隔热效果更好并且在磨损时保护层保存更长时间。

通过基体材料自然氧化形成的氧化铁保护层并不具备高的稳定性。它既脆又多孔因而会轻易地在机械和热负荷下损坏。因此该类保护层的厚度被限制在0.8毫米之下，保护作用也同样受限。热量会穿透到工具的基体并减少其强度使之提早损坏。高合金工件成型时的磨损，会使保护层在通过一小段轧制材料后即较快脱落。

国际专利申请wo2011107214a1(smsmeer)中指出了一种用于无缝管用穿孔顶头或芯棒、或热锻造金属管状物用冲头，其具备氧化层附于其上的表面特殊轮廓。如此能实现更好的附着力和更长的使用寿命。加工时表面形成凹槽，即由此产生的“边框”不会超越顶头或芯棒的表面。

类似的工具，其涂层由氧化钼构成，由专利ep0385439a1(nkkcorp.)已知。

欧洲专利申请ep2404680a1(sumitomo)的主题是使用曼内斯曼法的无缝钢管生产。其要求一个穿孔顶头，其特点在于该顶头具有一个通道，穿孔时可通过该通道将润滑剂导入穿孔通道。该专利的第[0053]段指出该顶头可以附加铁涂层。将一根铁丝导入一个喷涂工具并使之熔化。被熔化的铁再被喷涂到顶头上，从而形成一个连续的覆盖层。

实际生产中这类表面特殊轮廓的工具的生产却成本过高，因为每一个穿孔顶头都需要分别加工表面特殊轮廓，并且还会造成材料的浪费。生产成本随着表面加工深度的增加超比例的增加。经济性和可行性上限为几毫米。加工基体表面特殊轮廓的另一个缺陷在于材料限制为易氧化钢。该类钢含铬量低因此硬度也低。

本发明的目标因此在于，生产具备改善使用寿命的热成型工具，其不具备上述缺陷。特别是与现有技术相比，所述热成型工具具备更高强度的氧化层，其易于施用并且没有材料损耗。

技术实现要素：

本发明的第一个主题涉及一种由具备至少按比例表面涂层的工具基体构成的热成型工具，其可由此得到，在基体上附加一个金属凸起物，其随后全部或部分氧化并转化为保护层。

“凸起”的意思是，凸起物比工具表面高(“峰结构”)并与刻入表面的凹槽(“谷结构”)的表面特殊轮廓加工相反。

此外本发明还包括一种制造由具备至少按比例表面涂层的工具基体构成的热成型工具的方法，其中

(a)在基体上附加一个金属凸起物，且

(b)随后该金属凸起物全部或部分氧化并转化为保护层。

附加凸起物与工具表面加工正好相反。在本发明中加入而不移除材料。出乎意料地发现附加金属凸起物不仅比表面加工明显更容易实现，并且通过凸起材料的全部或部分转化得到硬度明显更高并且耐用的氧化层，因此工具的寿命也会显著提高。此外本发明还可以通过选择凸起物材料改变表面保护层的属性并调整工艺条件。

本发明带来的经济收益显而易见，特别是生产钢产品的过程中降低工具费用，提高运行时间，其通常与更大的轧件长度和减少的材料浪费相关。

工具

本发明中的热成型工具优选是指穿孔顶头或者锻造用冲头，一般用钢材制成。本发明在该上位概念下也包括其他基体需要抗热的金属制品。这里的金属并不限定为铁和钢，而是包括热成型过程中任何其他的金属材料以及含金属的复合材料。

根据本发明的表面涂层可以有利地用于斜轧内成型工具的穿孔顶头，还能够用于无缝钢管生产过程中的其他内成型工具。对于第二成型阶段的具备几个连续布置的机架的轧机的内成型工具芯棒，需要特别注意的是，工具与轧件之间的摩擦小。因此根据本发明的表面涂层在此应用时必须进行打磨和抛光。另外也可以在本发明的保护层上再附加另一层涂层，比如铬层。

附着在基体上的凸起物可以有各种不同的实现方案，而每种方案原则上都能够完全达到发明的要求。

在第一个实施方案中凸起物是在基体上缠绕线材，优选钢丝。

在第二个实施方案中凸起物是附着在基体上的金属编织物或金属网。

附着在工具表面的金属物优先由钢材编织物构成，例如具备钢丝厚度为约1至约5毫米，优先约1.5毫米，网孔宽度为约1至5毫米，特别是约2.5毫米。网孔宽度指相邻两个编制单位中轴线之间的距离。

在第三个实施方案中凸起物是不规则涂层，通过从气相中物理或化学沉积金属。

凸起物的构成

凸起物的附着可以根据可繁可简的不同方法进行，但都能够完全达到发明的要求。

在第一个实施方案中基体简单地被一线材缠绕，优选金属线材。

在第二个实施方案中采用金属编织物或金属网代替线材。可以通过成型使之配合工具的外型再附着在基体上。为了提高强度建议将线材或金属编织物焊接在基体上。

在第三个实施方案中可以采用化学或物理气相沉积(chemical/physicalvapourphasedeposition,cvd/pvd)在基体表面上产生凸起物。

化学气相沉积是指用于生产微电子学原件和光波导体的涂层方法。由于化学反应气相中的固体成分沉积在基质被加热过的表面上。而前提是涂层成分中有挥发性的化合物，可以在一定的反应温度下沉积出固态的涂层。化学气相沉积方法的特征是需要涂层的工件表面至少发生一次反应。至少一个气态原料化合物(反应物质)和至少两个产物——其中至少一个为固态——参与该反应。为了抑制气相反应而促进工件表面上的反应并从而避免形成固态微粒，该方法优选在低压下进行。

与cvd不同，借助优选的pvd原料材料转化为气相。之后该气态材料被导向需要被涂层的基质，气态材料冷却凝固并形成涂层。实例是传统蒸发法，如热蒸发、电子束蒸发(electronbeamevaporation)和脉冲激光沉积(pulsedlaserdeposition)。在本发明中优选溅镀法，使用离子轰击使原料材料原子化并转化为气相，涂层再从中沉积到基体上。上述所有方法的共同点是，涂层材料以固态置于通常真空的涂层间里。通过激光轰击、磁偏转离子或电子以及光弧放电使目标物蒸发。蒸气里原子、电子或大集聚体的比例根据方法的不同而有差异。蒸发的材料沿弹道运动或者通过电子场引导通过涂层间并附着在需涂层的工件上形成涂层。

为了使蒸气粒子到达工件处并且不会由于气体颗粒散射而流失，需要采用低压。典型的工作压力通常在10-4帕至约10帕之间。因为蒸气粒子直线扩展，以蒸气源为原点不可见的表面以低涂层率涂布。为了形成凸起物而不是均匀的涂层，特意不采用通常采用的基质旋转法。

形成凸起物的的第四个实施方案采用所谓的热喷涂技术。该技术使额外材料，即所谓的喷涂添加剂在喷枪内外部分或全部熔化，并加速为气态的喷涂颗粒喷射在需涂层的工件表面上。工件表面本身不会熔化(与焊接所不同)并只受到很小的热负荷。由于喷涂颗粒在接触到工件表面时根据工艺与材料的不同，或多或少的展平，特别是通过机械夹紧保持附着并逐层形成喷涂层，从而形成涂层。喷涂层的质量特性为低气孔率、与工件的高附着力、无裂缝以及均匀的显微结构。所实现的涂层属性很大程度上受喷涂颗粒接触到待涂层表面时的温度及速度的影响。表面状态(清洁、活化、温度)也对质量特征如附着力有显著影响。

喷涂添加剂材料熔化的能量来源通常为电弧(电弧喷涂)、等离子束(等离子喷涂)、氧燃料火焰或高速氧燃料火焰(普通或高速火焰喷涂)、快速预热气体(冷气体喷涂)和激光(激光喷涂)。根据din标准en657将喷涂方法按上述标准进行分类。

采用该方法不仅可以采用金属，还能采用氧化物陶瓷材料和碳化物材料(或者通称为复合材料)涂布基体。优选铁与陶瓷的混合物涂层进行实施方案。

基体优选由钢构成，而凸起物的材料需要满足的条件为：至少能部分形成氧化层。因此优选铁或钢，从而形成氧化铁层，优选氧化层(zunder)。也可以采用钢/铁与陶瓷的混合物，例如从20:80至80:20范围之间的重量比混合。

凸起物当然可以有各种不同的形状，从规则(圆、方等)到任意不规则的形状。也可以采用复合材料，比如用钼编织物附着于钢材基体。编织物也可以由硬铬钢(内部)和易氧化钢(外部)组成的复合材料构成。用来保持距离的材料也可采用可燃性材料。另外同样可以嵌入陶瓷从而实现更好的隔热性。

氧化

金属凸起物部分或完全转化为氧化物保护层可以参照现有技术的方法进行，例如采用火焰喷涂、等离子喷涂或热化学方式进行。

表面附着有金属物，例如钢编织物的工具在氧化时，工具基体表面的一部分以及表面附着的金属凸起物的一部分被转化为氧化物。同时在所有表面上会形成额外的氧化层，其厚度通常为约500至约3000微米，并且特别是约1500至约2500微米。如此一来基体之间的中间区域，例如工具基体与附着的钢编织物之间以及钢编织物网孔之间的空隙也会形成氧化物。最终的结果是得到一层由内部结构加强的特厚保护层。特别地，与表面凹加工不同涂层厚度不局限于几毫米。10毫米或更大的层厚度可以简易地低成本实现。

工业应用性

本发明的另一个主题涉及上述新式工具的用途，特别是用于生产无缝管或热锻金属管状物的穿孔顶头、锻造用冲头和芯棒的用途。

具体实施方式

实施例1

在穿孔顶头的表面附着并焊接通过成型技术预加工为基体外型的钢编织物，钢丝厚度为1.5毫米，网孔宽度为2.5毫米。然后对该复合物进行热化学氧化。得到2500微米厚度的无孔隙氧化层。

图1是穿孔顶头形式的热成型工具的侧视图。工具1具有一个工具基体2，其具有工作区域3，其在a轴方向上延展一定长度。工作区域3内工具有涂层4，其保护工具1免受到热负荷或机械负荷。

图2与图3展示了根据图1的工具水平切面上“z”的局部图，分别为氧化物保护层(氧化层)形成前后的附着了凸起物的材料基体。

图2a可见锯齿状凸起物，其通过实施例1使用线材网产生。基体用6、网状结构用7标识。图2b显示凸起物的部分表面已转化为氧化物，但网孔之间基体表面也产生了氧化反应(用8标识的阴影部分)。

图3a与图3b同理，只是这里凸起物的横切面不是方形的而是圆形。同样可以看到，含铁的凸起物表面上方和下方以相同比例形成了氧化层(阴影部分)。