由難加工材料制成、特別是由鋼制成的無縫空心體的熱鍛方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分可知，本發(fā)明涉及一種由難加工材料制成、特別是由鋼制成的無縫空心體的熱鍛方法。本發(fā)明特別涉及由難加工材料制成的管子，所述管子通過熱鍛方法制成。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)曼尼斯曼兄弟工具股份有限公司(BrUder Mannesmann)的由加熱還料制成厚壁的無縫空心毛坯管之發(fā)明，該發(fā)明提出了多種方案以在進一步的熱加工步驟中于恒溫加熱下拉伸這一空心毛坯管。一般而言，這一方面公知的關(guān)鍵詞有連乳、頂管、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圍和材料方面均具有一定優(yōu)點，其中的尺寸范圍和材料有重疊。連乳和芯棒乳管應(yīng)用于5英寸至18英寸的平均尺寸范圍，而周期式乳管應(yīng)用于上至26英寸的尺寸范圍。對于厚度范圍為30mm以上的厚壁而言，連乳和芯棒乳法并不非常適用;然而，這種厚度對于周期式乳管而言是沒有問題的，但具有較慢的生產(chǎn)周期。
[0004]對于通過熱乳加熱坯料來生產(chǎn)無縫管而言，沖孔-延伸乳制-壓延乳制這三個步驟是其所特有的。
[0005]在改變尺寸時，所有上述方法的缺點在于:需要或多或少的長的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換時間以及小批量生產(chǎn)的高生產(chǎn)成本，而小批量生產(chǎn)需要頻繁的生產(chǎn)轉(zhuǎn)換。
[0006]通過使用公開號為WO2006/045301 Al的國際專利申請中所披露的方法可消除上述缺點，其中，以形式為徑向鍛造的成形步驟代替了目前公知的涉及乳制(延伸乳制和壓延乳制)的第二和第三成形步驟。所述徑向鍛造使用了滑入空心坯料內(nèi)部的工具和鍛造機的至少兩個作用在空心坯料外周面上的鍛造鉗爪(forging jaw)。其中，于鍛造鉗爪的空行程階段，空心坯料的軸向移動和旋轉(zhuǎn)同步進行。根據(jù)控制類型，空心坯料的旋轉(zhuǎn)和軸向進給能夠發(fā)生在同一時間或在時間上錯開。
[0007]憑借這種特別適用于小批量生產(chǎn)的極高效方法，能夠以特別有益的方式生產(chǎn)周長超過500mm且長度超過4000mm的管子。
[0008]然而，已經(jīng)證明上述方法已不再是鍛造難加工材料的最優(yōu)設(shè)計方案。難加工的材料包括金屬材料，特別是屈服強度在成形溫度、即鍛造溫度下超過150MPa的鋼，其中，所述屈服強度為自然對數(shù)應(yīng)變?yōu)?.3和應(yīng)變速率為ΙΟ/s時的強度。舉例來說，這些剛是鉻含量超過5.0%重量百分比的鋼、雙相鋼、鎳基合金或難熔金屬。
[0009]取決于待鍛造的材料，一般的鍛造溫度至少是材料熔化溫度的70%。舉例來說，因科內(nèi)爾鉻鎳鐵合金718的鍛造溫度至少為850°C。
[0010]在鍛造加工過程中，在鍛造難加工的材料的情況下，鍛造開始不久，由于極大的成形力的作用，作為內(nèi)部工具的鍛造芯棒上會出現(xiàn)磨損和結(jié)塊，或者會出現(xiàn)鍛造芯棒與空心坯料熱焊接在一起。這樣會使鍛造加工終止，或至少會產(chǎn)生有缺陷的管內(nèi)表面并明顯降低鍛造芯棒的使用壽命。由此，明顯限制了針對難加工材料的鍛造加工的經(jīng)濟可用性。
[0011]公開號為WO 2009/006873 Al的國際專利申請公開了一種鍛造芯棒。所述鍛造芯棒包含用于熱鍛管的耐熱材料，并且所述鍛造芯軸具有耐磨性和高尺寸穩(wěn)定性。其中，芯棒主體具有能夠減少導(dǎo)入芯棒主體的熱量的層，且所述層具有明顯低于芯棒主體導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)。因為只有較少的熱量導(dǎo)入芯棒主體，這使得芯棒主體保持更好的尺寸穩(wěn)定性和更好的耐磨性。此外，鍛造芯棒可具有內(nèi)部冷卻功能，以在鍛造加工過程中實施冷卻，或可在鍛造加工過程之間對鍛造芯棒實施外部冷卻。芯棒主體被固定在還被稱作芯棒桿的保持桿上。借助所述保持桿，所述芯棒主體在空行程階段可以在空心坯料中軸向移動或旋轉(zhuǎn)。
[0012]然而，使用公知的鍛造方法和公知的鍛造芯棒在加工難加工材料時，仍然無法保證鍛造芯棒能夠具有足夠長的工具壽命且無法保證管子內(nèi)表面具有恒定的高質(zhì)量。
[0013]此外，公開號為DE 10 2012 107 375 Al的德國專利申請公開了一種涉及空心體鍛造的裝置。該裝置具有與鍛造軸同心且圍繞鍛造軸對稱布置的鍛造工具。為了增加鍛造芯棒的工具壽命，該裝置設(shè)有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)由控制裝置根據(jù)鍛造芯棒相對于鍛造工具的旋轉(zhuǎn)位置對其施以控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于提供一種通過熱鍛生產(chǎn)無縫熱加工金屬空心體的改進方法，SP使是在鍛造難加工的鍛造材料時，所述方法也可獲得高質(zhì)量的空心體內(nèi)表面，同時能夠提高鍛造芯棒的工具壽命。其中，所述難加工的鍛造材料具有在成形溫度下超過150MPa的屈服強度，而所述屈服強度為自然對數(shù)應(yīng)變?yōu)?.3和應(yīng)變速率為ΙΟ/s時的強度。
[0015]這一發(fā)明目的的實現(xiàn)基于權(quán)利要求1的前序部分和特征部分。在從屬權(quán)利要求中描述了其有益改進。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，這一發(fā)明目的由通過熱鍛工藝熱鍛無縫空心體的方法實現(xiàn)，其中，所述空心體由難加工的材料制成，特別是由鋼制成，所述難加工的鍛造材料具有在成形溫度下超過150MPa的屈服強度，而所述屈服強度為自然對數(shù)應(yīng)變?yōu)?.3和應(yīng)變速率為10/s時的強度。所述方法的其特征在于:根據(jù)與待形成的截面相關(guān)的變形程度實施所述熱鍛，所述鍛造部分的對數(shù)應(yīng)變1η(Α0/Α1)小于1.5，而所述鍛造部分的理論應(yīng)變速率小于5/s;其中，AO為待鍛造的空心體的局部橫截面積，以m2為單位;而Al為已鍛造成形的空心體的局部橫截面積，以m2為單位；以及所述應(yīng)變速率是與最終鍛造的空心體的外徑相關(guān)的待鍛造的空心體的最大速度，以m/s為單位，而所述外徑以m為單位。
[0017]在一有益的實施例中，憑借使用的鍛造芯棒由500°C下強度至少為700MPa的材料制成這一事實，能夠以有益的方式提高鍛造芯棒的工具壽命。
[0018]在一有益的實施例中，所述熱鍛方法的特征在于:在鍛造溫度下，使用鍛造芯棒將空心體成形為平均管周長至少為500mm且長度至少為4000mm的管子;其中，所述鍛造芯棒作為內(nèi)部工具，所述空心體借助鍛造機的圍繞鍛造軸線對稱設(shè)置的多個鍛造鉗爪被導(dǎo)入并與芯棒連接;所述鍛造鉗爪按照徑向工作行程被驅(qū)動并作用于空心體和鍛造芯棒的外表面；并且，在所述鍛造鉗爪的空行程階段，所述空心體的軸向移動和旋轉(zhuǎn)以同步方式進行。
[0019]提出的方法具有如下優(yōu)點:現(xiàn)在，即便空心體由難加工的材料構(gòu)成，也能夠以合算的方式將其加工成具有最佳內(nèi)表面的成品，同時確保鍛造芯棒具有明顯增加的工具壽命。
[0020]出乎意料的是，試驗結(jié)果表明:鍛造過程中，與待形成的截面相關(guān)的變形程度、理論應(yīng)變速率并結(jié)合高耐熱性芯棒材料，是決定質(zhì)量和工具壽命的變量。其中，為了能夠可靠地避免表象為裂紋的局部絕熱加熱和剪切帶變形、材料流動失穩(wěn)以及局部的過多材料需求，所述的質(zhì)量和工具壽命限定了變形程度和應(yīng)變速率的應(yīng)有值。
[0021]根據(jù)待鍛造的管子的直徑，可使用兩個、四個或更多的在平面上同時作用于空心體外表面的鍛造鉗爪，這樣的話，提出的鍛造方法特別有效且有助于質(zhì)量方面的改善。
[0022]原則上，作為內(nèi)部工具而導(dǎo)入空心體的鍛造芯棒可以設(shè)置成使其能夠在空心體內(nèi)自由移動。然而，為了改善分布，特別是改善熱負載的分布，優(yōu)選使鍛造芯棒在空行程階段旋轉(zhuǎn)，和/或使鍛造芯棒在與空心體的進給方向相同或相反的方向上移動。
[0023]特別有益的是，如果借助控制器或調(diào)節(jié)機構(gòu)使鍛造芯棒旋轉(zhuǎn)和/或在軸向上移動，則能夠以目標控制方式使鍛造芯棒的熱負載和機械負載均勻化。為此，軸向的芯棒速度是恒定或可變的。
[0024]為了實現(xiàn)最均勻化鍛造芯棒上的熱分布的目的，應(yīng)該使鍛造芯棒以如下方式旋轉(zhuǎn)，即:使負載在下一次的鍛造行程期間作用在鍛造芯棒在前一次的鍛造行程期間沒有受到影響或僅受到輕微影響的區(qū)域上。鍛造芯棒的旋轉(zhuǎn)方向可被選擇為與空心體的旋轉(zhuǎn)方向相同或不同的方向。鍛造芯棒的旋轉(zhuǎn)方向優(yōu)選為不同于空心體的旋轉(zhuǎn)方向的方向，因為這樣可在鍛造芯棒的表面與空心體的表面之間產(chǎn)生較大的相對運動，由此可更加有效地防止將工件熱焊接到鍛造芯棒上。
[0025]根據(jù)本發(fā)明，可選地，還可使鍛造芯棒設(shè)置有包含陶瓷材料的涂層，例如，所述陶瓷材料為碳化媽，并且所述涂層的最小厚度為0.02mm，最大厚度為0.2mm，且室溫下的最小表面硬度為維氏硬度900HV0.1。眾所周知，為芯棒設(shè)置涂層的目的在于隔熱。然而，本發(fā)明的涂層涉及有效抗磨層，憑借這一有效抗磨層的厚度，在設(shè)置了有效抗磨層的區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)必要的耐磨性，還可防治空心體被焊接在鍛造芯棒上。然而，這一有效抗磨層還薄到在熱循環(huán)載荷下足以防止因熱膨脹系數(shù)不同于基礎(chǔ)材料而產(chǎn)生的涂層剝落。
[0026]特別是在大拉伸度(>4)且小壁厚(<30mm)的情況下，為了避免出現(xiàn)熱焊接難加工材料的情況，需要在鍛造加工開始之前將分離劑和/或潤滑劑導(dǎo)入鍛造芯棒和空心體之間的成形區(qū)域內(nèi)。
[0027]在這種情況下，可在徑向鍛造加工開始之前，將分離