無縫金屬中空體生產(chǎn)中作為內(nèi)部工具的軋制棒材和生產(chǎn)金屬中空體的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無縫中空體生產(chǎn)中作為內(nèi)部工具的軋制棒材，特別是涉及金屬中空體的拉伸成形中的軋制棒材，由其通過多機架軋機形成無縫管，所述軋制棒材具有包括滲氮層的表面。為了提高所述軋制棒材的使用壽命，建議所述軋制棒材由耐熱鋼材料構成，所述耐熱鋼材料具有根據(jù)Creq.＝％Cr+％Mo+1.5x％Si+0.5x％Nb+2x％Ti(1)計算出的超過6.5的鉻當量Creq，所述耐熱鋼材料具有200HV0.5的最小硬度，所述最小硬度在所述軋制棒材的表面以下0.5毫米處測得，具有在500℃至少為450MPa的屈服點以及具有在500℃至少600MPa的拉伸強度，并從表面開始，所述滲氮層具有大于0.15mm的深度和超過950HV 0.5的滲氮硬度。本發(fā)明還涉及一種生產(chǎn)無縫熱軋金屬中空體特別是鋼管的方法，其中預先生產(chǎn)的中空塊在多機架軋機中通過穿入中空塊的如上所述的軋輥，經(jīng)受拉伸成形工藝，且在軋制開始之前，即將所述軋輥通過螺紋旋入所述中空塊之前，所述軋輥設有液體潤滑劑，所述潤滑劑隨后干燥，其中所述軋輥被通過螺紋旋入相對于中空體的內(nèi)直徑的至少10mm的間隙，并且緊靠輥的螺紋式擰入開始之前，所述中空塊的平均溫度為至少1000℃，并且在軋制過程中輥軋機中的所述輥速VST最多滿足以下條件：VSTmax＝0.9×輥長/最后機架的軋制時間(3)，VSTmax＝0.9×VMmin(4)(4),其中VMmin是在軋制過程中輥軋機中的管材的最小速度。
【專利說明】
無縫金屬中空體生產(chǎn)中作為內(nèi)部工具的車L制棒材和生產(chǎn)金屬 中空體的方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明設及無縫金屬中空體生產(chǎn)中作為內(nèi)部工具的社制棒材(rolling rod)，特 別是設及金屬中空塊的拉伸成形中的社制棒材，由該社制棒材通過多機架社機(multiple- stand rolling mill) 形成無縫管，其中 ，所述社制棒材具有包括滲氮層的表面。本發(fā)明還 設及生產(chǎn)無縫熱社金屬中空體特別是鋼管的方法，其中預先生產(chǎn)的中空塊在多機架社機中 通過穿入所述中空塊的根據(jù)本發(fā)明的社制棒材，經(jīng)受拉伸成形工藝，且在社制開始之前，即 將所述社制棒材穿入所述中空塊之前，所述社制棒材被供給有液體潤滑劑，所述潤滑劑隨 后干燥。
【背景技術】
[0002] 在曼內(nèi)斯曼(Mannesmann)兄弟發(fā)明經(jīng)社制由加熱好的塊生產(chǎn)厚壁中空塊管之后， 已經(jīng)出現(xiàn)了在進一步的熱加工工序中W相同的熱量將所述中空塊管拉伸成形的各種提案， 其中在第Ξ社制工序中外直徑被減少到所述社機的成品直徑。在運方面的關鍵詞包括后退 工序法（the back-step method)、頂管機法（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，旋轉鍛造機 (rotary forge mill)用通常為實屯、的塊生產(chǎn)出所謂的中空塊。在特殊情況下，預鉆孔塊也 可W被用來代替實屯、塊。在第二社制工序中，中空塊被拉伸成形，其中，為此現(xiàn)在主要使用 多機架棒材社機。進入社機并在約1000至120(TC溫度下的所述中空塊的拉伸成形借助社制 棒材實現(xiàn)。出于運個目的，將所述社制棒材穿入所述中空塊，且大部分情況下由從動輸送漉 將所述社制棒材輸送到第一社制機架。每個機架的漉的數(shù)量一般為至少兩個，但現(xiàn)在通常 是Ξ個，其中該過程步驟如下。
[0003] -方面根據(jù)控制棒速的方式來區(qū)分棒材社機，另一方面根據(jù)每個機架的漉的數(shù)量 來區(qū)分棒材社機，其中可W設置兩個或Ξ個漉。多個機架始終一個接一個連接。當考慮本情 況的方法變體時，在實際的社制過程中所述社制棒材W恒定的速度移動穿過所述社機。出 于運個目的，所述社制棒材必須由機電系統(tǒng)保持，并W受控的方式被引導來實現(xiàn)恒定的社 制棒速度。所述保持系統(tǒng)被稱為保持器。為了確保上述目的，在縱向拉伸成形期間所述社制 棒材已被穿入中空塊之后，待社制的中空塊在社制過程中能夠在所述社制棒材上滑動，所 述社制棒材必須預先被供給有潤滑劑。出于運個目的，含石墨的潤滑劑通常W液體形式噴 灑到所述社制棒材上，并在80°C到130°C的溫度下干燥。在較低溫度下，所述潤滑劑不能W 可靠的方式完全干燥，而在較高溫度下發(fā)生所謂的萊頓弗羅斯特效應化eidenfrost effect),其結果是沒有產(chǎn)生均勻?qū)忧冶砻娴亩鄠€部分仍然未被潤滑。因此，該嘗試為在低 于100°C的溫度下進行干燥。
[0004] 除了潤滑所述社制棒材，根據(jù)歐洲專利說明書EP 1 775 038 B1，在棒材社機中的 拉伸成形過程之前，待社制的中空塊內(nèi)部噴有脫氧劑(例如棚砂），W溶解社制中空塊之后 導致的氧化皮，其中所述溶解的氧化物皮起到額外潤滑的作用。運種情況中的缺點是使用 棚砂，其具有能夠?qū)е禄蛲蛔兊挠绊?，因此不應被使用?br>[0005] 位于所述社制棒材上的所述中空塊則在棒材社制機中社制W形成所謂的母管。使 用術語"母管"，是因為在第Ξ社制工序中，具有各種成品直徑的管可W用相同的母管尺寸 通過定徑社制（size rolling)或拉拔減徑（stretch reducing)生產(chǎn)。所述社制棒材本身通 常由工作部分和空白部分組成。所述空白部件是需要的，W便彌合在加工技術方面所必需 的距離。因此，社制不發(fā)生在所述社制棒材的空白部分。為簡單起見，術語"棒長"將在下文 中用于指所述工作部分的長度。
[0006] 雖然基于銘-鋼的高耐熱鋼通常被用作棒材材料，但是特別是難W成形的材料不 可能在社制中不遇到問題。運樣的材料通常含有銘，如l〇〇Cr6或用于能源領域的具有大于 5% (重量）的銘含量的耐腐蝕鋼。所述社制棒材經(jīng)受由運些材料導致的不均衡的熱負荷W 及磨損，大大減小了所述社制棒材的使用壽命。運個問題隨著鋼的銘含量的增加而變得嚴 重。此外，大大增加了由過早磨損的社制棒材所引起的管的內(nèi)表面上的缺陷的風險。
[0007] 為了最大限度地降低摩擦系數(shù)，德國公開文件DE 37 42 155 A1公開了在社制棒 材表面鍛銘W及涂敷潤滑劑。然而，鍛銘排放對環(huán)境有害的有毒的& IV，由于運個原因已 經(jīng)開始尋找其替代解決方案。
[0008] 為了增加運些在社制中受到廣泛的熱負荷和磨損的社制棒材、尤其是增加受到含 銘鋼的熱負荷和磨損的社制棒材的使用壽命，并且為了最大限度地降低摩擦引起的管的內(nèi) 表面上的缺陷，日本公開文件JP06262220 A公開了用滲氮層替代了給社制棒材鍛銘，該滲 氮層具有0.5到5.Ομπι的粗糖度。但是并沒有提供有關所需的層厚的細節(jié)。
[0009] 在日本公開文件肝2009045632 A中，所述滲氮層由氧化層補充，所述滲氮層被涂 敷到氧化層上，W確保社制棒材的可觀的使用壽命。所述滲氮層的層厚被規(guī)定為50-500微 米，并且所述氧化層的層厚被規(guī)定為3-20微米。
[0010] 試驗表明，雖然當潤滑膜在社制過程中撕下時，滲氮表面具有應急操作特性，但W 運種方式處理的所述社制棒材的使用壽命仍然不能得到顯著改善，管的內(nèi)表面上的缺陷仍 然不能得到顯著減少。
[0011] 對于由非合金鋼種組成的鋼管，一直到由難W加熱成形的含銘鋼組成的鋼管，采 用表面滲氮社制棒材的已知的困難本身存在于對整個過程的適應中，從生產(chǎn)所述社制棒 材、預處理所述中空塊、潤滑棒材到社制過程本身彼此適應W使得確定的社制過程得到保 證。
[0012] 此外從德國專利文獻DE 197 14 317 C1中已經(jīng)知道社制忍軸(mandrel),其通過 PVD (物理氣相沉積)方法設有基于化N的表面層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 因此，本發(fā)明的目的是提供一種無縫金屬中空體的生產(chǎn)中作為內(nèi)部工具的社制棒 材，特別是金屬中空塊的拉伸成形，W通過多機架社機形成無縫管，并提供一種用于生產(chǎn)無 縫熱社金屬中空體特別是鋼管的方法，由此在難W成形的管材料特別是含銘的管材料的情 況下，實現(xiàn)了提高社制棒材的使用壽命，并且有效地最大程度減少或避免在社制過程中產(chǎn) 生的管的內(nèi)表面上的缺陷。此外，與已知的滲氮社制棒材相比，不必通過含棚砂劑使中空塊 內(nèi)表面脫氧來實現(xiàn)相當?shù)幕蛱岣叩氖褂脡勖?br>[0014] 對于社制棒材，通過技術方案1的特征來實現(xiàn)所述目的。對于所述方法，通過技術 方案7的特征來實現(xiàn)所述目的。在從屬技術方案中描述所述社制棒材和所述方法的優(yōu)選實 施例。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的啟示，技術方案1中，使用所述社制棒材作為無縫金屬中空體生產(chǎn)中 的內(nèi)部工具，特別是金屬中空體的拉伸成形工藝，W通過多機架社機形成無縫管，其中所述 社制棒材具有包括滲氮層的表面并由耐熱鋼材料構成。所述耐熱鋼材料：
[0016] -具有超過6.5的銘當量Creq，所述超過6.5的銘當量Creq根據(jù)Creq= %Cr+%Mo+ 1.5x%Si+0.5x%Nb+2x%Ti(l)計算出，
[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毫米處測得，
[001引-具有在500°C至少為450M化的屈服點W及
[0019] -具有在50(TC至少eOOMPa的拉伸強度（tensile strength)，W及
[0020] -從表面開始，滲氮層具有大于0.15mm的深度和超過950HV 0.5的滲氮硬度。
[0021] 本發(fā)明還提供了生產(chǎn)無縫熱社金屬中空體特別是鋼管的技術方案7的方法，其中 預先生產(chǎn)的中空塊在多機架社機中通過將如上所述的本發(fā)明的社制棒材穿入中空塊，經(jīng)受 拉伸成形工藝，且在社制開始之前，即將所述社制棒材通過穿入所述中空塊之前，所述社制 棒材被供給有液體潤滑劑，所述潤滑劑隨后干燥，其中將所述社制棒材帶有間隙地穿入，所 述間隙為相對于中空體的內(nèi)直徑的至少為10mm的圓周外圍間隙，并且緊靠棒材穿入開始之 前，所述中空塊的平均溫度為至少l〇〇〇°C，并且就最大速度而言，棒材社機中的社制期間的 棒速VsT滿足W下條件：
[0022] -VsTmax = 0.9X棒長/上一機架的社制時間（3)，
[002；3] -VsT 麗= 0.9XVifcin (4)，
[0024] 其中\(zhòng)^1。是管材在棒材社機的社制中的最小速度。
[0025] 在本發(fā)明的術語中，社制棒材被理解為相比于忍棒，不具有擴大的直徑的頭部而 是具有恒定尺寸的圓形橫截面的棒。
[0026] 出于此目的所提出的方法和所使用的社制棒材的優(yōu)勢在于:現(xiàn)在也可W經(jīng)濟地生 產(chǎn)由難W成形的材料構成的中空體，其具有最佳內(nèi)表面而同時所述社制棒材的使用壽命大 大增加。
【具體實施方式】
[0027] 針對期望，測試表明，只有社制棒材材料、滲氮層和社制棒材的工作部分的長度的 有創(chuàng)造性的特征的組合帶來了所希望的結果。
[0028] 在進行測試的范圍中，在第一工序中從熱加工鋼的集合中選擇適合于滲氮并且展 示足夠用于社制處理的基本硬度的熱加工鋼。表1示出了為了此目的所需要大于6.5的銘當 量，其中，在運種情況下，所述銘當量根據(jù)下式計算：
[0029] Creq. = %Cr+%Mo+1.5x%Si+0.5x%Nb+2x%Ti (1)
[0030] 為了成功地保證社制棒材的插入，所述棒面在滲氮前必須具有特定的最小硬度。 測試表明，該限制在未滲氮棒的表面W下0.5mm處測得為200HV 0.5。在運種情況下，如果運 個最小硬度向棒忍延伸，那么社制棒材的直徑的50%處仍應該存在至少60%的最小硬度是 有利的。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在社制棒材上涂敷滲氮層發(fā)生在最大值為低于所述社 制棒材的鋼材的回火溫度20%的溫度下。
[0032] 滲氮過程中，所述方法，無論是基于氣體或者基于等離子體，都是不重要的。唯一 重要的因素是帶有所需的特性的滲氮層的構成。W-種有利的方式，它應該具有大于 0.15mm的滲氮硬化深度。此外，需要超過950HV 0.5的近表面硬度，所述近表面硬度在也參 與滲氮工序的參照樣品的截面拋光處測量。下述表la表示各種測試棒材的化學成分。
[0033]
[0034] 下面表化顯示了根據(jù)等式（1 )Creq. (wt. % ) = %Cr+%Mo+l. 5x% Si+0.5x%Nb+ 2x%Ti計算出的銘當量&eq的計算值W及是否達到足夠的滲氮層的厚度、滲氮層深度和基 本硬度。
[0035]
[0036] 材料A, B和C具有大于所需值6.5的銘當量，而參照材料D和E具有較低的值。
[0037] 首先對于如表la和lb所示的前兩種棒的材料A和B，圖1示出了在滲氮期間哪個硬 度和哪個滲氮層的深度已經(jīng)被達到。很明顯，即使在比從社制棒材的表面開始0.5mm的深度 更深的深度也能安全地實現(xiàn)所需的200HV 0.5的最低硬度。
[0038] 由于在社制過程中，所述社制棒材在表面上大幅度加熱至一般大于500°C，并為了 確保所述加熱不會導致強度的損失或損壞，除了上述的銘當量，所用的熱加工鋼也必須有 在500°C至少450MI^的屈服點和在500°C至少600MI^的拉伸強度。
[0039] 所述潤滑劑還必須滿足特定條件。當潤滑劑被噴到社制棒材上時，潤滑劑還含有 水，在可能的情況下，所述水在將社制棒材穿入中空塊之前應被完全蒸發(fā)。為了確保完全蒸 發(fā)，在涂敷潤滑劑之前，所述社制棒材的表面溫度應有利地為至少70°C。
[0040] 試驗還表明，所述社制棒材上需要至少40g/m2的表面重量的潤滑劑作為剩余干質(zhì) 量，W確保在社制過程中充分的潤滑效果。當社鋼具有大于5% (重量）的銘的比例時，如果 至少兩倍的潤滑劑的干質(zhì)量，即至少80g/m2被涂敷到社制棒材上，被證明是特別有利的。在 運種情況下，涂敷的潤滑劑的數(shù)量基于社制棒材的表面。
[0041 ]試驗還表明，在將潤滑劑涂敷到所述社制棒材上的結束之后直到將社制棒材穿入 所述中空塊的開始，需要至少60秒的一段時間，W確保潤滑劑可W充分干燥。
[0042] 如果負載分布在最長的可能長度上，也有利于所述棒材的使用壽命。另一方面，所 述社制棒材的工作部分LsT-定不能太長，否則棒重過大。已經(jīng)表明，如果棒長被限制為棒材 社機中的最大可能社制長度的50%是特別有利的。
[0043] 出于運個目的，應用W下公式：
[0044] -LsTmax = 0.5X多機架社機的上一機架的最大管伸出長度(maximum pipe run-out length) (2)〇
[0045] 在運種情況下，所述社制棒材由工作部分和空白部分構成，其中至少所述工作部 分具有滲氮層。
[0046] 同時，所述棒速VsT不得超過棒長/社制時間的比例的最大值，因為否則在社制過程 中將超過棒的工作區(qū)域。在運種情況下，所述棒材社機的所述上一機架的所述社制時間被 定義為社制時間。
[0047] 然而，為了一個有保證的工藝順序，建議不要完全用盡可能的速度，且不超過所述 值的90%的上限值。
[004引應用下面的公式:VsTmax = 0.9 X棒長/上一機架的社制時間。
[0049] 此外，所述棒速VsT不得超過所述棒材社機的社制過程中管材的速度Vm，因為否則 摩擦力的方向?qū)崔D。在運種情況下，對于管材的最小速度VMmin的最大允許值的90%的 限制也是有利的。
[0050] 因此，應用 W 下公式:VsTmax = 0.9XVlfcin
[0051] 另外的兩個對滲氮社制棒材的成功使用具有決定性的影響的變量為所述中空塊 的內(nèi)直徑和社制棒材的直徑之間的差W及當所述社制棒材被穿入的時刻的所述中空塊的 溫度，其中所述差被稱為間隙。
[0052] 為了避免當正在將社制棒材穿入所述中空塊時潤滑劑可能從社制棒材上的剝離， 但仍然保證可靠的穿入，所述間隙應該至少為10mm，所述中空塊的平均溫度應高于l〇〇〇°C。
[0053] 即使所述社制棒材的可觀的使用壽命可W通過本發(fā)明的社制棒材和本發(fā)明的社 制方法實現(xiàn)，而不需要額外的所述中空塊的內(nèi)表面的脫氧來實現(xiàn)，在難W成形的材料的情 況下，在某些情況下執(zhí)行額外的脫氧可能是有利的，其中所述除氧劑的表面重量則為至少 lOOg/m2,在應用脫氧劑的結束到在社制棒材上社制的開始之間的時間至少應為30秒。涂敷 脫氧劑的量基于所述中空塊的內(nèi)表面。
[0054] 圖2中示出與不同的潤滑劑結合的未處理社制棒材、鍛銘社制棒材和滲氮社制棒 材的摩擦性能的試驗結果。
[0055] 很明顯，所述鍛銘的潤滑表面實際上比所述未處理的潤滑表面（圖2中未示出）產(chǎn) 生更差的摩擦指標系數(shù)的值。也可W看出，未潤滑的滲氮表面具有很好的應急操作特性。甚 至很短的一段時間之后，所述相關的摩擦指標系數(shù)遠低于所述鍛銘的潤滑表面的值。運些 相關性基本上不依賴于不同的潤滑劑1或2。
[0056] 運種表現(xiàn)從實際經(jīng)驗中也可W得知。所述潤滑劑不會很好地附著新鍛銘的棒材， 因此在運種情況下產(chǎn)生額外的潤滑膜的所述中空塊的所述脫氧必須協(xié)助潤滑。此外，頻繁 用于插入社制棒材的進一步措施，如雙重潤滑或?qū)Ｓ脻櫥瑒欠浅碗s的，并會導致額外 的費用。
[0057] 在本發(fā)明的另一有利實施例中，本發(fā)明的社制棒材的表面的滲氮W促進形成朝向 表面開放的孔的的方式進行，所述孔起到潤滑劑的口袋或儲層的作用，從而通過改善潤滑 提高社制棒材的使用壽命。
【主權項】
1. 一種在無縫金屬中空體生產(chǎn)中作為內(nèi)部工具的乳制棒材，特別是在金屬中空塊的拉 伸成形中作為內(nèi)部工具的乳制棒材，由其通過多機架乳機形成無縫管，其中所述乳制棒材 具有包括滲氮層的表面，其特征在于:所述乳制棒材由耐熱鋼材構成，所述耐熱鋼材具有超 過6.5的鉻當量Cr eq.，所述超過6 · 5的鉻當量Creq.根據(jù)Creq. = %Cr+%Mo+l · 5x%Si+0 · 5x% Nb+2x%Ti (1)計算出，所述耐熱鋼材具有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毫米處測得，具有在500°C至少為450MPa的屈服點以及具有在500°C至 少600MPa的拉伸強度，并從表面開始，所述滲氮層具有大于0.15mm的深度和超過950HV 0.5 的滲氮硬度。2. 如權利要求1所述的乳制棒材，其特征在于，所述乳制棒材的所述直徑的50%處仍然 存在所述最小硬度的至少60%。3. 如權利要求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為低于 鋼材的回火溫度20 %的溫度下涂敷的滲氮層。4. 如權利要求1至3中的任一項所述的乳制棒材，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開始之前干燥的潤滑劑具有至少為40g/m 2的表面重量。5. 如權利要求4所述的乳制棒材，其特征在于，對于具有超過5% (重量）的鉻含量鋼的 乳制，涂敷到所述乳制棒材的所述潤滑劑的表面重量為至少80g/m2。6. 如權利要求1至5中的任一項所述的乳制棒材，其特征在于，所述乳制棒材由工作部 分和空白部分構成，且所述乳制棒材的工作部分L ST具有最大長度，所述最大長度根據(jù)方程 LsTmax = 0.5 X多機架乳機的上一機架的最大管伸出長度⑵計算出。7. -種生產(chǎn)無縫熱乳金屬中空體特別是鋼管的方法，其中預先生產(chǎn)的中空塊在多機架 乳機中通過將權利要求1至6所述的乳制棒材穿入中空塊，經(jīng)受拉伸成形，且在乳制開始之 前，即將所述乳制棒材穿入所述中空塊之前，所述乳制棒材被供給有液體潤滑劑，所述潤滑 劑隨后干燥，其特征在于，將所述乳制棒材帶有間隙地穿入中空體，所述間隙為相對于中空 體的內(nèi)直徑為至少l〇mm的間隙，并且緊靠在所述棒材的穿入開始之前，所述中空塊的平均 溫度為至少l〇〇〇°C，并且在乳制過程中棒材乳機中的所述棒速V ST最多滿足以下條件:VSTmax =0.9 X棒長/上一機架的乳制時間（3)，VSTmax = 0.9 X Vfcin(4)，其中Vfcin是在乳制過程中棒 材乳機中的管材的最小速度。8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述乳制棒材的潤滑的結束到乳制的第一開 始之前的干燥時間維持為至少60秒。9. 如權利要求7和8所述的方法，其特征在于，所述液體潤滑劑在所述乳制棒材的至少 70 °C的表面溫度時涂敷到所述乳制棒材上。10. 如權利要求7至9中的任一項所述的方法，其特征在于涂敷的所述液體潤滑劑的量 以干燥后實現(xiàn)至少40g/m2的表面重量的方式計量。11. 根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，應用于具有超過5%的鉻的比例的鋼的 乳制的液體潤滑劑的量以干燥后實現(xiàn)至少80g/m 2的表面重量的方式計量。12. 如權利要求7至11所述的方法，其特征在于，所述中空塊的內(nèi)部具有在穿入所述乳 制棒材之前涂敷到所述中空塊的內(nèi)部的脫氧劑，其中，所述脫氧劑的量為至少為l〇〇g/m 2， 涂敷所述脫氧劑的結束到乳制的開始之間的時間至少為30秒。
【文檔編號】B21B25/00GK105848798SQ201580003280
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月5日
【發(fā)明人】尼爾斯·舍費爾, 羅爾夫·屈梅爾林, 斯特凡妮·德瑪斯, 海倫妮·達爾蒙特
【申請人】瓦盧瑞克德國有限公司