DE4112614C2

DE4112614C2 - Dorn zur Kalt- und/oder Warmumformung von metallischem Gut und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE4112614C2
Application number: DE4112614A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Paul; Dieter Dr Pollack; Hagen Leuteritz; Juergen Dr Pietsch; Jens Kriese
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-04-15
Filing date: 1991-04-15
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2011-04-16
Also published as: DE4112614A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Formgebung, insbesondere der Kalt- und/oder Warmumformung, von metallischem Gut. Besonders zweckmäßig ist ihre Anwendung bei der Herstellung von Metallrohren auf Schrägwalzwerken.

Nach DE 30 48 691 A1 sind Dorne bekannt, deren Oberfläche aus einer Grundschicht (z. B. Fe₃O₄) und einer Deckschicht (z. B. Fe oder Fe₂O₃ und andere Oxide) besteht. Diese werden mittels Aufspritzen von Metall und/oder Metalloxiden auf die Oberfläche herkömmlicher Dorne hergestellt. Nachteilig wirkt sich aber hier aus, daß einerseits die Herstellung der Dorne durch viele notwendigen Arbeitsgänge (z. B. Aufspritzen, Sandstrahlen, Schleifen, Aufbringen einer Verbindungsschicht) sehr aufwendig wird und andererseits diese so hergestellten Dorne infolge geringer Verschleißfestigkeit nur eine kurze Lebensdauer aufweisen.

Darüber hinaus sind in DE 31 14 177 C2 Verfahren zum Herstellen von Arbeitswerkzeugen zur spanlosen Warm-Verformung von Stahl und anderen Schwermetallen beschrieben. Dabei setzt sich dieses Werkzeug aus einem Grundkörper und einem damit verbundenen verschleißfesten Formkörper zusammen. Es wird dabei zunächst der verschleißfeste Formkörper durch Pressen eines hochlegierten Stahlpulvers oder ähnlichem und anschließendem Sintern hergestellt. Danach wird in den verschleißfesten Formkörper eine Stahlschmelze eingegossen, die nach Ihrem Erstarren den Grundkörper bildet. Auch hier wirkt sich die durch viele notwendigen Arbeitsgänge sehr aufwendige Herstellung der Arbeitswerkzeuge nachteilig aus.

Weiterhin sind nach SU-PS 204 283 Dorne mit besserer Verschleißfestigkeit bekannt, die auf herkömmlichen pulvermetallurgischem Wege hergestellt werden und ein Cu- getränktes Wolfram-Arbeitsteil enthalten. Hier ist von Nachteil, daß einerseits die Herstellung bedingt durch die einzelnen pulvermetallurgischen Prozesse relativ aufwendig und andererseits der Dorn durch die dazu verwendeten Metalle sehr teuer ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen kostengünstigen Dorn, der ohne großen Aufwand herstellbar ist, anzugeben, der eine hohe Verschleißfestigkeit und somit eine hohe Lebensdauer aufweist, und ein wenig aufwendiges und einfaches Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, sowie eine mögliche Verwendung dieses Dornes anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Dorn, nach Anspruch 1, durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 10 und eine Verwendung gemäß Anspruch 12, gelöst.

Vorteilhafterweise können einerseits beim Laserauftragsschweißen durch Verwendung legierter Pulver und andererseits durch vorheriges mechanisches Zumischen reaktiver Bestandteile in das Pulver, in der Beschichtung der Arbeits- und Hochtemperaturflächen selbstproduzierende Trennstoffe und/oder reibungsmindernde Arbeits- und Hochtemperaturflächen erzeugt werden. Eine zweckmäßige Zusammensetzung entsprechender Zusätze ist in Anspruch 4 wiedergegeben.

Es ist vorteilhaft, daß die erfindungsgemäßen Dorne auch ohne zusätzliche Kühlung verwendet werden können und daß die Warmhärte der Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereiche mindestens um den Faktor 1,5 höher gegenüber konventionellen liegt.

Erfindungsgemäß werden diese Dorne nach einem Verfahren, wie es in den Ansprüchen 10 und 11 dargestellt ist, hergestellt. Bei dieser Verfahrensweise ist vorteilhaft, daß nur für die Beschichtung der ausgewählten Arbeits- und Hochtemperaturflächen ein spezieller Werkstoff eingesetzt werden muß, was den Einsatz teurer Werkstoffe für den gesamten Dorn nicht erforderlich macht. Es ist weiterhin vorteilhaft, daß das hier vorgeschlagene Verfahren für Neubauteile sowie für zu regenerierende Bauteile Verwendung finden kann. Eine Verwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Dorne ist im Anspruch 12 beschrieben.

Die Erfindung soll am nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In Fig. 1 ist ein Lochdorn 1 eines Schrägwalzwerkes mit einer Gesamtdornlänge L_o dargestellt.

Fig. 2 zeigt das Prinzip des Laserauftragsschweißens, welches bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Lochdornes 1 angewendet wurde.

Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Lochdorn 1 besteht aus dem Werkstoff 28 CrMoV 11.28 und weist eine Härte von 42 HRC und eine Streckgrenze von 790 MPa bei 650°C auf.

Der Lochdorn bzw. Dorn 1 besteht aus der Dornspitze L₂, den Arbeits- und Hochtemperaturflächen L₃ und L₄ und der Vertiefung L₅, die hier eine Ringnut darstellt. Das Gewindestück L₆ verbindet den Lochdorn 1 mit einer Dornstange und leitet das Kühlwasser bis zu den Wasseraustrittsöffnungen 2 an der Dornspitze L₂. Die Arbeits- und Hochtemperaturflächen L₃ und L₄ zeichnen sich dadurch aus, daß sie mit einer hochwarmfesten Stellit-Legierung, die gleichzeitig Schmiereigenschaften besitzt, in den Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereichen L₁′ und L₁′′ beschichtet wurden. Dazu wurden die Dornaußenkontur in dem Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereich L₁′ um 0,8 mm und in dem Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereich L₁′′ um 1 mm abgedreht und die zu beschichtenden Flächen gleichzeitig gereinigt. Die Beschichtung erfolgte mit Spurlegung bei einem Steigungswinkel β₁ = 40° im Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereich L₁′ und β₂ = 65° im Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereich L₁′′ zur Dornachse mit einem jeweiligen Spurabstand von 2,9 mm. Die Außenkontur des Lochdornes 1 in der Arbeits- und Hochtemperaturfläche L₃ ist sphärischer Gestalt und wird durch den Radius R₁ bestimmt, in der Vertiefung L₅ ebenfalls sphärischer Gestalt aber mit dem Radius R₂ und in der Arbeits- und Hochtemperaturfläche L₄ konischer Gestalt bis zu dem maximalen Nenndurchmesser D_N des Lochdornes 1. Die Beschichtungslängen betrugen bei den Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereichen L₁′ 50 mm und L₁′′ 45 mm und die Länge der unbeschichteten Vertiefung L₅ betrug 30 mm.

Die Herstellung der Lochdorne 1 erfolgte mit einem Verfahren gem. Fig. 2. Dabei wurde mit einer Laserleistung N_L = 1 ,9 kW, einem Strahldurchmesser D_S = 28 mm, einer ZnSe-Linse 3 mit einer Brennweite f = 200 mm, außerhalb des Fokusses d₁ mit einer Defokussierung a = 25 mm gearbeitet. In die sich einstellende Wirkfläche mit dem Durchmesser d_w wird der Pulvermassestrom V_m = 0,1 g/s mit einem Pulverdüsenwinkel α = 33° durch die Pulverförderdüse 4 mit einem Durchmesser d_p = 2 mm geleitet. Die Vorschubgeschwindigkeit V_s wurde mit 150 mm/min eingestellt. Als Finish-Behandlung wurde eine Elektroerosivbearbeitung mit formgebundener Elektrode und eine Wärmebehandlung bei 630°C in einem gesteuerten Ofen mit oxidierender Atmosphäre durchgeführt. Vorteil der so hergestellten Lochdorne 1 ist, daß der Umformungsprozeß, hier im Ausführungsbeispiel der allgemein bekannte Bohrprozeß bei Schrägwalzwerken nach Mannesmann, durch den vorgeschlagenen Lochdorn 1 mit seiner Lochdorngeometrie, -werkstoff, -beschichtung, -beschichtungs werkstoff, und dem sich letztlich beim Bohrprozeß einstellenden Temperaturprofil bzw. -belastungen axial und radial optimal unterstützt wird, so daß Qualität und Quantität der hergestellten Rohre bei minimalen Walzwerkbelastungen bei dem jeweiligen Rohrwerkstoff und Rohrabmaßen gesichert werden und die Werkzeuge und Maschinenbauteile, einschließlich des Lochdornes 1, des Rohrwalzwerkes einem minimalen Verschleiß unterliegen.

Claims

1. Dorn zur Kalt- und/oder Warmumformung von metallischem Gut, wobei der Dorn (1) im Bereich der Arbeits- und Hochtemperaturflächen (L₃, L₄) mit Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichten (L₁′, L₁′′) hoher Wärmehärte versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichten (L₁′, L₁′′) mit einer oder mehreren ringförmigen, den Durchmesser reduzierenden und federnden unbeschichteten Vertiefungen (L₅) alternieren.

2. Dorn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die unbeschichteten Vertiefungen (L₅) in sphärischen und/oder konischen und/oder zylindrischen Arbeits- und Hochtemperaturflächen (L₃, L₄) befinden.

3. Dorn nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtbreite der Vertiefungen (L₅) mindestens bei 10% und höchstens bei 50% der Arbeitslänge des Dornes (1) und die maximale Tiefe der Vertiefungen (L₅) zwischen 0,5 und 3% des Dorndurchmessers (D_N), jedoch nicht weniger als 0,5 mm und nicht mehr als 6 mm betragen.

4. Dorn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Förderung selbstproduzierender Trennstoffe die Oberfläche in dem Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereich (L₁′, L₁′′) = 50% Masseanteile Oxide und/oder Nitride und/oder Boride und/oder gegebenenfalls in Kombination damit, mindestens 0,1% Masseanteile, höchstens aber 30% Masseanteile reaktive Elemente enthält.

5. Dorn nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktiven Elemente in den Oberflächen der Verschleiß- und Antifriktionsschutzschicht bereiche (L₁′, L₁′′) Mo, Ti und/oder Ce sind.

6. Dorn nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spurlegung in den Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereichen (L₁′, L₁′′) dem Drall der Umformrichtung angepaßt ist.

7. Dorn nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall der Verwendung des Dornes (1) als Lochdorn die Spurlegung der Schicht der Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereiche (L₁′, L₁′′) dem Drall der Relativ bewegung Dorn - Rohr gleichsinnig angepaßt ist.

8. Dorn nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Beschichtung in den Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereichen (L₁′, L₁′′) des Dornes (1) mit größeren Dornabmessungen bzw. Zonen höherer Druckbelastung größer ist.

9. Dorn nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicken im Bereich von 0,02 mm bis 4 mm liegen.

10. Verfahren zur Herstellung der Dorne nach Anspruch 7 durch Pulverauftrags schweißen in den Verschleiß- und Antifriktionsschutzschichtbereichen (L₁′, L₁′′) mittels Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Laserbeschichtung eine Finish-Behandlung erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Finish- Behandlung als Elektroerosivbehandlung durchgeführt wird.

12. Verwendung der Dorne von Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Lochdorne zum Lochen und Strecken von Rundstäben und/oder Hohlblöcken aus Stahl auf Schrägwalzwerken durch Warmumformung eingesetzt werden.