ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
HOT FORMING TOOL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области производства трубчатых металлических заготовок и к инструментам для формообразования, в частности, прошивочным оправкам, оправкам для ковки и оправкам для прокатки с повышенной прочностью.
Уровень техники
Бесшовные стальные трубы, в общем, изготавливают посредством трех этапов формообразования на соответствующих прокатных станах посредством горячего формообразования. На первом этапе на так называемом косовалковом прошивном стане сплошной стальной блок, нагретый приблизительно до 1200°С, прошивают с помощью внутреннего инструмента, прошивочной оправки, для получения полой заготовки. На этом этапе блок приводят в движение по прошивочной оправке с помощью наклонных валков. На втором этапе формообразования посредством процесса продольной прокатки полую заготовку обжимают по внутреннему инструменту, оправке для прокатки, по диаметру и толщине стенки и удлиняют в продольном направлении. На третьем этапе формообразования прокатный материал доводят до требуемых размеров по диаметру и толщине стенки, как правило, без использования внутреннего инструмента.
Внутренние инструменты на первых двух этапах формообразования в процессе производства подвергаются воздействию высоких температур и механических давлений. В большинстве случаев внутренние инструменты изготавливают из жаропрочной стали. В процессе производства, в особенности при большой длительности прокатки, часто необходимы следующие друг за другом нагревы внутреннего инструмента. В результате нагрева прочность инструмента снижается, и инструмент больше не может выдерживать воздействие механических напряжений. Это ведет к деформированию и поломке инструмента.
Для обеспечения длительного срока службы прошивочные оправки содержат слои натуральной окалины. Эти слои окалины замедляют перенос тепла от подвергаемой формообразованию заготовки к инструменту и защищают инструмент от быстрого нагрева и быстрой потери прочности. Однако при формообразовании высоколегированных материалов слой окалины быстро удаляется, в результате чего перестает действовать тепловая защита.
В оправках для прокатки инструменты, покрытые слоем окалины или инструменты, покрытые слоем хрома, используют в зависимости от порядка выполнения процесса. Соответствующие прошивочные оправки известны из немецкой патентной заявки DE 102008056988 A1 (SMS MEER). Их недостаток состоит в плохой теплоизоляции от передачи тепла от подвергаемой формообразованию заготовки к инструменту. Таким образом, в особенности применительно к внутренним инструментам, которые используют при уменьшенной скорости и длине контакта, происходит нагрев внутреннего инструмента и его выход из строя из-за деформации и разрушения.
Срок службы инструмента можно увеличить, если увеличить толщину слоя окиси. В результате улучшается теплоизоляция, и при износе, вызванным истиранием, защитный слой сохраняется в течение более длительного времени.
Защитный слой образован естественным образом из основного материала посредством его превращения в окись железа, но не имеет высокой прочности. Он является хрупким и пористым и, следовательно, может легко разрушаться под действием механических и тепловых напряжений. Следовательно, эти защитные слои ограничены по толщине. Предельный размер слоя составляет приблизительно 0,8 мм. Таким образом, защитный эффект такого слоя соответствующим образом ограничен. Следовательно, тепло проникает в корпус инструмента и снижает его прочность, в результате чего инструмент преждевременно выходит из строя. При формообразовании высоколегированных заготовок истирание приводит к относительно быстрому удалению защитного слоя, т.е. из-за малой длины прокатанного материала.
Из международной патентной заявки WO 2011107214 A1 (SMS MEER) известны прошивочные оправки или оправки для прокатки для производства бесшовных труб или оправки для ковки для горячей ковки трубчатых заготовок из металла, которые имеют профильную поверхность, в которой содержится слой окиси. Таким образом, обеспечиваются повышенная адгезия и увеличенный срок службы.
Сходные инструменты, в которых покрытие состоит из молибдена, известны из ЕР 0385439 A1 (NKK CORP.),
Предметом европейской патентной заявки ЕР 2404680 A1 (SUMITOMO) является производство стальных труб согласно процессу Маннесмана. Заявлена прошивочная оправка, отличительным признаком которой является то, что она блокирует канал, по которому во время прошивки поступает смазка. Прошивочная оправка может быть покрыта железом. Для этого железную проволоку подают в распылительное устройство, где она расплавляется. После этого расплавленное железо распыляют на прошивочную оправку, т.е. осуществляют непрерывный процесс нанесения покрытия.
Однако, на практике подтверждается, что изготовление таких профилированных инструментов является затратным, поскольку профили необходимо нарезать в прошивочных оправках индивидуально, что также ведет к потерям материала. Стоимость изготовления профиля непропорционально возрастает в зависимости от размера изготавливаемых канавок. Пределы рентабельности и технической возможности в отношении изготовления профиля составляют всего лишь несколько миллиметров. Другим недостатком нарезания профиля в основном материале является ограничение по материалу в отношении надлежащим образом окисляющихся сталей. Они имеют, в частности, низкое содержание хрома и, таким образом, низкую твердость.
Следовательно, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить инструменты для горячего формообразования повышенной прочности, не имеющие вышеуказанных недостатков. В частности, эти инструменты должны содержать слой окиси, имеющий более высокую прочность по сравнению с существующим уровнем техники, который также можно получать более легким способом без потери материала.
Описание изобретения
Первый аспект изобретения относится к инструменту для горячего формообразования, содержащему корпус инструмента, имеющий, по меньшей мере, пропорциональное покрытие поверхности, которое можно получить; таким образом, чтобы корпус содержал выпуклый металлический рельеф, который в дальнейшем полностью или частично окисляется и превращается в защитный слой.
Термин «выпуклый» означает, что рельеф приподнят относительно поверхности инструмента («холмистая структура») в отличие от профилированной поверхности, где профильные канавки вырезаны в поверхности («углубленная структура»).
Другой аспект изобретения включает в себя способ производства инструмента для горячего формообразования, содержащего корпус инструмента, имеющий, по меньшей мере, пропорциональное покрытие поверхности, в котором
(a) корпус содержит выпуклый металлический рельеф и
(b) в дальнейшем металлический профиль полностью или частично окисляется и превращается в защитный слой.
Нанесение выпуклого рельефа является противоположным процессом по отношению к профилированию инструмента. Таким образом, в целях изобретения, материал добавляют, а не удаляют. Как ни удивительно, было установлено, что образование рельефа в отличие от профилирования не только является намного более легким процессом, но за счет полного или частичного превращения рельефного материала можно получить даже значительно более твердую и более прочную окисную пленку, что значительно увеличивает срок службы инструмента. Изобретение также создает возможность выбора рельефного материала для варьирования качества защиты поверхности и регулирования условий осуществления процесса.
Экономическая выгода настоящего изобретения является очевидной и, в частности, в отношении уменьшения расходов на инструменты во время производства стальных изделий, а также увеличения времени прокатки, что обычно связано с большими размерами катаного материала и уменьшением отходов материала.
Инструменты
Инструменты для горячего формообразования предпочтительно являются прошивочными оправками или оправками для ковки, которые обычно изготавливают из стали. Изобретение согласно вступительной части включает в себя, в принципе, любую другую металлическую заготовку, в которой корпус должен быть защищен от притока тепла. Термин «металл» не ограничивается до железа и стали и также включает в себя другие металлические материалы, содержащие металлкомпозитные материалы, которые должны использоваться для горячего формообразования.
Покрытие поверхности по изобретению можно преимущественно использовать не только с прошивочными оправками, внутренними инструментами для осуществления косовалковой прошивки, но и с другими внутренними инструментами, которые используют в производстве бесшовных стальных труб. Применительно к оправкам для прокатки, внутренним инструментам, используемым в прокатных станах с несколькими последовательно расположенными рабочими клетями на втором этапе формообразования, особенно важно обеспечить низкое трение между инструментом и прокатным материалом. Следовательно, поверхностный слой по изобретению для этого применения должен быть отшлифован и отполирован. Кроме того, на защитный слой по изобретению, можно нанести дополнительный слой хрома.
Выпуклые рельефы, нанесенные на корпус, могут быть совершенно разными, и все другие варианты, в принципе, пригодны для решения задачи в полном объеме.
В первом варианте выполнения рельеф можно получить посредством простого обматывания корпуса проволокой, предпочтительно стальной проволокой на выпуклом рельефе.
Во втором варианте выполнения выпуклый рельеф может представлять собой металлическую тканую сетку или металлическую сетку, расположенную на корпусе.
Металлические материалы, накладываемые на поверхность инструмента, предпочтительно выполнены из стальной сетки, например, с толщиной стальной проволоки приблизительно от 1 мм приблизительно до 5 мм и предпочтительно приблизительно 1,5 мм, и шагом сетки приблизительно 1-5 мм и, в частности, приблизительно 2,5 мм. Шаг сетки означает расстояние между центральными линиями соседних элементов тканой сетки.
В третьем варианте выполнения выпуклый рельеф может быть покрытием неправильной формы, которое получают посредством химического или физического осаждения металла из паровой фазы.
Образование рельефа
Способы нанесения выпуклых рельефов могут быть самыми разными процедурами, простыми и сложными, которые решают задачи изобретения в полном объеме.
В первом варианте выполнения корпус просто обматывают проволокой, предпочтительно металлической проволокой.
Во втором альтернативном варианте выполнения вместо проволоки используют металлическую тканую сетку или металлическую сетку. Рельеф можно выполнять, например, посредством формирования сетки по профилю инструмента с последующим креплением указанного материала к корпусу. Для повышения прочности рекомендуется приварить проволочную спираль или металлическую тканую сетку к корпусу.
В третьем, альтернативном варианте, рельеф можно изготавливать на поверхности корпуса посредством химического или физического осаждения из паровой фазы (химическое / физическое осаждение из паровой фазы, CVD / PVD).
Термин «химическое осаждение из паровой фазы» представляет собой группу способов нанесения покрытия, которые используют, в числе прочих, в производстве микроэлектронных компонентов и волоконных световодов. У нагретой поверхности подложки твердый компонент отделяют от газовой фазы посредством химической реакции. Предварительным условием является то, что летучие соединения слоев компонента содержат слой с захватываемыми твердыми частицами при заданной температуре реакции. Это способ химического осаждения из паровой фазы отличается, по меньшей мере, одной реакцией на поверхности подлежащей нанесению покрытия заготовки. Эта реакция должна проходить, по меньшей мере, с использованием газообразного исходного соединения (исходного материала), и, по меньшей мере, должны использоваться два продукта, участвующих в реакции, из которых, по меньшей мере, один находится в твердой фазе. С целью способствования реакциям в паровой фазе у поверхности и, таким образом, исключения образования твердых частиц, процесс предпочтительно выполняют при пониженном давлении.
В отличие от CVD исходный материал превращают в газовую фазу, предпочтительно используя PVD. Газообразный материал затем направляют к подлежащей нанесению покрытия подложке, где он конденсирует и образует заданный слой. В качестве примеров можно привести классические процессы испарения, такие как термическое испарение, электронно-лучевое (электронно-лучевое испарение) испарение или лазерное испарение (импульсное лазерное осаждение). В целях настоящего изобретения предпочтительным является распыление, при котором исходный материал распыляют посредством ионной бомбардировки и переносят в газовую фазу, из которой он затем осаждается на корпус. Во всех этих процессах общем между ними является то, что материал, подлежащий осаждению, главным образом имеет твердую форму в вакуумированной напылительной камере. Мишень подвергается испарению в результате бомбардировки лазерными лучами, отклоняемыми посредством магнитного воздействия ионами или электронами, а также дуговыми разрядами. Пропорция атомов, ионов или больших скоплений в паре варьируется от процедуры к процедуре. Испаряемый материал движется или баллистическим образом, или с помощью электрических полей через камеру и попадает на части, подлежащие нанесению покрытия, где он образует слой.
-4
С этой целью частицы пара достигают компонентов и не теряются посредством распыления у частиц газа, причем эта операция должна выполняться в вакууме. Рабочие давления составляют 10-10 Па. Поскольку частицы пара распространяются в прямом направлении, покрытие на области, которые не видны от источника пара, осаждается с низкой скоростью. Для образования рельефа и негомогенного покрытия вращение подложки опущено в отличие от обычной процедуры.
Четвертый альтернативный вариант выполнения применительно к образованию покрытия содержит так называемое термическое напыление. В этом случае дополнительные материалы, так называемые напыляемые добавки, оплавляют возле, внутри или снаружи распыляющей горелки, и они ускоряются в газовом потоке в форме распыляемых частиц и попадают на поверхность компонента, подлежащего нанесению покрытия. В этом случае поверхность компонента (в отличие от наплавки) не расплавляется и подвергаются лишь незначительной тепловой нагрузке. Образование слоя имеет место в случае, когда распыляемые частицы до известной степени разравниваются в зависимости от выполняемого процесса и материала при попадании на поверхность компонента, в первую очередь посредством механического сцепления слой за слоем для образования напыляемого слоя. Качественными характеристиками напыляемого покрытия являются низкая пористость, легкое сцепление с компонентом, исключение трещин и гомогенной микроструктуры. На получаемые свойства слоев значительное влияние оказывают температура и скорость напыляемых частиц во время попадания на поверхность, подлежащую нанесению покрытия. Состояние поверхности (чистота, температура активации) также оказывает значительное влияние на качественные характеристики, например, на адгезию.
В качестве энергоносителя для плавления напыляемого дополнительного материала используют электрическую дугу (дуговое напыление), плазменную струю (плазменное напыление), высокоскоростное топливно-кислородное пламя, топливно-кислородное пламя (обычное и высокоскоростное пламенное напыление) и лазерный луч (лазерно-лучевое напыление). По стандарту EN 657 DIN способы напыления классифицируют согласно этим критериям.
Используя этот способ, корпус можно покрыть не только металлом, но также и оксидокерамическими материалами и карбидными материалами (или, в общем, композитными материалами). Предпочтительно, в этом варианте выполнения материал покрытия может состоять из смеси стали и керамики.
Несмотря на то, что корпус предпочтительно выполнен из стали, в отношении материала, образующего выпуклый рельеф, действует условие, что на нем допускается пропорциональное образование слоя окиси. Предпочтительно, этим материалом является железо или сталь, поэтому образуется слой окиси железа, предпочтительно окалины. Как указано выше, можно использовать железо/сталь и керамику, например, в пропорции по массе приблизительно от 20:80 приблизительно до 80:20.
Следует принять во внимание, что рельеф может иметь различные формы в диапазоне от правильной (круглой, квадратной и т.д.) до любой свободной формы. Также можно использовать композитные материалы, т.е., например, молибденовую тканую сетку, которую помещают на стальной корпус. Элемент тканой сетки также может состоять из композита, включающего в себя твердую хромистую сталь (внутри) и хорошо окисляемой стали (снаружи). В качестве также проставки можно использовать горючие материалы. Для улучшения теплоизоляции она также может быть утоплена в керамику.
Окисление
Полное или частичное превращение металлических рельефов в окисный слой можно обеспечить с помощью известных способов по существующему уровню техники, например, посредством пламенного напыления, плазменного напыления или выполнения термохимического процесса.
При окислении инструмента с нанесенным на его поверхность металлическим материалом, например, стальной тканой сеткой, часть поверхности корпуса инструмента и часть рельефа, осаждаемого на этой поверхности, превращается в окись. В то же самое время на всех поверхностях образуется дополнительный окисный слой, приблизительно до 3000 микронов, и, в частности, приблизительно от 1500 микронов до 2500 микронов. Таким образом, в пространстве между материалами, например, между корпусом материала и наложенной стальной тканой сеткой и между ячейками стальной тканой сетки также образуется окись. В результате образуется защитный слой большой толщины, который усилен внутренним материалом. В частности, толщина слоя отличается от размера при изготовлении канавок без ограничения до нескольких миллиметров. Толщина слоя может составлять 10 мм и более без усложнения процесса при низкой стоимости.
Промышленная применимость
Другой предмет настоящего изобретения относится к использованию нового инструмента, подробно описанного выше, в частности, прошивочной оправки, оправки для ковки или оправки для прокатки для производства бесшовных труб или горячекованых трубчатых заготовок из металла.
Примеры
Пример 1
На поверхность прошивочной оправки поместили и приварили стальную сетку из проволоки толщиной 1,5 мм и шириной ячейки 2,5 мм, которой предварительно придали форму основания. Далее композит из указанных материалов подвергли термохимическому окислению. В результате получили прочный непрерывный окисный слой толщиной 2500 микронов.
На фиг. 1 на виде сбоку показан инструмент для горячего формообразования в виде прошивочной оправки. Инструмент 1 содержит корпус 2 инструмента, имеющий рабочую зону 3, которая продолжается в направлении оси А на определенную длину. В рабочей зоне 3 инструмент содержит покрытие 4, которое защищает инструмент 1 от воздействия тепловых и механических напряжений.
На фиг. 2 и 3 показано место Z в горизонтальном разрезе инструмента из фиг. 1 для материала корпуса с выпуклым рельефом перед получением и после получения окисного защитного слоя («окалины»).
На фиг. 2а показан рельеф в пилообразной форме, который образован по Примеру 1 посредством наложения проволочной сетки. В этом случае корпус обозначен как поз. 6, и сетка обозначена как поз. 7. На фиг. 2b показано, что часть поверхности рельефа превращена в окись, а также, что между петлями сетки поверхность основания окислена (пунктир, обозначенный ссылочным номером 8).
Фиг. 3а и 3b являются аналогичными, однако рельеф имеет не квадратное, а круглое сечение. И в этом случае можно видеть, что окисный слой (штриховка) продолжается в равных пропорциях выше и ниже исходной поверхности железного корпуса.