由难加工材料制成、特别是由钢制成的无缝空心体的热锻方法

摘要

本发明涉及通过热锻工艺热锻无缝空心体的方法，所述空心体由难加工的材料制成，特别是由钢制成，所述难加工的锻造材料具有在成形温度下超过150MPa的屈服强度，而所述屈服强度为自然对数应变为0.3和应变速率为10/s时的强度。为了改进无缝热加工出的金属空心体的热锻生产方法，使其能够实现高质量的空心体内表面，同时能够提高锻造芯棒的工具寿命，提出根据与锻造部分的待形成的截面相关的变形程度实施所述热锻，所述锻造部分的对数应变ln(A0/A1)小于1.5，而所述锻造部分的理论应变速率小于5/s；其中，A0为待锻造的空心体的局部横截面积，以m2为单位；而A1为已锻造成形的空心体的局部横截面积，以m2为单位；以及所述应变速率是与最终锻造的空心体的外径相关的待锻造的空心体的最大速度，以m/s为单位，而所述外径以m为单位。

说明书

技术领域

根据权利要求1的前序部分可知，本发明涉及一种由难加工材料制成、特别是由钢 制成的无缝空心体的热锻方法。本发明特别涉及由难加工材料制成的管子，所述管子通过 热锻方法制成。

背景技术

根据曼尼斯曼兄弟工具股份有限公司(BrüderMannesmann)的由加热坯料制成厚 壁的无缝空心毛坯管之发明，该发明提出了多种方案以在进一步的热加工步骤中于恒温加 热下拉伸这一空心毛坯管。一般而言，这一方面公知的关键词有连轧、顶管、芯棒轧管以及 周期式轧管。

所有上述方法在不同的轧制尺寸范围和材料方面均具有一定优点，其中的尺寸范 围和材料有重叠。连轧和芯棒轧管应用于5英寸至18英寸的平均尺寸范围，而周期式轧管应 用于上至26英寸的尺寸范围。对于厚度范围为30mm以上的厚壁而言，连轧和芯棒轧法并不 非常适用；然而，这种厚度对于周期式轧管而言是没有问题的，但具有较慢的生产周期。

对于通过热轧加热坯料来生产无缝管而言，冲孔-延伸轧制-压延轧制这三个步骤 是其所特有的。

在改变尺寸时，所有上述方法的缺点在于：需要或多或少的长的生产转换时间以 及小批量生产的高生产成本，而小批量生产需要频繁的生产转换。

通过使用公开号为WO2006/045301A1的国际专利申请中所披露的方法可消除上 述缺点，其中，以形式为径向锻造的成形步骤代替了目前公知的涉及轧制(延伸轧制和压延 轧制)的第二和第三成形步骤。所述径向锻造使用了滑入空心坯料内部的工具和锻造机的 至少两个作用在空心坯料外周面上的锻造钳爪(forgingjaw)。其中，于锻造钳爪的空行程 阶段，空心坯料的轴向移动和旋转同步进行。根据控制类型，空心坯料的旋转和轴向进给能 够发生在同一时间或在时间上错开。

凭借这种特别适用于小批量生产的极高效方法，能够以特别有益的方式生产周长 超过500mm且长度超过4000mm的管子。

然而，已经证明上述方法已不再是锻造难加工材料的最优设计方案。难加工的材 料包括金属材料，特别是屈服强度在成形温度、即锻造温度下超过150MPa的钢，其中，所述 屈服强度为自然对数应变为0.3和应变速率为10/s时的强度。举例来说，这些刚是铬含量超 过5.0％重量百分比的钢、双相钢、镍基合金或难熔金属。

取决于待锻造的材料，一般的锻造温度至少是材料熔化温度的70％。举例来说，因 科内尔铬镍铁合金718的锻造温度至少为850℃。

在锻造加工过程中，在锻造难加工的材料的情况下，锻造开始不久，由于极大的成 形力的作用，作为内部工具的锻造芯棒上会出现磨损和结块，或者会出现锻造芯棒与空心 坯料热焊接在一起。这样会使锻造加工终止，或至少会产生有缺陷的管内表面并明显降低 锻造芯棒的使用寿命。由此，明显限制了针对难加工材料的锻造加工的经济可用性。

公开号为WO2009/006873A1的国际专利申请公开了一种锻造芯棒。所述锻造芯 棒包含用于热锻管的耐热材料，并且所述锻造芯轴具有耐磨性和高尺寸稳定性。其中，芯棒 主体具有能够减少导入芯棒主体的热量的层，且所述层具有明显低于芯棒主体导热系数的 导热系数。因为只有较少的热量导入芯棒主体，这使得芯棒主体保持更好的尺寸稳定性和 更好的耐磨性。此外，锻造芯棒可具有内部冷却功能，以在锻造加工过程中实施冷却，或可 在锻造加工过程之间对锻造芯棒实施外部冷却。芯棒主体被固定在还被称作芯棒杆的保持 杆上。借助所述保持杆，所述芯棒主体在空行程阶段可以在空心坯料中轴向移动或旋转。

然而，使用公知的锻造方法和公知的锻造芯棒在加工难加工材料时，仍然无法保 证锻造芯棒能够具有足够长的工具寿命且无法保证管子内表面具有恒定的高质量。

此外，公开号为DE102012107375A1的德国专利申请公开了一种涉及空心体 锻造的装置。该装置具有与锻造轴同心且围绕锻造轴对称布置的锻造工具。为了增加锻造 芯棒的工具寿命，该装置设有旋转驱动机构，所述旋转驱动机构由控制装置根据锻造芯棒 相对于锻造工具的旋转位置对其施以控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过热锻生产无缝热加工金属空心体的改进方法，即 使是在锻造难加工的锻造材料时，所述方法也可获得高质量的空心体内表面，同时能够提 高锻造芯棒的工具寿命。其中，所述难加工的锻造材料具有在成形温度下超过150MPa的屈 服强度，而所述屈服强度为自然对数应变为0.3和应变速率为10/s时的强度。

这一发明目的的实现基于权利要求1的前序部分和特征部分。在从属权利要求中 描述了其有益改进。

根据本发明的教导，这一发明目的由通过热锻工艺热锻无缝空心体的方法实现， 其中，所述空心体由难加工的材料制成，特别是由钢制成，所述难加工的锻造材料具有在成 形温度下超过150MPa的屈服强度，而所述屈服强度为自然对数应变为0.3和应变速率为10/ s时的强度。所述方法的其特征在于：根据与待形成的截面相关的变形程度实施所述热锻， 所述锻造部分的对数应变ln(A0/A1)小于1.5，而所述锻造部分的理论应变速率小于5/s；其 中，A0为待锻造的空心体的局部横截面积，以m²为单位；而A1为已锻造成形的空心体的局部 横截面积，以m²为单位；以及所述应变速率是与最终锻造的空心体的外径相关的待锻造的 空心体的最大速度，以m/s为单位，而所述外径以m为单位。

在一有益的实施例中，凭借使用的锻造芯棒由500℃下强度至少为700MPa的材料 制成这一事实，能够以有益的方式提高锻造芯棒的工具寿命。

在一有益的实施例中，所述热锻方法的特征在于：在锻造温度下，使用锻造芯棒将 空心体成形为平均管周长至少为500mm且长度至少为4000mm的管子；其中，所述锻造芯棒作 为内部工具，所述空心体借助锻造机的围绕锻造轴线对称设置的多个锻造钳爪被导入并与 芯棒连接；所述锻造钳爪按照径向工作行程被驱动并作用于空心体和锻造芯棒的外表面； 并且，在所述锻造钳爪的空行程阶段，所述空心体的轴向移动和旋转以同步方式进行。

提出的方法具有如下优点：现在，即便空心体由难加工的材料构成，也能够以合算 的方式将其加工成具有最佳内表面的成品，同时确保锻造芯棒具有明显增加的工具寿命。

出乎意料的是，试验结果表明：锻造过程中，与待形成的截面相关的变形程度、理 论应变速率并结合高耐热性芯棒材料，是决定质量和工具寿命的变量。其中，为了能够可靠 地避免表象为裂纹的局部绝热加热和剪切带变形、材料流动失稳以及局部的过多材料需 求，所述的质量和工具寿命限定了变形程度和应变速率的应有值。

根据待锻造的管子的直径，可使用两个、四个或更多的在平面上同时作用于空心 体外表面的锻造钳爪，这样的话，提出的锻造方法特别有效且有助于质量方面的改善。

原则上，作为内部工具而导入空心体的锻造芯棒可以设置成使其能够在空心体内 自由移动。然而，为了改善分布，特别是改善热负载的分布，优选使锻造芯棒在空行程阶段 旋转，和/或使锻造芯棒在与空心体的进给方向相同或相反的方向上移动。

特别有益的是，如果借助控制器或调节机构使锻造芯棒旋转和/或在轴向上移动， 则能够以目标控制方式使锻造芯棒的热负载和机械负载均匀化。为此，轴向的芯棒速度是 恒定或可变的。

为了实现最均匀化锻造芯棒上的热分布的目的，应该使锻造芯棒以如下方式旋 转，即：使负载在下一次的锻造行程期间作用在锻造芯棒在前一次的锻造行程期间没有受 到影响或仅受到轻微影响的区域上。锻造芯棒的旋转方向可被选择为与空心体的旋转方向 相同或不同的方向。锻造芯棒的旋转方向优选为不同于空心体的旋转方向的方向，因为这 样可在锻造芯棒的表面与空心体的表面之间产生较大的相对运动，由此可更加有效地防止 将工件热焊接到锻造芯棒上。

根据本发明，可选地，还可使锻造芯棒设置有包含陶瓷材料的涂层，例如，所述陶 瓷材料为碳化钨，并且所述涂层的最小厚度为0.02mm，最大厚度为0.2mm，且室温下的最小 表面硬度为维氏硬度900HV0.1。众所周知，为芯棒设置涂层的目的在于隔热。然而，本发明 的涂层涉及有效抗磨层，凭借这一有效抗磨层的厚度，在设置了有效抗磨层的区域能够实 现必要的耐磨性，还可防治空心体被焊接在锻造芯棒上。然而，这一有效抗磨层还薄到在热 循环载荷下足以防止因热膨胀系数不同于基础材料而产生的涂层剥落。

特别是在大拉伸度(>4)且小壁厚(<30mm)的情况下，为了避免出现热焊接难加工 材料的情况，需要在锻造加工开始之前将分离剂和/或润滑剂导入锻造芯棒和空心体之间 的成形区域内。

在这种情况下，可在径向锻造加工开始之前，将分离剂和/或润滑剂施加至所述空 心体的内侧，和/或在锻造之前和/或锻造过程中，至少向作用于所述锻造芯棒的所述锻造 钳爪的区域于所述锻造芯棒施加润滑。

如果将分离剂和/或润滑剂导入所述空心体的内侧，所述分离剂和/或润滑剂的相 对于所述空心体的内表面的非液体物质重量应不小于40g/m²。

此外，为了使热负载均匀化，优选地，使锻造芯棒相对于工件交替地正反旋转。特 别地，在锻造芯棒的旋转方向与空心体的旋转方向相同时，明显有益的是锻造芯棒在锻造 行程之间的旋转程度是其在旋转方向不同于空心体时的旋转程度的2倍。这是因为，锻造钳 爪的接触面，进而也就是芯棒的接触面，相对于锻造钳爪的纵轴总是略微有些不对称，由此 润滑剂容易被压入进入区，而且也容易从芯棒脱离。这样，在上述的旋转方向相同时，为了 将分离剂和/或润滑剂移出成形区，需要芯棒具有相当大的旋转程度(大约是旋转方向不同 于空心体时的旋转程度的2倍)。

由于这种不对称，出于使热负载均匀化的目的，不仅相对于空心体对芯棒实施定 位和控制很重要，而且相对于锻造平面对芯棒实施定位和控制也很重要。

在本发明的一个有益实施例中，在所述空行程阶段，使所述锻造芯棒的旋转程度 满足以下条件：minDSD＝0.32×DSH，其中，minDSD为所述锻造芯棒的以锻造芯棒的旋转 角度表示的最小旋转程度，而DSH为所述空心体的以空心体的旋转角度表示的旋转程度。不 难发现，锻造芯棒的接触区的宽度大幅小于锻造钳爪的接触区的宽度。试验已表明：无法达 到上述限制会使大量的热负载聚集在芯棒上，这样一般会引发熔塞(plugs)，由此使锻造加 工失败。

提高芯棒的旋转程度使其超过上述的最小旋转程度，能够减少两次成形行程之间 的芯棒接触区的重叠，或能够完全避免两次成形行程之间的芯棒接触区的重叠。这样，能够 使芯棒外周上的热负载均匀化，并能够使更多新鲜的分离剂/润滑剂流入芯棒与工件之间 的成形区。

试验已表明：在锻造加工过程中的接触操作之前，大致有两种影响会对锻造芯棒 产生热负载：一方面是热工件产生的辐射负载；而另一方面则是传导入与锻造芯棒接触的 接触区的热量。这种热量在锻造芯棒内轴向流动，甚至会流入芯棒上的未接触于空心体的 那些区域。如果芯棒的这些区域在此之后进入成形区，接触温度乃至表面温度会高于先前 已经过锻造处理的芯棒区域的接触温度和表面温度。可以根据芯棒速度的可变性调节热负 载，使得导入热量的充分均匀化来降低芯棒表面的最大温度，以防止锻造芯棒的塑性变形 或锻造芯棒的过早磨损。

平均芯棒速度应满足以下条件：GDmin≤GD≤GDmax；其中，GDmin＝GE×(HL/DL)， 并且GDmax＝GA×(HL/DL)；其中，DL＝锻造芯棒的长度，以m为单位；HL为空心体的长度，以m 为单位；GD＝所述锻造芯棒的平均绝对速度，以m/s为单位；GE＝所述空心体进入所述锻造 机的进入速度，以m/s为单位；而GA＝所述空心体移出所述锻造机的移出速度，以m/s为单 位。

在本发明的另一有益实施例中，可将锻造芯棒构造成实芯体或空心体。

在本发明的另一有益实施例中，提供以下设置：在锻造加工期间对所述锻造芯棒 实施内部冷却，和/或在多个锻造加工过程之间对所述锻造芯棒实施外部冷却，以进一步减 少热负载。

在锻造难加工的材料时，为了确保充分的机械稳定性，并在锻造芯棒被构造成中 空体的情况下，在实施内部冷却时使所述中空体的壁厚至少是所述锻造芯棒的外径的9％， 而在实施外部冷却时使所述中空体的壁厚至少是所述锻造芯棒的外径的15％。

为了确保在实施内部冷却时对锻造芯棒实施了充分的冷却，所述锻造芯棒应优选 具有取决于空心体外径和锻造管外径的最小长度，所述最小长度的计算如下：Lmin＝(ADH- ADF)/TAN(20×PI/180)；其中，ADH＝所述空心体的外径，以m为单位；而ADF＝锻造管的外 径，以m为单位；而Lmin为锻造芯棒的最小工作长度，以m为单位。

为了在锻造间歇期间实施锻造芯棒的外部冷却，锻造芯棒应具有以下方式计算出 的长度：HL＝空心体的长度，以m为单位；MH＝所述空心体的重量，以kg为单位；而MD＝吸热 的芯棒的重量，以kg为单位。

在本发明方法的另一有益实施例中，提供以下设置：使用锥度与长度之比至少为 1:1000的锻造芯棒进行锻造，并且使位于所述芯棒杆一侧的所述锻造芯棒的端部具有较大 的直径。需要保持上述锥度，因为锻造工件于成形区的下游冷却，从而使位于锻造芯棒上的 (锻造工件)锻造部分的热收缩可以阻止锻造芯棒的相对于移动和移出。

此外，使用轻微锥化的锻造芯棒可增加已锻造成形的管子与内部工具之间的间 隙，这样可帮助已锻造成形的管子从内部工具中移出。然而，锻造芯棒的锥度必须很小，否 则从锻造芯棒的长度方向上看，锻造芯棒的壁厚会在全长上产生无法接受的变化。

在本发明的另一有益实施例中，提供以下设置：在遵从所述空心体的内、外径和壁 厚的公差规范方面，通过调节锻锤的行程补偿在锻造过程中因所述锻造芯棒的直径的锥度 引起的所述空心体的几何偏差。

为了确保锻造芯棒在空心体中的移动不发生问题，还依据本发明提供一下设置： 将锻造芯棒滑入所述空心体；所选择的所述锻造芯棒的直径使所述空心体与所述锻造芯棒 之间设置有满足以下条件的间隙：minSP＝0.0012×(1+HL)；其中，minSP为所述锻造芯棒的 直径与所述空心体的直径之间的最小间隙，以m为单位；而HL为所述空心体的长度，以m为单 位。

锻造空心体长度方向上的内径和内部轮廓大致取决于优选为圆柱形芯棒的内部 工具的几何形状。

依据本发明的方法用于通过相应地构造锻造工具和/或特别控制锻造锤的行程以 及锻造芯棒的移动来生产外、内圆管，除此之外，依据本发明的方法还通过上述手段生产轴 对称的管子，例如长方形空心体或正方形空心体。其中，所使用的空心坯料还可具有能够使 已锻造成形部件时所必需的成形工作最小化的几何形状。此外，可在长度方向上改变所使 用的空心坯料的截面以及已锻造成形的空心体的截面。

举例来说，具有阶梯式变化的直径的芯棒的使用是可行的。借助这种芯棒，可加工 出例如在长度方向上逐渐锥化和/或阶梯化且具有增厚的端部的圆柱体。根据阶梯排列的 类型，还可将一个空心坯料加工成多种阶梯式圆柱体。在完成锻造加工之后，则对圆柱体实 施分离。

在本发明的另一有益实施例中，提供以下设置：不将空心坯料加工成两侧均具有 开口的空心体，而是将其加工成一侧带有基底的空心体。同两侧均具有开口的空心体相比， 可在锻造过程中提高产量。此外，这样做的优点还在于已锻造成形的部件还具有底部。

在通常的诸如定长剪切、外观检查、刻印等精整加工步骤之后，最终锻造成型的空 心体或待发运，或实施热处理步骤和/或无损检测。热处理步骤可实施正火操作或回火操 作。根据平直度要求，需要实施矫直操作。同样地，在有相应的运输要求的情况下，为了去除 由锻造加工引起的少量粗糙度，需要对外表面实施后续的研磨操作或其它适当的去屑加 工。

附图说明

参照下列附图，对依据本发明的方法进行详细说明。其中：

图1为在包含已被配合的空心坯料的纵向截面中示出了依据本发明的方法的示意 图；以及

图2为沿图1中的A-A方向截取的截面的示意图。

具体实施方式

图1为在包含已被配合的待锻造的空心坯料1的纵向截面中示出了依据本发明的 方法的示意图。其中，空心坯料具有起始横截面积A0。所述空心坯料从左侧进入锻造机，并 在右侧以具有局部横截面积A1的热加工管2的形式离开锻造机。

根据与待形成的锻造部分的截面相关以及理论应变速率的变形程度实施锻造。这 一锻造部分的对数应变ln(A0/A1)小于1.5，而理论应变速率小于5/s，其中，应变速率被定 义为与最终锻造的空心体的外直径(m)相关的最大工具速度(m/s)。

在这一示例性实施例中，在锻造区域内，4个锻造钳爪3,3’,3”,3”’设置在外侧，而 圆柱形的锻造芯棒4则设置在能够与锻造钳爪协作的内侧。锻造芯棒4由500℃下强度至少 为700MPa的材料构成，并由保持棒5定位。然而，作为一可选方案，锻造芯棒还可在锻造加工 过程中旋转和/或在轴向上向后或向前移动。锻造芯棒的旋转方向可以是空心坯料的旋转 方向或可以与空心坯料的旋转方向相反。

附图中，并未示出用于控制或调节芯棒移动或空心坯料移动并润滑锻造芯棒4的 装置。

在本实例中，锻造芯棒4被构造成锥度大于1:1000且仅由外部冷却的实芯体。

旋转式箭头6和轴向箭头7明确表示出：可使空心坯料1在锻造钳爪3至3”’的空行 程过程中旋转并进一步在轴向上滑动，并且还可使锻造芯棒旋转以及在轴向上移动。

锻造钳爪3至3”’中的每一个均具有主要呈圆锥形的进入部8以及在纵向截面中邻 近所述进入部的平滑部9。所述进入部8还可被加工成轻微凸起的倒弧形。

如截面所示(参见图2)，锻造钳爪3至3”’均具有凹曲面。一般而言，凹曲面为半径 大于待锻造部件的当前半径的圆弧形。

图1和2中所示的移动箭头10应该清楚地阐明了各锻造钳爪3至3”’的径向行程。

附图标记列表

1空心坯料

2热加工管

3,3’,3”,3”’锻造钳爪

4芯棒

5保持棒

6旋转式箭头

7轴向箭头

8进入部

9平滑部

10移动箭头

A0空心坯料的局部横截面积

A1成形管的局部横截面积