Strangpressdorn und Verfahren zu seiner Herstellung

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Strangpreßdorn sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Erfindungsgemäß ist vor­gesehen, daß der Dornkörper (2) unter Ausbildung eines Me­tallverbundes (3) mit einer Außenschicht (1) überzogen wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Strangpreßdorn zur Herstel­lung von Rohren bzw. rohrförmigen Körpern bei höheren Temperaturen sowie ein Verfahren zur Herstellung von Strangpreßdornen zur Rohrerzeugung.

[0002] Strangpreßdorne besitzen beispielsweise eine Länge von 1 m und einen Durchmesser von etwa 40 bis 80 mm. Für der­artige Strangpreßdorne soll der Werkstoff, aus welchem diese gefertigt sind, bei höheren Temperaturen möglichst gute Verschleißeigenschaften besitzen und u.a. kriechbe­ständig und thermoschockbeständig sein, sodaß üblicher­weise Warmarbeitsstahl verwendet wird. Bei der Herstel­lung werden die aus Warmarbeitsstahl gefertigten Dorne zumindest einmal gehärtet bzw. von ihrer Austenitisie­rungstemperatur abgekühlt und zumindest einmal, vorzugs­weise zweimal, angelassen, um die entsprechende Zähigkeit und Arbeitshärte zu erreichen.

[0003] Derartige Dorne werden außerordentlich großen Belastungen unterworfen. Die strangzupressenden Preßlinge besitzen Temperaturen von 400 bis 900°C, soferne es sich um Nicht­eisenlegierungen handelt, und von 900 bis 1250°C, wenn es sich z.B. um Eisenbasislegierungen oder Nickelbasislegie­rungen handelt. Die Strangpreßdorne bekommen dabei Ober­flächentemperaturen, die über der Anlaßtemperatur des Warmarbeitsstahls liegen können (z.B. über 600°C) wo­durch die Härte des oberflächennahen Bereiches des Dornes absinkt. Bei einer Temperatur von 600°C sinkt die übliche Härte bei Raumtemperatur von 46 bis 51 HRC auf < 30 HRC ab. Somit bewirkt die Reibung beim Preßvorgang einen be­trächtlichen Verschleiß, so daß nach beispielsweise 20 bis 50 Pressungen die Innenoberfläche des erzeugten Roh­res schlecht bzw. unsauber ist bzw. die Maßhaltigkeit nicht mehr gegeben ist.

[0004] Zur Verbesserung der Standzeit derartiger Dorne wurde versucht, die Oberfläche des Strangpreßdornes zu be­schichten. Dazu wurden dünne Hartstoffschichten (z.B. TiN)) in einer Stärke von etwa 7 µm auf den Dornwerkstoff aufgebracht. Dies erwies sich jedoch als wenig wirkungs­voll, da der unter der Schicht befindliche Grundwerkstoff weich wurde und die Schicht abblätterte.

[0005] Ferner wurde versucht, dicke Hartstoffschichten von ca. 2 bis 10 mm auf den Dornkörper aufzuschweißen. Der Schweiß­vorgang beeinflußte jedoch die Zone unterhalb der Schwei­ßungen im Grundkörper nachteilig; da die Legierung des Grundkörpers aufschmolz und spröde wurde sowie einen Här­teabfall durch die Wärmebeeinflussung aufwies, platzten die dickeren Hartstoffschichten ab. Darüber hinaus wurde oftmals die Schichtdicke ungleichmäßig und der Dorn ver­bog sich bei höheren Temperaturen.

[0006] Auch mitteldünne Hartstoffschichten mit hohem Karbidan­teil, welche mit einer Dicke von ca. 0,2 bis 2 mm auf ein Dornmaterial durch beispielsweise Plasmaauftragsschweißen aufgebracht wurde, platzten ab, weil sie einen unter­schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bezüg­lich des Grundmaterials aufwiesen. Ferner wurde beim Auf­tragen dieser Hartstoffschichten die Oberflächenschicht des Grundmaterials auf hohe Temperaturen erwärmt, so daß ein Härteabfall derselben eintrat und sich der Dorn beim Auftragen der Hartstoffschicht zumeist verzog.

[0007] Aus einer Hartlegierung angefertigte Strangpreßdorne, z.B. aus Co-Hartlegierungen, weisen eine relativ gute Härte (33 HRC) bei hohen Temperaturen, wie z.B. 600°C auf. Diese Strangpreßdorne besitzen jedoch schlechte Kriechbeständigkeit, geringe Zähigkeit (im Gußzustand annähernd 5 Nm/cm²) so daß sie nicht gut für Produk­tionsvorgänge eingesetzt werden können, weil die Bruch­gefahr insbesondere bei gekühlten Dornen auf Grund des Thermoschocks und ihre Zähigkeit nicht ausreichend sind und Maschinenschäden drohen.

[0008] Nickelbasishartlegierungen besitzen geringe Warmhärte bei hohen Temperaturen wie z.B.>600°C. Ferner be­sitzen sie schlechte Kriechbeständigkeit und geringe Zähigkeit. Auch diese Hartlegierungen können nicht gut für die Produktion eingesetzt werden.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Strangpreßdorn bzw. ein Verfahren zur Herstellung von Strangpreßdornen zu er­stellen, die hohe Härte, Zähigkeit und Abriebfestigkeit auch bei hohen Oberflächentemperaturen über 600°C und eine entsprechend große Lebensdauer besitzen. Ferner soll die Bruchgefahr minimal sein und die Thermoschockempfind­lichkeit der Dorne soll entsprechend hoch und unabhängig von den verschiedenen Kühlungsarten des Dornes, z.B. Innenkühlung oder Aufsprühen von Kühlwasser sein. Ferner soll keine Biegung der Strangpreßdorne bei Temperaturän­derungen eintreten, da ansonsten die erzeugten Rohre un­terschiedliche Wandstärken aufweisen würden.

[0010] Erfindungsgemäß ist ein Strangpreßdorn der eingangs ge­nannten Art dadurch gekennzeichnet, daß der Strangpreß­dorn einen Dornkörper besitzt, der mit einer Außenschicht versehen ist, die unter Ausbildung einer Metallverbund­schicht mit dem Dornkörper verbunden ist bzw. mit dem Dornkörper durch metallische Bindung verbunden ist.

[0011] Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungs­gemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Dornkörper unter Ausbildung eines Metallverbundes mit einer Außenschicht überzogen wird.

[0012] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind der fol­genden Beschreibung, den Unteransprüchen und den Zeich­nungen zu entnehmen.

[0013] Eine bevorzugte Ausführungsform eines Strangpreßdornes ist dadurch gekennzeichnet, daß der Dornkörper aus Warm­arbeitsstahl, z.B. DIN Werkstoff-Nr. 1.2343 oder DIN Werkstoff-Nr. 1.6358, gefertigt ist und auf den Dornkör­per unter Ausbildung einer metallischen Bindung eine Außenschicht aus einer ausscheidungshärtbaren Legierung auf Nickel- bzw. Kobaltbasis, vorzugsweise auf Kobalt­basis, aufgebracht ist. Eine Außenschicht aus einer Ko­baltbasislegierung ist auf Grund der großen Härte dieser Legierung bevorzugt. Diese Außenschicht ist mit dem Dorn­körper unter Ausbildung eines Metallverbundes fest ver­bunden. Diese Außenschicht umgibt den Dornkörper zumin­dest an seinen Seitenflächen.

[0014] Bevorzugterweise kann diese Außenschicht pulvermetallur­gisch hergestellt werden, z.B. durch Sintern, Sprühgießen, heißiso­statisches Pressen, Schmieden, Walzen, Extrudieren, Plat­tieren, Sprengplattieren usw. von Legierungspulvern. Nach dem Bearbeiten wird der Strangpreßdorn vergütet bzw. ge­härtet und angelassen, wobei die Wärmebehandlung auf bei­ de Werkstoffe abgestimmt ist. Dabei erfolgt ein Austeni­tisieren, Abkühlen und Anlassen des Dornkörpers sowie ein Lösungsglühen und Ausscheidungshärten der Außenschicht. Durch diese Vorgangsweise wird auf dem Dornkörper, der hohe Härte und hohe Zähigkeit erreicht, eine ausgespro­chen harte und verschleißfeste Schicht ausgebildet, die jedoch auf Grund des Metallverbundes höchsten Beanspru­chungen gewachsen ist, ohne daß ein Abblättern erfolgt oder die Haftung am Dornkörper beeinträchtigt wird. Der Strangpreßdorn bietet hohe Zähigkeit und Thermoschockbe­ständigkeit, wobei die Außenschicht entsprechend hohe Härte und Verschleißfestigkeit besitzt und somit vorteil­hafte Gebrauchseigenschaften erreicht werden.

[0015] Die Form der derart hergestellten Strangpreßdorne kann beliebig sein; die Dorne können rund, oval, rechteckig, quadratisch, vieleckig sein oder anderen Querschnitt be­sitzen.

[0016] Wesentlich ist es, daß die Metallverbundschicht bzw. der Metallverbund zwischen dem Dornkörper und der aufgebrach­ten Außenschicht homogen und weitgehend frei von spröden Ausscheidungen ist, welche die Haftung zwischen dem Dorn­körper und der Außenschicht verringern würden. Die vor­teilhaften erfindungsgemäßen Eigenschaften des Strang­preßdornes werden u.a. dadurch bedingt, daß gegebenen­falls spröde Ausscheidungen in der Metallverbundschicht den Verbund nicht beeinträchtigen.

[0017] Vorteilhaft ist es, wenn die für die Außenschicht einge­setzte Legierung einen kleinen bzw. einen geringeren Wär­meleitkoeffizienten und/oder keine Umwandlung im Ver­gleich mit der für den Dornkörper eingesetzten Legierung aufweist. Ein kleiner Wärmeleitkoeffizient der Außen­schicht ist von Vorteil, da damit die im Zuge der Produk­tion von Rohren auftretenden hohen Temperaturen der Außenschicht nicht bzw. nicht zur Gänze auf den Dornkör­per übergeleitet werden, der somit seine Härte, Zähigkeit und seine guten Eigenschaften durch allzu hohe Tempera­turen bzw. durch ein Anlassen nicht verliert. Ferner ist ein kleiner Wärmeleitkoeffizient und/oder das Fehlen ei­ner Umwandlung der Außenschicht beim zusätzlichen Aus­scheidungshärten der Außenschicht der Strangpreßdorne von Vorteil. Dabei kann die Oberfläche der Außenschicht der Strangpreßdorne kurzzeitig auf Ausscheidungstemperatur (z.B. etwa 800°C) gebracht werden, wobei jedoch der Dorn­körper unter der Anlaßtemperatur bleibt. Weiters ist vor­teilhaft, wenn der Werkstoff der Außenschicht einen grö­ßeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Dornkörper­material aufweist. In jedem Fall soll jedoch nur die Außenschicht erwärmt werden bzw. ein Temperaturübergang von der Außenschicht auf den Dornkörper möglichst gering gehalten werden, da eine Erwärmung des Dornkörpers über etwa 550°C dessen Eigenschaften beeinträchtigt. Die Ober­flächenzone der Außenschicht wird durch Induktion, ein Flammgebläse oder dergleichen, gegebenenfalls oftmalig, auf Temperaturen im Bereich von 650 bis 850°C, insbeson­dere von 740 bis 820°C, erhöht, um ein Ausscheidungs­härten durch kurzzeitiges Aufheizen der Oberfläche zu erreichen, ohne jedoch dabei die Kerntemperatur über 550°C zu erhöhen.

[0018] Ein derartig aufgebauter Strangpreßdorn hat den Vorteil, daß im Betrieb durch die Reibung und durch den Kontakt mit den heißen auszupressenden Legierungen das Oberflä­chenmaterial weiter aushärtet. Es hatte sich gezeigt, daß dadurch beträchtliche Steigerungen der Härte der Außen­schicht eintreten, ohne daß es jedoch zu einer Thermoer­müdung kommt.

[0019] Die pulvermetallurgische Herstellung der Außenschicht kann insbesondere im Zuge einer Warmverformung, z.B. Warmschmieden, Warmwalzen usw., mit einer Querschnitts­reduktion des Dornkörpers erfolgen.

[0020] Die Dicke der aufgebrachten Außenschicht beträgt etwa 1,5 bis 25 mm, vorzugsweise 4 bis 10 mm. Man berücksichtigt, daß bei zu geringer Schichtdicke zu hohe Temperaturen des Kernmaterials eintreten können, das daraufhin weich wür­de. Wenn allerdings die Außenschicht zu dick bemessen wird, besteht Bruchgefahr. Ferner wird darauf geachtet, daß die Exzentrizität der Oberflächenschicht maximal 2,5 mm, insbesondere maximal 1 mm, beträgt, weil ansonsten Verbiegungen des Strangpreßdornes beim Erwärmen eintre­ten. Es zeigte sich jedoch, daß erfindungsgemäß herge­stellte Dorne leicht in diese Toleranzen einzuordnen sind. Ferner ist es vorteilhaft, wenn auf einen homogenen Aufbau der Außenschicht Bedacht genommen wird.

[0021] Es war für den Fachmann überraschend, daß es sich bei der in der zwischen dem Dornkörper und der Außenschicht durch Diffusion ausgebildeten Metallverbundschicht um keine spröde Zwischenschicht handelt, sondern um eine elasti­sche Schicht, welche sogar verschiedene Wärmedehnungen des Dornkörpers und der Außenschicht ohne Schwierigkei­ten ausgleicht. Eine Auswirkung unterschiedlicher Wärme­ausdehnungskoeffizienten der Materialien des Dornkörpers und der Außenschicht konnte insbesondere auch nicht bei Herstellung eines Rundverbundes bzw. im Querschnitt run­ den Dornes beobachtet werden; ein Abplatzen der Außen­schicht bzw. eine Rißbildung in der Außenschicht wurden nicht beobachtet.

[0022] Die Außenschicht kann durch bekannte pulvermetallurgische Verfahren auf das Material des Dornkörpers aufgebracht werden. Z.B. kann der Dornkörper (seitlich und an seiner Stirnseite) von einem Rohrkörper im Abstand umgeben wer­den und in den Zwischenraum das Pulver der entsprechenden Legierung für die Außenschicht eingebracht werden. In ei­nem darauffolgenden Warmbearbeitungsvorgang mit Quer­schnittsreduktion erfolgt sodann ein entsprechendes Sin­tern und Verdichten des zwischen dem Dornkörper und dem Rohr befindlichen Pulvers, wobei ein homogener Metall­verbund gebildet wird. Der Rohrkörper wird nach ent­sprechender Fertigstellung abgedreht und der Dorn einer Vergütung bzw. Aushärtung unterworfen.

Die Fig. 1 und die Fig 2. zeigen einen Dorn mit einer Außenschicht 1 und einem Dornkörper 2, wobei die Außen­schicht 1 und der Dornkörper 2 zwischen sich eine Metall­verbundschicht 3 bzw. einen Metallverbund ausbilden, wel­che die gute Haftung der Außenschicht bewirkt.

Die Fig. 2 zeigt zusätzlich eine Bohrung 4 zur Innenküh­lung des Dornes.

Die Fig. 3 zeigt ein Ätzbild eines Dorn-Rohkörpers im Querschnitt, wobei der Dornkörper 2 aus einer Legierung nach DIN Werkstoff-Nr. 1.2344 besteht und die Außen­schicht 1 im wesentlichen aus 25 % Cr, 5 % W, 1 % Si, 1,2 % C, Rest Co und herstellungsbedingte Verunreinigun­gen gebildet ist. Der Rohrkörper 5 diente der pulver­ metallurgischen Herstellung und wird bei der Fertigung des Strangpreßdornes abgedreht.

[0023] Als Material für die Außenschicht und den Dornkörper kommen insbesondere ausscheidungshärtbare Kobalt- oder Nickelbasislegierungen, wie z.B. Stellite, in Frage.

[0024] Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Strangpreßdorne konnten im Vergleich mit herkömmlichen Dornen beträchtlich län­gere Standzeiten festgestellt werden.

Ansprüche

1. Strangpreßdorn zur Herstellung von Rohren bzw. rohr­förmigen Körpern bei höheren Temperaturen, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Strangpreßdorn einen Dornkörper (2) besitzt, der mit einer Außenschicht (1) versehen ist, die unter Ausbildung einer Metallverbundschicht (3) mit dem Dornkörper (1) verbunden ist bzw. mit dem Dornkörper (2) durch metallische Bindung verbunden ist.

2. Strangpreßdorn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß die Metallverbundschicht (3) bzw. der Metallver­bund homogen und weitgehend frei von spröden Ausscheidun­gen ist.

3. Strangpreßdorn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß der Dornkörper (2) und/oder die Außen­schicht (1) von ausscheidungshärtbaren Legierungen auf Ni- oder Co-Basis gebildet sind.

4. Strangpreßdorn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­durch gekennzeichnet, daß die Legierungen, insbesondere die für die Außenschicht (1) eingesetzten Legierungen, pulvermetallurgisch hergestellt sind.

5. Strangpreßdorn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß der Dornkörper (2) aus Warm­arbeitsstahl besteht, der mit einer Außenschicht (1) aus einer Co-Basis-Legierung metallisch verbunden ist.

6. Strangpreßdorn nach einem der Ansprüche 1 bis 5 da­durch gekennzeichnet, daß die für die Außenschicht (1) eingesetzte Legierung einen kleinen bzw. einen geringeren Wärmeleitkoeffizienten als die für den Dornkörper (2) eingesetzte Legierung aufweist.

7. Strangpreßdorn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­durch gekennzeichnet, daß die pulvermetallurgisch herge­stellte Außenschicht (1) durch Sintern, Sprühgießen, heißisostatisches Pressen, Schmieden, Walzen, Extrudieren, Plattieren, z.B. Sprengplattieren, hergestellt und mit dem Dornkörper (2) metallisch verbunden ist.

8. Strangpreßdorn nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­durch gekennzeichnet, daß die Dicke der Außenschicht (1) 5 bis 70 %, vorzugsweise 10 bis 30 %, des Durchmessers des Dornkörpers (2) beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung von Strangpreßdornen zur Rohrerzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß der Dornkörper unter Ausbildung eines Metallverbundes mit einer Außen­schicht überzogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Metallverbundes die Außenschicht auf den Dornkörper aufgeschmiedet, aufgewalzt, aufge­preßt, aufgesintert, aufplattiert bzw. durch heißiso­statisches Pressen oder im Zuge einer Extrusion aufge­bracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Herstellung des Metallverbundes im Zuge einer Querschnittsverringerung bei erhöhter Temperatur erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dornkörper und/oder die Außen­schicht aus ausscheidungshärtbaren Legierungen auf Ni- oder Co-Basis hergestellt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht und/oder der Dorn­körper pulvermetallurgisch aus entsprechenden Legierungs­pulvern hergestellt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenzone der auf den Dorn­körper aufgebrachten Außenschicht mindestens einer, ins­besondere kurzzeitigen, Wärmebehandlung zur Härtung bei 650 bis 850°C, insbesondere bei 740 bis 820°C, unterzo­gen wird, die derart abgestimmt ist, daß die Temperatur des Dornkörpers unterhalb von etwa 550°C bleibt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht einer kurzzeitigen induktiven Er­wärmung oder einer kurzzeitigen Flammerwärmung unter­worfen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Dornkörper aus Warmarbeitsstahl geschmiedet wird und mit einer Außenschicht aus einer ausscheidungshärtbaren pulvermetallurgisch hergestellten Co-Basis-Legierung metallisch verbunden wird.

Zeichnung