熱成型工具的製作方法

2023-05-22 13:52:46 3

本發明屬於製造管狀金屬物的領域並涉及成型工具，特別是具備改善耐用度的穿孔頂頭、鍛造用衝頭和芯棒。

背景技術：

無縫鋼管通常經過三個熱成型階段生產。第一階段時，加熱到約1200℃的鋼坯位於斜軋穿孔機上，藉助內成型工具——穿孔頂頭，被加工成空心坯。其中斜軋軋輥使鋼坯運動從而穿過穿孔頂頭。第二階段時，空心坯在縱向軋制過程中在內成型工具——芯棒的輔助下，直徑和壁厚減少而長度增加。第三階段時，軋件被加工成所需的長度與壁厚，一般不採用內成型工具。

第一第二階段時使用的內成型工具在生產過程中需承受高溫和高機械壓。因此多數情況下內成型工具採用耐熱鋼製造。生產過程中長時間軋制時不可避免的會產生內成型工具的逐步發熱。受熱後工具的強度減小且不能承受機械負荷。工具本身產生變形並損壞。

為了提高使用壽命，穿孔頂頭採用自然氧化層。該氧化層減少工件傳導至工具的熱量並防止工具的快速升溫和快速的強度流失。高合金材料的成型過程中該氧化層卻很快脫落並喪失隔熱功能。

芯棒根據成型方法的不同採用自然氧化的或具備鉻層的工具。相應的頂頭例子可以參見德國專利de102008056988a1(smsmeer)。該技術的缺點是針對工件傳導至工具的熱量的隔熱效果過小。所以特別是慢速和小接觸長度條件下的內成型工具，會發熱並變形損壞。

如果氧化層的厚度得以提高，這些工具的壽命也能得以提升。因為隔熱效果更好並且在磨損時保護層保存更長時間。

通過基體材料自然氧化形成的氧化鐵保護層並不具備高的穩定性。它既脆又多孔因而會輕易地在機械和熱負荷下損壞。因此該類保護層的厚度被限制在0.8毫米之下，保護作用也同樣受限。熱量會穿透到工具的基體並減少其強度使之提早損壞。高合金工件成型時的磨損，會使保護層在通過一小段軋制材料後即較快脫落。

國際專利申請wo2011107214a1(smsmeer)中指出了一種用於無縫管用穿孔頂頭或芯棒、或熱鍛造金屬管狀物用衝頭，其具備氧化層附於其上的表面特殊輪廓。如此能實現更好的附著力和更長的使用壽命。加工時表面形成凹槽，即由此產生的「邊框」不會超越頂頭或芯棒的表面。

類似的工具，其塗層由氧化鉬構成，由專利ep0385439a1(nkkcorp.)已知。

歐洲專利申請ep2404680a1(sumitomo)的主題是使用曼內斯曼法的無縫鋼管生產。其要求一個穿孔頂頭，其特點在於該頂頭具有一個通道，穿孔時可通過該通道將潤滑劑導入穿孔通道。該專利的第[0053]段指出該頂頭可以附加鐵塗層。將一根鐵絲導入一個噴塗工具並使之熔化。被熔化的鐵再被噴塗到頂頭上，從而形成一個連續的覆蓋層。

實際生產中這類表面特殊輪廓的工具的生產卻成本過高，因為每一個穿孔頂頭都需要分別加工表面特殊輪廓，並且還會造成材料的浪費。生產成本隨著表面加工深度的增加超比例的增加。經濟性和可行性上限為幾毫米。加工基體表面特殊輪廓的另一個缺陷在於材料限制為易氧化鋼。該類鋼含鉻量低因此硬度也低。

本發明的目標因此在於，生產具備改善使用壽命的熱成型工具，其不具備上述缺陷。特別是與現有技術相比，所述熱成型工具具備更高強度的氧化層，其易於施用並且沒有材料損耗。

技術實現要素：

本發明的第一個主題涉及一種由具備至少按比例表面塗層的工具基體構成的熱成型工具，其可由此得到，在基體上附加一個金屬凸起物，其隨後全部或部分氧化並轉化為保護層。

「凸起」的意思是，凸起物比工具表面高(「峰結構」)並與刻入表面的凹槽(「谷結構」)的表面特殊輪廓加工相反。

此外本發明還包括一種製造由具備至少按比例表面塗層的工具基體構成的熱成型工具的方法，其中

(a)在基體上附加一個金屬凸起物，且

(b)隨後該金屬凸起物全部或部分氧化並轉化為保護層。

附加凸起物與工具表面加工正好相反。在本發明中加入而不移除材料。出乎意料地發現附加金屬凸起物不僅比表面加工明顯更容易實現，並且通過凸起材料的全部或部分轉化得到硬度明顯更高並且耐用的氧化層，因此工具的壽命也會顯著提高。此外本發明還可以通過選擇凸起物材料改變表面保護層的屬性並調整工藝條件。

本發明帶來的經濟收益顯而易見，特別是生產鋼產品的過程中降低工具費用，提高運行時間，其通常與更大的軋件長度和減少的材料浪費相關。

工具

本發明中的熱成型工具優選是指穿孔頂頭或者鍛造用衝頭，一般用鋼材製成。本發明在該上位概念下也包括其他基體需要抗熱的金屬製品。這裡的金屬並不限定為鐵和鋼，而是包括熱成型過程中任何其他的金屬材料以及含金屬的複合材料。

根據本發明的表面塗層可以有利地用於斜軋內成型工具的穿孔頂頭，還能夠用於無縫鋼管生產過程中的其他內成型工具。對於第二成型階段的具備幾個連續布置的機架的軋機的內成型工具芯棒，需要特別注意的是，工具與軋件之間的摩擦小。因此根據本發明的表面塗層在此應用時必須進行打磨和拋光。另外也可以在本發明的保護層上再附加另一層塗層，比如鉻層。

附著在基體上的凸起物可以有各種不同的實現方案，而每種方案原則上都能夠完全達到發明的要求。

在第一個實施方案中凸起物是在基體上纏繞線材，優選鋼絲。

在第二個實施方案中凸起物是附著在基體上的金屬編織物或金屬網。

附著在工具表面的金屬物優先由鋼材編織物構成，例如具備鋼絲厚度為約1至約5毫米，優先約1.5毫米，網孔寬度為約1至5毫米，特別是約2.5毫米。網孔寬度指相鄰兩個編制單位中軸線之間的距離。

在第三個實施方案中凸起物是不規則塗層，通過從氣相中物理或化學沉積金屬。

凸起物的構成

凸起物的附著可以根據可繁可簡的不同方法進行，但都能夠完全達到發明的要求。

在第一個實施方案中基體簡單地被一線材纏繞，優選金屬線材。

在第二個實施方案中採用金屬編織物或金屬網代替線材。可以通過成型使之配合工具的外型再附著在基體上。為了提高強度建議將線材或金屬編織物焊接在基體上。

在第三個實施方案中可以採用化學或物理氣相沉積(chemical/physicalvapourphasedeposition,cvd/pvd)在基體表面上產生凸起物。

化學氣相沉積是指用於生產微電子學原件和光波導體的塗層方法。由於化學反應氣相中的固體成分沉積在基質被加熱過的表面上。而前提是塗層成分中有揮發性的化合物，可以在一定的反應溫度下沉積出固態的塗層。化學氣相沉積方法的特徵是需要塗層的工件表面至少發生一次反應。至少一個氣態原料化合物(反應物質)和至少兩個產物——其中至少一個為固態——參與該反應。為了抑制氣相反應而促進工件表面上的反應並從而避免形成固態微粒，該方法優選在低壓下進行。

與cvd不同，藉助優選的pvd原料材料轉化為氣相。之後該氣態材料被導向需要被塗層的基質，氣態材料冷卻凝固並形成塗層。實例是傳統蒸發法，如熱蒸發、電子束蒸發(electronbeamevaporation)和脈衝雷射沉積(pulsedlaserdeposition)。在本發明中優選濺鍍法，使用離子轟擊使原料材料原子化並轉化為氣相，塗層再從中沉積到基體上。上述所有方法的共同點是，塗層材料以固態置於通常真空的塗層間裡。通過雷射轟擊、磁偏轉離子或電子以及光弧放電使目標物蒸發。蒸氣裡原子、電子或大集聚體的比例根據方法的不同而有差異。蒸發的材料沿彈道運動或者通過電子場引導通過塗層間並附著在需塗層的工件上形成塗層。

為了使蒸氣粒子到達工件處並且不會由於氣體顆粒散射而流失，需要採用低壓。典型的工作壓力通常在10-4帕至約10帕之間。因為蒸氣粒子直線擴展，以蒸氣源為原點不可見的表面以低塗層率塗布。為了形成凸起物而不是均勻的塗層，特意不採用通常採用的基質旋轉法。

形成凸起物的的第四個實施方案採用所謂的熱噴塗技術。該技術使額外材料，即所謂的噴塗添加劑在噴槍內外部分或全部熔化，並加速為氣態的噴塗顆粒噴射在需塗層的工件表面上。工件表面本身不會熔化(與焊接所不同)並只受到很小的熱負荷。由於噴塗顆粒在接觸到工件表面時根據工藝與材料的不同，或多或少的展平，特別是通過機械夾緊保持附著並逐層形成噴塗層，從而形成塗層。噴塗層的質量特性為低氣孔率、與工件的高附著力、無裂縫以及均勻的顯微結構。所實現的塗層屬性很大程度上受噴塗顆粒接觸到待塗層表面時的溫度及速度的影響。表面狀態(清潔、活化、溫度)也對質量特徵如附著力有顯著影響。

噴塗添加劑材料熔化的能量來源通常為電弧(電弧噴塗)、等離子束(等離子噴塗)、氧燃料火焰或高速氧燃料火焰(普通或高速火焰噴塗)、快速預熱氣體(冷氣體噴塗)和雷射(雷射噴塗)。根據din標準en657將噴塗方法按上述標準進行分類。

採用該方法不僅可以採用金屬，還能採用氧化物陶瓷材料和碳化物材料(或者通稱為複合材料)塗布基體。優選鐵與陶瓷的混合物塗層進行實施方案。

基體優選由鋼構成，而凸起物的材料需要滿足的條件為：至少能部分形成氧化層。因此優選鐵或鋼，從而形成氧化鐵層，優選氧化層(zunder)。也可以採用鋼/鐵與陶瓷的混合物，例如從20:80至80:20範圍之間的重量比混合。

凸起物當然可以有各種不同的形狀，從規則(圓、方等)到任意不規則的形狀。也可以採用複合材料，比如用鉬編織物附著於鋼材基體。編織物也可以由硬鉻鋼(內部)和易氧化鋼(外部)組成的複合材料構成。用來保持距離的材料也可採用可燃性材料。另外同樣可以嵌入陶瓷從而實現更好的隔熱性。

氧化

金屬凸起物部分或完全轉化為氧化物保護層可以參照現有技術的方法進行，例如採用火焰噴塗、等離子噴塗或熱化學方式進行。

表面附著有金屬物，例如鋼編織物的工具在氧化時，工具基體表面的一部分以及表面附著的金屬凸起物的一部分被轉化為氧化物。同時在所有表面上會形成額外的氧化層，其厚度通常為約500至約3000微米，並且特別是約1500至約2500微米。如此一來基體之間的中間區域，例如工具基體與附著的鋼編織物之間以及鋼編織物網孔之間的空隙也會形成氧化物。最終的結果是得到一層由內部結構加強的特厚保護層。特別地，與表面凹加工不同塗層厚度不局限於幾毫米。10毫米或更大的層厚度可以簡易地低成本實現。

工業應用性

本發明的另一個主題涉及上述新式工具的用途，特別是用於生產無縫管或熱鍛金屬管狀物的穿孔頂頭、鍛造用衝頭和芯棒的用途。

具體實施方式

實施例1

在穿孔頂頭的表面附著並焊接通過成型技術預加工為基體外型的鋼編織物，鋼絲厚度為1.5毫米，網孔寬度為2.5毫米。然後對該複合物進行熱化學氧化。得到2500微米厚度的無孔隙氧化層。

圖1是穿孔頂頭形式的熱成型工具的側視圖。工具1具有一個工具基體2，其具有工作區域3，其在a軸方向上延展一定長度。工作區域3內工具有塗層4，其保護工具1免受到熱負荷或機械負荷。

圖2與圖3展示了根據圖1的工具水平切面上「z」的局部圖，分別為氧化物保護層(氧化層)形成前後的附著了凸起物的材料基體。

圖2a可見鋸齒狀凸起物，其通過實施例1使用線材網產生。基體用6、網狀結構用7標識。圖2b顯示凸起物的部分表面已轉化為氧化物，但網孔之間基體表面也產生了氧化反應(用8標識的陰影部分)。

圖3a與圖3b同理，只是這裡凸起物的橫切面不是方形的而是圓形。同樣可以看到，含鐵的凸起物表面上方和下方以相同比例形成了氧化層(陰影部分)。