DE102015102255A1

DE102015102255A1 - Verfahren zum Herstellen eines Strangs aus Edelstahl sowie Strang aus Edelstahl

Info

Publication number: DE102015102255A1
Application number: DE102015102255.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Froböse
Original assignee: Sandvik Materials Technology Deutschland GmbH
Current assignee: Alleima GmbH
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2016-08-18
Also published as: CN107406902A; US20180223388A1; EP3259378B1; EP3259378A1; JP7080639B2; US10501820B2; WO2016131748A1; JP2018510964A; ES2898762T3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Strangs aus Edelstahl durch Kaltumformen einer Luppe zu dem kaltverfestigten Strang und nachfolgendes Glühen des Strangs. Um ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines Strangs aus Edelstahl bereitzustellen, welches es ermöglicht, Stränge aus Edelstahl zu fertigen, die sowohl eine hohe Zugfestigkeit als auch eine hohe Dehnung aufweisen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass bei dem Glühen des Strangs der Strang auf eine Temperatur in einem Bereich von 400° C bis 460° C erhitzt wird, wobei der kaltverfestigte Strang während des Erhitzens von einer Schutzgasatmosphäre umgeben ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Strangs aus Edelstahl durch Kaltfumformen einer Luppe zu dem kaltverfestigten Strang und nachfolgend Glühen des Strangs.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem einen Strang aus Edelstahl, welcher durch ein solches Verfahren hergestellt ist.
Strangförmige Edelstahlprodukte, d.h. insbesondere Profile, Stäbe und Rohre werden häufig durch Kaltumformen eines in dieser Anmeldung als Luppe bezeichneten Halbzeugs zu dem eigentlichen Strang hergestellt.
Neben einer Änderung ihrer Abmessungen erfährt die Luppe bei einer Kaltumformung auch eine Kaltverfestigung.
Durch die Kaltumformung erhält der Strang aus Edelstahl daher Eigenschaften, welche sich durch ein Warmumformen nicht erzielen lassen. Insbesondere können durch Kaltumformen Stränge mit hohen Zugfestigkeiten hergestellt werden, so wie sie auf andere Weise nicht oder nur schwer erreichbar sind. Dem gegenüber ist die Dehnung von kaltumgeformten Strängen aus Edelstahl verglichen mit durch andere Umformverfahren hergestellten Strängen eher gering.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Strangs aus Edelstahl bereitzustellen, welches es ermöglicht, Stränge aus Edelstahl zu fertigen, die sowohl eine hohe Zugfestigkeit als auch eine hohe Dehnung aufweisen. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strang aus Edelstahl bereitzustellen, welcher sowohl eine hohe Zugfestigkeit als auch eine hohe Dehnung aufweist.
Zumindest eine der vorgenannten Aufgaben wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines kaltverfestigten Strangs aus Edelstahl durch Kaltumformen einer Luppe zu dem kaltverfestigten Strang und nachfolgendes Glühen des Strangs erreicht, wobei bei dem Glühen des Strangs der Strang auf eine Temperatur in einem Bereich von 400° C bis 460° C erhitzt wird, wobei der kaltverfestigte Strang während des Erhitzens von einer Schutzgasatmosphäre umgeben ist.
Ein kaltverfestigter Strang aus Edelstahl, welcher auf diese Weise hergestellt wird, verfügt überraschenderweise über eine hohe Dehnung, wobei gleichzeitig die hohe durch das Kaltumformen erzielte Zugfestigkeit erhalten bleibt oder sogar noch verbessert wird.
Dies ist insofern überraschend, da ein Glühen eines Strangs aus Edelstahl im Stand der Technik immer zum sogenannten Weichglühen bzw. Rekristalisationsglühen verwendet wird, d.h. um die Zugfestigkeit, zumeist zu Gunsten einer Bearbeitbarkeit des Strangs in einem weiteren Kaltumformschritt, herabzusetzen.
Wenn im Sinne der vorliegenden Anmeldung Temperaturen des Strangs während dem Glühen beschrieben werden, so bezieht sich diese Angabe auf die Oberflächentemperatur des kaltverfestigten Strangs selbst.
Kaltumformverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind alle Umformverfahren, bei welchen die Luppe, d.h. das Halbzeug, bei Temperaturen umgeformt wird, die unterhalb der Rekristalisationstemperatur des verwendeten Edelstahls liegen.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung erfolgt das Kaltumformen insbesondere durch Kaltpilgerwalzen oder Kaltziehen.
Insbesondere zum Herstellen von präzisen Rohren aus Edelstahl wird eine ausgedehnte hohle, rohartige Luppe als Halbzeug im vollständig erkalteten Zustand durch Druckspannungen kaltreduziert. Dabei wird die Luppe zu einem Rohr mit definiertem, reduziertem Außendurchmesser und einer definierten Wanddicke bzw. -stärke umgeformt.
Dazu wird beim Kaltpilgerwalzen (auch als Kaltpilgern bezeichnet) die Luppe über einen kalibrierten, d.h. den Innendurchmesser des fertigen Rohrs aufweisenden Walzdorn geschoben und dabei von außen von zwei kalibrierten, d.h. den Außendurchmesser des fertigen Rohrs definierenden Walzen umfasst und in Längsrichtung über den Walzdorn ausgewalzt.
Während des Kaltpilgerns erfährt die Luppe einen schrittweisen Vorschub in Richtung auf den Walzdorn hin bzw. über diesen hinweg. Zwischen zwei Vorschubschritten werden die Walzen drehend über den Dorn und damit die Luppe bewegt und walzen die Luppe aus. An jedem Umkehrpunkt des Walzgerüsts mit den daran drehend befestigten Walzen geben die Walzen die Luppe frei und diese wird um einen weiteren Schritt in Richtung auf das Werkzeug, d.h. den Walzdorn bzw. die Walzen, hin vorgeschoben.
Der Vorschub der Luppe über den Dorn erfolgt mit Hilfe eines translatorisch angetriebenen Vorschubspannschlittens, welcher eine Translationsbewegung in einer Richtung parallel zur Achse des Walzdorns ausführt und diese auf die Luppe überträgt.
Während dem Vorschub wird zudem die Luppe um ihre Längsachse gedreht, um ein gleichmäßiges Auswalzen der Luppe zu ermöglichen. Durch mehrfaches Überwalzen jedes Rohrabschnitts werden eine gleichmäßige Wanddicke und Rundheit des Rohrs sowie gleichmäßige Innen- und Außendurchmesser erreicht. Daher sind in der Regel die Vorschubschritte kleiner als der Gesamthub des Walzgerüsts zwischen den beiden Umkehrpunkten.
Im Gegensatz dazu wird beim Kaltziehen als einem weiteren hier beispielhaft zu betrachtenden Kaltumformverfahren eine strangförmige Luppe durch eine Ziehmatrize, welche einen Innendurchmesser aufweist, der geringer ist als der Außendurchmesser der Luppe, hindurchgezogen und damit umgeformt und neu dimensioniert.
In Abhängigkeit von dem verwendeten Werkzeug unterscheidet man beim Ziehen von Rohren den sogenannten Hohlzug, bei welchem die Umformung lediglich mit einer zuvor beschriebenen Ziehmatrize (auch als Ziehring, Ziehhohl oder Ziehstein bezeichnet) reduziert wird, und den sogenannten Kernzug oder Stangenzug, bei welchem auch der Innendurchmesser sowie die Wanddicke des gezogenen Rohrs durch einen im Inneren der Luppe angeordneten Ziehkern definiert werden.
Unter der Zugfestigkeit im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird die Spannung verstanden, die im Zugversuch aus der maximal erreichten Zugkraft unmittelbar vor dem Bruch der Probe bezogen auf den ursprünglichen Querschnitt der Probe errechnet wird. Die Dimension der Zugfestigkeit ist Kraft pro Fläche.
Unter Dehnung im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird die bleibende Verlängerung eines Strangs, welcher unter Krafteinwirkung bis zum Bruch gezogen wird, bezogen auf die Anfangsmesslänge verstanden. Diese Dehnung wird auch als Bruchdehnung oder Dehngrenze bezeichnet. Berechnet wird die Bruchdehnung als Quotient aus der verbleibenden Längenänderung nach dem Bruch geteilt durch die Anfangslänge vor der Krafteinwirkung. Diese ergibt eine dimensionslose Größe und wird häufig als Prozentwert angegeben.
Erstaunlich ist, dass in dem angegebenen Temperaturbereich von 400° C bis 460° C die Verfestigung des Strangs durch das Kaltumformen, d.h. die erzielte hohe Zugfestigkeit, durch das Glühen noch gesteigert wird, während gleichzeitig die Dehnung nicht nennenswert reduziert wird.
Eine makroskopische oder mikroskopische Veränderung von Strängen, welche von der Anmelderin nach dem Kaltumformen in diesem Temperaturbereich geglüht wurden, ist nicht feststellbar.
Eine insbesondere vorteilhafte Verbesserung der Zugfestigkeit bei Gleichzeitiger Beibehaltung einer hohen Dehnung gegenüber einem Kaltumformverfahren, welches auf ein Glühen nach dem Kaltumformen vollständig verzichtet, wird in einem Bereich von 410° C bis 450° C, vorzugsweise in einem Bereich von 435° C bis 445° C und besonders bevorzugt bei 440° C erreicht.“
Um die Oxidation des Edelstahlmaterials beim Glühen minimal zu gestalten, erfolgt das Glühen in einer Schutzgasatmosphäre, welche den Strang während dem Glühen umgibt. Diese Schutzgasatmosphäre weist vorteilhafterweise in einer Ausführungsform Argon auf, vorzugsweise einen Anteil an Argon von mehr als 95 Vol.-%.
In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Sauerstoffgehalt der Schutzgasatmosphäre beim Glühen weniger als 50 ppm, vorzugsweise weniger als 15 ppm und besonders bevorzugt weniger als 10 ppm. Dann sind Oxidationsprozesse zu der Oberfläche des Strangs zu vernachlässigen.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegt der Taupunkt der Schutzgasatmosphäre bei Atmosphärendruck (1013 mbar) bei einer Temperatur von –40° C oder weniger, vorzugsweise von –50° C oder weniger.
Während davon auszugehen ist, dass der beschriebene Effekt des Glühens bei den erfindungsgemäßen Temperaturen bei allen Edelstahlmaterialien eintritt, konnte er von den Erfindern insbesondere für austenitische Edelstähle explizit nachgewiesen werden.
Dabei wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung unter einem austenitischen Edelstahl ein kubisch-flächenzentrierter Mischkristall einer Eisenlegierung, insbesondere ein γ-Mischkristall, verstanden.
Insbesondere tritt der Effekt bei Edelstahl, der Kohlenstoff mit einem Anteil von nicht mehr als 0,06 Gew.-%, Mangan mit einem Anteil von nicht mehr als 2 Gew.-%, Silizium mit einem Anteil von nicht mehr als 0,7 Gew.-%, Chrom mit einem Anteil von 16 Gew.-% bis 20 Gew.-% und Molybdän mit einem Anteil von 2,0 Gew.-% bis 2,6 Gew.-% aufweist mit einem Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen auf.
Ein Strang im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist ein Werkstück mit einer verglichen mit seinem Querschnitt größeren, insbesondere viel größeren Längsausdehnung. Beispiele für Stränge sind Profile, Stäbe, insbesondere Rundstäbe sowie Rohre.
Während das erfindungsgemäße Verfahren für alle Arten von Strängen verwendet werden kann, ist es insbesondere vorteilhaft bei der Herstellung von Rohren. Rohre mit einer hohen Zugfestigkeit bei gleichzeitig hoher Dehnung werden vor allem auf dem Gebiet medizinischer Implantate aber auch als Hochdruckleitungen für die unterschiedlichsten Anwendungszwecke benötigt.
Während man aber zunächst davon ausgehen könnte, dass der beschriebene Effekt des Glühens bei den erfindungsgemäßen Temperaturen nur bei dünnwandigen kaltverfestigten Edelstahlrohren eintritt, hat sich überraschenderweise gezeigt, dass dieser auch bei stabförmigen kaltverfestigten Strängen mit einem massiven Querschnitt und insbesondere auch bei dickwandigen Rohren auftritt. Solche dickwandigen Rohre werden in der Hochdrucktechnik zur Fluidführung benötigt. Bei einem rohrförmigen Strang weisen die Luppe und der fertige Strang einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser auf. Rohre, bei denen der Innendurchmesser die Hälfte des Außendurchmessers oder weniger, vorzugsweise ein Drittel des Außendurchmessers oder weniger, beträgt, gelten als hochdruckfest und werden im Sinne der vorliegenden Anmeldung als Hochdruckrohre bezeichnet.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch durch einen Strang aus Edelstahl gelöst, welcher durch eine Ausführungsform des zuvor beschriebenen Verfahrens hergestellt ist, gelöst.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist dabei der kaltverfestigte Strang ein Rohr mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser, wobei der Innendurchmesser die Hälfte des Außendurchmessers oder weniger, vorzugsweise ein Drittel des Außendurchmessers oder weniger beträgt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung eines Beispiels deutlich.
1 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Herstellen eines Edelstahlrohrs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In einem Versuch wurde ein Rohr als Luppe aus einem austenitischen Edelstahl gemäß DIN1.44/41, das Kohlenstoff mit einem Anteil von nicht mehr als 0,06 Gew.-%, Mangan mit einem Anteil von nicht mehr als 1,8 Gew.-%, Silizium mit einem Anteil von nicht mehr als 0,7 Gew.-%, Nickel mit einem Anteil von 11 Gew.-%, Chrom mit einem Anteil von 17 Gew.-% und Molybdän mit einem Anteil von 2,3 Gew.-% aufweist mit einem Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen hergestellt.
Die Luppe wurde zunächst durch Kaltpilgerwalzen zu einem fertig dimensionierten Edelstahlrohr kalt reduziert.
Das so gewalzte Rohr hat eine Dehnung A(H) von 25,0 % und eine Zugfestigkeit Rp 0,2 von 762 N/mm².
Nachfolgend wurde dieses kaltgepilgerte Rohr unter einer Schutzgasatmosphäre mit einem Anteil an Argon von mehr als 95 Vol.-% bei einer Temperatur von 440° C geglüht. Dabei war der Sauerstoffgehalt in der Schutzgasatmosphäre geringer als 10 ppm.
Das geglühte Rohr weist nach dem Glühen eine Dehnung A(H) von 15,1 % auf. Die Zugfestigkeit Rp 0,2 beträgt 812 N/mm².
Zur Erläuterung wird nun anhand des Flussdiagramms aus 1 das Verfahren zur Herstellung eines Edelstahlrohrs gemäß der vorliegenden Erfindung noch einmal kurz zusammengefasst.
Zunächst wird in Schritt 1 als Ausgangsmaterial ein Rohr aus austenitischem Edelstahl als Luppe bereitgestellt. Der Edelstahl enthält neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen Kohlenstoff mit einem Anteil von nicht mehr als 0,06 Gew.-%, Mangan mit einem Anteil von nicht mehr als 1,8 Gew.-%, Silizium mit einem Anteil von nicht mehr als 0,7 Gew.-%, Nickel mit einem Anteil von 11 Gew.-%, Chrom mit einem Anteil von 17 Gew.-% und Molybdän mit einem Anteil von 2,3 Gew.-%. Diese Luppe wird dann durch Kaltpilgerwalzen in Schritt 2 zum fertig dimensionierten Rohr kaltumgeformt.
Das fertige Rohr wird sodann in Schritt 3 unter einer Schutzgasatmosphäre mit einem Anteil an Argon von mehr als 95 Vol.-% und einem Sauerstoffgehalt in der Schutzgasatmosphäre von weniger als 10 ppm bei einer Temperatur von 440° C geglüht.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Während die Erfindung in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Beispiele beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Beispiele sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN1.44/41 [0038]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Strangs aus Edelstahl durch Kaltumformen einer Luppe zu dem kaltverfestigten Strang und nachfolgendes Glühen des Strangs, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Glühen des Strangs der Strang auf eine Temperatur in einem Bereich von 400° C bis 460° C erhitzt wird, wobei der kaltverfestigte Strang während des Erhitzens von einer Schutzgasatmosphäre umgeben ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strang auf eine Temperatur in einem Bereich von 410° C bis 450° C, vorzugsweise in einem Bereich von 435° C bis 445° C und besonders bevorzugt auf 440° C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich den Schritt aufweist, Abkühlen des Strangs nach dem Erhitzen, wobei der Strang während dem Abkühlen von einer Schutzgasatmosphäre umgeben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasatmosphäre Argon, vorzugsweise mit einem Anteil an Argon von mehr als 95 Vol.-%, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasatmosphäre einen Sauerstoffgehalt von weniger als 50 ppm, vorzugsweise von weniger als 15 ppm und besonders bevorzugt von weniger als 10 ppm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Taupunkt der Schutzgasatmosphäre bei Atmosphärendruck bei einer Temperatur von –40° C oder weniger, vorzugsweise von –50° C oder weniger liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Luppe ein austenitischer Edelstahl ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Edelstahl Kohlenstoff mit einem Anteil von nicht mehr als 0,06 Gew.-%, Mangan mit einem Anteil von nicht mehr als 2 Gew.-%, Silizium mit einem Anteil von nicht mehr als 0,7 Gew.-%, Chrom mit einem Anteil von 16 Gew.-% bis 20 Gew.-% und Molybdän mit einem Anteil von 2,0 Gew.-% bis 2,6 Gew.-% aufweist mit einem Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strang ein Rohr ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luppe und der Strang in Form eines Rohrs mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser vorliegen, wobei durch das Kaltumformen ein Rohr ausgebildet wird, dessen Innendurchmesser die Hälfte des Außendurchmessers oder weniger, vorzugsweise ein Drittel des Außendurchmessers oder weniger beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltumformen durch Kaltpilgerwalzen erfolgt.
Strang aus Edelstahl hergestellt durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Strang aus Edelstahl nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strang ein Rohr mit einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser ist, wobei der Innendurchmesser die Hälfte des Außendurchmessers oder weniger, vorzugsweise ein Drittel des Außendurchmessers oder weniger beträgt.