EP1926837B1 - Verfahren zur herstellung von kaltgefertigten präzisionsstahlrohren - Google Patents

Verfahren zur herstellung von kaltgefertigten präzisionsstahlrohren Download PDF

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EP1926837B1
EP1926837B1 EP06775881.3A EP06775881A EP1926837B1 EP 1926837 B1 EP1926837 B1 EP 1926837B1 EP 06775881 A EP06775881 A EP 06775881A EP 1926837 B1 EP1926837 B1 EP 1926837B1
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Salzgitter Mannesmann Precision GmbH
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Salzgitter Mannesmann Precision GmbH
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of cold-worked, in particular cold-drawn, precision steel tubes, according to the preamble of claim 1.
  • precision steel tubes according to DIN EN 10305 part 1 and 2 are considered in this context, standing standing in the operating state under high internal pressure, for example, cylinder tubes in the hydraulic or pneumatic field application.
  • Such produced pipes are characterized in particular by narrow wall thickness and diameter tolerances.
  • Starting product can either be manufactured exhaust pipe seamlessly manufactured from hot rolled or hot strip by means of H och f requenz- I ndulement welding (HFI) welding.
  • HFI H och f requenz- I ndulement welding
  • this pre-pipe which is referred to as a lump, is pulled to the required finished dimension (diameter, wall thickness) to the finished pipe.
  • Steel grades include unalloyed high-quality steels up to E 355 as well as higher-strength grades up to StE 690.
  • Hydraulic cylinders control motion sequences in many devices and machines that u. a. can also be used outdoors in the event of large temperature differences.
  • the notched bar impact work determined in the notched bar impact test for the finished tube can not be increased to the required level with the production method used hitherto.
  • Precision Steel Tubes for the Hydraulic and Pneumatic HP-HPS-HPZ-NPK Pipes, September 23, 2004, Mannesmann Röhrenwerke / MHP Mannesmann recuperadosrohr is known for producing precision steel tubes for hydraulics and pneumatics, using modified steel grades for HPZ tubes which prevent multi-part component failure / brittle fracture in the low-temperature range and therefore increase operational safety .
  • the pipes are supplied with stress-relieved annealing, with annealing being carried out after the last cold-drawing.
  • the object of the invention is to provide a method for producing cold-rolled, in particular cold-drawn precision steel tubes for use in particular as pressurized cylinder tubes, with a simple and cost-effective manner a largely ductile failure of the tube can be achieved safely even at operating temperatures of up to -20 ° C.
  • alloying elements are determined depending on the required property profile, ie in particular according to the desired mechanical properties, and have the following contents (in% by weight): Cr Max. 0.80 Not a word Max. 0.65 Ni Max. 0.90 W Max. 0.90 Ti Max. 0.20 Nb Max. 0.20
  • the tempering treatment itself consists of a classic hardening with subsequent tempering of the pipes. Aligned to the respective material, the austenitization is carried out at temperatures of about 910-940 ° C, followed by a quenching process forming a hardening structure.
  • the quenching can be done on different quenching media, usually the quenching is done by means of water over a water shower.
  • the cooling takes place, for example, in still air.
  • tempering is carried out at temperatures of approx. 540 - 720 ° C, depending on the material.
  • the advantage of the proposed method is the fact that a very uniform homogeneous structure with excellent toughness is produced by a tempering step before the finish train, which is essentially retained even after the finished draft of the pipe. Investigations showed that the values for the notch impact work at -20 ° C and a 50% shear fracture fraction in the DWT test are excellent at 80 J for transverse samples and 100 J for longitudinal samples.
  • the key annealing is advantageously carried out in a temperature range of 500-700 ° C, it being important to ensure that the exact temperature setting in dependence on the material properties to be achieved, such. As strength, elongation at break and impact energy work, should take place.
  • FIG. 1 The results of tests for notch impact values on cylinder tubes made of StE460 mod. are shown. Both in the longitudinal and in the transverse direction, an almost identical impact energy level of up to 180 J is achieved.
  • the material concept of the invention thus allows the operation of hydraulic cylinders in the temperature range down to -20 ° C safely.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kaltgefertigten, insbesondere kaltgezogenen, Präzisionsstahlrohren, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Insbesondere werden in diesem Zusammenhang Präzisionsstahlrohre nach DIN EN 10305 Teil 1 und 2 betrachtet, die im Betriebszustand unter hohem Innendruck stehend, beispielsweise Zylinderrohre im Hydraulik- oder Pneumatik-Bereich Anwendung finden.
  • Der grundsätzliche Herstellungsprozess nahtloser oder geschweißter, kaltgezogener Präzisionsstahlrohre wird beispielsweise im Stahlrohr Handbuch, 12. Auflage 1995, Vulkan Verlag Essen, beschrieben.
  • Derart hergestellte Rohre zeichnen sich insbesondere durch enge Wanddicken- und Durchmessertoleranzen aus.
  • Ausgangsprodukt kann entweder ein nahtlos gefertigtes warmgewalztes oder ein aus Warmband mittels Hochfrequenz-Induktion-Schweißen (HFI-Schweißen) hergestelltes Vorrohr sein.
  • Dieses als Luppe bezeichnete Vorrohr wird im nachfolgenden Kaltziehprozess, der ein oder mehrere Züge beinhalten kann, auf die geforderte Fertigabmessung (Durchmesser, Wanddicke) zum Fertigrohr gezogen.
  • Durch die Kaltumformung tritt eine Verfestigung des Werkstoffes ein, d. h. seine Streckgrenze und Festigkeit werden erhöht, während gleichzeitig seine Dehnungs- und Zähigkeitswerte kleiner werden.
  • Dies ist ein erwünschter Effekt für viele Anwendungszwecke. Wegen des verminderten Formänderungsvermögens ist jedoch vor weiteren Umformvorgängen fallweise eine rekristallisierende Wärmebehandlung notwendig, um den Werkstoff für den nächsten Ziehvorgang wieder kaltumformbar zu machen.
  • Die Eigenschaften derart hergestellter Präzisionsstahlrohre werden in der DIN EN 10305 Teil 1 und 2 beschrieben.
  • Als Stahlsorten kommen sowohl unlegierte Qualitätsstähle bis E 355 als auch höherfeste Güten bis StE 690 zum Einsatz.
  • Für die Verwendung solcher unter hohem Innendruck stehenden Rohre, z. B. als Hydraulik-Zylinderrohre, werden hohe Anforderungen an deren Zähigkeit gestellt. Hydraulik-Zylinder steuern Bewegungsabläufe bei vielen Geräten und Maschinen, die u. a. auch im Freien bei großen Temperaturunterschieden eingesetzt werden.
  • Unter Temperaturbedingungen von bis zu -20°C konnte aufgrund von Sprödbruchneigung bei unter Druck stehenden Zylindern oder Rohren bisheriger Werkstoffe die Gefahr von Personen- und Sachschäden nicht sicher ausgeschlossen werden.
  • Untersuchungen haben gezeigt, dass auch die bislang übliche Forderung von 27 J Kerbschlagarbeit bei -20°C an genormten Proben nicht ausreicht, um ein Bauteilversagen durch Sprödbruch bei dieser Temperatur mit großer Sicherheit auszuschließen.
  • Vergleichende systematische Untersuchungen an einbaufertigen Zylinderrohren unter Einbeziehung von Kerbschlagbiegeversuchen, Drop-Weight-Tear-Tests und Bauteilversuchen zeigen, dass erst für einen Mindestwert der Kerbschlagarbeit, der einen 50%-igen Scherbruchanteil im DWT-Test ergibt, ein weitgehend duktiles Bauteilversagen erwartet werden kann.
  • Für die zu erreichenden Werte im Kerbschlagbiegeversuch bedeutet dies aber z. B. für einen St52 einen Mindestwert von ca. 80 J bei Einsatztemperatur, der dem Bauteil genügend plastische Verformungsreserven gibt und die Gefahr einer spröden, mehrteiligen Bauteilzerlegung vermeidet.
  • Die im Kerbschlagbiegeversuch für das fertige Rohr ermittelte Kerbschlagarbeit kann mit dem bislang angewandten Herstellungsverfahren jedoch nicht auf das erforderliche Niveau angehoben werden.
  • Aus "Präzisionsstahlrohre für die Hydraulik und Pneumatik-HP-HPS-HPZ-NPK-Rohre, 23.September 2004, Mannesmann Röhrenwerke/MHP Mannesmann Präzisrohr ist die Herstellung von Präzisionsstahlrohren für die Hydraulik und Pneumatik bekannt, wobei für HPZ-Rohre modifizierte Stahlgüten eingesetzt werden, die im Tieftemperaturbereich ein mehrteiliges Bauteilversagen /Sprödbruch verhindern und somit die Einsatzsicherheit erhöhen. Die Rohre werden spannungsarm geglüht ausgeliefert, wobei nach dem letzten Kaltzug die Glühung durchgeführt wird.
  • Ferner ist es aus H.-J. Bargel, G.Schulze: "Werkstoffkunde" 1988, VDI-Verlag GmbH Düsseldorf, Seiten 173-175, bekannt, dass durch das Vergüten von Stahl eine hohe Sprödbruchsicherheit sowie eine ausreichende Streckgrenzen, bei hoher Kerbschlagzähigkeit erreichbar ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung kaltgefertigter insbesondere kaltgezogener Präzisionsstahlrohre zur Anwendung insbesondere als druckbeaufschlagte Zylinderrohre anzugeben, mit dem auf einfache und kostengünstige Weise ein weitgehend duktiles Versagen des Rohres auch bei Einsatztemperaturen von bis zu -20°C sicher erreicht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Nach der Lehre der Erfindung wird ein Verfahren angewendet, bei dem das Vorrohr in einem oder mehreren Durchgängen fertiggezogen wird, wobei vor dem Fertigziehen das Rohr einer Vergütungbehandlung unterzogen wird und das Stahlrohr folgende chemische Zusammensetzung (in %) aufweist:
    C = 0,05 - 0,25
    Si = 0,15 - 1,0
    Mn = 1,0 - 3,5
    Al = 0,020 - 0,060
    V max. 0,20
    N max. 0,150
    S max. 0,030
    mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Legierungselemente wie Cr, Mo, Ni, W, Ti oder Nb, Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.
  • Die optionale Zugabe der Legierungselemente wird je nach gefordertem Eigenschaftsprofil, d. h. insbesondere entsprechend der gewünschten mechanischen Eigenschaften, festgelegt und weisen folgende Gehalte (in Gew.-%) auf:
    Cr max. 0.80
    Mo max. 0,65
    Ni max. 0,90
    W max. 0,90
    Ti max. 0,20
    Nb max. 0,20
  • Die Vergütungsbehandlung selber, besteht aus einem klassischen Härten mit anschließendem Anlassen der Rohre. Abgestimmt auf den jeweiligen Werkstoff wird die Austenitisierung bei Temperaturen von ca. 910 - 940°C durchgeführt, gefolgt von einem ein Härtungsgefüge bildenden Abschreckvorgang. Die Abschreckung kann über verschiedene Abschreckmedien erfolgen, üblicherweise wird die Abschreckung mittels Wasser über eine Wasserbrause vorgenommen. Bei einem Einsatz von lufthärtenden Werkstoffen erfolgt die Abkühlung beispielsweise an ruhender Luft.
  • Nach dem Härten erfolgt die Anlassbehandlung, die abhängig vom Werkstoff bei Temperaturen von ca. 540 - 720°C erfolgt.
  • Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass durch einen Vergütungsschritt vor dem Fertigzug ein sehr gleichmäßiges homogenes Gefüge mit ausgezeichneter Zähigkeit erzeugt wird, die im Wesentlichen auch nach dem Fertigzug des Rohres erhalten bleibt. Untersuchungen ergaben, dass die Werte für die Kerbschlagarbeit bei -20°C und einem 50%-igen Scherbruchanteil im DWT-Test bei hervorragenden 80 J für Querproben und 100 J für Längsproben liegt.
  • Eine eventuell vom Kunden geforderte Schlussglühung in Form einer Spannungsarmglühung nach dem Fertigzug trägt zu einer nochmaligen Verbesserung der Kerbschlagarbeitswerte und damit der Zähigkeit im Bauteil bei.
  • Werkstoffabhängig wird die Schlüssglühung vorteilhaft in einem Temperaturbereich von 500 - 700 °C durchgeführt, wobei darauf zu achten ist, dass die exakte Temperaturfestlegung in Abhängigkeit von den zu erreichenden Werkstoffeigenschaften, wie z. B. Festigkeit, Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit, erfolgen sollte.
  • Untersuchungen an mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rohren haben gezeigt, dass das ansonsten typischerweise vorhandene ferritisch-perlitische Gefüge der Baustähle mit ausgeprägten Unterschieden im Kerbschlagarbeitsniveau in Quer- sowie Längsrichtung sich bei den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Werkstoffen nicht findet.
  • Deutlich zeigen dies die in Figur 1 dargestellten Versuchsergebnisse für Kerbschlagarbeitswerte an Zylinderrohren aus StE460 mod.. Sowohl in Längs- wie auch in Querrichtung wird ein nahezu identisches Kerbschlagarbeitsniveau bis etwa 180 J erreicht.
  • Wie in Figur 2 dargestellt, weisen die Bauteile aus dem erfindungsgemäß hergestellten Stahlrohr StE 460 mod. bei Temperaturen bis -20°C im Vergleich zum konventionell erzeugten Stahlrohr aus StE 460 konv. einen ausreichend hohen Anteil duktilen Bruchverhaltens auf und haben damit genügend plastische Verformungsreserven, um die Gefahr einer mehrteiligen Bauteilzerlegung sicher zu verhindern.
  • Das erfindungsgemäße Werkstoffkonzept lässt damit den Betrieb von Hydraulkzylindern auch im Temperaturbereich bis -20°C sicher zu.
  • Als positiver Nebeneffekt ist bei bestimmten Stahlgüten eine deutliche Erhöhung der Festigkeitswerte zu verzeichnen. Dies ermöglicht vorteilhaft eine Wanddickenreduzierung der Zylinderrohre um bis zu 30% und damit eine Gewichtsreduzierung, die den Forderungen nach Leichtbau Rechnung trägt.
  • Zusammenfassend ist festzuhalten, dass mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für druckbeaufschlagte Zylinderrohre ein mehrteiliges Bauteilversagen auch bei Einsatztemperaturen bis -20°C sicher verhindert wird und außerdem eine Wanddickenreduzierung der Zylindermäntel von bis zu 30 % möglich ist.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung von kaltgefertigten insbesondere kaltgezogenen Präzisionsstahlrohren zur Anwendung insbesondere als druckbeaufschlagte Zylinderrohre mit folgender chemischer Zusammensetzung (Gew.-%): C = 0,05 - 0,25 Si = 0,15 - 1,0 Mn = 1,0 - 3,5 Al = 0,020 - 0,060 V max. 0,20 N max. 0,150 S max. 0,03
    mit optionaler Zugabe eines oder mehrerer Legierungselemente von Cr, Mo, Ni, W, Ti oder Nb mit folgenden Gehalten (Gew.-%) Cr max. 0,80 Mo max. 0,65 Ni max. 0,90 W max. 0,90 Ti max. 0,20 Nb max. 0,20
    Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei ein nahtlos warmgefertigtes oder aus einem Warmband hergestelltes geschweißtes Vorrohr mit definiertem Ausgangszustand in einem Zug oder in mehreren Zügen zu einem Fertigrohr gezogen und das Rohr vor dem Fertigzug einer Vergütungsbehandlung unterzogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Vergütung das Rohr bis zu einer Temperatur von 910 - 940°C erwärmt, abgekühlt und anschließend einer Anlassbehandlung unterzogen wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abkühlung ein beschleunigtes Abkühlen ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das beschleunigte Abkühlen ein Abschrecken ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abschreckung mittels einer Wasserbrause erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abkühlung an ruhender Luft erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Anlassbehandlung in einem Temperaturbereich von 540 bis 720 °C durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das fertiggezogene Rohr einer Schlussglühung unterzogen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schlussglühung in einem Temperaturbereich von 500 bis 700°C durchgeführt wird.
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