[0001 ] GEBIET DER ERFINDUNG

[0002] Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Herstellung von rohrförmigen Me- tallwerkstücken und betrifft Umformungswerkzeuge, speziell Lochdorne, Schmiededorne und Walzstangen mit verbesserter Standfestigkeit.

[0003] STAND DER TECHNIK

[0004] Nahtlose Stahlrohre werden im Allgemeinen in drei U mformstufen auf entsprechen- den Walzwerken durch Warmumform ung gefertigt. In einer ersten Stufe wird auf einem sogenannten Lochschrägwalzwerk ein auf etwa 1200°C erhitzter massiver Stahlblock mittels eines I nnenwerkzeuges, des Lochdornes, zum Hohlblock umgeformt. Dabei wird der Block mittels schräg gestellter Walzen über den Lochdorn getrieben. I n der zweiten Umformstufe wird der Hohlblock in einem Längswalzprozess über dem I nnenwerkzeug, einer Walzstange, in Durchmesser und Wanddicke reduziert und in Längsrichtung gestreckt. In der dritten Umformstufe wird das Walzgut zu den geforderten Maßen in Durchmesser und Wanddicke umgeformt, wobei in der Regel kein I nnenwerkzeug verwendet wird.

[0005] Die I nnenwerkzeuge in den beiden ersten Umformstufen sind bei der Produktion hohen Temperaturen und hohen mechanischen Drücken ausgesetzt. In den meisten Fällen bestehen die I nnenwerkzeuge aus hochwarmfestem Stahl. Bei der Produktion speziell mit größeren Walzzeiten ist eine sukzessive Erwärmung des I nnenwerkzeuges oft nicht zu vermeiden. Infolge der Erwärmung nimmt die Festigkeit des Werkzeuges ab und das Werkzeug kann dann den mechanischen Belastungen nicht mehr standhalten. Das Werkzeug deformiert sich und bricht.

[0006] Um hohe Standzeiten zu erreichen, werden Lochdorne mit natürlichen Zunderschichten versehen. Diese Zunderschichten hemmen den Wärmezufluss vom Umformgut in das Werkzeug und schützen das Werkzeug vor schneller Erwärmung und raschem Festigkeitsverlust. Bei der Umformung von höher legierten Werkstoffen wird die Zunderschicht jedoch schnell abgetragen und der Wärmeschutz versagt.

[0007] Bei Walzstangen werden je nach Umformverfahren natürlich verzunderte oder mit einer Chromschicht versehene Werkzeuge verwendet. Entsprechende Lochdorne sind beispielsweise aus der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 056988 AI (SMS M EER) bekannt. Von Nachteil ist jedoch, dass die Wärmedämmung gegenüber dem Wärmezufluss vom Umformgut in das Werkzeug gering ist. So kommt es speziell bei Innenwerkzeugen, die mit reduzierter Geschwindigkeit und Kontaktlänge eingesetzt werden, zu Erwärmung des Innenwerkzeuges und dessen Versagen durch Deformation und Bruch. [0008] Die Standzeit der Werkzeuge ließe sich verbessern, wenn die Dicke der Oxidschicht vergrößert werden könnte. Dann wäre die Wärmeisolation besser und bei abrasivem Verschleiß bliebe die Schutzschicht länger erhalten.

[0009] Die Schutzschicht, die natürlich aus dem Grundmaterial durch Umwandlung in Eisen- oxide gebildet ist, weist jedoch keine hohe Stabilität auf. Sie ist spröde und porös und kann daher leicht bei mechanischer und thermischer Belastung zerstört werden. Daher sind diese Schutzschichten in ihrer Dicke begrenzt. Der Grenzwert der Schicht liegt bei etwa 0.8 mm. Die Schutzwirkung einer solchen Schicht ist daher entsprechend begrenzt. Wärme dringt daher in den Grundkörper des Werkzeuges ein und vermindert seine Festigkeit, wodurch es dann zum frühzeitigen Versagen des Werkzeuges kommt. Bei hochlegiertem Umformgut führt die Abrasion relativ schnell, d.h. nach einer kleinen Länge gewalzten Materials zum Abtrag der Schutzschicht.

[0010] Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2011 107214 AI (SMS M EER) sind Lochdorne oder Walzstangen zur Herstellung von nahtlosen Rohren oder Schmiededorne zum Warmschmieden von rohrförmigen Werkstücken aus Metall bekannt, die eine Oberflä- chenprofilierung aufweisen, auf weiche die Oxidschicht aufgebracht ist. Auf diese Weise soll eine bessere Haftung und längere Standzeit erzielt werden. Bei der Profilierung werden in die Oberfläche Rillen eingebracht, d.h. die dabei entstehenden„Ränder" weisen nicht über die Oberfläche des Dorns oder der Stange hinaus.

[0011 ] Ähnliche Werkzeuge, bei denen die Beschichtung aus Molybdän besteht, sind aus der EP 0385439 AI (N KK CORP.) bekannt.

[0012] Gegenstand der Europäischen Patentanmeldung EP 2404680 AI (SUM ITOMO) ist die Herstellung von Stahlrohren nach dem Mannesmann-Verfahren. Beansprucht wird ein Lochdorn, dessen Besonderheit darin besteht, dass er über einen Kanal verfügt, durch den während des Bohrvorgangs ein Schmierstoff in den Bohrkanal geleitet werden kann. Gemäß Abschnitt [0053] kann der Dorn mit Eisen beschichtet werden. Hierzu wird ein Eisendraht in eine Spritzvorrichtung geleitet und dort aufgeschmolzen wird. Das geschmolzene Eisen wird dann wird dann auf den Dorn gesprüht, d.h. es entsteht ein kontinuierlicher Überzug.

[0013] In der Praxis erweist sich die Herstellung solcher profilierter Werkzeuge jedoch als aufwendig, da die Profile einzeln in die Dorne geschnitten werden müssen, und außerdem zu Werkstoffverlusten führen. Die Herstellungskosten eines Profils erhöhen sich überproportional mit der Größe der einzubringenden Vertiefungen. Eine Wirtschaftlichkeits- und Machbarkeitsgrenze ist schon bei wenigen Millimetern erreicht. Ein weiterer Nachteil des in den Grundkörper geschnittenen Profils ist die Beschränkung des Werkstoffs auf gut oxidier- bare Stähle. Diese haben insbesondere einen geringen Chromanteil und damit geringe Härte.

[0014] Die Aufgabe der vorliegenden hat daher darin bestanden, Warmumformwerkzeuge mit verbesserter Standfestigkeit zur Verfügung zu stellen, die frei von den eingangs geschilderten Nachteilen sind. I nsbesondere sollten diese Werkzeuge im Vergleich zum Stand der Technik eine Oxidschicht mit höherer Festigkeit aufweisen, die sich zudem leicht und ohne Werkstoffverlust aufbringen lässt. [0015] BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0016] Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft ein Warmumformwerkzeug bestehend aus einem Werkzeuggrundkörper mit wenigstens anteiliger Oberflächenbeschichtung, welches dadurch erhältlich ist, dass man den Grundkörper mit einem erhabenen metallischen Relief versieht, welches anschließend ganz oder teilweise oxidiert und in eine Schutzschicht umgewandelt wird.

[0017] Unter„erhaben" ist zu verstehen, dass sich das Relief über die Oberfläche des Werkzeugs erhebt („Bergstruktur") und sich damit im Gegensatz zu einer Profilierung befindet, bei dem man Profilrinnen in die Oberfläche einritzt („Talstruktur").

[0018] Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Warmumformwerkzeugs bestehend aus einem Werkzeuggrundkörper mit wenigstens anteiliger Oberflächenbeschichtung, bei dem man

(a) den Grundkörper mit einem erhabenen metallischen Relief versieht, und

(b) nachfolgend das metallische Relief ganz oder teilweise oxidiert und in eine Schutz- schicht umwandelt.

[0019] Das Aufbringen eines erhabenen Reliefs stellt den umgekehrten Fall zu einer Profilierung des Werkzeugs dar. I m Sinne der Erfindung wird also Werkstoff hinzugefügt und nicht entfernt. Überraschendweise wurde gefunden, dass die Reliefbildung im Gegensatz zur Profilierung nicht nur wesentlich einfacher zu realisieren ist, sondern durch vollständige oder teilweise Umwandlung des Reliefmaterials selbst eine deutlich härtere und damit beständigere Oxidschicht erhalten wird, was zu einer signifikanten Verbesserung der Lebensdauer des Werkzeugs führt. Die Erfindung bietet zudem die Möglichkeit, durch Auswahl des Reliefmaterials die Qualität des Oberflächenschutzes zu variieren und den Prozessbedingungen anzupassen.

[0020] Der wirtschaftliche N utzen der Erfindung liegt auf der Hand und besteht insbesondere in der Verringerung der Werkzeugkosten bei der Erzeugung von Stahlprodukten sowie der Verlängerung der Walzzeit, was in der Regel mit größeren Walzgutlängen und vermindertem Materialausschuss verbunden ist. [0021 ] WERKZEUGE

[0022] Bei den Warm umformungswerkzeugen der vorliegenden Erfindung handelt es sich vorzugsweise um einen Lochdorn oder einen Schmiededorn, die in der Regel aus Stahl bestehen. Die Erfindung umfasst unter diesem Oberbegriff jedoch grundsätzlich auch jedes andere metallische Werkstück, bei dem der Grundkörper gegen Wärmezustrom geschützt werden soll. Dabei ist der Begriff Metall nicht auf Eisen und Stahl beschränkt, sondern umfasst auch andere metallische Werkstoffe einschließlich metallhaltiger Verbundwerkstoffe, die einer Warmumformung zugeführt werden sollen.

[0023] Doch nicht nur bei Dornen, den Innenwerkzeugen beim Lochen durch Schrägwalzen, auch bei den anderen I nnenwerkzeugen, die bei der Herstellung nahtloser Stahlrohre ver- wendet werden, kann die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung vorteilhaft angewandt werden. Bei den Walzstangen, den Innenwerkzeugen bei den Walzwerken mit mehreren hintereinander angeordneten Walzgerüsten in der zweiten Umformstufe ist insbeson- dere darauf zu achten, dass die Reibung zwischen Werkzeug und Walzgut gering ist. Daher muss für diesen Anwendungsfall die erfindungsgemäße Oberflächenschicht geschliffen und poliert werden. Auch kann eine zusätzliche Schicht z.B. aus Chrom auf die erfindungsgemäße Schutzschicht aufgetragen werden.

[0024] Das erhabene Relief, das auf den Grundkörper aufgebracht wird, kann ganz unterschiedlich ausgeprägt sein, wobei die alternativen Ausführungsformen alle grundsätzlich geeignet sind, die gestellte Aufgabe vollumfänglich zu erfüllen.

[0025] In einer ersten Ausführungsform kann es sich bei dem erhabenen Relief schlicht um eine U mwicklung des Grundkörpers mit einem Draht, vorzugsweise einem Stahldraht han- dein.

[0026] In einer zweiten Ausführungsform kann das erhabene Relief ein Metallgewebe oder Metallnetz darstellen, das auf den Grundkörper aufgebracht wird.

[0027] Die auf die Oberfläche des Werkzeuges aufgebrachten metallischen Körper bestehen vorzugsweise aus einem Stahlgewebe, beispielsweise mit einer Stahldrahtdicke von etwa 1 bis etwa 5 mm und vorzugsweise etwa 1,5 mm und einer Maschenweite von etwa 1 bis 5 mm und insbesondere etwa 2,5 mm. Unter Maschenweite ist der Abstand der Mittellinien zweier benachbarter Gewebeelemente zu verstehen.

[0028] In einer dritten Ausführungsform kann es sich bei dem erhabenen Relief um eine unregelmäßige Beschichtung handeln, wie sie durch chemische oder physikalische Abschei- dung von Metall aus der Dampfphase erreicht wird.

[0029] RELIEFBILDUNG

[0030] Das Aufbringen des erhabenen Reliefs kann nach sehr unterschiedlichen - einfachen wie komplexen - Verfahren erfolgen, die doch alle die Aufgabe der Erfindung voll umfäng- lieh lösen.

[0031 ] In einer ersten Ausführungsform wird der Grundkörper schlicht mit einem Draht, vorzugsweise einem Metalldraht umwickelt.

[0032] In einer zweiten alternativen Ausführungsform wird statt des Drahtes ein Metallgewebe oder ein Metallnetz eingesetzt. Dieses kann beispielsweise durch Umformung auf die Form des Werkzeugs vorgeformt und dann auf den Grundkörper aufgezogen werden. U m die Festigkeit zu erhöhen empfiehlt es sich, die Drahtwicklung oder das Metallgewebe mit dem Grundkörper zu verschweißen.

[0033] In einer dritten alternativen Ausführungsform ist es möglich, das Relief auf der Oberfläche des Grundkörpers durch Chemische oder Physikalische Dampfphasenabschei- dung (Chemical/Physical Vapour Phase Deposition, CVD/PVD) zu erzeugen.

[0034] Unter dem Begriff chemische Gasphasenabscheidung versteht man eine Gruppe von Beschichtungsverfahren, welche unter anderem bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen und Lichtwellenleitern eingesetzt werden. An der erhitzten Oberfläche eines Substrates wird aufgrund einer chemischen Reaktion aus der Gasphase eine Feststoff- komponente abgeschieden. Voraussetzung hierfür ist, dass flüchtige Verbindungen der Schichtkomponenten existieren, die bei einer bestim mten Reaktionstemperatur die feste Schicht abscheiden. Das Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung zeichnet sich durch mindestens eine Reaktion an der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks aus. An dieser Reaktion muss mindestens eine gasförmige Ausgangsverbindung (Edukt) und mindestens zwei Reaktionsprodukte - davon mindestens eines in der festen Phase - beteiligt sein. Um gegenüber konkurrierenden Gasphasen-Reaktionen jene Reaktionen an der Ober- fläche zu fördern und damit die Bildung von festen Partikeln zu vermeiden, wird das Verfahren vorzugsweise bei vermindertem Druck durchgeführt.

[0035] Anders als bei der CVD wird mithilfe der bevorzugten PVD das Ausgangsmaterial in die Gasphase übergeführt. Das gasförmige Material wird anschließend zum zu beschichtenden Substrat geführt, wo es kondensiert und die Zielschicht bildet. Beispiele hierfür sind klassische verdampfungsverfahren, wie das thermische Verdampfen, Elektronenstrahlver- dampfen (Electron Beam Evaporation) oder das Laserstrahlverdampfen (Pulsed Laser Depo- sition). I m Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist das Sputtern, bei dem das Ausgangsmaterial durch lonenbeschuss zerstäubt und in die Gasphase überführt wird, aus der es dann auf den Grundkörper wieder abgelagert werden kann. Allen diesen Verfahren ist gemein, dass das abzuscheidende Material in fester Form in der meist evakuierten Beschich- tungskammer vorliegt. Durch den Beschuss mit Laserstrahlen, magnetisch abgelenkten Ionen oder Elektronen sowie durch Lichtbogenentladung wird das Target verdampft. Wie hoch der Anteil an Atomen, Ionen oder größeren Clustern im Dampf ist, ist von Verfahren zu Verfahren unterschiedlich. Das verdampfte Material bewegt sich entweder ballistisch oder durch elektrische Felder geführt durch die Kammer und trifft dabei auf die zu beschichtenden Teile, wo es zur Schichtbildung kommt.

[0036] Damit die Dampfteilchen die Bauteile auch erreichen, und nicht durch Streuung an den Gasteilchen verloren gehen, muss im Unterdruck gearbeitet werden. Typische Arbeitsdrucke liegen im Bereich von 10 ^~4 Pa bis ca. 10 Pa. Da sich die Dampfteilchen geradlinig aus- breiten, werden Flächen, die vom Ort der Dampfquelle aus gesehen nicht sichtbar sind, mit einer geringeren Beschichtungsrate beschichtet. Um ein Relief und keine homogene Be- schichtung erzeugen, wird anders als üblich auf eine Rotation des Substrates verzichtet.

[0037] Eine vierte alternative Ausführungsform zur Reliefbildung umfasst das so genannte thermische Spritzen. Dabei werden Zusatzwerkstoffe, die so genannten Spritzzusätze, in- nerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils geschleudert. Die Bauteiloberfläche wird dabei (im Gegensatz zum Auftragschweißen) nicht angeschmolzen und nur in geringem Maße thermisch belastet. Eine Schichtbildung findet statt, da die Spritzpartikel beim Auftreffen auf die Bauteiloberflä- che prozess- und materialabhängig mehr oder minder abflachen, vorrangig durch mechanische Verklammerung haften bleiben und lagenweise die Spritzschicht aufbauen. Qualitätsmerkmale von Spritzschichten sind geringe Porosität, gute Anbindung ans Bauteil, Rissfreiheit und homogene Mikrostruktur. Die erzielten Schichteigenschaften werden maßgeblich beeinflusst von der Temperatur und der Geschwindigkeit der Spritzpartikel zum Zeitpunkt ihres Auftreffens auf die zu beschichtende Oberfläche. Der Oberflächenzustand (Reinheit, Aktivierung, Temperatur) übt ebenfalls maßgeblichen Einfluss auf Qualitätsmerkmale wie die Haftfestigkeit aus.

[0038] Als Energieträger für die An- oder Aufschmelzung des Spritzzusatzwerkstoffes dienen elektrischer Lichtbogen (Lichtbogenspritzen), Plasmastrahl (Plasmaspritzen), Brennstoff- Sauerstoff-Flamme bzw. Brennstoff-Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsflamme (konventionel- les und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen), schnelle, vorgewärmte Gase (Kaltgasspritzen) und Laserstrahl (Laserstrahlspritzen). Laut DI N-Norm EN 657 werden die Spritzverfahren nach diesen Kriterien eingeteilt.

[0039] Mit Hilfe dieses Verfahrens kann der Grundkörper nicht nur mit Metallen, sondern auch oxidkeramischen Werkstoffen und carbidischen Werkstoffen (bzw. allgemein Verbundwerkstoffen) beschichtet werden. Vorzugsweise erfolgt bei dieser Ausführungsform die Beschichtung mit einer Eisen/Keramikmischung.

[0040] Während der Grundkörper vorzugsweise aus Stahl besteht, gilt für das Material, welches das erhabene Relief bildet, die Anforderung, dass es wenigstens anteilig zur Ausbildung einer Oxidschicht befähigt ist. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Eisen oder Stahl, sodass eine Eisenoxidschicht, vorzugsweise Zunder erzeugt wird. Es kann wie gesagt auch eine Mischung aus Eisen/Stahl und Keramik verwendet werden, beispielsweise in einem Gewichtsverhältnis von etwa 20:80 bis etwa 80:20.

[0041 ] Es versteht sich, dass das Relief unterschiedlichste Formen aufweisen kann, die von regelmäßig (rund, eckig etc.) bis zu jeder beliebigen Freiform reichen. Es können auch Materialverbunde eingesetzt werden, d.h. beispielsweise ein Molybdängewebe, das auf den Grundkörper aus Stahl aufgebracht wird. Das Gewebeelement kann auch aus einem Verbund von hartem Chromstahl (innen) und gut oxidierbarem Stahl (außen) bestehen. Als Abstandshalter können auch brennbare Materialien eingesetzt werden. Es ist ebenfalls mög- lieh, zur besseren Wärmedämmung Keramik mit einzulagern.

[0042] OXI DATION

[0043] Die vollständige oder teilweise Umwandlung des metallischen Reliefs in eine oxidische Schutzschicht kann nach bekannten Verfahren des Stands der Technik erfolgen, bei- spielsweise durch Flammspritzen, Plasmaspritzen oder durch ein thermochemisches Verfahren erfolgt.

[0044] Bei der Oxidation des Werkzeuges mit dem auf seiner Oberfläche aufgebrachten metallischen Körper, zum Beispiel einem Stahlgewebe, wird ein Teil der Oberfläche des Werkzeuggrundkörpers sowie ein Teil des auf der Oberfläche aufgebrachten metallischen Reliefs in Oxid umgewandelt. Gleichzeitig wird auf allen Oberflächen eine zusätzliche Oxidschicht gebildet, die typischerweise etwa 500 bis etwa 3.000 μιη und insbesondere etwa 1.500 bis etwa 2.500 μιη beträgt. Dadurch wird auch Oxid in den Zwischenräumen zwischen den Körpern, zum Beispiel zwischen Werkzeuggrundkörper und aufgebrachten Stahlgewebe und innerhalb der Maschen des Stahlgewebes gebildet. I m Ergebnis erhält man eine beson- ders dicke Schutzschicht, die durch innenliegende Körper verstärkt ist. Insbesondere ist die Schichtdicke anders als bei der Herstellung von Vertiefungen nicht auf wenige Millimeter begrenzt. Schichtdicken von 10 Millimeter und mehr lassen sich ohne Schwierigkeit und mit geringen Kosten erzeugen. [0045] GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT

[0046] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung des oben ausführlich beschriebenen neuen Werkzeugs, speziell als Lochdorn, Schmiededorn oder Walzstange zur Herstellung von nahtlosen Rohren oder zum Warmschmieden von rohrförmigen Werkstü- cken aus Metall.

BEISPIELE

[0047] BEISPIEL 1

Auf der Oberfläche eines Lochdorns wurde ein durch Umformung an die Form des Grundkörpers vorgeformtes Stahlgewebe mit einer Stahldrahtdicke von 1.5 mm und einer Maschenweite von 2.5 mm aufgelegt und verschweißt. Anschließend wurde der Verbund einer thermo-chemischen Oxidation ausgesetzt. Es wurde eine zusammenhängende lückenlose Oxidschicht von 2.500 μιη Dicke erhalten.

Abbildung 1 zeigt ein Warmwerkzeug in Form eines Lochdorns in einer Seitenansicht. Das Werkzeug 1 weist einen Werkzeuggrundkörper 2 auf, der einen Arbeitsbereich 3 hat, der sich über eine gewisse Länge in Richtung einer Achse a erstreckt. Im Arbeitsbereich 3 ist das Werkzeug mit einer Beschichtung 4 versehen, die das Werkzeug 1 vor thermischer bzw. mechanischer Belastung schützt.

Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Einzelheit„Z" im horizontalen Schnitt durch das Werkzeug gemäß Abbildung 1 einmal für den Werkstoffgrundkörper mit erhabenem Relief vor und nach dem Erzeugen der oxidischen Schutzschicht („Verzunderung").

In Abb. 2a erkennt man das sägeförmige Relief, das gemäß Beispiel 1 durch Aufbringen eines Drahtnetzes entstanden ist. Dabei ist der Grundkörper durch das Bezugszeichen 6, das Netz durch das Bezugszeichen 7 gekennzeichnet. In Abb. 2b sieht man, dass ein Teil der Oberfläche des Reliefs in Oxid umgewandelt worden ist, aber auch zwischen den Maschen des Netzes ist die Oberfläche des Grundkörpers oxidiert worden (Schraffur mit dem Bezugszeichen 8).

Die Abbildungen 3a und 3b sind analog, jedoch weist das Relief hier keinen eckigen, son- dem einen runden Querschnitt auf. Auch hier erkennt man, dass die Oxidschicht (Schraffur) sich zu gleichen Anteilen ober- und unterhalb der ursprünglichen Oberfläche des eisenhaltigen Körpers bildet.