冶金結(jié)合雙金屬復(fù)合管坯料成型工藝

冶金結(jié)合雙金屬復(fù)合管坯料成型工藝

熱擠壓技術(shù)是在容器（壓筒）中向臂中的輥側(cè)施加壓力，并通過模型孔形成，以獲得模型孔形狀的截面板的壓力加工方法。在整個熱擠壓過程中,具有比軋制更為強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài),金屬可以發(fā)揮最大的塑性;因此可以用于軋制或鍛造加工有困難甚至無法加工的金屬材料。擠壓法不僅可以在1臺設(shè)備上生產(chǎn)形狀簡單的管、棒和線材,而且還可以生產(chǎn)雙金屬復(fù)合管材和型材。新興鑄管股份有限公司(簡稱新興鑄管)在發(fā)展離心鑄造球墨鑄鐵管的基礎(chǔ)上,把離心鑄造技術(shù)延伸到雙金屬復(fù)合管坯的生產(chǎn),并成功開發(fā)了采用擠壓工藝生產(chǎn)出具有冶金結(jié)合的雙金屬復(fù)合無縫鋼管。目前,該技術(shù)已經(jīng)日趨成熟,新興鑄管投資興建的63MN擠壓機(jī)已于2012年6月投產(chǎn),擠壓的雙金屬復(fù)合管已經(jīng)成功應(yīng)用于鍋爐、石油等領(lǐng)域。1雙金屬管的準(zhǔn)備1.1雙金屬管的尺寸和成分設(shè)計(jì)1.1.1框架內(nèi)面積之比雙金屬復(fù)合管坯的尺寸是根據(jù)成品尺寸來設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)原則:①采用面積比的方法進(jìn)行對應(yīng)測算,先測算坯料總面積和成品總面積之比,再對應(yīng)測算外層金屬和內(nèi)層金屬的面積之比;②根據(jù)擠壓工藝的特點(diǎn),內(nèi)層金屬將出現(xiàn)損失,其面積損失量要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)償,約1%~5%。如對成品Φ89mm×9mm(外層壁厚6mm、內(nèi)層壁厚3mm)的坯料尺寸設(shè)計(jì)方法:一是根據(jù)補(bǔ)償設(shè)計(jì),壁厚更改為外層5.7mm、內(nèi)層3.3mm;二是成品尺寸分解為外徑(整體壁厚)、中徑(外層壁厚)、內(nèi)徑(內(nèi)層壁厚);三是通過面積比例分解測算出坯料的外徑(整體壁厚)、中徑(外層壁厚)、內(nèi)徑(內(nèi)層壁厚)。1.1.2基于不同使用環(huán)境的產(chǎn)品設(shè)計(jì)雙金屬復(fù)合管坯的成分設(shè)計(jì)完全按成品的成分要求進(jìn)行,一般分為兩大類:第一類是外層為基層,主要是碳鋼、合金鋼等,內(nèi)層是覆層,主要是不銹鋼、鎳基合金等;第二類則與第一類剛好相反。成分組合設(shè)計(jì)根據(jù)不同的使用環(huán)境進(jìn)行選擇,比如堿液回收鍋爐用管設(shè)計(jì)為304L/20G,高腐蝕化工用管設(shè)計(jì)為10/GH600,流體防腐蝕用管設(shè)計(jì)為20Cr/304等。雙金屬復(fù)合管內(nèi)外層金屬化學(xué)成分要求執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。1.2熔合層的控制雙金屬復(fù)合管坯的成型原理是利用離心鑄造技術(shù),分層澆鑄不同成分的金屬液,使內(nèi)外金屬的熔合層控制在一定厚度范圍內(nèi),形成完全的冶金熔合。雙金屬復(fù)合管坯的臥式離心生產(chǎn)工藝流程為:管模清理→預(yù)熱→噴掛涂料→烘干→上端蓋→啟動離心機(jī)→(外層金屬液溶煉)澆鑄外層→(內(nèi)層金屬液溶煉)澆鑄內(nèi)層→毛坯→加工成復(fù)合管坯;其澆鑄過程如圖1所示。1.2.1澆鑄工藝外層的澆鑄工藝和一般的離心鑄造生產(chǎn)無縫鋼管的方法基本相同。澆鑄過程需要注意:管模內(nèi)襯要選擇熱穩(wěn)定性較高,膨脹率和發(fā)氣性都比較適中的涂料;在澆鑄過程中要保證有足夠的、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速,以防止產(chǎn)生縮孔疏松和氣孔夾雜等缺陷;控制適當(dāng)?shù)臐茶T時間,太長產(chǎn)生冷隔,太短產(chǎn)生氣孔;澆鑄溫度應(yīng)當(dāng)根據(jù)Fe-C相圖結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定,一般控制在熔點(diǎn)以上50℃左右。1.2.2減少底層金屬內(nèi)表面結(jié)合內(nèi)層的澆鑄工藝和外層基本上相同,但控制澆鑄時機(jī)尤其重要,也就是在外層金屬冷卻到一定程度時,立即澆鑄內(nèi)層金屬。在澆鑄內(nèi)層金屬的初始階段,外層金屬中的溶渣必須全部隨內(nèi)層金屬液一起排出,且實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層金屬很好地鍵合,避免出現(xiàn)夾渣和分層缺陷,這就要求降低外層金屬內(nèi)表面界面結(jié)合能,縮短外層金屬的噴淋冷卻時間和澆鑄間隔;為了避免出現(xiàn)內(nèi)外層混合缺陷或內(nèi)層金屬成分不合現(xiàn)象,噴淋冷卻時間和澆鑄時間間隔越長越好;要同時滿足以上兩個條件,就會造成噴淋冷卻時間和澆鑄時間間隔較短,尤其對于內(nèi)外層金屬的某一元素含量相差很大時,這個問題就更加突出。1.3離心澆鑄雙金屬復(fù)合管坯(1)離心澆鑄具有冶金熔合層的雙金屬復(fù)合管坯,其制造方法的獨(dú)特之處在于結(jié)合了離心澆鑄和材料冶金復(fù)合的特性,充分體現(xiàn)二者的優(yōu)點(diǎn)。(2)金屬組織致密。在很高的重力倍數(shù)下,液態(tài)金屬受到很大的離心力作用,加強(qiáng)了補(bǔ)縮強(qiáng)度,增加了復(fù)合管坯的致密度。(3)排氣和排渣性好,便于采用保護(hù)氣體對澆鑄金屬液進(jìn)行保護(hù)。采用中頻感應(yīng)爐冶煉的金屬液,未經(jīng)爐外精煉,但由于采用全新的型內(nèi)渣洗和氣體保護(hù)技術(shù),在離心力的作用下,因氣體和夾渣的比重比金屬液小得多,所以更有利于氣體和夾雜物的排出,使管坯中的[O]含量達(dá)到較好的水平。離心澆鑄雙金屬復(fù)合管坯氣體含量見表1,擠壓后的雙金屬復(fù)合管夾雜物評級見表2。(4)采用合適的保護(hù)渣澆鑄工藝,在離心力作用下達(dá)到凈化金屬液的目的,消除了離心管坯內(nèi)表面的渣坑缺陷,使管坯內(nèi)表面光滑平整,如圖2所示。澆鑄內(nèi)層金屬液時,外層金屬液中保護(hù)渣的順利排出使外層金屬呈現(xiàn)潔凈的內(nèi)表面,保證了內(nèi)外層金屬的完全冶金結(jié)合,避免了兩層金屬之間的夾渣。離心澆鑄雙金屬復(fù)合管坯界面結(jié)合情況如圖3所示。(5)在離心管坯的澆鑄過程中,采用變速澆鑄,從而減小管坯柱狀晶的發(fā)育程度,獲得較好的等軸晶組織。恒速澆鑄與變速澆鑄的雙金屬復(fù)合管坯的低倍組織對比如圖4所示。(6)它把初級工業(yè)材料和高技術(shù)的冶金處理過程結(jié)合起來,澆鑄成具有可控冶金熔合層厚度的雙金屬復(fù)合管坯,經(jīng)擠壓、冷軋(或冷拔)等加工生產(chǎn)方式,獲得高品質(zhì)的復(fù)合管材。這種新型復(fù)合管材可以是一般普碳鋼與不銹鋼(如20鋼+304)、一般不銹鋼與高品質(zhì)不銹鋼(如304+316L),也可以是普通鋼種與鎳、鉻、鉬合金的復(fù)合,還可以根據(jù)用戶要求實(shí)現(xiàn)多種金屬的多層復(fù)合。(7)機(jī)械復(fù)合鋼管的宏(微)觀間隙不可避免,爆炸復(fù)合管也不可能達(dá)到微觀冶金結(jié)合率100%,而離心鑄造雙金屬復(fù)合管坯可在澆鑄的過程中,使兩種不同材質(zhì)的金屬在一定的澆鑄條件下產(chǎn)生可控厚度的冶金熔合層,而又不發(fā)生混合、分層和夾渣缺陷,實(shí)現(xiàn)完全冶金結(jié)合?？傊?通過冶煉、澆鑄過程中的一系列工藝控制措施,保證了雙金屬復(fù)合管坯具有鋼質(zhì)純凈、晶粒細(xì)小、復(fù)合層緊密及內(nèi)外表面光潔等優(yōu)點(diǎn)。2雙金屬壓縮劑的主要工藝2.1雙金屬坯料加工時的尺寸設(shè)計(jì)離心澆鑄成雙金屬復(fù)合管坯后,坯料需要進(jìn)行內(nèi)外表面加工。與單金屬坯料加工的主要區(qū)別:雙金屬坯料加工之前需要對中徑進(jìn)行核實(shí),根據(jù)中徑的實(shí)際尺寸來確定外徑和內(nèi)徑的加工尺寸;表面的加工粗糙度根據(jù)不同的材料分別要求,一般為碳鋼、合金鋼Ra≤6.3μm,不銹鋼Ra≤3.2μm,鎳基合金Ra≤1.6μm。2.2雙金屬復(fù)合管熱壓工藝(1)加熱。由于兩層金屬的高溫塑性變形不一樣,加熱溫度的設(shè)定原則是避易就難,比如10/GH600雙金屬復(fù)合管的加熱溫度只考慮GH600的最佳高溫塑性區(qū)。(2)潤滑。玻璃粉的選擇既要考慮內(nèi)外層的溫度,又要考慮不同的材料特性。常用玻璃粉的選擇見表3。(3)擠壓速度。由于兩層金屬的高溫流動特性不一樣,擠壓速度將折中選擇,使兩種材料的金屬流動速度接近,減少兩層金屬的拉應(yīng)力,避免造成拉裂。常用擠壓速度見表4。3產(chǎn)品特點(diǎn)離心澆鑄的雙金屬復(fù)合管坯,經(jīng)擠壓工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品,具有以下特點(diǎn)。3.1擠壓復(fù)合管兩層金屬間有良好的過渡層,其厚度為50~150μm,形成良好的成分梯度過渡區(qū),使不同金屬因溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力大幅度下降;過渡層剪切強(qiáng)度高,是爆炸復(fù)合管的2~3倍(爆炸復(fù)合管一般為150~180MPa,而離心鑄造坯擠壓的復(fù)合管為310~450MPa)。外20Cr/內(nèi)1Cr18Ni9Ti擠壓復(fù)合管的切削加工鋼屑如圖5所示,擰成“麻花”狀的擠壓復(fù)合金屬如圖6所示。從中可看出:兩層金屬間沒有出現(xiàn)任何分離和開裂現(xiàn)象,如同加工單金屬。3.2可制作各種管道可直接制作雙金屬復(fù)合管件,如液壓成型制作三通、四通、模具推制彎頭等,工藝簡單、靈活。3.3外側(cè)金屬鋼絞線塑性由于內(nèi)外層金屬間的過渡層,使兩層金屬的機(jī)械性能可以有效互補(bǔ)。當(dāng)外層金屬采用高強(qiáng)度合金鋼時,管材雖然可以承受高的工作壓力,但其塑性往往偏低;而內(nèi)層金屬采用不銹鋼,其高塑性能彌補(bǔ)復(fù)合管塑性,從而提高管材的安全性。3.4金屬的收縮、膨脹由于材質(zhì)不同,熱膨脹系數(shù)也就不同,內(nèi)外層金屬必然產(chǎn)生不同程度的收縮、膨脹。冶金復(fù)合管線焊接后,由于內(nèi)外層金屬的冶金結(jié)合,應(yīng)力分散在管段無窮點(diǎn)上,因此不會發(fā)生應(yīng)力集中。3.5可應(yīng)用于所有行業(yè)擠壓生產(chǎn)的雙金屬復(fù)合管可廣泛用于特種鍋爐、高腐蝕性油氣田、化工行業(yè)等腐蝕環(huán)境和熱電廠、礦山等高磨損環(huán)境。4離心鑄造管坯擠壓復(fù)合管的研制和國內(nèi)應(yīng)用效果雙金屬復(fù)合管由于具有獨(dú)特的功能性、經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)用將越來越廣泛。從2004年開始,新興鑄管采用“離心澆鑄+擠壓”工藝生產(chǎn)雙金屬復(fù)合管,經(jīng)過