冶金結合雙金屬復合管坯料成型工藝

冶金結合雙金屬復合管坯料成型工藝

熱擠壓技術是在容器（壓筒）中向臂中的輥側施加壓力，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,具有比軋制更為強烈的三向壓應力狀態(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臺設備上生產形狀簡單的管、棒和線材,而且還可以生產雙金屬復合管材和型材。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上,把離心鑄造技術延伸到雙金屬復合管坯的生產,并成功開發(fā)了采用擠壓工藝生產出具有冶金結合的雙金屬復合無縫鋼管。目前,該技術已經日趨成熟,新興鑄管投資興建的63MN擠壓機已于2012年6月投產,擠壓的雙金屬復合管已經成功應用于鍋爐、石油等領域。1雙金屬管的準備1.1雙金屬管的尺寸和成分設計1.1.1框架內面積之比雙金屬復合管坯的尺寸是根據(jù)成品尺寸來設計的。設計原則:①采用面積比的方法進行對應測算,先測算坯料總面積和成品總面積之比,再對應測算外層金屬和內層金屬的面積之比;②根據(jù)擠壓工藝的特點,內層金屬將出現(xiàn)損失,其面積損失量要根據(jù)經驗進行補償,約1%~5%。如對成品Φ89mm×9mm(外層壁厚6mm、內層壁厚3mm)的坯料尺寸設計方法:一是根據(jù)補償設計,壁厚更改為外層5.7mm、內層3.3mm;二是成品尺寸分解為外徑(整體壁厚)、中徑(外層壁厚)、內徑(內層壁厚);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)、內徑(內層壁厚)。1.1.2基于不同使用環(huán)境的產品設計雙金屬復合管坯的成分設計完全按成品的成分要求進行,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。成分組合設計根據(jù)不同的使用環(huán)境進行選擇,比如堿液回收鍋爐用管設計為304L/20G,高腐蝕化工用管設計為10/GH600,流體防腐蝕用管設計為20Cr/304等。雙金屬復合管內外層金屬化學成分要求執(zhí)行相關標準。1.2熔合層的控制雙金屬復合管坯的成型原理是利用離心鑄造技術,分層澆鑄不同成分的金屬液,使內外金屬的熔合層控制在一定厚度范圍內,形成完全的冶金熔合。雙金屬復合管坯的臥式離心生產工藝流程為:管模清理→預熱→噴掛涂料→烘干→上端蓋→啟動離心機→(外層金屬液溶煉)澆鑄外層→(內層金屬液溶煉)澆鑄內層→毛坯→加工成復合管坯;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無縫鋼管的方法基本相同。澆鑄過程需要注意:管模內襯要選擇熱穩(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)定的轉速,以防止產生縮孔疏松和氣孔夾雜等缺陷;控制適當?shù)臐茶T時間,太長產生冷隔,太短產生氣孔;澆鑄溫度應當根據(jù)Fe-C相圖結合生產經驗進行確定,一般控制在熔點以上50℃左右。1.2.2減少底層金屬內表面結合內層的澆鑄工藝和外層基本上相同,但控制澆鑄時機尤其重要,也就是在外層金屬冷卻到一定程度時,立即澆鑄內層金屬。在澆鑄內層金屬的初始階段,外層金屬中的溶渣必須全部隨內層金屬液一起排出,且實現(xiàn)內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表面界面結合能,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)內外層混合缺陷或內層金屬成分不合現(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離心澆鑄雙金屬復合管坯(1)離心澆鑄具有冶金熔合層的雙金屬復合管坯,其制造方法的獨特之處在于結合了離心澆鑄和材料冶金復合的特性,充分體現(xiàn)二者的優(yōu)點。(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,加強了補縮強度,增加了復合管坯的致密度。(3)排氣和排渣性好,便于采用保護氣體對澆鑄金屬液進行保護。采用中頻感應爐冶煉的金屬液,未經爐外精煉,但由于采用全新的型內渣洗和氣體保護技術,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]含量達到較好的水平。離心澆鑄雙金屬復合管坯氣體含量見表1,擠壓后的雙金屬復合管夾雜物評級見表2。(4)采用合適的保護渣澆鑄工藝,在離心力作用下達到凈化金屬液的目的,消除了離心管坯內表面的渣坑缺陷,使管坯內表面光滑平整,如圖2所示。澆鑄內層金屬液時,外層金屬液中保護渣的順利排出使外層金屬呈現(xiàn)潔凈的內表面,保證了內外層金屬的完全冶金結合,避免了兩層金屬之間的夾渣。離心澆鑄雙金屬復合管坯界面結合情況如圖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)材料和高技術的冶金處理過程結合起來,澆鑄成具有可控冶金熔合層厚度的雙金屬復合管坯,經擠壓、冷軋(或冷拔)等加工生產方式,獲得高品質的復合管材。這種新型復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不銹鋼(如304+316L),也可以是普通鋼種與鎳、鉻、鉬合金的復合,還可以根據(jù)用戶要求實現(xiàn)多種金屬的多層復合。(7)機械復合鋼管的宏(微)觀間隙不可避免,爆炸復合管也不可能達到微觀冶金結合率100%,而離心鑄造雙金屬復合管坯可在澆鑄的過程中,使兩種不同材質的金屬在一定的澆鑄條件下產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,實現(xiàn)完全冶金結合?？傊?通過冶煉、澆鑄過程中的一系列工藝控制措施,保證了雙金屬復合管坯具有鋼質純凈、晶粒細小、復合層緊密及內外表面光潔等優(yōu)點。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計離心澆鑄成雙金屬復合管坯后,坯料需要進行內外表面加工。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行核實,根據(jù)中徑的實際尺寸來確定外徑和內徑的加工尺寸;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,加熱溫度的設定原則是避易就難,比如10/GH600雙金屬復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力,避免造成拉裂。常用擠壓速度見表4。3產品特點離心澆鑄的雙金屬復合管坯,經擠壓工藝生產的產品,具有以下特點。3.1擠壓復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生的熱應力大幅度下降;過渡層剪切強度高,是爆炸復合管的2~3倍(爆炸復合管一般為150~180MPa,而離心鑄造坯擠壓的復合管為310~450MPa)。外20Cr/內1Cr18Ni9Ti擠壓復合管的切削加工鋼屑如圖5所示,擰成“麻花”狀的擠壓復合金屬如圖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外側金屬鋼絞線塑性由于內外層金屬間的過渡層,使兩層金屬的機械性能可以有效互補。當外層金屬采用高強度合金鋼時,管材雖然可以承受高的工作壓力,但其塑性往往偏低;而內層金屬采用不銹鋼,其高塑性能彌補復合管塑性,從而提高管材的安全性。3.4金屬的收縮、膨脹由于材質不同,熱膨脹系數(shù)也就不同,內外層金屬必然產生不同程度的收縮、膨脹。冶金復合管線焊接后,由于內外層金屬的冶金結合,應力分散在管段無窮點上,因此不會發(fā)生應力集中。3.5可應用于所有行業(yè)擠壓生產的雙金屬復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合管的研制和國內應用效果雙金屬復合管由于具有獨特的功能性、經濟性,應用將越來越廣泛。從2004年開始,新興鑄管采用“離心澆鑄+擠壓”工藝生產雙金屬復合管,經過