冶金结合双金属复合管坯料成型工艺

冶金结合双金属复合管坯料成型工艺

热挤压技术是在容器（压筒）中向臂中的辊侧施加压力，并通过模型孔形成，以获得模型孔形状的截面板的压力加工方法。在整个热挤压过程中,具有比轧制更为强烈的三向压应力状态,金属可以发挥最大的塑性;因此可以用于轧制或锻造加工有困难甚至无法加工的金属材料。挤压法不仅可以在1台设备上生产形状简单的管、棒和线材,而且还可以生产双金属复合管材和型材。新兴铸管股份有限公司(简称新兴铸管)在发展离心铸造球墨铸铁管的基础上,把离心铸造技术延伸到双金属复合管坯的生产,并成功开发了采用挤压工艺生产出具有冶金结合的双金属复合无缝钢管。目前,该技术已经日趋成熟,新兴铸管投资兴建的63MN挤压机已于2012年6月投产,挤压的双金属复合管已经成功应用于锅炉、石油等领域。1双金属管的准备1.1双金属管的尺寸和成分设计1.1.1框架内面积之比双金属复合管坯的尺寸是根据成品尺寸来设计的。设计原则:①采用面积比的方法进行对应测算,先测算坯料总面积和成品总面积之比,再对应测算外层金属和内层金属的面积之比;②根据挤压工艺的特点,内层金属将出现损失,其面积损失量要根据经验进行补偿,约1%~5%。如对成品Φ89mm×9mm(外层壁厚6mm、内层壁厚3mm)的坯料尺寸设计方法:一是根据补偿设计,壁厚更改为外层5.7mm、内层3.3mm;二是成品尺寸分解为外径(整体壁厚)、中径(外层壁厚)、内径(内层壁厚);三是通过面积比例分解测算出坯料的外径(整体壁厚)、中径(外层壁厚)、内径(内层壁厚)。1.1.2基于不同使用环境的产品设计双金属复合管坯的成分设计完全按成品的成分要求进行,一般分为两大类:第一类是外层为基层,主要是碳钢、合金钢等,内层是覆层,主要是不锈钢、镍基合金等;第二类则与第一类刚好相反。成分组合设计根据不同的使用环境进行选择,比如碱液回收锅炉用管设计为304L/20G,高腐蚀化工用管设计为10/GH600,流体防腐蚀用管设计为20Cr/304等。双金属复合管内外层金属化学成分要求执行相关标准。1.2熔合层的控制双金属复合管坯的成型原理是利用离心铸造技术,分层浇铸不同成分的金属液,使内外金属的熔合层控制在一定厚度范围内,形成完全的冶金熔合。双金属复合管坯的卧式离心生产工艺流程为:管模清理→预热→喷挂涂料→烘干→上端盖→启动离心机→(外层金属液溶炼)浇铸外层→(内层金属液溶炼)浇铸内层→毛坯→加工成复合管坯;其浇铸过程如图1所示。1.2.1浇铸工艺外层的浇铸工艺和一般的离心铸造生产无缝钢管的方法基本相同。浇铸过程需要注意:管模内衬要选择热稳定性较高,膨胀率和发气性都比较适中的涂料;在浇铸过程中要保证有足够的、稳定的转速,以防止产生缩孔疏松和气孔夹杂等缺陷;控制适当的浇铸时间,太长产生冷隔,太短产生气孔;浇铸温度应当根据Fe-C相图结合生产经验进行确定,一般控制在熔点以上50℃左右。1.2.2减少底层金属内表面结合内层的浇铸工艺和外层基本上相同,但控制浇铸时机尤其重要,也就是在外层金属冷却到一定程度时,立即浇铸内层金属。在浇铸内层金属的初始阶段,外层金属中的溶渣必须全部随内层金属液一起排出,且实现内外层金属很好地键合,避免出现夹渣和分层缺陷,这就要求降低外层金属内表面界面结合能,缩短外层金属的喷淋冷却时间和浇铸间隔;为了避免出现内外层混合缺陷或内层金属成分不合现象,喷淋冷却时间和浇铸时间间隔越长越好;要同时满足以上两个条件,就会造成喷淋冷却时间和浇铸时间间隔较短,尤其对于内外层金属的某一元素含量相差很大时,这个问题就更加突出。1.3离心浇铸双金属复合管坯(1)离心浇铸具有冶金熔合层的双金属复合管坯,其制造方法的独特之处在于结合了离心浇铸和材料冶金复合的特性,充分体现二者的优点。(2)金属组织致密。在很高的重力倍数下,液态金属受到很大的离心力作用,加强了补缩强度,增加了复合管坯的致密度。(3)排气和排渣性好,便于采用保护气体对浇铸金属液进行保护。采用中频感应炉冶炼的金属液,未经炉外精炼,但由于采用全新的型内渣洗和气体保护技术,在离心力的作用下,因气体和夹渣的比重比金属液小得多,所以更有利于气体和夹杂物的排出,使管坯中的[O]含量达到较好的水平。离心浇铸双金属复合管坯气体含量见表1,挤压后的双金属复合管夹杂物评级见表2。(4)采用合适的保护渣浇铸工艺,在离心力作用下达到净化金属液的目的,消除了离心管坯内表面的渣坑缺陷,使管坯内表面光滑平整,如图2所示。浇铸内层金属液时,外层金属液中保护渣的顺利排出使外层金属呈现洁净的内表面,保证了内外层金属的完全冶金结合,避免了两层金属之间的夹渣。离心浇铸双金属复合管坯界面结合情况如图3所示。(5)在离心管坯的浇铸过程中,采用变速浇铸,从而减小管坯柱状晶的发育程度,获得较好的等轴晶组织。恒速浇铸与变速浇铸的双金属复合管坯的低倍组织对比如图4所示。(6)它把初级工业材料和高技术的冶金处理过程结合起来,浇铸成具有可控冶金熔合层厚度的双金属复合管坯,经挤压、冷轧(或冷拔)等加工生产方式,获得高品质的复合管材。这种新型复合管材可以是一般普碳钢与不锈钢(如20钢+304)、一般不锈钢与高品质不锈钢(如304+316L),也可以是普通钢种与镍、铬、钼合金的复合,还可以根据用户要求实现多种金属的多层复合。(7)机械复合钢管的宏(微)观间隙不可避免,爆炸复合管也不可能达到微观冶金结合率100%,而离心铸造双金属复合管坯可在浇铸的过程中,使两种不同材质的金属在一定的浇铸条件下产生可控厚度的冶金熔合层,而又不发生混合、分层和夹渣缺陷,实现完全冶金结合。总之,通过冶炼、浇铸过程中的一系列工艺控制措施,保证了双金属复合管坯具有钢质纯净、晶粒细小、复合层紧密及内外表面光洁等优点。2双金属压缩剂的主要工艺2.1双金属坯料加工时的尺寸设计离心浇铸成双金属复合管坯后,坯料需要进行内外表面加工。与单金属坯料加工的主要区别:双金属坯料加工之前需要对中径进行核实,根据中径的实际尺寸来确定外径和内径的加工尺寸;表面的加工粗糙度根据不同的材料分别要求,一般为碳钢、合金钢Ra≤6.3μm,不锈钢Ra≤3.2μm,镍基合金Ra≤1.6μm。2.2双金属复合管热压工艺(1)加热。由于两层金属的高温塑性变形不一样,加热温度的设定原则是避易就难,比如10/GH600双金属复合管的加热温度只考虑GH600的最佳高温塑性区。(2)润滑。玻璃粉的选择既要考虑内外层的温度,又要考虑不同的材料特性。常用玻璃粉的选择见表3。(3)挤压速度。由于两层金属的高温流动特性不一样,挤压速度将折中选择,使两种材料的金属流动速度接近,减少两层金属的拉应力,避免造成拉裂。常用挤压速度见表4。3产品特点离心浇铸的双金属复合管坯,经挤压工艺生产的产品,具有以下特点。3.1挤压复合管两层金属间有良好的过渡层,其厚度为50~150μm,形成良好的成分梯度过渡区,使不同金属因温度变化产生的热应力大幅度下降;过渡层剪切强度高,是爆炸复合管的2~3倍(爆炸复合管一般为150~180MPa,而离心铸造坯挤压的复合管为310~450MPa)。外20Cr/内1Cr18Ni9Ti挤压复合管的切削加工钢屑如图5所示,拧成“麻花”状的挤压复合金属如图6所示。从中可看出:两层金属间没有出现任何分离和开裂现象,如同加工单金属。3.2可制作各种管道可直接制作双金属复合管件,如液压成型制作三通、四通、模具推制弯头等,工艺简单、灵活。3.3外侧金属钢绞线塑性由于内外层金属间的过渡层,使两层金属的机械性能可以有效互补。当外层金属采用高强度合金钢时,管材虽然可以承受高的工作压力,但其塑性往往偏低;而内层金属采用不锈钢,其高塑性能弥补复合管塑性,从而提高管材的安全性。3.4金属的收缩、膨胀由于材质不同,热膨胀系数也就不同,内外层金属必然产生不同程度的收缩、膨胀。冶金复合管线焊接后,由于内外层金属的冶金结合,应力分散在管段无穷点上,因此不会发生应力集中。3.5可应用于所有行业挤压生产的双金属复合管可广泛用于特种锅炉、高腐蚀性油气田、化工行业等腐蚀环境和热电厂、矿山等高磨损环境。4离心铸造管坯挤压复合管的研制和国内应用效果双金属复合管由于具有独特的功能性、经济性,应用将越来越广泛。从2004年开始,新兴铸管采用“离心浇铸+挤压”工艺生产双金属复合管,经过