CN102909278A - 一种金属复合管制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种金属复合管制备方法，工艺步骤为：选择和设计需要内外层金属管的材质和规格。对内层金属管外表面和外层金属管的内表面用机械或化学方法去除氧化层。将内层金属管置于外层金属管内部，并留有间隙，用材料将间隙的两端密封；内层金属管端密封开进气口和出气口，外层金属管开有进气口和出气口；组装件整体或中间部分放入加热炉加热。加热前，在内层金属管和外层金属管之间以及内层金属管内通入保护气体。加热到需要的温度后，将内层管内部气压升高至2.0-10.0MPa，保持一段时间。内层金属管膨胀后与外层金属管紧贴、产生扩散复合，得到冶金结合的金属复合管。本方法简便、灵活，可用于制备多种金属复合管。

Description

一种金属复合管制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属复合管制备方法。
 
背景技术
金属复合管是由两种或两种以上不同种金属材料构成的层状复合管材，内、外层甚至中间层通过机械或冶金的方法连接，在外界应力的作用下，各层金属能够同时协调变形。由于复合管的内外层材料选择的不同，复合管有着不同的广泛用途。在石油、化工等领域，复合管广泛用于原油的采掘、输送和化学反应所需的各种输送管路、加热器管道、热交换器管路和检查用喷管等；在海水处理中，内层防锈蚀的复合管用作抗腐蚀的导水管；在建筑行业，内层由耐磨层的复合管用作输送混凝土浆料的管路，等等。
金属复合管的种类繁多，可以是碳钢与不锈钢复合，钢或不锈钢与轻金属（Al, Ti, Mg，Zn）复合，钢或不锈钢与贵金属（Cu、Ni、Co、W、Cr）复合，轻金属与轻金属的复合，轻金属与贵金属的复合等等。金属复合管将两中或两种以上金属材料的性能得到充分的发挥，同时可以减少高成分贵金属的使用，降低制造和应用的成本。
目前，金属复合管的制造方法多种多样，主要包括：爆炸复合法、铸造复合法、轧制复合法，拉拔或挤压复合法、包覆复合、钎焊法等。
爆炸复合工艺比较复杂，它是两种金属板或管以爆炸冲击焊接的方式将两种金属焊接的方法，经过去应力退火可以直接使用，也可以爆炸焊接后再经热轧、冷轧得到最终产品，该方法最大的限制是在爆炸过程中的管端效应，难以制备较长的管材。
铸造复合方法，是通过离心铸造的方法将两种金属材料连续铸造复合的方法( 如US PATENT 4405398，US PATENT 3069209)，可以在铸造完成后进行后续的加热、轧制或挤压等工序进行精成型；该工艺的主要限制是两种铸造的材料的熔点，对钢和轻金属进行铸造复合就难以实现。
轧制复合法是先将内外层金属管形成过盈配合或间隙，经过焊接封闭和加热轧制成型的方法（如专利申请CN 03142610.7，JP8025063A），这种方法更适用于高温性能相近的材料进行复合，如普碳钢与合金钢、高合金钢，不锈钢与高合金钢等，也有使用在钢和钛复合的报导。另外，在内层管在大管径和长管材条件下实现过盈配合十分困难；采用间隙配合方式解决了组装问题，但是在斜轧方式中因剪切变形易于让焊接界面开裂，导致表面氧化影响界面复合质量。
挤压和拉拔是将两种不同金属管或管坯套在一起，在模具中挤压或拉拔使其产生结合的方式。这种方法对内层外层管的要求较高，在生产规格上适合生产中小规格，结合层不够紧密（如CN87103183A，日本特许公报(B2)平2 – 9543）。
包覆复合法是在前后两套焊管机组上通过轧辊孔型包覆成因一次完成，包覆复合法如果不适用钎焊方法，往往得到的是机械复合，复合层结合不紧密，采用钎焊料涂层和感应加热方法可获得冶金结合的复合管材（US Patent 3598156）。
钎焊法：是在内管外表面或外管内表面涂敷钎焊料，成型后再加热钎焊料进行连接的方法，它解决了复合管的复合层的界面结合问题。这种方法的限制是钎焊料与基体界面反应必须得到控制，另外高温复合过程中受界面反应的影响往往限制了结合面强度，再次是成本较高。因此使得钎焊法的应用范围受到限制。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种金属复合管制备方法，为具有冶金结合的双金属或多层金属复合管提供了一种灵活、简便的方法，克服上述复合管制造方法中的种种限制和不足。
本发明的技术方案是：一种金属复合管制造方法，具体包括以下步骤：
步骤1：选择和设计需要内层金属管，外层金属管的材质和规格，对内层金属管外表面和外层金属管内表面去除表面氧化层；其中，所述内层金属管和外层金属管的外径为8～300mm，壁厚为1.5～40mm，外层金属管内径比内层金属管外径大5%-25%；
步骤2：将所述内层金属管置于所述外层金属管内部，用第一密封材料将所述外层金属管域内层金属管之间的间隙端部密封，用第二密封材料将内层金属管两端封闭，使之形成一个组合件；
步骤3：在组合件的内层金属管两端密封材料上设置内层金属管进气口和内层金属管出气口，在所述出气口上设置阀门；在外层金属管的两端设置外层金属管进气口和外层金属管出气口；通过金属管进气口和外层金属管进气口向组合件的内层金属管内部和内、外层金属管间隙通入保护气体；其中，所述内、外层金属管之间保护气体为98-100%Ar+0-2%H2气或25-98%N2+75-2%H2；所述内层金属管中的保护气体为Ar或N2或混合气体；
步骤4：将组合件整体或中间部分放入加热炉加热；加热到400-1000℃，将内层金属管内部气压升高至2.0-12.0MPa，使内层金属管膨胀至与外层金属管紧贴、复合，保温时间为5min -120min；
步骤5：打开阀门发出气体，冷却后，切除组合件管端未复合部分，就得到所需的双金属复合管。
本发明具有以下特点：
1. 内管、外管的材质受限制较小。可以是外层为钢与内层为轻、贵金属的复合管（如钢-Ti，钢-Al, 钢-Mg、钢- Cu、钢- Ni），可以内外层都为轻金属或贵金属（如Ti-Al, Al-Mg, Cu-Al, Ni-Al），也可以是碳钢与不锈钢复合。
2. 制造复合管的设备简单、投资低。主体设备主要为加热炉、增压气体泵，辅助设备为除锈、处氧化层设备和少量机械加工设备。不需要大型的轧制设备，也不要昂贵的钎焊料，就能实现批量制造。
3. 制造复合管材的规格范围宽。首先是管径范围，可以实现从外径8～300mm，壁厚1.5～40mm，覆层壁厚0.1～4.0mm。
4. 制造产品规格范围灵活。可以方便实现不同管径规格、不同壁厚规格、不同材质无缝管或焊接管的复合，在制备产品的长度上更体现其灵活性。
 附图说明：
   图1为本发明的双金属复合管的结构示意图。
图中：
1- 内层金属管进气口， 2-第一密封材料  ， 3-内层金属管 ， 4-外层金属管，
5- 外层金属管出气口，    6- 第二密封材料，   7-阀门，8-内层金属管出气口，9-外层金属管进气口。
 具体实施方式
下面结合具体实施例本本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：钢-Ti复合管的制备。
外管材质及规格：钢Q235，外径D=104mm，壁厚t=3.0mm；内管材质及规格：钛合金Ti-6Al-4V (TC4)，外径D=89.25mm，壁厚t=2.5mm；管间保护气体为98% Ar+2% H2混合气体，内管气体Ar气，压力采用3.0MPa；加热温度：800-880℃；变形及变形后保温总时间：15min。最终得到的复合界面剪切强度：245MPa。
 实施例2：钢-Cu复合管的制备, 
外管材质及规格：钢Q345，外径D=159mm，壁厚t=6mm；内管材质及规格：Cu合金C27400 (H63)，外径D=139mm，壁厚t=3mm；管间保护气体为98% Ar+2% H2混合气体；内管气体N2气，压力采用4.0MPa；加热温度：790-810℃；变形及变形后保温总时间：120min。最终得到的复合界面剪切强度195MPa。
 实施例3：钢-不锈钢复合管的制备
外管材质及规格：钢Q345，外径D=89mm，壁厚t=3.5mm；内管材质及规格：不锈钢SUS304 ( 0Cr18Ni9Ti ) 焊管，外径D=78mm，壁厚t=1.50mm；管间保护气体为25% N2+75% H2混合气体；内管气体Ar气，压力采用8.0MPa；加热温度：960-1000℃；变形及变形后保温总时间60min。最终得到的复合界面剪切强度358MPa。
 实施例4：Ti-Al复合管的制备
外管材质及规格：钛合金TA1，外径D=10mm，壁厚t=0.5mm；内管材质及规格：Al合金5056（LF6），外径D=7.0mm，壁厚t=0.2mm；管间保护气体为98% Ar+2% H2混合气体；内管气体Ar气，压力采用2.0MPa；加热温度：400-460℃；变形及变形后保温总时间：5-10min。最终得到的复合界面剪切强度182MPa。
 实施例5：不锈钢-Cu-Ti复合管的制备
外管材质及规格：钢Q345，外径D=63.5mm，壁厚t=3mm；内管材质及规格：Ti合金Ti-6Al-4V (TC4)，外径D=50mm，壁厚t=2mm；中间管材质Cu合金C27400 (H63)，外径D=54mm，壁厚t=1.5mm；管间保护气体为98% Ar+2% H2混合气体；内管气体N2气，压力采用4.0MPa；加热温度：810℃；变形及变形后保温总时间：90min。最终得到不锈钢-Cu界面剪切强度200MPa, Cu-Ti界面剪切强度105MPa。

Claims (1)

1.种双金属复合管制备方法，其特征在于，工艺步骤包括：
步骤1：选择和设计需要内层金属管，外层金属管的材质和规格，对内层金属管外表面和外层金属管内表面去除表面氧化层；其中，所述内层金属管和外层金属管的外径为8～300mm，壁厚为1.5～40mm，外层金属管内径比内层金属管外径大5%-25%；
步骤2：将所述内层金属管置于所述外层金属管内部，用第一密封材料将所述外层金属管域内层金属管之间的间隙端部密封，用第二密封材料将内层金属管两端封闭，使之形成一个组合件；
步骤3：在组合件的内层金属管两端密封材料上设置内层金属管进气口和内层金属管出气口，在所述出气口上设置阀门；在外层金属管的两端设置外层金属管进气口和外层金属管出气口；通过金属管进气口和外层金属管进气口向组合件的内层金属管内部和内、外层金属管间隙通入保护气体；其中，所述内、外层金属管之间保护气体为98-100%Ar+0-2%H2气或25-98%N2+75-2%H2；所述内层金属管中的保护气体为Ar或N2或混合气体；
步骤4：将组合件整体或中间部分放入加热炉加热；加热到400-1000℃，将内层金属管内部气压升高至2.0-12.0MPa，使内层金属管膨胀至与外层金属管紧贴、复合，保温时间为5min -120min；
步骤5：打开阀门发出气体，冷却后，切除组合件管端未复合部分，就得到所需的双金属复合管。
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