CN105033257B - 精密喷射成形金属管及其制造方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了精密喷射成形金属管的制造设备，包括：喷射室；立式旋转升降机构，其设有沉积托盘，立式旋转升降机构可带动沉积托盘旋转和升降；立于沉积托盘上的、与沉积托盘随动的芯管；加热装置；惰性气体雾化喷射装置，其包括设在喷射室靠上部的雾化喷嘴及金属液导流管。本发明还公开了采用该设备制备金属管的方法以及制得的管材。本发明将传统的卧式精密喷射成形工艺，改变为立式精密喷射成形，克服了精密喷射成形金属管时易变形及过度浪费的问题，相较于实心掏空工艺而言更加简便、节能和提升了性能。本发明适用于精密喷射成形制备管件或管坯。

Description

精密喷射成形金属管及其制造方法和设备

技术领域

本发明涉及喷射成形领域，特别是精密喷射成形金属件领域。

背景技术

喷射成形近40年来逐渐发展成熟的金属制备和成形新工艺，其基本原理如图1所示。参照图1，在喷射室11中充入高压惰性气体，喷射室11内设有竖直的旋转升降机构，旋转升降机构上端设有水平沉积托盘8，在喷射室11的上部设有金属雾化装置，该金属雾化装置包括用来接收从熔炼炉1倒出的金属熔融液的中间包3，和与中间包3连通且出口对着所述水平沉积托盘8的雾化喷嘴4。金属液从雾化喷嘴4喷出并被惰性气体雾化成颗粒度极小的金属高速射流，喷射沉积至水平沉积托盘8上，水平沉积托盘8上按照设定而一边旋转一边下降，细小金属液质点在惰性气体中的超高速冷凝，得到显微组织细小均匀，机械性能也大幅度提高的金属材料。

现有的精密喷射成型工艺，一般用于制作形状简单的实心工件，例如在文献CN102294478A、《精密喷射成形装置及用该装置实现模具快速制造的方法》中所记载的工艺，即属于传统的单材料喷射沉积制作实心件。

喷射成形的高合金钢，例如M2高速钢，其冲击韧性比传统电渣制钢工艺的M2提高一倍以上，其制造的切削刀具和其它工、模具的寿命也相应大幅提高，在各工业领域迅速扩大应用和技术经济效益。但是喷射成形的高合金钢在管形工件上的应用受到制约，因高合金钢的加工性能差，很难像低合金钢那样在钢锭上穿孔，再通过挤压、轧制或锻造等工艺来生产管件。很多高合金钢管形工件不得不通过对实心棒材机械加工掏孔的办法来生产，有诸多困难，例如高合金钢的内孔，特别是长孔，加工困难且耗时，使得加工成本提高，由此甚至限制了高品位钢种的应用，且材料收得率大幅降低也增加制造成本。

故如果采用金属精密喷射成形工艺来制作管材，是应当会获得比现有实心件掏空的工艺更好的技术效果。但现有技术中制作管材件时，是采用如图2所示的卧式喷射成形工艺。参照图2，传统的竖直的旋转升降机构改造成横向的旋转平移机构，旋转平移机构带动一水平设置的薄壁金属管边旋转边后退，金属高速射流从雾化喷嘴4喷出后，垂直喷射到所述薄壁金属管上，然后成形出具有指定厚度的管坯。该工艺的具体手法，在CN102319897A、《一种喷射成形高钒高速钢复合轧辊的制造方法》及CN103962558A、《一种喷射成形连续制备复合管坯的方法》上有详细记载。

这种卧式喷射成形工艺具有以下缺陷：

1、如图3所示，金属射流5偏离金属管7中心部分的沉积效率较低，与沉积面较小夹角使得射流较多溅射。特别是当金属管直径较小时，相当一部分射流根本接触不到沉积面，致使很多金属射流的浪费。

2、制作细长管时，横向红热管坯很易弯曲而使操作失败。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服上述卧式喷射成形工艺的不足，提供一种新的精密喷射成形金属管工艺方法。

本发明还提供一种能实现所述新的精密喷射成形金属管工艺方法的配套设备。

本发明还提供一种根据该工艺方法直接生产出来的管材件。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

先介绍需要用到的设备，即精密喷射成形金属管的制造设备，包括：喷射室；立式旋转升降机构，其上端设有位于喷射室内的沉积托盘，立式旋转升降机构可带动沉积托盘旋转和升降；立于沉积托盘上的、与沉积托盘随动的芯管；用于对所述芯管加热的加热装置；惰性气体雾化喷射装置，其包括设在喷射室靠上部的雾化喷嘴及金属液导流管，金属液导流管的角度使得从金属液导流管出口喷射出的金属射流可喷射沉积至所述沉积托盘及芯管的壁上。

当然，设备应当具有惰性气体产生装置，令喷射室在工作时预先充满惰性气体以保护金属射流、芯管和成形出来的管件不被氧化。还有为了产生金属射流，本设备自然也包括有金属液熔炼制备设备，即熔融金属产生金属液的熔炼炉、用于接收金属液并导流至金属液导流管的中间包等，但由于都可采用常规的部件装配，就本技术而言，可外设也可集成至本设备中，故此处不多作描述。

对所述精密喷射成形金属管的制造设备，还可以对所述雾化喷嘴、加热装置、喷射室等进行进一步改进，这在后续实施例中可举出例子。

接着，介绍本精密喷射成形金属管的制造工艺，包括以下步骤：

a）、准备本发明所提供的精密喷射成形金属管制造设备；

b）、在喷射室内充入惰性气体及利用加热装置对芯管进行预热；

c）、通过惰性气体雾化喷射装置形成射向沉积托盘和/或芯管壁上的金属射流，该金属射流喷射沉积至所述沉积托盘及芯管的壁上，同时令沉积托盘及芯管旋转及逐渐下降，从而成形出具有精密内孔和均匀壁厚的金属管。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤c）之后，还包括步骤d）：直接在沉积托盘上取下成形出来的金属管。

另外，所述步骤c）中，金属射流呈往复式摆动，摆动方向沿沉积托盘和/或芯管的径向方向。

作为上述技术方案的进一步改进，所述金属射流的喷射方向，与芯管的轴线形成一夹角a，夹角a的角度为15°至60°之间。

根据本发明提供的制造工艺，可制得多种精密喷射成形金属管。例如当金属液材料和芯管不相同时，制得的金属管包括材质相异的内外两层，内层为所述芯管，外层为由材质与芯管相异的金属射流喷射沉积成形，亦即此时制得的成品为双金属管材。更有甚者，所述芯管可以是实心管材，此时制得的成品为双金属棒材。

本发明的有益效果是：本发明将传统的卧式精密喷射成形工艺，改变为立式精密喷射成形，这使得本发明不存在卧式工艺中容易出现的制作细长管时横向红热管坯易弯曲的情况，并且由于喷射接受面并非弧面，故不会出现溅射导致金属液浪费。本发明提供的精密喷射成形金属管制造设备正是为完成所述立式精密喷射成形工艺而设计的，其结构巧妙，制造精度高，制造金属管件或管坯时省去实心坯料打孔工序,节约金属等自然资源、节能、环保，并提高金属喷射沉积的金属收得率，大大降低制造成本、提高生产效率。本发明的金属管成品显微组织细小均匀、机械性能和耐磨性能优异。本发明适用于精密喷射成形制备管件或管坯。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是传统的立式喷射金属成形工艺原理示意图；

图2是现有的卧式喷射成形工艺原理示意图；

图3是采用现有的卧式喷射成形工艺时，金属射流发生溅射情况的说明图；

图4是本发明的精密喷射成形金属管制造设备结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图4，精密喷射成形金属管的制造设备，包括：喷射室11；立式旋转升降机构，其上端设有位于喷射室11内的沉积托盘81，立式旋转升降机构可带动沉积托盘81旋转和升降；立于沉积托盘81上的、与沉积托盘81随动的芯管6；用于对所述芯管6加热的加热装置9；惰性气体雾化喷射装置，其包括设在喷射室11靠上部的雾化喷嘴4及金属液导流管，金属液导流管的角度使得从金属液导流管出口喷射出的金属射流可喷射沉积至所述沉积托盘81及芯管6的壁上。

本发明创造的对材质没有进行特定要求，均可根据具体生产目的而作调整。例如芯管可以是金属材质，或者是陶瓷等非金属材质，只要能形成所制金属管的内孔和内壁材质即可。沉积托盘可用铸铁，雾化喷嘴采用的惰性气体种类亦可根据实际进行调整，例如雾化钢铁液时一般采用氮气。

进一步作为优选的实施方式，所述雾化喷嘴4为摆动方向呈沉积托盘81和/或芯管6的径向方向的摆动式喷嘴。通过实时程控或手控，雾化喷嘴4可使金属高速射流相对于芯管或沉积托盘径向往返，这主要是为了适应随着径向位置的变化、机构的线速度会逐渐改变（自圆心向外逐渐增大）以及迎合不同的成品管径需求而设计的，这样能保证沉积的金属物质质地均匀、结合紧密。

进一步作为优选的实施方式，所述加热装置9位于喷射室11内并靠近芯管6。通常芯管6穿过加热装置9。采用这种结构，可以最大程度地保证加热效率，让芯管6充分预热达到指定温度，便于与金属喷射流冶炼熔合。

进一步作为优选的实施方式，所述加热装置9为高频或中频感应加热器。需要注意的是，在某些特定条件下，也可以不对芯管加热。

进一步作为优选的实施方式，所述喷射室11为带有水冷套的圆柱形或立方形钢板焊接件。

下面简述本发明的具体操作步骤：

参照图4，首先利用金属液熔炼制备设备制出熔融金属液，熔炼炉1将金属液倒入中间包3中，中间包3导流金属液并在金属液导流管出口配合雾化喷嘴4的喷射形成金属射流，喷射室11内早已充入惰性气体及对芯管进行预热了，立式旋转升降机构带动沉积托盘81盘面和芯管6一边旋转一边逐渐下降，金属射流5呈径向的遵循规律的往复式摆动，金属物质在沉积托盘81盘面开始沉积，并形成以芯管6作为“内层”的管件或管坯，而由于本技术是金属冶炼，故实际成品出来时，如果材料是匹配的，芯管就早已与外层金属融为同一整体了。故在制作完毕之后，可以直接从沉积托盘上取下成品管件，无需再另行脱芯或者对管内壁进行进一步深加工。当然，在实践中，本技术制备出来的管件亦允许通过热等静压、挤压、轧制、锻造以及热处理等工艺来进一步改善内部组织致密度和结构，以及外形尺寸，以满足最高性能要求以及不同使用需求。

操作过程中，金属射流的喷射方向与芯管6的轴线形成一夹角a，夹角a的角度为15°至60°之间。再具体地，所述夹角a为35°或者40°。控制好a角，可获得较高喷射沉积致密度和使金属与芯管进行较好的结合。

通过不同的材料、尺寸限定，本发明的精密喷射成形金属管具有多种实施方式，例如：

1、所述芯管6的壁厚为1～5毫米，材质与金属液的相近。

2、所述芯管6的壁厚是整管的1/4外径，材质是与金属液不同的金属，这可以制成双金属管材。

3、所述芯管6的壁厚是整管的1/2外径，材质是与金属液不同的金属,制成双金属棒材。可见，本发明创造所制备出的金属管也包括实心管。

本发明设备可用于生产大型双金属拉刀。芯管6采用内径100毫米、外径180毫米的35CrMoV无缝钢管，金属液采用M3高速钢，精密喷射成形制得内径100毫米、外径250毫米、长度1800毫米的双金属拉刀。两种合金钢的成分大致如下表所示：

表1. 大型双金属拉刀的钢号和化学成分

喷射前芯管6经感应加热器快速加热至1000～1250 ℃，采用单雾化喷嘴以每分钟65公斤速度喷射金属射流，8分钟完成喷射制造该拉刀管坯。制得的双金属拉刀与传统工艺（用整体单一M2电渣钢锻圆掏孔后加工）的相比，大幅度减少高合金钢的消耗以及加工内孔的成本，而拉刀的外层（工作层）采用比M2高一级的M3且喷射成形，其强韧性和耐磨性大幅度提高，最终该型拉刀的生产成本降低一半，而使用寿命提高一倍以上。

再举例说明本发明创造所取得的进步：老式卧式喷射成形机制成的双金属管坯芯管为内径80毫米、外径100毫米钢管，喷射沉积的金属厚度为30毫米、长度为500毫米的管坯。改用本发明的精密喷射成形金属管制造设备后，喷射沉积的金属收得率由原来的50-60%提高到70-80%，大大提高了生产效率、降低生产成本。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (11)

1.精密喷射成形金属管的制造设备，其特征在于：包括：

喷射室（11）；

立式旋转升降机构，其上端设有位于喷射室（11）内的沉积托盘（81），立式旋转升降机构可带动沉积托盘（81）旋转和升降；

立于沉积托盘（81）上的、与沉积托盘（81）随动的芯管（6）；

用于对所述芯管（6）加热的加热装置（9）；

惰性气体雾化喷射装置，其包括设在喷射室（11）靠上部的雾化喷嘴（4）及金属液导流管，金属液导流管的角度使得从金属液导流管出口喷射出的金属射流可喷射沉积至所述沉积托盘（81）及芯管（6）的壁上。

2.根据权利要求1所述的精密喷射成形金属管的制造设备，其特征在于：所述雾化喷嘴（4）为摆动方向呈沉积托盘（81）和/或芯管（6）的径向方向的摆动式喷嘴。

3.根据权利要求1所述的精密喷射成形金属管的制造设备，其特征在于：所述加热装置（9）位于喷射室（11）内并靠近芯管（6）。

4.根据权利要求3所述的精密喷射成形金属管的制造设备，其特征在于：所述加热装置（9）为高频或中频感应加热器。

5.根据权利要求1～4任一项所述的精密喷射成形金属管的制造设备，其特征在于：所述喷射室（11）为带有水冷套的圆柱形或立方形钢板焊接件。

6.一种精密喷射成形金属管的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

a）、准备如权利要求1～5任一项所述的精密喷射成形金属管制造设备；

b）、在喷射室（11）内充入惰性气体及利用加热装置（9）对芯管（6）进行预热；

c）、通过惰性气体雾化喷射装置形成射向沉积托盘（81）和/或芯管（6）壁上的金属射流，该金属射流喷射沉积至所述沉积托盘（81）及芯管（6）的壁上，同时令沉积托盘（81）及芯管（6）旋转及逐渐下降，从而成形出具有精密内孔和均匀壁厚的金属管。

7.根据权利要求6所述的精密喷射成形金属管的制造方法，其特征在于：在步骤c）之后，还包括以下步骤：

d）、直接在沉积托盘（81）上取下成形出来的金属管。

8.根据权利要求6或7所述的精密喷射成形金属管的制造方法，其特征在于：所述步骤c）中，金属射流呈往复式摆动，摆动方向沿沉积托盘（81）和/或芯管（6）的径向方向。

9.根据权利要求8所述的精密喷射成形金属管的制造方法，其特征在于：所述金属射流的喷射方向，与芯管（6）的轴线形成一夹角a，夹角a的角度为15°至60°之间。

10.采用如权利要求6～9任一项所述的精密喷射成形金属管的制造方法所制得的精密喷射成形金属管。

11.根据权利要求10所述的精密喷射成形金属管，其特征在于：其包括材质相异的内外两层，内层为所述芯管（6），外层为由材质与芯管（6）相异的金属射流喷射沉积成形。