CN105127218A - 一种高压纳米晶15CrMoG合金管材的制备新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高压纳米晶15CrMoG合金管材的制备新方法，本发明的特点是可以低成本制备高强度薄壁管材代替厚壁管材使用，通过采用余玄曲线模具通道拉拔15CRMOG合金管材一次后可实现15CRMOG合金管材的剧烈塑性变形，最终累积大变形，获得高强度纳米晶15CRMOG合金管材。本发明设计的圆形通道拉拔模具采用双层预应力套圈结构能够大幅度提高余玄曲线通道模具强度，提高模具的使用寿命。采用的锡熔体充实15CRMOG合金管材避免了管材在余玄曲线模具通道拉拔过程的横截面畸变，同时管材在两向应力下材料得到较好细化，使15CRMOG合金管材的力学性能得到进一步提高，保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。

Description

一种高压纳米晶15CrMoG合金管材的制备新方法

技术领域

本发明涉及一种金属管材的成形领域，特别是通过余弦通道模具，通过拉拔工艺实现15CrMoG合金管材料的纳米化，涉及到一种制备高压纳米晶15CrMoG合金管的方法及模具。

背景技术

目前，15CrMoG合金主要应用于锅炉管道、航空航天工业、电力工业和军工等应用领域，15CrMoG合金的特点可满足于航空航天等高科技领域对材料高可靠性、高疲劳性能、吸噪、减震的要求，可大大改善飞行器的流体动力学性能和明显提高飞行器发射的可靠性。从20世纪40年代开始，德国的火箭专家将15CrMoG合金首先应用于航空航天部门，其后美国和苏联也在航空航天工业和军工大量采用15CrMoG合金制造高压合金管。由于15CrMoG合金管材具备高疲劳寿命、耐腐蚀的特性，具有较高的力学性能、优良的抗流体冲压性能，能够适应火箭发射等极端考验。15CrMoG合金管对氯化物、硫化物和氨具有较高的耐蚀性能。15CrMoG合金管能耐偏二甲肼C₂H₈N₂等火箭燃料的长期腐蚀，其耐蚀性比铝合金、不锈钢、镍基合金还高。15CrMoG合金耐流体冲击性能也较强。因此，15CrMoG合金管在航空航天领域和军工领域中得到了重要的应用，主要用作高中压管道、导汽管，管壁温度为550℃的热器管。采用挤压技术可制备小口径厚壁管材，该方法采用棒料铸造-棒料加热及热挤压-轧制及拉伸成形，工序复杂，而且能耗高。采用焊接方法可制备大口径厚壁管材，该方法高效节能，减少工序，但是焊接工艺本身存在焊缝区与热影响区，而航空航天领域和军工领域对安全要求极高，因此，目前15CrMoG合金管的成形技术制约了15CrMoG合金管在航空航天领域和军工领域的进一步应用。

在合金钢相关专利中，申请号为201210132796.7的发明采用传统的表面处理，退火热处理和拉拔成形后获得表面不脱碳并不产生形变的液压缸通用合金钢管；申请号为200710020207.5的发明通过采用镍-铬-钼配制合金，通过下料、成型、酸洗和热处理获得镍-铬-钼合金钢管件成品，该发明能应用于本发明镍-铬-钼合金钢管件耐腐蚀性较强，能适用于石油、化工、烟道气体除硫、纸浆和造纸、化工厂、制药厂和放射性废弃物等特殊领域中最苛刻、复杂腐蚀环境的设备管道系统。但是，针对高压15CrMoG合金管的发明专门目前还没有出现，申请号为20110347299.4和201110374700.3的发明提出了一种用于管材的等通道变截面挤压和拉拔的方法，通过由圆-椭圆-圆及椭圆扭转变化，可使材料累积变形，可提高材料的强度，改善管材性能，但是采用该方法改变了模具通道的横截面，获得的管件不能较好的保持管道的原有截面几何形状。

本发明提出了一种余弦曲线通道模具拉拔方法，采用该方法理论上可获得无限长尺寸的高压纳米晶15CrMoG合金管，同时由于是一种等横截面通道变形可保持管道的原有截面几何形状，既能满足制备薄壁管的低加工成本，又能获得高压管材，部分替代厚壁管的使用。因此，本发明提出了一种改善15CrMoG合金管力学性能的余弦曲线通道模具拉拔法获得纳米晶高压15CRMoG合金管。

发明内容

本发明的目的是：为克服薄壁15CrMoG合金管的强度问题，提供一种高压纳米晶15CrMoG合金管的制备新方法，提供一种通过余弦曲线通道模具拉拔法，可以低成本获得较长尺寸高压纳米晶15CrMoG合金管，本发明使用的15CrMoG合金的化学成分(质量分数)(%)C：0.12-0.18，Si：0.17-0.37，Mn:0.40-0.70，Cr：0.8-1.1，Mo：0.44-0.55，其余为Fe。

本发明提出的一种余弦曲线通道模具拉拔法制备长尺寸15CrMoG合金管纳米晶15CrMoG合金管的方法包括以下步骤：

步骤一，管坯准备：将即将拉拔的管坯分为二部分，第一部分是管材拉拔端部分：该部分通过焊合密封，同时在端口部设置15CrMoG合金绳卡头；第二部分是管材主要拉拔部分：该部分将获得大应变，组织达到纳米化，最终获得优良的力学性能；向一端密封的15CrMoG合金管注入锡熔体进行冷却，通过该方法可以获得实心的15CrMoG合金管，避免在步骤二的变形中产生管材的横截面畸变。

步骤二，拉拔准备：将管坯进行磷化皂化后、在管坯外表面涂覆二硫化钼与石蜡混合物，把准备好的管坯的第一部分的钢丝绳卡头与拉拔装置的钢丝拉绳连接，然后在钢丝绳牵引下把管坯放入余弦曲线通道模具。

步骤三，拉拔变形：拉拔装置以5mm/s-20mm/s的牵引速度将管坯通过余弦曲线通道模具拉拔，拉拔后重复上一次的拉拔变形一次，通过两次拉拔可以累积足够的应变，从而获得高压纳米晶15CrMoG合金管。

步骤四，获得管材：将获得高压纳米晶15CrMoG合金管拉拔端部分向上垂直放置在加热槽中焙烧至230°C一小时，锡金属填充材料受热全部熔化流出，流出的锡料可以反复使用，同时15CrMoG合金管进行了去应力退火，获得力学性能优良的高压纳米晶15CrMoG合金管。

本发明实现15CrMoG合金管拉拔变形的余弦曲线通道模具，包括圆形通道凹模、第一层预应力压套、第二层预应力压套，及相应的附属部件钢丝绳卡头和钢丝绳。

本发明的有益效果是：采用此种方案，通过余弦曲线通道模具拉拔两次变形方法拉拔15CrMoG合金管，同时内部填充锡金属材料，对15CrMoG合金管内壁施加压应力能保证15CrMoG合金管在拉拔过程中横截面的形状及尺寸不改变，该方法可以实现15CrMoGo合金管的微观组织纳米化，从而获得性能优良的高压纳米晶15CrMoG合金管。在余弦曲线通道模具基础上实现了15CrMoG合金管的连续拉拔变形，既实现了管壁金属的纳米化，又减轻了操纵工人的劳动强度，拓宽了薄壁15CrMoG合金管的应用范围。

附图说明

下面是结合附图和实施例对本发明的具体实施方案进行详细地说明。

图1为本发明加工工艺简略示意图；

图2为本发明余弦曲线通道模具拉拔工艺装置图；

图3获得的挤压试样透射电镜微观照片；

图4为拉拔管材试样的应力-应变曲线。

上述图中的标记为：

图1为本发明加工工艺简略示意图的1.圆形通道凹模，2.挤压件管坯；

图2为本发明余弦曲线通道模具拉拔工艺装置图的1.余弦曲线通道凹模，2.挤压件管坯，3.第一层凹模预应力套圈，4.第二层凹模预应力套圈，5.卡头，6.钢丝绳，7.预应力模具底座。

具体实施方式

实施例、一种高压纳米晶15CrMoG合金管的制备新方法

将即将拉拔的管坯拔端部分焊合密封，同时在端口部设置钢绳卡头；向一端密封的15CrMoG合金管注入锡熔体进行冷却，通过该方法可以获得实心的15CrMoG合金管。将管坯进行磷化皂化后、在管坯外表面涂覆二硫化钼与石蜡混合物，把准备好的管坯的第一部分的钢丝绳卡头与拉拔装置的钢丝绳连接，然后在钢丝绳牵引下把管坯放入余弦曲线通道模具。拉拔装置以6mm/s的牵引速度将管坯通过余弦曲线通道模具拉拔，拉拔后再重复上一次的拉拔变形一次，然后将获得高压纳米晶15CrMoG合金管拉拔端部分向上垂直放置在加热槽中焙烧至230°后保温一小时，锡金属填充材料受热全部熔化流出，同时也相应对15CrMoG合金管进行了去应力退火工艺，获得力学性能优良的高压纳米晶15CrMoG合金管。

从图3所示的纳米晶15CrMoG合金拉拔管材光学电镜微观照片可以看出15CrMoG合金管的平均晶粒组织是小于1000nm的超细晶材料。从图4所示的15CrMoG拉拔管材试样拉伸真应力-应变曲线，可以看出，强度较传统试样提高50%，根据Hall-Pech公式可知，材料的晶粒尺寸越小，其外在宏观力学性能越高。

可知，变形后的15CrMoG合金管的平均晶粒组织是小于1000nm的超细晶材料其强度较传统试样提高50%。

本发明提供的一种高压纳米晶15CrMoG合金管可采用简单的线材拉拔加工设备，获得的材料有高的硬度和强度，同时保持较好的韧性。因此，本发明材料具有潜在的应用价值，特别在航空、航天和核电领域方面具有很好的优势。

本发明所采用的余弦曲线通道模具结构，均可采用现有技术，本发明并不局限于上述所列举的具体实施形式，凡本领域技术人员不经过创造性劳动所能得到的改进，均属于本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高压纳米晶15CrMoG合金管的制备新方法，可以低成本制备高强度薄壁管材代替厚壁管材使用，其特征是使用的15CrMoG合金的化学成分(质量分数)(%)C：0.12-0.18，Si：0.17-0.37，Mn:0.40-0.70，Cr：0.8-1.1，Mo：0.44-0.55，其余为Fe，通过余弦曲线通道模具拉拔法，可以低成本获得较长尺寸高压纳米晶15CrMoG合金管。

2.根据权利要求1所述的一种高压纳米晶15CrMoG合金管的制备新方法，其特征是：通过余弦曲线通道模具拉拔两次变形方法拉拔15CrMoG合金管，可实现15CrMoG合金管的剧烈塑性变形，最终累积大变形，获得高压纳米晶15CrMoG合金管。

3.根据权利要求1所述的一种高压纳米晶15CrMoG合金管的制备新方法，其特征是：变形后的15CrMoG合金管的平均晶粒组织是小于1000nm的超细晶材料其强度较传统试样提高50%。