CN106402509B - 管材、双层壁钢管以及制造双层壁钢管的方法 - Google Patents

管材、双层壁钢管以及制造双层壁钢管的方法 Download PDF

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Abstract

一种双层壁管包括内管壁和外管壁。内管壁和外管壁由管材制成，所述管材包括铁合金内层、铝硅合金第一外层和第二外层、置于所述内层与所述第一外层之间的第一中间层和置于所述内层与所述第二外层之间的第二中间层。所述第一和第二中间层包含铝、硅和铁。所述内管壁与所述外管壁钎焊在一起。

Description

管材、双层壁钢管以及制造双层壁钢管的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年7月27日提交的美国临时专利申请No.62/197,112的优先权，在此通过引用而将该申请明确并入本申请。
技术领域
本申请一般涉及管材和双层壁钢管。本申请一般还涉及制造双层壁钢管的方法。
背景技术
本部分仅提供与本申请相关的背景信息且可能并不构成现有技术。
双层壁管通常用于各种用途。例如，双层壁管可用于机动车液压液，如制动液。已知双层壁管的许多其它应用，包括燃料管线、油管线、加热和冷却装置等。
传统上，双层壁管可由镀铜低碳钢带(如ASTM A-254标准中描述的)制成。该镀铜钢带卷成管状，并随后在还原气氛中钎焊。可通过电阻焊、感应焊或熔炉焊中任一个实现钎焊。为了获得合适的接合部，有必要使温度达到约1010℃。随着温度降低，各层融合或凝固在一起。
将低碳钢基金属暴露在1010℃至1200℃的温度范围下引起被称为再结晶的金相转变。该金相转变可对晶粒尺寸和钢制品的整体机械性能有不利影响。因此这些包括高温的钎焊条件极大地限制了适于以双层壁管形式使用的钢的等级范围。
虽然已证明已知的双层壁钢管和制造双层壁钢管的相关方法对它们的预期用途来说一般是可接受的，但相关领域仍存在对双层壁钢管和制造双层壁钢管的相关方法改进的不断需求。
发明内容
本部分提供本申请的一般性概述，而不是本申请全部范围或其全部特征的全面公开。
根据一个特定方面，本申请提供了一种管材，该管材包括内层、第一和第二外层以及第一和第二中间层。内层是铁。第一和第二外层为铝硅合金。第一中间层置于内层与第一外层之间。第二中间层置于内层与第二外层之间。第一和第二中间层包含铝、硅和铁。
根据另一个特定方面，本申请提供了一种包括内管壁和外管壁的双层壁钢管。内管壁和外管壁由管材制成，该管材包括内层、第一和第二外层以及第一和第二中间层。内层是铁。第一和第二外层包含铝和硅。第一中间层置于内层与第一外层之间。第二中间层置于内层与第二外层之间。第一和第二中间层包含铝、硅和铁。
根据另一个特定方面，本申请提供了一种制造双层壁钢管的方法。该方法包括：将钢基体浸入铝和硅的熔池以在钢铁基体上生成铝硅外层。该方法还包括使铝和硅与钢反应以生成铝、硅和铁的第一和第二中间层。该方法还包括将产生的管材滚压成形为具有内管壁和外管壁的双层壁管。该方法更进一步包括钎焊双层壁管以使内管壁与外管壁融合。
更进一步的适用领域在本文提供的描述中将变得明显。本概述中的描述和特定示例仅用于说明，而不意在限制本申请的范围。
附图说明
通过详细描述、任意所附权利要求和下面的附图将更充分地理解本申请。附图仅用于说明而不意在限制本申请的范围。
图1为通过根据本申请构造的管材的各层的剖视图；
图1A为与图1相似的剖视图；
图1B为图1A中被框出的部分的放大图；
图2为根据本申请构造的双层壁钢管的简化剖视图；
图2A为与图2相似的剖视图；
图2B为图2A中被框出的部分的放大图；
图2C为图2B中被框出的部分的放大图；
图3显示出根据本申请的制造双层壁钢管的方法的一般步骤。
相应的参考标号表示全体附图的各视图中相应的部分。
具体实施方式
下面的描述实际上仅是示例性的，而并不意在限定本申请、其应用或用途。应当理解的是，在附图各处，相应的参考标号表示相似或相应部分和特征。
首先参照剖视图1A和1B，其示出了根据本申请构造的管材且总体由参考标号10指示。管材10显示一般包括内层12、第一和第二外层14以及第一和第二中间层16。内层12可以是钢带或高强度钢带。外层14可以是铝和硅的铝合金镀层。中间层16可以是金属间相(intermetallic phases)。
管材10可由热浸镀方法形成。热浸镀铝镀层可包括在铁氧体基材浸入熔融铝时，由于铁和铝之间的冶金反应形成的不同相的多相组合。通过常见的使用熔融铝的热浸镀方法，凝固后的镀层包括含100％铝的外层和称为合金层的中间层，该中间层包括FeAl3和Fe2Al5的金属间相。已有报道称该相的生长动力学为扩散控制，其中定速步骤为Al原子穿过Fe2Al5边界层的扩散。
根据本申请，在热浸镀渡液中处理钢基体12。在一个具体应用中，钢基体12为高强度钢，例如高强度、低合金钢或HSLA钢。然而应当认识到，其它钢也可用在本申请的范围内。考虑到相对低的成本，本示例钢可优选用于特定应用。
由于Al熔体中不存在Si，Fe将与自由Al结合以主要形成处于金属/镀层界面处的金属间化合物Fe2Al5。金属间相的生长速度可以非常高，从而可在约2秒的持续时间内达到约4-7微米的尺寸。另一方面，当将Si加入Al熔体后，Si降低了Fe的速度，使得Fe与Al的结合将会非常慢。因此，由于Al-Fe间的结合过程慢，新形成的FexSiyAlz金属间化合物层的生长速度将变慢，由此在约2秒的持续时间内金属间化合物层的尺寸将在约500纳米至3微米之间。此外，Si有益地使过程的温度稳定。这意味着，在钎焊过程中FexSiyAlz金属间化合物层不受到并且也不会受到温度的不利影响。也就是说，FexSiyAlz金属间化合物层将不会生长。当Si的重量百分比超过6％时，其对金属间化合物层的尺寸(即，厚度)可能就不会有更显著的影响。因此，可以达到更容易进行热浸镀的低共熔点12％(重量)，其中Al和Si完全互溶。这种薄的FexSiyAlz金属间化合物层改善了镀层的延展性并因此能够更严格制造，而不会脱落。
热浸镀镀液可包括约1～15％重量百分比的硅。在一个具体应用中，热浸镀镀液包含约12％重量百分比的硅。在另一应用中，热浸镀渡液可包含更大或更小重量百分比的硅。
热浸镀镀液含有12％重量百分比的硅，第一和第二外层或外镀层14相应地含有12％重量百分比的硅。可能需要更低的温度将铝层沉积在钢基体12上(低共熔点热浸镀法)。也就是说，硅的加入使得能够采用较低的温度。含有12％重量百分比的硅也有助于降低铁向镀铝层的扩散和铝向钢基体的扩散。第一和第二外层14的厚度范围可从约5微米至约16微米。在一个具体应用中，第一和第二外层14的厚度为约10微米。在该具体应用中，FexSiyAlz金属间化合物层16的范围可为从约2.4微米至约4.0微米。这种独特的金属间化合物层特别显示在图1的剖视图中，并进一步显示在图1A和图1B的剖视图中。在一个具体应用中，金属间化合物层16的重量百分比如下：44％重量百分比的Al、7％重量百分比的Si和49％重量百分比的Fe。此“中间”层构成于扩散/反应发生的位置。
特别参照图2、2A、2B和2C，示出了由本申请的管材10构造的双层壁钢管，其总体用参考标号20指示。管材10可被滚压或以其它常规方式制成图2中所示形式，例如以包括第一或外管层22以及第二或内管层24。应当理解的是，图2为简化的剖视图。就这一点而言，外管层22和内管层24的各层(如图1)并未明确示出。钢管20示出其包括位于管20的外层22与内层24间的钎焊接合部26。通常，当钎焊铝或铝合金时，在钎焊过程中氧化铝层不利地被置于金属界面(metal interferes)的表面。不同于钎焊铜组件，钎焊铝部件通常需要使用助焊剂。在冶金中，助焊剂为化学清洗剂、流动剂(flowing agent)或提纯剂。在接合过程中，助焊剂的作用通常是双重的：(1)溶解金属表面的氧化物，这有助于通过熔融金属浸润；和(2)通过覆盖热的表面充当氧化阻隔物，防止热的表面氧化。
有利地，可在没有助焊剂的情况下钎焊本申请的管材10。钎焊镀铝钢有利地根据电流提供较宽的窗口(钎焊通过被称为导电钎焊或连续电阻焊的已知方法进行)。在低电流(例如I＝6安培或更低)下，应利用碱性溶液清洗镀铝钢的表面以获得良好且牢固的钎焊接合部。在高电流(例如I＝11安培或更高)下，不需要清洁镀铝钢的表面以提供良好且牢固的钎焊接合部。根据一个应用，在下述条件下钎焊双层壁管20：约为0.89-2.1千牛的电极力、约6-11千安的电流以及约800毫秒至3秒的钎焊时间。
通过使用镀铝钢带，可以使用比传统的镀铜双层壁钢管钎焊温度(1000～1100℃)更低的温度(480～600℃)钎焊双层壁管20。通过降低钎焊温度，高强度钢材可替代传统的低碳低强度商品钢(也称为软钢)。如本文所使用的，将理解术语“高强度钢”是指屈服强度大于或等于400兆帕、抗拉强度大于或等于480兆帕以及50毫米伸长率大于或等于24％的钢。与使用传统低碳(软)钢基材相比，使用高强度钢基材可降低至双层壁管20总质量的30％。
参照图3，基于上文下面将理解的是，本申请的方法可包括将钢基体12浸入熔化的或液态的铝和硅的镀液中以提供包含铝和硅的铝合金外层14的一般步骤100。在第二一般步骤110中，本方法可包括形成Fe-Si-Al中间层16。在第三一般步骤120中，本方法可包括将产生的管材10滚压成形为双层壁管20。在第四一般步骤130中，本方法可包括钎焊管状体以使管20的第一层22和第二层24融合。
虽然在说明书中讨论并在附图中显示了具体示例，但本领域技术人员将理解的是，在不脱离本申请范围的情况下可以对其元件做出各种变形和等同替换。而且，在此可以明确地预期特征、元件和/或功能在各示例间的混合搭配，使得本领域技术人员将从本申请理解到一个示例的特征、元件和/或功能可视情况并入另一示例的一部分，除非另有说明。此外，在不脱离本申请基本范围的情况下，可以做出许多变型以适应本申请的具体情况或材料。因此，可意识到本申请并不局限于附图所示以及说明书中所述的具体示例，这些具体示例仅作为目前预期的实施本申请的最佳方式，而本申请的范围将包括落入上述说明和所附任意权利要求范围内的任何实施方式。

Claims (19)

1.一种管材，包括：
铁合金内层，所述铁合金是高强度低合金(HSLA)钢；
铝硅合金第一外层和第二外层；
置于所述内层与所述第一外层之间的第一连续中间层，使得所述内层不与所述第一外层接触；以及
置于所述内层与所述第二外层之间的第二连续中间层，使得所述内层不与所述第二外层接触；
其中，所述第一连续中间层和所述第二连续中间层包含铝、硅和铁。
2.根据权利要求1所述的管材，其中，所述第一外层和所述第二外层含有1％重量百分比至15％重量百分比的硅组分。
3.根据权利要求1所述的管材，其中，所述第一外层和所述第二外层含有12％重量百分比的硅组分。
4.根据权利要求1所述的管材，其中，所述第一外层和所述第二外层均具有5微米至16微米的厚度。
5.根据权利要求1所述的管材，其中，所述第一外层和所述第二外层均具有10微米的厚度。
6.根据权利要求1所述的管材，其中，所述第一连续中间层和所述第二连续中间层包含44％重量百分比的铝、7％重量百分比的硅以及49％重量百分比的铁。
7.一种双层壁钢管，包括：
内管壁；
外管壁；和
位于所述内管壁和所述外管壁之间的钎焊接合部，所述钎焊接合部不含有助焊剂；
其中所述内管壁和所述外管壁由管材制成，所述管材包括铁合金内层，所述铁合金是高强度低合金(HSLA)钢；铝硅合金第一外层和第二外层；置于所述内层与所述第一外层之间的第一连续中间层，使得所述内层不与所述第一外层接触；和置于所述内层与所述第二外层之间的第二连续中间层，使得所述内层不与所述第二外层接触；
其中，所述第一连续中间层和所述第二连续中间层包含铝、硅和铁。
8.根据权利要求7所述的双层壁钢管，其中，所述第一外层和所述第二外层含有1％重量百分比至15％重量百分比的硅组分。
9.根据权利要求7所述的双层壁钢管，其中，所述第一外层和所述第二外层含有12％重量百分比的硅组分。
10.根据权利要求7所述的双层壁钢管，其中，所述第一外层和所述第二外层均具有5微米至16微米的厚度。
11.根据权利要求7所述的双层壁钢管，其中，所述第一外层和所述第二外层具有10微米的厚度。
12.根据权利要求7所述的双层壁钢管，其中，所述第一连续中间层和所述第二连续中间层包含44％重量百分比的铝、7％重量百分比的硅以及49％重量百分比的铁。
13.制造权利要求7所述的双层壁钢管的方法，所述方法包括：
将铁合金基体浸入铝和硅的熔池以在钢铁基体上生成铝硅合金外层；
使铝和硅与所述铁合金基体的铁反应以生成铝、硅和铁的第一连续中间层和第二连续中间层；
将产生的管材滚压成形为具有内管壁和外管壁的双层壁管；
钎焊所述双层壁管以使所述内管壁与所述外管壁融合。
14.根据权利要求13所述的制造双层壁钢管的方法，其中，钎焊所述双层壁管包括在480℃和600℃之间的温度下钎焊。
15.根据权利要求13所述的制造双层壁钢管的方法，其中，所述第一外层和所述第二外层含有1％重量百分比至15％重量百分比的硅组分。
16.根据权利要求13所述的制造双层壁钢管的方法，其中，所述第一外层和所述第二外层含有12％重量百分比的硅组分。
17.根据权利要求13所述的制造双层壁钢管的方法，其中，所述第一外层和所述第二外层均具有5微米至16微米的厚度。
18.根据权利要求13所述的制造双层壁钢管的方法，其中，所述第一外层和所述第二外层均具有10微米的厚度。
19.根据权利要求13所述的制造双层壁钢管的方法，其中，所述第一连续中间层和所述第二连续中间层包含44％重量百分比的铝、7％重量百分比的硅以及49％重量百分比的铁。
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