CN109648049B - 碳纤维增强半弯管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强半弯管的制造方法，属于输送弯管领域。本发明的碳纤维增强半弯管的制造方法，包括以下步骤：步骤A、原料配置；步骤B、碳纤维增强半弯管的浇注系统制作；步骤C、原料熔炼；步骤D、碳纤维网层安装；步骤E、浇注成型；步骤F、热处理。本发明的目的在于将碳纤维材料有效复合到现有金属弯管上以提高弯管的使用寿命。

Description

碳纤维增强半弯管的制造方法
技术领域
本发明涉及一种建筑、矿山、冶金、电力、石油、煤炭、粮食加工等行业的输送弯管结构，更具体地说，涉及一种碳纤维增强半弯管的制造方法。
背景技术
弯管的成型技术主要有铸造成型、模压成型等，它们都是依靠成型模具，通过浇注或是热冷压工艺仿形生成的；无论是哪一种机器设备及管道，大部分都用到弯管，主要用以输送各种物料；弯管的材料有铸铁、不锈钢、合金钢、可锻铸铁、碳钢、有色金属及塑料等材质；在建筑、矿山、冶金、电力、石油、煤炭、粮食加工等行业中，物料的输送是通过管道压力输送，输送管受到较大的压力和严重的磨损。因此对输送管，特别是连接弯管有较高的综合性能要求，提高弯管的使用寿命，现已成为很难攻克的难题。
现有技术中关于耐磨抗冲击弯管已有相关技术方案公开，如专利公开号：CN204717206 U，公开日：2015年10月21日，发明创造名称为：一种外整体、内两分双层式耐磨抗冲击弯管，该申请案公开了一种外整体、内两分双层式耐磨抗冲击弯管，它由外整体内两分双层弯管、两个耐磨连接法兰、法兰焊缝组成；本外整体、内两分双层式耐磨抗冲击弯管用于建筑、矿山、冶金、电力、石油、煤炭、粮食加工等行业的恶劣环境，设计为外整体、内两分双层的独特结构，分为保护层与耐磨层，耐磨性能好，使用寿命长，性价比高，容易实现大批量生产，质量稳定可靠，安全性能高。但是，上述申请案存在的技术问题在于：其中的半弯管虽然具有耐磨层的保护，但是耐磨层的耐磨性能受限于现有钢材，从而无法进一步提高半弯管的使用寿命。
碳纤维材料本身具有耐磨性、高强度、刚度性好和柔韧性强等突出优点，基于碳纤维材料的上述突出优点，现有技术中提出将碳纤维材料复合到弯管的制造过程中，例如专利公开号：CN 102514169 A，公开日：2012年06月27日，发明创造名称为：以碳纤维为增强层的硅橡胶挤出胶管及其制造工艺，该申请案包括以下步骤：在要求尺寸的模芯上挤出一层内胶层；对碳纤维布进行表面处理，提高其表面极性基团的含量；将经过表面处理的碳纤维布作为增强层编织或缠绕在在内胶层上；在碳纤维布上挤出一层外胶层，包覆在碳纤维布表面；成型完毕，将所得胶管硫化，获得成品，其中内胶层和外胶层包括硅橡胶。该申请案以碳纤维布作为增强层制造硅橡胶包布胶管，不仅解决了现有硅橡胶胶管强度低，耐压能力差的问题，而且提高了硅橡胶胶管的耐温性能，最大限度的发挥硅橡胶的耐温和耐压性能。但是，该申请案的不足之处在于：该申请案的硅橡胶挤出胶管仅适用于非金属材质弯管上复合碳纤维耐磨材料，不适宜金属弯管的制造。
又如利公开号：CN 103256436 A，公开日：2013年08月21日，发明创造名称为：一种用于输送混凝土的碳纤维输送管道及其制作方法，该申请案中碳纤维输送管道其配料组成中碳纤维材料的含量为100％，标准型直管的管壁厚度为4mm以上，加厚型直管的管壁厚度为7mm以上；弯管管壁的最薄处为7mm以上，最厚处为14mm以上；该申请案中碳纤维输送管道的制作方法主要包括以下步骤：S1.氧化处理，得到预氧化碳纤丝；S2.炭化处理，包括中温炭化和高温炭化先后两个阶段，得到石墨化的碳纤丝；S3.编网，得到成块的碳纤维布；S4.粘固成型，得到碳纤维管道制品。采用该申请案制作方法制成的碳纤维输送管道，具有质量轻、使用寿命长、冲击小、压力损失小等突出优点，而且输送管道的管径可以增大，有利于提高生产率。但是，该申请案的不足之处在于：该申请案中碳纤维输送管道完全采用碳纤维材料制造，生产成本过高，难以广泛推广使用。
还如利公开号：CN 202691407 U，公开日：2013年01月23日，发明创造名称为：一种高分子增强复合耐磨弯管，该申请案的耐磨弯管包括耐磨钢铁弯管本体以及紧固包覆于弯管本体外周面的一层玻纤或碳纤维增强高分子层，该申请案克服了单一弯管由于韧性的不足带来的安全问题。但是，该申请案的不足之处在于：该申请案中将碳纤维增强高分子层包覆于弯管本体外周面，虽然提高了弯管的韧性，但却无法提高弯管内部的耐磨性。
综上所述，如何将碳纤维材料有效的复合到现有的金属弯管上以提高弯管的使用寿命，是现有技术中亟需解决的技术间题。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于将碳纤维材料有效复合到现有金属弯管上以提高弯管的使用寿命。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的碳纤维增强半弯管的制造方法，包括以下步骤：
步骤A、原料配置；
步骤B、碳纤维增强半弯管的浇注系统制作；
步骤C、原料熔炼；
步骤D、碳纤维网层安装；
步骤E、浇注成型；
步骤F、热处理。
作为本发明更进一步的改进，步骤B中，所述碳纤维增强半弯管的浇注系统包括通过黏土制作的砂型，该砂型包括若干个相互平行且水平放置的半弯管型腔，且所述半弯管型腔的开口均向下；一型腔上模和一型腔下模合模后得到一所述半弯管型腔，该半弯管型腔用于浇注碳纤维增强半弯管。
作为本发明更进一步的改进，所述碳纤维增强半弯管包括半弯管本体，所述半弯管本体为一弯管沿轴向切开的一半，且该半弯管本体为所述弯管靠近折弯方向一侧的一半，所述折弯方向为弯管由内侧向外侧的方向；所述半弯管本体设计为从两端A向中间B变厚与两侧C向中间D变厚；所述半弯管本体内侧面的中部设置有增强凸起部，该增强凸起部内夹有碳纤维网层。
作为本发明更进一步的改进，所述增强凸起部外表面为向半弯管本体内侧面方向凸起的弧形面。
作为本发明更进一步的改进，所述碳纤维网层为向半弯管本体外侧面方向凸起的弧形。
作为本发明更进一步的改进，步骤D中，首先将碳纤维网自下而上逐渐浸入熔炼后的铁水中，然后将碳纤维网取出，碳纤维网冷却凝固后形成碳纤维网层，最后将碳纤维网层卡入型腔下模内供所述增强凸起部浇注成型的区域。
作为本发明更进一步的改进，步骤D中，首先将碳纤维网层弯曲为弧形，然后将碳纤维网层卡入型腔下模内供所述增强凸起部浇注成型的区域，且控制碳纤维网层为向型腔上模方向凸起的弧形。
作为本发明更进一步的改进，相邻两个半弯管型腔的对应侧上连接有同一个内浇道，该内浇道通过其上方的横浇道与竖浇道连通，竖浇道与其上方的浇口杯连通；
所述内浇道为一沿着半弯管型腔侧边弯曲的条形腔；
所述横浇道其上侧为在半弯管型腔长度方向上由中间向两边延伸的两个斜面，所述横浇道其下侧为与所述内浇道上侧配合的弧形面。
作为本发明更进一步的改进，每个内浇道包括若干段，相邻两段内浇道之间填充有黏土层。
作为本发明更进一步的改进，所述半弯管型腔上侧的中间设有冒口，该冒口与半弯管型腔连通处为上大下小的梯形腔。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明中，在半弯管本体内侧面的中部设置有增强凸起部，且在增强凸起部内夹有碳纤维网层，使得半弯管本体内侧面中部处的耐磨性得到有效提高，其中，增强凸起部突出于半弯管本体的内侧面，使得物料首先与增强凸起部进行摩擦接触，对半弯管本体内侧面中部起到有效保护作用，同时，增强凸起部的设置为碳纤维网层的安装提供了条件，使得碳纤维网层能够有效定位安装在半弯管本体内侧面中部附近，从而将碳纤维材料有效复合到半弯管本体上，增强凸起部和碳纤维网层配合作用共同提高了半弯管本体的使用寿命。
(2)本发明中，增强凸起部外表面为向半弯管本体内侧面方向凸起的弧形面，该弧形面的设计能够有效减少增强凸起部外表面与物料之间的摩擦力，有利于物料顺着弧形面表面顺利通过，同时，增强凸起部外表面为向外凸起的弧形面，与弧形面中部受到的摩擦冲击较大、弧形面两侧受到的摩擦冲击较小的工作条件相配合，在半弯管本体使用较长时间后，增强凸起部处被逐渐磨损至与半弯管本体内侧面相适应的弧形面，且此时碳纤维网层为向半弯管本体外侧面方向凸起的弧形，使得半弯管本体内侧面中部处的碳纤维网层均匀的漏出，整个半弯管本体内侧面中部处均在碳纤维网层的保护之下，有效的发挥了碳纤维网层的耐磨等特性，显著提高了半弯管本体的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为现有半弯管的结构示意图；
图2为图1中半弯管的横剖面结构示意图(图中F所示为弯管的折弯方向)；
图3为图1中半弯管的纵剖面结构示意图；
图4为本发明中基于现有半弯管结构改进区域的示意图(图中S处为增强凸起部101的设置位置)；
图5为本发明中碳纤维增强半弯管的纵剖面结构示意图；
图6为本发明中半弯管型腔的纵剖面结构示意图；
图7为本发明中砂型的主视结构示意图；
图8为本发明中砂型的俯视结构示意图(未画出浇口杯及竖浇道)；
图9为图8中沿Z向的结构示意图(未画出半弯管型腔)；
图10为本发明中碳纤维增强半弯管的制造方法的流程图。
示意图中的标号说明：1、半弯管本体；101、增强凸起部；102、碳纤维网层；2、半弯管型腔；201、冒口；202、浇口杯；203、横浇道；204、内浇道；3、型腔上模；4、型腔下模。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
现有技术中关于耐磨抗冲击弯管已有相关技术方案公开，本申请人已于2016年12月31日申报了关于半弯管制造方法的相关技术方案(申请号：201611268911.8)，其中半弯管的结构参考图1-3。但是，现有铁质半弯管受限于自身材质，很难再进一步提高自身使用寿命。碳纤维材料本身具有耐磨性、高强度、刚度性好和柔韧性强等突出优点，基于碳纤维材料的上述突出优点，现有技术中提出将碳纤维材料复合到弯管的制造过程中，但是并未找到一种将碳纤维材料有效的复合到现有的金属弯管上以提高弯管使用寿命的科学方案。
参考图4-10，本实施例的碳纤维增强半弯管的制造方法，包括以下步骤：步骤A、原料配置：准备好浇注原料；步骤B、碳纤维增强半弯管的浇注系统制作；步骤C、原料熔炼：将浇注原料熔炼为浇注的铁水；步骤D、碳纤维网层102安装；步骤E、浇注成型；步骤F、热处理：对浇注成型的碳纤维增强半弯管进行一定的热处理。
步骤A中，原料元素按质量百分比包括以下：C：3.6-3.8％、Cr：26～28％、Mo：0.3～0.5％、Cu：0.4～0.5％、Ni：0.6～0.8％、V：0.3～0.5％、Si、Mn均≤0.8％、P、S均≤0.04％，其余为Fe。上述质量百分比的原料相互配合，经实际生产验证，其铸造出的高铬铸铁耐磨性大大提高，使用寿命为普通高锰钢材的3倍以上，且产品硬度可达到HRC：63～65。
步骤B中，碳纤维增强半弯管的浇注系统包括通过黏土制作的砂型，该砂型包括若干个相互平行且水平放置的半弯管型腔2，且半弯管型腔2的开口均向下；一型腔上模3和一型腔下模4合模后得到一半弯管型腔2，该半弯管型腔2根据碳纤维增强半弯管的结构制作，半弯管型腔2用于浇注碳纤维增强半弯管；碳纤维增强半弯管包括半弯管本体1，半弯管本体1为一弯管沿轴向切开的一半，且该半弯管本体1为弯管靠近折弯方向一侧的一半，折弯方向为弯管由内侧向外侧的方向(图2中F标出了弯管的折弯方向)；半弯管本体1设计为从两端A向中间B变厚与两侧C向中间D变厚；半弯管本体1内侧面的中部设置有增强凸起部101，该增强凸起部101内夹有碳纤维网层102，其中，增强凸起部101外表面为向半弯管本体1内侧面方向凸起的弧形面，碳纤维网层102为向半弯管本体1外侧面方向凸起的弧形。
步骤D中，首先将碳纤维网自下而上逐渐浸入步骤C熔炼后的铁水中(即，将碳纤维网竖直放置，然后从上方逐渐向下移动并浸入到下方的铁水中)，然后将碳纤维网取出，碳纤维网冷却凝固后形成碳纤维网层102，首先将碳纤维网层102弯曲为弧形，然后将碳纤维网层102卡入型腔下模4内供增强凸起部101浇注成型的区域，且控制碳纤维网层102为向型腔上模3方向凸起的弧形。
弯管在实际使用过程中，主要受到物料冲击磨损的地方为半弯管本体1内侧面的中部，本实施例中，在半弯管本体1内侧面的中部设置有增强凸起部101，且在增强凸起部101内夹有碳纤维网层102，使得半弯管本体1内侧面中部处的耐磨性得到有效提高，其中，增强凸起部101突出于半弯管本体1的内侧面，使得物料首先与增强凸起部101进行摩擦接触，对半弯管本体1内侧面中部起到有效保护作用，同时，增强凸起部101的设置为碳纤维网层102的安装提供了条件，使得碳纤维网层102能够有效定位安装在半弯管本体1内侧面中部附近，从而将碳纤维材料有效复合到半弯管本体1上，增强凸起部101和碳纤维网层102配合作用共同提高了半弯管本体1的使用寿命。
本实施例中，增强凸起部101外表面为向半弯管本体1内侧面方向凸起的弧形面，该弧形面的设计能够有效减少增强凸起部101外表面与物料之间的摩擦力，有利于物料顺着弧形面表面顺利通过，同时，增强凸起部101外表面为向外凸起的弧形面，与弧形面中部受到的摩擦冲击较大、弧形面两侧受到的摩擦冲击较小的工作条件相配合，在半弯管本体1使用较长时间后，增强凸起部101处被逐渐磨损至与半弯管本体1内侧面相适应的弧形面，且此时碳纤维网层102为向半弯管本体1外侧面方向凸起的弧形(即此时增强凸起部101处与碳纤维网层102均为向内凹陷的弧形面，二者保持相对平行的状态)，使得半弯管本体1内侧面中部处的碳纤维网层102均匀的漏出，整个半弯管本体1内侧面中部处均在碳纤维网层102的保护之下，有效的发挥了碳纤维网层102的耐磨等特性，显著提高了半弯管本体1的使用寿命。
在将碳纤维材料复合到半弯管本体1上时，一个突出的问题是碳纤维材料放置于半弯管型腔2内时，碳纤维材料在铁水浇注过程中一方面容易被铁水冲走，另一方面难以保持住呈面状的展开状态，本实施例的步骤D中，首先将碳纤维网自下而上逐渐浸入熔炼后的铁水中，然后将碳纤维网取出，碳纤维网冷却凝固后形成碳纤维网层102，以上方法能够将柔性的碳纤维网预制成具有一定刚度的碳纤维网层102，然后将碳纤维网层102弯曲为弧形，最后将碳纤维网层102卡入型腔下模4内供增强凸起部101浇注成型的区域，且控制碳纤维网层102为向型腔上模3方向凸起的弧形，其中，型腔下模4内供增强凸起部101浇注成型的区域，一方面用于浇注成型整个增强凸起部101，另一方面用于碳纤维网层102的卡入，其中因碳纤维网层102具有一定的弹性，其两端能够方便的卡在型腔下模4内供增强凸起部101浇注成型的区域。
实施例2
本实施例的碳纤维增强半弯管的制造方法，与实施例1基本相同，更进一步的：相邻两个半弯管型腔2的对应侧上连接有同一个内浇道204，该内浇道204通过其上方的横浇道203与竖浇道连通，竖浇道与其上方的浇口杯202连通；内浇道204为一沿着半弯管型腔2侧边弯曲的条形腔；横浇道203其上侧为在半弯管型腔2长度方向上由中间向两边延伸的两个斜面，横浇道203其下侧为与内浇道204上侧配合的弧形面。
本实施例中，内浇道204为一沿着半弯管型腔2侧边弯曲的条形矩形腔，横浇道203其上侧为在半弯管型腔2长度方向上由中间向两边延伸的两个斜面，横浇道203其下侧为与内浇道204上侧配合的弧形面，通过内浇道204和横浇道203的特殊结构设计，可以使得铁水均匀平缓地流入半弯管型腔2内，从而显著提高碳纤维增强半弯管最终的铸造质量，避免了大量产品缺陷。
实施例3
本实施例的碳纤维增强半弯管的制造方法，与实施例2基本相同，更进一步的：每个内浇道204包括若干段，相邻两段内浇道204之间填充有黏土层。
本实施例中，设置每个内浇道204包括若干段，相邻两段内浇道204之间填充黏土层，由于内浇道204采用间隔的分段式结构，使得相邻两个半弯管型腔2的对应侧边不易因内浇道204的整体凝固而发生微小变形，从而大大提高碳纤维增强半弯管铸造的尺寸精度。
实施例4
本实施例的碳纤维增强半弯管的制造方法，与实施例3基本相同，更进一步的：半弯管型腔2上侧的中间设有冒口201，该冒口201与半弯管型腔2连通处为上大下小的梯形腔。
本实施例中，半弯管型腔2上侧的中间设有冒口201，该冒口201与半弯管型腔2连通处为上大下小的梯形腔，通过梯形腔的设置，铁水能够有效进入半弯管型腔2上侧的中间，充分发挥冒口补缩的作用，避免产品芯部疏松的问题。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.碳纤维增强半弯管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、原料配置；
步骤B、碳纤维增强半弯管的浇注系统制作；
步骤C、原料熔炼；
步骤D、碳纤维网层(102)安装；
步骤E、浇注成型；
步骤F、热处理；
步骤B中，所述碳纤维增强半弯管的浇注系统包括通过黏土制作的砂型，该砂型包括若干个相互平行且水平放置的半弯管型腔(2)，且所述半弯管型腔(2)的开口均向下；一型腔上模(3)和一型腔下模(4)合模后得到一所述半弯管型腔(2)，该半弯管型腔(2)用于浇注碳纤维增强半弯管；
所述碳纤维增强半弯管包括半弯管本体(1)，所述半弯管本体(1)为一弯管沿轴向切开的一半，且该半弯管本体(1)为所述弯管靠近折弯方向一侧的一半，所述折弯方向为弯管由内侧向外侧的方向；所述半弯管本体(1)设计为从两端A向中间B变厚与两侧C向中间D变厚；所述半弯管本体(1)内侧面的中部设置有增强凸起部(101)，该增强凸起部(101)内夹有碳纤维网层(102)；
所述增强凸起部(101)外表面为向半弯管本体(1)内侧面方向凸起的弧形面；
所述碳纤维网层(102)为向半弯管本体(1)外侧面方向凸起的弧形；
步骤D中，首先将碳纤维网自下而上逐渐浸入熔炼后的铁水中，然后将碳纤维网取出，碳纤维网冷却凝固后形成碳纤维网层(102)，最后将碳纤维网层(102)卡入型腔下模(4)内供所述增强凸起部(101)浇注成型的区域。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强半弯管的制造方法，其特征在于：步骤D中，首先将碳纤维网层(102)弯曲为弧形，然后将碳纤维网层(102)卡入型腔下模(4)内供所述增强凸起部(101)浇注成型的区域，且控制碳纤维网层(102)为向型腔上模(3)方向凸起的弧形。
3.根据权利要求2所述的碳纤维增强半弯管的制造方法，其特征在于：相邻两个半弯管型腔(2)的对应侧上连接有同一个内浇道(204)，该内浇道(204)通过其上方的横浇道(203)与竖浇道连通，竖浇道与其上方的浇口杯(202)连通；
所述内浇道(204)为一沿着半弯管型腔(2)侧边弯曲的条形腔；
所述横浇道(203)其上侧为在半弯管型腔(2)长度方向上由中间向两边延伸的两个斜面，所述横浇道(203)其下侧为与所述内浇道(204)上侧配合的弧形面。
4.根据权利要求3所述的碳纤维增强半弯管的制造方法，其特征在于：每个内浇道(204)包括若干段，相邻两段内浇道(204)之间填充有黏土层。
5.根据权利要求4所述的碳纤维增强半弯管的制造方法，其特征在于：所述半弯管型腔(2)上侧的中间设有冒口(201)，该冒口(201)与半弯管型腔(2)连通处为上大下小的梯形腔。
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Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Dangtu County sub branch

Pledgor: MA'ANSHAN HAITIAN HEAVY INDUSTRY TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd.

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