CN110340148A - 一种海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔方法 - Google Patents

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    • B21BROLLING OF METAL
    • B21B19/00Tube-rolling by rollers arranged outside the work and having their axes not perpendicular to the axis of the work
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Abstract

一种海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔方法,通过将头尾定心孔的组合设计、抗氧化涂层的使用、感应加热与电阻炉保温相结合的加热工序,能够利用现有设备高效稳定地生产两相钛合金无缝管坯,能够穿制不同规格、力学性能优异的管坯,从而有效降了低生产成本,本发明能够生产外径为60~100mm,壁厚为6~10mm的小口径薄壁钛管坯,其屈服强度≥850MPa,抗拉强度≥950MPa,伸长率≥13%,断面收缩率≥34%,冲击功≥40J,得到的管坯为后续轧制工序提供优质的原材料,有利于钛合金无缝管在海洋工程领域的大规模应用,具有广阔的应用前景。

Description

一种海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔方法
技术领域
本发明涉及钛合金管材加工技术领域,具体涉及一种海洋用钛合金无缝管坯的斜轧穿孔工艺。
背景技术
随着海洋油气田钻井深度的逐步增大,高压、高腐蚀以及复杂水流变化的苛刻工况使传统镍基合金厚壁管道已不能满足生产现状的需求;而钛合金凭借耐低温、耐腐蚀、低密度、高比强度、高韧性等一系列优点,被誉为天然的海洋工程材料。因此,迫切需要一种高性能钛合金无缝管,在减轻结构重量的同时,提高服役装备的安全性能和使用寿命。
优质钛合金无缝管坯是获得高性能钛合金无缝管材的关键,一般采用圆棒坯挤压成型或钻镗孔法制备。在公开号为CN102284539的发明创造中公布了一种采用挤压法生产Gr.9无缝管坯的工艺,它不仅要求在空心棒坯的内外表面覆盖铜板,而且要求穿孔针表面和挤压筒内涂抹润滑油,复杂的工艺规程和昂贵的设备造成生产成本居高不下。在公开号为CN108213865的发明创造中采用一种钻孔+线切割的方法来生产钛合金无缝管坯,尽管节约了贵金属铜且缩短了生产周期,但存在着材料利用率低、综合生产成本高的问题。
上述两种工艺的种种缺陷一直制约着钛合金无缝管在国民经济领域的大规模应用;相比之下,斜轧穿孔法由于设备投资少、成材率高、生产效率高,具有显著的成本优势。但是,现有钛合金无缝管坯斜轧穿孔技术主要集中于纯钛领域。在公开号为CN107413852的发明创造中公开了一种用于生产TA2纯钛毛管的斜轧穿孔工艺,为了防止钛坯在加热过程中产生较厚的氧化层,要采用微氧化性气氛进行加热。在公开号为CN104889163的发明创造中,为了防止纯钛在斜轧穿孔过程中黏连工具,不仅要用等离子热喷涂的方式在导板上覆盖一层氧化锆,而且还要在前导板工作面上涂抹氮化硼润滑剂。尽管所述发明创造都公开了无缝管坯的斜轧穿孔工艺,但是所涉及的对加热炉的升级改造以及润滑剂的复杂涂覆方式,限制了斜轧穿孔法制备钛合金无缝管坯的应用;再加上其应用的纯钛材料特征与添加了众多合金元素的两相钛合金不同,两相钛合金变形抗力大约为纯钛材料的1.1~1.5倍、热加工窗口更窄,仅使用车光的棒坯作为原材料极易出现偏心或轧卡事故。因此,两相钛合金的无缝管坯的斜轧穿孔工艺很难从已有技术积累中取得有价值的借鉴。因此,提供一种能够高效稳定生产海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔工艺就成为该领域的技术关键。
发明内容
为克服现有技术中存在的极易出现偏心或轧卡事故的不足,本发明提出了一种海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔方法。
本发明的具体过程是:
步骤1,棒坯的预处理:
所述棒坯的预处理包括加工定心孔和棒坯表面涂层:
在圆棒坯两端端面的中心加工出定心孔,其中头部定心孔的轴长度:尾部定心孔的轴长度=1:2。
在棒坯表面均匀涂覆一层抗氧化涂层。
所述抗氧化涂层中:硼硅酸盐玻璃:改性有机硅丙烯酸树脂:水=40:40:20构成。
步骤2,棒坯芯表温度均匀化处理:
将经过预处理的棒坯装入中频感应加热装置中。将该棒坯在3~10min由室温升至相变点以上10~60℃。通过推料杆将加热至相变点的棒坯转移至电阻炉中继续加热至相变点以上10~60℃并保温50~60min,从而使棒坯芯表温度均匀,温差≤5℃。
步骤3,斜轧穿孔:
对经过温度均匀化处理的棒坯实施斜轧穿孔。
穿孔操作前,采用火焰加热的方式对穿孔机的全钼顶头进行预热,使该顶头表面温度达到200℃。
棒坯出炉,并装入穿孔机;使穿孔机的全钼顶头与棒坯的头部定心孔对正后,穿入棒坯直至尾部,通过棒坯尾孔穿出,从而得到无缝管坯预制件。
所述斜轧穿孔的参数:直径压下率为10.5~12.5%,顶头前压下率为5.5~7.5%、椭圆度为1.05~1.22、轧辊转速为30~60rmp,辗轧角为15°,送进角为8~12°。
步骤4,制作钛合金无缝管坯:
通过在线热矫直对得到的无缝管坯预制件进行矫直,并在空气中自然冷,得到钛合金无缝管坯。所述钛合金无缝管坯的外径为82~95mm,壁厚为8.5~9.5mm。
步骤5,测试:
对得到的钛合金无缝管坯进行室温拉伸性能测试和低温夏比冲击性能测试。所述低温夏比冲击性能测试的试样温度为-10℃,试样尺寸为10×7.5×55mm,试样类型为V口。
本发明的目的是提供一种海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔工艺,以解决挤压成型和钻镗孔法制备钛合金无缝管坯所导致的生产效率低,成材率低的问题。该工艺流程不仅能高效稳定地生产钛合金无缝管坯,而且穿制的管坯力学性能优异。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔工艺,包括以下步骤:
本发明中头部定心孔的使用,使棒坯心部能够准确对中顶头,避免了偏心现象从而保证管坯壁厚均匀。尾部定心孔的设计,除有利于增加壁厚均匀性外,还可以避免顶头不能穿出、包尾等后卡问题的发生。抗氧化涂层的使用,既避免了高温环境钛坯料与氧气反应使管坯强度提高塑性变差,又防止了坯料与工模具粘连而划伤钛管表面。感应加热结合电阻炉保温,不仅提高了加热效率,缩短了钛合金在单相区停留的时间,避免了因β晶粒过分粗大而造成的性能恶化;而且保证了棒坯芯表温度均匀。
本发明还提供一种海洋用两相钛合金无缝管坯。
上述海洋用两相钛合金无缝管坯是按上述生产工艺流程制备的。
上述海洋用两相钛合金无缝管坯的外径可达82~95mm,壁厚可达8.5~9.5mm。
上述海洋用两相钛合金无缝管坯的屈服强度≥850MPa,抗拉强度≥950MPa,伸长率≥13%,断面收缩率≥34%,冲击功≥40J。
本发明的有益效果是:通过将现有常规方式合理地配合,如头尾定心孔的组合设计、抗氧化涂层的使用、感应加热与电阻炉保温相结合的加热工序等,不仅可以利用现有设备高效稳定地生产两相钛合金无缝管坯,从而大大降低生产成本;而且穿制的管坯规格多、力学性能优异。利用本发明的方法,可以生产外径82~95mm,壁厚8.5~9.5mm的小口径薄壁钛管坯,其屈服强度≥850MPa,抗拉强度≥950MPa,伸长率≥13%,断面收缩率≥34%,冲击功≥40J。因此,该斜轧穿孔管坯可以为后续轧制工序提供优质的原材料,有利于钛合金无缝管在海洋工程领域的大规模应用,具有广阔的应用前景。
具体实施方式
本发明采用本领域常规的设备进行钛合金无缝管坯的斜轧穿孔。所述本本领域常规的设备是频感应加热装置、电阻炉和斜轧穿孔机。
本发明将通过四个具体实施例详细说明本发明的技术方案。各实施例中所选海洋用钛合金的名义成分均为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo。
本发明工艺流程如下:
步骤1,棒坯的预处理:
所述棒坯的预处理包括加工定心孔和棒坯表面涂层:
在Ф75mm×650mm圆棒坯两端端面的中心加工出定心孔,其中头部定心孔尺寸为Ф25mm×25mm,尾部定心孔尺寸为Ф25mm×50mm。
在棒坯表面均匀涂覆一层抗氧化涂层。所述抗氧化涂层由40%的硼硅酸盐玻璃、40%的改性有机硅丙烯酸树脂和20%的水混合组成;将配制好的浆料均匀涂于棒坯表面,待浆料干燥后即获得白色涂层均匀致密地覆盖于棒坯表面。
步骤2,棒坯芯表温度均匀化处理:
将经过预处理的棒坯经自动上料机装入中频感应加热装置中。将该棒坯在4min内由室温升至相变点以上40℃。通过推料杆将加热至相变点的棒坯转移至电阻炉中继续加热至相变点以上40℃并保温50min,从而使棒坯芯表温度均匀,温差≤5℃。
步骤3,斜轧穿孔:
对经过温度均匀化处理的棒坯实施斜轧穿孔。
穿孔操作前,采用火焰加热的方式对穿孔机的全钼顶头进行预热,使该顶头表面温度达到200℃,以防止棒坯与冷顶头接触后温降太多,变形抗力增大而导致轧卡。
棒坯出炉,通过翻转机构经输送辊道运至穿孔机前台受料槽中,启动推钢装置将所述棒坯推入穿孔机,全钼顶头首先对中棒坯的头部定心孔以避免偏心,随后穿入棒坯直至尾部,最后通过棒坯尾孔穿出以避免包尾,从而得到无缝管坯的预制件。斜轧穿孔的参数:直径压下率为10.5%,顶头前压下率为6.8%、椭圆度为1.05、轧辊转速为60rmp,辗轧角为15°,送进角为10.5°。
步骤4,制作钛合金无缝管坯
通过在线热矫直对得到的无缝管坯的预制件进行矫直,并自然冷却后得到钛合金无缝管坯。
所述在线热矫直的具体过程是,将得到的钛合金无缝管坯脱出顶杆系统后,由翻料装置翻出,经输送辊道运至六辊矫直机,利用余温进行在线热矫直。矫直温度为800~900℃。
经过上述步骤后,成功生产出Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金无缝管坯,规格为Ф82×8.5mm。
步骤5,测试:
对得到的合金无缝管进行室温拉伸性能测试和低温夏比冲击性能测试。所述低温夏比冲击性能测试的试样温度为-10℃,试样尺寸为10×7.5×55mm,试样类型为V口。
本发明中各实施例的工艺过程相同。各实施例的工艺参数见表1:
表1各实施例的工艺参数
对上述各实施例得到的管坯做室温拉伸性能测试和低温夏比冲击性能测试,具体指标如下表:
表2各实施例的室温拉伸性能测试指标和低温夏比冲击性能测试指标
屈服强度 抗拉强度 伸长率 断面收缩率 冲击功
实施例1 864MPa 961MPa 14.5% 40% 43J
实施例2 853MPa 950MPa 13.5% 34% 41J
实施例3 875MPa 955MPa 13.7% 36% 42J
实施例4 865MPa 961MPa 13.5% 37% 41J

Claims (5)

1.一种海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔方法,其特征在于,具体过程是:
步骤1,棒坯的预处理:
所述棒坯的预处理包括加工定心孔和棒坯表面涂层:
在圆棒坯两端端面的中心加工出定心孔,其中头部定心孔的轴长度:尾部定心孔的轴长度=1:2;
在棒坯表面均匀涂覆一层抗氧化涂层;
步骤2,棒坯芯表温度均匀化处理:
将经过预处理的棒坯装入中频感应加热装置中;将该棒坯在3~10min由室温升至相变点以上10~60℃;通过推料杆将加热至相变点的棒坯转移至电阻炉中继续加热至相变点以上10~60℃并保温50~60min,从而使棒坯芯表温度均匀,温差≤5℃;
步骤3,斜轧穿孔:
对经过温度均匀化处理的棒坯实施斜轧穿孔;
穿孔操作前,采用火焰加热的方式对穿孔机的全钼顶头进行预热,使该全钼顶头表面温度达到200℃;
棒坯出炉,并装入穿孔机;使穿孔机的全钼顶头与棒坯的头部定心孔对正后,穿入棒坯直至尾部,通过棒坯尾孔穿出,从而得到无缝管坯预制件;
步骤4,制作钛合金无缝管坯:
通过在线热矫直对得到的无缝管坯预制件进行矫直,并在空气中自然冷,得到钛合金无缝管坯;
步骤5,测试:
对得到的钛合金无缝管坯进行室温拉伸性能测试和和低温夏比冲击性能测试;所述低温夏比冲击性能测试的试样温度为-10℃,试样尺寸为10×7.5×55mm,试样类型为V口。
2.如权利要求1所述海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔方法,其特征在于,所述钛合金无缝管坯的外径为82~95mm,壁厚为8.5~9.5mm。
3.如权利要求1所述海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔方法,其特征在于,所述在线热矫直时,矫直温度为800~900℃。
4.如权利要求1所述海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔方法,其特征在于,所述抗氧化涂层中:硼硅酸盐玻璃:改性有机硅丙烯酸树脂:水=40:40:20构成。
5.如权利要求1所述海洋用两相钛合金无缝管坯的斜轧穿孔方法,其特征在于,所述斜轧穿孔的参数:直径压下率为10.5~12.5%,顶头前压下率为5.5~7.5%、椭圆度为1.05~1.22、轧辊转速为30~60rmp,辗轧角为15°,送进角为8~12°。
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