CN111020390A - 一种不锈钢管及其制造方法 - Google Patents

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杨亮华
韩易元
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    • C23C22/02—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using non-aqueous solutions

Abstract

本发明涉及钢管制造技术领域，特别涉及一种不锈钢管，其技术方案要点如下，由内到外依次包括：内涂层，钢管主体和外涂层；内涂层为金属有机骨架膜，外涂层为铌酸盐陶瓷涂层；内涂层由聚醚醚酮溶解于N‑甲基吡咯烷酮溶剂中涂覆在所述钢管主体内表面后形成。本发明提供的一种不锈钢管，在不锈钢管管内的流体体积膨胀时，膨胀带来的压力可以将流体的小分子压入金属有机骨架膜的微孔中，缓解流体体积膨胀给不锈光管带来的内压，防止不锈钢管爆裂。

Description

一种不锈钢管及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢管制造技术领域，特别涉及一种不锈钢管及其制造方法。
背景技术
不锈钢管是一种中空的长条圆形钢材，主要广泛用于石油、化工、医疗、食品、轻工、机械仪表等工业输送管道以及机械结构部件等，另外，在折弯、抗扭强度相同时，重量较轻，所以也广泛用于制造机械零件和工程结构，也常用作家具厨具等。
在生活生产中，不锈钢管的使用非常广泛，但是由于现有的不锈钢管在生产工艺方面，缺乏对不锈钢管强度的提升，强度较低，导致其在使用过程中，管内压力过大，会造成不锈钢管的爆裂。
鉴于上述问题，本发明人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种不锈钢管及其制造方法，使其更具有实用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种不锈钢管，内涂层的金属有机骨架膜具有耐酸碱性能和防腐蚀性能，防止不锈钢管锈蚀，且金属有机骨架膜与钢管主体之间的粘结性强，不易脱落；同时，金属有机骨架膜的有机骨架具有丰富的微孔结构，在不锈钢管管内的流体体积膨胀时，膨胀带来的压力可以将流体的小分子压入金属有机骨架膜的微孔中，缓解流体体积膨胀给不锈钢管带来的内压，防止不锈钢管爆裂，本发明的另一个目的是提供一种不锈钢管的制造方法，具有相同的作用。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种不锈钢管，由内到外依次包括：内涂层，钢管主体和外涂层；所述内涂层为金属有机骨架膜，外涂层为铌酸盐陶瓷涂层；内涂层由聚醚醚酮溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂中涂覆在钢管主体内表面后形成。
内涂层的金属有机骨架膜具有耐酸碱性能和防腐蚀性能，防止不锈钢管锈蚀，且金属有机骨架膜与钢管主体之间的粘结性强，不易脱落；同时，金属有机骨架膜的有机骨架具有丰富的微孔结构，在不锈钢管管内的流体体积膨胀时，膨胀带来的压力可以将流体的小分子压入金属有机骨架膜的微孔中，缓解流体体积膨胀给不锈钢管带来的内压，防止不锈钢管爆裂，尤其是当不锈钢管作为水管使用时，金属有机骨架膜能够在管内压力过大的情况下容纳水分子，防止冬季水管的爆裂，提高不锈钢管的耐寒性；碳化钨-金刚石涂层能够进一步提高不锈钢管的耐酸碱腐蚀性和抗老化性能。
聚醚醚酮具有疏水性和耐腐蚀性，将聚醚醚酮以有机骨架的形式接枝在不锈钢管内表面，聚醚醚酮与不锈钢管中的铁形成铁-聚醚醚酮MOFs膜和铜-聚醚醚酮MOFs膜，两种金属有机骨架膜均具有连续性，缺陷少，且两种膜互相补充依附，提高了金属有机骨架膜与钢管主体之间的连接力，防止膜脱落且两种金属有机骨架膜之间互相补充缺陷位点，进一步提高膜的致密性；聚醚醚酮有机骨架能够提高不锈钢管的疏水性，避免不锈钢管在运输水等流体的时产生挂壁的现象发生，另一方面，聚醚醚酮有机骨架耐酸碱腐蚀性能更强，延长了不锈钢管的使用寿命。
进一步的，一种不锈钢管，铌酸盐陶瓷涂层，按照重量份数计算，包括如下组分：纳米铌酸盐粉末50～60份，氨基酸二羟苯丙氨酸10～15份，有机溶剂50～60份，二茂铁5～10份。
氨基酸二羟基丙氯酸在二茂铁的催化作用下与铌酸盐发生接枝反应，将铌酸盐接枝在氨基酸二羟基丙氯酸上，氨基酸二羟基丙氯酸与不锈钢管中的金属铁、铜反应生成铁和铜的络合物，进而将本发明的外涂层以化学键的形式固定在钢管主体的外表面，形成致密的涂层，提高不锈钢管的耐腐蚀性的同时，防止外涂层的脱落。
进一步的，一种不锈钢管，纳米铌酸盐粉末是LiNbO3晶体或KNbO3中的任意一种或采用固相反应合成法制备LiNbO3和KNbO3陶瓷粉末。
采用固相反应合成法制备LiNbO3和KNbO3陶瓷粉末在钢管主体表面形成的涂层更加均匀致密，耐酸碱腐蚀性能更高。
进一步的，一种不锈钢管，铌酸盐是PA6-铌酸盐插层复合材料。
PA6-铌酸盐插层复合材料能够有效提高不锈钢管的耐刮擦性能，防止不锈钢管在运输或使用过程中被划伤。
进一步的，一种不锈钢管，其特征在于，按照重量份数计算，钢管主体包括如下组分：
C：0.04-0.06份；
Cr：15-21份；
Ti：0.1-0.3份；
Ni：1.5-9份；
Mn：0.1～1.3份；
Cu：1.5～3.5份；
S：0.002-0.004份；
Fe：80～90份。
进一步的，一种不锈钢管的制造方法，按照重量份数计算，钢管主体包括如下组分：
S1、将C、Cr、Ti、Ni、Mn、Cu、S和Fe加工成坯料；
S2、对坯料进行预热处理；
S3、将预热后的坯料分别采用两种不同的温度进行处理，且两次处理前后衔接；
S4、将热加工后的坯料导入变形轧制设备进行处理；
S5、将轧制后的坯料在均温条件下冷却得到钢管主体；
S6、在钢管主体内表面均匀涂覆一层聚醚醚酮溶液，进行再加热的回火和退火处理，得到内表面有金属有机骨架膜的钢管主体；
S7、将纳米铌酸盐粉末，氨基酸二羟苯丙氨酸，有机溶剂份和二茂铁混合并搅拌30min后，得到混合溶液；
S8.将混合溶液涂覆于所述步骤S6得到的所述内表面有金属有机骨架膜的钢管主体外表面，加热50～70℃，保温20min后，冷却至室温。
利用钢管主体的回火和退火过程对钢管主体内表面的聚醚醚酮溶液进行加热，得到内涂层，一方面简化制备工艺，另一方面节约能源。
进一步的，一种不锈钢管的制造方法步骤S2中，对坯料的热处理分为两步，首先采用环形炉预热坯料，然后再用一次感应炉进行一次感应加热。
进一步的，一种不锈钢管的制造方法，步骤S3中，首先进行第一次热处理，其温度为1150-1180℃，在该温度下保温15-20min后，进行第二次热处理操作，且该温度为1120-1150℃。
进一步的，一种不锈钢管的制造方法，步骤S4中，该变形轧制设备为行星轧管机，且其加工时的轧制速度为10-20m/min，其回转盘的转速为250-530rpm。
进一步的，一种不锈钢管的制造方法，步骤S4中，坯料的轧制温度在550℃±，且该温度的区间浮动为100℃以内，坯料在轧制过程中自身的变形热量与轧制温度的总和不超过1200℃。
进一步的，所述步骤S2中，对坯料的热处理分为两步，首先采用环形炉预热坯料，然后再用一次感应炉进行一次感应加热。本发明通过对坯料进行预热处理，将工件加热到预定温度，并保持一定的时间，将预热后的坯料分别采用两种不同的温度进行处理，且两次处理前后衔接，将热加工后的坯料在一定的温度下，按照一定的轧制速度导入变形轧制设备进行处理，解决了现有的不锈钢管在生产工艺方面，缺乏对不锈钢管强度的提升，强度较低，导致其在使用过程中，局限性较大，在很多高强度的压力下，易出现折断，不仅大大缩短了不锈钢管的使用寿命，而且存在较大安全隐患的问题。
进一步的，所述步骤S2中，环形炉的热处理温度为400-650℃，感应炉的加热温度为1120-1180℃。
进一步的，所述步骤S3中，首先进行第一次热处理，其温度为1150-1180℃，在该温度下保温15-20min后，进行第二次热处理操作，且该温度为1120-1150℃。
进一步的，所述步骤S4中，该变形轧制设备为行星轧管机，且其加工时的轧制速度为10-20m/min，其回转盘的转速为250-530rpm。
进一步的，所述步骤S5中，保温的时间不得低于五分钟，均温条件的温度略大于轧制温度，且该温度在50-90℃。
进一步的，所述步骤S5中，坯料冷却的速率大于自然空冷的速率，可采用水冷方式进行冷却，且冷却的最终温度应当控制在100℃以下。
进一步的，所述步骤S6中，回火处理的温度范围为500-700℃，且以700℃以下的温度为最佳，保温一定时间后进行后续的退火处理。
进一步的，所述步骤S6中，回火的保温时间为1.5-2h，同时退火的温度为650-730℃。本发明通过将轧制后的坯料，保温一定的时间后在均温条件下按照一定的速率逐渐冷却，将冷却后的坯料按照一定的温度条件下，进行再加热的回火和退火处理，使制造出来的不锈钢管强度更高，使用寿命更长，并且使用范围较广。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种不锈钢管，内涂层的金属有机骨架膜具有耐酸碱性能和防腐蚀性能，防止不锈钢管锈蚀，且金属有机骨架膜与钢管主体之间的粘结性强，不易脱落；同时，金属有机骨架膜的有机骨架具有丰富的微孔结构，在不锈钢管管内的流体体积膨胀时，膨胀带来的压力可以将流体的小分子压入金属有机骨架膜的微孔中，缓解流体体积膨胀给不锈钢管带来的内压，防止不锈钢管爆裂，尤其是当不锈钢管作为水管使用时，金属有机骨架膜能够在管内压力过大的情况下容纳水分子，防止冬季水管的爆裂，提高不锈钢管的耐寒性；碳化钨-金刚石涂层能够进一步提高不锈钢管的耐酸碱腐蚀性和抗老化性能。
具体实施方式
实施例1：一种不锈钢管，由内到外依次包括：内涂层，钢管主体和外涂层；内涂层为金属有机骨架膜，外涂层为铌酸盐陶瓷涂层；内涂层由聚醚醚酮溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂中涂覆在钢管主体内表面后形成。
铌酸盐陶瓷涂层，按照重量份数计算，包括如下组分：KNbO3晶体粉末50份，氨基酸二羟苯丙氨酸10份，有机溶剂50份，二茂铁5份；
钢管主体包括如下组分：C：0.04份；Cr：15份；Ti：0.1份；Ni：1.5份；Mn：0.1份；Cu：1.5份；S：0.002份；Fe：80份。
一种不锈钢管的制造方法，包括如下操作步骤：
S1、将C、Cr、Ti、Ni、Mn、Cu、S和Fe加工成坯料；
S2、对坯料进行预热处理分为两步，首先采用环形炉预热坯料，然后再用一次感应炉进行一次感应加热，环形炉的热处理温度为400℃，感应炉的加热温度为1120℃；
S3、对预热后的坯料的热处理，分别采用两种不同的温度进行处理，且两次处理前后衔接，第一次热处理，其温度为1150℃，在该温度下保温15min后，进行第二次热处理操作，且该温度为1120℃
S4、将热加工后的坯料导入行星轧管机进行处理，轧制速度为10m/min，其回转盘的转速为250rpm；坯料的轧制温度在550℃±，且该温度的区间浮动为100℃以内，坯料在轧制过程中自身的变形热量与轧制温度的总和不超过1200℃；
S5、将轧制后的坯料保温五分钟，均温条件下冷却得到钢管主体均温温度是50℃；
S6、在钢管主体内表面均匀涂覆一层聚醚醚酮溶液，其中聚醚醚酮与N-甲基吡咯烷酮的质量分数比为1:4.5，进行再加热的回火和退火处理，得到内表面有金属有机骨架膜的钢管主体；
S7、将纳米铌酸盐粉末，氨基酸二羟苯丙氨酸，有机溶剂份和二茂铁混合并搅拌30min后，得到混合溶液；
S8.将混合溶液涂覆于所述步骤S6得到的所述内表面有金属有机骨架膜的钢管主体外表面，加热50～70℃，保温20min后，冷却至室温。
聚醚醚酮的浓度越高，内涂层越厚，其对小分子的承载能力越大。
实施例2：一种不锈钢管，由内到外依次包括：内涂层，钢管主体和外涂层；内涂层为金属有机骨架膜，外涂层为铌酸盐陶瓷涂层；内涂层由聚醚醚酮溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂中涂覆在钢管主体内表面后形成。
铌酸盐陶瓷涂层，按照重量份数计算，包括如下组分：LiNbO3晶体粉末50份，氨基酸二羟苯丙氨酸10份，有机溶剂50份，二茂铁5份；钢管主体包括如下组分：C：0.06份；Cr：18份；Ti：0.3份；Ni：8份；Mn：1.3份；Cu：3.5份；S：0.004份；Fe：90份。
一种不锈钢管的制造方法，包括如下操作步骤：
S1、将C、Cr、Ti、Ni、Mn、Cu、S和Fe加工成坯料；
S2、对坯料进行预热处理分为两步，首先采用环形炉预热坯料，然后再用一次感应炉进行一次感应加热，环形炉的热处理温度为500℃，感应炉的加热温度为1150℃；
S3、对预热后的坯料的热处理，分别采用两种不同的温度进行处理，且两次处理前后衔接，第一次热处理，其温度为1165℃，在该温度下保温18min后，进行第二次热处理操作，且该温度为1135℃
S4、将热加工后的坯料导入行星轧管机进行处理，轧制速度为10m/min，其回转盘的转速为250rpm；坯料的轧制温度在550℃±，且该温度的区间浮动为100℃以内，坯料在轧制过程中自身的变形热量与轧制温度的总和不超过1200℃；
S5、将轧制后的坯料保温五分钟，均温条件下冷却得到钢管主体均温温度是70℃；
S6、在钢管主体内表面均匀涂覆一层聚醚醚酮溶液，其中聚醚醚酮与N-甲基吡咯烷酮的质量分数比为1:5，进行再加热的回火和退火处理，得到内表面有金属有机骨架膜的钢管主体；
S7、将纳米铌酸盐粉末，氨基酸二羟苯丙氨酸，有机溶剂份和二茂铁混合并搅拌30min后，得到混合溶液；
S8.将混合溶液涂覆于所述步骤S6得到的所述内表面有金属有机骨架膜的钢管主体外表面，加热50～70℃，保温20min后，冷却至室温。
实施例3：一种不锈钢管，由内到外依次包括：内涂层，钢管主体和外涂层；内涂层为金属有机骨架膜，外涂层为铌酸盐陶瓷涂层；内涂层由聚醚醚酮溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂中涂覆在钢管主体内表面后形成。
铌酸盐陶瓷涂层，按照重量份数计算，包括如下组分：LiNbO3和KNbO3陶瓷粉末50份，氨基酸二羟苯丙氨酸10份，有机溶剂50份，二茂铁5份；钢管主体包括如下组分：C：0.06份；Cr：18份；Ti：0.3份；Ni：8份；Mn：1.3份；Cu：3.5份；S：0.004份；Fe：90份。
一种不锈钢管的制造方法，包括如下操作步骤：
S1、将C、Cr、Ti、Ni、Mn、Cu、S和Fe加工成坯料；
S2、对坯料进行预热处理分为两步，首先采用环形炉预热坯料，然后再用一次感应炉进行一次感应加热，环形炉的热处理温度为500℃，感应炉的加热温度为1150℃；
S3、对预热后的坯料的热处理，分别采用两种不同的温度进行处理，且两次处理前后衔接，第一次热处理，其温度为1165℃，在该温度下保温18min后，进行第二次热处理操作，且该温度为1135℃
S4、将热加工后的坯料导入行星轧管机进行处理，轧制速度为10m/min，其回转盘的转速为250rpm；坯料的轧制温度在550℃±，且该温度的区间浮动为100℃以内，坯料在轧制过程中自身的变形热量与轧制温度的总和不超过1200℃；
S5、将轧制后的坯料保温五分钟，均温条件下冷却得到钢管主体均温温度是70℃；
S6、在钢管主体内表面均匀涂覆一层聚醚醚酮溶液，其中聚醚醚酮与N-甲基吡咯烷酮的质量分数比为1:3，进行再加热的回火和退火处理，得到内表面有金属有机骨架膜的钢管主体；
S7、将纳米铌酸盐粉末，氨基酸二羟苯丙氨酸，有机溶剂份和二茂铁混合并搅拌30min后，得到混合溶液；
S8.将混合溶液涂覆于所述步骤S6得到的所述内表面有金属有机骨架膜的钢管主体外表面，加热50～70℃，保温20min后，冷却至室温。
性能测试：
抗裂性能/GB/T12770-1991 抗压强度/GB/T12770-1991
实施例1 弯折5次后无裂纹 压力等级≧3.5Mpa
实施例2 弯折5次后无裂纹 压力等级≧3.5Mpa
实施例3 弯折5次后无裂纹 压力等级≧3.5Mpa
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种不锈钢管，其特征在于，由内到外依次包括：内涂层，钢管主体和外涂层；所述内涂层为金属有机骨架膜，所述外涂层为铌酸盐陶瓷涂层；所述内涂层由聚醚醚酮溶解于N-甲基吡咯烷酮溶剂中涂覆在所述钢管主体内表面后形成。
2.根据权利要求1所述的一种不锈钢管，其特征在于，所述铌酸盐陶瓷涂层，按照重量份数计算，包括如下组分：纳米铌酸盐粉末50~60份，氨基酸二羟苯丙氨酸10~15份，有机溶剂50~60份，二茂铁5~10份。
3.根据权利要求2所述的一种不锈钢管，其特征在于，所述纳米铌酸盐粉末是LiNbO3晶体或KNbO3中的任意一种或采用固相反应合成法制备LiNbO3和KNbO3陶瓷粉末。
4.根据权利要求2所述的一种不锈钢管，其特征在于，所述铌酸盐是PA6-铌酸盐插层复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种不锈钢管，其特征在于，按照重量份数计算，所述钢管主体包括如下组分：
C：0.04-0.06份；
Cr：15-21份；
Ti：0.1-0.3份；
Ni：1.5-9份；
Mn：0.1～1.3份；
Cu：1.5～3.5份；
S：0.002-0.004份；
Fe：80~90份。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的一种不锈钢管的制造方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
S1、将C、Cr、Ti、Ni、Mn、Cu、S和Fe加工成坯料；
S2、对坯料进行预热处理；
S3、将预热后的坯料分别采用两种不同的温度进行处理，且两次处理前后衔接；
S4、将热加工后的坯料导入变形轧制设备进行处理；
S5、将轧制后的坯料在均温条件下冷却得到钢管主体；
S6、在钢管主体内表面均匀涂覆一层聚醚醚酮溶液，进行再加热的回火和退火处理，得到内表面有金属有机骨架膜的钢管主体；
S7、将纳米铌酸盐粉末，氨基酸二羟苯丙氨酸，有机溶剂份和二茂铁混合并搅拌30min后，得到混合溶液；
S8.将混合溶液涂覆于所述步骤S6得到的所述内表面有金属有机骨架膜的钢管主体外表面，加热50~70℃，保温20min后，冷却至室温。
7.根据权利要求6所述的一种不锈钢管的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，对坯料的热处理分为两步，首先采用环形炉预热坯料，然后再用一次感应炉进行一次感应加热。
8.根据权利要求6所述的一种不锈钢管的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，首先进行第一次热处理，其温度为1150-1180℃，在该温度下保温15-20min后，进行第二次热处理操作，且该温度为1120-1150℃。
9.根据权利要求6所述的一种不锈钢管的制造方法，其特征在于，所述步骤S4中，该变形轧制设备为行星轧管机，且其加工时的轧制速度为10-20m/min，其回转盘的转速为250-530rpm。
10.根据权利要求6所述的一种不锈钢管的制造方法，其特征在于，所述步骤S4中，坯料的轧制温度在550℃±，且该温度的区间浮动为100℃以内，坯料在轧制过程中自身的变形热量与轧制温度的总和不超过1200℃。
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