CN112496289B - 一种固液双金属耐磨防蚀泵送管道及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工程机械混泥土泵送系统，公开了一种固液双金属耐磨防蚀泵送管道及其制备方法，所述制备方法为：先将金属外管道装夹在离心浇铸机铸型钢模上预热，之后将熔融液态的金属内管道原料离心浇铸至金属外管道的内表面成型金属内管道，然后利用铸造余热进行淬火处理，再低温回火即得。所述固液双金属耐磨防蚀泵送管道，从外及里，依次为金属外管道、结合层、金属内管道，其具有优异的耐磨性、防蚀性、抗冲击韧性、散热性和热胀冷缩一致性。特别是，相比较于双液双金属复合管道，质量更轻，尤其对于垂直高度500米以上超高层建筑的泵送系统需求轻量化的管道，优势更为明显。

Description

一种固液双金属耐磨防蚀泵送管道及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种固液双金属耐磨防蚀泵送管道及其制备方法；属于金属材料热加工技术领域。
背景技术
工程机械混泥土泵送高度高达500多米，对泵送管道性能要求越来越高。目前，泵送管道通常采用双金属复合管道，其内壁部分输送包括卵石的混泥土，要求耐磨防蚀，而外壁部分起骨架刚性支撑作用，要求机械强度高、韧性和刚度好。
双金属复合管道的复合方式一般采用以下两种方式进行制作，一是将两种不同材质的金属管进行套管的机械复合，内管外径略小于外管的内径，由于高铬合金管是脆性材料，不适宜于挤压等方式的装配，只能采用间隙安装，中间再注入填充物，用于增强内管的支撑。二是在金属管道内壁堆焊一定厚度的合金材料，用电焊、钎焊法等进行熔化复合，内外层金属管道的金属材料的性能互补，充分发挥各自的优良性能。
采用机械复合、熔化复合的方式制得的双金属复合管道，虽然做到了两种金属材料克服各自不足，优势互补，节约了近一半的昂贵资源，使产品能适应更多的工况需求，但是，机械复合的产品的两种金属材料之间仍然存在有间隙，设备运行中经温度变化、机械振动、压力波动，两金属材料之间会产生松动或变形，而导致设备运行不安全情况时有发生；熔合复合工艺中的堆焊、钎焊工艺的质量缺陷，如两焊道之间高低不平，出现夹渣、氧化和凹坑等等，这些缺陷不可避免会带到复合管道产品制作中，会造成后续使用过程中该产品变形，易松动移位。此外，使用这两种方式制得的双金属复合管道除存在这些隐患外，同时也加大了物料输送阻力，增加了动力消耗，浪费能源。
授权公告号CN104295804A的中国发明专利公开了一种双液双金属管道及其制备方法，其包括内层金属管道、外层金属管道以及两者之间的融合带。此方法的缺点是起骨架支撑的外层金属管道虽然使用离心铸造法制得，机械性能比传统铸造法高20％左右，但比机械轧制的型材管道的机械性能要低，并且还不可避免会产生铸造组织缺陷，如夹渣、气孔等，管件上任何的一个小缺陷，对于泵送距离远、压力大的管道都有可能造成穿孔等破坏，特别是对于垂直高度500米以上的超高层建筑泵送管道，容易出现重大安全事故，甚至造成机废人亡。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种固液双金属耐磨防蚀泵送管道的制备方法。
本发明的第二个目的在于提供上述制备方法所制备的固液双金属耐磨防蚀泵送管道。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种固液双金属耐磨防蚀泵送管道的制备方法，包括如下步骤：将金属外管道预热，然后将熔融液态的金属内管道原料离心浇铸至金属外管道的内表面成型金属内管道，淬火处理，回火处理后即得。
本发明所提供的制备方法，采用预先成型的金属外管道，然后再将金属外管道预热后，通过将熔融液态的金属内管道原料浇铸至金属外管道内表面而成型金属内管道，同时在金属内管道的成型过程中，熔融液态的金属内管道原料渗入到金属外管道内表层形成的固态熔融界面，该固态熔融界面作为以及位于金属外管道与金属内管道之间的结合层，将金属外管道和金属内管道固连成整体。
优选的方案，所述金属外管道的厚度为2～3mm。
优选的方案，所述金属外管道选自低碳轧制无缝钢管、低碳合金轧制无缝钢管、低碳轧制焊管、低碳合金轧制焊管中的一种。
金属外管道，用以保证管道的结构强度，因此所选用的材料具有机械强度、抗共振性和耐冲击性高的特点。
优选的方案，所述金属外管道的内表面加工有凹槽，所述凹槽的深度为0.2～0.3mm。
发明人发现，将金属外管道的内表面设置凹槽后，金属外管道内表面变成容易预热和熔焊的表面，可使内表面的凹槽的尖端很好地与熔融液态形成过渡线或过渡层，在后续旋转冷却过程中，由于始终存在反向离心力，所以能够起到阻障所述金属内管道收缩和分离，必然减小所述金属内管道的收缩。
进一步的优选，所述凹槽选自螺旋线槽、花键槽、V形槽、滚花槽中的一种。
优选的方案，所述金属内管道的材质选自高铬铸铁或镍硬铸铁。
进一步的优选，当金属内管道的材质选自高铬铸铁时，其金属内管道的原料组成，按重量份计，组成如下：碳200～400份，铬2400～3000份，锰40～250份，钼10～300份，镍10～150份，钒10～150份，铜10～120份，硅30～250份，稀土20～30份，铁5350～7270份，所述稀土选自镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪中的至少一种。
本发明在金属内管道的原料中配入了20～30份稀土元素，且采用的是多种少量的配入方法，以获取更好的协同效果，稀土元素主要作用在于脱氧和去硫，从而抑制夹杂物在晶界的偏聚，改善晶界状况；另外，由于稀土元素偏聚、吸附在碳化物择优长大的方向上，使碳化物的生长受到抑制，从而使其变得均匀、孤立，而其他变质元素可以形成弥散分布的碳、氮化合物，阻止晶粒长大，从而细化晶粒。稀土复合变质剂的以上作用不仅改善材料的显微组织，而且可使材料的性能特别是冲击韧性明显提高。
进一步的优选，当金属内管道的材质选自镍硬铸铁时，其金属内管道的原料组成，按重量份计，组成如下：碳200～400份，铬700～1000份，锰40～250份，钼10～300份，镍400～1000份，钒10～150份，铜10～120份，硅30～250份，稀土20～30份，铁6500～8580份；所述稀土选自镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪中的至少一种。
优选的方案，所述金属外管道预热的温度为800～900℃。
优选的方案，所述熔融液态的金属内管道原料的温度为1550～1650℃。
在本发明中，先将金属外管道预热至800～900℃，所述熔融液态的金属内管道原料的温度为1550～1650℃，这样整体平均温度达到了1100℃，并且在离心力作用下，金属液体撞击所述金属外管道内表面，必然使所述金属内管道液体渗入到所述金属外管道内表面的固态熔融界面，从而形成冶金结合层。同时，由于所述金属外管道壁厚较薄，整体旋转冷却时，必然无温差同步收缩。
在本发明中，金属外管道预热的温度至关重要，若温度过低，则无法使金属内管道液体渗入到所述金属外管道内表面无法形成结合成，而温度过高，则结合层过厚，则会导致材料强度的大幅降低，甚至产生变形。
在实际操作过程中，先将所述金属外管道装夹在离心浇铸机铸型钢模上，然后进行离心烧铸，铸型钢模的起始温度为350～450℃。
优选的方案，所述离心浇铸时，金属内管道原料金属熔融液体浇注进铸型的速度为20～25kg/s，浇注时铸型的线速度为7～9m/s。
优选的方案，所述金属内管道的厚度为3～3.5mm。
优选的方案，所述淬火处理的过程为：浇注完成的固液双金属耐磨防蚀泵送管道冷却到960℃～1020℃时，向管内鼓风，当温度降到700℃以下，取出，空冷。在本发明中，淬火是利用铸造余热进行的，在淬过过程中，本发明采用了风冷的方式，可以有效避免现有技术中喷水冷却所产生的，金属内管道高铬材料组织产生裂纹和硬度不均匀风险。
优选的方案，所述回火处理的温度为200～300℃，保温时间为4～6h。
由于由奥氏体面心结构的晶胞转变成马氏体体心结构的晶胞时体积的膨胀而存在淬火组织内应力，所以需要将淬火后的泵送管道进行低温回火热处理。低温回火时控制温度为200℃～300℃、时间为4～6小时，随炉冷却；回火处理使淬火后的马氏体得到回火的同时还伴随有残余奥氏体的转变，这样既消除了淬火后遗存在泵送金属内管道部位的组织内应力和脆性，又使其组织晶粒相对细小，晶界无未熔碳化物项，最后获得的组织结构和机械性能为。
本发明还提供上述制备方法所制备的一种固液双金属耐磨防蚀泵送管道。
优选的方案，所述固液双金属耐磨防蚀泵送管道从外及里，依次为金属外管道、结合层、金属内管道；所述金属外管道的厚度为2～3mm、结合层的厚度为0.4～0.6mm、金属内管道的厚度为3～3.5mm。
原理和优势：
冶金结合是指两件金属的界面间原子相互扩散而形成的结合。这种结合或者是连接状态，或者是在温度或者是在压力或者是在温度和压力共同作用下形成的。
本发明将加温到1550～1650℃至熔融液体的所述金属内管道原料，利用离心浇铸法浇铸在预加温到800～900℃的所述金属外管道内表面上，并且在离心力作用下，金属液体撞击所述金属外管道内表面，必然使所述金属内管道液体渗入到所述金属外管道内表面的固态熔融界面，从而形成冶金结合管道，经淬火再中温回火热处理后，即获得具有高耐磨性和高冲击韧性的固液双金属耐磨防蚀泵送管道。
本发明主要通过以下技术手段的协同作用从而获得了具有优异机械性能的固液双金属耐磨防蚀泵送管道：
首先将加温到1550～1650℃至熔融液体的所述金属内管道原料，利用离心浇铸法浇铸在预加温到800～900℃的所述金属外管道内表面上，由于所述金属外管道预热到了800～900℃，而所述金属内管道原料浇入铸型时温度为1500～1620℃，这样两者整体平均温度达到了1100℃以上，并且在离心力作用下，金属液体撞击所述金属外管道内表面，必然使所述金属内管道液体渗入到所述金属外管道内表面的固态熔融界面，从而形成冶金结合层。同时，由于所述金属外管道壁厚较薄，两者整体旋转冷却时，必然无温差同步收缩，消除了内应力。
再者，由于所述金属外管道内表面加工有深度0.2～0.3mm凹槽，如螺旋线槽，或者花键槽，或者V形槽，或者滚花槽，详见说明书附图2，这样将使其内表面变成容易预热和熔焊的表面，可使内表面的螺纹线槽、花键槽、V形槽、滚花槽的尖端很好地与熔融液态形成过渡线或过渡层，在后续旋转冷却过程中，由于始终存在反向离心力，所以能够起到阻障所述金属内管道收缩和分离，必然减小所述金属内管道的收缩。
还有，将浇铸完成后的固液双金属耐磨防蚀泵送管道进行淬火处理，淬火是利用铸造余热进行的，当浇注完成的所述固液双金属耐磨防蚀泵送管道冷却到960℃～1020℃时，向管内鼓风，实行强风冷却，当温度降到700℃以下时，取出，空冷。降低喷水方式加快冷却容易使所述金属内管道高铬材料组织产生裂纹和硬度不均匀风险。
另外在成份上在金属内管道的原料中加入适量稀土元素，作用在于脱氧和去硫，从而抑制夹杂物在晶界的偏聚，改善晶界状况；另外，由于稀土元素偏聚、吸附在碳化物择优长大的方向上，使碳化物的生长受到抑制，从而使其变得均匀、孤立，而其他变质元素可以形成弥散分布的碳、氮化合物，阻止晶粒长大，从而细化晶粒。稀土复合变质剂的以上作用不仅改善材料的显微组织，而且可使材料的性能特别是冲击韧性明显提高。
还有，由于由奥氏体面心结构的晶胞转变成马氏体体心结构的晶胞时体积的膨胀而存在淬火组织内应力，所以需要将淬火后的泵送管道进行低温回火热处理。低温回火时控制温度为200℃～300℃、时间为4～6小时，随炉冷却；回火处理使淬火后的马氏体得到回火的同时还伴随有残余奥氏体的转变，这样既消除了淬火后遗存在泵送金属内管道部位的组织内应力和脆性，又使其组织晶粒相对细小，晶界无未熔碳化物项，最后获得的组织结构和机械性能为：
a)镍硬铸铁：共晶碳化物+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体，冲击韧性：5～8J/cm2，硬度HRC>60。
b)高铬合金铸铁：硬化态或硬化态去应力处理:共晶碳化物+二次碳化物+马氏体+残余奥氏体，冲击韧性：3～5J/cm2，硬度HRC>63。
如此，达到了保持高硬度和增强韧性的目的，因此固液双液耐磨防蚀泵送管道的综合机械性能得到有效提高。这也就达到了耐磨性和冲击韧性双高的目的。
由于选材合理、加工工艺控制得当，使得液态金属内管道原料依靠离心浇铸法浇铸在固态金属外管道的内表面上依靠冶金结合层结合成一个有机整体，界面结合牢固，抗拉、抗冲击强度、承压能力较固态双金属管道有显著地提高，导音、导热没有明显界面，热胀冷缩一致。显著地，相比较于授权公告号CN104295804A的中国发明专利的双液双金属管道复合制造的金属外管道厚8～15mm，金属内管道耐磨层厚4～10mm，本发明专利金属外管道厚只有2～3mm，金属内管道耐磨层厚只有3～3.5mm，重量优势非常明显，特别对于高空架构的管道，要求轻量化，优势更为明显。
本发明解决了以下泵送管道现有技术中的难题：
a)解决了直接使用如无缝钢、轴承钢管等型材管的耐磨性不好，使用寿命低难题；
b)解决了机械套管复合的装配困难，易松动移位难题；
c)解决了熔合复合的夹渣、氧化和凹坑等不良缺陷难题；
d)解决了双液双金属管道复合的金属外管道由于铸造原因机械强度、韧性、刚性和抗冲击性低，甚至铸造组织缺陷造成安全隐患以及重量笨重的难题。
e)解决了在淬火过程中，现有技术中采用喷水方式加快冷却的淬火处理容易产生裂纹和硬度不均匀的不足。
说明书附图
图1本发明中固液双金属耐磨防蚀泵送管道剖面示意图，附图中：1、金属外管道，2、金属内管道；3、结合层。
图2本发明中金属外管道凹槽加工示意图。
图3本发明中固液双金属耐磨防蚀泵送管道结构剖面局部放大图，图中，1、金属外管道，2、金属内管道，3、结合层。
具体实施方式
实施例1
本实施例1中，金属外管道的为低碳35轧制无缝钢管，厚度为2mm，
金属内管道的厚度为：3.2mm
金属内管道的材料为镍硬合金铸铁，按重量份数计，其组成如下：碳320份，铬960份，锰150份，钼100份，镍850份，钒100份，铜100份，硅80份，镧2份，铈2份，镨2份，钕2份，钷2份，钐2份，铕2份，钆2份，铽1份，镝1份，钬1份，铒1份，铥1份，镱1份，镥1份，钇1份，钪1份，铁7315份。
结合层的厚度为0.5mm
制备过程为：
将金属外管道的内表面预先加工出0.22mm的螺旋线凹槽，然后将其装夹在离心浇铸机铸型钢模上，铸型钢模的起始温度为380℃，将金属外管道预加温到880℃，同时将金属内管道原料加温至1590℃达到熔融液态，并将熔融液态的金属内管道原料浇注至所述金属外管道内表面，所述金属内管道原料金属熔融液体浇注进铸型的温度为1550℃，速度为22kg/s，浇注时铸型的线速度为8m/s。
浇铸完成后，进行淬火处理。当浇注完成后所得的固液双金属耐磨防蚀泵送管道冷却到980℃时，向管内鼓风，实行强风冷却，当温度降到700℃以下，取出，空冷；然后再于250℃，保温5h，进行回火处理，即得固液双金属耐磨防蚀泵送管道。
经检测，实施例1所得固液双金属耐磨防蚀泵送管道的性能指标的测定方法及结果详见表1
表1 本发明实施例1性能指标的测定方法及结果
Figure BDA0002743807650000111
实施例2
本实施例2中，金属外管道的为低碳合金20Cr轧制焊管，厚度为2mm，
金属内管道的厚度为：3.5mm
金属内管道的材料为镍硬合金铸铁，按重量份数计，其组成如下：碳360份，铬980份，锰200份，钼100份，镍920份，钒120份，铜100份，硅80份，镧2份，铈2份，镨2份，钕2份，钷2份，钐2份，铕2份，钆2份，铽2份，镝2份，钬2份，铒2份，铥2份，镱1份，镥1份，钇1份，钪1份，铁7110份。
结合层的厚度为0.55mm
制备过程为：
将金属外管道的内表面预先加工出0.25mm的花键凹槽，然后将其装夹在离心浇铸机铸型钢模上，铸型钢模的起始温度为400℃，将金属外管道预加温到860℃，同时将金属内管道原料加温至1610℃达到熔融液态，并将熔融液态的金属内管道原料浇注至所述金属外管道内表面，所述金属内管道原料金属熔融液体浇注进铸型的温度为1560℃，速度为24kg/s，浇注时铸型的线速度为9m/s。
浇铸完成后，进行淬火处理。当浇注完成后所得的固液双金属耐磨防蚀泵送管道冷却到980℃时，然后向管内鼓风，实行强风冷却，当温度降到700℃以下，取出，空冷；然后再于280℃，保温5.5h，进行回火处理，即得固液双金属耐磨防蚀泵送管道。
经检测：实施例所得固液双金属耐磨防蚀泵送管道的性能指标的测定方法及结果详见表2
表2 本发明实施例2性能指标的测定方法及结果
Figure BDA0002743807650000131
实施例3
本实施例3中，金属外管道的为低碳合金20Cr轧制无缝钢管，厚度为2mm，
金属内管道的厚度为：3.3mm。
金属内管道的材料为高铬铸铁，按重量份数计，其组成如下：碳350份，铬2600份，锰150份，钼90份，镍120份，钒100份，铜100份，硅80份，镧2份，铈2份，镨2份，钕2份，钷2份，钐2份，铕2份，钆2份，铽1份，镝1份，钬1份，铒1份，铥1份，镱1份，镥1份，钇1份，钪1份，铁6385份。
结合层的厚度为0.52mm
制备过程为：
将金属外管道的内表面预先加工出0.28mm的滚花凹槽，然后将其装夹在离心浇铸机铸型钢模上，铸型钢模的起始温度为420℃，将金属外管道预加温到890℃，同时将金属内管道原料加温至1620℃达到熔融液态，并将熔融液态的金属内管道原料浇注至所述金属外管道内表面，所述金属内管道原料金属熔融液体浇注进铸型的温度为1580℃，速度为23kg/s，浇注时铸型的线速度为9m/s。
浇铸完成后，进行淬火处理。当浇注完成后所得的固液双金属耐磨防蚀泵送管道冷却到970℃时，然后向管内鼓风，实行强风冷却，当温度降到700℃以下，取出，空冷；然后再于280℃，保温6h，进行回火处理，即得固液双金属耐磨防蚀泵送管道。
经检测：实施例所得固液双金属耐磨防蚀泵送管道的性能指标的测定方法及结果详见表3
表3 本发明实施例3性能指标的测定方法及结果
Figure BDA0002743807650000141
Figure BDA0002743807650000151
对比例1
其他条件均与实施例1相同，仅是金属外管道预热到1050℃，结果发现金属外管与金属内管的结合层厚度达到了1.8mm，由于高铬脆性组织的渗入，致使产品整体抗拉强度下降，测量结果为470MPa。另外，产品还出现了比较严重的变形。
对比例2
其他条件均与实施例1相同，仅是金属外管道预热550℃，结果发现金属外管与金属内管没有结合层，层次分明。
对比例3
其他条件均与实施例1相同，仅是未在金属外管道加工螺旋线槽，结果发现金属外管与金属内管没有结合层，层次分明
对比例4
其他条件均与实施例1相同，仅是浇注完成的所述固液双金属耐磨防蚀泵送管道冷却到950℃时，向管内喷水，至温度降至700℃，取出，空冷；结果发现金属内管出现许多裂纹。
对比例5
其他条件均与实施例1相同，仅是回火温度为450℃，结果发现金属内管的硬度只有53HRC。

Claims (3)

1.一种固液双金属耐磨防蚀泵送管道的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将金属外管道预热，然后将熔融液态的金属内管道原料离心浇铸至金属外管道的内表面成型金属内管道，淬火处理，回火处理后即得；
所述金属外管道的厚度为2～3mm,
所述金属外管道的内表面加工有凹槽，所述凹槽的深度为0.2～0.3mm；
所述金属外管道预热的温度为800～900℃；所述熔融液态的金属内管道原料的温度为1550～1650℃；
所述淬火处理的过程为：浇注完成的固液双金属耐磨防蚀泵送管道冷却到960ºC～1020ºC时，向管内鼓风，当温度降到700ºC以下，取出，空冷，
所述回火处理的温度为200～300ºC，保温时间为4～6h；
所述金属外管道选自低碳轧制无缝钢管、低碳合金轧制无缝钢管、低碳轧制焊管、低碳合金轧制焊管中的一种；
所述金属内管道的材质选自高铬铸铁或镍硬铸铁；当金属内管道的材质选自高铬铸铁时，其金属内管道的原料组成，按重量份计，组成如下：碳200～400份，铬2400～3000份，锰40～250份，钼10～300份，镍10～150份，钒10～150份，铜10～120份，硅30～250份，稀土20～30份，铁5380～7290份；所述稀土选自镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪中的至少一种；
当金属内管道的材质选自镍硬铸铁时，其金属内管道的原料组成，按重量份计，组成如下：碳200～400份，铬700～1000份，锰40～250份，钼10～300份，镍400～1000份，钒10～150份，铜10～120份，硅30～250份，稀土20～30份，铁6530～8600份，所述稀土选自镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪中的至少一种；
所述固液双金属耐磨防蚀泵送管道从外及里，依次为金属外管道、结合层、金属内管道；所述金属外管道的厚度为2～3mm、结合层的厚度为0.4～0.6mm、金属内管道的厚度为3～3.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种固液双金属耐磨防蚀泵送管道的制备方法，其特征在于：所述离心浇铸时，金属内管道原料金属熔融液体浇注进铸型的速度为20～25kg/s，浇注时铸型的线速度为7～9m/s。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的制备方法所制备的一种固液双金属耐磨防蚀泵送管道。
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