CN113426976B - 一种双金属复合管裂纹控制方法 - Google Patents

一种双金属复合管裂纹控制方法 Download PDF

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Abstract

一种双金属复合管裂纹控制方法，属于无缝管材成形技术领域，其特征在于包括以下工艺步骤：1)离心铸造双金属管坯：在无磁铸铁铸型外部沿四周加恒稳磁场，磁场强度由管坯壁厚确定，浇铸速度分别由各自壁厚确定，外、内层浇铸间隔时间由二者壁厚和高温热膨胀系数共同确定；2)双金属铸态管坯正火处理；3)双金属铸态管坯热挤压：挤压温度由铸态管坯出炉后的内、外层结合界面温度确定，挤压比由管坯外、内层壁厚比和屈服强度之比确定，挤压速度由管件长度和挤压比共同确定；4)复合管件调质处理。本发明优点是能够缩短工艺流程，减小合金元素偏析，避免结合界面裂纹产生，提高结合强度。

Description

一种双金属复合管裂纹控制方法
技术领域
本发明属于无缝管材成形技术领域，具体涉及一种双金属复合管裂纹控制方法。
背景技术
双金属无缝管材是由两种不同金属复合而成的管材，能够发挥各自的性能特点，如高强高韧、耐磨和耐腐蚀性能等，是石油化工、核电火电、交通运输等重大装备领域的关键构件，目前普遍采用热挤压成形工艺进行制造，热挤压前管坯可以为锻态和铸态两种组织状态，当挤压前两个管坯均为锻态时，则是通过镦粗、冲孔等工序进行制坯，组织致密性较高，将两个锻态管坯嵌合装配后进行挤压成为一个复合管件，挤压过程以保证管件的外形尺寸为主，工艺参数控制相对容易，但该工艺流程冗长，材料与能源浪费严重，镦粗和冲孔工序设备投资巨大；当挤压前两个管坯均为铸态时，则是通过离心铸造或砂型铸造方法分别制成空心铸态管坯，组织致密性较差，将两个铸态管坯嵌合装配后进行挤压成为一个复合管件，挤压过程不仅要保证管件的外形尺寸，更重要的是改善组织均匀性，提高力学性能，此工艺具有制造流程短，节约材料和能源，节省设备投资等突出优点。
中国发明专利申请号“201010262830.3”公开了一种双金属复合管的生产工艺，包括工艺步骤如下：1）分别冶炼结构层碳钢钢液和基层高铬铸铁铁液，2）采用离心浇注成型，铸型涂料层采用树脂覆膜砂或水基锆英粉涂料，3）先浇注碳钢钢液，4）碳钢钢液表面温度达到半凝固状态时再浇注高铬铸铁铁液，形成过渡层并相互熔融，得到完整的管铸件，5）脱型后铸件立即放入保温炉或埋入钢砂中逐渐降温；该发明中结构层碳钢与基层高铬铸铁之间存在无间隙的冶金结合，使得复合管件安全性高、耐磨和耐蚀性能好，使用寿命得到提高。中国发明专利申请号“200710201274.7”公开了一种不锈钢双金属复合管及其制造方法，包括工艺步骤如下：1）分炉同时熔炼不锈钢液和另一种金属液，2）去渣及脱氧处理，3）先将外层碳钢金属液进行离心浇铸，4）待浇铸完外层3-5min，外层金属液凝固之后浇铸内层不锈钢金属液，直至结束，内外层金属液在离心力作用下冷却凝固为不锈钢双金属复合管坯料；该发明中离心铸造复合方式使内外层两种金属实现冶金结合，大大提高产品质量。中国发明专利申请号“201010141598.8”公开了一种20/321H耐腐蚀双金属复合管及其制造工艺，包括工艺步骤如下：1）离心浇注制得双金属复合管坯，当外层20钢内表面温度冷却至外层金属液熔点50-80℃时开始浇注内层321H不锈钢金属液，2）双金属复合管坯经热挤压制得荒管，3）荒管经软化处理后冷加工，再进行热处理制得成品管；该发明中内外层完全冶金融合，使用过程中不易分层。中国发明专利申请号“200910222747.0”公开了一种碱回收锅炉用双金属无缝钢管的制备方法，包括工艺步骤如下：1）选择以冶金方式结合的双金属离心铸造复合管坯，进行第一次退火处理，温度为1000-1100℃，保温20-30h，2）挤压前坯料加热温度为1180-1220℃，在挤压比大于10的条件下进行挤压，3）第二次退火处理，温度为780-800℃，保温2-3h，然后空冷；该发明制得的复合管外层金属耐碱腐蚀，内层耐高压，并且经过压扁、弯曲均不会造成两层金属的分层。
采用上述方法进行离心铸造时内、外层结合界面易出现氧化膜和局部区域应力集中，热挤压成形过程中挤压筒与管坯接触部位存在剪切摩擦，内、外层结合界面性能薄弱、金属变形剧烈，粗大的氧化物颗粒或合金元素偏析会导致组织被破坏，出现孔洞、裂纹缺陷，从而界面结合强度性能降低，并且离心浇铸过程中内外层浇铸间隔时间、热挤压过程中挤压比和挤压速度往往根据经验确定，这些工艺参数对热挤压前铸态管坯和热挤压后管件的性能质量均具有重要影响，现有技术无法满足该类双金属复合管材的高性能精确成形制造需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双金属复合管裂纹控制方法，可以有效克服现有技术存在的缺点。
本发明目的是这样实现的，其特征在于按以下工艺步骤实现：
1. 本发明提供一种双金属复合管裂纹控制方法，包括：
（1）离心铸造双金属管坯：如图1所示，图中1是浇包，2是浇道，3是浇口，4是模具盖 板，5是沙垫，6是锁紧销，7是电磁线圈，8是双金属管坯内层，8′是双金属管坯外层，9是金属 模具铸型，在卧式电磁离心铸造机上铸造双金属管坯，在无磁铸铁铸型外部沿四周加恒稳 磁场，磁场强度B由管坯外层壁厚b 01和内层壁厚b 02确定，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，B单位为 T，b 01和b 02单位为mm；外层金属液浇铸温度为1570~1590℃，浇铸速度
Figure 464764DEST_PATH_IMAGE002
，内层金属液浇铸温度为1520~1560℃，浇铸速度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，铸型转速
Figure 19722DEST_PATH_IMAGE004
；外、内层金属液浇铸间隔 时间t由二者壁厚b 01、b 02和高温热膨胀系数γ 01、γ 02共同确定，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
，t 单位为s，γ 01和γ 02分别为外层和内层的高温热膨胀系数，得到离心铸造的双金属管坯，如 图2所示；
（2）双金属铸态管坯正火处理：正火温度为910~930℃，达到预设保温时间t 1后采 用鼓风机风冷至室温，t 1由b 01和b 02确定，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
，t 1单位为min；
（3）双金属铸态管坯热挤压：如图3所示，10是双金属管件锻件外层，10′是双金属 管件锻件内层，11是挤压筒，12是挤压凸模，挤压温度由铸态管坯出炉后的内、外层结合界 面温度T确定，待T=1100~1150℃时开始挤压，挤压比λ由管坯外、内层壁厚之比和屈服强度 之比共同确定，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
分别为外层和内层的屈服强度； 挤压速度v由管件长度L和挤压比λ共同确定，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
，L单位为mm；挤压完成后将复合管件 转运至温度为330℃的环形保温炉中，保温6~10h，然后出炉风冷至室温，得到热挤压的双金 属复合管件，如图4所示；
（4）热挤压复合管件调质处理：淬火温度为880~890℃，淬火保温时间t 2由管件外 层壁厚b 1和内层壁厚b 2确定，
Figure 238607DEST_PATH_IMAGE016
，达到t 2后水冷至室温；回火温度为620~ 640℃，回火保温时间t 3由b 1和b 2确定，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
，达到t 3后空冷至室温，t 2和t 3单 位均为min，b 1和b 2单位为mm；
所述双金属复合管外层材质为Q345B钢、内层材质为316L钢，或者外层材质为25Mn钢、内层材质为1Cr13钢，或者外层材质为X70钢、内层材质为Incoloy800钢。
本发明的优点及有益效果是：缩短工艺流程，准确确定离心浇铸过程中的内外层浇铸间隔时间、热挤压过程中挤压比和挤压速度，减小合金元素偏析，避免界面裂纹产生，提高内、外层结合界面的结合强度性能。
附图说明
图1为双金属管坯离心铸造示意图；
图2为离心铸造的双金属管坯的尺寸标识图；
图3为双金属铸态管坯热挤压示意图；
图4为热挤压后的双金属复合管件锻件的尺寸标识图；
图中：1—浇包 2—浇道 3—浇口 4—模具盖板 5—沙垫 6—锁紧销 7—电磁线圈 8—双金属管坯内层 8′—双金属管坯外层 9—金属模具铸型 10—双金属管件锻件外层 10′—双金属管件锻件内层 11—挤压筒 12—挤压凸模；
D 0—双金属管坯的外径，d 0—双金属管坯的内径，L 0—双金属管坯的长度，b 01—双金属管坯的外层壁厚，b 02—双金属管坯的内层壁厚，D—双金属管件锻件的外径，d—双金属管件锻件的内径，L—双金属管件锻件的长度，b 1—双金属管件锻件的外层壁厚，b 2—双金属管件锻件的内层壁厚。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图2为离心铸造的双金属管坯的尺寸标识图，图4所示为热挤压后的双金属复合管件锻件的尺寸标识图。
实施例1
本实施例提供一种双金属复合管裂纹控制方法，设定外层为Q345B钢、内层为316L钢，双金属复合管坯尺寸为：外径D=820mm、内径d=60mm、长度L=700mm、外层壁厚b 01=200mm、内层壁厚b 02 =180mm；热挤压双金属复合管件尺寸为：外径D=266mm、内径d=60mm、长度L=7026mm、外层壁厚b 1=57、内层壁厚b 2 =46mm；其裂纹控制的工艺步骤是：
（1）采用离心铸造工艺铸造外层Q345B钢、内层316L钢的双金属复合管坯，图1所示 为离心铸造示意图，图中1是浇包，2是浇道，3是浇口，4是模具盖板，5是沙垫，6是锁紧销，7 是电磁线圈，8是双金属管坯内层，8′是双金属管坯外层，9是金属模具铸型，无磁铸铁铸型 四周恒稳磁场强度
Figure 758450DEST_PATH_IMAGE018
，外层金属液浇铸温度为1570℃，浇铸速度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
；内层金属液浇铸温度为1520℃，浇铸速度
Figure 635139DEST_PATH_IMAGE020
，铸型转速
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
，外、内层金属液浇 铸间隔时间
Figure 21383DEST_PATH_IMAGE022
，得到的离心铸造双金属管坯尺寸为：外径D= 820mm、内径d=60mm、长度L=700mm、外层壁厚b 01=200mm、内层壁厚b 02 =180mm，如图2所示；
（2）双金属铸态管坯正火处理：正火温度为910℃，达到预设保温时间
Figure 350733DEST_PATH_IMAGE024
后采用鼓风机风冷至室温；
（3）双金属铸态管坯热挤压：如图3所示，10是双金属管件锻件外层，10′是双金属 管件锻件内层，11是挤压筒，12是挤压凸模，待铸态管坯出炉后的内、外层结合界面温度T= 1100℃时开始挤压，挤压比
Figure 611950DEST_PATH_IMAGE026
，挤压速度
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，挤压完成后将复合管件转运至温度为330℃的环形保温炉中， 保温6h，然后出炉风冷至室温，得到外层Q345B钢、内层316L钢的复合管件尺寸为外径D= 266mm、内径d=60mm、长度L=7026mm、外层壁厚b 1=57，内层壁厚壁厚b 2 =46mm，如图4所示；
（4）热挤压复合管件调质处理：淬火温度为880℃，淬火保温时间
Figure 343146DEST_PATH_IMAGE028
，达到t 2后水冷至室温，回火温度为620℃，回火保温时间
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，达到t 3后空冷至室温。
实施例2
本实施例提供一种双金属复合管裂纹控制方法，设定外层为25Mn钢、内层为1Cr13钢，双金属复合管坯尺寸为：外径D=820mm、内径d=60mm、长度L=700mm、外层壁厚b 01=200mm，内层壁厚壁厚b 02 =180mm；热挤压双金属复合管件尺寸为：外径D=266mm、内径d=60mm、长度L=7026mm、外层壁厚b 1=57、内层壁厚b 2 =46mm；其裂纹控制的工艺步骤是：
（1）采用离心铸造工艺铸造外层25Mn钢、内层1Cr13钢的双金属复合管坯，图1所示 为离心铸造示意图，图中1是浇包，2是浇道，3是浇口，4是模具盖板，5是沙垫，6是锁紧销，7 是电磁线圈，8是双金属管坯内层，8′是双金属管坯外层，9是金属模具铸型，无磁铸铁铸型 四周恒稳磁场强度
Figure 962608DEST_PATH_IMAGE030
，外层金属液浇铸温度为1580℃，浇铸速度
Figure DEST_PATH_IMAGE031
；内层金属液浇铸温度为1540℃，浇铸速度
Figure 779255DEST_PATH_IMAGE032
，铸型转速
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，外、内层金属液浇 铸间隔时间
Figure 578583DEST_PATH_IMAGE034
，得到的离心铸造双金属管坯尺寸为：外径D= 820mm、内径d=60mm、长度L=700mm、外层壁厚b 01=200mm、内层壁厚b 02 =180mm，如图2所示；
（2）双金属铸态管坯正火处理：正火温度为920℃，达到预设保温时间
Figure DEST_PATH_IMAGE035
后采用鼓风机风冷至室温；
（3）双金属铸态管坯热挤压：如图3所示，10是双金属管件锻件外层，10′是双金属 管件锻件内层，11是挤压筒，12是挤压凸模，待铸态管坯出炉后的内、外层结合界面温度T= 1130℃时开始挤压，挤压比
Figure 728067DEST_PATH_IMAGE036
，挤压速度
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，挤压完成后将复合管件转运至温度为330℃的环形保温炉中， 保温8h，然后出炉风冷至室温，得到外层25Mn钢、内层1Cr13钢的复合管件尺寸为外径D= 266mm、内径d=60mm、长度L=7026mm、外层壁厚b 1=57、内层壁厚b 2 =46mm，如图4所示；
（4）热挤压复合管件调质处理：淬火温度为885℃，淬火保温时间
Figure 220229DEST_PATH_IMAGE038
，达到t 2后水冷至室温，回火温度为630℃，回火保温时间
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，达到t 3后空冷至室温。
实施例3
本实施例提供一种双金属复合管裂纹控制方法，设定外层为X70钢、内层为Incoloy800钢，双金属复合管坯尺寸为：外径D=820mm、内径d=60mm、长度L=700mm、外层壁厚b 01=200mm，内层壁厚壁厚b 02 =180mm；热挤压双金属复合管件尺寸为：外径D=266mm、内径d=60mm、长度L=7026mm、外层壁厚b 1=57、内层壁厚b 2 =46mm；其裂纹控制的工艺步骤是：
（1）采用离心铸造工艺铸造外层X70钢、内层Incoloy800钢的双金属复合管坯，图1 所示为离心铸造示意图，图中1是浇包，2是浇道，3是浇口，4是模具盖板，5是沙垫，6是锁紧 销，7是电磁线圈，8是双金属管坯内层，8′是双金属管坯外层，9是金属模具铸型，无磁铸铁 铸型四周恒稳磁场强度
Figure 524171DEST_PATH_IMAGE040
，外层金属液浇铸温度为1590℃，浇铸速 度
Figure DEST_PATH_IMAGE041
；内层金属液浇铸温度为1560℃，浇铸速度
Figure 363076DEST_PATH_IMAGE042
，铸型转速
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，外、内层金属液浇铸 间隔时间
Figure 131181DEST_PATH_IMAGE044
，得到的离心铸造双金属管坯尺寸为：外径D= 820mm、内径d=60mm、长度L=700mm、外层壁厚b 01=200mm、内层壁厚b 02 =180mm，如图2所示；
（2）双金属铸态管坯正火处理：正火温度为930℃，达到预设保温时间
Figure DEST_PATH_IMAGE045
后采用鼓风机风冷至室温；
（3）双金属铸态管坯热挤压：如图3所示，10是双金属管件锻件外层，10′是双金属 管件锻件内层，11是挤压筒，12是挤压凸模，待铸态管坯出炉后的内、外层结合界面温度T= 1150℃时开始挤压，挤压比
Figure 528664DEST_PATH_IMAGE046
，挤压速度
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，挤压完成后将复合管件转运至温度为330℃的环形保温炉中，保 温10h，然后出炉风冷至室温，得到外层X70钢、内层Incoloy800钢的复合管件尺寸为外径D= 266mm、内径d=60mm、长度L=7026mm、外层壁厚b 1=57、内层壁厚b 2 =46mm，如图4所示；
（4）热挤压复合管件调质处理：淬火温度为890℃，淬火保温时间
Figure 821368DEST_PATH_IMAGE048
，达到t 2后水冷至室温，回火温度为640℃，回火保温时间
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，达到t 3后空冷至室温。

Claims (1)

1.一种双金属复合管裂纹控制方法，其特征在于按以下工艺步骤实现：
（1）离心铸造双金属管坯：在卧式电磁离心铸造机上铸造双金属管坯，在无磁铸铁铸型 外部沿四周加恒稳磁场，磁场强度B由管坯外层壁厚b 01和内层壁厚b 02确定，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，B单位为T，b 01和b 02单位为mm；外层金属液浇铸温度为1570~ 1590℃，浇铸速度
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，内层金属液浇铸温度为1520~1560℃，浇铸 速度
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，铸型转速
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；外、内层金属 液浇铸间隔时间t由二者壁厚b 01、b 02和高温热膨胀系数γ 01、γ 02共同确定，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，t单位为s，γ 01和γ 02分别为外层和内层的高温热膨胀系数，得 到离心铸造的双金属管坯；
（2）双金属铸态管坯正火处理：正火温度为910~930℃，达到预设保温时间t 1后采用鼓风机风冷至室温，t 1由b 01和b 02确定，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，t 1单位为min；
（3）双金属铸态管坯热挤压：挤压温度由铸态管坯出炉后的内、外层结合界面温度T确定，待T=1100~1150℃时开始挤压，挤压比λ由管坯外、内层壁厚之比和屈服强度之比共同确定，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure DEST_PATH_IMAGE017
分别为外层和内层的屈服强度；挤压速度v由管件长度L和挤压比λ共同确定，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，L单位为mm；挤压完成后将复合管件转运至温度为330℃的环形保温炉中，保温6~10h，然后出炉风冷至室温，得到热挤压的双金属复合管件；
（4）热挤压复合管件调质处理：淬火温度为880~890℃，淬火保温时间t 2由管件外层壁厚b 1和内层壁厚b 2确定，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，达到t 2后水冷至室温；回火温度为620~640℃，回火保温时间t 3由b 1和b 2确定，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，达到t 3后空冷至室温，t 2和t 3单位均为min，b 1和b 2单位为mm；
所述双金属复合管外层材质为Q345B钢、内层材质为316L钢，或者外层材质为25Mn钢、内层材质为1Cr13钢，或者外层材质为X70钢、内层材质为Incoloy800钢。
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