CN113441553A - 一种无缝管及其冷轧方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种无缝管及其冷轧方法，通过改进两辊冷轧管机装置，采用大减径量、大减壁量和中速轧制，从而实现高精度厚壁小孔无缝管的制备，制得的无缝管内外径尺寸公差小于等于0.04mm、内孔表面粗糙度小于等于0.4μm。本申请提供的冷轧方法，实现了管坯一道次大变形度冷轧加工，减少了轧制道次，缩短了加工工序，降低了材料损耗，提高了厚壁小孔无缝管的生产质量和生产效率。采用本申请的冷轧方法制得的无缝管，内外径尺寸公差小、内孔表面粗糙度小、直线度高。
Description
技术领域
本申请涉及钢管技术领域，特别是涉及一种无缝管及其冷轧方法。
背景技术
精密无缝钢管要求内外径尺寸精度高、表面粗糙度小，高精度厚壁小孔无缝管被广泛应用于生产气动或液压元件，如气缸、油缸等。
针对高精度厚壁小孔无缝管(尤其是成品无缝管的外径＜40mm，外径/壁厚≤3.6，内外径尺寸公差≤0.04mm、内孔表面粗糙度≤0.4μm)的冷轧技术，其难度在于：①成品无缝管的内孔尺寸小而壁厚大，通常情况下会选择多道次冷轧以达到目标尺寸，但由于冷加工变形后会产生加工硬化，为消除其影响还需每道次冷轧后进行退火处理，该方法工艺流程长、能源消耗大且需制作多付模具芯棒，因此生产成本高、效率较低。若采取一道次冷轧变形至目标尺寸，又面临冷轧变形量大，加工硬化程度高，变形抗力大，且传统两辊冷轧管机的开式机架，在轧制时机架、楔块、固定螺丝三者间隙易受力增大，从而无法保证轧出成品无缝管的尺寸精度。②冷轧厚壁管时内外表面变形严重不均，管坯外表面已变形结束且达到目标尺寸时，内表面几乎无压下变形，导致轧出的成品无缝管内孔表面粗糙度较大。因此亟需开发一种新的加工方法，以提高工业生产中厚壁小孔无缝管的尺寸精度和表面质量，解决生产工序繁多、材料损耗较大等问题。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种无缝管及其冷轧方法，以实现高精度厚壁小孔无缝管的制备。具体技术方案如下：
本申请的第一方面提供了一种无缝管的冷轧方法，其包括以下步骤：
(1)取管坯，抛磨其内孔表面，使内孔表面粗糙度Ra﹤1.2μm，并对内孔表面进行润滑；所述管坯的外径为40-55mm，壁厚为10-15mm，外径和壁厚的比值为2.8-4；
(2)采用具有芯棒的两辊冷轧管机对经步骤(1)处理后的管坯进行轧制，得到无缝管；其中，冷轧管机的入口、出口、机架上和芯杆卡盘座上分别设有固定装置；轧制速度为65-100次/分钟；每道次减径比为20-45％；每道次减壁比为15-45％；单次送进量为1.5-3.5mm；管坯内径和芯棒螺纹端直径之差小于等于2mm，芯棒定径段直径与轧后成品无缝管的内径相等；
所述无缝管的外径公差小于等于0.04mm，内径公差小于等于0.04mm，内孔表面粗糙度小于等于0.4μm。
本申请的第二方面提供了一种根据本申请第一方面提供的冷轧方法制得的无缝管。
本申请提供的无缝管的冷轧方法，通过改进两辊冷轧管机装置，采用大减径量、大减壁量和中速轧制，从而实现高精度厚壁小孔无缝管的制备，制得的无缝管内外径尺寸公差小于等于0.04mm、内孔表面粗糙度小于等于0.4μm。本申请提供的冷轧方法，实现了管坯一道次大变形度冷轧加工，减少了轧制道次，缩短了加工工序，降低了材料损耗，提高了厚壁小孔无缝管的生产质量和生产效率。采用本申请的冷轧方法制得的无缝管，内外径尺寸公差小、内孔表面粗糙度小、直线度高。
当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
具体实施方式
下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员基于本申请所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的第一方面提供了一种无缝管的冷轧方法，其包括以下步骤：
(1)取管坯，抛磨其内孔表面，使内孔表面粗糙度Ra﹤1.2μm，并对内孔表面进行润滑；所述管坯的外径为40-55mm，壁厚为10-15mm，外径和壁厚的比值为2.8-4；
(2)采用具有芯棒的两辊冷轧管机对经步骤(1)处理后的管坯进行轧制，得到无缝管；其中，冷轧管机的入口、出口、机架上和芯杆卡盘座上分别设有固定装置；轧制速度为65-100次/分钟；每道次减径比为20-45％；每道次减壁比为15-45％；单次送进量为1.5-3.5mm；管坯内径和芯棒螺纹端直径之差小于等于2mm，芯棒定径段直径与轧后成品无缝管的内径相等；
所述无缝管的外径公差小于等于0.04mm，内径公差小于等于0.04mm，内孔表面粗糙度小于等于0.4μm。
本申请中，在轧制前首先抛磨管坯的内孔表面，以消除待轧管坯的内孔表面可能存在的如氧化、折皮、凹坑、附着物等各种表面缺陷，同时降低内孔表面的粗糙度Ra至小于1.2μm，以保证内孔表面的质量均匀，在此基础上实现了冷轧得到内孔表面粗糙度小于等于0.4μm的高精度无缝管。本申请采用抛磨内孔替代传统酸洗处理，避免了酸洗造成的环境污染。
发明人在研究中发现，轧制时管坯的两端若无固定支撑，则进入轧制区域的管坯因受力不均，会导致成品无缝管出现严重弯扭，芯棒和管坯可能会出现径向抖动，使管坯内孔中心线与轧制中心线的偏差增大，导致芯棒的断裂；在本申请中，通过在冷轧管机主机座入口、出口和机架上分别设置固定装置以固定管坯，降低了管坯在轧制时的抖动幅度，提高了管坯内孔中心线与轧制中心线的重合程度，不仅提高了成品无缝管的直线度，而且降低了芯棒断裂的几率。发明人还发现，在轧制过程中，芯杆卡盘座整体可能会向机头方向移动，导致成品无缝管的内孔增大，从而影响成品无缝管的尺寸，甚至可能造成闷车即机架和轧辊无法往复运动，而导致成品无缝管不能完整轧出；在本申请中，通过在芯杆卡盘座上设置固定装置，避免了闷车问题，保证了轧后成品无缝管的尺寸精度。本申请采用闭式机架的两辊冷轧管机，通过改进两辊冷轧管机装置，保证了大减径量、大减壁量、中速冷轧工艺的实施，提高了轧后成品无缝管的精度。
不限于任何理论，当轧制速度、减径比、减壁比或单次送进量过大时，导致成品无缝管出现尺寸公差大、表面质量不均匀等问题。当减径比或减壁比过小时，可能会导致在冷轧时内径收缩引起的折皱不能被芯棒完全碾平，致使成品无缝管的内孔表面粗糙度超过0.4μm。当轧制速度或单次送进量过小时，会降低无缝管的加工效率。本申请采用大减径量、大减壁量和中速轧制代替传统多道次小变形高速轧制，以保证经大变形后的成品无缝管具有较低的内孔粗糙度，通过设置轧制速度为65-100次/分钟、每道次减径比为20-45％、每道次减壁比为15-45％、单次送进量为1.5-3.5mm，使变形力穿透厚壁到芯棒，减小轧制力对芯棒的损伤，在提高成品无缝管精度的同时降低其内孔表面粗糙度至小于等于0.4μm。
优选地，轧制速度为70-100次/分钟，每道次减径比为25-40％，每道次减壁比为20-40％，单次进样量为2-3mm。
在本申请中，芯棒尺寸需要和管坯及成品无缝管的尺寸相匹配，其中管坯内径和芯棒螺纹端直径之差小于等于2mm，芯棒定径段直径与轧后成品无缝管的内径相等，以保证轧制得到的无缝管的高精度。
整体而言，本申请提供的冷轧方法，对外径为40-55mm、壁厚为10-15mm、外径和壁厚的比值为2.8-4的管坯进行冷轧，通过改进两辊冷轧管机装置，采用大减径量、大减壁量和中速轧制，从而实现了高精度厚壁小孔无缝管的制备，制得的无缝管内外径尺寸公差小于等于0.04mm、内孔表面粗糙度小于等于0.4μm。本申请提供的冷轧方法，实现了管坯一道次大变形度冷轧加工，减少了轧制道次，缩短了加工工序，降低了材料损耗，提高了高精度厚壁小孔无缝管的生产质量和生产效率。采用本申请的冷轧方法制得的无缝管，内外径尺寸公差小、内孔表面粗糙度小、直线度高。
在本申请第一方面的一些实施方式中，步骤(1)中，所述管坯选自碳钢、低合金钢、中合金钢或高合金钢中的任一种。在本申请中，碳钢是指碳的质量含量为0.0218-2.11％的碳素钢；低合金钢是指合金元素的质量含量小于5％的合金钢；中合金钢是指合金元素的质量含量为5-10％的合金钢；高合金钢是指合金元素的质量含量大于10％的合金钢。其中，合金元素可以包括但不限于硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼中的至少一种。
在本申请第一方面的一些实施方式中，步骤(1)中，所述抛磨是采用150#-400#金刚石磨头抛磨；所述润滑是采用润滑油处理，所述润滑油选自机油或抛磨油中的任一种。
在本申请中，对待轧管坯进行抛磨时，根据内孔表面的质量选取合适粒度的磨头，通常采用150#-400#金刚石磨头，抛磨后管坯的内孔表面粗糙度小于1.2μm，为制备高精度无缝管做好了管坯准备。
在本申请中，根据管坯材料选择合适的轧制润滑油，示例性地，如管坯为碳钢、低合金钢或中合金钢等材料，可以采用黄油润滑；管坯为高合金钢(如不锈钢)等材料，可以采用石蜡油润滑。
在本申请第一方面的一些实施方式中，步骤(2)中，所述无缝管的外径小于40mm，外径和壁厚的比值小于等于3.6。
在本申请第一方面的一些实施方式中，步骤(2)中，冷轧管机的入口、出口设有管坯的固定装置，选自液压卡盘或气动卡盘，所述卡盘收紧后的卡爪所围成的直径比管坯的外径大0-2mm，以控制轧制过程中管坯的抖动幅度，保证轧后成品无缝管的直线度；
机架上设有管坯的固定装置为环形套筒，套筒随机架同步运动，套筒内径比轧后成品无缝管的外径大5-10mm，以限制管坯轧出部分无缝管的径向跳动幅度，使其偏离轴向轧制中心线的径向幅度控制在5-10mm范围内，从而避免轧出的无缝管因无径向支撑，而造成轧后成品无缝管出现明显弯扭的现象；
芯杆卡盘座上设有保证芯棒位置的固定装置为固定螺栓，保证轧制过程中芯棒、芯杆和芯杆座向冷轧管机机头方向的移动距离小于2mm，从而避免冷轧制得的无缝管的内径大于目标内径的尺寸且超出公差。本申请通过设置上述各固定装置，提高了轧后成品无缝管的精度。
在本申请第一方面的一些实施方式中，步骤(2)中，所述芯棒为表面经强化处理后的合金钢，芯棒表面的维氏硬度大于等于800HV。
在本申请中，对芯棒的材质没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可，优选地，芯棒的材质为高强合金钢。在本申请中，芯棒表面的维氏硬度大于等于800HV，能够满足轧制过程中芯棒尺寸的稳定性和耐磨性，保证了轧制过程中芯棒不会发生断裂或塑性变形，进而保证了成品无缝管的尺寸精度，使得轧后无缝管的内径尺寸能够符合公差要求，内孔表面粗糙度可低于0.4μm。
优选地，芯棒表面的维氏硬度大于等于900HV。
在本申请第一方面的一些实施方式中，对芯棒表面强化处理的方法没有特别限制，只要能实现本申请目的即可。例如，强化处理可以选自渗碳、渗钒、碳氮共渗、氮化强化或激光强化的至少一种。
在本申请中，对芯棒的长度没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，只要能实现本申请目的即可。例如，芯棒的长度可以为500-800mm。
在本申请中，对冷轧管机的种类没有特别限制，只要能实现本申请目的即可。例如，两辊冷轧管机可以是LG-30两辊环孔型冷轧管机。
本申请的第二方面提供了一种根据本申请第一方面提供的冷轧方法制得的无缝管。
实施例1
(1)取材料为调质态45#钢、规格为外径φ43mm×壁厚13.5mm的管坯，分别用150#、400#的金刚石磨头抛磨其内孔表面后，内孔表面粗糙度Ra为0.926μm，吹扫清理内孔，使内孔无污物及划痕，并倒入黄油润滑内孔表面；
(2)采用LG-30两辊环孔型冷轧管机对经步骤(1)处理后的管坯进行轧制，其中，冷轧管机的入口、出口分别设有固定管坯的液压卡盘，卡盘收紧后的卡爪所围成的直径为45mm；机架上设有固定管坯的环形套筒，套筒随机架同步运动，套筒内径为35mm；芯杆卡盘座上设有保证芯棒位置的固定螺栓，芯杆卡盘转动6-7次回转一周；
轧制速度为83次/分钟，每道次减径比为34.9％，每道次减壁比为25.9％，单次送进量为2.5mm；
芯棒为表面经渗钒强化后的Cr12MoV钢，芯棒表面维氏硬度1050HV，芯棒螺纹端直径φ15mm，定径段直径φ8mm；
制得外径φ28mm×壁厚10mm的无缝管。
实施例2
(1)取材料为退火态GCr15轴承钢、规格为外径φ52mm×壁厚14mm的管坯，分别用220#、380#的金刚石磨头抛磨其内孔表面后，内孔表面粗糙度Ra为0.892μm，吹扫清理内孔，使内孔无污物及划痕，并倒入黄油润滑内孔表面；
(2)采用LG-30两辊环孔型冷轧管机对经步骤(1)处理后的管坯进行轧制，其中，冷轧管机的入口、出口分别设有固定管坯的气动卡盘，卡盘收紧后的卡爪所围成的直径为54mm；机架上设有固定管坯的环形套筒，套筒随随机架同步运动，套筒内径为46mm；芯杆卡盘座上设有保证芯棒位置的固定螺栓，芯杆卡盘转动6-7次回转一周；
轧制速度为95次/分钟，每道次减径比为26.9％，每道次减壁比为21.4％，单次送进量为3mm；
芯棒为表面经氮化强化后的LD钢，芯棒表面维氏硬度950HV，芯棒螺纹端直径φ23mm，定径段直径φ16mm；
制得外径φ38mm×壁厚11mm的无缝管。
实施例3
(1)取材料为304不锈钢、规格为外径φ45mm×壁厚12mm的管坯，分别用150#、400#的金刚石磨头抛磨其内孔表面后，内孔表面粗糙度Ra为0.853μm，吹扫清理内孔，使内孔无污物及划痕，并倒入石蜡油润滑内孔表面；
(2)采用LG-30两辊环孔型冷轧管机对经步骤(1)处理后的管坯进行轧制，其中，冷轧管机的入口、出口分别设有固定管坯的气动卡盘，卡盘收紧后的卡爪所围成的直径为47mm；机架上设有固定管坯的环形套筒，套筒随机架同步运动，套筒内径为35mm；芯杆卡盘座上设有保证芯棒位置的固定螺栓，芯杆卡盘转动6-7次回转一周；
轧制速度为75次/分钟，每道次减径比为40％，每道次减壁比为37.5％，单次送进量为2mm；
芯棒为表面经渗氮强化后的H13钢，芯棒表面维氏硬度980HV，芯棒螺纹端直径φ19.5mm，定径段直径φ12mm；
制得外径φ27mm×壁厚7.5mm的无缝管。
对比例1-4
采用与实施例1相同的无缝管的制备方法，同样制得外径φ28mm×壁厚10mm的无缝管，相关制备参数的变化如表1所示。
表1
测试方法和设备：
内孔表面粗糙度的测试：
根据GB/T3505-2000《产品几何技术规范、表面结构、轮廓法、表面结构的术语、定义及参数》、GB/T6062-2002《产品几何技术规范、表面结构、轮廓法、接触(触针)式仪器的标称特性》和GB/T 1031-2009《表面粗糙度参数及其数值国家标准》的规定，采用TR221型表面粗糙度仪检测实施例1-3和对比例1-4中的无缝管的内孔表面粗糙度。
无缝管直线度的测试：
根据GB/T11336直线度误差标准，在校直机平直度检测台架上检测实施例1-3和对比例1-4中的无缝管的直线度。直线度用x mm/500mm表示，x数值越小，说明直线度越高。
实施例1-3和对比例1-4中无缝管的性能结果如表2所示。
表2
根据表2，比较对比例1和实施例1可以看出，对比例1中无缝管的内孔表面粗糙度Ra超过0.4μm，这是因为对比例1的减壁比过小，导致冷轧时内径收缩引起的折皱未能被芯棒完全碾平。对比例1制得的无缝管出现了明显的弯扭，这是因为在冷轧过程中，机架上未设固定装置，而仅由芯棒和上下轧辊支撑管坯，使管坯的径向跳动较大所导致。
比较对比例2和实施例1可以看出，当管坯送进量增加时，轧后成品无缝管的外径尺寸明显超出公差范围。
比较对比例3和实施例1可以看出，采用未经表面强化的芯棒，其轧后成品无缝管的尺寸虽能达到精度要求，但内孔表面粗糙度Ra为0.277-0.881μm，波动范围大。其原因是芯棒表面硬度较低，而调质态厚壁管的硬度较高，在轧制时管坯内表面受力变形包住芯棒表面，由于二者间的摩擦力较大，造成芯棒表层部分金属脱落后，管坯内表面与芯棒表层脱落部分接触，导致轧后成品无缝管的内孔表面粗糙度变大，而芯棒表层未脱落处，轧后成品无缝管的内孔表面粗糙度较小，因此出现内孔表面粗糙度波动范围大的情况。
比较对比例4和实施例1可以看出，芯杆卡盘座未设固定装置，未能轧出成品无缝管。
从表2可以看出，实施例1-3的无缝管的内孔表面粗糙度优于对比例1-4，内外径公差优于对比例2，直线度优于对比例1。
综上可知，只要采用本申请提供的冷轧方法生产无缝管，就能够得到内外径公差小、内孔表面粗糙度小、直线度高的高精度、高质量厚壁小孔无缝管。本申请提供的冷轧方法，实现了管坯一道次大变形度冷轧加工，减少了轧制道次，缩短了加工工序，降低了材料损耗，提高了厚壁小孔无缝管的生产质量和生产效率。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种无缝管的冷轧方法，其包括以下步骤：
(1)取管坯，抛磨其内孔表面，使内孔表面粗糙度Ra﹤1.2μm，并对内孔表面进行润滑；所述管坯的外径为40-55mm，壁厚为10-15mm，外径和壁厚的比值为2.8-4；
(2)采用具有芯棒的两辊冷轧管机对经步骤(1)处理后的管坯进行轧制，得到无缝管；其中，冷轧管机的入口、出口、机架上和芯杆卡盘座上分别设有固定装置；轧制速度为65-100次/分钟；每道次减径比为20-45％；每道次减壁比为15-45％；单次送进量为1.5-3.5mm；管坯内径和芯棒螺纹端直径之差小于等于2mm，芯棒定径段直径与轧后成品无缝管的内径相等；
所述无缝管的外径公差小于等于0.04mm，内径公差小于等于0.04mm，内孔表面粗糙度小于等于0.4μm。
2.根据权利要求1所述的冷轧方法，其中，步骤(1)中，所述管坯选自碳钢、低合金钢、中合金钢或高合金钢中的任一种。
3.根据权利要求1所述的冷轧方法，其中，步骤(1)中，所述抛磨是采用150#-400#金刚石磨头抛磨；所述润滑是采用润滑油处理，所述润滑油选自机油或抛磨油中的任一种。
4.根据权利要求1所述的冷轧方法，其中，步骤(2)中，所述无缝管的外径小于40mm，外径和壁厚的比值小于等于3.6。
5.根据权利要求1所述的冷轧方法，其中，步骤(2)中，冷轧管机的入口、出口设有管坯的固定装置，选自液压卡盘或气动卡盘，所述卡盘收紧后的卡爪所围成的直径比管坯的外径大0-2mm；
机架上设有管坯的固定装置为环形套筒，套筒内径比轧后成品无缝管的外径大5-10mm；
芯杆卡盘座上设有保证芯棒位置的固定装置为固定螺栓，使轧制过程中芯棒、芯杆和芯杆座向冷轧管机机头方向的移动距离小于2mm。
6.根据权利要求1所述的冷轧方法，其中，步骤(2)中，轧制速度为70-100次/分钟，每道次减径比为25-40％，每道次减壁比为20-40％，单次进样量为2-3mm。
7.根据权利要求1所述的冷轧方法，其中，步骤(2)中，所述芯棒为表面经强化处理后的合金钢，芯棒表面的维氏硬度大于等于800HV。
8.根据权利要求7所述的冷轧方法，其中，所述强化处理选自渗碳、渗钒、碳氮共渗、氮化强化或激光强化的至少一种。
9.根据权利要求7所述的冷轧方法，其中，芯棒表面的维氏硬度大于等于900HV。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的冷轧方法制得的无缝管。
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