CN114182084A - 一种消除压力加工金属管材各向异性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除压力加工金属管材各向异性的方法，具体包括确定扭转加工参数、金属管材的安装及加热、金属管材的扭转和旋转、金属管材的退火及冷却等工艺步骤。本发明利用金属压力加工纤维晶粒取向的改变，改善和优化金属管材的各向异性，不仅不增加附加材料和降低管材性能，而且提升了管材的强韧性。所述方法通过对金属管材的压力加工组织调控，显著消除管材性能的各向异性。

Description

一种消除压力加工金属管材各向异性的方法

技术领域

本发明属于工业用有色金属管材加工领域，具体涉及一种消除压力加工金属管材各向异性的方法。

背景技术

金属管材已经成为工业领域最为普遍使用的型材，广泛用于石油、天然气及特种流体介质的输送与热交换领域。因为服役环境和金属特性的不同，不同环境下需使用不同金属材料的管材。管材加工的方法常分为铸造成型和压力加工成型。其中在本发明所属的工业用金属管材压力加工领域，加工方式则以压力加工成型为主。在管材压力加工成型方面，主要有轧制法、挤压法、拉拔法和旋压法。其中，旋压法加工管材受长径比影响较大；而挤压法主要用于厚壁且长度有限的管件加工；轧制法和拉拔法主要用于大高径比金属管材加工。与旋压和挤压法制备管材相比，轧制和拉拔法多道次加工制备的金属管材具有更为显著的各向异性。因此，本发明强调针对以轧制和拉拔法加工为主的大高径比金属管材的加工。在轧制和拉拔管材加工工艺，因为金属加工形变硬化显著，需要多道次反复轧制或者拉拔。每一道次轧制和拉拔都是对管壁轴向的加工为主，多道次的压力加工使得金属管材形成沿轴向方向的纤维组织，该组织的存在使得管材的轴向性能显著增强，而对管材的周向性能弱化严重，故形成了强烈的各项异性。各向异性的存在，使得金属周向成为管材力学性能的薄弱环节，致使管材只能在低于管材周向强度范围内使用。因此，适用范围受限严重。

为了解决金属管材的各向异性问题，一般采取两种方法。一是可以采取复合结构的方法，比如金属与有机材料制成复合管，比如铝塑材料，借助于有机材料的各项同性，降低金属管材的各向异性影响。再比如管壁内外增加紧箍材料，例如在金属管壁内增加纤维或者在管材外部增加紧箍圈等。等等这些方法降低了金属管材的各向异性，但是增加了管材制备流程和成本。另一种是采取是热处理方式，这也是金属压力加工管材主要的降低各向异性的方法。热处理方法是通过金属组织的回复和微再结晶，适度弱化纤维组织，其结果是削弱金属管材的轴向性能换取周向性能的改善。故该方法也不是消除管材各向异性最为理想的方法。事实上，压力加工金属管材的各向异性是由单向累积性加工形变形成的显微组织结构决定的，与显微组织相同方向的强韧性得到改善，而与显微组织垂直方向的强韧性受到弱化，这是压力加工管材各向异性形成的根源。

因此，调控管材的各向异性的核心是调控管材挤压/轧制/拉拔组织的方向。故基于此，提出本发明技术方案。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种消除压力加工金属管材各向异性的方法。本发明利用金属压力加工纤维晶粒取向的改变，改善和优化金属管材的各向异性，不仅不增加附加材料和降低管材性能，而且提升了管材的强韧性。所述方法通过对金属管材的压力加工组织调控，显著消除管材性能的各向异性。

本发明的方案是，提供一种消除压力加工金属管材各向异性的方法，包括如下步骤：

(1)确定扭转加工参数：根据终端管材对各向异性的要求，确定加工过程中扭转角度β、旋转角度α，使其满足tanβ＝α/π且β≤45°；其中，

i≤n且为正整数，n为扭转次数；

(2)金属管材的安装及加热：将金属管材的一端设置为固定端，另一端设置为旋转端，所述固定端与旋转端之间设置为加热区；将所述固定端固定后，对所述加热区进行加热和保温；

(3)金属管材的扭转和旋转：在保温条件下，将所述管材旋转端按照旋转角度αi旋转，管材获得了相应的扭转角度βi；

(4)金属管材的退火及冷却：固定管材旋转端，使金属管材保持扭转状态。将加热炉温度升至退火温度点，对金属管材进行退火处理，完成后取出并冷却即可。

对于长度≤10m且各向异性不显著的金属管材，可以进行终端一道次加工。加工时，可以根据金属管材各向异性的要求，按照确定的扭转角度β和旋转角度α进行一道次加工。对于金属管材长度≤10m且各向异性严重的金属管材，可以根据确定的扭转角度β和旋转角度α，结合挤压/轧制/拉拔流程和扭转加工最大角度限制，进行多道次扭转加工。旋转角度和扭转角度分别为αi和βi。多道次加工后，使其满足tanβ＝α/π且β≤45°，其中，

i≤n且为正整数，n为扭转次数；

对于长度＞10m且各向异性不显著的金属管材，可以进行逐段加工；对于长度＞10m且各向异性显著的金属管材，可以进行多道次逐段加工，实现超长管材连续化加工。

一般扭转加工点选择在管坯热处理之后或者挤压/轧制/拉拔之前，扭转加工道次次数较多时，可在坯料热处理之后和成品热处理之前适当增加1～3道次。比如：坯料-扭转₁-热处理-挤压/轧制/拉拔-热处理-扭转₂-热处理-扭转₃-热处理。

经发明人研究得到，金属管材欲实现轴向与周向的各向同性，则要求纤维晶粒的取向在一个正方形的对角线方向，此位置是最为理想的角度。为便于理解参考图2，设定金属管材长度为πR(R为圆形截面的半径)，当扭转端沿轴向由A点转至B点时，产生旋转角度α，而A、B两点与固定端的C点所形成的∠ACB则为扭转角度β，故tanβ＝αR/πR＝α/π，其中，

i≤n且为正整数，n为扭转次数。

优选地，步骤(2)中，所述加热温度≤1200℃。

优选地，所述保温的时间为5～40min。

优选地，所述保温的时间为25min。

优选地，步骤(3)中，所述扭转的速率≤10°/min。

优选地，步骤(3)中，每次扭转的角度≤10°。

优选地，步骤(4)中，所述退火处理的时间为20～40min。

优选地，所述退火处理的时间为30min。

本发明的有益效果为：

1、本发明所述的方法通过对金属管材加工组织纤维方向的调控，在不降低管材力学性能的条件下，显著改善了管材的各向异性，同时通过扭转加工，改善了管材的加工性能，成品率高，可调空性好。

2、扭转加工工艺简单，控制精度高，操作方便，还可以单管或者多管同时扭转加工，生产效率高，可工业化应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述金属管材的结构示意图。

图2是本发明所述金属管材的扭转方式示意图。

图中附图标记：

1-固定端；2-旋转端；3-加热区。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种消除压力加工金属管材各向异性的方法，包括如下步骤：

(1)确定扭转加工参数：确定加工过程中扭转角度β、旋转角度α，使其满足tanβ＝α/π且β≤45°；其中，

i≤n且为正整数，n为扭转次数；

(2)金属管材的安装及加热：将金属管材的一端设置为固定端，另一端设置为旋转端，所述固定端与旋转端之间设置为加热区；将所述固定端固定后，对所述加热区进行加热至1200℃并保温5min；

(3)金属管材的扭转：在保温的同时，对所述旋转端进行扭转和旋转，直至达到设定的扭转角度β和旋转角度α；每次扭转角度为10°，扭转速率为10°/min；

(4)金属管材的退火及冷却：保持金属管材的扭转和旋转状态，并对金属管材进行退火处理20min，完成后冷却即可。

实施例2

本实施例提供一种消除压力加工金属管材各向异性的方法，包括如下步骤：

(1)确定扭转加工参数：确定加工过程中扭转角度β、旋转角度α，使其满足tanβ＝α/π且β≤45°；其中，

i≤n且为正整数，n为扭转次数；

(2)金属管材的安装及加热：将金属管材的一端设置为固定端，另一端设置为旋转端，所述固定端与旋转端之间设置为加热区；将所述固定端固定后，对所述加热区进行加热至1000℃并保温40min；

(3)金属管材的扭转：在保温的同时，对所述旋转端进行扭转和旋转，直至达到设定的扭转角度β和旋转角度α；每次扭转角度为8°，扭转速率为6°/min；

(4)金属管材的退火及冷却：保持金属管材的扭转和旋转状态，并对金属管材进行退火处理40min，完成后冷却即可。

实施例3

本实施例提供一种消除压力加工金属管材各向异性的方法，包括如下步骤：

(1)确定扭转加工参数：确定加工过程中扭转角度β、旋转角度α，使其满足tanβ＝α/π且β≤45°；其中，

i≤n且为正整数，n为扭转次数；

(2)金属管材的安装及加热：将金属管材的一端设置为固定端，另一端设置为旋转端，所述固定端与旋转端之间设置为加热区；将所述固定端固定后，对所述加热区进行加热至1000℃并保温25min；

(3)金属管材的扭转：在保温的同时，对所述旋转端进行扭转和旋转，直至达到设定的扭转角度β和旋转角度α；每次扭转角度为8°，扭转速率为6°/min；

(4)金属管材的退火及冷却：保持金属管材的扭转和旋转状态，并对金属管材进行退火处理30min，完成后冷却即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种消除压力加工金属管材各向异性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定扭转加工参数：确定加工过程中扭转角度β、旋转角度α，使其满足tanβ＝α/π且β≤45°；其中，

i≤n且为正整数，n为扭转次数；

(2)金属管材的安装及加热：将金属管材的一端设置为固定端，另一端设置为旋转端，所述固定端与旋转端之间设置为加热区；将所述固定端固定后，对所述加热区进行加热和保温；

(3)金属管材的扭转和旋转：在保温的同时，对所述旋转端进行旋转，直至达到设定的旋转角度αi，管材因此获得了扭转角度βi；

(4)金属管材的退火及冷却：保持金属管材的扭转和旋转状态，并对金属管材进行退火处理，完成后取出并冷却即可。

2.根据权利要求1所述消除压力加工金属管材各向异性的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加热温度≤1200℃。

3.根据权利要求2所述消除压力加工金属管材各向异性的方法，其特征在于，所述保温的时间为5～40min。

4.根据权利要求3所述消除压力加工金属管材各向异性的方法，其特征在于，所述保温的时间为25min。

5.根据权利要求1所述消除压力加工金属管材各向异性的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述扭转的速率≤10°/min。

6.根据权利要求1所述消除压力加工金属管材各向异性的方法，其特征在于，步骤(3)中，每次扭转的角度≤10°。

7.根据权利要求1所述消除压力加工金属管材各向异性的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述退火处理的时间为20～40min。

8.根据权利要求7所述消除压力加工金属管材各向异性的方法，其特征在于，所述退火处理的时间为30min。

Images