CN1287922C - 一种制造无缝管的方法及使用该方法制成的无缝管 - Google Patents

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Abstract

一种制造无缝管的工艺，包括提供一具有一金属管坯(1)和有形状记忆作用的材料的一细长金属芯子(2)的组件，由管坯(2)以一最小间隙包围和接触芯子。在一升高的温度下通过机械加工将该组件拉长，直至管坯(1)已转变成一根所需尺寸的管子。在拉长步骤之后，使芯子(2)经受一处理，造成该芯子整个长度处于一伸展状态，而基本不使管坯(1)伸展。从管子取出芯子，随后在一不可变形的心轴上牵拉通过，从而精整直径和壁尺寸的精度，并改进内径和直径表面光洁度。还有修整和再插入步骤，用于改进最终直径，从而能够制造较小、较长的管子。

Description

一种制造无缝管的方法及使用该方法制成的无缝管
技术领域
本发明总地涉及金属管技术，更具体地，涉及无缝、形状记忆、金属管的制造，尤其是使用镍钛或钛合金的那些管子的制造。
背景技术
通过将一管坯在一不可变形的心轴上加工和/或与一冷拔加工结合制成大多数金属管子，在冷拔加工中将管子牵拉通过没有内部支承的一模子。这不连续加工是缓慢的和费钱的，以及仅能生产有限长度的管子。还已知通过一芯子和一管坯的一组件的机械加工制造均匀横剖面的无缝管子，这样拉长了芯子和管坯，然后除去芯子。芯子的去除与芯子材料有关，通过熔化其熔点低于管子熔点的芯子，通过选择地溶解芯子，或按照一先前的发明通过将芯子机械地拉伸到一缩小的直径，以便芯子的去除，这样就能完成芯子的去除。关于可变形的心轴加工的尺寸精度和内部表面质量也是较难控制的，这是因为在芯子由不同于管坯材料的一材料制造时该坯料和芯子的塑性流动会是不同的。在芯子与管坯之间的装配间隙或间距还可能造成内部表面质量的恶化。即使在芯子和管坯是用相同材料制造时，相信牵拉摩擦可能导致在管坯与芯子的伸展是不同的伸展。
英国专利362539揭示了空心金属体的生产。
法国专利980957揭示了组装一管坯和一芯子，机加工减少而没有压焊，进一步的芯子拉长能够沿纵向将它移拆，然后去除芯子。
美国专利2,809,750揭示了用于挤压加工的一心轴。
美国专利4,186,586揭示了关于通过强制性的塑性变形生产一管体的一钢坯和加工。在这专利中整个钢坯10受到塑性变形，它包括中央芯子13和壳管12。存在有由一溶剂可去除的盐层分开的一金属管坯和金属芯子的液压静力的共挤压。在缩小之后，该盐层形成一环形间隙，从而在溶解该盐后能够沿纵向抽出金属芯子。
美国专利4,300,378揭示了关于形成具有缩小的直径横剖面的拉长的制品的一方法和设备。钢坯是一固体样品和设有与一心轴连接的一管子。这专利示出了围绕一圆锥心轴106的管子挤压的一标准加工。
美国专利4,653,305揭示了关于通过由一金属坯料冷挤压形成金属制品的一方法和一设备。
日本的专利文摘1988年2月17日Vol.12 No.52(M-668)和1987年9月2日JP，A，62199218(Furukawa Electric有限公司)揭示了形成记忆合金管的制造，其中一心轴插入由形状记忆金属合金制成的一圆筒内，圆筒和心轴整体地缩小和在一热处理后拉出心轴。它示出了一管形的镍-钛形状记忆合金坯料和不锈钢芯子的共缩小，其中，利用管材的形状记忆作用(一滚卷的、焊接的和厚度减小的片材)扩展管子，从而能去除芯子。
美国专利5,056,209揭示了制造复合金属管的一工艺。它示出了共挤压诸同中心的管以形成一复合双金属管形最终产品的一方法。材料是为一外管的碳钢管材，难以加工具有较高变形阻力的材料。美国专利5,709,021揭示了关于加工金属管的一加工工艺，其中，通过机械加工伸展一管坯和一金属芯子的一组合件，制造一无缝金属管，然后伸展该芯子。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的困难和生产比现有技术更好的一产品。本发明通过下列技术能够克服这些问题和完成这些目的和其它目标：(1)形状记忆作用缩小了在芯子与坯料之间的装配间隙或间距(为较小的规格)；以及，(2)一牵拉加工工艺减少或消除了在牵拉时期、在芯子与管子之间的相对拉长；或者，(3)一复合加工，包括关于上游缩小的一可变形心轴加工和关于最后精加工通过的一不变形的心轴加工。在加工期间可以有利地使用在芯子与管子之间的润滑剂。并且，在使用修整(decoring)和再插入方面是有利的，这些提供了能够在较靠近最终尺寸处细调比值，以便较好地控制最后尺寸，以及，考虑到在管子与芯子之间添加一新的润滑剂层，从而易于对小而长的管子能够进行修整。
能够使用本发明制造形状记忆合金管，例如具有广阔尺寸范围的NiTi类合金管，而且对于制造小直径的薄壁管特别有利，例如从0.005到1.0英寸(0.13到25.4毫米)的内径[例如0.005到0.125英寸(0.13到3.2毫米)]和0.001到0.2英寸(0.025至5毫米)的壁厚[例如0.002到0.1英寸(0.05到2.5毫米)]。管子的长度可以广泛变化。由此，能够利用本发明制造相当长度的管子，例如超过20英尺，或者甚至超过100英尺，其上限由用于伸展芯子的设备确定。
在较小规格中，如果使用一修整和再插入步骤能够有所改进。
从以下结合附图的对较佳实施例的详细叙述，其它目的、特征和优点将显而易见，在附图中：
附图说明
图1和2是在本发明的方法起始时一芯子和一管坯的一组合的示意的纵向和横向剖面图；
图3是通过被机加工拉长的一组件的一示意纵向剖面图；
图4和5是通过本发明的诸锥形管的示意纵向剖面图。
具体实施方式
在一较佳方面，本发明提供制造形状记忆合金管的一方法，所说的合金是例如双元镍钛合金和它的修改的三元的和四元的成分，管子带有精确控制的外径(OD)和内径(ID)、壁厚以及改进的外径和内径光洁度。该方法包括：
1.提供包括(a)一金属管坯和(b)一细长的金属芯子的一组件，该芯子被管坯包围和有线接触，并带有最小间隙，以及在芯子与管子之间可以有利地使用一润滑剂；
2.通过机械加工拉长该组件，该机械加工可以在一升高的温度下进行(热加工)，其中芯子和坯料具有类似的塑性流动速率，直至管坯已被转变成所需直径的一管子，或者从一退火状态冷伸展；
3.对拉长的组件进行热处理，同时在管坯的再结晶温度之上的一温度下将处于在纵向应力状态下的该组件拉直；
4.在步骤3之后，使管子受一处理，其结果芯子的全长处于一伸展状态，并基本不使管子伸展；
5.从管子去除伸展的芯子；
6.在步骤5之后，可以反复加工步骤1至5，实现管子的较小尺寸；
7.在步骤5的最后修整加工之后和精加工的尺寸之前，较佳地使管子随后在一不可变形的心轴或一浮动的芯棒上牵拉通过，和/或与一冷拔加工结合，从而再提高直径和壁尺寸的精度，并具有改进的表面质量；以及
8.在步骤7的最后牵拉通过之后，热处理该管子，同时在再结晶温度之上的一温度下拉直处于纵向应力的管子。
步骤1-带有管坯的组件
在本发明中所使用的芯子必须提供在装配管坯和芯子的组件时，在对该组件进行机加工时以及在完成机加工之后将芯子转变成一伸展状态时有满意的结果。在一先前的专利(美国专利5,709,021)中已叙述了关于选择将能使芯子满足机加工和易于修整要求的一芯子金属的标准。为了满足关于在本发明中所揭示的关于一形状记忆合金(例如NiTi)管材的制造的改进的标准，芯子材料较佳地是在所选工作条件下具有基本相同工作特性的一镍钛合金，从而限制了芯子被挤压出管子或吸入管子的程度。同样较佳的是，在变形条件下镍钛芯子金属具有在20℃以上的一可逆的马氏体转变起始As温度。通过在一小环境或冷冻温度伸展和制作该组件，一超弹性芯子也适当地显现其性能。当变形到一缩小的直径、与管坯装配和随后在退火处理期间被加热到Af温度之上时，这一镍钛芯子将恢复原来的直径。一原始的超弹性芯子也能够过度变形，例如通过超过可恢复的应力极限的伸展，从而暂时地将奥氏体转变温度提高到如在美国专利4,631,094中所述的环境温度之上。在这过渡变形之后该原始的超弹性芯子具有在变形条件下的一稳定的几何形状，直至被加热到奥氏体转变温度之上。通过使用这一加工，一原始的超弹性芯子能够插入和取出，而不要冷却至一冷冻温度。通过适当选择起始的和终了的尺寸，芯子直径的形状记忆恢复将使在芯子与管坯之间装配间隙最小。例如，将1.00英寸的一芯子装配进入1.02英寸内径的一坯料将造成0.02英寸的一装配间隙。按照本发明，通过锤锻、通过牵拉或通过伸展到一缩小的直径可以冷加工一镍钛芯子，以便易于装配，当加热时能够恢复它的直径的2％，以及无心磨削到一最终直径1.00英寸。然后，将该被无心磨削的镍钛芯子与管坯装配成为一组件，随后加热以感应芯子的形状恢复。由此，芯子的2％直径恢复消除了0.02英寸装配间隙，这允许在随后的缩小期间管坯内径抵靠着芯子直径平稳地缩小。紧密依靠芯子直径的内径的缩小保证在随后的缩小期间保持内径光洁度。在步骤5中也能够利用这加工过程，用于在芯子去除的一中间步骤之后芯子材料的再插入。
在本发明中较佳的芯子材料包括与管坯有类似塑性流动特性的形状记忆金属。形状记忆金属存在于奥氏体状态和马氏体状态之中，在冷却时经历从奥氏体至马氏体的转变，在一较高温度Ms开始转变，终止在一较低温度Mf。关于制造镍一钛合金管和它们的三元的或四元的修改的成份的较佳芯子材料包括二元合金和除了镍和钛之外含有一个或多个其它金属，例如一个或多个铁、钴、锰、铬、钒、钼、锆、铌、铪、钽、钨、铜、银、铂、钯、金和铝的合金。
一较佳的二元合金芯子包括54.5％至56.0％、较佳地小于55.5％的镍和其余为钛，这是由于这成份范围的合金具有在环境温度之上的可逆的马氏体转变(从马氏体到奥氏体)温度。在整个本说明书中，关于合金成份所述的百分率都是在合金重量基础上的重量百分率。也能够使用含有大于约55.5％镍、其余为钛的二元合金，但当使用这合金时，可能需要使芯子较大地变形，以将As和Af温度提高到环境温度之上，如美国专利4,631,094所述。
能够将元素添加到镍钛合金中，以得高As和Af温度。这些元素包括铜、铪、铂、钯、银和金，以及它们能够有用地存在于该合金中，以便提高可逆的转变温度。通常这些元素存在于含55.5％至56.0％镍、其余为钛的一合金中的数量约为0.1至20％。
镍钛合金的另一有用等级包括41％至47％钛、0.1至5％铝和其余镍。铝的存在产生了能够进行沉淀硬化的一合金。
能够使用本发明制造它的工作特性能使管坯和芯子通过机加工以类似的塑性流动速率伸展的任何金属管。能够作为管金属使用的镍钛合金包括在本文所揭示的、如适合于用作为芯子材料的那些合金。其它管金属的例子包括含钛和一个或多个其它金属、例如镍、铝、钒、铌、铜和铁的合金。在这些合金的一个等级中，钛的含量至少80％，较佳地为85％至97％，以及该合金还含有铝和钡的一个或两个，例如，该合金包括约90％钛、约6％铝和约4％钒，以及该合金包含约94.5％钛、约3％铝和约2.5％钒。在这些合金的另一等级中，钛的含量为76％至92.5％和该合金还包含约7.5％至12％钼、零至约6％铝、零至约4％铌和零至约2％钒。在这些合金的又一等级中，钛含量35％至47％和该合金还包括约42％至约58％镍、零至约4％铁、零至约13％铜、零至17％铌。其它管金属包括活性金属和合金(即如果受到机械加工将与氧和/或氮起反应的金属和合金，因此必须在一惯性媒质中或在一不起反应的壳体，例如不锈钢壳体中处理，在完成机械加工之后在任何方便的阶段去除之)，并尤其包括钛、锆和铪。其它管金属包括金属化合物，例如铝化镍和铝化钛，许多这些材料难以在室温下加工，必须在它们可延展的升高的温度下加工。
在组件中管坯和芯子的尺寸由在制成的管子中所要求的尺寸和可用于机加工该组件的设备确定。对本领域的那些熟练人员来说这些都是已知的事情，在这里不需要详细叙述。例如，芯子和管坯能够有3至100英寸(76至2500毫米)，例如12至48英寸(300至1220毫米)的长度；管坯的外径可以是0.1至2英寸(2.5至51毫米)，较佳地1至1.5英寸(25至40毫米)；芯子的直径和管坯的内径可以是0.3至1英寸(7.6至25.5毫米)，较佳地0.5至0.9英寸(12.5至23毫米)；以及，管子外径对管子内径的比例可以是从1.01至2.5，较佳地1.15至2.0。这些尺寸只是例子，不应该被解释为对本发明范围的限制。管子产品的内径对管子产品的外径的比例基本与管坯中的情况相同。
我们发现：如果在最初的组件中，在管坯与芯子之间加一润滑剂，获得了在芯子的伸展和去除伸展的芯子的情况下的改进的效果。例如，我们使用一石墨(它是较佳的)和二硫化钼作为润滑剂。
步骤2-管坯和芯子的组件的机加工
从该加工的第一步骤开始进行，管坯和芯子的一组件经受机加工，以将该组件拉长，直至管子具有所需的最后尺寸。这些操作包括在高温下和/或在低温度通过总是缩小直径的若干模子的多次牵拉，并在诸低温牵拉步骤之后进行退火。在本发明中曾发现：甚至关于对管坯和对芯子具有类似塑性流动特性的一组件，由于在管子与牵拉模子之间存在较大摩擦，典型的牵拉加工经常在管子与芯子之间引起拉长差异。还发现：通过改变牵拉温度，能够控制在芯子与管子之间的相对拉长，因此，通过选择一适当的优化牵拉温度能够使管子与芯子之间的相对拉长差异减至最小，以相当好地保持内径对外径的比值和内径的光滑度。作为一个例子，在400℃以下的温度牵拉具有一个钛-55.8％重量的镍管子和一个钛-54.5％重量的镍芯子的一组件，总是使管子产生比芯子更大的拉长，不过将牵拉温度提高到600℃，管子产生与芯子类似的拉长。曾观察到：比较在更高或更低温度下牵拉的管子，在600℃牵拉的管子能较好地保持内径对外径的比值和具有一更加光滑的内径表面。
可以使用200℃至700℃范围的温度。并且，通过改变每次通过的缩小量、模子设计和/或某些程度的牵拉速度，能够改变、改进或影响该比值。所述的温度是加热炉温度，不是在模子处的实际牵拉温度。
在通过热-机械加工拉长芯子和管坯之后，将拉长的组件切割成在可用的设备，例如拉床中方便地操作的长度。除非在一升高温度下进行最后的机加工步骤并造成芯子充分地没有伸展应力，该组件必须释放应力或进行退火处理。可以在该组件被切割成许多段之前或之后进行应力释放或退火。还能够使用其它缩小的方法，例如挤压、锻造和滚压。
步骤3-如以上所指示的热处理和伸直加工。
步骤4和5-伸展和去除芯子
美国专利5,709,021中叙述了修整加工。
步骤6-使用一不可变形心轴或浮动芯棒加工确定尺寸和精加工
即使使用本文所讨论的改进，曾发现：尺寸公差，尤其壁厚精度，在可变形心轴加工中出现内在的限制。例如，在使用一可变形心轴加工进行牵拉之后从1.25英寸外径至0.05英寸内径的一个钛-55.8％重量的镍管具有在0.88和0.92之间范围的一通常的同心度(最小轴牵拉到最终的0.062英寸外径和0.0508内径。在五次带有一层间退火(interpass annealing)的牵拉通过中完成了不可变形的心轴牵拉。由这一混合牵拉加工生产的管子显示出较好的受控的尺寸，并具有通常在0.9460.978范围的改进的同心度。利用一浮动芯棒牵拉加工应该实现在同心度方面的类似的改进。一不可变形心轴加工或一浮动芯棒加工还能获得在外径和内径以及因此外径对内径的比值方面的较好控制，这是因为外径由牵拉模的尺寸精确控制，同时内径的尺寸精度由心轴或芯棒直径确定。
步骤7和8-如以上所指出。
现在参阅附图。图1和2示出了适合用作为本发明中的一起始材料的一组件，它包括包围一芯子2的一管坯1。在管坯和芯子之间是一很薄的润滑剂层。图3示出了通过图1和2所示示的初始组件的机械加工备制的一拉长的组件，以及它包括一管子11和一拉长的芯子12。
图4和5示出了包括一圆锥形部分111的本发明的管子。
对于本领域的那些熟练的人员来说明显的是能够在本发明的范围内和与上述揭示的内容和原理相一致地作出其它实施例、改进、细节和应用。

Claims (29)

1.一种制造无缝管的方法，包括：
提供一组件，该组件包括：
i.一金属管坯；以及
ii.一具有形状记忆作用的材料的、冷加工的细长金属芯子，该管坯以一最小间隙包围和接触该芯子；
通过机械加工拉长该组件，直至管坯变成一根具有所需尺寸的管子；
使芯子经受一处理，该处理造成(i)芯子的整个长度处于一伸展状态，和(ii)管子基本不伸展；
从管子去除伸展的芯子；以及
使管子在一不可变形的心轴上牵拉通过，从而精制直径和壁尺寸的精度，并改进内径和外径表面质量。
2.如权利要求1所规定的方法，其特征在于：还包括将管子在一浮动芯棒上牵拉通过。
3.如权利要求1所规定的方法，其特征在于：处于伸展状态的芯子金属具有大于20℃的一可逆的马氏体转变起始As温度。
4.如权利要求3所规定的方法，其特征在于：在As温度之下伸展芯子并与管坯组装。
5.如权利要求1所规定的方法，其特征在于：与管坯组装的芯子在伸展至一缩小的直径、随后经受热处理并在热处理期间被加热至超过Af温度时，恢复原始直径的至少一部分。
6.如权利要求1所规定的方法，其特征在于：芯子金属显示在环境温度下具有至少部分的超弹性，并且具有在20℃以下的可逆的马氏体转变起始As温度。
7.如权利要求1所规定的方法，其特征在于：芯子经受的处理包括热牵拉，用于消除在牵拉期间芯子与管子之间的相对拉长。
8.如权利要求7所规定的方法，其特征在于：选择热牵拉期间的温度，以使管子与芯子之间的相对拉长差异最小。
9.如权利要求8所规定的方法制造的一无缝管，其中牵拉环境温度为约200℃至700℃。
10.如权利要求1所规定的方法，其特征在于：管子是镍钛合金，芯子是镍钛合金，芯子具有与管子类似的流动特性。
11.如权利要求10所规定的方法，其特征在于：处于伸展状态的镍钛芯子金属具有高于20℃的一可逆的马氏体转变起始As温度。
12.如权利要求11所规定的方法，其特征在于：与管坯组装的芯子在伸展至一缩小直径且随后经受热处理并在热处理期间被加热到超过Af温度时，恢复原始直径的至少一部分。
13.如权利要求10所规定的方法，其特征在于：芯子金属在环境温度显示具有至少部分的超弹性和具有20℃以下的可逆的马氏体转变起始As温度。
14.如权利要求13所规定的方法，其特征在于：在As温度以下伸展芯子并与管坯组装。
15.如权利要求12或14所规定的方法，其特征在于：选择起始和最终尺寸，以致芯子直径的形状记忆恢复使芯子与管坯之间的组装间隙最小。
16.如权利要求1所规定的方法，其特征在于：使用芯子并与管坯组装，并且在热处理期间被加热以引起芯子的形状恢复，这样，使任何间隙最小，并在随后的缩小期间允许管坯内径相对芯子直径平稳缩小和保证在随后的缩小期间维持一光滑的内径光洁度。
17.如权利要求16所规定的方法，其特征在于：使用无心磨削，用于在芯子去除的一中间步骤之后的芯子材料的再插入。
18.如权利要求1所规定的方法，其特征在于：在芯子与管坯之间使用一润滑剂。
19.如权利要求18所规定的方法，其特征在于：润滑剂是石墨和/或二硫化钼。
20.一种制造无缝管的方法，包括：
提供一组件，该组件包括：(i)一包括形状记忆合金的金属管坯，以及(ii)一包括形状记忆合金的、冷加工的细长金属芯子，该管坯以最小间隙包围和接触该芯子；
通过机械加工拉长该组件；
使芯子经受一处理，造成芯子全长处于一伸展状态，而基本不伸展金属管坯；
从金属管坯去除伸展的芯子；
使金属管坯在一不可变形的心轴或一浮动芯棒上牵拉通过，从而精整直径和壁尺寸的精度，并改进内径和外径表面质量。
21.一种用权利要求20所规定的方法制造的无缝管。
22.一种用权利要求20所规定的方法制造的无缝管，其中，处于伸展状态的芯子金属具有高于20℃的一可逆的马氏体转变起始As温度。
23.一种用权利要求20规定的方法制造的无缝管，其中，与管坯组装的芯子在伸展到一缩小的直径且随后在热处理期间被加热至超过Af温度时，恢复原始直径的至少一部分。
24.一种用权利要求20规定的方法制造的无缝管，其中，芯子金属显示在环境温度下具有至少部分的超弹性，并且具有在20℃以下的可逆的马氏体转变起始As温度。
25.一种用权利要求20规定的方法制造的无缝管，其中，管子是镍钛合金，芯子是镍钛合金，芯子具有与管子相似的流动特性。
26.如权利要求25所规定的无缝管，其特征在于：处于伸展状态的镍钛芯子金属具有高于20℃的一可逆的马氏体转变起始As温度。
27.如权利要求26所规定的无缝管，其特征在于：与管坯组装的芯子在拉伸至一缩小直径状态且随后在热处理期间被加热至超过Af温度时，恢复原始直径的至少一部分。
28.如权利要求25所规定的无缝管，其特征在于：芯子金属显示在环境温度下具有至少部分的超弹性，并且具有在20℃以下的可逆的马氏体转变起始As温度。
29.如权利要求28所规定的无缝管，其特征在于：在As温度以下伸展芯子并与管坯组装。
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