CN1433942A - 具有内表面淬硬层的圆筒状管件及其生产方法和专用设备 - Google Patents

Abstract

一种具有内表面淬硬层的圆筒状管件、其生产方法及专用设备。该管件具有壁薄厚小，长度长，管壁内外硬度不同，且内层硬度大于外层硬度，适用于输送高摩擦系数物料使用。其生产方法采用频率控制管件运动方式及合适的淬火温度范围，专用设备结构简单，运行平稳，可以精确控制淬火温度、管件移动速度以及淬硬层厚度。

Description

具有内表面淬硬层的园筒状管件及其生产方法和专用设备

技术领域

本发明涉及一种淬火园筒状管件及其淬火方法和专用设备。该园筒状管件包括一种建筑工地使用的混凝土输送管，但本发明并不局限于混凝土输送管。所述方法及其专用设备适合于口径大、管壁薄、长度长的园筒状管件的淬火作业中使用。

背景技术

现有技术中，对建筑工地使用的混凝土输送管或其它类似工程技术中使用的大型管件，要求其管体内壁具有较高硬度，以减缓输送粗粒物料对管体内壁的磨损；同时，由于管体在运输或工作过程中经常遭受外部碰撞，因而要求管体外壁要有防止裂缝产生的韧性，即管体外壁硬度要小于其内壁的硬度，以提高管体外壁的抗冲击性能，避免断裂。此外，用以输送混凝土的管件还具有口径大、壁厚小、长度长的特点，外径通常有130-150mm，有的可达到200mm以上；长度可达2-4米或更长至7米；而壁厚一般不超过5mm。因此其淬硬层厚度不能太厚，最好不超过1/2壁厚的范围，而且要求必须均匀。用以满足上述条件的管件目前未曾见有使用。多数仍然使用普通管件。

用以同时满足上述内外壁不同硬度质量要求的园筒状管件的加工方法，通常是对管体内壁以及自内壁起一定厚度区域进行热处理以提高其硬度，而管体外壁以及自外壁起的一定厚度区域则保持原有的较低硬度。上述热处理方法主要有两种，一是采用火焰加热后喷水冷却的淬火方法；二是采用电磁感应加热后喷水(冷却液)冷却的淬火方法。

火焰加热法由于其火焰温度不易掌握，容易过热、加热深度难以控制，淬火效果不稳定，因而只应用在一些壁厚较大的管件热处理工序中，在薄壁管件的热处理上未见报道。

高频电磁感应热处理是目前应用较多的一种对园筒状管件进行热处理的工艺方法。如日本专利公报特开昭59-77979号和日本专利公报特愿平7-299997号公开的方法都涉及到对管件内壁进行高频淬火的方法。二者的应用对象均是小口径且长度不大的短管。

中国专利92109663.1公开了一种“内壁硬化耐磨钢管及加工装置”的技术方案。

该技术方案是针对发电、煤炭等工业中，输送物料管道需使用内壁耐磨钢管而设计，故可推断其属大口径、长园筒管件。该淬火管件的淬硬层厚度可深达5mm，硬度可达铬氏50以上。上述淬硬层数据对于壁厚不超过5mm的管件显然不合适，同时铬氏50的硬度对于工作环境为高度磨擦损耗且壁厚很薄的管件来讲也太低。

加工上述淬火管件的装置如图6所示，该加工装置通过导轨3连接19和20两个工作台，其中工作台19上有卡紧台7，被加工管件18的一端固定在卡紧台7上，电机8通过传动皮带与卡紧台7相连，在管件18的外周上有两套导向轮5。工作台20上有电机1及与该电机1相连的变速箱2，变速箱2通过联轴器4连接主轴6，空心的主轴6内有管道13、14分别为氧气管和乙炔气管(如使用电磁感应加热器时，上述管道13和14为电缆管)及喷水管15，其活动接头分别在轴始端引出。操作时两个工作台19和20可前后滑动，管件18及主轴6均可旋转。

这种装置的第一实施方案是用于火焰加热淬火工艺过程，但采用这种方法存在如前所述的多种缺陷，尤其不能用于加工与前述混凝土输送管类似的薄壁管件。

上述装置的第二实施方案是采用电磁感应加热方式，但该方案的实施存在如下难以克服的缺陷：首先，被加工管件的一端由卡紧台7固定，如果在加工过程中管件18旋转，则由于管件较长(一般应在3-5米，有的可达6-7米)，其另一端会发生摆动，即管件两端旋转不同心，虽然导向轮5可对管件起承托作用，减少管件的摆动，但由于电磁感应头与管体内壁之间间隙很小(通常为2-3mm)，即使有稍许摆动，就有可能与管壁发生接触，导致电流短路。如想避免上述情况发生，可以加大间隙，但这样就必须增加负荷，也可降低管件移动速度。这二者都会增加能耗，加大生产成本。如果被加工管件18及卡紧台不动，由主轴6旋转，则其会带动后部的电线管路13、14及喷水管路15同时旋转并缠绕在主轴6上，淬火作业完成后，再反向旋转以理顺各管路。如果管件较长，则中途必须理一次管路。工作效率难以提高，从实用角度讲，难以得到认可。

其次，两个工作台的动力电机旋转速度是恒定的，不利于根据工作状况及工件情况任意调整转速。虽然工作台20采用了变速箱2可以调整主轴旋转速度，但其调节范围十分有限，并不实用。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供了一种具有内表面淬硬层的园筒状管件，该园筒状管件具有管体长、管壁薄、管壁内外硬度不同的特点。所述具有内表面淬硬层的园筒状管件的生产方法及其专用设备。本发明的方法可以对管体长、管壁较薄的管件从管体内表面可控制的深度进行淬火。本发明的专用设备可使管件在淬火过程中平稳运行、运行速度可以随时调整，且速度的变化采用连续变化方式。

本发明的具有内表面淬硬层的园筒状管件，该园筒状管件的结构层成份为中碳钢，所述管件从管体内表面起至壁厚的一定区域为淬硬层，该淬硬层以外为非淬硬层，所述园筒状管件的壁厚为4-6mm，淬硬层厚度为2-2.5mm，淬硬层硬度为HRC55-60，非淬硬层硬度为HRC30-35，所述的园筒状管件长度为1-7米。

所述的具有内表面淬硬层的园筒状管件，其淬硬层硬度为HRC56-58，园筒状管件长度为3-4米，壁厚4.5-5mm。

生产所述具有内表面淬硬层的园筒状管件的方法，采用由管件内表面进行高频感应加热并迅速冷却的淬火工艺，所述管件水平设置，感应器从管件的一端伸入到管件另一端口，在淬火过程中，管件在不间断地转动的同时沿水平方向向后移动，所述感应器在与管件相对运动的过程中将所经区域自管件内壁起至不超过管件壁厚1/2处区间加热到Ac₃点以上、Ac₃点+100℃以下的温度，在该被加热区间温度下降到Ac₃点之前开始喷水冷却，使得所述管件被加热区间淬火硬化，所述管件的旋转速度是可调的，并且该转速的调整采用频率调整方式。

所述生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的方法，其加热温度为Ac₃点+80-100℃。

所述管件的旋转速度为7-10Hz，感应器发生频率范围200-250KHz之间。

生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备，包括工作台，在工作台的一侧设有高频感应器固定架，高频感应器通过一根同轴电缆与高频感应器固定架相连，在工作台上每间隔一定距离设置有支撑轮，工作台上固定有驱使淬火管件转动的动力电机，所述的工作台上有支架，支架下部与所述支撑轮相对位置设置有驱动轴，主动轮固定在驱动轴上，所述动力电机为变频调速电机，所述变频调速电机与驱动轴通过传动皮带相连。

所述的生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备，主动轮由至少两个或两个以上的驱动轮组成，各驱动轮间隔地固定在驱动轴上，传动皮带与驱动轴相连。

所述的生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备，支撑轮和/或主动轮之间有一个夹角并且该夹角是可调整的。

生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备，传动皮带为齿形带。

所述的生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备，变频调速电机固定在支架的上部。

本发明的具有内表面淬硬层的园筒状管件具有口径大，壁厚薄及长度比较长等特点，由于管体内表面一定厚度区域的硬度达到55-60HRC，完全能满足输送诸如混凝土、水煤浆等磨擦系数较大的粗粒料的要求，可大量节省管体材料。又由于管体外表面具有较小的硬度即较高的韧性，因此，其在运输过程中及施工工地使用期间可耐受经常遭遇的碰撞而不容易产生裂缝以至断裂。由于有上述两大特点，因而管体可以很薄，仅有5mm左右，节省了大量原材料，减轻了管体重量，利于运输及施工安装。

本发明的生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的方法，由于采用频率调速，使得移动速度平稳，速度变化保持连续性，不会产生跳跃性变速。采用200-250KHz频率范围，可以使淬火区间的加热温度迅速达到所需要求，淬火区间以外区域的温度则达不到淬火相变点，能确保得到所希望的淬硬层厚度，其余部分则保持原有较低的硬度。选择不超过管体壁厚1/2区间范围达到淬火温度，是为了得到管体内壁一定厚度范围具有高硬度，而管体外壁向内的一定厚度范围则保持原有较低硬度和较大的抗冲击韧性。选择加热温度在Ac₃点以上，Ac₃点+100℃以下，可以使淬火区间内迅速形成均匀的奥氏体组织，喷水冷却后得到均质的马氏体组织。Ac₃点+80-100℃的温度区间是达到上述淬火组织的最佳温度。

本发明的生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备具有如下优点：

(1)采用变频调速电机通过皮带带动主动轮旋转，作为淬火管件进退的原动力，其工作平稳，转速均匀，速度可随时调整，遇电压不稳定时及时调整淬火管件的移动速度，以保证淬火质量不受影响。

(2)皮带传动配合调速电机得以实现平稳调速，即速度变化时为连续变化，而非跳跃式的变化；而选择齿形带作为传动皮带则可避免皮带打滑造成失速，影响淬火质量。

(3)采用主动轮(驱动轮)与支撑轮共同作用，由管体部位驱使淬火管件旋转，完全避免了从管体端部驱动管件旋转带来的管体摆动、旋转不同心的弊端；如果采用两个或两个以上主动轮(驱动轮)共同作用则效果更佳。

(4)将主动轮和/或支撑轮之间形成一定夹角，即二者不平行，可使管件在夹角中旋转的同时产生推力而自行作水平移动，且这种移动速度可以通过调速电机的转速进行调整。

(5)采用本设备并选择适当的电参数，可以精确控制加热温度、加热时间、管件移动速度以及淬硬层厚度。

附图说明

图1是具有内表面淬硬层的园筒状管件的剖视示意图

图2是具有内表面淬硬层的园筒状管件硬度分布图

图3是生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备结构示意图

图4是管体母材及内壁淬硬层200倍金相照片

图5是淬硬层500倍金相照片

图6是现有技术中采用火焰加热或感应加热淬火的装置结构图

图中  1-高频感应器固定架  2-同轴电缆  3-支架  4-高频感应器5-主动轮  6-驱动轴  7-传动皮带  8-变频调速电机  9-支撑轮  10-管件11-工作台  111-非淬硬层  112-淬硬层

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明作详细描述。

以下实施例中将建筑用混凝土输送管作为具有内表面淬硬层的园筒状管件的例子，但是所述的具有内表面淬硬层的园筒状管件并不局限于该构件。

在建筑工程中所使用的混凝土输送管，由于混凝土属高强度磨擦材料，其对管体内壁的磨损十分强烈，在一些高层建筑的施工过程中，往往因为管体磨损而不得不中途停工更换输送管。为了防止管壁过快磨损，要求管体内壁硬度应达到HRC55以上，同时由于上述管件工作环境十分恶劣，而且经常更换工作地点，因而运输、装卸以及在此过程中的碰撞是不可避免的，因此，要求管件的外壁应具有较低的硬度和较高的韧性，以确保其具有一定的抗冲击强度。

实施例1为了满足上述要求，用中碳钢或中碳合金钢作管体材料，比如45Mn2合金，管体壁厚可选择4mm、5mm、6mm等不同规格，将所述管件采用管体内壁淬火工艺，使管体内壁约2-2.5mm壁厚范围形成一个淬硬层，其硬度达HRC55-60，如果硬度超过HRC60，则管壁脆性增加，容易产生裂纹；如果硬度低于HRC55，则磨损会显得较为明显。由所述淬硬层以外至管体外壁的壁厚范围仍保持原有硬度HRC30-35，上述园筒状管件的长度为1-7米。实际应用中以3-4米管为常见。

实施例2   上述管件的优选实施方案为，淬硬层硬度为HRC56-58，管体壁厚4.5-5mm，长度为3米。

图1是所述淬火管件内部结构示意图，由图所示，在管件内壁一定厚度范围内有一个淬硬层112，该淬硬层厚度小于管件壁厚的1/2。淬硬层之外是非淬硬层111，

实施例3   生产上述管件的方法是采用高频感应淬火工艺，即由管体内表面进行高频感应加热后迅速冷却的淬火工艺，具体过程如下：

a、管件水平设置并将高频感应器从管件一端伸入至另一端口；

b、使园筒状管件一边绕轴心回转，一边沿轴向向后移动；与此同时

c、接通高频感应器电源，此时感应器阳极电压10-12KV，槽路电压9-11KV，阳极电流12-14A，栅极电流8-9A，感应器产生200-250KHz高频电磁振荡，电机的转速为7-10Hz；

d、感应器周围管体自管体内壁起至不超过1/2管体壁厚的区间加热至Ac₃点以上，Ac₃点+100℃以下的温度；

e、喷水冷却。

淬火管件尺寸为口径133mm，壁厚5mm，长度3m。

上述管件的旋转速度可以调整，由变频电机通过调整频率进而改变电机转速实现管件旋转速度调整；当其它条件确定后，电机的旋转速度决定了管件的移动速度，在上述电机转速为7-10Hz时，管件的移动速度约为2mm/秒。

本实施例采用上述c中的电参数时，要实现所述管件内壁2-2.5mm的淬硬层厚度，管件加热时间大约为4-5秒，管件的淬火加热与喷水冷却的时间间隔约4秒钟，感应加热主要为传导式加热。

实施例4  如使用45Mn2及类似材料的管件，其最佳温度区间可选择Ac₃点+80-100℃。

管件经淬火后，其硬度分布如图2所示，自管件内壁起至小于壁厚1/2之间区域内(约2毫米左右)为淬硬层，其硬度在HRC56-58之间；之后硬度逐渐下降，在壁厚1/2处至外壁的非淬硬层区域，硬度为HRC30-35。

图4是淬硬层与非淬硬层金相照片，图中显示，经淬火后的金相组织变为均匀细致的马氏体组织，未经淬火的组织仍为奥氏体颗粒组织。

图5是淬硬层金相照片，图中显示经淬火后，金相组织变为均匀的马氏体组织。

实施例5  参照附图3，本发明的生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备，有一个工作台11，在工作台11的一侧设有高频感应器固定架1，高频感应器4通过一根同轴电缆2与感应器固定架1相连，为了使同轴电缆在工作期间保持稳定，采用轴承12作为支承装置。在工作台11上每间隔一定距离设置有支撑轮9，支架3位于工作台11的中部位置，动力电机8(本实施例中采用变频调速电机)固定在支架3的上部，支架3下部与所述支撑轮相对位置设置有驱动轴6，主动轮5固定在驱动轴6上，变频调速电机8与驱动轴6通过传动皮带7相连。本例中的主动轮5由两个驱动轮组成，它们分别固定在驱动轴6的两侧，每一个驱动轮的长度为300mm，两个驱动轮间的距离为400mm，这样可满足加工外径为133mm，壁厚5mm，管体长3m的混凝土输送管的需要，如果管件较长，可以增加驱动轮数量。传动皮带7与驱动轴6相连。驱动轴6与支撑轮9之间有一个夹角，也即主动轮与支撑轮间有一个夹角，管件在该夹角中旋转产生推力而自行运动。所述的夹角可以根据需要调整，调整方式为改变驱动轴6一个端点位置既可。或者改变支撑轮的一个端点位置亦可。或者二者均作调整。该角度的大小即影响管件的移动速度，也影响管件转动的平稳性。实践中主要视管件的外径及长度来和希望得到的移动速度来确定。

工作时，将管件10放到工作台11一侧的支撑轮9上，固定在支架3上的主动轮5与支撑轮9与管体紧密接触，启动变频调速电机8，电机通过皮带7带动驱动轴6转动，即驱动主动轮5转动，当主动轮正转时，管件3向高频感应器4一端移动，此时电机转速可适当调快，这里取50Hz频率，当高频感应器4从管件尾端露头时，管件已进入作业位置，关闭电机。将电机频率调为7Hz，旋转方向为倒转，重新启动，同时接通高频感应器电源，此时管件的移动方向是后退，淬火作业开始，随着管件10缓慢地移动，高频感应器从管内退出的同时，完成了对管壁内侧的淬火作业。

实施例6  为了避免皮带打滑造成失速，影响淬火质量，前述的传动皮带7选用齿形带。

Claims (10)

1、一种具有内表面淬硬层的园筒状管件，该园筒状管件的结构层成份为中碳钢，所述管件从管体内表面起至壁厚的一定区域为淬硬层，该淬硬层以外为非淬硬层，其特征在于所述园筒状管件的壁厚为4-6mm，淬硬层厚度为2-2.5mm，淬硬层硬度为HRC55-60，非淬硬层硬度为HRC30-35，所述的园筒状管件长度为1-7米。

2、如权利要求1所述的具有内表面淬硬层的园筒状管件，其特征在于所述淬硬层硬度为HRC56-58，园筒状管件长度为3-4米，壁厚4.5-5mm。

3、一种生产如权利要求1所述具有内表面淬硬层的园筒状管件的方法，采用由管件内表面进行高频感应加热并迅速冷却的淬火工艺，所述管件水平设置，感应器从管件的一端伸入到管件另一端口，在淬火过程中，管件在不间断地转动的同时沿水平方向向后移动，其特征在于所述感应器在与管件相对运动的过程中将所经区域自管件内壁起至不超过管件壁厚1/2处区间加热到Ac₃点以上、Ac₃点+100℃以下的温度，在该被加热区间温度下降到Ac₃点之前开始喷水冷却，使得所述管件被加热区间淬火硬化，所述管件的旋转速度是可调的并且其旋转速度的调整采用频率调整方式。

4、如权利要求3所述生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的方法，其特征在于所述加热温度为Ac₃点+80-100℃。

5、如权利要求3或4所述生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的方法，其特征在于管件的旋转速度为7-10Hz，感应器发生频率范围200-250KHz之间。

6、一种生产如权利要求1所述的具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备，包括工作台(11)，在工作台(11)的一侧设有高频感应器固定架(1)，高频感应器(4)通过一根同轴电缆(2)与高频感应器固定架(1)相连，在工作台(11)上每间隔一定距离设置有支撑轮(9)，工作台上固定有驱使淬火管件转动的动力电机(8)，其特征在于所述工作台(11)上有支架(3)，支架(3)下部与所述支撑轮(9)相对位置设置有驱动轴(6)，主动轮(5)固定在驱动轴(6)上，所述动力电机(8)为变频调速电机，所述变频调速电机(8)与驱动轴(6)通过传动皮带(7)相连。

7、如权利要求6所述的生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备，其特征在于所述主动轮(5)由至少两个或两个以上的驱动轮组成，各驱动轮间隔地固定在驱动轴(6)上，传动皮带(7)与驱动轴(6)相连。

8、如权利要求6或7所述的生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备，其特征在于所述支撑轮(9)与主动轮(5)之间有一个夹角度并且该夹角是可调的。

9、如权利要求6或7所述的生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备，其特征在于所述传动皮带(7)为齿形带。

10、如权利要求6或7所述的生产具有内表面淬硬层的园筒状管件的专用设备，其特征在于所述变频调速电机(8)固定在支架(3)的上部。

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