雙金屬不銹鋼復(fù)合管的制備方法

目前雙金屬不銹鋼復(fù)合管的生產(chǎn)方法主要包括冷成型法、熱成型法、離心鑄造法、離心鋁熱劑法、爆炸焊成型法、電磁成型法等等。

冷成型法

冷 成型制造工藝的基本特征是將預(yù)加工好的薄壁不銹鋼管套入碳鋼管中，然后通過(guò)機(jī)械方法使不銹鋼管緊緊貼合在碳鋼管內(nèi)壁上。薄壁不銹鋼管有兩種獲得途徑：一種 是通過(guò)選擇合適規(guī)格的無(wú)縫不銹鋼管，通過(guò)旋壓的方法使之變薄，達(dá)到要求的外徑和厚度；另一種是用薄的不銹鋼板或鋼帶在專(zhuān)用的制管機(jī)上用TIG焊接成直縫或 螺旋縫不銹鋼管。采用拉拔、脹接、旋壓和滾壓等方法使不銹鋼管緊緊貼合在碳鋼管內(nèi)壁上，其中拉拔和脹接最為常用。拉拔是取兩根分別制成的無(wú)縫鋼管，將一根 套在另一根外面，然后將兩管通過(guò)一模具同時(shí)進(jìn)行拉拔，從而實(shí)現(xiàn)緊密配合的機(jī)械結(jié)合。這種管的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜。缺點(diǎn)是界面非擴(kuò)散結(jié)合， 只是依靠對(duì)外層進(jìn)行的冷加工來(lái)獲得緊密配合，因此冷加工復(fù)合管如果遭遇高溫就有分層傾向，復(fù)合管會(huì)因應(yīng)力釋放而失效。這就限制了冷加工管的使用環(huán)境和應(yīng)用 領(lǐng)域。脹接分機(jī)械脹接和液壓脹接兩種。機(jī)械脹接是目前生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合管的一種主要方法，它是利用滾脹芯軸回轉(zhuǎn)擠壓使復(fù)合管內(nèi)管發(fā)生塑性變形，外管發(fā)生彈性 變形，從而使復(fù)合管的外管對(duì)內(nèi)管產(chǎn)生接觸壓力，以達(dá)到復(fù)合管內(nèi)外壁的緊密貼合。液壓脹接原理與機(jī)械脹接相同，只是用管內(nèi)高壓水施壓代替滾脹芯軸回轉(zhuǎn)擠壓。 機(jī)械脹接時(shí)脹接力大小難以確定，易發(fā)生欠脹或過(guò)脹，且多次滾脹易造成襯里開(kāi)裂。液壓脹接時(shí)脹接力均勻且大小可進(jìn)行計(jì)算，因此更具優(yōu)越性。兩種脹接法的共同 缺點(diǎn)是內(nèi)外層只是機(jī)械結(jié)合，和拉拔成型一樣，在高溫環(huán)境下會(huì)因應(yīng)力松弛而分層失效。

目 前金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫管冷成型法大致有以下兩種：內(nèi)擴(kuò)漲型和外減徑型。①內(nèi)擴(kuò)漲型，即：采用兩種材質(zhì)的無(wú)縫管相互穿套（如外管采用一般普碳鋼無(wú)縫鋼管，內(nèi)穿一薄 壁不銹鋼管作為內(nèi)層金屬管），在內(nèi)管中施以高壓，使內(nèi)層無(wú)縫管發(fā)生塑性變形外層無(wú)縫管僅產(chǎn)生彈性變形，從而使內(nèi)管與外管緊密結(jié)合，形成雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫管。 ②外減徑型，即：仍采用兩種材質(zhì)的無(wú)縫管相互穿套，對(duì)外層管進(jìn)行減徑拉拔或軋制，使內(nèi)管與外管緊密結(jié)合，形成雙金屬?gòu)?fù)合無(wú)縫管。以上兩種工藝生產(chǎn)的金屬?gòu)?fù) 合無(wú)縫管的不足之處在于：生產(chǎn)成本高昂，內(nèi)外管均必須采用現(xiàn)成的熱軋或冷拔無(wú)縫管，加上其后的內(nèi)漲或減徑工序使其制造成本大幅度上升；以上兩種類(lèi)型的無(wú)縫 管并非完全意義上的金屬?gòu)?fù)合，兩層金屬相互間并無(wú)冶金熔合，在受軸向力的情況下內(nèi)外兩層金屬難以傳遞和均衡外力，在需要熱傳遞的應(yīng)用領(lǐng)域，由于內(nèi)外兩層金 屬間存在間隙，熱阻必將大幅度增加。

熱成型法

熱成型制造工藝包括熱軋和熱擠壓兩種方法，前者主要適用于有縫復(fù)合管的生產(chǎn)，后者適用于無(wú)縫復(fù)合管的生產(chǎn)。

軋制是一種傳統(tǒng)的制備復(fù)合金屬的方法。熱軋復(fù)合實(shí)質(zhì)上屬于壓力焊，如果變形量足夠大，軋輥施加的壓力就會(huì)破壞金屬表面的氧化膜，使表面達(dá)到原子接觸，從而使兩表面焊在一起。軋制的優(yōu)缺點(diǎn)分別為：

優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)率高、質(zhì)量好、成本低，并可大量節(jié)省金屬材料的損耗，因此是目前應(yīng)用極為廣泛的復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)。軋制結(jié)合的復(fù)合板占復(fù)合板總產(chǎn)量的90%，而且經(jīng)常應(yīng)用于壁厚小于32mm的管材的加工。

②缺點(diǎn)：一次性投資大，而且很多材料組合不能通過(guò)軋制復(fù)合實(shí)現(xiàn)。目前應(yīng)用最廣泛的還是利用軋制工藝進(jìn)行碳鋼、不銹鋼有縫復(fù)合管的制造。

熱 擠壓一般是針對(duì)雙金屬管坯進(jìn)行的，稱(chēng)為復(fù)合擠壓（coextrude）。復(fù)合擠壓目前是生產(chǎn)不銹鋼和高鎳合金無(wú)縫復(fù)合管的最好方法，日本制鋼所利用這種方 法生產(chǎn)8in（203.2mm）以下的雙金屬不銹鋼復(fù)合管。它是將兩種以上的金屬組成的一大直徑復(fù)合坯料加熱到1200℃左右，然后擠過(guò)由模具和芯軸形成 的環(huán)狀空間。當(dāng)擠壓坯料截面縮減到10：1時(shí)，高的擠壓壓力和溫度會(huì)在界面處產(chǎn)生“壓力焊”的焊接效應(yīng)，促進(jìn)界面間的快速擴(kuò)散和廣泛結(jié)合，實(shí)現(xiàn)界面的冶金 結(jié)合。擠壓前的復(fù)合管坯制造方法有三種：由鍛造坯料通過(guò)熱穿孔和放大擠壓獲得；直接離心旋鑄；用耐蝕粉末顆粒。也有內(nèi)外兩種金屬原材料均采用粉末的，稱(chēng)為 “NUVAL”工藝，可以開(kāi)發(fā)新型合金，但粉末制備成本太高。復(fù)合擠壓的優(yōu)缺點(diǎn)分別為：

①優(yōu)點(diǎn)：界面為冶金結(jié)合；擠壓過(guò)程中涉及的力完全是壓應(yīng)力，因此特別適合于熱加工性不好、塑性低的高合金金屬的加工。

② 缺點(diǎn)：由于結(jié)合決定于擠壓過(guò)程中極短時(shí)間內(nèi)的元素界面擴(kuò)散，通常會(huì)因氧化物膜的存在而受到影響，因此目前復(fù)合擠壓僅限于碳鋼、不銹鋼和高鎳合金間的復(fù)合。 需要指出的是，熱擠壓的變形抗力小，允許每次變形程度大，導(dǎo)致表面粗糙度較高，因此也有先熱擠壓再進(jìn)行冷軋（或冷拔）制造復(fù)合管的方法。

離心鑄造和離心鋁熱劑法

離 心鑄造是為適應(yīng)海洋油氣生產(chǎn)而開(kāi)發(fā)的，適用于制造內(nèi)襯金屬熔點(diǎn)低于外層金屬熔點(diǎn)的復(fù)合管。襯層和基體均采用液態(tài)金屬。首先，將制外管的鋼液引入一旋轉(zhuǎn)金屬 模，在外管凝固過(guò)程中監(jiān)測(cè)管內(nèi)溫度。當(dāng)外管凝固并達(dá)到一定溫度時(shí)，澆入耐蝕合金等內(nèi)層金屬。通過(guò)控制鑄造條件，可以生產(chǎn)出牢固的冶金結(jié)合的雙金屬不銹鋼復(fù) 合管。

當(dāng)應(yīng)用液態(tài)金屬進(jìn)行表面堆敷時(shí)，采用離心技術(shù)可消除復(fù)合層容易出現(xiàn)的氣孔和夾雜。這時(shí)，熔化金屬中密度低的渣、雜質(zhì)和氣體上升到表面，而較重的金屬成分下沉，在管壁上形成一致密層，從而提高熔敷質(zhì)量和再現(xiàn)性。因此其優(yōu)缺點(diǎn)分別為：

①優(yōu)點(diǎn)：界面實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，致密度高，排渣、排氣性好。

②缺點(diǎn)：若沒(méi)有其后的熱變形，僅限于鑄態(tài)使用，其粗大的鑄態(tài)組織導(dǎo)致各層金屬的力學(xué)性能不能充分發(fā)揮。另外，該方法不能生產(chǎn)外層為輕合金的復(fù)合鋼管。

離 心鋁熱法也稱(chēng)為SHS—離心法，SHS是Self Propagating High Temperature Synthesis的縮寫(xiě)。離心鋁熱法的實(shí)質(zhì)是在離心力場(chǎng)中引起鋁熱反應(yīng)，所謂鋁熱反應(yīng)就是金屬鋁粉和其他金屬氧化物粉末均勻的混合在一起，通過(guò)點(diǎn)燃而發(fā) 生的非常迅速的放熱反應(yīng)（MO+Al→M+Al2O3+Q）。反應(yīng)絕熱溫度可接近3000K，因此產(chǎn)物都處于液態(tài)，在離心力作用下，比重大的產(chǎn)物如Fe、 Cr、Ni等集中在靠近碳鋼鋼管內(nèi)壁處，形成內(nèi)襯金屬層；Al2O3形成最內(nèi)層殘?jiān)?，通過(guò)機(jī)械方法除去，則制備出雙金屬?gòu)?fù)合鋼管。

2.4離心鑄造+熱擠壓（熱擠壓+冷軋）法

“離 心鑄造+熱擠壓”是一種新的復(fù)合管短流程制備方法，通過(guò)離心鑄造生產(chǎn)空心復(fù)合管坯，然后加熱、熱擠壓或熱擠壓冷軋，以及后續(xù)熱處理等工序，獲得最終成品復(fù) 合管。它有效整合了離心鑄造和熱擠壓兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，縮短了生產(chǎn)工序，并實(shí)現(xiàn)了復(fù)合界面的完全冶金結(jié)合。其獨(dú)特之處在于：他把初級(jí)工業(yè)材料和高技術(shù)的冶金 處理過(guò)程結(jié)合起來(lái)，采用離心澆鑄工藝、熱擠壓等塑性熱復(fù)合技術(shù)、冷軋（或冷拔）生產(chǎn)方式，獲得高品質(zhì)的復(fù)合管材。

爆炸焊成型法

爆 炸焊成型工藝是靠炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波，使內(nèi)管發(fā)生塑性變形，緊貼外管，從而形成復(fù)合管。利用爆炸成型，覆層可小于0.2mm，熔合比最小可達(dá)到5%；覆 層緊密，產(chǎn)品適用性廣。另外，利用爆炸焊可實(shí)現(xiàn)多種金屬間的連接，有些是采用其他方法不能實(shí)現(xiàn)的。該方法的主要缺點(diǎn)是，界面非擴(kuò)散冶金結(jié)合，對(duì)尺寸較長(zhǎng)的 復(fù)合管炸藥量很難準(zhǔn)確確定，而且具有一定的危險(xiǎn)性。

粉末冶金法

在碳鋼或類(lèi)似材料制成的母管與金屬薄壁管之間加入粉末充填層，管子兩端分別用底板密封。在預(yù)定的溫度下加熱，再熱擠壓成復(fù)合鋼管。最后用酸洗方法去掉底板和金屬薄壁管。根據(jù)不同的用途，復(fù)合層可為外層或內(nèi)層。

激光包覆法

用高功率激光設(shè)備對(duì)鋼管進(jìn)行外包覆。合金粉末經(jīng)自動(dòng)進(jìn)料器送到母管的激光束照射區(qū)，激光束熔化粉末和工件表面薄層后，用螺旋包覆法便可完全包覆整根鋼管，制成雙金屬不銹鋼復(fù)合管。