雙金屬不銹鋼復合管的制備方法

目前雙金屬不銹鋼復合管的生產(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加工好的薄壁不銹鋼管套入碳鋼管中，然后通過機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 是通過選擇合適規(guī)格的無縫不銹鋼管，通過旋壓的方法使之變薄，達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用的制管機上用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縫鋼管，將一根 套在另一根外面，然后將兩管通過一模具同時進行拉拔，從而實現(xiàn)緊密配合的機械結(jié)合。這種管的優(yōu)點是生產(chǎn)工藝比較簡單，價格較便宜。缺點是界面非擴散結(jié)合， 只是依靠對外層進行的冷加工來獲得緊密配合，因此冷加工復合管如果遭遇高溫就有分層傾向，復合管會因應力釋放而失效。這就限制了冷加工管的使用環(huán)境和應用 領域。脹接分機械脹接和液壓脹接兩種。機械脹接是目前生產(chǎn)不銹鋼復合管的一種主要方法，它是利用滾脹芯軸回轉(zhuǎn)擠壓使復合管內(nèi)管發(fā)生塑性變形，外管發(fā)生彈性 變形，從而使復合管的外管對內(nèi)管產(chǎn)生接觸壓力，以達到復合管內(nèi)外壁的緊密貼合。液壓脹接原理與機械脹接相同，只是用管內(nèi)高壓水施壓代替滾脹芯軸回轉(zhuǎn)擠壓。 機械脹接時脹接力大小難以確定，易發(fā)生欠脹或過脹，且多次滾脹易造成襯里開裂。液壓脹接時脹接力均勻且大小可進行計算，因此更具優(yōu)越性。兩種脹接法的共同 缺點是內(nèi)外層只是機械結(jié)合，和拉拔成型一樣，在高溫環(huán)境下會因應力松弛而分層失效。

目 前金屬復合無縫管冷成型法大致有以下兩種：內(nèi)擴漲型和外減徑型。①內(nèi)擴漲型，即：采用兩種材質(zhì)的無縫管相互穿套（如外管采用一般普碳鋼無縫鋼管，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)層無縫管發(fā)生塑性變形外層無縫管僅產(chǎn)生彈性變形，從而使內(nèi)管與外管緊密結(jié)合，形成雙金屬復合無縫管。 ②外減徑型，即：仍采用兩種材質(zhì)的無縫管相互穿套，對外層管進行減徑拉拔或軋制，使內(nèi)管與外管緊密結(jié)合，形成雙金屬復合無縫管。以上兩種工藝生產(chǎn)的金屬復 合無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；以上兩種類型的無縫 管并非完全意義上的金屬復合，兩層金屬相互間并無冶金熔合，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，在需要熱傳遞的應用領域，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合管的生產(chǎn)，后者適用于無縫復合管的生產(chǎn)。

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

優(yōu)點：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，因此是目前應用極為廣泛的復合材料生產(chǎn)技術。軋制結(jié)合的復合板占復合板總產(chǎn)量的90%，而且經(jīng)常應用于壁厚小于32mm的管材的加工。

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

熱 擠壓一般是針對雙金屬管坯進行的，稱為復合擠壓（coextrude）。復合擠壓目前是生產(chǎn)不銹鋼和高鎳合金無縫復合管的最好方法，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合管。它是將兩種以上的金屬組成的一大直徑復合坯料加熱到1200℃左右，然后擠過由模具和芯軸形成 的環(huán)狀空間。當擠壓坯料截面縮減到10：1時，高的擠壓壓力和溫度會在界面處產(chǎn)生“壓力焊”的焊接效應，促進界面間的快速擴散和廣泛結(jié)合，實現(xiàn)界面的冶金 結(jié)合。擠壓前的復合管坯制造方法有三種：由鍛造坯料通過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，稱為 “NUVAL”工藝，可以開發(fā)新型合金，但粉末制備成本太高。復合擠壓的優(yōu)缺點分別為：

①優(yōu)點：界面為冶金結(jié)合；擠壓過程中涉及的力完全是壓應力，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：由于結(jié)合決定于擠壓過程中極短時間內(nèi)的元素界面擴散，通常會因氧化物膜的存在而受到影響，因此目前復合擠壓僅限于碳鋼、不銹鋼和高鎳合金間的復合。 需要指出的是，熱擠壓的變形抗力小，允許每次變形程度大，導致表面粗糙度較高，因此也有先熱擠壓再進行冷軋（或冷拔）制造復合管的方法。

離心鑄造和離心鋁熱劑法

離 心鑄造是為適應海洋油氣生產(chǎn)而開發(fā)的，適用于制造內(nèi)襯金屬熔點低于外層金屬熔點的復合管。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，在外管凝固過程中監(jiān)測管內(nèi)溫度。當外管凝固并達到一定溫度時，澆入耐蝕合金等內(nèi)層金屬。通過控制鑄造條件，可以生產(chǎn)出牢固的冶金結(jié)合的雙金屬不銹鋼復 合管。

當應用液態(tài)金屬進行表面堆敷時，采用離心技術可消除復合層容易出現(xiàn)的氣孔和夾雜。這時，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)缺點分別為：

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

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

離 心鋁熱法也稱為SHS—離心法，SHS是Self Propagating High Temperature Synthesis的縮寫。離心鋁熱法的實質(zhì)是在離心力場中引起鋁熱反應，所謂鋁熱反應就是金屬鋁粉和其他金屬氧化物粉末均勻的混合在一起，通過點燃而發(fā) 生的非常迅速的放熱反應（MO+Al→M+Al2O3+Q）。反應絕熱溫度可接近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)層殘渣，通過機械方法除去，則制備出雙金屬復合鋼管。

2.4離心鑄造+熱擠壓（熱擠壓+冷軋）法

“離 心鑄造+熱擠壓”是一種新的復合管短流程制備方法，通過離心鑄造生產(chǎn)空心復合管坯，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 合管。它有效整合了離心鑄造和熱擠壓兩種方法的優(yōu)點，縮短了生產(chǎn)工序，并實現(xiàn)了復合界面的完全冶金結(jié)合。其獨特之處在于：他把初級工業(yè)材料和高技術的冶金 處理過程結(jié)合起來，采用離心澆鑄工藝、熱擠壓等塑性熱復合技術、冷軋（或冷拔）生產(chǎn)方式，獲得高品質(zhì)的復合管材。

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，從而形成復合管。利用爆炸成型，覆層可小于0.2mm，熔合比最小可達到5%；覆 層緊密，產(chǎn)品適用性廣。另外，利用爆炸焊可實現(xiàn)多種金屬間的連接，有些是采用其他方法不能實現(xiàn)的。該方法的主要缺點是，界面非擴散冶金結(jié)合，對尺寸較長的 復合管炸藥量很難準確確定，而且具有一定的危險性。

粉末冶金法

在碳鋼或類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。在預定的溫度下加熱，再熱擠壓成復合鋼管。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，復合層可為外層或內(nèi)層。

激光包覆法

用高功率激光設備對鋼管進行外包覆。合金粉末經(jīng)自動進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合管。