表面硬度提高的耐腐蚀管道系统的制作方法

专利名称：表面硬度提高的耐腐蚀管道系统的制作方法
表面硬度提高的耐腐蚀管道系统 背景技术和发明内容.
根据本发明公开的内容，用于诸如此类系统的不锈钢导管 其自身的表面硬化是通过低温渗碳完成的，表面硬化是通过将套环和 此类接头的其它部件预先安装在不锈钢导管上完成的，以及随后在预 装组件上进行LTC 。面处理工艺所成型的金属零件，。该金属零件是由多个经i"装的工件所 构成，随后将预装组件进行处理，此种处理形成了基于扩散的表面处 理工艺。
更广泛地是，本发明的公开提供了一种基于扩散的表面处理 方法，从而能够形成由第一配合工件和第二配合工件所形成的产品， 其中第 一配合工件限定了第 一配合表面，第二配合工件限定了第二配 合表面，当产品处于最终形态时，该第一、第二配合表面处于相当大 的压力下，该方法包括形成这些相配合的金属工件的预安装总成，随后对该预装组件进行基于扩散的表面处理。
本发明的公开更进一步提供了一种具有提高表面硬度的耐 腐蚀管道系统的预安装总成，包括具有预固定套环接头或者具有诸如 此类接头的部件的不锈钢导管，该预安装总成具有经低温渗碳的硬化 表面，从而使得不锈钢管和接头或者接头部件能够避免碳化物沉淀。
此外，"tubes " 、 "tubing 、 "pipe"和"conduit"应 当理解为所指的是同一零部件，在其预定的含义中并不存在任何差别。 就此而言，"pipe"与"tube"之间的差异基本上是由于命名和历史原 因所形成的惯例。尤其是，"pipe"在其含义上传统是指具有特定内径 的管，而"tube"在其含义上传统是指具有特定外径的管。因此，"2inch pipe" 应当理解为具有2英寸内径的管，而"2inchtube，，应当理解 为具有2英寸外径的管。管壁的厚度可以是不同的。此后，"pipe"的 通常含义发生了变化，也用于表示具有标准化安装外径的管。如今， "pipe"和"tube"均是由相同的方法进行制造，并且具有相同的结构。 因此，本文中的"conduit"除非另有所指，也用于同时表示"pipe " 和"tube"。
此外，"管接头"在此处是指管道与接头的结合体，而非仅 仅是指接头。0012此外，零件中的"配合工件"是指产品中的两个或更多的零件、或者更多的各个部件，当产品以最终形态组装完成时，那些彼此 直接接触的零部件。0013类似的，"最终形态"是指当产品以最终构形完全组装时， 产品中所涉及的工件彼此之间的关系，与此对比的是产品制造完毕之 前工件之间的关系。例如，当接头得到完全紧固，使得接头完全结合 于管道时，管道和套环接头的套环就处于"最终形态'，。合金
本发明公开的技术最普遍的是用于在低温下将碳原子扩散 进入铁合金或者含镍合金的表面，从而形成硬化表面或者"硬化壳体"。 诸如此类的材料为大家所熟知，例如描述于上文述及的美国专利 No.5792282、美国专利No.6093303、美国专利No.6547888、欧洲专利 文献EP0787817和日本专利文献JP9-14019 ( Kokai 9-268364 )中，上 述文献中公开的内容结合与此，并作为参考。
本发明所公开的技术特别适合于钢的硬化，尤其是钢的含 量为5-50,优选的是10-4(^^%的Ni。优选的合金包含10-40wt,。/o的 Ni和10-35wt.%的Cr。更优选的是不锈钢，尤其是美国钢铁协会 (AISI)的300和和400系列钢材。特别有利的是AISI316、 316L、 317、 317L和304不锈钢，合金600、合金625、合金825、合金C-22、合金 C-276和合金20Cb ,在此仅举例说明。其它基于扩散的表面处理
本发明的公开集中于通过低温渗碳获得表面硬化的不锈钢。 然而，本发明公开的技术也可以用于其它成型金属产品相似的表面处 理工艺，其中成型金属产品是由多个金属工件构成的。0017]在低温渗碳工艺中，碳原子扩散进入工件表面的间隙内， 也就是说，碳原子穿过了金属原子之间的空间。因为该工艺是在低温 下进行的，这些碳原子与工件表面的金属原子形成了固溶体。这些碳 原子没有与金属原子起化学反应形成其它的化合物。因此，低温渗碳 渗碳不同于通常在较高的温度下进行的通常渗碳工艺，而在较高的温 度下进行渗碳，这些碳原子会起反应形成碳化物沉淀，也就是说，形成了特定的金属化合物诸如M23C6(例如023<:6或者铬碳化物)、 MsC2之类的金属化合物，这些金属化合物以分散相的方式分离，并远 离包含它们的金属基体。10018]其它相似的用于改变金属工件的表面特性的工艺也是已知 的。亦即，通过原子扩散进入工件表面，从而在分散相中未形成新的 化合物，使得金属工件的硬度、耐腐蚀性和/或其它的表面特性发生改 变的工艺也是已知的。例如，在铁、铬和/或镍基合金中渗氮，在铁、 铬和/或镍基合金中渗碳和氮，在钛基合金中渗氮，仅是举例说明。为 了方便起见，所有这些处理工艺总体上称为"基于扩散的表面处理工 艺，，。
所有此类基于扩散的表面处理工艺均可以应用本发明公开 本发明公开的技术。也就是说，这些基于扩散的表面处理工艺中的每 一个均可以应用于由多个金属工件构成的成型金属产品，这些成型金 属产品应用了本发明公开的技术，即首先将金属工件进行预安装，然 后将预装組件进行基于扩散的表面处理。管道系统
本发明y〉开的技术特别适于生产不4秀钢管道系统，该管道 系统经过低温渗碳进行了表面硬化表面硬化。"管道系统"是指由至 少一个管道和至少一个另外的流体处理部件组成的流体处理系统，所 谓的流体处理部件可以是联接器、阀和计量表等，通常称为"接头，，。0021尽管已经习惯于使用不锈钢管道和具有低溫渗碳套环的不 锈钢接头制造不锈钢管道系统，但是这些管道系统从总体上而言，尤 其是形成诸如此类管道系统的管道并没有进行低温渗碳处理。然而， 根据本发明公开的技术，全部的管道系统或者至少管道系统与高侵蚀 和/或积4成应力相接触的部分由表面硬化的不4秀钢组成。例如，氬动力车辆中的氢输送系统的管道和接头可以均根据本发明公开的技术进行 表面硬化，从而阻止防冰冻用盐和其它道路上的碎石带来的侵蚀和才几 械损坏。因为至少诸如此类管道系统(包括至少一个管道)的一部分部件 是预安装的，管道系统总体上进行低温渗碳比在组装之前对各部分零 件分别进行低温渗碳要更容易些。尤其是在预装组件中的管道系统的一些部件，这些部件在进行低温渗碳前处于极高的应力之下进行"预连接"(即在未经结合的情况下连接为其最终形态)。
在一些管道系统(例如扩口式管接头和套环接头)中， 在接头最终连接至管道之前，管端发生塑性变形。在其它的管道系统(例如VCO和VCR接头)中，通过焊接或者其它的技术将凸缘或 者其它的构件安装在管端。尽管如此，将接头连接至诸如此类系统的 预成型的管端是用机械方法进行的。具有套环接头的管道系统.00241特别有利的管道系统是由套环接头形成的管道系统。在本文 中，"套环接头"是指位于机构中的接头，该接头通过套环以机械的 方法夹紧和封闭管道。
第三种套环接头可以认为是咬合或者裁切型接头。在这些 接头中，其夹紧力主要是由套环的前缘切入管道的表面产生的。在有 些管道的锻压过程中也会产生。此种类型的套环接头例如公开于美国 专利No. 2179127中，其公开的内容随附于此，并作为参考。0029 ]第四种套环接头可以认为是套筒变形夹紧型接头。在这些 接头中，夹紧力是由套环上的合力所产生的。如裁切型接头那样，主 要的夹紧力是由套环的前缘切入管道的表面产生的。此外，相当大的 额外夹紧作用是由于在停止的过程中，管道外侧切入套环的变形部分 产生的。此种类型的套环接头例如公开于美国专利No.6629708B2中， 其公开的内容随附于此并作为参考，尤其是附图2-28。
如上文中所指出的那样，任何类型的管道系统均可以采用 本发明公开的技术进行处理。例如，管道系统可以包括管道和由多个 部件形成的接头。在一个实施例中，管道系统包括不锈钢管道和由多 个部件形成的接头，至少其中之一是由不锈钢制成的。在示例性的实 施例中，预装组件用于提供具有提高表面性能的管道系统，包括不锈 钢管道和具有至少一个不锈钢部件的接头，并且以物理方式彼此结合 在一起，预装组件通过低温渗碳获得表面硬化。
诸如此类的一个示例性的管道系统，包括市场上可买到 的且获得高度成功的用于管道的两套环接头，其描述于附

图1和1A中。 附图1和1A取自美国专利No. 6629708,其所公开的内容如下文中指 出的那样，随附于此并作为参考。附图1显示了处于指状紧固位置的 接头部件已经预备做最终的紧固，而附图1A中显示了处于最终紧固后 的接头。如图所示，接头包括本体IO,该本体10具有圓筒形开口 12 和用于接收管端13的沉孔。锥形的截头圓锥形凸轮口 14位于该埋头 孔的轴向外端。具有平滑的柱状内壁18的前套环16靠近并安装在管 道上。前套环具有截头圓锥形的外表面20,从而安装在凸轮口14内。
套环16、 22由驱动螺母构件30环绕并旋至本体10。在旋 紧并装配接头的过程中，螺母的内端面、凸缘或者台肩32反作用于后 部套环的后端面28,并驱动该套环向前完全进入附图1A中所显示的 结合位置。0034]本发明公开的技术有益的是用于对具有套环接头的管道系 统进行表面硬化，在该管道系统中套环、或者选择性的接头本体、接 头螺母或者均有不锈钢制成。此外，本技术尤其是可以用于基于锻压、 咬合和/或套筒变形夹紧型的接头，在那里重要的机械加工和组装步骤 对于形成完整的供气系统是必要地。这是因为在机械加工和组装步骤 已经完成或者基本上完成后，相对于管道和接头(或者接头部件)独立 地分离进行渗碳作业，即使不是全部也是大部分的低温渗碳仅能在一 个步骤(或者在极少的几个步骤)中进行。
当使用套环接头时，还可以在管道的附近以及套环与管道 之间接触区的外侧部分使用润滑剂。例如参见美国临时专利申请系列 号No. 60/652631 (代理人案巻号22188/06884 )，其所公开的内容随附 于此并作为参考。成型金属产品和金属工件
尽管本发明公开的技术特别适合用于管道系统的表面硬化， 但是也可以用于任何形状和结构的金属产品，这些金属产品由至少两 个通过机械方法连接在一起的金属工件组成，并且当工件以机械方法 连接在一起时，工件各自的配合表面处于相当大的压力之下(以下称 为"宽泛的技术")。
根据本发明公开的宽泛技术，具有配合表面的配合金属工 件的低温渗碳就是在或者将要在压力下，通过将两个或更多的这些金 属工件进行预安装，随后将预装组件进行低温渗碳。此后，这些预安 装的工件以机械方法进行连接从而形成完整的金属产品。选择性的，上述工件可以在低温渗碳之前以机械方法进行连接。在另一个选择性的方案中，所述工件可以在低温渗碳之前以局部的机械方法进行连接，其余的部件在低温渗碳之后以机械方法进行连接。0039 ]"预装組件，，和"预安装"在本文中是指金属工件进行物理连接，使得它们彼此进行接触或者以某种方式进行接触，从而使至 少其中一个部件能够得到其它部件的支承或支撑。例如，与管道处于滑动接触的套环、在螺栓上自由旋动的螺母、链条的两个链环和具有 承载螺钉的孔的金属板彼此之间会处于"物理结合"，这是因为通过 操作相结合的部件中的一个部件，就能够在不触及另一个部件的情况 下，使得上述组合部件从一个位置移动至另一个位置，即使非操作部 件能够从操作部件中自由脱离。
根据本宽泛技术的一个方面，处于压力下最终产品的至少 一个配合表面的至少一部分是通过塑性流动成型的。 一个常见的例子 是，金属管端的扩口管接头在连接至相配合的扩口式管接头之间进行 扩口。 一个相似的例子是，？>开于美国专利No.6834524B2中的当套环 预模压至管道上时，其公开的全部内容随附于此，并作为参考。在这 些例子中，在将相配合的金属工件(因此也是在预装组件进行低温渗 碳之前)进行预安装之前，上述配合表面就发生了塑性变形。此外， 如杲需要的话，配合表面的塑性变形也可以发生在预安装总成之后， 或者低温渗碳之后，或者发生在上述两者之后。0044]当不锈钢进行低温渗碳处理时，如前文所述的那样，不锈 钢的表面硬度得到了明显的提高。此外，其耐腐蚀性实质上也超过了 自然的不锈钢，据信这是由于在不锈钢的表面富集了高浓度的碳。由 于在低温渗碳后硬度的问题，因此在低温渗碳后进行塑性变形是相当 困难的，这就需要在预安装总成之前尽可能早的时间进行完全的塑性 变形，从而避免对于更硬的部件进行塑性变形所需要的额外努力。工件在预安装之后的塑性流动0045 ]处于压力下的配合表面的至少一部分通过塑性流动成型的 另一个例子是，特定类型的管道内的套环接头、套环或者上述两者均 在接头的停止处部分承受了塑性变形。在这个例子中，配合表面的塑 性变形发生在预安装之后，并作为将相配合的金属工件连接在一起的 结果。换句话说，当两个相互配合的工件形成连接在一起的配合表面"配合表面的接触；使得"第一" 配合表面的形状至少局部的是由塑性变形形成的。0046通常，所有的塑性变形均需要在各工件以最终形态获得，并 且在低温渗碳之前完成。然而，如杲需要的话，配合表面额外的塑性 变形也可以在低温渗碳之后发生。此外，由这些工件所形成的预装组 件的低温渗碳可以在未解除施加在预装組件上的压力之前进行，正是 上述压力引起了塑性变形。选择性的，压力也可以局部的或者在总体 上进行解除，随后对预装组件进行低温渗碳，在进行低温渗碳后，在 预装组件上施加另外一个压力，使得第一和第二配合工件形成最终形 态。硬度不同情况下的塑性流动
在特别有利的方法中，通过配合使其中之一或"第一"配 合表面发生塑性流动(或者变形)或者"第二"配合表面发生塑性流 动，是由于选择性的使第二配合表面比第一配合表面更硬形成的。因 此，当上述两配合表面承受相互作用的压力时，由于其更硬的特性， 第二配合表面使第一配合表面发生变形。[0048可以采用多种不同的方式能够选择性地使得一个配合表面 比另一个更硬。例如，限定了这些配合表面的相配合的金属工件可以 由具有不同硬度的合金组成。选择性的，上述相配合的金属工件可以 由同一合金组成，但是在预安装之前可以处理为不同的表面硬度。例 如，通过将第二配合表面进行额外的低温渗碳处理，能够在相配合的 金属工件进行预安装之前，使得第二配合表面比第一配合表面更硬。 其它的包括渗氮、碳氮共渗、热或冷的锻轧之类的表面硬化技术都可 以4吏用。上述表面硬化4支术的组合也可以<吏用。预连接工件[0049如上文指出的那样，在本发明公开的技术的一个方面中，此 处的"预连接，，是相配合的工件的在低温渗碳之前以机械方法连接(即 上述工件以最终形态连接在一起)。例如，螺母及螺栓可以在低温渗碳以前进行最后的紧固。相似的5套环接头可以在低温渗碳以前进行 最后的紧固。令人吃惊的是，即使这些工件的配合表面也能够通过低温渗碳有效的进行表面硬化，至少是当使用卣素化合物或者诸如HCL、 HF 、 CL2、 F2 、 NF3之类的气体进行活化(去钝化)时。[0050不锈钢之所以不锈，是因为当其暴露于大气中的瞬间，不锈钢形成了一 层附着的氧化铬(Cr203)保护层。氧化铬层会阻止碳原子的扩散。因此， 在低温渗碳之前，有必要使得工件表面能够扩散穿过碳原子，这种处 理典型地称为"活化，，或者"去钝化"。"活化"可以通过多种不同 的技术进行，包括使工件在高的高度(例如500-600° F)接触诸 如HC1或者HF之类的卣化氢气体，使工件接触强碱，使用铁对工件 进行电镀，使工件接触液体钠以及使工件接触包括氰化钠的熔融盐槽。 当工件根据本实施例在低温渗碳之前以机械方法进行连接时，这些工件的配合表面不能进行渗碳，这是由于通向这些表面的路径被阻塞了。 然而在实践中，已经发现在大多数情况下工件得到了活化，如果活化 是通过卣素化合物或者诸如HCL、 HF 、 CL2、 F2 、 NF3之类的气体 进行的情况下，即使是在配合表面上也能够进行低温渗碳。[0051尽管在上文中仅描述了本技术少数的几个实施例，但是应当 认识到可以进行许多的改变。所有此类的改变均包含于本发明公开的 范围内，并且本发明公开的范围仅由以下的权利要求进行限定。
权利要求
1.一种对管道系统进行基于扩散的表面处理的方法，所述管道系统由至少一个不锈钢管道和至少一个接头组成，所述接头或者至少所述接头的部件也是由不锈钢制成，所述方法包括用机械方法将所述不锈钢管道与所述接头或者所述接头的不锈钢部件连接起来，从而形成预装组件，随后对所述预装组件进行基于扩散的表面处理。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述基于扩散的表面处理是低温渗碳。
3. 如权利要求2所述的方法，其中所述管道系统是套环管道系统， 所述管道系统中的所述套环由不锈钢制成，更进一步的是，其中所述 不锈钢管道和所述套环是用机械方法进行连接，从而形成所述预装组 件。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述管道在低温渗碳以前发生 塑性流动。
5. 如权利要求4所述的方法，其中所述不锈钢管道和所述套环是 在低温渗碳之前进行预连接的。
6. 如权利要求3所述的方法，其中所述套环管道系统包括不锈钢 管道和接头，所述接头具有接头本体、不锈钢套环和接头螺母，更进 一步的是，所述的方法包括对预装组件进行低温渗碳，所述预装组件 包括所述不锈钢管道、所述套环、以及至少所述接头本体与所述接头 螺母其中之一。
7. 如权利要求6所迷的方法，其中所述接头本体或所述接头螺母 由不锈钢制成，或者所述接头本体和所述接头螺母两者均由不锈钢制 成。
8. 如权利要求4所述的方法，其中至少一个所述管道的管端在低 温渗碳之前进行预锻压。
9. 如权利要求8所述的方法，其中的所述套环是锻压型接头、咬 合型接头或者套筒变形夹紧型接头。
10. 如权利要求8所述的方法，其中润滑剂应用于所述不锈钢管道 位于所述套环外端附近区域以及所述套环与所述管道之间相接触的外 侧区i戈。
11. 一种对产品进行基于扩散表面处理的方法，所述产品由第一配合工件和第二配合工件形成，其中所述第一配合工件限定了第一配合 表面，所述第二配合工件限定了第二配合表面，当所述产品处于最终 形态时，所述第一、第二配合表面处于相当大的压力下，所述方法包 括形成所述相配合的金属工件的预安装总成，随后对所述预装组件所 述基于扩散的表面处理。
12. 如权利要求11所述的方法，其中所述基于扩散的表面处理是不 锈钢的低温渗碳。
13. 如权利要求12所述的方法，其中当所述产品处于最终形态时， 所述第一配合表面的形状至少部分是由于与所述第二配合表面的接触 产生塑性变形形成的，所述方法进一步包括在所述预装组件形成后， 在对所述预装组件进行基于扩散的表面处理之前，使所述第二配合表 面引起所述第一配合表面的塑性变形。
14. 如权利要求13所述的方法，其中所述第二配合表面比所述第一 配合表面更》更。
15. 如权利要求13所述的方法，其中所述第一和第二配合工件连接 起来形成预装组件，随后将压力施加在所述预装组件上，使得所述第 二配合表面引起所述第一配合表面的塑性变形，在压力解除后，所述 预装组件随后进行基于扩散的表面处理，以及另一个压力随后施加在 所述预装组件上，使得所述第一和第二配合工件形成它们预定的最终 形态。
16. 如权利要求13所述的方法，其中所述第一和第二配合工件连接 起来形成预装组件，随后将压力施加在所述预装组件上，使得所述第 二配合表面引起所述第一配合表面的塑性变形，在基本没有解除上述 压力的情况下，所述预装组件随后进行基于扩散的表面处理。
17. 如权利要求15所述的方法，其中所述工件在进行基于扩散的表 面处理之前，以它们的最终形态进行连接。
18. 如权利要求11所述的方法，其中所述工件在进行基于扩散的表 面处理之前，以它们的最终形态进行连接。
19. 一种用于提供具有提高的表面性能的管道系统的预装组件，所 述管道系统由不锈钢管道和由多个部件构成的接头形成，所述多个部 件中的至少一个由不锈钢制成，所述预装组件包括彼此结合在一起的 所述不锈钢管道和所述接头的至少一个不锈钢部件，所述预装组件具有经低温渗碳处理的硬化表面。
20. 如权利要求19所述的预装组件，其中所述预装组件包括不锈钢 管道，所述的不锈钢管道在其至少一端预固定有不锈钢套环。
21. 如权利要求20所述的预装组件，其中所述套环是套环接头的部 件，所述套环包括接头本体、套环和接头螺母，更进一步，其中所述 预装组件包括所述接头本体和所述接头螺母的至少其中之一 。
22. —种表面硬度提高的耐腐蚀管道系统，所述管道系统包括连接 至接头的表面硬化的不锈钢管道。
23. 如权利要求22所述的管道系统，其中所述管道系统包括连接至 套环接头的表面硬化的不锈钢管道。
24. 如权利要求23所述的管道系统，其中所述管道系统通过将所 述接头本体和套环接头停止在预装组件上形成，所述预装组件由不锈 钢管道构成，所述不锈钢管道在其至少一端上具有预固定的套环，所 述预装组件具有经低温渗碳处理的硬化表面，使得所述不锈钢管道和 套环的表面均实质上无碳化物沉淀。
25. —种用于提供具有表面性能提高的产品的预装组件，所述产品 至少由第一和第二配合金属工件构成，所述第一和第二配合工件限定 了各自的第一和第二配合表面，当所述产品处于最终形态时，所述第 一和第二配合表面彼此配合，所述第二配合表面比所述第一配合表面 更硬，所述第一配合表面的形状至少在局部上是由于所述第二配合表 面所引起的塑性变形形成的，所述预装组件包括至少第一和第二配合 的金属工件，所述第一和第二配合的金属工件彼此物理结合在一起， 所述第一配合表面至少在局部上是由于所述第二配合表面所引起的塑 性变形所形成的，所述预装组件具有经低温渗碳处理的硬化表面。
全文摘要
一种提高表面硬度的耐腐蚀管道系统是通过形成预装组件构成的，预装组件包括不锈钢管道，不锈钢接头或者此类接头的一部分，以及随后将预装组件进行低温渗碳处理。
文档编号F16L19/00GK101263331SQ200680033424
公开日2008年9月10日 申请日期2006年9月12日 优先权日2005年9月13日
发明者P·C·威廉斯 申请人:斯瓦戈洛克公司