专利名称：一种铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管的短流程制备方法，主要是
针对于物料输送用的高耐磨金属复合管。
背景技术：
金属复合管是由两种或两种以上的不同材料(如碳钢、不锈钢、铜、铝、钛、镍等各 种合金)，通过各种连接技术结合成一体的，兼具各层材料优点的新型复合材料，与传统的 单层金属管相比，两层或者多层金属复合管一方面可以节省贵重合金的用量，另一方面也 可具有良好的综合性能。金属复合管已经被广泛应用于石油、化工、海水淡化、制盐、核工 业、食品行业、水利设施建设等行业。 目前，国内外已见报道的复合管生产技术较多，主要涉及的制备方法有焊接复 合、轧制复合、电镀复合、粉末冶金法和浇铸复合法等。其中，焊接法和铸造法多用于碳钢和 铸铁组成的复合管制备。焊接复合法包括钎焊和爆炸焊接等，可以生产规格较大的复合管， 但是由于存在热影响区，而且层与层之间容易出现未焊合的区域，影响了其界面强度。浇铸 法生产的金属复合管，各层金属之间的结合强度高于前者，但是铸态组织的综合力学性能 较差。张国赏，高义民，邢建东，孙红波在"钢/铁双金属复合材料的离心铸造工艺及界面控 制"，西安交通大学学报，2006 (40) :816 818，中利用复合离心铸造工艺制备了碳钢/高铬 铸铁双金属复合材料钻井泵缸套，确定了复合离心铸造的工艺参数，设计了阶梯升温的热 处理工艺，并对内套材料的组织和性能进行了测试。采用该工艺生产的双金属材料过渡层 组织均匀，内、外套达到了牢固的冶金结合。
发明内容
为了克服铸铁/碳钢复合管生产技术中存在的工艺复杂、生产效率较低、综合韧
性不高等缺点，本发明提供了一种新型的铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管制备方法，
可以用来制备结合强度很高的铸铁/碳钢复合管，并且大大縮短了生产工艺流程。
本发明所采用的工艺方案如下根据成品的内外层成分和尺寸要求，浇铸出内层
和外层均为碳钢，中间一层为高铬铸铁的三层复合管坯；将管坯进行热轧变形，使中间层出
现局部碎化，形成"蜂窝状"或者"马赛克化"结构，与内外层镶嵌结合，得到不同规格的复
合管产品。 下面将结合附图和具体实施方式
对本发明进行具体的阐述说明。 本发明中公开的多层金属复合板制备方法， 1)制备铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构离心浇铸复合管坯①所述的离心浇铸复合管坯规格为①90 ①800mm之间，壁厚为40 100mm ;
②离心浇铸复合管坯的浇铸过程为先浇铸碳钢层，过热度为50°C IO(TC，离心 机转速为400 600转/分钟。待碳钢层初步凝固，表层过冷度达到20°C IO(TC时，浇入 第二层高铬铸铁熔液，过热度为20°C 7(TC，离心机转速为400 700转/分钟。待高铬铸铁层表层初步凝固后，其过冷度为50°C IO(TC时，浇铸最外层的碳钢，过热度为20°C 5(TC，离心机转速为500 800转/分钟，直至最终凝固，浇铸过程通入氩气进行保护；
③3)扩散退火将浇铸后的复合管坯加热到1150°C 120(TC，保温3 5h，然后 缓慢冷却至室温，以提高各层之间的结合强度。 ④退火后的离心浇铸复合管坯通常需要对其内表面和外表面分别进行切削加工， 内外表层的切削量分别为内层为3 6mm ;外层为2 4mm ;
2)轧制变形 通过热轧变形，将所述的离心浇铸复合管坯轧制成规格为①50 ①650mm，厚度 为5 20mm厚的热轧荒管，轧制温度在1180°C 95(TC之间；对于总体的横截面变形量小 于25%的复合管，可以通过一道次的热轧变形直接成形； ①粗轧成形为将离心浇铸复合管坯放入加热炉进行加热，加热温度为1050°C 118(TC之间，保温时间为0. 5 3h，粗轧时温度控制在1180°C 95(TC之间，通过1 3个 道次的变形，每道次横截面变形量为15% 30%，延伸率为15% 40%，使铸态组织基本 破碎，改善复合管坯的性能； ②芯层破碎可以通过热矫直和热轧变形实现，所述的热矫直为粗轧后的复合管坯 可以利用三辊或者四辊矫直机进行矫直，复合管坯的矫直温度为900°C 70(TC之间；所述 的热轧为随后的2 4个道次，每道次横截面变形量为20% 40%，变形温度为1150°C 95(TC之间，通过变形，使内外层碳钢层发生延伸变形，表面完整；而中间层的高铬铸铁发生 断裂或者局部破裂，以"蜂窝状"或者"马赛克化"的形式，被内外层碳钢包覆在其中；
③精轧变形 最后的2 8个道次，每道次横截面变形量应当为10% 25%，变形温度在 118(TC 85(TC之间，通过精轧变形和随后的酸洗、矫直、精整，可以得到最终尺寸的铸铁/ 碳钢蜂窝夹芯结构热轧荒管。
冷轧。 对于成品厚度小于3mm的复合管，可以对热轧之后的荒管进行冷轧，以保证表面 质量和尺寸精度。冷轧的道次变形量为5% 10%。 3)热处理为对所述的铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构热轧荒管正火和回火热处理，所述 的正火温度950°C 980°C之间，保温时间为1 5h，空冷至450°C 500°C时，保温2 4h， 所述的回火温度为35(TC，保温时间为1 3h，空冷至室温，得到铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构 耐磨复合管。 本发明的优点在于 本发明提出了一种操作简单、流程短的铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管生产 技术。与传统的热轧复合方法相比，避免了轧制之前对各层金属管的清理、表面处理以及复 合板坯的焊接和预组装，大大简化了生产过程；与单一的铸造复合法相比，本发明提高了复 合管各层之间的结合强度，改善了复合管的组织性能，扩展了可生产的管材规格。
而且，本发明通过对铸坯加热过程的控制，消除了浇铸时产生的熔合层附近的组 织不均匀区域(宏观表现为"亮带")；利用较大变形量的热塑性变形，使高铬铸铁层发生碎 化，形成"蜂窝状"或者"马赛克化"的结构，与内外层之间镶嵌结合，使复合管整体具有较 高的强度和韧性。同时，这种方法的生产周期相对较短，生产效率较高，具有极大的应用和推广价值。
图1为铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管坯的横截面示意图； 图2为铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管坯的形状以及内部蜂窝状结构的示意
图； 图3为铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管的生产工艺流程具体实施例方式
本发明可以用于生产多种铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管，具体实施实例如 下 实施例1 :ZG270-500/18Cr/ZG270-500组成的三层铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管，其
成品中各层金属厚度比为: h2 : h3 = i : i : i，复合管成品外径为①650，厚度20mm。 按照图3，具体生产步骤如下 1)制备铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构离心浇铸复合管坯 按照图l所示，采用①800系列的离心浇铸复合管坯，厚度为100mm，外层半径R3 为800mm，内径&为732mm， & = 672mm， R2 = 600mm。根据上述尺寸，计算出需要的各层钢 液、铁液重量。按照国标要求，熔炼各组分钢液、铁液。 离心浇铸复合管坯的浇铸过程为先浇铸ZG270-500碳钢层，浇注温度为 1550°C 157(TC，离心机转速为500 600转/分钟。待碳钢层初步凝固，表层过冷度达 到8(TC IO(TC时，浇入第二层高铬铸铁熔液，浇注温度为1370°C 1400°C，离心机转速为 550 700转/分钟。待高铬铸铁层表层初步凝固后，其过冷度为80°C IO(TC时，浇铸最 外层的碳钢，浇注温度为1530°C 155(TC，离心机转速为600 800转/分钟，直至最终凝 固。浇铸过程通入氩气进行保护。 扩散退火将复合坯料加热到1150°C 1200°C ，保温5h，缓慢冷却至室温。
退火后的复合管坯通常要对其内层和外层分别进行切削加工。内外表层的切削量 分别为内层一6mm ;外层一4mm。 2)将离心浇铸复合管坯放入加热炉进行加热，加热温度为1050°C 115(TC之间， 保温时间为3h。 3)对离心浇铸复合管坯进行多道次的热轧，制成要求规格的铸铁/碳钢蜂窝夹芯 结构热轧荒管，轧制温度在1180°C 95(TC之间，其中 ①粗轧。最初的1 2个道次横截面变形量为15% 25%，开轧温度为1150°C， 终轧温度为95(TC，使铸态组织充分破碎。 ②粗轧后的管坯在三辊矫直机上进行热矫直，矫直时温度为750°C 800°C 。
按照图2，随后的2 3个道次，横截面变形量为25% 35% ，开轧温度为1150°C ， 终轧温度为950°C ，使中间的高铬铸铁层复生碎化，形成"蜂窝状"或者"马赛克化"的结构， 与内外层镶嵌结合。 ③随后的2 5个道次采用10% 15%的压下量，反复轧制，直至最终规格。
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切边。将复合管两端的不均匀部分切除。
4)热处理 ①正火。铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构热轧荒管的正火温度95(TC 98(rC，保温 1. 5 2h，空冷至480°C 500°C ，保温2. 5 3h。 ②350°C 400°C回火，保温时间为2. 5 3h，空冷至室温，得到铸铁/碳钢蜂窝夹
芯结构耐磨复合管。
实施例2 :ZG270-500/18Cr/ZG270-500组成的三层铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管，其
成品中各层金属厚度比为: h2 : h3=i : i : i，复合管成品外径为①so，厚度5mm。 具体生产步骤如下 1)制备铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构离心浇铸复合管坯 按照图l所示，采用①90系列的离心浇铸复合管坯，厚度为25mm，外层半径R3为 90mm，内径&为732mm， & = 672mm， R2 = 40mm。根据上述尺寸，计算出需要的各层钢液、铁 液重量。按照国标要求，熔炼各组分钢液、铁液。 离心浇铸复合管坯的浇铸过程为先浇铸ZG270-500碳钢层，浇注温度为 1520°C 1550。C，过热度为50°C 80。C，离心机转速为400 500转/分钟。待碳钢层初 步凝固，表层过冷度达到20°C 4(TC时，浇入第二层高铬铸铁熔液，浇注温度为1370°C 140(TC，过热度为20°C 5(TC，离心机转速为550 700转/分钟。待高铬铸铁层表层初 步凝固后，其过冷度为20°C 40°C时，浇铸最外层的碳钢，浇注温度为1520°C 1550°C ，离 心机转速为600 800转/分钟，直至最终凝固。浇铸过程通入氩气进行保护。
扩散退火将复合坯料加热到1150°C 1200°C ，保温3h，缓慢冷却至室温。
退火后的复合管坯通常要对其内层和外层分别进行切削加工。内外表层的切削量 分别为内层一3mm ;外层一2mm。 2)将离心浇铸复合管坯放入加热炉进行加热，加热温度为1050°C 115(TC之间， 保温时间为0. 5 lh。 3)对离心浇铸复合管坯进行多道次的热轧，制成要求规格的铸铁/碳钢蜂窝夹芯 结构热轧荒管，轧制温度在1150°C 95(TC之间，其中 ①粗轧。最初的1 2个道次横截面变形量为15% 25%，开轧温度为1150°C， 终轧温度为95(TC，使铸态组织充分破碎。 ②粗轧后的管坯在三辊矫直机上进行热矫直，矫直时温度为750°C 800°C 。
随后的2 3个道次，横截面变形量为25% 35%，开轧温度为115(TC，终轧温度 为950°C ，使中间的高铬铸铁层复生碎化，形成"蜂窝状"或者"马赛克化"的结构，与内外层
镶嵌结合。 ③随后的2 5个道次采用10% 15%的压下量，反复轧制，直至最终规格。
切边。将复合管两端的不均匀部分切除。
4)热处理 ①正火。铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构热轧荒管的正火温度950°C 98(TC，保温1 1. 5h，空冷至480°C 500。C，保温2 2. 5h。 ②35(TC 40(TC回火，保温时间为l 1. 5h，空冷至室温，得到铸铁/碳钢蜂窝夹
6芯结构耐磨复合管。
实施例3 : 45#钢/18Cr/45#钢组成的三层铸铁/碳钢复合管，其成品中各层金属厚度比为
^ : h2 : h3 = i : i : i，复合管成品外径为oioo，厚度4mm。 具体生产步骤如下
1)浇铸离心坯料。 采用①260系列的离心铸坯，厚度为30mm，外层半径R3为130mm，内径Ri为100mm， & = 120mm， R2 = 113mm。根据上述尺寸，计算出需要的各层钢液、铁液重量。按照国标要 求，熔炼各组分钢液、铁液。 复合管坯的浇铸过程为先浇铸45#钢层，浇注温度为1540°C 159(TC，过热度 为40°C 90°C，离心机转速为400 600转/分钟。待碳钢层初步凝固，表层过冷度达 到30°C 9(TC时，浇入第二层高铬铸铁熔液，浇注温度为1370°C 1400°C，离心机转速为 450 700转/分钟。待高铬铸铁层表层初步凝固后，其过冷度为30°C 9(TC时，浇铸最 外层的碳钢，浇注温度为1540°C 157(TC，离心机转速为500 800转/分钟，直至最终凝 固。浇铸过程通入氩气进行保护。扩散退火将复合坯料加热到1150°C 117(TC，保温3. 5h，缓慢冷却至室温。
退火后的复合管坯通常要对其内层和外层分别进行切削加工。内外表层的切削量 分另ll为内层一6mm ;夕卜层一3mm。
2)热轧。 将复合管坯放入加热炉进行加热，加热温度为1050°C 115(TC之间，保温时间为
1. 5 3h。 对管坯进行多道次的热轧，制成要求规格的复合管，轧制温度在1150°C 950°C 之间，其中 ①粗轧。最初的1 2个道次横截面变形量为15% 25%，轧制温度在1150°C 950°C ，使铸态组织充分破碎。 ②粗轧后的管坯在三辊矫直机上进行热矫直，矫直时温度为700°C 800°C 。随后 的2 3个道次，横截面变形量为25% 35%，轧制温度为1150°C 95(TC，使中间的高铬 铸铁层复生碎化，形成"蜂窝状"或者"马赛克化"的结构，与内外层镶嵌结合。
③随后的2 8个道次采用10% 15%的压下量，反复轧制，直至最终规格。
切边。将复合管两端的不均匀部分切除。 3)冷轧。经过3 5个道次的冷轧变形，得到最终规格，每道次的变形量为5% 10%。 4)热处理 ①正火。正火温度950。C 98(TC，保温0. 5 2h，空冷至480。C 500。C，保温
2. 5 3h。 ②350°C 40(TC回火，保温时间为1 3h，空冷至室温。
实施例4 : 20#钢/18Cr/20#钢组成的三层铸铁/碳钢复合管，其成品中各层金属厚度比为
^ : h2 : h3 = i : i : i，复合管成品外径为oioo，厚度12mm。
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具体生产步骤如下
1)浇铸离心坯料。 采用①260系列的离心铸坯，厚度为30mm，外层半径R3为130mm，内径Ri为100mm， & = 120mm， R2 = 113mm。根据上述尺寸，计算出需要的各层钢液、铁液重量。按照国标要 求，熔炼各组分钢液、铁液。 复合管坯的浇铸过程为先浇铸20#钢层，浇注温度为1570°C 162(TC，离心机转 速为400 600转/分钟。待碳钢层初步凝固，表层过冷度达到20°C IO(TC时，浇入第二 层高铬铸铁熔液，浇注温度为1370°C 140(TC，离心机转速为450 700转/分钟。待高 铬铸铁层表层初步凝固后，其过冷度为20°C 10(TC时，浇铸最外层的20ft钢，浇注温度为 1570°C 160(TC，离心机转速为500 800转/分钟，直至最终凝固。浇铸过程通入氩气进 行保护。 扩散退火将复合坯料加热到1150°C 1200°C ，保温3. 5h，缓慢冷却至室温。 退火后的复合管坯通常要对其内层和外层分别进行切削加工。内外表层的切削量
分另ll为内层一6mm ;夕卜层一3mm。 2)热轧变形以及热处理可以参照实施例1。 实施例4 : Q235钢/18Cr/Q235钢组成的三层铸铁/碳钢复合管，其成品中各层金属厚度比
为A : h2 : h3 = i : i : i，复合管成品外径为oioo，厚度12mm。 具体生产步骤如下
1)浇铸离心坯料。 采用①260系列的离心铸坯，厚度为30mm，外层半径R3为130mm，内径Ri为100mm， & = 120mm， R2 = 113mm。根据上述尺寸，计算出需要的各层钢液、铁液重量。按照国标要 求，熔炼各组分钢液、铁液。 复合管坯的浇铸过程为先浇铸Q235钢层，浇注温度为1550°C 160(TC，离心机 转速为400 600转/分钟。待碳钢层初步凝固，表层过冷度达到20°C IO(TC时，浇入第 二层高铬铸铁熔液，浇注温度为1370°C 140(TC，离心机转速为450 700转/分钟。待 高铬铸铁层表层初步凝固后，其过冷度为20°C IO(TC时，浇铸最外层的Q235钢，浇注温度 为1550°C 158(TC，离心机转速为500 800转/分钟，直至最终凝固。浇铸过程通入氩 气进行保护。 扩散退火将复合坯料加热到1150°C 1200°C ，保温3. 5h，缓慢冷却至室温。
退火后的复合管坯通常要对其内层和外层分别进行切削加工。内外表层的切削量 分另ll为内层一6mm ;夕卜层一3mm。
2)热轧变形以及热处理可参照实施例1。
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权利要求
一种铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管的制备方法，其生产工艺为1)制备铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构离心浇铸复合管坯①所述的离心浇铸复合管坯规格为Φ90～Φ800mm之间，壁厚为25～100mm；②离心浇铸复合管坯的浇铸过程为先浇铸碳钢层，过热度为50℃～100℃，离心机转速为400～600转/分钟。待碳钢层初步凝固，表层过冷度达到20℃～100℃时，浇入第二层高铬铸铁熔液，过热度为20℃～70℃，离心机转速为400～700转/分钟；待高铬铸铁层表层初步凝固后，其过冷度为50℃～100℃时，浇铸最外层的碳钢，过热度为20℃～50℃，离心机转速为500～800转/分钟，直至最终凝固，浇铸过程通入氩气进行保护；③扩散退火将离心浇铸复合管坯加热到1150℃～1200℃，保温3～5h，然后缓慢冷却至室温，以提高各层之间的结合强度，同时完全消除铸造残余应力；④退火后的离心浇铸复合管坯通常需要对其内表面和外表面分别进行切削加工，内外表层的切削量分别为内层为3～6mm；外层为2～4mm；2)轧制变形通过热轧变形，将所述的离心浇铸复合管坯轧制成规格为Φ50～Φ650mm，厚度为5～20mm厚的热轧荒管，轧制温度在1180℃～950℃之间；①粗轧成形为将离心浇铸复合管坯放入加热炉进行加热，加热温度为1050℃～1180℃之间，保温时间为0.5～3h，粗轧时温度控制在1180℃～950℃之间，通过1～3个道次的变形，每道次横截面变形量为15％～30％，延伸率为15％～40％，使铸态组织基本破碎，改善复合管坯的性能；②芯层破碎可以通过热矫直和热轧变形实现，所述的热矫直为粗轧后的复合管坯可以利用三辊或者四辊矫直机进行矫直，复合管坯的矫直温度为900℃～700℃之间；所述的热轧为随后的2～4个道次，每道次横截面变形量为20％～40％，变形温度为1150℃～950℃之间，通过变形，使内外层碳钢层发生延伸变形，表面完整；而中间层的高铬铸铁发生断裂或者局部破裂，以“蜂窝状”或者“马赛克化”的形式，被内外层碳钢包覆在其中；③精轧变形最后的2～8个道次，每道次横截面变形量应当为10％～25％，变形温度在1180℃～850℃之间，通过精轧变形和随后的酸洗、矫直、精整，可以得到最终尺寸的铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构热轧荒管；3)热处理为对所述的铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构热轧荒管正火和回火热处理，所述的正火温度950℃～980℃之间，保温时间为1～5h，空冷至450℃～500℃时，保温2～4h，所述的回火温度为350℃，保温时间为1～3h，空冷至室温，得到铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管。
2. 根据权利要求1所述的一种铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管的制备方法，其特 征是所述的铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管厚度小于3mm时，可以对所述的铸铁/碳 钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管进行冷轧，冷轧的道次变形量为5% 10%。
全文摘要
本发明公开了一种铸铁/碳钢蜂窝夹芯结构耐磨复合管的制备方法，可生产各种粉体材料或者流体输送时使用的耐磨金属复合管。本发明所采用的工艺方案为根据成品的内外层成分和尺寸要求，浇铸出内层和外层均为碳钢，中间一层为高铬铸铁的三层复合管坯；将管坯进行热轧变形，使中间层出现局部碎化，形成“蜂窝状”或者“马赛克化”的结构，与内外层碳钢之间实现镶嵌结合，得到不同规格的复合管产品；对于薄壁管，则继续进行冷轧变形。该复合管各层之间的结合强度高，通过退火工艺消除了界面组织的不均匀现象。复合管中间的高铬铸铁层以“蜂窝状”或者“马赛克化”的方式与两层碳钢结合，具有较高的强度和韧性。该方法工艺流程短，操作简单，无需进行大的设备改造，可行性高。
文档编号C21D8/10GK101767282SQ20091014783
公开日2010年7月7日 申请日期2009年6月15日 优先权日2009年6月15日
发明者姜正义, 戴桃勋, 戴美华, 解国良, 韩静涛 申请人:江苏北科高新管业有限公司;北京科技大学