CN102327919A - Inconel690合金无缝管材穿孔针挤压成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种Inconel690合金无缝管材穿孔针挤压成形方法，对管坯加热采用阶梯式加热方式，并采用玻璃润滑剂-A5粉对管坯进行润滑。管坯的挤压过程包括挤压开始至管材突破工作带成形阶段和管材稳定挤出阶段，其中，挤压开始至管材突破工作带成形阶段中的挤压速度由0mm/s线性上升到150～250mm/s，管材稳定挤出阶段匀速挤压，其挤压速度为150～250mm/s；得到热成形管材。本发明中，管坯在三向压应力状态下成形，改善了金属的塑性流动能力，且成形管坯及工模具均具有对称性，使成形的管材组织均匀，内外表层质量优良，精度高，机械性能良好，室温下屈服应力可达314～325MPa，抗拉强度可达746～763MPa，延伸率可达44％以上。
Description
技术领域
本发明涉及金属塑性热加工领域，具体是一种高温镍基合金(Inconel690合金)大口径厚壁无缝管材穿孔针挤压成形工艺。
技术背景
现代大型无缝管材的生产以热轧为主。热轧无缝钢管生产的工艺流程，基本上可以分为三个主变形工序：首先通过钻孔，穿孔或者轧孔制成管状毛坯即“毛管”；然后轧制成热成品管要求壁厚的“荒管”；最后轧制成热成品管要求外径的“成品管”。但是，管坯在热穿孔过程中，存在所谓的“曼内斯曼效应”，即：管坯在变形区内承受着复杂的力、变形和温度的作用，容易在毛管内外表面产生裂纹、分层、内折、螺旋纹等缺陷，生产的毛管质量差，严重影响管材后续加工的质量，降低成品管特别是精密无缝管的合格率，对热塑性差的难变形材料如高合金钢、奥氏体不锈钢等尤为突出。此外，管材热轧过程中，还存在非金属夹杂物夹层现象、尺寸精度较低等缺陷。
Inconel690合金是一种含Cr高达30％的奥氏体型高温镍基合金，具有极强的抗氧化、耐腐蚀性能，被广泛应用于石油化工、冶金、核能源等工业领域。但由于Inconel690合金变形抗力大、塑性加工温度范围窄。这种合金管材应用于等高温高压，高氧化性，强的腐蚀环境中，工作环境相当恶劣，所以对管材质量、尺寸精度要求高，热轧工艺已经无法满足这种高性能、高精度无缝管材的生产。
在公告号为CN 1086470A的专利申请中公开了一种适用于特钢、高温合金钢无缝管的离心铸造方法，其特点是将一定温度的液态金属浇入圆筒形的模具中，采用机械的方法使模具转动，金属液体由于离心力的作用结晶于模具内壁，最终制成无缝管。但是，离心铸造方法生产的无缝管材表面质量不高，需要进行后期的车削等机械加工，增大了生产力的消耗。并且，由于晶体结晶原理和热胀冷缩原理，采用铸造方法生产会产生一定程度的晶粒粗大、气孔、缩松等缺陷，这些缺陷在本发明中均可避免。
在申请号为专利200710011942.X，公开号为CN 101077503A的专利申请文件中公开了一种采用热连轧生产大型无缝钢管的工艺流程，主要方法是先将管坯加热，通过然后出炉通过双向热定心机组进行双向热定心，然后进入锥辊式穿孔，其中穿孔机前台设有旋转加送装置，穿孔机后顶杆主动旋转。毛管进入五架带空减机的三辊限动芯棒轧管机轧制成管。该方法工序复杂，在双向热定心过程中精度较难控制，不易实现连续生产，且金属在轧制过程中受到双向压应力作用，易出现表面裂纹、金属夹杂物等缺陷。
发明内容
为克服现有热轧工艺无法满足Inconel690合金高性能、高精度无缝管材生产的不足，本发明提出了一种Inconel690合金无缝管材穿孔针挤压成形方法。
本发明包括以下步骤：
第一步、管坯制备
根据管材内外径尺寸及管材长度，以及挤压筒的内径尺寸，确定管坯内径、外径及长度：管坯外径为：D管坯外径＝D挤压筒-(5～20mm)；管坯内径为：D管坯内径＝D管材内径+(5～15mm)；管坯长度为：L管坯＝(D管材外径 2-D管材内径 2)×L管材÷(D管坯外径 2-D管坯内径 2)+L余量；采用离心铸造的方法生产管坯，浇注温度为1460-1580℃，铸模转速为500～1000r/min，钢水浇注速度为50～200kg/s；浇注完毕，待管坯温度降至1080℃～1100℃时，降低转速至300～500r/min，继续旋转15-60min后停车；待管坯温度降至850℃时进行脱模；将离心铸造的管坯放入预热温度为850℃的环形炉内，保温1h后，随炉冷却至室温；最后进行车削加工、修磨管坯内外表面和前后两个断面，并倒圆角，r圆角＝5～12mm；得到制备好的管坯；
第二步、管坯加热
管坯加热采用阶梯式加热方式：首先，将管坯放入预热至870℃的电阻加热炉中，对电阻加热炉保温6h；将管坯在电阻加热炉内继续加热至1050℃，加热过程的时长为0.5h，保温1.5h；将管坯置入功率为1250Kw的感应炉中加热至1130～1180℃，得到加热后的管坯；
第三步、管坯润滑
管坯润滑包括对管坯外表面的润滑、管坯内表面的润滑；所述的管坯外表面和管坯内表面的润滑在铺粉台上完成；具体过程是：
管坯外表面的润滑：将铺粉台的斜度调整5～10°；通过铺粉装置在铺粉台上均匀铺撒5～8mm的玻璃润滑剂-A5粉；加热后的管坯放在铺粉台一端并使其在铺粉台上滚动一周将玻璃润滑剂-A5粉熔融，管坯的滚动速度为0.3～0.5rad/s；熔融后的玻璃润滑剂-A5粉在管坯外表层形成厚度为1～2mm的玻璃膜；
管坯内表面的润滑：当管坯在铺粉台上滚动的同时，利用喷枪将玻璃润滑剂-A5粉均匀的涂覆在管坯内表层，涂覆厚度为1～2mm；
得到内表面和外表面润滑后的管坯；
第四步、对管坯进行挤压
挤压前将用玻璃润滑剂预先制成的玻璃垫贴合在挤压模具的工作端面上；将管坯放入预热至500℃的挤压筒内；通过挤压垫对管坯进行挤压；挤压过程包括挤压开始至管材突破工作带成形阶段和管材稳定挤出阶段；其中，挤压开始至管材突破工作带成形阶段中的挤压速度由0mm/s线性上升到150～200mm/s，管材稳定挤出阶段匀速挤压，其挤压速度为150～250mm/s；得到热成形管材；
第五步、管材后处理
所述的管材后处理包括管材的矫直、管材固溶处理、管材表面酸洗处理、管材超声波探伤和精加工；
对热成形管材进行矫直；当热成形管材达到所需长度时将管材切断；将切断的热成形管材放入预热至1080～1150℃的环形炉内进行固溶处理，固溶处理时间为5～8h，随炉冷却至室温；对固溶处理后的热成形管材进行表面酸洗处理和超声波探伤，经精加工后得到成品管材。
当采用火焰炉对管坯加热时，柴油和重油中的硫含量低于5％，煤气中的硫含量低于0.7g/m3。
所述玻璃垫的厚度为5～10mm，形状与挤压模具的工作端面一致。
挤压模具采用锥形模，模角α为30～40°，定径带长度h为90～120mm，入口圆角r为5～10mm。
本发明的目的是在大吨位难变形合金卧式挤压机上实现Inconel690合金大口径厚壁无缝管材穿孔针挤压成形，以获得组织致密良好、尺寸精度高、表面质量好的Inconel690合金大口径厚壁管材。
采用本发明方法可生产外径240～800mm、长度6000～18000mm、壁厚20～120mm的Inconel690合金大型或超大型厚壁无缝管材。本发明方法的管坯是在三向压应力状态下成形，改善了金属的塑性流动能力，且成形管坯及工模具均具有对称性，所以，挤出的Inconel690合金大口径厚壁管材组织均匀，管材基体金属晶粒度可控制在6～8级；按GB639、GB228对成形管材试样进行了拉伸实验，获得了室温下成形管材的力学性能：屈服应力可达314～325MPa，抗拉强度可达746～763MPa，延伸率可达44％以上；且本发明具有挤压生产效率高的优点，且可以实现连续生产，所以，在轧制工艺生产1根管材的时间内，本发明可成形8～10根管材，从而提高了生产效率采用。例如：采用外径780mm，内径310mm，长度1100mm的管坯，生产外径350mm，内径300mm，壁厚50mm的管材，挤压时间仅需3～l0min即可成形16900mm的毛管或16000mm的成品。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为管坯加热过程示意图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是在2万吨难变形合金卧式挤压机上实现的Inconel690大口径厚壁无缝管材穿孔针挤压成形，管材的规格为Φ420mm×60mm-6000mm，具体操作如下：
第一步、管坯制备
根据管材内外径尺寸及管材长度，以及挤压筒的内径尺寸，确定管坯内径、外径及长度：2万吨难变形合金卧式挤压机的挤压筒内径为Φ800mm，管坯外径计算公式为：D管坯外径＝D挤压筒-(5～20mm)，本实施例中D管坯外径＝795mm。管坯内径计算公式为：D管坯内径＝D管材内径+(5～15mm)，本实施例中D管坯内径＝305mm。管坯长度计算公式为：L管 坯＝(D管材外径 2-D管材内径 2)×L管材÷(D管坯外径 2-D管坯内径 2)+L余量，本实施例中L管坯＝1100mm。采用离心铸造的方法生产管坯，浇注温度为1460℃，铸模转速为500r/min，钢水浇注速度为50kg/s。浇注完毕，待管坯温度降至1080℃时，降低转速至300r/min，继续旋转15min后停车。待管坯温度降至850℃时进行脱模。将离心铸造的管坯放入预热温度为850℃的环形炉内，保温1h后，随炉冷却至室温。最后进行车削加工、修磨管坯内外表面和前后两个断面，并倒圆角，r圆角＝5mm。得到制备好的管坯。
第二步、管坯加热
管坯加热采用阶梯式加热方式：首先，将管坯放入预热至870℃的电阻加热炉中，对电阻加热炉保温6h。将管坯在电阻加热炉内继续加热至1050℃，加热过程的时长为0.5h，保温1.5h。将管坯置入功率为1250Kw的感应炉中加热至1130℃，得到加热后的管坯。
第三步、管坯润滑
管坯润滑包括对管坯外表面的润滑、管坯内表面的润滑。所述的管坯外表面和管坯内表面的润滑在铺粉台上完成。具体过程是：
管坯外表面的润滑：将铺粉台的斜度调整5°。通过铺粉装置在铺粉台上均匀铺撒5mm的玻璃润滑剂-A5粉。加热后的管坯放在铺粉台一端并使其在铺粉台上滚动一周将玻璃润滑剂-A5粉熔融，管坯的滚动速度为0.3rad/s。熔融后的玻璃润滑剂-A5粉在管坯外表层形成厚度为1mm的玻璃膜。
管坯内表面的润滑：当管坯在铺粉台上滚动的同时，利用喷枪将玻璃润滑剂-A5粉均匀的涂覆在管坯内表层，涂覆厚度为1mm。
得到内表面和外表面润滑后的管坯。
第四步、对管坯进行挤压
挤压前将用玻璃润滑剂预先制成的玻璃垫贴合在挤压模具的工作端面上，所述玻璃垫的厚度为5mm，形状与挤压模具的工作端面一致。
将管坯放入预热至500℃的挤压筒内。通过挤压垫对管坯进行挤压。挤压过程包括挤压开始至管材突破工作带成形阶段和管材稳定挤出阶段。其中，挤压开始至管材突破工作带成形阶段中的挤压速度由0mm/s线性上升到150mm/s，管材稳定挤出阶段匀速挤压，其挤压速度为150mm/s。本发明采用的挤压模具为锥形模，模角α为30°，定径带长度h为90mm，入口圆角r为5mm。
得到热成形管材。
第五步、管材后处理
所述的管材后处理包括管材的矫直、管材固溶处理、管材表面酸洗处理、管材超声波探伤和精加工。
对热成形管材进行矫直。当热成形管材达到所需长度时将管材切断。将切断的热成形管材放入预热至1080℃的环形炉内进行固溶处理，固溶处理时间为5h，随炉冷却至室温。对固溶处理后的热成形管材进行表面酸洗处理和超声波探伤，经精加工后得到成品管材。
实施例二：
本实施例是某研究院在3.6万吨难变形合金卧式挤压机上实现的Inconel690大口径厚壁无缝管材穿孔针挤压成形；管材规格为Φ500mm×75mm-12000mm，具体操作如下：
第一步、管坯制备
根据管材内外径尺寸及管材长度，以及挤压筒的内径尺寸，确定管坯内径、外径及长度：2万吨难变形合金卧式挤压机的挤压筒内径为Φ1100mm，管坯外径计算公式为：D管坯外径＝D挤压筒-(5～20mm)，本实施例中D管坯外径＝1090mm。管坯内径计算公式为：D管坯内径＝D管材内径+(5～15mm)，本实施例中D管坯内径＝365mm。管坯长度计算公式为：L管 坯＝(D管材外径 2-D管材内径 2)×L管材÷(D管坯外径 2-D管坯内径 2)+L余量，本实施例中L管坯＝1500mm。采用离心铸造的方法生产管坯，浇注温度为1500℃，铸模转速为750r/min，钢水浇注速度为150kg/s。浇注完毕，待管坯温度降至1100℃时，降低转速至400r/min，继续旋转30min后停车。待管坯温度降至850℃时进行脱模。将离心铸造的管坯放入预热温度为850℃的环形炉内，保温1h后，随炉冷却至室温。最后进行车削加工、修磨管坯内外表面和前后两个断面，并倒圆角，r圆角＝10mm。得到制备好的管坯。
第二步、管坯加热
管坯加热采用阶梯式加热方式：首先，将管坯放入预热至870℃的电阻加热炉中，对电阻加热炉保温6h。将管坯在电阻加热炉内继续加热至1050℃，加热过程的时长为0.5h，保温1.5h。将管坯置入功率为1250Kw的感应炉中加热至1150℃，得到加热后的管坯。
第三步、管坯润滑
管坯润滑包括对管坯外表面的润滑、管坯内表面的润滑。所述的管坯外表面和管坯内表面的润滑在铺粉台上完成。具体过程是：
管坯外表面的润滑：将铺粉台的斜度调整8°。通过铺粉装置在铺粉台上均匀铺撒6mm的玻璃润滑剂-A5粉。加热后的管坯放在铺粉台一端并使其在铺粉台上滚动一周将玻璃润滑剂-A5粉熔融，管坯的滚动速度为0.4rad/s。熔融后的玻璃润滑剂-A5粉在管坯外表层形成厚度为1.5mm的玻璃膜。
管坯内表面的润滑：当管坯在铺粉台上滚动的同时，利用喷枪将玻璃润滑剂-A5粉均匀的涂覆在管坯内表层，涂覆厚度为1.5mm。
得到内表面和外表面润滑后的管坯。
第四步、对管坯进行挤压
挤压前将用玻璃润滑剂预先制成的玻璃垫贴合在挤压模具的工作端面上，所述玻璃垫的厚度为7.5mm，形状与挤压模具的工作端面一致。
将管坯放入预热至500℃的挤压筒内。通过挤压垫对管坯进行挤压。挤压过程包括挤压开始至管材突破工作带成形阶段和管材稳定挤出阶段。其中，挤压开始至管材突破工作带成形阶段中的挤压速度由0mm/s线性上升到200mm/s，管材稳定挤出阶段匀速挤压，其挤压速度为200mm/s。本发明采用的挤压模具为锥形模，模角α为35°，定径带长度h为110mm，入口圆角r为7.5mm。
得到热成形管材。
第五步、管材后处理
所述的管材后处理包括管材的矫直、管材固溶处理、管材表面酸洗处理、管材超声波探伤和精加工。
对热成形管材进行矫直。当热成形管材达到所需长度时将管材切断。将切断的热成形管材放入预热至1110℃的环形炉内进行固溶处理，固溶处理时间为6.5h，随炉冷却至室温。对固溶处理后的热成形管材进行表面酸洗处理和超声波探伤，经精加工后得到成品管材。
实施例三
本实施例是某研究院在3.6万吨难变形合金卧式挤压机上实现的Inconel690大口径厚壁无缝管材穿孔针挤压成形；管材规格为Φ580mm×90mm-12000mm，具体操作如下：
第一步、管坯制备
根据管材内外径尺寸及管材长度，以及挤压筒的内径尺寸，确定管坯内径、外径及长度：3.6万吨难变形合金卧式挤压机的挤压筒内径为1100mm，管坯外径计算公式为：D管坯外径＝D挤压筒-(5～20mm)，本实施例中D管坯外径＝1180mm。管坯内径计算公式为：D管坯内径＝D管材内径+(5～15mm)，本实施例中D管坯内径＝415mm。管坯长度计算公式为：L管 坯＝(D管材外径 2-D管材内径 2)×L管材÷(D管坯外径 2-D管坯内径 2)+L余量，本实施例中L管坯＝2200mm。采用离心铸造的方法生产管坯，浇注温度为1560℃，铸模转速为1000r/min，钢水浇注速度为200kg/s。浇注完毕，待管坯温度降至1090℃时，降低转速至500r/min，继续旋转60min后停车。待管坯温度降至850℃时进行脱模。将离心铸造的管坯放入预热温度为850℃的环形炉内，保温1h后，随炉冷却至室温。最后进行车削加工、修磨管坯内外表面和前后两个断面，并倒圆角，r圆角＝12mm。得到制备好的管坯。
第二步、管坯加热
管坯加热采用阶梯式加热方式：首先，将管坯放入预热至870℃的电阻加热炉中，对电阻加热炉保温6h。将管坯在电阻加热炉内继续加热至1050℃，加热过程的时长为0.5h，保温1.5h。将管坯置入功率为1250Kw的感应炉中加热至1180℃，得到加热后的管坯。
第三步、管坯润滑
管坯润滑包括对管坯外表面的润滑、管坯内表面的润滑。所述的管坯外表面和管坯内表面的润滑在铺粉台上完成。具体过程是：
管坯外表面的润滑：将铺粉台的斜度调整10°。通过铺粉装置在铺粉台上均匀铺撒8mm的玻璃润滑剂-A5粉。加热后的管坯放在铺粉台一端并使其在铺粉台上滚动一周将玻璃润滑剂-A5粉熔融，管坯的滚动速度为0.5rad/s。熔融后的玻璃润滑剂-A5粉在管坯外表层形成厚度为2mm的玻璃膜。
管坯内表面的润滑：当管坯在铺粉台上滚动的同时，利用喷枪将玻璃润滑剂-A5粉均匀的涂覆在管坯内表层，涂覆厚度为2mm。
得到内表面和外表面润滑后的管坯。
第四步、对管坯进行挤压
挤压前将用玻璃润滑剂预先制成的玻璃垫贴合在挤压模具的工作端面上，所述玻璃垫的厚度为10mm，形状与挤压模具的工作端面一致。
将管坯放入预热至500℃的挤压筒内。通过挤压垫对管坯进行挤压。挤压过程包括挤压开始至管材突破工作带成形阶段和管材稳定挤出阶段。其中，挤压开始至管材突破工作带成形阶段中的挤压速度由0mm/s线性上升到250mm/s，管材稳定挤出阶段匀速挤压，其挤压速度为250mm/s。本发明采用的挤压模具为锥形模，模角α为40°，定径带长度h为120mm，入口圆角r为10mm。
得到热成形管材。
第五步、管材后处理
所述的管材后处理包括管材的矫直、管材固溶处理、管材表面酸洗处理、管材超声波探伤和精加工。
对热成形管材进行矫直。当热成形管材达到所需长度时将管材切断。将切断的热成形管材放入预热至1150℃的环形炉内进行固溶处理，固溶处理时间为8h，随炉冷却至室温。对固溶处理后的热成形管材进行表面酸洗处理和超声波探伤，经精加工后得到成品管材。
Claims (3)
1.一种Inconel690合金无缝管材穿孔针挤压成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、管坯制备
根据管材内外径尺寸及管材长度，以及挤压筒的内径尺寸，确定管坯内径、外径及长度：管坯外径为：D管坯外径＝D挤压筒-(5～20mm)；管坯内径为：D管坯内径＝D管材内径+(5～15mm)；管坯长度为：L管坯＝(D管材外径 2-D管材内径 2)×L管材÷(D管坯外径 2-D管坯内径 2)+L余量；采用离心铸造的方法生产管坯，浇注温度为1460-1580℃，铸模转速为500～1000r/min，钢水浇注速度为50～200kg/s；浇注完毕，待管坯温度降至1080℃～1100℃时，降低转速至300～500r/min，继续旋转15-60min后停车；待管坯温度降至850℃时进行脱模；将离心铸造的管坯放入预热温度为850℃的环形炉内，保温1h后，随炉冷却至室温；最后进行车削加工、修磨管坯内外表面和前后两个断面，并倒圆角，r圆角＝5～12mm；得到制备好的管坯；
第二步、管坯加热
管坯加热采用阶梯式加热方式：首先，将管坯放入预热至870℃的电阻加热炉中，对电阻加热炉保温6h；将管坯在电阻加热炉内继续加热至1050℃，加热过程的时长为0.5h，保温1.5h；将管坯置入功率为1250Kw的感应炉中加热至1130～1180℃，得到加热后的管坯；
第三步、管坯润滑
管坯润滑包括对管坯外表面的润滑、管坯内表面的润滑；所述的管坯外表面和管坯内表面的润滑在铺粉台上完成；具体过程是：
管坯外表面的润滑：将铺粉台的斜度调整5～10°；通过铺粉装置在铺粉台上均匀铺撒5～8mm的玻璃润滑剂-A5粉；加热后的管坯放在铺粉台一端并使其在铺粉台上滚动一周将玻璃润滑剂-A5粉熔融，管坯的滚动速度为0.3～0.5rad/s；熔融后的玻璃润滑剂-A5粉在管坯外表层形成厚度为1～2mm的玻璃膜；
管坯内表面的润滑：当管坯在铺粉台上滚动的同时，利用喷枪将玻璃润滑剂-A5粉均匀的涂覆在管坯内表层，涂覆厚度为1～2mm；
得到内表面和外表面润滑后的管坯；
第四步、对管坯进行挤压
挤压前将用玻璃润滑剂预先制成的玻璃垫贴合在挤压模具的工作端面上；将管坯放入预热至500℃的挤压筒内；通过挤压垫对管坯进行挤压；挤压过程包括挤压开始至管材突破工作带成形阶段和管材稳定挤出阶段；其中，挤压开始至管材突破工作带成形阶段中的挤压速度由0mm/s线性上升到150～250mm/s，管材稳定挤出阶段匀速挤压，其挤压速度为150～250mm/s；得到热成形管材；
第五步、管材后处理
所述的管材后处理包括管材的矫直、管材固溶处理、管材表面酸洗处理、管材超声波探伤和精加工；
对热成形管材进行矫直；当热成形管材达到所需长度时将管材切断；将切断的热成形管材放入预热至1080～1150℃的环形炉内进行固溶处理，固溶处理时间为5～8h，随炉冷却至室温；对固溶处理后的热成形管材进行表面酸洗处理和超声波探伤，经精加工后得到成品管材。
2.如权利要求1所述一种Inconel690合金无缝管材穿孔针挤压成形方法，其特征在于，所述玻璃垫的厚度为5～10mm，形状与挤压模具的工作端面一致。
3.如权利要求1所述一种Inconel690合金无缝管材穿孔针挤压成形方法，其特征在于，挤压模具采用锥形模，模角α为30～40°，定径带长度h为90～120mm，入口圆角r为5～10mm。
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