CN102615128B - 一种减重金属杆及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减重金属杆及其加工方法。所公开的加工方法选用金属管材作为包套材料，金属粉末为内部材料，将粉末压实装入管内，根据材料性质，在常温或一定温度下，通过挤压或轧制等成形方法，使内部粉末发生塑性变形后加工成内部为具有一定的孔隙率的棒材、外部为质密金属管套的内外双层组合的减重金属杆。所提供的减重金属杆包括金属管套，该金属管套内有孔隙率为10％～20％的金属棒。该减重金属杆内部的孔隙有效实现了减重目的，外部的金属管套保证了整个杆件的力学性能，同时由于粉末及加工成本低廉，该金属杆成本低廉。

Description

一种减重金属杆及其加工方法

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种变密度减重金属杆及其加工成型方法。

背景技术

在航空、军工和石油等特殊领域，为减轻设备的工作负荷需采用轻质减重的金属杆材，一般使用的减重金属杆材为空心金属杆或自身密度较低的实心金属杆材。

例如，有杆泵是石油开采时所经常使用的一种设备，其上的抽油杆是抽油机井的细长杆件，抽油杆上接总杆，下接抽油泵起传递动力的作用。一般的抽油杆单根长度为六米，材质一般为高碳钢表面镀硬铬，在油管内用内螺纹箍多根抽油杆连接起来一直延伸到地下三千余米深的油层处的活塞上，通过往复运动来泵油。

抽油杆的断脱主要受交变负荷(最大负荷与最小负荷之差)和最大负荷的影响，而工作负荷的大小与抽油杆的重量成正比，为了减小工作负荷，减少断脱等事故的发生，需使用重量轻的抽油杆。一般常见的减重抽油杆有铝合金实心抽油杆、玻璃钢实心抽油杆和空心钢质抽油杆。其中：铝合金实心抽油杆强度低，使用性能及寿命明显低于普通钢质抽油杆；玻璃钢实心抽油杆一方面不能承受压缩载荷，在玻璃钢抽油杆的实际应用当中，由于泵卡、活塞下行慢等原因，杆容易受压而弯曲劈裂，另一方面该种材料的抽油杆价格比普通钢质抽油杆高出约1倍；空心钢质抽油杆的强度很难满足工作强度的需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种成本低、强度较高的减重金属杆的加工方法。

所提供的加工方法具体按下述步骤实现：

步骤一，准备坯料：将粒径为1～3mm的金属粉末装入外部直径为20～150mm、壁厚≥3mm的金属管套中，接着将金属管套两端封口；

步骤二，成形处理：对准备好的坯料进行成形处理得到减重金属杆，其中的成形处理采取挤压方法或轧制方法；

所述挤压方法的工艺参数为：挤压模具的挤压系数为1.5～3、半模角为30°～45°、工作带长度为2～10mm，挤压速度≤10mm/s，挤压温度为20℃～1150℃，热挤压时挤压模具的预热温度为100℃～200℃；

所述轧制方法的工艺参数为：轧辊上的轧制孔型为带圆弧侧壁的圆孔型，轧制孔型高度比金属套管外部直径小2～5mm，轧制孔型侧壁开口角25°～30°，延伸系数为1.1～1.3，轧制速度≤3m/s，轧制温度为20℃～1150℃。

所述挤压模具的材质为5CrNiMo或45#碳钢。

所述轧辊的材质为5CrNiMo或45#碳钢。

所述金属粉末的材质为铝材、铅材或钢材，所述金属管套的材质为铝材、铅材或钢材。

与现有技术相比，本发明所提供的方法具有如下的特点：

(1)材料几何尺寸配比明显不同：传统包套挤压中金属包套的壁一般为1～3毫米，而本发明中的金属包套的壁厚是根据实际工作强度的需要而确定，其壁厚一般大于3mm，可以增加到金属管套外部半径的50％以上，达到40mm。

(2)以往的包套挤压成型方法中，在成形后，将包套(即套管)用化学或物理的方法去掉，只保留内部变形后棒材材料，而本发明的方法，保留包套为棒材的重要组成部分；

(3)本发明的方法中挤压成形工艺中的重要参数-挤压系数(挤压前后制品断面积比)不再追求尽量大的挤压比(一般一次性成形挤压系数可达8～12)，为获得内部有孔隙的金属棒，其挤压系数减小到3以下。

(4)与传统的棒材复合轧制成形工艺相比，延伸系数(轧制工艺中，将轧制前后轧件断面积之比称为延伸系数)将减小为一般轧制复合的60％以下，一般为1.1～1.3。

同时，采用本发明的方法加工的减重金属杆与现有的减重金属杆相比具有如下的特点：

(1)金属管套内层粉末塑性变形后不是致密的，而是有一定孔隙率(10％-20％)，密度发生了变化，比标准密度低。

(2)由于杆内部密度低，杆材重量得以减少10％-20％。

(3)与外层金属管套内外径相同的空心管材相比，由于内部基本被塑性变形后的粉末充满，其拉伸强度、弯曲性能等性能更好。

(4)由于金属粉末价格便宜，此金属杆加工成本低，所以与同材质标准密度金属杆相比，成本较低。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述方法所加工的减重金属杆。

所提供的减重金属杆包括金属管套，该金属管套内有孔隙率为10％～20％的金属棒，该金属棒的直径与所述金属管套的内部直径相同。

本发明所提供的减重金属杆内部有孔隙的金属棒使得杆材的整体重量减轻，同时杆材外部的致密金属包套使得整个杆材的拉伸强度、弯曲性能等力学性能优于同尺寸、同材质的空心管，这样的金属杆更适用于杆材重量对工作负荷及能量消耗影响显著的工作环境，进而可在航空、军工、石油等众多领域得到推广应用。比如在石油生产领域，80％以上泵油机使用的实心棒材抽油杆，由于长度达几千米，重量达几十吨，工作负荷及电能消耗很大，脱断事故频发，采用空心抽油杆强度不够，其他铝合金、玻璃钢等轻质抽油杆成本太高，而采用本发明所提供的钢质杆材可同时满足成本和工作强度的要求。

附图说明

图1为实施例1所得产品不同截面的孔隙率曲线图；

图2(a)为实施例1中所得产品的拉伸性能曲线；图2(b)为实心铅棒的拉伸性能曲线；图2(c)为空心铅管的拉伸性能曲线；

图3为实施例2所得产品不同截面的孔隙率曲线图；

图4为实施例3所得产品不同截面的孔隙率曲线图；

图5为实施例4所得产品不同截面的孔隙率曲线图。

以下结合附图与实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

本发明按照实际使用需求，选用金属管材作为包套材料，与金属管材材质相同或不同的金属粉末为内部材料，将粉末装入管内压实，根据材料性质，在常温或一定温度下，通过挤压或轧制等成型方法，使内部粉末发生塑性变形后加工成内部具有一定的孔隙率棒材、外部为质密金属管套的内外双层组合减重金属杆。

以下是发明人提供的实施例，需要说明的是，所提供的实施例是对本发明的进一步详细解释说明，本发明的保护范围并不限于下述实施例。

实施例1：

该实施例的减重金属杆的外部为铅管套，铅管套内有孔隙率为13.25％的铅棒，该铅棒的直径与铅管套的内部直径相同。其加工工艺为：

步骤一，准备坯料：将粒径为1～3mm铅粉用体积浓度为10％的稀盐酸清洗后装入带底的铅管套中，铅管套高60mm、外部直径为34mm、内部直径为16.19mm，装好后压好上盖；

步骤二，采用挤压的方法对准备好的坯料进行成形处理，挤压在160吨压力机上进行，挤压的工艺参数为：挤压模具的材质为45号碳钢，挤压模具的挤压系数为1.8、半模角为30°、工作带长度为60mm，挤压速度为10m/s，挤压温度为常温；最终制得长度约为108mm的杆材。

申请人对该实施例中所得产品的孔隙率进行了检测，沿杆材纵向每25mm取一个截面，共取四个截面；测量每个截面的孔隙率，分别为：14％、13％、15％、11％，取平均值为整个试样的孔隙率。结果如图1所示，其平均孔隙率约为13.25％。

为说明新产品及工艺技术的可行性，申请人做了实施例1所得杆材与实施例1所得杆材同样尺寸的实心铅棒及空心铅管的拉伸性能对比实验。各试样的拉伸性能测试在10吨拉伸试验机上进行，实施例1所得产品、实心试样及空心试样的抗拉强度分别为7Mpa、10Mpa及1.6Mpa。

图2为实施例1中所得产品、实心铅棒和空心铅管的拉伸性能曲线图，其中：图2(a)为实施例1中所得产品的拉伸性能曲线；图2(b)为实心铅棒的拉伸性能曲线；图2(c)为空心铅管的拉伸性能曲线；结合图2所示结果，实施例1所得产品的塑性明显高于实心试样，强度明显大于空心试样，说明实施例1所得产品能承受的工作负荷大于空心管材，虽然实施例1所得产品强度比实心棒材有所降低，但重量减轻了，更适合于像抽油杆这样重量对工作过程影响显著的工作场合。而且，由于粉末价格明显低于实心棒材，一次成型加工过程成本不高，实施例1所得产品的综合成本较低。

实施例2：

该实施例的减重金属杆的外部为钢管套，钢管套内为孔隙率为17.67％钢棒，其中，钢棒的直径与钢管套的内部直径相同。其加工工艺为：

步骤一，准备坯料：将粒径为1～3mm的钢粉装入制成的带底的钢管套中，钢管套长1000mm、外部直径为130mm，内部直径为70mm，装好后压好上盖；

步骤二，采用挤压的方法对准备好的坯料进行成形处理：在6000吨挤压机上进行，挤压方法的工艺参数为：挤压模具由5CrNiMo制成，挤压系数为2.8、半模角为45°、工作带长度为60mm，挤压速度5m/s，模具的预热温度为150℃～200℃，挤压温度为1050℃～1150℃；制得长度约为2800mm的杆材。

申请人对该实施例中所得产品的孔隙率进行了检测，沿杆材纵向每300mm取一个截面，共取9个截面；测量每个截面的孔隙率，每个截面的孔隙率分别为：17％、15％、19％、16％、18％、20％、17％、18％、19％，取平均值为整个试样的孔隙率。结果如图3所示，其平均孔隙率约为17.67％。

实施例3：

该实施例的减重金属杆的外部为铝管套，铝管套内为孔隙率为14.14％铝棒，其中，铝棒的直径与铝管套的内部直径相同。其加工工艺为：

步骤一，准备坯料：将粒径为1～3mm的铝粉装入制成的带底的铝管套中，铝管长度500mm、外部直径为130mm，内部直径为60mm，装完后压好端盖；

步骤二，采用轧制的方法对准备好的坯料进行成形处理：轧制在Φ600mm轧机上进行，轧制的工艺参数为：轧辊的材质为45#碳钢，轧辊上的轧制孔型为带圆弧侧壁的圆孔型，孔型高度为125mm，开口角为30°，延伸系数为1.1，轧制速度为3.0m/s，轧制温度为300～400℃，轧后长度约为540mm的杆材。

申请人对该实施例中所得产品的孔隙率进行了检测，沿杆材长度方向均匀测量了7个截面的孔隙率，每个截面的孔隙率分别为：16％、13％、14％、15％、12％、14％、15％，取平均值为整个试样的孔隙率。结果如图4所示，其平均孔隙率约为14.14％。

实施例4：

该实施例的减重金属杆的外部为钢管套，钢管套内有孔隙率为11.0％的钢棒，该钢棒的直径与钢管套的内部直径相同。其加工工艺为：

步骤一，准备坯料：将粒径为1～3mm钢粉用体积浓度为10％的稀盐酸清洗后装入带底的钢管套中，钢管套长度300mm、外部直径为40mm、内部直径为30mm，装好后压好上盖；

步骤二，采用轧制的方法对准备好的坯料进行成形处理：轧制在Φ600mm轧机上进行，轧制的工艺参数为：轧辊的材质为5CrNiMo，轧辊上的轧制孔型为带圆弧侧壁的圆孔型，孔型高度为37mm，开口角为25°，延伸系数为1.2，轧制速度为1.0/s，轧制温度为1050℃～1150℃，制得长度约为351mm的杆材。

申请人对该实施例中所得产品的孔隙率进行了检测，沿杆材长度方向均匀测量了7个截面的孔隙率，每个截面的孔隙率分别为：9％、12％、11％、10％、13％、10％、12％，，取平均值为整个试样的孔隙率。结果如图5所示，其平均孔隙率约为11.0％。

Claims (4)

1.一种减重金属杆的加工方法，其特征在于，

所述减重金属杆包括金属管套，该金属管套内有孔隙率为10%～20%的金属棒；

所述加工方法按下述步骤进行：

步骤一，准备坯料：将粒径为1～3mm的金属粉末装入外部直径为20～150mm、壁厚≥3mm的金属管套中，接着将金属管套两端封口；

步骤二，成形处理：对准备好的坯料进行成形处理得到减重金属杆，其中的成形处理采取挤压方法或轧制方法；

所述挤压方法的工艺参数为：挤压模具的挤压系数为1.5～3、半模角为30°～45°、工作带长度为5～60mm，挤压速度≤10mm/s，挤压温度为20℃～1150℃，热挤压时挤压模具的预热温度为100℃～200℃；

所述轧制方法的工艺参数为：轧辊上的轧制孔型为带圆弧侧壁的圆孔型，轧制孔型高度比金属套管外部直径小2～5mm，轧制孔型侧壁开口角≤30°，延伸系数为1.1～1.3，轧制速度≤3m/s，轧制温度为20℃～1150℃。

2.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述挤压模具的材质为5CrNiMo或45#碳钢。

3.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述轧辊的材质为5CrNiMo或45#碳钢。

4.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述金属粉末的材质为铝材、铅材或钢材，所述金属管套的材质为铝材、铅材或钢材。

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