CN105107857A - 一种高强度纳米晶钢管的制备新方法 - Google Patents

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刘婷
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Abstract

本发明公开了一种高强度纳米晶钢管的制备新方法，本发明的特点是提供一种通过正玄曲线通道模具拉拔法，可以低成本获得较长尺寸高强度纳米晶钢管。本发明设计的正玄曲线通道拉拔模具采用双层预应力套圈结构能够大幅度提高圆形通道模具强度，提高模具的使用寿命。采用的锡熔体充实钢管避免了管材在正玄曲线通道拉拔过程的横截面畸变，同时管材在两向应力下材料得到较好细化，使钢管的力学性能得到进一步提高，保证高密度的前提下兼有高的强度和良好的韧性。

Description

一种高强度纳米晶钢管的制备新方法
技术领域
本发明涉及一种金属管材的成形领域，尤其是涉及一种制备高强度纳米晶钢管的方法及模具。
背景技术
钢金属管材具备坚固、耐腐蚀的特性，因此在国民经济中得到了广泛的应用。采用挤压技术可制备大口径厚壁管材，该方法采用棒料铸造-棒料加热及热挤压-轧制及拉伸成形，工序复杂，而且能耗高。采用连续挤压的方法也可以制备小口径钢管，该方法高效节能，减少工序，但是连续挤压对挤压口模的要求极高，目前在世界上仅有几条工业化生产线，模具寿命低直接影响了该方法的广泛应用。
目前生产钢管采用铸轧生产技术，直接由水平连铸机组生产空心管坯，再由三辊行星轧管机轧制成一定规格的拉伸管坯，同时卷取入盘。由于直接制备钢管坯，其次三辊行星轧制一道次变形量高达96%以上，其生产效率也非常高，且该工艺为冷轧成形，不需要加热。轧制后管料可以直接进行拉伸成形，不需要中间退火，显著简化了加工工艺，与传统挤压工艺相比，铸轧工艺连续性强，更适合于自动化连续加工生产线。但是上述工艺对于制备薄壁管材加工成本会大幅上升，同时对于制备高强度薄壁管材需要在钢材中大量添加合金元素，由于合金的价格较为昂贵，高强度薄壁管材的成本也十分高昂。
申请号为20110347299.4和201110374700.3的发明提出了一种用于管材的等通道变截面挤压和拉拔的方法，通过由圆-椭圆-圆及椭圆扭转变化，可使材料累积变形，可提高材料的强度，改善管材性能，但是采用该方法改变了模具通道的横截面，获得的管件不能较好的保持管道的原有截面几何形状。本发明提出了一种正玄曲线通道模具拉拔方法，采用该方法理论上可获得无限长尺寸的高强度纳米晶钢管，同时由于是一种等横截面通道变形可保持管道的原有截面几何形状，既能满足制备薄壁管的低加工成本，又能获得高强度管材，部分替代厚壁管的使用，本发明钢管材料40Cr的化学成分为：C：0.37-0.44，Si：0.17-0.37，Mn：0.5-0.8，Cr：0.8-1.1，Ni：0-0.3，P：0-0.035，S：0-0.035，Cu：0-0.030，其余成为为Fe。因此，本发明提出了一种改善钢管力学性能的正玄曲线通道模具拉拔法获得纳米晶高强度钢管。
发明内容
本发明的目的是：为克服薄壁钢管的强度问题、低成本获得较长尺寸钢管，提供一种通过正玄曲线通道模具拉拔法，制备高强度纳米晶钢管。
本发明提出的一种正玄曲线通道模具拉拔法制备长尺寸钢管纳米晶钢管的方法包括以下步骤：
步骤一，管坯准备：本发明钢管材料40Cr的化学成分为：C：0.37-0.44，Si：0.17-0.37，Mn：0.5-0.8，Cr：0.8-1.1，Ni：0-0.3，P：0-0.035，S：0-0.035，Cu：0-0.030，其余成份为Fe，将即将拉拔的管坯分为二部分，第一部分是管材拉拔端部分：该部分通过焊合密封，同时在端口部设置钢绳卡头；第二部分是管材主要拉拔部分：该部分将获得大应变，组织达到纳米化，最终获得优良的力学性能；向一端密封的钢管注入锡熔体进行冷却，通过该方法可以获得实心的钢管，避免在步骤二的变形中产生管材的横截面畸变。
步骤二，拉拔准备：将管坯进行磷化皂化后、在管坯外表面涂覆二硫化钼与石蜡混合物，把准备好的管坯的第一部分的钢绳卡头与拉拔装置的钢丝拉绳连接，然后在钢丝绳牵引下把管坯放入正玄曲线通道模具。
步骤三，拉拔变形：拉拔装置以5mm/s-20mm/s的牵引速度将管坯通过正玄曲线通道模具拉拔，拉拔后重复上一次的拉拔变形一次，通过两次拉拔可以累积足够的应变，从而获得高强度纳米晶钢管。
步骤四，获得管材：将获得高强度纳米晶钢管拉拔端部分向上垂直放置在加热槽中焙烧至230°一小时，锡金属填充材料受热全部熔化流出，流出的锡料可以反复使用，同时钢管进行了去应力退火，获得力学性能优良的高强度纳米晶钢管。
本发明实现钢管拉拔变形的正玄曲线通道模具，包括圆形通道凹模、第一层预应力压套、第二层预应力压套，及相应的附属部件钢绳卡头和钢绳。
本发明的有益效果是：采用此种方案，通过正玄曲线通道模具拉拔两次变形方法拉拔钢管，同时内部填充锡金属材料，对钢管内壁施加压应力能保证钢管在拉拔过程中横截面的形状及尺寸不改变，该方法可以实现钢管的微观组织纳米化，从而获得性能优良的高强度纳米晶钢管。在正玄曲线通道模具基础上实现了钢管的连续拉拔变形，既实现了管壁金属的纳米化，又减轻了操纵工人的劳动强度，拓宽了薄壁钢管的应用范围。
附图说明
下面是结合附图和实施例对本发明的具体实施方案进行详细地说明。
图1为本发明加工工艺简略示意图；
图2为本发明正玄曲线通道模具拉拔工艺装置图；
图3获得的挤压试样微观组织照片；
图4为拉拔管材试样的真实应力-应变曲线。
上述图中的标记为：
图1为本发明加工工艺简略示意图的1.圆形通道凹模，2.挤压件管坯；
图2为本发明正玄曲线通道模具拉拔工艺装置图的1.圆形通道凹模，2.挤压件管坯，3.第一层凹模预应力套圈，4.第二层凹模预应力套圈，5.卡头，6.钢丝绳，7.预应力模具底座。
具体实施方式
实施例、一种高强度纳米晶钢管的制备新方法
本发明钢管材料40Cr的化学成分为：C：0.37-0.44，Si：0.17-0.37，Mn：0.5-0.8，Cr：0.8-1.1，Ni：0-0.3，P：0-0.035，S：0-0.035，Cu：0-0.030，其余成为为Fe。将即将拉拔的管坯拔端部分焊合密封，同时在端口部设置钢绳卡头；向一端密封的钢管注入锡熔体进行冷却，通过该方法可以获得实心的钢管。将管坯进行磷化皂化后、在管坯外表面涂覆二硫化钼与石蜡混合物，把准备好的管坯的第一部分的钢绳卡头与拉拔装置的钢丝拉绳连接，然后在钢丝绳牵引下把管坯放入正玄曲线通道模具。拉拔装置以17mm/s的牵引速度将管坯通过正玄曲线通道模具拉拔，拉拔后再重复上一次的拉拔变形一次，然后将获得高强度纳米晶钢管拉拔端部分向上垂直放置在加热槽中焙烧至230°后保温一小时，锡金属填充材料受热全部熔化流出，同时也相应对钢管进行了去应力退火工艺，获得力学性能优良的高强度纳米晶钢管。
从图3所示的纳米晶钢拉拔管材试样透射电镜微观照片可以看出钢管的平均晶粒组织是小于800nm的纳米材料。从图4所示的纳米晶铜拉拔管材试样拉伸真应力-应变曲线，可以看出，强度较传统试样提高52.8%，根据Hall-Pech公式可知，材料的晶粒尺寸越小，其外在宏观力学性能越高。
可知，纳米晶钢拉拔管材试样的平均晶粒组织是小于800nm的纳米材料，其强度较传统试样提高52.8%。
本发明提供的一种高强度纳米晶钢管可采用简单的线材拉拔加工设备，获得的材料有高的硬度和强度，同时保持较好的韧性。因此，本发明材料具有潜在的应用价值，特别在航空、航天和核电领域方面具有很好的优势。
本发明所采用的凹模正玄曲线通道模具结构，均可采用现有技术，本发明并不局限于上述所列举的具体实施形式，凡本领域技术人员不经过创造性劳动所能得到的改进，均属于本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高强度纳米晶钢管的制备新方法，提供一种通过正玄曲线通道模具拉拔法，可以低成本获得较长尺寸高强度纳米晶钛合金管，其特征是：通过采用正玄曲线通道模具拉拔钛合金管一次可实现钛合金管的剧烈塑性变形，最终累积大变形，获得高强度纳米晶钢管。
2.根据权利要求1所述的一种高强度纳米晶钢管的制备新方法，其特征是：为克服薄壁钢管的强度问题、低成本获得较长尺寸钢管，通过正玄曲线通道模具拉拔两次变形方法拉拔钢管，该方法可以实现钢管的微观组织纳米化，从而获得性能优良的高强度纳米晶钢管。
3.根据权利要求1所述的一种高强度纳米晶钢管的制备新方法，其特征是：拉拔装置以10mm/s的牵引速度将管坯通过正玄曲线通道模具拉拔，拉拔后再重复上一次的拉拔变形一次，累积足够应变，最终纳米晶钢拉拔管材试样的平均晶粒组织是小于800nm的纳米材料，其强度较传统试样提高52.8%。
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