CN107297449A - 一种不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺 - Google Patents

一种不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺，包括下述步骤：(1)以不锈钢管和碳钢钢筋为原料，不锈钢管内表面和碳钢钢筋的外表面进行表面清理；(2)将碳钢钢筋穿入到不锈钢管中并进行冷拉拔处理，减径率5～10％；(3)将拉拔后的不锈钢/碳钢复合钢筋定尺切段并两端焊封；(4)将制备的复合坯料以20℃/s的速率高频加热至1100～1150℃，采用专用模具进行第一道次热镦螺栓杆定径，第二道次热镦螺栓头部成型；(5)热镦完成的螺杆在900‑1050℃下保温1～2h，快速冷却至室温。本发明工艺简单，成本低，采用双道次热镦工艺生产的不锈钢/碳钢冶金复合螺栓，其碳钢与不锈钢之间能够形成良好的冶金结合，同时不锈钢壁厚分布均匀，表面质量高。

Description

一种不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺
技术领域
本发明涉及标准件技术领域和复合材料领域，具体涉及一种不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺。
背景技术
普通碳钢螺栓作为最常见的紧固件应用十分广泛，但是在雨雪、日晒、昼夜温差等环境因素的影响下往往会发生腐蚀。对于碳钢螺栓的防腐，最常见的是在碳钢表面热镀和电镀锌层，但这种方法只对普通环境具有一定防腐蚀能力，但例如化工厂、核电站这种高腐蚀性的环境，螺栓腐蚀更加严重。一些重要管道或反应釜等由螺栓紧固和密封，且螺栓腐蚀又非常不起眼，但是螺栓一旦因腐蚀而失效，其影响和危害巨大。因此这种环境中普通镀锌碳钢螺栓已经不能满足其耐腐蚀要求和安全要求。
不锈钢具有很高的抗腐蚀能力，因此不锈钢螺栓应用而生，但是由于不锈钢较更高，限制其大范围使用。不锈钢/碳钢冶金复合螺栓，在碳钢表面包覆一层不锈钢并使两者实现冶金结合，使其既具有单一不锈钢的防腐能力，又较单一不锈钢螺栓具有价格低廉的优点。
对于单一金属的碳钢螺栓或不锈钢螺栓的成型工艺已经非常成熟，也有专用的螺栓加工设备，其生产过程主要有如下步骤：切料、冷镦、搓丝、表面处理等，其生产过程中不用考虑金属间的变形协调问题和冶金复合的问题，而对于高强度螺栓，一般采用红打工艺，但也只是把螺栓头部加热到800-1000℃。因此，相对于单一金属螺栓的成型工艺，不锈钢/碳钢冶金复合螺栓的出现本身就具有创新性，其双道次热镦成型工艺又具有其自身的独特性和操作性。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法简单，成本低廉，冶金复合并且适合工业化生产的不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺。
本发明采用不锈钢管和碳钢钢筋作为原料，经过坯料制备，双道次热镦成型、热处理、搓丝、后处理等工序而成。
本发明的生产方法如下：
1、原料：
不锈钢钢管和碳钢钢筋。不锈钢管为无缝管或直缝焊管，材质可根据耐腐蚀要求选择304、304L、316、316L等，管壁厚度可根据螺栓尺寸取2～8mm；所使用的碳钢钢筋材质可根据强度和塑性要求选择低碳钢、高碳钢、合金钢等。不锈钢管内径比碳钢钢筋直径大1～2mm。
2、原料及处理：
对不锈钢管的内壁以及碳钢钢筋的外壁进行抛刷、高压清洗、干燥处理。
3、复合坯料制备：
将上述处理完毕的碳钢钢筋穿入不锈钢管内，在拉丝机上进行冷拉拔减径处理，减径率5～10％，使两金属紧密贴合并将管内空气排出。拉拔后，按照冶金复合螺栓成型后的体积将冷拉复合钢筋定尺切段；用专用钻削工具将成段后的复合钢筋两端的碳钢芯钻削一部分，钻削直径与碳钢芯直径一致，钻削深度略小于拉拔后不锈钢管半径。钻削加工后，将裸露出的不锈钢管进行紧口、压实，最后用不锈钢焊条焊封。
4、双道次热镦
将制备好的复合坯料以20℃/s的速率进行高频加热，时间为55～58s，加热温度1100～1150℃。根据螺栓尺寸在5～100T机械式冲床上以0.1～0.5m/s压下速度进行双道次热镦。采用开式上模进行第一道次螺栓杆定径，之后取掉开式上模，进行第二道次热镦螺栓头部成型。
5、热处理
成型后，在900～1050℃保温炉内保温1～2小时，使不锈钢/碳钢之间充分实现冶金复合。根据强度要求进行淬火热处理，提高冶金复合螺栓机械强度。
6、搓丝
将冷却的冶金复合螺栓半成品放入搓丝机加工螺纹，且可根据需要加工成粗牙螺纹或细牙螺纹。
7、后处理
搓丝后，根据表面质量要求对不锈钢/碳钢冶金复合螺栓进行抛丸、喷丸、喷砂、抛刷等表面处理。
本发明具有如下优点：
1、可大幅度节约不锈钢材料，降低原料成本，根据螺栓尺寸，相对于单一不锈钢螺栓，可节约不锈钢50～75％；
2、热镦温度是影响双金属冶金复合的重要参数，单一金属单道次热镦的温度约800～1000℃，而冶金复合螺栓双道次热镦温度应控制在1100～1150℃，可使不锈钢层和碳钢在双道次热镦后形成较好的冶金结合。
3、保温温度和保温时间对于热镦后复合螺栓金属间冶金结合强度至关重要，温度低，对复合不起作用，温度过高或保温时间过长，不锈钢层的氧化严重。经试验证明，本发明提供的保温温度和保温时间可有效实现不锈钢层与碳钢芯间的冶金结合，结合面组织连续致密，结合强度高达340MPa，同时，冶金复合螺栓的表面质量好，不锈钢层厚度分布均匀。
4、所生产的不锈钢/碳钢冶金复合螺栓与单一金属的不锈钢螺栓一样，具有优良的耐腐性，机械强度和塑性变形能力。
5、工艺可操作性强，方法简单、适合工业化生产。
附图说明
图1是本发明的生产工艺流程图；
图2是本发明应用的模具图；
图3是本发明实施例完成后的螺栓剖面；
图4是本发明1000℃与1150℃下双道次热镦成型后的金相对比照片，其中左侧为1000℃，右侧为1150℃；
图5是本发明完成后界面处的金相照片。
具体实施方式
实施例1
1、原料：采用Q235碳钢钢筋，304不锈钢无缝管为原料，其中不锈钢管外径18mm，内径14mm，碳钢钢筋直径为12mm。
2、原料处理：对上述不锈钢管内壁以及碳钢钢筋的外表面进行抛刷使其表面粗糙度约为Rz6.3，后高压清洗、干燥处理。
3、复合坯料的制备：将上述处理完毕的碳钢钢筋穿入到不锈钢管中，在拉拔机上拉拔处理，拉拔后复合钢筋外径为16.5mm，缩径率9％。将拉拔后的钢筋定尺剪切成65mm的小段，并在专用机床上把小段复合钢筋两段的碳钢钻削7mm深。之后将其紧口，并用不锈钢焊条焊封。
4、将制备完毕的复合坯料进行高频加热。在初始温度30℃下，以20℃/s的温升速率加热56s，加热温度至1150℃。
5、加热后，进行双道次热镦成型，冲床压头压下平均速度0.2m/s。第一道次热镦螺栓杆定径，采用图2所示模具。模具为组合式，1、3、9为模具套，2、4、8为模芯。其中开式上模4起导向作用，可沿对称面剖分，直径为16.5mm。下模2起缩径作用，内径为15.25mm。第一道次热镦时，复合坯料6在冲棒5的作用下由导向上模4进入下模2中，使复合坯料的下端缩径至15.25mm。
6、第一道次完毕后将开式上模4与模具套3更换为模具8和模具套9组成的上模，进行第二道次热镦螺栓头部成型。之后提起模具8，由下顶杆7将半成品螺栓顶出。
7、将双道次热镦后的半成品螺栓放入到1000℃的保温炉中保温1小时，进一步促进两金属间的冶金结合，之后水冷快速至室温。
8、冷却后进行搓丝处理，得到M16的不锈钢/碳钢冶金复合螺栓。图3为本发明实施例完成后的冶金复合螺栓剖面。
9、对冶金复合螺栓表面进行抛刷处理，去除表面氧化层和其它杂质。
热镦温度是影响双金属冶金复合的重要参数，单一金属单道次热镦的温度约800～1000℃，而冶金复合螺栓双道次热镦温度应控制在1100～1150℃，可使不锈钢层和碳钢在双道次热镦后形成较好的冶金结合，结合附图4可见，可以看到1000℃下双道次热镦后金属间界面仍存在明显缝隙，而1150℃下第二道次热镦后两金属界面附近形成良好的冶金结合。
保温温度和保温时间对于热镦后复合螺栓金属间冶金结合强度至关重要，温度低，对复合不起作用，温度过高或保温时间过长，不锈钢层的氧化严重。经试验证明，本发明提供的保温温度和保温时间可有效实现不锈钢层与碳钢芯间的冶金结合，结合面组织连续致密，结合强度高达340MPa，图5是本发明完成后界面处的金相照片。同时，冶金复合螺栓的表面质量好，不锈钢层厚度分布均匀。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺，其特征在于：不锈钢/碳钢冶金复合螺栓由内部碳钢芯与外层不锈钢壳组成，不锈钢壳均匀地将碳钢芯完全包裹，且两金属间具有良好的冶金结合。
2.一种不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)原料为不锈钢管和碳钢钢筋，碳钢钢筋直径为5～50mm，不锈钢管壁厚为2～8mm，将不锈钢管内表面以及碳钢钢筋的外表面进行抛刷处理，使表面粗糙度处于Rz3.2～Rz12.5之间，并做高压清洗、干燥等清洁处理；
(2)将步骤(1)所得到的碳钢钢筋穿入到不锈钢管内，两者间隙为0.5～1mm，在拉丝机上进行冷拉拔减径处理，拉拔速度为0.05～0.5m/s，减径率为5～10％；
(3)将步骤(2)所得到的复合钢筋定尺切段、应用不锈钢焊条将两端焊封，得到复合钢筋坯料，之后整体进行高频感应加热，根据工件直径调整加热频率范围1～20kHz，使加热过程以20℃/s的速率进行，时间为55～58s，加热温度1100～1150℃；
(4)将步骤(3)所得到的加热后的复合钢筋坯料进行双道次热镦成型，第一道次热镦螺栓杆定径，第二道次热镦螺栓头部成型，冲头平均压下速度为0.1～0.5m/s，成型后在900～1050℃保温炉内保温1～2小时，以80℃/s的速度迅速水冷至，进行淬火热处理，提高螺栓整体机械强度，冷却后即制备出冶金复合螺栓半成品；
(5)将步骤(4)所得到的冶金复合螺栓半成品搓丝加工螺纹，最后进行抛丸、喷丸、喷砂、抛刷等表面处理。
3.根据权利要求2所述的不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺，其特征在于：所使用的不锈钢管为无缝管或直缝焊管，材质为304、304L、316、316L中的一种，管壁厚度根据螺栓尺寸取2～8mm；所使用的碳钢钢筋材质根据强度和塑性要求选择低碳钢、高碳钢、合金钢中的任一种。
4.根据权利要求3所述的不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺，其特征在于：不锈钢/碳钢复合钢筋坯料可由拉拔、挤压或轧制等方式制得，且定尺长度可根据螺栓杆长度要求改变。
5.根据权利要求4所述的不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺，其特征在于：定尺切割的复合钢筋坯料通过机械加工、直接焊接等方式将其两端密封。
6.根据权利要求2所述的不锈钢/碳钢冶金复合螺栓双道次热镦成型工艺，其特征在于：双道次热镦工艺采用组合式模具在5～100T机械式冲床上实现，组合式模具分上模和下模，各模具均由模具套和模芯组成，模具套材质为45钢，模芯材质为YG20C，第一道次热镦螺栓杆定径，采用对称剖分的开式上模，起导向作用，下模为通用缩杆模，起螺杆定径作用，其中剖分的上模沿对称面轴向剖分，下端为缩口，锥角为60°，出口尺寸与下模尺寸一致，复合螺栓坯料经过第一道次热镦后螺杆部分缩径率10～15％，可大幅度增加不锈钢层与碳钢层的接触应力提高复合效果，取掉开式上模并进行第二道次热镦头部成型，采用通用模具，根据需要将螺栓头部加工成六边、四边或内六角等形式。
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