CN107876617A - 一种复合管材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及管材领域，公开了一种复合管材及其制造方法。所述复合管材的制造方法包括将内管坯置于外管坯之内，之后进行内高压成形；所述外管坯由钢材制成，所述内管坯由轻质合金制成。采用本发明提供的方法得到的复合管材结构完整、密度较低且强度较高，极具工业应用前景。

Description

一种复合管材及其制造方法
技术领域
本发明涉及管材领域，具体地，涉及一种复合管材、一种复合管材的制造方法以及由该方法制造得到的复合管材。
背景技术
减轻汽车、飞机的自重是减少能耗和污染排放的主要措施之一。轻量化的主要途径是采用轻质材料和轻体结构。轻质材料包括铝合金、镁合金和复合材料等，轻体结构的主要形式包括整体结构、薄壳和空心变截面。对于空心变截面零部件，传统的制造工艺一般为先冲压成形两个半片，然后再焊接成整体，该工艺不仅工序复杂，而且质量难以保证。而内高压成形特别适合成形空心变截面零部件。在内高压成形时，管坯在内部高压液体和两端轴向载荷的共同作用下发生形变并最终贴合模具，由此得到所需几何形状的零部件，其中，所得成形零部件的形状可以通过控制模具的内部形状而得以控制。然而，现有的轻合金管材在常温下成型性差，难以采用高压成型得到轻合金管材。
为了解决该问题，CN1751819A公开了一种采用在高压成形时对轻质管坯进行加热以提高其成形性能的方法制造轻质合金管材。具体地，CN1751819A公开了一种轻合金管材热态内高压成形方法，该方法包括以下步骤：(1)将模具加热到150-500℃；(2)将管坯放入经步骤(1)加热的模具中，将模具闭合；(3)将冲头与管坯的两端部接触并密封，然后通过管路向管坯内注入150-500℃的热态液体介质；(4)当模具、管坯以及热态液体介质的温度达到150-500℃时，通过控制冲头的轴向载荷以及热态液体介质的压力，使管坯发生变形，即制造出设计的轻合金管材零部件。然而，该方法虽然解决了现有的轻合金管材在常温下成形性差、加工困难的问题，但是该方法需要将模具加热至较高温度，同时采用热态液体介质，能耗高，成形条件苛刻。
发明内容
本发明的目的是为了克服采用现有的方法制造轻质管材时，存在能耗高且成形条件苛刻的缺陷，而提供一种新的复合管材、一种复合管材的制造方法以及由该方法制造的复合管材。
具体地，本发明提供了一种复合管材，其中，所述复合管材包括紧密配合的内管和外管，所述外管由钢材制成，所述内管由轻质合金制成，且所述外管和内管之间不包括粘结剂。
本发明还提供了一种复合管材的制造方法，其中，该方法包括将内管坯置于外管坯之内，之后进行内高压成形；所述外管坯由钢材制成，所述内管坯由轻质合金制成。
此外，本发明还提供了由上述方法制造得到的复合管材。
本发明的发明人经过深入研究后发现，由钢材制成的管坯的强度较高且易成型，在较大的形变量下不易破裂，但是质量通常较重；由轻质合金制成的管坯质量较轻，但是强度较低且不易成型，在较大的形变量下容易破裂；而将钢材管坯作为外管坯且将轻质合金管坯作为内管坯，在成形过程中不仅能够利用钢材管坯良好的塑性变形能力对不易变形的轻质合金管坯进行约束，不易破损，而且轻质合金管坯在被钢材管坯包覆的这种特定应力状态下的变形能力能够显著提高，同时在两种管坯间摩擦力的作用可有效降低轻质合金管坯厚度减薄不均匀性，得到的复合管材的密度小，介于轻质合金和钢材之间，强度高，特别适用于轻量化高性能要求的产品领域。此外，采用本提供的方法可以无需模具加热以及热态液体介质的使用，节能环保，易实施。综上，采用本发明提供的方法得到的复合管材的结构完整、密度较低且强度较高，极具工业应用前景。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的复合管材的一种具体制造方法的初始状态的剖视图；
图2为本发明的复合管材的一种具体制造方法的终止状态的剖视图。
附图标记说明
1-滑动冲头；2-模具；3-外管坯；4-内管坯；5-管路。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供的复合管材包括紧密配合的内管和外管，所述外管由钢材制成，所述内管由轻质合金制成，且所述外管和内管之间不包括粘结剂。
在本发明中，所述外管和内管之间不包括粘结剂也即表示外管和内管之间并非采用粘结剂进行粘合连接。
如本领域技术人员所熟知，术语“钢材”是指硬度高、耐高温性能好、加工性能好、比重大的材料。术语“轻质合金”是指硬度低、重量轻(密度低于5.0g/cm3)的合金材料。两者所属的范畴均为本领域技术人员知悉。本发明对所述钢材和轻质合金的具体种类没有特别地限定，现有的各种钢材均可以用于成形为所述外管，且现有的各种轻质合金均可以用于成形为所述内管。从应用广泛性的角度考虑，所述钢材优选为不锈钢和/或碳钢，所述轻质合金优选为镁合金、铝合金和钛合金中的至少一种。
本发明对所述外管和内管的壁厚没有特别地限定，通常可以根据实际使用需要进行选择，例如，所述外管的壁厚可以为0.5-20mm，优选为0.5-10mm，更优选为0.5-5mm；所述内管的壁厚可以为1-20mm，优选为1-10mm，更优选为1-5mm。
所述复合管材可以为空心恒截面管材，也可以为空心变截面管材，还可以为部分空心恒截面管材与部分空心变截面管材的复合管材。当复合管材中存在空心变截面部分时，复合管材截面的变化可以根据实际使用需要进行设计，并可以在复合管材成形过程中通过模具的内部形状得以控制。此外，所述复合管材的横截面可以为现有的各种形状，例如，可以为圆形、方形、三角形以及其他不规则形状。对此本领域技术人员均能知悉，在此不作赘述。
本发明提供的复合管材的制造方法包括将内管坯置于外管坯之内，之后进行内高压成形；所述外管坯由钢材制成，所述内管坯由轻质合金制成。
如上所述，术语“钢材”是指硬度高、耐高温性能好、加工性能好、比重大的材料。术语“轻质合金”是指密度低、重量轻(密度低于5.0g/cm3)的合金材料。两者所属的范畴均为本领域技术人员知悉。本发明对所述钢材和轻质合金的具体种类没有特别地限定，现有的各种钢材均可以用于成形为所述外管坯，且现有的各种轻质合金均可以用于成形为所述内管坯。从应用广泛性的角度考虑，所述钢材优选为不锈钢和/或碳钢，所述轻质合金优选为镁合金和/或铝合金。
根据本发明提供的管材的制造方法，所述内高压成形的具体操作过程为本领域技术人员公知。根据本发明的一种具体实施方式，如图1和图2所示，所述内高压成形的方法包括将所述内管坯4和外管坯3叠加后的复合管坯放入模具2中，将模具2闭合，然后将所述复合管坯的两端部与滑动冲头1接触并密封，之后(通过管路5)往所述内管坯4中注入液体介质，通过控制所述滑动冲头1的轴向载荷以及所述液体介质的压力使所述复合管坯发生形变。所述复合管坯在由滑动冲头1提供的两端轴向载荷以及高压液体介质的共同作用下发生变形并最终贴合模具，由此得到所需几何形状的零部件。
本发明对所述液体介质的种类和压力没有特别地限定，只要能够使得内管坯和外管坯在该液体介质和由滑动冲头提供的两端轴向载荷的共同作用下均发生形变并最终贴合模具即可。例如，所述液体介质可以为高压水、液压油、乳化液等中的至少一种，从原料易得性以及环保的角度考虑，优选为高压水。所述液体介质的压力可以为0-500MPa，优选为50-400MPa，最优选为50-300MPa。在本发明中，所述压力均指表压。
根据本发明提供的管材的制造方法，所述内高压成形过程可以在常温下进行，也可以在高温下进行，优选在高温下进行，这是因为当所述内高压成形过程在高温下进行时，能够提高所述外管坯和内管坯的成形性能，从而获得复杂大形变复合管材。此外，所述高温可以由模具提供，也可以由液体介质提供，还可以由以上两者共同提供。根据本发明的一种优选实施方式，所述液体介质的温度为20-500℃，更优选为30-400℃，最优选为40-300℃；所述模具的温度为20-500℃，更优选为30-400℃，最优选为40-300℃。
本发明对所述内管坯和外管坯的大小没有特别地限定，只要能够将内管坯置于外管坯之内即可，所述内管坯和外管坯可以为紧密配合，即，两者之间没有空隙，外管坯的内部大小等于内管坯的外部大小；也可以为非紧密配合，即，两者之间存在一定空隙，外管坯的内部大小大于内管坯的外部大小。当所述内管坯和外管坯为紧密配合时，在内高压成形过程中，两种管坯同时变形；当所述内管坯和外管坯为非紧密配合时，在内高压成形过程中，内管坯先发生变形，之后与外管坯接触，接着两者再同时变形。
本发明对所述外管坯和内管坯的壁厚均没有特别地限定，通常可以根据实际使用需要进行选择，例如，所述外管坯的壁厚可以为0.5-20mm，优选为0.5-10mm，更优选为0.5-5mm；所述内管坯的壁厚可以为1-20mm，优选为1-10mm，更优选为1-5mm。
本发明还提供了由上述方法制造得到的复合管材。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
该实施例用于说明本发明提供的复合管材及其制造方法。
外管坯3，不锈钢管坯，外径为35mm，厚度为1mm，密度为7.93g/cm3；
内管坯4，铝合金管坯，外径为32.9mm，厚度为2mm，密度为2.90g/cm3。
如图1所示，将内管坯4置于外管坯3中，叠加后的复合管坯放入模具(温度为120℃)中，将模具闭合，复合管坯的两端部与连接有管路5的滑动冲头1采用高压密封，接着通过管路5向复合管坯的内管坯4中注入压力为50MPa、温度为80℃的高压水。通过控制滑动冲头1的轴向载荷为20MPa以及高压水的压力为50MPa，使复合管坯产生形变，最终制造出结构完整的铝/钢复合管材G1，密度为4.74g/cm3，其包括紧密配合的内管和外管，外管的壁厚为0.9mm，内管的壁厚为1.8mm。经GB/T244-1997金属管弯曲试验方法测定，该铝/钢复合管材G1的最大抗弯曲力为10.8KN。
实施例2
该实施例用于说明本发明提供的复合管材及其制造方法。
外管坯3，不锈钢管坯，外径为35mm，厚度为1mm，密度为7.93g/cm3；
内管坯4，镁合金管坯，外径为32.9mm，厚度为2mm，密度为1.78g/cm3。
如图1所示，将内管坯4置于外管坯3中，叠加后的复合管坯放入模具(温度为120℃)中，将模具闭合，复合管坯的两端部与连接有管路5的滑动冲头1采用高压密封，接着通过管路5向复合管坯的内管坯4中注入压力为80MPa、温度为40℃的高压水。通过控制滑动冲头1的轴向载荷为20MPa以及高压水的压力为80MPa，使复合管坯产生形变，最终制造出结构完整的镁/钢复合管材G2，密度为3.96g/cm3，其包括紧密配合的内管和外管，外管的壁厚为0.9mm，内管的壁厚为1.8mm。经GB/T244-1997金属管弯曲试验方法测定，该镁/钢复合管材G2的最大抗弯曲力为9.21KN。
实施例3
该实施例用于说明本发明提供的复合管材及其制造方法。
外管坯3，碳钢管坯，外径为35mm，厚度为1mm，密度为7.85g/cm3；
内管坯4，钛合金管坯，外径为32.9mm，厚度为2mm，密度为4.51g/cm3。
如图1所示，将内管坯4置于外管坯3中，叠加后的复合管坯放入模具(温度为100℃)中，将模具闭合，复合管坯的两端部与连接有管路5的滑动冲头1采用高压密封，接着通过管路5向复合管坯的内管坯4中注入压力为150MPa、温度为60℃的高压水。通过控制滑动冲头1的轴向载荷为20MPa以及高压水的压力为150MPa，使复合管坯产生形变，最终制造出结构完整的复合管材G3，密度为5.69g/cm3，其包括紧密配合的内管和外管，外管的壁厚为0.9mm，内管的壁厚为1.8mm。经GB/T244-1997金属管弯曲试验方法测定，该复合管材G3的最大抗弯曲力为34.5KN。
实施例4
该实施例用于说明本发明提供的复合管材及其制造方法。
按照实施例1的方法制备复合管材，不同的是，模具和高压液体介质的温度均为20℃，得到结构完整的铝/钢复合管材G4，密度为4.74g/cm3，经GB/T244-1997金属管弯曲试验方法测定，该铝/钢复合管材G4的最大抗弯曲力为10.5KN。
对比例1
该对比例用于说明参比的管材及其制造方法。
按照实施例1的方法制备管材，不同的是，仅将外管坯进行内高压成形。具体步骤如下：
外管坯，不锈钢管坯，外径为35mm，厚度为1mm，密度为7.93g/cm3。
将外管坯放入模具(温度为120℃)中，将模具闭合，外管坯的两端部与连接有管路的滑动冲头采用高压密封，接着通过管路向外管坯中注入压力为50MPa、温度为80℃的高压水。通过控制滑动冲头的轴向载荷为20MPa以及高压水的压力为50MPa，使外管坯产生形变，得到参比管材DG1，其结构完整，密度为7.93g/cm3，厚度为0.9mm。经GB/T244-1997金属管弯曲试验方法测定，该参比管材DG1的最大抗弯曲力为6.55KN。
对比例2
该对比例用于说明参比的管材及其制造方法。
按照实施例2的方法制备管材，不同的是，仅将内管坯进行内高压成形。具体步骤如下：
内管坯，镁合金管坯，外径为32.9mm，厚度为2mm，密度为1.78g/cm3。
将内管坯放入模具(温度为120℃)中，将模具闭合，内管坯的两端部与连接有管路的滑动冲头采用高压密封，接着通过管路向内管坯中注入压力为80MPa、温度为40℃的高压水。通过控制滑动冲头的轴向载荷为20MPa以及高压水的压力为80MPa，使内管坯产生形变，得到参比管材DG2，其结构不完整，在成形过程中发生破裂，密度为1.78g/cm3。
对比例3
该对比例用于说明参比的复合管材及其制造方法。
按照实施例2的方法制备复合管材，不同的是，将内管坯和外管坯的材质互换，得到参比复合管坯DG3，其结构不完整，在成形过程中发生破裂，密度为5.75g/cm3。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种复合管材，其特征在于，所述复合管材包括紧密配合的内管和外管，所述外管由钢材制成，所述内管由轻质合金制成，且所述外管和内管之间不包括粘结剂。
2.根据权利要求1所述的复合管材，其中，所述钢材为不锈钢和/或碳钢；所述轻质合金选自镁合金、铝合金和钛合金中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的复合管材，其中，所述外管的壁厚为0.5-20mm，所述内管的壁厚为1-20mm。
4.一种复合管材的制造方法，其特征在于，该方法包括将内管坯置于外管坯之内，之后进行内高压成形；所述外管坯由钢材制成，所述内管坯由轻质合金制成。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其中，所述钢材为不锈钢和/或碳钢；所述轻质合金选自镁合金、铝合金和钛合金中的至少一种。
6.根据权利要求4或5所述的制造方法，其中，所述内高压成形的方法包括将所述内管坯和外管坯叠加后的复合管坯放入模具中，将模具闭合，然后将所述复合管坯的两端部与滑动冲头接触并密封，之后往所述内管坯中注入液体介质，通过控制所述滑动冲头的轴向载荷以及所述液体介质的压力使所述复合管坯发生形变。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其中，所述液体介质的压力为0-500MPa，优选为50-400MPa，最优选为50-300MPa。
8.根据权利要求6所述的制造方法，其中，所述液体介质和模具的温度各自独立地为20-500℃，优选各自独立地为30-400℃，更优选各自独立地为40-300℃。
9.根据权利要求4或5所述的制造方法，其中，所述外管坯的壁厚为0.5-20mm，所述内管坯的壁厚为1-20mm。
10.由权利要求4-9中任意一项所述的方法制造得到的复合管材。
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