双贵金属（精选8篇）
双贵金属 篇1
摘要：介绍了热双金属材料的主要性能、分类及应用, 提出了热双金属应用的注意事项。
关键词：热双金属,性能,应用
前言
热双金属材料广泛应用于一般工业 (恒温装置、限流器、蒸汽温度调节等) 、汽车 (汽化控制器、香烟点火器等) 、建筑 (暖气、冷气设备) 、家庭 (取暖用放热器、熨斗、吹风机) 、电器工业 (热继电器、低压空气断路器等) , 成了当代工业生产不可缺少的一种材料。由于低压电器工业使用这种材料已相当普遍, 因此有必要对热双金属材料的性能, 选用原则和元件生产时应注意事项有一个了解。
1 热双金属的主要性能和参数
所谓热双金属是指热膨胀系数有很大差异的两种金属接合在一起压延成片材或条材, 具有因温度变化而发生弯曲的性能, 其结构简单, 比弯曲系数热 (灵敏度或热敏感度) 和弹力输出多种多样, 因而获得广泛的应用。
热双金属在应用上要考虑下列8个特性:
a.与温度的变化相对应, 双金属片要有较大比弯曲系数K, 它表示单位厚度的热双金属片, 温度变化1℃时曲率变化的一半值。
b.获得较大的比弯曲系数时其对应的温度范围更大。
c.弹性衡量 (又称弹性强度) 要高, 弹性衡量与热双金属元件受热产生的推力、转矩和内应力有密切的关系。
d.可以进行弯曲等成型加工。
e.虽经长期使用, 其热敏感度不变。
f.有适当的电阻值 (通常, 元件用来直接加热或复式 (合) 加热时要求它的电阻值) 。
g.二层 (或多层) 金属经压延后的接合力要大, 不许有剥离现象的产生。
h.耐腐性能好。
以下就其主要特性作适当的阐述:
1.1 比弯曲系数 (热敏感度)
对于多数低压电器产品采用的悬臂梁式双金属感温元件来说, 元件受热后的位移D,
式中△T——元件通电受热后的温升
L——元件的有效长度
t——元件的厚度
K——元件材料的比弯曲系数
由式 (1) 可知位移D与K成正比, K越大, D也越大。
一般热双金属片的低膨胀系数的金属, 常采用36%Ni-Fe合金 (因瓦合金) , 是因为在所有合金中, 其膨胀系数最小。但由于她从200℃起膨胀系数要增大, 一旦超过200℃, 两层金属膨胀系数之差 (a2-a1) 要变小。故它不适用于高温 (高温时低膨胀金属应采用42%Ni-Fe, 可使用于350℃的环境) 。
要消除一种误解, 并不是所有的电器产品设计时都要采用最高K值的材料。大体上讲, 现有的双金属材料, K值的范围有7.5至20.5 (×10ˉ/℃) , 而12~15 (×10ˉ/℃) 者居多, 设计者应根据开关电器的实际情况来选择。
1.2 弹性衡量及加工性能
弹性衡量是指金属在其弹性范围内, 其应力与相应的应变之比。弹性衡量是双金属元件的一重要指标。受热体双金属元件产生的热推力,
式中P——热推力
b——热双金属元件的宽度
E——热双金属的弹性衡量
由式 (2) 可知, 热双金属元件产生的热推力与弹性衡量成正比, 但是这个关系仅局限于在双金属的弹性范围内使用, 因位移小而力的输出大, 所以对弹性衡量大的热金属, 如要使它能在大的外力下动作, 必须提高双金属的屈服强度 (极限应力) 。但对需要塑性加工的双金属来说, 其性能就恶化了, 因而弯曲成型加工量大的双金属必须精选有适当屈服强度和塑性加工性能的材料。另外, 双金属在使用时, 随着温度的上升会引起屈服强度下降, 这是需要避免的, 既注意避免在双金属元件上施加超越容许应力的外力 (包括热应力、外加机械应力以及残余的内应力三者叠加后的应力)
1.3 弯曲的稳定性
双金属元件经长期使用, 其弯曲特性 (受热变形, 冷却恢复原状) 不变是极其重要的。为此, 双金属元件的时效 (也称经时) 变化小及其重要在其上施加与其屈服强度接近的过大应力, 这些都是设计产品时应注意的。
为了防时效变化, 最好在压力加工等所有塑性加工完成后, 在高于热双金属使用温度的温度下进行热处理, 把残余应力消除掉。
1.4 电阻
在热双金属元件上直接通以电流, 使其自身发热而进行动作的直热式和复合加热式 (双金属元件与发热电阻元件串联通电) , 电阻值是很重要的参数。设计感温元件时, 用小电流动作的, 必须选用5J20110 (5J11) 那样的高电阻率材料。电阻型热双金属材料除了正常的高、低膨胀面外, 两层之间还有中间层 (分流层) , 它们是纯镍或锆铜 (CuZr) 。如5J1417 (R15) , 其中间层是锆铜, 其厚度为总厚度的10.56%左右;而5J1430 (R30) , 中间层为纯镍厚度为总厚度热双金属的21.20%, 这些中间层的设置 (金属类别的厚度大小) 是为了调整电阻率的。这三金属的电阻型热双金属元件热处理池要注意, 如果温度过高, 则其电阻值变化很大, 例如5J1417, 厚度为1.5mm, 当热处理温度放在800~1000℃, 历时一小时, 电阻率要高一倍 (中间层厚度越小变化越大) , 如果是实施低温 (约在280~300℃下) 热处理, 则不必担心电阻变化。
1.5 接合强度
使用热双金属材料作感温元件有一个最大的担心问题, 即两种 (或三种) 金属可能出现剥离现象, 为此, 双金属材料进厂时进行相互剥离力和扭转试验。材料的相互剥离力应大于10N/mm, 扭转试验至少要做两次。
1.6 耐腐蚀性
热双金属各组元件材料大部分是铁镍、铁镍铬和铁镍锰合金。在大气条件下会发生腐蚀生锈。最常用的5J20110 (5J11) 锈蚀程度最严重 (这是因为它的主动层是Mn75Ni15Cu10, 含锰量高达75%, 锰是极易受蚀的金属) , 使用户感到头痛。
为解决这个问题, 采用在双金属片 (带) 材上电镀;在双金属的两侧面包复层 (用耐腐蚀合金) 与高、低膨胀合金一起构成耐腐蚀性的热双金属。
2 热双金属的分类及应用
根据热双金属本身的特性及其应用范围, 可按如下分类:
通用型——适用于多种用途的品种, 它有较高的热敏感性能 (较大的比弯曲系数) 和机械强度以及中等使用温度范围。
高温型——适用于300℃以上温度工作。要求有较高的机械强度和良好的抗氧化性能, 但热敏感性较低。
低温型——适用于0℃以下温度。性能要求与通用型相近。最低温度可达-80℃。
高灵敏度型——具有很高的比弯曲系数 (K值) 、高电阻率等特性, 但腐蚀性能很差。
电阻型——这种类型中电阻率有多种、多样, 而其性能 (如比弯曲系数) 基本相同。适用于小型化微型断路器。
特殊型——具有各种特殊性能。
耐腐蚀型——采用电镀、复耐蚀金属方法使双金属元件具有较好的耐腐蚀性能。
3 双金属设计和使用时应注意的其他参数使用温度范围
3.1 线性温度范围
在此范围内, 热双金属元件受热产生的位移与温度基本上呈线性关系。其范围大小取决于组合层材料性能, 特别是膨胀性能;在线性温度范围内, 热双金属具有最大的热敏感性能。
3.2 允许使用温度范围
热应力 (即单纯由于加热产生的应力) 达到热双金属弹性极限时的温度, 是允许使用温度范围的上限, 下限的温度与材料的低温相变点等因素有关。允许使用温度范围内, 材料的热敏感性能有所降低。
4 热双金属元件成型时应注意的事项
4.1 冲剪、弯折和固定
4.1.1 热双金属应沿着众向 (即片材轧制方向) 落料。
横向落料其热敏感性要降低1~3%, 承受弯曲负荷的能力也比沿众相落料的元件约低10%。
4.1.2 冲裁后的元件, 其边缘应无毛刺, 否则会降低热敏感度。
对于碟形元件, 毛刺严重时会丧失动作性能。
4.1.3元件设计时应尽量避免过小的弯曲半径, 否则元件的弯曲表面会出现裂纹。
比众向落料的元件更容易折断。材质越硬, 越易折断, 如果对弯曲 (折) 性能的要求, 则可以提高材料的稳定化处理温度, 或在冲制前就进行稳定处理和改善弯折性能。但其机械强度和热敏感性能, 承受负荷和高温的能力有所下降。
4.2. 热双金属元件的热处理
热双金属元件在加工和装配过程中, 各道工序 (如轧制、校直、冲剪、弯、钻、铆、焊等) 都会在元件中产生残余应力, 造成性能不稳定。因此使用前应消除这些应力, 即要进行热处理。热处理的温度一般比其使用温度高50℃ (最高可达100℃) , 保温时间约1~2h。对较厚的平板形元件的保温时间长一些, 反复处理的次数可少一些。而对变形、体积小、厚度薄的元件, 热处理的温度不宜太高, 保温时间不宜太长, 而反复处理的次数可增多一些。精确度要求高、动作频繁的元件, 宁可增多热处理次数, 也不宜采取较高温度和延长保温时间处理。对于经常工作在0℃以下的元件, 还要增加冷处理工序 (在-25℃至-40℃, 保持1~2h) 。
4.3. 防腐蚀处理
为了防止腐蚀, 在双金属元件表面镀镍、铬等金属, 经此电镀后元件表面较硬, 有利于高温下的表面保护, 耐蚀性能也较好, 但是电阻值会有所变化, 热敏感性能也要降低, 镀层越厚, 降低越多。
双贵金属 篇2
一.市场调查现状：
金属选矿用大型湿式自磨机、球磨机、棒磨机衬板，使用工况十分恶劣，不仅要承受严重的高能量冲击磨料磨损，还伴随着不同程度的电化学腐蚀、硫腐蚀、酸性或碱性腐蚀。高锰钢衬板耐磨耐蚀性差，而且屈服强度低，容易在冲击碾压作用下过度变形，难以拆卸。中碳中合金钢衬板（C-0.5-0.7%, Si<1.0%，Mn-0.4-0.8%，Cr-1.5-3.0%, Mo-0.5-1.0%，Cu-0.3-0.5%，Ni-0.2-1.0%）为马氏体基体，耐蚀性一般，虽然硬度较高HRC40-55（干磨表现出较高的耐磨性，湿磨腐蚀磨损则较快），但最大弱点是冲击韧性较低（ak=10J左右），极易脆性断裂，安全性担忧。
故此无论是高锰钢还是中碳中合金钢衬板，在大型湿式磨机中的使用寿命均不超过三个月（进口衬板例外）。当然，衬板的短期报废实属无奈，不仅拆装更换频繁、耗时耗力、严重影响生产，而且给企业造成巨大的采购支出和成本增加。
二.解决问题的办法：
针对上述市场调查现状，我公司与清华大学材料科学与工程系及钢铁研究院结构材料研究所长期合作研制成功了新型ZM-8A-4超级加工硬化耐磨钢。此钢种具有优良的耐腐蚀、耐磨损、耐冲击综合性能，为国内首创，及时地解决了大型湿式磨机衬板使用寿命较短的难题。
三.新材料、新工艺耐蚀、耐磨、耐冲击机理分析
高锰钢为至今已使用一百余年的传统耐磨材料，具有极高的冲击韧性（ak>100J）；高铬铸铁是世界上公认的优良耐磨材料，但冲击韧性极低（ak2-7J），稍一撞击即断。ZM-8A-4是在传统高锰钢和高铬铸铁的基础上加以改进提高，通过特殊热处理而得到多元复相组织：奥氏体+马氏体+共晶碳化物（M7C3），属于亚稳定奥氏体向马氏体转变组织（α+ε）。主要化学成分：C≥1.0%，Cr-18.0-26.0%, Mo≤4.0%,（这是保证高耐蚀性和形成高硬度的碳化物Cr7C3、Mo2C所必须的Cr、Mo含量）,Mn≥2.0%, Si≤0.5%,适量添加强碳化物硬质点形成并弥散分布元素和强耐蚀元素W、Ni、Nb、V、Ti、Zr、Cu、B、稀土等，采用自有专利技术——融熔复合双金属衬板铸造工艺，使得其既具有高铬铸铁的高耐磨性（ZM-8A-4热处理硬度HRC55-65），又具有高锰钢的高冲击韧性（非工作面低合金钢ak≥50J，工作面ZM-8A-4 ak≥7-20J,整体冲击ak30-60J），不易断裂，安全可靠。
ZM-8A-4的另一显著特点是其加工硬化速率是高锰钢的2-3倍，可由起始硬度HRC45-52(铸态)迅速提高到冲击后的HRC56-62，即在工作过程中硬度不断升高而耐磨性增强。四.结论：
ZM-8A-4复合双金属衬板在大型湿式磨机中可大幅延长使用寿命，相对于目前的2-3个月提高到6-8个月或一年以上，为高锰钢或中碳中合金钢的3-5倍，价格为中碳中合金钢的1.5-2倍。值得有责任心之有识之士重视和推广应用，必将为企业直接赢得可观的经济效益和社会效益。
江苏首尔特种合金有限公司
高级工程师：杨继坤
双金属复合板、带的研制 篇3
低成本、高性能金属复合材料加工成型技术属于国家重点支持的高新技术领域, 符合国家节约能源和建筑材料节能型的相关政策。本项目选用的铜、不锈钢、铝、镀锌钢都属于金属材料, 通过温度和压力将两种性质不同的金属以粘结剂结合在一起的新型金属复合材料。它可以按设计要求充分发挥每个组元材料的性能特长、实现各组元材料资源的最优配置, 并以其高强度、耐磨、防腐蚀等力学、物理、化学等工程综合性能来满足现代工业对材料多种性能的要求, 从而实现单一金属不能满足的性能要求。
由于不同的建筑材料所要求的性能各不相同, 随着建筑业的快速发展以及复合材料加工工艺的改善, 市场对高品质、高性能建筑材料的需求处于持续增长状态。在众多建材中, 金属材料是性能高、品质好的代表。无论是从成本还是性能来说, 双金属复合板、带都优于单一金属。因此, 开发出性价比高、轻巧实用的金属复合板、带成为一个迎合市场需求的迫切课题。
2 双金属复合板、带研制的技术原理
2.1 技术关键和难点
1) 复合金属原材料的选择
针对异质金属材料具有不同的物理力学性能, 保证复合产品在加工和使用过程中的各种要求, 必须对所采用的面、底金属材料从金相组织、处理状态、力学性能等各个方面, 筛选出面、底匹配的材料, 以达到平整的板面及良好的加工性能。
2) 确定最佳的连续贴膜热复合工艺条件。
热复合工艺是使金属复合板成形的技术关键。连续贴膜热复合工艺通常是将两种金属板加粘结剂 (一般采用的是膜状粘结剂) 在适当的温度下, 加压复合而成。
但现有的贴膜热复合加工工艺在实际生产中具有以下明显的缺陷:
(1) 成品率低;由于长期以来未解决粘结材料和粘结标准等复合条件, 现有技术中的热复合加工工艺技术稳定性较差, 不合格产品较多, 难以有效降低生产成本;
(2) 采用现有的热复合工艺获得的金属复合板粘结强度较差, 平整度不良, 制得的产品使用周期短, 在使用后的不长时间里便开裂而无法使用。
因此, 利用不同金属材料复合的原理, 从温度、压力、速度、张力、冷却和裁剪等诸多因素中确定要素数据, 有效地控制了复合工艺过程中的温度、压力等技术参数的范围, 优选确定出了最佳的连续贴膜热复合工艺条件。特别是, 通过分别控制不同金属材质层的温度和压力, 大大提高了复合工艺的可操作性和技术稳定性, 有效解决了金属板材的粘结强度和金属复合板的平整度问题。
根据不同金属板材的特性所确定的最佳连续贴膜热复合工艺条件, 使得该热复合工艺技术稳定性好, 制得的复合板粘接强度高、平整度好, 成品率高, 可实现高效连续生产, 极大地降低了生产成本, 提高了生产效率。
3) 根据不同的金属材质, 制定了一套高分子粘结材料的优选标准。
为了加工工艺的可推广性和标准化, 根据不同的金属材质, 制定了一套高分子粘结材料的优选标准, 并在此优选标准的指导下进行试验, 试制与各种不同金属有良好粘结性能的高分子粘结材料, 同时确定最优的胶料配比, 使得金属复合后达到最佳的粘结强度, 增强金属复合板的剥离强度和粘结的稳定性。
2.2 技术原理与工艺路线的选择
突破以往的加工工艺技术, 通过分析不同金属的金相组织和加工特性, 选择出与产品特性相符的面、底匹配金属材料, 从而将双金属复合板、带引入连续热复合板生产领域。本项目通过对各种金属材料的材质、状态及厚度要素分析, 用高强度粘接材料膜复合粘接, 研制出了具有金属本色、装饰性好、耐腐蚀性高、平整度高、强度高的新型复合板材, 最大限度的发挥了金属复合材料性能优势。产品上层采用铜板或不锈钢板、涂层铝板, 下层采用铝板或镀锌钢板, 中间以高强度的粘结膜复合压制而成, 结构详见图1。其优点在于, 在确保相同强度情况下, 可以替代单铜板、单不锈钢板和单铝板, 不仅保持金属装饰的原有特点, 可以节省大量贵金属, 而且材料表面更平整, 加工更方便。
连续热贴复合工艺是双金属复合板、带成形的关键工艺, 其作用是使面板和底板与高分子膜在连续高温、高压的作用下牢固地粘合, 形成平整的板面。复合工艺流程见图2。
3 双金属复合板、带的研制
3.1 研制的工艺流程
本项目首次将连续贴膜热压复合工艺应用于双金属复合, 从铜板、不锈钢板、铝板、镀锌钢板等中任意选取不同两种金属, 通过胶膜复合, 进行热压预复合、热压复合、风冷定型、机械整平、检验、卷取 (裁切) , 最后形成成品, 工艺流程图见图3。
利用不同金属材料复合的原理, 从温度、压力、速度、张力、冷却和裁剪等诸多因素中确定因素水平, 有效地控制了复合工艺过程中的温度、压力等技术参数的范围, 优选确定出了最佳的连续贴膜热复合工艺条件。特别是, 通过分别控制不同金属材质层的温度和压力, 大大提高了复合工艺的可操作性和技术稳定性, 有效解决了金属板材的粘结强度和金属复合板的平整度问题。根据不同金属板材的特性确定了最佳连续贴膜热复合工艺条件, 该热复合工艺技术稳定性好, 制得的复合板粘接强度高、平整度好, 成品率高, 可实现高效连续生产, 极大地降低了生产成本, 提高了生产效率。双金属复合板、带产品见图4。
3.2 双金属板、带主要技术性能指标
双金属板、带的力学性能指标均远高于幕墙用铝塑复合板指标, 详见表1 (铜铝双金属复合板带以1.8㎜总厚/0.30㎜铜厚为例, 不锈钢铝双金属复合板以1.8㎜总厚/0.30㎜不锈钢厚为例, 铝钢双金属复合板以1.3㎜总厚/0.50㎜铝厚为例) :
3.3 双金属板、带的先进性
铜单板、不锈钢单板、铝单板成本高、重量大、耗材多, 单一金属作为建材很难大规模推广使用, 因此, 突破以往的加工工艺技术, 利用改良的自有专利技术, 首次将铜板、不锈钢板引入连续热复合板领域, 本项目生产的新型复合板、带, 装饰性好、性价比高、平整度好, 最大限度的发挥了金属复合材料性能优势。根据中科院上海科技查新咨询中心的查新结果, 在确定的连续贴膜热复合工艺条件下进行的双金属复合, 项目具有新颖性和应用性, 该综合技术已达到国内领先, 国际先进水平。
双金属复合板、带是一类品种较多、用途较广的金属复合材料。它用作代替铜材、不锈钢材、铝材或作为具有特殊综合性能的复合材料, 广泛地应用于幕墙、电梯、房间隔断、车厢、广告展览、门窗、橱柜和室内外的装饰装修等。利用热复合加工工艺生产的双金属复合板、带, 不仅具备板型平整、质地轻巧、强度高、使用寿命长的优点, 而且完全保留了金属板材的时尚装饰效果。随着城市的发展和生活水平的提高, 人们对建筑复合板材性能和装饰效果的要求正逐渐提高, 如今双金属复合板、带的出现正好可以满足人们对具有不同金属性能, 且装饰、装潢效果好的金属复合板材的需求, 因此具有广阔的市场空间。
就双金属复合板、带较之单金属板、带来看, 其性能优势见表2、表3。
以上产品从金属原料用量来分析, 每平方米双金属板、带最多使用3.7kg材料, 而单铜板用量为14.7kg, 单不锈钢板为12.1kg从而节约了大量的金属材料。
此外, 用于双金属板可部分采用较为廉价的铝板或其他金属, 从而使得单位面积的金属原料成本更低。双金属板每平方米原料成本比单金属板分别节约40-60%, 从而在价格上双金属复合板、带具有很高的竞争优势。
3.4 双金属板带的特点
本项目研制的双金属板、带具有以下特点:
1) 强度高;2) 质量轻;3) 表面平整度高;4) 加工性能好;5) 性价比高。
4 结语
1) 本项目确定了双金属复合板、带最佳的生产工艺流程和参数, 并能进行批量生产。
2) 双金属板、带的各项性能指标, 均能符合设计要求, 力学性能指标均高于国家标准GB/T17748-2008《幕墙用铝塑复合板》的指标要求。
3) 双金属复合板、带的研制成功, 充分响应了国家制订的节约能源和建筑材料节能型的相关政策, 节约大量宝贵的铜材和不锈钢材, 同时还可以使高档装饰材料能够得到普及应用。
参考文献
[1]GB/T17748-2008
双金属复合管的制造技术浅析 篇4
1 金属复合管的制造方法
1.1 塑性复合成形
塑性复合成形是利用管材的局部或整体塑性变形来实现内管与外管之间紧密结合的复合工艺。目前, 国内外双金属复合管复合大部分都采用该技术。以内覆管 (基材在外, 覆材在内) 为例, 其塑性复合过程可以分为以下三个连续过程:
1) 内管变形阶段
开始时内层管与外层管之间存在间隙, 当内管内壁施加加载压力后, 内管管壁产生径向膨胀, 直到内管外表面与外管内表面刚好接触, 间隙消除, 此时还未产生接触压力。
2) 复合阶段
随着加载压力的继续增加, 开始了对外管的加载过程。外管首先出现弹性扩张, 直到外管内表面满足屈服条件后, 外管出现部分塑性扩张。随着加载压力不断加大, 外管中的塑性区不断扩展, 直到达到最大加载压力。
3) 卸载阶段
加载压力从最大逐渐减少至零, 这时内管与外管均处于卸载状态。由于第二阶段中产生了塑性变形, 当加载压力完全消除后, 内外管之间仍然接触, 产生残余接触压力。
在塑性复合过程中, 内管完全发生了塑性变形, 外管则处于弹性变形状态或部分塑性变形状态, 在卸载时由于外管的回弹量大于内管的回弹量, 外管箍紧内管, 两管之间形成胀紧力, 即残余接触压力, 达到紧密的机械结合;残余接触压力的大小取决于材料的回弹能力。如果在高温条件下, 则在复合阶段管层间塑性变形量越大, 越易在结合界面发生扩散反应, 达到界面冶金结合。
按塑性复合成形所处的状态不同, 可分为冷成形法和热成形法。
1) 冷成形法
冷成形制造工艺的基本特征是在常温下, 将预加工好的薄壁不锈钢管套入碳钢管中, 然后通过机械方法使不锈钢管紧紧贴合在碳钢内壁上, 采用拉拔、胀接、旋压和滚压等方法使不锈钢管紧紧贴合在碳钢内壁上, 其中拉拔和胀接最为常用。
拉拔是取两根分别制成的无缝钢管, 将一根套在另一根外面, 然后将两管通过一模具同时进行拉拔, 从而实现紧配合的机械结合。这种管的优点是生产工艺比较简单, 价格较便宜, 缺点是界面非扩散结合, 只是依靠对外层进行的冷加工来获得紧配合。因此冷加工复合管如果遭遇高温就有分层倾向, 复合管会因应力释放而失效, 这就限制了该冷加工管只能在较低温度的环境中使用。
胀接分机械胀接和液压胀接两种:机械胀接是目前生产不锈钢复合管的一种主要方法, 它是利用滚胀心轴回转挤压使复合管内管发生塑性变形, 外管发生弹性变形, 从而使复合管的外管对内管产生残余应力, 以达到复合管内外壁的紧密贴合。液压胀接原理与机械胀接相同, 只是用管内高压水施压代替滚胀心轴回转挤压。机械胀接时胀接力大小难以确定, 易发生欠胀或过胀, 且多次滚胀易造成衬里开裂。液压胀接时胀接力均匀且大小可进行计算, 液压胀形生产的复合管内管壁表面无擦伤和破坏现象, 也不出现加工更化现象, 因此更具优越性, 但液压胀形存在的一个技术难点是如何解决两端口液压的密封问题。两种胀接法的共同缺点是内外层只是机械结合, 和拉拔成型一样, 在高温环境下会因产生应力松弛而分层失效。
2) 热成形法
(1) 热轧和热挤压工艺
前者主要适用于有缝复合管的生产, 后者适用于无缝复合管的生产。轧制是一种传统的制备复合金属的方法, 热轧复合实质上属于压力焊, 如果变形量足够大, 轧辊施加的压力就会破坏金属表面的氧化膜, 使表面达到原子接触, 从而使两表面焊在一起, 质量好、成本低, 并可大量节省金属材料的损耗, 因此是目前应用极为广泛的复合材料生产技术。轧制结合经常应用于壁厚小的管材加工。轧制的缺点是一次性投资大, 而且很多材料组合不能通过轧制复合实现。目前应用最广泛的还是利用轧制工艺进行碳钢、不锈钢有缝复合管的制造。
热挤压 (如图2) 一般是针对双金属管坯进行的, 称复合挤压, 是目前生产不锈钢和高镍合金无缝复合管的最好方法。
复合挤压的优点是:界面为冶金结合;挤压过程中涉及的力完全是压应力, 因此特别适合于热加工性不好, 塑性低的高合金金属的加工。缺点是由于结合决定于挤压过程中极短时间内的元素界面扩散, 常会因氧化物膜的存在而受到影响, 因此目前复合挤压限于碳钢、不锈钢和高镍合金间的复合。
(2) 爆炸成形法
爆炸成形是依靠炸药爆炸产生连接金属所需的压力, 使两搭接表面实现固相焊接的方法。其过程是先把基管和覆管组装成紧密配合的复合管坯, 管内炸药爆炸的冲击波使内管发生塑性变形紧贴在外管上。爆炸成形法还可实现三种以上金属的复合。但是采用该法比较危险, 对精确计算炸药量需要相应的经验和验证工作。
(3) 电磁成形法
电磁成形工艺属于高能加工范畴, 它是利用瞬间的高压脉冲磁场迫使金属产生塑性变形。当高压直流电流对高压脉冲电容器充电, 电压达到隔离开关的临界击穿电压时, 隔离间隙被击穿, 电容器将储存的全部能量加在线圈上, 在几微秒内在线圈上通过很大的电流, 瞬间产生强脉冲磁场。放置在线圈外的管材金属就会感应反方向电流, 而产生的反向磁通阻止磁通穿过管材金属, 迫使磁力线密集在线圈和管材金属的间隙内, 密集的磁力线具有扩张的特性, 使管材金属表面各部份受到巨大的冲击压力, 在几微秒内就可与模具或另外一管材进行撞合, 在结合界面处产生塑性流动, 形成冶金结合。
电磁成形法效率高、安全, 可连接性质迥异的两种金属, 但限于其特殊工艺, 目前只适合用于加工强度低、导电性能好的材料, 如铜、铝等。
1.2 几种非塑性成形制备技术
以下几种制备技术采用铸造或者焊接的方法, 且能使金属复合管的界面形成冶金结合。
1) 离心铸造和离心铝热剂法
离心铸造是为适应海洋油气的生产而开发的, 适用于制造内衬金属熔点低于外层金属熔点的复合管。离心铸造后, 缓冷以避免由于热应力或相变引起的应力导致内衬开裂。离心铸造的优点是铸件结晶细密、铸造缺陷少, 机械性能好, 结合面牢固。缺点是铸出的内孔不准确, 内表面质量较差, 不过一般能满足普通管道的使用要求。
离心铝热剂法, 实质是在离心力场中引起铝热反应。可以利用它制备耐蚀耐磨涂层, 也可以对安全性要求苛刻的工程组件进行快速焊接。管道复合时, 先将金属铝粉和其它金属氧化物粉末混合均匀, 浇入管内, 然后将管子旋转, 在离心力作用下, 粉末如液体一样流动, 在整个内表面形成一均匀涂层。点燃后, 放热反应在几秒钟内就可达到焊接或堆敷的温度, 反应产生的过热熔化金属温度很高, 可达到2500℃~2960℃, 与基底接触的涂层熔化, 这些涂层与管基体接合形成冶金结合的堆敷层。
2) 消失模真空吸铸法
这种工艺是用钢管作外套管, 用聚苯乙烯泡沫塑料制作内衬管的模型管。将制好的模型管放入外套管内, 在该模型管内壁刷上耐火涂料并烘干, 然后安装浇注系统, 最后将它们埋入砂型, 浇注耐磨材料, 即制成外套管为钢管、内衬管为耐磨材质的双金属管。用该工艺即可制造双金属管, 也可制造其它不同形状、不同管径及壁厚不相等的各种双金属管, 如双金属弯管、双金属三通管、四通管及异形管等。
3) 中频感应加热钎焊法
这种工艺为对基管和衬管表面进行清洁处理, 在衬管外表面涂附钎料, 把衬管与基管套装在一起后进行冷拔复合, 使基管与衬管界面间获得一个适合于钎焊的毛细间隙, 且使基管内表面与衬管外表面涂附的钎料紧密贴合, 然后把冷拉拔复合后的复合管坯放在中频感应加热钎焊装置中进行钎焊, 需要时可对焊后复合管进行后续热处理。
这种技术克服了双金属复合管层间存在大量导致结合不牢固的间隙, 在基管与衬管间形成一层钎焊, 填满层间间隙, 使二者形成100%的冶金结合。
4) 堆焊成型法
堆焊是较早使用的制作复合金属的方法, 它是用熔焊、钎焊、热喷涂、喷熔等方法, 在工件表面堆敷一层具有特定性能材料的工艺过程。堆焊包括硬质堆焊和金属喷涂, 前者指利用熔化技术使金属表面熔敷上另外一层金属, 后者则是将微细的金属颗粒沉积到金属表面。利用堆焊制备复合金属可以采用许多工艺方法, 但各种熔焊方法在堆焊工作中占的比例最大, 狭义上的堆焊即指熔化焊方法堆焊。
堆焊制造复合管, 其主要缺点是:大面积堆敷时成本太高可生产的材料组合仅限于熔化焊下具有相容性的材料之间, 例如, 不能复合两种熔点相差太大的材料, 也不能复合焊接时产生脆性金属间化合物的材料。堆焊常用于不锈钢与碳钢的复合。
1.3 各种加工方法的比较
塑性成形技术和非塑性成形技术在金属复合管的制造中都有应用。
但是由于非塑性成形技术如铸造 (离心技术法、消失模真空吸铸法) 和焊接 (中频感应加热钎焊法) 都需要专用设备, 工序复杂, 技术要求高, 生产成本高, 所以在金属复合管的制造中远远不如塑性成形技术应用广泛, 实践表明, 一些典型的塑性成形技术如轧制、挤压、滚压等, 在金属复合管的制造中具有很大的发展潜力和很好的发展前途。
塑性成形技术的冷成形制得的复合管界面为机械结合, 通常都是由基层材料或基覆层材料产生局部、少量的塑性变形来实现复合的。结合面局部有间隙, 界面间容易产生腐蚀, 因而结合强度较低, 在使用中可能会出现界面分离等现象。而且机械结合的制造方法一般都是冷成型, 界面非扩散结合, 因而制备的金属复合管只能用于常温条件, 在高温条件下会有分层倾向。但机械结合的制备工艺比较简单, 对设备的要求也比较低, 容易实现。故当金属复合管的应用环境比较好, 对界面结合强度要求比较低的情况下, 界面为机械结合的制造技术具有很好的应用价值。
塑性成形技术热加工得到的金属复合管界面为冶金结合。制造时一般都在较高温度下进行, 使基、覆层材料产生较大的塑性变形, 金属越过金属结合界面进行了扩散, 因此界面结合具有很高的结合强度, 能用于高温环境。界面为冶金结合的金属复合管以优良的综合性能使其得到了越来越广泛的应用, 社会需求量也越来超大, 故界面为冶金结合的金属复合管将成为未来复合管研究和制造主流。
另外在金属复合管的制造工艺中, 所采用的塑性成形技术使结合面的塑性变形量愈大, 愈容易形成高质量的冶金结合, 从而制造出具有高界面结合强度和优良综合性能的金属复合管。所以未来的金属复合管制造中, 将倾向于采用能产生大塑性变形量的塑性成形技术。
2 结语
总之, 金属复合管作为一种新型材料, 随着制造方法的不断创新和完善, 其使用前景必将更加宽广。
参考文献
双贵金属 篇5
随着内燃机的不断进步,双金属摩擦焊接气门的不断普及,摩擦焊接的质量的要求也越来越高,选择合理的摩擦焊接的工艺流程和合理摩擦焊接参数就显得特别重要。合理的摩擦焊接的工艺流程可以减少原材料的消耗,减少热处理的成本;合理摩擦焊接参数可以提高焊接处的强度,甚至可以大于基体的强度,从而提高气门的可靠性。本文分析了焊接前热处理和焊接后热处理的工艺的利弊,连续驱动摩擦焊的产热原理和热量的计算。
2 双金属摩擦焊气门的工艺流程
1、方案A
2、方案B
3、方案C
3 双金属摩擦焊气门的工艺方案分析
上三方案,对于热处理来说,实质上是两种方案,工艺方案A是先焊接后热处理,而工艺方案B和C是头、杆分别进行热处理后再焊接。现以4Cr9Si2与5Cr21Mn9Ni4N焊接气门进行分析。
1 先焊接后热处理工艺方案
此工艺方案的优点是节约能源、简化热处理工序。其难点在于恰当选择同时能保证不同材料使用性能的热处理工艺参数。因为5Cr21Mn9Ni4N固溶和时效温度比4Cr9Si2调质工艺中的淬火、回火温度高得多。所以,不能简单的选用5Cr21Mn9Ni4N或4Cr9Si2的热处理工艺参数。只能根据气门的使用要求、图纸的技术条件,同时兼顾头杆的性能来确定热处理工艺参数。实际上除了参照一些成熟的经验外,还应反复进行工艺性能试验,来选择合适的工艺参数。
1、焊接后消除应力处理工艺
焊接后的焊缝存在很大的应力,焊缝附近的4Cr9Si2段是淬火马氏体组织,硬而脆,不利于以后的校直工序。所以必须在焊接后及时采取消除应力的热处理。这种热处理工艺参数的选择要考虑两个方面:一是消除焊接应力;二是使4Cr9Si2段焊缝及其影响区的淬火马氏体转变回火索氏体,降低该区域的硬度,便于校直。
一般采用的消除应力处理的工艺为700℃保温90min空冷。
2、最终热处理
(1)淬火(固溶)温度的选择
对于钢厂供应的5Cr21Mn9Ni4N钢是不完全固溶状态,所以淬火温度主要考虑4Cr9Si2的淬火温度。温度过高将使4Cr9Si2的晶粒度粗大,室温性能下降,且不利于以后的杆端高频淬火。因而把加热温度定为1050℃。由于两种材料的传热系数不同,为使淬火时加热均匀,一般在装入淬火炉前,先在820℃进行预热。
(2)回火(时效)温度的选择
按5Cr21Mn9Ni4N时效温度,应在750℃最佳,但对于4Cr9Si2段,如果采用750℃回火,其机械性能将下降很多。为不使4Cr9Si2的性能下降,采用650℃回火。回火后的冷却,为防止4Cr9Si2的第二回火脆性,采用水冷。
(3)对于先焊接后热处理的较合适的工艺是:820℃预热15分钟+1050℃保温10分钟油淬+650℃保温90分钟水冷。
2 先热处理后焊接的工艺方案
对于5Cr21Mn9Ni4N和4Cr9Si2各自进行最佳的热处理,然后进行焊接,焊接后进行消除应力处理。
1、5Cr21Mn9Ni4N固溶—时效处理:试验得到适宜工艺参数1150℃～1190℃固溶加热保温0.5～1小时,水冷至室温,740℃～780℃时效10～14小时,时效后空冷。
2、4Cr9Si2调质处理:820℃预热14min+1050℃保温10min油冷+650℃保温90min水冷。
3、焊接后消除应力处理:先热处理后焊接,在焊缝区0.5mm左右范围内有明显的热影响区。此区对5Cr21Mn9Ni4N没有什么影响,只是晶粒度发生变形,而对于4Cr9Si2影响较大。由于摩擦焊接已达4Cr9Si2的淬火温度,随后空冷时转变为马氏体组织,硬度达到HRC56-59。因此焊接后必须进行消除应力处理。同时使热影响区的4Cr9Si2部分的淬火马氏体组织转变为回火索氏体。消除应力处理工艺参数650℃保温90min水冷。
通过上述工艺方案分析可看出,为了达到同时发挥两种材料的最佳性能值,各自先进行热处理再焊接的工艺方案比较合理,但有的钢厂的5Cr21Mn9Ni4N已经不完全固溶处理,性能已达到图纸技术要求,那么先焊接后热处理的工艺方案也是可行的。
4 双金属摩擦焊气门的连续驱动摩擦焊工艺
1、连续驱动摩擦焊原理
焊前,待焊接的一对工件中,一件夹持于旋转夹具,称为旋转工件,另一件夹持于移动夹具,称为移动工件。焊接时,旋转工件在电机驱动下开始高速旋转,移动工件在轴向力作用下逐步向旋转工件靠拢,两侧工件接触并压紧后,摩擦界面上一些微凸体首先发生粘接与剪切,并产生摩擦热。随着实际接触面积的不断增大,摩擦扭矩迅速升高,摩擦界面处温度也随之上升,摩擦界面逐渐被一层高温粘塑性金属所覆盖。此时,两侧工件的相对运动实际上已发生在这层粘塑性金属内部,产热机制已由初期的摩擦产热转变为粘塑性金属层内的塑性变形产热。在热激活作用下,这层粘塑性金属发生动态再结晶,使变形抗力降低,故摩擦扭矩升高到一定程度(前峰值扭矩)后逐渐降低。随着摩擦热量向两侧工件的传导,焊接面两侧温度亦逐渐升高,在轴向压力作用下,焊合区金属发生径向塑性流动,从而形成飞边,轴向缩短量逐渐增大。随摩擦时间延长,摩擦界面温度与摩擦扭矩基本恒定,温度分布区逐渐变宽,飞边逐渐增大,此阶段称之为准稳定摩擦阶段。在此阶段,摩擦压力与转速保持恒定。当摩擦焊接区的温度分布、变形达到一定程度后,开始刹车制动并使轴向力迅速升高到所设定的顶锻压力此时轴向缩短量急骤增大,并随着界面温度降低,摩擦压力增大,摩擦扭矩出现第二个峰值,即后峰值扭矩。在顶锻过程中及顶锻后保压过程中,焊合区金属通过相互扩散与再结晶,使两侧金属牢固焊接在一起,从而完成整个焊接过程。在整个焊接过程中,摩擦界面温度一般不会超过熔点,故摩擦焊是固态焊接。
2、连续驱动摩擦焊重要参数:
摩擦量F(加热量规格)
摩擦时间t1(时间规格)
摩擦压力P1——焊接时,在摩擦加热过程中,轴向给的压力;
顶锻压力P2——焊接时,在顶锻过程中,轴向给的压力;
刹车延时t2——焊接时,开始顶锻到开始刹车的时间间隔;
保压时间t3——焊接时,顶锻压力保持的时间;
3、气门的材料多是奥氏体和马氏体材料,两者属于变形抗力较大的高强材料,在焊接时宜采用先顶锻后刹车的工艺。
4、气门摩擦焊接时的热量计算:在焊接的过程中,产生热量的主要是周向摩擦力,其次是轴向的压力(摩擦压力P1);但前者远大于后者,摩擦力的大小主要取决于轴向压力。
f=μP1S=2πμP1∫undefinedrdr ①
Wf=fL ②
L=rwt ③
注:f摩擦力;Wf摩擦力做的功;ω角速度;
由①②③得undefined
由④得出摩擦力的功率undefined
轴向摩擦压力P1的功率P轴=πR2P1V台 ⑥;
V台工作台速度
由⑤⑥得出加热总功率P总=η(Pf+P轴)undefined
η效率;
由⑦知在η、μ、ω一定的前提下,P总主要和P1、R、V台有关;
由材料的所需能量公式Q=CMT差;C材料的比热,M质量,T差温度的差值;
在摩擦焊接的过程中,单位时间内的所需的能量为:
Q=(C马氏体ρ马氏体πR2V马氏体+C奥氏体ρ奥氏体πR2V奥氏体)T差
=πR2T差(C马氏体ρ马氏体V马氏体+C奥氏体ρ奥氏体V奥氏体) ⑧
V马氏体+V奥氏体=V台 ⑨
在摩擦焊的过程中,材料半径R一定,通过调节摩擦压力P1和工作台速度V台使在摩擦时间t1内⑦与⑧平衡是摩擦焊参数调节的关键。
5、刹车延时t2一般在0.1S～0.25S之间,直径大的刹车延时也就相应的长;保压时间t3越长越好,一般在2S～5S,直径大的保压时间也就相应的长。
5 摩擦焊接质量的检测
1、通过抗拉强度试验,通过强度值来反映焊接质量,如果参数调节到最佳,可以实现不从焊缝处断裂;
2、通过100%超声波探伤来检验焊接处的缺陷;
3、通过100%旋转弯曲试验来检验焊接处的质量。工件在旋转过程中,在垂直工件的方向上,一定的位置上,施加一定的力使工件发生弯曲,通过弯曲来检测焊接处的质量。
6 摩擦焊接处的微观组织的变化
通过连续驱动摩擦焊接的原理可知,工件经过摩擦过程后,在顶锻过程及顶锻后保压过程中,焊合区金属通过相互扩散与再结晶,使两侧金属牢固焊接在一起,从而完成整个焊接过程。焊合区金属通过相互扩散与再结晶,晶粒度发生明显变化,通过金相图片可以看出焊缝处晶粒度明显偏细(见图1)。
7 结论
1、不同摩擦焊接的工艺流程,摩擦焊接的参数不同;采取什么样的工艺流程要根据图纸的要求和原材料的状态而定。
2、通过计算和试验选择合理的摩擦焊接参数对焊接的质量有至关重要。
参考文献
双贵金属 篇6
关键词：垂直分布,金属管线,阴极保护,ANSYS
金属管线是油、气、水以及其他液态化学品输送的一种方便、快捷、有效的方式, 广泛应用于石油、化工、环保、冶金等行业, 但金属管线会发生严重的腐蚀, 给金属管线的运行安全造成极大地威胁, 愈来愈引起普遍的关注。覆盖涂层加阴极保护是土壤和水介质环境中金属管线最有效的腐蚀防护措施, 从而使阴极保护金属管线系统之间产生交互影响越来越大, 特别是埋地金属管线强制电流阴极保护系统之间交互影响。由于其交互影响的复杂性, 使得实验研究具有一定的困难。本文利用有限元分析软件ANSYS强大的电磁仿真功能, 模拟垂直分布双金属管线强制电流阴极保护系统之间的交互影响情况, 分析强制电流阴极保护系统之间交互影响规律, 为金属管线的强制阴极电流保护系统的设计、施工、维护提供一定的理论支持[1,2,3,4,5]。
1 ANSYS分析模型
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场、热场分析于一体的大型通用有限元分析软件, 广泛应用于石油化工、航空航天、机械制造、地矿冶金、国防军工等一般工业及科学研究[6]。
为全面研究垂直分布埋地双金属管线强制电流阴极保护交互影响, 首先应对埋地单金属管线 (无交互影响) 强制电流阴极保护情况进行ANSYS仿真分析, 因此本文分别建立埋地单金属管线模型和垂直分布埋地双金属管线模型。
在土壤中埋设单或垂直分布双金属管线, 但金属管线埋设于距地表距离2 m处, 垂直分布双金属管线分别埋设于距地表距离2 m (管线A) 和4 m (管线B) 处。金属管线直径均为300 mm、保护涂层厚度200 mm, 长度10 m, 模拟土壤环境为长、宽、高均为10 m的立方体区域。为简化计算, 将金属管线假设为实心圆柱体, 计算时分别考虑金属管线无覆盖涂层保护和覆盖涂层保护下的强制电流阴极保护交互影响情况。ANSYS分析模型如图1所示。
依据图1所示的分析模型, 建立ANSYS有限元分析模型:选取Solid231单元ANSYS电场分析单元;对金属管线、土壤和保护涂层设置电阻率和介电常数大小, 选取金属管线介电常数Permittivity为1×107、电阻率Resistivity为4×10-7 Ω·m, 选取土壤介电常数Permittivity为80, 电阻率Resistivity为50, 保护涂层Permittivity为6、电阻率Resistivity为3000 Ω·m[7,8]。在金属管线的一端施加10 V的电位, 另一端施加0 V的电位, 土壤立方体下表面模拟大地地下无限远处, 其电压约束值为0 V。
2 ANSYS仿真分析
2.1 单金属管线强制电流阴极保护仿真分析
无覆盖涂层保护单金属管线强制电流阴极保护ANSYS仿真分析云图如图2所示;覆盖涂层保护单金属管线强制电流阴极保护ANSYS仿真分析云图如图3所示。从图中可以看出, 无覆盖涂层保护和覆盖涂层保护下单金属管线强制电流阴极保护系统土壤电势云图、金属管线电势云图及其电流密度云图均具有相同的变化趋势。无覆盖涂层保护和覆盖涂层保护下单金属管线强制电流阴极保护系统土壤表面电势分布曲线、金属管线电势分布曲线及其电场强度分布曲线分别如图4、图5所示, 从图中可以看出, 无覆盖涂层保护单金属管线强制电流阴极保护系统的土壤表面电势、电场强度均比存在覆盖涂层保护时大很多, 说明无覆盖涂层保护时单金属管线强制电流阴极保护系统对周围环境的干涉效果较强, 为减小对环境的干涉作用, 应保证金属管线覆盖涂层的保护性能;而金属管线的电势、电场强度与有无覆盖涂层保护关系不大, 仿真分析结果相同, 估计是由于金属管线的电阻率远远小于土壤和覆盖涂层的电阻率, 电流不会发生偏流作用。
2.2 双金属管线单管强制电流阴极保护仿真分析
土壤环境中平行分布的双金属管线, 其中管线A施加强制电流阴极保护, 管线B无施加阴极保护, 其仿真分析云图如图6、图7所示。从图中可以看出, 无覆盖涂层保护和覆盖涂层保护下双金属管线单管强制电流阴极保护系统中土壤电势、A、B金属管线电势及其电流密度均具有相同的变化趋势。从图8、图9可知, 双金属管线单管强制电流阴极保护系统中土壤表面电势、电场强度, 在无覆盖涂层保护和存在覆盖涂层保护时均略小于单金属管线强制电流阴极保护系统的土壤表面电势、电场强度, 但土壤表面电势、电场强度具有相同的变化趋势;施加强制电流阴极保护的管线A电势与单金属管线阴极保护情况下的电势分布不尽相同, 随着距离的增大, 其差异越来越大, 而电场强度分布趋势相同;受干涉的管线B在存在覆盖涂层保护时的电势分布、电场强度分布与无覆盖涂层保护时具有相同的变化趋势, 其中, 电场强度均呈现双山峰形状, 但存在覆盖涂层保护的电场强度较小。
2.3 双金属管线双管强制电流阴极保护仿真分析
土壤环境中平行分布的双金属管线A、B, 均施加强制电流阴极保护时的仿真分析云图如图10、图11所示。土壤表面和金属管线的电势、电场强度变化曲线如图12、图13所示, 双管强制电流阴极保护时的土壤表面电势、电流密度均略大于单金属管线强制电流阴极保护时的土壤表面电势和电流密度, 二者形成叠加效应;金属管线的电势、电流密度均与是否存在覆盖涂层无关系, 变化趋势、大小均与单金属管线强制电流阴极保护时相同。
3 结 论
利用ANSYS的仿真分析功能, 能够比较准确地模拟和分析出双金属管线强制电流阴极保护系统电势、土壤表面电势与电场强度、金属管线的电势、电流密度、电场强度分布趋势、大小及其之间的交互影响关系, 能为金属管线的强制电流阴极保护设计、施工、维护提供一定的理论和技术支持。
参考文献
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双金属异向对塑性变形的影响 篇7
双金属管又称为复合管[1],它是由两种不同金属材料构成的,兼有两种材料的特性。为了能够更有效地发挥双层金属管材的优越性,增加其强度和承载能力,通常要求双金属管材在非工作状态下呈紧密配合状态。与单材质管相比,双金属复合管可以节省稀贵金属材料,降低生产成本。因此,双金属复合管在石油、化工、核电和机械工程等行业有着广阔的应用前景[2]。
在化工、医疗、电器零件和装饰用品中,愈来愈多采用双金属材料。目前,复合管的制备技术很多,其中大部分都是利用局部或整体塑性成形来进行复合的。传统方法有轧制、挤压法[3]等;较为新颖的有爆炸熔焊、离心铸造[4]、液压成形[5]、热胀复合成形[6]等。在制造时几乎全部都采用常温下的塑性成形方法。这类零件虽然精度要求不高,但表面质量要求很高,不允许有毛刺、裂纹、斑点出现。在双金属本质上比单金属塑性变形能力差[7]的情况下,如何得到表面质量高的零件,是当前双金属管应用上的一个关键技术。
2 试验方法和试样
2.1 单向拉伸试验
从板料轧制的α=0,45°,90°不同方向上切取试样,见图1所示。
2.2 试样的成分配制
用钢和铜两种材料,在不同牌号和厚度的钢的表面,覆盖不同牌号和厚度的铜。即1号双金属为20号钢和90号纯铜;2号双金属为08号钢和黄铜;3号双金属为20钢和黄铜。板厚均为3mm。
2.3 试样的厚度和性能
这里采用的试样的厚度和性能见表1所示。
2.4 试样准备
用金刚石锥,在放大镜下,把试样表面划出相距为3mm,精度在0.0025mm~0.0030mm的正方形网格。
3 试验数据计算和结果
采用不同变形厚度在万能拉伸试验机上测出试样长度和宽度方向上的变形量,做数据计算。有应变值:
由所得数据,经计算,得出结果。如图2所示。
4 实验结果分析
(1)由试验过程发现,在拉伸试样缩颈前,双金属与单金属一样,都是均匀变形,网格变化大小相等。缩颈后,网格变化不一,表明各处变形不均匀。
(2)变形程度不一样,由图2a,b,c,d可看出,异向性的趋势一致,大小差异也不大。
(3)在不同方向上取样,异向性系数差别很大,在45°方向上,异向性系数在0.8~1.2之间,在90°方向上,异向性系数在2.3~2.8之间。
(4)双金属层的厚度变化,对异向性没有什么影响。
5 结论
双金属材料在塑性变形时的排样,在不同方向上异向性不一样。在板料轧制的45°方向上排样,可忽略异向性的影响。
摘要：在当前的各种器具中,双金属用的愈来愈多。本文对常用的双金属,在不同方向上取样,作单向拉伸试验,由异向系数ga=eb/ea,得出了在塑性变形过程中,不能忽略材料异向性的影响的结论。
关键词：材料实验,双金属,塑性变形,异向性
参考文献
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船用双金属复合管的焊接方法研究 篇8
双金属复合管焊接方法的研究滞后, 常规的焊接工艺方法加工效果不佳, 主要原因是其特殊的组成结构。由于该材料外基管和内衬管是机械结合而成, 存在层间隙, 导致焊接过程中会产生焊瘤、夹渣、未熔合、背面成形不良等缺陷。
1 双金属复合管简介
1.1 结构及特点
双金属复合管主要有外基管和内衬管两部分组成, 一般在外基层外还有一层防腐层。外基层主要是碳钢、镀锌管等, 主要起承重承压作用;内衬层一般为耐辐射合金钢, 具有较高的抗辐射性能。二者一般通过两种方式结合, 一种为强机械方式, 另一种是冶金方式。国内双金属复合管多采用机械加工方式。双金属复合管的连接方式主要有螺纹连接 (俗称丝扣连接) 、沟槽卡箍连接、法兰连接和焊接连接四种方式。
1.2 制备工艺
目前世界盛行工艺方法主要有以下四种:机械旋压法、爆炸复合法、拉拔复合法、液压复合法。
机械旋压法是用旋压机具螺旋进给的挤压力使内衬管局部变形, 外基管发生弹性变形, 去除外力后内衬管定型而外基管收缩, 从而实现了内衬管和外基管的嵌合复合成形。
爆炸复合法是利用放置在内衬管轴线中集束炸药的爆炸力引起水槽内水压的瞬时增高, 内衬管在高水压力下向外基管方向扩张, 从而实现复合成形。
拉拔复合法是将装配好的内外管完全密封—呈密闭长筒, 再将液体注入筒内, 逐步加压筒内的液体, 使得内衬管逐步的在直径方向向外扩张, 在轴向方向向内收缩。通过连续逐步施压, 使得内衬管最终达到塑性变形, 外基管仍处于弹性变形范围内, 当通过压力表判定内外管已达到塑性变形, 外基管处于弹性变形要求时, 施放压力, 复合形式。
液压复合法将装配好的内外管, 通过一个最大轮廓外圆尺寸固定、带有锥度的模具, 沿内衬管轴线拉拔前行。通过拉拔模具挤压、扩张的方式, 将内衬管在直径方向复合到外基管的内表面上, 并通过继续扩张使外基管也处于弹性变形的范围内。当外力去除后, 内衬管呈塑性变形无法收缩, 外基管处于弹性变形呈收缩趋势, 但受内衬管的限制, 外基管内表面强力的嵌合在内衬管的外表面上, 复合成形。
2 焊接工艺研究
2.1 焊接方法
鉴于双金属复合管的特殊多层结构, 双金属符合管可采用手工焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊或者这三种焊接工艺相结合的加工方式进行焊接。上述几种焊接方法对复合管的加工效果较好, 焊缝成形美观, 焊接过程易于控制, 如能选择合理的焊接参数, 对焊接裂纹、夹渣、背面氧化成形差、焊瘤等缺陷有较好控制。目前, 国外研制出较为成熟的自动化TIG焊和MAG焊接设备, 且加工工艺成熟;而国内目前主要以手工焊为主, 自动化程度较差。
2.2 焊材选择
根据复合管材质合理选择焊材, 遵循等强等成分原则, 并综合考虑焊接接头的耐蚀性、强度、塑性和成本优化等因素。一般来讲, 衬层和基层焊材应选择相应等成分的焊丝作为填充材料, 过渡层选择较高级别强度的焊丝。
2.3 管材端口
为防止打底焊时因衬层和基层材料导热系数不同而造成的未熔合现象, 一般需要在端口处开V形坡口, 坡口角度50~70°, 然后采用堆焊或者封焊方式进行打底焊, 这样就可以获得高质量的焊接接头。
2.4 焊接顺序
复合管的焊接一般采取从外到内, 即封焊层、打底层和过渡层的焊接顺序进行。这种焊接顺序能够降低层间温度, 利于母材散热, 防止衬层受热温度过高而降低耐蚀性能。首先是封焊层的堆焊, 即在复合管基层与衬层坡口上进行堆焊, 焊前应清理表层, 保证清洁无污染;焊接时应注意控制电流、摆幅、焊道宽度等;焊后进行检察, 焊道表面应呈现蓝色、金黄或者白色。打底层的焊接是最质量要求最苛刻的工序, 焊前要对焊道进行打磨修整, 焊接电流控制精准, 焊接时要密切关注熔池状态。对于过渡层的焊接, 因焊材对焊接加工的敏感性, 要特别注意对焊接参数的选择, 同时要在焊接时实时监测焊接过程中各工艺参数的变化。
3 缺陷分析
未熔合:包括层间未熔合和焊道与母材未熔合。层间未熔合主要原因是层间温度控制效果不佳, 造成已完成焊层和待焊层之间温度差过大, 有杂质存在, 受热后由于杂质发生化学变化而造成焊层之间间隙或者链接不理想, 在受力后造成未熔合。而焊道和母材未熔合主要是封焊层堆焊时层间温度控制不好, 焊枪摆幅过大而受热不均匀造成的。
夹渣:主要原因是在焊前清理不净, 焊道被污染;焊接参数设置不合理, 焊接电流过大, 造成合金元素烧损产生飞溅等;层间温度控制效果差, 产生未熔合未熔透, 受到温度收缩作用而产生夹渣现象。
气孔:气孔是双金属复合管焊接中最常见的焊接缺陷, 特别是在衬层上, 主要是焊接参数设置不合理造成温度过高, 发生距离冶金反应产生的气体未及时排出;焊道清理不彻底, 存在油污、水等受热分解产生气体未及时排出。
4 结束语
双金属复合管因其具有承压和防腐等优点在船舶管系中获得广泛应用, 但是因其特殊结构焊接效果不佳。在今后的研究中, 应把重点放在多种焊接方法相结合的符合工艺上, 在合理设置焊接顺序、焊接参数和防止焊接缺陷上取得突破。
参考文献
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