一种铜镍合金大规格厚壁无缝管材制造工艺

摘要

本发明介绍了一种铜镍合金大规格厚壁无缝管材制造工艺，采用B10合金铸锭为原材料，通过锻造工艺或斜轧穿孔工艺然后机加工的方法制备出合格管坯，再通过旋压成型制备出合格管材，Φ270的管材长度达到3.5m以上；Φ340的管材长度达到1.5m以上，制备出的管材具有与薄壁管材相同的力学性能和工艺性能，晶粒平均直径为0.01～0.05mm，冷热加工和焊接性能优良，可以便宜地制备出弯头、三通、变径管等管件产品。本发明应用于船舶海水管系，填补了国内空白，在未来新型船舶海水管路以及其它高压管路材料方面具有广阔的市场前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜合金领域技术，特别是一种铜镍合金大规格厚壁无缝管材制造工艺。

背景技术

BFe10-1-1合金具有良好的冷热加工性能、优良的耐腐蚀性能，在国外船舶海水管系中的应用十分广泛。经过对BFe10-1-1合金进行多年的科研攻关和实船验证，我国的船用BFe10-1-1合金在已实现国产化自主供货， BFe10-1-1薄壁无缝管材可供货的规格为Φ8mm～Φ324mm，目前在我国的水面船舶海水管系中BFe10-1-1管材应用比较广泛，使用效果良好。近年来，随着船舶海水管路中海水流速的提高，管路系统的承压能力和腐蚀余量要求也有较大提高，需要增加壁厚以提高管材的承压能力。因此，BFe10-1-1厚壁管材的需求也逐渐增加。目前BFe10-1-1厚壁无缝管材国内按设计要求可供货的规格为Φ10mm～Φ220mm，直径大于Φ220mm的厚壁无缝管材因长度和精度无法满足设计要求，须从国外进口。

根据相关设计所的技术要求规定， BFe10-1-1厚壁无缝管的尺寸偏差应满足GB/T16866-2006规定的“高精级”，同时要求Φ270的管材长度达到3.5m以上；Φ340的管材长度达到1.5m以上。

BFe10-1-1管材制备一般采用挤压、拉拔或轧制的工艺。但因厚壁管加工具有其特殊性，尤其是大规格厚壁管，对设备能力要求很高，国内铜加工企业一般也采用挤压成型或挤压成型然后拉伸的工艺制备BFe10-1-1厚壁管，但由于挤压设备能力限制，制备的大规格（>220mm）厚壁管长度和尺寸偏差均无法满足设计要求。随着BFe10-1-1合金越来越广泛的使用，世界各国也在不断探索其大规格厚壁管的制备新工艺。如德国和俄罗斯采用推挤扩径的工艺制备大规格厚壁管，如?340mmBFe10-1-1合金厚壁管可长达1.5m。意大利则采用斜轧扩径的工艺来制备大规格的BFe10-1-1厚壁管。另外，离心铸造法也可以用来制备BFe10-1-1合金厚壁管，日本和国内的部分厂家采用离心铸造工艺均可以制备出Φ340mm的BFe10-1-1厚壁管坯和管材，长度可达1.5m。但受该工艺特点限制，无法生产更长的厚壁管材。同时，通过离心铸造制备的BFe10-1-1厚壁管为铸态组织，晶粒粗大，产品内部易出现气孔等缺陷，无法满足舰船海水管系对管材力学和工艺性能的要求。

综合以上可见，针对船舶高压管路研发的BeE10-1-1大规格厚壁管材、可以填补国内空白，满足新型船舶海水管路的材料需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种铜镍合金大规格厚壁无缝管材制造工艺，针对部分新型船舶海水管路中压力较高，而国内现有管材无法满足设计要求的难题，采用锻造或斜轧穿孔再进行机加工制备出管坯，然后通过旋压成形工艺试验，制备出尺寸偏差满足设计要求，力学性能和晶粒度合格的BFe10-1-1管材，为新型船舶设计提供材料支持，满足新型舰船设计使用要求。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明的一种铜镍合金大规格厚壁无缝管材制造工艺，包括：

（1）管坯制备

采用BFe10-1-1合金的半连续铸锭进行原料准备，根据管坯长度计算所用铸锭的重量或长度，锯切下料。

旋压过程遵循体积不变原理，管坯长度首先按如下公式进行计算：

（Dm+t0）×t0×L0=（Dm+t）×t×L

式中Dm——芯模直径，mm；

t0、t——变形前后的壁厚，mm；

L0、L——变形前后的长度，mm；

在计算值基础上考虑加工余量确定铸锭最终下料长度并完成下料，然后通过锻造工艺或斜轧穿孔工艺进行管坯制备。

a、锻造工艺：

锻造工艺参数为：加热温度900℃～1000℃，终锻800℃，锻造比不小于3，反复镦拔至少两次，完成锻造后水冷，将管坯内外表面机加工到设计管坯尺寸。专这样可以控制管坯的晶粒度并最终实现对管材晶粒度的控制。

b、斜轧穿孔工艺

斜轧穿孔具体工艺为：加热到850℃～950℃，采用斜孔穿轧设备进行斜轧穿孔加工，穿制出的管坯水冷到室温；然后对管坯头部缺陷进行机加工，表面缺陷进行修磨处理，得到表面光洁的管坯。斜轧穿孔过程中变形量较大，管坯内部晶粒破碎充分。

（2）旋压成型

采用强力旋压机将斜轧穿孔工艺得到的管坯进行旋压成型，旋压工艺的主要工艺参数包括：

a、减薄率与道次

一道次减薄率理论值计算方法如下：

Ω=2×sinа/（1+2×sinа）×（1-f/（4×t0×sinа））

     式中Ω——为一道次减薄率；

а——旋轮半椎角；

f——旋轮进给比；

t0——管坯变形前壁厚。

根据理论值和材料特性，设计一道次减薄率为15%～25%，并根据道次减薄率和总减薄率确定旋压道次。

b、进给比与转速

根据旋压机参数和管材材料特点选择合适的转速。一般转速在50～100m/min之间选择比较合适。

结合材料硬度和流动情况设计合适的进给比，旋轮进给比f的计算公式为：

f=v/N

式中v——旋轮沿工件母线进给速度；

N——主轴转速。

在确定了上述主要工艺参数后，对管坯进行旋压加工，具体过程如下：

1）将管坯安装到相应规格的芯轴上，根据压下量调整旋轮间隙。

2）设定旋轮转速和进给比，起旋。

3）完成第一道次后，清理管坯表面的起皮和毛刺，以消除管材的表面缺陷，然后测量管坯壁厚和直径。

4) 管坯掉头安装，开始第二道次旋压，完成后清理表面缺陷，测量管坯壁厚和直径。

5）管坯掉头安装，进行第三道次旋压，制备出管材。

道次间如果管坯表面出现毛刺、堆积现象，及时进行修磨清理；制备出管材后，进行切头和热处理退火；热处理退火工艺为：加热到720±20℃，保温0.5～1小时，然后空冷到室温，得到厚壁无缝管材。

经热处理退火处理后的厚壁无缝管材具有如下性能：

（1）力学性能满足R_m≥300MPa、A≥25%，与薄壁无缝管材相同；

（2）管材的晶粒平均直径为0.01～0.05mm；

（3）管材的尺寸偏差满足GB/T16866-2006中规定的“高精级”要求，长度分别满足Φ270的管材长度达到3.5m以上；Φ340的管材长度达到1.5m以上；

（4）管材具有良好的变形加工性能，管材可以便宜地制备成弯头、三通、变径管；

（5）管材具有良好的焊接性能和耐腐蚀性能。

这些技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

通过采用上述技术方案，相对于国内外的B10厚壁无缝管材，本发明的Φ270×13、Φ340×16两种规格管材达到如下效果：

（1）长度大，三种规格管材长度分别达到3.5m、1.5m，满足了舰船海水管路的设计要求。

（2）尺寸精度高，三种规格管材的外径、壁厚偏差满足GB/T16866-2006中规定的“高精级”要求。

（3）晶粒度高，管材的晶粒度不低于6级，平均直径满足0.01～0.05mm的要求。

（4）性能优良，本发明的厚壁无缝管材纵、横向力学性能无差异，总体性能优良，可以便宜地制备成弯头、三通、变径管。

（5）本发明应用于船舶海水管系，填补了国内空白，在未来新型船舶海水管路以及其它高压管路材料方面具有广阔的市场前景。

具体实施方式

下面结合实施例对本专利进一步解释说明。但本专利的保护范围不限于具体的实施方式。

实施例1

1)Φ400的半连续铸锭为原料，采用锻造工艺，具体工艺为加热到980℃并充分保温，两火次镦拔后冲孔，冲孔后进行5-7火次的拔长，完成后锻造后水冷，制备出Φ398×60×870mm的管坯毛坯，将管坯毛坯机加工到Φ368×30×850mm，然后采用强力旋压机安装Φ307的芯轴和选定的旋轮，分三道次进行旋压加工，1）设计旋轮转速为70r/min，进给比1.0-1.3mm/r。2）三个道次的管坯设计壁厚分别为24mm—19mm—16mm，3）每道次要求管坯掉头并修磨毛刺和起皮。通过以上工艺制备出Φ340×16×1570mm的管材，然后将管材进行切头和热处理，热处理为光亮退火，具体工艺为氩气保护，730℃条件下保温2小时。加工出的管材长度满足设计要求，尺寸精度高，性能优良。

2) Φ350的半连续铸锭为原料，采用斜轧穿孔工艺制备管坯，将铸锭加热到950℃—980℃，在斜轧穿孔机，制备出Φ310×35mm的管坯毛坯，将管坯毛坯机加工到Φ300×28×1250mm，然后采用强力旋压机配套Φ243的芯轴和旋轮模具分道次加工，具体过程为：1）设计旋轮转速为80r/min，进给比1.1-1.3mm/r；2）四个道次的管坯设计壁厚分别为24mm—20mm—16mm—13mm；3）每道次要求管坯掉头并修磨毛刺和起皮。制备出Φ270×13×3550mm的管材，然后将管材进行切头和热处理，热处理为光亮退火，具体工艺为氩气保护，730℃条件下保温2小时。加工出的管材长度满足设计要求，尺寸精度高，性能优良。