一种双层或多层金属复合管坯的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属管坯的制备方法，属于层状金属复合材料领域，尤其适用于制备双层或多层金属复合管坯。
【背景技术】
[0002]金属复合管材是由两种或两种以上不同材质的金属管通过机械或冶金方法内外嵌套结合在一起的管材，它充分利用了两种或多种金属的优点，节约了稀贵金属，在性价比上具有单一金属管材无法比拟的优势，因此，近年来，复合的双层或多层金属管材越来越受到人们的欢迎。
[0003]目前，制备双层或多层金属复合管坯的方法很多，最常采用的方法就是嵌套法，SP先将待复合的两种管坯内外表面处理干净，然后将其中的一种管坯插入另一种管坯内部，对组合后的两种管坯进行冷拔或冷扩，之后再进行扩散退火制成复合管坯。例如，专利文献CN103982711A、CN103464508A、CN103481033A、CN102274853A、CN102537531B、CN104384859A等均采用先嵌套复合制坯再进行压力加工的方法制备复合管材。该方法可以利用已经生产出来的管材做复合管坯，取料方便，制坯工艺简单，但其最大的缺点是嵌套时内外层管坯之间存在较大间隙，需要随后进行加工变形才能保证界面结合强度。另外一种常用的制坯方法是离心浇铸制备复合管坯，例如，专利文献CN101530898B、CN101704084B、CN101530907B、CN101804450B、CN102581250B、US5558150A、JPH0890190A 等都是采用离心浇铸技术制备复合管坯的方法，该法是采用离心浇铸设备，将待复合的两种金属熔体分批分层地浇注到离心铸模内，从而使得两种金属材料在界面处形成冶金熔合。这种方法浇铸出来的复合管坯界面结合强度高，但缺点是界面区成分扩散严重，界面线不明显，工艺较繁琐，生产成本较高。此外专利文献CN101670383B、CN101566256B、JPH02229616A等还采用钎焊法制坯，该法是在嵌套的管坯之间添加钎料，然后再加温钎焊连接制备复合管坯，该方法在两种管坯之间增加了隔离层，可以阻止界面脆性化合物生成，提高了界面韧性，但也必须有较大的塑性变形才能提高界面结合强度。专利文献CN103962558A、CN101934370B等采用喷射成型技术在内层钢管的表面喷射另一种金属熔体制备复合管坯，该方法虽可获得表面细晶或超细晶金属层，但是表面层金属厚度不易控制，喷射成型效率不高，工艺参数不易控制。专利文献JPH0292436A采用双结晶器连续浇铸的方法制备复合钢管，采用该法制备的复合管坯具有界面结合强度高、生产效率高等优点，但采用双结晶器连续浇铸时，液态金属结晶控制难度大。此外，专利文献CN103706665A首先采用模铸法浇注出高合金钢铸锭，然后将此高合金钢铸锭锻造并机加工成高合金钢圆坯，再将高合金钢圆坯竖直固定在锭模中心，再在圆坯周围进行二次浇注，获得芯部为高合金钢，外层为普通碳钢的复合铸锭，将此复合铸锭进行锻造并机械加工获得复合管坯，最后利用二辊斜乳穿孔机对所述复合管坯进行斜乳穿孔，获得内层为高合金钢外层为普通碳钢的双金属复合管。该方法虽然可以获得界面结合力强度高，壁厚尺寸精度高的复合管材，但制坯工艺十分复杂，生产成本显著增高，不利于复合管材的推广应用。专利文献CN104588436A则首先采用消失模铸造的方法浇注出内层薄壁高合金耐蚀管坯，再以高合金管坯为型芯，采用砂型铸造的方法浇注出外层碳钢管坯，制得双金属复合管坯，最后经过三辊热乳扩径变形制造双金属复合管。该方法通过三辊热乳扩径实现内外层金属间高强度冶金结合，内层表面精度高，椭圆度好，壁厚精度高。但在制坯过程中采用砂型铸造的方法将影响外层钢管的表面质量，同时降低了生产效率。
[0004]由此可见，制备金属复合管坯的方法很多，但各种方法都存在一些缺点。嵌套法制坯虽然工艺简单，但内外层管坯之间存在较大的缝隙，需要后续的大变形压力加工才能获得高质量的复合管材；离心浇铸制坯工艺虽然可以获得较高的界面结合强度，但界面处易形成两种金属的混熔区，因而形成界面化合物，造成界面区韧性变差；钎焊连接法制备复合管坯在界面处增加了过度层，提高了界面质量，但由于界面钎料的加入提高了生产成本；模铸实心的双金属锭坯需要进一步穿孔后才能获得空心的毛管，工艺相对比较复杂；采用消失模铸造管坯后，外层再用砂型铸造浇注碳钢管坯的方法增加了消失模和砂型制作费用，工序成本增加。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供了一种双层或多层金属复合管坯的制备方法，该方法具有界面结合质量好，工艺简单，制造成本低，可制备多种双层或多层金属复合管坯的优点。
[0006]本发明所采取的技术方案是提供一种双层或多层金属复合管坯的制备方法，包括以下步骤:
[0007]S1.将待复合的金属外管和金属内管进行清洗、除油，烘干后利用常规的机械方法或化学方法去除所述金属外管的内表面氧化皮和金属内管的外表面氧化皮，烘干备用；
[0008]S2.将金属内管插入金属外管，以焊接或螺纹连接的固定方式将所述金属内管和所述金属外管分别与顶部密封法兰和底部密封法兰相固定和密封，所述金属外管和所述金属内管之间形成浇铸空腔；
[0009]S3.在所述顶部密封法兰上开设浇铸孔和进排气孔，在所述浇铸孔位置安装浇铸装置，在所述进排气孔位置安装进排气装置，所述进排气装置包括进气管，以及设置在进气管上的进气阀门和排气阀门；
[0010]S4.利用塞棒堵住顶部密封法兰上的浇铸孔，关闭进排气装置上的进气阀门，利用真空抽气装置通过进排气装置上的排气阀门对所述浇铸空腔进行抽真空，当浇铸空腔内的真空度达到1Pa以上时关闭排气阀门，通过进排气装置上的进气阀门向浇铸空腔内充入纯净的氮气或氩气；
[0011]S5.采用火焰加热装置或电阻加热装置或感应加热装置，从组合后的金属外管的外表面或金属内管的中心部位对金属外管和金属内管进行预热，预热温度控制在100 °c?1200 °C 之间；
[0012]S6.向所述浇铸空腔内连续充入纯净氮气或氩气，确保浇铸空腔内氮气或氩气的压力大于大气压力，然后打开塞棒，将预先熔炼好的待复合的金属熔体浇注到所述浇铸空腔内，直到金属熔体完全充满浇铸空腔，形成复合管件；
[0013]S7.采用风冷、气雾冷却或水冷的冷却方式对所述复合管件进行冷却，冷却时需要继续向浇铸空腔内补充金属熔体，以保持金属熔体充满浇铸空腔；
[0014]S8.采用常规的火焰切割法、带锯、无齿锯，或等离子切割法切除所述复合管件的两个端头，获得复合管坯。
[0015]优选地，所述金属内管和所述金属外管长度相同，化学成分相同或不同。
[0016]优选地，所述金属内管和所述金属外管的横截面形状为圆形、矩形、正方形、异形断面或变断面，所述金属内管和所述金属外管的横截面形状相同或不同。
[0017]优选地，当所述金属内管和所述金属外管的化学成分相同时，所述金属内管和所述金属外管的化学成分与所述待复合的金属熔体的化学成分不同；当所述金属内管和所述金属外管的化学成分不同时，所述待复合的金属熔体的化学成分与所述金属内管或所述金属外管其中之一的化学成分相同。
[0018]步骤S2中，顶部密封法兰和底部密封法兰上分别设有和所述金属内管和所述金属外管对应的同心环缝，通过焊接的方式将所述金属内管或所述金属外管之间的环缝进行密封。另一种优选的方式为:顶部密封法兰和底部密封法兰上分别设有和所述金属内管和所述金属外管对应的带螺纹的同心环缝，在所述金属内管外壁和所述金属外管内壁设有与所述同心环缝匹配的螺纹。
[0019]优选地，步骤S5中，所述预热温度控制在500°C?600°C之间。
[0020]优选地，步骤S7中，冷却时，从所述复合管件下部开始逐渐向复合管件的上部进行冷却，冷却时需要向浇铸空腔内补充金属熔体，保持金属熔体充满浇铸空腔，以填补下部金属熔体的冷却收缩。
[0021]与现有技术相比，本发明所取得的技术效果是:
[0022](I)采用现成的金属管做为复合管坯内外