專利名稱：一種減重金屬桿及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種變密度減重金屬桿及其加工成型方法。
背景技術(shù)：
在航空、軍工和石油等特殊領(lǐng)域，為減輕設(shè)備的工作負(fù)荷需采用輕質(zhì)減重的金屬桿材，一般使用的減重金屬桿 材為空心金屬桿或自身密度較低的實(shí)心金屬桿材。例如，有桿泵是石油開采時(shí)所經(jīng)常使用的一種設(shè)備，其上的抽油桿是抽油機(jī)井的細(xì)長(zhǎng)桿件，抽油桿上接總桿，下接抽油泵起傳遞動(dòng)力的作用。一般的抽油桿單根長(zhǎng)度為六米，材質(zhì)一般為高碳鋼表面鍍硬鉻，在油管內(nèi)用內(nèi)螺紋箍多根抽油桿連接起來一直延伸到地下三千余米深的油層處的活塞上，通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)來泵油。抽油桿的斷脫主要受交變負(fù)荷(最大負(fù)荷與最小負(fù)荷之差)和最大負(fù)荷的影響，而工作負(fù)荷的大小與抽油桿的重量成正比，為了減小工作負(fù)荷，減少斷脫等事故的發(fā)生，需使用重量輕的抽油桿。一般常見的減重抽油桿有鋁合金實(shí)心抽油桿、玻璃鋼實(shí)心抽油桿和空心鋼質(zhì)抽油桿。其中鋁合金實(shí)心抽油桿強(qiáng)度低，使用性能及壽命明顯低于普通鋼質(zhì)抽油桿；玻璃鋼實(shí)心抽油桿一方面不能承受壓縮載荷，在玻璃鋼抽油桿的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，由于泵卡、活塞下行慢等原因，桿容易受壓而彎曲劈裂，另一方面該種材料的抽油桿價(jià)格比普通鋼質(zhì)抽油桿高出約I倍；空心鋼質(zhì)抽油桿的強(qiáng)度很難滿足工作強(qiáng)度的需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、強(qiáng)度較高的減重金屬桿的加工方法。所提供的加工方法具體按下述步驟實(shí)現(xiàn)步驟一,準(zhǔn)備還料將粒徑為I 3_的金屬粉末裝入外部直徑為20 150_、壁
厚彡3mm的金屬管套中,接著將金屬管套兩端封口 ；步驟二，成形處理對(duì)準(zhǔn)備好的坯料進(jìn)行成形處理得到減重金屬桿，其中的成形處理采取擠壓方法或軋制方法；所述擠壓方法的工藝參數(shù)為擠壓模具的擠壓系數(shù)為I. 5 3、半模角為30° 45°、工作帶長(zhǎng)度為2 10mm，擠壓速度彡10mm/S，擠壓溫度為20°C 1150°C，熱擠壓時(shí)擠壓模具的預(yù)熱溫度為100°C 200°C ；所述軋制方法的工藝參數(shù)為軋輥上的軋制孔型為帶圓弧側(cè)壁的圓孔型，軋制孔型高度比金屬套管外部直徑小2 5mm，軋制孔型側(cè)壁開口角25° 30°，延伸系數(shù)為
I.I I. 3，軋制速度彡3m/s，軋制溫度為20。。 1150。。。 所述擠壓模具的材質(zhì)為5CrNiMo或45#碳鋼。所述軋輥的材質(zhì)為5CrNiMo或45#碳鋼。所述金屬粉末的材質(zhì)為鋁材、鉛材或鋼材，所述金屬管套的材質(zhì)為鋁材、鉛材或鋼材。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的方法具有如下的特點(diǎn)(I)材料幾何尺寸配比明顯不同傳統(tǒng)包套擠壓中金屬包套的壁一般為I 3毫米，而本發(fā)明中的金屬包套的壁厚是根據(jù)實(shí)際工作強(qiáng)度的需要而確定，其壁厚一般大于3mm,可以增加到金屬管套外部半徑的50%以上,達(dá)到40mm。(2)以往的包套擠壓成型方法中，在成形后，將包套(即套管)用化學(xué)或物理的方法去掉,只保留內(nèi)部變形后棒材材料,而本發(fā)明的方法,保留包套為棒材的重要組成部分；(3)本發(fā)明的方法中擠壓成形工藝中的重要參數(shù)-擠壓系數(shù)(擠壓前后制品斷面積比)不再追求盡量大的擠壓比(一般一次性成形擠壓系數(shù)可達(dá)8 12)，為獲得內(nèi)部有孔隙的金屬棒，其擠壓系數(shù)減小到3以下。(4)與傳統(tǒng)的棒材復(fù)合軋制成形工藝相比，延伸系數(shù)(軋制工藝中，將軋制前后軋件斷面積之比稱為延伸系數(shù))將減小為一般軋制復(fù)合的60%以下，一般為I. I I. 3。同時(shí)，采用本發(fā)明的方法加工的減重金屬桿與現(xiàn)有的減重金屬桿相比具有如下的特點(diǎn)(I)金屬管套內(nèi)層粉末塑性變形后不是致密的，而是有一定孔隙率(10% -20% )，密度發(fā)生了變化，比標(biāo)準(zhǔn)密度低。(2)由于桿內(nèi)部密度低，桿材重量得以減少10%-20%。(3)與外層金屬管套內(nèi)外徑相同的空心管材相比，由于內(nèi)部基本被塑性變形后的粉末充滿，其拉伸強(qiáng)度、彎曲性能等性能更好。(4)由于金屬粉末價(jià)格便宜，此金屬桿加工成本低，所以與同材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)密度金屬桿相比,成本較低。本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用上述方法所加工的減重金屬桿。所提供的減重金屬桿包括金屬管套，該金屬管套內(nèi)有孔隙率為10% 20%的金屬棒，該金屬棒的直徑與所述金屬管套的內(nèi)部直徑相同。本發(fā)明所提供的減重金屬桿內(nèi)部有孔隙的金屬棒使得桿材的整體重量減輕，同時(shí)桿材外部的致密金屬包套使得整個(gè)桿材的拉伸強(qiáng)度、彎曲性能等力學(xué)性能優(yōu)于同尺寸、同材質(zhì)的空心管，這樣的金屬桿更適用于桿材重量對(duì)工作負(fù)荷及能量消耗影響顯著的工作環(huán)境，進(jìn)而可在航空、軍工、石油等眾多領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。比如在石油生產(chǎn)領(lǐng)域，80%以上泵油機(jī)使用的實(shí)心棒材抽油桿，由于長(zhǎng)度達(dá)幾千米，重量達(dá)幾十噸，工作負(fù)荷及電能消耗很大，脫斷事故頻發(fā)，采用空心抽油桿強(qiáng)度不夠，其他鋁合金、玻璃鋼等輕質(zhì)抽油桿成本太高，而采用本發(fā)明所提供的鋼質(zhì)桿材可同時(shí)滿足成本和工作強(qiáng)度的要求。


圖I為實(shí)施例I所得產(chǎn)品不同截面的孔隙率曲線圖；圖2(a)為實(shí)施例I中所得產(chǎn)品的拉伸性能曲線；圖2 (b)為實(shí)心鉛棒的拉伸性能曲線；圖2(c)為空心鉛管的拉伸性能曲線；圖3為實(shí)施例2所得產(chǎn)品不同截面的孔隙率曲線圖；圖4為實(shí)施例3所得產(chǎn)品不同截面的孔隙率曲線圖；圖5為實(shí)施例4所得產(chǎn)品不同截面的孔隙率曲線圖。
以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明按照實(shí)際使用需求，選用金屬管材作為包套材料，與金屬管材材質(zhì)相同或不同的金屬粉末為內(nèi)部材料，將粉末裝入管內(nèi)壓實(shí)，根據(jù)材料性質(zhì)，在常溫或一定溫度下，通過擠壓或 軋制等成型方法，使內(nèi)部粉末發(fā)生塑性變形后加工成內(nèi)部具有一定的孔隙率棒材、外部為質(zhì)密金屬管套的內(nèi)外雙層組合減重金屬桿。以下是發(fā)明人提供的實(shí)施例，需要說明的是，所提供的實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)解釋說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于下述實(shí)施例。實(shí)施例I :該實(shí)施例的減重金屬桿的外部為鉛管套,鉛管套內(nèi)有孔隙率為13. 25%的鉛棒,該鉛棒的直徑與鉛管套的內(nèi)部直徑相同。其加工工藝為步驟一，準(zhǔn)備坯料將粒徑為I 3mm鉛粉用體積濃度為10%的稀鹽酸清洗后裝入帶底的鉛管套中，鉛管套高60mm、外部直徑為34mm、內(nèi)部直徑為16. 19mm，裝好后壓好上蓋；步驟二，采用擠壓的方法對(duì)準(zhǔn)備好的坯料進(jìn)行成形處理，擠壓在160噸壓力機(jī)上進(jìn)行，擠壓的工藝參數(shù)為擠壓模具的材質(zhì)為45號(hào)碳鋼，擠壓模具的擠壓系數(shù)為I. 8、半模角為30°、工作帶長(zhǎng)度為60mm，擠壓速度為10m/S，擠壓溫度為常溫；最終制得長(zhǎng)度約為108mm的桿材。申請(qǐng)人:對(duì)該實(shí)施例中所得產(chǎn)品的孔隙率進(jìn)行了檢測(cè)，沿桿材縱向每25mm取一個(gè)截面，共取四個(gè)截面；測(cè)量每個(gè)截面的孔隙率，分別為14%、13%、15%、11%，取平均值為整個(gè)試樣的孔隙率。結(jié)果如圖I所示，其平均孔隙率約為13. 25%。為說明新產(chǎn)品及工藝技術(shù)的可行性，申請(qǐng)人做了實(shí)施例I所得桿材與實(shí)施例I所得桿材同樣尺寸的實(shí)心鉛棒及空心鉛管的拉伸性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。各試樣的拉伸性能測(cè)試在10噸拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)施例I所得產(chǎn)品、實(shí)心試樣及空心試樣的抗拉強(qiáng)度分別為7Mpa、IOMpa及 I. 6Mpa。圖2為實(shí)施例I中所得產(chǎn)品、實(shí)心鉛棒和空心鉛管的拉伸性能曲線圖，其中圖2(a)為實(shí)施例I中所得產(chǎn)品的拉伸性能曲線；圖2(13)為實(shí)心鉛棒的拉伸性能曲線；圖2(幻為空心鉛管的拉伸性能曲線；結(jié)合圖2所示結(jié)果，實(shí)施例I所得產(chǎn)品的塑性明顯高于實(shí)心試樣，強(qiáng)度明顯大于空心試樣，說明實(shí)施例I所得產(chǎn)品能承受的工作負(fù)荷大于空心管材，雖然實(shí)施例I所得產(chǎn)品強(qiáng)度比實(shí)心棒材有所降低，但重量減輕了，更適合于像抽油桿這樣重量對(duì)工作過程影響顯著的工作場(chǎng)合。而且，由于粉末價(jià)格明顯低于實(shí)心棒材，一次成型加工過程成本不高，實(shí)施例I所得產(chǎn)品的綜合成本較低。實(shí)施例2 該實(shí)施例的減重金屬桿的外部為鋼管套，鋼管套內(nèi)為孔隙率為17. 67%鋼棒，其中，鋼棒的直徑與鋼管套的內(nèi)部直徑相同。其加工工藝為步驟一，準(zhǔn)備坯料將粒徑為I 3mm的鋼粉裝入制成的帶底的鋼管套中，鋼管套長(zhǎng)1000mm、外部直徑為130mm,內(nèi)部直徑為70mm,裝好后壓好上蓋；步驟二，采用擠壓的方法對(duì)準(zhǔn)備好的坯料進(jìn)行成形處理在6000噸擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓方法的工藝參數(shù)為擠壓模具由5CrNiMo制成，擠壓系數(shù)為2. 8、半模角為45°、工作帶長(zhǎng)度為60mm，擠壓速度5m/s，模具的預(yù)熱溫度為150°C 200°C，擠壓溫度為1050°C 1150°C ;制得長(zhǎng)度約為2800mm的桿材。申請(qǐng)人:對(duì)該實(shí)施例中所得產(chǎn)品的孔隙率進(jìn)行了檢測(cè)，沿桿材縱向每300mm取一個(gè)截面，共取9個(gè)截面；測(cè)量每個(gè)截面的孔隙率，每個(gè)截面的孔隙率分別為17%、15%、19%、16%,18%,20%,17%,18%,19%,取平均值為整個(gè)試樣的孔隙率。結(jié)果如圖3所示，其平均孔隙率約為17. 67%。實(shí)施例3 該實(shí)施例的減重金屬桿的外部為招管套,招管套內(nèi)為孔隙率為14. 14%招棒,其中，鋁棒的直徑與鋁管套的內(nèi)部直徑相同。其加工工藝為步驟一，準(zhǔn)備坯料將粒徑為I 3mm的鋁粉裝入制成的帶底的鋁管套中，鋁管長(zhǎng) 度500mm、外部直徑為130mm,內(nèi)部直徑為60mm,裝完后壓好端蓋；步驟二，采用軋制的方法對(duì)準(zhǔn)備好的坯料進(jìn)行成形處理軋制在Φ600πιπι軋機(jī)上進(jìn)行，軋制的工藝參數(shù)為軋輥的材質(zhì)為45#碳鋼，軋輥上的軋制孔型為帶圓弧側(cè)壁的圓孔型，孔型高度為125mm，開口角為30。，延伸系數(shù)為I. 1，軋制速度為3.0m/s，軋制溫度為300 400°C，軋后長(zhǎng)度約為540_的桿材。申請(qǐng)人:對(duì)該實(shí)施例中所得產(chǎn)品的孔隙率進(jìn)行了檢測(cè)，沿桿材長(zhǎng)度方向均勻測(cè)量了7個(gè)截面的孔隙率，每個(gè)截面的孔隙率分別為16%、13%、14%、15%、12%、14%、15%，取平均值為整個(gè)試樣的孔隙率。結(jié)果如圖4所示，其平均孔隙率約為14. 14%。實(shí)施例4 該實(shí)施例的減重金屬桿的外部為鋼管套，鋼管套內(nèi)有孔隙率為11.0%的鋼棒，該鋼棒的直徑與鋼管套的內(nèi)部直徑相同。其加工工藝為步驟一，準(zhǔn)備坯料將粒徑為I 3mm鋼粉用體積濃度為10%的稀鹽酸清洗后裝入帶底的鋼管套中，鋼管套長(zhǎng)度300mm、外部直徑為40mm、內(nèi)部直徑為30mm，裝好后壓好上蓋；步驟二，采用軋制的方法對(duì)準(zhǔn)備好的坯料進(jìn)行成形處理軋制在Φ600πιπι軋機(jī)上進(jìn)行，軋制的工藝參數(shù)為軋輥的材質(zhì)為5CrNiMo，軋輥上的軋制孔型為帶圓弧側(cè)壁的圓孔型，孔型高度為37mm，開口角為25°，延伸系數(shù)為I. 2，軋制速度為Ι.Ο/s，軋制溫度為1050°C 1150°C，制得長(zhǎng)度約為351mm的桿材。申請(qǐng)人:對(duì)該實(shí)施例中所得產(chǎn)品的孔隙率進(jìn)行了檢測(cè)，沿桿材長(zhǎng)度方向均勻測(cè)量了7個(gè)截面的孔隙率，每個(gè)截面的孔隙率分別為9%、12%、11%、10%、13%、10%、12%，，取平均值為整個(gè)試樣的孔隙率。結(jié)果如圖5所示，其平均孔隙率約為11. 0%。
權(quán)利要求
1.一種減重金屬桿的加工方法，其特征在于，該方法按下述步驟進(jìn)行 步驟一，準(zhǔn)備坯料將粒徑為I 3mm的金屬粉末裝入外部直徑為20 150mm、壁厚^ 3mm的金屬管套中,接著將金屬管套兩端封口 ； 步驟二，成形處理對(duì)準(zhǔn)備好的坯料進(jìn)行成形處理得到減重金屬桿，其中的成形處理采取擠壓方法或軋制方法； 所述擠壓方法的工藝參數(shù)為擠壓模具的擠壓系數(shù)為I. 5 3、半模角為30° 45°、工作帶長(zhǎng)度為5 60mm，擠壓速度彡10mm/S，擠壓溫度為20°C 1150°C，熱擠壓時(shí)擠壓模具的預(yù)熱溫度為100°C 200°C ； 所述軋制方法的工藝參數(shù)為軋輥上的軋制孔型為帶圓弧側(cè)壁的圓孔型，軋制孔型高度比金屬套管外部直徑小2 5mm，軋制孔型側(cè)壁開口角彡30°，延伸系數(shù)為I. I I. 3，軋制速度彡3m/s，軋制溫度為20°C 1150°C。
2.如權(quán)利要求I所述的加工方法，其特征在于，所述擠壓模具的材質(zhì)為5CrNiMo或45#碳鋼。
3.如權(quán)利要求I所述的加工方法，其特征在于，所述軋輥的材質(zhì)為5CrNiMo或45#碳鋼。
4.如權(quán)利要求I所述的加工方法，其特征在于，所述金屬粉末的材質(zhì)為鋁材、鉛材或鋼材，所述金屬管套的材質(zhì)為鋁材、鉛材或鋼材。
5.權(quán)利要求I所述的方法加工的減重金屬桿，其特征在于，包括金屬管套，該金屬管套內(nèi)有孔隙率為10% 20%的金屬棒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種減重金屬桿及其加工方法。所公開的加工方法選用金屬管材作為包套材料，金屬粉末為內(nèi)部材料，將粉末壓實(shí)裝入管內(nèi)，根據(jù)材料性質(zhì)，在常溫或一定溫度下，通過擠壓或軋制等成形方法，使內(nèi)部粉末發(fā)生塑性變形后加工成內(nèi)部為具有一定的孔隙率的棒材、外部為質(zhì)密金屬管套的內(nèi)外雙層組合的減重金屬桿。所提供的減重金屬桿包括金屬管套，該金屬管套內(nèi)有孔隙率為10％～20％的金屬棒。該減重金屬桿內(nèi)部的孔隙有效實(shí)現(xiàn)了減重目的，外部的金屬管套保證了整個(gè)桿件的力學(xué)性能，同時(shí)由于粉末及加工成本低廉，該金屬桿成本低廉。
文檔編號(hào)B21C31/00GK102615128SQ201210084158
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者劉 東, 孫琦, 龐玉華, 張磊, 楊燕慧, 胡楊磊 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué), 西安建筑科技大學(xué)