不銹鋼復合管與單一鋼管相比（如耐腐蝕鋼管和抗氧化鋼管等），具有一系列獨特的性能，如高的導熱性、電磁滲透率、強度極限、不大的熱膨脹性能等。這為設計和制造具有新工藝特性的裝備提供了可能。除此之外，不銹(xiu)鋼復合(he)管的應用減少了較昂貴的耐蝕鋼和抗氧化鋼的消耗，但是也使鋼管的對焊比單一高合金管更加復雜。

一、影響兩層不同材料結合的因素

 在制造不銹鋼復合(he)(he)管時(shi)，影(ying)響兩層不同材料結合(he)(he)的主要(yao)因素為：

  1. 結合表面的(de)精確裝配及其實(shi)際接觸(chu)面積的(de)大(da)小

    與結合表(biao)(biao)面(mian)的(de)精確對正及其有效接(jie)觸面(mian)積(ji)的(de)大小有關(guan)的(de)是表(biao)(biao)面(mian)能、表(biao)(biao)面(mian)氧(yang)化膜，結晶取向(xiang)、缺、、缺陷(xian)（如位(wei)移、晶界、各相的(de)相對位(wei)置、顯微裂紋等）。物理化學研究表(biao)(biao)明，幾何(he)的(de)理想表(biao)(biao)面(mian)與物理真實的(de)兩層(ceng)接(jie)觸表(biao)(biao)面(mian)大小的(de)比(bi)值可取1:50~1:12。

  2. 金(jin)屬的化學成(cheng)分

   鋼(gang)中(zhong)添加合金元素可降低(di)接觸層(ceng)的(de)焊合能力(li)。

  3. 表(biao)面層和中(zhong)間層的表(biao)面質量

   金屬層氧化膜的成分和性能對兩層不同金屬的結合強度有著本質影響。在大氣介質中或在壓強為1.33×10^-4Pa以下的真空中加熱時，其形成的氧化膜對兩層不同材料的結合質量有著不良影響。如果氧化膜很脆，并在變形時被破壞，其形成的接觸表面具有較高的表面能，因此兩層不同材料的焊合過程就較容易進行。鉻鋼和鉻鎳鋼上形成的富鉻氧化膜能使兩層不同材料的結合質量明顯變壞，可借助于電解沉積方法得到的鎳中間層來消除。

  4. 結合層表(biao)面的應力狀態

   在變形(xing)過程中，兩(liang)層(ceng)(ceng)不同(tong)金(jin)屬的接(jie)觸(chu)表面不僅(jin)明顯增大，而且接(jie)觸(chu)表面上有較高的壓(ya)應(ying)力，使(shi)結(jie)合層(ceng)(ceng)的焊合質量得到提高。因(yin)此(ci)，在復合管的生產中，采用(yong)擠壓(ya)法和(he)拉拔(ba)法以及皮爾格軋制(zhi)法進行(xing)變形(xing)。由于橫軋或(huo)螺旋軋制(zhi)金(jin)屬在變形(xing)過程中存在切向拉應(ying)力，因(yin)此(ci)不能采用(yong)這(zhe)兩(liang)種方法。

  5. 塑性變形時的接觸表面和溫度(du)

   兩層(ceng)不(bu)(bu)同材料結合表(biao)面的(de)(de)增(zeng)大(da)，對于在各(ge)層(ceng)同時(shi)變形過(guo)程中(zhong)的(de)(de)焊(han)合具有(you)決定性的(de)(de)作用。因為，其(qi)形成(cheng)的(de)(de)接觸表(biao)面具有(you)很大(da)的(de)(de)能量，而兩層(ceng)不(bu)(bu)同金(jin)屬結合的(de)(de)最(zui)大(da)強(qiang)度是在高(gao)溫(wen)變形時(shi)獲得的(de)(de)。這是因為多(duo)數(shu)金(jin)屬在高(gao)溫(wen)變形的(de)(de)條件下，塑性提高(gao)，且擴散也更迅速。

二(er)、不(bu)銹(xiu)鋼復合管坯料(liao)的制造方(fang)法

1. 不(bu)銹(xiu)鋼(gang)復合管(guan)的生產(chan)方法

  不銹鋼復合管的生產方(fang)法有多種，可以按雙層坯料制造的方(fang)法來區分，也可以按所(suo)采(cai)用(yong)的變形方(fang)法來區分。

  按照(zhao)兩層不(bu)同材料的(de)結合(he)方(fang)法(fa)(fa)，可(ke)將復合(he)管生產分為兩類，即以雙層鑄坯、離心澆鑄和爆炸成形等非變形方(fang)法(fa)(fa)和各種變形方(fang)法(fa)(fa)。

   a. 非變(bian)形法獲得復合管

   為了獲得雙層鑄坯，采用下注法和在鋼錠模中合金化方法，經過澆鑄漏斗向鋼錠模內注入高度為H₁的鋼A,當金屬液從外向內逐漸結晶到一定程度時，再注入高度為H₂的鋼B,此時仍為液體的金屬A與金屬B溶合成（A+B)雙層成分（圖6-8)。該方法僅適用于已知金屬凝固速度，以及所需要的合成坯料的層厚時。由于鑄錠內的合金化，必須保證坯料中心可得到需要的合金成分（A+B).用該方法生產鑄造的鋼10+60雙金屬坯料效果非常好；生產的坯料可擠壓軋制成復合鋼管或復合型材。該方法也可用于生產鉆探管。

  雙層金屬坯料也可(ke)用(yong)離心澆鑄的方法(fa)獲得，然后經過擠壓或皮爾格軋制加(jia)工(gong)成(cheng)雙層金屬復合成(cheng)品鋼(gang)管。

  采(cai)用(yong)爆炸(zha)成型方(fang)法使兩(liang)層不同金(jin)屬結(jie)合(he)時(shi)，其結(jie)合(he)不僅是爆炸(zha)波作用(yong)的(de)結(jie)果(guo)，也是輻射加熱的(de)結(jie)果(guo)。

 b. 變(bian)形法(fa)獲得復(fu)合管

  采(cai)用變形方(fang)法使兩層金屬(shu)結合的方(fang)法有：

  ①. 互(hu)相(xiang)插入(ru)不同材料的空(kong)心管坯組合(he)而成的擠壓坯料（圖6-9).

  ②. 在實心坯熱穿孔后，放入管狀空心坯并進一步擠壓成復合管（圖6-10).擠壓組合的空心坯時，采用帶塑性心部－鋼質芯棒的雙層原始坯料擠壓具有小直徑內孔的厚壁復合管。

2. 不銹鋼(gang)復合管的熱擠壓工(gong)藝(yi)試驗

  為了簡化(hua)工藝、改善復合(he)管(guan)質量，在(zai)立式穿(chuan)孔機上(shang)通過(guo)熱穿(chuan)孔獲得雙金屬坯(pi)料(liao)，然后在(zai)臥式擠壓機上(shang)通過(guo)熱擠壓方(fang)法獲得雙層金屬毛管(guan)，最后在(zai)皮爾格軋管(guan)機上(shang)通過(guo)冷軋得到(dao)雙金屬復合(he)成品鋼管(guan)的工藝試驗。

  將工(gong)頻感(gan)應加熱(re)爐加熱(re)的(de)(de)(de)(de)坯(pi)(pi)(pi)(pi)料(liao)送(song)入立式穿(chuan)孔(kong)(kong)機的(de)(de)(de)(de)穿(chuan)孔(kong)(kong)筒內，在穿(chuan)孔(kong)(kong)頭的(de)(de)(de)(de)上面固定有冷(leng)態的(de)(de)(de)(de)高合(he)(he)(he)金(jin)(jin)鋼厚壁(bi)管。在坯(pi)(pi)(pi)(pi)料(liao)進行穿(chuan)孔(kong)(kong)時，安置(zhi)在穿(chuan)孔(kong)(kong)頭上部的(de)(de)(de)(de)厚壁(bi)管坯(pi)(pi)(pi)(pi)裝入被穿(chuan)孔(kong)(kong)頭穿(chuan)出的(de)(de)(de)(de)內孔(kong)(kong)，形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)雙(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)空心坯(pi)(pi)(pi)(pi)的(de)(de)(de)(de)內層(ceng)(ceng)(ceng)。在確(que)定被用(yong)來(lai)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)組合(he)(he)(he)坯(pi)(pi)(pi)(pi)料(liao)內層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)厚壁(bi)管坯(pi)(pi)(pi)(pi)長度時，應考慮到穿(chuan)孔(kong)(kong)過程中空心坯(pi)(pi)(pi)(pi)料(liao)的(de)(de)(de)(de)高度會有所增加（圖6-11),穿(chuan)孔(kong)(kong)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)雙(shuang)層(ceng)(ceng)(ceng)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)坯(pi)(pi)(pi)(pi)料(liao)再(zai)經(jing)工(gong)頻感(gan)應再(zai)加熱(re)爐再(zai)加熱(re)到擠壓溫度并(bing)擠壓成(cheng)(cheng)(cheng)雙(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)復合(he)(he)(he)管。用(yong)該工(gong)藝獲得的(de)(de)(de)(de)雙(shuang)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)復合(he)(he)(he)管坯(pi)(pi)(pi)(pi)，大大地減(jian)少了(le)基層(ceng)(ceng)(ceng)和復合(he)(he)(he)層(ceng)(ceng)(ceng)之間氧化膜的(de)(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)，改善了(le)兩層(ceng)(ceng)(ceng)不同金(jin)(jin)屬(shu)(shu)(shu)間的(de)(de)(de)(de)結合(he)(he)(he)質量。

  具有(you)耐蝕鋼(gang)(gang)內層的原始(shi)組合坯料和不(bu)(bu)銹鋼(gang)(gang)復合管的材料及尺寸配合情況見(jian)表6-7。通過擠壓可獲得規(gui)格(ge)為φ95mm×7mm和φ86mm×4mm的復合管。其中(zhong)，φ95mm×7mm 鋼(gang)(gang)管在(zai)皮爾格(ge)軋機上可冷軋出規(gui)格(ge)為φ61mm×4mm、φ38mm×3mm的不(bu)(bu)銹鋼(gang)(gang)復合鋼(gang)(gang)管；ф86mm×4mm 鋼(gang)(gang)管加熱后進入(ru)13機架（微(wei)）張力定(ding)（減）徑機，減徑成規(gui)格(ge)為Φ45mm×3.5mm的不(bu)(bu)銹鋼(gang)(gang)復合鋼(gang)(gang)管。

  擠壓不(bu)銹鋼管時，擠壓過程穩定，但擠壓開始階段與穩定階段的各層金屬流動稍有差異，致使不銹鋼復合管前端一小段上存在兩層尺寸的實際值與要求值的偏差，這是由于擠壓開始時，坯料內層金屬相對于外層金屬存在著更有力的流動的結果（圖6-12)。

3. 不銹鋼復合管(guan)變形時(shi)雙(shuang)層結合表面的增(zeng)加

  不銹鋼復合(he)(he)管雙層的(de)(de)焊合(he)(he)質量在很大程度(du)上與(yu)(yu)變形時附著(zhu)表面的(de)(de)增加(jia)(jia)有(you)關。把表面增加(jia)(jia)程度(du)定義為伸長(chang)率(lv)入變形后的(de)(de)表面與(yu)(yu)原(yuan)始表面的(de)(de)比值。因(yin)此，復合(he)(he)管外表面增加(jia)(jia)程度(du)為：

  研究結果表明，復合管內表面增加程度比外表面增加程度約大一倍；結合層表面增加程度在外表面和內表面增加程度之間，而且與變形程度并不存在線性比例關系；相同規格的雙層管坯在進行大小不同的變形時，可能得到相同的表面增加程度（例如無論是在A_x=120或A_x=240變形時，都可得到30的結合表面增加程度），這是因為復合管壁厚和直徑對結合層表面增加程度有影響。

  實踐(jian)證(zheng)明，在采(cai)用壓力加工方法生產不(bu)銹(xiu)鋼復合(he)管時，由于變形程度保證(zheng)了(le)原始的結(jie)合(he)表面積至少增(zeng)加了(le)8倍，使得兩層(ceng)不(bu)同材料能充(chong)分地焊(han)合(he)。

4. 不(bu)銹鋼復合管的內(nei)表面質量(liang)

當不銹(xiu)耐酸鋼(gang)復合管(guan)與(yu)腐(fu)蝕介質(zhi)接觸時，表面顯微不平度將(jiang)嚴重影響到其腐(fu)蝕速(su)度（表6-8)。

從表6-8可以看出：

   a. 在相同的加工條件下，復合管表面顯微不平度強烈地取決于復合材料的力學性能，用321不銹鋼制成的復合管內層，比用0Cr17Ti的顯微不平度小很多。因此可以認為，變形抗力高的復合管比變形抗力低的表面光潔度要高。

   b. 在(zai)相同的加工(gong)條(tiao)件下，復合管橫向上的表面(mian)顯微不平(ping)度比縱向的大。

  c. 不銹鋼復(fu)合(he)管(guan)在(zai)皮爾格冷軋管(guan)機上冷軋后，可降低復(fu)合(he)管(guan)的(de)顯微不平度(du)(du)，同時(shi)也(ye)減小了粗糙度(du)(du)的(de)離散程(cheng)度(du)(du)。

5. 不銹(xiu)鋼復合管基體(ti)材(cai)料內(nei)碳的擴散

   不銹(xiu)鋼(gang)復(fu)合管基體材料內碳(tan)的擴散層深度見(jian)表6-9.

   從表6-9中(zhong)可(ke)以看出，06Cr18Ni11Ti+35鋼(gang)復合(he)(he)管(guan)(guan)中(zhong)碳的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)層(ceng)(ceng)(ceng)深(shen)度，在(zai)擠壓(ya)和冷(leng)軋(ya)(ya)(ya)后為(wei)0.07~0.10mm,鋼(gang)管(guan)(guan)在(zai)冷(leng)軋(ya)(ya)(ya)和930℃熱處理后，擴(kuo)(kuo)散(san)(san)值增大到0.12mm。05Cr17Ni13Ti+35 鋼(gang)復合(he)(he)管(guan)(guan)中(zhong)碳的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)層(ceng)(ceng)(ceng)關(guan)系(xi)是(shi)類(lei)似的(de)(de)(de)；06Cr18Ni11Ti+13Cr+13Cr4Mo4 復合(he)(he)管(guan)(guan)經皮(pi)爾格軋(ya)(ya)(ya)管(guan)(guan)機冷(leng)軋(ya)(ya)(ya)＋兩次930℃熱處理后，擴(kuo)(kuo)散(san)(san)層(ceng)(ceng)(ceng)變得特(te)別深(shen)。如果不(bu)形成柱狀晶(jing)組織(zhi)，則在(zai)結(jie)合(he)(he)層(ceng)(ceng)(ceng)表面附近擴(kuo)(kuo)散(san)(san)區域的(de)(de)(de)寬度為(wei)0.4mm.由于基體材料中(zhong)形成的(de)(de)(de)碳化(hua)物(wu)，包括(kuo)鉻和鉬的(de)(de)(de)碳化(hua)物(wu)，碳向(xiang)復合(he)(he)材料中(zhong)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)減少。0Cr17Ti+35鋼(gang)復合(he)(he)管(guan)(guan)含有(you)1%的(de)(de)(de)鈦(tai)，基體材料中(zhong)的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)層(ceng)(ceng)(ceng)非常(chang)明顯；在(zai)軋(ya)(ya)(ya)管(guan)(guan)機上(shang)冷(leng)軋(ya)(ya)(ya)和熱處理后，擴(kuo)(kuo)散(san)(san)層(ceng)(ceng)(ceng)深(shen)度比(bi)同類(lei)的(de)(de)(de)復合(he)(he)材料0Cr17NiTi管(guan)(guan)的(de)(de)(de)要小(xiao)。當(dang)在(zai)擠壓(ya)＋軋(ya)(ya)(ya)制或皮(pi)爾格軋(ya)(ya)(ya)管(guan)(guan)機上(shang)冷(leng)軋(ya)(ya)(ya)＋870℃下熱處理，則擴(kuo)(kuo)散(san)(san)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)寬度為(wei)0.30~0.38mm,同時在(zai)擴(kuo)(kuo)散(san)(san)方(fang)向(xiang)上(shang)形成了(le)定向(xiang)排(pai)列的(de)(de)(de)柱狀晶(jing)。

  含高(gao)鈦和(he)鉻的復合層材料熱處(chu)理(li)時，由(you)于合金元(yuan)素使活(huo)性降(jiang)低，從基體鋼中接收碳的傾(qing)向較高(gao)。

6. 不銹鋼厚(hou)壁復合管(guan)的擠壓

 為了獲(huo)得小直(zhi)徑的(de)不銹鋼厚壁復合管（如內徑為10~15mm、壁厚為10mm),采用(yong)帶(dai)不固定芯(xin)(xin)棒的(de)坯料擠壓工藝是較為理(li)想的(de)選擇。芯(xin)(xin)棒采用(yong)塑性的(de)鋼質芯(xin)(xin)桿。

  例(li)如，采用1Mn18Cr12V 塑性芯棒(bang)，將φ145mm雙層金(jin)(jin)屬(shu)(shu)坯料經(jing)一次(ci)擠(ji)壓成ф26mm復合管，外層基體金(jin)(jin)屬(shu)(shu)為55CrNiMoV鋼，內部(bu)復合層金(jin)(jin)屬(shu)(shu)為1Cr24Al鋼。從擠(ji)壓后壓余的縱向和(he)徑向截面可以看出，在變形(xing)時所(suo)有三層材料的金(jin)(jin)屬(shu)(shu)流動是(shi)對稱的（圖6-13).

  采(cai)用熱擠壓工藝生產不銹(xiu)鋼(gang)復合管時(shi)，鋼(gang)質芯棒也發生塑性變形(xing)，結合層(ceng)表(biao)面增加程度與(yu)外表(biao)面增加程度幾乎相等。