不銹鋼復(fù)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(dú)特的性能，如高的導(dǎo)熱性、電磁滲透率、強(qiáng)度極限、不大的熱膨脹性能等。這為設(shè)計(jì)和制造具有新工藝特性的裝備提供了可能。除此之外，不銹鋼復(fù)合管的應(yīng)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(duì)焊比單一高合金管更加復(fù)雜。

一、影響兩層不同材料結(jié)合的因素

 在制造不銹鋼復(fù)合管時(shí)，影響兩層不同材料結(jié)合的主要因素為：

  1. 結(jié)合表面的精確裝配及其實(shí)際接觸面積的大小

    與結(jié)合表面的精確對(duì)正及其有效接觸面積的大小有關(guān)的是表面能、表面氧化膜，結(jié)晶取向、缺、、缺陷（如位移、晶界、各相的相對(duì)位置、顯微裂紋等）。物理化學(xué)研究表明，幾何的理想表面與物理真實(shí)的兩層接觸表面大小的比值可取1:50~1:12。

  2. 金屬的化學(xué)成分

   鋼中添加合金元素可降低接觸層的焊合能力。

  3. 表面層和中間層的表面質(zhì)量

   金屬層氧化膜的成分和性能對(duì)兩層不同金屬的結(jié)合強(qiáng)度有著本質(zhì)影響。在大氣介質(zhì)中或在壓強(qiáng)為1.33×10^-4Pa以下的真空中加熱時(shí)，其形成的氧化膜對(duì)兩層不同材料的結(jié)合質(zhì)量有著不良影響。如果氧化膜很脆，并在變形時(shí)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(guò)程就較容易進(jìn)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(jié)合質(zhì)量明顯變壞，可借助于電解沉積方法得到的鎳中間層來(lái)消除。

  4. 結(jié)合層表面的應(yīng)力狀態(tài)

   在變形過(guò)程中，兩層不同金屬的接觸表面不僅明顯增大，而且接觸表面上有較高的壓應(yīng)力，使結(jié)合層的焊合質(zhì)量得到提高。因此，在復(fù)合管的生產(chǎn)中，采用擠壓法和拉拔法以及皮爾格軋制法進(jìn)行變形。由于橫軋或螺旋軋制金屬在變形過(guò)程中存在切向拉應(yīng)力，因此不能采用這兩種方法。

  5. 塑性變形時(shí)的接觸表面和溫度

   兩層不同材料結(jié)合表面的增大，對(duì)于在各層同時(shí)變形過(guò)程中的焊合具有決定性的作用。因?yàn)?，其形成的接觸表面具有很大的能量，而兩層不同金屬結(jié)合的最大強(qiáng)度是在高溫變形時(shí)獲得的。這是因?yàn)槎鄶?shù)金屬在高溫變形的條件下，塑性提高，且擴(kuò)散也更迅速。

二、不銹鋼復(fù)合管坯料的制造方法

1. 不銹鋼復(fù)合管的生產(chǎn)方法

  不銹鋼復(fù)合管的生產(chǎn)方法有多種，可以按雙層坯料制造的方法來(lái)區(qū)分，也可以按所采用的變形方法來(lái)區(qū)分。

  按照兩層不同材料的結(jié)合方法，可將復(fù)合管生產(chǎn)分為兩類，即以雙層鑄坯、離心澆鑄和爆炸成形等非變形方法和各種變形方法。

   a. 非變形法獲得復(fù)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(jīng)過(guò)澆鑄漏斗向鋼錠模內(nèi)注入高度為H₁的鋼A,當(dāng)金屬液從外向內(nèi)逐漸結(jié)晶到一定程度時(shí)，再注入高度為H₂的鋼B,此時(shí)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(shí)。由于鑄錠內(nèi)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(chǎn)鑄造的鋼10+60雙金屬坯料效果非常好；生產(chǎn)的坯料可擠壓軋制成復(fù)合鋼管或復(fù)合型材。該方法也可用于生產(chǎn)鉆探管。

  雙層金屬坯料也可用離心澆鑄的方法獲得，然后經(jīng)過(guò)擠壓或皮爾格軋制加工成雙層金屬?gòu)?fù)合成品鋼管。

  采用爆炸成型方法使兩層不同金屬結(jié)合時(shí)，其結(jié)合不僅是爆炸波作用的結(jié)果，也是輻射加熱的結(jié)果。

 b. 變形法獲得復(fù)合管

  采用變形方法使兩層金屬結(jié)合的方法有：

  ①. 互相插入不同材料的空心管坯組合而成的擠壓坯料（圖6-9).

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

2. 不銹鋼復(fù)合管的熱擠壓工藝試驗(yàn)

  為了簡(jiǎn)化工藝、改善復(fù)合管質(zhì)量，在立式穿孔機(jī)上通過(guò)熱穿孔獲得雙金屬坯料，然后在臥式擠壓機(jī)上通過(guò)熱擠壓方法獲得雙層金屬毛管，最后在皮爾格軋管機(jī)上通過(guò)冷軋得到雙金屬?gòu)?fù)合成品鋼管的工藝試驗(yàn)。

  將工頻感應(yīng)加熱爐加熱的坯料送入立式穿孔機(jī)的穿孔筒內(nèi)，在穿孔頭的上面固定有冷態(tài)的高合金鋼厚壁管。在坯料進(jìn)行穿孔時(shí)，安置在穿孔頭上部的厚壁管坯裝入被穿孔頭穿出的內(nèi)孔，形成雙金屬空心坯的內(nèi)層。在確定被用來(lái)形成組合坯料內(nèi)層的厚壁管坯長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮到穿孔過(guò)程中空心坯料的高度會(huì)有所增加（圖6-11),穿孔成的雙層金屬坯料再經(jīng)工頻感應(yīng)再加熱爐再加熱到擠壓溫度并擠壓成雙金屬?gòu)?fù)合管。用該工藝獲得的雙金屬?gòu)?fù)合管坯，大大地減少了基層和復(fù)合層之間氧化膜的形成，改善了兩層不同金屬間的結(jié)合質(zhì)量。

  具有耐蝕鋼內(nèi)層的原始組合坯料和不銹鋼復(fù)合管的材料及尺寸配合情況見(jiàn)表6-7。通過(guò)擠壓可獲得規(guī)格為φ95mm×7mm和φ86mm×4mm的復(fù)合管。其中，φ95mm×7mm 鋼管在皮爾格軋機(jī)上可冷軋出規(guī)格為φ61mm×4mm、φ38mm×3mm的不銹鋼復(fù)合鋼管；ф86mm×4mm 鋼管加熱后進(jìn)入13機(jī)架（微）張力定（減）徑機(jī)，減徑成規(guī)格為Φ45mm×3.5mm的不銹鋼復(fù)合鋼管。

  擠壓不銹鋼管時(shí)，擠壓過(guò)程穩(wěn)定，但擠壓開(kāi)始階段與穩(wěn)定階段的各層金屬流動(dòng)稍有差異，致使不銹鋼復(fù)合管前端一小段上存在兩層尺寸的實(shí)際值與要求值的偏差，這是由于擠壓開(kāi)始時(shí)，坯料內(nèi)層金屬相對(duì)于外層金屬存在著更有力的流動(dòng)的結(jié)果（圖6-12)。

3. 不銹鋼復(fù)合管變形時(shí)雙層結(jié)合表面的增加

  不銹鋼復(fù)合管雙層的焊合質(zhì)量在很大程度上與變形時(shí)附著表面的增加有關(guān)。把表面增加程度定義為伸長(zhǎng)率入變形后的表面與原始表面的比值。因此，復(fù)合管外表面增加程度為：

  研究結(jié)果表明，復(fù)合管內(nèi)表面增加程度比外表面增加程度約大一倍；結(jié)合層表面增加程度在外表面和內(nèi)表面增加程度之間，而且與變形程度并不存在線性比例關(guān)系；相同規(guī)格的雙層管坯在進(jìn)行大小不同的變形時(shí)，可能得到相同的表面增加程度（例如無(wú)論是在A_x=120或A_x=240變形時(shí)，都可得到30的結(jié)合表面增加程度），這是因?yàn)閺?fù)合管壁厚和直徑對(duì)結(jié)合層表面增加程度有影響。

  實(shí)踐證明，在采用壓力加工方法生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合管時(shí)，由于變形程度保證了原始的結(jié)合表面積至少增加了8倍，使得兩層不同材料能充分地焊合。

4. 不銹鋼復(fù)合管的內(nèi)表面質(zhì)量

當(dāng)不銹耐酸鋼復(fù)合管與腐蝕介質(zhì)接觸時(shí)，表面顯微不平度將嚴(yán)重影響到其腐蝕速度（表6-8)。

從表6-8可以看出：

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

   b. 在相同的加工條件下，復(fù)合管橫向上的表面顯微不平度比縱向的大。

  c. 不銹鋼復(fù)合管在皮爾格冷軋管機(jī)上冷軋后，可降低復(fù)合管的顯微不平度，同時(shí)也減小了粗糙度的離散程度。

5. 不銹鋼復(fù)合管基體材料內(nèi)碳的擴(kuò)散

   不銹鋼復(fù)合管基體材料內(nèi)碳的擴(kuò)散層深度見(jiàn)表6-9.

   從表6-9中可以看出，06Cr18Ni11Ti+35鋼復(fù)合管中碳的擴(kuò)散層深度，在擠壓和冷軋后為0.07~0.10mm,鋼管在冷軋和930℃熱處理后，擴(kuò)散值增大到0.12mm。05Cr17Ni13Ti+35 鋼復(fù)合管中碳的擴(kuò)散層關(guān)系是類似的；06Cr18Ni11Ti+13Cr+13Cr4Mo4 復(fù)合管經(jīng)皮爾格軋管機(jī)冷軋＋兩次930℃熱處理后，擴(kuò)散層變得特別深。如果不形成柱狀晶組織，則在結(jié)合層表面附近擴(kuò)散區(qū)域的寬度為0.4mm.由于基體材料中形成的碳化物，包括鉻和鉬的碳化物，碳向復(fù)合材料中的擴(kuò)散減少。0Cr17Ti+35鋼復(fù)合管含有1%的鈦，基體材料中的擴(kuò)散層非常明顯；在軋管機(jī)上冷軋和熱處理后，擴(kuò)散層深度比同類的復(fù)合材料0Cr17NiTi管的要小。當(dāng)在擠壓＋軋制或皮爾格軋管機(jī)上冷軋＋870℃下熱處理，則擴(kuò)散層的寬度為0.30~0.38mm,同時(shí)在擴(kuò)散方向上形成了定向排列的柱狀晶。

  含高鈦和鉻的復(fù)合層材料熱處理時(shí)，由于合金元素使活性降低，從基體鋼中接收碳的傾向較高。

6. 不銹鋼厚壁復(fù)合管的擠壓

 為了獲得小直徑的不銹鋼厚壁復(fù)合管（如內(nèi)徑為10~15mm、壁厚為10mm),采用帶不固定芯棒的坯料擠壓工藝是較為理想的選擇。芯棒采用塑性的鋼質(zhì)芯桿。

  例如，采用1Mn18Cr12V 塑性芯棒，將φ145mm雙層金屬坯料經(jīng)一次擠壓成ф26mm復(fù)合管，外層基體金屬為55CrNiMoV鋼，內(nèi)部復(fù)合層金屬為1Cr24Al鋼。從擠壓后壓余的縱向和徑向截面可以看出，在變形時(shí)所有三層材料的金屬流動(dòng)是對(duì)稱的（圖6-13).

  采用熱擠壓工藝生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合管時(shí)，鋼質(zhì)芯棒也發(fā)生塑性變形，結(jié)合層表面增加程度與外表面增加程度幾乎相等。