[发明专利]一种减重金属杆及其加工方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种变密度减重金属杆及其加工成型方法。

背景技术

在航空、军工和石油等特殊领域，为减轻设备的工作负荷需采用轻质减重的金属杆材，一般使用的减重金属杆材为空心金属杆或自身密度较低的实心金属杆材。

例如，有杆泵是石油开采时所经常使用的一种设备，其上的抽油杆是抽油机井的细长杆件，抽油杆上接总杆，下接抽油泵起传递动力的作用。一般的抽油杆单根长度为六米，材质一般为高碳钢表面镀硬铬，在油管内用内螺纹箍多根抽油杆连接起来一直延伸到地下三千余米深的油层处的活塞上，通过往复运动来泵油。

抽油杆的断脱主要受交变负荷(最大负荷与最小负荷之差)和最大负荷的影响，而工作负荷的大小与抽油杆的重量成正比，为了减小工作负荷，减少断脱等事故的发生，需使用重量轻的抽油杆。一般常见的减重抽油杆有铝合金实心抽油杆、玻璃钢实心抽油杆和空心钢质抽油杆。其中：铝合金实心抽油杆强度低，使用性能及寿命明显低于普通钢质抽油杆；玻璃钢实心抽油杆一方面不能承受压缩载荷，在玻璃钢抽油杆的实际应用当中，由于泵卡、活塞下行慢等原因，杆容易受压而弯曲劈裂，另一方面该种材料的抽油杆价格比普通钢质抽油杆高出约1倍；空心钢质抽油杆的强度很难满足工作强度的需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种成本低、强度较高的减重金属杆的加工方法。

所提供的加工方法具体按下述步骤实现：

步骤一，准备坯料：将粒径为1～3mm的金属粉末装入外部直径为20～150mm、壁厚≥3mm的金属管套中，接着将金属管套两端封口；

步骤二，成形处理：对准备好的坯料进行成形处理得到减重金属杆，其中的成形处理采取挤压方法或轧制方法；

所述挤压方法的工艺参数为：挤压模具的挤压系数为1.5～3、半模角为30°～45°、工作带长度为2～10mm，挤压速度≤10mm/s，挤压温度为20℃～1150℃，热挤压时挤压模具的预热温度为100℃～200℃；

所述轧制方法的工艺参数为：轧辊上的轧制孔型为带圆弧侧壁的圆孔型，轧制孔型高度比金属套管外部直径小2～5mm，轧制孔型侧壁开口角25°～30°，延伸系数为1.1～1.3，轧制速度≤3m/s，轧制温度为20℃～1150℃。

所述挤压模具的材质为5CrNiMo或45#碳钢。

所述轧辊的材质为5CrNiMo或45#碳钢。

所述金属粉末的材质为铝材、铅材或钢材，所述金属管套的材质为铝材、铅材或钢材。

与现有技术相比，本发明所提供的方法具有如下的特点：

(1)材料几何尺寸配比明显不同：传统包套挤压中金属包套的壁一般为1～3毫米，而本发明中的金属包套的壁厚是根据实际工作强度的需要而确定，其壁厚一般大于3mm，可以增加到金属管套外部半径的50％以上，达到40mm。

(2)以往的包套挤压成型方法中，在成形后，将包套(即套管)用化学或物理的方法去掉，只保留内部变形后棒材材料，而本发明的方法，保留包套为棒材的重要组成部分；

(3)本发明的方法中挤压成形工艺中的重要参数-挤压系数(挤压前后制品断面积比)不再追求尽量大的挤压比(一般一次性成形挤压系数可达8～12)，为获得内部有孔隙的金属棒，其挤压系数减小到3以下。

(4)与传统的棒材复合轧制成形工艺相比，延伸系数(轧制工艺中，将轧制前后轧件断面积之比称为延伸系数)将减小为一般轧制复合的60％以下，一般为1.1～1.3。

同时，采用本发明的方法加工的减重金属杆与现有的减重金属杆相比具有如下的特点：

(1)金属管套内层粉末塑性变形后不是致密的，而是有一定孔隙率(10％-20％)，密度发生了变化，比标准密度低。

(2)由于杆内部密度低，杆材重量得以减少10％-20％。

(3)与外层金属管套内外径相同的空心管材相比，由于内部基本被塑性变形后的粉末充满，其拉伸强度、弯曲性能等性能更好。

(4)由于金属粉末价格便宜，此金属杆加工成本低，所以与同材质标准密度金属杆相比，成本较低。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述方法所加工的减重金属杆。

所提供的减重金属杆包括金属管套，该金属管套内有孔隙率为10％～20％的金属棒，该金属棒的直径与所述金属管套的内部直径相同。