泵车用高分子与贝氏体复合弯管技术领域
本发明属于管材领域，尤其涉及一种专用于泵车的弯管。
背景技术
混凝土泵车是城市高层建筑建设过程中输送混凝土的专用设备，主要部分由车体、泵和管道等组成，而管道部分有直管和弯管。从失效形式来看，弯管是最容易失效的零件，寿命最短，更换周期短，需求量最大，是泵车最易损部件。最短的3天左右就要更换一次弯管。
传统的弯管主要有二种：高锰钢和低合金管。高锰钢是目前最主要的弯管材料，其组织为奥氏体，这种组织韧性高，硬度低，主要适用于有高冲击载荷的工况条件，高的冲击会使工件表面的奥氏体产生加工硬化，从而提高工件表面的耐磨性，而心部仍然保留软的奥氏体组织，这样整个工件的韧性不受影响。其最后的生产工艺需要高温固溶处理（水淬），使碳全部固溶于奥氏体中，提高其耐磨性。
低合金弯管是靠弯管本身具有的高硬度的马氏体组织来抗磨的，需要加入提高淬透性的合金元素，如Cr，Mo等贵重元素，价格高。其特点是硬度高，韧性低，适合于冲击载荷小的工况条件下使用，这种钢需要经过淬火和回火热处理，生产周期长。
细晶贝氏体弯管是在普通低合金弯管基础上发展起来的一种具有低成本，综合性能好的低合金弯管。其组织不但晶粒细小、硬度高，韧性也高，综合性能好，不但适合于高耐磨条件下，而且也可用于具有一定冲击的工况。其组织为下贝氏体。此外，成本低，体现在二个方面：一是不需要添加贵重合金元素（Cr和Mo等），加入的普通合金元素Si和Mn含量都不高（低于5%），而高锰钢加入的Mn高达13%，所以成本远低于高锰钢和低合金钢。传统的贝氏体钢为了得到贝氏体，都要加入贵重合金元素如Mo。二是生产工艺短，采用等温淬火，热处理温度低，不需要水或油来冷却，所以生产过程中更加环保。
从泵车弯管的使用来看，高锰钢占据大部分，因为其成本较普通低合金钢弯管低，另外，其韧性好，适用面广。而普通低合金弯管价格高，仅在输送混凝土耐磨性高的场合使用。本专利所涉及的细晶贝氏体弯管性价比高，实际工况使用条件下，耐磨性分别是高锰钢的2倍，低合金的0.9倍。而成本既低于高锰钢，更显著普通低于低合金弯管。在市场上体现出了较强的竞争优势。
另外还有一种用含铬铸铁制造的弯管，虽然硬度高，耐磨性好，但由于这种铸铁韧性很低，使用场合受到限制。
单一材质的贝氏体弯管与其他材质的弯管相比尽管综合性能好，性价比也高，但在一些要求高耐磨高韧性工况条件下，韧性不能完全满足要求，偶尔会出现破管现象，带来了一定的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种高分子与细晶贝氏体复合的弯管，克服了单一贝氏体弯管由于韧性的不足带来的安全问题，该复合弯管在用于要求更高韧性高冲击的工况条件下保证弯管不会因为破裂而出现安全问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种泵车用高分子与贝氏体复合弯管，包括贝氏体弯管，还包括在所述贝氏体弯管外周面热收缩紧固包覆的一层高分子层。
所述贝氏体弯管可以是贝氏体钢弯管，也可以是贝氏体铁弯管。
作为优选方式，所述高分子层由加热收缩紧固于所述贝氏体弯管外周面的完整高分子热缩套构成。
作为优选方式，所述高分子层由挤塑后立即缠绕紧固于所述贝氏体弯管外周面的高分子带状物构成。
作为优选方式，所述高分子层由注塑覆盖紧固于所述贝氏体弯管外周面的一体高分子覆膜构成。作为优选方式，所述高分子覆膜为玻纤增强聚丙烯或者玻纤增强尼龙，玻纤质量百分比含量为20-40%。
一种高耐磨贝氏体铁，由下述质量百分比的合金元素构成：
C 2.6%～4.5%；
Si 1.5%～3.8%；
Mn 1.0%～3.0%；
Cr 0%～4.0%；
Mg 0%～0.18%
RE 0.%～0.05%
其余为铁和杂质元素。其中RE表示稀土元素，下同。
作为优选方式，HRC≥55，Ak≥10J时，所述高耐磨贝氏体铁各合金元素的质量百分比为：
C 2.6%～3.2%；
Si 1.5%～2.5%；
Mn 1.9%～2.5%；
Cr 0.2%～1.8%；
Mg 0.05%～0.08%
RE 0.01%～0.04%
其余为铁和杂质元素。
作为优选方式，HRC≥61，Ak≥8J时，所述高耐磨贝氏体铁各合金元素的质量百分比为：
C 3.0%～4.1%；
Si 2.8%～3.2%；
Mn 1.8%～2.3%；
Cr 1.7%～2.8%；
Mg 0.07%～0.13%
RE 0.01%～0.05%
其余为铁和杂质元素。
作为优选方式，HRC≥66，Ak≥5J时，所述高耐磨贝氏体铁各合金元素的质量百分比为：
C 3.6%～4.5%；
Si 2.5%～3.7%；
Mn 2.6%～3.0%；
Cr 2.2%～4.0%；
Mg 0.07%～0.18%
RE 0.01%～0.05%
其余为铁和杂质元素。
上述各高耐磨贝氏体铁可用于本发明制造弯管，满足高耐磨工况条件。
本发明的有益效果：为了提高复合弯管整体的韧性，克服单一贝氏体钢（铁）在较高冲击工况条件下韧性不足带来的安全隐患，从而限制了其在较高冲击条件下的使用。本发明利用高分子材料包覆于弯管外周，尤其是利用高分子的热收缩性与弯管紧密结合成一有机整体：外层高分子热加工后在逐渐收缩的过程中紧固内层贝氏体钢（铁），高分子外层内部结构在逐渐冷却时发生变化与内层贝氏体钢（铁）匹配适应，使之最终具有优异的整体力学性能，而不是相割裂的贝氏体和高分子外套，使得高分子层能真正弥补内层贝氏体钢（铁）韧性不足，形成整体的较高韧性，同时又保留了贝氏体弯管的高耐磨性，因此，本复合弯管整体保留高耐磨性时，能适用于要求更高韧性和更高冲击的工况条件下。
另外，本发明的复合弯管保留了贝氏体弯管的高耐磨性，又利用高分子的高塑性，在一旦贝氏体弯管破裂的意外情况下，高分子外层避免破裂的钢片散开，有效保障弯管使用过程中的安全，从而提高弯管的安全性。
众所周知，在材料领域，要研发一种新型材料的配方很不容易，需要投入大量的时间、人力、财力，最后得到的材料也未必达到预期设想。而本发明的复合弯管利用最简单、经济的方案即可解决贝氏体弯管实际工程应用中一直存在的难题，可以将贝氏体弯管用于高冲击工况条件下，取得了预料不到的效果，同时又具有制造成本低，生产工艺简单，综合机械性能优异等特点。
本发明的弯管可以使用本申请人之前的专利申请中公开的贝氏体钢制作：中国发明专利申请，专利申请号：201010204483.9，公开号：CN 101892426A中。
另外，为了满足更高耐磨性的工况条件下，可以使用前述的高耐磨贝氏体铁制作弯管。其中，各合金元素在系列贝氏体弯管中的作用在于：
对比于前述在先申请专利的贝氏体钢，其中的Si、Mn、Cr的变化较小，其作用与先申请专利相同。而C有很大变化，本专利提高了C浓度，获得更多的渗碳体型碳化物，以提高弯管的耐磨性。另外加入稀土可以改善金相组织，有利于性能的提高，与Mg一样，可以有利于石墨的球化。
一定含量的Mn推迟珠光体转变的作用比抑制贝氏体转变的能力强，从而起到提高贝氏体的获得能力。而且Mn还能有效降低贝氏体和马氏体转变温度，使所获得的组织细化，在一定的热处理冷却条件下获得贝氏体/马氏体的复相组织。
Si是非碳化物形成元素，一定含量的Si能有效抑制贝氏体转变过程中碳化物的析出，使未转变的奥氏体形成残余奥氏体。残余奥氏体对提高钢的韧性起到重要作用，在冲击磨损的条件下有利于阻止裂纹的形成和扩展，有效提高耐磨性。
Cr是提高淬透性的有效元素，并能细化组织，因此根据产品的规格，添加一定含量的Cr能保证铸件整个截面上组织均匀，性能稳定。
附图说明
图1是本发明实施例中高分子层为高分子热缩套或高分子带状物的结构示意图；
图2是图1的剖视图；
其中1为弯管、2为高分子热缩套或高分子带状物；
图3是本发明实施例中高分子层为高分子覆膜的剖视图；
图4是图3的剖视图；
其中1为弯管、3为高分子覆膜。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
1、贝氏体弯管的制备，贝氏体弯管有二组化学成分，二组不同的化学成分的贝氏体弯管用于不同的场合：
（1）第一组贝氏体弯管的制备：
第一组成分为本申请人之前的专利申请中公开的贝氏体钢（中国发明专利申请，专利申请号：201010204483.9，公开号：CN 101892426A中）：
一种贝氏体弯管，其特征在于，由下述质量百分比的合金元素构成：
C 0.1%～0.7%；
Si 0%～2.5%；
Mn 0.5%～4.5%；
Cr 0.2%～3.5%；
其余为铁和杂质元素。
作为优选，HRC≥35，Ak≥50J时，所述各合金元素的质量百分比为：
C 0.1%～0.25%；
Si 0%～0.8%；
Mn 0.5%～2%；
Cr 0.2%～0.8%；
其余为铁和杂质元素。
作为优选，HRC≥45，Ak≥120J时，所述各合金元素的质量百分比为：
C 0.2%～0.45%；
Si 0.3%～1.5%；
Mn 0.5%～3%；
Cr 0.2%～1.2%；
其余为铁和杂质元素。
作为优选，HRC≥55，Ak≥50J时，所述各合金元素的质量百分比为：
C 0.35%～0.7%；
Si 0.6%～2.5%；
Mn 1.8%～4.5%；
Cr 0.8%～3.5%；
其余为铁和杂质元素。
一种上述贝氏体弯管的制备方法，包括以下步骤：
A、按照比例配置的原料采用常规方法在中频炉或电弧炉中熔炼，加入Al和CaSi进行脱氧；
B、熔炼后的原料进行炉外精炼，通过砂型铸造或熔模铸造工艺生产出坯件产品；
C、坯件升温至400～700℃，保温30～210分钟，升温至800～1300℃，保温30～180分钟，出炉冷却5～30分钟，冷却至400～100℃，回火，保温1～5小时；
D、空冷至室温。
作为优选，在所述步骤A中加入的Al占钢水质量的0.1%～0.2%，CaSi占钢水质量的0.1%～0.2%。
（2）第二组贝氏体弯管的制备：
第二组用于要求更高耐磨性的工况条件下。
一种贝氏体弯管，其特征在于，由下述质量百分比的合金元素构成：
C 2.6%～4.5%；
Si 1.5%～3.8%；
Mn 1.0%～3.0%；
Cr 0%～4.0%；
Mg 0%～0.18%
RE 0.%～0.05%
其余为铁和杂质元素。
作为优选，HRC≥55，Ak≥10J时，所述各合金元素的质量百分比为：
C 2.6%～3.2%；
Si 1.5%～2.5%；
Mn 1.9%～2.5%；
Cr 0.2%～1.8%；
Mg 0.05%～0.08%
RE 0.01%～0.04%
其余为铁和杂质元素。
作为优选，HRC≥61，Ak≥8J时，所述各合金元素的质量百分比为：
C 3.0%～4.1%；
Si 2.8%～3.2%；
Mn 1.8%～2.3%；
Cr 1.7%～2.8%；
Mg 0.07%～0.13%
RE 0.01%～0.05%
其余为铁和杂质元素。
作为优选，HRC≥66，Ak≥5J时，所述各合金元素的质量百分比为：
C 3.6%～4.5%；
Si 2.5%～3.7%；
Mn 2.6%～3.0%；
Cr 2.2%～4.0%；
Mg 0.07%～0.18%
RE 0.01%～0.05%
其余为铁和杂质元素。
一种上述贝氏体弯管的制备方法，包括以下步骤：
A、按照比例配置的原料采用常规方法在中频炉或电弧炉中熔炼，加入Al和CaSi进行脱氧；
B、熔炼后的原料进行炉外精炼，通过砂型铸造或熔模铸造工艺生产出坯件产品；
C、坯件升温至400～700℃，保温30～210分钟，升温至800～1300℃，保温30～180分钟，出炉冷却5～30分钟，冷却至400～100℃，回火，保温1～5小时；
D、空冷至室温。
作为优选，在所述步骤A中加入的Al占钢水质量的0.1%～0.2%，CaSi占钢水质量的0.1%～0.2%。
本发明方法通过控制冷却速度和温度，使合金的成分分布较常规热处理均匀，保证了最后的铸件组织的均匀性。采用控制冷却工艺能保证最终的铸件中获得下贝氏体和马氏体复相组织，以保证强度和韧性的配合。升温至400～700℃，保温30～210分钟：目的旨在使工件温度均匀，从而使产品中的C元素充分扩散，以保证C元素在产品中的均匀性。升温至800～1300℃保温30～180分钟：使产品的组织奥氏体化，得到尽可能多的奥氏体，为下一步的冷却准备条件；通过保温使产品的合金元素完全熔入奥氏体组织内，保证合金元素在产品中的均匀性。在5～30分钟内冷却至400～100℃：避开珠光体、铁素体形成区域。100～400℃保温1～5小时：马氏体是在连续冷却过程中形成，为了得到尽可能多的下贝氏体，需要在下贝氏体形成的合理温度区域保温较长时间，尽量减少下贝氏体转变为马氏体；通过保温使已经形成的马氏体转变为回火马氏体，以降低组织脆性。尽快进入下贝氏体形成区域。
2、泵车用高分子与贝氏体复合弯管，包括贝氏体弯管，还包括在前述贝氏体弯管外周面热收缩紧固包覆的一层高分子层。复合管有三种，三种复合管及其制备方法如下：
（1）高分子层由加热收缩紧固于所述贝氏体弯管外周面的完整高分子热缩套构成。高分子热缩套优选为聚乙烯制成，如图1、2所示：
A、通过挤塑机将高分子聚乙烯制备出的管材经过辐射交联后，通过扩管成直径为弯管弯曲后的宽度的110%-130%，厚度为0.5mm以上的热缩套。
B、将贝氏体弯管外表面锈迹和污渍采用喷砂或喷丸的方法除去。贝氏体弯管（可以是275、190.5和180弯管，其中275型号表示的弯管一端口中心轴至另一端口端面的距离为275mm，190.5和180同样）可以是第一组化学成分准备的，也可以是第二组化学成分制备的（下同）。
C、将尺寸合适的经过辐射交联的聚乙烯热缩套套入弯管，不同规格的弯管其热缩套尺寸与弯管规格匹配。
D、然后用火炬把热缩套加热收缩后使热缩套紧紧包覆在钢管外表面。收缩后热缩带厚度达到0.6mm以上。
（2）高分子层由挤塑后立即缠绕紧固于所述贝氏体弯管外周面的高分子带状物构成。高分子带状物优选聚乙烯制成，如图1、2所示：
A、将贝氏体弯管外表面锈迹和污渍采用喷砂或喷丸的方法除去。弯管规格可以是275、190.5和180弯管。
B、通过挤塑机将高分子聚乙烯制备出宽度适宜，厚度0.5mm以上的聚乙烯带。
C、将挤塑机挤出的聚乙烯带立即缠绕在弯管外表面。
（3）高分子层由注塑覆盖紧固于所述贝氏体弯管外周面的一体高分子覆膜构成。高分子覆膜优选为玻纤增强聚丙烯或者玻纤增强尼龙，玻纤质量含量为20-40%，如图3、4所示。
A、通过前述弯管制备方法采用第一组或第二组化学成分制备贝氏体弯管。
B、将贝氏体弯管外表面锈迹和污渍采用喷砂或喷丸的方法除去。
C、将喷砂除锈后的弯管（可以是275、190.5和180弯管）放入注塑机的模具里，注塑温度为140-220℃，在弯管外表面上覆盖一层厚度大于2mm的高强度高分子。高强度高分子材料是玻纤增强聚丙烯或者玻纤增强尼龙，玻纤比例是20-40%。这样复合后的高分子外层强度可以达到100MPa以上，延伸率10%。
前述方法（1）（2）中贝氏体弯管两端设有法兰，而法兰端并没有被高分子层覆盖，成为整体安全性的薄弱点；而在方法（3）中，由注塑的高分子形成法兰，由此，高分子覆膜可以覆盖贝氏体弯管的整个表面，没有了薄弱点，整体安全性能进一步得以提高；同时，由于注塑的工艺，高分子层与贝氏体弯管的结合更有效，整体的性能相比方法（1）（2）也有了进一步的提高。
实施例1：
一种高分子聚乙烯与贝氏体复合弯管，其275型号的贝氏体弯管由下述质量百分比的合金元素构成：
C 0.24%；
Si 0.22%；
Mn 2.21%；
Cr 0.4%；
其余为铁和杂质元素。
其制备方法，包括以下步骤：
A、按照比例配置的原料采用常规方法在中频炉或电弧炉中熔炼，加入Al和CaSi进行脱氧；
B、熔炼后的原料进行炉外精炼，通过砂型铸造或熔模铸造工艺生产出坯件产品；
C、坯件升温至400～700℃，保温30～210分钟，升温至800～1300℃，
保温30～180分钟，出炉冷却5～30分钟，冷却至400～100℃，回火，保温1～5小时；
D、空冷至室温。
作为优选，在所述步骤A中加入的Al占钢水质量的0.1%～0.2%，CaSi占钢水质量的0.1%～0.2%。
E、275型号的贝氏体弯管经过喷砂除锈后，将直径190mm（为弯管弯曲后的宽度的130%），长500mm，厚度1.0mm高分子聚乙烯热缩套套在弯管外面；用火炬沿热缩套周向来回用火焰加热，首先在热缩套长度的中心位置开始加热，加热时，加热部位的热缩套会收缩并紧贴贝氏体弯管；然后火焰往外移动继续沿周向来回加热，直到一侧收缩完毕，聚乙烯紧紧包覆在贝氏体弯管上面。
性能参数见表1。
实施例2：
贝氏体弯管的制备方法步骤A-D与实施例1相同。步骤E是：把装有275贝氏体弯管的模具放入注塑机，然后将高强度高分子加热充分混合后，在160℃注入到模具里，在贝氏体弯管外面包覆一层厚度为3.2mm两端有法兰接头的高分子层。高强度高分子是含玻纤25%的尼龙。
实施例3：
一种高分子聚乙烯与贝氏体复合弯管，其275型号的贝氏体弯管由下述质量百分比的合金元素构成：
C 0.35%；
Si 1.63%；
Mn 2.10%；
Cr 1.34%；
其余为铁和杂质元素。性能参数见表1。
其制备方法同实施例1。但采用的高分子聚乙烯热缩套尺寸为直径169mm（为弯管弯曲后的宽度的115%），长500mm，厚度1.2mm。
实施例4：
一种高分子聚乙烯与贝氏体复合弯管，其275型号的贝氏体弯管由下述质量百分比的合金元素构成：
C 0.52%；
Si 2.20%；
Mn 3.56%；
Cr 2.26%；
其余为铁和杂质元素。性能参数见表1。
其制备方法步骤A-D与实施例1相同。步骤E是：采用挤塑机挤出宽度为35mm厚度为0.8mm的黑色高分子聚乙烯带，并缠绕在275弯管外面。
实施例5：
一种高强度高分子与贝氏体复合弯管，其190.5型号的贝氏体弯管由下述质量百分比的合金元素构成：
C 3.10%；
Si 2.52%；
Mn 1.20%；
Cr 3.54%；
Mg 0.12%；
RE 0.04%；
其余为铁和杂质元素。
其制备方法步骤A-D与实施例1相同。步骤E是：采用挤塑机挤出宽度为28mm厚度为1.2mm的白色高分子聚乙烯带，并立即缠绕在190.5弯管外面。
实施例6：
一种高强度高分子与贝氏体复合弯管，其180型号的贝氏体弯管由下述质量百分比的合金元素构成：
C 3.73%；
Si 1.86%；
Mn 2.70%；
Cr 2.44%；
Mg 0.14%；
RE 0.02%；
其余为铁和杂质元素。
其制备方法步骤A-D与实施例1相同。步骤E是：把装有180贝氏体弯管的模具放入注塑机，然后将高强度高分子加热充分混合后，在200℃注入到模具里，在贝氏体弯管外面包覆一层厚度为3mm两端有法兰接头的高分子层。高强度高分子是含玻纤28%的聚丙烯。
实施例7：
一种高强度高分子与贝氏体复合弯管，其275型号的贝氏体弯管由下述质量百分比的合金元素构成：
C 4.32%；
Si 3.14%；
Mn 2.80%；
Cr 3.65%；
Mg 0.10%；
RE 0.05%；
其余为铁和杂质元素。
其制备方法步骤A-D与实施例1相同。步骤E是：把装有275贝氏体弯管的模具放入注塑机，然后将高强度高分子加热充分混合后，在180℃注入到模具里，在贝氏体弯管外面包覆一层厚度为2.5mm两端有法兰接头的高分子层。高强度高分子是含玻纤32%的尼龙。
实施例8：
一种高强度高分子与贝氏体复合弯管，其190.5型号的贝氏体弯管由下述质量百分比的合金元素构成：
C 2.96%；
Si 2.20%；
Mn 1.92%；
Cr 0.94%；
Mg 0.06%；
RE 0.02%；
其余为铁和杂质元素。
其制备方法步骤A-D与实施例1相同。步骤E是：把装有190.5贝氏体弯管的模具放入注塑机，然后将高强度高分子加热充分混合后，在165℃注入到模具里，在贝氏体弯管外面包覆一层厚度为3.6mm两端有法兰接头的高分子层。高强度高分子是含玻纤33%的聚丙烯。
实施例9：
一种高强度高分子与贝氏体复合弯管，其275型号的贝氏体弯管由下述质量百分比的合金元素构成：
C 3.80%；
Si 2.94%；
Mn 1.90%；
Cr 2.34%；
Mg 0.12%；
RE 0.04%；
其余为铁和杂质元素。
其制备方法步骤A-D与实施例1相同。步骤E是：采用挤塑机挤出宽度为30mm厚度为1.1mm的黑色高分子聚乙烯带，并立即缠绕在275弯管外面。
实施例10：
一种高强度高分子与贝氏体复合弯管，其190.5型号的贝氏体弯管由下述质量百分比的合金元素构成：
C 4.20%；
Si 3.10%；
Mn 2.92%；
Cr 3.86%；
Mg 0.16%；
RE 0.02%；
其余为铁和杂质元素。
其制备方法步骤A-D与实施例1相同。步骤E是：把装有275贝氏体弯管的模具放入注塑机，然后将高强度高分子加热充分混合后，在180℃注入到模具里，在贝氏体弯管外面包覆一层厚度为4.5mm两端有法兰接头的高分子层。高强度高分子是含玻纤28%的尼龙。
实施例11：
将实施例1相同批次生产的贝氏体弯管外面不包覆热缩套，直接打水压。
实施例12：
将实施例4相同批次生产的贝氏体弯管外面不缠绕热缩带，直接打水压。
实施例13：
将实施例6相同批次生产的贝氏体弯管外面不注塑高强度高分子外层，直接打水压。
实施例14：
将实施例10相同批次生产的贝氏体弯管外面不注塑高强度高分子外层，直接打水压。
表1 本发明机械性能表
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本发明的机械性能检测实验方法按GB/T230.1-2004、GB/T229-1994和GB/T11352-2009的相关要求执行。由上表可知，增加高分子层后，高分子层弥补了内层贝氏体钢（铁）韧性不足，形成整体的较高韧性，该复合结构的整体力学性能、安全性相比贝氏体裸管得以有效提高。
本发明与现有贝氏体钢相关参数比较见表2。
表2 本发明与与现有贝氏体钢参数比较表
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从上表可以看出：与同类产品相比，本发明中高碳贝氏体钢的材料成本最低，性能匹配最佳，成本低于进口产品。同时实施例5、6、7、8、9、10、11、13和14相比1、2、3和4的耐磨性也有较大提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。