管道及其元件的種類很多，制造方法也千差萬別，本節(jié)無意將各種管道及元件的制造過程和制造方法都羅列出來，也無意將加工過程的工藝參數、設備配置等內容都給出來。在這里用較大的篇幅作這樣的介紹是不現實的，對管道設計者來說也是沒有必要的，這些內容應是各制造商致力研究和解決的問題。但是，就某些對產品內在質量影響較大的制造過程進行了解，有助于材料工程師更好地選用產品，并提出適宜的制造要求。
工程上應用的大多數金屬管道元件的制造方法主要有以下三種：鑄造、壓力變形加工和焊接。這三種方法運用的好壞都直接影響到了管道元件的內在質量。本節(jié)就鑄造和壓力變形加工的制造工藝過程及其內在質量的影響因素進行介紹，而焊接加工方法則將在第十章中進行介紹。
一、鑄造
鑄造是將熔化的液體金屬注入到具有與零件形狀相適應的型腔中，經過凝固以得到鑄件毛坯的制造方法。
鑄造方法與壓力變形加工方法相比，具有以下明顯的優(yōu)點：
a、可以得到形狀復雜的零件毛坯。例如閥門的閥體，如果采用鍛造是鍛不出來的，或者將留有較大的機加工余量；
b、機加工余量較少。鑄件毛坯的形狀尺寸接近設計要求，除少量的配合面要進行機加工外，其它一般不需要機加工；
c、原材料質量要求低，價格便宜。鑄件生產過程伴隨著冶煉過程，故其原材料可以用廢鋼，而壓力變形加工用材料一般是成品型鋼（如園鋼、鋼管、鋼板等）；
d、適用范圍廣。它既可以做幾十克重的零件，又可做數噸乃至上百噸的零件，而壓力變形加工方法往往受機器功率及鍛透性的限制而不宜做太大的零件。
但是，正如第三章中所講的那樣，鑄造方法得到的材料具有鑄造組織，它除了晶粒粗大且有柱狀晶粒外，還容易出現許多諸如偏析、疏松、氣孔、夾雜、裂紋等鑄造缺陷，因此鑄造材料的強度較低，可靠性較差。
鑒于以上原因，鑄件在壓力管道上常用于大直徑閥門的閥體、閥板、閥蓋和手輪等具有復雜外形零件的制造。
鑄件生產的工藝原則流程如圖9-4所示。
9-4 鑄件生產工藝原則流程
下面分步介紹各過程對質量的影響。
1、原材料
原材料入爐前應重點進行化學成分分析，并根據產品的要求，計算好應添加和去除的元素及其用量，以保證下一步的熔化冶煉階段在最短時間內就能獲得滿足化學成分要求的鋼液。
2、熔化及冶煉
熔煉是獲得高質量鑄件的基礎。它主要表現在兩個方面，其一是化學成分控制，其二是熔煉溫度或燒注溫度控制。
在本章的第一節(jié)中已經講到，不同的冶煉方法獲得的材料質量是不一樣的。一般情況下，采用電弧爐熔煉可得到較好的材料，我國大多數大型閥門廠都是采用電弧爐進行熔煉的，而國外閥門廠已開始普遍用AOD或VOD進行熔煉，因此獲得的產品具有化學成分偏差小，硫、磷有害雜質元素少，脫氣性好等優(yōu)良品質。值得一得的是，ASTM標準中沒有相應的0Cr18Ni10Ti（俗稱321）材料的鑄件牌號，這是因為該材料中的鈦（Ti）元素極易被氧化，如果鑄件廠沒有真空澆注系統(tǒng)，就不可避免地造成鈦被氧化，從而使材料喪失抗晶間腐蝕的能力。事實上，到目前為上，尚沒有聽到過有哪家閥門廠擁有真空熔煉和澆注系統(tǒng)，因此我國材料牌號中出現ZG0Cr18Ni9Ti是不合適的。
確定一個較合適的熔煉溫度，既可以避免因溫度過高而帶來的不利影響（如沖模、高能耗、凝固溶差大、晶粒粗大等），又可避免因溫度過低而造成的鋼液流動性不好，從而發(fā)生澆不足、冷隔、氣孔、縮松、夾渣等缺陷。因此說，熔煉溫度是一個主要的工藝控制指標。
熔煉過程中要進行爐前分析（也叫熱分析）。熱分析的目的主要是及時進行化學成分分析，以便當鋼液的化學成分不能滿足要求時，可及時調整。一旦澆注完成，化學成分就無法改變了。熱分析的方法有很多，國內一些大的閥門廠都裝備了爐前快速分析設備，它能很快地得到爐內鋼液的化學成分，以便能夠及時確定是否需要進一步添加元素。
3、澆注
澆注方式的不同，對鑄造缺陷的影響也不一樣。常規(guī)的澆注方法有頂注式、底注式、中注式和多層注式四種，它們各有優(yōu)缺點，但均不能對鑄造缺陷有較大的改善。新型的澆注方式如振動澆注、壓力澆注可以有效地改善鑄件缺陷的影響。
澆注前，應準備好模型。有關模型的種類很多，常見的有砂模、蠟膜、金屬膜等，不同的模型各有優(yōu)缺點，但目前應用最多的仍然是砂模。一些國內大的閥門廠安裝了樹脂砂連鑄生產線，不僅有效地改善了普通砂模鑄造的缺陷，同時也提高了生產效率。
4、結晶與凝固
大多數鑄造缺陷都是在結晶凝固過程中產生的，因此結晶凝固過程的控制是影響鑄造缺陷的關鍵控制點之一，也是眾多制造商致力研究的課題之一。除了上述的振動澆注和壓力澆注能有效地改善鑄造缺陷外，采用等溫凝固、多設澆冒口、控制砂型溫度等方法都可改善鑄造缺陷。
在第三章中已經講到，鑄件組織中易出現的缺陷有縮孔、疏松、氣泡、偏析、夾雜、柱狀組織和粗大晶粒組織等。除此之外，它還容易產生鑄造應力，并導致鑄件變形和裂紋的產生。
鑄造應力主要由以下三部分組成：
a、由于收縮變形受到阻礙而產的約束應力；
b、由于各部位的溫度差造成的收縮不均勻而產生的熱應力；
c、由于各部位的組織轉化不同步或者組織不均勻產生的組織應力。
當鑄造應力較大時，會導致鑄件的變形，嚴重時會導致鑄件的破裂。鑄件的變形是鑄造應力釋放的一個自然過程，釋放的結果使鑄造應力與變形應力相平衡。因此變形可降低鑄造應力，但不能消除鑄造應力。
鑄件的開裂有熱裂和冷裂之分。熱裂主要是發(fā)生在凝固末期或凝固之后，它主要由變形約束應力造成。冷裂主要發(fā)生在淬硬性較強的的材料中，此時其組織應力較大，如果鑄件存在應力集中較強的結構，就可能會造成這個組織應力超過材料強度而產生開裂。
無論是變形、熱裂還是冷裂，無不與鑄件的結構設計、砂型設計有關。鑄件的結構應采用有一定曲率半徑的園弧過渡，避免尖角過渡。鑄件和砂型的結構和形狀要便于金屬凝固時的收縮，并合理設置澆冒口的位置，以避免產生較大的凝固溫差。
5、檢驗（1）
在檢驗前應先進行清砂、去氧化皮、除澆冒口等予處理。
此時的檢驗內容主要有：化學成分、外觀肉眼檢查、無損檢驗等。
其中化學成分和無損探傷按本章第二節(jié)的方法進行，并應符合相應材料規(guī)范。應該指出的是，無損探傷在一些材料標準中并沒有被列為必檢項目，而往往是列為由用戶選擇的附加檢驗項目。也就是說，當用戶有要求時，制造商才做，但要收附加檢驗費。故用戶尤其是作為第一用戶的設計人員應根據使用條件來決定是否要做附加檢驗項目的檢查，檢查比例是多少，合格判定標準等級為多少級。如果這些要求選擇不當，會無謂地增加產品費用。
外觀肉眼檢查應逐件進行。對于API閥門用鑄件，MSS SP-55標準共給出了12類鑄造外觀缺陷，而每類缺陷中又給出了A、B、C、D、E五張不同級別的標準照片，這樣整個標準共有標準照片（12x5=）60幅，并規(guī)定了A、B兩級為合格品。這12類缺陷分別是：I——熱裂紋和冷裂紋，Ⅱ——縮孔，Ⅲ——夾砂，Ⅳ——氣孔，Ⅴ——紋理缺陷，Ⅵ——鼠尾，Ⅶ——皺皮、重疊、折疊和冷隔，Ⅷ——機加工痕跡，Ⅸ——結疤，Ⅹ——澆冒口，Ⅺ——焊接修理區(qū)，Ⅻ——表面粗糙度。
6、修補
一般情況下，修補的方法都是采用焊補。關于允許焊補的數量和面積，有關標準（例如ASTM標準）要求較低，而許多制造商的廠標訂的標準較高，這就給執(zhí)行標準的操作帶來了困難。對于要求較高的鑄件，此時應與制造廠協(xié)商確定，例如作者參加的某高壓加氫裂化用閥門的技術談判中，與國外某制造商協(xié)商的焊補標準為：
3″以下的閥門：最大焊補面積不超過30cm2，最多點數不超過2點；
4″~6″閥門：最大焊補面積不超過30cm2，最多點數不超過3點；
6″以上的閥門：最大焊補面積不超過30cm2，最多點數不超過4點。
焊補后尚應重新檢查。
7、熱處理
對鑄件進行熱處理，可以消除或緩解許多鑄造缺陷對鑄件性能的影響，例如，可以改變鑄件的柱狀組織和粗大組織，可消除偏析和鑄造應力等。由本章第一節(jié)中可知，對鑄件來說采用擴散退火或完全退火是比較理想的。但由于它們的生產周期太長，費用較高，故工程上實際很少采用。
目前，各材料標準對鑄件的熱處理要求并不完全一致，但差異不大。總起來說，下面的熱處理制度能為較大多數人員所接受：
a、碳鋼：正火熱處理；
b、低合金鋼及鉻鉬鋼：正火+高溫回火熱處理，或淬火+高溫回火熱處理；
c、奧氏體不銹鋼：固溶熱處理。對于穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼，當有要求時可采用穩(wěn)定化熱處理。
8、檢驗（2）及試驗
此時的檢驗項目主要有：機械性能試驗（主要是拉伸和硬度試驗，必要時可做沖擊韌性試驗）、宏觀組織檢驗、微觀組織檢驗、耐蝕試驗和幾何尺寸檢驗等。
機械性能試驗按本章第三節(jié)中講到的方法進行，按相應的材料標準進行驗收。
幾何尺寸檢驗根據圖紙要求逐件進行。
一般的材料標準中，都沒有把宏觀組織檢驗和微觀組織檢驗列入必檢項目，因為它屬于破壞性試驗，太多的這類試驗會增加產品成本。但作者認為它應是工藝評定時必做的項目，以考核其制造工藝的正確性。一個良好的制造工藝是保證產品質量的必要條件，如果沒有良好的制造工藝，是很難保證所有產品質量的，既是其中一件或數件質量合格，也很難說其它產品的質量都合格。因此，宏觀組織檢驗和微觀組織檢驗用于考核制造工藝比考核實際的產品更合適。當然，如果制造商在編制生產工藝時，沒有做此類的檢驗，那么設計技術人員可在認為有必要時要求制造商補做此類試驗。
鑄件的試驗主要是指強度試驗。強度試驗可按有關標準（如API598）的要求進行。
檢查試驗查出的不允許缺陷要進行修補或判廢。修補后的鑄件應對焊補處重新檢查，必要時尚應重新進行熱處理。
二、壓力變形加工
壓力變形加工泛指利用外力使金屬發(fā)生塑性變形而形成產品或產品毛坯的一種加工方法，它包括的方式主要有軋制、擠壓、拉拔、鍛造和板料沖壓等。壓力變形加工是壓力管道及其元件制造的主要加工方式，例如無縫鋼管的軋制生產、三通和大小頭的擠壓成形、螺栓和螺柱的拉拔、小口徑管件和法蘭的鍛制、封頭和鋼板焊制管件的沖壓等，采用都是的壓力變形加工方法。
壓力變形加工與鑄造相比，具有下列顯著的優(yōu)點：
a、可以消除鑄錠中的某些鑄造缺陷。例如它可使原鑄錠中的氣孔和疏松焊合或變成發(fā)紋，可使原來的柱狀晶粒和粗大等軸晶粒破碎而變成細晶粒，可使原來的大尺寸非金屬夾雜物和偏析破碎而形成纖維狀組織等。因此它的可靠性較高；
b、通過拉、壓等壓力加工，得到的材料組織嚴密，并由于發(fā)生再結晶而使得材料的晶粒細化，因此材料具有較好的綜合機械性能；
c、生產工序短，生產效率高。例如連續(xù)軋制的鋼管生產、采用模型鍛造的生產都具有很高的生產效率。
但是壓力變形加工方法也有其不利的一面：它只能用于塑性較好的材料加工；目前尚不宜用于形狀復雜和大尺寸的零件加工；一般情況下它留下的機加工量較大；等等。
根據壓力變形加工時材料溫度的不同可分為熱加工、溫加工和冷加工三種。關于熱加工和冷加工的優(yōu)缺點在第三章和本章第一節(jié)中已作了介紹，而溫加工的特點則介于二者之間。下面就以應用最多的加工方法——熱模鍛鍛造加工方法為例來介紹其簡單的制造工藝和主要影響因素。
熱模鍛鍛造加工方法的工藝原則流程如圖9-5所示。
圖9-5 熱模鍛加工工藝原則流程圖
1、原材料檢驗
檢驗內容主要有：材料化學成分、內部裂紋、內部大面積或大尺寸非金屬夾雜物、表面缺陷及氧化物等。
如果材料的化學成分不符合標準要求是不能進到下道工序的，因為后續(xù)的工序沒有可改變材料化學成分的機會。在這里還應注意，一些材料標準（如GB699、GB3077等）分壓力加工用鋼和切削加工用鋼兩類，二者的質量控制指標不同，故此時應明確選用壓力加工用鋼。
無論是外部裂紋還是內部裂紋，鍛造過程是不可能使其焊合的，相反會擴大裂紋的尺寸，故鍛造坯料是不允許有內外裂紋存在的。裂紋的檢查可用無損探傷（如UT、MT、PT）進行。
大面積和大尺寸非金屬夾雜物或嚴重的偏析會導致鍛造過程中的熱脆發(fā)紋，也極容易誘導裂紋的產生，故對這類原始缺陷應加以控制，控制指標可按材料標準規(guī)定或通過鍛制工藝評定確定。
原材料的表面缺陷是影響鍛件毛坯表面質量的主要因素之一，也是導致表面裂紋產生的主要因素之一，因此這些表面缺陷（如裂紋、結疤、劃痕、氧化物等）在鍛造之前必須去除。
2、下料
下料毛坯的大小對產品質量也會帶來影響。毛坯太大時，不僅浪費金屬，也容易造成上、下模接合誤差大，使得產品外形誤差大（例如由圓形變成橢圓形），同時也給切邊造成一定的困難。毛坯尺寸較小時，容易造成充模不足，而這種缺陷是不允許的。因此說，下料毛坯的大小應根據最終的產品要求進行詳細計算，或經工藝評定進行確定。
3、下料毛的加熱
加熱溫度和加熱時間是鍛造工藝中的一個重要控制指標。
加熱的方式比較多，但目前普遍認為比較好、設備投資又不太高的加熱方法是中頻加熱。中頻加熱具有以下優(yōu)點：
a、加熱速度快。加熱速度快可以減少氧化物的生成量，減少金屬材料的浪費。
b、溫度容易控制。加熱溫度是影響產品內在質量的一個重要因素，如果加熱溫度較低，金屬流動性差，容易鍛裂；如果加熱溫度過高或時間過長，容易造成產品的過熱¶、過燒·等問題、尤其是一旦出現過燒，將無法彌補，從而導致產品的報廢。
注：¶金屬的過熱是指金屬在高溫長時間作用下而發(fā)生的奧氏體晶粒粗大現象；
·金屬的過燒是指金屬由于遭受的溫度過高，使晶粒間低熔點的夾雜物熔化，從而造成環(huán)境中的氧化性氣體侵
入晶界，使晶界氧化而破壞了晶粒間結合的一種現象。檢查是否有魏氏組織是判斷金屬是否過燒的一個重要
標志。
4、除氧化皮及預鍛
鍛坯出爐后，其外表面將附有一層厚厚的疏松氧化皮，故首先應快速除去氧化皮。如果不將氧化皮除去，將會嚴重影響到模鍛成型時的產品外觀質量。如果僅僅是為了脫除氧化皮，可用的方法有很多，如高壓蒸汽或高壓水沖洗方法等是較為常用的方法。但一些制造廠則將除氧化皮與預鍛結合在一起會起到一舉雙得的效果。模鍛時各部分變形是不均勻的，如果采用預鍛，既可除去氧化皮，又可使毛坯進行較大的預變形，從而使鍛件的鍛造比達到預期要求。
5、鍛造
鍛造過程要控制的主要參數是始鍛溫度和終鍛溫度。始鍛溫度較高時，金屬流動性好，充模效果好，所用鍛壓機械的功率要求也較小。但它不能超過過熱溫度，而且溫度太高時表面質量不好。始鍛溫度越低，獲得的鍛件外觀質量越好，晶粒越細。但始鍛溫度低于再結晶溫度時，容易出現加工硬化和鍛裂現象，故始鍛溫度一般應控制在再結晶溫度以上，最好是在A1以上。對于模鍛方法，一般情況下為一次成形，故其終鍛溫度都較高。
鍛造前必須準備好鍛模。鍛模的質量也是影響產品質量尤其是外觀質量的一個重要因素，設計合理的鍛模和保持良好的鍛模是獲得較好產品質量的前提。鍛模在投入鍛造前，一般要經過預熱，以減少模、坯之間的溫差，避免由此可能導致的鍛件開裂。
6、切邊
切邊宜在再結晶溫度以上進行，既可保證切邊后切邊部分的表面質量，又不致于損傷鍛件。一般都是在鍛造成形之后立即進行，否則須重新加熱。
7、熱處理
當終鍛溫度較低時，鍛件內將會存在本章第一節(jié)所述的壓力變形加工缺陷，如晶格畸變、殘余應力等。即使在再結晶溫度以上完成終鍛，對于淬硬性較強的材料也會因再結晶時間不夠而殘余一些壓力變形加工缺陷，故在一定條件下對鍛件進行熱處理是必要的。
目前，各材料標準中對鍛后熱處理的要求不完全一致，但普遍認為較合理的熱處理制度是這樣的：
a、對低碳鋼來說，由于其淬硬性較低，當它的終鍛溫度不低于A1（723℃）時，可以不再進行熱處理，此時它的最終組織基本上為正火組織；
b、對于低合金鋼來說，由于其淬硬性比低碳鋼高，而且這類鋼在工程上常用于較重要場合，故常常在鍛后進行正火處理，以徹底消除殘余的加工變形缺陷；
c、對鉻、鉬合金鋼來說，由于其淬硬性較強，容易出現較嚴重的壓力變形加工缺陷和殘留一些殘余奧氏體，進而使最終的組織中出現馬氏體。故對這類材料常常在鍛后進行正火+高溫回火熱處理。當用戶和制造商協(xié)商同意后，也可進行淬火+高溫回火熱處理；
d、對于奧氏體不銹鋼，鍛后常進行固溶熱處理；對于穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼，當用戶有要求時，尚可進行穩(wěn)定化熱處理。
8、表面清理
表面清理既是為下一步的檢驗作準備，又是鍛件最終“臉面”的體現。目前，表面清理方法用的最多的是拋丸或噴砂處理，雖然它比手工除銹費用高，但除銹徹底，外觀漂亮。
9、檢驗
檢驗的內容主要包括外觀肉眼觀查、尺寸檢驗、結構性能試驗、無損探傷、宏觀組織檢驗、微觀組織檢驗、晶間腐蝕試驗、爆破試驗等。
a、外觀肉眼檢查
主要檢查氧化皮、過燒、結疤、折疊、重皮、劃痕、凹坑、微裂紋等表面缺陷。根據這些缺陷對鍛件影響性質的不同，可以將它們分為四類，并分別加以控制。第一類為氧化皮、結疤、折疊、重皮之類的缺陷。這類缺陷基本上屬于制造過程中的偶然行為所致，而且對鍛件的內在質量影響不大，故只要給于研磨清除即可，清除的深度不得侵入鍛件的最小壁厚；第二類為凹坑、劃痕或機械碰傷之類的缺陷。這類缺陷清晰、規(guī)則，且不影響鍛件的內在質量，故處理方法同前一類；第三類為過燒。對于這類缺陷的出現要借助于其它檢驗手段來評定其影響，例如進行宏觀侵蝕試驗以檢查其金相組織，借助于沖擊試驗來檢驗它對材料韌性的影響，而不能簡單的清除了之。同時還要核對加熱參數，以從工藝上避免此類缺陷的出現；第四類為微裂紋和白點之類的缺陷。出現這類缺陷也不能簡單清除了之，要首先分析清楚產生的原因。例如，原材料表面不清浩或模具拐彎處不合理、或原材料表面有原始裂紋等都會造成表面裂紋，此時一般不會觸及內傷，即內部不一定出現裂紋。如果終鍛溫度較低，或原材料中有大量的偏析和非金屬夾雜物，或者加熱速度過快，或者對淬硬性較強的材料冷卻速度較快等，也會引起表面裂紋，但同時還將預示著其內部也可能存在裂紋。對于后一種情況，要查清原因，以便采取措施或改變加工工藝參數以避免此類缺陷的再次發(fā)生。此類缺陷出現在表面時便于查到，也容易清除，一旦出現在內部，將嚴重影響鍛件的內在質量。目前，白點的出現已越來越少，這主要是得益于冶煉過程中的脫氫技術提高。
b、尺寸檢查
尺寸檢查也要逐件進行，看它是否符合圖紙或標準的要求。
c、機械性能試驗
它包括的主要項目有：拉伸試驗、沖擊試驗和硬度檢查，檢查方法見本章第二節(jié)所述，檢驗結果應符合相應材料標準的要求。一般情況下，沖擊試驗在用戶有要求時才做。硬度試驗一般為抽檢，抽查的規(guī)則在一些材料標準中都有具體規(guī)定。
d、無損探傷
常用的無損探傷方法有超聲波檢查、磁粉檢查和液體滲透檢查。其中，超聲波檢查一般為附加檢驗項目，當用戶沒有要求時，一般不進行超聲波檢查。跟鑄件一樣，最終無損探傷并不是目的，只是檢驗手段，如果不是逐件檢查，鍛件的質量就主要依靠制造工藝來保證。所以，完善的工藝評定，正確的制造工藝才是保證產品質量的根本所在。
e、宏觀組織檢驗和微觀組織檢驗
通常它們也都是用于工藝評定檢驗，正常生產過程則很少做，只有當用戶提出要求時才做。
f、晶間腐蝕試驗
對于奧氏體不銹鋼材料，一般都要進行晶間腐蝕試驗。
g、爆破試驗
作為型式試驗的一種，一般在產品設計時才做，并納入工藝評定記錄。
10、標記入庫
當采用打鋼印進行標記時，應考慮它可能給產品的應用帶來的不利影響。美國腐蝕學會的NACE 175標準規(guī)定，當產品用于有應力腐蝕的環(huán)境時，鋼印標記應采用園角形的鋼印，以防止產生應力集中而導致產品對應力腐蝕開裂的敏感。
思考題：
1、什么叫鑄造？什么叫壓力變形加工？
2、鑄造和壓力變形加工方法相比，各有何特點？
3、常見的鑄造缺陷有哪些？
4、鑄造應力是由哪些原因產生的？
5、常用鑄件材料一般采用什么樣的熱處理？
6、什么叫金屬的過熱？什么叫金屬的過燒？
7、常見金屬鍛件的外觀缺陷是如何分類的？
8、常用鍛件材料一般采用什么樣的熱處理？
