管道及其元件的种类很多，制造方法也千差万别，本节无意将各种管道及元件的制造过程和制造方法都罗列出来，也无意将加工过程的工艺参数、设备配置等内容都给出来。在这里用较大的篇幅作这样的介绍是不现实的，对管道设计者来说也是没有必要的，这些内容应是各制造商致力研究和解决的问题。但是，就某些对产品内在质量影响较大的制造过程进行了解，有助于材料工程师更好地选用产品，并提出适宜的制造要求。
工程上应用的大多数金属管道元件的制造方法主要有以下三种：铸造、压力变形加工和焊接。这三种方法运用的好坏都直接影响到了管道元件的内在质量。本节就铸造和压力变形加工的制造工艺过程及其内在质量的影响因素进行介绍，而焊接加工方法则将在第十章中进行介绍。
一、铸造
铸造是将熔化的液体金属注入到具有与零件形状相适应的型腔中，经过凝固以得到铸件毛坯的制造方法。
铸造方法与压力变形加工方法相比，具有以下明显的优点：
a、可以得到形状复杂的零件毛坯。例如阀门的阀体，如果采用锻造是锻不出来的，或者将留有较大的机加工余量；
b、机加工余量较少。铸件毛坯的形状尺寸接近设计要求，除少量的配合面要进行机加工外，其它一般不需要机加工；
c、原材料质量要求低，价格便宜。铸件生产过程伴随着冶炼过程，故其原材料可以用废钢，而压力变形加工用材料一般是成品型钢（如园钢、钢管、钢板等）；
d、适用范围广。它既可以做几十克重的零件，又可做数吨乃至上百吨的零件，而压力变形加工方法往往受机器功率及锻透性的限制而不宜做太大的零件。
但是，正如第三章中所讲的那样，铸造方法得到的材料具有铸造组织，它除了晶粒粗大且有柱状晶粒外，还容易出现许多诸如偏析、疏松、气孔、夹杂、裂纹等铸造缺陷，因此铸造材料的强度较低，可靠性较差。
鉴于以上原因，铸件在压力管道上常用于大直径阀门的阀体、阀板、阀盖和手轮等具有复杂外形零件的制造。
铸件生产的工艺原则流程如图9-4所示。
9-4 铸件生产工艺原则流程
下面分步介绍各过程对质量的影响。
1、原材料
原材料入炉前应重点进行化学成分分析，并根据产品的要求，计算好应添加和去除的元素及其用量，以保证下一步的熔化冶炼阶段在最短时间内就能获得满足化学成分要求的钢液。
2、熔化及冶炼
熔炼是获得高质量铸件的基础。它主要表现在两个方面，其一是化学成分控制，其二是熔炼温度或烧注温度控制。
在本章的第一节中已经讲到，不同的冶炼方法获得的材料质量是不一样的。一般情况下，采用电弧炉熔炼可得到较好的材料，我国大多数大型阀门厂都是采用电弧炉进行熔炼的，而国外阀门厂已开始普遍用AOD或VOD进行熔炼，因此获得的产品具有化学成分偏差小，硫、磷有害杂质元素少，脱气性好等优良品质。值得一得的是，ASTM标准中没有相应的0Cr18Ni10Ti（俗称321）材料的铸件牌号，这是因为该材料中的钛（Ti）元素极易被氧化，如果铸件厂没有真空浇注系统，就不可避免地造成钛被氧化，从而使材料丧失抗晶间腐蚀的能力。事实上，到目前为上，尚没有听到过有哪家阀门厂拥有真空熔炼和浇注系统，因此我国材料牌号中出现ZG0Cr18Ni9Ti是不合适的。
确定一个较合适的熔炼温度，既可以避免因温度过高而带来的不利影响（如冲模、高能耗、凝固溶差大、晶粒粗大等），又可避免因温度过低而造成的钢液流动性不好，从而发生浇不足、冷隔、气孔、缩松、夹渣等缺陷。因此说，熔炼温度是一个主要的工艺控制指标。
熔炼过程中要进行炉前分析（也叫热分析）。热分析的目的主要是及时进行化学成分分析，以便当钢液的化学成分不能满足要求时，可及时调整。一旦浇注完成，化学成分就无法改变了。热分析的方法有很多，国内一些大的阀门厂都装备了炉前快速分析设备，它能很快地得到炉内钢液的化学成分，以便能够及时确定是否需要进一步添加元素。
3、浇注
浇注方式的不同，对铸造缺陷的影响也不一样。常规的浇注方法有顶注式、底注式、中注式和多层注式四种，它们各有优缺点，但均不能对铸造缺陷有较大的改善。新型的浇注方式如振动浇注、压力浇注可以有效地改善铸件缺陷的影响。
浇注前，应准备好模型。有关模型的种类很多，常见的有砂模、蜡膜、金属膜等，不同的模型各有优缺点，但目前应用最多的仍然是砂模。一些国内大的阀门厂安装了树脂砂连铸生产线，不仅有效地改善了普通砂模铸造的缺陷，同时也提高了生产效率。
4、结晶与凝固
大多数铸造缺陷都是在结晶凝固过程中产生的，因此结晶凝固过程的控制是影响铸造缺陷的关键控制点之一，也是众多制造商致力研究的课题之一。除了上述的振动浇注和压力浇注能有效地改善铸造缺陷外，采用等温凝固、多设浇冒口、控制砂型温度等方法都可改善铸造缺陷。
在第三章中已经讲到，铸件组织中易出现的缺陷有缩孔、疏松、气泡、偏析、夹杂、柱状组织和粗大晶粒组织等。除此之外，它还容易产生铸造应力，并导致铸件变形和裂纹的产生。
铸造应力主要由以下三部分组成：
a、由于收缩变形受到阻碍而产的约束应力；
b、由于各部位的温度差造成的收缩不均匀而产生的热应力；
c、由于各部位的组织转化不同步或者组织不均匀产生的组织应力。
当铸造应力较大时，会导致铸件的变形，严重时会导致铸件的破裂。铸件的变形是铸造应力释放的一个自然过程，释放的结果使铸造应力与变形应力相平衡。因此变形可降低铸造应力，但不能消除铸造应力。
铸件的开裂有热裂和冷裂之分。热裂主要是发生在凝固末期或凝固之后，它主要由变形约束应力造成。冷裂主要发生在淬硬性较强的的材料中，此时其组织应力较大，如果铸件存在应力集中较强的结构，就可能会造成这个组织应力超过材料强度而产生开裂。
无论是变形、热裂还是冷裂，无不与铸件的结构设计、砂型设计有关。铸件的结构应采用有一定曲率半径的园弧过渡，避免尖角过渡。铸件和砂型的结构和形状要便于金属凝固时的收缩，并合理设置浇冒口的位置，以避免产生较大的凝固温差。
5、检验（1）
在检验前应先进行清砂、去氧化皮、除浇冒口等予处理。
此时的检验内容主要有：化学成分、外观肉眼检查、无损检验等。
其中化学成分和无损探伤按本章第二节的方法进行，并应符合相应材料规范。应该指出的是，无损探伤在一些材料标准中并没有被列为必检项目，而往往是列为由用户选择的附加检验项目。也就是说，当用户有要求时，制造商才做，但要收附加检验费。故用户尤其是作为第一用户的设计人员应根据使用条件来决定是否要做附加检验项目的检查，检查比例是多少，合格判定标准等级为多少级。如果这些要求选择不当，会无谓地增加产品费用。
外观肉眼检查应逐件进行。对于API阀门用铸件，MSS SP-55标准共给出了12类铸造外观缺陷，而每类缺陷中又给出了A、B、C、D、E五张不同级别的标准照片，这样整个标准共有标准照片（12x5=）60幅，并规定了A、B两级为合格品。这12类缺陷分别是：I——热裂纹和冷裂纹，Ⅱ——缩孔，Ⅲ——夹砂，Ⅳ——气孔，Ⅴ——纹理缺陷，Ⅵ——鼠尾，Ⅶ——皱皮、重叠、折叠和冷隔，Ⅷ——机加工痕迹，Ⅸ——结疤，Ⅹ——浇冒口，Ⅺ——焊接修理区，Ⅻ——表面粗糙度。
6、修补
一般情况下，修补的方法都是采用焊补。关于允许焊补的数量和面积，有关标准（例如ASTM标准）要求较低，而许多制造商的厂标订的标准较高，这就给执行标准的操作带来了困难。对于要求较高的铸件，此时应与制造厂协商确定，例如作者参加的某高压加氢裂化用阀门的技术谈判中，与国外某制造商协商的焊补标准为：
3″以下的阀门：最大焊补面积不超过30cm2，最多点数不超过2点；
4″~6″阀门：最大焊补面积不超过30cm2，最多点数不超过3点；
6″以上的阀门：最大焊补面积不超过30cm2，最多点数不超过4点。
焊补后尚应重新检查。
7、热处理
对铸件进行热处理，可以消除或缓解许多铸造缺陷对铸件性能的影响，例如，可以改变铸件的柱状组织和粗大组织，可消除偏析和铸造应力等。由本章第一节中可知，对铸件来说采用扩散退火或完全退火是比较理想的。但由于它们的生产周期太长，费用较高，故工程上实际很少采用。
目前，各材料标准对铸件的热处理要求并不完全一致，但差异不大。总起来说，下面的热处理制度能为较大多数人员所接受：
a、碳钢：正火热处理；
b、低合金钢及铬钼钢：正火+高温回火热处理，或淬火+高温回火热处理；
c、奥氏体不锈钢：固溶热处理。对于稳定型奥氏体不锈钢，当有要求时可采用稳定化热处理。
8、检验（2）及试验
此时的检验项目主要有：机械性能试验（主要是拉伸和硬度试验，必要时可做冲击韧性试验）、宏观组织检验、微观组织检验、耐蚀试验和几何尺寸检验等。
机械性能试验按本章第三节中讲到的方法进行，按相应的材料标准进行验收。
几何尺寸检验根据图纸要求逐件进行。
一般的材料标准中，都没有把宏观组织检验和微观组织检验列入必检项目，因为它属于破坏性试验，太多的这类试验会增加产品成本。但作者认为它应是工艺评定时必做的项目，以考核其制造工艺的正确性。一个良好的制造工艺是保证产品质量的必要条件，如果没有良好的制造工艺，是很难保证所有产品质量的，既是其中一件或数件质量合格，也很难说其它产品的质量都合格。因此，宏观组织检验和微观组织检验用于考核制造工艺比考核实际的产品更合适。当然，如果制造商在编制生产工艺时，没有做此类的检验，那么设计技术人员可在认为有必要时要求制造商补做此类试验。
铸件的试验主要是指强度试验。强度试验可按有关标准（如API598）的要求进行。
检查试验查出的不允许缺陷要进行修补或判废。修补后的铸件应对焊补处重新检查，必要时尚应重新进行热处理。
二、压力变形加工
压力变形加工泛指利用外力使金属发生塑性变形而形成产品或产品毛坯的一种加工方法，它包括的方式主要有轧制、挤压、拉拔、锻造和板料冲压等。压力变形加工是压力管道及其元件制造的主要加工方式，例如无缝钢管的轧制生产、三通和大小头的挤压成形、螺栓和螺柱的拉拔、小口径管件和法兰的锻制、封头和钢板焊制管件的冲压等，采用都是的压力变形加工方法。
压力变形加工与铸造相比，具有下列显著的优点：
a、可以消除铸锭中的某些铸造缺陷。例如它可使原铸锭中的气孔和疏松焊合或变成发纹，可使原来的柱状晶粒和粗大等轴晶粒破碎而变成细晶粒，可使原来的大尺寸非金属夹杂物和偏析破碎而形成纤维状组织等。因此它的可靠性较高；
b、通过拉、压等压力加工，得到的材料组织严密，并由于发生再结晶而使得材料的晶粒细化，因此材料具有较好的综合机械性能；
c、生产工序短，生产效率高。例如连续轧制的钢管生产、采用模型锻造的生产都具有很高的生产效率。
但是压力变形加工方法也有其不利的一面：它只能用于塑性较好的材料加工；目前尚不宜用于形状复杂和大尺寸的零件加工；一般情况下它留下的机加工量较大；等等。
根据压力变形加工时材料温度的不同可分为热加工、温加工和冷加工三种。关于热加工和冷加工的优缺点在第三章和本章第一节中已作了介绍，而温加工的特点则介于二者之间。下面就以应用最多的加工方法——热模锻锻造加工方法为例来介绍其简单的制造工艺和主要影响因素。
热模锻锻造加工方法的工艺原则流程如图9-5所示。
图9-5 热模锻加工工艺原则流程图
1、原材料检验
检验内容主要有：材料化学成分、内部裂纹、内部大面积或大尺寸非金属夹杂物、表面缺陷及氧化物等。
如果材料的化学成分不符合标准要求是不能进到下道工序的，因为后续的工序没有可改变材料化学成分的机会。在这里还应注意，一些材料标准（如GB699、GB3077等）分压力加工用钢和切削加工用钢两类，二者的质量控制指标不同，故此时应明确选用压力加工用钢。
无论是外部裂纹还是内部裂纹，锻造过程是不可能使其焊合的，相反会扩大裂纹的尺寸，故锻造坯料是不允许有内外裂纹存在的。裂纹的检查可用无损探伤（如UT、MT、PT）进行。
大面积和大尺寸非金属夹杂物或严重的偏析会导致锻造过程中的热脆发纹，也极容易诱导裂纹的产生，故对这类原始缺陷应加以控制，控制指标可按材料标准规定或通过锻制工艺评定确定。
原材料的表面缺陷是影响锻件毛坯表面质量的主要因素之一，也是导致表面裂纹产生的主要因素之一，因此这些表面缺陷（如裂纹、结疤、划痕、氧化物等）在锻造之前必须去除。
2、下料
下料毛坯的大小对产品质量也会带来影响。毛坯太大时，不仅浪费金属，也容易造成上、下模接合误差大，使得产品外形误差大（例如由圆形变成椭圆形），同时也给切边造成一定的困难。毛坯尺寸较小时，容易造成充模不足，而这种缺陷是不允许的。因此说，下料毛坯的大小应根据最终的产品要求进行详细计算，或经工艺评定进行确定。
3、下料毛的加热
加热温度和加热时间是锻造工艺中的一个重要控制指标。
加热的方式比较多，但目前普遍认为比较好、设备投资又不太高的加热方法是中频加热。中频加热具有以下优点：
a、加热速度快。加热速度快可以减少氧化物的生成量，减少金属材料的浪费。
b、温度容易控制。加热温度是影响产品内在质量的一个重要因素，如果加热温度较低，金属流动性差，容易锻裂；如果加热温度过高或时间过长，容易造成产品的过热¶、过烧·等问题、尤其是一旦出现过烧，将无法弥补，从而导致产品的报废。
注：¶金属的过热是指金属在高温长时间作用下而发生的奥氏体晶粒粗大现象；
·金属的过烧是指金属由于遭受的温度过高，使晶粒间低熔点的夹杂物熔化，从而造成环境中的氧化性气体侵
入晶界，使晶界氧化而破坏了晶粒间结合的一种现象。检查是否有魏氏组织是判断金属是否过烧的一个重要
标志。
4、除氧化皮及预锻
锻坯出炉后，其外表面将附有一层厚厚的疏松氧化皮，故首先应快速除去氧化皮。如果不将氧化皮除去，将会严重影响到模锻成型时的产品外观质量。如果仅仅是为了脱除氧化皮，可用的方法有很多，如高压蒸汽或高压水冲洗方法等是较为常用的方法。但一些制造厂则将除氧化皮与预锻结合在一起会起到一举双得的效果。模锻时各部分变形是不均匀的，如果采用预锻，既可除去氧化皮，又可使毛坯进行较大的预变形，从而使锻件的锻造比达到预期要求。
5、锻造
锻造过程要控制的主要参数是始锻温度和终锻温度。始锻温度较高时，金属流动性好，充模效果好，所用锻压机械的功率要求也较小。但它不能超过过热温度，而且温度太高时表面质量不好。始锻温度越低，获得的锻件外观质量越好，晶粒越细。但始锻温度低于再结晶温度时，容易出现加工硬化和锻裂现象，故始锻温度一般应控制在再结晶温度以上，最好是在A1以上。对于模锻方法，一般情况下为一次成形，故其终锻温度都较高。
锻造前必须准备好锻模。锻模的质量也是影响产品质量尤其是外观质量的一个重要因素，设计合理的锻模和保持良好的锻模是获得较好产品质量的前提。锻模在投入锻造前，一般要经过预热，以减少模、坯之间的温差，避免由此可能导致的锻件开裂。
6、切边
切边宜在再结晶温度以上进行，既可保证切边后切边部分的表面质量，又不致于损伤锻件。一般都是在锻造成形之后立即进行，否则须重新加热。
7、热处理
当终锻温度较低时，锻件内将会存在本章第一节所述的压力变形加工缺陷，如晶格畸变、残余应力等。即使在再结晶温度以上完成终锻，对于淬硬性较强的材料也会因再结晶时间不够而残余一些压力变形加工缺陷，故在一定条件下对锻件进行热处理是必要的。
目前，各材料标准中对锻后热处理的要求不完全一致，但普遍认为较合理的热处理制度是这样的：
a、对低碳钢来说，由于其淬硬性较低，当它的终锻温度不低于A1（723℃）时，可以不再进行热处理，此时它的最终组织基本上为正火组织；
b、对于低合金钢来说，由于其淬硬性比低碳钢高，而且这类钢在工程上常用于较重要场合，故常常在锻后进行正火处理，以彻底消除残余的加工变形缺陷；
c、对铬、钼合金钢来说，由于其淬硬性较强，容易出现较严重的压力变形加工缺陷和残留一些残余奥氏体，进而使最终的组织中出现马氏体。故对这类材料常常在锻后进行正火+高温回火热处理。当用户和制造商协商同意后，也可进行淬火+高温回火热处理；
d、对于奥氏体不锈钢，锻后常进行固溶热处理；对于稳定化奥氏体不锈钢，当用户有要求时，尚可进行稳定化热处理。
8、表面清理
表面清理既是为下一步的检验作准备，又是锻件最终“脸面”的体现。目前，表面清理方法用的最多的是抛丸或喷砂处理，虽然它比手工除锈费用高，但除锈彻底，外观漂亮。
9、检验
检验的内容主要包括外观肉眼观查、尺寸检验、结构性能试验、无损探伤、宏观组织检验、微观组织检验、晶间腐蚀试验、爆破试验等。
a、外观肉眼检查
主要检查氧化皮、过烧、结疤、折叠、重皮、划痕、凹坑、微裂纹等表面缺陷。根据这些缺陷对锻件影响性质的不同，可以将它们分为四类，并分别加以控制。第一类为氧化皮、结疤、折叠、重皮之类的缺陷。这类缺陷基本上属于制造过程中的偶然行为所致，而且对锻件的内在质量影响不大，故只要给于研磨清除即可，清除的深度不得侵入锻件的最小壁厚；第二类为凹坑、划痕或机械碰伤之类的缺陷。这类缺陷清晰、规则，且不影响锻件的内在质量，故处理方法同前一类；第三类为过烧。对于这类缺陷的出现要借助于其它检验手段来评定其影响，例如进行宏观侵蚀试验以检查其金相组织，借助于冲击试验来检验它对材料韧性的影响，而不能简单的清除了之。同时还要核对加热参数，以从工艺上避免此类缺陷的出现；第四类为微裂纹和白点之类的缺陷。出现这类缺陷也不能简单清除了之，要首先分析清楚产生的原因。例如，原材料表面不清浩或模具拐弯处不合理、或原材料表面有原始裂纹等都会造成表面裂纹，此时一般不会触及内伤，即内部不一定出现裂纹。如果终锻温度较低，或原材料中有大量的偏析和非金属夹杂物，或者加热速度过快，或者对淬硬性较强的材料冷却速度较快等，也会引起表面裂纹，但同时还将预示着其内部也可能存在裂纹。对于后一种情况，要查清原因，以便采取措施或改变加工工艺参数以避免此类缺陷的再次发生。此类缺陷出现在表面时便于查到，也容易清除，一旦出现在内部，将严重影响锻件的内在质量。目前，白点的出现已越来越少，这主要是得益于冶炼过程中的脱氢技术提高。
b、尺寸检查
尺寸检查也要逐件进行，看它是否符合图纸或标准的要求。
c、机械性能试验
它包括的主要项目有：拉伸试验、冲击试验和硬度检查，检查方法见本章第二节所述，检验结果应符合相应材料标准的要求。一般情况下，冲击试验在用户有要求时才做。硬度试验一般为抽检，抽查的规则在一些材料标准中都有具体规定。
d、无损探伤
常用的无损探伤方法有超声波检查、磁粉检查和液体渗透检查。其中，超声波检查一般为附加检验项目，当用户没有要求时，一般不进行超声波检查。跟铸件一样，最终无损探伤并不是目的，只是检验手段，如果不是逐件检查，锻件的质量就主要依靠制造工艺来保证。所以，完善的工艺评定，正确的制造工艺才是保证产品质量的根本所在。
e、宏观组织检验和微观组织检验
通常它们也都是用于工艺评定检验，正常生产过程则很少做，只有当用户提出要求时才做。
f、晶间腐蚀试验
对于奥氏体不锈钢材料，一般都要进行晶间腐蚀试验。
g、爆破试验
作为型式试验的一种，一般在产品设计时才做，并纳入工艺评定记录。
10、标记入库
当采用打钢印进行标记时，应考虑它可能给产品的应用带来的不利影响。美国腐蚀学会的NACE 175标准规定，当产品用于有应力腐蚀的环境时，钢印标记应采用园角形的钢印，以防止产生应力集中而导致产品对应力腐蚀开裂的敏感。
思考题：
1、什么叫铸造？什么叫压力变形加工？
2、铸造和压力变形加工方法相比，各有何特点？
3、常见的铸造缺陷有哪些？
4、铸造应力是由哪些原因产生的？
5、常用铸件材料一般采用什么样的热处理？
6、什么叫金属的过热？什么叫金属的过烧？
7、常见金属锻件的外观缺陷是如何分类的？
8、常用锻件材料一般采用什么样的热处理？
