CN101391265B - 一种无缝钢管机顶头用的钢基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种无缝钢管机顶头用的钢基复合材料及其制备方法，属于金属管轧机的应用领域。利用负压铸造铸型型腔内的燃烧合成化学反应，在顶头前沿鼻部形成厚度为15～20毫米厚度的TiC陶瓷-金属增强区域；TiC陶瓷-金属增强区域和顶头之间的结合为冶金结合。工艺为：1)将Ti粉、C粉和Ni粉作为反应物，按照一定比例混合均匀并压制成坯料；2)将除气后的压坯置于负压铸造铸型型腔内顶头需要增强的对应位置，并保持负压铸造铸型型腔的真空抽力，随后将高温热作模具钢液浇注到负压铸造铸型型腔内，引燃压坯内的化学反应，形成TiC陶瓷颗粒，从而制备出顶头铸件毛坯；3)将顶头铸件毛坯进行车削或磨削机械加工，使其达到顶头设计尺寸要求。

Description

一种无缝钢管机顶头用的钢基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金行业金属管轧机的应用领域，尤其是涉及一种穿无缝钢管机顶头用的陶瓷颗粒局部增强复合材料及其制备方法。
背景技术
在无缝钢管的生产过程中，穿管机顶头是其重要的热加工模具。由于顶头在服役过程中需要承受高温热冲击及循环挤压力，其寿命较短。目前，生产中一般对顶头采用特殊的热处理措施，使其形成表面硬化层和抗氧化层。在经受循环高温、反复挤压力的作用下，顶头表面的主要失效形式为表层氧化皮脱落、塌鼻、纵向开裂、粘结钢管等，从而严重影响顶头的使用寿命和产品合格率。现生产中，碳钢管制备过程主要采用钢基顶头，而制备不锈钢管时，则需采用价格昂贵的钼顶头。
为延长顶头寿命，专利号为86106418的发明专利在以钢为基体的顶头鼻部嵌入一块由钼合金制成的钼鼻，并在顶头整个鼻部的外表面熔烧一层表面硬化合金涂层，经真空熔烧后制成一种新型的涂层组合材料顶头。而专利200710303896.0则提供了一种陶瓷-金属复合材料熔覆层顶头及其制备方法，其工艺为：以模具钢或结构钢作为顶头基体材料，将基体材料加工至顶头设计尺寸，利用等离子弧枪熔覆法，使粉芯焊丝在等离子弧枪的高温作用下熔覆在顶头工作锥面以及鼻部端面上，通过单层、搭接熔覆得到厚度为2.5-5mm的陶瓷-金属复合材料熔覆层；通过对熔覆层的车削或磨削加工，使顶头鼻部的几何尺寸达到设计尺寸。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单可靠，成本低廉且易于推广应用的无缝钢管机用顶头的钢基复合材料及其制备方法，其使用寿命长、穿孔质量好，特别适用于不锈钢等合金钢管的穿制。
其技术关键是利用负压铸型型腔内的燃烧合成化学反应，在顶头前沿鼻部形成厚度为15～20毫米厚度的TiC陶瓷-金属增强区域；陶瓷增强区域和顶头之间的结合为冶金结合。
由于本发明所采用的陶瓷颗粒局部增强复合材料顶头具有高的高温强度、高硬度、高耐磨性和高的抗氧化性，其作用如下：
(1)局部增强区域的陶瓷具有优良的抗氧化性和高温性能，使顶头前沿鼻部能在高温、高应力下不发生塌鼻现象；
(2)局部增强区域的金属Ni和反应过程中浸渗的基体模具钢起到很好的冶金结合效果，能有效避免陶瓷的脆性断裂；
(3)局部增强区域与基体模具钢材料为冶金结合，在顶头反复穿孔过程中，增强区域不会脱落。
本发明的技术方案是：
一种无缝钢管机顶头用的钢基复合材料，利用负压铸型型腔内的燃烧合成化学反应，在顶头前沿鼻部形成厚度为15～20毫米厚度的TiC陶瓷-金属增强区域；陶瓷增强区域和顶头之间的结合为冶金结合。
一种无缝钢管机顶头用的钢基复合材料的制备工艺步骤为：
1)反应物压坯的制备：
a.压坯组成：压坯由粉料粒度小于50微米的Ti粉、C粉和Ni粉组成，其中Ti粉和C
粉的比例按摩尔比为Ti∶C＝1∶1，且Ni含量重量百分比为20～40％，
b.混料：将上述配制好的反应物粉装入球磨混料机中，混料5～8小时，使之混合均匀，
c.压制成型：把混合均匀的粉体放入模具中，在室温下压制成坯，压坯紧实率为70±5％；
2)反应物压坯在负压铸造铸型型腔内反应合成陶瓷颗粒：
a.烘干除气：将反应物压坯放入真空或有氩气保护的烘干炉内，加热至200～400℃，烘干除气；
b.局部陶瓷颗粒增强复合材料顶头的形成：将除气后的反应物压坯置于负压铸造铸型型腔内顶头需要增强的对应位置，并保持负压铸造铸型型腔的真空抽力为0.07～0.1MPa，随后将1500～1600℃高温热作模具钢液浇注到负压铸造铸型型腔内，引燃压坯内的化学反应，形成TiC陶瓷颗粒，从而制备出TiC陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料顶头铸件毛坯；
3)将顶头铸件毛坯进行车削或磨削机械加工，使其达到顶头设计尺寸要求。
本发明与目前已有的技术相比具有以下特点：
1)局部陶瓷颗粒增强复合材料顶头使用寿命长，抗高温氧化性能好；
2)陶瓷颗粒集中于顶头前沿鼻部的局部区域，节省陶瓷，成本低；
3)局部增强区和基体区为冶金结合，增强区域不会脱落。
附图说明
图1局部增强区域的微观组织；
图2局部增强区域的X射线分析；
图3局部陶瓷颗粒增强复合材料顶头示意图。
图中A为陶瓷颗粒增区，B为模具钢基体。
具体实施方式
一种无缝钢管机顶头用的钢基复合材料，利用负压铸造铸型型腔内的燃烧合成化学反应，在顶头前沿鼻部形成厚度为15～20毫米厚度的TiC陶瓷-金属增强区域；陶瓷增强区域和顶头之间的结合为冶金结合。
一种无缝钢管机顶头用的钢基复合材料的制备方法，具体工艺步骤如下：
将粒度小于50微米的Ti粉、C粉和Ni粉，且Ti粉和C粉的比例按摩尔比为Ti∶C＝1∶1，Ni含量重量百分比分别为20％、30％和40％的反应物粉料装入球磨混料机中，混料5～8小时，使之混合均匀；然后把粉料放入模具中，在室温下压制成坯，压坯紧实率为70±5％；随后将反应物压坯放入真空或有氩气保护的烘干炉内，加热至200～400℃，烘干除气；最后将除气后的压坯置于负压铸造铸型型腔内顶头需要增强的对应位置，并保持负压铸造铸型型腔的真空抽力为0.08～0.09MPa，将1500℃～1600℃高温的Cr9Mo1.7Ni0.9V0.8热作模具钢液浇注到负压铸造铸型型腔内，引燃压坯内的化学反应，形成TiC陶瓷颗粒，从而制备出TiC陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料顶头铸件毛坯。将顶头铸件毛坯进行车削或磨削机械加工，使其达到顶头设计尺寸要求。

Claims (3)

1.一种无缝钢管机顶头用的钢基复合材料，其特征在于，利用负压铸造铸型型腔内的燃烧合成化学反应，在顶头前沿鼻部形成厚度为15～20毫米厚度的TiC陶瓷-金属增强区域；TiC陶瓷-金属增强区域和顶头之间的结合为冶金结合。
2.一种用于权利要求1所述的无缝钢管机顶头用的钢基复合材料的制备方法，其特征在于采用以下工艺步骤：
1)反应物压坯的制备：
a.压坯组成：压坯由粉料粒度小于50微米的Ti粉、C粉和Ni粉组成，其中Ti粉和C粉的比例按摩尔比为Ti∶C＝1∶1，且Ni含量重量百分比为20～40％，
b.混料：将上述配制好的反应物粉装入球磨混料机中，混料5～8小时，使之混合均匀，
c.压制成型：把混合均匀的粉体放入模具中，在室温下压制成坯，压坯紧实率为70±5％；
2)反应物压坯在负压铸造铸型型腔内反应合成陶瓷颗粒：
a.烘干除气：将反应物压坯放入真空或有氩气保护的烘干炉内，加热至200～400℃，烘干除气；
b.局部陶瓷颗粒增强复合材料顶头的形成：将除气后的反应物压坯置于负压铸造铸型型腔内顶头需要增强的对应位置，并保持负压铸造铸型型腔的真空抽力为0.07～0.1MPa，随后将1500～1600℃高温热作模具钢液浇注到负压铸造铸型型腔内，引燃压坯内的化学反应，形成TiC陶瓷颗粒，从而制备出TiC陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料顶头铸件毛坯；
3)将顶头铸件毛坯进行车削或磨削机械加工，使其达到顶头设计尺寸要求。
3.根据权利要求2所述的一种无缝钢管机顶头用的钢基复合材料的制备方法，其特征在于负压铸造铸型型腔的真空抽力为0.08～0.09MPa。
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