CN101596551A

CN101596551A - 一种双合金涂层无缝钢管顶头及制备方法

Info

Publication number: CN101596551A
Application number: CNA2009100885343A
Authority: CN
Inventors: 杨胶溪; 左铁钏; 刘华东; 丁啸; 雷丽
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: CN101596551B

Abstract

一种双合金涂层无缝钢管顶头及制造方法属激光加工领域。为了解决钼合金顶头钼合金易脱落，提高使用寿命并降低成本，本发明在顶头的鼻部、工作部激光宽带熔覆镍基或钴基合金涂层，在矫直部、平行部激光宽带熔覆铁基合金涂层，获得一种双合金涂层无缝钢管顶头；顶头制备步骤：采用铸造方式进行顶头的制造；对铸造的顶头进行机械加工，在顶头的外表面为激光熔覆工艺预留1.0－3.0mm的熔覆厚度；用镍基或钴基合金进行鼻部顶端的激光熔覆；对鼻部侧面以及工作部进行激光熔覆，熔覆粉末用镍基或钴基合金，然后激光不间断用铁基合金连续完成矫直部、平行部的激光熔覆；去应力热处理：进行顶头鼻部喷水孔机械加工，并完成激光涂层打磨、磨削处理。

Description

一种双合金涂层无缝钢管顶头及制备方法

技术领域

本发明涉及无缝钢管穿管机顶头以及激光熔覆表面涂层技术，属于激光加工技术领域。

背景技术

穿管机顶头是热轧生产无缝钢管大量消耗的部件之一，其使用寿命直接关系到钢管企业的生产效率和经济效益。在无缝钢管生产过程中，顶头需要螺旋式前进，需要承受极大的轴向和径向应力，因高温和摩擦的共同作用，顶头极易破坏，并使管坯内表面受到损伤，造成成品管表面质量差。顶头的失效形式主要是塌鼻及靠近鼻子下方工作部分的疲劳开裂，即顶头尖锥形鼻部塌陷造成鼻部变钝或消失，以及工作部受到热疲劳作用而在顶头纵向出现裂纹，其它部位为正常磨损。由于以上失效原因，造成钢基顶头在普通碳钢管时，寿命一般在240-280只左右，穿合金钢管时，寿命仅为十几只。另外对于不锈钢管，国内外均采用钼合金顶头，目前能满足使用要求，但价格昂贵，在1500元/只左右。因此，提高顶头的寿命是保证高的生产率和钢管质量的重要因素之一。目前，提高顶头寿命的方法主要有：选择合适的材质、改进润滑剂、设计合理的顶头形式、采用新的顶头加工工艺、表面涂层处理、高温氧化处理、钼合金复合等。中国专利86106418在钢基顶头鼻部镶嵌钼合金，并在鼻部外表面烧结涂层，再经真空烧结成组合材料涂层。中国专利200710303896.0提供了一种等离子焊枪熔覆陶瓷-金属复合材料顶头的制备方法。中国专利200810051364.7提供了一种负压铸型腔内在顶头鼻部燃烧合成TiC陶瓷-金属的顶头。中国专利98111401.6提供了一种采用焊接热熔方式在鼻部嵌有高热强性材料鼻头的组合顶头。美国专利5031434提供了一种钼或钼合金粉末包覆具有凹凸表面基体的复合顶头，借助基体材料与表面熔结的钼壳层的热膨胀，通过冷收缩实现钼壳层与基体的物理结合。这种顶头钼含量较高，制造复杂且成本高，钼壳层也易脱落。美国专利6202463提供了一种陶瓷复合的顶头，通过将SiC、ZnO2、Al2O3、Si3N4等陶瓷粉末制成模型然后烧结，在打磨和磨削成顶头的形状。这种顶头制造方法及其复杂、成本极高。

以上传统的常规方法仍然不尽人意，顶头的使用寿命尚需进一步，成本进一步降低。激光熔覆技术可实现工件的强化、修复和激光快速制造，具有广阔的应用前景。激光熔覆表面涂层技术比常规涂层方法有更明显的优点，可以实现涂层与基体之间的冶金结合，涂层厚度可以实现比较精确的控制，可对涂层材料的成分进行灵活调整。为了提高顶头的使用寿命，并根据顶头的不同工作部位的失效特点，在合金钢(35CrMo、20CrNi4、3Cr2W8等)顶头的鼻部、工作部以及矫直部、平行部分别熔覆两种不同的合金材料，达到节省贵重金属材料、降低处理成本的目的。

发明内容

为了解决钼合金顶头钼合金易脱落，提高顶头的使用寿命并降低制造成本，提供一种双合金涂层无缝钢管顶头及制备方法，其特征在于：在合金钢(35CrMo、20CrNi4、3Cr2W8、H13钢等)制造的顶头1的鼻部2、工作部4激光宽带熔覆高硬度、高强度、耐热抗氧化的镍基或钴基合金涂层，在矫直部5、平行部6激光宽带熔覆价格低廉、耐磨性优良的铁基合金涂层，获得一种双合金涂层无缝钢管顶头。

高硬度、高强度、耐热抗氧化的镍基合金，其化学成分为C：0.4-0.5％、Cr：15-18％、Si：2-3％、W：8-10％、Mo：2.5-3.5％、B：1.5-2.0％、余量Ni。

高硬度、高强度、耐热抗氧化的钴基合金，其化学成分为C：0.3-0.4％、B：2.0-2.5％、Cr：20-21％、Fe：2-3％、Mo：2.5-3.5％、Ni：3-4％、Si：1.5-2.0％、W：8-10％、余量Co。

价格低廉、耐磨性优异的铁基合金，其化学成分为C：0.60-0.70％、B：1.5-2.0％、Cr：25-28％、Ni：2-3％、Si：1.0-1.5％、余量Fe。

本发明的一种双合金涂层无缝钢管顶头及制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用铸造方式进行合金钢(35CrMo、20CrNi4、3Cr2W8、H13钢等)顶头的制造；

(2)对铸造的顶头进行机械加工，并且根据实际需要，在顶头的外表面为激光熔覆工艺预留1.0-3.0mm的熔覆厚度，以顶头螺纹7进行装卡和固定；

(3)用镍基或钴基合金进行鼻部顶端的激光熔覆，熔覆轨迹为圆环线，搭接率为40％-60％；对鼻部侧面以及工作部进行激光熔覆，熔覆材料为镍基合金粉末或钴基合金粉末，然后激光不间断用铁基合金连续完成矫直部、平行部的激光熔覆，熔覆轨迹为螺旋线，搭接率为40％-60％，在两种材料的过渡部，采用梯度渐变送粉的方式完成粉末种类的切换；

(4)顶头去应力热处理：在400-500℃保温8小时，然后随炉缓冷；

(5)进行顶头鼻部喷水孔的机械加工，并完成激光涂层打磨、磨削处理。

本发明的效果，体现在激光熔覆所用的材料不同于常规喷涂、堆焊工艺使用的镍基合金、钴基合金以及铁基合金，材料配比属于自主研发，适合于激光熔覆工艺，另外，在双合金结合处激光熔覆工艺采用了成分梯度渐变的方式，消除了双合金之间因材料突变而产生的应力集中问题，消除了结合处易出现裂纹的问题。

附图说明

图1是穿管机顶头基体及各部位涂层示意图

图2是顶头鼻部端面激光熔覆轨迹示意图

图3是顶头回转面激光熔覆轨迹示意图

1.顶头2.鼻部3.喷水孔4.工作部5.矫直部6.平行部7.顶头螺纹8.圆环熔覆轨迹9.螺旋熔覆轨迹

具体实施方式

实施例1

(1)选取3Cr2W8为顶头基材，并获得铸造毛坯；

(2)对顶头毛坯进行常规机械加工，在顶头的外表面为激光熔覆工艺预留1.0mm厚度，以顶头螺纹7实现激光熔覆前的装卡和固定；

(3)采用激光宽带熔覆工艺，侧向送粉，喷嘴见申请者已授权专利ZL200520121771.2，双筒送粉方式，其中一筒装填镍基合金粉末，另外一筒装填铁基合金粉末；

(4)先用镍基合金粉末进行鼻部顶端的激光熔覆，熔覆轨迹为圆环线，搭接率为40％；

(5)对鼻部侧面以及工作部进行激光熔覆，熔覆粉末材料为镍基合金粉末，然后激光不间断用铁基合金连续完成矫直部、平行部的激光熔覆，熔覆轨迹为螺旋线，搭接率为40％，在两种材料的接合部，采用梯度渐变送粉的方式完成粉末种类的切换，所用镍基合金粉末化学成分为C：0.4wt％、Cr：15.0wt％、S i：2.0wt％、W：8.0wt％、Mo：2.5wt％、B：1.5wt％、余量Ni，所用铁基合金粉末的化学成分为C：0.6wt％、B：1.5wt％、Cr：25wt％、Ni：2.0wt％、Si：1.0wt％、余量Fe；

(6)顶头去应力热处理：在400℃保温8小时，然后随炉缓冷；

(7)进行顶头鼻部喷水孔的机械加工，并完成激光涂层打磨、磨削处理，获得双合金涂层顶头。

在某钢管厂实际使用效果表明，与原氧化处理的35CrMo顶头相比，穿材质为37Mn5的无缝钢管的数量由300只提高到550只，综合经济效益提高70％左右。

实施例2

(1)选取20CrNi4为顶头基材，并获得铸造毛坯；

(2)对顶头毛坯进行常规机械加工，在顶头的外表面为激光熔覆工艺预留3.0mm厚度，以顶头螺纹7实现激光熔覆前的装卡和固定；

(3)采用激光宽带熔覆工艺，侧向送粉喷嘴，双筒送粉方式，其中一筒装填镍基合金粉末，另外一筒装填铁基合金粉末；

(4)先用镍基合金粉末进行鼻部顶端的激光熔覆，熔覆轨迹为圆环线，搭接率为60％；

(5)对鼻部侧面以及工作部进行激光熔覆，熔覆粉末材料为镍基合金粉末，然后激光不间断用铁基合金连续完成矫直部、平行部的激光熔覆，熔覆轨迹为螺旋线，搭接率为60％，在两种材料的接合部，采用梯度渐变送粉的方式完成粉末种类的切换，所用镍基合金粉末化学成分为C：0.5wt％、Cr：18.0wt％、Si：3.0wt％、W：10.0wt％、Mo：3.5wt％、B：2.0wt％、余量Ni，所用铁基合金粉末的化学成分为C：0.7wt％、B：2.0wt％、Cr：28.0wt％、Ni：3.0wt％、Si：1.5wt％、余量Fe；

(6)顶头去应力热处理：在500℃保温8小时，然后随炉缓冷；

在某钢管厂实际使用效果表明，与原氧化处理的35CrMo顶头相比，穿材质为37Mn5的无缝钢管的数量由300只提高到590只，综合经济效益提高75％左右。

实施例3

(1)选取35CrMo为顶头基材，并获得铸造毛坯；

(2)对顶头毛坯进行常规机械加工，在顶头的外表面为激光熔覆工艺预留1.5mm厚度，以顶头螺纹7实现激光熔覆前的装卡和固定；

(3)采用激光宽带熔覆工艺，侧向送粉，双筒送粉方式，其中一筒装填钴基合金粉末，另外一筒装填铁基合金粉末；

(4)先用钴基合金粉末进行鼻部顶端的激光熔覆，熔覆轨迹为圆环线，搭接率为50％；

(5)对鼻部侧面以及工作部进行激光熔覆，熔覆粉末材料为钴基合金粉末，然后激光不间断用铁基合金连续完成矫直部、平行部的激光熔覆，熔覆轨迹为螺旋线，搭接率为50％，在两种材料的过渡部，采用梯度渐变送粉的方式完成粉末种类的切换，所用钴基合金粉末的化学成分为C：0.3wt％、B：2.0wt％、Cr：20.0wt％、Fe：2.0wt％、Mo：2.5wt％、N i：3.0wt％、Si：1.5wt％、W：8.0wt％、余量Co，所用铁基合金粉末化学成分为C：0.65wt％、B：1.8wt％、Cr：26.0wt％、Ni：2.5wt％、Si：1.3wt％、余量Fe；

(6)顶头去应力热处理：在450℃保温8小时，然后随炉缓冷；

在某钢管厂实际使用效果表明，与原氧化处理的35CrMo顶头相比，穿材质为37Mn5的无缝钢管的数量由300只提高到620只，综合经济效益提高80％左右。

实施例4

(1)选取H13为顶头基材，并获得铸造毛坯；

(2)对顶头毛坯进行常规机械加工，在顶头的外表面为激光熔覆工艺预留2.5mm厚度，以顶头螺纹7实现激光熔覆前的装卡和固定；

(4)先用钴基合金粉末进行鼻部顶端的激光熔覆，熔覆轨迹为圆环线，搭接率为55％；

(5)对鼻部侧面以及工作部进行激光熔覆，熔覆粉末材料为钴基合金粉末，然后激光不间断用铁基合金连续完成矫直部、平行部的激光熔覆，熔覆轨迹为螺旋线，搭接率为55％，在两种材料的过渡部，采用梯度渐变送粉的方式完成粉末种类的切换，所用钴基合金粉末的化学成分为C：0.4wt％、B：2.5wt％、Cr：21.0wt％、Fe：3.0wt％、Mo：3.5wt％、Ni：4.0wt％、Si：2.0wt％、W：10.0wt％、余量Co，所用铁基合金粉末化学成分为C：0.65wt％、B：1.8wt％、Cr：26.0wt％、Ni：2.5wt％、Si：1.3wt％、余量Fe；

(6)顶头去应力热处理：在480℃保温8小时，然后随炉缓冷；

在某钢管厂实际使用效果表明，与原氧化处理的35CrMo顶头相比，穿材质为37Mn5的无缝钢管的数量由300只提高到670只，综合经济效益提高90％左右。

Claims

1.一种双合金涂层无缝钢管顶头，其特征在于：在顶头(1)的鼻部(2)、工作部(4)激光宽带熔覆镍基或钴基合金涂层，在矫直部(5)、平行部(6)激光宽带熔覆铁基合金涂层，获得一种双合金涂层无缝钢管顶头；

所述的镍基合金，其化学成分为C：0.4-0.5wt％、Cr：15-18wt％、Si：2-3wt％、W：8-10wt％、Mo：2.5-3.5wt％、B：1.5-2.0wt％、余量Ni；

所述的钴基合金，其化学成分为C：0.3-0.4wt％、B：2.0-2.5wt％、Cr：20-21wt％、Fe：2-3wt％、Mo：2.5-3.5wt％、Ni：3-4wt％、Si：1.5-2.0wt％、W：8-10wt％、余量Co；

所述的铁基合金，其化学成分为C：0.60-0.70wt％、B：1.5-2.0wt％、Cr：25-28wt％、Ni：2-3wt％、Si：1.0-1.5wt％、余量Fe。

2.根据权利要求1所述的一种双合金涂层无缝钢管顶头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用铸造方式进行顶头的制造；

(2)对铸造的顶头进行机械加工，在顶头的外表面为激光熔覆工艺预留1.0-3.0mm的熔覆厚度；

(3)用镍基或钴基合金进行鼻部顶端的激光熔覆，熔覆轨迹为圆环线，搭接率为40％-60％；对鼻部侧面以及工作部进行激光熔覆，熔覆粉末用镍基或钴基合金，然后激光不间断用铁基合金连续完成矫直部、平行部的激光熔覆，熔覆轨迹为螺旋线，搭接率为40％-60％，在两种材料的过渡部，采用梯度渐变送粉的方式完成粉末种类的切换；