CN101909775A - 带涂层超硬顶头以及使用了该带涂层超硬顶头的冷拔方法 - Google Patents

带涂层超硬顶头以及使用了该带涂层超硬顶头的冷拔方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带涂层超硬顶头以及使用了该带涂层超硬顶头的冷拔方法。在对含有5质量％以上的Cr的Cr系合金钢的管坯进行冷拔加工时，采用在利用化学转化处理形成的润滑保护膜的基底上形成有草酸盐保护膜的管坯，使用在表面上涂覆有氮化铝钛(TiAlN)膜的带涂层超硬顶头为拉拔用顶头，从而能够抑制被涂覆在顶头表面上的TiAlN膜发生剥离，由此能够防止产生划伤痕，能够谋求延长顶头的使用寿命。

Description

带涂层超硬顶头以及使用了该带涂层超硬顶头的冷拔方法
技术领域
本发明涉及一种适合用于加工Cr系合金钢的带涂层超硬顶头(plug)以及冷拔方法，更详细而言，涉及一种通过涂敷氮化铝钛(TiAlN)膜而发挥优异的耐划伤性以及耐磨损性的带涂层超硬顶头以及使用了该带涂层超硬顶头的冷拔方法。
背景技术
在用在核反应用配管、高温高压炉等用途中且要求具有较高的尺寸精度的钢管的精加工中应用冷拔加工。在应用该冷拔加工的情况下，将管坯的一端轧制为较细而形成缩颈部，然后对管坯进行酸洗处理，之后进行润滑处理，利用冷拔机的卡盘夹持缩颈部而随着滑架(carriage)的移动拉拔管坯，从而将管坯拉拔加工成目标尺寸。
图1是概略地说明利用冷拔加工对管坯进行减径加工以及减壁厚加工的方法的图。在对管坯3进行拉拔加工时，将顶头1以与模(dies)2以及管坯3同心状地插入到管坯3内部，然后利用芯棒(mandrel)4保持顶头1的一端而沿空心箭头的方向拉拔管坯3。
此时，被拉拔的管坯3的外表面被模2轧制而减径，另一方面，管坯3的内表面沿顶头的平行部1a被约束而被进行减壁厚加工。因而，被拉拔后的目标尺寸中的外径尺寸由模的孔径决定，内径尺寸由顶头平行部1a的直径决定。
在图1所示的冷拔加工中，将加工长度增加到管坯的整个长度(例如20m/每遍拉拔)，并且维持较高的表面压力，因此管坯与模或顶头之间的摩擦变大，所以在不能减小模或顶头与管坯之间的摩擦的情况下，会因摩擦热的局部性集中而导致发生划伤。
因此，在碳钢、合金钢的冷拔加工中，重要的是减少模或顶头与被加工管的摩擦、从而减轻拉拔工具的磨损、防止划伤痕产生。从上述观点出发，提出了各种欲将拉拔工具(模或顶头)的材质、形状、润滑剂的选择、拉拔速度、拉拔程序(schedule)调整到最佳的方法。
例如，本申请人提出了一种方法：在对管坯进行拉拔加工时将R形模以及顶头的材质设为WC-Co系超硬合金、而且使用在顶头的表面上涂敷有2层涂层以减少与管坯的摩擦的拉拔工具(参照日本特开平07-60335号公报)。
具体而言，在R形模与管坯的接触角度大于40°时，管坯的外表面上的划伤发生率急剧增加，在R形模与管坯的接触角度为40°以下时，在管坯的外表面上不会发生划伤，因此提出了使用涂敷有2层涂层的超硬顶头、和使被加工管与模的接触角为40°以下的那样形状的R形模。
如上所述，作为冷加工中的拉拔工具，多使用超硬合金。该超硬合金是通过烧结硬质的金属碳化物的粉末而形成的合金，通常是指混合地烧结WC(碳化钨)和作为结合剂(binder)的Co(钴)后形成的合金，依据用途，可以在该超硬合金中添加TiCN(碳氮化钛)、TaC(碳化钽)等以提高材料特性。
在拉拔加工中，由于超硬合金在高温时很少发生硬度下降的情况，非常不容易被磨损，所以被广泛用作拉拔工具的材料，此外在与管坯的内表面的摩擦较大的顶头中，主流材料是在工具表面涂敷有TiCN(碳氮化钛)硬质物质的超硬顶头。通常，利用CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)形成TiCN的涂层。
在对钢种是碳钢以及低合金钢的管坯进行拉拔加工的情况下，在管坯的除鳞(descaling)处理中使用硫酸洗，在润滑处理中进行磷酸盐保护膜处理的化学转化处理。作为酸洗、润滑处理的具体步骤，在除鳞处理之后，使用碱性脱脂剂清洗管坯的内外表面，然后将冲洗后的管坯浸渍在磷酸盐处理浴中，从而在内外表面上形成磷酸盐保护膜的基底。之后进行中和处理，从而形成以硬脂酸钠为主要成分的金属皂化层。
另一方面，在对钢种是Cr含量高达5质量％以上的Cr系合金钢的管坯进行拉拔加工的情况下，在磷酸盐处理中该管坯不易发生反应，所以如在后述的化学转化处理中说明的那样，将管坯浸渍在草酸盐处理浴中，从而在内外表面上形成草酸盐保护膜的基底，以代替在管坯上形成磷酸盐保护膜的基底。之后形成以硬脂酸钠为主要成分的金属皂化层。
但清楚的是，当对在润滑保护膜的基底上形成有草酸盐保护膜的Cr系合金钢进行拉拔加工的情况下，若使用在表面涂敷有TiCN的超硬顶头，则TiCN膜会发生剥离，从而导致顶头的使用寿命明显下降。随之在被实施了拉拔加工的钢管上多产生划伤痕，不得已导致产品合格率降低、使拉拔加工的效率降低。
发明内容
本发明是鉴于在上述的拉拔加工中存在的问题而做成的，目的在于提供一种带涂层超硬顶头和使用了该带涂层超硬顶头的冷拔方法，通过在对钢种为Cr系合金钢且在润滑保护膜的基底上形成有草酸盐保护膜的管坯进行拉拔加工时使用在表面上涂敷有TiAlN膜的超硬顶头，能够防止管坯在拉拔加工中产生划伤痕、谋求延长顶头的使用寿命、并能高效地制造高品质的冷加工产品。
为了解决以上问题，本发明人等使用各种带涂层超硬顶头、将管坯区分成在润滑保护膜的基底上形成有磷酸盐保护膜的管坯、和在润滑保护膜的基底上形成有草酸盐保护膜的管坯，观察了超硬顶头表面上的涂层膜随着拉拔加工的进行而发生的变化状况。
在使用涂敷有TiCN的超硬顶头对在润滑保护膜的基底上形成有草酸盐保护膜的管坯进行拉拔加工时，TiCN膜受到草酸盐保护膜的作用而发生腐蚀，从而容易使TiCN膜发生剥离。
相对于此，虽然未必能用逻辑解释，但当在拉拔加工中使用的是涂敷有TiAlN的超硬顶头时，即使是在对在润滑保护膜的基底上形成有草酸盐保护膜的管坯进行拉拔加工的情况下，也不会引发TiAlN膜的腐蚀，从而能够抑制管坯在拉拔加工中产生划伤痕，能够谋求延长顶头的使用寿命。
本发明是鉴于上述见解而完成的，主旨在于提供下述(1)的带涂层超硬顶头以及(2)的冷拔方法。
(1)一种带涂层超硬顶头，其特征在于，该带涂层超硬顶头能够用于冷拔在利用化学转化处理产生的润滑保护膜的基底上形成有草酸盐保护膜的Cr系合金钢，且在该带涂层超硬顶头的表面上涂敷有氮化铝钛(TiAlN)膜。
在该带涂层超硬顶头中，优选将氮化铝钛(TiAlN)膜的厚度设为3～10μm。
(2)一种冷拔方法，其特征在于，作为对由Cr系合金钢构成的被加工管实施的化学转化处理，进行去除管的表面上的氧化皮以及锈的酸洗工序、在中和后的管的表面上形成草酸盐保护膜的工序、以及在上述草酸盐保护膜上形成润滑层的工序，之后将涂覆有厚度为3～10μm的氮化铝钛(TiAlN)膜的带涂层超硬顶头插入到上述被加工管的内表面中，对该被加工管进行减径加工以及减壁厚加工。
本发明规定的“Cr系合金钢”例如能够使用JIS G 3462、STBA25～26的合金钢钢管，且对象是代表性的Cr含量为5～9质量％的钢种。此外，该“Cr系合金钢”的对象还可以是Cr含量较高的钢种、例如代表性的Cr含量为12～14质量％的相当于SUS420的13Cr钢、Cr含量为18～20质量％的相当于SUS304的不锈钢等。以上述钢种进行了拉拔加工后形成的钢管能够应用在锅炉的过热器管、空气预热器管等中，或化学工业、石油工业的热交换器、冷凝器管、催化管等中。
采用本发明的带涂层超硬顶头，即使在对钢种是Cr系合金钢、不锈钢且在润滑保护膜的基底上形成有草酸盐保护膜的管坯进行拉拔加工的情况下，也不会使涂敷在顶头的表面上的TiAlN膜剥离，从而能够防止管坯在拉拔加工中产生划伤痕，由此能够谋求延长顶头的使用寿命，并且能够高效地制造尺寸精度高的高品质的冷加工产品。
附图说明
图1是概略地说明利用冷拔对管坯进行减径加工以及减壁厚加工的方法的图。
图2是表示能够应用在作为本发明对象的管坯中的化学转化处理的工序例的图。
图3是表示在实施例1中调查顶头的使用寿命后得到的结果的图。
图4是表示在实施例2中调查顶头的使用寿命后得到的结果的图。
具体实施方式
本发明的带涂层超硬顶头的对象钢种是代表性的Cr含量为5～20质量％的Cr系合金钢、不锈钢(以下将Cr系合金钢和不锈钢总称为“Cr系合金钢”)，但是管坯的制造方法没有特别限定。通常，采用生产效率优异的芯棒式无缝管轧机制造法通过热轧来制造无缝钢管用的管坯。
例如以800℃的退火条件对接收到的“Cr系合金钢”管坯进行用于谋求管坯软化的热处理。在对要被拉拔加工的管坯实施了管坯软化处理后，马上对该管坯实施利用酸洗进行的除鳞处理，去除管坯的内外表面上的氧化皮，然后实施润滑处理。
图2是表示能够应用在作为本发明对象的管坯中的化学转化处理的工序例的图。首先，作为第1处理工序，对该管坯进行酸洗，从而去除随着管坯软化的进行而附着在管坯表面上的氧化皮，此外还去除在管坯表面产生的锈。通常，使用硫酸(10～13％)作为所用的酸，采用游离酸度、铁浓度为管理项目。作为酸洗条件，将处理温度设为室温、将目标浸渍时间设为30分钟。在该酸洗处理之后，对管坯进行水洗(例如进行几分钟左右)，冲洗掉残留在管坯表面上的酸。
在上述的酸洗工序之后，将管坯浸渍在氢氧化钠溶液中而进行中和处理。利用该中和处理能够稳定管坯的表面。之后，作为第2处理工序，将管坯浸渍在草酸盐处理浴中，从而在管坯的表面上形成草酸盐保护膜的基底。以草酸的总酸度为9～12百分点的程度管理所用的草酸盐处理浴，作为处理条件，将处理温度设为80℃、将目标浸渍时间设为5分钟。在进行了该草酸盐保护膜处理之后，以热水对管坯进行清洗(例如以50℃的处理温度进行了几分钟左右)。
在管坯的钢种为碳钢或低合金钢(例如Cr含量为2质量％以下)时，通常对管坯进行磷酸盐保护膜处理，从而在管坯的表面上形成磷酸盐保护膜，但在要被处理的钢中的Cr含量大于5质量％时，不能充分地形成磷酸盐保护膜的基底。因此，在本发明所采用的化学转化处理中，前提是，作为第2处理工序要对管坯进行草酸盐保护膜处理。
然后，作为第3处理工序，使所形成的草酸盐保护膜与皂类润滑剂反应，从而在管坯的表面上形成润滑层。作为形成润滑层的处理，通常使硬脂酸钠与草酸盐保护膜反应而形成金属皂化层，但本发明的制造方法并不限定于该方法。作为形成润滑层的处理的条件，将处理温度设为大约80℃、将目标浸渍时间设为15分钟。对利用上述第1～第3处理工序实施了化学转化处理的管坯进行干燥。
本发明的带涂层超硬顶头的主体由WC-Co系、或WC-TiCN-TaC-Co系的合金基体构成，在该顶头的表面上涂敷有TiAlN(氮化铝钛)膜。可以利用CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)两者中的任意一种方法形成所涂敷的上述膜，因此并不限定于使用上述方法形成该膜，可以利用惯用的条件将该膜覆盖在基体表面上。
在管的冷拔加工中，由于加工范围遍布管坯的整个长度，因此加工长度变长而大于20m/每遍拉拔，因此属于加工条件比其他的冷加工、例如冲压加工等严酷的冷加工。因此，为了在对管进行拉拔加工时确保顶头的耐磨损性，自以往一直使用在表面上涂敷有TiCN(碳氮化钛)膜的超硬顶头。
但是，如上所述，在对“Cr系合金钢”管坯进行拉拔加工的情况下，作为利用化学转化处理形成的润滑保护膜的基底，形成的是草酸盐保护膜。在使用TiCN膜的带涂层超硬顶头对上述管坯进行拉拔加工时，TiCN膜受到草酸盐保护膜的作用而发生腐蚀，从而使TiCN膜容易剥离，在拉拔加工后的钢管上常有划伤痕。
相对于此，当在对“Cr系合金钢”管坯进行拉拔加工的情况下使用TiAlN膜的带涂层超硬顶头时，不会出现涂层膜受到草酸盐保护膜的作用而发生腐蚀的现象，从而能够显著减少涂层膜的剥离。表示相对于草酸盐保护膜的上述TiAlN膜的耐腐蚀性的变化状况虽然不能用技术性的逻辑解释，但这是基于本发明人等的各种研究而新被发现的。
优选本发明的带涂层超硬顶头在基体表面上形成有厚度为3～10μm的TiAlN膜。在TiAlN膜的厚度小于3μm时，耐磨损性不够充分，容易在拉拔加工后的钢管上产生划伤痕。另一方面，在TiAlN膜的厚度大于10μm时，涂层过厚而变脆，因此容易使涂层膜出现缺损。
本发明的冷拔方法的特征在于，作为对由“Cr系合金钢”构成的被加工管实施的化学转化处理，进行去除管的表面上的氧化皮以及锈的酸洗工序、在中和后的管的表面上形成草酸盐保护膜的工序、以及在上述草酸盐保护膜上形成润滑层的工序，之后将涂敷有厚度为3～10μm的氮化铝钛(TiAlN)膜的带涂层超硬顶头插入到上述被加工管的内表面中，对该被加工管进行减径加工以及减壁厚加工。
在本发明的冷拔方法中，在对“Cr系合金钢”管坯进行拉拔加工的情况下，通过使用TiAlN膜的带涂层超硬顶头，与以往一直是主流工具的TiCN膜的带涂层超硬顶头相比，能够发挥优异的耐划伤性以及耐磨损性，能够谋求大幅延长顶头的使用寿命，并且能够防止管坯在拉拔加工中产生划伤痕。
下面，根据实施例详细说明本发明的效果。
实施例
实施例1
作为实施例1的试验用管坯，准备钢种是JIS STBA26(9Cr-1Mo钢)、且利用满乃斯曼式芯棒式无缝管轧法进行了精轧的管。为了对所接收的管坯进行管坯软化处理，在辊底式(roller hearth)炉中对该管坯实施了800℃×10分钟的热处理，然后利用酸洗处理去除管坯的内外表面上的氧化皮，之后实施了润滑处理。
作为拉拔加工前的具体的化学转化处理，使用硫酸(10～13％)进行处理温度为室温、处理时间为30分钟的酸洗处理，然后进行水洗处理、中和处理，之后进行处理温度为75～85℃的状态、处理时间为5分钟的草酸盐保护膜处理，在处理温度为75～85℃、处理时间为15分钟的条件下使硬脂酸钠与草酸盐保护膜反应，从而形成金属皂化层。
作为拉拔加工程序，将管坯尺寸设为外径34.0mm×壁厚3.3mm、将拉拔尺寸设为外径25.80mm×壁厚2.60mm，将下述式(1)所示的截面减少率Rd设为40.5％。
Rd＝{(D0-D1)/D0}×100(％)    ...(1)
其中，D0：加工前的截面积(mm2)，D1：加工后的截面积(mm2)。
以上述图1所示的结构进行拉拔加工，使用超硬模作为模，将拉拔用顶头区分为TiAlN膜的带涂层超硬顶头(本发明例)和TiCN膜的带涂层超硬顶头(比较例)，然后调查了各顶头的使用寿命。
根据每个带涂层超硬顶头的拉拔延长长度(m)判断顶头的使用寿命，其判断基准取决于在管坯上是否有划伤痕或涂层是否发生了剥离。
图3是表示在实施例1中调查顶头的使用寿命后得到的结果的图。根据图3所示的结果可清楚得知，在使用本发明例即TiAlN膜的带涂层超硬顶头的情况下，以拉拔延长长度来看、顶头的使用寿命为2900m，相对于此，在使用比较例即TiCN膜的带涂层超硬顶头的情况下，以拉拔延长长度来看、顶头的使用寿命止于1000m。
实施例2
作为实施例2的试验用管坯，准备钢种是相当于JISSUS304的不锈钢、且利用满乃斯曼式芯棒式无缝管轧法进行了精轧的管。在辊底式炉中在1230℃的温度下对所接收的管坯实施了2分钟的热处理，然后在利用酸洗处理去除了氧化皮之后，利用化学转化处理实施了润滑处理。
作为拉拔加工程序，将管坯尺寸设为外径54.0mm×壁厚7.9mm、将拉拔尺寸设为外径44.50mm×壁厚6.30mm，将上述式(1)所示的截面减少率Rd设为33.9％。
与实施例1相同，使用超硬模作为模，将拉拔用顶头区分为TiAlN膜的带涂层超硬顶头(本发明例)和TiCN膜的带涂层超硬顶头(比较例)，而对管坯进行了拉拔加工，然后调查了各个顶头的使用寿命。
结果，在使用本发明例即TiAlN膜的带涂层超硬顶头的情况下，以拉拔延长长度来看、顶头的使用寿命为18000m，相对于此，在使用比较例即TiCN膜的带涂层超硬顶头的情况下，以拉拔延长长度来看、顶头的使用寿命止于7400m。
根据实施例1、2的结果可知，当对在利用化学转化处理形成的润滑保护膜的基底上形成有草酸盐保护膜的Cr系合金钢进行拉拔加工时，通过使用TiAlN膜的带涂层超硬顶头，能够发挥优异的耐划伤性以及耐磨损性，并能有效地防止管坯在拉拔加工中产生划伤痕，大幅延长顶头的使用寿命。
工业实用性
采用本发明的带涂层超硬顶头，即使在对钢种是Cr系合金钢且在润滑保护膜的基底上形成有草酸盐保护膜的管坯进行拉拔加工的情况下，也不会使涂敷在管坯表面上的TiAlN膜剥离，从而能够发挥优异的耐划伤性以及耐磨损性，防止管坯在拉拔加工中产生划伤痕，谋求延长顶头的使用寿命。
利用使用了本发明的带涂层超硬顶头的冷拔方法制得的钢管具有优异的尺寸精度，且能够形成为高品质的冷加工产品，而且能够高效地制得，因此能够广泛应用为冷加工无缝钢管。

Claims (3)

1.一种带涂层超硬顶头，其特征在于，
该带涂层超硬顶头能够用于冷拔在利用化学转化处理产生的润滑保护膜的基底上形成有草酸盐保护膜的Cr系合金钢；
在该带涂层超硬顶头的表面上涂敷有氮化铝钛(TiAlN)膜。
2.根据权利要求1所述的带涂层超硬顶头，其特征在于，
上述氮化铝钛(TiAlN)膜的厚度为3～10μm。
3.一种冷拔方法，其特征在于，
作为对由Cr系合金钢构成的被加工管实施的化学转化处理，进行去除管的表面上的氧化皮以及锈的酸洗工序、在中和后的管的表面上形成草酸盐保护膜的工序、以及在上述草酸盐保护膜上形成润滑层的工序；之后，
将涂覆有厚度为3～10μm的氮化铝钛(TiAlN)膜的带涂层超硬顶头插入到上述被加工管的内表面中，对该被加工管进行减径加工以及减壁厚加工。
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