CN103131966B

CN103131966B - 一种钢管穿孔顶头及其制备方法

Info

Publication number: CN103131966B
Application number: CN201310074823.4A
Authority: CN
Inventors: 吴满旵
Original assignee: NINGBO YINZHOU QIANGLI FASTENER FACTORY
Current assignee: Ningbo Wenerchang New Material Technology Co ltd
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2033-02-07
Also published as: CN103131966A

Abstract

本发明公开了一种钢管穿孔顶头及其制备方法，它解决了现有技术中钢管穿孔顶头耐磨性不够，寿命不长等问题。本发明的钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.28％-0.40％，铬(Cr)：11.0％-12.2％，锰(Mn)：1.7％-2.3％，钼(Mo)：0.2％-0.6％，硅(Si)：0.25％-1.10％，镍(Ni)：0.8％-1.1％，钒(V)：0.3％-0.5％，铼(Re)：0.25％-0.35％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。本发明还提供了制备上述钢管穿孔顶头的制备方法，其方法包括以下步骤：配料，锻造，退火热处理，表面氧化处理。本发明的钢管穿孔顶头耐磨性好，使用寿命长。

Description

一种钢管穿孔顶头及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种穿孔顶头，具体涉及一种钢管穿孔顶头及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

穿孔顶头是钢管生产中的关键工艺件，其质量的好坏和使用寿命的长短直接影响钢管生产的效率和钢管质量。而穿孔顶头在穿孔过程中，因直接与高温管坯内壁接触，穿孔顶头和管坯反向旋转，顶头受力复杂，需要承受巨大的轴向、径向、切向应力以及表面摩擦力，且穿管过程中或穿管后需水冷，需在高温高压、急冷急热的工作条件下经受周次的机械疲劳和热疲劳。因此，穿孔顶头在使用过程中极易被破坏，容易出现塌鼻、粘钢、开裂等失效问题，寿命不长而研制高质量高寿命的穿孔顶头已成为钢管生产中的重要课题。

中国专利申请文件(公开号：CN101603154A)公开了一种钢管热穿孔顶头的新材料，其化学组分及重量百分比为C：0.2-0.3，Si：0.20-1.20，Mn：0.40-0.60，Cr：0.50-0.80，Ni：0.90-1.20，Mo：0.90-1.20，W：1.80-2.20，Al：1.0-2.0，Ce：0.02-0.05，余量为铁及不可避免的微杂质。该新材料一定程度上提高了穿孔顶头新材料的硬度、强度、韧性等性能，但是其耐磨性、耐温性没有得到明显改善，从而使得所述热穿孔顶头的使用寿命不长。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种耐磨性好，耐温性好，使用寿命长的钢管穿孔顶头。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种钢管穿孔顶头，其组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.28％-0.40％，铬(Cr)：11.0％-12.2％，锰(Mn)：1.7％-2.3％，钼(Mo)：0.2％-0.6％，硅(Si)：0.25％-1.10％，镍(Ni)：0.8％-1.1％，钒(V)：0.3％-0.5％，铼(Re)：0.25％-0.35％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。

相较于现有技术，本发明设计了一种新的钢管穿孔顶头材料，该钢管穿孔顶头在低镍的基础上，通过优化各成分的配比及加入新的元素使其产生协同作用，得到耐磨性好，耐高温，耐低温的使用寿命长的钢管穿孔顶头。

本发明钢管穿孔顶头中碳含量为0.28％-0.40％。在钢管穿孔顶头中碳与铁、铬形成稳定的(Cr，Fe)₇C₃型碳化物，也可与Fe、Mn形成碳化物，并通过淬火提高钢管穿孔顶头的耐磨性和硬度，同时又保证了足够的塑性、韧性及其耐温性。若碳含量过低时，碳化物变少，耐磨效果不明显，而当碳含量过高时，钢管穿孔顶头的机械性能尤其是韧性显著变差，不利于穿孔顶头在恶劣的工况下使用。将碳元素的质量百分比控制在0.28％-0.40％，可使碳与其他元素产生协同作用，使本发明中的钢管穿孔顶头具有较好的综合性能。

与现有技术相比，本发明钢管穿孔顶头中的铬含量大大增加，为11.0％-12.2％。铬原子的半径为2.8·10^-10m，而铁原子的半径为2.7·10^-10m，两者十分相近，铁与铬的亲和力比其他元素强，容易与碳结合成(Fe、Cr)₃C型碳化物。而铸态组织中碳化物的量随铬含量的增加而增加，往往在晶界上形成连续网状碳化物(Fe、Cr)₃C。此外，在钢管穿孔顶头中加入高含量的铬元素不仅能改变顶头中碳化物弥散分布形态，获得以Cr₂₃C₆为主的粒状碳化物，使其弥散分布于奥氏基体上，还能提高钢管穿孔顶头的耐磨性、韧性、强度和抗高温、抗腐蚀性能。因此本发明钢管穿孔顶头将铬含量提高到11.0％-12.2％，可使铬与其他元素产生协同作用，有效地提高钢管穿孔顶头耐磨性能2倍以上。

锰是钢管穿孔顶头中主要的强化元素，在钢管穿孔顶头中主要起脱氧除气和提高淬透性等作用。但当锰含量高于9％时，元素锰对钢管穿孔顶头的机械性能没有明显的影响。锰在钢管穿孔顶头中可与铁生成(FeMn)₃C型碳化物，降低奥氏体分解速度，从而大大提高钢管穿孔顶头的淬透性。若锰含量过高，锰溶于奥氏体中会降低马氏体转变温度进而使淬火组织中残余的奥氏体量增多从而影响钢管穿孔顶头的耐磨性。在保证奥氏体组织的前提下，锰含量的降低会导致奥氏体稳定性略有下降，但钢管穿孔顶头的耐磨性在高冲力的作用下会显著提高，加工硬度也显著增强。在钢管穿孔顶头中添加锰元素可细化材料组织，提高再结晶温度，从而增强钢管穿孔顶头在使用过程中因摩擦产生高温时的耐热性。因此本发明将锰含量控制在1.7％-2.3％，既保证了奥氏体组织，又增加了奥氏体的硬度和强度，还可大幅提高钢管穿孔顶头的耐磨性、耐温性，以弥补低碳的不足。

将细化晶粒的钼元素加入钢管穿孔顶头中，可起三方面作用：一、钼能够有效地抑制渗碳体聚集，导致钼的碳化物以极细小尺寸弥散分布在奥氏体中，同时可弥散强化作用，强化奥氏体组织，使钢管穿孔顶头的强度和硬度增加，形变硬化性能增强，从而改善抗磨能力。二、钼分布在碳化物中可有效抑制钢管穿孔顶头冷却过程中晶界碳化物的析出，钢管穿孔顶头中加铬可使晶界碳化物析出倾向大大提高，钼与铬两种元素的复合添加可使两种合金元素的有益作用同时发挥出来。三、钢管穿孔顶头中添加钼后，针状碳化物变短，数量明显减少，析出温度提高，可使钢管穿孔顶头的脆化温度提高到350℃左右。经实验可知当加入0.2％-0.6％钼时，无缝钢管穿孔顶头的耐磨性可提高20-30％，强度、塑性和冲击韧性也提高20％-30％。与适量的锰配合加入钢管穿孔顶头中更能有效地发挥钼与锰在钢管穿孔顶头中的作用，提高钢管穿孔顶头的贝氏体淬透性，空冷时获得无碳化物贝氏体组织，从而提高钢管穿孔顶头的耐磨性、硬度。

加入适量的硅可提高氧化层与基体的粘结性，提高钢管穿孔顶头的抗高温回火性能，这对提高顶头使用寿命是必不可少的。但是硅含量过高会使钢管穿孔顶头高温强度下降，所以本发明将钢管穿孔顶头中硅的含量控制在0.25％-1.10％，与锰元素含量配合使用，有效地改善了钢管穿孔顶头的韧性，提高钢管穿孔顶头的强度和硬度。

镍的膨胀系数非常小，几乎不热胀冷缩，在钢管穿孔顶头中加入镍有利于形成粘附性好的氧化层，提高钢管穿孔顶头的高温强度。但是镍过高时，钢管穿孔顶头的导热性下降，氧化能力变差。

本发明钢管穿孔顶头中加入钒的含量为0.4％-0.6％。钒可细化晶粒，形成碳化物，从而增强钢管穿孔顶头的弹性、高温强度、抗磨损和抗爆裂性。钒的存在既可减少钢管穿孔顶头在使用时的变形及开裂，又能耐高温与抗寒等性能。但当钒含量达到一定量时，其效果增加不明显，且价格昂贵，含量过高会提高成本。

本发明经研究得在钢管穿孔顶头中加入少量细化晶粒的铼元素，可增大钢管穿孔顶头的硬度、塑性、耐磨性等综合性能，使钢管穿孔顶头在长期使用中耐受摩擦力。铼的加入可大大降低杂质中硫、磷等杂质的含量，提高钢管穿孔顶头的抗冷疲劳寿命，保证钢管穿孔顶头的品质。

虽然上述元素对顶头材料都有一定的贡献，但使用时最关键的是要用过合理配比及组合，这样才能充分发挥各元素的优越性。

所述杂质中，硫(S)元素的质量百分比小于等于0.026％，磷(P)元素的质量百分比小于等于0.026％。

本发明钢管穿孔顶头中将硫含量控制在0.026％以内用以降低钢管穿孔顶头的热脆性，提高钢管穿孔顶头的延展性和韧性。

磷和硫类似，对钢管穿孔顶头的的耐磨性和机械性能均有特别有害的影响。本发明将磷的含量控制在0.025％以内，用以提高钢管穿孔顶头的塑性、韧性、耐磨性，每0.02％的P平均降低冲击韧性1.98J/cm²，但当磷从0.07％-1.0％降到0.02％-0.04％，钢管穿孔顶头的塑性、韧性、耐磨性均可提高40％-50％，钢管穿孔顶头铸件的裂纹也可大大减少，还可避免沿晶界析出共晶磷化物。

本发明大大提高了铬含量，同时添加钒与铼，与现有技术中的顶头相比，提高了顶头的高温强度、硬度、塑性、耐磨性和热疲劳性能，使本发明钢管穿孔顶头的寿命更长。

进一步地，所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.28％，铬(Cr)：11.0％，锰(Mn)：1.7％，钼(Mo)：0.2％，硅(Si)：0.25％，镍(Ni)：0.8％，钒(V)：0.3％，铼(Re)：0.25％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。

进一步地，所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.33％，铬(Cr)：11.5％，锰(Mn)：2.0％，钼(Mo)：0.4％，硅(Si)：0.8％，镍(Ni)：1.0％，钒(V)：0.4％，铼(Re)：0.30％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。

进一步地，所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.40％，铬(Cr)：12.2％，锰(Mn)：2.3％，钼(Mo)：0.6％，硅(Si)：1.1％，镍(Ni)：1.1％，钒(V)：0.5％，铼(Re)：0.35％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。

本发明还提供一种制备上述钢管穿孔顶头的方法，所述的制备方法包括以下步骤：

S1、原料配制：按钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比配制原料。

S2、锻造：将配制好的原料进行冶炼、浇注，加工成所需的形状。

S3、退火热处理：将加工后的钢管穿孔顶头加热至880℃-950℃退火，退火后保温2-4小时，然后在350℃-370℃时出炉空冷得到钢管穿孔顶头初成品。

S4、表面氧化处理：先对钢管穿孔顶头初成品的装配面进行微加工处理，再加热至950℃-1100℃高温氧化，然后在温度为520℃-610℃的条件下保温4-5小时，即得到成品钢管穿孔顶头。

在上述钢管穿孔顶头的制备方法中，作为优选，在步骤S3中，所述加工后的钢管穿孔顶头的退火温度为930℃，保温时间为3小时，出炉空冷温度为360℃。

在上述钢管穿孔顶头的制备方法中，作为优选，在步骤S5中，所述钢管穿孔顶头初成品的高温氧化温度为980℃，保温温度为580℃，保温时间为4小时。

退火热处理中在350℃-370℃出炉空冷可消除应力，调整材料的组织结构，提高材料的韧性。高温氧化加热至950℃-1100℃再保温可提高综合机械性能的目的。进行表面氧化处理，可增加表面光洁度和抗腐蚀性能，形成超硬的碳化层，使钢管穿孔顶头耐磨性能和耐温性能得到提高，延长钢管穿孔顶头的使用寿命。

与现有技术相比，本发明通过配置特定组分和质量百分比的原料，配伍合理，并通过特殊的工艺处理得到本发明的钢管穿孔顶头。该钢管穿孔顶头的机械性能好，在具有较高耐磨性与耐温性的同时，又具有较高的硬度、韧性、抗拉强度，使用寿命更长。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

表1：实施例1-3用于制备钢管穿孔顶头的组成元素和质量百分比

实施例1

按表1实施例1确定钢管穿孔顶头的组成元素及其质量百分比，钢管穿孔顶头的组成元素及其质量百分比对顶头的机械性能有一定的影响，其制备工艺对最终形成的穿孔顶头的机械性能也有较大的影响。

按以下方法制备钢管穿孔顶头：

原料配制：按表1中实施例1所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比配制原料。

锻造：将配制好的原料进行冶炼、浇注，加工成所需的形状。

退火热处理：将加工后的钢管穿孔顶头加热至880℃退火，退火后保温2小时，然后在350℃时出炉空冷得到钢管穿孔顶头初成品。

表面氧化处理：先对钢管穿孔顶头初成品的装配面进行微加工处理，再加热至950℃高温氧化，然后在温度为520℃的条件下保温4小时，即得到成品钢管穿孔顶头。

实施例2

按以下方法制备钢管穿孔顶头：

原料配制：按表1中实施例2所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比配制原料。

退火热处理：将加工后的钢管穿孔顶头加热至930℃退火，退火后保温3小时，然后在360℃时出炉空冷得到钢管穿孔顶头初成品。

表面氧化处理：先对钢管穿孔顶头初成品的装配面进行微加工处理，再加热至980℃高温氧化，然后在温度为580℃的条件下保温4小时，即得到成品钢管穿孔顶头。

实施例3

按以下方法制备钢管穿孔顶头：

原料配制：按表1中实施例3所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比配制原料。

退火热处理：将加工后的钢管穿孔顶头加热至950℃退火，退火后保温4小时，然后在370℃时出炉空冷得到钢管穿孔顶头初成品。

表面氧化处理：先对钢管穿孔顶头初成品的装配面进行微加工处理，再加热至1100℃高温氧化，然后在温度为610℃的条件下保温5小时，即得到成品钢管穿孔顶头。

随即抽取发明实施例1-3中制备得到的钢管穿孔顶头样品进行穿管试验，结果如表2所示。

表2：钢管穿孔顶头样品在穿制大于Φ100以上的钢管的穿管试验结果

从表2可以得出本发明中的钢管穿孔顶头具有良好的耐磨性，在穿孔机上使用，其使用寿命长，在急冷急热状态下工作时不开裂。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种钢管穿孔顶头，其特征在于，所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.28％-0.40％，铬(Cr)：11.0％-12.2％，锰(Mn)：1.7％-2.3％，钼(Mo)：0.2％-0.6％，硅(Si)：0.25％-1.10％，镍(Ni)：0.8％-1.1％，钒(V)：0.3％-0.5％，铼(Re)：0.25％-0.35％，硫(S)≤0.026％，磷(P)≤0.026％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质；

其中，上述钢管穿孔顶头的制备方法包括以下步骤：

S1、原料配制：按钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比配制原料；

S2、锻造：将配制好的原料进行冶炼、浇注，加工成所需的形状；

S3、退火热处理：将加工后的钢管穿孔顶头加热至880℃-950℃退火，退火后保温2-4小时，然后在350℃-370℃时出炉空冷得到钢管穿孔顶头初成品；

2.根据权利要求1所述的钢管穿孔顶头，其特征在于，所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.28％，铬(Cr)：11.0％，锰(Mn)：1.7％，钼(Mo)：0.2％，硅(Si)：0.25％，镍(Ni)：0.8％，钒(V)：0.3％，铼(Re)：0.25％，硫(S)≤0.026％，磷(P)≤0.026％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的钢管穿孔顶头，其特征在于，所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.33％，铬(Cr)：11.5％，锰(Mn)：2.0％，钼(Mo)：0.4％，硅(Si)：0.8％，镍(Ni)：1.0％，钒(V)：0.4％，铼(Re)：0.30％，硫(S)≤0.025％，磷(P)≤0.025％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。

4.根据权利要求3所述的钢管穿孔顶头，其特征在于，所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.40％，铬(Cr)：12.2％，锰(Mn)：2.3％，钼(Mo)：0.6％，硅(Si)：1.1％，镍(Ni)：1.1％，钒(V)：0.5％，铼(Re)：0.35％，硫(S)≤0.024％，磷(P)0.024％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述钢管穿孔顶头，其特征在于，在钢管穿孔顶头制备方法的步骤S3中，所述加工后的钢管穿孔顶头的退火温度为930℃，保温时间为3小时，出炉空冷温度为360℃。

6.根据权利要求1所述钢管穿孔顶头，其特征在于，在钢管穿孔顶头制备方法的步骤S4中，所述钢管穿孔顶头初成品的高温氧化温度为980℃，保温温度为580℃，保温时间为4小时。