CN103451551A

CN103451551A - 一种耐高温磨蚀铸钢穿孔机顶头的制备方法

Info

Publication number: CN103451551A
Application number: CN2013103888848A
Authority: CN
Inventors: 高义民; 郑开宏; 张锦红; 符寒光; 邢建东; 皇志富; 马胜强
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: CN103451551B

Abstract

一种耐高温磨蚀铸钢穿孔机顶头的制备方法，其特征在于先在电炉内冶炼铸钢顶头材料，其化学组成及质量分数是：0.18～0.28%C,1.55～1.80%Cr,0.08～0.12%N,0.85～1.15%Mo,0.55～0.80%Si,0.35～0.60%Mn,1.15～1.40%Ni,S≤0.03％,P≤0.04％,余量为Fe。当上述金属熔液温度达到1650～1680℃时，钢水出炉入浇包，然后将直径

Description

一种耐高温磨蚀铸钢穿孔机顶头的制备方法

技术领域

本发明涉及一种穿孔机顶头的制备方法，特别涉及一种耐高温磨蚀铸钢穿孔机顶头的制备方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

穿孔机顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一。穿孔机顶头在钢管生产中的工作条件相当恶劣。在穿孔过程中，顶头直接与高温管坯接触，和管坯反向旋转，顶头要承受压应力、轴向力、切应力和表面摩擦力等的作用，工作温度也较高(终轧时顶头鼻部温度高达1100℃)。每穿一支钢管，顶头一般都要用水急冷一次，然后再穿。由此可见，顶头是在高温、高压和急冷急热的条件下工作，经受着机械疲劳和热疲劳的作用，故顶头常以塌鼻、粘钢、开裂等失效形式报废。由于穿孔顶头的工作条件恶劣，因而使得它的使用寿命不高，由此影响钢管生产效率和钢管质量。为了提高穿孔顶头的使用寿命，不少科技工作者对穿孔顶头进行了研究，采取了不少措施，获得了一定的效果。中国发明专利CN101942610A公开了一种热轧无缝钢管穿孔顶头及其加工方法，是由以下组分加工而成，各组分含量(总重量按100％计)为：C0.2％～0.3％，Si0.3％～0.5％，Mn0.4％～0.6％，Cr1.0％～2.0％，Ni1.5％～4.0％，W2.5％～3.0％，Mo0.5％～1.5％，Co2.0％～4.0％，Yb0.05％～0.1％，余量为铁及不可避免的微量杂质。浇注前，将待浇顶头模具轴向与离心机主轴相互垂直或平行重合，顶头鼻部朝外或朝下；浇注时，金属液顺序进入顶头模具型腔，离心铸造机转速不低于220rpm，待钢液全部注入模具型腔，在220～300rpm范围内调整离心铸造机转速。该发明具有组织均匀致密、高温强度好、热疲劳性能优异的优点，使用寿命是同类国内外产品的1.5～2倍。中国发明专利CN101078092还公开了一种穿孔顶头，主要是由碳、铁、铬、钼元素所组成。所述的C为0.13-0.3％，Cr为1.0-2.2％，Ni为1.0-4.5％，Si为0.2-1.4％，Mn为0.2-1.4％，Mo为0.1-0.7％，W为≤0.6％，S为≤0.04％，P≤0.04％，其余为Fe和其它少量元素(其含量均以重量百分比计算)。由于加入了合金元素，使穿孔顶头的強度得到了大幅度的提高，不但可以满足穿孔所必须的刚度，同时还具有良好的耐高温性能，在穿制无缝钢管时，使用寿命是同类国内外产品的三倍以上，从而大幅度地降低了其生产成本。中国发明专利CN103160749A还公开了一种无缝钢管穿孔顶头及其制备方法，它解决了现有技术中无缝钢管穿孔顶头耐磨性、耐温性不够，寿命不长等问题。该发明的无缝钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.30％-0.42％，铬(Cr)：11.5％-12.4％，锰(Mn)：1.5％-2.0％，钼(Mo)：0.1％-0.5％，钒(V)：0.4％-0.6％，铼(Re)：0.2％-0.3％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。该发明还提供了制备上述无缝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。中国发明专利CN101070581还公开了不锈钢无缝钢管穿孔顶头，主要是由碳、铁、铬等元素所组成，其中C为0.19-0.39％，Cr为0.2-1.4％，Ni为0.35-2.0％，Co为0.3-1.8％，Si为0.1-1.0％，Mn为0.1-0.9％，Mo为0.3-2.3％，W为0.5-4％，Nb为0.1-1.3％，其余为Fe和少量其它元素。由于加入了合金元素，使穿孔顶头的强度得到了大幅度的提高，不但可以满足穿孔所必须的刚度，同时还具有良好的耐温性能，在穿制不锈钢无缝钢管时，使用寿命是同类国外产品的2至3倍，从而大幅度地降低了生产成本。中国发明专利CN102284777A还公开了一种无缝钢管穿孔机顶头表面堆焊强化的方法，顶头可以是铸件或锻件，其首先对顶头坯料进行初机加工，顶头头部切削出堆焊厚度并身体部位保留精加工余量；作常规探伤处理存在缺陷返工处理；采用Ni基、Co基或金属陶瓷合金材料对顶头头部进行堆焊形成堆焊层并采用等离子弧堆焊方法，保证堆焊层与顶头头部基体充分熔合；将顶头作车削加工至最终尺寸要求并探伤处理，存在缺陷返工处理；将顶头进行表面热氧化处理形成氧化膜。利用该方法可显著提高顶头表面的强度，改善了顶头的使用性能，降低了顶头的制作成本，提高了顶头的使用寿命，保证了无缝钢管轧制质量。中国发明专利CN201815542U还公开了穿孔机顶头堆焊复合顶头，其特点是主要包括顶杆连接体和具备顶头鼻部的穿孔顶头基体，在穿孔顶头基体上形成有包括第一堆焊层和第二堆焊层的顶头工作层；与现有技术相比，该穿孔机顶头使用寿命长，能提高生产效率，降低生产成本，具有广阔的市场前景。中国发明专利CN102534604A还公开了一种提高无缝钢管穿孔顶头使用寿命的方法。将高能微弧合金化技术引入到穿孔顶头表面涂层的制备技术中，首先采用热压烧结法制成稀土金属钇改性的碳化铬电极，然后在氩气保护下采用高能微弧合金化设备在穿孔顶头上沉积碳化铬涂层，控制涂层制备过程中的氩气流量和设备输出电压、频率、功率及沉积时间，从而实现在顶头表面制备出性能优异的涂层，提高穿孔顶头的使用寿命。中国发明专利CN101722308A还公开了钼基稀土粉冶成形顶头及其制造方法，其主要技术在于在纯钼粉中同时掺入ZrO₂；Y₂O₃；La₂O₃；Sc₂O₃四种稀土氧化物，利用超声波特性，将钼基材料混合制粉，装入叶片式混合搅拌机内，经过初步细化分散混合的钼基稀土粉末，再通过超声波换能器，将经过超声细化分散均质的钼基稀土粉末，在“振动筛分机”内，以配置的泰勒标准180目筛孔的分选筛进行筛选筛下物即是混配合格的钼基稀土粉末，经制造钼顶头等静压成形模具、脱模、清理，由配置的氢气气氛烘烤炉、氢气气氛预烧结炉和氢气气氛卧式中频炉完成。此外，国内还有多数企业直接使用3Cr2W8V热作模具钢制作的顶头，通过控制锻造及预处理工艺、淬火工艺和回火工艺来实现。锻造中要控制二次碳化物的析出状态和终锻温度；锻后顶头处理改用调质处理，其硬度为HRC26～32；淬火采用较高的淬火温度(1200～1270℃)，以保证高的红硬性和热疲劳特性，并采用下贝氏体等温淬火，即先预冷至830～850℃后淬入柴油中，模具表面冷至250℃左右时，转入(405±5)℃的炉内，保温1.5～2.0h出炉空冷。但是，上述顶头至今仍未能有效地提高穿孔顶头的使用寿命，限制了无缝钢管行业的发展。

发明内容

本发明针对现有无缝钢管穿孔机顶头使用中存在的问题，开发一种新型耐高温磨磨蚀铸钢穿孔机顶头材料及制备工艺。本发明顶头在低碳合金钢基础上，加入适量铬、镍、钼、氮、铝、硅等合金元素，达到改善和提高顶头抗磨、耐氧化腐蚀的目的。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

先在电炉内冶炼铸钢顶头材料，其化学组成及质量分数是：0.18～0.28%C,1.55～1.80%Cr,0.08～0.12%N,0.85～1.15%Mo,0.55～0.80%Si,0.35～0.60%Mn,1.15～1.40%Ni,S≤0.03％,P≤0.04％,余量为Fe。当上述金属熔液温度达到1650～1680℃时，钢水出炉入浇包，钢水全部进入浇包后，立即将直径

的合金线通过喂丝机进入浇包，合金线加入质量分数为浇包内钢水总质量的2.5～3.5%，合金线化学组成及质量分数是：6～8%Ca,6～8%Ba,3～5%Ce,1.5～2.0%Mg,15～18%Fe,3～5%Ti,5～8%V,12～15%Si,余量为Al和不可避免的微量杂质。当钢水温度降至1490～1515℃时，将钢水浇入铸型获得顶头，顶头经粗加工后进行热处理。顶头热处理过程是先将顶头随炉加热至1000～1020℃，保温2～3小时后油冷，然后将顶头进行回火处理，回火加热温度230～260℃，保温8～12小时后炉冷至温度低于150℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。

上述耐磨铸钢穿孔机顶头中，加入0.08～0.12%N，0.85～1.15%Mo，0.35～0.60%Mn和1.15～1.40%Ni，主要是为了提高钢的高温强度、硬度和耐磨性。碳含量不能太高，否则使用过程中易出现疲劳裂纹，将其含量控制在0.18～0.28%C。加入1.55～1.80%Cr和0.55～0.80%Si，可以提高顶头的抗氧化能力。在此基础上，在钢水出炉后，通过喂丝机将含6～8%Ca,6～8%Ba,3～5%Ce,1.5～2.0%Mg,15～18%Fe,3～5%Ti,5～8%V,12～15%Si,余量为Al和不可避免的微量杂质，且直径

的合金线加入到钢水中，对钢水起微合金化作用，可达到改善钢水质量，提高铸造顶头质量的效果，合金线加入质量分数为浇包内钢水总质量的2.5～3.5%，效果最好，加入量过少，钢水微合金化效果不明显，加入量过多，钢水降温快，钢水中夹杂物数量增多，反而损害铸钢顶头的使用性能。此外，顶头热处理是先将顶头随炉加热至1000～1020℃，保温2～3小时后油冷，主要为了得到强韧性、耐磨性和抗疲劳性能优异的板条马氏体。然后将顶头进行回火处理，回火加热温度230～260℃，保温8～12小时后炉冷至温度低于150℃后空冷至室温，主要是为了消除淬火应力，稳定组织，确保顶头安全使用。

本发明效果：

（1）本发明顶头不含价格昂贵的钴、钨、铌等合金元素，具有较低的生产成本；

（2）本发明顶头经过铸造和热处理后可直接使用，不需要经过锻造加工，导致其生产工艺简化；

（3）本发明顶头钢水在炉外通过喂丝机将直径

的合金线喂入钢水中，可以大幅度提高钢水质量，改善顶头性能。

具体实施方式

以下结合发明人给出的实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

在1000公斤中频感应电炉内冶炼铸钢顶头，其具体工艺是：

先在电炉内冶炼铸钢顶头材料，其化学组成及质量分数是：0.19%C,1.78%Cr,0.09%N,0.86%Mo,0.57%Si,0.59%Mn,1.37%Ni,0.027%S,0.031%P,余量为Fe。当上述金属熔液温度达到1652℃时，钢水出炉入浇包，钢水全部进入浇包后，立即将直径

的合金线通过喂丝机进入浇包，合金线加入质量分数为浇包内钢水总质量的2.5%，合金线化学组成及质量分数是：6.16%Ca,7.83%Ba,3.15%Ce,1.94%Mg,15.26%Fe,3.20%Ti,7.88%V,12.01%Si,余量为Al和不可避免的微量杂质。当钢水温度降至1494℃时，将钢水浇入铸型获得顶头，顶头经粗加工后进行热处理。顶头热处理过程是先将顶头随炉加热至1000℃，保温3小时后油冷，然后将顶头进行回火处理，回火加热温度230℃，保温12小时后炉冷至温度低于150℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。顶头性能见表1。

实施例2：

在1000公斤中频感应电炉内冶炼铸钢顶头，其具体工艺是：

先在电炉内冶炼铸钢顶头材料，其化学组成及质量分数是：0.28%C,1.56%Cr,0.12%N,1.14%Mo,0.78%Si,0.36%Mn,1.18%Ni,0.028%S,0.035%P,余量为Fe。当上述金属熔液温度达到1679℃时，钢水出炉入浇包，钢水全部进入浇包后，立即将直径

的合金线通过喂丝机进入浇包，合金线加入质量分数为浇包内钢水总质量的3.5%，合金线化学组成及质量分数是：7.05%Ca,6.90%Ba,4.07%Ce,1.82%Mg,16.59%Fe,3.96%Ti,6.72%V,14.02%Si,余量为Al和不可避免的微量杂质。当钢水温度降至1509℃时，将钢水浇入铸型获得顶头，顶头经粗加工后进行热处理。顶头热处理过程是先将顶头随炉加热至1020℃，保温2小时后油冷，然后将顶头进行回火处理，回火加热温度260℃，保温8小时后炉冷至温度低于150℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。顶头性能见表1。

实施例3：

在1000公斤中频感应电炉内冶炼铸钢顶头，其具体工艺是：

先在电炉内冶炼铸钢顶头材料，其化学组成及质量分数是：0.24%C,1.70%Cr,0.09%N,0.98%Mo,0.64%Si,0.47%Mn,1.26%Ni,0.025％S,0.034％P,余量为Fe。当上述金属熔液温度达到1668℃时，钢水出炉入浇包，钢水全部进入浇包后，立即将直径的合金线通过喂丝机进入浇包，合金线加入质量分数为浇包内钢水总质量的3.0%，合金线化学组成及质量分数是：7.92%Ca,6.04%Ba,4.85%Ce,1.53%Mg,17.87%Fe,4.95%Ti,5.02%V,14.91%Si,余量为Al和不可避免的微量杂质。当钢水温度降至1497℃时，将钢水浇入铸型获得顶头，顶头经粗加工后进行热处理。顶头热处理过程是先将顶头随炉加热至1010℃，保温3小时后油冷，然后将顶头进行回火处理，回火加热温度240℃，保温10小时后炉冷至温度低于150℃后出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。顶头性能见表1。

表1顶头力学性能

力学性能	硬度/HRC	抗拉强度/MPa	冲击韧性，α_kV/J
				实施例1	52.6	1465	22.5
实施例2	51.3	1450	24.7
				实施例3	51.8	1470	23.0

分别采用同种规格

的3Cr2W8V穿孔顶头和本发明穿孔顶头在

穿孔机上将20钢

管坯穿制成

毛管。大批量生产的统计表明，本发明穿孔顶头的应用效果良好，其平均使用寿命比3Cr2W8V穿孔顶头提高4～5倍，所穿毛管内表面质量好，尺寸精度高，而设备负荷和能耗均减少，生产率提高，成本降低。本发明顶头，使用安全，具有良好的耐磨性和抗高温氧化能力，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Claims

1.一种耐高温磨蚀铸钢穿孔机顶头的制备方法，其特征在于先在电炉内冶炼铸钢顶头材料，其化学组成及质量分数是：0.18～0.28%C,1.55～1.80%Cr,0.08～0.12%N,0.85～1.15%Mo,0.55～0.80%Si,0.35～0.60%Mn,1.15～1.40%Ni,S≤0.03％,P≤0.04％,余量为Fe；当上述铸钢顶头材料金属熔液，以下简称为钢水的温度达到1650～1680℃时，钢水出炉入浇包，钢水全部进入浇包后，立即将直径

的合金线通过喂丝机进入浇包，合金线加入质量分数为浇包内钢水总质量的2.5～3.5%；当钢水温度降至1490～1515℃时，将钢水浇入铸型获得顶头，顶头经粗加工后进行热处理，热处理后精加工至规定尺寸和精度。

2.如权利要求1所说耐高温磨蚀铸钢穿孔机顶头的制备方法，其特征在于合金线化学组成及质量分数是：6～8%Ca,6～8%Ba,3～5%Ce,1.5～2.0%Mg,15～18%Fe,3～5%Ti,5～8%V,12～15%Si,余量为Al和不可避免的微量杂质。

3.如权利要求1所说耐高温磨蚀铸钢穿孔机顶头的制备方法，其特征在于顶头热处理过程是先将顶头随炉加热至1000～1020℃，保温2～3小时后油冷，然后将顶头进行回火处理，回火加热温度230～260℃，保温8～12小时后炉冷至温度低于150℃后空冷至室温。