CN104099529B

CN104099529B - 一种钢管穿孔顶头及其制备方法

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Publication number: CN104099529B
Application number: CN201410323618.1A
Authority: CN
Inventors: 吴满旵
Original assignee: NINGBO YINZHOU QIANGLI FASTENER FACTORY
Current assignee: Ningbo Wenerchang New Material Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2014-07-08
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2034-07-08
Also published as: CN104099529A

Abstract

本发明涉及一种钢管穿孔顶头及其制备方法，属于金属材料领域。所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.25-0.35％，铬(Cr)：12.5-14.0％，锰(Mn)：0.3-0.8％，钼(Mo)：0.1-0.3％，镍(Ni)：0.3-0.5％，钒(V)：0.3-0.4％，钨(W)：0.1-0.5％，铼(Re)：0.15-0.2％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。并具体涉及了该钢管穿孔顶头的制备方法。本发明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。

中国发明专利申请文件(公开号：CN103131966A)中公开了一种钢管穿孔顶头，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，并涉及了该钢管穿孔顶头的制备方法。该钢管穿孔顶头一定程度上提高了穿孔顶头的硬度、耐磨性等机械性能。但是对于钢管穿孔顶头的研究仍在持续中。

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，所述钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为：碳(C)：0.25％-0.35％，铬(Cr)：12.50％-14.00％，锰(Mn)：0.30％-0.80％，钼(Mo)：0.10％-0.30％，镍(Ni)：0.30％-0.50％，钒(V)：0.30％-0.40％，钨(W)：0.10％-0.50％，铼(Re)：0.15％-0.20％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。

相对于现有技术，本发明钢管穿孔顶头通过合理地配伍原材料，在含极少镍和钼的基础上，通过优化碳、锰、钒、铼等元素的配比及加入新的元素钨使其产生协同作用，得到耐磨性好、耐温范围宽，使用寿命长的钢管穿孔顶头。

碳在钢中可与铁、铬形成稳定的(Cr，Fe)₇C₃型碳化物，也可与Fe、Mn形成碳化物，用以提高钢管穿孔顶头的强度和耐磨性，同时又保证了足够的塑性、韧性及其耐温性。虽然随着碳含量的增加，碳化合物的数量增加，尺寸加大，可缩小碳化合物间的间距，提高顶头的耐磨性，但是碳含量不是越多越好。如果碳含量过高，钢管穿孔顶头的机械性能尤其是韧性显著变差，脆性增大，不利于穿孔顶头在恶劣的工况下的使用；如果碳含量过低，钢管穿孔顶头的硬度会降低，耐磨性会降低。综合各方面因素，本发明钢管穿孔顶头中将碳元素的含量控制在0.25-0.35％。

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12.5％-14.0％。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，且随铬含量的增加，不仅能改变顶头中碳化物弥散分布形态，Cr₂₃C₆为主的粒状碳化物也会增加，使其弥散分布于奥氏基体上，而Cr₇C₃型碳化物的显微硬度可以达到1600-1800HV，这有利于提高穿孔顶头的硬度和耐磨性。且铬元素的加入能提高穿孔顶头的抗高温性能和耐腐蚀性能。但是超过14％的铬反而会降低穿孔顶头的韧性和塑性。因此本发明钢管穿孔顶头将铬含量提高到12.5％-14.0％，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(Mn)是钢管顶头主要的强化元素，可以和碳形成Mn₃C碳化物，Mn₃C碳化物又能与铁元素相互溶解，在钢管顶头中生成(FeMn)₃C型碳化物，降低奥氏体分解速度，从而大大提高钢管顶头的强度和耐磨性。但锰作为过热敏感性元素，含量过高，会出现大量的网状铁素体，从而增加钢管顶头的回火脆性倾向，最终导致淬火组织中残余奥氏体的增加，而残余奥氏体不利于钢管顶头的热处理和使用。在现有技术的基础上适当降低锰含量，可显著钢管穿孔顶头的耐磨性，并显著增大加工硬度。因此本发明钢管穿孔顶头中锰元素的加入量控制在0.30％-0.80％之间，能起到细化穿孔顶头的基体组织，提高穿孔顶头的强度和韧性的作用，还可提高钢管穿孔顶头的耐磨性、耐温性。

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。且镍(Ni)与锰(Mn)一样可以起到细化钢管穿孔顶头的基体组织、提高钢管穿孔顶头的强度和韧性的作用。0.3-0.5％的镍与铬共存，可显著提高钢管穿孔顶头的综合性能。一旦镍含量过多，反而降低穿孔顶头的硬度和韧性，同时还会降低穿孔顶头的耐磨性。此外，镍的价格昂贵，过量的镍会提高生产成本。因此本发明钢管穿孔顶头中将镍含量控制在0.3％-0.5％。

钼能细化晶粒，弥散强化，从而提高钢管穿孔顶头的强度、硬度、耐磨性等。经实验可知当加入0.1％-0.3％钼时，与铬、锰配合使用可使三种元素的有益作用同时最大化地发挥出来，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15％-20％。

钒不仅是强化合物形成元素，还是钢材优良的脱氧剂，能与碳的结合，形成高熔点、高硬度、高弥散度且稳定的VC碳化物，并细化晶粒。在本发明钢管穿孔顶头中加入钒，可与其他元素产生协同作用，大大提高钢管穿孔顶头的强度和韧性以及钢管穿孔顶头的抗腐蚀能力。但是钒有很强的沉淀强化作用，过量的钒会明显钢管穿孔顶头的加工性能，且价格昂贵，会增加成本，所以钒的加入量一般不能超过0.5％，优选加入0.30％-0.40％钒。

本发明钢管穿孔顶头中加入了少量细化晶粒的稀土元素铼(Re)，还可固溶强化，提高钢管穿孔顶头的硬度、耐磨性、冲击韧性等综合性能，使钢管穿孔顶头能长期在恶劣的工况条件下使用。且铼的加入可大大降低杂质中硫、磷等杂质的含量，因为铼的化学性质活泼，可与硫元素化合，成为很好的脱硫剂和去气剂，从而可以改变钢中夹杂物的分布与形态，改善穿孔顶头的质量。特别的，在管穿孔顶头中加入铼元素，可以产生铼效应，提高穿孔顶头的强度和韧性。

钨是熔点最高的金属，能与碳性能硬度高、熔点高的碳化物，在管穿孔顶头中加入0.1-0.5％的钨，可显著提高管穿孔顶头的印度古和耐热性。

所述杂质中，硫(S)元素的质量百分比小于等于0.025％，磷(P)元素的质量百分比小于等于0.025％。

本发明钢管穿孔顶头中将硫、磷含量控制在0.025％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塑性、韧性、耐磨性，并大大减少钢管穿孔顶头的裂纹，避免沿晶界析出共晶磷化物。

尽管在现有技术中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，是钢管穿孔顶头必不可少的元素。但加入硅的同时势必会降低穿孔顶头的耐高温下和强度。因此，本发明在不添加硅的基础上，大大提高了铬含量，同时添加钒、钨、铼，并合理配伍了其他元素，虽然每种元素对顶头材料都有一定的贡献，但使用时最关键的是要通过合理配比及组合，使本发明的钢管穿孔顶头具有极高的强度、硬度、耐磨性，并有效地改善钢管穿孔顶头的韧性。

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)：0.30％，铬(Cr)：13.50％，锰(Mn)：0.50％，钼(Mo)：0.20％，镍(Ni)：0.40％，钒(V)：0.35％，钨(W)：0.3％，铼(Re)：0.18％，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)：0.25％，铬(Cr)：14.00％，锰(Mn)：0.30％，钼(Mo)：0.30％，镍(Ni)：0.30％，钒(V)：0.40％，钨(W)：0.1％，铼(Re)：0.15％，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)：0.35％，铬(Cr)：12.50％，锰(Mn)：0.80％，钼(Mo)：0.10％，镍(Ni)：0.50％，钒(V)：0.30％，钨(W)：0.5％，铼(Re)：0.20％，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：按上述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℃-930℃退火，退火后保温2-4小时，然后在300℃-350℃时出炉空冷得到钢管穿孔顶头初成品；

S4、淬火与回火：将上述钢管穿孔顶头初成品加热至1120℃-1160℃进行淬火，保温1-3小时后油冷至室温，然后进行回火处理，第一次回火温度为530℃-550℃，保温1-3小时，冷却至60℃后于520℃-540℃下进行第二次回火处理，即得钢管穿孔顶头。

在上述钢管穿孔顶头的制备方法中，作为优选，步骤S2中所述浇注的温度为1420℃-1460℃。

在上述钢管穿孔顶头的制备方法中，作为优选，步骤S3中所述钢管穿孔顶头退火温度为920℃，保温时间为3小时，出炉空冷温度为330℃。退火热处理中在300℃-350℃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。

在上述钢管穿孔顶头的制备方法中，作为优选，步骤S4中所述的钢管穿孔顶头初成品先加热至1140℃进行油冷淬火，保温1-3小时后冷却，然后进行二次回火处理，第一次回火温度为540℃，保温1-3小时，冷却至60℃后于530℃下进行第二次回火处理。本发明通过淬火可提高钢管穿孔顶头的耐磨性和硬度，从而提高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。本发明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

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：

实施例1

原料配制：按表1实施例1中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；所述浇注温度为1450℃；

退火热处理：将加工后的钢管穿孔顶头加热至920℃退火，退火后保温3小时，然后在330℃时出炉空冷得到钢管穿孔顶头初成品；

淬火与回火：将上述钢管穿孔顶头初成品先加热至1140℃进行淬火，保温1-3小时后油冷至室温，然后进行回火处理，第一次回火温度为540℃，保温1-3小时，冷却至60℃后于530℃下进行第二次回火处理，即得钢管穿孔顶头。

实施例2

原料配制：按表1实施例2中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；所述浇注温度为1420℃；

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2小时，然后在350℃时出炉空冷得到钢管穿孔顶头初成品；

淬火与回火：将上述钢管穿孔顶头初成品先加热至1120℃进行淬火，保温3小时后油冷至室温，然后进行回火处理，第一次回火温度为530℃，保温2小时，冷却至60℃后于520℃下进行第二次回火处理，即得钢管穿孔顶头。

实施例3

原料配制：按表1实施例3中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；所述浇注温度为1460℃；

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4小时，然后在300℃时出炉空冷得到钢管穿孔顶头初成品；

淬火与回火：将上述钢管穿孔顶头初成品先加热至1160℃进行淬火，保温1小时后油冷至室温，然后进行回火处理，第一次回火温度为550℃，保温1小时，冷却至60℃后于540℃下进行第二次回火处理，即得钢管穿孔顶头。

对比例为中国发明专利申请文件(公开号：CN103131966A)中的钢管穿孔顶头。

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与对比例中的钢管穿孔顶头进行机械性能测试，测试结果如表2所示。

表2：实施例1-3中制得的钢管穿孔顶头的机械性能测试结果

从表2得出本发明的钢管穿孔顶头具有良好的机械性能，尤其具有良好的硬度、抗拉强度和冲击韧性。

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3所示。

表3：钢管穿孔顶头样品在穿制大于Ф100以上的钢管的穿管试验结果

从表3可以得出本发明的钢管穿孔顶头在原有的基础上具有更高的耐磨性，在穿孔机上使用，其使用寿命更长，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)：0.25％-0.35％，铬(Cr)：12.50％-14.00％，锰(Mn)：0.30％-0.80％，钼(Mo)：0.10％-0.30％，镍(Ni)：0.30％-0.50％，钒(V)：0.30％-0.40％，钨(W)：0.1％-0.5％，铼(Re)：0.15％-0.20％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质；

其中，所述钢管穿孔顶头的制备方法包括以下步骤：

S3、退火热处理：将加工后的钢管穿孔顶头加热至880℃-930℃进行退火，退火后保温2-4小时，然后在300℃-350℃时出炉空冷得到钢管穿孔顶头初成品；

S4、淬火与回火：将上述钢管穿孔顶头初成品加热至1120℃-1160℃进行淬火，保温1-3小时后冷却，然后进行回火处理，第一次回火温度为530℃-550℃，保温1-3小时，冷却至60℃后于520℃-540℃下进行第二次回火处理，即得钢管穿孔顶头。

2.根据权利要求1所述的钢管穿孔顶头，其特征在于，所述杂质中，硫(S)元素的质量百分比小于等于0.025％，磷(P)元素的质量百分比小于等于0.025％。

3.根据权利要求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)：0.30％，铬(Cr)：13.50％，锰(Mn)：0.50％，钼(Mo)：0.20％，镍(Ni)：0.40％，钒(V)：0.35％，钨(W)：0.3％，铼(Re)：0.18％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。

4.根据权利要求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)：0.25％，铬(Cr)：14.00％，锰(Mn)：0.30％，钼(Mo)：0.30％，镍(Ni)：0.30％，钒(V)：0.40％，钨(W)：0.1％，铼(Re)：0.15％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。

5.根据权利要求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)：0.35％，铬(Cr)：12.50％，锰(Mn)：0.80％，钼(Mo)：0.10％，镍(Ni)：0.50％，钒(V)：0.30％，钨(W)：0.5％，铼(Re)：0.20％，余量为铁(Fe)以及不可避免的杂质。

6.根据权利要求2所述的钢管穿孔顶头，其特征在于，钢管穿孔顶头的制备方法步骤S2中所述浇注的温度为1420℃-1460℃。

7.根据权利要求2所述的钢管穿孔顶头，其特征在于，钢管穿孔顶头的制备方法步骤S3中所述钢管穿孔顶头退火温度为920℃，保温时间为3小时，出炉空冷温度为330℃。

8.根据权利要求2所述的钢管穿孔顶头，其特征在于，钢管穿孔顶头的制备方法步骤S4中所述的钢管穿孔顶头初成品先加热至1140℃进行油冷淬火，保温1-3小时后冷却，然后进行二次回火处理，第一次回火温度为540℃，保温1-3小时，冷却至60℃后于530℃下进行第二次回火处理。