CN1041497C - 金属管轧机用顶头及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热轧穿管机用合金钢基组合顶头及制造方法。组合顶头不仅鼻部镶嵌有高热强性鼻头，而且顶头表体镶嵌有钼质嵌体，表面有一抗氧化的硬化合金涂层，保护钼质嵌体，并使嵌体与顶头基体达到牢固的冶金结合。组合顶头的制备，是在合金钢基顶头坯体鼻部和表面加工可容放鼻头和钼质嵌体的凹坑(槽)，在所述凹坑(槽)中嵌入鼻头和钼质嵌体，以表面冶金方法在嵌有钼质嵌体的顶头表面施加抗氧化的硬化合金涂层。组合顶头大大提高了钢基顶头鼻部和表面高温热强性和高温硬度。

Description

金属管轧机用顶头及制备方法

本发明涉及一种热轧穿制无缝金属管用穿孔顶头及制备方法。

顶头是热轧穿管机关键工模具之一，在热轧穿管过程中，顶头所处工况较为恶劣，需承受巨大的轴向和切向轧制压应力及高温热负荷，因而要求顶头具有较高的热强性和高温硬度，以及高的冲击韧性和耐冷热疲劳性能。目前国内外在热轧穿制无缝不锈钢管及其它特种合金钢管时用的穿孔顶头，通常采用整体或包覆钼和钼合金顶头；合金钢基(如热作模具钢、低碳高速钢、合金结构钢)镶嵌高热强性材料鼻头组成的组合顶头；或在钢基顶头外表制备一层能减小顶头表面摩擦系数的保护层。

然而钼或钼合金顶头价格昂贵，使用麻烦，需预先给顶头加温预热，钼在高温中很容易氧化，导致顶头尺寸变小，为此在每次穿管后要人工施加玻璃粉保护。并钼遇水极易炸裂，因而不能用水冷却，顶头表面的高温易造成钢管内壁失碳，产生微裂纹，影响荒管质量。钼顶头的另一主要缺陷是穿管后脆性大，极易发生顶头断裂，影响使用寿命。

组合顶头，如日本专利昭60-137511和中国专利86106418，分别公开了在合金钢基顶头鼻部镶嵌高温热强性好的陶瓷鼻头和钼合金鼻头。这种组合顶头仅是提高了顶头鼻部的高温热强性，而顶头基体特别是顶头表面的高温热强性仍不足，因而顶头在穿不锈钢和合金钢管时易起绉、粘钢，使用寿命仍较短。

在钢基顶头表面制备一层能减小顶头表面摩擦系数的保护层，如日本专利昭56-91912公开的在顶头表面喷涂一层氧化物；日本专利昭54-17363，中国专利87101136公开的用热处理方法为顶头表面制备一层氧化皮。但顶头鼻部的热强性没有提高，因而未解决塌鼻现象，而且保护层受制备影响较大，穿管中抗高温磨损性较差，顶头仍易起绉、粘钢，使用寿命仍然较低。

美国专利5031434公开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差异，通过冷收缩使熔结钼壳与基体互补的凹凸夹紧达到钼壳层与基体的物理结合。这种顶头不仅用钼量多，制造复杂，成本高，而且为减少高温氧化，使用中仍需施加玻璃粉保护，钼的高温脆性，也易引起钼壳开裂剥落，影响使用寿命。

因此热轧穿制无缝钢管，特别是穿轧工况恶劣的不锈钢管及特种合金钢管，尚缺乏一种不易起绉、粘钢，穿管寿命长，成本低，使用方便的穿管机顶头。

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种鼻部和表面高温热强性均好，摩擦系数小，不塌鼻，不起绉，不粘钢，穿管质量稳定，寿命长，制作简单，成本低，使用方便的热轧穿管机顶头。

本发明的另一目的在于提供一种制造上述顶头的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用在合金钢基顶头鼻部和基体表面均镶嵌固定具有高热强性和高温硬度材料的嵌体的组合结构，以提高顶头鼻部和表体高温热强性和高温硬度。具体说，合金钢基组合顶头，其鼻部镶嵌有高热强性材料鼻头，其特征在于所述顶头表体镶嵌有钼质嵌体，顶头表面有一抗氧化的硬化合金涂层，使得顶头基体、钼质嵌体达到牢固的冶金结合。上述组合顶头的制备，包括在合金钢基顶头坯体鼻部加工出可容放高热强性材料鼻头的凹坑，其特征在于还在顶头表体加工出可容放钼质嵌体的凹坑(槽)，在所述凹坑(槽)中嵌入鼻头和钼质嵌体，以表面冶金方法在镶嵌有钼质嵌体的顶头基体表面施加抗氧化的硬化合金涂层，使嵌体与顶头基体达到牢固的冶金结合。

本发明所述合金钢基组合顶头，其基体可以是热强性较好的各种合金钢，如热作模具钢，低碳高速钢，合金结构钢等。顶头呈炮弹流线形，其尖锥形鼻部镶嵌的高热强性材料鼻头，可以是高硬度的陶瓷鼻头或者是钼或钼合金鼻头。鼻头形状可以是柱形、锥形、台形、菌状形等，鼻头的镶嵌主要加强了鼻部强度。鼻头的镶嵌固定装配视鼻头材质而异，如陶瓷鼻头的镶嵌装配，可以采用粘结、加热收缩装配、螺纹连接装配等等装配方式，将陶瓷鼻头镶嵌固定在顶头鼻部；钼质鼻头的镶嵌装配，可以在镶嵌钼鼻后采用表面冶金技术施加抗氧化的硬化合金涂层，既保护钼鼻在高温下不被氧化，又使钼鼻与钢基形成牢固的冶金结合，这些均属已有技术。鼻头的镶嵌大大提高了顶头鼻部的热强性，可有效防止钢基顶头因高温强度不足而出现的塌鼻现象。

本发明所述的钢基顶头表体镶嵌钼质嵌体。可以是嵌点(块)或嵌条，其钼质可以是钼或钼合金，镶嵌是在顶头表体加工凹坑(孔)，将与凹坑(孔)吻合的小钼柱嵌入；还可以在顶头表体加工凹槽，将钼质丝条、片嵌入凹槽，所述凹槽可以顺顶头轴向相间分布，也可以按顶头径向相间分布，其中尤以径向螺旋环绕为优。为保护钼质嵌体在高温不被氧化和达到钼质嵌体与顶头基体形成牢固结合，在穿管时不致脱落，可在嵌有钼质嵌体的顶头表面用表面冶金方法施加抗氧化的硬化合金涂层。该涂层材料可以是各种镍基、钴基、铁基系列或者其结合的自熔性合金粉末(如天津市机械涂层研究所生产的热喷涂(焊)合金粉末)。顶头表面镶嵌热强性，高温硬度及自润滑性能较好的钼质嵌体，使得在穿管时顶头表体有众多的钼质点接触钢坯，可大大提高顶头表面的高温热强性，抗粘钢性和抗高温磨损性，同时亦可减小穿管时的摩擦系数，对防止顶头起绉、粘钢起到了积极作用，从而大大提高顶头的使用寿命，而且顶头成本又较钼质及钼壳顶头大大降低。分散的钼质嵌体不仅有利于与顶头基体形成牢固结合，而且不致因个别嵌体脱落影响整个顶头使用，同时亦基本达到表面全钼顶头的使用效果。合金涂层不仅提高了钼质嵌体与基体的结合牢度，而且保护了钼嵌体不被氧化。

如上所述组合顶头的制造方法，包括将合金钢加工制作(如热锻、压、浇铸等方法)顶头坯体，在坯体鼻部和表面加工可镶嵌鼻头和钼嵌体的凹坑(槽)，把预制的鼻头和钼嵌体嵌入凹坑(槽)中，以表面冶金方法施加合金涂层并加工(光滑)整形，使顶头表面呈光滑流线形。上述顶头坯体制作及加工凹坑也可一次加工成型。为提高合金涂层与坯体的结合牢固度，在施加涂层前宜作清洗去污、去除氧化层等处理。如镶嵌鼻头材料为钼或钼合金的钼鼻，则保护和使其达到冶金结合的涂层可一次施加；如镶嵌鼻头材料为陶瓷鼻头，则可视施加涂层方法，热施加则宜先施加涂层，后镶嵌鼻头，如离子喷涂施加，亦可先镶鼻头后施加涂层，两者无绝对先后。本发明所述施加涂层的方法，亦属已有技术，无特异性，它可以用各种公知的表面冶金方法把表面硬化合金粉复合在顶头表面形成合金涂层，如采用足够的热能使涂层合金在顶头基体及嵌体表面熔融凝固，并与之扩散互融形成牢固的冶金结合；或是以足够的动能把已经离子化了的涂层合金直接注入基体表面而形成牢固的所谓伪扩散的冶金结合。具体方法可以是如火焰喷涂(焊)、爆炸喷镀、等离子喷涂(焊)、真空熔烧、感应熔烧及电子束与激光束等高密度能源熔结处理，使合金涂层、钼嵌体、顶头基体三者达到牢固的冶金结合。如采用热融熔结施加涂层工艺，则最好在真空或保护气氛下进行，有利于合金涂层的浸润，加热温度，视合金粉不同而不同，以涂层合金粉出现液相为宜，使涂层合金既能熔融浸润，形成优良的液--固扩散，又可避免因高温引起过份扩散而产生“稀释”现象，以得到具有狭窄互融区的牢固冶金结合。合金粉的施加，视涂层工艺，可以是干粉，也可以是经易挥发的有机液体(如酒精、松香混合物、松节油、蓖麻油、酒精、二丁酯混合物、乙基纤维素等)调和的湿粉，以利熔烧前合金粉的固定。表面硬化合金涂层的作用，一是可以形成一层致密、光滑且非常稳定的尖晶石型保护层，保护钼嵌体不被氧化，同时对减小摩擦系数和提高高温耐磨性亦有作用；二是涂层能使嵌体与顶头基体形成牢固的冶金结合，不使嵌体在穿管时发生脱落。

本发明由于采用成本相对较低的合金钢作顶头基体，及在鼻部镶嵌高热强性鼻头，表体镶嵌高热强性和高温强度强，自润滑性能好的钼质嵌体，大大提高了钢基顶头鼻部和表面强度。相间在基体上的钼嵌体及涂层的冶金熔结，提高了钼嵌体与基体的结合牢度，使得组合顶头不仅具有价格昂贵的钼顶头及钼壳顶头的全部优点，而且克服了其缺点，大大提高了钢基顶头在高温下的表面强度以及减摩、抗磨性能，不塌鼻、不起绉、不粘钢，且可以水冷却，极大地延长了钢基顶头穿管寿命，并可以节约大量顶头耗钢，使穿管成本大为降低。另外由于顶头外形流线型保持较好，可稳定穿管质量减少穿管停机时间，亦可提高钢管产量和生产效率。其次环绕镶嵌的钼丝对防止顶头热疲劳纵向开裂亦有保护作用。

图1为本发明一种优选结构示意图。

图2为本发明另一种结构示意图。

图3为图2A-A剖视图。

实施例1：参见图1，以热作模具钢3cr2w8v作顶头基体钢种，热模压加工成顶头坯体，然后在顶头1鼻部加工圆柱形鼻孔，圆孔底端有一台阶3支托嵌入的鼻头，在顶头表体曲面(径向)上车加工环绕顶头的螺旋状凹槽，螺距以能互相靠近为宜，螺旋状凹槽底部呈圆弧形，与嵌入钼丝正好吻合。将顶头及镶嵌钼鼻和缠绕镶嵌的圆形钼丝清洗去油、去污后，分别将圆柱形钼鼻2和镶嵌钼丝4紧紧插入鼻部圆孔和缠绕在顶头螺旋状凹槽中，并固定扎紧，嵌入的钼鼻和钼丝表面与顶头表面相平或略低。钼鼻和钼丝可选用MO₁、MO₂或ZTM钼合金。将合金粉(如天津市机械涂层研究所生产的Ni-04A)用35％松香+15％的松节油调成湿粉，涂敷在顶头表面及钼鼻上。将涂敷有合金粉的顶头置入真空熔烧涂层炉内进行涂层熔结。熔烧炉真空度为6．666～1．333Pa，熔烧温度为980～1100℃，随炉冷却，最后将熔结有涂层5的顶头表面加工磨光。

实施例2：参见图2，以合金结构钢20CrNi3作顶头基体钢种，经锻压加工成顶头坯体，并加工用以镶嵌鼻头及钼丝的鼻孔和凹槽，其中鼻头采用高温强度好的结构陶瓷氮化硅，鼻头呈磨菇菌状，顶头表面的凹槽顺顶头轴向分布如图3。将顶头及钼质丝条清洗去油、去污后嵌入凹槽中，用等离子喷焊法将合金粉(如天津市机械涂层研究所生产的牌号为CO-02)熔结在顶头表面，再将陶瓷鼻头用粘结剂(如湖北襄樊市胶粘技术研究所生产的C-2无机高温粘结剂)粘嵌于顶头鼻孔内。

实施例3：如前述，在顶头表面均匀钻有众多盲孔，将钼质小柱镶嵌于各盲孔内，形成点状嵌体结构。

Claims (7)

1、一种热轧穿管机组合顶头，以合金钢为基体，鼻部镶嵌有高热强性材料鼻头，其特征在于所述顶头表体镶嵌有钼质嵌体，顶头表面有一抗氧化的硬化合金涂层。

2、根据权利要求1所述组合顶头，其特征在于所述钼质嵌体表面与顶头表面相平。

3、根据权利要求1或2所述组合顶头，其特征在于所述钼质嵌体为相间镶嵌的钼质丝条。

4、根据权利要求3所述组合顶头，其特征在于所述钼质丝条呈螺旋环绕镶嵌在顶头表体。

5、一种热轧穿管机组合顶头的制造方法，包括在合金钢基顶头坯体鼻部加工出可容放高热强性鼻头的凹坑，其特征在于还在顶头表体加工出可容放钼质嵌体的凹坑(槽)，在所述凹坑(槽)中嵌入鼻头和钼质嵌体，以表面冶金方法在镶嵌有钼质嵌体的顶头基体表面施加抗氧化的硬化合金涂层，使嵌体与顶头基体达到牢固的冶金结合。

6、根据权利要求5所述组合顶头的制造方法，其特征在于顶头表面的凹槽是环绕顶头径向的螺旋状凹槽。

7、根据权利要求6所述组合顶头的制造方法，其特征在于所述环绕顶头表面的螺旋状凹槽底部呈圆弧形。

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