CN104364414A - 穿孔顶头及穿孔顶头的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的穿孔顶头具备顶头主体和在所述顶头主体的表面上形成的含有铁和铁氧化物的喷镀覆膜，所述喷镀覆膜的化学组成除了含有所述铁和所述铁氧化物之外，以质量％计还含有C：0.015～0.6％、Si：0.05～0.5％、Mn：0.1～1.0％、Cu：0～0.3％。

Description

穿孔顶头及穿孔顶头的制造方法
技术领域
本发明涉及顶头，更详细地涉及在穿孔轧制钢坯的穿孔机中使用的顶头(以下称作穿孔顶头)。
本申请根据2012年08月28日在日本提出申请的日本特愿2012-187913号主张优先权，在此引用其内容。
背景技术
穿孔机被用于利用满乃斯曼法的无缝钢管的制造。穿孔机具备一对倾斜辊和穿孔顶头。穿孔顶头配置在一对倾斜辊之间的轧制线上。穿孔机通过倾斜辊一边使钢坯沿圆周方向旋转一边压进顶头，对钢坯进行穿孔轧制而制造中空管坯。
穿孔机对被加热至高温的钢坯进行穿孔轧制。因此，压进钢坯的穿孔顶头在高温下暴露的同时，还受到高的压力。因此，在穿孔顶头上容易发生熔损和热粘。
一般来说，在穿孔顶头的母材表面上会形成氧化皮。氧化皮阻断来自钢坯的热，抑制熔损的发生。氧化皮还会抑制热粘的发生。
然而，氧化皮在每次穿孔轧制钢坯时都会磨损。当氧化皮消失时，穿孔顶头的母材温度上升，穿孔顶头熔损。
为了提高穿孔顶头的使用次数，提出了在穿孔顶头的母材(顶头主体)的表面上形成喷镀覆膜的方案(例如参照下述专利文献1和2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公昭59-13924号公报
专利文献2：日本专利第4279350号公报
专利文献3：日本特公平4-8498号公报
专利文献4：日本特开平10-180315号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1和2中所公开的穿孔顶头因反复进行钢坯的穿孔轧制，在喷镀覆膜上会产生皱纹或裂纹等损伤。然而，在专利文献1和2中所公开的穿孔顶头如果在顶头主体的表面上再次形成喷镀覆膜，则可以作为用于制造同一尺寸的中空管坯的穿孔顶头再利用。即，穿孔顶头的使用次数提高。
然而，在穿孔顶头的喷镀覆膜容易损伤的情况下，需要多次重新形成喷镀覆膜。其结果是，必须频繁地将穿孔顶头从穿孔机中取下来实施喷镀作业，有中空管坯的制造效率下降的可能性。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能够抑制中空管坯的制造效率下降的穿孔顶头及其制造方法。
用于解决课题的手段
本发明为了解决上述课题、实现上述目的而采用以下的手段。即：
(1)本发明的一个方式的穿孔顶头具备顶头主体和在上述顶头主体的表面上形成的含有铁和铁氧化物的喷镀覆膜，上述喷镀覆膜的化学组成除了含有上述铁和上述铁氧化物之外，以质量％计还含有C：0.015～0.6％、Si：0.05～0.5％、Mn：0.1～1.0％、Cu：0～0.3％。
(2)根据上述(1)所述的穿孔顶头，其中，在上述喷镀覆膜的化学组成中，C的含量可以为0.2～0.6％。
(3)根据上述(1)或(2)所述的穿孔顶头，其中，在上述喷镀覆膜的化学组成中，Cu的含量可以为0.05～0.3％。
(4)本发明的一个方式的穿孔顶头的制造方法是具备顶头主体和在上述顶头主体的表面上形成的喷镀覆膜的穿孔顶头的制造方法，其包含通过对上述顶头主体的表面电弧喷镀钢线材、从而在上述顶头主体的表面上形成上述喷镀覆膜的工序，上述钢线材的化学组成是以质量％计含有C：0.05％～1.1％、Si：0.4～1.3％、Mn：0.2～2.0％、Cu：0～0.5％、和铁。
(5)根据上述(4)所述的穿孔顶头的制造方法，其中，在上述钢线材的化学组成中，C的含量可以为0.6～1.1％。
(6)根据上述(4)或(5)所述的穿孔顶头的制造方法，其中，在上述钢线材的化学组成中，Cu的含量可以为0.05～0.5％。
发明的效果
根据上述的方式，穿孔顶头的喷镀覆膜的强度提高(即喷镀覆膜的寿命提高)，因此不需要频繁地将穿孔顶头从穿孔机中取下。其结果是，能够抑制中空管坯的制造效率下降。
附图说明
图1是表示一般的穿孔机的构成的示意图。
图2是本发明的一个实施方式的穿孔顶头的纵截面图。
图3是表示在喷镀覆膜的形成中使用的钢线材的一个例子的截面图。
具体实施方式
以下，对本发明的一个实施方式的穿孔顶头及其制造方法，参照附图来进行说明。图中相同或相当的部分带有相同符号，不重复其说明。
图1是表示一般的穿孔机30的构成的示意图。在穿孔机30中，穿孔顶头PP安装于带芯棒34的前端，并配置在一对倾斜辊32、32之间的轧制线PL上。在穿孔轧制时，钢坯36中被压进穿孔顶头PP。因此，穿孔顶头PP在高温下暴露的同时，还受到高的压力。
如上所述，以往提出了在作为穿孔顶头PP的母材的顶头主体的表面上形成喷镀覆膜的方案。在穿孔顶头PP的喷镀覆膜容易损伤的情况下，为了重新形成喷镀覆膜，必须频繁地将穿孔顶头PP从穿孔机30中取下来实施喷镀作业(喷镀覆膜的修复作业)。上述的穿孔顶头PP通过提高喷镀覆膜的强度(即延长喷镀覆膜的寿命)，不需要多次重新形成新的喷镀覆膜。
因此，本实施方式的穿孔顶头是通过对以质量％计至少含有0.05～1.1％的C(碳)、0.4～1.3％的Si(硅)、0.2～2.0％的Mn(锰)、并含有Fe(铁)和杂质作为剩余部分的钢线材进行电弧喷镀，从而在顶头主体的表面上形成含有铁氧化物的喷镀覆膜。
喷镀覆膜的C含量比钢线材的C含量变少。因此，为了确保喷镀覆膜的强度，钢线材的C含量要考虑电弧喷镀引起的减少量来设定。在此情况下，由于喷镀覆膜的强度得到确保，因此在喷镀覆膜上难以发生损伤。其结果是，喷镀覆膜的寿命延长。
钢线材的Si含量要从确保喷镀覆膜的润滑性的观点出发来设定。在此情况下，由于喷镀覆膜的润滑性得到确保，因此穿孔效率变高。即，穿孔顶头在穿孔中的钢坯内变得容易被压进，钢坯相对于倾斜辊难以滑动。因此，穿孔时间缩短，穿孔顶头与钢坯的接触时间变短。其结果是，在喷镀覆膜上难以产生损伤，喷镀覆膜的寿命延长。
进而，由于通过电弧喷镀钢线材而形成喷镀覆膜，因此可以抑制喷镀覆膜的制造成本。以下，对本实施方式的穿孔顶头进行详细说明。
图2是本实施方式的穿孔顶头10的截面图。如该图2中所示，穿孔顶头10具备顶头主体12和喷镀覆膜14。
顶头主体12包含众所周知的化学组成，具有众所周知的形状。
喷镀覆膜14形成在顶头主体12的表面上。喷镀覆膜14含有铁和铁氧化物(例如Fe3O4或FeO等)。喷镀覆膜14除了含有铁和铁氧化物之外，以质量％计还含有C：0.015～0.6％、Si：0.05～0.5％、Mn：0.1～1.0％、Cu：0～0.3％。喷镀覆膜14的剩余部分是杂质。上述的喷镀覆膜14是通过对顶头主体12的表面电弧喷镀钢线材而形成的。
钢线材中，以质量％计含有0.05～1.1％的C、0.4～1.3％的Si、0.2～2.0％的Mn和0～0.5％的Cu，并含有Fe和杂质作为剩余部分。以下，对各元素进行说明。
C会提高喷镀覆膜14的强度。C含量如果过少，则无法有效获得上述效果。喷镀覆膜14的强度如果低，则在穿孔轧制中喷镀覆膜14容易变形，在喷镀覆膜14上容易形成皱纹。另一方面，C含量如果过多，喷镀覆膜14的韧性下降。因此，在喷镀覆膜14上容易产生裂纹。因此，C含量为0.05～1.1％。C含量的优选的下限为0.2％，更优选为0.6％。C含量的优选的上限为1.0％，更优选为0.9％。
喷镀覆膜14的C含量比钢线材的C含量变少。例如，在钢线材的C含量为0.05％的情况下，喷镀覆膜14的C含量为0.02％左右。
Si会提高喷镀覆膜14的润滑性。Si含量如果过少，则无法有效获得上述效果。因此，穿孔效率变低，喷镀覆膜14的寿命下降。另一方面，Si含量如果过多，则喷镀覆膜14的韧性下降。因此，在喷镀覆膜14上容易产生裂纹。Si含量如果进一步过多，则穿孔轧制时喷镀覆膜14变得容易熔化。由此，喷镀覆膜14变得容易磨损。因此，Si含量为0.4～1.3％。
Mn会提高喷镀覆膜14的强度。Mn含量如果过少，则无法有效获得上述效果。因此，喷镀覆膜14容易变形，在喷镀覆膜14上容易形成皱纹。另一方面，Mn含量如果过多，则喷镀覆膜14的韧性下降。因此，在喷镀覆膜14上容易产生裂纹。因此，Mn含量为0.2～2.0％。Mn含量的优选的上限为1.5％。
钢线材的剩余部分是Fe和杂质。杂质是从作为钢线材的原料所利用的矿石或废料、或制造过程的环境等中混入的元素。杂质例如是P、S、氧(O)等。钢线材中的优选的P含量为0.030％以下，更优选为0.01％以下。优选的S含量为0.0030％以下，更优选为0.001％以下。
上述的钢线材进而可以进一步含有0.5％以下的Cu代替Fe的一部分。即Cu是选择元素。
Cu会良好地保持电弧喷镀时的钢线材的导电性。当Cu含量超过0.5％时，喷镀覆膜14的韧性受损。因此，Cu含量为0.5％以下。Cu含量的优选的下限为0.05％。在Cu含量为0.05％以上的情况下，电弧喷镀时可以稳定地供给钢线材。
钢线材可以进一步含有上述的Cu以外的其他元素代替Fe的一部分。其他元素例如为Al、W、Ni、Mo、Nb等。但是，钢线材只要是以Fe为主要成分，并至少含有上述含量的C、Si和Mn即可。
钢线材可以是实心的，也可以是图3所示的钢线材。图3所示的钢线材20具备外壳22和多个填充材24。
外壳22具有管形状，并含有Fe。填充材24填充在外壳22内。填充材24例如是Fe-Mn粒子、Si粉末和Fe-C粉末。填充材24的填充量要考虑外壳22中的C、Si和Mn的含量来设定。钢线材20的化学组成是在熔化了钢线材20的状态下被分析的。分析结果是，C、Si和Mn的含量如果为上述的范围内，则包含于本发明的范围内。另外，填充材24例如可以是粒状，也可以是粉状，也可以是纤维状。
喷镀覆膜14的厚度例如为400μm～1200μm。喷镀覆膜14的厚度不需要是恒定的。例如，喷镀覆膜14的前端部可以比其他的部分厚。
在形成喷镀覆膜14之前，可以对要形成喷镀覆膜14的顶头主体12的表面实施喷丸处理。由此，顶头主体12的表面变粗，喷镀覆膜14的密合性提高。
优选的是，在喷镀覆膜14中铁氧化物所占的比例为55～80体积％。关于在喷镀覆膜14中铁氧化物所占的比例，例如喷镀覆膜14的表面侧的比例比顶头主体12侧的比例高。在此情况下，关于在喷镀覆膜14中铁氧化物所占的比例，例如在与顶头主体12的边界部为40体积％以下，在表层部为55～80体积％。为了改变在喷镀覆膜14中铁氧化物所占的比例，例如改变从电弧喷镀装置的喷镀喷嘴至顶头主体12的距离(喷镀距离)即可。
实施例
准备用于形成喷镀覆膜的钢线材的化学组成互不相同的多个穿孔顶头，调查了各穿孔顶头的穿孔次数、喷镀覆膜的损伤状况和穿孔效率。
[试验方法]
准备了具有表1所示的化学组成的钢线材。
实施例1～6的钢线材的化学组成为本发明的范围内。在比较例1～7的钢线材中，化学组成的某一元素为本发明的范围外。
在相同的制造条件下电弧喷镀各钢线材，在顶头主体的表面上形成喷镀覆膜，制造了穿孔顶头。各穿孔顶头中的喷镀覆膜中的铁氧化物的含有率(体积％)均是在与顶头主体的边界部为20％、在表层部为70％。喷镀覆膜的厚度均是前端为1200μm、其以外的部分为400μm。
表2示出了由具有实施例1～6的化学组成的钢线材在顶头主体的表面上形成的喷镀覆膜的化学组成、和由具有比较例1～7的化学组成的钢线材在顶头主体的表面上形成的喷镀覆膜的化学组成。如该表2所示，由具有实施例1～6的化学组成的钢线材在顶头主体的表面上形成的喷镀覆膜的化学组成在本发明的范围内。
使用这些穿孔顶头穿孔轧制了钢坯。钢坯是13Cr钢，直径为191mm、长度为2200mm。将钢坯穿孔轧制后，用目视确认了穿孔顶头的喷镀覆膜的损伤状况。另外，测定了穿孔轧制后的穿孔顶头的轴向长度。当穿孔顶头的轴向长度的变形量达到3mm时，在喷镀覆膜上发生损伤时和穿孔顶头熔损时，结束了试验。但是，即使当在喷镀覆膜上发生损伤时和穿孔顶头熔损时，在认为由穿孔轧制而得到的中空管坯上不会发生内表面缺陷的情况下，如果穿孔顶头的轴向长度的变形量未达到3mm，就继续进行试验。此外，穿孔顶头的轴向长度的变形量达到3mm时结束了试验的原因是，由于穿孔轧制因而喷镀覆膜会磨损而减少，喷镀覆膜的遮热效果下降，由此顶头主体变形。
第n次(n为自然数)轧制后，在穿孔顶头的轴向长度的变形量达到3mm的情况下、在喷镀覆膜上发生损伤的情况下和穿孔顶头熔损的情况下，该穿孔顶头的穿孔次数定义为n-1次。根据穿孔次数评价了喷镀覆膜的强度。
穿孔效率的定义如下所述。钢坯沿轴向搬送的速度(以下称作搬送速度)由倾斜辊的转速来决定。然而，实际的搬送速度受到穿孔顶头与钢坯的摩擦阻力等的影响。因此，实际的搬送速度比由倾斜辊的转速算出的理论上的搬送速度慢。该速度比([(实际的搬送速度)/(理论上的搬送速度)]×100(％))为穿孔效率。每次穿孔轧制钢坯时都求出穿孔效率。根据它们的平均值评价了喷镀覆膜的润滑性。
[试验结果]
将试验结果一同示于表1和表2中。具备通过电弧喷镀实施例1～6的钢线材而形成的喷镀覆膜的穿孔顶头的穿孔次数比具备通过电弧喷镀比较例1～7的钢线材而形成的喷镀覆膜的穿孔顶头的穿孔次数要多。因此，通过电弧喷镀实施例1～6的钢线材而形成的喷镀覆膜的强度比通过电弧喷镀比较例1～7的钢线材而形成的喷镀覆膜的强度要高。
具备通过电弧喷镀实施例2～6的钢线材而形成的喷镀覆膜的穿孔顶头的穿孔次数比具备通过电弧喷镀实施例1的钢线材而形成的喷镀覆膜的穿孔顶头的穿孔次数要多。确认了钢线材的C含量的优选的下限为0.6％。
具备通过电弧喷镀实施例1～6的钢线材而形成的喷镀覆膜的穿孔顶头的穿孔顶头轴向长度的变形量均达到了3mm，因此结束了试验。试验结束时在各穿孔顶头所具有的喷镀覆膜上没有裂纹或皱纹等损伤。
进而，具备通过电弧喷镀实施例1～6的钢线材而形成的喷镀覆膜的穿孔顶头的穿孔效率比具备通过电弧喷镀比较例1～7的钢线材而形成的喷镀覆膜的穿孔顶头的穿孔效率要好。
比较例1的钢线材中，C含量比本发明的范围的下限要低。因此，在喷镀覆膜上产生了皱纹，穿孔次数低。可以认为，因为喷镀覆膜的强度低，所以穿孔轧制时在喷镀覆膜上产生了塑性流动，产生了皱纹。
比较例2的钢线材中，C含量比本发明的范围的上限要高。因此，在喷镀覆膜上产生了裂纹，穿孔次数低。可以认为，因为喷镀覆膜的韧性低，所以产生了裂纹。
比较例3的钢线材中，Si含量比本发明的范围的下限要低。因此，穿孔效率低。可以认为这是因为喷镀覆膜的润滑性低。进而，因为穿孔效率低，所以在穿孔顶头上发生了熔损，其结果是穿孔次数也低。
比较例4的钢线材中，Si含量比本发明的范围的下限要低。因此，穿孔效率低。可以认为这是因为喷镀覆膜的润滑性低。进而，因为穿孔效率低，所以在穿孔顶头上发生了熔损，其结果是穿孔次数也低。
比较例5的钢线材中，Si含量比本发明的范围的上限要高。因此，在喷镀覆膜上产生了裂纹，穿孔次数低。可以认为，因为喷镀覆膜的韧性低，所以产生了裂纹。
比较例6的钢线材中，Mn含量比本发明的范围的下限要低。因此，在喷镀覆膜上产生了皱纹，穿孔次数低。可以认为，因为喷镀覆膜的强度低，所以穿孔轧制时在喷镀覆膜上产生了塑性流动，产生了皱纹。
比较例7的钢线材中，Mn含量比本发明的范围的上限要高。因此，在喷镀覆膜上产生了裂纹，穿孔次数低。可以认为，因为喷镀覆膜的韧性低，所以产生了裂纹。
以上对本发明的实施方式进行了详述，但这些只不过是例示，本发明不受上述实施方式的任何限定。
符号说明
10  穿孔顶头
12  顶头主体
14  喷镀覆膜

Claims (6)

1.一种穿孔顶头，其特征在于，其具备顶头主体和在所述顶头主体的表面上形成的含有铁和铁氧化物的喷镀覆膜，
所述喷镀覆膜的化学组成除了含有所述铁和所述铁氧化物之外，以质量％计还含有
C：0.015～0.6％、
Si：0.05～0.5％、
Mn：0.1～1.0％、
Cu：0～0.3％。
2.根据权利要求1所述的穿孔顶头，其特征在于，在所述喷镀覆膜的化学组成中，C的含量为0.2～0.6％。
3.根据权利要求1或2所述的穿孔顶头，其特征在于，在所述喷镀覆膜的化学组成中，Cu的含量为0.05～0.3％。
4.一种穿孔顶头的制造方法，其是具备顶头主体和在所述顶头主体的表面上形成的喷镀覆膜的穿孔顶头的制造方法，其特征在于，
其包含通过对所述顶头主体的表面电弧喷镀钢线材、从而在所述顶头主体的表面上形成所述喷镀覆膜的工序，
所述钢线材的化学组成是以质量％计含有
C：0.05％～1.1％、
Si：0.4～1.3％、
Mn：0.2～2.0％、
Cu：0～0.5％、和铁。
5.根据权利要求4所述的穿孔顶头的制造方法，其特征在于，在所述钢线材的化学组成中，C的含量为0.6～1.1％。
6.根据权利要求4或5所述的穿孔顶头的制造方法，其特征在于，在所述钢线材的化学组成中，Cu的含量为0.05～0.5％。
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