CN104619434B - 无缝钢管的轧制用顶头、该顶头的制造方法以及使用该顶头的无缝钢管的制造方法 - Google Patents

无缝钢管的轧制用顶头、该顶头的制造方法以及使用该顶头的无缝钢管的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大幅延长在高合金钢的无缝钢管轧制这样的严苛条件下使用的顶头的寿命的技术。具体而言，提供在金属母材的表面被覆Co或Co基合金，进而在该被覆层的表面生成有由Co系氧化物构成的氧化层的无缝钢管的轧制用顶头，该顶头的制造方法以及使用该顶头的无缝钢管的制造方法。

Description

无缝钢管的轧制用顶头、该顶头的制造方法以及使用该顶头 的无缝钢管的制造方法
技术领域
本发明涉及作为热加工用工具(hot rolling tool)的无缝钢管的轧制用顶头(plug for rolling of seamless steel pipe)、该顶头的制造方法以及使用该顶头的无缝钢管的制造方法。
背景技术
作为高温制造无缝钢管的方法，一直以来广泛实施满乃斯曼制管法(Mannesmannmill process)。该方法是首先利用穿轧机(piercing mill)对加热至规定温度的圆形钢片(round shape steel)(以下称为钢坯(billet))进行穿孔轧制(piercing)而制造中空管坯(hollow pieces or hollow steel tubes)(以下称为空心管(hollow))，利用延伸轧机(elongator)、心棒轧管机(plug mill)或心轴轧管机(mandrel mill)等延伸轧机(mainrolling mill)减小该空心管的壁厚，进一步根据需要进行再加热后，利用减径机(reducing mill)或定径机(sizing mill)主要减小外径(outer diameter)而得到规定尺寸的无缝钢管的方法。
上述穿轧机有各种各样的，一般有组合2根斜辊(barrel type roll)和顶头以及2个导靴(guide shoe)的所谓的满乃斯曼穿轧机(Mannesmann piercer)、组合3根斜辊和顶头的所谓的三辊穿轧机、或者组合2根孔型辊(grooved roll)和顶头的所谓的压轧穿孔机(press rolling piercer)。
在上述穿孔轧制过程中，顶头因与被加热的钢坯和空心管无间隙地接触而经常处于高温、高载荷(high load)，容易磨损(wear)、熔损(deformation due to elevatedtemperature)。因此，通常在900～1000℃的高温下对顶头实施氧化皮处理(scalehandling)，在顶头表面形成厚度数十μm～数百μm的氧化皮被膜(scale film)，实现损耗(wear damage)的防止。例如专利文献1中公开了对以铁基合金(iron-base alloy)为基体的顶头实施热处理，在表面形成以磁铁矿(magnetite)为主的氧化铁系氧化皮(iron oxidescale)的技术。这样的氧化皮(oxidized scale)在热轧中作为非金属膜(nonmetalliccoating)夹在作为被轧制材的金属与构成顶头的金属之间以防止金属接触(metalliccontact)，防止烧伤(seizure or sticking)、熔合(deposition)，并且减少摩擦，因此具有保护顶头，提高寿命的效果。轧制材为大量含有Cr的高合金(high alloy)时，轧制材被加热而生成的表面氧化皮(surface scale)本来就非常少，经常发生与顶头等工具的金属接触，使工具寿命(tool life)变差，因此在这样的工具表面人工生成氧化皮的技术具有特别重大的效果。
然而如果对轧制材含有12质量％以上的Cr的高合金钢(high-alloy steel)进行轧制，则即便使用如上所述的技术，用1个顶头能够轧制的轧制材根数最多也就10根左右，需要进一步提高工具寿命。
进行轧制材含有12质量％以上的Cr的高合金钢的轧制时顶头寿命不充分的理由如下：轧制中的材料在高温下强度高，而铁基合金(iron-base alloy)制的顶头的高温强度(high-temperature strength)相对不足，即便利用氧化皮保护表面，也会因接触载荷(contact load)导致顶头的前端破损(crush)和表面凹陷(gouge)等变形(deformation)，由此表面氧化皮层被破坏，随着产生烧伤等。
因此，作为在对如上所述的高合金钢进行轧制时延长无缝钢管的穿孔轧制用顶头的寿命的方法，提出了如下方法：用陶瓷制作整个顶头或前端部(ceramics)的方法(专利文献2)，或者利用高温强度优异的钼合金(molybdenum alloy)制作的方法(专利文献3)，或者在顶头前端部粉末堆焊(powder overlaying welding)高温强度高的Co基合金(cobaltbase alloy)的方法(专利文献4)，用Nb合金制作或被覆的方法(专利文献5)等。此外，在专利文献6中提出了一种形成有金属－碳化物复合被膜并在最外表面形成了铁系氧化物被膜的工具，该金属－碳化物复合被膜是使碳化铌粒子分散于由Co基合金或Ni基合金(nickelbase alloy)构成的基体金属(matrix metal)而成的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平08－193241号公报
专利文献2：日本特开昭60－137511号公报
专利文献3：日本特开昭63－203205号公报
专利文献4：日本特开昭62－050038号公报
专利文献5：日本特开2001－038408号公报
专利文献6：日本特开2007－160338号公报
发明内容
但是，在上述的现有技术中，存在如下的课题。
专利文献2中所示的仅将顶头前端部用陶瓷构成并强化的方法虽然具有防止前端部烧伤的效果，但难以确保陶瓷部与金属部的接合强度(joint strength)，另外陶瓷部对耐冲击弱，在轧制中顶头被破坏的危险高，不实用。另外，专利文献3中所示的使前端为Mo合金的方法具有价格非常高、并且钼合金部的耐冲击载荷(impact load)和热疲劳(thermalfatigue)弱等缺点。
此外，上述专利文献4～6中所示的通过喷镀等在顶头表面被覆Co基耐热合金、Nb合金的方法存在如下问题：虽然合金部的高温强度高，但由于合金部与轧制材直接进行金属接触，所以摩擦热(friction heat)非常高，顶头进一步升温，虽然是耐热合金(heat-resistant alloy)但强度不足，产生熔损。
本发明鉴于以上的问题点，对于在高合金钢的无缝钢管的轧制这样的严苛条件下使用的顶头提供大幅延长其寿命的技术。
本发明人等为了解决上述课题进行了深入研究，完成了以下主要构成的本发明。
(1)一种无缝钢管轧制用顶头，其特征在于，在金属母材的表面被覆Co或Co基合金而成的被覆层的表面具有由Co系氧化物构成的氧化层。
(2)根据(1)所述的无缝钢管的轧制用顶头，其特征在于，上述Co基合金含有30质量％以下的Ni。
(3)根据(1)或(2)所述的无缝钢管的轧制用顶头，其特征在于，上述氧化层是利用高温保持热处理来生成的。
(4)根据(1)或(2)所述的无缝钢管的轧制用顶头，其特征在于，上述氧化层是利用无缝钢管轧制操作时的热来生成的。
(5)根据(1)或(2)所述的无缝钢管的轧制用顶头，其特征在于，上述氧化层是利用高温保持热处理和无缝钢管轧制操作时的热来生成的。
(6)根据上述(1)～(5)所述的无缝钢管的轧制用顶头，上述氧化层的平均厚度为10μm～40μm。
(7)根据上述(1)～(6)所述的无缝钢管的轧制用顶头，上述金属母材为铁系材料。
(8)一种无缝钢管的制造方法，使用上述(1)～(7)所述的无缝钢管轧制用顶头。
(9)一种无缝钢管轧制用顶头的制造方法，在金属顶头的表面以0.1～2mm的厚度被覆Co或Co基合金后，在大气中进行300℃～1000℃的热处理，使由Co系氧化物构成的氧化层的平均厚度成为10μm～40μm。
(10)根据(9)所述的无缝钢管轧制用顶头的制造方法，利用高温保持热处理进行上述热处理。
(11)根据(9)或(10)所述的无缝钢管轧制用顶头的制造方法，利用无缝钢管轧制操作时的热进行上述热处理。
根据本发明，得到减少无缝钢管的轧制中使用的顶头的损耗(wear damage)的效果，对生产的效率化(productivity efficient)和低成本化发挥效果。
附图说明
图1是本发明的无缝钢管用的穿孔顶头(piercing plug)的截面示意图(cross-section pattern diagram)。
图2是实施例中的顶头的尺寸图(dimensional drawing)。
图3是现有技术的顶头的外观照片(appearance photograph)。
图4是本发明的顶头的外观照片。
图5是现有技术的氧化膜层(oxide layer)的微观结构(microstructure)的示意图(pattern diagram)。
图6是本发明的氧化膜层的微观结构的示意图。
图7是示出表示本发明效果的实验结果的图。
图8是表示在轧制中途采集的顶头前端的氧化膜的损坏状态(damagedcondition)的示意图。
图9是表示在轧制中途采集的从顶头前端向后30mm的位置的氧化膜的损坏状态的示意图。
具体实施方式
本发明中，Co基合金是指合金组成的最大含量〔质量％〕的成分元素为Co的合金。
本发明人发现Co在高温下较容易氧化而在表面形成薄且稳固的氧化层。Co与铁系材料(ferrous materials)相比较氧化速度(oxidation rate)慢很多，但与Ni系超合金(nickel-base super alloys)或Co系超合金(cobalt-base super alloys)这种含有Ni、W和Cr等的合金相比，氧化速度快，在大气中实施高温处理(high-temperature treatment)就能够在表面容易地形成由Co系氧化物(cobalt-base oxide)构成的氧化层(以下称为Co系氧化层)。这样的由Co系氧化物构成的氧化层(Co系氧化层)与由铁系顶头的铁系氧化物(ferrous oxide)构成的氧化层(以下称为铁系氧化层)同样地防止轧制材的烧伤，提高润滑性。
此外，上述Co系氧化层还作为隔热层(heat-insulating layer)发挥作用，因此能够防止顶头表层部的过度温度上升(increased temperature)，还防止变形、磨损。并且，Co系氧化层与由铁系的氧化物构成的氧化层(铁系氧化层)相比较，非常牢固(tight)，表面也平滑，强度和寿命优异。
然而，作为Co和Co基合金中的任一种的Co系材料(cobalt-base materials)，与铁系材料相比价格高，例如将图2所示的穿孔顶头全部用Co系材料制作则在经济上是不现实的。而且Co系材料的加工性差，难以成型为顶头形状。
本发明是通过在现有的铁系材料的顶头表面以0.1～2mm的厚度被覆Co系材料来解决上述问题的。该被覆采用电镀(electrodeposition)则能够简便且均匀、高密合性地进行被覆。被覆层的厚度若考虑假定反复使用50次左右的消耗则需为0.1mm以上，如果超过2mm，则其效果也达到饱和，因此从经济角度考虑优选为2mm以下。
另外，构成本发明的顶头的材料是像日本专利公开公报特开2003－129184号的权利要求1中公开的那种基材具有如下组成的材料：以质量％计含有C：0.05～0.5％、Si：0.1～1.5％、Mn：0.1～1.5％、Cr：0.1～1.0％、Mo：0.5～3.0％、W：0.5～3.0％、Nb：0.1～1.5％，进一步以满足1＜(Ni+Co)＜4的条件含有Co：0.1～3.0％、Ni：0.5～2.5％，还含有Al：0.05％以下或者选自V：1.5％以下、Ti：0.3％以下中的1种或2种，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。这意味着可使用现有技术所示的普通的材料，并非本发明中限定。作为金属母材，还优选使用其它的铁系材料，例如，JIS的SKD6、SKD61之类的高温工具钢等。
或者还可以使用非铁金属材料(nonferrous metal material)，例如，即便被膜发生部分剥离也可期待保持母材侧的润滑功能的Mo合金等。
在此，被覆的Co系材料含有99质量％以上的Co，剩余部分可以是作为不可避免的杂质的纯Co金属(pure cobalt metal)，更优选含有质量比为0.3％～30％的Ni。通过成为Co－Ni合金，镀覆被膜(platingfilm)的强度增大，尤其是有提高热强度(high-temperature strength)的效果，获得被膜的高寿命化。尤其是300℃以上的温度的热强度，即便与铁系的材料相比也大幅提高，因此如果使镀层(plated layer)成为1mm以上的厚度，还能够有效防止顶头的变形等。但是，如上所述Ni是显现耐氧化性(oxidationresistance)的元素，超过30％的过量添加会阻碍Co系氧化层的生成，因此使用Co－Ni合金时以质量比计优选Ni的质量比为0.3％～30％。进一步优选质量比为0.5％～15％。
此外，由于Co系材料在大气中常温下氧化速度(oxidation rate)非常慢，所以有效的是将经过镀覆的顶头保持在加热炉(heating furnace)中促进表面的Co系氧化物的形成。由Co系氧化物构成的氧化层的生成速度(generation speed)在大气中、400℃下加热时大致为0.2μm厚/小时，在大气中、700℃下加热时大致为8μm厚/小时。为含有Ni的Co－Ni合金时，若要生成与不含Ni的Co系材料相同的氧化层厚度，需要将加热时间(heating time)设定的更长。因此，加热时间需要根据被覆的材料改变各自的设定，而从生产的效率性考虑，保持温度(holding temperature)优选设为300℃以上，如果超过1000℃则由Co系氧化物构成的氧化层变得粗大，因此优选设为1000℃以下。应予说明，更优选设为500℃～700℃。
以下，基于实施例，对本发明进行具体说明。
实施例
本发明的技术中采用无缝钢管工厂中使用的图2所示的尺寸形状的顶头。
实施例中，作为构成本发明的顶头的材料，使用以质量％计含有C：0.2％、Si：0.5％、Mn：1.0％、Cr：0.8％、Mo：2.0％、Nb：0.1％的低合金钢。
现有技术中对顶头进行热处理，在表面形成由铁系的氧化物构成的氧化层。
将通过适合顶头材的热处理(在大气中、1050℃下加热，保持6小时)而在表面生成铁系氧化层的顶头的表面照片(surface photograph)示于图3。另外将该铁系氧化层的截面的微观组织示意性地示于图5。
在本发明例A中在铁系顶头的表面实施Co－0.1质量％Ni(称为纯Co)的镀覆，在本发明例B中实施Co－10质量％Ni的镀覆，在本发明例C中实施Co－30质量％Ni的镀覆。还制作了Co－40质量％Ni的镀覆的例子作为本发明例D。在此，本实施例中将这些镀覆的平均厚度设为约2mm。接下来，在大气中、700℃的温度下对这些顶头进行保持20小时的热处理，其后，自然冷却(natural cooling)在表面形成由Co系氧化物构成的氧化层。图1中示意性地示出制作的顶头的截面构成。另外，将本发明例B情况下的外观照片作为1个例子示于图4。另外，将Co系氧化层的截面微观组织示意性地示于图6。
比较图3和图4，作为现有例的铁系氧化层的表面粗糙(asperity like)，与此相对，本发明例的Co系氧化层显示非常平滑的表面(flat and smooth surface)。这表示Co系氧化物具有非常致密的结构(dense structure)，稳固地固定。
另外，如图5和图6所示，铁系氧化层的厚度非常厚，接近1000μm，与此相对，Co系氧化层的厚度被调整至30μm左右。并且，铁系氧化层中氧化层分成铁酸盐(wustite)〈FeO〉、磁铁矿(magnetite)(Fe3O4)、赤铁矿(hematite)(Fe2O3)，且内部产生大量空孔(void)，与此相对，Co系氧化层为单一相，空孔少，被稳固地构成。
此外，上述Co系氧化层的厚度在本发明例A中平均为38μm，在本发明例B中平均为28μm，在本发明例C中平均为12μm，而在本发明例D中仅为2μm。其中，Co系氧化层的结构相同。
其中，氧化层的厚度的测定是通过对上述顶头的任意5个位置的截面照片进行摄像，利用图像处理求出平均厚度的。
接下来，将上述本发明例A、B和C的顶头与现有例、本发明例D的顶头一起供于实际的轧制生产线中的轧制操作，评价寿命(life)。顶头在每次用穿轧机对1个钢坯进行穿孔轧制后被水冷，用于下一个钢坯的穿孔轧制。水冷后每次检查顶头表面的损耗状况，根据熔损、磨损、缺损等，由此判定为已到寿命时，以其它的顶头进行交换。
对1000个含有13质量％以上的Cr的高合金钢钢坯的轧制中使用的各顶头的平均寿命(1个顶头的轧制钢坯个数)进行比较并示于图7。现有顶头的不交换就能够轧制的钢坯个数约为14个左右，而本发明例A、B、C均能够轧制30个以上的钢坯。特别是本发明例B最优异，能够轧制平均45个钢坯，显示了高寿命。另一方面含有大量Ni的本发明例D中寿命为18个左右，与现有例相比良好。
在上述的轧制实验的过程中，将本发明例A中的1个轧制顶头不是一直用到损坏而是在3次轧制后取出，确认最容易损坏的顶头前端部和从前端向后30mm位置的Co系氧化层的状态。如图8所示，顶头前端部的Co系氧化层厚度薄至约10μm，且发现了有一部分疑似Co系氧化层脱落的部分。但是，在疑似有脱落的部分的表层也残留有2～3μm的Co系氧化层。另外，如图9所示，在距前端约30mm位置的部分的Co系氧化层的层厚薄至约15μm，但没有发现Co系氧化层有大的损坏。
上述的观察结果表示了如下的现象。即，由Co系氧化物构成的氧化层显示耐受无缝钢管的轧制的稳固的特性。但是，顶头最前端这样的在最高压下受高温的严苛的部分最多经过3次的轧制有时就产生损坏。但是，由于轧制中的顶头为高温，因Co的氧化特性(oxidation characteristic)，在损坏的位置再次生成Co系氧化物，持续发挥顶头保护的作用。这样的作用反复产生，能够在30次以上的轧制中持续使用。
另一方面，本发明例D中由于镀覆层含有过多的Ni，所以如上所述氧化物生成速度(oxide generation speed)慢，推断轧制中损坏的氧化层无法充分再生而到寿命。因此，被覆层所含的Ni量优选至少为30质量％以下。
如上所述，本发明例A、B、C、D与现有例相比寿命均有所提高，特别是本发明例A、B、C与现有例相比寿命明显提高，能够显著提高高合金钢无缝钢管(high-alloy seamlesssteel tube)的生产率。
应予说明，本发明中，虽记为Co镀覆或者Co基合金镀覆，但并不是表示镀层排除其它的元素。
另外，虽然记为由Co系氧化物构成的氧化层，但在镀层含有Ni时，氧化层也含有Ni，即使含有其它元素的情况也在本发明的范围。在此，作为其它的元素，可举出Fe、C等。

Claims (9)

1.一种无缝钢管的轧制用顶头，在金属母材的表面被覆Co或Co基合金而成的被覆层的表面具有由Co系氧化物构成的氧化层，
其中，所述Co是含有99质量％以上的Co且剩余部分为不可避免的杂质的纯Co金属，所述Co基合金是含有0.3～30质量％的Ni且剩余部分为Co和不可避免的杂质的合金，
并且，所述氧化层的平均厚度为10μm～40μm。
2.根据权利要求1所述的无缝钢管的轧制用顶头，其中，所述氧化层是利用高温保持热处理来生成的。
3.根据权利要求1所述的无缝钢管的轧制用顶头，其中，所述氧化层是利用无缝钢管轧制操作时的热来生成的。
4.根据权利要求1所述的无缝钢管的轧制用顶头，其中，所述氧化层是利用高温保持热处理和无缝钢管轧制操作时的热来生成的。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的无缝钢管的轧制用顶头，其中，所述金属母材为铁系材料。
6.一种无缝钢管的制造方法，其中，使用权利要求1～5中任一项所述的无缝钢管的轧制用顶头。
7.一种无缝钢管轧制用顶头的制造方法，在金属顶头的表面以0.1～2mm的厚度被覆Co或Co基合金后，在大气中进行300℃～1000℃的热处理，使由Co系氧化物构成的氧化层的平均厚度成为10μm～40μm，
并且，所述Co是含有99质量％以上的Co且剩余部分为不可避免的杂质的纯Co金属，所述Co基合金是含有0.3～30质量％的Ni且剩余部分为Co和不可避免的杂质的合金。
8.根据权利要求7所述的无缝钢管轧制用顶头的制造方法，其中，利用高温保持热处理进行所述热处理。
9.根据权利要求7或8所述的无缝钢管轧制用顶头的制造方法，其中，利用无缝钢管轧制操作时的热进行所述热处理。
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