CN107915476A - 一种穿孔顶头及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种穿孔顶头及其制备方法，是在以24CrNi3WMOA合金钢为主的顶头本体表面，包覆一层厚度为1‑2mm的陶瓷复合层；所述复合层是由20%‑40%的氮化铝、20%‑40%的氧化铝、20%‑40%的氮化钛及5%‑10%的氧化钇组成；先将四种粉末混匀，加入耐高温无机粘合剂，形成糊状物，将顶头浸入上述糊状物中冷涂，再置于热处理炉中加热后冷却出炉；由于该复合层的原料属于陶瓷，耐高温性能好，抗高温耐磨性极强，该复合层含有多种氧化物，导热性极小，顶头的基体温度不高，合金钢线膨胀率小，急冷急热温差小，复合陶瓷不剥落且与基体材料结合强度高，可以消除顶头在高温时的化尖、塌鼻开裂、啃肉等现象，使用寿命大幅提高，由原来穿100支合金钢管提高到穿650支以上合金钢管，大大提高了顶头的工作效率和实用性。
Description
技术领域
本发明涉及钢管穿孔技术领域，具体为一种穿孔顶头及制备方法。
背景技术
目前国内钢管企业所有的合金钢穿孔顶头，在穿制低碳钢或低碳合金钢钢管一段时间后，即开始发生化尖、塌鼻、啃肉等失效现象，严重影响了企业的正常生产和生产效率。究其原因是因为顶头在表面温度接近1400℃的高温下工作时，顶头热强度会急剧下降，导致顶尖熔化或啃肉现象。传统的顶头材质为18C2Ni4WA，该材质的特点是热疲劳强度好，缺点是导热性差，局部容易熔化导致顶头失效。经检索，中国发明专利201310074800.3公开了“一种无缝钢管穿孔顶头及其制备方法”，该发明的构思是从改进顶头组成成分入手，以期解决现有顶头耐磨性、耐温性不够，寿命不长等问题。中国发明专利申请201310396988.3公开了“一种用于穿孔顶头表面的激光熔覆方法” ，该发明的构思是在顶头外表面通过激光熔覆方法将合金粉末迅速熔化，形成一层合金熔覆层，以提高顶头表面金属的致密性、韧性、强度，耐热性和抗氧化性，从而达到延长顶头使用寿命的目的。但从实际试用情况来看，目前围绕顶头的改进仅在一定程度上对顶头的综合性能有所提高，但改进空间很大，需要本行业技术人员进一步的拓宽思路，以进一步研制出性能更优良，使用寿命更长的穿孔顶头。
发明内容
本发明的目的在于提供一种穿孔顶头，本发明所制成的顶头耐高温性能好，耐磨性极强，导热性极小，故顶头的基体温度不高，急冷急热温差小，因此可以消除顶头化尖、塌鼻开裂、啃肉等现象，由原来穿100支合金钢管提高到穿650支以上合金钢管，大大提高了顶头的工作效率和实用性。同时，在1500℃下顶头表面复合陶瓷涂层硬度可达50HRC，能较长时间承受穿孔过程中巨大的轴向压应力、径向切应力和表面摩擦力等复合应力的作用，使用寿命显著延长。
本发明另一发明目的是提供所述穿孔顶头的制备方法。
本发明的技术构思主要是在顶头外表面包覆有一层厚度为1-2mm的复合层，具体技术方案如下：
一种穿孔顶头，包括以24CrNi3WMOA为主材质的顶头本体，在所述的顶头本体表面，包覆有一层厚度为1-2mm的陶瓷复合层；改进之处在于，所述复合层是由20%-40%的氮化铝、20%-40%的氧化铝、20%-40%的氮化钛以及5%-10%的氧化钇组成，所述组成陶瓷复合层的四种组分的百分比之和为100%。
所述的氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇均为200-300目的粉末。
所述的氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇纯度均大于99%。
本发明所述穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
S1：将氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇粉末混合均匀，再加入粉末质量等量的耐高温无机粘合剂，混合搅拌均匀形成糊状物；
S2：将所述的顶头本体全部浸入上述糊状物中冷涂，冷涂时间1-2分钟；
S3：将冷涂后的顶头摆放在耐热合金钢板上，一起置于热处理炉中加热处理；
S4：经热处理后，将顶头随炉冷却至常温出炉即可；所制得的穿孔顶头外层为1-2mm厚的复合陶瓷磨砂面，此磨砂面在1500℃下硬度可达50HRC。
所述S3中顶头在热处理炉中共加热处理21小时；具体热处理的加热温度曲线为：常温加热2小时至100℃，恒温1小时，再加热2小时至300℃，恒温1小时，再加热3小时至800℃，恒温1小时，随后加热10小时至1200℃，并恒温1小时，随炉冷却至常温。
所述耐高温无机粘合剂为北京汇鑫瑞成科技有限公司生产的ZS-1071液型号耐高温无机粘合剂。
本发明中所使用的氮化铝粉末，为一种高熔点高温耐热材料。热膨胀系数（4.0-6.0）X10（-6）/℃。多晶AIN热导率达260W/(m.k)，所以耐热冲击好，能耐2200℃的极热，机械性能好，抗折强度高。 是新型的耐磨陶瓷材料,可用于磨损严重的部位。
本发明中所用的氧化铝是一种高硬度的化合物，熔点2054℃，高温抗氧化性极好，在1500℃时的硬度HRC≥60，耐磨性好。
本发明中所用的氮化钛（TiN）具有典型的NaCl型结构，TiN熔点为2950℃，密度为5.43-5.44g/cm3，莫氏硬度8-9，抗热冲击性好。TiN熔点比大多数过渡金属氮化物的熔点高，而密度却比大多数金属氮化物低，因此是一种很有特色的耐热材料。
本发明通过多次试验在众多原料中选出氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇四种组分及用量的组合，通过实验证明，不仅这些材料本身都具有良好的抗热冲击性能，而且组合一起之后更具有良好的协同作用，可以显著提高顶头使用寿命。本发明的四种化合物混合在一起进行高温烧结时，氮化铝氧化铝与氮化钛会反应生成一定数量的铝钛尖晶石榴石，该尖晶石榴石对混合化合物有强烈的抑制作用，在高温时它们的晶粒不会因晶粒长大而失去硬度。加入稀土氧化钇时，由于稀土的活性极高可以起到复合化合物与顶头基体材料之间有很好的桥接作用，大大增强了复合化合物与顶头材料的结合强度从而避免了复合化合物的剥落现象。
本发明将氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇四种粉末通过耐高温无机粘合剂，混合搅拌均匀形成糊状物。本发明中使用的ZS-1071液耐高温无机粘合剂是北京汇鑫瑞成研究开发，耐温可以达到1800℃，可以在高温中长时间使用，打破了耐高温粘合剂只耐温在1300℃以下的世界性技术难题。该ZS-1071液耐高温无机粘合剂是一种利用无机纳米材料经缩聚反应制成的耐高温无机纳米复合粘结剂，不仅粘结力强且对金属基体无腐蚀性，而且可以在高温下保持良好的粘接性能和抗腐蚀性，使用寿命长。可用于耐高温材料的直接粘接，涂料能直接在400-1000℃的高温基体表面喷涂，在水分挥发的同时，涂料会瞬间粘附在基体表面，形成的耐高温保护涂层均匀致密，抗热震性能好，防护效果显著。本发明高温耐火材料均有良好的润湿性和胶合性能，将其与ZS-1071液型号耐高温无机粘合剂混合后，形成糊状物，所制成的涂层在高温下具有良好的强度，在1300℃下平均抗压强度为160MPa(兆帕)，抗拉强度为90MPa(兆帕)。该粘结剂与复合陶瓷材料热膨胀系数相近，改善了耐高温材料的性能，延长使用寿命。本发明与现有技术相比，通过在24CrNi3WMOA传统为主材质的顶头外表面包覆有一层厚度为1-2mm的陶瓷复合层，由于该陶瓷复合层的原料组成是陶瓷物，所以耐高温性能好，抗高温耐磨性极强，复合层由于含有多种氧化物，故导热性极小，顶头的基体温度不高，急冷急热温差小，复合陶瓷硬而坚固。因此可以消除顶头化尖、塌鼻开裂、啃肉等现象，由原来穿100支合金钢管提高到穿650支以上合金钢管，大大提高了顶头的工作效率和实用性。同时，在1500℃下硬度可达50HRC，能较长时间承受穿孔过程中巨大的轴向压应力、径向切应力和表面摩擦力等复合应力的作用，使用寿命显著延长。
具体实施方式
以下将详细说明本发明实施例，然而，本发明实施例并不以此为限。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的穿孔顶头，包括以24CrNi3WMOA为主材质的顶头本体，在所述的顶头本体表面，包覆有一层厚度为1-2mm的复合层；所述复合层是由20%的氮化铝、40%的氧化铝、30%的氮化钛以及10%的氧化钇组成，所述的氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇均为200-300目，纯度均大于99%的粉末。
所述穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
S1：将氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇粉末混合均匀，再加入与粉末质量等量的由北京汇鑫瑞成科技有限公司生产的ZS-1071液型号耐高温无机粘合剂，混合搅拌均匀形成糊状物；
S2：将所述的顶头本体全部浸入上述糊状物中冷涂，冷涂时间1-2分钟；
S3：将冷涂后的顶头摆放在耐热合金钢板上，一起置于热处理炉中加热处理21小时；具体热处理的加热温度曲线为：常温加热2小时至100℃，恒温1小时，再加热2小时至300℃，恒温1小时，再加热3小时至800℃，恒温1小时，随后加热10小时至1200℃，并恒温1小时，随炉冷却至常温；
S4：经热处理后，将顶头随炉冷却至常温出炉即可；所制得的穿孔顶头外层为1-2mm厚的致密陶瓷磨砂面，此磨砂面在1500℃下硬度可达50HRC。
实施例2
本实施例的穿孔顶头，包括以24CrNi3WMOA为主材质的顶头本体，在所述的顶头本体表面，包覆有一层厚度为1-2mm的复合层；所述复合层是由40%的氮化铝、30%的氧化铝、25%的氮化钛以及5%的氧化钇组成，所述的氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇均为200-300目，纯度均大于99%的粉末。
所述穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
S1：将氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇粉末混合均匀，再加入与粉末质量等量的由北京汇鑫瑞成科技有限公司生产的ZS-1071液型号耐高温无机粘合剂，混合搅拌均匀形成糊状物；
S2：将所述的顶头本体全部浸入上述糊状物中冷涂，冷涂时间1-2分钟；
S3：将冷涂后的顶头摆放在耐热合金钢板上，一起置于热处理炉中加热处理21小时；具体热处理的加热温度曲线为：常温加热2小时至100℃，恒温1小时，再加热2小时至300℃，恒温1小时，再加热3小时至800℃，恒温1小时，随后加热10小时至1200℃，并恒温1小时，随炉冷却至常温；
S4：经热处理后，将顶头随炉冷却至常温出炉即可；所制得的穿孔顶头外层为1-2mm厚的致密磨砂面，此磨砂面在1500℃下硬度可达50HRC。
实施例3
本实施例的穿孔顶头，包括以24CrNi3WMOA为主材质的顶头本体，在所述的顶头本体表面，包覆有一层厚度为1-2mm的陶瓷复合层；所述陶瓷复合层是由30%的氮化铝、30%的氧化铝、30%的氮化钛以及10%的氧化钇组成，所述的氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇均为200-300目，纯度均大于99%的粉末。
所述穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
S1：将氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇粉末混合均匀，再加入与粉末质量等量的由北京汇鑫瑞成科技有限公司生产的ZS-1071液型号耐高温无机粘合剂，混合搅拌均匀形成糊状物；
S2：将所述的顶头本体全部浸入上述糊状物中冷涂，冷涂时间1-2分钟；
S3：将冷涂后的顶头摆放在耐热合金钢板上，一起置于热处理炉中加热处理21小时；具体热处理的加热温度曲线为：常温加热2小时至100℃，恒温1小时，再加热2小时至300℃，恒温1小时，再加热3小时至800℃，恒温1小时，随后加热10小时至1200℃，并恒温1小时，随炉冷却至常温；
S4：经热处理后，将顶头随炉冷却至常温出炉即可；所制得的穿孔顶头外层为1-2mm厚的致密磨砂面，此磨砂面在1500℃下硬度可达50HRC。
实施例4
本实施例的穿孔顶头，包括以24CrNi3WMOA为主材质的顶头本体，在所述的顶头本体表面，包覆有一层厚度为1-2mm的复合层；所述复合层是由25%的氮化铝、25%的氧化铝、40%的氮化钛以及10%的氧化钇组成，所述的氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇均为200-300目，纯度均大于99%的粉末。
所述穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
S1：将氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇粉末混合均匀，再加入与粉末质量等量的由北京汇鑫瑞成科技有限公司生产的ZS-1071液型号耐高温无机粘合剂，混合搅拌均匀形成糊状物；
S2：将所述的顶头本体全部浸入上述糊状物中冷涂，冷涂时间1-2分钟；
S3：将冷涂后的顶头摆放在耐热合金钢板上，一起置于热处理炉中加热处理21小时；具体热处理的加热温度曲线为：常温加热2小时至100℃，恒温1小时，再加热2小时至300℃，恒温1小时，再加热3小时至800℃，恒温1小时，随后加热10小时至1200℃，并恒温1小时，随炉冷却至常温；
S4：经热处理后，将顶头随炉冷却至常温出炉即可；所制得的穿孔顶头外层为1-2mm厚的致密磨砂面，此磨砂面在1500℃下硬度可达50HRC。
实施例5
本实施例的穿孔顶头，包括以24CrNi3WMOA为主材质的顶头本体，在所述的顶头本体表面，包覆有一层厚度为1-2mm的复合层；所述复合层是由25%的氮化铝、40%的氧化铝、25%的氮化钛以及10%的氧化钇组成，所述的氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇均为200-300目，纯度均大于99%的粉末。
所述穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
S1：将氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇粉末混合均匀，再加入与粉末质量等量的由北京汇鑫瑞成科技有限公司生产的ZS-1071液型号耐高温无机粘合剂，混合搅拌均匀形成糊状物；
S2：将所述的顶头本体全部浸入上述糊状物中冷涂，冷涂时间1-2分钟；
S3：将冷涂后的顶头摆放在耐热合金钢板上，一起置于热处理炉中加热处理21小时；具体热处理的加热温度曲线为：常温加热2小时至100℃，恒温1小时，再加热2小时至300℃，恒温1小时，再加热3小时至800℃，恒温1小时，随后加热10小时至1200℃，并恒温1小时，随炉冷却至常温；
S4：经热处理后，将顶头随炉冷却至常温出炉即可；所制得的穿孔顶头外层为1-2mm厚的致密磨砂面，此磨砂面在1500℃下硬度可达50HRC。
Claims (6)
1.一种穿孔顶头，包括以24CrNi3WMOA为主材质的顶头本体，在所述的顶头本体表面，包覆有一层厚度为1-2mm的陶瓷复合层；其特征在于：所述陶瓷复合层是由20%-40%的氮化铝、20%-40%的氧化铝、20%-40%的氮化钛以及5%-10%的氧化钇组成，上述复合层的四种组分的百分比之和为100%。
2.根据权利要求1所述的一种穿孔顶头，其特征在于：所述的氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇均为200-300目的粉末。
3.根据权利要求1或2所述的一种穿孔顶头，其特征在于：所述的氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇纯度均大于99%。
4.权利要求1-3中任一项所述的一种穿孔顶头的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：将氮化铝、氧化铝、氮化钛以及氧化钇粉末机械混合均匀，再加入与粉末质量等量的耐高温无机粘合剂，机械混合搅拌均匀形成糊状物；
S2：将所述的顶头本体全部浸入上述糊状物中冷涂，冷涂时间1-2分钟；
S3：将冷涂后的顶头摆放在耐热合金钢板上，一起置于热处理炉中加热处理；
S4：经热处理后，将顶头随炉冷却至常温出炉即可；所制得的穿孔顶头外层为1-2mm厚的致密磨砂面，此磨砂面在1500℃下硬度≥50HRC。
5.根据权利要求4所述的一种穿孔顶头的制备方法， 其特征在于：所述S3中顶头在热处理炉中共加热处理21小时；具体热处理的加热温度曲线为：常温加热2小时至100℃，恒温1小时，再加热2小时至300℃，恒温1小时，再加热3小时至800℃，恒温1小时，随后加热10小时至1200℃，并恒温1小时，随炉冷却至常温。
6.根据权利要求4所述的一种穿孔顶头的制备方法， 其特征在于：所述耐高温无机粘合剂为北京汇鑫瑞成科技有限公司生产的ZS-1071液型号的无机粘合剂。
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