CN110205561A - 一种强化无缝钢管穿孔顶头及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化无缝钢管穿孔顶头，包括顶头基体，所述顶头基体外表面从内到外依次设置有过渡层和强化层，所述过渡层包括如下重量份数的组分，铁：61.0‑79.0％；钴：5.0‑10.0％；铬：10.0‑15.0％；钼：5.0‑10.0％；镍：1.0‑4.0％；所述强化层是由质量分数占96％的主材料和质量分数占4％的添加剂两部分组成，所述主材料包括如下重量份数的组分，钴：20.0‑30.0％；镍：20.0‑30.0％；铬：15.0‑20.0％；铌：5.0‑5.5％；硅：1.0‑2.5％；钨：1.0‑2.0％；碳：1.0‑1.8％；硼：3.5‑5.0％；稀土：0.5‑0.9％；铁：2.3‑30.7％，本发明具有良好的强度和硬度外还具有较高的耐高温性，也能减少顶头与钢管的摩擦，提高了钢管内壁质量，从而降低钢管后续加工的工作量，还有利于降低顶头表面粘钢，同时也减轻了工作人的工作量。

Description

一种强化无缝钢管穿孔顶头及其制备方法
技术领域
本发明涉及技术穿孔顶头领域，具体为一种强化无缝钢管穿孔顶头及其制备方法。
背景技术
穿孔机主要用于无缝钢管的制造，其主要由一对倾斜辊和穿孔顶头组成。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成型中空管坯。穿孔顶头配置在一对倾斜辊之间的轧制线上，是无缝钢管生产中的关键部件，其性能的好坏直接影响钢管生产的产量、质量和企业的经济效益。
无缝钢管制造过程中，需要将钢坯加热至高温，因此，生产中压进钢坯的穿孔顶头需要长期处于高温氧化环境下，同时，还要承受强大的轴向压力，以及克服与内壁之间产生的强大变形磨擦力，导致穿孔顶头在穿孔过程中极易发生高温磨损和热粘钢问题。一般来说，穿孔过程中，穿孔顶头表面上会形成氧化皮，起到阻隔来自钢坯的热传递，抑制热粘钢的发生。然而，氧化皮在每次穿孔钢坯时都会磨损，当氧化皮不断破损并磨损时，穿孔顶头磨损加速，最终穿孔顶头报废。
目前无缝钢管厂用穿孔顶头主要存在如下问题：
(1)高温磨损抗力底，导致顶头的使用寿命低；
(2)高温变形严重，变形及磨损的顶头表面凹坑不平，导致钢管内壁质量差，增加钢管制造的后续加工难度，增加生产成本；
(3)表面产生热粘钢，粘钢会划伤钢管的内壁，通常穿制一定数量的钢管后，需要个人对顶头进行表面打磨，增加劳动强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强化无缝钢管穿孔顶头以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种强化无缝钢管穿孔顶头，包括顶头基体，所述顶头基体外表面从内到外依次设置有过渡层和强化层，所述过渡层包括如下重量份数的组分：
铁：61.0-79.0％；
钴：5.0-10.0％；
铬：10.0-15.0％。
钼：5.0-10.0％；
镍：1.0-4.0％；
所述强化层是由质量分数占96％的主材料和质量分数占4％的添加剂两部分组成，且添加剂是由镍包石墨粉和氧化钛粉末制成，所述镍包石墨和氧化钛粉末的质量分数均为2％，所述主材料包括如下重量份数的组分：
钴：20.0-30.0％；
镍：20.0-30.0％；
铬：15.0-20.0％；
铌：5.0-5.5％；
硅：1.0-2.5％；
钨：1.0-2.0％；
碳：1.0-1.8％；
硼：3.5-5.0％；
稀土：0.5-0.9％；
铁：2.3-30.7％。
本发明还提供了强化无缝钢管穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、过渡层材料的准备：将铁、钴、钼和镍进行熔炼并制成球形粉末；
步骤二、强化层材料的准备：将主材料进行熔炼并制成球形粉末，将添加剂与球形粉末混合，采用V型混粉机进行充分混合均匀，制成混合粉末；
步骤三、过渡层制备：采用等离子熔覆工艺将步骤一制得的球形粉末分别依次熔覆在顶头圆弧部位1、顶头拔模斜度部位2和顶头穿刺部位3表面上制得熔覆厚度为1-2mm的过渡层，并对熔覆了过渡层的顶头进行机械加工，将过渡层表面氧化层车掉；
步骤四、强化层制备：在步骤三制备的过渡层表面上，采用等离子熔覆工艺将步骤二制备的混合粉末分别依次熔覆在顶头圆弧部位1、顶头拔模斜度部位2和顶头穿刺部位3上，制得熔覆厚度分别对应为10mm的强化层、8mm的强化层和15mm的强化层；
步骤五、加工成型：将完成强化层后的穿孔顶头进行机加工至顶头的标准尺寸。
进一步地，所述步骤一和步骤二中的球形粉末粒度为80-150目。
进一步地，所述步骤三中采用等离子熔覆设备制备过渡层时，电流为150A，粉末流量为15L/h，保护气体流量为25L/min，电弧气体流量设置为15L/mi。
进一步地，所述步骤四中采用等离子熔覆工艺制备强化层时，电流设置在110-180A之间，粉末流量为15L/h，保护气体流量为25L/min，电弧气体流量设置为15L/min。
进一步地，所述步骤三中制备的过渡层厚度为2mm。
进一步地，所述步骤二和步骤三还可以采用激光熔覆工艺分别熔覆过渡层和强化层。
进一步地，所述步骤三中采用激光熔覆工艺熔覆过渡层时，设置激光熔覆功率为1.5KW，光斑宽为5mm，扫描速度1.5m/min，保护气为氩气，气体流量设置为15L/min，送粉率15g/min。
进一步地，所述步骤四中采用激光熔覆工艺熔覆强化层时，设置激光熔覆功率1.5KW，光斑宽为5mm，扫描速度1.5m/min，保护气为氩气，气体流量设置为15L/min，送粉率20g/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明中所述的过度层材料以铁为主，而过渡层外表面设置的加强层主要成分钴、铬、钼等合金元素，形成基体到强化逐步过渡的效果，过渡层的存在避免由于强化层材料与基体材质差别过大，进而避免导致热应力集中使得强化层开裂，从而提高强化层与基体的结合强度。
(2)本发明中所述加强层包括主材料和添加剂，其中钴作为强化层的主体材料，具有高温耐磨、抗氧化及高温红硬性的作用，同时钴的抗冷热交替性能优良，从而提高了强化层的高温硬度和抗冷热交替性能；由于钴的耐磨性能需要提高硬度，而钴基合金的硬度提高多采用增加碳含量的方法，并且碳含量增高会导致熔覆时基体的预热温度要求过高，因此加入镍是利用镍的优良耐磨性能避免碳含量的增高，并且可以提高强化层的耐磨性能；钴和镍以加入协同作用，发挥出各自的优势以及抵消各自的劣势，钴和镍最佳用量都是30％左右；同时加入的铬和镍具有高的硬度和耐高温性能与钴配合获得良好的高温硬度和抗氧化性能；在此基础上，加入3％-5％左右的铌元素是利用铌元素的高温强度高的性能以提高强化层的高温力学性能，铌可以提高强化层的反复冷热过程中的高温稳定性，提高了强化层热疲劳性能；当铌含量低于3％时，熔覆层的抗高温蠕变性能不高，而当铌含量高于5％时，铌会导致熔覆层中的脆性相析出，容易造成熔覆层脆裂，不利用热疲劳性能的提高。
(3)添加的稀土元素起到了减少金属间化合物在晶界中的沉淀，避免晶界催化，提高了强化层的韧性；钨和与添加剂中的石墨会发生化合反应形成碳化物增强颗粒来提高强化层的硬度，但如果硬度太高会使强化层韧性降低，在使用过程中容易产生龟裂，钨的含量定在1-2％之间比较有利于提高顶头使用寿命，钨含量高于2％后，强化层的冷热性能下降严重，冷热疲劳开裂导致寿命短；硅和硼的含量都是1-2.5％之间,它们的加入主要起到提高粉末熔覆制备过程中的脱氧能力，避免强化层中石墨的过度氧化，同时脱氧作用外,多余的硅和硼还可以起到碳当量的作用，但硅和硼的含量过高则会导致强化层熔覆时开裂。当它们的含量超过2.5％,熔覆层的抗冷热疲劳性能明显下降，在反复加热水冷的使用过程中开裂倾向加快。
(4)本发明中所述添加剂是由镍包石墨粉和氧化钛粉末制成，镍包石墨的加入起到固体润滑剂的作用，采用镍包石墨粉末形式加入，可以避免在强化层熔覆时的石墨氧化；在顶头使用过程中，随着顶头表面的磨损，石墨不断释放出来，降低顶头与钢管内壁的摩擦系数，从而减少了顶头表面的变形和磨损，而氧化钛粉末的加入起到增强相强化的效果，有效提高强化层的强度和硬度，同时氧化钛也具有良好的高温性能，协同钴和铬提高强化层主体材料的高温性能。
(5)本发明中所述镍包石墨和氧化钛粉末的质量分数均为2％，一方面是为了防止因镍包石墨含量过多导致在熔覆过程中石墨上浮或因镍包石墨含量过低会导致润性能差，另一方面是为了防止氧化钛粉末不能超过2％时会使熔覆电流过高，并且太高的氧化钛粉末难于熔进强化层中。
穿孔顶头的强化层的耐高温、强度、硬度获得了提高，顶头的寿命提高了1倍以上；石墨的加入降低了顶头的摩擦系数，有效减少顶头与钢管内壁的摩擦，顶头受到的剪切力降低，减少顶头的变形量，因此有效提高钢管内壁的表面质量；石墨的加入还有利于降低顶头表面粘钢；在降低劳动量方面，由于寿命提高，从而不需要频繁地将穿孔顶头从穿孔机中取下；粘钢减少可以减少工人打磨顶头表面粘钢的工作量；此外，顶头变形量变少，表面磨损量减少都有效提高钢管的质量，降低钢管后续加工的工作量
因此，本发明提供的一种强化无缝钢管穿孔顶头具有较高的耐高温性和良好的强度和硬度，将顶头使用寿命提高了1倍以上，加强层中加入的石墨降低了顶头的摩擦系数，有效地减少顶头与钢管的摩擦，使顶头受到的剪切力降低，进而减少了顶头的变形量，因而有效地提高了钢管内壁的表面质量，从而降低钢管后续加工的工作量，同时石墨的加入还有利于降低顶头表面粘钢，减少了工人打磨顶头表面粘钢的工作量，由于顶头使用寿命提高了，从而不需要频繁地将穿孔顶头从穿孔机中取下，进一步减轻了工作人的工作量。
附图说明
图1为顶头基体的结构示意图。
图中：1、顶头圆弧部位；2、顶头拔模斜度部位；3、顶头穿刺部位。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例一
一种强化无缝钢管穿孔顶头，包括顶头基体，所述顶头基体外表面从内到外依次设置有过渡层和强化层，所述过渡层包括如下重量份数的组分：
铁：69.0％；
钴：7.0％；
铬：10.0％。
钼：10.0％；
镍：4.0％；
所述强化层是由质量分数占96％的主材料和质量分数占4％的添加剂两部分组成，且添加剂是由镍包石墨粉和氧化钛粉末制成，所述镍包石墨和氧化钛粉末的质量分数均为2％，所述主材料包括如下重量份数的组分：
钴：25.0％；
镍：30.0％；
铬：15.0％；
铌：5.0％；
硅：1.5％；
钨：2.0％；
碳：1.8％；
硼：3.5％；
稀土：0.8％；
铁：15.4％。
本发明还提供了强化无缝钢管穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、过渡层材料的准备：将铁、钴、钼和镍进行熔炼并制成球形粉末，球形粉末粒度为80目；
步骤二、强化层材料的准备：将主材料进行熔炼并制成球形粉末，球形粉末粒度为80目，将添加剂与球形粉末混合，采用V型混粉机进行充分混合均匀，制成混合粉末；
步骤三、过渡层制备：采用等离子熔覆工艺将步骤一制得的球形粉末分别依次熔覆在顶头圆弧部位1、顶头拔模斜度部位2和顶头穿刺部位3表面上制得熔覆厚度为2mm的过渡层，并对熔覆了过渡层的顶头进行机械加工，将过渡层表面氧化层车掉，制备过渡层时，电流为150A，粉末流量为15L/h，保护气体流量为25L/min，电弧气体流量设置为15L/min；
步骤四、强化层制备：在步骤三制备的过渡层表面上，采用等离子熔覆工艺将步骤二制备的混合粉末分别依次熔覆在顶头圆弧部位1、顶头拔模斜度部位2和顶头穿刺部位3上，制得熔覆厚度分别对应为10mm的强化层、8mm的强化层和15mm的强化层，由于顶头圆弧部位1是受力较大的部位，因此需要具备10mm以上的厚度，才能发挥强化层的效果，如果厚度太薄无法支持高温高强度的工作条件，导致因顶头基体得不到保护而发生变形导致下榻，而由于顶头拔模斜度部位2受力较小，可以适当降低厚度来节省材料，由于顶头穿刺部位3是受力最大的位置，因此其厚度要求15mm以上来保护顶头基体，制备过程强化层时，电流设置在110-180A之间，粉末流量为15L/h，保护气体流量为25L/min，电弧气体流量设置为15L/min；
步骤五、加工成型：将完成强化层后的穿孔顶头进行机加工至顶头的标准尺寸。
实施例二
一种强化无缝钢管穿孔顶头，包括顶头基体，所述顶头基体外表面从内到外依次设置有过渡层和强化层，所述过渡层包括如下重量份数的组分：
铁：69.5％；
钴：7.5％；
铬：15.0％。
钼：5.0％；
镍：3.0％；
所述强化层是由质量分数占96％的主材料和质量分数占4％的添加剂两部分组成，且添加剂是由镍包石墨粉和氧化钛粉末制成，所述镍包石墨和氧化钛粉末的质量分数均为2％，所述主材料包括如下重量份数的组分：
钴：25.0％；
镍：25.0％；
铬：18.0％；
铌：5.5％；
硅：1.5％；
钨：1.5％；
碳：1.2％；
硼：4.5％；
稀土：0.7％；
铁：17.1％。
本发明还提供了强化无缝钢管穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、过渡层材料的准备：将铁、钴、钼和镍进行熔炼并制成球形粉末，球形粉末粒度为100目；
步骤二、强化层材料的准备：将主材料进行熔炼并制成球形粉末，球形粉末粒度为100目，将添加剂与球形粉末混合，采用V型混粉机进行充分混合均匀，制成混合粉末；
步骤三、过渡层制备：首先，将旧顶头表面龟裂车掉，接着采用激光熔覆工艺将步骤一制得的球形粉末分别依次熔覆在顶头圆弧部位1、顶头拔模斜度部位2和顶头穿刺部位3表面上制得熔覆厚度为2mm的过渡层，并对熔覆了过渡层的顶头进行机械加工，将过渡层表面氧化层车掉，制备过渡层时，设置激光熔覆功率为1.5KW，光斑宽为5mm，扫描速度1.5m/min，保护气为氩气，气体流量设置为15L/min，送粉率15g/min；
步骤四、强化层制备：在步骤三制备的过渡层表面上，采用激光熔覆工艺将步骤二制备的混合粉末分别依次熔覆在顶头圆弧部位1、顶头拔模斜度部位2和顶头穿刺部位3上，制得熔覆厚度分别对应为10mm的强化层、8mm的强化层和15mm的强化层，制备过程强化层时，设置激光熔覆功率1.5KW，光斑宽为5mm，扫描速度1.5m/min，保护气为氩气，气体流量设置为15L/min，送粉率20g/min；
步骤五、加工成型：将完成强化层后的穿孔顶头进行机加工至顶头的标准尺寸。
实施例三
实施例三与实施例一不同之处在于：
一种强化无缝钢管穿孔顶头，包括顶头基体，所述顶头基体外表面从内到外依次设置有过渡层和强化层，所述过渡层包括如下重量份数的组分：
铁：79.0％；
钴：5.0％；
铬：10.0％。
钼：5.0％；
镍：1.0％；
所述强化层是由质量分数占96％的主材料和质量分数占4％的添加剂两部分组成，且添加剂是由镍包石墨粉和氧化钛粉末制成，所述镍包石墨和氧化钛粉末的质量分数均为2％，所述主材料包括如下重量份数的组分：
钴：30.0％；
镍：30.0％；
铬：18.0％；
铌：5.5％；
硅：1.0％；
钨：1.5％；
碳：1.5％；
硼：5.0％；
稀土：0.5％；
铁：7.0％；
在本实施例中，所述步骤一和步骤二中的球形粉末粒度为130目；
其他如同实施例一。
实施例四
实施例四与实施例一不同之处在于：
一种强化无缝钢管穿孔顶头，包括顶头基体，所述顶头基体外表面从内到外依次设置有过渡层和强化层，所述过渡层包括如下重量份数的组分：
铁：61.0％；
钴：12.0％；
铬：15.0％。
钼：9.0％；
镍：3.0％；
所述强化层是由质量分数占96％的主材料和质量分数占4％的添加剂两部分组成，且添加剂是由镍包石墨粉和氧化钛粉末制成，所述镍包石墨和氧化钛粉末的质量分数均为2％，所述主材料包括如下重量份数的组分：
钴：20.0％；
镍：30.0％；
铬：20.0％；
铌：5.3％；
硅：2.0％；
钨：2.0％；
碳：1.8％；
硼：5.0％；
稀土：0.9％；
铁：13.0％；
在本实施例中，所述步骤一和步骤二中的球形粉末粒度为150目；
其他如同实施例一。
实施例五
实施例五与实施二不同之处在于：
一种强化无缝钢管穿孔顶头，包括顶头基体，所述顶头基体外表面从内到外依次设置有过渡层和强化层，所述过渡层包括如下重量份数的组分：
铁：67.0％；
钴：10.0％；
铬：13.0％。
钼：8.0％；
镍：2.0％；
所述强化层是由质量分数占96％的主材料和质量分数占4％的添加剂两部分组成，且添加剂是由镍包石墨粉和氧化钛粉末制成，所述镍包石墨和氧化钛粉末的质量分数均为2％，所述主材料包括如下重量份数的组分：
钴：30.0％；
镍：25.0％；
铬：20.0％；
铌：5.3％；
硅：1.5％；
钨：1.5％；
碳：1.1％；
硼：4.0％；
稀土：0.5％；
铁：16.4％。
在本实施例例中，所述步骤一和步骤二中的球形粉末粒度为140目；
其他如同实施例二。
实施例六
实施例六与实施例二不同之处在于：
一种强化无缝钢管穿孔顶头，包括顶头基体，所述顶头基体外表面从内到外依次设置有过渡层和强化层，所述过渡层包括如下重量份数的组分：
铁：79.0％；
钴：5.0％；
铬：10.0％。
钼：5.0％；
镍：1.0％；
所述强化层是由质量分数占96％的主材料和质量分数占4％的添加剂两部分组成，且添加剂是由镍包石墨粉和氧化钛粉末制成，所述镍包石墨和氧化钛粉末的质量分数均为2％，所述主材料包括如下重量份数的组分：
钴：20.0％；
镍：20.0％；
铬：15.0％；
铌：5.1％；
硅：1.2％；
钨：1.0％；
碳：1.1％；
硼：5.0％；
稀土：0.9％；
铁：30.7％。
在本实施例例中，所述步骤一和步骤二中的球形粉末粒度为120目；
其他如同实施例二。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种强化无缝钢管穿孔顶头，包括顶头基体，其特征在于：所述顶头基体外表面从内到外依次设置有过渡层和强化层，所述过渡层包括如下重量份数的组分：
铁：61.0-79.0％；
钴：5.0-10.0％；
铬：10.0-15.0％；
钼：5.0-10.0％；
镍：1.0-4.0％；
所述强化层是由质量分数占96％的主材料和质量分数占4％的添加剂两部分组成，且添加剂是由镍包石墨粉和氧化钛粉末制成，所述镍包石墨和氧化钛粉末的质量分数均为2％，所述主材料包括如下重量份数的组分：
钴：20.0-30.0％；
镍：20.0-30.0％；
铬：15.0-20.0％；
铌：5.0-5.5％；
硅：1.0-2.5％；
钨：1.0-2.0％；
碳：1.0-1.8％；
硼：3.5-5.0％；
稀土：0.5-0.9％；
铁：2.3-30.7％。
2.根据权利要求1所述的强化无缝钢管穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、过渡层材料的准备：将铁、钴、钼和镍进行熔炼并制成球形粉末；
步骤二、强化层材料的准备：将主材料进行熔炼并制成球形粉末，将添加剂与球形粉末混合，采用V型混粉机进行充分混合均匀，制成混合粉末；
步骤三、过渡层制备：采用等离子熔覆工艺将步骤一制得的球形粉末分别依次熔覆在顶头圆弧部位(1)、顶头拔模斜度部位(2)和顶头穿刺部位(3)表面上制得熔覆厚度为1-2mm的过渡层，并对熔覆了过渡层的顶头进行机械加工，将过渡层表面氧化层车掉；
步骤四、强化层制备：在步骤三制备的过渡层表面上，采用等离子熔覆工艺将步骤二制备的混合粉末分别依次熔覆在顶头圆弧部位(1)、顶头拔模斜度部位(2)和顶头穿刺部位(3)上，制得熔覆厚度分别对应为10mm的强化层、8mm的强化层和15mm的强化层；
步骤五、加工成型：将完成强化层后的穿孔顶头进行机加工至顶头的标准尺寸。
3.根据权利要求2所述的强化无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二中的球形粉末粒度为80-150目。
4.根据权利要求2所述的强化无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于：所述步骤三中采用等离子熔覆设备制备过渡层时，设置电流为150A，粉末流量为15L/h，保护气体流量为25L/min，电弧气体流量为15L/min。
5.根据权利要求2所述的强化无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于：所述步骤四中采用等离子熔覆工艺制备强化层时，设置电流在110-180A之间，粉末流量为15L/h，保护气体流量为25L/min，电弧气体流量为15L/min。
6.根据权利要求2所述的强化无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于：所述步骤三中制备的过渡层厚度为2mm。
7.根据权利要求2所述的强化无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于：所述步骤二和步骤三还可以采用激光熔覆工艺分别熔覆过渡层和强化层。
8.根据权利要求7所述的强化无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于：所述步骤三中采用激光熔覆工艺熔覆过渡层时，设置激光熔覆功率为1.5KW，光斑宽为5mm，扫描速度1.5m/min，保护气为氩气，气体流量设置为15L/min，送粉率15g/min。
9.根据权利要求7所述的强化无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于：所述步骤四中采用激光熔覆工艺熔覆强化层时，设置激光熔覆功率1.5KW，光斑宽为5mm，扫描速度1.5m/min，保护气为氩气，气体流量设置为15L/min，送粉率20g/min。
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