CN111069289A - 一种新型钢管穿孔顶头及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明开了一种新型钢管穿孔顶头及其制备方法，所述新型钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为C：0.15～0.40、Si：0.10～0.50、Mn：0.30～1.0、Cr：0.50～1.50、Ni：2.0～4.0、Nd：0.1～0.50，Pm:0.1～0.50,Eu:0.1～0.50,余量为铁和以及不可避免的杂质。本发明的有益效果为：1.顶头耐磨性好，2.表面氧化膜致密性好，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及钢管顶头技术领域，具体涉及了一种新型钢管穿孔顶头及其制作方法。
背景技术
穿孔轧制用顶头，用于对经过加热的金属原材的圆坯进行穿孔轧制而制造金属管(无缝管)。顶头配设于穿孔轧机的轧制线上，沿着坯料的中心轴将其贯通，该坯料由夹住轧制线而相对向的2个倾斜辊在周向上被旋转。这时，顶头与坯料接触，受到来自坯料的热和应力，因此其表面容易磨耗和熔损，使用寿命较低，中国专利申请文件(公开号：CN101603154A)中就公开了一种钢管热穿孔顶头的新材料，其化学组分及重量百分比为C：0.2-0.3，Si：0.20-1.20，Mn：0.40-0.60，Cr：0.50-0.80，Ni：0.90-1.20， Mo：0.90-1.20，W：1.80-2.20，Al：1.0-2.0，Ce：0.02-0.05，余量为铁及不可避免的微量杂质。该新材料一定程度上提高了穿孔顶头新材料的硬度、强度、韧性等性能，但是其耐磨性、耐温性没有明显得到改善，从而使所述热穿孔顶头的使用寿命不长，中国专利CN91107554.2公开了一种具有高温耐磨性顶头的可控气氛热处理方式，包括采用N2、CO2、NH3和甲醇等有机液体和气体化合物通入热处理炉内，经高温分解形成湿性氧化气氛，使顶头经受可控的氧化处理，通入量分别控制在N2：0.5～6升/分、CO2：0.5～6升/分、NH3：0.3～6升/分、甲醇水溶液（甲醇∶水＝0.05～0.5）2～15cm3/分。使炉气的组成范围为N2：12～46%、H2：18～66%、CO2：3～34%、CO：1～19%、湿度：15～70%。该发明较好的提高了顶头的高温耐磨性和使用寿命，但是顶头是一种消耗品，其制造工艺复杂，造价成本也很高，如何更好的提升顶头的耐磨性，提升顶头的寿命，节约企业投入成本，一直是一个困扰顶头制造企业的问题。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种新型钢管穿孔顶头，所述新型钢管穿孔顶头的组成元素及质量百分比为C：0.15～0.40、Si：0.10～0.50、Mn：0.30～1.0、Cr：0.50～1.50、Ni：2.0～4.0、Nd：0.01～0.50，Pm: 0.01～0.50,Eu: 0.01～0.50，余量为铁。
较佳的，所述新型钢管的形状为金属流线形。
较佳的，还包括抗氧化层，所述氧化皮层覆盖在顶头表面。
较佳的，所述抗氧化层厚度为200μm～250μm。
较佳的，所述抗氧化层为氧化亚铁。
一种新型钢管穿孔顶头的制作方法，包括步骤：
S1、配料，将质量百分比为C：0.15～0.40、Si：0.10～0.50、Mn：0.30～1.0、Cr：0.50～1.50、Ni：2.0～4.0、Nd：0.01～0.50，Pm: 0.01～0.50,Eu: 0.01～0.50进行配比，制作成热胚料；；
S2、热挤压，将塑性顶头坯料在压力的作用下通过挤压模具型腔形成所要求形状的型材；
S3、表面氧化处理，在原材料的表面形成氧化皮层；
S4、机加工，将原材料表面进一步打磨。
较佳的，还包括步骤S5，再进行一次表面氧化处理，之后再进行挤压，提高表面氧化皮层致密度，所述步骤S5在S4之后。
较佳的，所述步骤S4和步骤S5的表面氧化处理的方式为可控热气氛处理方式，步骤S5中热处理温度为900℃~950℃。
较佳的，所述可控热气氛处理方式为顶头进入热处理炉后，将N2、CO2、NH3和甲醇等有机液体和气体化合物通入热处理炉内，经高温分解形成湿性氧化气氛，使顶头经受可控的氧化处理，产生一层厚度为200μm～250μm的致密氧化膜。
较佳的，所述步骤S5再挤压方式是利用原材料表面被氧化处理后的余温进行的，将顶头坯料放入模具中再一次进行挤压。
本发明可以带来的有益效果有：1.顶头耐磨性好，2.表面氧化膜致密性好，使用寿命长。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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1
先按比例准备好配料，包括质量百分比为C：0.15%、Si：0.10%、Mn：0.30%、Cr：0.50%、Ni：2.0%、Nd：0.01%，Pm: 0.01%,Eu: 0.01%，余量为铁和以及不可避免的杂质，其中C是对淬透性影响大的元素，其含量在0.15％～0.40％之间淬透性和耐热性效果最好，另外，与Cr生成碳化物，用于提升顶头的韧性和耐热性，Si是脱氧元素，用于提升顶头的延展性，其含量不能低于0.10％，否则其延展性会降低，含量也不能超过0.50％，否则氧化皮的薄膜会变薄，Mn是脱氧元素，在淬透性的提高方面与C、Cr一同为必需的元素，Mn的含量在0.30％～1.0％之间时，材料韧性最好，Cr与C、Mn同样为提高淬透性的元素。如果Cr的含量低于0.5％，则得不到充分的淬透性。如果Cr的含量超过1.5％，则氧化皮的生成受到抑制，氧化皮厚度不足，Ni是生成密着性高的氧化皮所必需的元素，Ni可以改善氧化皮的耐磨损性，Nd、Pm、Eu是稀土类元素，顶头中加入稀土，可以改善顶头的各种性能，如韧性、塑性等，同时可以使得氧化皮层的密着性进一步改善，添加稀土元素可以减少结晶过程中粗大碳化物的析出，稀土细化铸态组织，提高顶头硬度，减少铸态疏松，使制造顶头的材料中的杂志变少，变小都是提高耐磨性的原因，稀土元素还可以提升顶头的高温抗氧化性能，顶头表面氧化时，稀土原子从固溶体及稀土金属间化合物向氧化皮表面扩散，在表面形成含稀土的氧化皮和在顶头表面层形成含稀土内氧化质点密集区，使顶头使用寿命提高，Nd、Pm、Eu每种含量均为0.1％～0.50％，如果每种元素含量低于0.1％，则看不到氧化皮密着性改善效果，如果每种都超过0.50％则会饱和，经实验发现，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 3％时，Si的质量百分比也为0. 3％时，其产生的脱硫效果最好，而且氧化皮的薄膜厚度也是最高的，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 25％时，Cr的质量百分比为1％，时，顶头材料的淬透性最好，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 25％时，Ni的质量百分比为0.10％时，顶头的抗氧化皮层的致密性最高，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 3％时，Mn的质量百分比为0.65％时，顶头材料的韧性最优。稀土元素还可以进一步降低杂质中P、S等低熔点元素的有害作用，所谓不可避免的杂质，是指由于在原料中本来包含、或在制造的过程中混入等从而在本发明中所包含的成分，是并非有意加入的成分，从延展性、韧性、耐热裂性的观点出发，不可避免的杂质之中，P和 S低为好，优选为0.02％以下，将以上原材料铸造成顶头坯料，之后通过热挤压的的方式对顶头坯料进行处理，将顶头坯料放入流线型的模具中，在压力的作用下，做成金属流线型，以提高顶头的耐磨性，然后，对顶头表面进行氧化处理，氧化处理的方式为可控气氛热处理方式，所述可控气氛热处理方式是通过采用N2、CO2、NH3和甲醇等有机液体和气体化合物通入热处理炉内，经高温分解形成湿性氧化气氛，使顶头经受可控的氧化处理，通入量分别控制在N2：0.5～6升/分、CO2：0.5～6升/分、NH3：0.3～6升/分、甲醇水溶液（甲醇∶水＝0.05～0.5）2～15cm3/分。使炉气的组成范围为N2：12～46%、H2：18～66%、CO2：3～34%、CO：1～19%、湿度：15～70%，之后顶头进入热处理炉后，平均的升温速度控制在3～5℃/分，在950～1150℃保温3～7小时，随后在平均冷却速度为6～20℃/分的状态下冷却，冷却时间控制在0.5～2.5小时左右，出炉温度为300℃。经过这样氧化速度在0.03～0.2mm/小时的处理，顶头表面形成氧化层，顶头表面呈现出银亮色，最后对顶头表面进行机加工处理，使顶头表面更加光滑，顶头具有更好的的耐磨性。经过隔热、润滑后，再对顶头表面进行一次可控气氛热处理，将顶头表面再一次氧化，这次可控气氛热处理方式的温度为900℃，氧化之后利用余温对顶头进行再次挤压，以使得顶头表面氧化膜致密性更好，这样就能使得顶头从以往一根只能穿100跟钢管变成现在一根能穿200跟钢管，大大的提高了使用寿命。
实施例2
先按比例准备好配料，包括质量百分比为C：0.28%、Si：0.3%、Mn：0.65%、Cr：1.0%、Ni：3.0%、Nd：0.3%，Pm: 0.3%,Eu: 0.3%，余量为铁和以及不可避免的杂质，其中C是对淬透性影响大的元素，其含量在0.15％～0.40％之间淬透性和耐热性效果最好，另外，与Cr生成碳化物，用于提升顶头的韧性和耐热性，Si是脱氧元素，用于提升顶头的延展性，其含量不能低于0.10％，否则其延展性会降低，含量也不能超过0.50％，否则氧化皮的薄膜会变薄，Mn是脱氧元素，在淬透性的提高方面与C、Cr一同为必需的元素，Mn的含量在0.30％～1.0％之间时，材料韧性最好，Cr与C、Mn同样为提高淬透性的元素。如果Cr的含量低于0.5％，则得不到充分的淬透性。如果Cr的含量超过1.5％，则氧化皮的生成受到抑制，氧化皮厚度不足，Ni是生成密着性高的氧化皮所必需的元素，Ni可以改善氧化皮的耐磨损性，Nd、Pm、Eu是稀土类元素，顶头中加入稀土，可以改善顶头的各种性能，如韧性、塑性等，同时可以使得氧化皮层的密着性进一步改善，添加稀土元素可以减少结晶过程中粗大碳化物的析出，稀土细化铸态组织，提高顶头硬度，减少铸态疏松，使制造顶头的材料中的杂志变少，变小都是提高耐磨性的原因，稀土元素还可以提升顶头的高温抗氧化性能，顶头表面氧化时，稀土原子从固溶体及稀土金属间化合物向氧化皮表面扩散，在表面形成含稀土的氧化皮和在顶头表面层形成含稀土内氧化质点密集区，使顶头使用寿命提高，Nd、Pm、Eu每种元素含量均为为0.1％～0.50％，如果每种元素含量低于0.1％，则看不到氧化皮密着性改善效果，如果超过0.50％则会饱和，经实验发现，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 3％时，Si的质量百分比也为0. 3％时，其产生的脱硫效果最好，而且氧化皮的薄膜厚度也是最高的，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 25％时，Cr的质量百分比为1％，时，顶头材料的淬透性最好，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 25％时，Ni的质量百分比为0.10％时，顶头的抗氧化皮层的致密性最高，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 3％时，Mn的质量百分比为0.65％时，顶头材料的韧性最优。稀土元素还可以进一步降低杂质中P、S等低熔点元素的有害作用，所谓不可避免的杂质，是指由于在原料中本来包含、或在制造的过程中混入等从而在本发明中所包含的成分，是并非有意加入的成分，从延展性、韧性、耐热裂性的观点出发，不可避免的杂质之中，P和 S低为好，优选为0.02％以下，将以上原材料铸造成顶头坯料，之后通过热挤压的的方式对顶头坯料进行处理，将顶头坯料放入流线型的模具中，在压力的作用下，做成金属流线型，以提高顶头的耐磨性，然后，对顶头表面进行氧化处理，氧化处理的方式为可控气氛热处理方式，所述可控气氛热处理方式是通过采用N2、CO2、NH3和甲醇等有机液体和气体化合物通入热处理炉内，经高温分解形成湿性氧化气氛，使顶头经受可控的氧化处理，通入量分别控制在N2：0.5～6升/分、CO2：0.5～6升/分、NH3：0.3～6升/分、甲醇水溶液（甲醇∶水＝0.05～0.5）2～15cm3/分。使炉气的组成范围为N2：12～46%、H2：18～66%、CO2：3～34%、CO：1～19%、湿度：15～70%，之后顶头进入热处理炉后，平均的升温速度控制在3～5℃/分，在950～1150℃保温3～7小时，随后在平均冷却速度为6～20℃/分的状态下冷却，冷却时间控制在0.5～2.5小时左右，出炉温度为300℃。经过这样氧化速度在0.03～0.2mm/小时的处理，顶头表面形成氧化层，顶头表面呈现出银亮色，最后对顶头表面进行机加工处理，使顶头表面更加光滑，顶头具有更好的的耐磨性。经过隔热、润滑后，再对顶头表面进行一次可控气氛热处理，将顶头表面再一次氧化，这次可控气氛热处理方式的温度为925℃，氧化之后利用余温对顶头进行再次挤压，以使得顶头表面氧化膜致密性更好，这样就能使得顶头从以往一根只能穿100跟钢管变成现在一根能穿200跟钢管，大大的提高了使用寿命。
实施例3
先按比例准备好配料，包括质量百分比为C： 0.40%、Si：0.10～0.50%、Mn： 1.0%、Cr：1.50%、Ni： 4.0%、Nd： 0.50%，Pm: 0.50%,Eu: 0.50%，余量为铁和以及不可避免的杂质，其中C是对淬透性影响大的元素，其含量在0.15％～0.40％之间淬透性和耐热性效果最好，另外，与Cr生成碳化物，用于提升顶头的韧性和耐热性，Si是脱氧元素，用于提升顶头的延展性，其含量不能低于0.10％，否则其延展性会降低，含量也不能超过0.50％，否则氧化皮的薄膜会变薄，Mn是脱氧元素，在淬透性的提高方面与C、Cr一同为必需的元素，Mn的含量在0.30％～1.0％之间时，材料韧性最好，Cr与C、Mn同样为提高淬透性的元素。如果Cr的含量低于0.5％，则得不到充分的淬透性。如果Cr的含量超过1.5％，则氧化皮的生成受到抑制，氧化皮厚度不足，Ni是生成密着性高的氧化皮所必需的元素，Ni可以改善氧化皮的耐磨损性，Nd、Pm、Eu是稀土类元素，顶头中加入稀土，可以改善顶头的各种性能，如韧性、塑性等，同时可以使得氧化皮层的密着性进一步改善，添加稀土元素可以减少结晶过程中粗大碳化物的析出，稀土细化铸态组织，提高顶头硬度，减少铸态疏松，使制造顶头的材料中的杂志变少，变小都是提高耐磨性的原因，稀土元素还可以提升顶头的高温抗氧化性能，顶头表面氧化时，稀土原子从固溶体及稀土金属间化合物向氧化皮表面扩散，在表面形成含稀土的氧化皮和在顶头表面层形成含稀土内氧化质点密集区，使顶头使用寿命提高，Nd、Pm、Eu每种元素的含量均为0.1％～0.50％，如果每种元素含量低于0.1％，则看不到氧化皮密着性改善效果，如果超过0.50％则会饱和，经实验发现，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 3％时，Si的质量百分比也为0. 3％时，其产生的脱硫效果最好，而且氧化皮的薄膜厚度也是最高的，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 25％时，Cr的质量百分比为1％，时，顶头材料的淬透性最好，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 25％时，Ni的质量百分比为0.10％时，顶头的抗氧化皮层的致密性最高，当Nd、Pm、Eu每种质量百分比均为0. 3％时，Mn的质量百分比为0.65％时，顶头材料的韧性最优，稀土元素还可以进一步降低杂质中P、S等低熔点元素的有害作用，所谓不可避免的杂质，是指由于在原料中本来包含、或在制造的过程中混入等从而在本发明中所包含的成分，是并非有意加入的成分，从延展性、韧性、耐热裂性的观点出发，不可避免的杂质之中，P和 S低为好，优选为0.02％以下，将以上原材料铸造成顶头坯料，之后通过热挤压的的方式对顶头坯料进行处理，将顶头坯料放入流线型的模具中，在压力的作用下，做成金属流线型，以提高顶头的耐磨性，然后，对顶头表面进行氧化处理，氧化处理的方式为可控气氛热处理方式，所述可控气氛热处理方式是通过采用N2、CO2、NH3和甲醇等有机液体和气体化合物通入热处理炉内，经高温分解形成湿性氧化气氛，使顶头经受可控的氧化处理，通入量分别控制在N2：0.5～6升/分、CO2：0.5～6升/分、NH3：0.3～6升/分、甲醇水溶液（甲醇∶水＝0.05～0.5）2～15cm3/分。使炉气的组成范围为N2：12～46%、H2：18～66%、CO2：3～34%、CO：1～19%、湿度：15～70%，之后顶头进入热处理炉后，平均的升温速度控制在3～5℃/分，在950～1150℃保温3～7小时，随后在平均冷却速度为6～20℃/分的状态下冷却，冷却时间控制在0.5～2.5小时左右，出炉温度为300℃。经过这样氧化速度在0.03～0.2mm/小时的处理，顶头表面形成氧化层，顶头表面呈现出银亮色，最后对顶头表面进行机加工处理，使顶头表面更加光滑，顶头具有更好的的耐磨性。经过隔热、润滑后，再对顶头表面进行一次可控气氛热处理，将顶头表面再一次氧化，这次可控气氛热处理方式的温度为950℃，氧化之后利用余温对顶头进行再次挤压，以使得顶头表面氧化膜致密性更好，这样就能使得顶头从以往一根只能穿100跟钢管变成现在一根能穿200跟钢管，大大的提高了使用寿命。
表1：实施例1-3用于制备新型钢管穿孔顶头的组成成分及质量百分比和比较例顶头的组成成分及质量百分比
表2：实施例中样品1、2、3以及对比例分别经过加工工艺中第二次氧化处理中温度为900℃、925℃、950℃加工后的每个顶头的穿管次数。
从表2可以得出本发明的新型钢管穿孔顶头具有良好的耐磨性，其表面氧化层致密性更紧，使用寿命更长，当材料质量百分比为C：0.28%、Si：0.3%、Mn：0.65%、Cr：1.0%、Ni：3.0%、Nd：0.3%，Pm: 0.3%,Eu: 0.3%，余量为铁和以及不可避免的杂质时，顶头的使用寿命最长。
Claims (10)
1.一种新型钢管穿孔顶头，其特征在于：其组成元素及质量百分比为
C：0.15～0.40，
Si：0.10～0.50，
Mn：0.30～1.0，
Cr：0.50～1.50，
Ni：2.0～4.0，
Nd：0.1～0.50，
Pm: 0.1～0.50,
Eu: 0.1～0.50,
余量为铁。
2.根据权利要求1所述的一种新型钢管穿孔顶头，其特征在于：其形状为金属流线形。
3.根据权利要求2所述的一种新型钢管穿孔顶头，其特征在于：还包括抗氧化层，覆盖在顶头表面。
4.根据权利要求3所述的一种新型钢管穿孔顶头，其特征在于：抗氧化层厚度为200μm～250μm。
5.根据权利要求4所述的一种新型钢管穿孔顶头，其特征在于：所述抗氧化层为氧化亚铁。
6.一种新型钢管穿孔顶头的制作方法，其特征在于：包括步骤，
S1、配料，将质量百分比为C：0.15～0.40、Si：0.10～0.50、Mn：0.30～1.0、Cr：0.50～1.50、Ni：2.0～4.0、Nd：0.01～0.50，Pm: 0.01～0.50,Eu: 0.01～0.50进行配比，制作成顶头胚料；
S2、热挤压，将塑性的顶头坯料在压力的作用下通过挤压模具型腔形成流线形状的型材；
S3、表面氧化处理，在原材料的表面形成抗氧化层；
S4、机加工，将经过热挤压的顶头坯料表面进一步打磨。
7.根据权利要求5所述的一种新型钢管穿孔顶头的制作方法，其特征在于：还包括步骤S5，再进行一次表面氧化处理，之后再进行挤压，提高表面氧化皮层致密度，所述步骤S5在S4之后。
8.根据权利要求7所述的一种新型钢管穿孔顶头的制作方法，其特征在于：所述步骤S4和步骤S5的表面氧化处理的方式为可控气氛热处理方式，步骤S5中热处理温度为900℃~950℃。
9.根据权利要求8所述的一种新型钢管穿孔顶头的制作方法，其特征在于：所述可控热气氛处理方式为顶头进入热处理炉后，将N2、CO2、NH3和甲醇等有机液体和气体化合物通入热处理炉内，经高温分解形成湿性氧化气氛，使顶头经受可控的氧化处理，产生一层厚度为200μm～250μm的致密氧化膜。
10.根据权利要求6所述的一种新型钢管穿孔顶头的制作方法，其特征在于：所述步骤S5再挤压方式是利用坯料表面被第二次氧化处理后的余温，将顶头坯料放入模具中再一次进行挤压。
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