CN1112165A - 一种钢管穿孔顶头材料 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种Cr-Ni-Mo系钢管穿孔顶头材
料，成分(wt％)为：C0.1～0.4，Si0.5～1.5，Mn0.3～
1.0，Cr1.0～4.0，Ni0.5～2.5，Mo0.1～0.5，以及
Ti0.05～1.0，V0.05～1.0，W0.1～0.5中的一至三种，
其余为Fe和不可避免的杂质，该材料既保持合金结
构钢的韧性，又具有合金工具钢的优良抗高温回火性
能、高温强度，又具有相当好的回火稳定性适宜在
500～1100℃进行热处理，经氮化加氧化处理后，其
顶头寿命可达到300～450次/只，且材料价格比较
便宜。
Description
本发明涉及一种铁基合金，为一种含Cr-Ni-Mo的用于制造钢管穿孔顶头的材料。
目前，用于碳钢及合金钢管的穿孔顶头材料，可分为合金工具钢和合金结构钢两类，合金工具钢类有：如3Cr2W3V，H13，5CrNiMo等，这类合金工具钢的高温强度高，耐磨性好，一直作为传统的穿孔顶头被大量使用，合金工具钢顶头有镶钼及不镶钼两种，该顶头经普通热处理后便可直接使用，但这类高合金钢韧性较差，抗冷热疲劳性能不好，在急冷急热的穿孔条件下，极易造成顶头表面开裂而缩短其使用寿命，另外由于合金成份含量很高，价格很昂贵。
为了弥补合金工具钢顶头韧性差的不足，许多厂家使用了韧性较好的碳素钢以及合金结构钢材料制造顶头，如20＃钢，45＃钢，30CrNi3，20CrNiSiW，35CrMo等，这类材料经热处理后虽然高温强度低于高合金工具钢，但由于其韧性较好，在一些穿孔条件较好的环境下，使用效果及成本优于合金工具钢，因此也得到了大量使用。这类材料一般都需经过特殊的氧化处理，使顶头表面能够生成致密、粘附性好，有一定厚度的氧化铁皮，起到润滑及隔热的作用，使顶头可在高温下使用。但由于其高温强度低于高合金工具钢，在穿孔时间长，轧制力大的环境下，顶头表面易于软化，产生塑性变形，缩短了使用寿命，为解决这一问题，出现了在顶头表面进行氮化加氧化处理的技术，利用氮化处理提高顶头表面的硬度，以弥补合金结构钢顶头表面硬度的不足，例如日本专利申请昭59-143079公开了一种“轧管用工具材料的制造方法”，其材料成份（wt%）为：C0.20-0.60，Si0.10-0.20，Mn0.30-2.0，Cr1.0-6.0，Ni0.50-6.0，此外，含有0.02-2.0Nb或0.02-2.0的V，其余为Fe和不可避免的杂质，冶炼铸造后，按给定的形状加工，然后在500-1100℃进行氮化处理，氮化层浓度在10μm以上，接着在900-1250℃进行氧化处理，但该材料的室温力原性能和高温硬度未见报道。对顶头进行上述处理时，高温氧化处理时氮在铁中溶解度降低，氮离子从顶头表面逸出，失去了氮化的作用;如果先进行氧化处理，再进行氮化处理，虽然表面硬度因氮化而提高，但是氮化层以外整个顶头的硬度却会降低，影响顶头的使用寿命。
本发明的目的是得到一种新型Cr-Ni-Mo顶头材料，它在既保持了合金结构钢种种优点的同时，又具有合金工具钢优良的抗高温回火性能，较好的高温强度，韧性和回火稳定性，并适宜在500-1100℃温度范围内进行各种热处理。
为实现上述目的，本发明是这样实现的：该材料的成份（wt%）为C 0.1～0.4，Si0.5～1.5，Mn0.3～1.0，Cr1.0～4.0，Ni0.5～2.5，Mo0.1～0.5，以及Ti0.05～1.0，V0.05～1.0，W0.1～0.5中的一至三种，其余为Fe和不可避免的杂质。
为了使该材料既具有高合金工具钢的红硬性，又具有结构钢的韧性，并适于进行氧化、氮化处理，本发明将材料中合理配比及组合，使其更有利于用做穿孔顶头，下面分别介绍各个合金元素的作用：
C：0.1-0.4（wt%，以下各元素相同），C为碳化物形成元素，可提高钢的硬度，太低时效果不明显，太高时不利于进行氧化、氮化热处理，这是因为在氧化处理时，氧首先与碳反应然后才能与铁反应生成氧化铁，因此不利于氧化皮的形成。
Si：0.5～1.5，有利于在金属表面形成粘附性好的氧化皮，但含量过高会使高温强度下降。
Mn：0.3～1.0，可提高热强性，但含量过高导热性降低，容易开裂。
Ni：0.5～2.5，有利于形成粘附性好的氧化皮，过高时导热性下降，氧化能力变差。
Cr：1.0～4.0，有利于在金属表面表成粘附性好的氧化皮，同时能形成碳化物，提高高温强度，但含量过高会使材料导热性下降，氧化能力变差。
Mo：0.1～0.5，主要是通过碳化物及固溶强化形式来增加材料的高温强度，但含量过高时，不利于形成氧化皮，因此本发明Mo含量较低，可在氧化皮牢度不受影响的情况下，既降低Mo含量，可有利于材料的韧性，而由于氧化皮的作用，红硬性也不会降低。
Ti：0.05～1.0，能够细化晶粒，形成碳化物，提高材料高温强度，减少顶头在使用时的变形及开裂。但达到一定量时，效果增加便不明显了，并且会导致价格提高很多。
W：0.1～0.5，通过固溶强化来提高红硬性，但含量太高会导致碳化物粗大使材料韧性下降，同时尽管基体红硬性有所提高，但氧化皮容易剥落，因此本发明中W含量较低以提高氧化皮牢度。
V：0.05～1.0，细化晶粒，形成碳化物，提高材料高温强度，减少顶头在使用时的变形及开裂，但含量达到一定量时，其效果增加便不明显了，同时因为价格很高，所以要限制作用量。
虽然上述元素对顶头材料都有一定的贡献，但使用时最关键的是要通过合理配比及组合，这样才能充分发挥各元素的优越性，例如在现有技术中，为提高淬透性，Cr与Ni的比例一般为1：2～3，本发明中Cr与Ni的比例为1.5：1，这是因为本发明材料不必经过淬火，因此不必考虑淬透性问题，同时降低Ni的含量，可防止使用时对顶头反复受热水冷时产生裂纹，同时降低成本。使本材料成为高温强度高、韧性好、在氧化处理时易于生成良好氧化皮的顶头用钢。
为了更好的实现本发明，材料的最佳成份（wt%）为：C0.1～0.3，Si0.8～1.2，Mn0.3～0.8，Cr1.5～3.0，Ni0.5～2.5，Mo0.1～0.5，以及Ti0.05～0.5，V0.05～0.5，W0.1～0.5中的一至三种。
与现有技术相比，本发明材料中增加了Mo，W和Ti元素，Mo和W属于强碳化物形成元素，有利于提高钢的回火稳定性，同时，Mo和W溶解在Fe的固溶体中，可以提高α相和γ相之间的的转变温度，在C曲线上表现为将珠光体转变曲线向右推移，贝氏体开始转变曲线向上推移。因此，当该材料从低温加热到500-700℃区间时，由于碳化物的稳定，硬度降落较小。当材料从高温冷却到500-700℃区间时，由于只出现贝氏体转变，而不会有珠光体转变，基体也会保持较高的硬度。
与现有技术相比，本发明降低了C，W，Mo含量，增加了Ti，与目前常用的顶头材料相比，其室温力学性能和高温硬度对比如表1、2示，本发明顶头材料的室温力学性能好于合金结构钢，虽然其强度比工具钢低，但其冲击韧性却大大高于工具钢，更主要的是在高温性能方面具有优越性，由表2知，本发明材料随着温度的升高，硬度下降比较缓慢，在600℃仍保持HV290，而30CrNi3及20CrNiSiW等合金结构钢的高温维氏硬度均不够高，且硬度降低很快，虽然H13工具钢的高温硬度在低温区域比本发明材料高，但从500℃以上，硬度降低很快，且在600℃时硬度基本与本发明材料相同，顶头在使用时表面温度可达600℃或更高，本发明材料的这种高温硬度正好适于做此类工具使用，并可与工具钢比美。
下面介绍本发明的实施例。
将该合金按所需成份配料，经冶炼、铸造或锻造后，加工成所需形状，在500℃～600℃温度范围内进行氮化处理，然后在950℃～1050℃范围内进行氧化处理，即可得到所需性能的顶头;具体成份如表3示。表3中最后一项为利用本发明后顶头经氧化、氮化热处理后，其使用寿命提高的比例，本发明材料制造的顶头与比较例相比，寿命提高了3.0～4.5倍，在穿孔机上使用，其使用寿命均大大高于合金工具钢和合金结构钢顶头，对于φ76机组以上的穿孔机组轧制合金钢管使用的水冷顶头效果更好，在某厂φ100机组上使用，原来顶头寿命不足100次/只，本发明材料顶头寿命为300-450次/只。
表3
| 成份（wt%) | 使用寿命提高比例（％） | ||||||||||
| C | Si | Mn | Ni | Cr | Mo | W | V | Ti | |||
| 本发明 | 1 | 0.40 | 0.8 | 0.8 | 1.2 | 1.0 | 0.1 | 0.5 | 0.05 | 150 | |
| 2 | 0.20 | 1.0 | 0.8 | 1.9 | 1.0 | 0.3 | 0.5 | 0.5 | 320 | ||
| 3 | 0.20 | 1.5 | 0.4 | 1.0 | 3.1 | 0.3 | 0.8 | 350 | |||
| 4 | 0.25 | 1.0 | 1.0 | 2.4 | 3.5 | 0.5 | 0.5 | 0.3 | 400 | ||
| 5 | 0.32 | 1.0 | 0.5 | 2.5 | 3.8 | 0.3 | 0.2 | 450 | |||
| 6 | 0.22 | 1.4 | 0.6 | 2.5 | 2.2 | 0.4 | 0.4 | 420 | |||
| 7 | 0.27 | 0.6 | 0.6 | 0.8 | 2.5 | 0.5 | 0.5 | 0.7 | 370 | ||
| 8 | 0.24 | 0.7 | 0.6 | 2.4 | 2.5 | 0.5 | 0.4 | 0.2 | 440 | ||
| 9 | 0.25 | 1.1 | 0.5 | 1.5 | 2.0 | 0.3 | 0.3 | 440 | |||
| 10 | 0.10 | 1.1 | 0.8 | 1.0 | 2.0 | 0.3 | 0.2 | 200 | |||
| 比较例 | 0.30 | 0.27 | 0.45 | 2.95 | 0.75 | ||||||
Claims (2)
1、一种钢管穿孔顶头材料，其特征是：该材料的成份为(wt%)为：C 0.1～0.4，Si 0.5～1.5，Mn 0.3～1.0，Cr 1.0～4.0，Ni0.5～2.5，Mo 0.1～0.5，以及Ti 0.05～1.0，V 0.05～1.0，W0.1～0.5中的一至三种，其余为Fe和不可避免的杂质。
2、根据权利要求1所述的材料，其特征是：该材料的最佳成份为：C 0.1～0.3，Si0.5～2.5，Mn0.3～0.8，Cr1.5～3.0，Ni0.5～2.5，Mo0.1～0.5，以及Ti0.05～0.5，V0.05～0.5，W0.1～0.5中的一至三种。
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