CN111270148A

CN111270148A - 一种钢管穿孔顶头及其制备方法

Info

Publication number: CN111270148A
Application number: CN202010228126.XA
Authority: CN
Inventors: 洪杰
Original assignee: Langrui Taizhou Metal Tools Co Ltd
Current assignee: Langrui Taizhou Metal Tools Co Ltd
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2020-06-12

Abstract

本发明公开了一种钢管穿孔顶头及其制备方法，本发明提供的顶头按照质量百分比分别包括以下组分：C：0.10~0.50%；Si:0.10~1.00%;Mn:0.10~0.80%;P:≤0.020%;S:≤0.01%;Cr:0.60~5.0%;Ni:2.00~8.00%;Mo:0.10~2.00%;V:0.01~1.00%;W:0.10~2.00%；Al≤0.03%；Cu≤0.30%；余量为Fe。本发明将特定成分的顶头经过控温热挤压、机加工及控制气氛氧化工艺处理，得到综合性能优越的顶头，产品寿命提高一倍以上，同时有效提高顶头穿制钢管产品的表面质量及成材率。

Description

一种钢管穿孔顶头及其制备方法

技术领域

本发明属于钢管穿孔技术领域，具体涉及一种钢管穿孔顶头及其制备方法。

背景技术

合金钢管要紧作用是用于电厂，核电，高压锅炉，高温过热器和再热器等高压高温的管道上及建筑上，材质分类有许多，简略来说，要分为高、中、低三种合金钢管，含合金元素的总品质分数不跨越5%的合金钢称为低合金钢，好比：CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCrl5；低合金钢管主要用于桥梁、汽车大梁等领域，而顶头是低合金钢管生产中的关键，工具质量的好坏，使用寿命的长短，直接影响合低合金钢管生产的产量、质量和企业的经济效益。顶头在穿制低合金钢管过程中，将实心管坯制成空心毛管，金属的变形主要在顶头上进行，采用传统的圆坯热轧技术与工艺在大批量钢管的穿孔轧制时，轧制工具如穿孔顶头、导板因发生粘钢现象造成工具消耗骤增，顶头穿轧圆坯过程中，穿孔顶头因在1200～1300℃高温钢管穿孔过程中承受轴向压应力和径向拉应力，高速旋转使顶头前部急剧升温，导致顶头产生头部熔融、开裂、粘钢等缺陷而失效。因此顶头的工况条件相当恶劣，采用普通顶头穿孔，穿孔轧制时还需给顶头表面添加防护润滑涂层，其寿命一般穿轧50～70支，由于更换工具频繁，严重影响正常生产秩序，也导致产品表面产生缺陷，成材率低，不满足现有生产线及产品要求。从生产需要出发，急需开发既满足高温轧制要求不熔融，又不开裂不粘钢的耐热穿孔顶头。

发明内容

有鉴于此，本发明提供如下技术方案：一种钢管穿孔顶头，顶头成分按照质量百分比分别包括以下组分：

C：0.10~0.50%；

Si: 0.10~1.00%;

Mn: 0.10~0.80%;

P:≤0.015%;

S:≤0.01%;

Cr:0.60~5.0%;

Ni:2.00~8.00%;

Mo:0.10~2.00%;

V:0.01~1.00%;

W:0.10~2.00%；

Al≤0.03%；

Cu≤0.30%；

余量为Fe。

优选的质量百分比：

C：0.19~0.25%；

Si: 0.30~0.60%;

Mn: 0.30~0.60%;

P:≤0.015%;

S:≤0.01%;

Cr:1.20~1.50%;

Ni:3.00~3.50%;

Mo:0.35~0.55%;

V:0.05~0.15%;

W:0.20~0.40%；

Al≤0.03%；

Cu≤0.10%；

余量为Fe。

所述W、Mo和V元素的质量百分比满足特定式1%≤W+Mo+3V≤2%。

本发明提供了以上方案所述一种钢管穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：。

步骤1：锻造；原料按组成元素及质量百分比进行冶炼，得到指定化学成分的钢锭，将钢锭锻造后制成原棒；

步骤2：热挤压；将原棒加热至1050~1150℃，经变形率≥2.5的热挤压加工，得到晶粒度≥7级的组织；

步骤3：车加工；根据顶头的工艺尺寸数据，将顶头作车削加工处理，满足顶头的尺寸需求；

步骤4：氧化：将炉内温度升至900~1000℃并控制炉内气氛，将加工后的顶头置于控制气氛炉膛内，对顶头表面进行氧化处理并在顶头的表面形成一层厚度为0.1~0.3mm的致密氧化膜。

所述步骤4中氧化处理的具体步骤为通过滴定的方法向炉内添加水和酒精的混合液体，并通过监测及控制系统将炉内氧势值控制在850-900之间，氧气含量控制在1.0×10^-16~1.0×10^-15，并保温3~5h。

本发明中提供的一种钢管穿孔顶头，其中成分中的C：碳元素为碳化物形成元素，碳含量增加时，钢的屈服点和抗拉强度升高得同时塑性和冲击性降低，顶头韧性会下降，因此，将碳含量控制在0.10~0.60%之间，Si：硅元素能提高顶头和顶头表面氧化膜得强度，但含量过高也会导致顶头韧性下降，因此将其含量控制在0.10~1.00%之间，Mn：锰元素可以提高热强度，但过高容易导致高温开裂，所以将其含量控制在0.10~0.80%之间，P、S：磷元素和硫元素为杂质元素，为提高韧性和高温强度，要尽量降低含量，但考虑炼钢的成本同时为保证高温性能，需要将磷含量控制在≤0.015%，将硫含量控制在≤0.01%。Cr：铬元素可以提高高温强度，有利于形成表面氧化膜，但过高容易形成开裂，将其控制再0.6~5.0%之间，Al:铝元素主要起脱氧作用，有细化晶粒的作用，但在冶炼时，产生的氧化铝夹杂物会使得顶头的高温性能下降因此将其含量控制在≤0.03%的范围，Cu：铜元素能提升顶头的强度和韧性以及抗腐蚀性能，但铜含量较多时，将导致钢具热脆性，而使热锻轧加工困难，铜元素的含量应当控制在≤0.10%的范围，本发明中的添加的W、Mo、V，即钨元素、钼元素和钒元素具有提升顶头高温强度的优点，但如果添加过多则容易导致顶头频繁冷热疲劳，过少又会降低材料的高温强度，为了满足既不影响高温强度的情况，同时兼具不会产生频繁冷热疲劳的的情形，本发明对这三种元素质量百分比进行改良，将这三种元素的质量百分比控制在下列水平：即1%≤W+Mo+3V≤2%，该特定式下的三种元素的质量百分比如果小于1% 的话，会降低材料的高温强度，如果大于2%，会降低材料的冷热疲劳性能，顶头使用过程中易产生开裂，添加满足该特定式的三种元素可以有效的避免降低材料的高温强度的同时满足不会频繁冷热疲劳的期望，本发明中的Ni含量较高，镍元素的导热系数低，仅为仅为铁的六分之一，同时还具有较低的摩擦系数，Ni含量的增加，在顶头高速钻孔时，能够有效的抵抗高温且减小摩擦，本发明通过配置特定的W、Mo、V等元素百分比，使得顶头具有良好的高温耐热红硬性能，同时具有良好的润滑性，能有效提升顶头寿命。

本发明中提供了一种钢管穿孔顶头的制备方法，采用变形率≥2.5的热挤压加工方法，在1050~1150℃的温度下使得顶头的表面得到了晶粒度≥7的组织，降低了晶粒细化，晶界更多更密，在氧化之后，氧化膜会沿基体晶界生根于基体并渗透与晶体结合，增加了氧化膜和基体之间的结合强度，晶粒度越大，结合越紧密，本发明在对顶头表面进行氧化处理时，通过监测及控制系统将炉内氧势值控制在850-900之间，氧气含量控制在1.0×10^-16~1.0×10^-15，其目的是为了让铁进行不充分氧化，在顶头表面形成主要由氧化亚铁组成且与基体牢固的致密氧化膜，其厚度为0.1~0.3mm，氧化亚铁会析出Ni，这也是本发明中顶头Ni元素含量高的原因，而Ni的导热系数低，顶头钻孔时表面摩擦产生的高温被氧化膜阻隔，不会快速的传递给顶头表面基体，增加了顶头表面的抗高温能力，同时Ni元素的摩擦系数低，能有效的降低顶头表面和钢管内壁之间的摩擦，起到润滑剂的作用，顶头加工时无需在顶头的表面添加防护润滑涂层，本发明的钢管顶头表面具有致密氧化膜，具有良好的高温耐热红硬以及润滑性能，通过特定的热加工以及控制炉内气氛氧化的工艺有效的提升了顶头的使用寿命。

附图说明

图1为顶头表面氧化膜和基体渗透连接示意图。

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。

实施例1

一种钢管穿孔顶头，顶头成分按照质量百分比分别包括以下组分：

C：0.19%；

Si: 0.30%;

Mn: 0.30%;

P: 0.010%;

S: 0.005%;

Cr:1.20%;

Ni:3.00%;

Mo:0.35%;

V:0.05%;

W:0.20%；

Al:0.025%；

Cu:0.06%；

余量为Fe。

制备方法如下：

步骤2：热挤压；将原棒加热至1050℃，经变形率≥2.5的热挤压加工，得到晶粒度≥7级的晶粒细化基体，并保温3h；

步骤4：氧化；将加工后的顶头置于炉膛内，将炉内温度升至920℃，对顶头表面进行氧化处理，通过滴定的方法向炉内添加水和酒精的混合液体，并通过氧化仪将炉内氧势值控制在850-900之间，氧化量控制在1.0×10^-16~1.0×10^-15，并保温3h。

本实施例采用变形率≥2.5的热挤压加工方法，在1200℃的温度下使得顶头的表面得到了晶粒度≥7晶粒细化基体，降低了晶粒细化，晶界更多更密，在氧化之后，氧化膜会沿基体晶界生根于基体并渗透与晶体结合，增加了氧化膜和基体之间的结合强度，晶粒度越大，结合越紧密，本发明在对顶头表面进行氧化处理时，通过氧化仪将炉内氧势值控制在850-900之间, 氧气含量控制在1.0×10^-16~1.0×10^-15，其目的是为了让铁进行不充分氧化，在顶头表面形成主要由氧化亚铁组成且与基体牢固的致密氧化膜，其厚度为75um，氧化亚铁会析出Ni，这也是本发明中顶头Ni元素含量高的原因，而Ni的导热系数低，顶头钻孔时表面摩擦产生的高温被氧化膜阻隔，不会快速的传递给顶头表面基体，增加了顶头表面的抗高温能力，同时Ni元素的摩擦系数低，能有效的降低顶头表面和钢管内壁之间的摩擦，起到润滑剂的作用，有效的提升了顶头的使用寿命，本实施例中W、Mo、V三种元素的质量百分比满足1%≤W+Mo+3V≤2%，使得顶头的材料不会降低高温强度的同时满足不会频繁冷热疲劳的期望。

实施例2

C：0.22%；

Si: 0.45%;

Mn: 0.5%;

P: 0.013%;

S:0.007%;

Cr:1.40%;

Ni:3.2%;

Mo:0.45%;

V:0.10%;

W:0.30%；

Al:0.029%；

Cu:0.08%；

余量为Fe。

制备方法如下：

步骤2：热挤压；将原棒加热至1000℃，经变形率≥2.5的热挤压加工，得到晶粒度≥7级的晶粒细化基体，并保温4h；

步骤4：氧化；加工后的顶头置于炉膛内，将炉内温度升至970℃，对顶头表面进行氧化处理，通过滴定的方法向炉内添加水和酒精的混合液体，并通过氧化仪将炉内氧势值控制在850-900之间，氧化量控制在1.0×10^-16~1.0×10^-15，并保温3h。

实施例3

C：0.25%；

Si: 0.50%;

Mn: 0.55%;

P:0.015%;

S:0.010%;

Cr:1.50%;

Ni:3.50%;

Mo:0.55%;

V:0.15%;

W:0.40%；

Al:0.03%；

Cu:0.10%；

余量为Fe。

制备方法如下：

步骤2：热挤压；将原棒加热至1150℃，经变形率≥2.5的热挤压加工，得到晶粒度≥7级的晶粒细化基体，并保温5h；

步骤4：氧化；加工后的顶头置于炉膛内，将炉内温度升至1150℃，对顶头表面进行氧化处理，通过滴定的方法向炉内添加水和酒精的混合液体，并通过氧化仪将炉内氧势值控制在850-900之间，氧化量控制在1.0×10^-16~1.0×10^-15，并保温3h。

本实施例采用变形率≥2.5的热挤压加工方法，在1200℃的温度下使得顶头的表面得到了晶粒度≥7晶粒细化基体，降低了晶粒细化，晶界更多更密，在氧化之后，氧化膜会沿基体晶界生根于基体并渗透与晶体结合，增加了氧化膜和基体之间的结合强度，晶粒度越大，结合越紧密，本发明在对顶头表面进行氧化处理时，通过氧化仪将炉内氧势值控制在850-900之间,氧气含量控制在1.0×10^-16~1.0×10^-15，其目的是为了让铁进行不充分氧化，在顶头表面形成主要由氧化亚铁组成且与基体牢固的致密氧化膜，其厚度为75um，氧化亚铁会析出Ni，这也是本发明中顶头Ni元素含量高的原因，而Ni的导热系数低，顶头钻孔时表面摩擦产生的高温被氧化膜阻隔，不会快速的传递给顶头表面基体，增加了顶头表面的抗高温能力，同时Ni元素的摩擦系数低，能有效的降低顶头表面和钢管内壁之间的摩擦，起到润滑剂的作用，有效的提升了顶头的使用寿命，本实施例中W、Mo、V三种元素的质量百分比满足1%≤W+Mo+3V≤2%，使得顶头的材料不会降低高温强度的同时满足不会频繁冷热疲劳的期望。

表1：本发明中顶头的成分和市场上现有顶头的成分；

表2：本发明中的顶头热挤压工艺与现有技术中顶头热挤压工艺的区别

通过表1和表2我们可以清楚的看出,采用变形率≥2.5的热挤压加工方法，在1050~1150℃的温度下使得顶头的表面降低了晶粒细化，得到了表面晶粒度≥7级的晶粒细化基体，如图1中A标记所示，在氧化之后，氧化膜会沿基体晶界生根于基体并渗透从而与晶体结合形成胡须状结构，晶粒度越大，结合会越紧密，通过该工艺增加了氧化膜和基体之间的结合强度。

表3本发明中的顶头和现有技术中的顶头穿45＃普通合金钢管的数量

从表3中我们可以清楚的看出,采用本发明中特定制造工艺和特定成分的顶头能够穿制更多钢管数量，其数量约为现有技术中的2倍，具有更好的使用寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种钢管穿孔顶头，其特征在于：所述顶头成分按照质量百分比分别包括以下组分：

C：0.10~0.50%；

Si: 0.10~1.00%;

Mn: 0.10~0.80%;

P:≤0.015%;

S:≤0.01%;

Cr:0.60~5.0%;

Ni:2.00~8.00%;

Mo:0.10~2.00%;

V:0.01~1.00%;

W:0.10~2.00%；

Al≤0.03%；

Cu≤0.10%；

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种钢管穿孔顶头，其特征在于：所述W、Mo和V元素的质量百分比满足特定式1%≤W+Mo+3V≤2%。

3.一种制备如权1所述的一种钢管穿孔顶头的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤4：氧化；将炉内温度升至900~1000℃并控制炉内气氛，将加工后的顶头置于控制气氛炉膛内，对顶头表面进行氧化处理并在顶头的表面形成一层厚度为0.1~0.3mm的致密氧化膜。

4.根据权利要求3所述的一种钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于：所述步骤4中氧化处理的具体步骤为通过滴定的方法向炉内添加水和酒精的混合液体，并通过监测及控制系统将炉内氧势值控制在850-900之间，氧气含量控制在1.0×10^-16~1.0×10^-15，并保温3~5h。