CN111394660A - 一种穿孔机顶头表面强化方法 - Google Patents

一种穿孔机顶头表面强化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种穿孔机顶头表面强化方法，具体按照以下步骤实施，先用电炉熔炼穿孔机顶头本体材料，经铸造、机械加工和热处理，在穿孔机顶头工作部位采用同轴送合金粉末激光熔覆方式，制备耐磨涂层，使顶头表面具有优异的耐磨、耐热、抗氧化和抗粘钢性能，本发明顶头使用寿命比普通顶头大幅度提高，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Description

一种穿孔机顶头表面强化方法
技术领域
本发明属于无缝钢管生产技术领域，涉及一种穿孔机顶头表面强化方法。
背景技术
穿孔机顶头是无缝钢管生产时使用的一种重要的工装模具，由于使用工况的高温度、高压力，顶头在使用时容易掉肉、粘钢或开裂，为了提高穿孔机顶头使用寿命。
中国发明专利CN106316446公开了一种高强度耐高温的合金水泥顶头尖，该穿孔机顶头尖具有优秀机械性能，同时还具有优秀的耐高温性以及润滑性，大大提高穿孔效率与质量，并且还能够有效避免由于长时间使用造成的表面开裂，使其在使用后期依然能够保证各项优秀的性能指标且制备方法简单。
中国发明专利CN103451551公开了一种耐高温磨蚀铸钢穿孔机顶头的制备方法，通过该方法制备得到的顶头具有优异的力学性能和良好的使用效果。
中国发明专利CN102284777公开了一种无缝钢管穿孔机顶头表面堆焊强化的方法，顶头可以是铸件或锻件，其首先对顶头坯料进行初机加工，顶头头部切削出堆焊厚度并身体部位保留精加工余量；作常规探伤处理存在缺陷返工处理；采用Ni基、Co基或金属陶瓷合金材料对顶头头部进行堆焊形成堆焊层并采用等离子弧堆焊方法，保证堆焊层与顶头头部基体充分熔合；将顶头作车削加工至最终尺寸要求并探伤处理，存在缺陷返工处理；将顶头进行表面热氧化处理形成氧化膜。利用该方法可显著提高顶头表面的强度，改善了顶头的使用性能，降低了顶头的制作成本，提高了顶头的使用寿命，保证了无缝钢管轧制质量。
但是，上述各种穿孔机顶头制造方法，普遍存在顶头表面硬度低，顶头抗高温氧化性能差和顶头表面高温摩擦系数高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种穿孔机顶头表面强化方法，解决了现有技术中存在的穿孔机顶头表面硬度低，顶头抗高温氧化性能差和顶头表面高温摩擦系数高的问题。
本发明所采用的技术方案是一种穿孔机顶头表面强化方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、熔炼穿孔机顶头本体材料；
步骤2、对步骤1得到的熔炼的穿孔机顶头本体材料进行铸造成型，机械加工和热处理，得到穿孔机顶头；
步骤3、在步骤2得到的穿孔机顶头的工作部位表面制备耐磨涂层。
本发明的特点还在于：
步骤1具体采用中频感应电炉熔炼穿孔机顶头本体材料，熔炼温度为1620-1645℃。
步骤1中穿孔机顶头本体材料按照质量百分比由以下原料组分构成：0.39-0.46％C，0.88-0.97％Cr，0.31-0.37％Mo，0.21-0.35％Si，0.80-0.95％Mn，0.05-0.08％Ti，0.003-0.006％B，0.042-0.069％Ce，<0.025％S，<0.028％P，余量Fe和不可避免的杂质。
步骤2具体为，采用砂型铸造方法浇注穿孔机顶头，浇注温度为1523-1536℃，对铸造后的穿孔机顶头经粗加工后，随炉加热至900-920℃，保温120-150分钟，然后进行油冷淬火，最后将油冷淬火后的穿孔机顶头进行回火热处理。
对穿孔机顶头进行回火热处理具体为，将油冷淬火后的穿孔机顶头随炉加热至520-535℃，保温10-12小时，然后待炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温。
步骤3中采用同轴送合金粉末激光熔覆方式，在穿孔机顶头工作部位的表面上制备耐磨涂层。
耐磨涂层厚度为1.5-2.5mm，合金粉末粒度为75-90μm。
合金粉末按照质量百分比由以下原料组分构成：12.07-12.55％Co，0.16-0.25％C，18.04-18.55％Cr，0.03-0.05％B，0.06-0.09％Mg，3.06-3.19％S，15.37-15.64％Ni，6.28-6.66％Nb，<3.5％Fe，42.05-43.08％Mo。
激光熔覆工艺参数具体为，激光功率：2000-2200W，扫描速度：5-6mm/s，光斑直径：5mm×5mm，送粉率：22-24g/min，氩气流量：16-18L/min。
本发明的有益效果是：
1)本发明穿孔机顶头本体强度高，韧性好，其中抗拉强度大于1350MPa，冲击韧性αKU大于80J/cm2，延伸率大于25％；
2)本发明穿孔机顶头工作部位表层高温硬度高，600℃时硬度大于52HRC；
3)本发明顶头具有优异的耐磨、耐热、抗氧化和抗粘钢性能，相同使用条件下，本发明顶头的使用寿命比常用的H13钢顶头提高300％以上，推广应用本发明顶头，可以提高钢管内表面质量，提高钢管生产效率，减轻工人劳动强度，降低钢管生产成本，推广应用具有良好的经济和社会效益。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种穿孔机顶头表面强化方法，具体按照以下步骤实施：
①先用中频感应电炉熔炼穿孔机顶头本体材料，钢水熔炼温度1620-1645℃，穿孔机顶头本体材料的化学组成及其质量分数是：0.39-0.46％C,0.88-0.97％Cr,0.31-0.37％Mo,0.21-0.35％Si,0.80-0.95％Mn,0.05-0.08％Ti,0.003-0.006％B,0.042-0.069％Ce,<0.025％S,<0.028％P,余量Fe和不可避免的杂质；
采用砂型铸造方法浇注穿孔机顶头，钢水浇注温度1523-1536℃；铸造后的穿孔机顶头经粗加工后，随炉加热至900-920℃，保温120-150分钟后，进行油冷淬火，然后将油冷淬火后的穿孔机顶头进行回火热处理；穿孔机顶头回火热处理工艺是将油冷淬火后的穿孔机顶头随炉加热至520-535℃，保温10-12小时后，炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温；
②将步骤①中回火处理后的穿孔机顶头，在其工作部位采用同轴送合金粉末激光熔覆方式，在穿孔机顶头工作部位的表面上制备耐磨涂层，耐磨涂层厚度1.5-2.5mm；合金粉末粒度范围为75-90μm；合金粉末的化学组成及其质量分数是：12.07-12.55％Co,0.16-0.25％C,18.04-18.55％Cr,0.03-0.05％B,0.06-0.09％Mg,3.06-3.19％S,15.37-15.64％Ni,6.28-6.66％Nb,<3.5％Fe,42.05-43.08％Mo；激光熔覆工艺参数为：激光功率：2000-2200W，扫描速度：5-6mm/s，光斑直径：5mm×5mm，送粉率：22-24g/min，氩气流量：16-18L/min；最后将激光熔覆后的穿孔机顶头精加工至规定尺寸和精度。
本发明要解决普通穿孔机顶头表面硬度低，顶头抗高温氧化性能差和顶头表面高温摩擦系数高的不足。本发明采用电炉熔炼穿孔机顶头本体材料，工艺简便，效率高。穿孔机顶头本体材料中，含有0.88-0.97％Cr,0.31-0.37％Mo和0.80-0.95％Mn，可以确保热处理后合金元素固溶于基体，提高穿孔机顶头基体的强度，确保穿孔机顶头长时间使用时不发生变形。加入0.05-0.08％Ti,0.003-0.006％B和0.042-0.069％Ce，可以细化晶粒，从而提高穿孔机顶头韧性和塑性，确保穿孔机顶头长时间使用时不发生断裂。本发明穿孔机顶头采用砂型铸造方法浇注，工艺简便，成本低廉，钢水浇注温度1523-1536℃，确保浇注后的穿孔机顶头组织致密，无缩孔和疏松缺陷出现。
本发明铸造后的穿孔机顶头经粗加工后，随炉加热至900-920℃，保温120-150分钟后，进行油冷淬火，可以确保穿孔机顶头淬火后获得高强度的马氏体基体，且穿孔机顶头淬火后不会发生变形和开裂。将油冷淬火后的穿孔机顶头进行高温回火热处理，可以消除穿孔机顶头的内应力，防止穿孔机顶头使用时发生开裂。为了兼顾穿孔机顶头的强韧性，本发明穿孔机顶头回火热处理工艺是，将油冷淬火后的穿孔机顶头随炉加热至520-535℃，保温10-12小时后，炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温，可以确保去除了穿孔机顶头的淬火热应力，并将穿孔机顶头强度和韧性调整到合理水平，确保了穿孔机顶头长期工作环境下不发生变形和开裂。
穿孔机顶头本体尽管具有较高的强度和韧性，但是顶头表面硬度低，耐磨性差，且顶头表面抗高温氧化性差。另外，穿孔机顶头在高温环境下表面易转变成奥氏体，而被穿孔的钢管在高温下也是奥氏体，穿孔机顶头已易钢管粘附在一起，导致普通穿孔机顶头的抗粘钢性能很差，使用寿命急剧缩短。本发明在高强度穿孔机顶头工作部位，通过激光熔覆方法，在顶头表面获得耐磨、耐热、抗氧化和抗粘钢的涂层，且与穿孔机顶头实现良好的冶金结合，实现穿孔机顶头使用寿命的大幅度延长。本发明将中回火处理后的穿孔机顶头，在其工作部位采用同轴送合金粉末激光熔覆方式，在穿孔机顶头工作部位的表面上制备耐磨涂层，耐磨涂层厚度1.5-2.5mm，合金粉末粒度范围为75-90μm。选用同轴送粉激光熔覆方式，效率高，且熔覆层厚度易于控制。合金粉末的化学组成及其质量分数是：12.07-12.55％Co,0.16-0.25％C,18.04-18.55％Cr,0.03-0.05％B,0.06-0.09％Mg,3.06-3.19％S,15.37-15.64％Ni,6.28-6.66％Nb,<3.5％Fe,42.05-43.08％Mo。其中合金粉末中加入12.07-12.55％Co和42.05-43.08％Mo，可以提高激光熔覆涂层的高温强度和硬度，提高涂层高温耐磨性。加入18.04-18.55％Cr,0.03-0.05％B和0.06-0.09％Mg，可以明显提高涂层抗高温氧化性。加入15.37-15.64％Ni，可以提高涂层高温强度，防止涂层使用过程中出现开裂和剥落。加入6.28-6.66％Nb可以提高涂层抗高温耐磨性，特别是3.06-3.19％S的加入，可以和Mo在高温下反应，生成MoS2，MoS2具有滋润滑作用，可以防止顶头使用过程中发生粘钢事故，有利于提高顶头使用寿命。激光熔覆优选工艺参数为：激光功率2000-2200W，扫描速度5-6mm/s，光斑直径5mm×5mm，送粉率22-24g/min，氩气流量16-18L/min，可以确保合金粉末的充分熔化和熔覆涂层与穿孔机顶头本体实现良好的冶金结合，最后将激光熔覆后的穿孔机顶头精加工至规定尺寸和精度，即可获得性能优异的穿孔机顶头。
以下结合实施例对本发明做进一步详述：
实施例1：
一种穿孔机顶头表面强化方法，具体工艺步骤如下：
①先用电炉熔炼穿孔机顶头本体材料，穿孔机顶头本体材料的化学组成及其质量分数是：0.39％C,0.97％Cr,0.31％Mo,0.35％Si,0.80％Mn,0.08％Ti,0.003％B,0.069％Ce,0.021％S,0.025％P,余量Fe和不可避免的杂质；采用砂型铸造方法浇注穿孔机顶头，钢水浇注温度1523℃；铸造后的穿孔机顶头经粗加工后，随炉加热至900℃，保温150分钟后，进行油冷淬火，然后将油冷淬火后的穿孔机顶头进行回火热处理；穿孔机顶头回火热处理工艺是将油冷淬火后的穿孔机顶头随炉加热至520℃，保温12小时后，炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温；
②将步骤①中回火处理后的穿孔机顶头，在其工作部位采用同轴送合金粉末激光熔覆方式，在穿孔机顶头工作部位的表面上制备耐磨涂层，耐磨涂层厚度1.5-1.8mm；合金粉末粒度范围为75-90μm；合金粉末的化学组成及其质量分数是：12.07％Co,0.25％C,18.04％Cr,0.05％B,0.06％Mg,3.19％S,15.37％Ni,6.66％Nb,1.23％Fe,43.08％Mo；激光熔覆工艺参数为：激光功率：2000W，扫描速度：5mm/s，光斑直径：5mm×5mm，送粉率：22g/min，氩气流量：16L/min；最后将激光熔覆后的穿孔机顶头精加工至规定尺寸和精度。精加工后的穿孔机顶头力学性能见表1。
实施例2：
一种穿孔机顶头表面强化方法，具体工艺步骤如下：
①先用电炉熔炼穿孔机顶头本体材料，穿孔机顶头本体材料的化学组成及其质量分数是：0.46％C,0.88％Cr,0.37％Mo,0.21％Si,0.95％Mn,0.05％Ti,0.006％B,0.042％Ce,0.022％S,0.021％P,余量Fe和不可避免的杂质；采用砂型铸造方法浇注穿孔机顶头，钢水浇注温度1536℃；铸造后的穿孔机顶头经粗加工后，随炉加热至920℃，保温120分钟后，进行油冷淬火，然后将油冷淬火后的穿孔机顶头进行回火热处理；穿孔机顶头回火热处理工艺是将油冷淬火后的穿孔机顶头随炉加热至535℃，保温10小时后，炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温；
②将步骤①中回火处理后的穿孔机顶头，在其工作部位采用同轴送合金粉末激光熔覆方式，在穿孔机顶头工作部位的表面上制备耐磨涂层，耐磨涂层厚度2.3-2.5mm；合金粉末粒度范围为75-90μm；合金粉末的化学组成及其质量分数是：12.55％Co,0.16％C,18.55％Cr,0.03％B,0.09％Mg,3.06％S,15.64％Ni,6.28％Nb,1.59％Fe,42.05％Mo；激光熔覆工艺参数为：激光功率：2200W，扫描速度：6mm/s，光斑直径：5mm×5mm，送粉率：24g/min，氩气流量：18L/min；最后将激光熔覆后的穿孔机顶头精加工至规定尺寸和精度。精加工后的穿孔机顶头力学性能见表1。
实施例3：
一种穿孔机顶头表面强化方法，具体工艺步骤如下：
①先用电炉熔炼穿孔机顶头本体材料，穿孔机顶头本体材料的化学组成及其质量分数是：0.43％C,0.92％Cr,0.35％Mo,0.28％Si,0.88％Mn,0.07％Ti,0.004％B,0.049％Ce,0.020％S,0.027％P,余量Fe和不可避免的杂质；采用砂型铸造方法浇注穿孔机顶头，钢水浇注温度1531℃；铸造后的穿孔机顶头经粗加工后，随炉加热至910℃，保温140分钟后，进行油冷淬火，然后将油冷淬火后的穿孔机顶头进行回火热处理；穿孔机顶头回火热处理工艺是将油冷淬火后的穿孔机顶头随炉加热至530℃，保温11小时后，炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温；
②将步骤①中回火处理后的穿孔机顶头，在其工作部位采用同轴送合金粉末激光熔覆方式，在穿孔机顶头工作部位的表面上制备耐磨涂层，耐磨涂层厚度1.9-2.1mm；合金粉末粒度范围为75-90μm；合金粉末的化学组成及其质量分数是：12.32％Co,0.20％C,18.37％Cr,0.04％B,0.07％Mg,3.11％S,15.52％Ni,6.47％Nb,1.05％Fe,42.85％Mo；激光熔覆工艺参数为：激光功率：2150W，扫描速度：5.5mm/s，光斑直径：5mm×5mm，送粉率：23g/min，氩气流量：17L/min；最后将激光熔覆后的穿孔机顶头精加工至规定尺寸和精度。精加工后的穿孔机顶头力学性能见表1。
表1精加工后的穿孔机顶头力学性能
Figure BDA0002442772690000091
由表1可看出本发明穿孔机顶头本体强度高，韧性好，其中抗拉强度大于1350MPa，冲击韧性αKU大于80J/cm2，延伸率大于25％，确保穿孔机顶头长时间工作后不变形、不开裂。本发明穿孔机顶头工作部位表层高温硬度高，600℃时硬度大于52HRC，使顶头表面具有优异的耐磨、耐热、抗氧化和抗粘钢性能，相同使用条件下，本发明顶头的使用寿命比常用的H13钢顶头提高300％以上，推广应用本发明顶头，可以提高钢管内表面质量，提高钢管生产效率，减轻工人劳动强度，降低钢管生产成本，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Claims (9)

1.一种穿孔机顶头表面强化方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、熔炼穿孔机顶头本体材料；
步骤2、对步骤1得到的熔炼的穿孔机顶头本体材料进行铸造成型，机械加工和热处理，得到穿孔机顶头；
步骤3、在步骤2得到的穿孔机顶头的工作部位表面制备耐磨涂层。
2.根据权利要求1所述的一种穿孔机顶头表面强化方法，其特征在于，所述步骤1具体采用中频感应电炉熔炼穿孔机顶头本体材料，熔炼温度为1620-1645℃。
3.根据权利要求1所述的一种穿孔机顶头表面强化方法，其特征在于，所述步骤1中穿孔机顶头本体材料按照质量百分比由以下原料组分构成：0.39-0.46％C，0.88-0.97％Cr，0.31-0.37％Mo，0.21-0.35％Si，0.80-0.95％Mn，0.05-0.08％Ti，0.003-0.006％B，0.042-0.069％Ce，<0.025％S，<0.028％P，余量Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种穿孔机顶头表面强化方法，其特征在于，所述步骤2具体为，采用砂型铸造方法浇注穿孔机顶头，所述浇注温度为1523-1536℃，对铸造后的穿孔机顶头经粗加工后，随炉加热至900-920℃，保温120-150分钟，然后进行油冷淬火，最后将油冷淬火后的穿孔机顶头进行回火热处理。
5.根据权利要求4所述的一种穿孔机顶头表面强化方法，其特征在于，所述对穿孔机顶头进行回火热处理具体为，将油冷淬火后的穿孔机顶头随炉加热至520-535℃，保温10-12小时，然后待炉冷至温度低于180℃后出炉空冷至室温。
6.根据权利要求1所述的一种穿孔机顶头表面强化方法，其特征在于，所述步骤3中采用同轴送合金粉末激光熔覆方式，在穿孔机顶头工作部位的表面上制备耐磨涂层。
7.根据权利要求6所述的一种穿孔机顶头表面强化方法，其特征在于，所述耐磨涂层厚度为1.5-2.5mm，合金粉末粒度为75-90μm。
8.根据权利要求6所述的一种穿孔机顶头表面强化方法，其特征在于，所述合金粉末按照质量百分比由以下原料组分构成：12.07-12.55％Co，0.16-0.25％C，18.04-18.55％Cr，0.03-0.05％B，0.06-0.09％Mg，3.06-3.19％S，15.37-15.64％Ni，6.28-6.66％Nb，<3.5％Fe，42.05-43.08％Mo。
9.根据权利要求6所述的一种穿孔机顶头表面强化方法，其特征在于，所述激光熔覆工艺参数具体为，激光功率：2000-2200W，扫描速度：5-6mm/s，光斑直径：5mm×5mm，送粉率：22-24g/min，氩气流量：16-18L/min。
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