CN111996452A - 高合金无缝钢管穿孔顶头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高合金无缝钢管穿孔顶头及其制备方法，其材料化学元素质量百分比为：C：0.15～0.25％；Si：0.25～0.60％；Mn：0.30～1.00％；Mo：0.80～1.50％；Cr：1.00～1.50％；Ni：2.50～3.50％；Co：1.00～1.50％；W：0.10～0.50％；其中Ni和Co的质量比满足2<Ni/Co<3，余量为Fe和其他不可避免的杂质。本发明穿孔顶头及其制备方法，包括顶头毛坯准备和机加工后的穿孔顶头表面氧化过程。本发明设计一种长寿命的高合金无缝钢管穿孔顶头的元素组成，通过合理配比的Co、Ni等合金元素的成分设计和工艺设计，有效改善顶头的外层氧化结构，提高了顶头使用寿命。

Description

高合金无缝钢管穿孔顶头及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高合金无缝钢管穿孔顶头的制造方法，特别是一种含Co穿孔顶头，以及顶头使用寿命的制造方法。

背景技术

穿孔顶头，简称“顶头”，是无缝钢管生产过程中的主要工具。极大的轴向力、压应力、切应力以及表面摩擦力的工作环境使其消耗费巨大。随着高合金无缝钢管的需求逐年增加，产品合金元素含量大幅提高，穿孔过程的变形抗力显著增大，致使顶头过早失效现象显著增多，例如穿孔13Cr高合金钢管，目前每只顶头仅能穿管1-2只，使用寿命极低，如何提高顶头的使用寿命成为急需解决的问题。

在合金钢顶头表面制取起润滑和隔热作用的致密氧化膜，是提高顶头使用寿命的关键。而顶头的材质和氧化工艺是提高表层氧化膜质量的决定因素。采用酒精和水的氧化气氛进行处理的顶头致密性及附着性良好，表面脱碳倾向小，为广泛应用的可控气氛氧化法。顶头表面制取的氧化膜一般为双层结构，外层为脆性大、易脱落的Fe₂O₃，内层主要为(Fe、Cr)₃O₄和FeO。

改善外层氧化膜的结构是提高顶头使用寿命较有效的方法。公开号为CN109207904A的专利申请公开了一种无缝钢管穿孔顶头制造方法，通过调整酒精/水的比例，设计了先氧化后还原的两段式表面处理工艺，使得外层的Fe₂O₃还原为FeO，有效地改善了外层氧化膜的韧性，大幅提高了顶头的使用寿命。然而这种工艺获得的氧化膜依然具有清晰的两层氧化膜结构，在穿孔过程的外力作用下还是易于剥离而脱落。

公开号为CN109487170A的专利申请公开了一种高穿孔寿命的顶头及其制造方法，公开了一种添加Nb的顶头合金成分，其顶头表面形成氧化膜，其氧化膜具有由Nb形成的大量深入基体的接合角，从而提到氧化膜的附着力，提高顶头的使用寿命，。公开号为CN105369151A的专利申请公开了一种无缝钢管制造用穿孔顶头，公开了一种添加了大量Mo以及W合金元素的顶头材质，使高温强度和氧化皮性状提高，但成本过高。公开号为CN103849821A的专利申请公开了一种高合金钢含钴顶头，公开了一种含Cr、Ni、Co、Si、Mn、Mo、W、Nb等多种合金元素的顶头材质，见如下表1，大大提高了顶头的使用寿命，但化学成分宽泛，产品质量难以稳定控制，且制造成本过高。

上述专利文献所公开的技术方案所涉及的顶头成分设计，虽然对顶头寿命有一定的提升，但氧化膜依然为明显的两层结构，没有改善外层易脱落的技术问题，顶头的使用寿命难以稳定控制。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种高合金无缝钢管穿孔顶头及其制备方法，设计一种长寿命的高合金无缝钢管穿孔顶头的元素组成，通过合理配比的Co、Ni等合金元素的成分设计和工艺设计，有效改善顶头的外层氧化结构，进而达到提高顶头使用寿命的目的。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种高合金无缝钢管穿孔顶头，其化学元素质量百分比为：

C：0.15～0.25％；

Si：0.25～0.60％；

Mn：0.30～1.00％；

Mo：0.80～1.50％；

Cr：1.00～1.50％；

Ni：2.50～3.50％；

Co：1.00～1.50％；

W：0.10～0.50％；

其中Ni和Co的质量比满足关系式：2<Ni/Co<3，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

优选地，高合金无缝钢管穿孔顶头化学元素质量百分比为：

C：0.18～0.25％；

Si：0.35～0.45％；

Mn：0.50～1.00％；

Mo：0.80～1.10％；

Cr：1.15～1.50％；

Ni：3.20～3.50％；

Co：1.30～1.50％；

W：0.30～0.50％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

优选地，高合金无缝钢管穿孔顶头以Ni和Co形成复合粘结剂；Ni主要滞留在穿孔顶头的内层氧化膜中，并且Ni在穿孔顶头的内层氧化膜中主要以单质形式存在，Ni在穿孔过程中起到对内层氧化膜粘结剂的作用；而Co原子从穿孔顶头的内层扩散到穿孔顶头的外层氧化膜中，使Co²⁺部分替代Fe₃O₄中的Fe²⁺，并以Fe₂CoO₄的形式扩散到外层氧化膜并滞留在外层氧化膜中，从而通过Ni和Co的联合作用，在穿孔过程中起到对外层氧化膜粘结剂的作用；使穿孔顶头基体、内层氧化膜和外层氧化膜粘结在一起。

一种本发明高合金无缝钢管穿孔顶头的制备方法，包括如下步骤：

a.顶头毛坯准备：

按照目标制备的高合金无缝钢管穿孔顶头的材料的成分和化学元素质量百分比，称量含有各元素的原料，然后将上述原料放入中频炉熔化，通过砂型铸造浇注成顶头毛坯，或经锻造成顶头毛坯，冷却后经软化退火后机加工成型，退火温度为800-900℃，得到穿孔顶头毛坯；

b.机加工后的穿孔顶头表面氧化方法为：

将炉温升至800～850℃，放入待氧化的穿孔顶头毛坯，随即滴注50-70ml/min的酒精；加热至950-1150℃，进行氧化保温处理，控制炉内滴定液C₂H₅OH与H₂O的配比为1:7～1:4之间的体积比，控制炉内氧化势为800～950mV，并保温3-5小时；然后停止加热，关闭电源，将处理过的顶头随炉冷却到600～800℃，出炉，空冷至室温，得到高合金无缝钢管穿孔顶头产品。

本发明顶头组成成分设计原理如下所述：

C：为碳化物形成元素，可以通过固溶强化和析出强化，提高顶头的高温强度和硬度。但是C过高，会导致顶头的韧性下降，使其容易开裂而失效。综合考虑，在本发明所述的穿孔顶头中将C的成分控制在0.15～0.25％之间。

Si：有利于形成致密的氧化膜和提高基体的强度，但是含量过高，使其韧性下降。综合考虑，在本发明所述的穿孔顶头中将Si的成分控制在0.25～0.60％之间。

Mn：可以提高基体的热强度和耐磨性，但含量过高容易导致成分偏析造成基体材料各处组织性能不同，使其容易失效。综合考虑，在本发明所述的穿孔顶头中将Mn的成分控制在0.30～1.0％之间。

Mo：通过形成碳化物、固然强化、弥散强化等形式提高顶头的回火稳定性和高温强度效果明显，但其价格昂贵。综合考虑，在本发明所述的穿孔顶头中将Mo的成分控制在0.80～1.50％之间。

Cr：有利于形成致密氧化膜和提高基体高温强度，但过高会影响氧化膜厚度。因此，在本发明所述的穿孔顶头中将Cr的成分控制在1～1.5％之间。

Ni：以提高基体的高温强度和淬透性，形成结合力好，致密的氧化膜，Ni在内层氧化膜中以单质形式存在，在穿孔过程中起到对内层氧化膜粘结剂的作用。综合考虑，在本发明所述的穿孔顶头中将Ni的成分控制在2.5～3.5％之间。

Co：可以提高基体的热强性和高温硬度。Co可扩散到外层氧化膜，降低内外层氧化膜的强度差异性。在轧制过程中，Co可以起到对外层氧化膜粘结剂的作用，使外层氧化膜不易脱落，从而提高顶头的使用寿命。综合考虑，在本发明所述的穿孔顶头中将Co的成分控制在1.0～1.5％之间。

W通过形成碳化物、固然强化、弥散强化等形式提高基体的红硬性、热强性、耐磨性和耐高温性能。但是含量过高不仅会促进基体的内氧化，还会促进外层氧化膜尖晶石相的形成。综合考虑，在本发明所述的穿孔顶头中将W的成分控制在0.1～0.5％之间。

本发明主要的创新点在于添加Co和Ni的合理匹配，要求2<Ni/Co<3，以改善内层和外层氧化膜的硬度，提高氧化膜的附着性。众所周知，Co可以提高基体的热强性和高温硬度。但在C₂H₅OH-H₂O滴注气氛制备氧化膜的过程，Co的氧化行为却与Ni不同。Ni一般都会滞留在内层氧化膜，不会扩散在外层。而Co会在氧化的过程，先是形成CoO，然后Co²⁺会替代Fe₃O₄中的Fe²⁺，接着以Fe₂CoO₄的形式扩散到外层并滞留在外层。这样CoO会降低外层氧化膜硬度，并且还可以起到黏结剂的作用，改善了外层氧化膜的结构，达到提高外层氧化膜的利用率，从而提高顶头使用寿命的目的。另外，本发明不含Ti、Nb、V等元素，这些元素在顶头中以碳化物形式存在，在顶头表面处理过程中会因氧化脱碳造成的基体强度下降，从而会导致的对表面氧化膜支撑力不足而引起顶头过早失效。本发明不仅避免了上述缺点，还大大降低了生产成本。

表1本发明和现有发明的对比表

由表1可见，本发明化学配比与现有发明完全不同，本发明所述的无缝钢管穿孔顶头由于采用了上述技术方案，不含有Nb等贵合金元素，并严格控制其他合金元素的含量，使其生产成本相对较低。同时，通过Co和Ni的合理匹配，使其在氧化过程中扩散到外层氧化膜，改善了外层氧化膜的结构。因此，所获得的顶头的外层养护膜更不易脱落，大幅提高顶头的使用寿命而且制造成本低。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明高合金无缝钢管穿孔顶头能改善内外层氧化膜的区别，使内外氧化膜不再有明显了分界，这样在钢管穿孔过程中，使氧化膜不易脱落，提高顶头的使用寿命；

2.本发明Co元素扩散到外层，在穿管过程中，可以起到黏结剂的作用，使氧化物紧密的粘合在一起，不易脱落，大幅度提高了顶头的使用寿命和服役能力；

3.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。

附图说明

图1是本发明高合金无缝钢管穿孔顶头的Co、Ni由基体向外扩散示意图。

图2是本发明实施例一高合金无缝钢管穿孔顶头和普通材质穿孔顶头的氧化膜截面金相组织效果图对比。其中图2(a)为本发明无缝钢管穿孔顶头的氧化膜截面金相组织效果图，图2(b)为普通材质穿孔顶头的氧化膜截面金相组织效果图。

图3是本发明实施例一高合金无缝钢管穿孔顶头的外层氧化膜中的Co颗粒微观显微镜照片，图中标识A、B、C颗粒皆为Co颗粒。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，表2给出本实施例所述的穿孔顶头合金成分为按本发明配制的合金，对比例B1为传统顶头材质合金元素配制的合金，均采用下述方法制得，其中合金元素质量百分配比如表2所示，A1为本实施例穿孔顶头，B1为本实施例的对比例。

表2.顶头合金元素配比表

序号	C	Si	Mn	Cr	Mo	W	Ni	Co	穿孔钢管数
										A1	0.15	0.60	0.3	1	1.5	0.1	3.0	1.0	18
A2	0.21	0.35	0.8	1.35	1.3	0.2	2.5	1.2	16
										A3	0.25	0.25	1.0	1.5	0.8	0.5	3.5	1.3	21
A4	0.18	0.45	0.5	1.15	1.1	0.3	3.2	1.5	23
										B1	0.20	0.35	0.90	1.50	0.80		3.00		2
B2	0.30	0.5	0.5	1.0	1.5	2.0	2.0	1.3	5

本实施例高合金无缝钢管穿孔顶头的制备方法，包括如下步骤：

a.顶头毛坯准备：

按照上述目标制备的高合金无缝钢管穿孔顶头的材料的成分和化学元素质量百分比，称量含有各元素的原料，然后将上述原料放入中频炉熔化，通过砂型铸造浇注成顶头毛坯，或经锻造成顶头毛坯，冷却后经软化退火后机加工成型，退火温度为800-900℃，得到穿孔顶头毛坯；

b.机加工后的穿孔顶头表面氧化方法为：

将炉温升至800～850℃，放入待氧化的穿孔顶头毛坯，随即滴注50-70ml/min的酒精；加热至950-1150℃，进行氧化保温处理，控制炉内滴定液C₂H₅OH与H₂O的配比为1:7～1:4之间的体积比，控制炉内氧化势为800～950mV，并保温3-5小时；然后停止加热，关闭电源，将处理过的顶头随炉冷却到600～800℃，出炉，空冷至室温，得到高合金无缝钢管穿孔顶头产品。本实施例制备的顶头合金为A1、A2、A3、A4，参加表2。图3是本实施例高合金无缝钢管穿孔顶头的外层氧化膜中的Co颗粒微观显微镜照片，图中标识A、B、C颗粒皆为Co颗粒，可见Co扩散到达外层氧化膜。

实施例二

在本实施例中，表2给出本实施例所述的穿孔顶头合金成分为按本发明配制的合金，对比例B1为传统顶头材质合金元素配制的合金，均采用实施例一方法制得，其中合金元素质量百分配比如表2所示，A2为本实施例穿孔顶头，B1为本实施例的对比例。

实施例三

在本实施例中，表2给出本实施例所述的穿孔顶头合金成分为按本发明配制的合金，对比例B1为传统顶头材质合金元素配制的合金，均采用实施例一方法制得，其中合金元素质量百分配比如表2所示，A3为本实施例穿孔顶头，B1为本实施例的对比例。

实施例四

在本实施例中，表2给出本实施例所述的穿孔顶头合金成分为按本发明配制的合金，对比例B1为传统顶头材质合金元素配制的合金，均采用实施例一方法制得，其中合金元素质量百分配比如表2所示，A4为本实施例穿孔顶头，B1为本实施例的对比例。

对比例一

本对比例为穿孔顶头B1。

对比例二

本对比例与对比例一不同，本对比例为穿孔顶头B2。本对比例的顶头的C的质量百分比含量为0.30％，超过上述实施例的C的质量百分比最高比例实施例三中的A3的C的质量百分比。W的质量百分比含量为2.00％，大大超过上述实施例的W的质量百分比最高比例实施例三中的A3的W的质量百分比。

实验测试分析：

应用砂轮切割机和线切割机切取上述实施例和对比例的顶头作为样品，将样品经清洗、烘干、镶嵌、打磨、抛光后备用。使用光学显微镜观察表面组织。

上述实施例实现了添加Co和Ni的合理匹配，要求2<Ni/Co<3，以改善内层和外层氧化膜的硬度，提高氧化膜的附着性。Co提高基体的热强性和高温硬度。在C₂H₅OH-H₂O滴注气氛制备氧化膜的过程，Co的氧化行为却与Ni不同。Ni主要滞留在内层氧化膜，不会扩散在外层。而Co会在氧化的过程，先是形成CoO，然后Co²⁺会替代Fe₃O₄中的Fe²⁺，接着以Fe₂CoO₄的形式扩散到外层并滞留在外层，如附图1所示。这样CoO会降低外层氧化膜硬度，并且还可以起到黏结剂的作用，改善了外层氧化膜的结构，达到提高外层氧化膜的利用率，从而提高顶头使用寿命的目的。另外，本发明不含Ti、Nb、V等元素，这些元素在顶头中以碳化物形式存在，在顶头表面处理过程中会因氧化脱碳造成的基体强度下降，从而会导致的对表面氧化膜支撑力不足而引起顶头过早失效。本发明不仅避免了上述缺点，还大大降低了生产成本。

实施例的对比效果图如图2所示。实施例与对比例对比可知，采用上述实施例的化学成分，可以改善内外层氧化膜的区别，使内外氧化膜不再有明显了分界。这样在钢管穿孔过程中，使氧化膜不易脱落，提高顶头的使用寿命。其次Co元素扩散到外层，在穿管过程中，可以起到黏结剂的作用，使氧化物紧密的粘合在一起，不易脱落，大幅度提高了顶头的使用寿命。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高合金无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，其化学元素质量百分比为：

C：0.15～0.25％；

Si：0.25～0.60％；

Mn：0.30～1.00％；

Mo：0.80～1.50％；

Cr：1.00～1.50％；

Ni：2.50～3.50％；

Co：1.00～1.50％；

W：0.10～0.50％；

其中Ni和Co的质量比满足关系式：2<Ni/Co<3，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述高合金无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，其化学元素质量百分比为：

C：0.18～0.25％；

Si：0.35～0.45％；

Mn：0.50～1.00％；

Mo：0.80～1.10％；

Cr：1.15～1.50％；

Ni：3.20～3.50％；

Co：1.30～1.50％；

W：0.30～0.50％；余量为Fe和其他不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述高合金无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，以Ni和Co形成复合粘结剂；Ni主要滞留在穿孔顶头的内层氧化膜中，并且Ni在穿孔顶头的内层氧化膜中主要以单质形式存在，Ni在穿孔过程中起到对内层氧化膜粘结剂的作用；而Co原子从穿孔顶头的内层扩散到穿孔顶头的外层氧化膜中，使Co²⁺部分替代Fe₃O₄中的Fe²⁺，并以Fe₂CoO₄的形式扩散到外层氧化膜并滞留在外层氧化膜中，从而通过Ni和Co的联合作用，在穿孔过程中起到对外层氧化膜粘结剂的作用；使穿孔顶头基体、内层氧化膜和外层氧化膜粘结在一起。

4.一种权利要求1所述高合金无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.顶头毛坯准备：

按照目标制备的高合金无缝钢管穿孔顶头的材料的成分和化学元素质量百分比，称量含有各元素的原料，然后将上述原料放入中频炉熔化，通过砂型铸造浇注成顶头毛坯，或经锻造成顶头毛坯，冷却后经软化退火后机加工成型，退火温度为800-900℃，得到穿孔顶头毛坯；

b.机加工后的穿孔顶头表面氧化方法为：

将炉温升至800～850℃，放入待氧化的穿孔顶头毛坯，随即滴注50-70ml/min的酒精；加热至950-1150℃，进行氧化保温处理，控制炉内滴定液C₂H₅OH与H₂O的配比为1:7～1:4之间的体积比，控制炉内氧化势为800～950mV，并保温3-5小时；然后停止加热，关闭电源，将处理过的顶头随炉冷却到600～800℃，出炉，空冷至室温，得到高合金无缝钢管穿孔顶头产品。

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