CN112474808A - 一种无缝钢管穿孔顶头及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无缝钢管穿孔顶头及其制备方法，无缝钢管穿孔顶头包括穿孔顶头本体及其端部覆盖的高性能合金熔覆层，高性能合金熔覆层上覆盖有铁基合金熔覆层，以及后续氧化形成的氧化膜。无缝钢管穿孔顶头的制备方法包括确定穿孔顶头端部激光熔覆区域的长度，将顶头本体待激光选熔覆区域车削掉2‑7mm的厚度；采用激光熔覆技术在穿孔顶头端部熔覆高性能合金层，然后再在高性能合金表面熔覆与其呈冶金结合的铁基合金，将穿孔顶头整体放入加热炉中，在穿孔顶头表面生成氧化膜。本发明一方面可以显著提高穿孔顶头抵抗高温塑性变形能力，另一方面，可以有效降低和管坯之间的传热系数和摩擦系数，抑制穿孔顶头温度上升，防止穿孔过程中粘钢，从而大幅度提高无缝钢管穿孔顶头的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及穿孔顶头技术领域，具体来说，涉及一种无缝钢管穿孔顶头及其制备方法。
背景技术
穿孔顶头是无缝钢管生产中的重要工具，其工作过程中承受复杂的交变轧制力、摩擦力、热应力作用，极易发生塑性变形、龟裂、塌鼻和掉肉等缺陷，使用寿命较低，严重制约了钢管生产企业的产能，增加其生产成本，导致巨大的资源浪费。在穿孔顶头表面制备一定厚度的具有润滑和隔热作用的氧化膜，可以防止穿孔过程中发生粘钢，有效提高穿孔顶头的使用寿命。中国发明专利CN 104395006A公开了一种在穿孔顶头表面喷镀氧化皮膜的方法，其首先在穿孔顶头表面制备一层NiCr合金，然后在在NiCr合金表面喷镀氧化皮膜，以降低穿孔顶头和管坯之间的传热系数和摩擦系数，防止粘钢的发生。并且，NiCr合金层可以显著提高喷镀皮膜和顶头基体之间的结合力，从而提高穿孔顶头的使用寿命。然而，受基体材料高温强度不足的限制，穿孔顶头在使用过程中还是易发生塑性变形和塌鼻等缺陷，特别是在穿制高合金无缝钢管时，穿孔顶头的使用寿命甚至只有2-4支，此外，喷镀皮膜与NiCr合金呈现机械结合，结合强度低容易导致皮膜剥落。
在穿孔顶头表面制备高性能的合金是提高其高温性能的有效途径，中国发明专利CN 110205561A公开了一种强化无缝钢管穿孔顶头的方法，通过在穿孔顶头表面制备高合金含量的过渡层和强化层，并在强化层添加4%左右的镍包石墨和氧化钛粉末以提高穿孔顶头的使用寿命。然而，该发明公开的穿孔顶头表面强化层含合金元素含量较高，难以在其表面形成具有隔热和润滑作用的氧化膜。缺少氧化膜会导致穿孔顶头与无缝钢管之间热传导系数和摩擦系数升高，容易在穿孔过程中发生粘钢的现象。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种无缝钢管穿孔顶头及其制备方法，克服现有技术中的不足。
该方法在无缝钢管穿孔顶头端部先制备高性能合金层，然后再在高性能合金层表面激光熔覆与之呈冶金结合的铁基合金层，然后再整体氧化，形成一种复合结构穿孔顶头。其中，激光熔覆高性能合金层可以显著提高穿孔顶头高温强度和硬度，防止塑性变形和塌鼻问题。而高性能合金层表面的铁基熔覆层，可以克服高性能合金难以氧化的问题，通过后续氧化工艺，形成较厚的氧化层，而且氧化层与高性能合金层呈冶金结合，能够有效降低穿孔过程中顶头与钢管毛坯之间的摩擦系数和热传导系数，防止穿孔顶头表面温度升高，抑制穿孔过程中产生粘钢现象。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明一方面提供一种无缝钢管穿孔顶头，包括穿孔顶头本体，其特征在于，所述穿孔顶头本体端部覆盖有高性能合金熔覆层，所述高性能合金熔覆层上覆盖有铁基合金熔覆层，然后穿孔顶头再整体氧化在表面形成氧化膜。
本发明的另一方面还提供一种无缝钢管穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
S1、确定穿孔顶头本体端部激光选区熔覆区域的长度I，应该满足：L/5≤I≤L，其中L为穿孔顶头本体的总长度；
S2、根据激光熔覆加工余量，将穿孔顶头待激光熔覆区域车削掉2-7mm的厚度；
S3、采用激光熔覆技术在穿孔顶头本体端部熔覆高性能合金层，至达到其设定厚度；
S4、在高温合金熔覆层上激光熔覆与高性能合金呈冶金结合的铁基合金层，并加工至最终尺寸；
S5、将步骤S4得到的穿孔顶头整体放入加热炉中，升温至900-1100℃，通入氧化性介质，保温4-8小时，然后降温至800-900℃，出炉后空冷，在穿孔顶头基体表面生成0.5-1mm厚度的氧化膜。
进一步的，步骤S3中，所述高性能合金厚度为1.5-6mm。
进一步的，步骤S4中，所述铁基合金厚度为0.5-1mm。
进一步的，步骤S3中，所述高性能合金为铁基高温合金，各元素的质量百分比为C：0.3%-0.5%，Cr：27%-29%，Mo：4.5%-5.0%，Ni：16.0%-17.0%，Mn：0.5%-1.2%，余量为Fe。
进一步的，步骤S3中，所述高性能合金为镍基高温合金，各元素的质量百分比为C：0.05%-0.1%，Cr：16%-25%，Mo：2.0%-4.0%，Ni：16.0%-17.0%，Mo：2.0%-4.0%，Al：0.2%-1%,Ti：0.5%-1.2%, 余量为Ni。
进一步的，步骤S3中，所述高性能合金为钴基高温合金，各元素的质量百分比为：C：0.25%-1.5%, Cr：24%-29%，Mo：1.0%-5.0%, Ni：3.0%-11.0%, Si：1.0%-3.0%, Fe：2.0%-3.0%, 余量为Co。
进一步的，步骤S4中，所述铁基合金中各元素的质量百分比为C：0.2%, Cr： 2.0%,Ni：2.6%, Si：0.7%, Mn：1.5%，余量为Fe。
本发明的有益效果：本发明利用激光熔覆技术在无缝钢管穿孔顶头表面制备高性能的熔覆层，一方面可以显著提高穿孔顶头抵抗高温塑性变形能力；另一方面，高性能合金层之上，与之呈冶金结合的铁基合金层表面的氧化膜可以有效降低其和管坯之间的传热系数和摩擦系数，抑制穿孔顶头温度上升，防止穿孔过程中粘钢，从而大幅度提高无缝钢管穿孔顶头的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的一种无缝钢管穿孔顶头及其制备方法的穿孔顶头结构图。
图中：1、穿孔顶头本体；2、高性能合金熔覆层；3、铁基合金熔覆层；4、氧化膜。
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，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一方面提供一种无缝钢管穿孔顶头，如图1所示，包括穿孔顶头本体1，所述穿孔顶头本体1端部覆盖有高性能合金熔覆层2，所述高性能合金熔覆层2上覆盖有铁基合金熔覆层3，所述铁基合金熔覆层3上覆盖有氧化膜4并延伸至整个所述穿孔顶头本体1。
本发明的另一方面还提供一种无缝钢管穿孔顶头的制备方法，包括以下步骤：
S1、确定穿孔顶头本体端部激光选区熔覆区域的长度I，应该满足：L/5≤I≤L，其中L为穿孔顶头本体的总长度；
S2、根据激光熔覆加工余量，将穿孔顶头待激光熔覆区域车削掉2-7mm的厚度；
S3、采用激光熔覆技术在穿孔顶头本体端部熔覆高性能合金层，至达到其设定厚度；
S4、在高温合金熔覆层上激光熔覆与高性能合金呈冶金结合的铁基合金层，并加工至最终尺寸；
S5、将步骤S4得到的穿孔顶头整体放入加热炉中，升温至900-1100℃，通入氧化性介质，保温4-8小时，然后降温至800-900℃，出炉后空冷，在穿孔顶头基体表面生成0.5-1mm厚度的氧化膜。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S3中，所述高性能合金厚度为1.5-6mm。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S4中，所述铁基合金厚度为0.5-1mm。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S3中，所述高性能合金为铁基高温合金，各元素的质量百分比为C：0.3%-0.5%，Cr：27%-29%，Mo：4.5%-5.0%，Ni：16.0%-17.0%，Mn：0.5%-1.2%，余量为Fe。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S3中，所述高性能合金为镍基高温合金，各元素的质量百分比为C：0.05%-0.1%，Cr：16%-25%，Mo：2.0%-4.0%，Ni：16.0%-17.0%，Mo：2.0%-4.0%，Al：0.2%-1%, Ti：0.5%-1.2%, 余量为Ni。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S3中，所述高性能合金为钴基高温合金，各元素的质量百分比为：C：0.25%-1.5%, Cr：24%-29%，Mo：1.0%-5.0%, Ni：3.0%-11.0%, Si：1.0%-3.0%, Fe：2.0%-3.0%, 余量为Co。
在本发明的一个具体实施例中，步骤S4中，为保证良好的氧化效果，所述铁基合金中各元素的质量百分比为C：0.2%, Cr： 2.0%, Ni：2.6%, Si：0.7%, Mn：1.5%，余量为Fe。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
实施例1
采用激光熔覆技术在H13钢无缝管穿孔顶头表面制备铁基高温合金和铁基合金熔覆层，本实例的实施过程为：
S1：根据激光熔覆方案，将穿孔顶头本体总长度为L处车削掉7 mm的厚度；
S2：在穿孔顶头本体端部激光熔覆铁基高温合金，其组成成分的质量百分比为：C0.3%-0.5%，Cr 27%-29%，Mo 4.5%-5.0%，Ni 16.0%-17.0%，Mn 0.5%-1.2%，余量为Fe，激光熔覆层厚度为6.2 mm；
S3：在高温合金层表面激光熔覆铁基合金，其成份为：C 0.2, Cr 2.0, Ni 2.6,Si 0.7, Mn 1.5，厚度为0.8 mm，并预留机加工余量，用数控车床将激光熔覆后的穿孔顶头本体机加工至最终尺寸；
S4：将机加工后的穿孔顶头本体放入热处理炉，加热至900-1100℃，并通入氧化性气体，保温4-8小时，然后降温至800-900℃，出炉后空冷，在穿孔顶头基体和铁基合金熔覆层表面生成0.8 mm厚度的氧化膜。
实施例2
采用激光熔覆技术在H13钢无缝管穿孔顶头本体表面制备镍基高温合金和铁基合金熔覆层，本实例的实施过程为：
S1：根据激光熔覆方案，将穿孔顶头本体端部长度为L/5处车削掉2mm的厚度；
S2：在穿孔顶头本体端部激光熔覆镍基高温合金，其组成成分的质量百分比为：C0.05%-0.1%，Cr 16%-25%，Mo 2.0%-4.0%，Ni 16.0%-17.0%，Mo 2.0%-4.0%，Al 0.2%-1%, Ti0.5%-1.2%, 余量为Ni, 激光熔覆层厚度为1.5 mm；
S3：在高温合金层表面激光熔覆铁基合金，其组成成分的质量百分比为：C 0.2%,Cr 2.0%, Ni 2.6%, Si 0.7%, Mn 1.5%，厚度为0.5mm，并预留机加工余量，用数控车床将激光熔覆后的穿孔顶头本体机加工至最终尺寸；
S4：将机加工后的穿孔顶头本体放入热处理炉，加热至900-1100℃，并通入氧化性气体，保温4-8小时，然后降温至800-900℃，出炉后空冷，在穿孔顶头基体和铁基合金熔覆层表面生成0.5mm厚度的氧化膜。
实施例3
采用激光选区熔覆技术在20Cr2Ni3钢无缝管穿孔顶头本体表面制备钴基高温合金和铁基合金熔覆层，本实例的实施过程为：
S1：根据激光熔覆方案，将穿孔顶头本体端部长度为L/2处车削掉7 mm的厚度；
S2：在穿孔顶头本体端部激光熔覆钴基高温合金，其组成成分的质量百分比为：C0.25%-1.5%, Cr 24%-29%, Mo 1.0%-5.0%, Ni 3.0%-11.0%, Si 1.0%-3.0%, Fe 2.0%-3.0%, 余量为Co，激光熔覆层厚度为6 mm；
S3：在高温合金层表面激光熔覆铁基合金，其组成成分的质量百分比为：C 0.2%,Cr 2.0%, Ni 2.6%, Si 0.7%, Mn 1.5%，其厚度为1mm，并预留机加工余量，用数控车床将激光熔覆后的穿孔顶头本体机加工至最终尺寸；
S4：将机加工后的穿孔顶头本体放入热处理炉，加热至900-1100℃，并通入氧化性气体，保温4-8小时，然后降温至800-900℃，出炉后空冷，在穿孔顶头基体和铁基合金熔覆层表面生成1mm厚度的氧化膜。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，利用激光熔覆技术在无缝钢管穿孔顶头表面制备高性能的熔覆层，一方面可以显著提高穿孔顶头抵抗高温塑性变形能力；另一方面，高性能合金层之上，与之呈冶金结合的铁基合金层表面的氧化膜可以有效降低其和管坯之间的传热系数和摩擦系数，抑制穿孔顶头温度上升，防止穿孔过程中粘钢，从而大幅度提高无缝钢管穿孔顶头的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种无缝钢管穿孔顶头，包括穿孔顶头本体（1），其特征在于，所述穿孔顶头本体（1）端部覆盖有高性能合金熔覆层（2），所述高性能合金熔覆层（2）上覆盖有铁基合金熔覆层（3），所述铁基合金熔覆层（3）上覆盖有氧化膜（4）并延伸至整个所述穿孔顶头本体（1）。
2.一种无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定穿孔顶头本体端部激光熔覆区域的长度I，I应该满足：L/5≤I≤L，其中L为穿孔顶头本体的总长度；
S2、根据激光熔覆加工余量，将穿孔顶头本体待激光熔覆区域车削掉2-7mm的厚度；
S3、采用激光熔覆技术在穿孔顶头本体端部熔覆高性能合金层，至达到设定厚度；
S4、在高温合金熔覆层上激光熔覆与其呈冶金结合的铁基合金层，并加工至最终尺寸；
S5、将步骤S4得到的穿孔顶头本体整体放入加热炉中，升温至900-1100℃，通入氧化性介质，保温4-8小时，然后降温至800-900℃，出炉后空冷，在穿孔顶头本体基体表面生成0.5-1 mm厚度的氧化膜。
3.根据权利要求2所述的一种无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述高性能合金厚度为1.5-6mm。
4.根据权利要求2所述的一种无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述铁基合金厚度为0.5-1mm。
5.根据权利要求2所述的一种无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述高性能合金为铁基高温合金，各元素的质量百分比为C：0.3%-0.5%，Cr：27%-29%，Mo：4.5%-5.0%，Ni：16.0%-17.0%，Mn：0.5%-1.2%，余量为Fe。
6. 根据权利要求2所述的一种无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述高性能合金为镍基高温合金，各元素的质量百分比为C：0.05%-0.1%，Cr：16%-25%，Mo：2.0%-4.0%，Ni：16.0%-17.0%，Mo：2.0%-4.0%，Al：0.2%-1%, Ti：0.5%-1.2%, 余量为Ni。
7. 根据权利要求2所述的一种无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述高性能合金为钴基高温合金，各元素的质量百分比为：C：0.25%-1.5%, Cr：24%-29%，Mo：1.0%-5.0%, Ni：3.0%-11.0%, Si：1.0%-3.0%, Fe：2.0%-3.0%, 余量为Co。
8. 根据权利要求2所述的一种无缝钢管穿孔顶头的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述铁基合金中各元素的质量百分比为C：0.2%, Cr： 2.0%, Ni：2.6%, Si：0.7%, Mn：1.5%，余量为Fe。
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