CN112501522B - 一种耐高温穿孔顶头及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及一种耐高温穿孔顶头及其制备方法。本发明一种耐高温高压穿孔顶头质量百分比含量为：C：0.30‑0.40％、Cr：10.5‑11.7％、Mo：1.0‑2.0％、Ni：1.5‑3.0％、Re：0.1‑0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。通过在顶头表面镀ZrN膜的方式使得顶头具有优良的耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，使得顶头的整体工作性能得到大幅提高，而且有提高了顶头的寿命。

Description

一种耐高温穿孔顶头及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种耐高温穿孔顶头及其制备方法。
背景技术
穿孔顶头在钢管生产中发挥极其重要的作用，既要受到轧辊通过管坯变形传递的反复径向压应力、切向剪切应力等复合应力，又受到轧辊通过管坯前进过程而传递的轴向压应力，都会使得顶头表面发生相对运动而使其产生摩擦力，而且顶头与高温管坯相接触，虽有内水或外水的冷却作用，但是顶头在受到骤冷骤热的循环热应力，使得顶头的工作环境非常恶劣，常常发生塌鼻、粘钢、开裂等失效问题，研制耐高温耐高压的穿孔顶头已成为钢管生产的重要研究主题。
专利文件(公开号：CN104364414A)公开了一种穿孔顶头及穿孔顶头的制备方法，其通过以C、Si、Mn、Cu、Fe元素制备顶头主体，再通过在主体表面形成铁和铁氧化物的喷镀覆膜从而提高顶头的寿命，但是其耐磨性和耐高温性依然存在问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种成分优化的耐高温穿孔顶头。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种耐高温穿孔顶头，所述顶头成分质量百分比含量为C：0.30-0.40％、Cr：10.5-11.7％、Mo：1.0-2.0％、Ni：1.5-3.0％、Re：0.1-0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。
在上述的一种耐高温穿孔顶头中，所述顶头成分质量百分比含量为：C：0.35-0.38％、Cr：10.8-11.0％、Mo：1.3-1.6％、Ni：2.0-2.3％、Re：0.15-0.2％，余量为Fe及不可避免的杂质。
在上述的一种耐高温穿孔顶头中，所述顶头成分质量百分比含量为：C：0.36％、Cr：10.9％、Mo：1.38％、Ni：2.1％、Re：0.18％，余量为Fe及不可避免的杂质。
在上述的一种耐高温穿孔顶头中，所述顶头成分质量百分比含量为：C：0.38％、Cr：10.8％、Mo：1.45％、Ni：2.0％、Re：0.15％，余量为Fe及不可避免的杂质。
在上述的一种耐高温穿孔顶头中，所述不可避免的杂质小于0.02％。杂质为Si、S、P元素，在一般的合金钢中，硅元素可以提高合金钢总体的高温性能，强化奥氏体晶粒，在本发明的成分含量的限定范围内，如果再添加硅元素，硅元素容易氧化成二氧化硅，而二氧化硅容易粘在顶头的表面，很容易使得顶头表面保护膜受损和剥落，所以在本发明中应尽量降低硅元素含量。
碳元素可以与其他合金元素形成碳化物从而提高顶头的强度与硬度，在高温、热应力和达到复合变交应力下，要求顶头具有好的高温强度和红硬性，碳含量过低的话不能满足顶头的强度要求，碳含量过高又会使顶头出现早期裂纹，降低顶头寿命，本发明中碳控制在0.30-0.40％。
铬元素可以提高顶头的高温性能，特别是高温抗氧化能力和抗高温蠕变性，过量的铬反而会导致顶头的韧性和塑形降低，本发明控制铬元素含量为10.5-11.7％，与其他元素协同作用下，大大地提高了顶头的高温抗氧化能力和抗高温蠕变性。
镍元素的添加可以抑制奥氏体发生珠光体转变，提高顶头的淬透性，从而提高顶头的强度和硬度，同时还能提高顶头的塑形和韧性，本发明中镍含量控制在1.5-3.0％，过量的镍反而会导致顶头硬度和韧性的降低，而且增加了成本。
钼元素的添加主要是为了细化顶头的晶粒，提高晶界强度，还能提高顶头的高温强度和红温性通过与镍元素协同抑制奥氏体发生珠光体转变，大大提高了顶头的强度和硬度，经试验本发明将钼元素控制在1.0-2.0％可以发挥钼元素的最大效益。
稀土元素铼控制在0.1-0.3％时，顶头的金相组织达到最佳，顶头的屈服强度、硬度、冲击韧性全面提升，断口由沿晶断裂为主变为韧性穿晶断裂为主，氧化膜更加致密，且氧化膜与顶头存在一个较宽的过渡区，强化了膜与顶头的结合力。当元素铼含量超过0.3％时，顶头金相组织有较多的夹杂，贝氏体铁素体呈长条状。元素铼还提高了顶头寿命，主要得益于铼元素还能对钢液的除气、净化起积极作用，结合其改善夹杂形态的作用、改善异质形核所致的细化晶粒的作用及改善偏聚晶界所致的强化晶界的作用，使得顶头的综合性能得到大幅提升。
本发明还提供了一种耐高温穿孔顶头的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)按所述穿孔顶头的组成元素及质量百分比配制原料；
(2)将原料进行冶炼、精炼、浇注，加工成型；
(3)将加工成型的穿孔顶头进行热处理，机加工后在镀膜机进行顶头表面ZrN镀膜处理得成品穿孔顶头。
在上述的一种耐高温高压穿孔顶头的制备方法中，所述机加工后还用磷化液使顶头形成粗糙的磷化膜。
在上述的一种耐高温高压穿孔顶头的制备方法中，所述磷化液的成分质量百分比含量为：磷酸20-25％、氧化锌5-8％、硝酸锰8-10％、十二烷醇9-11％，余量为水。
机加工后顶头表面光滑无污渍，特制磷化液可以在顶头表面形成一层均匀粗糙且不易生锈的灰色磷化膜，在后续热处理过程中起到很好的保护作用，且能把顶头表面的活性降到最低，把腐蚀反应降到最低限度。
在上述的一种耐高温穿孔顶头的制备方法中，所述热处理为将加工成型的顶头加热至900-920℃退火，保温2-3h，然后在320-330℃时出炉冷却。
在上述的一种耐高温穿孔顶头的制备方法中，所述ZrN镀膜处理靶电压为450-500V,靶功率为25-30W/CM2，脉冲偏压为160-180V，占空比75-85％，镀膜时间为20-25min。
为了提高顶头的耐磨性能，本发明在顶头表面进行ZrN镀膜，在镀膜过程中用离子轰击对顶头表面清洗去除污染层，形成共混的过渡层，而且离子轰击产生的热效应可以进一步提高膜层和顶头的结合强度，而且当温度适当的时候镀料原子向顶头内部扩散，达到了离子渗镀，使得膜层和顶头达到最佳的结合强度。ZrN膜摩擦系数小、化学稳定，具有优良的耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，使得顶头的工作性能得到大幅提高，而且有提高了顶头的寿命。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过配制特定的组分和质量百分比的原来来提高穿孔顶头的抗温性能，利用特制磷化液在顶头表面形成磷化膜强化顶头耐磨度，通过在顶头表面镀ZrN膜的方式使得顶头具有优良的耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，使得顶头的整体工作性能得到大幅提高，而且有提高了顶头的寿命。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
表1：实施例1-4制备穿孔顶头的成分质量比含量
Figure BDA0002764292260000041
Figure BDA0002764292260000051
实施例1
按照表1实施例1中所述穿孔顶头的组成元素及质量百分比配制原料，将原料进行冶炼、精炼、浇注，加工成型；对加工成型的顶头进行机加工，用磷化液使顶头表面形成磷化膜，磷化液成分质量百分比含量为：磷酸22％、氧化锌6％、硝酸锰9％、十二烷醇10％，余量为水。将顶头加热至900℃退火，保温2h，然后在320℃时出炉冷却，进行机加工，在镀膜机进行ZrN镀膜处理得成品穿孔顶头，镀膜机靶电压为450V,靶功率为25W/CM2，脉冲偏压为180V，占空比80％，镀膜时间为25min。
实施例2
按照表1实施例2中所述穿孔顶头的组成元素及质量百分比配制原料，将原料进行冶炼、精炼、浇注，加工成型；对加工成型的顶头进行机加工，用磷化液使顶头表面形成磷化膜，磷化液成分质量百分比含量为：磷酸22％、氧化锌6％、硝酸锰9％、十二烷醇10％，余量为水。将顶头加热至910℃退火，保温2.5h，然后在325℃时出炉冷却，进行机加工，在镀膜机进行ZrN镀膜处理得成品穿孔顶头，镀膜机靶电压为450V,靶功率为25W/CM2，脉冲偏压为180V，占空比80％，镀膜时间为25min。
实施例3
按照表1实施例3中所述穿孔顶头的组成元素及质量百分比配制原料，将原料进行冶炼、精炼、浇注，加工成型；对加工成型的顶头进行机加工，用磷化液使顶头表面形成磷化膜，磷化液成分质量百分比含量为：磷酸22％、氧化锌6％、硝酸锰9％、十二烷醇10％，余量为水。将顶头加热至920℃退火，保温3h，然后在330℃时出炉冷却，进行机加工，在镀膜机进行ZrN镀膜处理得成品穿孔顶头，镀膜机靶电压为460V,靶功率为25W/CM2，脉冲偏压为180V，占空比80％，镀膜时间为25min。
实施例4
按照表1实施例4中所述穿孔顶头的组成元素及质量百分比配制原料，将原料进行冶炼、精炼、浇注，加工成型；对加工成型的顶头进行机加工，用磷化液使顶头表面形成磷化膜，磷化液成分质量百分比含量为：磷酸22％、氧化锌6％、硝酸锰9％、十二烷醇10％，余量为水。将顶头加热至910℃退火，保温2.5h，然后在325℃时出炉冷却，进行机加工，在镀膜机进行ZrN镀膜处理得成品穿孔顶头，镀膜机靶电压为480V,靶功率为28W/CM2，脉冲偏压为170V，占空比80％，镀膜时间为22min。
实施例5：
与实施例1的区别，仅在于，实施例5未使用磷化液使顶头形成粗糙的磷化膜。
对比例1
与实施例1的区别，仅在于，对比例1未进行ZrN镀膜处理。
将本发明实施例1-5、对比例1中制得的穿孔顶头性能进行比较，比较结果如表2所示。
表2：实施例1-5，对比例1制得穿孔顶头的机械性能结果
Figure BDA0002764292260000061
Figure BDA0002764292260000071
综上所述，本发明通过配制特定的组分和质量百分比的原来来提高穿孔顶头的抗温性能，通过在顶头表面镀ZrN膜的方式使得顶头具有优良的耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，使得顶头的整体工作性能得到大幅提高，而且有提高了顶头的寿命。
本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)，而各个参数之间并不存在严格的配合与限定关系，其中各参数在不违背公理以及本发明述求时可以相互替换，特别声明的除外。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。以上所述是本发明的具体实施方式，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种耐高温穿孔顶头，其特征在于，所述顶头成分质量百分比含量为：C：0.36%、Cr：10.9%、Mo：1.38%、Ni：2.1%、Re：0.18%，余量为Fe及不可避免的杂质；所述不可避免的杂质小于0.02%；
所述穿孔顶头的制备方法包括如下步骤：
（1）按所述穿孔顶头的组成元素及质量百分比配制原料；
（2）将原料进行冶炼、精炼、浇注 ，加工成型；
（3）将加工成型的穿孔顶头进行热处理，进行机加工，在镀膜机进行ZrN镀膜处理得成品穿孔顶头；
所述热处理为将加工成型的顶头加热至900℃退火，保温2h，然后在320℃时出炉冷却；
所述ZrN镀膜处理靶电压为450V,靶功率为25W/CM2，脉冲偏压为180V，占空比80%，镀膜时间为25min；
所述机加工后还用磷化液使顶头表面形成磷化膜；
所述磷化液的成分质量百分比含量为：磷酸 22%、氧化锌6%、硝酸锰9%、十二烷醇 10%，余量为水。
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