CN114250431A - 一种无缝钢管顶头及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无缝钢管顶头及其制备方法，主要解决现有无缝钢管顶头硬度低、耐温性能差和磨损性能差的技术问题。技术方案为：一种无缝钢管顶头，由35CrMo基体和钴基喷涂层组成，钴基喷涂层覆在35CrMo基体表面，钴基喷涂层的厚度为0.30～0.50mm，钴基喷涂层的化学成分重量百分比为：Co：10.0～15.0％，C：1.0～1.5％，Cr：25～30％，W：10～12％，Si<1.0，B<1.0，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明无缝钢管顶头的表面硬度值为1000～1200HV，无缝钢管顶头钴基喷涂层的表面粗糙度为2.5～3.0μm，无缝管顶头使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种无缝钢管穿孔机顶头，特别涉及一种无缝钢管顶头及其制备方法，具体地而言，涉及表面覆有Co基耐磨材料的无缝钢管顶头及其制备方法，属于金属材料、金属材料表面处理和无缝钢管穿孔机穿孔顶头技术领域。
背景技术
现有的无缝钢管生产中穿孔顶头的工作条件是相当恶劣的。在穿孔过程中,顶头直接跟高温管坯内壁相接触，和管坯反向旋转，顶头要承受压应力、切应力、表面摩擦力的作用，其表面工作温度在900℃以上，每穿一次钢管，顶头都要用水急冷一次，因此极易发生粘钢、塌鼻、开裂等失效，同时会造成管坯表面受到损伤，从而影响产品质量和生产效率。
公开号为CN101596551A的中国专利文件公开了一种双合金涂层无缝钢管顶头及制备方法，通过对铸造的顶头进行机械加工，在顶头的外表面为激光熔覆工艺预留1.0-3.0mm的熔覆厚度；用镍基或钴基合金进行鼻部顶端的激光熔覆；对鼻部侧面以及工作部进行激光熔覆，熔覆粉末用镍基或钴基合金，然后激光不间断用铁基合金连续完成矫直部，制备无缝钢管顶头。但采用该工艺方法制备的熔覆层组织均匀性较难控制，容易产生元素的偏析现象。
申请公布号为CN104275439A的中国专利文件公开了一种无缝钢管顶头的制造工艺，通过制蜡模-制泥模-风干-焙烧-浇铸这些步骤，制造出无缝钢管顶头的方法。该工艺方法制造成本较高，且浇筑过程中不可避免的会产生一些组织缺陷。
现有技术中未公开通过表面热喷涂制备无缝钢管顶头的技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种无缝钢管顶头及其制备方法，主要解决现有无缝钢管顶头硬度低、耐温性能差和磨损性能差的技术问题。
本发明采用的技术方案是，一种无缝钢管顶头，由35CrMo基体和钴基喷涂层组成，钴基喷涂层覆在35CrMo基体表面，钴基喷涂层的厚度为0.30～0.50mm，钴基喷涂层的化学成分重量百分比为：Co：10.0～15.0％，C：1.0～1.5％，Cr：25～30％，W：10～12％，Si<1.0，B<1.0，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步，无缝钢管顶头的35CrMo基体表面设有螺旋状沟槽，螺旋状沟槽的深度为4.0mm，螺旋状沟槽的螺距为8.0mm。
本发明顶头表面设有螺旋状沟槽，能有效的减小转动阻力，可以有效延长顶头在线使用时间。
进一步，所述基体由35CrMo材料制成，其可以为顶头提供足够的结构强度。
无缝钢管顶头的表面硬度值为1000～1200HV，无缝钢管顶头钴基喷涂层的表面粗糙度为2.5～3.0μm，无缝管顶头的钴基喷涂层与35CrMo基体间的抗拉强度为1100～1300MPa。
本发明所述的高耐磨无缝管顶头的钴基喷涂层化学成分限定在上述范围内的理由如下：
钴：能够显著提升材料的热强性和高温硬度，但过多钴的加入会引起涂层材料塑性和冲击韧性的下降。因为，本发明将钴控制在10.0-15.0％。
碳：是保证材料所需强度的重要元素，碳含量过低，强度不够，无法满足涂层强度要求。碳含量过高，碳化物在铁素体晶界和晶粒内部大量沉淀析出，碳化物与母相结合的界面往往成为冲击过程中微裂纹萌发点，导致涂层韧性下降。为了保证顶头表面涂层的韧性和基本的强度要求。因此，本发明将碳控制在1.0-1.5％。
铬：涂层中铬的加入可以提升涂层强度及抗腐蚀性能，但加入过多时会降低涂层的冲击韧性，所以，本发明将铬控制在25-30％。
钨：在涂层中加入钨，可与碳形成碳化钨固溶增强相，显著提升涂层的强度，又因为钨的熔点达到3300℃以上，可增强涂层的高温稳定性，但过多的钨加入会降低涂层的韧性，且碳化钨固溶增强相易成为涂层中的裂纹源，因此，本发明将钨控制在10-12％。
硅：硅是使材料强度提高的元素，但硅的含量增加会增加涂层在冷却过程中产生裂纹的几率。因此，本发明中硅的含量控制在合理范围内，即小于1.0％。
硼：适当硼含量的添加，可以有效地粗化铁素体晶粒，进而以相对低的退火温度实现材料强度的降低，提高材料的冲压韧性。但硼含量也不能过高，否则在奥氏体晶界上会出现一种使钢变脆的网状分布的沉淀相析出，导致高温“硼脆”。综上，本发明控制钢中B含量为：小于1.0％。
上述无缝钢管顶头的制备方法，包括：
1)制备无缝管顶头的基体，机械精加工无缝管顶头的35CrMo基体至设计尺寸，35CrMo基体表面设有螺旋状沟槽，螺旋状沟槽的深度为4.0mm，螺旋状沟槽的螺距为8.0mm；
2)制备钴基喷涂层喷涂用料，根据钴基喷涂层的化学成分重量百分比为：Co：10.0～15.0％，C：1.0～1.5％，Cr：25～30％，W：10～12％，Si<1.0，B<1.0，其余为Fe和不可避免的杂质，选配钴基喷涂层原料，采用气体雾化法将原料制成粉末颗粒，粉末颗粒干燥后进行筛分，控制合金粒径为15～45μm，得到钴基喷涂层喷涂用料；
3)制备钴基喷涂层，用超音速喷涂设备将步骤2)所述的钴基喷涂层喷涂用料喷涂在无缝钢管顶头的35CrMo基体的表面，单层喷涂厚度为0.01～0.02mm，往复喷涂，直至喷涂层厚度达到0.30～0.50mm。
进一步，制备钴基喷涂层，采用JP8000型超音速喷涂设备，喷涂煤油流量为22～23L/h，氧气流量为950～970L/min，喷涂距离为370～380mm。
本发明方法关键工艺参数选择的理由如下：
1、喷涂煤油、喷涂氧气流量的设定：煤油、氧气流量必须选择按照一定的比例进行喷涂，如果煤油比例偏高，火焰温度则会降低，且其中的碳不能完全燃烧，如果氧气比例偏高，涂层氧化物的含量则会大量增加，因此，本发明中喷涂煤油流量为22-23L/h，氧气流量为950-970L/min。
2、喷涂距离的设定：喷涂距离值过小会造成涂层孔隙率增大，降低涂层强度。涂层距离过大会造成粉末的沉积效率降低，涂层表面粗糙度降低。因此，本发明中的喷涂距离为370-380mm。
3、单层喷涂厚度的设定：单层喷涂厚度太薄会影响涂层制备效率，太厚等会造成涂层内应力太大，增加涂层内部开裂的风险。因此，本发明中单层喷涂厚度为0.01-0.02mm。
4、喷涂层厚度的设定：喷涂层厚度太薄不能提供对基体有效的保护及增强效果，喷涂层太厚则会造成涂层中拉应力增大，在其使用过程中，会发生涂层剥落。因此，本发明中喷涂厚度为0.30-0.50mm。
本发明相比现有技术具有如下积极效果：1、无缝钢管顶头由35CrMo材料制成，在高温下耐摩擦性能较低，而在其表面采用超音速喷涂技术喷涂Co基合金粉末，形成Co基碳化物喷涂层，该耐磨层的超音速喷涂参数经过了多次优化后选定较优的一组，从而使该Co基碳化物喷涂层具有较高硬度、耐高温磨损，具有十分稳定的化学性能和物理性能。2、顶头表面有螺旋状沟槽，能有效的减小转动阻力，无缝管顶头使用寿命长。
附图说明
图1为本发明无缝钢管顶头轴向截面结构示意图。
图2为本发明无缝钢管顶头涂层结构的局部放大示意图。
图中标记说明：1-35CrMo基体，2-钴基喷涂层。
具体实施方式
下面结合具体实施例1-5对本发明作进一步说明，如表1-3所示，表1为本发明实施例无缝钢管顶头钴基喷涂层的化学成分(按重量百分比计)，余量为Fe及不可避免杂质。
表1本发明实施例无缝钢管顶头钴基喷涂层的化学成分，单位：重量百分比。
上述无缝钢管顶头的制备方法，包括：
1)制备无缝管顶头的基体，机械精加工无缝管顶头的35CrMo基体至设计尺寸，35CrMo基体表面设有螺旋状沟槽，沟槽深度为4.0mm，螺距为8.0mm；
2)制备钴基喷涂层喷涂用料，根据钴基喷涂层的化学成分重量百分比为：Co：10.0～15.0％，C：1.0～1.5％，Cr：25～30％，W：10～12％，Si<1.0，B<1.0，其余为Fe和不可避免的杂质，选配钴基喷涂层原料，采用气体雾化法将原料制成粉末颗粒，粉末颗粒干燥后进行筛分，控制合金粒径为15～45μm，得到钴基喷涂层喷涂用料；
3)制备钴基喷涂层，用JP8000型超音速喷涂设备将步骤2)所述的钴基喷涂层喷涂用料喷涂在无缝钢管顶头的35CrMo基体的表面，单层喷涂厚度为0.01～0.02mm，往复喷涂，直至喷涂层厚度达到0.30～0.50mm；所述喷涂煤油流量为22～23L/h，氧气流量为950～970L/min，喷涂距离为370～380mm。喷涂工艺控制参数见表2。
表2本发明实施例喷涂工艺控制参数
利用上述方法得到的无缝钢管顶头，参见图1、图2，由35CrMo基体1和钴基喷涂层2组成。
采用本发明方法制造的无缝管顶头具有较高硬度，无缝钢管顶头的表面硬度值为1000～1200HV，堆焊层中存在合金增强相，堆焊层无明显裂纹和气孔，无缝钢管顶头钴基喷涂层的表面粗糙度为2.5～3.0μm，无缝管顶头的钴基喷涂层与35CrMo基体间的抗拉强度为1100～1300MPa，顶头的性能和喷涂层参数见表3。
表3本发明实施例无缝钢管顶头的性能和喷涂层参数
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种无缝钢管顶头，由35CrMo基体和钴基喷涂层组成，其特征是：钴基喷涂层覆在35CrMo基体表面，钴基喷涂层的厚度为0.30～0.50mm，钴基喷涂层的化学成分重量百分比为：Co：10.0～15.0％，C：1.0～1.5％，Cr：25～30％，W：10～12％，Si<1.0，B<1.0，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的无缝钢管顶头，其特征是，无缝钢管顶头的35CrMo基体表面设有螺旋状沟槽，螺旋状沟槽的深度为4.0mm，螺旋状沟槽的螺距为8.0mm。
3.如权利要求1所述的无缝钢管顶头，其特征是，所述无缝钢管顶头的表面硬度值为1000～1200HV，无缝钢管顶头钴基喷涂层的表面粗糙度为2.5～3.0μm，无缝管顶头的钴基喷涂层与35CrMo基体间的抗拉强度为1100～1300MPa。
4.一种无缝钢管顶头的制备方法，其特征是，所述的方法包括以下步骤：
1)制备无缝管顶头的基体，机械精加工无缝管顶头的35CrMo基体至设计尺寸，35CrMo基体表面设有螺旋状沟槽；
2)制备钴基喷涂层喷涂用料，根据钴基喷涂层的化学成分重量百分比为：Co：10.0～15.0％，C：1.0～1.5％，Cr：25～30％，W：10～12％，Si<1.0，B<1.0，其余为Fe和不可避免的杂质，选配钴基喷涂层原料，采用气体雾化法将原料制成粉末颗粒，粉末颗粒干燥后进行筛分，控制合金粒径为15～45μm，得到钴基喷涂层喷涂用料；
3)制备钴基喷涂层，用超音速喷涂设备将步骤2)所述的钴基喷涂层喷涂用料喷涂在无缝钢管顶头的35CrMo基体的表面，单层喷涂厚度为0.01～0.02mm，往复喷涂，直至喷涂层厚度达到0.30～0.50mm。
5.如权利要求4所述的无缝钢管顶头的制备方法，其特征是，所述35CrMo基体表面螺旋状沟槽的深度为4.0mm，螺旋状沟槽的螺距为8.0mm。
6.如权利要求4所述的无缝钢管顶头的制备方法，其特征是，制备钴基喷涂层，采用JP8000型超音速喷涂设备，喷涂煤油流量为22～23L/h，氧气流量为950～970L/min，喷涂距离为370～380mm。
7.如权利要求4所述的无缝钢管顶头的制备方法，其特征是，所述无缝钢管顶头的表面硬度值为1000～1200HV，无缝钢管顶头钴基喷涂层的表面粗糙度为2.5～3.0μm，无缝管顶头的钴基喷涂层与35CrMo基体间的抗拉强度为1100～1300MPa。
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