專利名稱：鋼管熱穿孔頂頭新材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵基合金，特別是一種應(yīng)用于鋼管熱穿孔頂頭的新材料。
技術(shù)背景穿孔頂頭是無縫鋼管生產(chǎn)中的關(guān)鍵工模具，其工作的溫度為1000。C左右，并要承受著巨大的軸向壓力、徑向壓力、旋轉(zhuǎn)摩擦力、急冷急熱的熱應(yīng)力，它 的質(zhì)量好壞、使用壽命的長短對無縫鋼管的質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及工廠效益都有 重要影響，因此研制高質(zhì)量、長壽命的穿孔頂頭一直以來都是無縫鋼管生產(chǎn)中 的一個比較重要的課題。目前我國應(yīng)用較多的頂頭材質(zhì)有合金結(jié)構(gòu)鋼、熱作模具鋼和鉬合金。傳統(tǒng)的3Cr2W8V高合金模具鋼制成的頂頭，在高溫下雖有較高的硬度和強(qiáng)度，但韌 性和塑性較差，在急冷急熱工作環(huán)境下容易開裂和熱龜裂，使用壽命較短，使 用成本也較高。鉬合金制成的頂頭雖然具有較好的使用性能，但其成本太高。 而目前廣泛應(yīng)用于無縫鋼管熱軋穿孔頂頭的15Cr2Ni3MoW鋼，其化學(xué)成分及 重量百分比為C 0.15-0.19, Si 0.50-0.80, Mn 0.40-0.50, Cr 1.50-1.80, Ni 2.4-2.8, Mo 0.40-0.50， W0.16-0.19，該材料經(jīng)冶煉、鑄造、鍛造成穿孔頂頭坯后再機(jī)加 工，經(jīng)氧化熱處理后使用，其雖能使頂頭的組織得到改善，具有良好的強(qiáng)韌性， 但在穿鋼時容易發(fā)生"塌鼻"、"粘鋼"現(xiàn)象。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種硬度、強(qiáng)度、韌性、塑性及熱疲勞性能等綜合性 能大大提高的鋼管熱穿孔頂頭新材料，使用本發(fā)明制造的鋼管熱穿孔頂頭不僅分的重量百分比為 C 0.20-0.30， Si 0.20-1.20, Mn 0.40-0.60, Cr 0.50-0.80, Ni 0.90-1.20， Mo 0.90-1.20， W 1.80-2.20， Al 1.0-2.0， Ce 0.02-0.05，余量為鐵及不可避免的微量雜質(zhì)。而本發(fā)明最優(yōu)的實(shí)施方式為，其組成成分及各組分的重量百分比是C 0.25， Si 1.0， Mn0.50, Cr0.80, Ni 1.0， Mo 1.0, W2.0, Al 1.50， Ce0.05,余量為4失 及不可避免的微量雜質(zhì)。本發(fā)明是在低合金鋼的基礎(chǔ)上，利用稀土元素微合金化原理研發(fā)而成，使 用本發(fā)明的新材料制作的鋼管熱穿孔頂頭不僅成本較低，為企業(yè)節(jié)約了資源， 同時還具有優(yōu)異的綜合性能，使用壽命比15Cr2Ni3MoW鋼制的鋼管熱穿孔頂 頭壽命提高了一倍以上，也減少了更換頂頭的頻率，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效 率。本發(fā)明的設(shè)計依據(jù)為1、 C含量(重量百分比，以下均同)為0.20-0.30， C為碳化物形成元素， 可提高材料的硬度，含量太高則不利于進(jìn)行氧化熱處理；2、 Cr及Si可以提高鋼的高溫硬度及強(qiáng)度，同時提高鋼的臨界點(diǎn)，以提高 鋼的熱疲勞抗力，少量的Cr還可提高材料的韌性，其含量一般在0.50-0.80之 間，Si的含量為0.20-1.20;3、 Ni的含量為0.90-1.20，少量鎳元素的加入可提高材料的韌性；4、 Mn能提高鋼的淬透性及熱強(qiáng)性，還可以消除鋼中雜質(zhì)S的有害影響， 但含量過高會使導(dǎo)熱性降低，其含量一般為0.40-0.60。5、 在合金中加入了比普通低合金鋼含量較多的Mo和W元素。Mo元素含 量為0.90-1.20， W元素含量為1.80-2.20，這兩種元素都是強(qiáng)碳化物形成元素，增加Mo和W的含量使組織得到強(qiáng)化，同時提高熱強(qiáng)性能、耐磨性能和熱穩(wěn)定 性，使頂頭的壽命能得到大幅度提高。6、同時加入Al與稀土元素Ce (鈰)，其中Al的含量為1.0-2.0， Al能細(xì)化 晶粒，控制晶粒開始粗化的溫度，能有效提高鋼的可磨削性能和高溫強(qiáng)度；Ce 的含量為0.02-0.05,微量Ce在鋼中能凈化鋼液，去除晶界富集的有害雜質(zhì)，使 頂頭的組織、性能得到最佳改善，同時還在晶粒與合金液之間形成表面活性膜， 阻止生成的晶粒長大，使合金的組織細(xì)化；Al與Ce的同時加入使頂頭的表面 經(jīng)氧化處理后的氧化膜致密，且與頂頭基體結(jié)合牢固，同時提高了頂頭的高溫 強(qiáng)度、硬度、塑性、耐磨性和熱疲勞性能，使采用本發(fā)明的新材料制作的頂頭 的壽命比采用15Cr2Ni3MoW鋼制作的頂頭的壽命增加1倍以上。本發(fā)明在低合金基礎(chǔ)上適當(dāng)增加了 Mo和W的含量，同時添加了 Al和稀 土元素Ce,與采用高合金鋼相比成本更低，但制作的頂頭的使用壽命卻更長， 既為企業(yè)節(jié)約了成本，同時也提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。下面根據(jù)實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的鋼管熱穿孔頂頭新材料，其組成成分及各組分的重量百分比為 C 0.20-0.30, Si 0.20-1.20, Mn 0.40-0.60， Cr 0.50-0.80， Ni 0.90-1.20, Mo 0.90-1.20， W 1.80-2.20, Al 1.0-2.0, Ce 0.02-0.05,余量為鐵及不可避免的孩吏量雜質(zhì)。作為本發(fā)明鋼管熱穿孔頂頭新材料的最優(yōu)化的實(shí)施方式，本發(fā)明的實(shí)施例 1所采用的組分及重量百分比含量具體為C0.25, Sil.O， Mn0.50， Cr0.80， Nil.O， Mol.O， W2.0， A11.50， Ce0.05,余量為鐵及不可避免的微量雜質(zhì)。釆用本發(fā)明的新材料制造頂頭的步驟為1、無余量精密鑄造殼型；2、將合金按所需成分及含量配料；3、將配料好的成分進(jìn)行冶煉、澆注，固化后得到 高精度的頂頭；4、退火熱處理，將固化后的頂頭加熱至880。C時退火保溫3小 時，隨后隨爐空冷至35(TC; 5、進(jìn)行裝配面微加工；6、表面氧化熱處理，將 頂頭表面迅速加熱至95(TC,然后4小時空冷或油淬，即得到成品頂頭。本發(fā)明的新材料制造頂頭是采用熔模無余量精密鑄造方法澆注而成，基本 上不需要機(jī)械加工，可以保留表面致密的細(xì)晶粒層。同時新材料的應(yīng)用加上表 面熱處理工藝使頂頭表面形成一層致密的氧化膜，這層致密組織使頂頭在穿孔 過程中熱疲勞性能大大提高，既提高了頂頭的使用壽命，還省略了機(jī)加工工序。 同時由于Al和稀土元素Ce (鈰)的添加，使頂頭在熱處理后更細(xì)化了組織， 提高了頂頭表面氧化膜與基體的結(jié)合力。在本發(fā)明的新材料制造的頂頭穿管試驗(yàn)中，直徑為108mm的頂頭穿管350 次后頂頭工作錐表面光滑，無變化，繼續(xù)穿管285次，頂頭的工作錐才出現(xiàn)疲 勞裂紋，穿管次數(shù)達(dá)到635次/只，直徑142mm的頂頭在實(shí)際穿管中也達(dá)到520 次/只以上，其它型號的頂頭穿管試驗(yàn)也都達(dá)到了相同的優(yōu)異效果，比目前普遍 采用的頂頭150次/只的使用壽命提高了 2倍以上，比性能較好的頂頭的250次 /只的壽命也提高了 l倍以上，同時頂頭的成本也較低，在大規(guī)模無縫鋼管生產(chǎn) 中為企業(yè)節(jié)約了大量支出，同時也提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
1、一種鋼管熱穿孔頂頭新材料，其特征在于，該材料的成分(重量％)為C 0.20-0.30，Si 0.20-1.20，Mn 0.40-0.60，Cr 0.50-0.80，Ni 0.90-1.20，Mo 0.90-1.20，W 1.80-2.20，Al 1.0-2.0，Ce 0.02-0.05，余量為鐵及不可避免的微量雜質(zhì)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼管熱穿孔頂頭新材料，其特征在于，該材料的 成分(重量％)為C0.25， Sil.O, Mn0.50， Cr0.80, Ni 1.0, Mo 1.0, W2.0， A11.50， Ce0.05，余量為鐵及不可避免的微量雜質(zhì)。
全文摘要
一種鋼管熱穿孔頂頭新材料，其化學(xué)組分及重量百分比為C 0.20-0.30，Si 0.20-1.20，Mn 0.40-0.60，Cr 0.50-0.80，Ni 0.90-1.20，Mo 0.90-1.20，W 1.80-2.20，Al 1.0-2.0，Ce 0.02-0.05，余量為鐵及不可避免的微量雜質(zhì)。由于增加了Mo和W元素的含量，同時加入了適量Al和稀土元素Ce(鈰)，提高了材料的強(qiáng)度、耐磨性能、硬度、塑性和熱穩(wěn)定性，使用該材料制作頂頭，可經(jīng)熱處理后使其表面形成致密的氧化膜，使頂頭的使用壽命可以達(dá)到520-640次/只。
文檔編號C22C38/44GK101603154SQ20091000088
公開日2009年12月16日 申請日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者唐亞俊, 唐浩軍, 李英敖 申請人:無錫益通機(jī)械科技有限公司