本發(fā)明涉及一種無(wú)縫不銹鋼管熱軋穿孔工具，是一種高合金熱軋穿孔頂頭。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)縫不銹鋼管生產(chǎn)量的迅速增加，因不銹鋼材質(zhì)熱變形抗力大，且材質(zhì)較粘，采用傳統(tǒng)的圓坯熱軋技術(shù)與工藝在大批量不銹鋼管的穿孔軋制時(shí)，軋制工具如穿孔頂頭、導(dǎo)板因發(fā)生粘鋼現(xiàn)象造成工具消耗驟增，同時(shí)也導(dǎo)致軋制的不銹鋼管內(nèi)外表面質(zhì)量出現(xiàn)如工具粘鋼等各種缺陷，使軋制不銹鋼的成本居高不下，軋制成材率、生產(chǎn)效率較低，給企業(yè)規(guī)?；a(chǎn)造成較大的影響。

頂頭穿軋圓坯過(guò)程中，穿孔頂頭因在1200～1300℃高溫鋼管穿孔過(guò)程中承受軸向壓應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力，高速旋轉(zhuǎn)使頂頭前部急劇升溫，導(dǎo)致頂頭產(chǎn)生頭部熔融、開裂、粘鋼等缺陷而失效。

目前生產(chǎn)中采用的頂頭主要是碳鋼穿孔采用的普通材質(zhì)的頂頭，如20CrNi3Mo、20CrNi2等，或鉬基合金頂頭等。采用普通頂頭穿孔，壽命一般穿軋3～5支，更換工具頻繁，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)秩序，也導(dǎo)致產(chǎn)品表面產(chǎn)生缺陷，成材率低。采用鉬基合金頂頭，因已有生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)線，不能滿足鉬基頂頭的預(yù)熱≥800℃且不能被水濺到的要求，價(jià)格高昂，也難以推廣使用。

目前頂頭主要為碳鋼鋼管穿孔使用的頂頭材質(zhì)，及高合金鉬基材質(zhì)頂頭，均不滿足現(xiàn)有生產(chǎn)線及產(chǎn)品要求。從生產(chǎn)需要出發(fā)，急需開發(fā)既滿足高溫軋制要求不熔融，又不開裂不粘鋼的高合金耐熱穿孔頂頭。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高合金熱軋穿孔頂頭，以提高頂頭穿孔壽命，同時(shí)提高穿管的內(nèi)表面質(zhì)量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種高合金熱軋穿孔頂頭，鋼種組成元素及質(zhì)量百分比為：C 0.10～0.40％，Si 0.15～1.00％，Mn 0.10～0.50％，P≤0.030％，S≤0.015％，Ni 0.50～1.00％，Cr 0.50～1.50％，Mo 2.00～6.00％，W 7.50～15.00％，Cu≤0.10％，Nb≤0.10％，V 0.20～0.50％，Ti 0.005～0.025％，Al 0.02～0.20％，殘余元素N≤100ppm、O≤80ppm、As≤80ppm、Sn≤80ppm、Pb≤50ppm，余量為Fe。

可添加B、Mg、Co元素，其質(zhì)量百分比為B 0.001-0.01％，Mg 0.002～0.010％，Co 0.05～0.30％。

本發(fā)明的效果是解決了傳統(tǒng)頂頭軋制出現(xiàn)的熔融、開裂、粘鋼等難題。高合金耐熱穿孔頂頭具有高溫軋制不熔融，不開裂，不粘鋼。該高合金耐熱穿孔頂頭表面具有致密氧化膜，具有良好的高溫耐熱紅硬性能，同時(shí)具有良好的韌性，穿孔壽命長(zhǎng)。穿軋效果良好，避免了軋制缺陷的產(chǎn)生，也提高了鋼管產(chǎn)品的表面質(zhì)量及成材率，同時(shí)穿孔壽命提高5倍以上。

具體實(shí)施方式

結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的高合金熱軋穿孔頂頭結(jié)構(gòu)加以說(shuō)明。

本發(fā)明的高合金熱軋穿孔頂頭設(shè)計(jì)思想是基于通過(guò)配置特定的C、Mo、W、V等組成元素及質(zhì)量百分比，冶煉高純凈鋼，形成特定的Mo、W、V等元素的碳化物、固溶析出強(qiáng)化及彌散強(qiáng)化等充分發(fā)揮各特定元素的高溫性能配合優(yōu)勢(shì)。添加B、Mg、Co元素，充分發(fā)揮B、Mg、Co元素對(duì)強(qiáng)化晶界能的作用，綜合強(qiáng)化材質(zhì)耐高溫紅硬性能，通過(guò)熱處理，得到本發(fā)明的高合金耐熱穿孔頂頭，具有良好的機(jī)械性能及高溫耐熱紅硬性能，同時(shí)具有良好的韌性。生產(chǎn)時(shí)，再配合防護(hù)涂層的使用，使用壽命顯著增長(zhǎng)。

本發(fā)明的高合金熱軋穿孔頂頭鋼種組成元素及質(zhì)量百分比為：C 0.10～0.40％，Si 0.15～1.00％，Mn 0.10～0.50％，P≤0.030％，S≤0.015％，Ni 0.50～1.00％，Cr 0.50～1.50％，Mo 2.00～6.00％，W 7.50～15.00％，Cu≤0.10％，Nb≤0.10％，V 0.20～0.50％，Ti 0.005～0.025％，Al 0.02～0.20％，殘余元素N≤100ppm、O≤80ppm、As≤80ppm、Sn≤80ppm、Pb≤50ppm，余量為Fe。

在上述配方中添加B、Mg、Co元素，其質(zhì)量百分比為B 0.001-0.01％，Mg 0.002～0.010％，Co 0.05～0.30％。

本發(fā)明的高合金耐熱穿孔頂頭的組成成分說(shuō)明：

C：碳元素為碳化物形成元素，用于提高頂頭的高溫強(qiáng)度，提高高溫軟化溫度。但碳元素含量太高，會(huì)導(dǎo)致頂頭韌性下降，易出現(xiàn)開裂。因此，碳元素含量需控制在0.10～0.40％范圍。

Si：硅元素也能提高頂頭的強(qiáng)度，同時(shí)提高氧化膜的強(qiáng)度，但加入大量的硅會(huì)降低韌性，所以將其含量控制在0.15～1.00％范圍。

Mn：錳元素可以提高熱強(qiáng)度，但含量過(guò)高易導(dǎo)致高溫開裂，所以將其含量控制在0.10～0.50％范圍。

P、S：P和S是雜質(zhì)元素。為提高韌性和高溫強(qiáng)度，要盡量降低其含量。但考慮煉鋼的成本，為了得到更好的高溫性能，最好P＜0.030％、S＜0.015％。

Cr：鉻元素能提高高溫強(qiáng)度，有利于形成表面氧化膜，但過(guò)高導(dǎo)致材質(zhì)傳熱能力減慢，易形成開裂，將其含量控制在0.50～1.50％范圍。

Ni：鎳元素還能提高鋼的熱力學(xué)穩(wěn)定性和鋼的韌性，有利于形成粘著性好的氧化膜。含量過(guò)高，氧化能力下降且導(dǎo)熱性降低。所以將其含量控制在0.50～1.00％范圍。

Mo：鉬元素通過(guò)形成碳化物、固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等形式顯著提高材質(zhì)的熱強(qiáng)性和回火穩(wěn)定性，提高材質(zhì)的塑性，及提高材質(zhì)的耐磨性，增加對(duì)變形、開裂及磨損的抗力。綜合考慮，將其含量控制在2.00～6.00％范圍。

W：鎢元素增大鐵的自擴(kuò)散激活能，顯著的提高鋼的再結(jié)晶溫度，通過(guò)形成碳化物、固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化等形式提高材質(zhì)紅硬性和熱強(qiáng)性，提高材質(zhì)的耐高溫性能，與鉬元素復(fù)合使用時(shí)，效果更加顯著。鎢元素的碳化物顆粒細(xì)小均勻，降低鋼的過(guò)熱敏感性。綜合考慮，將其含量控制在7.50～15.00％范圍。

V：釩元素在鋼中主要以碳化物及沉淀強(qiáng)化形式存在，細(xì)化鋼的晶粒度，降低鋼的過(guò)熱敏感性，提高鋼的回火穩(wěn)定性及熱強(qiáng)性。所以將其含量控制在0.20～0.50％范圍。

Ti：鈦元素是化學(xué)性質(zhì)極為活潑的元素，與氮等元素有極強(qiáng)的結(jié)合力，因此，利用鈦元素去除或固定氮元素后，再加入B元素，以利于B元素的有效利用。將其含量控制在0.005～0.025％范圍。

Al：鋁元素在鋼中主要起脫氧作用，有細(xì)化晶粒的作用。鋁結(jié)合鋼液中的氮，減少鈮、釩的碳氮化物夾雜。同時(shí)，鋼冶煉時(shí)，嚴(yán)格控制氧化鋁夾雜物的產(chǎn)生，夾雜物過(guò)多，導(dǎo)致材質(zhì)耐高溫性能嚴(yán)重下降。將其含量控制在0.02～0.20％范圍。

B：硼元素是化學(xué)性質(zhì)極為活潑的元素，只有以固溶態(tài)存在于鋼中才能起到有益作用，大多析集或吸附在晶界上，對(duì)強(qiáng)化晶界能起到顯著的作用，增強(qiáng)耐熱鋼的高溫強(qiáng)度及持久塑性。硼元素含量過(guò)高，導(dǎo)致材質(zhì)脆性增加，所以將其含量控制在0.001-0.010％范圍。

Mg：鎂元素在鋼中強(qiáng)化晶界性能，降低雜質(zhì)元素的危害，增強(qiáng)材質(zhì)的斷裂韌性性能及高溫持久性能。將其含量控制在0.002～0.010％范圍。

Co：鈷元素加入鋼中不形成碳化物，可形成連續(xù)固溶體，對(duì)鋼的熱強(qiáng)性和高溫硬度有顯著的提高。將其含量控制在0.05～0.30％范圍。

鋼冶煉過(guò)程，進(jìn)行嚴(yán)格控制O、N元素含量，控制到最低水平，同時(shí)嚴(yán)格控制五害元素含量，五害元素在晶界偏聚，有強(qiáng)的降低晶界強(qiáng)度作用，降低材質(zhì)高溫塑性，As≤80ppm、Sn≤80ppm、Pb≤50ppm?？蛇m量添加B、Mg、Co元素，以提高抗開裂性能及高溫耐熱紅硬性能。

頂頭制造，原料按組成元素及質(zhì)量百分比進(jìn)行冶煉，澆注，加工成所需形狀的頂頭。熱處理工藝，將成型頂頭加熱到880～950℃保溫3～4小時(shí)，隨爐冷卻到350℃后，出爐空冷。表面氧化處理，先對(duì)頂頭進(jìn)行微加工處理，再加熱到1000～1100℃進(jìn)行高溫氧化，然后在600～750℃溫度下保溫4～5小時(shí)，得到成品頂頭。

本發(fā)明的高合金耐熱穿孔頂頭表面要加工光滑，氧化處理后具有良好的結(jié)構(gòu)致密的氧化膜保護(hù)層。熱穿孔生產(chǎn)中，使用前頂頭外表面添加防護(hù)潤(rùn)滑涂層。

以下為本發(fā)明的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明不限于下面的實(shí)施例。

實(shí)施例：不添加B、Mg、Co元素

表1實(shí)施例中各元素含量

除Fe元素外，殘余元素的含量均滿足本發(fā)明要求。

按表1實(shí)施例中頂頭組成元素的質(zhì)量百分比，進(jìn)行真空冶煉，澆注，鍛造加工成所需尺寸要求的頂頭。

熱處理工藝，將成型頂頭加熱到一定溫度，實(shí)施例1為910℃，實(shí)施例2為930℃，實(shí)施例3為950℃，分別保溫4小時(shí)，隨爐冷卻到350℃后，出爐空冷，得到頂頭初產(chǎn)品。

表面氧化處理，先對(duì)頂頭初產(chǎn)品進(jìn)行加工處理得到尺寸合格的頂頭，再加熱到一定溫度，實(shí)施例1為1050℃，實(shí)施例2為1070℃，實(shí)施例3為1100℃，進(jìn)行高溫氧化，然后在750℃溫度下保溫5小時(shí)，得到最終成品頂頭。

采用制備的成品頂頭樣品，開展了軋制熱穿合金鋼管試驗(yàn)，單個(gè)頂頭熱穿合金鋼管數(shù)量(即頂頭壽命)如表2所示。

表2單個(gè)頂頭熱穿合金鋼管數(shù)量

此3個(gè)實(shí)施例，高合金耐熱穿孔頂頭比普通頂頭的穿軋數(shù)量提高顯著，穿軋的鋼管管體內(nèi)表面質(zhì)量良好。此試驗(yàn)的高合金耐熱穿孔頂頭的開裂比例約為原來(lái)出現(xiàn)比例的50％，頂頭的使用壽命明顯延長(zhǎng)，使用壽命大約是普通頂頭的5-10倍。

實(shí)施例：添加B、Mg、Co元素

表3實(shí)施例中各元素含量

除Fe元素外，殘余元素的含量均滿足本發(fā)明要求。

按表3實(shí)施例中頂頭組成元素的質(zhì)量百分比，進(jìn)行真空冶煉，澆注，鍛造加工成所需尺寸要求的頂頭。

熱處理工藝，將成型頂頭加熱到一定溫度，實(shí)施例4為910℃，實(shí)施例5為930℃，實(shí)施例6為950℃，分別保溫4小時(shí)，隨爐冷卻到350℃后，出爐空冷，得到頂頭初產(chǎn)品。

表面氧化處理，先對(duì)頂頭初產(chǎn)品進(jìn)行加工處理得到尺寸合格的頂頭，再加熱到一定溫度，實(shí)施例4為1050℃，實(shí)施例5為1070℃，實(shí)施例6為1100℃，進(jìn)行高溫氧化，然后在750℃溫度下保溫5小時(shí)，得到最終成品頂頭。

采用制備的成品頂頭樣品，開展了軋制熱穿合金鋼管試驗(yàn)，單個(gè)頂頭熱穿合金鋼管數(shù)量(即頂頭壽命)如表4所示。

表4單個(gè)頂頭熱穿合金鋼管數(shù)量

此3個(gè)實(shí)施例，高合金耐熱穿孔頂頭比上述實(shí)施例1-3試制的頂頭的穿軋數(shù)量又有明顯提高，穿軋的鋼管管體內(nèi)表面質(zhì)量良好。此試驗(yàn)的高合金耐熱穿孔頂頭沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，頂頭的使用壽命進(jìn)一步提高，使用壽命大約是普通頂頭的8-17倍。

本發(fā)明的高合金耐熱穿孔頂頭比普通頂頭的穿軋數(shù)量提高顯著，穿軋的鋼管管體內(nèi)表面質(zhì)量良好。生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明的高合金耐熱穿孔頂頭具有良好的耐高溫性能，可以明顯延長(zhǎng)使用壽命。