專利名稱：一種無縫鋼管穿孔頂頭及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種穿孔頂頭，具體涉及一種無縫鋼管穿孔頂頭及其制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
穿孔頂頭是無縫鋼管生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝件，其質(zhì)量的好壞和使用壽命的長短直接影響鋼管生產(chǎn)的效率和鋼管的質(zhì)量。而穿孔頂頭在穿孔過程中，因直接與高溫管坯內(nèi)壁接觸，穿孔頂頭和管坯反向旋轉(zhuǎn)，頂頭受力復(fù)雜，需要承受巨大的軸向、徑向、切向應(yīng)力以及表面摩擦力，且穿孔頂頭在管過程中或穿管后需水冷，需在高溫高壓、急冷急熱的工作條件下經(jīng)受周次的機(jī)械疲勞和熱疲勞，因此，穿孔頂頭在使用過程中極易被破壞，容易出現(xiàn)塌鼻、粘鋼、開裂等失效問題，使用壽命不長。而研制高質(zhì)量高壽命的穿孔頂頭已成為鋼管生產(chǎn)中的重要課題。中國專利申請(qǐng)文件(公開號(hào):CN101603154A)中就公開了一種鋼管熱穿孔頂頭的新材料，其化學(xué)組分及重量百分比為C:0.2-0.3，S1:0.20-1.20，Mn:0.40-0.60, Cr:
0.50-0.80, Ni:0.90-1.20, Mo:0.90-1.20,ff: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)。該新材料一定程度上提高了穿孔頂頭新材料的硬度、強(qiáng)度、韌性等性能，但是其耐磨性、耐溫性沒有明顯得到改善，從而使所述熱穿孔頂頭的使用壽命不長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種耐磨性好，耐高溫，耐低溫的使用壽命長的無縫鋼管穿孔頂頭。本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種無縫鋼管穿孔頂頭，其組成元素及質(zhì)量百分比為:碳(C):0.30 % -0.42 %，鉻(Cr):11.5 % -12.4 %，錳(Mn):
1.5% -2.0%，鑰(Mo):0.1% -0.5%，釩(V):0.4% -0.6%，錸(Re):0.2% -0.3%，余量為鐵(Fe)以及不可避免的雜質(zhì)。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明中設(shè)計(jì)了一種新的無縫鋼管穿孔頂頭材料，該穿孔頂頭在不添加鎳的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化各成分的配比及加入新的元素使其產(chǎn)生協(xié)同作用，得到耐磨性好，耐高溫，耐低溫的使用壽命長的無縫鋼管穿孔頂頭。本發(fā)明無縫鋼管穿孔頂頭中碳含量為0.30% -0.42%。在無縫鋼管穿孔頂頭中碳與鐵、鉻形成穩(wěn)定的(Cr, Fe)7C3型碳化物，也可與Fe、Mn形成碳化物,并通過淬火提高無縫鋼管穿孔頂頭的耐磨性和硬度，同時(shí)又保證了足夠的塑性、韌性及其耐溫性。若碳含量過低時(shí)，碳化物變少，耐磨效果不明顯，而當(dāng)碳含量過高時(shí)，無縫鋼管穿孔頂頭的機(jī)械性能尤其是韌性顯著變差，不利于穿孔頂頭在惡劣的工況下使用。將碳元素的質(zhì)量百分比控制在
0.30% -0.42%，可使碳與其他元素產(chǎn)生協(xié)同作用，使本發(fā)明中的無縫鋼管穿孔頂頭具有較好的綜合性能。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明無縫鋼管穿孔頂頭中的鉻含量大大增加，為
11.5% -12.4%。鉻原子的半徑為2.8.10_lclm，而鐵原子的半徑為2.7.10_lclm，兩者十分相近，鐵與鉻的親和力比其他元素強(qiáng)，容易與碳結(jié)合成(Fe、Cr)3C型碳化物。而鑄態(tài)組織中碳化物的量隨鉻含量的增加而增加，往往在晶界上形成連續(xù)網(wǎng)狀碳化物(Fe、Cr)3C。此外，在無縫鋼管穿孔頂頭中加入高含量的鉻元素不僅能改變頂頭中碳化物彌散分布形態(tài)，獲得以Cr23C6為主的粒狀碳化物，使其彌散分布于奧氏基體上，還能提高無縫鋼管穿孔頂頭的耐磨性、韌性、強(qiáng)度和抗高溫、抗腐蝕性能。因此本發(fā)明無縫鋼管穿孔頂頭將鉻含量提高到
11.5% -12.4%，可使鉻與其他元素產(chǎn)生協(xié)同作用，有效地提高無縫鋼管穿孔頂頭耐磨性能2倍以上。錳是無縫鋼管穿孔頂頭中主要的強(qiáng)化元素，在無縫鋼管穿孔頂頭中主要起脫氧除氣和提高淬透性等作用。但當(dāng)錳含量高于9 %時(shí)，元素錳對(duì)無縫鋼管穿孔頂頭的機(jī)械性能沒有明顯的影響。錳在無縫鋼管穿孔頂頭中可與鐵生成(FeMn)3C型碳化物，降低奧氏體分解速度，從而大大提高無縫鋼管穿孔頂頭的淬透性。若錳含量過高，錳溶于奧氏體中會(huì)降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)而使淬火組織中殘余的奧氏體量增多從而影響無縫鋼管穿孔頂頭的耐磨性。在保證奧氏體組織的前提下，錳含量的降低會(huì)導(dǎo)致奧氏體穩(wěn)定性略有下降，但無縫鋼管穿孔頂頭的耐磨性在高沖力的作用下會(huì)顯著提高，加工硬度也顯著增強(qiáng)。在無縫鋼管穿孔頂頭中添加錳元素可細(xì)化材料組織，提高再結(jié)晶溫度，從而增強(qiáng)無縫鋼管穿孔頂頭在使用過程中因摩擦產(chǎn)生高溫時(shí)的耐熱性。因此本發(fā)明將錳含量控制在1.5% -2.0%，既保證了奧氏體組織，又增加了奧氏體的硬度和強(qiáng)度，還可大幅提高無縫鋼管穿孔頂頭的耐磨性、耐溫性，以彌補(bǔ)低碳的不足。將細(xì)化晶粒的鑰元素加入無縫鋼管穿孔頂頭中，可起三方面作用:一、鑰能夠有效地抑制滲碳體聚集，導(dǎo)致鑰的碳化物以極細(xì)小尺寸彌散分布在奧氏體中，同時(shí)可彌散強(qiáng)化作用，強(qiáng)化奧氏體組織，使無縫鋼管穿孔頂頭的強(qiáng)度和硬度增加，形變硬化性能增強(qiáng)，從而改善抗磨能力。二、鑰分布在碳化物中可有 效抑制無縫鋼管穿孔頂頭冷卻過程中晶界碳化物的析出，無縫鋼管穿孔頂頭中加鉻可使晶界碳化物析出傾向大大提高，鑰與鉻兩種元素的復(fù)合添加可使兩種合金元素的有益作用同時(shí)發(fā)揮出來。三、無縫鋼管穿孔頂頭中添加鑰后，針狀碳化物變短，數(shù)量明顯減少，析出溫度提高，可使無縫鋼管穿孔頂頭的脆化溫度提高到350°C左右。經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知當(dāng)加入0.1-0.5%鑰時(shí)，無縫鋼管穿孔頂頭的耐磨性可提高20-30%，強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性也提高20% -30%。與適量的錳配合加入無縫鋼管穿孔頂頭中更能有效地發(fā)揮鑰與錳在無縫鋼管穿孔頂頭中的作用，提高無縫鋼管穿孔頂頭的貝氏體淬透性，空冷時(shí)獲得無碳化物貝氏體組織，從而提高無縫鋼管穿孔頂頭的耐磨性、硬度。本發(fā)明在無縫鋼管穿孔頂頭中釩的含量為0.4% -0.6%。釩可細(xì)化晶粒，形成碳化物，從而增強(qiáng)無縫鋼管穿孔頂頭的彈性、高溫強(qiáng)度、抗磨損和抗爆裂性。釩的存在既可減少穿孔頂頭在使用時(shí)造成的變形及開裂，又能提高耐高溫與抗奇寒等性能。但當(dāng)釩含量達(dá)到一定量時(shí)，其效果增加不明顯，且價(jià)格昂貴，含量過高會(huì)增大成本。本發(fā)明經(jīng)研究得在無縫鋼管穿孔頂頭中加入少量細(xì)化晶粒的錸元素，可增大無縫鋼管穿孔頂頭的硬度、塑性、耐磨性等綜合性能，使無縫鋼管穿孔頂頭在長期使用中耐受摩擦力。錸的加入可大大降低雜質(zhì)中硫、磷等雜質(zhì)的含量，提高無縫鋼管穿孔頂頭的抗冷疲勞壽命，保證無縫鋼管穿孔頂頭的品質(zhì)。
雖然上述元素對(duì)頂頭材料都有一定的貢獻(xiàn)，但使用時(shí)最關(guān)鍵的是要用過合理配比及組合，這樣才能充分發(fā)揮各元素的優(yōu)越性。所述雜質(zhì)中，硫⑶元素的質(zhì)量百分比小于等于0.026%，磷⑵元素的質(zhì)量百分比小于等于0.026%。本發(fā)明無縫鋼管穿孔頂頭中將硫含量控制在0.026%以內(nèi)用以降低無縫鋼管穿孔頂頭的熱脆性，提高無縫鋼管穿孔頂頭的延展性和韌性。磷和硫類似，對(duì)無縫鋼管穿孔頂頭的的耐磨性和機(jī)械性能均有特別有害的影響。本發(fā)明將磷的含量控制在0.025%以內(nèi)，用以提高無縫鋼管穿孔頂頭的塑性、韌性、耐磨性，每0.02%的P平均降低沖擊韌性1.98J/cm2，但當(dāng)磷從0.07% -1.0%降到0.02% -0.04%,無縫鋼管穿孔頂頭的塑性、韌性、耐磨性均可提高40%-50%，無縫鋼管穿孔頂頭鑄件的裂紋也可大大減少，還可避免沿晶界析出共晶磷化物。本發(fā)明在不含鎳、硅的情況下，增大鉻含量，同時(shí)添加釩與錸，與現(xiàn)有技術(shù)中的頂頭相比，提高了頂頭的高溫強(qiáng)度、硬度、塑性、耐磨性和熱疲勞性能，使本發(fā)明的無縫鋼管穿孔頂頭的壽命更長。進(jìn)一步地，所述無縫鋼管穿孔頂頭的組成元素及質(zhì)量百分比為:碳(C):0.30%,鉻(Cr):11.5%，錳(Mn):1.5%，鑰(Mo):0.1%，釩(V):0.4%，錸(Re):0.2%，余量為鐵(Fe)以及不可避免的雜質(zhì)。進(jìn)一步地，所述無縫鋼管穿孔頂頭的組成元素及質(zhì)量百分比為:碳(C):0.35%,鉻(Cr):11.8%，錳(Mn):1.8%，鑰(Mo):0.3%，釩(V):0.5%，錸(Re):0.25%，余量為鐵(Fe)以及不可避免的雜質(zhì)。進(jìn)一步地，所述無縫鋼管穿孔頂頭的組成元素及質(zhì)量百分比為:碳(C):0.42%，鉻(Cr):12.4%, M (Mn):2.0%，鑰(Mo):0.5%，釩(V):0.6%，錸(Re):0.3%，余量為鐵(Fe)以及不可避免的雜質(zhì)。 本發(fā)明還提供一種制備上述無縫鋼管穿孔頂頭的方法，所述的制備方法包括以下步驟:S1、原料配制:按無縫鋼管穿孔頂頭的組成成分及質(zhì)量百分比配制原料。S2、鍛造:將配制好的原料進(jìn)行冶煉、澆注，加工成所需的形狀。S3、退火熱處理:將加工后的無縫鋼管穿孔頂頭加熱至900°C _990°C退火，退火后保溫2-4小時(shí)，然后在320°C _360°C時(shí)出爐空冷得到無縫鋼管穿孔頂頭初成品。S4、表面氧化處理:先對(duì)無縫鋼管穿孔頂頭初成品的裝配面進(jìn)行微加工處理，再加熱至900°C _1150°C高溫氧化，然后在溫度為550°C _630°C的條件下保溫4_5小時(shí)，即得到成品無縫鋼管穿孔頂頭。在上述無縫鋼管穿孔頂頭的制備方法中，作為優(yōu)選，在步驟S3中，所述加工后的無縫鋼管穿孔頂頭的退火溫度為950°C，保溫時(shí)間為3小時(shí)，出爐空冷溫度為350°C。在上述無縫鋼管穿孔頂頭的制備方法中，作為優(yōu)選，在步驟S4中，所述無縫鋼管穿孔頂頭初成品的高溫氧化溫度為1110°C，保溫溫度為600°C，保溫時(shí)間為5小時(shí)。退火熱處理中在320°C _360°C出爐空冷可消除應(yīng)力，調(diào)整無縫鋼管穿孔頂頭的組織結(jié)構(gòu)，提高無縫鋼管穿孔頂頭的韌性。高溫氧化加熱至900°C -1150°C再保溫可提高無縫鋼管穿孔頂頭綜合機(jī)械性能。進(jìn)行表面氧化處理，從而增加表面光潔度和抗腐蝕性能，形成超硬的碳化層，使無縫鋼管穿孔頂頭耐磨性能和耐溫性都得到提高，進(jìn)而延長無縫鋼管穿孔頂頭的使用壽命。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過配置特定組分和質(zhì)量百分比的原料，配伍合理，并通過特殊的工藝處理得到本發(fā)明的無縫鋼管穿孔頂頭。該無縫鋼管穿孔頂頭的機(jī)械性能好，在具有較高耐磨性與耐溫性的同時(shí)，又具有較高的硬度、韌性、抗拉強(qiáng)度等，使用壽命更長。
具體實(shí)施例方式以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。表1:實(shí)施例1-3用于制備無縫鋼管穿孔頂頭的組成成分及質(zhì)量百分比
權(quán)利要求
1.一種無縫鋼管穿孔頂頭，其特征在于，所述無縫鋼管穿孔頂頭的組成元素及質(zhì)量百分比為:碳(C):0.30% -0.42%，鉻(Cr):11.5% -12.4%，錳(Mn):1.5% -2.0%，鑰(Mo):0.1% -0.5%,fL (V):0.4% -0.6%，錸(Re):0.2% -0.3%，余量為鐵(Fe)以及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無縫鋼管穿孔頂頭，其特征在于，所述雜質(zhì)中，硫(S)元素的質(zhì)量百分比小于等于0.026%，磷(P)元素的質(zhì)量百分比小于等于0.026%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無縫鋼管穿孔頂頭，其特征在于，所述無縫鋼管穿孔頂頭的組成元素及質(zhì)量百分比為:碳(C):0.30%，鉻(Cr):11.5%, M (Mn):1.5%，鑰(Mo):0.1%，釩(V):0.4%，錸(Re):0.2%，余量為鐵(Fe)以及不可避免的雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無縫鋼管穿孔頂頭，其特征在于，所述無縫鋼管穿孔頂頭的組成元素及質(zhì)量百分比為:碳(C):0.35%，鉻(Cr):11.8%, M (Mn):1.8%，鑰(Mo):0.3%，釩(V):0.5%，錸(Re):0.25%，余量為鐵(Fe)以及不可避免的雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無縫鋼管穿孔頂頭，其特征在于，所述無縫鋼管穿孔頂頭的組成元素及質(zhì)量百分比為:碳(C):0.42%，鉻(Cr):12.4%,M (Mn):2.0%，鑰(Mo):0.5%，釩(V):0.6%，錸(Re):0.3%，余量為鐵(Fe)以及不可避免的雜質(zhì)。
6.一種如權(quán)利要求1所述無縫鋼管穿孔頂頭的制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下步驟: 51、原料配制:按無縫鋼管穿孔頂頭的組成元素及質(zhì)量百分比配制原料； 52、鍛造:將配制好的原料進(jìn)行冶`煉、澆注，加工成所需的形狀； 53、退火熱處理:將加工后的無縫鋼管穿孔頂頭加熱至900°C_990°C退火，退火后保溫2-4小時(shí)，然后在320°C _360°C時(shí)出爐空冷得到無縫鋼管穿孔頂頭初成品； 54、表面氧化處理:先對(duì)無縫鋼管穿孔頂頭初成品的裝配面進(jìn)行微加工處理，再加熱至9000C _1150°C高溫氧化，然后在溫度為550°C _630°C的條件下保溫4_5小時(shí)，即得到成品無縫鋼管穿孔頂頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述無縫鋼管穿孔頂頭的制備方法，其特征在于，在步驟S3中，所述加工后的無縫鋼管穿孔頂頭退火溫度為950°C，保溫時(shí)間為3小時(shí)，出爐空冷溫度為350°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述無縫鋼管穿孔頂頭的制備方法，其特征在于，在步驟S4中，所述無縫鋼管穿孔頂頭初成品高溫氧化的溫度為1110°C，保溫溫度為600°C，保溫時(shí)間為5小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無縫鋼管穿孔頂頭及其制備方法，它解決了現(xiàn)有技術(shù)中無縫鋼管穿孔頂頭耐磨性、耐溫性不夠，壽命不長等問題。本發(fā)明的無縫鋼管穿孔頂頭的組成元素及質(zhì)量百分比為碳(C)0.30％-0.42％，鉻(Cr)11.5％-12.4％，錳(Mn)1.5％-2.0％，鉬(Mo)0.1％-0.5％，釩(V)0.4％-0.6％，錸(Re)0.2％-0.3％，余量為鐵(Fe)以及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明還提供了制備上述無縫鋼管穿孔頂頭的制備方法，其方法包括以下步驟配料，鍛造，退火熱處理，表面氧化處理。本發(fā)明的無縫鋼管穿孔頂頭耐磨性好，耐高溫，耐低溫，使用壽命長。
文檔編號(hào)C22C38/38GK103160749SQ201310074800
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者吳滿旵 申請(qǐng)人:寧波市鄞州文昌金屬制品有限公司