一種耐高溫磨蝕鑄鋼穿孔機(jī)頂頭的制備方法
【專利摘要】一種耐高溫磨蝕鑄鋼穿孔機(jī)頂頭的制備方法，其特征在于先在電爐內(nèi)冶煉鑄鋼頂頭材料，其化學(xué)組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是：0.18～0.28%C,1.55～1.80%Cr,0.08～0.12%N,0.85～1.15%Mo,0.55～0.80%Si,0.35～0.60%Mn,1.15～1.40%Ni,S≤0.03％,P≤0.04％,余量為Fe。當(dāng)上述金屬熔液溫度達(dá)到1650～1680℃時(shí)，鋼水出爐入澆包，然后將直徑的合金線通過喂絲機(jī)進(jìn)入澆包，當(dāng)鋼水溫度降至1490～1515℃時(shí)，將鋼水澆入鑄型獲得頂頭，頂頭具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的使用效果。
【專利說明】一種耐高溫磨蝕鑄鋼穿孔機(jī)頂頭的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種穿孔機(jī)頂頭的制備方法，特別涉及一種耐高溫磨蝕鑄鋼穿孔機(jī)頂頭的制備方法，屬于金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]穿孔機(jī)頂頭是無縫鋼管生產(chǎn)中消耗量最大的關(guān)鍵工具之一。穿孔機(jī)頂頭在鋼管生產(chǎn)中的工作條件相當(dāng)惡劣。在穿孔過程中，頂頭直接與高溫管坯接觸，和管坯反向旋轉(zhuǎn)，頂頭要承受壓應(yīng)力、軸向力、切應(yīng)力和表面摩擦力等的作用，工作溫度也較高(終軋時(shí)頂頭鼻部溫度高達(dá)1100°c )。每穿一支鋼管，頂頭一般都要用水急冷一次，然后再穿。由此可見，頂頭是在高溫、高壓和急冷急熱的條件下工作，經(jīng)受著機(jī)械疲勞和熱疲勞的作用，故頂頭常以塌鼻、粘鋼、開裂等失效形式報(bào)廢。由于穿孔頂頭的工作條件惡劣，因而使得它的使用壽命不高，由此影響鋼管生產(chǎn)效率和鋼管質(zhì)量。為了提高穿孔頂頭的使用壽命，不少科技工作者對(duì)穿孔頂頭進(jìn)行了研究，采取了不少措施，獲得了一定的效果。中國(guó)發(fā)明專利CN101942610A公開了一種熱軋無縫鋼管穿孔頂頭及其加工方法，是由以下組分加工而成，各組分含量(總重量按 100%if )為:C0.2%~0.3%, Si0.3%~ 0.5%, Mn0.4%~ 0.6%, Crl.0%~
2.0%，Nil.5%~4.0%，W2.5%~3.0%,Mo0.5%~1.5%,Co2.0%~4.0%, Yb0.05%~0.1 %，余量為鐵及不可避免的微量雜質(zhì)。澆注前，將待澆頂頭模具軸向與離心機(jī)主軸相互垂直或平行重合，頂頭鼻部朝外或朝下；澆注時(shí)，金屬液順序進(jìn)入頂頭模具型腔，離心鑄造機(jī)轉(zhuǎn)速不低于220rpm，待鋼液全部注入模具型腔，在220~300rpm范圍內(nèi)調(diào)整離心鑄造機(jī)轉(zhuǎn)速。該發(fā)明具有組織均勻致密、高溫強(qiáng)度好、熱疲勞性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，使用壽命是同類國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的1.5~2倍。中國(guó)發(fā)明專利CN101078092還公開了一種穿孔頂頭，主要是由碳、鐵、鉻、鑰元素所組成。所述的C為0.13-0.3%, Cr為1.0-2.2%，Ni為1.0-4.5%，Si為
0.2-1.4%, Mn 為 0.2-1.4%, Mo 為 0.1-0.7%, W 為≤0.6%, S 為≤ 0.04%, P ( 0.04%,其余為Fe和其它少量元素(其含量均以重量百分比計(jì)算)。由于加入了合金元素，使穿孔頂頭的強(qiáng)度得到了大幅度的提高，不但可以滿足穿孔所必須的剛度，同時(shí)還具有良好的耐高溫性能，在穿制無縫鋼管時(shí)，使用壽命是同類國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的三倍以上，從而大幅度地降低了其生產(chǎn)成本。中國(guó)發(fā)明專利CN103160749A還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(zhǎng)等問題。該發(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%, (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)。該發(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。中國(guó)發(fā)明專利CN101070581還公開了不銹鋼無縫鋼管穿孔頂頭，主要是由碳、鐵、鉻等元素所組成，其中 C 為 0.19-0.39%, Cr 為 0.2-1.4%, Ni % 0.35-2.0%, Co % 0.3-1.8%, Si %
0.1-1.0%，Mn 為 0.1-0.9%，Mo 為 0.3-2.3%，W 為 0.5-4%, Nb 為 0.1-1.3%，其余為 Fe和少量其它元素。由于加入了合金元素，使穿孔頂頭的強(qiáng)度得到了大幅度的提高，不但可以滿足穿孔所必須的剛度，同時(shí)還具有良好的耐溫性能，在穿制不銹鋼無縫鋼管時(shí)，使用壽命是同類國(guó)外產(chǎn)品的2至3倍，從而大幅度地降低了生產(chǎn)成本。中國(guó)發(fā)明專利CN102284777A還公開了一種無縫鋼管穿孔機(jī)頂頭表面堆焊強(qiáng)化的方法，頂頭可以是鑄件或鍛件，其首先對(duì)頂頭坯料進(jìn)行初機(jī)加工，頂頭頭部切削出堆焊厚度并身體部位保留精加工余量；作常規(guī)探傷處理存在缺陷返工處理；采用Ni基、Co基或金屬陶瓷合金材料對(duì)頂頭頭部進(jìn)行堆焊形成堆焊層并采用等離子弧堆焊方法，保證堆焊層與頂頭頭部基體充分熔合；將頂頭作車削加工至最終尺寸要求并探傷處理，存在缺陷返工處理；將頂頭進(jìn)行表面熱氧化處理形成氧化膜。利用該方法可顯著提高頂頭表面的強(qiáng)度，改善了頂頭的使用性能，降低了頂頭的制作成本，提高了頂頭的使用壽命，保證了無縫鋼管軋制質(zhì)量。中國(guó)發(fā)明專利CN201815542U還公開了穿孔機(jī)頂頭堆焊復(fù)合頂頭，其特點(diǎn)是主要包括頂桿連接體和具備頂頭鼻部的穿孔頂頭基體，在穿孔頂頭基體上形成有包括第一堆焊層和第二堆焊層的頂頭工作層；與現(xiàn)有技術(shù)相比，該穿孔機(jī)頂頭使用壽命長(zhǎng)，能提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，具有廣闊的市場(chǎng)前景。中國(guó)發(fā)明專利CN102534604A還公開了一種提高無縫鋼管穿孔頂頭使用壽命的方法。將高能微弧合金化技術(shù)引入到穿孔頂頭表面涂層的制備技術(shù)中，首先采用熱壓燒結(jié)法制成稀土金屬釔改性的碳化鉻電極，然后在氬氣保護(hù)下采用高能微弧合金化設(shè)備在穿孔頂頭上沉積碳化鉻涂層，控制涂層制備過程中的氬氣流量和設(shè)備輸出電壓、頻率、功率及沉積時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)在頂頭表面制備出性能優(yōu)異的涂層，提高穿孔頂頭的使用壽命。中國(guó)發(fā)明專利CN101722308A還公開了鑰基稀土粉冶成形頂頭及其制造方法，其主要技術(shù)在于在純鑰粉中同時(shí)摻入ZrO2 ；Y203 ；La2O3 ；Sc2O3四種稀土氧化物，利用超聲波特性，將鑰基材料混合制粉，裝入葉片式混合攪拌機(jī)內(nèi)，經(jīng)過初步細(xì)化分散混合的鑰基稀土粉末，再通過超聲波換能器，將經(jīng)過超聲細(xì)化分散均質(zhì)的鑰基稀土粉末，在“振動(dòng)篩分機(jī)”內(nèi)，以配置的泰勒標(biāo)準(zhǔn)180目篩孔的分選篩進(jìn)行篩選篩下物即是混配合格的鑰基稀土粉末，經(jīng)制造鑰頂頭等靜壓成形模具、脫模、清理，由配置的氫氣氣氛烘烤爐、氫氣氣氛預(yù)燒結(jié)爐和氫氣氣氛臥式中頻爐完成。此外，國(guó)內(nèi)還有多數(shù)企業(yè)直接使用3Cr2W8V熱作模具鋼制作的頂頭，通過控制鍛造及預(yù)處理工藝、淬火工藝和回火工藝來實(shí)現(xiàn)。鍛造中要控制二次碳化物的析出狀態(tài)和終鍛溫度；鍛后頂頭處理改用調(diào)質(zhì)處理，其硬度為HRC26~32 ;淬火采用較高的淬火溫度(1200~1270°C )，以保證高的紅硬性和熱疲勞特性，并采用下貝氏體等溫淬火，即先預(yù)冷至830~850°C后淬入柴油中，模具表面冷至250°C左右時(shí)，轉(zhuǎn)入(405 ±5) V的爐內(nèi)，保溫1.5~2.0h出爐空冷。但是，上述頂頭至今仍未能有效地提高穿孔頂頭的使用壽命，限制了無縫鋼管行業(yè)的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有無縫鋼管穿孔機(jī)頂頭使用中存在的問題，開發(fā)一種新型耐高溫磨磨蝕鑄鋼穿孔機(jī)頂頭材料及制備工藝。本發(fā)明頂頭在低碳合金鋼基礎(chǔ)上，加入適量鉻、鎳、鑰、氮、鋁、硅等合金元素，達(dá)到改善和提高頂頭抗磨、耐氧化腐蝕的目的。
[0004]本發(fā)明的目的可以通過以下措施來實(shí)現(xiàn):
[0005]先在電爐內(nèi)冶煉鑄鋼頂頭材料，其化學(xué)組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:0.18~
0.28%C, 1.55 ~1.80%Cr, 0.08 ~0.12%N, 0.85 ~1.15%Mo, 0.55 ~0.80%Si, 0.35 ~
0.60%Mn, 1.15≤1.40%Ni, S≤0.03% ,P≤0.04% ,余量為Fe。當(dāng)上述金屬熔液溫度達(dá)到1650-1680°C時(shí),鋼水出爐入澆包,鋼水全部進(jìn)入澆包后,立即將直徑(p3.5mm-5.0mm的
合金線通過喂絲機(jī)進(jìn)入澆包，合金線加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為澆包內(nèi)鋼水總質(zhì)量的2.5-3.5%，合金線化學(xué)組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:6-8%Ca, 6-8%Ba, 3-5%Ce, L 5-2.0%Mg, 15-18%Fe, 3-5%Ti, 5-8%V，12-15%Si，余量為Al和不可避免的微量雜質(zhì)。當(dāng)鋼水溫度降至1490-1515°C時(shí)，將鋼水澆入鑄型獲得頂頭，頂頭經(jīng)粗加工后進(jìn)行熱處理。頂頭熱處理過程是先將頂頭隨爐加熱至1000-1020°C，保溫2-3小時(shí)后油冷，然后將頂頭進(jìn)行回火處理，回火加熱溫度230-260°C，保溫8-12小時(shí)后爐冷至溫度低于150°C后出爐空冷至室溫，最后精加工至規(guī)定尺寸和精度。
[0006]上述耐磨鑄鋼穿孔機(jī)頂頭中，加入0.08-0.12%N, 0.85-1.15%Mo,0.35-
0.60%Mn和1.15-1.40%Ni，主要是為了提高鋼的高溫強(qiáng)度、硬度和耐磨性。碳含量不能太高，否則使用過程中易出現(xiàn)疲勞裂紋，將其含量控制在0.18-0.28%C。加入1.55-
1.80%Cr和0.55-0.80%Si，可以提高頂頭的抗氧化能力。在此基礎(chǔ)上，在鋼水出爐后，通過喂絲機(jī)將含 6 -8%Ca, 6 -8%Ba, 3 -5%Ce, 1.5 -2.0%Mg, 15 -18%Fe, 3 -5%Ti, 5 -8%V, 12-15%Si,余量為Al和不可避免的微量雜質(zhì),且直徑(p3_5mm-5.0mm的合金線加入到鋼水中，對(duì)鋼水起微合金化作用，可達(dá)到改善鋼水質(zhì)量，提高鑄造頂頭質(zhì)量的效果，合金線加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為澆包內(nèi)鋼水總質(zhì)量的2.5-3.5%，效果最好，加入量過少，鋼水微合金化效果不明顯，加入 量過多，鋼水降溫快，鋼水中夾雜物數(shù)量增多，反而損害鑄鋼頂頭的使用性能。此外，頂頭熱處理是先將頂頭隨爐加熱至1000-1020°C，保溫2-3小時(shí)后油冷，主要為了得到強(qiáng)韌性、耐磨性和抗疲勞性能優(yōu)異的板條馬氏體。然后將頂頭進(jìn)行回火處理，回火加熱溫度230-260°C，保溫8-12小時(shí)后爐冷至溫度低于150°C后空冷至室溫，主要是為了消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織，確保頂頭安全使用。
[0007]本發(fā)明效果:
[0008](I)本發(fā)明頂頭不含價(jià)格昂貴的鈷、鎢、鈮等合金元素，具有較低的生產(chǎn)成本；
[0009](2)本發(fā)明頂頭經(jīng)過鑄造和熱處理后可直接使用，不需要經(jīng)過鍛造加工，導(dǎo)致其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化；
[0010](3)本發(fā)明頂頭鋼水在爐外通過喂絲機(jī)將直徑(p3.5mm-5.0mm的合金線喂入鋼水中，可以大幅度提高鋼水質(zhì)量，改善頂頭性能。
【具體實(shí)施方式】
[0011]以下結(jié)合發(fā)明人給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述:
[0012]實(shí)施例1:
[0013]在1000公斤中頻感應(yīng)電爐內(nèi)冶煉鑄鋼頂頭，其具體工藝是:
[0014]先在電爐內(nèi)冶煉鑄鋼頂頭材料，其化學(xué)組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:0.19%C, 1.78%Cr, 0.09%N, 0.86%Mo, 0.57%Si, 0.59%Mn, 1.37%Ni, 0.027%S, 0.031%P,余量為 Fe。當(dāng)上述金屬熔液
溫度達(dá)到1652°C時(shí)，鋼水出爐入澆包，鋼水全部進(jìn)入澆包后，立即將直徑(p3.5mm的合金線
通過喂絲機(jī)進(jìn)入澆包，合金線加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為澆包內(nèi)鋼水總質(zhì)量的2.5%，合金線化學(xué)組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:6.16%Ca, 7.83%Ba, 3.15%Ce, 1.94%Mg, 15.26%Fe, 3.20%Ti, 7.88%V, 12.01%S
i,余量為Al和不可避免的微量雜質(zhì)。當(dāng)鋼水溫度降至1494°C時(shí)，將鋼水澆入鑄型獲得頂頭，頂頭經(jīng)粗加工后進(jìn)行熱處理。頂頭熱處理過程是先將頂頭隨爐加熱至1000°c，保溫3小時(shí)后油冷，然后將頂頭進(jìn)行回火處理，回火加熱溫度230°C，保溫12小時(shí)后爐冷至溫度低于150°C后出爐空冷至室溫，最后精加工至規(guī)定尺寸和精度。頂頭性能見表I。
[0015]實(shí)施例2:
[0016]在1000公斤中頻感應(yīng)電爐內(nèi)冶煉鑄鋼頂頭，其具體工藝是:
[0017]先在電爐內(nèi)冶煉鑄鋼頂頭材料，其化學(xué)組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:0.28%C, 1.56%Cr, 0.12%N, 1.14%Mo, 0.78%Si, 0.36%Mn, 1.18%Ni, 0.028%S, 0.035%P,余量為 Fe。當(dāng)上述金屬熔液
溫度達(dá)到1679°C時(shí)，鋼水出爐入澆包，鋼水全部進(jìn)入澆包后，立即將直徑q)5.0mm的合金線
通過喂絲機(jī)進(jìn)入澆包，合金線加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為澆包內(nèi)鋼水總質(zhì)量的3.5%，合金線化學(xué)組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:7.05%Ca, 6.90%Ba, 4.07%Ce, 1.82%Mg, 16.59%Fe, 3.96%Ti, 6.72%V, 14.02%S
i,余量為Al和不可避免的微量雜質(zhì)。當(dāng)鋼水溫度降至1509°C時(shí)，將鋼水澆入鑄型獲得頂頭，頂頭經(jīng)粗加工后進(jìn)行熱處理。頂頭熱處理過程是先將頂頭隨爐加熱至1020°C，保溫2小時(shí)后油冷，然后將頂頭進(jìn)行回火處理，回火加熱溫度260°C，保溫8小時(shí)后爐冷至溫度低于150°C后出爐空冷至室溫，最后精加工至規(guī)定尺寸和精度。頂頭性能見表I。
[0018]實(shí)施例3:
[0019]在1000公斤中頻感應(yīng)電爐內(nèi)冶煉鑄鋼頂頭，其具體工藝是:
[0020]先在電爐內(nèi)冶煉鑄鋼頂頭材料，其化學(xué)組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:0.24%C, 1.70%Cr, 0.09%N, 0.98%Mo, 0.64%Si, 0.47%Mn, 1.26%Ni, 0.025% S, 0.034% P,余量為 Fe。當(dāng)上述金屬熔
液溫度達(dá)到1668°C時(shí)，鋼水出爐入澆包，鋼水全部進(jìn)入澆包后，立即將直徑φ5.0.的合金
線通過喂絲機(jī)進(jìn)入澆包，合金線加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為澆包內(nèi)鋼水總質(zhì)量的3.0%，合金線化學(xué)組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:7.92%Ca, 6.04%Ba, 4.85%Ce, 1.53%Mg, 17.87%Fe, 4.95%Ti, 5.02%V, 14.91%
Si,余量為Al和不可避免的微量雜質(zhì)。當(dāng)鋼水溫度降至1497°C時(shí)，將鋼水澆入鑄型獲得頂頭，頂頭經(jīng)粗加工后進(jìn)行熱處理。頂頭熱處理過程是先將頂頭隨爐加熱至1010°C，保溫3小時(shí)后油冷，然后將頂頭進(jìn)行回火處理，回火加熱溫度240°C，保溫10小時(shí)后爐冷至溫度低于150°C后出爐空冷至室溫，最后精加工至規(guī)定尺寸和精度。頂頭性能見表I。
[0021]表I頂頭力學(xué)性能
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種耐高溫磨蝕鑄鋼穿孔機(jī)頂頭的制備方法，其特征在于先在電爐內(nèi)冶煉鑄鋼頂頭材料，其化學(xué)組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:0.18~0.28%C, 1.55~1.80%Cr, 0.08~0.12%N, 0.85~1.15%Mo, 0.55 ~0.80%Si, 0.35 ~0.60%Mn, 1.15 ~1.40%Ni, S-0.03% ,P-0.04% ,余量為Fe ;當(dāng)上述鑄鋼頂頭材料金屬熔液，以下簡(jiǎn)稱為鋼水的溫度達(dá)到1650~1680°C時(shí)，鋼水出爐入澆包,鋼水全部進(jìn)入澆包后，立即將直徑φ3.5mm~5.0ηιηι的合金線通過喂絲機(jī)進(jìn)入澆包，合金線加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為澆包內(nèi)鋼水總質(zhì)量的2.5~3.5% ;當(dāng)鋼水溫度降至1490~1515°C時(shí)，將鋼水澆入鑄型獲得頂頭，頂頭經(jīng)粗加工后進(jìn)行熱處理，熱處理后精加工至規(guī)定尺寸和精度。
2.如權(quán)利要求1所說耐高溫磨蝕鑄鋼穿孔機(jī)頂頭的制備方法，其特征在于合金線化學(xué)組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)是:6~8%Ca, 6~8%Ba, 3~5%Ce, L 5~2.0%Mg, 15~18%Fe, 3~5%Ti, 5~8%V，12~15%Si，余量為Al和不可避免的微量雜質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所說耐高溫磨蝕鑄鋼穿孔機(jī)頂頭的制備方法，其特征在于頂頭熱處理過程是先將頂頭隨爐加熱至1000~1020°C，保溫2~3小時(shí)后油冷，然后將頂頭進(jìn)行回火處理，回火加熱溫度230~260°C，保溫8~12小時(shí)后爐冷至溫度低于150°C后空冷至室溫。
【文檔編號(hào)】B21B25/00GK103451551SQ201310388884
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】高義民, 鄭開宏, 張錦紅, 符寒光, 邢建東, 皇志富, 馬勝強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)