一种耐磨无缝钢管穿孔顶头及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202410357567.8 | 申请日 | 2024-03-27 | 公开(公告)号 | CN117987746A | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 南通市嘉业机械制造有限公司; | 发明人 | 吕小军; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及金属材料技术领域，且公开了一种耐磨无缝 钢 管穿孔顶头及其制备方法，钢液 净化 剂中的稀土元素可减少钢中O、S含量，改善钢的韧性和提高硬度，同时镁和 铝 的脱 氧 能 力 明显强于 脱硫 能力，镁铈 合金 协效处理能够改变钢液中的夹杂物类型，减少夹杂物聚集和上浮的能力，提高钢液净化度，细化钢液 凝固 后的晶粒，提高顶头的强度； 等离子 喷涂 制备的锆铬粉末，使得穿孔顶头在摩擦磨损的过程中能有效抵御外来磨粒的磨损，磨损时产生磨损微裂纹的裂纹源与裂纹扩展的路径受到极大限制，并减轻了磨粒对涂层的磨损，高温下不易产生开裂等过早失效行为，进而提高了无缝钢管穿孔顶头的 耐磨性 能和耐高温性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述穿孔顶头包括如下质量百分比的成分：0.28‑0.42%的纯碳，0.45‑0.78%的纯硅，0.31‑0.52%的金属锰，1.85‑2.63%的金属铬， |
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| 说明书全文 | 一种耐磨无缝钢管穿孔顶头及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及金属材料技术领域，具体为一种耐磨无缝钢管穿孔顶头及其制备方法。 背景技术[0002] 无缝钢管产业占国民经济的重要组成部分，而穿孔顶头更是无缝钢管生产中的消耗量最大的关键工具之一，在穿管过程中，穿孔顶头直接与高温钢坯相接触，终轧时顶头的鼻部温度高达1300℃左右，承受着巨大的轴向压力、径向应力和表面摩擦力的作用，而且每完成一次穿管顶头必须强制水冷，在高温、高压和急冷急热的恶劣工作环境下，经受着机械疲劳和热疲劳的综合作用，使穿孔顶头较早出现塌鼻、粘钢和开裂等失效形式，严重影响了钢管生产的产量、质量和经济效益等，因此研制出一种高质量的穿孔顶头已成为钢管生产中的重要课题。 [0003] 传统顶头材料用高合金模具钢或钼合金制成，高合金模具钢在高温下虽有较高的硬度和强度，但是在急冷急热的工作环境下容易开裂，使用寿命较短；钼合金顶头材料成本较高，不宜规模化使用；目前对顶头材料的防护主要采用预氧化处理在顶头表面预制铁氧化物膜，阻止顶头基体与管坯直接接触，起到一定的隔热作用，然而由于铁的氧化物膜结构疏松、易开裂，其抗氧化性、粘附性和高温稳定性较差，因此预氧化处理难以有效解决顶头快速失效的行业难题；专利号CN101603154A公开了一种钢管热穿孔顶头的新材料，在低合金基础上适当增加了Mo和W的含量，同时添加了Al和稀土元素Ce，与采用高合金钢相比成本更低，该新材料一定程度上提高了穿孔顶头新材料的硬度、强度、韧性等性能，但是其耐磨性、耐温性没有明显得到改善，使得穿孔顶头的使用寿命不长。 [0004] 穿孔顶头是一种消耗品，其制造工艺复杂，造价成本也很高，在顶头表面制备防护涂层是保护顶头和保证其尺寸精度的有效方法；本发明通过优化顶头组成成分，添加适量的钢液净化剂，提高洁净度，减少贵重合金元素的用量，节约成本；接着采用适宜的退火、淬火、回火工艺进行热处理，通过非水解溶胶凝胶法制备出耐磨性能优异的铬锆粉末，采用等离子喷涂进行表面处理，得到耐磨且耐高温的无缝钢管穿孔顶头。 发明内容[0005] 本发明解决的技术问题是：提供了一种耐磨无缝钢管穿孔顶头及其制备方法，解决了现有无缝钢管穿孔顶头耐磨、耐高温性能不佳的问题。 [0006] 本发明的技术方案是：一种耐磨无缝钢管穿孔顶头包括如下质量百分比的成分：0.28‑0.42%的纯碳， 0.45‑0.78%的纯硅，0.31‑0.52%的金属锰，1.85‑2.63%的金属铬，0.33‑0.54%的金属钒， 2.23‑2.89%的金属镍，0.15‑0.25%的金属钨，0.01‑0.1%的纯氮，0.03‑0.15%的钢液净化剂，余量为金属铁。 [0007] 耐磨无缝钢管穿孔顶头的制备方法按照以下步骤进行：（1）无缝钢管穿孔顶头基体的制备：将上述比例的成分加入到中频感应电炉中，加热进行熔炼，待完全熔化后，浇注到预热的不锈钢模具上，抽真空进行真空浇铸，成型后置于500‑650℃的马弗炉中保温30‑50min，得到无缝钢管穿孔顶头基体。 [0008] （2）无缝钢管穿孔顶头初成品的制备：将无缝钢管穿孔顶头基体置于马弗炉中，以3‑6℃/min的速率升温进行淬火，然后以6‑10℃/min的速率降温进行回火，出炉空冷，得到无缝钢管穿孔顶头初成品。 [0009] （3）锆铬粉末的制备：向反应烧瓶中加入氯化锆和无水乙醇，混合均匀后，加入碳酸铬，搅拌反应，反应结束后，减压蒸馏得到白色砂状颗粒，接着在600‑800℃下焙烧保温1‑3h，冷却至室温，得到锆铬粉末。 [0010] （4）耐磨无缝钢管穿孔顶头的制备：将无缝钢管穿孔顶头初成品表面进行清洗除锈和喷砂粗化处理后，采用等离子喷枪进行喷涂，喷枪的喷嘴和电极分别接电源的正、负极，喷嘴和电极之间通入等离子气体，借助高频火花引燃电弧，送粉气将锆铬粉末从喷嘴内送入等离子射流中，加热至熔融状态，喷射到无缝钢管穿孔顶头初成品表面，形成厚度为1‑5mm的锆铬涂层，得到耐磨无缝钢管穿孔顶头。 [0012] 进一步的，步骤（1）中熔炼温度为950‑1100℃，熔炼时间为1‑3h。 [0013] 进一步的，步骤（2）中淬火温度为900‑1050℃，淬火时间为3‑6h。 [0014] 进一步的，步骤（2）中回火温度为550‑700℃，回火时间为1‑4h。 [0015] 进一步的，步骤（3）中氯化锆、碳酸铬的比例关系为1mol:（1.1‑1.4）mol。 [0016] 进一步的，步骤（3）中反应温度为60‑70℃，反应时间为5‑10h。 [0017] 进一步的，步骤（4）中送粉气为氩气、氢气、氦气、氮气中的任意一种。 [0019] 进一步的，步骤（4）中送粉气流量为280‑320L/h，送粉速度为5‑8g/min。 [0020] 本发明的有益的技术效果是：本发明通过对无缝钢管穿孔顶头的组成成分进行优化设计，添加适量的钢液净化剂，减少贵重合金元素的用量，使金属材料得到强化；采用适宜的退火、淬火、回火等热处理工艺，无缝钢管穿孔顶头初成品，采用非水解溶胶凝胶法制备出耐磨性能优异的铬锆粉末，并对无缝钢管穿孔顶头表面进行等离子喷涂处理，得到耐磨无缝钢管穿孔顶头，简化了工艺，降低了成本。 [0021] 钢液净化剂中的稀土元素与钢液中的O、S反应生成稀土氧化物、稀土硫氧化物和稀土硫化物夹杂，减少钢液中O、S含量，弥散分布的细小的球形稀土硫化物夹杂可以取代钢中长条状的MnS夹杂，改善钢的韧性和耐腐蚀性能，同时镁和铝的脱氧能力明显强于脱硫能力，镁铈合金协效处理能够改变钢液中的夹杂物类型，减少夹杂物聚集和上浮的能力，提高钢液净化度，进而在钢液凝固前析出细小且弥散分布的高熔点化合物，降低钢液过冷度，细化钢液凝固后的晶粒，提高钢的强度；此外稀土元素的半径较大，难以在晶粒内扩散，晶界处偏聚的稀土原子还能对晶界起到钉扎作用，提高了穿孔顶头的硬度。 [0022] 锆铬涂层具有耐磨性能优异的锆和铬，可作为硬质相，在摩擦磨损的过程中，能有效抵御外来磨粒的磨损，磨损时产生磨损微裂纹的裂纹源与裂纹扩展的路径受到极大限制，并能够将部分磨粒在涂层表面上的滑动摩擦与凿削变为滚动，减轻了磨粒对涂层的磨损，进而提高了无缝钢管穿孔顶头的耐磨性能；等离子喷涂将热喷涂材料加热到塑态或熔融态，再经受压缩空气的加速，使受约束的颗粒束流冲击到基体表面上，冲击到表面的颗粒，因受冲压而变形，形成叠层薄片，粘附在经过制备的基体表面，随之冷却并不断堆积，最终形成一种层状的涂层，实现穿孔顶头材料的耐高温、抗磨损等功能。 具体实施方式[0023] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例 [0024] （1）无缝钢管穿孔顶头基体的制备：将质量占比为0.31%的纯碳，0.52%的纯硅，0.35%的金属锰，2.24%的金属铬，0.46%的金属钒，2.58%的金属镍，0.20%的金属钨，0.03%的纯氮，0.03%的镁铈合金，余量为金属铁，加入到中频感应电炉中，加热至1050℃熔炼2h，待完全熔化后，浇注到预热的不锈钢模具上，抽真空进行真空浇铸，成型后置于550℃的马弗炉中保温40min，得到无缝钢管穿孔顶头基体。 [0025] （2）无缝钢管穿孔顶头初成品的制备：将无缝钢管穿孔顶头基体置于马弗炉中，以5℃/min的速率升温至1000℃淬火5h，然后以8℃/min的速率降温至650℃回火3h，出炉空冷，得到无缝钢管穿孔顶头初成品。 [0026] （3）锆铬粉末的制备：向反应烧瓶中加入5mmol氯化锆和40mL无水乙醇，混合均匀后，加入6.2mmol碳酸铬，在65℃反应时间9h，减压蒸馏得到白色砂状颗粒，接着在700℃下焙烧保温2h，冷却至室温，得到锆铬粉末。 [0027] （4）耐磨无缝钢管穿孔顶头的制备：将无缝钢管穿孔顶头初成品表面进行清洗除锈和喷砂粗化处理后，采用等离子喷枪进行喷涂，喷涂功率为30kW，工作电压为60V，工作电流为500A，喷枪的喷嘴和电极分别接电源的正、负极，喷嘴和电极之间通入等离子气体，借助高频火花引燃电弧，氩气将锆铬粉末从喷嘴内送入等离子射流中，流量为310L/h，速度为6g/min，加热至熔融状态，喷射到无缝钢管穿孔顶头初成品表面，形成厚度为1mm的锆铬涂层，得到耐磨无缝钢管穿孔顶头。 实施例 [0028] （1）无缝钢管穿孔顶头基体的制备：将质量占比为0.28%的纯碳，0.78%的纯硅，0.52%的金属锰，1.85%的金属铬，0.54%的金属钒，2.89%的金属镍，0.15%的金属钨，0.07%的纯氮，0.06%的铼镁合金，余量为金属铁，加入到中频感应电炉中，加热至1100℃熔炼1h，待完全熔化后，浇注到预热的不锈钢模具上，抽真空进行真空浇铸，成型后置于650℃的马弗炉中保温30min，得到无缝钢管穿孔顶头基体。 [0029] （2）无缝钢管穿孔顶头初成品的制备：将无缝钢管穿孔顶头基体置于马弗炉中，以6℃/min的速率升温至1050℃淬火3h，然后以10℃/min的速率降温至700℃回火1h，出炉空冷，得到无缝钢管穿孔顶头初成品。 [0030] （3）锆铬粉末的制备：向反应烧瓶中加入12mmol氯化锆和60mL无水乙醇，混合均匀后，加入13.2mmol碳酸铬，在70℃反应时间5h，减压蒸馏得到白色砂状颗粒，接着在800℃下焙烧保温1h，冷却至室温，得到锆铬粉末。 [0031] （4）耐磨无缝钢管穿孔顶头的制备：将无缝钢管穿孔顶头初成品表面进行清洗除锈和喷砂粗化处理后，采用等离子喷枪进行喷涂，喷涂功率为35kW，工作电压为55V，工作电流为450A，喷枪的喷嘴和电极分别接电源的正、负极，喷嘴和电极之间通入等离子气体，借助高频火花引燃电弧，氢气将锆铬粉末从喷嘴内送入等离子射流中，流量为320L/h，速度为8g/min，加热至熔融状态，喷射到无缝钢管穿孔顶头初成品表面，形成厚度为1mm的锆铬涂层，得到耐磨无缝钢管穿孔顶头。 实施例 [0032] （1）无缝钢管穿孔顶头基体的制备：将质量占比为0.42%的纯碳，0.45%的纯硅，0.31%的金属锰，2.63%的金属铬，0.33%的金属钒，2.23%的金属镍，0.25%的金属钨，0.1%的纯氮，0.09%的镧铝合金，余量为金属铁，加入到中频感应电炉中，加热至950℃熔炼3h，待完全熔化后，浇注到预热的不锈钢模具上，抽真空进行真空浇铸，成型后置于500℃的马弗炉中保温50min，得到无缝钢管穿孔顶头基体。 [0033] （2）无缝钢管穿孔顶头初成品的制备：将无缝钢管穿孔顶头基体置于马弗炉中，以3℃/min的速率升温至900℃淬火6h，然后以6℃/min的速率降温至550℃回火4h，出炉空冷，得到无缝钢管穿孔顶头初成品。 [0034] （3）锆铬粉末的制备：向反应烧瓶中加入8mmol氯化锆和80mL无水乙醇，混合均匀后，加入11.2mmol碳酸铬，在60℃反应时间10h，减压蒸馏得到白色砂状颗粒，接着在600℃下焙烧保温3h，冷却至室温，得到锆铬粉末。 [0035] （4）耐磨无缝钢管穿孔顶头的制备：将无缝钢管穿孔顶头初成品表面进行清洗除锈和喷砂粗化处理后，采用等离子喷枪进行喷涂，喷涂功率为25kW，工作电压为65V，工作电流为550A，喷枪的喷嘴和电极分别接电源的正、负极，喷嘴和电极之间通入等离子气体，借助高频火花引燃电弧，氦气将锆铬粉末从喷嘴内送入等离子射流中，流量为280L/h，速度为5g/min，加热至熔融状态，喷射到无缝钢管穿孔顶头初成品表面，形成厚度为1mm的锆铬涂层，得到耐磨无缝钢管穿孔顶头。 实施例 [0036] （1）无缝钢管穿孔顶头基体的制备：将质量占比为0.35%的纯碳，0.62%的纯硅，0.49%的金属锰，2.25%的金属铬，0.42%的金属钒，2.66%的金属镍，0.18%的金属钨，0.08%的纯氮，0.12%的镁铈合金，余量为金属铁，加入到中频感应电炉中，加热至1080℃熔炼2h，待完全熔化后，浇注到预热的不锈钢模具上，抽真空进行真空浇铸，成型后置于560℃的马弗炉中保温45min，得到无缝钢管穿孔顶头基体。 [0037] （2）无缝钢管穿孔顶头初成品的制备：将无缝钢管穿孔顶头基体置于马弗炉中，以4℃/min的速率升温至980℃淬火6h，然后以8℃/min的速率降温至650℃回火3h，出炉空冷，得到无缝钢管穿孔顶头初成品。 [0038] （3）锆铬粉末的制备：向反应烧瓶中加入3mmol氯化锆和27mL无水乙醇，混合均匀后，加入3.78mmol碳酸铬，在70℃反应时间8h，减压蒸馏得到白色砂状颗粒，接着在720℃下焙烧保温3h，冷却至室温，得到锆铬粉末。 [0039] （4）耐磨无缝钢管穿孔顶头的制备：将无缝钢管穿孔顶头初成品表面进行清洗除锈和喷砂粗化处理后，采用等离子喷枪进行喷涂，喷涂功率为28kW，工作电压为62V，工作电流为520A，喷枪的喷嘴和电极分别接电源的正、负极，喷嘴和电极之间通入等离子气体，借助高频火花引燃电弧，氮气将锆铬粉末从喷嘴内送入等离子射流中，流量为300L/h，速度为6g/min，加热至熔融状态，喷射到无缝钢管穿孔顶头初成品表面，形成厚度为1mm的锆铬涂层，得到耐磨无缝钢管穿孔顶头。 实施例 [0040] （1）无缝钢管穿孔顶头基体的制备：将质量占比为0.34%的纯碳，0.76%的纯硅，0.41%的金属锰，2.06%的金属铬，0.48%的金属钒，2.79%的金属镍，0.23%的金属钨，0.1%的纯氮，0.15%的镧铝合金，余量为金属铁，加入到中频感应电炉中，加热至1000℃熔炼3h，待完全熔化后，浇注到预热的不锈钢模具上，抽真空进行真空浇铸，成型后置于600℃的马弗炉中保温35min，得到无缝钢管穿孔顶头基体。 [0041] （2）无缝钢管穿孔顶头初成品的制备：将无缝钢管穿孔顶头基体置于马弗炉中，以6℃/min的速率升温至960℃淬火5h，然后以8℃/min的速率降温至650℃回火4h，出炉空冷，得到无缝钢管穿孔顶头初成品。 [0042] （3）锆铬粉末的制备：向反应烧瓶中加入2mmol氯化锆和20mL无水乙醇，混合均匀后，加入2.7mmol碳酸铬，在65℃反应时间10h，减压蒸馏得到白色砂状颗粒，接着在800℃下焙烧保温2h，冷却至室温，得到锆铬粉末。 [0043] （4）耐磨无缝钢管穿孔顶头的制备：将无缝钢管穿孔顶头初成品表面进行清洗除锈和喷砂粗化处理后，采用等离子喷枪进行喷涂，喷涂功率为35kW，工作电压为60V，工作电流为480A，喷枪的喷嘴和电极分别接电源的正、负极，喷嘴和电极之间通入等离子气体，借助高频火花引燃电弧，氩气将锆铬粉末从喷嘴内送入等离子射流中，流量为310L/h，速度为6g/min，加热至熔融状态，喷射到无缝钢管穿孔顶头初成品表面，形成厚度为1mm的锆铬涂层，得到耐磨无缝钢管穿孔顶头。 [0044] 对比例1本对比例与实施例1的区别在于，步骤（1）中不加入钢液净化剂，其他条件保持一致。 [0045] 表1无缝钢管穿孔顶头的元素及含量维氏硬度测试：采用显微硬度计测量无缝钢管穿孔顶头的维氏硬度，测量点位于涂层表面、基体、基体和涂层的交界区，使用的压头载荷为0.98N，压头的时间为20s。 [0046] 表2维氏硬度测试由上表测试结果可知，随着钢液净化剂含量的增加，无缝钢管穿孔顶头的维氏硬度逐渐提高，这是因为钢液净化剂中的稀土元素在钢液中与O、S反应生成稀土氧化物、稀土硫氧化物和稀土硫化物夹杂，减少钢液中O、S含量，弥散分布的细小的球形稀土硫化物夹杂可以取代钢中长条状的MnS夹杂，改善钢液的韧性和硬度，同时镁和铝的脱氧能力明显强于脱硫能力，镁铈合金协效处理能够改变钢液中的夹杂物类型，减少夹杂物聚集和上浮的能力，提高钢液净化度，进而在钢液凝固前析出细小且弥散分布的高熔点化合物，降低钢液过冷度，细化钢液凝固后的晶粒，提高穿孔顶头的强度；此外稀土元素的半径较大，难以在晶粒内扩散，晶界处偏聚的稀土原子还能对晶界起到钉扎作用，提高了穿孔顶头的硬度；上表数据中涂层区的维氏硬度明显高于基体区和交界处，说明在顶头表面喷涂锆铬粉末可以提高穿孔顶头的表面硬度，进而提高穿孔顶头的使用寿命。 实施例 [0047] 本实施例与实施例1的区别在于，步骤（4）中锆铬涂层的厚度为2mm，其他条件保持一致。实施例 [0048] 本实施例与实施例1的区别在于，步骤（4）中锆铬涂层的厚度为3mm，其他条件保持一致。实施例 [0049] 本实施例与实施例1的区别在于，步骤（4）中锆铬涂层的厚度为4mm，其他条件保持一致。实施例 [0050] 本实施例与实施例1的区别在于，步骤（4）中锆铬涂层的厚度为5mm，其他条件保持一致。 [0051] 对比例2本对比例与实施例1的区别在于，不进行喷涂锆铬涂层工艺，其他条件保持一致。 [0052] 耐磨性能测试：采用环块式摩擦试验机进行测试，对磨环为淬火‑低温回火的45#钢，试验条件为法向载荷98N，试环旋转速度为400r/min，磨损时间为10h，用分析天平称取试样磨损量。 [0053] 表3磨损量和硬度测试由上表测试结果可知，随着锆铬涂层厚度的增加，无缝钢管穿孔顶头的磨损量逐渐减少，实施例9中的穿孔顶头在磨损10h后，磨损量仅为0.03g，对比例2中未进行喷涂涂层操作，其磨损量达到1.02g，磨损较为严重；这是因为制备的锆铬涂层具有耐磨性能优异的锆和铬，可作为硬质相，在摩擦磨损的过程中，能有效抵御外来磨粒的磨损，磨损时产生磨损微裂纹的裂纹源与裂纹扩展的路径受到极大限制，并能够将部分磨粒在涂层表面上的滑动摩擦与凿削变为滚动，减轻了磨粒对涂层的磨损，进而提高了无缝钢管穿孔顶头的耐磨性能。 [0054] 耐高温性能测试：参照HB7236‑95标准，将无缝钢管穿孔顶头试件在箱式电阻炉内加热到800℃，保温15min后取出，在冷水中快速冷却至室温，待其干燥后再重复进行，直到涂层开裂或剥离，以能承受的循环次数来评判涂层耐高温、耐热疲劳性能的优劣。 [0055] 表4耐高温性能测试由上表测试数据可知，随着锆铬涂层厚度的增加，无缝钢管穿孔顶头的耐高温性能逐渐增强，这是因为制备的锆铬涂层与基体结合紧密，并且有少量的微区冶金结合，涂层组织较致密，在高温作用下，裂纹不容易沿晶界向内扩展，避免穿孔顶头在使用过程中发生开裂、掉肉等过早失效行为，延长了穿孔顶头的使用寿命。 |
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