CN101603154B - 钢管热穿孔顶头新材料 - Google Patents
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Abstract
一种钢管热穿孔顶头新材料，其化学组分及重量百分比为：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，余量为铁及不可避免的微量杂质。由于增加了Mo和W元素的含量，同时加入了适量Al和稀土元素Ce(铈)，提高了材料的强度、耐磨性能、硬度、塑性和热稳定性，使用该材料制作顶头，可经热处理后使其表面形成致密的氧化膜，使顶头的使用寿命可以达到520-640次/只。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁基合金，特别是一种应用于钢管热穿孔顶头的新材料。
背景技术
穿孔顶头是无缝钢管生产中的关键工模具，其工作的温度为1000℃左右，并要承受着巨大的轴向压力、径向压力、旋转摩擦力、急冷急热的热应力，它的质量好坏、使用寿命的长短对无缝钢管的质量、生产效率以及工厂效益都有重要影响，因此研制高质量、长寿命的穿孔顶头一直以来都是无缝钢管生产中的一个比较重要的课题。
目前我国应用较多的顶头材质有合金结构钢、热作模具钢和钼合金。传统的3Cr2W8V高合金模具钢制成的顶头，在高温下虽有较高的硬度和强度，但韧性和塑性较差，在急冷急热工作环境下容易开裂和热龟裂，使用寿命较短，使用成本也较高。钼合金制成的顶头虽然具有较好的使用性能，但其成本太高。而目前广泛应用于无缝钢管热轧穿孔顶头的15Cr2Ni3MoW钢，其化学成分及重量百分比为：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，W 0.16-0.19，该材料经冶炼、铸造、锻造成穿孔顶头坯后再机加工，经氧化热处理后使用，其虽能使顶头的组织得到改善，具有良好的强韧性，但在穿钢时容易发生“塌鼻”、“粘钢”现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种硬度、强度、韧性、塑性及热疲劳性能等综合性能大大提高的钢管热穿孔顶头新材料，使用本发明制造的钢管热穿孔顶头不仅经济实用，且使用寿命能达到520-640次/只以上。
本发明的技术方案如下：
一种钢管热穿孔顶头新材料，其组成成分及各组分的重量百分比为：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，余量为铁及不可避免的微量杂质。
而本发明最优的实施方式为，其组成成分及各组分的重量百分比是：C 0.25，Si 1.0，Mn 0.50，Cr 0.80，Ni 1.0，Mo 1.0，W 2.0，Al 1.50，Ce 0.05，余量为铁及不可避免的微量杂质。
本发明是在低合金钢的基础上，利用稀土元素微合金化原理研发而成，使用本发明的新材料制作的钢管热穿孔顶头不仅成本较低，为企业节约了资源，同时还具有优异的综合性能，使用寿命比15Cr2Ni3MoW钢制的钢管热穿孔顶头寿命提高了一倍以上，也减少了更换顶头的频率，大大提高了企业的生产效率。本发明的设计依据为：
1、C含量(重量百分比，以下均同)为0.20-0.30，C为碳化物形成元素，可提高材料的硬度，含量太高则不利于进行氧化热处理；
2、Cr及Si可以提高钢的高温硬度及强度，同时提高钢的临界点，以提高钢的热疲劳抗力，少量的Cr还可提高材料的韧性，其含量一般在0.50-0.80之间，Si的含量为0.20-1.20；
3、Ni的含量为0.90-1.20，少量镍元素的加入可提高材料的韧性；
4、Mn能提高钢的淬透性及热强性，还可以消除钢中杂质S的有害影响，但含量过高会使导热性降低，其含量一般为0.40-0.60。
5、在合金中加入了比普通低合金钢含量较多的Mo和W元素。Mo元素含量为0.90-1.20，W元素含量为1.80-2.20，这两种元素都是强碳化物形成元素，增加Mo和W的含量使组织得到强化，同时提高热强性能、耐磨性能和热稳定性，使顶头的寿命能得到大幅度提高。
6、同时加入Al与稀土元素Ce(铈)，其中Al的含量为1.0-2.0，Al能细化晶粒，控制晶粒开始粗化的温度，能有效提高钢的可磨削性能和高温强度；Ce的含量为0.02-0.05，微量Ce在钢中能净化钢液，去除晶界富集的有害杂质，使顶头的组织、性能得到最佳改善，同时还在晶粒与合金液之间形成表面活性膜，阻止生成的晶粒长大，使合金的组织细化；Al与Ce的同时加入使顶头的表面经氧化处理后的氧化膜致密，且与顶头基体结合牢固，同时提高了顶头的高温强度、硬度、塑性、耐磨性和热疲劳性能，使采用本发明的新材料制作的顶头的寿命比采用15Cr2Ni3MoW钢制作的顶头的寿命增加1倍以上。
本发明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，但制作的顶头的使用寿命却更长，既为企业节约了成本，同时也提高了企业的生产效率。
下面根据实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
本发明的钢管热穿孔顶头新材料，其组成成分及各组分的重量百分比为：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，余量为铁及不可避免的微量杂质。
作为本发明钢管热穿孔顶头新材料的最优化的实施方式，本发明的实施例1所采用的组分及重量百分比含量具体为：C 0.25，Si 1.0，Mn 0.50，Cr 0.80，Ni 1.0，Mo 1.0，W 2.0，Al 1.50，Ce 0.05，余量为铁及不可避免的微量杂质。
采用本发明的新材料制造顶头的步骤为：1、无余量精密铸造壳型；2、将合金按所需成分及含量配料；3、将配料好的成分进行冶炼、浇注，固化后得到高精度的顶头；4、退火热处理，将固化后的顶头加热至880℃时退火保温3小时，随后随炉空冷至350℃；5、进行装配面微加工；6、表面氧化热处理，将顶头表面迅速加热至950℃，然后4小时空冷或油淬，即得到成品顶头。
本发明的新材料制造顶头是采用熔模无余量精密铸造方法浇注而成，基本上不需要机械加工，可以保留表面致密的细晶粒层。同时新材料的应用加上表面热处理工艺使顶头表面形成一层致密的氧化膜，这层致密组织使顶头在穿孔过程中热疲劳性能大大提高，既提高了顶头的使用寿命，还省略了机加工工序。同时由于Al和稀土元素Ce(铈)的添加，使顶头在热处理后更细化了组织，提高了顶头表面氧化膜与基体的结合力。
在本发明的新材料制造的顶头穿管试验中，直径为108mm的顶头穿管350次后顶头工作锥表面光滑，无变化，继续穿管285次，顶头的工作锥才出现疲劳裂纹，穿管次数达到635次/只，直径142mm的顶头在实际穿管中也达到520次/只以上，其它型号的顶头穿管试验也都达到了相同的优异效果，比目前普遍采用的顶头150次/只的使用寿命提高了2倍以上，比性能较好的顶头的250次/只的寿命也提高了1倍以上，同时顶头的成本也较低，在大规模无缝钢管生产中为企业节约了大量支出，同时也提高了企业的生产效率及经济效益。
Claims (2)
1.一种钢管热穿孔顶头新材料，其特征在于，该材料的成分(重量％)为：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，余量为铁及不可避免的微量杂质。
2.根据权利要求1所述的钢管热穿孔顶头新材料，其特征在于，该材料的成分(重量％)为：C 0.25，Si 1.0，Mn 0.50，Cr 0.80，Ni 1.0，Mo 1.0，W 2.0，Al 1.50，Ce 0.05，余量为铁及不可避免的微量杂质。
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