一种高合金钢管穿孔顶头及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种金属穿孔工具，尤其设及一种钢管穿孔工具。
【背景技术】
[0002] 在无缝钢管的热轴生产中，穿孔顶头是大量消耗的重要工具之一。在钢管穿孔过 程中顶头承受着极大的轴向应力和径向应力，由于高温和摩擦的共同作用使得顶头极易损 坏，从而导致钢管管巧内表面受到损伤，因此提高顶头寿命是保证钢管质量和生产效率的 关键因素。
[0003] 高合金钢（例如，不诱钢）与碳素钢相比，管巧穿孔时热变形抗力大，因而高合金 钢管巧在轴制时施加给顶头的轴制负荷要比碳素钢管巧来的大；同时其在轴制加工时发热 所产生的热负荷也比碳素钢管巧大，导致顶头非常容易损坏。顶头的主要失效形式包括端 部烙损、塌鼻、剥落、粘钢、开裂等，顶头失效容易引起钢管内表面缺陷，降低钢管成品的成 材率和生产率，提高钢管成品的制造成本。
[0004] 目前，无缝钢管普遍采用的顶头主要有；穿普通管的经表面氧化处理的顶头、穿高 合金钢管的整体钢基顶头和头部镶嵌钢基材质的顶头等。其中，整体钢基顶头需要加热后 才能使用，此类顶头不宜涧水且价格昂贵。现有的经表面氧化处理后的顶头则主要存在着 易开裂、头部粘钢及使用寿命短等缺陷。
[0005] 经研究和实践表明，在顶头表面生成的一层均匀、致密、附着力强、达到一定厚度 要求且表面脱碳少的氧化膜可W起到润滑和隔热作用，该能够有效地提高顶头的使用寿 命。此类顶头基体通常采用中、低合金钢。
[0006] 由于高合金钢管巧变形抗力大，顶头在穿孔过程中温度上升较高，故顶头基体需 要满足相应的热强性。相应地，在元素成分设计中需要添加适当的合金元素，同时还要兼顾 冷热疲劳性能的问题（即开裂问题）。此外，高合金钢基体不利于得到高质量的氧化膜且在 穿孔过程中也不易形成二次氧化膜。
[0007][000引另外，日本期刊《川崎制铁技报》（V01. 29,1997,No. 2,8~14)公开了一种高 合金钢管穿孔工具的长寿技术。该技术记载了一种高合金钢管穿孔顶头，其基体采用 &-Ni-M0-W-Co钢，并结合表面氧化热处理工艺，使得该穿孔顶头的使用寿命大大提高。 该穿孔顶头中的顶头基体材料主要添加的合金元素为；化；0. 5wt. %、Ni;1.Owt. %、Nb; 0. 5wt.%、Mo;1. 5wt.%、W;3.Owt. %及Co;1.Owt. %。添加上述合金元素的主要目的是提 高基体的高温强度。其中，虽然Nb是细化晶粒的元素，用来在钢中形成稳定细小NbCW阻止 晶界迁移、长大；但是NbC通常在奥氏体中的溶解度很小。由于在上述顶头基体材料中添加 了 0. 5wt. %的Nb，而NbC得溶解度又很小，因此，在顶头基体中存在着大量未溶解的块状、 链状的NbC，其类似于钢中的脆性夹杂物，本案发明人认为该会导致顶头基体在使用过程中 容易开裂。此外，该穿孔顶头中的顶头基体材料采用的是高合金钢，不利于形成高附着力的 氧化膜，且在穿孔过程中也不容易形成二次氧化膜。穿孔顶头的表面氧化膜容易脱落，尤其 是顶头穿孔的锥形部分因氧化膜脱落而易造成粘钢、烙损。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供一种高合金钢管穿孔顶头，其具有良好的高温强度，优良 的回火稳定性和优异的初性。另外，该高合金钢管穿孔顶头表面的氧化膜的附着性好，与穿 孔顶头的结合致密性佳，不易脱落。此外，本发明所述的高合金钢管穿孔顶头的穿孔效果 好，不会对于钢管内壁造成损伤，并且使用寿命长。
[0010] 为了实现上述目的，本发明提供了一种高合金钢管穿孔顶头，该高合金钢管穿孔 顶头的化学元素质量百分比含量为：
[0011] C;0. 25 ~0. 35%，
[0012] Si;0. 35 ~1. 5%，
[001 引Mn;0. 35 ~1. 0%，
[0014] Cr;1.0 ~3. 0%，
[00巧]Mo;2. 0 ~3.0%，
[0016] 化；1.0 ~2. 0%，
[0017] W;1.5 ~2. 5%，
[001 引 V;0. 2 ~1.0%，
[0019] 余量为化和其他不可避免的杂质；
[0020] 该高合金钢管穿孔顶头的表面具有氧化膜；
[0021] 该高合金钢管穿孔顶头的外表面具有螺道。
[0022] 本发明所述的高合金钢管穿孔顶头中的各化学元素的设计原理为：
[0023] 碳；C为碳化物的形成元素，其可W提高穿孔顶头的强度。但是，C含量太高时会大 大降低穿孔顶头的初性。因此，对于本发明所述的高合金钢管穿孔顶头，需要将C含量控制 在0.25~0.35%范围之间。
[0024] 铺；Mn可W提高热强性。不过，Mn含量过高则会使得导热性降低，容易造成穿孔 顶头的开裂。因此在本发明所述的高合金钢管穿孔顶头中的Mn含量应当控制为；0. 35% 《Mn《1. 0%。
[0025] 娃、铭、镶元素；Si、化及Ni元素均有利于在金属表面生成粘附性好的氧化膜，化 能够与C形成碳化物，提高穿孔顶头的高温强度。然而，&和Ni元素的含量过高也会使得 导热性下降且劣化氧化能力。Si含量过高也会令高温强度下降。因此，需要适量添加Si、 化及Ni，分别控制高合金钢管穿孔顶头中的Si含量为；0. 35~1. 5%，化含量为；1. 0~ 3. 0%且Ni含量为；1. 0~2. 0%。
[0026] 钢；Mo主要是通过形成碳化物及W固溶强化的形式来提高穿孔顶头的高温强度 及回火稳定性。可是，Mo含量过高则不利于形成氧化膜。鉴于此，需要将本发明所述的高 合金钢管穿孔顶头中的Mo含量控制为；2. 0%《Mo《3. 0%。
[0027]鹤；W能够通过固溶强化来提高红硬性。它在钢中形成比较稳定的碳化物，受热时 不易析出与聚集，从而提高钢的抗回火稳定性；但当其含量过高时，会导致碳化物粗大而使 得材料初性下降。
[002引饥；V能够与C形成碳化物，起到细化晶粒的作用，用W提高穿孔顶头的高温强度， 减少顶头在使用过程中的变形及开裂的几率。然而，当V达到一定含量后，其所能产生的有 益效果就不明显了。因此兼顾考虑到成本的因素，本发明的高合金钢管穿孔顶头中的V含 量设定在0.2%~1.0%的范围之间。
[0029] 在本发明的技术方案中，化、Mo、W和V元素主要用来提高穿孔顶头的高温强度和 热稳定性，少量V的添加则主要起到细化晶粒的作用。基于本发明的技术方案，通过优化各 元素成分含量，不仅使得穿孔顶头具备优良的高温强度和初性W避免塌鼻和变形的情况发 生，还令穿孔顶头的生产成本大幅度地降低。
[0030] 由于较之于中、低合金钢基体，高合金钢基体的穿孔顶头不容易在表面形成附着 性较好的氧化膜，因此，本技术方案添加一定含量的NiW有利于氧化膜与基体的紧密附着 结合。此外，常规的外注液体润滑材料（例如，润滑油）会在穿孔过程时因处于高温摩擦的 环境而被烙化或热解燃烧掉，而氧化膜则是有效的固体润滑材料，也不易烙化或燃烧，可W 有利地起到隔热和润滑的作用，W保护顶头基体不粘钢，从而避免穿孔钢管内壁受到损伤。
[0031] 又由于在高合金钢管的穿孔过程中所产生的热变形抗力大，从而会导致顶头头部 的氧化膜磨损或脱落，进而产生粘钢现象，因而，本技术方案在穿孔顶头的外表面设置有螺 道。相较于平面的外表面，设有螺道的穿孔顶头的外表面使得经氧化热处理后的氧化膜的 总面积和厚度均大幅度地增加。同时，在使用过程中螺道还可W起到保护氧化膜的作用，令 氧化膜在穿孔时不容易脱落。
[0032] 进一步地，本发明所述的高合金钢管穿孔顶头中的氧化膜至少包括从外向内的外 层氧化膜、中层氧化膜和内层氧化膜。
[0033] 更进一步地，上述外层氧化膜的成分为化2〇3+F63〇4+FeO