专利名称：钢管热穿孔顶头新材料的制作方法
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。
技术背景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。C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， W0.16-0.19，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， Mn0.50, Cr0.80, Ni 1.0， Mo 1.0, W2.0, Al 1.50， Ce0.05,余量为4失 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的含量使組织得到强化，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孩吏量杂质。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C0.25, Sil.O， Mn0.50， Cr0.80， Nil.O， Mol.O， W2.0， A11.50， Ce0.05,余量为铁及不可避免的微量杂质。釆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。C时退火保温3小 时，随后随炉空冷至35(TC; 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95(TC,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 劳裂紋，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 l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。
权利要求
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C0.25， Sil.O, Mn0.50， Cr0.80, Ni 1.0, Mo 1.0, W2.0， A11.50， Ce0.05，余量为铁及不可避免的微量杂质。
全文摘要
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。
文档编号C22C38/44GK101603154SQ20091000088
公开日2009年12月16日 申请日期2009年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者唐亚俊, 唐浩军, 李英敖 申请人:无锡益通机械科技有限公司