专利名称：一种提高无缝钢管穿孔顶头使用寿命的方法
技术领域：
本发明涉及无缝钢管生产技术领域，特指一种提高无缝钢管穿孔顶头使用寿命的方法，采用高能微弧合金化的手段在常用穿孔顶头表面制备稀土 Y性的CrC涂层，从而使用顶头使用寿命提高55%以上，并有效节约了成本。
背景技术：
穿孔顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一，其使用寿命的高低对钢管产品的产量、质量、生产成本都有直接影响，倍受钢管企业的高度关注。由于顶头在穿孔过程中与高温管坯接触，承受着巨大的轴向压应力、径向切应力和表面摩擦力等复合应力的作用，因此容易在早期就发生塌鼻、粘钢、开裂等失效，导致其使用寿命不高，从而影响钢管企业的生产效率，同时增加企业的生产成本。目前大量研究人员对穿孔顶头进行了系统研究，通过改善顶头材质的高温强度和硬度，提高表面的抗氧化性能，就能有效防止顶头塌鼻、粘钢、开裂，从而提高顶头的使用寿命。大量研究表明通过对顶头进行表面覆膜、渗硼、堆焊等表面处理，这种表面处理技术既经济实惠又可有效提高顶头使用寿命，但由于涂层与基体之间的过度层的复杂性作用，因而使得这种表面处理技术难以大范围的推广应用。本发明在总结大量研究的基础上，提出一种新的表面处理工艺，通过采用高能微弧合金化的手段在常用穿孔顶头表面制备稀土 Y性的CrC涂层，从而使用顶头使用寿命提高55% 以上，并有效节约了成本。
发明内容
本发明提供一种在穿孔顶头表面制备新型涂层的一种表面技术方法，将高能微弧合金化技术引入到穿孔顶头表面涂层的制备技术中，首先采用热压烧结法制成稀土金属钇改性的碳化铬电极，然后在氩气保护下采用高能微弧合金化设备在穿孔顶头上沉积碳化铬涂层，控制涂层制备过程中的氩气流量和设备输出电压、频率、功率及沉积时间，从而实现在顶头表面制备出性能优异的对涂层，提高穿孔顶头的使用寿命。本发明工艺方法主要包括以下几个步骤，具体步骤如下
步骤1 制备涂层电极本发明采用碳化铬半烧结体电极，碳化铬半烧结体电极的制备方法如下首先选用高纯超细碳化铬粉末作原料，以NiCr和Mo作为粘结金属相，并加入纳米级Y作添加剂，各组分按质量百分比计如下 高纯超细碳化铬粉末729Γ75%;
NiCr和Mo的混合物对% 27%，其中Mo占混合物质量的0. 5% 1% ； 纳米级 IO3 0. 5°/Γ2%。混合料经湿式球磨，真空干燥，队气流中过筛，在5MPa高压下压制成形，风干后，在 1300°C温度下烧结、保温IOh得到。步骤2 穿孔顶头表面涂层的制备，在无缝钢管穿孔顶头表面采用高能微弧合金化设备沉积碳化铬涂层选用步骤1制备好的碳化铬半烧结体电极作为阳极的自耗电极，调节设备输出功率500-3000W，电压40-150V，频率300-2000Hz，沉积时选用的保护性氩气的流量可控10-60ml/s，为防止涂层与基体粘接在一起，自耗电极能自旋转动，转速在 30-400转/秒，控制沉积时间3-10分钟，实现对在顶头表面制备的涂层厚度达到10-30um。所述步骤1中，碳化铬粉末为Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6或由Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6按任意质量比例混合而成，碳化铬粉末中杂质含量应小于0. 01wt%，粒径小于200纳米。所述步骤1中NiCr合金的化学成分为79wt%Ni_21wt%Cr。所述步骤1中纳米级IO3的粒径小于200纳米。所述步骤2中，该设备的可变参数为输出功率、电压和频率，沉积电极的自旋转速，沉积涂层时保护气体的流量，根据功率档的组合可以调节输出功率与电压值，以及与之相配比的电极转速和保护气体流量以及沉积时间，最终达到一定厚度的涂层。本发明的有益效果在于穿孔顶头在沉积涂层时，不需要除油处理，通过上述步骤处理完毕后，穿孔顶头表面可以沉积一层CrC涂层，涂层厚度在10-30 μ m范围；涂层与顶头表面呈冶金结合，附着力大于130N，并具有较高的表面硬度大于2500HV，所制备的碳化铬涂层具有良好的耐磨性能和抗氧化性能，涂层与顶头表面附着力大于130N，涂层表面硬度大于2500Hv，制备好的穿孔顶头能实现一次穿孔无缝钢管1500根，比原有的钢管的使用寿命提高55%，本穿孔顶头的表面处理工艺对环境没有污染，工艺流程简单，容易控制。
具体实施例方式实施例1
1)制备涂层电极选用以NiCr合金粉和Mo作为粘结金属相，碳化铬粉末由30%Cr3C2、 30%Cr7C3和40%Cr23C6组成，NiCr合金粉和金属Mo粉的混合物25% ；其中金属Mo粉占混合物质量的0. 5% ；纳米IO3 1% ；碳化铬粉末74%，将各组分混合后经湿式球磨，真空干燥，队气流中过筛，在5MPa高压下压制成形，在1300°C温度下放入烧结，保温IOh后制得碳化铬电极，所述碳化铬粉末的粒径范围在17(Tl90nm ；所述纳米^O3的粒径范围在15(Tl80nm。2)穿孔顶头表面涂层的制备选择在无缝钢管穿孔顶头16Cr2Ni4MoW材质表面采用高能微弧合金化设备沉积碳化铬涂层，选用步骤1制备好的碳化铬半烧结体电极作为阳极的自耗电极，调节设备输出功率2000W，电压110V，频率1300Hz，沉积时保护性氩气的流量55ml/s，沉积电极可自旋转动转速在400转/秒，沉积时间3分钟，顶头表面制备的涂层厚度为21um，附着力140N，硬度为^lOHv，制备好的穿孔顶头能实现一次穿孔无缝钢管 1507根，比原有穿孔967根使用寿命提高55%以上。实施例2:
1)制备涂层电极选用以NiCr合金粉和Mo作为粘结金属相，碳化铬粉末为Cr3C2，NiCr 合金粉和金属Mo粉的混合物26% ；其中金属Mo粉占混合物质量的1% ；纳米^O3 2% ；碳化铬粉末72%，将各组分混合后经湿式球磨，真空干燥，N2气流中过筛，在5MPa高压下压制成形，在1300°C温度下放入烧结，保温IOh后制得碳化铬电极，所述碳化铬粉末的粒径范围在 18(T200nm ；所述纳米^O3的粒径范围在18(T200nm。2)穿孔顶头表面涂层的制备选择在无缝钢管穿孔顶头15Cr2Ni3MoW材质表面采用高能微弧合金化设备沉积碳化铬涂层，选用步骤1制备好的碳化铬半烧结体电极作为阳极的自耗电极，调节设备输出功率1500W，电压90V，频率1200Hz，沉积时保护性氩气的流量45ml/s，沉积电极可自旋转动转速在230转/秒，沉积时间4分钟，顶头表面制备的涂层厚度为18um，附着力135N，硬度为2570Hv，制备好的穿孔顶头能实现一次穿孔无缝钢管1500 根，比原有穿孔967根使用寿命提高55%以上。实施例3:
1)制备涂层电极选用以NiCr合金粉和Mo作为粘结金属相，碳化铬粉末为Cr7C3，NiCr 合金粉和金属Mo粉的混合物24. 5% ；其中金属Mo粉占混合物质量的1% ；纳米^O3 0. 5% ； 碳化铬粉末75%，将各组分混合后经湿式球磨，真空干燥，N2气流中过筛，在5MPa高压下压制成形，在1300°C温度下放入烧结，保温IOh后制得碳化铬电极，所述碳化铬粉末的粒径范围在16(Tl80nm ；所述纳米^O3的粒径范围在18(T200nm。2)穿孔顶头表面涂层的制备选择在无缝钢管穿孔顶头15Cr2Ni3MoW材质表面采用高能微弧合金化设备沉积碳化铬涂层，选用步骤1制备好的碳化铬半烧结体电极作为阳极的自耗电极，调节设备输出功率500W，电压130V，频率300Hz，沉积时保护性氩气的流量 25ml/s，沉积电极可自旋转动转速在100转/秒，沉积时间8分钟，顶头表面制备的涂层厚度为15um，附着力136N，硬度为2590Hv，制备好的穿孔顶头能实现一次穿孔无缝钢管1501 根，比原有穿孔967根使用寿命提高55%以上。实施例4:
1)制备涂层电极选用以NiCr合金粉和Mo作为粘结金属相，碳化铬粉末为Cr23C6, NiCr 合金粉和金属Mo粉的混合物27%;其中金属Mo粉占混合物质量的0.5%;纳米^O3 1% ；碳化铬粉末72%，将各组分混合后经湿式球磨，真空干燥，N2气流中过筛，在5MPa高压下压制成形，在1300°C温度下放入烧结，保温IOh后制得碳化铬电极，所述碳化铬粉末的粒径范围在16(Tl80nm ；所述纳米^O3的粒径范围在18(T200nm。2)穿孔顶头表面涂层的制备选择在无缝钢管穿孔顶头15Cr2Ni3MoW材质表面采用高能微弧合金化设备沉积碳化铬涂层，选用步骤1制备好的碳化铬半烧结体电极作为阳极的自耗电极，调节设备输出功率1000W，电压40V，频率1800Hz，沉积时保护性氩气的流量 15ml/s，沉积电极可自旋转动转速在50转/秒，沉积时间10分钟，顶头表面制备的涂层厚度为25um，附着力132N，硬度为^OOHv，制备好的穿孔顶头能实现一次穿孔无缝钢管1506 根，比原有穿孔967根使用寿命提高55%以上。实施例5
1)制备涂层电极选用以NiCr合金粉和Mo作为粘结金属相，碳化铬粉末由10%Cr3C2、 50%Cr7C3和40%Cr23C6组成，NiCr合金粉和金属Mo粉的混合物27% ；其中金属Mo粉占混合物质量的0. 5% ；纳米IO3 1% ；碳化铬粉末72%，将各组分混合后经湿式球磨，真空干燥，队气流中过筛，在5MPa高压下压制成形，在1300°C温度下放入烧结，保温IOh后制得碳化铬电极，所述碳化铬粉末的粒径范围在16(Tl80nm ；所述纳米^O3的粒径范围在18(T200nm。2)穿孔顶头表面涂层的制备选择在无缝钢管穿孔顶头15Cr2Ni3MoW材质表面采用高能微弧合金化设备沉积碳化铬涂层，选用步骤1制备好的碳化铬半烧结体电极作为阳极的自耗电极，调节设备输出功率3000W，电压150V，频率2000Hz，沉积时保护性氩气的流量lOml/s，沉积电极可自旋转动转速在30转/秒，沉积时间3分钟，顶头表面制备的涂层厚度为^um,附着力138N，硬度为^50Hv，制备好的穿孔顶头能实现一次穿孔无缝钢管1510 根，比原有穿孔967根使用寿命提高55%以上。
权利要求
1.一种提高无缝钢管穿孔顶头使用寿命的方法，其特征在于首先采用热压烧结法制成稀土金属钇改性的碳化铬电极，然后在氩气保护下采用高能微弧合金化设备，控制涂层制备过程中的氩气流量和设备输出电压、频率、功率及沉积时间在穿孔顶头上沉积碳化铬涂层，从而提高穿孔顶头的使用寿命。
2.如权利要求1所述的一种提高无缝钢管穿孔顶头使用寿命的方法，其特征在于包括如下步骤步骤1 制备涂层电极采用碳化铬半烧结体电极，碳化铬半烧结体电极的制备方法如下首先选用高纯超细碳化铬粉末作原料，以NiCr和Mo作为粘结金属相，并加入纳米级Y 作添加剂，各组分按质量百分比计如下高纯超细碳化铬粉末729Γ75%;NiCr和Mo的混合物对% 27%，其中Mo占混合物质量的0. 5% 1% ；纳米级 AO3 0. 5%"2% ；混合料经湿式球磨，真空干燥，N2气流中过筛，在5MPa高压下压制成形，风干后，在 1300°C温度下烧结、保温IOh得到；步骤2 穿孔顶头表面涂层的制备，在无缝钢管穿孔顶头表面采用高能微弧合金化设备沉积碳化铬涂层选用步骤1制备好的碳化铬半烧结体电极作为阳极的自耗电极，调节设备输出功率500-3000W，电压40-150V，频率300-2000Hz，沉积时选用的保护性氩气的流量可控10-60ml/s，为防止涂层与基体粘接在一起，自耗电极能自旋转动，转速在30-400转 /秒，控制沉积时间3-10分钟，实现对在顶头表面制备的涂层厚度达到10-30um。
3.如权利要求2所述的一种提高无缝钢管穿孔顶头使用寿命的方法，其特征在于所述步骤1中，碳化铬粉末为Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6或由Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6按任意质量比例混合而成，碳化铬粉末中杂质含量应小于0. 01衬％，粒径小于200纳米。
4.如权利要求2所述的一种提高无缝钢管穿孔顶头使用寿命的方法，其特征在于所述步骤1中NiCr合金的化学成分为79wt%Ni-21wt%Cr。
5.如权利要求2所述的一种提高无缝钢管穿孔顶头使用寿命的方法，其特征在于所述步骤1中纳米级IO3的粒径小于200纳米。
全文摘要
本发明涉及无缝钢管生产技术领域，特指一种提高无缝钢管穿孔顶头使用寿命的方法。将高能微弧合金化技术引入到穿孔顶头表面涂层的制备技术中，首先采用热压烧结法制成稀土金属钇改性的碳化铬电极，然后在氩气保护下采用高能微弧合金化设备在穿孔顶头上沉积碳化铬涂层，控制涂层制备过程中的氩气流量和设备输出电压、频率、功率及沉积时间，从而实现在顶头表面制备出性能优异的对涂层，提高穿孔顶头的使用寿命。
文档编号C23C24/10GK102534604SQ201210028400
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月9日 优先权日2012年2月9日
发明者张保, 潘太军, 薛文龙, 陈德贵 申请人:常州大学