[发明专利]一种钢管穿孔用合金钢顶头及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及到无缝钢管生产领域中管坯穿孔时使用的一种顶头，特别是生产顶头的材料及制造方法。

背景技术

在我国无缝钢管生产领域，钢管生产工艺主要是：管坯加热→穿孔→轧制→减径→检验、精整等。其中穿孔是重要环节，均采用顶头进行穿孔，穿孔顶头是无缝钢管生产中的必备工具。由于管坯温度高达1200℃左右，穿孔顶头要承受高温摩擦、挤压等受力，因此对材质要求很高。

目前，轧制碳素钢和一般合金钢的顶头材料有2类：合金工具钢和合金结构钢。合金工具钢如H13，具有高温强度高和耐磨性好的特点，但其缺点是韧性较差，易造成顶头前端开裂和掉肉，且合金工具钢制造成本较高，将引起钢管生产成本增加。一般合金结构钢如30CrNi3、35CrMo，经过特殊的氧化处理后也能作为顶头使用，这类材料的高温强度虽然低于合金工具钢，但其韧性较好，在碳素钢穿孔时使用效果较好，该类材料的缺点是在连续穿制合金钢坯时由于轧制力较大而使顶头表面易于软化，产生塑性变形，从而大大降低了顶头使用寿命。

也有无缝钢管生产厂家使用3Cr2W8V钢作穿孔顶头，但也存在着与30CrNi3、35CrMo顶头同样的问题，使用寿命较低，平均为100支/个左右。因此，开发一种材质较好、成本适中的顶头材料非常必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种含镍、铬、钼、钨及少量稀土元素的合金钢顶头，配以适当的热处理工艺，使顶头具有较高的高温强度、良好的耐磨性和韧性，来提高其使用寿命。同时，通过控制合金元素的含量来使顶头的生产成本适中，弥补合金工具钢顶头韧性较差、成本较高的缺点，也使性价比优于一般合金结构钢顶头，达到利于钢管连续生产的目的。

本发明的技术方案是：一种钢管穿孔用合金钢顶头，成分以质量％计，具体有：C：0.10～0.25、Ni：1.5～4.0、Cr：1.5～3.5、Mo：0.30～1.0，W：0.10～0.50、Si：0.30～1.5、Mn：0.20～1.0、Re：0.10～0.50、P和S≤0.030，其余为Fe及不可避免的杂质。

在上述合金元素中：

C：C是碳化物形成元素，一定的C含量可提高基体的强度和硬度，但C含量高对材料的韧性不利，同时，C含量高不利于进行氧化处理，因为在氧化处理时不利于致密氧化层的形成，因此C控制在0.10～0.25；

Ni：Ni可提高材料的高温强度，有利于氧化皮的形成；

Cr：Cr有利于碳化物的形成，可提高材料的高温强度，但Cr含量过高会使材料的导热性下降，因此Cr控制在1.5～3.5；

Mo：通过固溶强化来提高材料的强度，但Mo含量过高不利于表面氧化层的形成，因此Mo控制在0.30～1.0；

W：加入少量W通过固溶强化来提高材料的硬度，但W含量太高会导致碳化物粗大，从而使钢的韧性下降，也不利于氧化层的形成，因此W控制在0.10～0.50；

Mn：可提高材料的高温强度，但Mn含量过高使钢的导热性降低，因此Mn控制在0.20～1.0；

Si：适量的Si元素可提高表面氧化层与基体的粘接性，可提高材料的抗高温回火性能，但Si含量太高会使材料的高温强度下降，因此Si控制在0.30～1.5；

Re：可提高材料的综合性能，降低钢中氧含量，利于净化钢质。

通过加入Mo、W元素，有利于提高材料的回火稳定性，同时，Mo和W元素溶解在Fe的固溶体中，可促使C曲线右移，使贝氏体开始转变曲线向上推移，有利于贝氏体的形成。通过控制合适的C、Mn、Cr、Mo含量，使材料具有良好的韧性。

本发明的另一目的是提供一种生产上述合金钢顶头的方法，其工艺方法如下：

按本发明提供的合金钢顶头成分要求，首先将废钢熔炼成钢水，然后配加所需的合金，得到成分合乎要求的钢水，然后使用中频炉冶炼钢水，将中频炉冶炼的钢水进行铸造，得到粗顶头。对粗顶头再进行精加工，得到符合形状、尺寸的顶头。

本发明还可以采用电炉—LF—VD工艺冶炼钢水，将VD工艺冶炼的钢水先铸造成连铸坯后再进行锻造，得到粗顶头。对粗顶头再进行精加工，得到符合形状、尺寸的顶头。采用电炉—LF—VD—连铸生产顶头钢坯可大大提高生产节奏，并可降低金属消耗，提高顶头成材率，有利于降低顶头生产成本。

将加工好的顶头放入900℃的炉内，升温至1000～1100℃，保温一段时间进行氧化处理，然后降温至900℃，出炉后缓冷至常温，以达到消除应力的目的。热处理后的顶头基体应为贝氏体组织，表面为致密的氧化膜，常温下顶头硬度值为：38～41HRC。