[发明专利]一种通过金属间化合物强硬化的无碳高速钢穿孔顶头及其制备方法

说明书

本发明涉及一种通过金属间化合物强硬化的无碳高速钢穿孔顶头及其制备方法。无碳高速钢穿孔顶头由高速钢基材及其表面的氧化层构成，氧化层由外到内依次为：Fesubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;层、Fesubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;层和FeO+Fesubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;+FeCrsubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;层；无碳高速钢基体包括Co、Ni、Mo、W及Fe等组分；无碳高速钢基体包含μ相和σ相的金属间化合物。无碳高速钢穿孔顶头由包含金属粉料在内的原料通过浇铸、锻造、表面氧化和表面还原处理等工艺制得，所得穿孔顶头利用其金属间化合物中μ相和σ相实现复合强化，且同时在其表面生成了高温强结合效果和隔热、润滑效果出色的表层氧化膜，在两者的协同作用下大幅提高穿孔顶头的性能指数，具有较高的工业应用价值。

技术领域

本发明涉及一种穿孔顶头及其制备方法，具体涉及一种通过金属间化合物强硬化的无碳高速钢穿孔顶头及其制备方法，属于无缝钢管穿孔顶头制备技术领域。

背景技术

钢铁工业是衡量一个国家工业发展水平的标志，其中特种钢材产品更是在国民经济中占据重要的地位。无缝钢管作为一种重要的工程用管材，广泛应用于汽车传动轴、油田、油套管、石油化工裂化管、枪管、航空用高精度结构钢管等领域。无缝钢管可分热轧无缝钢管、冷轧无缝钢管、冷拔无缝钢管、挤压无缝钢管、顶管等，由于钢材高温形变阻力小，热轧可实现钢坯大的变形量，因此常用于制备大尺寸规格钢管。世界范围内对无缝钢管巨大的市场需求推动下，加速了热轧无缝钢管技术的发展。穿孔顶头是生产无缝钢管最重要的工模具之一，主要用于对实心钢坯进行热轧开孔成形。顶头质量好坏和使用寿命直接影响到无缝钢管的质量和生产效率，因此制备高质量、长寿命的穿孔顶头一直是无缝钢管生产中重要的技术难题。

穿孔顶头服役的工况十分恶劣，在高温条件下同时承受大的交变应力和冲击载荷，因此要求顶头材质能在高温环境中具有足够的强韧性、高硬度、出色的抗回火稳定性，以及良好的高温耐磨性、耐热疲劳性和导热性。钼基合金顶头具有高温硬度高、高温强度好、弹性模量大和热膨胀系数小的特点，但受限于其低的塑性和室温抗冲击能力，常在700℃以上高温穿孔工况中使用。而结构钢、合金结构钢和热作模具钢等经济型顶头难于完全满足应用工况，在高温、强应力和高冲击载荷下经济型顶头容易产生顶头塌鼻、粘钢和开裂等问题，缩短顶头的使用寿命。

专利CN111793773A公开了一种通过Laves相及μ相复合强硬化的无碳高速钢，时效阶段从基体中沉淀生成纳米尺度的金属间化合物μ相同基体产生强烈的共格应变，致使材料产生迅速的强硬化，配合耐磨微米尺度的初生μ相和Laves相赋予材料整体出色的性能。原位生成富含难熔元素的析出相扩散激活能高，热稳定性好，材料具备优异的高温红硬性及热硬性。但是，无碳高速钢在高温下受到强应力作用时，会造成材料内部相变，导致材料的硬度下降。因此，开发新的顶头材料和配套的处理技术来进一步提升穿孔顶头的品质仍是研究的热点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种通过金属间化合物强硬化的无碳高速钢穿孔顶头。该穿孔顶头采用的无碳高速钢通过金属间化合物μ相和σ相的协同作用，在保障了穿孔顶头出色的高温性能的同时，又大幅提高其的耐磨性，同时，穿孔顶头表面所形成的三段式致密氧化层，同基底具有良好的结合性，充分起到隔热和润滑作用。

本发明的第二个目的在于提供一种通过金属间化合物强硬化的无碳高速钢穿孔顶头的制备方法。该制备方法通过低氧氧化和热还原工艺对穿孔顶头进行表面处理，大幅提高穿孔顶头表面的工况性能，且该方法通过一体式制备工艺，将原料直接制备为成品，提高了产品良品率。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：