郑成明;袁荷平;田青超
【摘 要】总结无缝钢管穿孔顶头材质和表面处理工艺的研究现状,分析不同材质顶头和表面处理工艺的优点与不足,提出今后研究穿孔顶头的方向.分析认为:目前合金钢顶头的应用最为普遍,钼合金顶头主要用于穿制高镍铬不锈钢钢管;表面制备氧化膜是常用的顶头表面处理工艺,此外表面功能镀覆层技术和表面渗氮技术也是应用较多的顶头表面处理手段.顶头材质和合适的表面处理工艺是提高顶头寿命的关键,穿孔顶头应逐渐向表面处理周期短、保护层均匀且致密、能耗低、绿经济的方向转变. 【期刊名称】《钢管》
【年(卷),期】2018(047)006
【总页数】6页(P14-19)
【关键词】穿孔顶头;材质;合金钢;钼合金;表面处理工艺;镀覆层技术;渗氮技术
【作 者】郑成明;袁荷平;田青超
【作者单位】上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海200444;宜兴市和平冷拔模具有限公司,江苏宜兴214237;上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海200444
【正文语种】中 文
【中图分类】TG333.8
我国无缝钢管产量经过十多年持续增长，虽然在2016年首次下降，但纵观全球抗酸、抗寒、抗高压、抗CO2等高品质无缝钢管仍然是供不应求［1-3］。穿孔顶头是无缝钢管生产中消耗量最大的关键工具之一，在穿孔过程中，穿孔顶头承受着极大的轴向力、压应力、切应力以及表面摩擦力。此外，不同的厂家无缝钢管生产的工况不同，如有的厂家穿孔完成一次后穿孔顶头需要水冷后再使用，有的厂家不需要水冷，这样在急冷急热以及轧制力的作用下，使其容易发生早期鼻部塌腔、变形黏钢和开裂等失效［4-6］。穿孔顶头的质量、使用寿命，直接影响无缝钢管的品质、生产效率以及工厂效益。从穿孔顶头的材质、表面处理工艺等方面进行更加深入的探究。
1 无缝钢管穿孔顶头的材质研究
穿孔顶头的工作环境相当恶劣。这就要求顶头材质具备如下的性能：在高温下具有足够的强韧性和硬度，良好的淬透性、耐磨性及耐热疲劳性，良好的导热性，材料的价格经济合理［7］。
1.1 合金钢顶头
合金钢顶头为目前应用较多的顶头之一。合金钢顶头材质大致可以分为低合金钢、中合金钢和高合金钢3种。5种典型合金钢顶头材质的化学成分［8－12］对比见表1。
表1 5种典型合金钢顶头材质的化学成分（质量分数）对比%Si Mn Cr Ni Mo 0.35～0.75 0.30～0.60 1.80～2.50 3.50～4.00 0.50～0.80 H13 0.32～0.45 0.80～1.20 0.20～0.50 4.75～5.75 － 1.10～1.75 0.80～1.20 － －15Cr2Ni3MoW 0.15～0.19 0.60～0.80 0.40～0.50 1.50～1.90 2.40～2.80 0.40～0.50 － 0.15～0.20 －高合金A － 7.50～15.0 －C 20CrNi4项目 V W Co 0.20～0.60 0.20～0.50 －0.19～0.28 0.10～0.40 0.15～1.00 0.10～0.50 0.50～1.50 0.50～1.00 2.00～6.00含钴高合金 0.15～0.35 0.40～1.20 0.40～1.20 1.00～3.00 2.00～5.00 0.50～1.50 0.10～0.80 1.00～3.00 0.50～2.00
不同的合金元素在不同基体中扮演不同角，一部分合金元素在基体中形成固溶体，产生固溶强化作用，一部分合金元素形成合金渗碳体如（Fe，Mn）3C和具有高的硬度和强度且弥散分布的特殊碳化物如VC、WC、MoC、Cr7C3等。微量合金元素（Mo、W、Si、Al等）或稀土元素的添加可以大大改善顶头的质量，延长顶头的使用寿命。程圣泓等［13］研究发现，当加入适量Si、Mn元素，控制合金中夹杂物的总量在A0.5B1C0.5D1级，顶头黏钢、掉鼻、缺肉现象就会得到充分控制。石满鹰等［14］在15Cr2Ni3MoW钢中掺杂Al和稀土，可以起到净化钢液，细化晶粒，提高氧化膜致密度的作用。邓开国等［15］研究发现随Ce含量的增加，H13钢的横、纵向力学性能呈先增加后减小的趋势，当Ce含量为0.05%时钢的等向性能有大幅提高且达到最大值91.10%，但该方法会使顶头的生产成本提升，并且加入量不易控制。5种典型合金钢顶头的使用状况以及关键工艺技术见表2。 表2 5种典型合金钢顶头的使用状况以及关键工艺技术顶头材质及规格试验管坯材质及规格 关键工艺技术 材料组织与性能强化处理前/支强化处理后/支20CrNi4（Φ220 mm）10，20钢（Φ219 mm×8 mm）70～80 700加热至940～960℃，保温4～6 h，滴液比例（水∶有机液）4∶1，冷却至700～800℃出炉空冷下贝氏体+马氏体，氧化膜厚度230μm，基体硬度33.8 HRC H13（Φ62 mm）20钢（Φ78 mm×5.5 mm） 稀土铝合金化246 342晶粒细化，
碳化物弥散分布，基体（退火态）硬度16 HRC 15Cr2Ni3MoW（Φ158 mm）P110（CrMo钢）－ 229稀土铝合金化，金属型铸造，退火780℃（保温30 min），正火980℃（保温120 min），井式可控气氛炉氧化粒状贝氏体+少量马氏体，基体（正火态）硬度39.3 HRC高合金A 13Cr － 24 910℃保温4 h，炉冷至350℃，出炉空冷（热处理），1 050℃高温氧化，750℃保温5 h（表面氧化）－含钴高合金13Cr 24 44在高合金A基础上添加Co，处理手段与高合金A相同 －
穿孔管
低合金钢顶头价格低廉，而且经氧化处理后其使用寿命超过热作模具钢顶头。Cr－Ni系中的20CrNi4［8，16］为低合金钢顶头中比较具有代表性的顶头材质，其生产的顶头与其他低合金钢顶头相比具有在高、低温下工作性能良好，强度较高，塑性良好而且耐磨、耐用的特点。这种材质的顶头一般都要在表面制取一层保护层（如氧化膜）来提高顶头的使用寿命。但是其本身材质强度、塑性等性能的限制，使其一般只能适用于碳素钢、低合金钢无缝钢管的穿制。
中合金钢顶头基体的强度、硬度比低合金钢要高一些，H13［10］为比较具有代表性的材质。它是一种应用比较广泛的热作模具钢，世界各国都有应用，在我国一般称作4Cr5MoSi
V1钢［17］。H13钢具有高淬透性、高韧性、优良的抗热裂能力、中等耐磨性和高温抗氧化等特性［18］。这种材质的顶头虽然相对低合金钢顶头性能有所提高，但同样受其本身材质强度、塑性等性能的限制，一般也只适用于碳素钢、低合金钢无缝钢管的穿制。
高合金钢顶头主要用于穿制T19、高铬钢等高合金钢管。这就要求顶头材质的耐磨、耐高温、耐压等性能更加优良。高合金钢顶头基体材质掺杂了W、Co等合金元素（表1）。W主要起固溶强化的作用，在钢中形成比较稳定的碳化物，受热不易析出和聚集，从而达到了强化的效果［19］。Co主要起固溶强化的作用，固溶于铁素体基体中，增强了α－Fe基体的原子间结合力。同时，Co改变了碳与合金元素形成的各个偏聚单元的价电子结构，增强了回火抗力［20－21］。含钴高合金顶头为目前应用较多的高合金顶头，孙宇等［12］试验证实高合金耐热穿孔顶头（含钴高合金顶头）比普通顶头的穿轧数量提高显著，穿轧出的钢管表面质量良好，顶头的使用寿命明显延长，使用寿命是普通顶头的5～10倍。W、Co等合金元素可以提高顶头的使用寿命，但W、Co的加入使穿孔顶头的成本提高许多。改变顶头基体材质成分，从而提高穿孔顶头的使用寿命并使其成本相对较低，一直是研究者们孜孜以求的目标。
1.2 钼合金顶头
钼合金顶头主要用于穿制高镍铬不锈钢钢管。钼及钼合金除具有高温强度，良好的导电、导热和低的热膨胀系数外，还拥有易于加工的优势，从而使钼合金顶头与普通顶头相比具有更大的优势。钼合金顶头分为铸态钼合金顶头和粉末冶金钼合金顶头两大类。铸态钼合金顶头塑性差，寿命较短，生产周期长，成本高［22］。为了克服铸态钼合金顶头在工艺、性能和成本上的缺陷，我国1975年研制成功TZC粉末冶金钼合金顶头［23］。粉末冶金钼工艺与铸造钼工艺相比更能发挥钼及其他合金元素的优异性能，且更方便、经济，但此种顶头存在气孔尺寸较大，穿管时存在裂纹、镦粗和缩短等缺点。
合金元素配比、粉末粒度和烧结方式3方面影响钼合金顶头使用寿命。左羽飞等［24］研究发现钼合金中添加Ti、Zr和Ce等合金元素，可以细化晶粒并析出第二相碳化物。曾建辉［25］研究发现在TZC合金中添Ce可以较大地提高合金的硬度；添Y可以较大地提高合金的强度；同时添Ce、Y，可产生复合强化效应，合金的高温强度、硬度都有较大幅度提高，使钼合金顶头穿制不锈钢管坯数量在添加单一Ce强化的基础上再增加25%左右。史振琦等［26］研究发现钼粉粒度控制在2.5～3.2μm可有效提高钼合金顶头密度；H2烧结可以得到质量稳定的钼顶头，但需耗费大量能源，成本较高。
钼合金顶头本身成本就很高，添加合金元素或改变烧结方式，无形中又增加了顶头的成本，为了降低顶头的成本，复合钼顶头应运而生。袁荷平［27］发明的复合穿孔顶头采用一种复合结构，顶头的结构如图1所示。基体为H13或3Cr2W8V，头部为全钼头部，基体与头部焊接成型。此发明与钼合金顶头比，大大节约了贵金属钼，也达到了延长顶头使用寿命和提高钢管内壁质量的目的。
图1 顶头结构示意
2 无缝钢管穿孔顶头的表面处理工艺研究
2.1 穿孔顶头表面氧化膜的制备技术
顶头穿孔环境相当恶劣，顶头表面的氧化膜在穿孔中起润滑、隔热等作用，可以提高顶头的使用寿命。国内外学者分别对氧化膜的形成机理、氧化膜制备工艺进行了很深入的探究［28－32］。氧化膜的制备方法分：空气氧化，可控气氛氧化，电离氧化，氮化、可控气氛氧化，无机氧化剂氧化。可控气氛氧化为目前应用较多并且经济实用的氧化方法［31］。
2.1.1 顶头钢的氧化机理研究现状
顶头的基体材质一般都含有大量的合金元素，致使顶头钢的氧化机理比纯铁的氧化机理更加复杂。合金元素会影响氧化膜的形貌，如Si元素在高温氧化下反应生成Fe2SiO4，阻碍离子在氧化膜中的扩散；Cr在高温下会在氧化膜和基体之间形成致密的FeCr2O4，阻碍离子扩散；而Ni元素对氧化过程没有太大的影响［33－40］。有研究者提出合金元素的总量对氧化结果有一定的影响，并以20CrNiW10为例对此进行了定性讨论。经计算得出，当平衡常数K p值不变时，由于20CrNiW10钢中铁的活度小于1，这样要形成同种类型的氧化物，就要增加气氛氧势，合金元素对氧化物的类型也会产生影响［41］。合金元素总量对氧化结果的定量影响，文献中还没有明确报道，可以作为今后研究的方向之一。
张金菊［42］等在埃林厄姆－理查森图和经典Wan- ger氧化理论基础上，根据纯铁的经典氧化膜的传质模型和合金元素对氧化性能的规律影响，总结出了900～1 000℃，15Cr2Ni3MoW钢顶头在酒精水滴定气氛中的氧化传质模型，如图2所示。其缺点就是顶头材质和氧化条件改变，15Cr2Ni3MoW钢顶头可能就不再适用，不具有普遍性。在不同的氧化工艺条件下，合金元素如何影响传质，进而影响氧化膜的形貌，此类问题还未见系统报道，也可以作为未来研究方向之一。
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