CN101195126A - 一种穿管机用的陶瓷-金属复合材料熔覆层顶头及其制备方法 - Google Patents

一种穿管机用的陶瓷-金属复合材料熔覆层顶头及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种穿管机用的陶瓷－金属复合材料熔覆层顶头及其制备方法，属于金属管轧机的应用领域。利用等离子弧熔覆法，在顶头工作锥面及鼻部端面熔覆厚度为2.5－5mm的陶瓷－金属复合材料熔覆层；熔覆层与基体材料为冶金结合，工艺为：以模具钢或结构钢作为顶头基体材料，将基体材料加工至顶头设计尺寸，利用等离子弧枪熔覆法，使粉芯焊丝在等离子弧枪的高温作用下熔覆在顶头工作锥面以及鼻部端面上，通过单层、搭接熔覆得到厚度为2.5－5mm的陶瓷－金属复合材料熔覆层；通过对熔覆层的车削或磨削加工，使顶头鼻部的几何尺寸达到设计尺寸。优点在于，使用寿命长、不含钼、成本低且提高穿孔质量。

Description

一种穿管机用的陶瓷-金属复合材料熔覆层顶头及其制备方法
技术领域
本发明属于金属管轧机的应用领域，尤其是涉及一种穿管机用的陶瓷-金属复合材料熔覆层顶头及其制备方法。
背景技术
穿管机顶头是无缝钢管生产中的重要热加工模具。由于顶头在工作中需要承受高温热冲击及循环挤压力，其寿命较短。一般对顶头采用特殊的热处理工艺，使顶头经受可控的氧化处理，形成表面氧化层、中间层及过渡层等三层结构。在循环高温、挤压力的反复作用下，顶头表面的主要失效形式为表层氧化皮脱落、塌鼻、由于疲劳引起顶头纵向开裂、粘结钢管等，从而直接影响了顶头的寿命和产品合格率。由于上述原因，钢基顶头主要用于制备碳钢管，其寿命为200-400支；而制备不锈钢管时，一般需采用价格昂贵的钼顶头。
为延长顶头寿命，专利号为86106418的发明专利采用了在顶头内嵌入圆柱形钼合金鼻及表面熔覆钴基高铬表面硬化合金涂层的工艺。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种穿管机用的陶瓷-金属复合材料熔覆层顶头及其制备方法，使用寿命长、不含钼、成本低且提高穿孔质量，特别是用于合金钢(包括不锈钢)管的穿制。
基于上述目的，本发明研制了一种新型的陶瓷-金属复合材料熔覆层顶头。其技术关键是以模具钢或结构钢作为顶头的基体材料，利用等离子弧熔覆法，在顶头工作锥面及鼻部端面熔覆厚度为2.5-5mm的陶瓷-金属复合材料熔覆层。
由于本发明所采用的陶瓷-金属复合材料熔覆层具有高的高温强度、高硬度、高耐磨性和高的抗氧化性，其作用如下：
1、陶瓷-金属复合材料熔覆层具有优良的抗高温氧化性和高温强度，使顶头尖锥型及鼻部能在高温、高应力下不发生塌鼻现象，并有效防止基体材料氧化；
2、熔覆层与基体材料为牢固的冶金结合，在顶头反复穿孔过程中，熔覆层不会脱落。
由于TiC陶瓷具有高的硬度(2800-3200HV)和较好的抗高温氧化性(氧化温度为1100℃)，MoSi2陶瓷具有优良的抗高温氧化性和较高的硬度(可在1600℃下工作)，但MoSi2陶瓷的韧性差。因此，为了兼顾了抗高温氧化性和高温强度的双重需求，本发明选用TiC、MoSi2作为熔覆层的陶瓷增强相，选用具有优良抗氧化性能的NiCr合金作为陶瓷粘结相。由于在顶头工作锥面及鼻部端面具有陶瓷-金属复合材料熔覆层，可使顶头在穿管时，陶瓷-金属复合材料熔覆层接触钢坯，这样，利用的陶瓷-金属复合材料的较高热强性、耐高温氧化性和高温硬度，可避免传统具有表面氧化层顶头所存在的塌鼻、氧化皮剥落等问题。本发明所制备的顶头可用于穿制普通碳钢管和合金钢管，可长时间在20-1000℃的循环温度下工作，使顶头在工作过程中较好地保持原有的流线型几何尺寸，从而显著提高顶头的寿命和穿管质量。
本发明利用等离子弧枪熔覆法，使粉芯焊丝在等离子弧枪的高温作用下熔覆在顶头工作锥面以及鼻部端面上，通过单层、搭接熔覆得到厚度为2.5-5mm的陶瓷-金属复合材料熔覆层；通过对熔覆层的车削或磨削加工，使顶头鼻部的几何尺寸达到设计尺寸。具体步骤如下：
1、以模具钢或结构钢作为顶头的基体材料，将基体材料加工至顶头设计尺寸。
2、将达到顶头设计尺寸的基体材料加工为待熔覆顶头。即通过机加工，先使顶头工作锥面(即断面半径变化段)的各断面半径小于顶头设计尺寸2-2.5mm；再通过机加工切除厚度为2.5-4mm的顶头鼻部端面材料，使顶头鼻部端面为平面并与顶头轴线垂直，顶头总轴向长度小于设计长度2.5-4mm。
3、对待熔覆顶头工作锥面及鼻部端面进行除油、除污处理。
4、选用等离子弧枪所用的粉芯焊丝。该粉芯焊丝的外皮材料为NiCr(镍铬)合金，其中Cr占的质量分数为5-25％，余量为Ni；NiCr合金外皮材料包裹的粉末材料为MoSi2和TiC等两种陶瓷粉末；陶瓷粉末中，MoSi2的质量分数为35-50％，余量为TiC；陶瓷粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为50-72％。
5、将待熔覆顶头固定在熔覆用工作台上，通过工作台的机械装置控制顶头作旋转运动、轴向步进和轴线角度的调整；等离子弧枪固定在高度、水平方向臂长可调节的支架上，通过手动调节等离子弧枪的高度及水平方向臂长；利用等离子弧枪熔覆粉芯焊丝，所用等离子弧枪的电流为200-300A；采用手动送丝或自动送丝的方法，使由NiCr合金外皮包裹TiC、MoSi2粉末的粉芯焊丝在等离子弧的高温作用下熔覆在顶头工作锥面；通过单层、搭接熔覆在顶头工作锥面得到厚度为2.5-3.5mm的陶瓷-金属复合材料熔覆层，通过单层、搭接熔覆在顶头鼻部端面得到厚度为3-5mm的陶瓷-金属复合材料熔覆层。
6、通过对顶头熔覆层的车削或磨削加工，使顶头工作锥面、顶头鼻部端面的几何尺寸达到顶头的设计尺寸。
本发明的优点在于，使用寿命长、不含钼、成本低且提高穿孔质量。
附图说明
图1为按设计要求预加工的待熔覆钢基顶头。其中，待熔覆顶头钢基顶头鼻部端面1，待熔覆钢基顶头工作锥面2，不需制备熔覆层的顶头后部3。
图2为熔覆用工作台原理图。其中，等离子弧枪4，粉芯焊丝5，顶头基体表面6，驱动顶头匀速转动电机7，驱动熔覆用工作台车轮步进电机8，顶头轴线角度调节装置中的升降螺杆9，底座10，步进驱动轮11。
图3为固定等离子弧枪的工作台。其中，等离子枪12，等离子弧枪水平方向位移调节手柄13，等离子弧枪高度调节手柄14，底座15。
图4为磨削后达到设计尺寸的具有陶瓷-金属复合材料熔覆层的顶头。其中，鼻部端面熔覆层16，顶头工作锥面熔覆层17，顶头基体材料18。
图5为陶瓷-金属复合材料熔覆层断面的扫描电镜照片。其中，MoSi2相19，MoSi2相20，TiC相21，TiC相22。
图6为陶瓷-金属复合材料熔覆层的断面的显维硬度曲线(载荷为1kg)。
具体实施方式
根据上述发明内容，选用3Cr2W8钢作为顶头基体钢种，按如下步骤实施：
1、将3Cr2W8钢毛坯加工至符合顶头设计尺寸要求的基体材料。
2、将达到顶头设计尺寸的基体材料加工为待熔覆顶头。即通过机加工，先使顶头工作锥面(即断面半径变化段)的各断面半径小于顶头设计尺寸2.5mm；再通过机加工切除厚度为3mm的顶头鼻部端面材料，使顶头鼻部端面为平面并与顶头轴线垂直，顶头总轴向长度小于设计长度3mm。
3、对待熔覆顶头工作锥面及鼻部端面进行除油、除污处理。
4、将待熔覆顶头固定在熔覆用工作台上(图2)，通过工作台的机械装置控制顶头作旋转运动、轴向步进和轴线角度的调整。
5、等离子弧枪固定在高度、水平方向臂长可调节的支架上(图3)，通过手动调节等离子弧枪的高度及水平方向臂长；通过熔覆用工作台上的顶头轴线角度调节装置使待熔覆面与等离子弧枪轴线垂直。
6、选用粉芯焊丝的参数为：焊丝外皮为Ni80Cr20箔，其厚度为110μm；焊丝为圆截面，其外径为4mm，长度为300mm；焊丝中粉末质量分数为70％，焊丝内粉末质量分数配比为：MoSi2占45％，TiC占55％；TiC粒度为90-120目，MoSi2粒度为150-200目。
7、选择等离子弧枪的工作参数并在待熔覆顶头表面制备陶瓷-金属复合材料熔覆层。具体参数如下：等离子弧枪的工作电流为280A，离子气参数为0.3m3/h，保护气参数为1.3m3/h；采用手动送丝的方法熔覆，使粉芯焊丝在等离子弧枪的高温作用下熔覆在顶头工作锥面。熔覆时通过调速电机使顶头匀速转动，使待熔覆面与等离子弧枪的相对运动速度为2.5mm/s，顶头每旋转一圈后，通过步进装置使顶头沿轴线步进7mm，使相邻熔覆层搭接率不小于30％；通过单层、搭接熔覆得到厚度为3-3.2mm的陶瓷-金属复合材料熔覆层。
8、将顶头调整到鼻部端面与铅垂线垂直的角度，采用手动送丝、搭接熔覆方法(搭接率不小于30％)在顶头鼻部端面得到厚度为3.5-4mm的熔覆层。
9、通过对顶头熔覆层的磨削加工，使顶头工作锥面及鼻部端面的几何尺寸达到顶头的设计尺寸(图4)。

Claims (3)

1.一种穿管机用的陶瓷-金属复合材料熔覆层顶头，其特征在于，利用等离子弧熔覆法，在顶头工作锥面及鼻部端面熔覆厚度为2.5-5mm的陶瓷-金属复合材料熔覆层；熔覆层与基体材料为冶金结合，选用TiC、MoSi2作为熔覆层的陶瓷增强相，选用具有优良抗氧化性能的NiCr合金作为陶瓷粘结相。
2.一种制备权利要求1所述陶瓷-金属复合材料熔覆层顶头的方法，其特征在于，工艺步骤为：
(1)以模具钢或结构钢作为顶头的基体材料，将基体材料加工至顶头设计尺寸；
(2)将达到顶头设计尺寸的基体材料加工为待熔覆顶头，通过机加工，先使顶头工作锥面的各断面半径小于顶头设计尺寸2-2.5mm；再通过机加工切除厚度为2.5-4mm的顶头鼻部端面材料，使顶头鼻部端面为平面并与顶头轴线垂直，顶头总轴向长度小于设计长度2.5-4mm；
(3)对待熔覆顶头工作锥面及鼻部端面进行除油、除污处理；
(4)将待熔覆顶头固定在熔覆用工作台上，通过工作台的机械装置控制顶头作旋转运动、轴向步进和轴线角度的调整；等离子弧枪固定在高度、水平方向臂长可调节的支架上，通过手动调节等离子弧枪的高度及水平方向臂长；利用等离子弧枪熔覆粉芯焊丝，所用等离子弧枪的电流为200-300A；采用手动送丝或自动送丝的方法，使由NiCr合金外皮包裹TiC、MoSi2粉末的粉芯焊丝在等离子弧的高温作用下熔覆在顶头工作锥面；通过单层、搭接熔覆在顶头工作锥面得到厚度为2.5-3.5mm的陶瓷-金属复合材料熔覆层，通过单层、搭接熔覆在顶头鼻部端面得到厚度为3-5mm的陶瓷-金属复合材料熔覆层；
(5)通过对顶头熔覆层的车削或磨削加工，使顶头工作锥面及顶头鼻部端面的几何尺寸达到顶头设计尺寸。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，粉芯焊丝的外皮材料为NiCr合金，其中Cr占的质量分数为5-25％，余量为Ni；NiCr合金外皮材料包裹的粉末材料为MoSi2和TiC等两种陶瓷粉末；陶瓷粉末中，MoSi2的质量分数为35-50％，余量为TiC；陶瓷粉末在粉芯焊丝中所占的质量分数为50-72％。
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