【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属材料，具体为一种耐磨无缝钢管穿孔顶头及其制备方法。
技术介绍
1、无缝钢管产业占国民经济的重要组成部分，而穿孔顶头更是无缝钢管生产中的消耗量最大的关键工具之一，在穿管过程中，穿孔顶头直接与高温钢坯相接触，终轧时顶头的鼻部温度高达1300℃左右，承受着巨大的轴向压力、径向应力和表面摩擦力的作用，而且每完成一次穿管顶头必须强制水冷，在高温、高压和急冷急热的恶劣工作环境下，经受着机械疲劳和热疲劳的综合作用，使穿孔顶头较早出现塌鼻、粘钢和开裂等失效形式，严重影响了钢管生产的产量、质量和经济效益等，因此研制出一种高质量的穿孔顶头已成为钢管生产中的重要课题。
2、传统顶头材料用高合金模具钢或钼合金制成，高合金模具钢在高温下虽有较高的硬度和强度，但是在急冷急热的工作环境下容易开裂，使用寿命较短；钼合金顶头材料成本较高，不宜规模化使用；目前对顶头材料的防护主要采用预氧化处理在顶头表面预制铁氧化物膜，阻止顶头基体与管坯直接接触，起到一定的隔热作用，然而由于铁的氧化物膜结构疏松、易开裂，其抗氧化性、粘附性和高温稳定性较差，因此预氧化处理难以有效解决顶头快速失效的行业难题；专利号cn101603154a公开了一种钢管热穿孔顶头的新材料，在低合金基础上适当增加了mo和w的含量，同时添加了al和稀土元素ce，与采用高合金钢相比成本更低，该新材料一定程度上提高了穿孔顶头新材料的硬度、强度、韧性等性能，但是其耐磨性、耐温性没有明显得到改善，使得穿孔顶头的使用寿命不长。
3、穿孔顶头是一种消耗品，其制造工艺复杂，造价成
技术实现思路
1、本专利技术解决的技术问题是：提供了一种耐磨无缝钢管穿孔顶头及其制备方法，解决了现有无缝钢管穿孔顶头耐磨、耐高温性能不佳的问题。
2、本专利技术的技术方案是：
3、一种耐磨无缝钢管穿孔顶头包括如下质量百分比的成分：0.28-0.42%的纯碳，0.45-0.78%的纯硅，0.31-0.52%的金属锰，1.85-2.63%的金属铬，0.33-0.54%的金属钒，2.23-2.89%的金属镍，0.15-0.25%的金属钨，0.01-0.1%的纯氮，0.03-0.15%的钢液净化剂，余量为金属铁。
4、耐磨无缝钢管穿孔顶头的制备方法按照以下步骤进行：
5、（1）无缝钢管穿孔顶头基体的制备：将上述比例的成分加入到中频感应电炉中，加热进行熔炼，待完全熔化后，浇注到预热的不锈钢模具上，抽真空进行真空浇铸，成型后置于500-650℃的马弗炉中保温30-50min，得到无缝钢管穿孔顶头基体。
6、（2）无缝钢管穿孔顶头初成品的制备：将无缝钢管穿孔顶头基体置于马弗炉中，以3-6℃/min的速率升温进行淬火，然后以6-10℃/min的速率降温进行回火，出炉空冷，得到无缝钢管穿孔顶头初成品。
7、（3）锆铬粉末的制备：向反应烧瓶中加入氯化锆和无水乙醇，混合均匀后，加入碳酸铬，搅拌反应，反应结束后，减压蒸馏得到白色砂状颗粒，接着在600-800℃下焙烧保温1-3h，冷却至室温，得到锆铬粉末。
8、（4）耐磨无缝钢管穿孔顶头的制备：将无缝钢管穿孔顶头初成品表面进行清洗除锈和喷砂粗化处理后，采用等离子喷枪进行喷涂，喷枪的喷嘴和电极分别接电源的正、负极，喷嘴和电极之间通入等离子气体，借助高频火花引燃电弧，送粉气将锆铬粉末从喷嘴内送入等离子射流中，加热至熔融状态，喷射到无缝钢管穿孔顶头初成品表面，形成厚度为1-5mm的锆铬涂层，得到耐磨无缝钢管穿孔顶头。
9、进一步的，钢液净化剂为镁铈合金、铼镁合金或镧铝合金中的任意一种。
10、进一步的，步骤（1）中熔炼温度为950-1100℃，熔炼时间为1-3h。
11、进一步的，步骤（2）中淬火温度为900-1050℃，淬火时间为3-6h。
12、进一步的，步骤（2）中回火温度为550-700℃，回火时间为1-4h。
13、进一步的，步骤（3）中氯化锆、碳酸铬的比例关系为1mol:（1.1-1.4）mol。
14、进一步的，步骤（3）中反应温度为60-70℃，反应时间为5-10h。
15、进一步的，步骤（4）中送粉气为氩气、氢气、氦气、氮气中的任意一种。
16、进一步的，步骤（4）中等离子喷枪喷涂功率为25-35kw，工作电压为55-65v，工作电流为450-550a。
17、进一步的，步骤（4）中送粉气流量为280-320l/h，送粉速度为5-8g/min。
18、本专利技术的有益的技术效果是：
19、本专利技术通过对无缝钢管穿孔顶头的组成成分进行优化设计，添加适量的钢液净化剂，减少贵重合金元素的用量，使金属材料得到强化；采用适宜的退火、淬火、回火等热处理工艺，无缝钢管穿孔顶头初成品，采用非水解溶胶凝胶法制备出耐磨性能优异的铬锆粉末，并对无缝钢管穿孔顶头表面进行等离子喷涂处理，得到耐磨无缝钢管穿孔顶头，简化了工艺，降低了成本。
20、钢液净化剂中的稀土元素与钢液中的o、s反应生成稀土氧化物、稀土硫氧化物和稀土硫化物夹杂，减少钢液中o、s含量，弥散分布的细小的球形稀土硫化物夹杂可以取代钢中长条状的mns夹杂，改善钢的韧性和耐腐蚀性能，同时镁和铝的脱氧能力明显强于脱硫能力，镁铈合金协效处理能够改变钢液中的夹杂物类型，减少夹杂物聚集和上浮的能力，提高钢液净化度，进而在钢液凝固前析出细小且弥散分布的高熔点化合物，降低钢液过冷度，细化钢液凝固后的晶粒，提高钢的强度；此外稀土元素的半径较大，难以在晶粒内扩散，晶界处偏聚的稀土原子还能对晶界起到钉扎作用，提高了穿孔顶头的硬度。
21、锆铬涂层具有耐磨性能优异的锆和铬，可作为硬质相，在摩擦磨损的过程中，能有效抵御外来磨粒的磨损，磨损时产生磨损微裂纹的裂纹源与裂纹扩展的路径受到极大限制，并能够将部分磨粒在涂层表面上的滑动摩擦与凿削变为滚动，减轻了磨粒对涂层的磨损，进而提高了无缝钢管穿孔顶头的耐磨性能；等离子喷涂将热喷涂材料加热到塑态或熔融态，再经受压缩空气的加速，使受约束的颗粒束流冲击到基体表面上，冲击到表面的颗粒，因受冲压而变形，形成叠层薄片，粘附在经过制备的基体表面，随之冷却并不断堆积，最终形成一种层状的涂层，实现穿孔顶头材料的耐高温、抗磨损等功能。
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1.一种耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述穿孔顶头包括如下质量百分比的成分：0.28-0.42%的纯碳，0.45-0.78%的纯硅，0.31-0.52%的金属锰，1.85-2.63%的金属铬，0.33-0.54%的金属钒，2.23-2.89%的金属镍，0.15-0.25%的金属钨，0.01-0.1%的纯氮，0.03-0.15%的钢液净化剂，余量为金属铁；
2.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述钢液净化剂为镁铈合金、铼镁合金或镧铝合金中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述步骤（1）中熔炼温度为950-1100℃，熔炼时间为1-3h。
4.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述步骤（2）中淬火温度为900-1050℃，淬火时间为3-6h。
5.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述步骤（2）中回火温度为550-700℃，回火时间为1-4h。
6.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述步骤（3）中氯化
7.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述步骤（3）中反应温度为60-70℃，反应时间为5-10h。
8.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述步骤（4）中送粉气为氩气、氢气、氦气、氮气中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述步骤（4）中等离子喷枪喷涂功率为25-35kW，工作电压为55-65V，工作电流为450-550A。
10.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述步骤（4）中送粉气流量为280-320L/h，送粉速度为5-8g/min。
...【技术特征摘要】
1.一种耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述穿孔顶头包括如下质量百分比的成分：0.28-0.42%的纯碳，0.45-0.78%的纯硅，0.31-0.52%的金属锰，1.85-2.63%的金属铬，0.33-0.54%的金属钒，2.23-2.89%的金属镍，0.15-0.25%的金属钨，0.01-0.1%的纯氮，0.03-0.15%的钢液净化剂，余量为金属铁；
2.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述钢液净化剂为镁铈合金、铼镁合金或镧铝合金中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述步骤（1）中熔炼温度为950-1100℃，熔炼时间为1-3h。
4.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头，其特征在于，所述步骤（2）中淬火温度为900-1050℃，淬火时间为3-6h。
5.根据权利要求1所述的耐磨无缝钢管穿孔顶头...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕小军，
申请(专利权)人：南通市嘉业机械制造有限公司，
类型：发明
国别省市：
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