不銹鋼無縫鋼管穿孔專用頂頭的設(shè)計開發(fā)

廖德勇，王善寶，袁琴，陳志剛，趙波，解德剛

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司大型總廠，遼寧 鞍山 114021）

三輥連軋管機(jī)組因其具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、低消耗等特點(diǎn)，近年來在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著競爭日趨激烈，連軋機(jī)組相應(yīng)產(chǎn)品的品種結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大變化，逐漸趨向于高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)，不銹鋼無縫鋼管作為衡量熱軋鋼管軋制技術(shù)水準(zhǔn)和品種檔次的重要品種之一，近年來逐漸開始在連軋機(jī)組上生產(chǎn)，并形成了穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。由于不銹鋼自身特點(diǎn)，為避免工模具的冷卻水對其造成急速降溫，軋制過程中需要將冷卻水調(diào)小甚至關(guān)閉，這就導(dǎo)致工模具的加速磨損變形，甚至失效。在不銹鋼無縫鋼管生產(chǎn)過程中的穿孔頂頭作為關(guān)鍵變形工具之一，一旦失效不僅會導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生缺陷而報廢，造成極大的材料浪費(fèi)，而且更換頻繁會嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，因此需要開發(fā)一種適用于不銹鋼無縫鋼管生產(chǎn)的穿孔專用頂頭。

1 常規(guī)頂頭存在的問題

常規(guī)頂頭壽命在生產(chǎn)普碳鋼或低合金鋼時良好，相同頂頭在生產(chǎn)不銹鋼無縫鋼管時壽命銳減，以常用20CrNi4A材質(zhì)為例，在生產(chǎn)低合金鋼時壽命平均為310支/個，而生產(chǎn)不銹鋼時壽命僅為2支/個，頂頭壽命相差懸殊，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)節(jié)奏和產(chǎn)品質(zhì)量。不銹鋼產(chǎn)品由于含Cr、Mo、Ni等合金較多，為避免加熱時管坯出現(xiàn)過熱或者過燒現(xiàn)象一般加熱溫度都比碳鋼低，尤其是對含碳量較低的不銹鋼或者高合金鋼，為避免δ鐵素體的出現(xiàn)，管坯的加熱溫度會更低一點(diǎn)。合金元素含量增加，必然會造成穿孔時變形抗力增大，使頂頭的工作狀況更加惡劣，大大降低頂頭的使用壽命。頂頭失效的主要方式有塌鼻、開裂、粘鋼等，其中以塌鼻失效形式為主，穿孔頂頭圖片如圖1所示。

圖1 穿孔頂頭圖片F(xiàn)ig.1 Pictures of Plug Head for Hole-piercing

對塌鼻失效頂頭（20CrNi4A）鼻部進(jìn)行縱向切片，兩面磨床磨光后進(jìn)行硬度檢測發(fā)現(xiàn)，頂頭硬度變化存在較為明顯的差異。頂頭鼻部硬度取樣和硬度檢測見圖2。經(jīng)檢測，據(jù)表面1、3、6 mm處的硬度分別為 48、38、23 HRC。

圖2 頂頭鼻部硬度取樣Fig.2 Sample Taken from Nose of Plug Head for Hardness Testing

頂頭從上線軋制到失效前鼻部有明顯因急劇升溫（高溫）而出現(xiàn)亮紅色。從硬度檢測結(jié)果看，頂頭鼻部表面硬度高達(dá)48 HRC，達(dá)到了淬火態(tài)硬度，硬度越往基體延伸數(shù)值越低，證明其高溫態(tài)僅存在于頂頭鼻部表面，基體部分并未達(dá)到淬火溫度。

對頂頭穿孔錐仍有陶瓷狀氧化覆層覆蓋的部位進(jìn)行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)硬度出現(xiàn)了明顯的下降，頂頭穿孔錐硬度取樣見圖3。經(jīng)檢測，據(jù)表面1、3、6 mm處的硬度分別為24、25、23 HRC。

圖3 頂頭穿孔錐硬度取樣Fig.3 Sample Taken from Nose of Plug Head for Pyramid Hardness Testing

從檢測結(jié)果看，帶有氧化覆層部分的頂頭硬度要明顯低于不帶覆層部分的頂頭鼻部硬度，且硬度內(nèi)外層較為一致，說明此處受到覆層保護(hù)而未達(dá)到淬火溫度。

2 不銹鋼無縫鋼管專用頂頭的設(shè)計開發(fā)

為在穿制不銹鋼無縫鋼管中提高頂頭自身強(qiáng)度，延長使用壽命并最大程度降低頂頭成本，需要在頂頭成分設(shè)計、形狀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 優(yōu)化成分設(shè)計

鉬合金頂頭在穿制高鎳鉻不銹鋼鋼管方面應(yīng)用廣泛。由于鉬具有高溫強(qiáng)度和易加工的特點(diǎn)，使鉬合金頂頭與普通頂頭相比具有更大的優(yōu)勢[2]。近年來隨著工藝的進(jìn)步，逐步發(fā)展出多種復(fù)合結(jié)構(gòu)鉬頂頭，一種是焊接式復(fù)合，即基體為H13或3Cr2W8V，頭部為全鉬合金，基體與頭部焊接成型；還有一種為機(jī)械鑲嵌式復(fù)合，即鼻部鉆孔加入純鉬圓棒，提升鼻部強(qiáng)度。機(jī)械鑲嵌式復(fù)合結(jié)構(gòu)避免了鉬合金頂頭使用時需要預(yù)熱與絕水等復(fù)雜工藝要求，適用范圍更廣，但由于鉬合金自身價格昂貴，因此生產(chǎn)成本較高，復(fù)合型頂頭因復(fù)合穩(wěn)定性不強(qiáng)也制約了其應(yīng)用的推廣。

國外在不同合金和其氧化物隔熱特性差異的基礎(chǔ)上，提出采用隔熱涂層提高頂頭使用壽命。即獲得一種或多種牢固穩(wěn)定的金屬氧化物附著于頂頭表面，通過涂層的隔熱及軋制再生使頂頭基體表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軋坯，從而使頂頭保持較高的強(qiáng)度。本文以此思路進(jìn)行試驗，采用三種頂頭成分設(shè)計，分別為普通穿孔頂頭（20CrNi4VA）、高鎢鈷頂頭（試驗A頂頭）和高鎢頂頭（試驗B頂頭），基體材質(zhì)采用熱化學(xué)方法得到的氧化物覆層，覆層分為內(nèi)外兩層，靠近基體為內(nèi)層，組織致密，包含亮白狀物質(zhì)，以FeO為主，遠(yuǎn)離基體部分為外層，組織疏松，以Fe2O3和Fe3O4為主，兩層組織間界限分明。三種頂頭成分設(shè)計如表1所示。

表1 三種頂頭成分設(shè)計Table 1 Three Kinds of Designs on Compositions in Plug Head %

2.2 形狀結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于軋機(jī)不同，頂頭外觀尺寸各異。碳鋼生產(chǎn)中部分頂頭采用鼻部通水設(shè)計，可有效提高使用壽命，但由于不銹鋼等高合金鋼品種的變形抗力較大，為避免穿孔過程中管坯的溫降過大，生產(chǎn)過程需要嚴(yán)格控水，因此必須采取其他措施來提高使用壽命。目前鼻部主流頂頭采用平頭設(shè)計，但在不銹鋼生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)平頭頂頭表面氧化覆層特別容易脫落且不易再生，多次軋制后在高溫下鼻部出現(xiàn)塌陷失效。為了保證頂頭表面氧化覆層（國外稱為涂層）良好的附著性，不少學(xué)者提出在表面刻槽，加工成螺紋頂頭，人為形成覆層與基體犬牙交錯的形態(tài)，提高結(jié)合力，使氧化覆層得以部分保全，刻槽示意圖見圖4。

圖4 刻槽示意圖Fig.4 Schematic Diagram for Notched Grooves

趙偉[3]等對頂頭刻槽處理進(jìn)行了較為細(xì)致的研究，使頂頭得到了較為理想的氧化層厚度，同材質(zhì)下刻槽螺紋頂頭壽命為未刻槽頂頭的2倍。本文對試驗A頂頭、試驗B頂頭表面進(jìn)行了表面刻槽。

3 實(shí)施效果

3.1 性能改進(jìn)

對20CrNiV4A、試驗A頂頭和試驗B頂頭在熱模擬試驗機(jī)進(jìn)行熱強(qiáng)性試驗，三種頂頭熱強(qiáng)性對比見圖5，試驗A頂頭和試驗B頂頭的熱強(qiáng)性均較20CrNiV4A頂頭有提升，在1 270℃的高溫下強(qiáng)度別是20CrNiV4A頂頭強(qiáng)度的1.1倍和1.3倍。

圖5 三種頂頭熱強(qiáng)性對比Fig.5 Comparison of Three Kinds of Thermal Strengths of Plug Heads

3.2 組織改進(jìn)

對試驗A頂頭和試驗B頂頭進(jìn)行金相微觀觀察，試驗A、B頂頭金相組織見圖6。從圖中可以看出試驗A頂頭氧化覆層內(nèi)層致密程度較試驗B頂頭差，且存在大量疏松，容易脫落。對試驗B頂頭的致密層進(jìn)行電鏡能譜分析，結(jié)果見圖7，其中對白亮區(qū)域分析發(fā)現(xiàn)主要以Fe和Ni元素為主，頂頭基體部分出現(xiàn)了氧化物點(diǎn)，說明并未因Ni的存在而阻止基體的進(jìn)一步氧化，可以推斷Ni彌散分布于FeO中起到骨架作用，彌補(bǔ)了FeO自身強(qiáng)度不足的弱點(diǎn)。

圖6 試驗A、B頂頭金相組織Fig.6 Metallurgical Structures of Plug Head A and Plug Head B for Testing

圖7 試驗B頂頭致密層電鏡能譜分析Fig.7 Analysis Results of Stratum Compactum in Plug Head B for Testing by Electron Microscope Energy Spectrum

對試驗B頂頭表面刻槽后的氧化情況進(jìn)行金相分析，刻槽氧化后金相組織見圖8。

圖8 刻槽氧化后金相組織Fig.8 Metallurgical Structures of Notched Grooves after Oxidation

在刻槽底部及邊部分布有大量的FeO，槽的中心部位填充了較多硬而脆的Fe3O4，其完好附著于頂頭表面，起到了良好的隔熱效果。

3.3 使用壽命提升

以20CrNi4VA和試驗B頂頭進(jìn)行工業(yè)試驗對比，頂頭使用壽命對比見表2。

表2 穿孔頂頭使用壽命對比Table 2 Service Life Comparison of Plug Heads

從實(shí)際應(yīng)用效果看，普通20CrNi4VA頂頭生產(chǎn)不銹鋼時壽命僅為2支，且所生產(chǎn)坯料較短。成分設(shè)計和形狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的試驗B頂頭使用壽命提高到12支，是普通20CrNi4VA頂頭壽命的6倍，且可軋制坯料長度提高42%，改進(jìn)效果非常明顯。

4 結(jié)語

針對不銹鋼無縫鋼管生產(chǎn)中穿孔用頂頭失效問題，從成分設(shè)計優(yōu)化和形狀改進(jìn)方面設(shè)計開發(fā)出一種新頂頭。 通過W、Mo等合金元素加入和頂頭表面進(jìn)行刻槽加工，提高了頂頭的基體強(qiáng)度和氧化覆層的附著效果。工業(yè)試驗結(jié)果表明，新頂頭生產(chǎn)不銹鋼無縫鋼管時的壽命提高到了12支，是普通20CrNi4VA頂頭壽命的6倍，為連軋機(jī)組生產(chǎn)不銹鋼無縫鋼管提供了工具保障。