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

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属管轧机的应用领域，尤其是涉及。
技术介绍
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的专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。由于本专利技术所采用的陶瓷-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110(TC)，MoSi2陶瓷具有优良的抗高温氧化性和较高的硬度(可在160(rC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， 本专利技术选用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。本专利技术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20-100(TC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。本专利技术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%，佘量为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。本专利技术的优点在于，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l，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ll。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lkg)。具体实施例方式根据上述
技术实现思路
，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110nm;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，MoSb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0.3m7h，保护气 参数为1.3 mVh;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 熔覆在顶头本文档来自技高网...

【技术保护点】
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、ＭｏＳｉ↓［２］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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宗德，赵丽萍，习卫春，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]