不銹鋼無縫鋼管穿孔專用頂頭的設計開發

廖德勇，王善寶，袁琴，陳志剛，趙波，解德剛

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

三輥連軋管機組因其具有優質、高產、高效、低消耗等特點，近年來在國內得到廣泛應用[1]。隨著競爭日趨激烈，連軋機組相應產品的品種結構也發生了巨大變化，逐漸趨向于高附加值產品的生產，不銹鋼無縫鋼管作為衡量熱軋鋼管軋制技術水準和品種檔次的重要品種之一，近年來逐漸開始在連軋機組上生產，并形成了穩定的生產工藝。由于不銹鋼自身特點，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小甚至關閉，這就導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過程中的穿孔頂頭作為關鍵變形工具之一，一旦失效不僅會導致產品產生缺陷而報廢，造成極大的材料浪費，而且更換頻繁會嚴重影響生產效率，因此需要開發一種適用于不銹鋼無縫鋼管生產的穿孔專用頂頭。

1 常規頂頭存在的問題

常規頂頭壽命在生產普碳鋼或低合金鋼時良好，相同頂頭在生產不銹鋼無縫鋼管時壽命銳減，以常用20CrNi4A材質為例，在生產低合金鋼時壽命平均為310支/個，而生產不銹鋼時壽命僅為2支/個，頂頭壽命相差懸殊，嚴重影響了生產節奏和產品質量。不銹鋼產品由于含Cr、Mo、Ni等合金較多，為避免加熱時管坯出現過熱或者過燒現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，管坯的加熱溫度會更低一點。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Fig.1 Pictures of Plug Head for Hole-piercing

對塌鼻失效頂頭（20CrNi4A）鼻部進行縱向切片，兩面磨床磨光后進行硬度檢測發現，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。經檢測，據表面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）而出現亮紅色。從硬度檢測結果看，頂頭鼻部表面硬度高達48 HRC，達到了淬火態硬度，硬度越往基體延伸數值越低，證明其高溫態僅存在于頂頭鼻部表面，基體部分并未達到淬火溫度。

對頂頭穿孔錐仍有陶瓷狀氧化覆層覆蓋的部位進行硬度檢測，發現硬度出現了明顯的下降，頂頭穿孔錐硬度取樣見圖3。經檢測，據表面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，且硬度內外層較為一致，說明此處受到覆層保護而未達到淬火溫度。

2 不銹鋼無縫鋼管專用頂頭的設計開發

為在穿制不銹鋼無縫鋼管中提高頂頭自身強度，延長使用壽命并最大程度降低頂頭成本，需要在頂頭成分設計、形狀結構等方面進行改進。

2.1 優化成分設計

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

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遠小于軋坯，從而使頂頭保持較高的強度。本文以此思路進行試驗，采用三種頂頭成分設計，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），基體材質采用熱化學方法得到的氧化物覆層，覆層分為內外兩層，靠近基體為內層，組織致密，包含亮白狀物質，以FeO為主，遠離基體部分為外層，組織疏松，以Fe2O3和Fe3O4為主，兩層組織間界限分明。三種頂頭成分設計如表1所示。

表1 三種頂頭成分設計Table 1 Three Kinds of Designs on Compositions in Plug Head %

2.2 形狀結構改進

由于軋機不同，頂頭外觀尺寸各異。碳鋼生產中部分頂頭采用鼻部通水設計，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，生產過程需要嚴格控水，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計，但在不銹鋼生產過程中發現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，提高結合力，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行了較為細致的研究，使頂頭得到了較為理想的氧化層厚度，同材質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頂頭表面進行了表面刻槽。

3 實施效果

3.1 性能改進

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

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

3.2 組織改進

對試驗A頂頭和試驗B頂頭進行金相微觀觀察，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頂頭的致密層進行電鏡能譜分析，結果見圖7，其中對白亮區域分析發現主要以Fe和Ni元素為主，頂頭基體部分出現了氧化物點，說明并未因Ni的存在而阻止基體的進一步氧化，可以推斷Ni彌散分布于FeO中起到骨架作用，彌補了FeO自身強度不足的弱點。

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頂頭進行工業試驗對比，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

從實際應用效果看，普通20CrNi4VA頂頭生產不銹鋼時壽命僅為2支，且所生產坯料較短。成分設計和形狀結構優化后的試驗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%，改進效果非常明顯。

4 結語

針對不銹鋼無縫鋼管生產中穿孔用頂頭失效問題，從成分設計優化和形狀改進方面設計開發出一種新頂頭。 通過W、Mo等合金元素加入和頂頭表面進行刻槽加工，提高了頂頭的基體強度和氧化覆層的附著效果。工業試驗結果表明，新頂頭生產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，為連軋機組生產不銹鋼無縫鋼管提供了工具保障。