專利名稱：一種提高無縫鋼管穿孔頂頭使用壽命的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特指一種提高無縫鋼管穿孔頂頭使用壽命的方法，采用高能微弧合金化的手段在常用穿孔頂頭表面制備稀土 Y性的CrC涂層，從而使用頂頭使用壽命提高55%以上，并有效節(jié)約了成本。
背景技術(shù)：
穿孔頂頭是無縫鋼管生產(chǎn)中消耗量最大的關(guān)鍵工具之一，其使用壽命的高低對(duì)鋼管產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)成本都有直接影響，倍受鋼管企業(yè)的高度關(guān)注。由于頂頭在穿孔過程中與高溫管坯接觸，承受著巨大的軸向壓應(yīng)力、徑向切應(yīng)力和表面摩擦力等復(fù)合應(yīng)力的作用，因此容易在早期就發(fā)生塌鼻、粘鋼、開裂等失效，導(dǎo)致其使用壽命不高，從而影響鋼管企業(yè)的生產(chǎn)效率，同時(shí)增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。目前大量研究人員對(duì)穿孔頂頭進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過改善頂頭材質(zhì)的高溫強(qiáng)度和硬度，提高表面的抗氧化性能，就能有效防止頂頭塌鼻、粘鋼、開裂，從而提高頂頭的使用壽命。大量研究表明通過對(duì)頂頭進(jìn)行表面覆膜、滲硼、堆焊等表面處理，這種表面處理技術(shù)既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又可有效提高頂頭使用壽命，但由于涂層與基體之間的過度層的復(fù)雜性作用，因而使得這種表面處理技術(shù)難以大范圍的推廣應(yīng)用。本發(fā)明在總結(jié)大量研究的基礎(chǔ)上，提出一種新的表面處理工藝，通過采用高能微弧合金化的手段在常用穿孔頂頭表面制備稀土 Y性的CrC涂層，從而使用頂頭使用壽命提高55% 以上，并有效節(jié)約了成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在穿孔頂頭表面制備新型涂層的一種表面技術(shù)方法，將高能微弧合金化技術(shù)引入到穿孔頂頭表面涂層的制備技術(shù)中，首先采用熱壓燒結(jié)法制成稀土金屬釔改性的碳化鉻電極，然后在氬氣保護(hù)下采用高能微弧合金化設(shè)備在穿孔頂頭上沉積碳化鉻涂層，控制涂層制備過程中的氬氣流量和設(shè)備輸出電壓、頻率、功率及沉積時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)在頂頭表面制備出性能優(yōu)異的對(duì)涂層，提高穿孔頂頭的使用壽命。本發(fā)明工藝方法主要包括以下幾個(gè)步驟，具體步驟如下
步驟1 制備涂層電極本發(fā)明采用碳化鉻半燒結(jié)體電極，碳化鉻半燒結(jié)體電極的制備方法如下首先選用高純超細(xì)碳化鉻粉末作原料，以NiCr和Mo作為粘結(jié)金屬相，并加入納米級(jí)Y作添加劑，各組分按質(zhì)量百分比計(jì)如下 高純超細(xì)碳化鉻粉末729Γ75%;
NiCr和Mo的混合物對(duì)% 27%，其中Mo占混合物質(zhì)量的0. 5% 1% ； 納米級(jí) IO3 0. 5°/Γ2%。混合料經(jīng)濕式球磨，真空干燥，隊(duì)氣流中過篩，在5MPa高壓下壓制成形，風(fēng)干后，在 1300°C溫度下燒結(jié)、保溫IOh得到。步驟2 穿孔頂頭表面涂層的制備，在無縫鋼管穿孔頂頭表面采用高能微弧合金化設(shè)備沉積碳化鉻涂層選用步驟1制備好的碳化鉻半燒結(jié)體電極作為陽極的自耗電極，調(diào)節(jié)設(shè)備輸出功率500-3000W，電壓40-150V，頻率300-2000Hz，沉積時(shí)選用的保護(hù)性氬氣的流量可控10-60ml/s，為防止涂層與基體粘接在一起，自耗電極能自旋轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速在 30-400轉(zhuǎn)/秒，控制沉積時(shí)間3-10分鐘，實(shí)現(xiàn)對(duì)在頂頭表面制備的涂層厚度達(dá)到10-30um。所述步驟1中，碳化鉻粉末為Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6或由Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6按任意質(zhì)量比例混合而成，碳化鉻粉末中雜質(zhì)含量應(yīng)小于0. 01wt%，粒徑小于200納米。所述步驟1中NiCr合金的化學(xué)成分為79wt%Ni_21wt%Cr。所述步驟1中納米級(jí)IO3的粒徑小于200納米。所述步驟2中，該設(shè)備的可變參數(shù)為輸出功率、電壓和頻率，沉積電極的自旋轉(zhuǎn)速，沉積涂層時(shí)保護(hù)氣體的流量，根據(jù)功率檔的組合可以調(diào)節(jié)輸出功率與電壓值，以及與之相配比的電極轉(zhuǎn)速和保護(hù)氣體流量以及沉積時(shí)間，最終達(dá)到一定厚度的涂層。本發(fā)明的有益效果在于穿孔頂頭在沉積涂層時(shí)，不需要除油處理，通過上述步驟處理完畢后，穿孔頂頭表面可以沉積一層CrC涂層，涂層厚度在10-30 μ m范圍；涂層與頂頭表面呈冶金結(jié)合，附著力大于130N，并具有較高的表面硬度大于2500HV，所制備的碳化鉻涂層具有良好的耐磨性能和抗氧化性能，涂層與頂頭表面附著力大于130N，涂層表面硬度大于2500Hv，制備好的穿孔頂頭能實(shí)現(xiàn)一次穿孔無縫鋼管1500根，比原有的鋼管的使用壽命提高55%，本穿孔頂頭的表面處理工藝對(duì)環(huán)境沒有污染，工藝流程簡(jiǎn)單，容易控制。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
1)制備涂層電極選用以NiCr合金粉和Mo作為粘結(jié)金屬相，碳化鉻粉末由30%Cr3C2、 30%Cr7C3和40%Cr23C6組成，NiCr合金粉和金屬M(fèi)o粉的混合物25% ；其中金屬M(fèi)o粉占混合物質(zhì)量的0. 5% ；納米IO3 1% ；碳化鉻粉末74%，將各組分混合后經(jīng)濕式球磨，真空干燥，隊(duì)氣流中過篩，在5MPa高壓下壓制成形，在1300°C溫度下放入燒結(jié)，保溫IOh后制得碳化鉻電極，所述碳化鉻粉末的粒徑范圍在17(Tl90nm ；所述納米^O3的粒徑范圍在15(Tl80nm。2)穿孔頂頭表面涂層的制備選擇在無縫鋼管穿孔頂頭16Cr2Ni4MoW材質(zhì)表面采用高能微弧合金化設(shè)備沉積碳化鉻涂層，選用步驟1制備好的碳化鉻半燒結(jié)體電極作為陽極的自耗電極，調(diào)節(jié)設(shè)備輸出功率2000W，電壓110V，頻率1300Hz，沉積時(shí)保護(hù)性氬氣的流量55ml/s，沉積電極可自旋轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速在400轉(zhuǎn)/秒，沉積時(shí)間3分鐘，頂頭表面制備的涂層厚度為21um，附著力140N，硬度為^lOHv，制備好的穿孔頂頭能實(shí)現(xiàn)一次穿孔無縫鋼管 1507根，比原有穿孔967根使用壽命提高55%以上。實(shí)施例2:
1)制備涂層電極選用以NiCr合金粉和Mo作為粘結(jié)金屬相，碳化鉻粉末為Cr3C2，NiCr 合金粉和金屬M(fèi)o粉的混合物26% ；其中金屬M(fèi)o粉占混合物質(zhì)量的1% ；納米^O3 2% ；碳化鉻粉末72%，將各組分混合后經(jīng)濕式球磨，真空干燥，N2氣流中過篩，在5MPa高壓下壓制成形，在1300°C溫度下放入燒結(jié)，保溫IOh后制得碳化鉻電極，所述碳化鉻粉末的粒徑范圍在 18(T200nm ；所述納米^O3的粒徑范圍在18(T200nm。2)穿孔頂頭表面涂層的制備選擇在無縫鋼管穿孔頂頭15Cr2Ni3MoW材質(zhì)表面采用高能微弧合金化設(shè)備沉積碳化鉻涂層，選用步驟1制備好的碳化鉻半燒結(jié)體電極作為陽極的自耗電極，調(diào)節(jié)設(shè)備輸出功率1500W，電壓90V，頻率1200Hz，沉積時(shí)保護(hù)性氬氣的流量45ml/s，沉積電極可自旋轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速在230轉(zhuǎn)/秒，沉積時(shí)間4分鐘，頂頭表面制備的涂層厚度為18um，附著力135N，硬度為2570Hv，制備好的穿孔頂頭能實(shí)現(xiàn)一次穿孔無縫鋼管1500 根，比原有穿孔967根使用壽命提高55%以上。實(shí)施例3:
1)制備涂層電極選用以NiCr合金粉和Mo作為粘結(jié)金屬相，碳化鉻粉末為Cr7C3，NiCr 合金粉和金屬M(fèi)o粉的混合物24. 5% ；其中金屬M(fèi)o粉占混合物質(zhì)量的1% ；納米^O3 0. 5% ； 碳化鉻粉末75%，將各組分混合后經(jīng)濕式球磨，真空干燥，N2氣流中過篩，在5MPa高壓下壓制成形，在1300°C溫度下放入燒結(jié)，保溫IOh后制得碳化鉻電極，所述碳化鉻粉末的粒徑范圍在16(Tl80nm ；所述納米^O3的粒徑范圍在18(T200nm。2)穿孔頂頭表面涂層的制備選擇在無縫鋼管穿孔頂頭15Cr2Ni3MoW材質(zhì)表面采用高能微弧合金化設(shè)備沉積碳化鉻涂層，選用步驟1制備好的碳化鉻半燒結(jié)體電極作為陽極的自耗電極，調(diào)節(jié)設(shè)備輸出功率500W，電壓130V，頻率300Hz，沉積時(shí)保護(hù)性氬氣的流量 25ml/s，沉積電極可自旋轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速在100轉(zhuǎn)/秒，沉積時(shí)間8分鐘，頂頭表面制備的涂層厚度為15um，附著力136N，硬度為2590Hv，制備好的穿孔頂頭能實(shí)現(xiàn)一次穿孔無縫鋼管1501 根，比原有穿孔967根使用壽命提高55%以上。實(shí)施例4:
1)制備涂層電極選用以NiCr合金粉和Mo作為粘結(jié)金屬相，碳化鉻粉末為Cr23C6, NiCr 合金粉和金屬M(fèi)o粉的混合物27%;其中金屬M(fèi)o粉占混合物質(zhì)量的0.5%;納米^O3 1% ；碳化鉻粉末72%，將各組分混合后經(jīng)濕式球磨，真空干燥，N2氣流中過篩，在5MPa高壓下壓制成形，在1300°C溫度下放入燒結(jié)，保溫IOh后制得碳化鉻電極，所述碳化鉻粉末的粒徑范圍在16(Tl80nm ；所述納米^O3的粒徑范圍在18(T200nm。2)穿孔頂頭表面涂層的制備選擇在無縫鋼管穿孔頂頭15Cr2Ni3MoW材質(zhì)表面采用高能微弧合金化設(shè)備沉積碳化鉻涂層，選用步驟1制備好的碳化鉻半燒結(jié)體電極作為陽極的自耗電極，調(diào)節(jié)設(shè)備輸出功率1000W，電壓40V，頻率1800Hz，沉積時(shí)保護(hù)性氬氣的流量 15ml/s，沉積電極可自旋轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速在50轉(zhuǎn)/秒，沉積時(shí)間10分鐘，頂頭表面制備的涂層厚度為25um，附著力132N，硬度為^OOHv，制備好的穿孔頂頭能實(shí)現(xiàn)一次穿孔無縫鋼管1506 根，比原有穿孔967根使用壽命提高55%以上。實(shí)施例5
1)制備涂層電極選用以NiCr合金粉和Mo作為粘結(jié)金屬相，碳化鉻粉末由10%Cr3C2、 50%Cr7C3和40%Cr23C6組成，NiCr合金粉和金屬M(fèi)o粉的混合物27% ；其中金屬M(fèi)o粉占混合物質(zhì)量的0. 5% ；納米IO3 1% ；碳化鉻粉末72%，將各組分混合后經(jīng)濕式球磨，真空干燥，隊(duì)氣流中過篩，在5MPa高壓下壓制成形，在1300°C溫度下放入燒結(jié)，保溫IOh后制得碳化鉻電極，所述碳化鉻粉末的粒徑范圍在16(Tl80nm ；所述納米^O3的粒徑范圍在18(T200nm。2)穿孔頂頭表面涂層的制備選擇在無縫鋼管穿孔頂頭15Cr2Ni3MoW材質(zhì)表面采用高能微弧合金化設(shè)備沉積碳化鉻涂層，選用步驟1制備好的碳化鉻半燒結(jié)體電極作為陽極的自耗電極，調(diào)節(jié)設(shè)備輸出功率3000W，電壓150V，頻率2000Hz，沉積時(shí)保護(hù)性氬氣的流量lOml/s，沉積電極可自旋轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速在30轉(zhuǎn)/秒，沉積時(shí)間3分鐘，頂頭表面制備的涂層厚度為^um,附著力138N，硬度為^50Hv，制備好的穿孔頂頭能實(shí)現(xiàn)一次穿孔無縫鋼管1510 根，比原有穿孔967根使用壽命提高55%以上。
權(quán)利要求
1.一種提高無縫鋼管穿孔頂頭使用壽命的方法，其特征在于首先采用熱壓燒結(jié)法制成稀土金屬釔改性的碳化鉻電極，然后在氬氣保護(hù)下采用高能微弧合金化設(shè)備，控制涂層制備過程中的氬氣流量和設(shè)備輸出電壓、頻率、功率及沉積時(shí)間在穿孔頂頭上沉積碳化鉻涂層，從而提高穿孔頂頭的使用壽命。
2.如權(quán)利要求1所述的一種提高無縫鋼管穿孔頂頭使用壽命的方法，其特征在于包括如下步驟步驟1 制備涂層電極采用碳化鉻半燒結(jié)體電極，碳化鉻半燒結(jié)體電極的制備方法如下首先選用高純超細(xì)碳化鉻粉末作原料，以NiCr和Mo作為粘結(jié)金屬相，并加入納米級(jí)Y 作添加劑，各組分按質(zhì)量百分比計(jì)如下高純超細(xì)碳化鉻粉末729Γ75%;NiCr和Mo的混合物對(duì)% 27%，其中Mo占混合物質(zhì)量的0. 5% 1% ；納米級(jí) AO3 0. 5%"2% ；混合料經(jīng)濕式球磨，真空干燥，N2氣流中過篩，在5MPa高壓下壓制成形，風(fēng)干后，在 1300°C溫度下燒結(jié)、保溫IOh得到；步驟2 穿孔頂頭表面涂層的制備，在無縫鋼管穿孔頂頭表面采用高能微弧合金化設(shè)備沉積碳化鉻涂層選用步驟1制備好的碳化鉻半燒結(jié)體電極作為陽極的自耗電極，調(diào)節(jié)設(shè)備輸出功率500-3000W，電壓40-150V，頻率300-2000Hz，沉積時(shí)選用的保護(hù)性氬氣的流量可控10-60ml/s，為防止涂層與基體粘接在一起，自耗電極能自旋轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速在30-400轉(zhuǎn) /秒，控制沉積時(shí)間3-10分鐘，實(shí)現(xiàn)對(duì)在頂頭表面制備的涂層厚度達(dá)到10-30um。
3.如權(quán)利要求2所述的一種提高無縫鋼管穿孔頂頭使用壽命的方法，其特征在于所述步驟1中，碳化鉻粉末為Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6或由Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6按任意質(zhì)量比例混合而成，碳化鉻粉末中雜質(zhì)含量應(yīng)小于0. 01襯％，粒徑小于200納米。
4.如權(quán)利要求2所述的一種提高無縫鋼管穿孔頂頭使用壽命的方法，其特征在于所述步驟1中NiCr合金的化學(xué)成分為79wt%Ni-21wt%Cr。
5.如權(quán)利要求2所述的一種提高無縫鋼管穿孔頂頭使用壽命的方法，其特征在于所述步驟1中納米級(jí)IO3的粒徑小于200納米。
全文摘要
本發(fā)明涉及無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特指一種提高無縫鋼管穿孔頂頭使用壽命的方法。將高能微弧合金化技術(shù)引入到穿孔頂頭表面涂層的制備技術(shù)中，首先采用熱壓燒結(jié)法制成稀土金屬釔改性的碳化鉻電極，然后在氬氣保護(hù)下采用高能微弧合金化設(shè)備在穿孔頂頭上沉積碳化鉻涂層，控制涂層制備過程中的氬氣流量和設(shè)備輸出電壓、頻率、功率及沉積時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)在頂頭表面制備出性能優(yōu)異的對(duì)涂層，提高穿孔頂頭的使用壽命。
文檔編號(hào)C23C24/10GK102534604SQ201210028400
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月9日
發(fā)明者張保, 潘太軍, 薛文龍, 陳德貴 申請(qǐng)人:常州大學(xué)