本發明涉及一種無縫不銹鋼管熱軋穿孔工具，是一種高合金熱軋穿孔頂頭。
背景技術：
隨著無縫不銹鋼管生產量的迅速增加，因不銹鋼材質熱變形抗力大，且材質較粘，采用傳統的圓坯熱軋技術與工藝在大批量不銹鋼管的穿孔軋制時，軋制工具如穿孔頂頭、導板因發生粘鋼現象造成工具消耗驟增，同時也導致軋制的不銹鋼管內外表面質量出現如工具粘鋼等各種缺陷，使軋制不銹鋼的成本居高不下，軋制成材率、生產效率較低，給企業規模化生產造成較大的影響。
頂頭穿軋圓坯過程中，穿孔頂頭因在1200～1300℃高溫鋼管穿孔過程中承受軸向壓應力和徑向拉應力，高速旋轉使頂頭前部急劇升溫，導致頂頭產生頭部熔融、開裂、粘鋼等缺陷而失效。
目前生產中采用的頂頭主要是碳鋼穿孔采用的普通材質的頂頭，如20CrNi3Mo、20CrNi2等，或鉬基合金頂頭等。采用普通頂頭穿孔，壽命一般穿軋3～5支，更換工具頻繁，嚴重影響正常生產秩序，也導致產品表面產生缺陷，成材率低。采用鉬基合金頂頭，因已有生產工藝及生產線，不能滿足鉬基頂頭的預熱≥800℃且不能被水濺到的要求，價格高昂，也難以推廣使用。
目前頂頭主要為碳鋼鋼管穿孔使用的頂頭材質，及高合金鉬基材質頂頭，均不滿足現有生產線及產品要求。從生產需要出發，急需開發既滿足高溫軋制要求不熔融，又不開裂不粘鋼的高合金耐熱穿孔頂頭。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種高合金熱軋穿孔頂頭，以提高頂頭穿孔壽命，同時提高穿管的內表面質量。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案是提供一種高合金熱軋穿孔頂頭，鋼種組成元素及質量百分比為：C 0.10～0.40％，Si 0.15～1.00％，Mn 0.10～0.50％，P≤0.030％，S≤0.015％，Ni 0.50～1.00％，Cr 0.50～1.50％，Mo 2.00～6.00％，W 7.50～15.00％，Cu≤0.10％，Nb≤0.10％，V 0.20～0.50％，Ti 0.005～0.025％，Al 0.02～0.20％，殘余元素N≤100ppm、O≤80ppm、As≤80ppm、Sn≤80ppm、Pb≤50ppm，余量為Fe。
可添加B、Mg、Co元素，其質量百分比為B 0.001-0.01％，Mg 0.002～0.010％，Co 0.05～0.30％。
本發明的效果是解決了傳統頂頭軋制出現的熔融、開裂、粘鋼等難題。高合金耐熱穿孔頂頭具有高溫軋制不熔融，不開裂，不粘鋼。該高合金耐熱穿孔頂頭表面具有致密氧化膜，具有良好的高溫耐熱紅硬性能，同時具有良好的韌性，穿孔壽命長。穿軋效果良好，避免了軋制缺陷的產生，也提高了鋼管產品的表面質量及成材率，同時穿孔壽命提高5倍以上。
具體實施方式
結合實施例對本發明的高合金熱軋穿孔頂頭結構加以說明。
本發明的高合金熱軋穿孔頂頭設計思想是基于通過配置特定的C、Mo、W、V等組成元素及質量百分比，冶煉高純凈鋼，形成特定的Mo、W、V等元素的碳化物、固溶析出強化及彌散強化等充分發揮各特定元素的高溫性能配合優勢。添加B、Mg、Co元素，充分發揮B、Mg、Co元素對強化晶界能的作用，綜合強化材質耐高溫紅硬性能，通過熱處理，得到本發明的高合金耐熱穿孔頂頭，具有良好的機械性能及高溫耐熱紅硬性能，同時具有良好的韌性。生產時，再配合防護涂層的使用，使用壽命顯著增長。
本發明的高合金熱軋穿孔頂頭鋼種組成元素及質量百分比為：C 0.10～0.40％，Si 0.15～1.00％，Mn 0.10～0.50％，P≤0.030％，S≤0.015％，Ni 0.50～1.00％，Cr 0.50～1.50％，Mo 2.00～6.00％，W 7.50～15.00％，Cu≤0.10％，Nb≤0.10％，V 0.20～0.50％，Ti 0.005～0.025％，Al 0.02～0.20％，殘余元素N≤100ppm、O≤80ppm、As≤80ppm、Sn≤80ppm、Pb≤50ppm，余量為Fe。
在上述配方中添加B、Mg、Co元素，其質量百分比為B 0.001-0.01％，Mg 0.002～0.010％，Co 0.05～0.30％。
本發明的高合金耐熱穿孔頂頭的組成成分說明：
C：碳元素為碳化物形成元素，用于提高頂頭的高溫強度，提高高溫軟化溫度。但碳元素含量太高，會導致頂頭韌性下降，易出現開裂。因此，碳元素含量需控制在0.10～0.40％范圍。
Si：硅元素也能提高頂頭的強度，同時提高氧化膜的強度，但加入大量的硅會降低韌性，所以將其含量控制在0.15～1.00％范圍。
Mn：錳元素可以提高熱強度，但含量過高易導致高溫開裂，所以將其含量控制在0.10～0.50％范圍。
P、S：P和S是雜質元素。為提高韌性和高溫強度，要盡量降低其含量。但考慮煉鋼的成本，為了得到更好的高溫性能，最好P＜0.030％、S＜0.015％。
Cr：鉻元素能提高高溫強度，有利于形成表面氧化膜，但過高導致材質傳熱能力減慢，易形成開裂，將其含量控制在0.50～1.50％范圍。
Ni：鎳元素還能提高鋼的熱力學穩定性和鋼的韌性，有利于形成粘著性好的氧化膜。含量過高，氧化能力下降且導熱性降低。所以將其含量控制在0.50～1.00％范圍。
Mo：鉬元素通過形成碳化物、固溶強化、彌散強化等形式顯著提高材質的熱強性和回火穩定性，提高材質的塑性，及提高材質的耐磨性，增加對變形、開裂及磨損的抗力。綜合考慮，將其含量控制在2.00～6.00％范圍。
W：鎢元素增大鐵的自擴散激活能，顯著的提高鋼的再結晶溫度，通過形成碳化物、固溶強化、彌散強化等形式提高材質紅硬性和熱強性，提高材質的耐高溫性能，與鉬元素復合使用時，效果更加顯著。鎢元素的碳化物顆粒細小均勻，降低鋼的過熱敏感性。綜合考慮，將其含量控制在7.50～15.00％范圍。
V：釩元素在鋼中主要以碳化物及沉淀強化形式存在，細化鋼的晶粒度，降低鋼的過熱敏感性，提高鋼的回火穩定性及熱強性。所以將其含量控制在0.20～0.50％范圍。
Ti：鈦元素是化學性質極為活潑的元素，與氮等元素有極強的結合力，因此，利用鈦元素去除或固定氮元素后，再加入B元素，以利于B元素的有效利用。將其含量控制在0.005～0.025％范圍。
Al：鋁元素在鋼中主要起脫氧作用，有細化晶粒的作用。鋁結合鋼液中的氮，減少鈮、釩的碳氮化物夾雜。同時，鋼冶煉時，嚴格控制氧化鋁夾雜物的產生，夾雜物過多，導致材質耐高溫性能嚴重下降。將其含量控制在0.02～0.20％范圍。
B：硼元素是化學性質極為活潑的元素，只有以固溶態存在于鋼中才能起到有益作用，大多析集或吸附在晶界上，對強化晶界能起到顯著的作用，增強耐熱鋼的高溫強度及持久塑性。硼元素含量過高，導致材質脆性增加，所以將其含量控制在0.001-0.010％范圍。
Mg：鎂元素在鋼中強化晶界性能，降低雜質元素的危害，增強材質的斷裂韌性性能及高溫持久性能。將其含量控制在0.002～0.010％范圍。
Co：鈷元素加入鋼中不形成碳化物，可形成連續固溶體，對鋼的熱強性和高溫硬度有顯著的提高。將其含量控制在0.05～0.30％范圍。
鋼冶煉過程，進行嚴格控制O、N元素含量，控制到最低水平，同時嚴格控制五害元素含量，五害元素在晶界偏聚，有強的降低晶界強度作用，降低材質高溫塑性，As≤80ppm、Sn≤80ppm、Pb≤50ppm。可適量添加B、Mg、Co元素，以提高抗開裂性能及高溫耐熱紅硬性能。
頂頭制造，原料按組成元素及質量百分比進行冶煉，澆注，加工成所需形狀的頂頭。熱處理工藝，將成型頂頭加熱到880～950℃保溫3～4小時，隨爐冷卻到350℃后，出爐空冷。表面氧化處理，先對頂頭進行微加工處理，再加熱到1000～1100℃進行高溫氧化，然后在600～750℃溫度下保溫4～5小時，得到成品頂頭。
本發明的高合金耐熱穿孔頂頭表面要加工光滑，氧化處理后具有良好的結構致密的氧化膜保護層。熱穿孔生產中，使用前頂頭外表面添加防護潤滑涂層。
以下為本發明的具體實施例，對本發明的技術方案做進一步的說明，但本發明不限于下面的實施例。
實施例：不添加B、Mg、Co元素
表1實施例中各元素含量
除Fe元素外，殘余元素的含量均滿足本發明要求。
按表1實施例中頂頭組成元素的質量百分比，進行真空冶煉，澆注，鍛造加工成所需尺寸要求的頂頭。
熱處理工藝，將成型頂頭加熱到一定溫度，實施例1為910℃，實施例2為930℃，實施例3為950℃，分別保溫4小時，隨爐冷卻到350℃后，出爐空冷，得到頂頭初產品。
表面氧化處理，先對頂頭初產品進行加工處理得到尺寸合格的頂頭，再加熱到一定溫度，實施例1為1050℃，實施例2為1070℃，實施例3為1100℃，進行高溫氧化，然后在750℃溫度下保溫5小時，得到最終成品頂頭。
采用制備的成品頂頭樣品，開展了軋制熱穿合金鋼管試驗，單個頂頭熱穿合金鋼管數量(即頂頭壽命)如表2所示。
表2單個頂頭熱穿合金鋼管數量
此3個實施例，高合金耐熱穿孔頂頭比普通頂頭的穿軋數量提高顯著，穿軋的鋼管管體內表面質量良好。此試驗的高合金耐熱穿孔頂頭的開裂比例約為原來出現比例的50％，頂頭的使用壽命明顯延長，使用壽命大約是普通頂頭的5-10倍。
實施例：添加B、Mg、Co元素
表3實施例中各元素含量
除Fe元素外，殘余元素的含量均滿足本發明要求。
按表3實施例中頂頭組成元素的質量百分比，進行真空冶煉，澆注，鍛造加工成所需尺寸要求的頂頭。
熱處理工藝，將成型頂頭加熱到一定溫度，實施例4為910℃，實施例5為930℃，實施例6為950℃，分別保溫4小時，隨爐冷卻到350℃后，出爐空冷，得到頂頭初產品。
表面氧化處理，先對頂頭初產品進行加工處理得到尺寸合格的頂頭，再加熱到一定溫度，實施例4為1050℃，實施例5為1070℃，實施例6為1100℃，進行高溫氧化，然后在750℃溫度下保溫5小時，得到最終成品頂頭。
采用制備的成品頂頭樣品，開展了軋制熱穿合金鋼管試驗，單個頂頭熱穿合金鋼管數量(即頂頭壽命)如表4所示。
表4單個頂頭熱穿合金鋼管數量
此3個實施例，高合金耐熱穿孔頂頭比上述實施例1-3試制的頂頭的穿軋數量又有明顯提高，穿軋的鋼管管體內表面質量良好。此試驗的高合金耐熱穿孔頂頭沒有出現開裂現象，頂頭的使用壽命進一步提高，使用壽命大約是普通頂頭的8-17倍。
本發明的高合金耐熱穿孔頂頭比普通頂頭的穿軋數量提高顯著，穿軋的鋼管管體內表面質量良好。生產試驗結果表明本發明的高合金耐熱穿孔頂頭具有良好的耐高溫性能，可以明顯延長使用壽命。