不锈钢无缝钢管穿孔专用顶头的设计开发

廖德勇，王善宝，袁琴，陈志刚，赵波，解德刚

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司大型总厂，辽宁 鞍山 114021）

三辊连轧管机组因其具有优质、高产、高效、低消耗等特点，近年来在国内得到广泛应用[1]。随着竞争日趋激烈，连轧机组相应产品的品种结构也发生了巨大变化，逐渐趋向于高附加值产品的生产，不锈钢无缝钢管作为衡量热轧钢管轧制技术水准和品种档次的重要品种之一，近年来逐渐开始在连轧机组上生产，并形成了稳定的生产工艺。由于不锈钢自身特点，为避免工模具的冷却水对其造成急速降温，轧制过程中需要将冷却水调小甚至关闭，这就导致工模具的加速磨损变形，甚至失效。在不锈钢无缝钢管生产过程中的穿孔顶头作为关键变形工具之一，一旦失效不仅会导致产品产生缺陷而报废，造成极大的材料浪费，而且更换频繁会严重影响生产效率，因此需要开发一种适用于不锈钢无缝钢管生产的穿孔专用顶头。

1 常规顶头存在的问题

常规顶头寿命在生产普碳钢或低合金钢时良好，相同顶头在生产不锈钢无缝钢管时寿命锐减，以常用20CrNi4A材质为例，在生产低合金钢时寿命平均为310支/个，而生产不锈钢时寿命仅为2支/个，顶头寿命相差悬殊，严重影响了生产节奏和产品质量。不锈钢产品由于含Cr、Mo、Ni等合金较多，为避免加热时管坯出现过热或者过烧现象一般加热温度都比碳钢低，尤其是对含碳量较低的不锈钢或者高合金钢，为避免δ铁素体的出现，管坯的加热温度会更低一点。合金元素含量增加，必然会造成穿孔时变形抗力增大，使顶头的工作状况更加恶劣，大大降低顶头的使用寿命。顶头失效的主要方式有塌鼻、开裂、粘钢等，其中以塌鼻失效形式为主，穿孔顶头图片如图1所示。

图1 穿孔顶头图片Fig.1 Pictures of Plug Head for Hole-piercing

对塌鼻失效顶头（20CrNi4A）鼻部进行纵向切片，两面磨床磨光后进行硬度检测发现，顶头硬度变化存在较为明显的差异。顶头鼻部硬度取样和硬度检测见图2。经检测，据表面1、3、6 mm处的硬度分别为 48、38、23 HRC。

图2 顶头鼻部硬度取样Fig.2 Sample Taken from Nose of Plug Head for Hardness Testing

顶头从上线轧制到失效前鼻部有明显因急剧升温（高温）而出现亮红色。从硬度检测结果看，顶头鼻部表面硬度高达48 HRC，达到了淬火态硬度，硬度越往基体延伸数值越低，证明其高温态仅存在于顶头鼻部表面，基体部分并未达到淬火温度。

对顶头穿孔锥仍有陶瓷状氧化覆层覆盖的部位进行硬度检测，发现硬度出现了明显的下降，顶头穿孔锥硬度取样见图3。经检测，据表面1、3、6 mm处的硬度分别为24、25、23 HRC。

图3 顶头穿孔锥硬度取样Fig.3 Sample Taken from Nose of Plug Head for Pyramid Hardness Testing

从检测结果看，带有氧化覆层部分的顶头硬度要明显低于不带覆层部分的顶头鼻部硬度，且硬度内外层较为一致，说明此处受到覆层保护而未达到淬火温度。

2 不锈钢无缝钢管专用顶头的设计开发

为在穿制不锈钢无缝钢管中提高顶头自身强度，延长使用寿命并最大程度降低顶头成本，需要在顶头成分设计、形状结构等方面进行改进。

2.1 优化成分设计

钼合金顶头在穿制高镍铬不锈钢钢管方面应用广泛。由于钼具有高温强度和易加工的特点，使钼合金顶头与普通顶头相比具有更大的优势[2]。近年来随着工艺的进步，逐步发展出多种复合结构钼顶头，一种是焊接式复合，即基体为H13或3Cr2W8V，头部为全钼合金，基体与头部焊接成型；还有一种为机械镶嵌式复合，即鼻部钻孔加入纯钼圆棒，提升鼻部强度。机械镶嵌式复合结构避免了钼合金顶头使用时需要预热与绝水等复杂工艺要求，适用范围更广，但由于钼合金自身价格昂贵，因此生产成本较高，复合型顶头因复合稳定性不强也制约了其应用的推广。

国外在不同合金和其氧化物隔热特性差异的基础上，提出采用隔热涂层提高顶头使用寿命。即获得一种或多种牢固稳定的金属氧化物附着于顶头表面，通过涂层的隔热及轧制再生使顶头基体表面温度远远小于轧坯，从而使顶头保持较高的强度。本文以此思路进行试验，采用三种顶头成分设计，分别为普通穿孔顶头（20CrNi4VA）、高钨钴顶头（试验A顶头）和高钨顶头（试验B顶头），基体材质采用热化学方法得到的氧化物覆层，覆层分为内外两层，靠近基体为内层，组织致密，包含亮白状物质，以FeO为主，远离基体部分为外层，组织疏松，以Fe2O3和Fe3O4为主，两层组织间界限分明。三种顶头成分设计如表1所示。

表1 三种顶头成分设计Table 1 Three Kinds of Designs on Compositions in Plug Head %

2.2 形状结构改进

由于轧机不同，顶头外观尺寸各异。碳钢生产中部分顶头采用鼻部通水设计，可有效提高使用寿命，但由于不锈钢等高合金钢品种的变形抗力较大，为避免穿孔过程中管坯的温降过大，生产过程需要严格控水，因此必须采取其他措施来提高使用寿命。目前鼻部主流顶头采用平头设计，但在不锈钢生产过程中发现平头顶头表面氧化覆层特别容易脱落且不易再生，多次轧制后在高温下鼻部出现塌陷失效。为了保证顶头表面氧化覆层（国外称为涂层）良好的附着性，不少学者提出在表面刻槽，加工成螺纹顶头，人为形成覆层与基体犬牙交错的形态，提高结合力，使氧化覆层得以部分保全，刻槽示意图见图4。

图4 刻槽示意图Fig.4 Schematic Diagram for Notched Grooves

赵伟[3]等对顶头刻槽处理进行了较为细致的研究，使顶头得到了较为理想的氧化层厚度，同材质下刻槽螺纹顶头寿命为未刻槽顶头的2倍。本文对试验A顶头、试验B顶头表面进行了表面刻槽。

3 实施效果

3.1 性能改进

对20CrNiV4A、试验A顶头和试验B顶头在热模拟试验机进行热强性试验，三种顶头热强性对比见图5，试验A顶头和试验B顶头的热强性均较20CrNiV4A顶头有提升，在1 270℃的高温下强度别是20CrNiV4A顶头强度的1.1倍和1.3倍。

图5 三种顶头热强性对比Fig.5 Comparison of Three Kinds of Thermal Strengths of Plug Heads

3.2 组织改进

对试验A顶头和试验B顶头进行金相微观观察，试验A、B顶头金相组织见图6。从图中可以看出试验A顶头氧化覆层内层致密程度较试验B顶头差，且存在大量疏松，容易脱落。对试验B顶头的致密层进行电镜能谱分析，结果见图7，其中对白亮区域分析发现主要以Fe和Ni元素为主，顶头基体部分出现了氧化物点，说明并未因Ni的存在而阻止基体的进一步氧化，可以推断Ni弥散分布于FeO中起到骨架作用，弥补了FeO自身强度不足的弱点。

图6 试验A、B顶头金相组织Fig.6 Metallurgical Structures of Plug Head A and Plug Head B for Testing

图7 试验B顶头致密层电镜能谱分析Fig.7 Analysis Results of Stratum Compactum in Plug Head B for Testing by Electron Microscope Energy Spectrum

对试验B顶头表面刻槽后的氧化情况进行金相分析，刻槽氧化后金相组织见图8。

图8 刻槽氧化后金相组织Fig.8 Metallurgical Structures of Notched Grooves after Oxidation

在刻槽底部及边部分布有大量的FeO，槽的中心部位填充了较多硬而脆的Fe3O4，其完好附着于顶头表面，起到了良好的隔热效果。

3.3 使用寿命提升

以20CrNi4VA和试验B顶头进行工业试验对比，顶头使用寿命对比见表2。

表2 穿孔顶头使用寿命对比Table 2 Service Life Comparison of Plug Heads

从实际应用效果看，普通20CrNi4VA顶头生产不锈钢时寿命仅为2支，且所生产坯料较短。成分设计和形状结构优化后的试验B顶头使用寿命提高到12支，是普通20CrNi4VA顶头寿命的6倍，且可轧制坯料长度提高42%，改进效果非常明显。

4 结语

针对不锈钢无缝钢管生产中穿孔用顶头失效问题，从成分设计优化和形状改进方面设计开发出一种新顶头。 通过W、Mo等合金元素加入和顶头表面进行刻槽加工，提高了顶头的基体强度和氧化覆层的附着效果。工业试验结果表明，新顶头生产不锈钢无缝钢管时的寿命提高到了12支，是普通20CrNi4VA顶头寿命的6倍，为连轧机组生产不锈钢无缝钢管提供了工具保障。