无缝钢管穿孔顶头失效的分析

顶 头 的 金 相 组 织 ， 以看 到 ， 者 Ｈ１ 基 体 组 织 可 前 ３钢
Ｍ ｉ ｒ — ｎ ｌ ｓｓ ｔ ｄ ｆ ｅ ｅ ｅ ｉ ｎ ｆ ｐ ｅ ｃｎｇ ｃ ｏ ａ ａ ｙ ｉ ａ ｉｆ ｒ ｎｔ ｒ ｇ ｏ ｏ ｉ ｒ ｉ
粗大 ， 后者裂纹周围的组织更加粗丈 。在 ４ ０ ０ 倍显 微镜下对晶粒度 评级 ， 前者约为 ４ 级 ， ～５ 后者 约为
３ ～４级
进 一步 地观 察 ， 现顶头钢基体与钼合金的焊 发
缝 组 织 具 有 典 型 的 共 晶 组 织 特 征 ， 图 ３ 而 钼 合 如 ； 金 的组 织投 有发 现 明 显 的异 常 特 征 ， 裂 顶 头 中的 开 ２３ 硬 度 测 试 ． 用 洛 氏硬 度 计 分 别 测 试 未 用 过 的顶 头 和 开 裂 顶 头 的 硬 度 ， 得 的 结 果 是 未 用 过 的 顶 头 的 Ｈ１ 测 ３ ３ 分 析 与 讨 论 钼 合金 徽 裂 纹两 侧 组 织如 图 ４ 。
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７弓 一７
第 １ ６卷 第 ６期
；磁 毖
穿 共 擞
特 殊钢 ・ ７・ ３
・工 艺 技 术 交 流 ・
无缝钢 管 穿孔顶 头失 效的分 析
明 文 龙 张 菁 一 周 风 云
＿ 理 大 ． ？４０） 工 学 武 ３７ 卫 。４
开裂顶头 的晶粒 都很粗大 ， 且分 布很不均 匀 ， 并 这 样顶头钢 基体的塑性 变形 很不均 匀， 应力集 中程度
图 ３ 顶头焊 缝 层 的共 晶组织
ｐ ｉ ｔ Ｘ ０ ｏｎ ４ ０
ｘ４０ ０
加大 ， 裂纹很 容易沿 晶界产生和扩 展 。 ３ ４ 热疲 劳裂 纹本来 只是 一种表 面裂纹 ， 顶头 ＋ 但 还 要 承 受 机 械 外 力 的 作 用 ， 头 对 钢 管 坯 料 进 行 穿 顶 孔， 承受 的机械 外力 为一种 典型 的接 触应 力 ， 表 其 层 为 压 应 力 ， 向 内则 为 拉 应 力 ； 一 方 面 ， 头 穿 略 另 顶
组 织应力和拉应力 的共 同作用 ， 促使热疲劳裂 纹扩 展， 导致 顶头 的开裂 失效 ， 热疲 劳开裂 是顶 头的 主
要 失效形 式 。
３５ Ｈ ． Ｄ钢是 一种 新型 的热 作模 具钢 ， 有 优 良 具 的抗疲劳性能 ， ＨＤ钢制作的铜管热穿孔针在 实 用 际 生 产 中获 得 了 良好 的 应 用 效 果 ］Ｔ （ Ｎ） 金 ， ｉＣ， 基
（ ）ＨＺ 钢 基 体 的 微 裂 纹 ×６ ａ ３
Ｆｉ ２ ｇ．
（ ）钼 台 金 中 的 微 裂 纹 × １ ０ ｂ ０
Ｍ ｉ ｒ ｃ ａ ｋ ｉ ｉ ｒ ｉ ｇ ｐ ｉ ｔ ｗｉ ｒ ｃ ｃ ｏ ｒ ｅ ｎ ｐ ｅ ｃ ｎ ｏ ｎ ｔ ｃ ａ ｋ ｈ × ６ ｛ ｂ ・Ｍ ｉｒ ｃ ａ ｋ ｉ ｏ・ｂ ｓ ｌ ｙ ｅ ｅ ｄ ｄ ｃ ｏ ｒ ｃ ｎ Ｍ ａ ｅ ａ ｌ ｍｂ ｄ ｅ ｏ ×１ ０ ０
Ｃ
０． ４６
钢 基 体 硬 度 为 ＨＲＣ ５ ～ ５ ， 台 金 硬 度 为 ＨＲＣ ２ ４ 钼 ３ ～ ３ ， 开 裂 顶 头 中 Ｈ１ ５ ８而 ３钢 基 体 的 硬 度 为 ＨＲＣ ０ ２钼 合金 硬度 为 ＨＲ ３ ３ 。 ６ ￣６ ， Ｃ ３ ￣ ７ ２ ４ 组 织 观 察 ．
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１９ ９ ５年第 ６期 顶 头 具 有 轴 对 称 特 性 ， 尖 为 工 作 环 境 最 恶 顶 劣 部 位 ， 为 裂 纹 的 主 要 发 源 地 因此 ， 顶 头 的 成 在 尖 部 截 取 １ ４的 圆锥 体 作 为 分 析 试 样 。试 样 经 磨 ／ 制 后 在 光 学 显 徽 镜 下 作 低 倍 观 察 ， 现在 Ｈ１ 发 ３钢 基 体 和 钼 合金 的 结 合 部 位 有 许 多 呈放 射 状 的微 裂 纹， 具有 典 型 的 热 疲 劳 龟 裂 特 征 ， 且 这 种 徽裂 纹 并 向 ＨＩ ３钢 基 体 扩 展 ， 且 钼 台 金 在 较 高 的 放 大 倍 而
计 到 的 顶 头 的 主 要 失 效形 式 和 使 用 寿命 如 表 １ 。
表 １ 璜头 的主要 失效 形式 和使 用寿 命
Ｔａｂ ｅ Ｐｒｍ ａ ｙ ｆ ｉｕｒ ｏ ｎｄ ｅ ｖｉｅ ｉｅ ｏ ｅｒ － ｌ １ ｉ ｒ ａ ｌ ｅ ｍ ｄｅ ａ ｓ ｒ ｃ ｌｆ ｆ ｐｌ ｃ ｉ ｎｇ ｐｏｉ ｎｔ
（ ａｈ ｎ ｉｅ ｓ ｙ ｏ ｃｅ ｃ Ｈｕ ｚ ｏ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｆ ｉｎ ｅ＆ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｗ ｕ ａ ３ ０ ４ ｔ Ｓ ｃ ｎ ｌｇ ， ｈｎ４０ ７） Ｆ ｎ ｕｈ ｎ ａ ｇＳ ｚ ｏ ｇ
（ ｕ ａ ｒ ｎ ａ ｄ Ｓ ｅ ｌ ｒ ） Ｗ ｈ ｎ Ｉｏ ｎ ｔ ｅ Ｃｏ ｐ
Ｐ
Ｓ ｉ
１ ７ ．１
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４ ９６ ．
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１ ４ ．０
Ｖ
Ｓ
１． ０ ０１ ０ ００ ０３ ． ９ ． ４
用光学金相 显微镜 观察未 用过 的顶头和开 裂
表 ３ 顶头 不 同部位 的锻 区成 分分析 ，
Ｔａ ｌ ｂｅ ３
ｐｏ ｎ ｉ ｔ，
维普资讯 ຫໍສະໝຸດ 特殊 钢 ・３ ９・
从室温 到 ８ ０ ０＂ Ｃ的热 膨胀 系数 为 ５ １ ＋ ×１ ． ～５ ５ ０
ａ ｒ ｒｍ／ ｍ ・℃ ，而 Ｈ１ ａ ３钢 的热 膨 胀 系 数 约 为 １ ＋ ３５
× １ 一ｒｍ／ ｍ ・℃ ， 者 相 差 较 大 ， 致 界 面 结 ０ ａ ｒ ａ 两 导
ａ ．Ｍ ｉｒ ｃ ａ ｋ ｉ ［ ｓ ｔ ｅ １ ｃ ｏ ｒ ｃ ｎ ｏ ｅ ｓ ｅ ｌＨ ３ ａ
表 ２ 顶头 基 俸（ ３ 钢 的化 学成 分 ， Ｈ１ ）
Ｔａ ｌ Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ａ ｅ ｍｅ ａ ｉ ｒ ｇ ｐ ｉ ｔ ｂｅ ２ ａ ｙ ｉ ｆ ｂ ｓ ｔ ｌｏ ｐ ｅ ｄｎ ｏ ｎ ， ｆ
无 缝 钢 管 热穿 孔 顶 头 是 无 缝 钢 管 生 产 过 程 中 使 用 的一 种 关 键 模 具 ， 其 使 用寿 命 很 短 ， 无 缝 但 是 钢管 行业一 直未 能解决 的重要 技术 难题之 一 ， 本 文 对 这 种 热 穿 孔顶 头进 行 了 生 产 现 场 调 查 和 失 效
分析 ， 在此 基础上 提 出用于制 备无 缝钢管 热穿孔
顶头的材料的性能要求 。
１ 生 产 现 场 调查
无 缝钢管 穿孔顶头 的种类很 多 ， 有用 Ｈ１ 钢 ３ 或 镅 合 金 制 作 的 单 一 结 构 的 穿 孔 顶 头 ； 有 用 也
Ｈ１ ３钢作 基 体 ， 顶 尖 部 位 镶 嵌 镅 合 金 的 复 合 顶 在 头 ｝ 有 用 低 合 金 结 构 钢 （ 要 是 ２Ｃｒ ＳＷ ） 还 主 ０ Ｎｉｉ 作 基体 ， 在 其 表面 作 覆 膜 处 理 的穿 孔 顶 头 。 文 以 再 本 武钢 汉 口轧 钢 厂 所 用 的无 缝 钢 管 穿孔 顶 头作 重 点 研 究 对 象 ， 其 进 行 失 效 分 析 。该 厂使 用 的 是 以 对 Ｈ１ 钢 作 基 体 并 在 顶 尖 镶 嵌 镅合 金 的 复式 穿 孔 顶 ３ 头 ， 他 厂也 大 量 使 用 这 种 穿 孔 顶 头 。 其 １ ０钢 和 ２ ０钢 坯 料 在 环 形 加 热 炉 中 加 热 到
属 陶 瓷 具 有 良 好 的 高 温 强 度 、 度 和 抗 氧 化 性 硬
图 ４ 顶头 的钼 台盒 微裂 纹 两侧 组 织
Ｉ ｙｅ ｅ ｄ ｄ ｏ ｉｒ ｉｇ ｐ ｉ Ｘ ４ ０ ｏ ｍｂ ｄ ｅ ｆｐ ｅｃｎ ｏｎｔ ０
Ｘ４ ０ ０
Ｆｉ ４ Ｍ ｉｒ ｔｕｅｕ ｅｎｅ ｆｍ ｉｒ ｃ ｅ ｋｉ ｏ ｇ ｅａ ｇ ｅ￣ ｒ ｔ ｒ ａ ｅ ｏ ｒ． Ｍ － ￣ １ ｃ ｎ
方苏 中
（ 钢汉 １ 钢厂） 武 ３轧
一 ７Ｊ
Ａ ｎ Ａ ｎａ ｙｓ ｓ ｏ ｉｕｒ ｆ Ｐｉ ｒ ｉ ｌ ｉ ｆ Ｆａ ｌ ｅ ｏ ｅ ｃ ｎｇ Ｐｏｉ ｏ ａ ｌ ｓ ｔ ｅ ｎｔ ｆ ｒ Ｓｅ ｍ ｅ ｓ Ｓ ｅ ｌ Ｔｕｂｅ
Ｍ ｉｇＷ ｅ ｌｎ ｎ ｎ ｏ ｇ，Ｚ ａ ｇ Ｊｎ ｎ ｈ ｕ Ｆ ｎ ｙ ｎ ｈ ｎ ｉｇａ ｄ Ｚ ｏ ｅ ｇ ｕ
合处 产生 热 应 力 ， 钼 台 金 中产 生 徽 裂 纹 。 两 者 界 在 面 结合 处 为 典型 的鱼 骨 状 的共 晶组 织 ， 身 臆 性 较 本 大 ， 外 力 作 用 时也 很 容 易开 裂 。 在 ３ ３ 当 材 料 具 有 细 小 均 匀 的 等 轴 晶 粒 时 ， 疲 劳 ． 热 性 能 较 好 ， 金 相 组 织 分 析 表 明 ， 用 过 的 顶 头 和 而 未
孔 的 工 作 温 度 很 高 ， 可 能超 过 其 临 界 点 ， 复 的 有 反 加热 冷 却 很 容 易 在 基 体 中产 生 组 织应 力 。 热应 力 、
Ｆｉ ．３ Ｅｕ ｅ ｔ ｔ ￣ ｔ ｒ ｔ ｗｅ ｄｉ ｇ ． ｎ ｆｐｉｒ ｉ ｇ ｇ ｔ ｅ ｉ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｌ ｎ ￣ ｅ ｏ ｅ ｃｎ ｅ ｏ
１ ０ ￣ １ ０ ℃后 ， ２０ ０ ４ 由辊 道 送 入 轧 机 ， 后 顶 头对 坯 然 ２ 试 验 与 结 果 ２ １ 宏 观 检 验 ．
注 ｔ 种 失效 形 式 可 能 同 时 发 生 ． 百 分 比 超 过 １ ０ 几 总 ０
若 按各 种 失 效形 式 所 占 的 百 分 比 进 行 加 权 平 均 ， 平均使用寿命为 ９ 则 ５支 。 计 表 明 ， 裂 是 顶 统 开 头 的 主 要失 效 形 式 ， 尖 与 磨 损 也 不 能 忽 视 。 塌
数 下也 可观 察到 微小 的 裂 纹 ， 图 ２ 如 。 ２ ２ 化 学 成 分 分析 ．
圈 Ｉ 纵 向开裂 顶头 的 宏观形 貌
Ｆｇ Ｍ ｏ ｐ ｏｏ ｙ ｏ ｉｒ ｉｇ ｐ ｉｔ ｗｉ ｏ ｇ ｔ ｄ ｉ．１ ｒ ｈ ｌｇ ｆｐｅ ｃｎ ｏ ｎ ｔ ｌ ｎ ｉｕ Ｌ ｈ
根 据 统 计 结 果 ， 择 一 个 明 显 开 裂 的 顶 头 进 选 料 进 行 穿 孔 。 此 过 程 中 ， 头 承 受 相 当 复 杂 的 外 行 研 究 ， 图 １ 在 顶 如 。从 宏观 看 ， 顶 头 呈 纵 向裂 开 ， 该 裂 力 作 用 ， 仅 有 顶 杆 和 导盘 的 压 力 ， 且 还 要承 受 不 而 纹源在顶头尖部 ， 自上 向下 扩 展 ， 它 顶 头 也 有 类 其 很大的摩擦 力 。由于与炽热的钢料接触和摩擦 产 似情况 ， 纹往 往不止一条 ， 裂 一般都存在着 长短和 生 的 热 效 应 ， 头 被 加 热 到 很 高 的 温 度 ， 限 观 顶 肉 深 浅 不 一 的 数 条 贯 穿 裂 纹 ， 且 许 多 顶 尖 的 钼 合 而 察 ， 尖 温 度 在 ８ ０ ２ 上 。每 支 钢管 的穿 孔 时 间 顶 ０ ￣ 金块崩缺 。 为 ７ ｌｓ 顶 头 内部 通 以高 压 水 进 行 强 制 冷 却 。 ～ ｏ， 统
ｎ ｌＣ ， ｋ ， ｒ ｃ ａ Ｒ
经 化 学 成 分 分 析 ， 步 确 定 顶 头 的 基 体 为 初 ４ ｒＭ ｏ ｉ Ｃ ５ ＳＶ１即 Ｈ１ ３钢 ， 分 见 表 ２ 成 。叉 用 电子 探 针 分 析 钼 合 金 镶 块和 钢 基 体 的 成 分 ， 果 如 表 ３ 结
图 ２ 开裂 顶头 中的徽 裂纹