專(zhuān)利名稱(chēng)：熱加工用工具鋼、熱加工用工具以及無(wú)縫管制造用頂頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱加工用工具鋼和熱加工用工具。本發(fā)明的工具鋼適合用作包含高Cr合金鋼及Ni基合金的無(wú)縫管的制造中使用的穿孔壓延機(jī)(例如，曼內(nèi)斯曼式穿孔機(jī))的頂頭的原材料。所謂的高Cr合金鋼是以含13％以上的Cr的不銹鋼為代表的鋼。
背景技術(shù)：
目前，用于制造無(wú)縫鋼管的壓延機(jī)，其中以曼內(nèi)斯曼式穿孔機(jī)為代表的穿孔壓延機(jī)用的頂頭，由基本組成為3％Cr-1％Ni-余部Fe的鋼制作，其頂頭在表面施行形成氧化皮的熱處理后使用。該頂頭是在用普通鋼制造無(wú)縫鋼管時(shí)穿孔用的。
但是，在對(duì)由含13％以上的Cr的不銹鋼為代表的高Cr合金鋼及Ni基合金制成的無(wú)縫管進(jìn)行穿孔壓延時(shí)，由于頂頭表面的溫度和表面壓力上升，所以頂頭的壽命明顯變短。例如，在JIS的SUS304材料的穿孔中，1個(gè)孔型頂頭就發(fā)生變形。
在穿孔壓延中，對(duì)穿孔壓延機(jī)的主軋輥進(jìn)行噴水冷卻。該冷卻水散射到剛穿孔后高溫的頂頭。因此，頂頭的表面突然被冷卻，表面的氧化皮發(fā)生部分剝離，該剝離部分成為下次穿孔壓延時(shí)發(fā)生燒接的原因。還有，為了預(yù)備下次使用，通常將使用后的頂頭浸漬在冷卻水中進(jìn)行冷卻，但此時(shí)的冷卻有時(shí)會(huì)使頂頭的原料金屬產(chǎn)生相變裂紋。
作為以含13％以上的Cr的不銹鋼為代表的高Cr合金鋼及Ni基合金制成的無(wú)縫管等的制造時(shí)使用的穿孔壓延機(jī)用的頂頭，有如下的提案。
(a)由減少Cr含量提高了耐燒接性，添加Mo和W等提高了高溫強(qiáng)度和氧化皮的粘附性的鋼制成的頂頭(日本專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。
(b)由通過(guò)大量添加Ni提高了氧化皮的潤(rùn)滑性、耐剝離性以及耐磨耗性，并且，通過(guò)添加過(guò)量的Mo或/和W提高了高溫強(qiáng)度的鋼制成的頂頭(日本專(zhuān)利文獻(xiàn)2)。
(c)通過(guò)由與上述(b)的頂頭同樣的鋼制成，并限定基體金屬與氧化皮界面的粗糙度，提高了耐燒接性和潤(rùn)滑性的頂頭(日本專(zhuān)利文獻(xiàn)3)。
(d)除了Ni、Cr、Co、W或/和Mo以外，還含有Cu作為必須成分的鋼制成的具有優(yōu)異耐磨耗性的頂頭(日本專(zhuān)利文獻(xiàn)4)。
(e)除了Cr、Ni、Co、Cu、W或/和Mo，還含有Ti或Zr作為必須成分的鋼制成的提高了相對(duì)于循環(huán)使用時(shí)急冷急熱的耐裂性的頂頭(日本專(zhuān)利文獻(xiàn)5)。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1日本專(zhuān)利特開(kāi)昭63-282241號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2日本專(zhuān)利特開(kāi)平4-74848號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)3日本專(zhuān)利特開(kāi)平4-270003號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)4日本專(zhuān)利特開(kāi)昭57-152446號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)5日本專(zhuān)利特開(kāi)昭60-208458號(hào)公報(bào)但是，(a)的頂頭，基體金屬的高溫強(qiáng)度及氧化皮的粘附性不夠，在對(duì)長(zhǎng)尺寸的鋼坯穿孔時(shí)，即在進(jìn)行穿孔長(zhǎng)度較長(zhǎng)的穿孔壓延時(shí)不能確保足夠的壽命。
(a)至(c)的頂頭，表面壓力最大、溫度升高的頂頭的前端部的氧化皮在穿孔過(guò)程中熔融、失去了絕熱效果及耐磨耗性，頂頭的前端容易發(fā)生熔損和變形。
(d)至(e)的頂頭，由于Cr的含量過(guò)高不僅耐燒接性變差，而且由于高溫強(qiáng)度也不夠，存在頂頭的前端容易發(fā)生熔損和變形的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種即使是在熱加工變形阻力大的材料時(shí)使用，也具有較長(zhǎng)壽命的工具鋼及用該種鋼所制造的工具。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種在由以含13％以上Cr的不銹鋼為代表的高Cr合金鋼和Ni基合金一類(lèi)的材料制造無(wú)縫管時(shí)的穿孔壓延機(jī)用頂頭，該頂頭壽命長(zhǎng)且不容易發(fā)生燒接。
本發(fā)明者們?yōu)榱送瓿缮鲜稣n題，進(jìn)行了種種研究，得到以下的見(jiàn)解。
(a)在用Cr含量為13％以上的高Cr合金鋼制管時(shí)，頂頭表面形成的氧化皮的物理性質(zhì)及其材料即熱加工用工具鋼(以下，稱(chēng)為“頂頭材料”)的強(qiáng)度對(duì)頂頭的壽命有很大影響。
(b)現(xiàn)在所使用的不銹鋼制管用的頂頭的材料，含有為提高高溫強(qiáng)度而添加的Cr。但是，由于Cr與氧的親合力高，用含Cr的材料制作的頂頭，如果進(jìn)行防止燒接的形成氧化皮的熱處理，氧化皮的基體金屬側(cè)形成Cr氧化物濃縮的尖晶石型鱗，即，含大量Fe2CrO4的內(nèi)層鱗層。該尖晶石型鱗為達(dá)到內(nèi)層鱗的約20～90質(zhì)量％。
基體金屬的Cr濃度越高，內(nèi)層鱗中的Cr的濃縮比例也變高。例如當(dāng)基體金屬中含0.5％的Cr時(shí)，內(nèi)層鱗中的Cr濃度為1～5％左右。
(c)一般當(dāng)被加工材料與工具含同種成分時(shí)，容易發(fā)生燒接。因?yàn)椴讳P鋼含Cr，所以在對(duì)其穿孔壓延時(shí)，頂頭的內(nèi)層鱗層中的Cr的濃縮程度越高越容易發(fā)生燒接。所以，為了防止燒接，需要抑制內(nèi)層鱗中的Cr濃度的上升。
基于上述的見(jiàn)解，可以認(rèn)為用不含Cr的鋼作為頂頭材料是防止燒接的一個(gè)方法。但是，在頂頭材料中的Cr，是提高頂頭的基體金屬的組織穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度，提高形成的氧化皮的粘附性以及提高耐磨耗性的有用成分。所以，在現(xiàn)有技術(shù)中，頂頭材料使用不添加Cr的鋼是比較困難的。
這里，本發(fā)明者們對(duì)于不用Cr作為頂頭材料的強(qiáng)化元素的不銹鋼制管用的頂頭進(jìn)行了深入研究，結(jié)果，判明了以下情況。
(d)目前，Mn是用來(lái)改善組織穩(wěn)定性的元素。但是，通過(guò)與其他合金成分組合，如下所述，作為進(jìn)行不銹鋼穿孔的頂頭的原材料的構(gòu)成成分具有極其有效的作用。
Mn與Cr同樣，是奧氏體穩(wěn)定化元素，使組織在高溫下穩(wěn)定，同時(shí)提高高溫強(qiáng)度。另外，如果在頂頭的原材料中添加大量的Mn，在通過(guò)形成氧化皮的熱處理形成的氧化皮的基體金屬側(cè)形成含Mn氧化物的尖晶石型鱗，即，形成含大量Fe2MnO4的內(nèi)層鱗。該Fe2MnO4為內(nèi)層鱗的20～90質(zhì)量％左右。
含有大量含上述Mn氧化物的尖晶石型鱗(Fe2MnO4)的內(nèi)層鱗，由于實(shí)質(zhì)上或是不含Cr，或是在含有Cr的情況下被Mn稀釋?zhuān)蠓鹊靥岣咴谶M(jìn)行不銹鋼穿孔時(shí)的耐燒接性。另一方面，隨著Mn的濃縮，內(nèi)層鱗的耐磨耗性提高，穿孔中的氧化皮層的磨損減少，頂頭的壽命提高。
(e)Mn與Cr不同，不是抑制鋼氧化的元素。所以，在將不含Cr而含Mn的鋼作為材料的頂頭中，可以通過(guò)低溫下短時(shí)間的形成氧化皮的熱處理而形成足夠厚度的氧化皮層。另外，與現(xiàn)有技術(shù)的含Cr的頂頭材料相比較由于易于氧化，所以即使在穿孔操作結(jié)束后的冷卻時(shí)，也容易在頂頭的表面形成氧化皮，并由于該氧化皮的存在而提高頂頭的壽命。
(f)但是，如果過(guò)多地添加Mn，鋼的裂縫敏感性明顯增高，冷卻水等散射到剛在穿孔壓延中使用的頂頭表面時(shí)，有時(shí)頂頭表面會(huì)產(chǎn)生裂縫。所以，其添加量是有限度的。另外，需要復(fù)合添加作為提高高溫強(qiáng)度的元素的W和Mo。
(g)含Mn氧化物的內(nèi)層鱗的熔點(diǎn)為1200℃以上，穿孔過(guò)程中不熔融。因此，不表現(xiàn)出潤(rùn)滑效果，穿孔需要的時(shí)間長(zhǎng)，頂頭的表面溫度上升，而熔損。所以，為了使氧化皮具有潤(rùn)滑性，需要優(yōu)化氧化皮的熔點(diǎn)。為了優(yōu)化該熔點(diǎn)，可以利用W氧化物與Fe氧化物在1100℃附近發(fā)生共晶反應(yīng)，以及Fe與Si的復(fù)合氧化物的熔點(diǎn)在1170℃附近的事實(shí)。即，若適當(dāng)?shù)卣{(diào)整W與Si的含量，能夠促進(jìn)氧化皮中的W氧化物及Fe與Si的復(fù)合氧化物的形成，能夠優(yōu)化氧化皮的熔點(diǎn)。
(h)含有大量含上述Mn氧化物的尖晶石型鱗(Fe2MnO4)的內(nèi)層鱗，與Cr氧化物濃縮的尖晶石型鱗即含大量Fe2CrO4的內(nèi)層鱗相比較附著力低，在制管過(guò)程中氧化皮層容易由于剝離而發(fā)生燒接和熔損。
(i)然而，如果以?xún)?nèi)層鱗為分散于其層中的金屬粒子，則氧化皮的變形能增大，粘附力提高，在穿孔中不發(fā)生氧化皮剝離，而且在反復(fù)加熱冷卻的環(huán)境下也能大幅度地抑制氧化皮的剝離，提高潤(rùn)滑性和耐磨性。
(j)作為上述金屬粒子，可以舉出Ni、Cu及Co粒子。由于這些金屬粒子，即使對(duì)以含有它們的鋼為原材料的頂頭進(jìn)行形成氧化皮的熱處理時(shí)，也不會(huì)被氧化，所以金屬粒子直接在氧化皮層中分散析出。
(k)但是，過(guò)量添加Ni，使基體金屬的馬氏體相變溫度上升。所以，在由軋輥冷卻水的散射等使頂頭突然冷卻時(shí)有時(shí)會(huì)引起相變裂紋，導(dǎo)致頂頭損傷。所以，Ni的含量是有限度的。但是，若減少Ni的含量，相應(yīng)該部分氧化皮的粘附力下降。
另外，如果只添加Cu，也就是不添加Ni，則在氧化皮與基體金屬的界面處形成低熔點(diǎn)的Cu金屬層而引起Cu脆化，損傷頂頭表面。但若將適量的Ni與Cu一起添加，分散在氧化皮中的金屬粒子以及氧化皮與基體金屬的界面處形成的金屬層為Ni-Cu合金，可以抑制上述的Cu脆化。不只如此，還能夠提高含Mn氧化物的尖晶石型鱗，也就是Fe2MnO4對(duì)基體金屬的粘附性。
(1)Co氧化皮的粘附力的提高效果比Ni低，為了通過(guò)添加Co來(lái)提高氧化皮的粘附力需要過(guò)量添加。而過(guò)量添加Co又會(huì)導(dǎo)致原材料價(jià)格的上升。所以，作為頂頭材料，優(yōu)選Ni與Cu的復(fù)合添加鋼，也可以根據(jù)需要添加Co。
根據(jù)上述諸多見(jiàn)解完成的本發(fā)明，主要是下述(1)的熱加工用工具鋼，下述(2)的熱加工用工具，及下述(3)的無(wú)縫管制造的制造中使用的穿孔壓延機(jī)用的頂頭。在以下的記述中，關(guān)于成分含量的％為質(zhì)量％。
(1)C0.05～0.5％，Si0.1～1％，Mn1.6～3.5％，Ni0.05～0.5％，Mo2～5％，W2～5％，Cu0.05～0.5％，剩余部分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成的熱加工用工具鋼。
(2)由上述(1)所述的熱加工用工具鋼制成，其表面由形成氧化皮的熱處理形成的厚度為50～1500μm的氧化皮覆蓋的熱加工用工具。
(3)由上述(1)所述的熱加工用工具鋼制成，其表面由形成氧化皮的熱處理形成的厚度為50～1500μm的氧化皮覆蓋的無(wú)縫管的制造所使用的穿孔壓延機(jī)用的頂頭。
上述(1)的熱加工用工具鋼，除上述成分外，還可以含有選自下述(A)～(D)群中的至少1群中的至少1種成分。
(A)Cr0.05～1％，(B)Co0.05～5％，(C)Ti、Nb、V、Zr以及B的1種以上合計(jì)為0.05～0.5％，(D)REM0.001～0.2％。
REM是指含從La至Lu的鑭系15個(gè)元素和Sc及Y的共17個(gè)元素。
具體實(shí)施例方式
下面，對(duì)于將本發(fā)明的熱加工用工具鋼、熱加工用工具及無(wú)縫管的制造所使用的穿孔機(jī)用頂頭做如上述的規(guī)定的理由進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
1.熱加工用工具鋼C0.05～0.5％C對(duì)提高鋼的高溫強(qiáng)度有效。但是，若含量不足0.05％就得不到足夠的高溫強(qiáng)度。另一方面，若超過(guò)0.5％則作為工具使用后的表面淬火的部分的硬度過(guò)高，容易產(chǎn)生燒裂。因此，C的含量為0.05～0.5％。下限優(yōu)選為0.07％，更優(yōu)選為0.1％。另外，上限優(yōu)選為0.3％，更優(yōu)選為0.2％。
Si0.1～1％Si作為鋼的脫氧劑有效。另外，不僅在A(yíng)c1相變點(diǎn)的上升以及表面生成的氧化皮的致密化方面有效，還能使生成鐵橄欖石(Fe2SiO4)的氧化皮的高溫變形能增大，提高粘附性。若含量不足0.1％則得不到這些效果。另一方面，若超過(guò)1％則鐵橄欖石(Fe2SiO4)生成過(guò)剩，不僅氧化皮的熔點(diǎn)下降，高溫硬度也下降。基于這些理由，Si的含量在0.1～1％為宜。作為下限優(yōu)選為0.15％，更優(yōu)選為0.2％。另外，作為上限優(yōu)選為0.6％，更優(yōu)選為0.5％。
Mn1.6～3.5％為了控制鋼的表面所生成的氧化皮的形態(tài)，以及提高鋼的高溫強(qiáng)度，Mn對(duì)本發(fā)明的鋼是最重要的元素之一。若含量不足1.6％不僅看不到氧化皮的粘附性的改善效果，高溫強(qiáng)度的提高效果也小，作為工具使用時(shí)，看不到壽命的提高。另一方面，若超過(guò)3.5％，基體金屬的耐裂性下降，作為工具使用后的冷卻時(shí)表面產(chǎn)生裂紋，壽命變短。由于這些理由，適宜的Mn含量為1.6～3.5％。作為下限優(yōu)選為2％，更優(yōu)選為2.5％。另外，作為上限優(yōu)選為3.25％，更優(yōu)選為3.2％。
Ni0.05～0.5％Ni在氧化皮層中，尤其在大量含有Fe2MnO4的內(nèi)層鱗層中作為金屬粒子分散析出，對(duì)提高氧化皮的耐剝離性有效。該效果在與后述的Cu一起添加時(shí)特別顯著。但是，若含量不足0.05％則得不到上述的效果。另一方面，若超過(guò)0.5％，鋼的耐相變燒裂性下降。因此，Ni含量在0.05～0.5％為宜。作為下限優(yōu)選為0.15％，更優(yōu)選為0.2％。另外，作為上限優(yōu)選為0.45％，更優(yōu)選為0.4％。
Mo2～5％Mo不僅對(duì)提高鋼的高溫強(qiáng)度有效，還是通過(guò)與Ni及Cu的復(fù)合添加以提高氧化皮的粘附性的有效成分。用2％以上可以得到這些效果，但5％其結(jié)果就飽和。所以，適宜的Mo含量為2～5％。作為下限優(yōu)選為2.25％，更優(yōu)選為2.5％。另外，作為上限優(yōu)選為4.5％，更優(yōu)選為4％。
W2～5％W可以提高鋼的高溫強(qiáng)度。還是控制氧化皮的潤(rùn)滑性的極其重要的元素。所以，需要含量至少為2％。另一方面，若超過(guò)5％，氧化皮的熔點(diǎn)過(guò)低使用中氧化皮層容易剝離，發(fā)生燒接。因此，W的適宜含量為2～5％。作為下限優(yōu)選為2.5％，更優(yōu)選為3％。另外，作為上限優(yōu)選為4.5％，更優(yōu)選為4％。
Cu0.05～0.5％Cu，在提高氧化皮的粘附性和潤(rùn)滑性等方面，在本發(fā)明鋼中與上述的Ni同時(shí)為最重要的元素之一。如前所述特別是通過(guò)與Ni復(fù)合添加可以大幅度地提高氧化皮的粘附性和潤(rùn)滑性等。
Cu能夠提高氧化皮的粘附性的事實(shí)，通過(guò)前面所列舉的日本專(zhuān)利文獻(xiàn)4及日本專(zhuān)利文獻(xiàn)5可知。但是，在這些文獻(xiàn)中公開(kāi)的鋼，都是Mn在1.5％以下的鋼。另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)5所公開(kāi)的鋼，Cr的含量高達(dá)1～3％。與此相對(duì)的是，本發(fā)明的鋼中，Mn為1.6～3.5％，并且Cr的含量即使在添加的情況下也只為0.05～0.5％。
如上所述在增大了Mn含量的鋼中，形成大量含有含Mn氧化物的尖晶石型鱗(Fe2MnO4)的內(nèi)層鱗。該鱗具有如上所述的顯著的防止燒接效果，但與Cr濃縮了的鱗相比粘附性差。Cu起著提高其粘附性的作用。但是，若含量不足0.05％則得不到該效果。另一方面，若超過(guò)0.5％，在氧化皮與基體金屬的界面處生成Cu含量高的軟質(zhì)合金層，氧化皮的耐剝離力下降，在穿孔作業(yè)中氧化皮從基體金屬被帶到被加工材料側(cè)，容易發(fā)生燒接?；谶@些理由，Cu含量的適宜范圍為0.05～0.5％。作為下限優(yōu)選為0.07％，更優(yōu)選為0.075％。另外，作為上限優(yōu)選為0.4％，更優(yōu)選為0.3％。
以上為本發(fā)明的工具鋼的必須成分。本發(fā)明的工具鋼之一，除上述成分外，其余由Fe與雜質(zhì)構(gòu)成。
本發(fā)明的另一工具鋼，除上述成分外，含有選自以下所述成分中的至少一種成分，余部由Fe與雜質(zhì)構(gòu)成。
Cr0.05～0.5％Cr雖然也可以不添加，但由于它是使氧化皮的粘附性提高的有效元素，所以也可根據(jù)需要添加。但若含量不足0.05％則得不到上述效果。另一方面，若超過(guò)0.5％則容易發(fā)生燒裂。另外，如上所述，如果Cr含量多則生成Cr濃縮了的尖晶石型鱗，在不銹鋼加工時(shí)容易發(fā)生燒接?；谶@些理由，在添加時(shí)Cr的含量為0.05～0.5％為佳。
Co0.05～5％Co雖然也可以不添加，但由于它是提高韌性的有效元素，同時(shí)還與上述Ni相同，作為金屬粒子在氧化皮層中分散析出，是提高氧化皮的耐剝離性等的有效元素。所以也可根據(jù)需要添加。但是，若含量不足0.05％則得不到上述效果。另一方面，若超過(guò)5％則金屬粒子過(guò)多容易發(fā)生燒接，同時(shí)工具的熱疲勞特性下降，工具在反復(fù)加熱與冷卻時(shí)，其表面因熱疲勞容易發(fā)生龜裂。另外，過(guò)剩的Co抑制氧化皮的形成。因此，在添加時(shí)Co的含量為0.05～5％為佳。
Ti、Nb、V、Zr、B各個(gè)或2種以上的合計(jì)，0.05～0.5％這些元素雖然也可以不添加，但由于這些元素都有細(xì)粒化作用，是提高韌性的有效元素，所以可根據(jù)需要添加1種或2種以上。但各個(gè)或合計(jì)的含量若不足0.05％則得不到上述效果。另一方面，若超過(guò)0.5％則出現(xiàn)脆化相，基體金屬的強(qiáng)度下降。因此，在添加時(shí)這些元素的含量，各個(gè)或2種以上的合計(jì)，以0.05～0.5％為佳。
REM0.001～0.2％REM(即包含從La至Lu的鑭系15元素和Sc及Y的17個(gè)元素)，雖然也可以不添加，但由于這些元素都是改善氧化皮的粘附性的有效成分，所以也可根據(jù)需要添加1種以上。但是，若各個(gè)或合計(jì)的含量不足0.001％則得不到上述效果，若超過(guò)0.2％則出現(xiàn)脆化相，強(qiáng)度下降。因此，添加時(shí)的含量，各個(gè)或2種以上的合計(jì)為0.001～0.2％為佳。
本發(fā)明的熱加工用工具鋼的其余部分為Fe和雜質(zhì)。作為雜質(zhì)的P和S的含量，只要是在該種鋼中作為雜質(zhì)含有的通常的水平則沒(méi)有特別的問(wèn)題。但是，由于P和S有時(shí)會(huì)使氧化皮的粘附性下降，所以?xún)?yōu)選二者都控制在0.01％以下。
2.熱加工用工具鋼以及穿孔壓延機(jī)用頂頭的氧化皮的厚度本發(fā)明的用于熱加工用工具和無(wú)縫管制造的穿孔壓延機(jī)用頂頭，由具有上述化學(xué)成分的熱加工用工具鋼制成。而且，其表面需要用由“形成氧化皮的熱處理”形成的厚度為50～1500μm的氧化皮層覆蓋。其理由如下。
若氧化皮層的厚度不足50μm，不僅絕熱效果不充分，不能充分地抑制基體金屬的溫度上升，而且氧化皮層的磨損消耗快，工具形狀提早變形，同時(shí)潤(rùn)滑性消失，從而發(fā)生燒接。
另一方面，若氧化皮層的厚度超過(guò)1500μm，會(huì)形成空隙和顯微裂紋多的鱗層，與基體金屬的粘附力下降，不僅在使用前的處理中鱗層容易剝離，在使用中也容易發(fā)生內(nèi)外層鱗的層間剝離，在產(chǎn)品中產(chǎn)生裂紋。該裂紋在頂頭進(jìn)行穿孔時(shí)為穿孔后的管內(nèi)面的裂紋。所以，氧化皮層的適宜的厚度為50～1500μm。
氧化皮層的厚度是合計(jì)了內(nèi)層鱗和在其上形成的外層鱗二者的厚度。外層鱗，以FeO和Fe3O4為主體，其最外層為Fe2O3。
3.熱加工用工具鋼、熱加工用工具以及穿孔壓延機(jī)用頂頭的制造本發(fā)明的熱加工用工具鋼，通過(guò)由大氣熔融法、AOD法及VOD法等公知的工序熔煉，將得到的鋼液用鑄錠法和連續(xù)鑄造法制成鋼錠或鋼坯，然后，根據(jù)需要通過(guò)施行熱壓延等熱加工成所規(guī)定形狀的鋼片制造。此時(shí)的制造條件沒(méi)有特別的限制。
本發(fā)明的熱加工用工具鋼以及無(wú)縫管制造用的穿孔壓延機(jī)用的頂頭，可以通過(guò)將如上所得的鋼液直接澆鑄成規(guī)定的工具或頂頭的形狀，或通過(guò)對(duì)鋼坯施行熱鍛造以形成規(guī)定的工具或頂頭的形狀進(jìn)行制造。此時(shí)的制造條件也沒(méi)有特別的限制。只是，形成氧化皮的熱處理，優(yōu)選在以下的條件下進(jìn)行。
4.形成氧化皮的熱處理的條件
(1)加熱氣氛形成氧化皮的處理中，在加熱氣氛中含水蒸氣很重要，爐內(nèi)的水蒸氣濃度需要保持5體積％以上。該條件可以通過(guò)使LNG、LPG、C氣體及丁烷等燃料與空氣混合燃燒得到。
(2)加熱溫度鱗的厚度，依賴(lài)于加熱溫度與加熱時(shí)間。為了使大量含Mn氧化物的尖晶石型鱗以均勻的厚度形成，優(yōu)選在800℃以上進(jìn)行處理。另外，若超過(guò)1200℃，生成的鱗熔融，所以?xún)?yōu)選加熱溫度在1200℃以下。
(3)加熱時(shí)間加熱時(shí)間可以根據(jù)加熱溫度決定，以得到所規(guī)定的鱗厚度。
實(shí)施例具有表1及表2所示的化學(xué)組成的60種合金鋼，通過(guò)大氣熔融熔煉，并將得到的鋼錠進(jìn)行熱鍛造后，外削，成型為無(wú)縫管制造用的穿孔壓延機(jī)用的頂頭。
將成型為規(guī)定形狀的頂頭，在LNG燃燒氣氛(體積％，10％CO2、2％O2、20％H2O、其余N2)中，按表3及表4中表示的種種溫度和時(shí)間加熱，并形成同樣在表3及表4中表示的種種厚度的氧化皮層。
使用所得到的各頂頭進(jìn)行穿孔壓延。穿孔壓延是將下述尺寸的SUS304制的圓鋼坯穿孔壓延成形為下述尺寸的空心管坯。頂頭連續(xù)供給多個(gè)鋼坯的穿孔。穿孔條件如下。
鋼坯及空心管坯的尺寸平行穿孔用鋼坯··直徑70mm×長(zhǎng)度1000mm空心管坯··直徑72mm×長(zhǎng)度2200mm擴(kuò)管穿孔用鋼坯··直徑65mm×長(zhǎng)度1000mm空心管坯··直徑93mm×長(zhǎng)度2200mm鋼坯的加熱溫度1200℃交叉角15°傾斜角10°頂頭的尺寸
平行穿孔用··直徑54mm擴(kuò)管穿孔用····直徑75mm上述“平行穿孔”的意思是鋼坯的直徑與穿孔后的管坯(空心管坯)的外徑基本相同，“擴(kuò)管穿孔”的意思是管坯的外徑比鋼坯的直徑大。
對(duì)可以供給穿孔壓延的各頂頭的使用次數(shù)(穿孔壓延根數(shù))與使用后的頂頭的表面狀況進(jìn)行了調(diào)查。通過(guò)觀(guān)察頂頭的氧化皮層的剝離或磨損消耗，頂頭發(fā)生的裂紋或燒接，頂頭前端的熔損或變形狀態(tài)進(jìn)行能否使用的判定。
將調(diào)查的結(jié)果與形成氧化皮的熱處理?xiàng)l件、氧化皮層的厚度、及原材料鋼在1000℃時(shí)的拉伸強(qiáng)度(TSN/mm2)一起，在表3及表4中表示。
由表3及表4可知，由本發(fā)明的工具鋼制成的頂頭(符號(hào)1～31)，可使用(穿孔壓延)8次以上，而且使用后表面狀況也良好，顯示出優(yōu)異的性能。
與此相對(duì)，符號(hào)32及33的鋼制成的頂頭，由于Cu的含量過(guò)少，所以氧化皮的粘附力低，穿孔中發(fā)生了氧化皮剝離熔損。另一方面，由符號(hào)34的鋼制成的頂頭，由于Cu的含量過(guò)多，穿孔中氧化皮正下方的基體金屬變形，發(fā)生了前端燒接。
符號(hào)35的鋼制成的頂頭，由于Mn的含量過(guò)少而高溫強(qiáng)度不夠，穿孔壓延了3根前端就發(fā)生了變形。而符號(hào)36的鋼制成的頂頭由于Mn的含量過(guò)多，穿孔時(shí)體部發(fā)生了燒裂。
由符號(hào)37的鋼制成的頂頭，由于Ni的含量過(guò)少而使氧化皮的粘附性差，穿孔4次就發(fā)生了前端熔損。而符號(hào)38的鋼制成的頂頭由于Ni的含量過(guò)多，在穿孔后的水冷時(shí)發(fā)生了燒裂。
由符號(hào)39的鋼制成的頂頭，由于Mo的含量過(guò)少而高溫強(qiáng)度不夠，穿孔4次就發(fā)生了前端變形。而由符號(hào)40的鋼制成的頂頭由于Ni和Mo的含量過(guò)多耐相變燒裂性差，穿孔3次就產(chǎn)生了相變裂紋。
由符號(hào)41的鋼制成的頂頭，由于W的含量過(guò)少而高溫強(qiáng)度不夠，穿孔3次就發(fā)生了前端變形。而由符號(hào)42的鋼制成的頂頭由于W的含量過(guò)多，穿孔中氧化皮軟化，穿孔4次就發(fā)生了熔損。
由符號(hào)43的鋼制成的頂頭，由于C的含量過(guò)少而高溫強(qiáng)度不夠，使用4次前端就發(fā)生了變形。而由符號(hào)44的鋼制成的頂頭，由于C的含量過(guò)多在穿孔后的水冷卻時(shí)體部產(chǎn)生裂紋。
由符號(hào)45的鋼制成的頂頭，由于Si的含量過(guò)少而氧化皮的粘附力不夠，穿孔3次就發(fā)生了前端燒接。而由符號(hào)46的鋼制成的頂頭，由于Si的含量過(guò)多氧化皮在穿孔中軟化，穿孔4次就發(fā)生了前端變形。
由符號(hào)47的鋼制成的頂頭，由于Cr的含量過(guò)多在穿孔后的水冷時(shí)體部產(chǎn)生了裂紋。由符號(hào)48和49的鋼制成的頂頭，由于Co的含量過(guò)多在穿孔中前端發(fā)生了缺損。
由符號(hào)50～54的鋼制成的頂頭，由于Ti、Nb、V、Zr及B中的任一種以上的含量過(guò)多，在穿孔中前端發(fā)生了缺損。另外，由符號(hào)55～58的鋼制成的頂頭，由于REM量過(guò)多在穿孔中前端發(fā)生了缺損。
由符號(hào)59和60的鋼制成的頂頭，雖然基體金屬的化學(xué)組成都在本發(fā)明規(guī)定的范圍內(nèi)，但由前者的鋼制成的頂頭，由于氧化皮層的厚度為過(guò)薄至45μm所以幾乎沒(méi)有絕熱效果，使用2次前端就變形了。而由后者的鋼制成的頂頭，由于氧化皮層的厚度為過(guò)厚至1600μm且多孔而粘附力低，前端部的氧化皮層提早剝離脫落的結(jié)果，使用4次前端就熔損了。
表1

表2

表3

表4

產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的熱加工用工具鋼具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度。另外，通過(guò)形成氧化皮的熱處理在其表面形成的氧化皮與基體金屬的粘附性高，而且相對(duì)于Cr含量高的鋼，其耐燒接性及潤(rùn)滑性?xún)?yōu)異。所以，由通過(guò)在其表面進(jìn)行形成氧化皮的熱處理所賦予的規(guī)定厚度的氧化皮覆蓋的本發(fā)明的熱加工用工具，不僅使用壽命長(zhǎng)，而且不會(huì)在產(chǎn)品上產(chǎn)生燒接裂紋等表面缺陷。本發(fā)明的工具鋼特別適合作為由以Cr含量為13％以上的不銹鋼為代表的高Cr合金鋼或Ni基合金制成的無(wú)縫管的制造中所使用的穿孔壓延機(jī)的頂頭的原材料。該頂頭的使用壽命長(zhǎng)，而且有助于以較低的單位產(chǎn)品所需的工具消費(fèi)量制造內(nèi)面裂紋少的無(wú)縫管。
權(quán)利要求
1.一種熱加工用工具鋼，其特征在于，按質(zhì)量％，含有C0.05～0.5％，Si0.1～1％，Mn1.6～3.5％，Ni0.05～0.5％，Mo2～5％，W2～5％及Cu0.05～0.5％，剩余部分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成。
2.一種熱加工用工具鋼，其特征在于，按質(zhì)量％，含有C0.05～0.5％，Si0.1～1％，Mn1.6～3.5％，Ni0.05～0.5％，Mo2～5％，W2～5％及Cu0.05～0.5％，另外還含有下述元素中的至少1種，剩余部分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成，Cr0.05～0.5％，REM0.001～0.2％，REM為鑭系元素、Sc及Y的17個(gè)元素。
3.一種熱加工用工具鋼，其特征在于，按質(zhì)量％，含有C0.05～0.5％，Si0.1～1％，Mn1.6～3.5％，Ni0.05～0.5％，Mo2～5％，W2～5％，Cu0.05～0.5％及Co0.05～5％，剩余部分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成。
4.一種熱加工用工具鋼，其特征在于，按質(zhì)量％，含有C0.05～0.5％，Si0.1～1％，Mn1.6～3.5％，Ni0.05～0.5％，Mo2～5％，W2～5％及Cu0.05～0.5％及Co0.05～5％，另外還含有下述元素中的至少1種，剩余部分由Fe及雜質(zhì)所構(gòu)成，Cr0.05～0.5％，REM0.001～0.2％。REM為鑭系元素、Sc及Y的17個(gè)元素。
5.一種熱加工用工具鋼，其特征在于，除權(quán)利要求1至權(quán)利要求4的任一項(xiàng)所述的成分之外，還含有各個(gè)或2種以上的合計(jì)為0.05～0.5質(zhì)量％的選自Ti、Nb、V、Zr及B中的至少1種，剩余部分由Fe及雜質(zhì)構(gòu)成。
6.一種熱加工用工具，其特征在于，由權(quán)利要求1至權(quán)利要求5的任一項(xiàng)所述的熱加工用工具鋼制成，其表面由形成氧化皮的熱處理所形成的厚度為50～1500μm的氧化皮覆蓋。
7.一種無(wú)縫管制造中使用的穿孔壓延機(jī)用的頂頭，其特征在于，由權(quán)利要求1至權(quán)利要求5的任一項(xiàng)所述的熱加工用工具鋼制成，其表面由形成氧化皮的熱處理所形成的厚度為50～1500μm的氧化皮覆蓋。
全文摘要
本發(fā)明為一種熱加工用工具鋼，在其表面生成的氧化皮的粘附性與潤(rùn)滑性良好，強(qiáng)度高。該工具鋼含有C0.05～0.5％，Si0.1～1％，Mn1.6～3.5％，Ni0.05～0.5％，Mo2～5％，W2～5％，Cu0.05～0.5％，剩余部分實(shí)質(zhì)上由Fe所構(gòu)成。還可以含Cr、Co、REM、Ti、Nb、V、Zr及B中的1種以上。由該鋼制作的工具，其表面由厚度為50～1500μm的氧化皮覆蓋。工具的代表例為無(wú)縫管制造用的穿孔頂頭。
文檔編號(hào)B21B25/00GK1788101SQ20048001313
公開(kāi)日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2004年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月13日
發(fā)明者安樂(lè)敏朗, 五十嵐正晃, 山川富夫, 下田一宗, 日高康善 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社