第一節(jié) 穿孔機(jī)頂頭基本生產(chǎn)技術(shù)、工藝或流程

1、穿孔頂頭材料的選擇

穿孔頂頭的工況十分差，在高溫下承受著很大的交變應(yīng)力和沖擊載荷，這就要求穿孔頂頭材料必須具有如下性能：

(1)在高溫下具有足夠的強(qiáng)韌性、硬度和回火穩(wěn)定性。

(2)具有良好的淬透性、高溫耐磨性和耐熱疲勞性。

(3)具有良好的導(dǎo)熱性

(4)材料價(jià)格經(jīng)濟(jì)合理。

2、穿孔頂頭的形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

穿孔頂頭的設(shè)計(jì)主要是外形曲線、內(nèi)孔形狀尺寸的確定，設(shè)計(jì)合理與否將直接影響頂頭的使用壽命和所穿毛管的質(zhì)量。為使穿孔頂頭設(shè)計(jì)與穿孔變形區(qū)特點(diǎn)相適應(yīng)，組成部分：1）頂尖l0（鼻部）：對(duì)準(zhǔn)管坯定心孔→穿正；可產(chǎn)生軸向阻力→防止預(yù)先形成孔腔2）穿孔錐l1：穿孔＋減壁3）平整段l2：（其錐角＝軋輥出口錐錐角β2）均壁、平整內(nèi)外表面4）反錐l3：防止脫管時(shí)內(nèi)劃傷（更換式：還有平衡作用）。

穿孔機(jī)頂頭組成示意圖

穿孔機(jī)頂頭形狀及其主要尺寸

（a）更換式非水冷頂頭；（b）內(nèi)外水冷式頂頭；（c）內(nèi)水冷式頂頭

根據(jù)實(shí)際使用效果，頂頭選擇乳頭型鼻部為佳，因其形狀與磨損后的實(shí)際形狀接近，并且鼻部壁厚均勻，冷卻條件較好，有利于氧化膜的形成。

3、穿孔頂頭的制造工藝

所研制的新型穿孔頂頭采用異型鑄坯，經(jīng)熱模鍛成型．機(jī)械加工和熱處理制造。其工藝流程為；

原料熔煉一異型鑄坯一雙聯(lián)退火一熱模鍛成型一等溫球化退火一機(jī)械加工一成品熱處理一檢驗(yàn)入庫

異型鑄坯是新型穿孔頂頭制造的第一道關(guān)鍵工序。它是將原料熔煉后鑄造成圓截面錐體異型鑄坯，以確保熱模鍛坯料的鑄造工藝。為盡可能消除穿孔頂頭4Cr5MoSiVl鋼合金元素的品內(nèi)偏析，使合金元素的原子充分?jǐn)U散，同時(shí)細(xì)化鑄造晶粒，消除過熱映陷，提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，采用了雙聯(lián)退火工藝處理。

熱模鍛成型是制造新型穿孔頂頭的第二道關(guān)鍵工序，它能完整地合理分布穿孔頂頭金屬流線，并使其組織致密，提高穿孔頂頭使用壽命，壤少切削量。為避免鍛造時(shí)產(chǎn)生加熱映陷，嚴(yán)格控制了加熱溫度、始鍛和終鍛的溫度，并采用砂灰堆緩冷。為便于機(jī)械加工以及為成品熱處理作好組織準(zhǔn)備，對(duì)熱模鍛成型件進(jìn)行了等溫球化退火，以使4CrSMoSiV1銅的鐵素體基體上獲得均勻分布的球狀小顆粒滲碳體和碳化物，從而形成球狀球光體和少量碳化物組織。

機(jī)械加工最終決定新型穿孔頂頭的形狀尺寸，除采用電火花線切割加工的仿形靠模和樣板嚴(yán)格按要求加工曲線外，還在加工內(nèi)孔及連接部位時(shí)嚴(yán)格控制其加工質(zhì)量，以避免穿孔頂頭應(yīng)力集中而出現(xiàn)開裂失效。

成品熱處理最終決定新型穿孔頂頭材料的組織狀態(tài)、機(jī)械性能和使用壽命，在制定工藝時(shí)既要考慮材弗斗的特點(diǎn)和裝爐狀況，又要考慮穿孔頂頭的具體使用條件。

由于雙重淬火工藝可在不降低穿孔頂頭材料沖擊韌性的前提下提高其斷裂韌性，高溫調(diào)質(zhì)能得到細(xì)小均布的碳化物，增大碳化物與基體間的界面，增加奧氏體形核數(shù)量而得到更小的奧氏體晶粒，并且避免淬火組織中出現(xiàn)貝氏體，減小穿孔頂頭使用過程中產(chǎn)生的組織應(yīng)力，提高回火穩(wěn)定性，因此，穿孔頂頭成品熱處理采用雙重淬火工藝進(jìn)行最終熱處理。

在雙重油淬加熱過程中．用石灰石調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛，使穿孔頂頭表面形成與基體結(jié)合牢固的Fe：O。和Feo致密氧化保護(hù)膜，此層氧化膜既隔離了穿孔頂頭基體與管坯，使穿孔頂頭在穿孔過程中不致粘銅和剝落，又減小了穿孔頂頭與管坯間的摩擦系數(shù)，起到潤滑作用，使穿孔頂頭穿孔時(shí)溫升減小，使用壽命提高。

4、穿孔頂頭的冷卻狀況

穿孔頂頭的冷卻狀況除自身結(jié)構(gòu)所具備的冷卻條件外，還包含使用時(shí)外部所提供的冷卻水狀況。

冷卻水壓力越高，由回水帶走的熱量越大．越有利于穿孔頂頭的冷卻及其使用壽命的提高。根據(jù)本廠設(shè)備狀況，將冷卻水壓力控制在1．25～1．55MPa范圍內(nèi)，可使穿孔頂頭冷卻狀況大為改善，并且將冷卻水管的仲進(jìn)量控制在45ram時(shí)冷卻效果最佳。

冷卻水管伸進(jìn)量示意

1-穿孔頂頭2-冷卻水管

考慮到穿孔過程中穿孔頂頭內(nèi)外溫度梯度犬，還設(shè)計(jì)了穿孔頂頭外表面高壓水冷卻裝置，即在穿孔頂頭退出毛管并隨頂桿退回到后極限位置時(shí)，利用設(shè)置的高壓水盒對(duì)其進(jìn)行外表面冷卻，并注意適當(dāng)控制冷卻水流量。

更換的新穿孔頂頭在穿毛管2～3支后，因其鼻部易熔化或粘金屬應(yīng)將冷卻水量加大；當(dāng)穿3支以上毛管時(shí)，穿孔頂頭鼻部已形成瓷狀氧化鐵皮，應(yīng)適當(dāng)減小冷卻水量，以減小所穿件的溫降。

第二節(jié) 穿孔機(jī)頂頭國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

前蘇聯(lián)列寧軋管廠研制出用精密熱模鍛方法生產(chǎn)頂頭的工藝。這種模鍛頂頭使用壽命高于鑄造和鍛造頂頭。原聯(lián)邦德國進(jìn)行了頂頭表面滲鋁 研究 ，日本進(jìn)行了頂頭熱處理 研究 ，都取得了一定的效果。

第一代熱作模具鋼主要包括5CrNiMo、5CrMnMo和3Cr2W8V鋼。第二代熱作模具鋼則是以美國的AISIHl0、HI1、H12、H13鋼系列為代表，尤其以H13鋼量受歡迎。第三代熱作模具鋼是瑞典UDDEHOLM公司研制的UHBQRO80M和QRO90SUPREME鋼系列。H13、QRO80M、QRO90SUPREME鋼被稱之是20世紀(jì)90年代新型優(yōu)質(zhì)熱作模具鋼現(xiàn)在乃至今后都將成為熱作模具的主選鋼種，巳在美國、日本、德國、瑞典等發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用。

第三節(jié) 穿孔機(jī)頂頭技術(shù)開發(fā)熱點(diǎn)、難點(diǎn) 分析

未來，開發(fā)新的穿孔機(jī)頂頭材料技術(shù)， 研究 優(yōu)化現(xiàn)有頂頭材料的熱強(qiáng)性，低成本提高使用壽命的技術(shù)是解決投入資金少、研發(fā)周期短、經(jīng)濟(jì)效益突出的有效途徑。

1、技術(shù)關(guān)鍵

⑴強(qiáng)韌化熱處理工藝

對(duì)現(xiàn)有頂頭我們采用了低成本化技術(shù)途徑，主要從現(xiàn)有熱處理制度、表面滲層兩方面著手。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有頂頭的金相組織觀察和性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于原有熱處理制度不盡合理，造成材料在晶界上存在有大量的未溶碳化物，淬火片狀馬氏體基體上析出較大碳化物組織，使得材料的沖擊韌性在15～18J水平。同時(shí)頂頭的使用硬度在RHC38～50單位，波動(dòng)范圍過大，沒有表現(xiàn)出H13二次硬化鋼應(yīng)有較佳狀態(tài)。我們將通過對(duì)預(yù)先熱處理工藝制度的改進(jìn)，使碳化物完全溶解，充分作好最終熱處理的組織準(zhǔn)備。合理安排淬火+600℃回火細(xì)化組織工藝，獲得H13鋼的較佳強(qiáng)韌性匹配，硬度HRC≥35，沖擊韌性Kv≥20J，減少性能波動(dòng)。

⑵表面滲鋁技術(shù)

滲鋁層具有高的表面硬度（800～1200HV），高耐磨性、紅硬性、耐腐蝕性與抗氧化性，該技術(shù)是一種低成本、高效率提高工模具壽命的有效技術(shù)途徑。通過滲鋁處理，在頂頭表面形成有效的鋁層，利用頂頭高溫淬火處理過程，合理調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，在頂頭表面形成低成本鋁合金化滲層在10～50μm厚。頂頭在進(jìn)入高溫工況條件的先期，表面形成致密的耐高溫氧化鋁膜，可以降低摩擦系數(shù)，減低頂頭的工作摩擦阻力，達(dá)到阻止和減少表面粘鋼的目的?？朔烁咪X鋼韌性差和冶金定貨困難等問題。

2、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）根據(jù)H13鋼低溫回火良好的強(qiáng)度和韌性搭配提高頂頭的高溫抗疲勞強(qiáng)度。利用H13鋼二次硬化作用推遲高溫回火強(qiáng)度下降的特點(diǎn)，提高回火溫度獲得優(yōu)良的韌性達(dá)到提高頂頭抗熱疲勞性能。

2）采用了頂頭表面滲鋁技術(shù)，在高溫穿孔的前期，頂頭表面快速形成微米層厚的氧化層，使頂頭快速完成表面膜，有效提高頂頭壽命。
 
第四節(jié) 穿孔機(jī)頂頭未來技術(shù)發(fā)展趨勢

H13鋼是第二代性能優(yōu)異的中溫(＜600℃)熱作模具鋼．可用于制造比5CrNiMo、5CrMnMo鋼有更高強(qiáng)韌性要求的熱鍛模和比3Cr2WSV鋼有更高熱疲勞性能要求的熱擠壓模、熱沖模。但H13鋼在>600℃時(shí)的熱強(qiáng)性欠佳，在壓鑄高熔點(diǎn)合金時(shí)，H13鋼就顯得不太合適。在此基礎(chǔ)上可以通過適宜的低成本共滲技術(shù)途徑和對(duì)熱處理工藝制度進(jìn)行改進(jìn)，提高頂頭壽命。

QRO80M、QRO90SUPREM鋼是第三代性能更加優(yōu)異的熱作模具鋼，與優(yōu)質(zhì)的H13鋼相比具有：①更細(xì)的顯徽組織，②更高的回火穩(wěn)定性，③更好的熱強(qiáng)度和熱硬度，④相同的常溫力學(xué)性能，但有更高的高溫強(qiáng)度，貴重金屬鉬、鉻分別降低1.0％以上。開發(fā)應(yīng)用新一代熱模具鋼是有效解決鋼頂頭和熱作模具壽命的發(fā)展方向。

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