无缝钢管穿孔顶头表面氧化现象研究进展

张家辉，田青超，赵 彦，洪 杰，鲁晓刚

（1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444；2.朗瑞（泰州）金属工具有限公司，江苏 泰州 225500）

无缝钢管是一种重要的工程用管材，通过热轧或冷拔生产工艺得到，广泛用作汽车传动轴、油田油套管、枪管等［1］。热轧过程使用的穿孔顶头是无缝钢管生产中的重要模具之一。在穿孔过程中，顶头承受着极大的轴向力、压应力、切应力和表面摩擦力，研究表明［2］，穿孔过程轧制力在1 800 kN以上。顶头鼻端温度最高达1 200℃，其高温强度、耐磨性、热疲劳性都会影响顶头质量和使用寿命。

通过优化顶头外观、表面处理等能够有效提升顶头使用寿命。其中，最常用且有效的方法是制备表面氧化膜［3］。具备表面氧化膜的顶头既解决轧制过程中的表面黏钢，又能够在轧制条件下保持高强度，而且具备工艺简单、成本低、效益好等优点。

目前，氧化膜制备主要有6种工艺［4］（表1），应用较多的是可控气氛氧化膜制备工艺。通过在炉内滴注酒精+水产生H2O，H2，CO和CO2等形成炉内氧化性气氛，既能得到所需的氧化膜，顶头表面脱碳倾向也较小。该工艺条件下，氧化膜大多分为两层，厚度0.1～1.0 mm，内层由（Fe，Cr）3O4和FeO组成，外层由Fe2O3组成，反应速率随时间整体呈抛物线关系。该工艺改进和氧化气氛调节已有一些报道，但仍有在工艺手段、研究方法、性能优化上的改进空间。

表1 氧化膜制备工艺比较

本文基于前人对氧化膜研究工作的进展，对基体材料为Cr-Ni合金钢的穿孔顶头的氧化膜问题进行总结和讨论，通过高温氧化动力学、合金元素氧化行为、顶头在氧化炉和穿孔过程的氧化行为几个方面讨论穿孔顶头的氧化规律，并展望顶头性能优化的未来发展。……