７一弓７
第１６卷第６期 ；毖磁穿 共擞
特殊钢 ・３７・
・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 ＿ 理工大学．武？卫４３。０７４） 一７ Ｊ
方苏中
（武钢汉１３轧钢厂）
Ａｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ Ｐｉｅｒｃｉｎｇ Ｐｏｉｎｔ ｆｏｒ Ｓｅａｍｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｅ
Ｍｉｎｇ Ｗｅｎｌｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｊｉｎｇ ａｎｄ Ｚｈｏｕ Ｆｅｎｇｙｕｎ
（Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４）
Ｆａｎｇ Ｓｕｚｈｏｎｇ
（Ｗｕｈａｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｒｐ）
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，但其使用寿命很短，是无缝
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Ｈ１３钢
或镅合金制作的单一结构的穿孔顶头；也有用
Ｈ１ ３钢作基体，在顶尖部位镶嵌镅合金的复合顶
头｝还有用低合金结构钢（主要是２０ＣｒＮｉＳｉＷ）作
基体，再在其表面作覆膜处理的穿孔顶头。本文以
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，对其进行失效分析。该厂使用的是以
Ｈ１３钢作基体并在顶尖镶嵌镅合金的复式穿孔顶
头，其他厂也大量使用这种穿孔顶头。
１０钢和２０钢坯料在环形加热炉中加热到
１２００￣１ ４００℃后，由辊道送入轧机，然后顶头对坯
料进行穿孔。在此过程中，顶头承受相当复杂的外
力作用，不仅有顶杆和导盘的压力，而且还要承受
很大的摩擦力。由于与炽热的钢料接触和摩擦产
生的热效应，顶头被加热到很高的温度，肉限观
察，顶尖温度在８００￣２ 上。每支钢管的穿孔时间
为７～ｌｏｓ，顶头内部通以高压水进行强制冷却。统 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
Ｔａｂｌｅ １ Ｐｒｉｍａｒｙ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｐｌｅｒｃ－
ｉｎｇ ｐｏｉｎｔ
注ｔ几种失效形式可能同时发生．总百分比超过１００
若按各种失效形式所占的百分比进行加权平
均，则平均使用寿命为９５支。统计表明，开裂是顶
头的主要失效形式，塌尖与磨损也不能忽视。
２试验与结果
２．１宏观检验
根据统计结果，选择一个明显开裂的顶头进
行研究，如图１。从宏观看，该顶头呈纵向裂开，裂
纹源在顶头尖部，自上向下扩展，其它顶头也有类
似情况，裂纹往往不止一条，一般都存在着长短和
深浅不一的数条贯穿裂纹，而且许多顶尖的钼合
金块崩缺。
维普资讯 http://www.cqvip.com １９９５年第６期
圈Ｉ纵向开裂顶头的宏观形貌
Ｆｉｇ．１ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｐｉｅｒｃｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｗｉｔｈ ｌｏｎｇｉｔｕｄＬ ｎ，ａｌ Ｃｒ，Ｒｃｋ 顶头具有轴对称特性，顶尖为工作环境最恶
劣部位，成为裂纹的主要发源地 因此，在顶头的
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，发现在Ｈ１３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，并且这种徽裂纹
向ＨＩ３钢基体扩展，而且钼台金在较高的放大倍
数下也可观察到微小的裂纹，如图２。
２．２化学成分分析
经化学成分分析，初步确定顶头的基体为
４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１即Ｈ１３钢，成分见表２。叉用电子探
针分析钼合金镶块和钢基体的成分，结果如表３
图２开裂顶头中的徽裂纹
（ａ）ＨＺ３钢基体的微裂纹×６ （ｂ）钼台金中的微裂纹×１００ Ｆｉｇ．２ Ｍｉｃｒｏｃｒａｅｋ ｉｎ ｐｉｅｒｃｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｗｉｔｈ ｃｒａｃｋ
ａ．Ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋ ｉｎ［ｏａｓｅ ｓｔｅｅｌ Ｈ１３×６｛ ｂ・Ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋ ｉｎ Ｍｏ・ｂａｓｅ ａｌｌｏｙ ｅｍｂｅｄｄｅｄ×１００
表２顶头基俸（Ｈ１３）钢的化学成分，
Ｔａｂｌｅ ２ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ ｏｆ ｐｉｅｒｄｎｇ ｐｏｉｎｔ，
Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｃｒ Ｍｏ Ｖ Ｓ Ｐ
０．４６ １．１７ ０．６１ ４．９６ １．０４ １．０３ ０．０１９ ０．００４
表３顶头不同部位的锻区成分分析，
Ｔａｂｌｅ ３ Ｍｉｃｒｏ—ａｎａｌｙｓｉｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｐｉｅｒｃｉｎｇ
ｐｏｉｎｔ，
２．３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，测得的结果是未用过的顶头的Ｈ１３ 钢基体硬度为ＨＲＣ ５２～５４，钼台金硬度为ＨＲＣ
３５～３８，而开裂顶头中Ｈ１３钢基体的硬度为
ＨＲＣ６０￣６２，钼合金硬度为ＨＲＣ ３３￣３７。
２．４组织观察
用光学金相显微镜观察未用过的顶头和开裂
顶头的金相组织，可以看到，前者Ｈ１３钢基体组织
粗大，后者裂纹周围的组织更加粗丈。在４００倍显
微镜下对晶粒度评级，前者约为４～５级，后者约为
３～４级
进一步地观察，发现顶头钢基体与钼合金的焊
缝组织具有典型的共晶组织特征，如图３；而钼合
金的组织投有发现明显的异常特征，开裂顶头中的
钼合金徽裂纹两侧组织如图４。
３
分析与讨论 维普资讯 http://www.cqvip.com 特殊钢 ・３９・
图３顶头焊缝层的共晶组织ｘ ４００ Ｆｉｇ．３ Ｅｕｔｅｅｔｉｅ ｓｔｒ￣ｃｔｕｒｅ ａｔ ｗｅｌｄｉｎｇ．￣ｏｎｅ ｏｆ ｐｉｅｒｃｉｎｇ
ｐｏｉｎｔ Ｘ ４００
图４顶头的钼台盒微裂纹两侧组织Ｘ ４００
Ｆｉｇ ４ Ｍｉｅｒ￣ｔｒｕｅｔｕｒｅ ｎｅａｆ ｍｉｅｒｏｃｒｅ．ｃｋ ｉｎ Ｍｏ－ｇ￣ｅ ａ１
Ｉｏｙ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｏｆ ｐｉｅｒｃｉｎｇ ｐｏｉｎｔ Ｘ４００
３．１顶头是在急冷急热和承受机械外力的条件下
长时间工作，穿孔时顶头的外表层被加热刭很高的
温度，具有膨胀趋势，但这种膨胀趋势同时被温度
较低的顶头内层和周围的钢坯所限制，在顶头的外
表层产生压应力Ｉ穿孔完成后顶头和炽热的钢料分
离，顶头表层迅速降温，但此时顶头内层温度仍然
较高，在顶头表层又形成拉应力，随着穿孔的不断
进行，顶头表层承受拉压应力的循环作用，由于热
应变不协调和应力集中鼓应，极易诱发热疲劳裂
纹。为了防止顶头升温过高，采用高压水强制冷却，
这使得顶头表层与心部的温度梯度进一步增大，由
此产生更太的循环热应力。
３．２为了提高顶头尖部的强度，在顶尖部位镶嵌
钼合金，钼合金在高温时机械性能较好，但钼合金 从室温到８００＂Ｃ的热膨胀系数为５．１～５＋５×１０
ｒａｍ／ｒａｍ・℃，而Ｈ１３钢的热膨胀系数约为１３＋５
×１０一ｒａｍ／ｒａｍ・℃，两者相差较大，导致界面结
合处产生热应力，在钼台金中产生徽裂纹。两者界
面结合处为典型的鱼骨状的共晶组织，本身臆性较
大，在外力作用时也很容易开裂。
３．３当材料具有细小均匀的等轴晶粒时，热疲劳
性能较好，而金相组织分析表明，未用过的顶头和
开裂顶头的晶粒都很粗大，并且分布很不均匀，这
样顶头钢基体的塑性变形很不均匀，应力集中程度
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，但顶头
还要承受机械外力的作用，顶头对钢管坯料进行穿
孔，承受的机械外力为一种典型的接触应力，其表
层为压应力，略向内则为拉应力；另一方面，顶头穿
孔的工作温度很高，有可能超过其临界点，反复的
加热冷却很容易在基体中产生组织应力。热应力、
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。
３．５ ＨＤ钢是一种新型的热作模具钢，具有优良
的抗疲劳性能，用ＨＤ钢制作的铜管热穿孔针在实
际生产中获得了良好的应用效果 ］，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金
属陶瓷具有良好的高温强度、硬度和抗氧化性
能 ｌ３］，用这两种材料制成无缝钢管穿孔顶头，有可
能获得较好的应用效果
４结论
对无缝钢管穿孔顶头进行了生产调查和失效
分析，结果表明：穿孔顶头失效的主要原因是热疲
劳开裂，因此要求顶头的制作材料具有良好的抗热
疲劳性能，提高顶头的抗热疲劳性能是提高无缝钢
管穿孔顶头使用寿命的关键。
参考文献 １罗学心，何Ｉ钉山・机械工程材料，１９９０，（１） ４４
２ Ｈ．Ｍｇｔｓｕｈａｒａ．Ｈａｒｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．１９９２．（８）ｔ３～５ ３ Ｅ．Ｂ．Ｃｌａｒｋ时ａ１．，Ｉｉａｔｅｒｔｍｔｌｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｆｒｇｃｔｏｒｙ Ｍｅｔａｌｓ
ａｎｄ Ｈａｒｄ ＭａｔｒｉａＩｓ．１９９２．１１（Ｄ：２３～２５
＊通讯地址：武汉市７０２７７信箱，武汉４３００７０ ＊＊通讯地址：解放军３６０４工厂，武汉４３０Ｏ３３
收稿日期 １９９５－０４—２８
终稿日期：１９９５—０７—２０ 维普资讯 http://www.cqvip.com