无缝钢管广泛应用于石油化工、汽车、船舶、航空航天、武器装备等领域，对国民经济建设和国防事业发展具有重要意义。随着科技的高速发展，高端技术装备对无缝钢管生产质量提出了更高的要求，高尺寸精度、高表面质量、高强度无缝钢管成为钢铁企业发展的必然趋势^[1-4]。斜轧穿孔是热轧无缝钢管的第一道主变形工序，将实心管坯变成空心毛管^[5]，顶头是该工序的核心变形工具。在穿孔过程中，顶头要承受极大的轴向力、压应力、切应力以及与轧件间的摩擦力等，在激冷激热环境中服役，极易发生失效损坏^[6-9]。随着管坯合金含量和钢级的不断提升，变形抗力也大幅增大，对顶头性能的要求也更高，其质量、使用寿命，直接影响无缝钢管的质量、生产效率和效益。因此分析顶头性能、失效形式和机理，研制高质量、长寿命的穿孔顶头一直是无缝钢管生产中一个非常重要的研究方向^[10]。

本研究从顶头的显微组织、硬度、变形抗力和摩擦磨损性能等方面，分析高合金管穿孔顶头的典型失效形式及失效原因，希望为提高顶头质量提供设计依据。

1.   试验条件

本研究以宝山钢铁股份有限公司钢管条钢事业部140机组，轧制高合金无缝管的顶头为研究对象。图1为锥形辊穿孔机穿孔过程示意图。管坯在环形加热炉内加热到目标温度后由输送机构送入穿孔机，经两个同向旋转的穿孔辊带动前进。实心管坯在外变形工具(穿孔辊、导盘或导板)和内变形工具(顶头)的共同作用下，完成穿孔、均壁和归圆等过程，成为空心毛管^[11]。穿孔过程中顶头纵向位置固定，在约1200 ℃以上环境中工作，承受着轴向推力、径向压力、剪切摩擦力等力作用，以及高温热传导、热辐射、摩擦生热和塑性变形生热等高温作用，表面温度迅速升高，实际测量约950 ℃。顶头试样成分见表1。

图  1  锥形辊穿孔机穿孔过程示意图

Figure  1.  Schematic diagram of piercing process of cone-type piercer

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表  1  顶头试样的化学成分

Table  1.  Chemical compositions of plug sample %

元素	Fe	W	Mo	Ni	Co	Cr	Nb
质量分数	Bal.	3.5	1.6	1.3	1.7	1.3	0.8

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本试验采用型号为Olympus-BX 53的光学显微镜和场发射扫描电子显微镜（NOVA, Nano SEM 230, FEI）观察样品的显微组织。采用D-max 2550 V型号的X射线衍射仪进行物相分析，X射线源为Cu-Kα靶，管电压为30 kV，管电流为25 mA，扫描范围设置为5°~100°，扫描速度设置为5°/min。

采用HXD-1000 TMSC/LCD型HV、HK双压头带图像分析自动转塔显微硬度计测量试样的硬度，转动载荷转钮选择200 N的载荷，测试时间设置为15 s。在每个位置选择9个不同的点分别测试硬度值，取这9个点的平均值作为最终硬度值。

高温压缩试验在Gleeble-3500高温热模拟试验机上进行，试样尺寸为Φ6 mm × 8 mm的标准压缩试样，试验温度为900~1250 ℃，每50 ℃进行一次压缩试验，应变率为1 s^-1，变形量为60%，试验时真空度低于1 Pa，升温速度为10 ℃/s，保温1 min。在压缩试样两端涂抹高温润滑脂以减小压缩过程中试样断面与压头之间的摩擦力，使压缩试样变形更均匀。

采用HT-1000高温摩擦磨损试验机在室温下进行干摩擦磨损试验，试验环境温度为(20±5) ℃，摩擦副选用Φ6 mm 的GCr15球，设置载荷为3 N，摩擦半径2 mm，摩擦时间为1200 s，每组测试3次取其平均值。

2.   顶头的显微组织和性能

图2为高合金管穿孔顶头试样的显微组织。由图可见，在100倍和200倍显微镜下，顶头的显微组织为索氏体，在基体中散布着深色碳化物，夹杂区域则是连成片。大片夹杂区域的存在，大幅降低了顶头的塑性、韧性，增大了低温脆性以及热裂纹倾向。顶头显微组织的晶粒大小约17 μm。

图  2  顶头的显微组织

Figure  2.  Micro-structure of plug

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选择顶头表面不同位置测试硬度，如图3所示。对应位置的维氏硬度(HV)分别252、260、262、258、259、256。硬度数据平均值为258。图4为不同温度下顶头的变形抗力。在900~1250 ℃，温度升高变形抗力急剧下降，变形抗力约从290 MPa下降到77 MPa。

图  3  顶头表面不同位置的硬度

Figure  3.  Hardness of plug at different surface positions

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图  4  不同温度下顶头变形抗力

Figure  4.  Deformation resistance curve of plug under different temperatures

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图5为顶头的往复式摩擦因数与时间的变化曲线。可以看出，总的平均摩擦因数为0.42。在0~40 s时段，摩擦因数随着时间剧烈增大，这是由于铸钢试样表面经过抛光处理，表面粗糙度较低，刚开始试验时铸钢试样与摩擦副的接触面积相对较小，从非弹性变形变成弹性变形。随着试验的进行，摩擦面积不断变大，摩擦因数也在迅速变大。40~750 s为稳定摩擦阶段，摩擦因数相对较稳定，平均摩擦因数为0.42，在试验进行到一定程度后，摩擦副与铸钢接触面积相对来说变得稳定。750 s以后进入剧烈磨损阶段，这个阶段摩擦因数相对较大，平均摩擦因数为0.45。

图  5  顶头摩擦因数

Figure  5.  Friction factor of plug

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3.   顶头的失效形式及机理

顶头在高温、高应力、冲击、激冷激热工况下，主要失效形式有塌鼻、戴帽、掉肉、黏钢、纵裂等。

3.1   塌鼻

在穿孔过程中，顶头的尖锥形鼻部全部或局部塌陷造成鼻部整体或局部消失的现象，称为塌鼻^[12]。塌鼻会造成顶头鼻部失去流线形，严重时顶头变短、变粗，难以顺利穿孔^{[13 - 14]}。图6为原始顶头与顶头塌鼻缺陷照片。顶头鼻部右侧部分消失，出现局部塌鼻现象。顶头表面氧化膜已经损失殆尽，部分金属产生塑性变形凸出于正常位置，形成镦粗。图7为塌鼻金相图片。试样表面左侧为未产生塌鼻缺陷的位置，氧化膜保存良好，基体形状正常；右侧为塌鼻失效位置。图8为能谱仪测量得到的氧化膜外侧和内侧金属元素含量。Cr元素含量（质量分数，下同）为1.0%~1.2%，管坯Cr元素含量在5%以上，说明二者均为顶头基体金属。顶头局部表面失去氧化膜保护，基体金属产生了塑性变形，被管坯挤压、牵引，覆盖到临近区域氧化膜外侧，形成一条沿顶头纵向的片状金属带，与管坯行进方向一致。

图  6  顶头塌鼻缺陷图片

Figure  6.  Defect picture of collaped nose of plug

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图  7  塌鼻取样金相图片

Figure  7.  Metallographic photograph of collaped plug nose

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随着温度的升高，顶头变形抗力急剧下降。而在穿管过程中，顶头鼻部完全包裹在高温管坯金属内部，在轧制力、轴向力、切向力和旋转摩擦力的作用下，顶头表面温度迅速升高，同时顶头基体温度也逐渐升高。当顶头基体温度过高时，基体材料部分或全部奥氏体化，高温强度不足。在轴向力和剪切摩擦力作用下，顶头表面氧化膜失去基体均匀而坚实的支撑导致破裂、脱落。由于钢的导热系数为氧化膜（氧化铁）的十倍左右，失去氧化膜的保护，顶头基体升温更加迅速，顶头表层金属容易发生软化、塑性流变，综合性能大幅下降，部分基体金属产生塑性变形，从而形成塌鼻^[15]。

3.2   戴帽

顶头鼻部黏接一块圆盘状金属(宏观形貌类似戴了一顶帽子)，本研究中对这种失效形式称为戴帽。图9为戴帽顶头形貌。为分析黏接原因，将顶头沿纵向剖开，在位置1处取鼻部金属加工成金相试样，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后进行观察。可以看到，缝隙右侧金属被腐蚀后呈现暗灰黄色，经光谱枪测量成分与顶头基体相同；左侧金属呈现亮银色，在相同腐蚀条件下未被腐蚀，其成分与穿轧的管子材质相同，即管坯材质。通过光学显微镜和扫描电镜观察，两种金属间并无氧化膜等异物，交界面为冶金结合。说明在管坯做螺旋前进过程中，鼻部前端表面氧化膜在巨大的轴向力和旋转摩擦力作用下已脱落，暴露出洁净的基体金属，进而与管坯黏接焊合形成冶金结合。黏接在顶头鼻部形成戴帽会导致顶头外形与设计尺寸相差较大，若继续使用，鼻部将与管坯金属发生更严重的黏接，容易造成质量和生产事故，必须及时剔除。

图  8  氧化膜内外侧金属元素含量

Figure  8.  Metal element content on inner and outer sides of oxidation film

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图  9  戴帽顶头形貌

Figure  9.  Morphology of capped-plug

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3.3   掉肉

顶头外表面局部金属缺失称为“掉肉”。顶头发生掉肉后，就失去了正常的外形轮廓。在顶头穿孔锥处常形成局部掉肉，随着使用次数增多逐渐扩展为周向一圈掉肉，甚至形成枣核形状。顶头穿孔锥掉肉易造成毛管外径偏小，连轧机轧制后在荒管管体形成拉凹和孔洞缺陷，枣核状顶头还容易引发成品管内折缺陷。图10为掉肉失效顶头表面状态。可以看出，顶头掉肉失效凹槽位置处氧化膜已经完全脱落，而未失效位置氧化膜保存完好，顶头基体金属保持完整，对比发现顶头氧化膜和基体金属相继脱落造成掉肉失效。图11为刚完成穿孔的顶头表面状态。鼻部和穿孔锥后半部分温度较高，当穿孔时间长、管坯材质变形抗力大时，顶头基体因温度升高而软化，管坯带来的巨大剪切摩擦力促使氧化膜脱落，导致基体金属被剪切脱落，形成掉肉缺陷。

图  10  掉肉失效顶头表面状态

Figure  10.  Surface state of plug with loss of flesh

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图  11  完成穿孔的顶头表面状态

Figure  11.  Surface state of plug after piercing

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3.4   黏钢

黏钢金属形态有片状、环形或半螺旋状等，常发生于顶头表面穿孔锥位置。在穿孔过程中，顶头鼻部塌陷或黏钢后会划伤毛管的内表面，严重时会造成毛管内折^[15]。图12为顶头黏钢失效图。一条金属呈螺旋状黏接在顶头穿孔锥位置，黏钢缺陷边缘不规则，并突出于顶头外表，继续穿管会形成严重的內折迭缺陷，甚至造成卡钢。图13为黏钢位置切割的金相试样。经体积分数4%硝酸酒精腐蚀后呈现出明显的交界面，内侧灰黄色部分为顶头基体金属，外侧亮银色部分经光谱仪测量为管坯金属材质成分，二者交界面为冶金结合状态。图14为黏钢金相试样左下侧位置的形貌。可以看出，黏钢金属表面不规则形貌与磨抛面存在明显的分界线，黏钢金属与顶头基体交界面存在明显的分界线。图15为黏钢位置的放大图。顶头基体部分位置存在着一定厚度的氧化膜，氧化膜位置没有出现黏钢迹象，说明氧化膜对减少顶头表面黏钢缺陷方有积极作用。通过提高氧化膜的致密性及与基体结合的牢固性，有利于减少黏钢失效的发生。

图  12  顶头黏钢失效

Figure  12.  Plug with steel adhering

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图  13  黏钢位置腐蚀形貌

Figure  13.  Corrosion morphology of steel adhering

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图  14  黏钢位置局部形貌

Figure  14.  Local morphology of steel adhering

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图  15  黏钢位置附近的氧化膜

Figure  15.  Oxidation film near steel adhering

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穿孔过程中，在力和高温的共同作用下顶头表面金属逐渐软化，失去坚实的基体支撑的氧化膜逐渐脱落暴露出洁净的基体金属。当管坯洁净的金属与顶头洁净的基体金属在高温高压下相互接触，顶头材料与穿孔材料的晶格类型与晶格间距相近，而使顶头表面原子与穿孔材料内表面原子在界面处发生作用，形成所谓的界面键。界面键的增多与加强会产生黏着点，随着黏着点的逐渐长大，顶头表面与管坯金属间产生热焊合，从而导致顶头表面黏钢^[16]。

3.5   纵裂

纵裂常发生在顶头穿孔锥或碾轧锥位置，也有贯通穿孔锥和碾轧锥的纵向裂纹。顶头存在裂纹不仅会划伤毛管内壁造成內折迭缺陷，还会碎裂成两块或多块，造成严重的穿孔轧卡事故^[17]。图16为顶头纵裂失效图。从图16(a)可以看到裂纹沿纵向贯穿顶头穿孔锥和碾轧锥。从图16(b)可以看到裂纹沿横向贯穿了顶头碾轧锥壁厚，顶头内孔过渡比较尖锐，基本为直角过渡。沿直角位置将顶头横向切开，纵向裂纹和横向裂纹呈十字交叉形貌，说明过渡处为裂纹萌生位置，在轧制压力和剪切力作用下逐渐扩展为纵向和横向贯穿的裂纹，如图17所示。

图  16  顶头纵裂失效

Figure  16.  Longitudinal crack of plug

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图18为产生裂纹和未产生裂纹的顶头的对比切片。左侧过渡位置尖锐，存在明显裂纹，从过渡处到内部，开裂裂纹逐渐变窄，直至裂纹尾端呈闭合状，说明裂纹的开裂过程是从过渡处内部进行扩展的。右侧过渡位置设计成圆角，未产生裂纹缺陷。对比可以看出，过渡位置过于尖锐造成应力集中导致裂纹，通过圆角过渡可以大幅缓解应力集中情况，避免裂纹产生。

图  17  顶头内孔过渡处横向切开照片

Figure  17.  Transverse photo at transition point of inner hole

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图  18  过渡尖锐位置产生裂纹

Figure  18.  Cracks generated at sharp transition position

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4.   控制措施探讨

针对高合金管穿孔顶头的塌鼻、戴帽、掉肉、黏钢、纵裂缺陷，可以采用以下改进措施提高无缝管质量，提高工作效率和效益。

1）优化顶头表面氧化处理工艺，在顶头表面生成耐磨性和润滑性兼顾的氧化膜。提高顶头基体Ni元素含量，利用Ni充当黏结剂，提高氧化膜致密性和抗剥落性，从而提高顶头保护效果。

2）通过顶头表面刻槽的方法大幅增加顶头外表面氧化膜厚度，利用齿内未被氧化的金属基体作骨架支撑，保证氧化层不剥落，进而保护顶头外部形状，提高顶头使用寿命^[18]。

3）优化顶头材质中W、Mo和Co等合金元素含量，提高顶头基体的红硬性。添加稀土和铝以净化和细化钢的组织，形成高熔点、稳定的稀土氧化物，提高顶头的高温强度^[19]。

4）通过激光熔覆、等离子熔覆等方法在顶头表面熔覆耐高温合金、陶瓷−金属复合材料以及WC颗粒涂层，减缓顶头表面塑性变形，提高使用寿命，进而提高顶头表面金属的致密性、韧性、强度和耐热性。

5）顶头表面温升与轧制参数、轧制时间有较强关系，通过减小管坯长度、提高轧制速度，减少顶头与管坯接触时间来减小顶头表面温升。优化环形炉加热制度保证加热均匀，优化穿孔轧制工艺和顶头形状避免顶头局部温升过大以减轻顶头轧制负荷和热负荷，提高使用寿命。

6）采用螺纹顶头，利用氧化过程中体积膨胀使槽内充满金属氧化物，在螺纹基体的支撑作用下确保氧化层不脱落。与普通顶头相比，覆盖在螺纹顶头表面起保护作用的氧化层厚度的增加，能够更好地起到隔热和润滑的效果，使用过程中冷却水可正常开启，顶头使用寿命是普通顶头的10倍左右。

5.   结　语

穿孔机组在轧制高合金钢管时，穿孔顶头在极大的轴向力、压应力、切应力以及激冷激热作用下极易发生黏钢、戴帽、纵裂、掉肉、塌鼻等失效。无缝钢管穿孔过程中，恶劣的服役环境要求穿孔顶头材料在高温下必须具有高强度、高耐磨性、高韧性、润滑性以及耐激冷激热能力。

优化合金元素含量和热处理工艺可以提高顶头基体红硬性和氧化膜的致密性与抗剥落性；通过表面开槽、熔覆耐高温合金等途径可以提高顶头红硬性；通过结构优化可以避免应力集中开裂；通过排产、加热以及轧制工艺优化可减轻顶头的轧制负荷和热负荷，进而提高顶头使用寿命。