CN104245170A - 穿孔轧制用顶头的制造设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种穿孔轧制用顶头的制造设备。在用于制造无缝钢管的穿孔轧制机中所使用的顶头的制造设备包括：喷丸装置，其用于对顶头的外表面实施喷丸处理；以及电弧喷镀装置，其对实施喷丸处理后的顶头的母材外表面电弧喷镀铁线材，从而形成由氧化物和Fe构成的覆膜，电弧喷镀装置具有多个喷镀室，该多个喷镀室分别对将顶头的母材外表面沿着顶头的轴向划分的多个区域中的每个区域形成覆膜。由此，能够较高地保持顶头的制造效率，并能够制造在穿孔轧制时可以稳定地提高顶头寿命的顶头。
Description
技术领域
本发明涉及一种在用于制造无缝钢管的穿孔轧制机(以下，也简称为“穿孔机(穿轧机)”)中使用的穿孔轧制用顶头(以下，也简称为“顶头”)的制造设备，尤其是涉及一种通过对顶头的母材外表面电弧喷镀铁线材而形成覆膜的穿孔轧制用顶头的制造设备。
背景技术
无缝钢管可以采用曼内斯曼制管法制造。该制管法由如下步骤构成：
(1)利用穿孔机将加热至预定温度的原材料(圆钢坯)进行穿孔轧制，从而成型为空心管坯(空心毛坯管)；
(2)利用延伸轧制机(例如：芯棒式无缝管轧机)延伸轧制空心管坯；
(3)利用定径轧制机(例：拉力减径机)将延伸轧制后的空心管坯定径轧制成预定的外径和壁厚。
在利用穿孔机进行的穿孔轧制中，使用作为穿孔用工具的顶头。该顶头安装于芯棒的顶端，该顶头由于要对加热至1200℃左右的高温的钢坯进行穿孔，而要暴露于高温且承受高表面压力的严酷状况下。通常，顶头以热作工具钢作为母材，为了保护该母材，而通过预先进行热处理在母材外表面形成氧化皮的覆膜，之后用于穿孔轧制。穿孔轧制时，顶头表面的氧化皮覆膜起到阻止从钢坯向顶头母材导热，并且防止钢坯和顶头之间的烧粘的作用。
这种带有氧化皮覆膜的顶头随着反复进行穿孔轧制，氧化皮覆膜逐渐产生磨损。氧化皮覆膜产生磨损后，由于覆膜产生的隔热效果降低，因此穿孔过程中顶头的温度上升，顶头母材易于产生熔损或热变形。而且，氧化皮覆膜消失且顶头母材直接接触于钢坯时，钢坯和顶头之间将产生烧粘而在钢管的内表面产生缺陷。因此，顶头在覆膜消失的时候就无法使用，达到了使用寿命。
尤其是在制造由含有9％以上Cr的高Cr钢、Ni基合金或者不锈钢这样的高合金钢构成的无缝钢管时，穿孔轧制时顶头表面的氧化皮覆膜显著发生磨损，顶头寿命的降低变得明显。例如，在不锈钢的穿孔过程中，顶头表面的氧化皮覆膜经过2、3道次(连续穿孔次数)产生磨损，该顶头就达到了使用寿命。因此，产生频繁更换顶头的情况，钢管的制造效率较低。所以，在制造高合金钢的无缝钢管时尤其要求在穿孔轧制时提高顶头寿命，并由此提高钢管的制造效率。
对于这样的要求，例如，专利文献1中公开了如下的顶头：作为形成于顶头母材外表面的覆膜，代替通过热处理而得到的氧化皮覆膜，而是将铁线材电弧喷镀于顶头母材的外表面而形成由氧化物和Fe构成的覆膜。该带有电弧喷镀覆膜的顶头由于顶头表面的覆膜是由氧化物和Fe构成的，因此隔热性和防烧粘性优异，可以期望提高顶头寿命。
而且，同文献中公开了如下的制造设备：制造(翻新)带有电弧喷镀覆膜的顶头时，对顶头的外表面实施喷丸处理后，通过一边使载置该顶头的旋转台旋转，一边从电弧喷镀机将熔融材料喷出到顶头的母材外表面，从而在顶头的母材外表面形成由氧化物和Fe构成的覆膜。该制造设备中，如果分别朝着顶头母材外表面的顶端部、主体部的前半部、以及主体部的后半部地设置喷镀机，并使全部喷镀机同时运转来形成电弧喷镀覆膜的话，则与用一台喷镀机跨越顶头母材外表面的整个区域地形成电弧喷镀覆膜相比，能够缩短形成覆膜所需要的时间，从而谋求提高顶头的制造效率。
然而，即使是用在同文献中所公开的现有的制造设备所制造的带有电弧喷镀覆膜的顶头，在钢坯的穿孔长度较长时或者钢坯的高温强度较高时，也有时发生覆膜剥离。因此，在能够稳定地提高顶头寿命的方面存在改善的余地，并且强烈地希望制造能够对这一方面进行改善的穿孔轧制用顶头。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4279350号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明是鉴于上述问题而做出的，本发明以将铁线材电弧喷镀于顶头的母材外表面从而形成由氧化物和Fe构成的覆膜为前提，其目的在于提供一种具有如下特性的穿孔轧制用顶头的制造设备：
(1)能够较高地保持顶头的制造效率；
(2)即使在钢坯的穿孔长度较长时或者钢坯的高温强度较高时，也能够稳定地提高顶头寿命。
用于解决问题的方案
本发明的主旨如下所述。
一种穿孔轧制用顶头的制造设备，是在用于制造无缝钢管的穿孔轧制机中所使用的顶头的制造设备，其特征在于，
该穿孔轧制用顶头的制造设备包括：
喷丸装置，其用于对顶头的外表面实施喷丸处理；以及
电弧喷镀装置，其对实施喷丸处理后的顶头的母材外表面电弧喷镀铁线材，从而形成由氧化物和Fe构成的覆膜，
电弧喷镀装置具有多个喷镀室，该多个喷镀室分别对将顶头的母材外表面沿着顶头的轴向划分的多个区域中的每个区域形成覆膜。
对于该制造设备，优选是在所述各喷镀室内配置有利用电弧将所述铁线材熔融并将该熔融材料向顶头的母材外表面喷出的电弧喷镀机，在将电弧喷镀机的喷出中心线和顶头的母材外表面之间的交叉角度保持在35°～90°的范围内的状态下进行电弧喷镀。
而且，在上述制造设备中，所述顶头为炮弹形状，并由主体部和顶端部构成，所述电弧喷镀装置优选具有第1喷镀室以及第2喷镀室作为所述喷镀室，该第1喷镀室用于在顶头母材外表面的主体部的区域形成覆膜，该第2喷镀室用于在顶头母材外表面的顶端部的区域形成覆膜。
而且，上述制造设备优选在所述喷镀室彼此之间设有用于传送顶头的输送线。
发明的效果
本发明的穿孔轧制用顶头的制造设备具有下述的显著效果：
(1)能够较高地保持顶头的制造效率；
(2)即使在钢坯的穿孔长度较长时或者钢坯的高温强度较高时，也能够稳定地提高顶头寿命。
附图说明
图1是表示现有的带有电弧喷镀覆膜的顶头的制造设备的一例的示意图。
图2是表示现有的带有电弧喷镀覆膜的顶头的制造设备的另一例的示意图。
图3是表示在用于检查电弧喷镀覆膜密合性的基础试验中实施的电弧喷镀的状况的示意图。
图4是作为电弧喷镀覆膜的密合性检查的基础试验结果，表示电弧喷镀机的喷出中心线和顶头的母材外表面之间的交叉角度的依赖性的图。
图5是作为电弧喷镀覆膜的密合性检查的基础试验结果，根据电弧喷镀机的喷出中心线和顶头的母材外表面之间的交叉角度不同，表示不同的覆膜的截面微观照片的图。
图6是用于说明在使用图1所示的现有例1的制造设备形成电弧喷镀覆膜时无法谋求提高顶头寿命的理由的示意图。
图7是表示作为本发明的第1实施方式的带有电弧喷镀覆膜的顶头的制造设备的示意图。
图8是表示作为本发明的第2实施方式的带有电弧喷镀覆膜的顶头的制造设备的示意图。
具体实施方式
本发明人为了达到上述目的，以对顶头母材的外表面电弧喷镀铁线材从而形成由Fe氧化物和Fe构成的覆膜为前提，关于形成该覆膜的方法开展了各种试验，并反复进行了专心的研究。其结果是得到了以下见解。
图1是表示现有的带有电弧喷镀覆膜的顶头的制造设备的一例的示意图，图2是表示其另一例的示意图。图1、图2所示的现有的制造设备包括电弧喷镀装置10和配置于该电弧喷镀装置10的前级的未图示的喷丸装置。
喷丸装置在利用电弧喷镀装置10进行电弧喷镀的施工之前，对顶头的外表面实施喷丸处理。由此，在将反复在穿孔轧制中使用并到达使用寿命后翻新的顶头作为对象时，残留于顶头表面的保持穿孔轧制过后的状态的覆膜被除去从而顶头的母材外表面露出，并且顶头母材外表面形成适度的凹凸。而且，即使在将新制作的顶头作为对象的情况下，顶头母材外表面也形成适度的凹凸。这样实施喷丸处理的理由是，如果在没有残留覆膜、具有适度的凹凸的顶头母材外表面上实施电弧喷镀的话，电弧喷镀覆膜和顶头母材之间的密合性将变高。
电弧喷镀装置10对进行喷丸处理后的顶头1的母材外表面电弧喷镀铁线材，形成由Fe氧化物和Fe构成的覆膜3。作为具体的装置结构，图1、图2所示的现有的制造设备中的电弧喷镀装置10为了形成覆膜3，具有一个喷镀室11。喷镀室11内配置有以铅垂轴线为中心旋转的旋转台12，该旋转台12的中心纵向载置有喷丸处理后的顶头1。此处的顶头1为炮弹形状，并由顶端部1a和主体部1b构成。该主体部1b为从顶头1的后端(图中的下端)直到沿着轴向(图中的上下方向)的全长的80～98％为止的部分。而且，主体部1b划分成顶头1的顶端侧的前半部1ba以及后端侧的后半部(均整部)1bb。
在此，图1所示的现有的制造设备中，在唯一的喷镀室11内配置有一个电弧喷镀机13。电弧喷镀机13利用电弧使铁线材熔融并喷出该熔融材料。以下，为了便于说明，将图1所示的现有的制造设备称为“现有例1的制造设备”。该喷镀机13是安装于利用程序进行操作的多关节臂，并沿着顶头1的母材外表面从后端直到顶端的方式往复运动的结构。
现有例1的制造设备中，利用电弧喷镀在顶头1的母材外表面形成覆膜3时，一边在唯一的喷镀室11内随着旋转台12被驱动旋转而使顶头1绕中心轴线旋转，一边使唯一的喷镀机13运转。由此，在顶头1的外表面跨越顶端部1a和主体部1b的整个区域地形成覆膜3。
另一方面，图2所示的现有的制造设备中，在唯一的喷镀室11内配置有三个利用电弧使铁线材熔融并喷出该熔融材料的喷镀机13A、13B、13C。以下，为了便于说明，将图2所示的现有的制造设备称为“现有例2的制造设备”。这三个喷镀机13A、13B、13C分别安装于利用各自的程序进行操作的多关节臂。其中的第一个喷镀机13A是沿着在顶头1的母材外表面中的顶头主体部1b的后半部1bb的区域往复运动的结构。第二个喷镀机13B是沿着在顶头1的母材外表面中的顶头主体部1b的前半部1ba的区域往复运动的结构。第三个喷镀机13C是沿着在顶头1的母材外表面中的顶头顶端部1a的区域往复运动的结构。
现有例2的制造设备中，利用电弧喷镀在顶头1的母材外表面形成覆膜3时，一边在唯一的喷镀室11内随着旋转台12被驱动旋转而使顶头1绕中心轴旋转，一边使三个喷镀机13A、13B、13C同时运转。由此，在顶头1的外表面跨越顶端部1a以及主体部1b的整个区域地形成覆膜3。
这样，现有例1、例2的制造设备，无论哪个都能对顶头1的母材外表面电弧喷镀铁线材，从而能够制造出跨越顶头1的母材外表面的整个区域地形成有由氧化物和Fe构成的覆膜3的带有电弧喷镀覆膜的顶头。
此处，着眼于带有电弧喷镀覆膜的顶头的覆膜的密合性，开展了基础试验。
图3是表示在用于检查电弧喷镀覆膜的密合性的基础试验中实施的电弧喷镀的状况的示意图。如同图所示，在用于检查覆膜的密合性的基础试验中，一边使顶头1绕顶头1的中心轴线PC旋转，一边从电弧喷镀机13喷出将铁线材作为来源的熔融材料，在顶头1的外表面形成覆膜。此时，将电弧喷镀机13的喷出中心线AC和顶头1的母材外表面之间的交叉角度θ进行各种变更地形成覆膜。而且，对每个交叉角度θ不同的顶头1，测定在覆膜的剪切方向上的剥离应力(以下，称为“密合力”)作为覆膜的密合性的评价指标。覆膜的密合性通过将交叉角度θ设为90°的情况下的密合力作为基准“1”，以各交叉角度θ的情况下的密合力相对于交叉角度θ设为90°的情况下的密合力的比率(以下，称为“密合力比”)进行评价。而且，也对覆膜的截面进行显微观察。
图4是作为电弧喷镀覆膜的密合性检查的基础试验结果，表示电弧喷镀机的喷出中心线和顶头的母材外表面之间的交叉角度的依赖性的图。图5是作为该基础试验结果，根据电弧喷镀机的喷出中心线和顶头的母材外表面之间的交叉角度不同而表示不同的覆膜的截面微观照片的图。
如图4所示，得知，覆膜的密合力比依赖于电弧喷镀机的喷出中心线和顶头的母材外表面之间的交叉角度θ。具体的说，交叉角度θ为小于35°的小角度时，认为具有密合力比显著降低的趋势。另一方面，如果交叉角度θ为60°以上的大角度，则不认为具有密合力比降低的趋势。
认为：交叉角度θ为小角度时密合力降低的理由是，如图5所示，交叉角度θ为小角度时，覆膜向顶头母材外表面的附着变得松散，覆膜中的孔隙率增大而引起密合力降低。
通常，电弧喷镀用于修补由耐火材料构成的金属精炼容器的出铁孔或者涂敷发动机的缸孔内周面。此时，实施电弧喷镀的对象是圆筒状构件的内表面，为了将喷镀机插入固定了的圆筒状构件的内部并进行电弧喷镀，从喷镀机到覆膜对象面的距离即喷镀距离较小，为50mm左右，最大也就150mm左右。在这样通常所施工的电弧喷镀中，并不希望使喷镀机的喷出中心线和覆膜对象面之间的交叉角度形成大角度。交叉角度为大角度时，有时从喷镀机喷出的熔融材料在覆膜对象面处反射并返回喷镀机，由此有时使喷镀机损伤，有时在覆膜对象面处反射的熔融材料再次被喷出而意外地附着于覆膜对象面造成覆膜的密合性降低，因此要防止上述情况产生。
根据该理论，即使是以顶头作为对象进行电弧喷镀，喷镀机的喷出中心线与顶头的母材外表面之间的交叉角度形成大角度时，覆膜的密合性也可能降低。然而，如上所述，以顶头为对象的电弧喷镀中，反而是使交叉角度θ形成大角度时能确保覆膜的密合力。这是基于以下的理由。
用铁线材进行电弧喷镀，在顶头的母材外表面形成由氧化物和Fe构成的覆膜时，由于需要充分确保从喷镀机喷出的熔融材料(熔融铁)在飞行中氧化的时间，因此从喷镀机到顶头母材外表面的喷镀距离相当大，为200～1000mm左右。因此，即使使交叉角度形成大角度，熔融材料也几乎不会在顶头母材外表面反射。
而且，在顶头的母材外表面形成电弧喷镀覆膜时，由于一边使顶头旋转一边进行电弧喷镀，因此即使熔融材料在顶头母材外表面发生反射，也会由于顶头的旋转而被较大地弹开而飞散，该熔融材料也不会意外地附着于顶头母材外表面。
因此，根据上述基础试验结果，可以说是为了确保形成于顶头表面的覆膜的密合力，并为了形成牢固的密合性，在顶头的母材外表面形成电弧喷镀覆膜时，在将电弧喷镀机的喷出中心线和顶头的母材外表面之间的交叉角度θ保持在35°～90°的范围内的状态下进行电弧喷镀较为合适。更优选的是60°～90°的范围。
不过，作为使交叉角度θ处于上述的适当范围而进行电弧喷镀的设备，存在上述的现有例1、例2的制造设备。
然而，如在后述的实施例中所证实的，用现有例1的制造设备制造的带有电弧喷镀覆膜的顶头，虽说是相对于以往惯用的带有氧化皮覆膜的顶头的寿命有所提高，但其提高程度有时也不是非常大。这是基于以下的理由。
图6是用于说明在使用图1所示的现有例1的制造设备形成电弧喷镀覆膜时无法谋求提高顶头寿命的理由的示意图。所述图1所示的现有例1的制造设备中，由于使喷镀机13跨越从顶头1的母材外表面的后端一直到顶端的大范围地进行移动，因此喷镀机13的移动和姿势的控制变得极其复杂。因此，如图6所示，相对于顶头母材2喷镀机13的位置调整和姿势调整稍微产生偏移时，喷镀机13的喷出中心线AC和顶头母材2的外表面之间的交叉角度θ有时从上述的适当范围脱离(图6中的被圆包围的部分)。由此引起覆膜的一部分的密合性变低。
并且，现有例1的制造设备中，由于在喷镀室内设置在大范围内运转的喷镀机，因此需要巨大的喷镀室。尤其是在现有例1的制造设备中，为了使一台喷镀机大范围地运转从而形成覆膜，因此对该运转进行控制的程序变得复杂，而且，形成覆膜需要较长时间，顶头的制造效率变低。
而且，虽然原因无法确定，但是如后述的实施例所证实的那样，用现有例2的制造设备所制造的带有电弧喷镀覆膜的顶头也与上述的现有例1的制造设备所制造的顶头同样地，无法谋求期望提高顶头寿命。并且，现有例2的制造设备中，由于将三台喷镀机都设置在喷镀室内，因此需要巨大的喷镀室。而且，现有例2的制造设备中，由于使三台喷镀机互不干涉地同时运转从而形成覆膜，因此控制各喷镀机运转的程序变得复杂。
另一方面，相对于如这些现有例1、例2的制造设备那样，使用只有一个喷镀室的电弧喷镀装置并仅在该一个喷镀室进行覆膜的形成的制造设备，如后述的实施例所证实的，通过采用如下的制造设备，能够制造寿命显著提高的顶头：该制造设备将顶头的母材外表面沿着顶头的轴向划分成多个区域，使用具有与划分成的区域个数相同个数的多个喷镀室的电弧喷镀装置，在各喷镀室分担地在每个划分后的区域中分别进行覆膜的形成。
而且，这样在多个喷镀室分担地形成覆膜的制造设备中，由于在各喷镀室内各设置一个能在小范围内运转的喷镀机足矣，因此即使喷镀室较小也没有问题。并且，由于各喷镀机在较小的范围内运转也不会相互干涉，因此能够简化控制各喷镀机运转的程序。而且，由于在多个喷镀室分担形成覆膜的工作并依次形成覆膜，因此能够缩短形成各区域的覆膜所需要的时间，并能够整体较高地保持顶头的制造效率。
本发明是基于上述见解而完成的。以下，对本发明的顶头的制造设备的优选技术方案进行说明。
＜第1实施方式＞
图7是表示作为本发明的第1实施方式的带有电弧喷镀覆膜的顶头的制造设备的示意图。同图所示的第1实施方式的制造设备以所述图1、图2所示的现有例1、例2的制造设备的结构为基础，适当省略了重复的说明。
如图7所示，本实施方式的制造设备包括电弧喷镀装置10和配置于该电弧喷镀装置10的前级的未图示的喷丸装置。喷丸装置与所述现有例1、例2的制造设备的喷丸装置相同。
本实施方式中，将顶头1的母材外表面沿着顶头1的轴向划分成两个区域。图7中示出了划分成顶端部1a和主体部1b的例子。
本实施方式中的电弧喷镀装置10为了形成覆膜3，具有与划分顶头1的母材外表面而成的区域的个数相同个数的两个喷镀室11A、11B。这两个喷镀室11A、11B串联配置，顶头1被依次送到喷镀室11A、11B。以下，在本实施方式的制造设备中，从利用喷丸装置实施喷丸处理后的顶头1被送入的一侧，依次称为第1喷镀室11A、第2喷镀室11B。
第1喷镀室11A、第2喷镀室11B内分别配置有以铅直轴线为中心旋转的旋转台12A、12B，该旋转台12A、12B的中心纵向载置有顶头1。
并且，第1喷镀室11A、第2喷镀室11B内分别配置有一个利用电弧使铁线材熔融并喷出该熔融材料的喷镀机13A、13B。第1喷镀室11A内的喷镀机13A(以下，在第1实施方式中称为“第1喷镀机”)为与在顶头1的母材外表面中的顶头主体部1b的区域相对且仅沿着该区域往复运动的结构。第2喷镀室11B内的喷镀机13B(以下，在第1实施方式中称为“第2喷镀机”)为与在顶头1的母材外表面中的顶头顶端部1a的区域相对且仅沿着该区域往复运动的结构。这两个喷镀机13A、13B分别安装于利用各自的程序进行操作的多关节臂。
本实施方式的制造设备中，利用电弧喷镀装置10在顶头1的母材外表面形成覆膜3时，首先，在第1喷镀室11A中，一边随着旋转台12A被驱动旋转而使顶头1绕中心轴线旋转，一边使第1喷镀机13A运转，从而实施电弧喷镀。由此，在顶头1的外表面，除了顶端部1a之外的部分在主体部1b形成有覆膜3。
接着，将在第1喷镀室11A中形成了覆膜3的顶头1送到第2喷镀室11B，在第2喷镀室11B中，一边随着旋转台12B被驱动旋转而使顶头1绕中心轴线旋转，一边使第2喷镀机13B运转，从而实施电弧喷镀。由此，在顶头1的外表面上的顶端部1a形成有覆膜3。这样，跨越顶头1的外表面的全部区域形成有覆膜3。
此时，无论是第1喷镀室还是第2喷镀室，都以喷镀机的喷出中心线和顶头母材的外表面之间的交叉角度处于从上述基础试验结果推导出的适当范围即35°～90°的范围、更适宜的是60°～90°的范围内的方式，控制各喷镀机的移动和姿势从而进行电弧喷镀。
这样，本实施方式的制造设备通过对划分成两个区域的顶头的母材外表面依次分别电弧喷镀铁线材，能够制造出跨越顶头的母材外表面的整个区域地形成有由氧化物和Fe构成的覆膜的带有电弧喷镀覆膜的顶头。而且，在划分而成的各区域进行电弧喷镀时，由于即使各喷镀机的运转范围较小也没有问题，因此即使不对各喷镀机的移动和姿势进行复杂的控制也能够将上述的交叉角度可靠地保持在适当范围内，其结果是，顶头母材和覆膜之间的密合性在顶头表面的整个区域内都变得稳定，顶头寿命也变得稳定。
而且，如图7所示，本实施方式的制造设备设置为第1喷镀室11A和第2喷镀室11B相邻接，该喷镀室11A、11B相互之间设有输送线14A。该输送线14A起到了将在第1喷镀室11A形成覆膜3后的顶头1传送到第2喷镀室11B的作用(参照图中的空心箭头)。并且，本实施方式的制造设备包括：输送线15，其用于将喷丸处理后的顶头投入到电弧喷镀装置10(第1喷镀室11A)；以及输送线16，其用于将在第2喷镀室11B形成覆膜3的顶头1从电弧喷镀装置10排出。
通过设置这样的输送线14A、15、16，由于能够将顶头1连续投入电弧喷镀装置10，并在喷镀室11A、11B之间没有停滞地在顶头1上形成覆膜3并排出顶头1，因此进一步提高了整体的顶头的制造效率。
另外，能够以将在该喷镀室形成覆膜的对象的区域以外的区域进行覆盖的方式，在各喷镀室配置遮蔽板。具体的说，以覆盖顶端部1a的方式在第1喷镀室11A中配置遮蔽板。而且，以覆盖主体部1b的方式在第2喷镀室11B中配置遮蔽板。这是为了防止从喷镀机喷出的熔融材料以不合适的交叉角度意外地地附着于不打算喷射的区域，从而使顶头母材和覆膜之间的密合力变低。因此，遮蔽板至少在第1喷镀室11A内配置即可，在第2喷镀室11B也可以不配置。
而且，图7中，形成于顶头1的母材外表面的覆膜3的厚度中，顶端部1a的厚度厚于主体部1b的厚度。不过，也能够使形成于顶头1的母材外表面的覆膜3的厚度跨越整个区域均等地形成。在顶头顶端部处形成较厚的覆膜时，在以下方面较为有用：在穿孔轧制时表面压力较大且温度上升的顶头顶端部处进一步确保覆膜产生的隔热性和耐磨损性，从而可以期望进一步提高顶头寿命。
而且，本实施方式的制造设备中，设置于各喷镀室的喷镀机能够形成为这样的结构：不但沿着顶头的母材外表面做往复运动，而且以逐渐远离顶头的母材外表面的方式移动。利用该复合移动，在顶头母材上形成有氧化物所占区域的比率(以下，称为“氧化物比率”)随着靠近表面层侧而逐渐增加的覆膜。这样在以下方面较为有用：在形成覆膜与顶头母材之间的邻接部处氧化物比率较低，表面层部处氧化物比率较高的覆膜的情况下，能够在覆膜的表面层部处确保隔热性和防烧粘性，并且能够在覆膜与顶头母材之间的邻接部处确保密合性。
＜第2实施方式＞
图8是表示作为本发明的第2实施方式的带有电弧喷镀覆膜的顶头的制造设备的示意图。同图所示的第2实施方式的制造设备与所述图7所示的第1实施方式的制造设备相比较，其结构在以下方面不同。
本实施方式的制造设备增加了划分顶头1的母材外表面所得到的区域的个数。即，本实施方式中，将顶头1的母材外表面沿着顶头1的轴向划分成三个区域。图8中示出了划分成顶端部1a、主体部前半部1ba和主体部后半部1bb的例子。
本实施方式中的电弧喷镀装置10为了形成覆膜3，具有三个喷镀室11A、11B、11C，该个数与划分顶头1的母材外表面所得到的区域个数相同。这三个喷镀室11A、11B、11C串联配置，顶头1被依次送到喷镀室11A、11B、11C。以下，在本实施方式的制造设备中，从利用喷丸装置实施喷丸处理后的顶头1被送入的一侧开始，依次称作第1喷镀室11A、第2喷镀室11B、第3喷镀室11C。本实施方式中的第3喷镀室11C相当于上述第1实施方式中的第2喷镀室11B。
第1喷镀室11A、第2喷镀室11B、第3喷镀室11C内分别配置有以铅直轴线为中心旋转的旋转台12A、12B、12C，顶头1纵向载置于该旋转台12A、12B、12C的中心。
另外，第1喷镀室11A、第2喷镀室11B、第3喷镀室11C内分别各配置有一个利用电弧使铁线材熔融并喷出该熔融材料的喷镀机13A、13B、13C。第1喷镀室11A内的喷镀机13A(以下，在第2实施方式中称为“第1喷镀机”)为与在顶头1的母材外表面中的顶头主体部1b的后半部1bb的区域相对，并仅沿着该区域往复运动的结构。第2喷镀室11B内的喷镀机13B(以下，在第2实施方式中称为“第2喷镀机”)为与在顶头1的母材外表面中的顶头主体部1b的前半部1ba的区域相对，并仅沿着该区域往复运动的结构。第3喷镀室11C内的喷镀机13C(以下，在第2实施方式中称为“第3喷镀机”)为与在顶头1的母材外表面中的顶头顶端部1a的区域相对，并仅沿着该区域往复运动的结构。这三个喷镀机13A、13B、13C分别安装于利用各自的程序进行操作的多关节臂。
本实施方式的制造设备中，在利用电弧喷镀装置10在顶头1的母材外表面上形成覆膜3时，首先，在第1喷镀室11A中，一边随着旋转台12A被驱动旋转而使顶头1绕中心轴线旋转，一边使第1喷镀机13A运转，从而实施电弧喷镀。由此，顶头1的外表面上，除顶端部1a和主体部前半部1ba之外的部分在主体部后半部1bb形成有覆膜3。
接着，将在第1喷镀室11A中形成了覆膜3的顶头1送到第2喷镀室11B，在第2喷镀室11B中，一边随着旋转台12B被驱动旋转而使顶头1绕中心轴线旋转，一边使第2喷镀机13B运转，从而实施电弧喷镀。由此，在顶头1的外表面上的主体部前半部1ba上形成覆膜3。
接着，将在第2喷镀室11B中形成了覆膜3的顶头1送到第3喷镀室11C，在第3喷镀室11C中，一边随着旋转台12C被驱动旋转而使顶头1绕中心轴线旋转，一边使第3喷镀机13C运转，从而实施电弧喷镀。由此，在顶头1的外表面中的顶端部1a形成覆膜3。这样，跨越顶头1的外表面的整个区域地形成有覆膜3。
此时，对于第1～第3喷镀室中的任意一个喷镀室，都以喷镀机的喷出中心线和顶头母材的外表面之间的交叉角度处于从上述基础试验结果推导出的适当范围的方式，控制各喷镀机的移动和姿势，从而进行电弧喷镀。
这样，本实施方式的制造设备通过对划分成三个区域的顶头的母材外表面依次分别电弧喷镀铁线材，能够制造出跨越顶头的母材外表面的整个区域地形成有由氧化物和Fe构成的覆膜的带有电弧喷镀覆膜的顶头。
而且，如图8所示，本实施方式的制造设备设置成第1喷镀室11A和第2喷镀室11B相邻接，第2喷镀室11B和第3喷镀室11C相邻接，该第1喷镀室11A、第2喷镀室11B彼此之间设有输送线14A，第2喷镀室11B、第3喷镀室11C彼此之间设有输送线14B。输送线14A起到将在第1喷镀室11A中形成了覆膜3的顶头1传送到第2喷镀室11B的作用，输送线14B起到将在第2喷镀室11B中形成了覆膜3的顶头1传送到第3喷镀室11C的作用(参照图中的空心箭头)。并且，本实施方式的制造设备包括：输送线15，其用于将喷丸后的顶头导入电弧喷镀装置10(第1喷镀室11A)；以及输送线16，其用于将在第3喷镀室11C中形成有覆膜3的顶头1从电弧喷镀装置10排出。
通过设置这样的输送线14A、14B、15、16，与上述第1实施方式相同，由于能够将顶头1连续送到电弧喷镀装置10，并在喷镀室11A、11B、11C之间没有停滞地在顶头1上形成覆膜3，并排出顶头1，因此整体的顶头的制造效率进一步提高。
另外，与第1实施方式相同，在各喷镀室内能够以覆盖在该喷镀室内形成覆膜的对象的区域以外的区域的方式配置遮蔽板。具体的说，在第1喷镀室11A中，以覆盖顶端部1a和主体部前半部1ba的方式配置遮蔽板。而且，在第2喷镀室11B中，以覆盖顶端部1a和主体部后半部1bb的方式配置遮蔽板。而且，在第3喷镀室11C中，以覆盖主体部前半部1ba和主体部后半部1bb的方式配置遮蔽板。而且，根据与前述相同的理由，至少在第1喷镀室11A和第2喷镀室11B内以覆盖顶端部1a的方式配置遮蔽板即可，在第3喷镀室11C内也可以不配置遮蔽板。
划分顶头母材的外表面而得到的区域的个数可以是两个以上的任意个数，根据划分的区域的个数，确定设置喷镀室的个数。
实施例
为了确认本发明的效果，进行制造穿孔轧制用顶头，并将制造的顶头安装于穿孔机并进行穿孔轧制的试验。该试验条件如下所述。
[试验方法]
(1)顶头的制造
将日本JIS(日本工业标准)规定的热作工具钢作为母材，准备多根最大直径为57mm的炮弹形状的顶头。使用所述图7、图8所示的第1、第2实施方式的制造设备，对各顶头的外表面实施喷丸处理，之后，在各顶头的母材外表面上进行使用铁线材的电弧喷镀从而形成覆膜，制造带有电弧喷镀覆膜的顶头。
而且，为了进行比较，使用所述图1、图2所示的现有例1、例2的制造设备，制造带有电弧喷镀覆膜的顶头。与此同时，使用热处理炉，在顶头的母材外表面上形成氧化皮的覆膜，制造带有氧化皮覆膜的顶头。
形成电弧喷镀覆膜时，最初将从喷镀机直到顶头母材外表面的喷镀距离设为200mm进行电弧喷镀，之后使喷镀机逐渐远离，直到最后使喷镀距离扩大到1000mm进行电弧喷镀。带有电弧喷镀覆膜的顶头的覆膜的厚度在顶头主体部(前半部和后半部)处形成为500μm，在顶头顶端部形成为1500μm。带有氧化皮覆膜的顶头的覆膜的厚度在顶头整个区域处形成为600μm。
(2)穿孔轧制
使用上述各顶头，将加热至1200℃的下述被加工件(原材料)反复进行穿孔轧制，制作下述的空心毛坯管。
·被加工件的尺寸：直径70mm、长度1000mm的圆钢坯
·被加工件的材质：SUS304
·空心毛坯管：外径74mm、壁厚8.6mm、长度2200mm
[评价方法]
(1)顶头的制造效率
对于带有电弧喷镀覆膜的顶头，将10个顶头连续投入各制造设备，检查平均每小时能够制造的顶头的个数。对于带有氧化皮覆膜的顶头，在间歇式热处理炉中集中放入15个顶头并进行热处理，并检查平均每小时能够制造的顶头的个数。将该平均每小时的能够制造顶头的个数作为顶头的制造效率进行评价。
(2)顶头寿命
每当穿孔轧制结束时检查顶头的外观，检查覆膜剥离后顶头是否能够使用，或者顶头顶端部产生熔损或变形时的道次次数，即能够连续进行穿孔轧制的钢坯的根数(连续穿孔次数)。将该连续穿孔次数作为顶头寿命进行评价。
[试验结果]
将试验结果在表1中示出。
[表1]
表1
编号1～3为比较例的试验，编号4和5为本发明例的试验。
编号1的试验为利用热处理形成氧化皮覆膜。因此，能够制造顶头的个数平均每小时仅为2个。这种情况下，连续穿孔次数为2次，明显较少。
编号2的试验使用所述图1所示的现有例1的制造设备，仅在一个喷镀室中且利用一台喷镀机的运转来形成电弧喷镀覆膜。因此，能够制造顶头的个数平均每小时仅为2个。这种情况下，发现电弧喷镀覆膜的效果不错，连续穿孔次数为6次。
编号3的试验是使用所述图2所示的现有例2的制造设备，仅在一个喷镀室内且利用三个喷镀机同时运转来形成电弧喷镀覆膜。因此，能够制造顶头的个数增加至平均每小时6个。这种情况下，电弧喷镀覆膜表现的效果也不错，连续穿孔次数为4次。
相对于这些比较例，编号4的试验是使用所述图7所示的第1实施方式的制造设备，在两个喷镀室中且通过在各喷镀室中各有一个喷镀机进行分担运转，从而形成电弧喷镀覆膜。即，将顶头的母材外表面沿着顶头的轴向划分成两个区域，在两个喷镀室中，依次在各区域形成覆膜。因此，能够制造顶头的个数可以保持在平均每小时5个。这种情况下，连续穿孔次数显著增加到14次。
编号5的试验使用所述图8所示的第2实施方式的制造设备，在三个喷镀室中且通过各喷镀室中各有一台喷镀机进行分担运转，从而形成电弧喷镀覆膜。即，将顶头的母材外表面沿着顶头的轴向划分成三个区域，在三个喷镀室中，依次在各区域形成覆膜。因此，能够制造顶头的个数增加到平均每小时7个。这种情况下，连续穿孔次数显著增加至15次。
从以上结果可以明确，通过将顶头的母材外表面沿着顶头的轴向划分成多个区域，并且使用具有多个喷镀室的制造设备，该多个喷镀室分别对划分的多个区域中的每个区域形成覆膜，从而能够较高地保持顶头的制造效率，并且，能够在穿孔轧制过程中稳定地提高顶头寿命。
产业上的可利用性
本发明能够有效用于制造高合金钢的无缝钢管。
附图标记说明
1、顶头；1a、顶头顶端部；1b、顶头主体部；1ba、顶头主体部的前半部；1bb、顶头主体部的后半部；3、电弧喷镀覆膜；10、电弧喷镀装置；11、11A、11B、11C、喷镀室；12、12A、12B、12C、旋转台；13、13A、13B、13C、电弧喷镀机；14A、14B、15、16、输送线；PC、顶头的中心轴线；AC、电弧喷镀机的喷出中心线；θ、交叉角度。
Claims (4)
1.一种穿孔轧制用顶头的制造设备，是在用于制造无缝钢管的穿孔轧制机中所使用的顶头的制造设备，其特征在于，
该穿孔轧制用顶头的制造设备包括：
喷丸装置，其用于对顶头的外表面实施喷丸处理；以及
电弧喷镀装置，其对实施喷丸处理后的顶头的母材外表面电弧喷镀铁线材，从而形成由氧化物和Fe构成的覆膜，
电弧喷镀装置具有多个喷镀室，该多个喷镀室分别对将顶头的母材外表面沿着顶头的轴向划分的多个区域中的每个区域形成覆膜。
2.根据权利要求1所述的穿孔轧制用顶头的制造设备，其特征在于，
在所述各喷镀室内，配置有利用电弧使所述铁线材熔融并将该熔融材料朝顶头的母材外表面喷出的电弧喷镀机，在使电弧喷镀机的喷出中心线和顶头的母材外表面之间的交叉角度保持在35°～90°的范围内的状态下进行电弧喷镀。
3.根据权利要求1或2所述的穿孔轧制用顶头的制造设备，其特征在于，
所述顶头为炮弹形状，并由主体部和顶端部构成，
所述电弧喷镀装置具有作为所述喷镀室的第1喷镀室和第2喷镀室，所述第1喷镀室用于在顶头母材外表面的主体部的区域形成覆膜，所述第2喷镀室用于在顶头母材外表面的顶端部的区域形成覆膜。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的穿孔轧制用顶头的制造设备，其特征在于，
所述喷镀室彼此之间设有用于传送顶头的输送线。
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