CN104271274B - 穿孔轧制用芯棒的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在用于制造无缝钢管的穿孔轧制机中使用的芯棒的制造方法，其包括：对芯棒的表面实施喷丸的喷丸工序，对实施了喷丸的芯棒的母材表面电弧喷镀喷镀线材而形成覆膜的电弧喷镀工序，在电弧喷镀工序中，使用铁颗粒以及氧化铁颗粒(FeO颗粒、Fe3O4颗粒以及Fe2O3颗粒中的一种或两种以上)中至少氧化铁颗粒填充铁制管的内部而成的药芯焊丝来作为喷镀线材进行电弧喷镀，形成由氧化铁和Fe构成的覆膜。由此，可提高芯棒的制造效率，能够制造且在穿孔轧制时稳定从而能够提高芯棒寿命的穿孔轧制用芯棒。
Description
技术领域
本发明涉及用于制造无缝钢管的穿孔轧制机(以下，仅称为“穿孔机(piercer)”)中使用的穿孔轧制用芯棒(以下，仅称为“芯棒”)的制造方法，特别是涉及通过对芯棒的母材表面电弧喷镀以铁作为主要成分的喷镀线材而形成覆膜的穿孔轧制用芯棒的制造方法。
背景技术
无缝钢管可以通过曼内斯曼制管法而制造。该制管法包括如下步骤：
(1)通过穿孔机，将加热到规定温度的原材料(圆钢坯)进行穿孔轧制，成形为空心管坯(hollowshell)；
(2)通过拉伸轧制机(例如芯棒式无缝管轧机)对空心管坯进行拉伸轧制；
(3)通过定径轧制机(例如拉伸缩径轧机)，将拉伸轧制后的空心管坯定径轧制为规定的外径和壁厚。
在利用穿孔机的穿孔轧制中，可以使用芯棒作为穿孔用工具。该芯棒安装于芯轴的前端，对加热到1200℃左右高温的钢坯进行穿孔而暴露于高热且负荷高面压的恶劣的情况下。一般而言，芯棒以热作工具钢作为母材，为了保护该母材，通过预先热处理从而在母材表面形成氧化皮的覆膜，随即在穿孔轧制中使用。穿孔轧制时芯棒表面的氧化皮覆膜阻断从钢坯向芯棒母材的热传导，并且还起到防止钢坯与芯棒的烧结的作用。
这样的附氧化皮覆膜的芯棒随着重复进行穿孔轧制，氧化皮覆膜会逐步地磨耗。氧化皮覆膜发生磨耗时，由覆膜起到的隔热效果下降，因此在穿孔时芯棒的温度升高，容易发生芯棒母材的熔损、热变形。另外，氧化皮覆膜消失、芯棒母材与钢坯直接接触时，产生烧结，在钢管的内面产生瑕疵。因此，芯棒在失去覆膜时就不能使用了，从而达到寿命。
尤其在制造含有9％以上的Cr的含高Cr钢、Ni基合金、不锈钢这类由高合金钢构成的无缝钢管的情况下，在穿孔轧制时显著地引起芯棒表面的氧化皮覆膜的磨耗，芯棒寿命的下降变得显著。例如，不锈钢的穿孔中，芯棒表面的氧化皮覆膜经过2、3道次(连续穿孔次数)而发生磨耗，该芯棒达到寿命。因此，产生频繁更换芯棒的状况，钢管的制造效率低。因而，在制造高合金钢的无缝钢管的情况下，特别要求在穿孔轧制时提高芯棒寿命，由此使钢管的制造效率提高。
对于这样的要求，例如专利文献1中公开了一种芯棒，其中，作为在芯棒母材的表面所形成的覆膜，对芯棒母材的表面电弧喷镀铁线材而形成由Fe氧化物以及Fe构成的覆膜，从而代替利用热处理得到的氧化皮覆膜。该附电弧喷镀覆膜的芯棒由于芯棒表面的覆膜由Fe氧化物以及Fe构成，因此隔热性以及防烧结性优异，能够期待芯棒寿命的提高。
另外，在同一文献所公开的附电弧喷镀覆膜的芯棒中，覆膜中的Fe氧化物是通过由电弧喷镀使铁线材熔融且该熔融材料(Fe)在到达芯棒母材表面之前的飞行中发生氧化而生成的。因此，在电弧喷镀时，需要将自喷镀机至芯棒母材表面的喷镀距离增大至某种程度，从而充分地确保熔融材料飞行的时间(氧化的时间)，然而如果喷镀距离大的话，可产生未到达芯棒母材表面的熔融材料。其结果是时常有覆膜的形成时间变长，无法谋求芯棒的制造效率的提高。
另外，覆膜中的Fe氧化物的量有赖于熔融材料的氧化进行程度，因此存在无法成为所希望的量的担心，其结果是存在芯棒寿命变得不稳定的担心。从这些可见，在使芯棒的制造效率提高的同时稳定地得到芯棒寿命的提高的方面，尚有改善的余地，强烈寻求制造能够改善这些方面的穿孔轧制用芯棒。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第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作出的，以在芯棒的母材表面电弧喷镀以铁作为主要成分的喷镀线材形成覆膜作为前提，其目的在于提供具有如下特性的穿孔轧制用芯棒的制造方法：
(1)能够提高芯棒的制造效率；
(2)能够稳定地提高芯棒寿命。
用于解决问题的方案
本发明的主旨如下。
一种穿孔轧制用芯棒的制造方法，其特征在于，所述芯棒在用于制造无缝钢管的穿孔轧制机中使用，
该穿孔轧制用芯棒的制造方法包括：
对芯棒的表面实施喷丸的喷丸工序，
对实施了喷丸的芯棒的母材表面电弧喷镀喷镀线材而形成覆膜的电弧喷镀工序；
在电弧喷镀工序中，使用铁颗粒以及氧化铁颗粒中至少氧化铁颗粒填充铁制管的内部而成的药芯焊丝作为喷镀线材进行电弧喷镀，形成由氧化铁和Fe构成的覆膜。
该制造方法中，优选前述氧化铁颗粒为FeO颗粒、Fe3O4颗粒以及Fe2O3颗粒中的一种或两种以上。
发明的效果
本发明的穿孔轧制用芯棒的制造方法具有下述显著的效果：
(1)能够提高芯棒的制造效率；
(2)能够稳定地提高芯棒寿命。
附图说明
图1是本发明的穿孔轧制用芯棒的制造方法的电弧喷镀中所使用的喷镀线材的横截面图。
具体实施方式
本发明人等为了达成上述目的，以在芯棒的母材表面电弧喷镀以铁作为主要成分的喷镀线材形成覆膜作为前提，对于形成该覆膜的方法实施各种试验，进行反复深入地研究。结果得到以下的见解。
电弧喷镀为如下技术：例如在作为电极的两根喷镀线材的前端之间产生电弧，从而使喷镀线材熔融，同时，向喷镀线材的前端之间供给压缩空气、氮气等的喷气，吹飞熔融材料，由此，将熔融材料吹送到对象物而形成覆膜。前述专利文献1所公开的电弧喷镀中使用铁线材作为喷镀线材，因此形成于芯棒的母材表面的覆膜由Fe氧化物(氧化铁)以及Fe构成。该覆膜中的Fe氧化物是由于在电弧喷镀时铁线材熔融、该熔融铁在到达芯棒母材表面之前的飞行中发生氧化而生成的。覆膜中的Fe是熔融铁未在飞行中发生氧化就到达芯棒母材表面而得到的。
与此相对，采用药芯焊丝作为喷镀线材，所述药芯焊丝以与铁线材同样材质的铁制管作为外壳、且该铁制管内填充有氧化铁颗粒、根据情况还填充有铁颗粒而成，如果使用该药芯焊丝进行电弧喷镀，则与前述专利文献1公开的一样，可以在芯棒的母材表面形成由Fe氧化物(氧化铁)以及Fe构成的覆膜。该覆膜中的Fe氧化物是在电弧喷镀时构成药芯焊丝的铁制管以及铁颗粒熔融，该熔融铁在到达芯棒母材表面之前的飞行中发生氧化而生成的物质，以及构成药芯焊丝的氧化铁颗粒到达芯棒母材表面而得到的物质。覆膜中的Fe是熔融铁在飞行中未发生氧化就到达芯棒母材表面而得到的。
对于这样通过使用了药芯焊丝的电弧喷镀而形成的覆膜中的Fe氧化物，预先减小自喷镀机至芯棒母材表面的喷镀距离而进行电弧喷镀，由此，该Fe氧化物的大部分来源于构成药芯焊丝的氧化铁颗粒。因此，如果适当地控制氧化铁颗粒的填充量，则覆膜中的Fe氧化物成为所希望的量。于是，这样的附电弧喷镀覆膜的芯棒在重复的穿孔轧制时覆膜中的Fe氧化物为所希望的量，因此芯棒寿命得以稳定地提高。而且，在电弧喷镀时以构成药芯焊丝的铁制管以及铁颗粒作为来源而即使不使它们在电弧喷镀中积极氧化生成Fe氧化物也可以，因此能够缩小喷镀距离。于是，能够缩短覆膜的形成时间，芯棒的制造效率的提高成为可能。
本发明是基于上述见解而完成的。以下，对于本发明的芯棒的制造方法的实施方式进行说明。
本发明的芯棒的制造方法中，在电弧喷镀的施工之前，对芯棒的表面实施喷丸。由此，在将被重复用于穿孔轧制而达到寿命后再生的芯棒作为对象的情况下，去除残留于芯棒表面的穿孔轧制状态的覆膜，从而露出芯棒的母材表面，并且将芯棒母材表面粗化为适度的凹凸。此外，在以新制造的芯棒作为对象的情况下，也将芯棒母材表面粗化为适度的凹凸。实施这样的喷丸的理由是，在没有残留覆膜且具有适度的凹凸的芯棒母材表面实施电弧喷镀时，芯棒母材与覆膜的密合性提高。
接着，在本发明的芯棒的制造方法中，将以铁作为主要成分的药芯焊丝作为喷镀线材在实施了喷丸的芯棒的母材表面进行电弧喷镀，形成覆膜。
图1是本发明的穿孔轧制用芯棒的制造方法的电弧喷镀中所使用的喷镀线材的横截面图。如同图所示，本发明中作为喷镀线材使用药芯焊丝1。该药芯焊丝1中，其外壳由铁制管2构成。
在铁制管2的内部填充有氧化铁颗粒3。氧化铁颗粒3可以为氧化铁(II)(FeO)的颗粒、氧化铁(III)(Fe2O3)的颗粒以及氧化铁(II、III)(Fe3O4)的颗粒中的任一种。也可混合这些氧化铁的两种以上。另外，氧化铁颗粒3不限于单纯为颗粒状，也包括粉状、短纤维状。
在铁制管2的内部除了氧化铁颗粒3以外，也可以填充铁颗粒4。铁颗粒4也不限于单纯为颗粒状，也包括粉状、短纤维状。
通过使用这样构成的药芯焊丝(喷镀线材)1的电弧喷镀，能够在芯棒的母材表面形成由Fe氧化物(氧化铁)以及Fe构成的覆膜。此时，通过预先减小喷镀距离，由此，覆膜中的Fe氧化物的大部分来源于构成药芯焊丝1的氧化铁颗粒3。因此，如果事先适当地管理氧化铁颗粒3的填充量，则覆膜中的Fe氧化物成为所希望的量。而且，以构成药芯焊丝1的铁制管2以及铁颗粒4作为来源而即使不使它们在电弧喷镀中积极氧化而生成Fe氧化物也可以，所以能够缩小喷镀距离。由此，能够缩短覆膜的形成时间，芯棒的制造效率提高。对于这样制造得到的附电弧喷镀覆膜的芯棒，覆膜中的Fe氧化物的量成为所希望的量。于是，在重复的穿孔轧制时芯棒寿命提高。
此处，作为氧化铁颗粒3，在使用FeO颗粒、Fe3O4颗粒以及Fe2O3颗粒中的一种或两种以上的情况下，包含铁制管2以及氧化铁颗粒3乃至铁颗粒4的药芯焊丝1整体中，优选氧化铁颗粒3所占的比例为45～75体积％。更优选为50～70体积％。这是基于以下的理由。
如前述专利文献1公开的那样，对于由Fe氧化物以及Fe构成的覆膜中Fe氧化物所占区域的比率(以下称为“氧化物比率”)，从谋求芯棒寿命的提高的观点出发，优选为55～80％，更优选为60～75％。此处，在使用上述药芯焊丝1进行电弧喷镀的情况下，也略微生成了一些以铁制管2、以及铁颗粒3作为来源的Fe氧化物，且被包含于覆膜中。预料这样生成的Fe氧化物的量，将药芯焊丝1中氧化铁颗粒3所占比例控制为前述优选范围，从而使覆膜中的氧化物比率为上述优选范围。
另外，本发明的芯棒的制造方法中，在利用电弧喷镀形成覆膜时，可以边移动喷镀机使其缓慢地远离芯棒的母材表面以缓慢地增大喷镀距离边进行电弧喷镀。由此，芯棒母材上形成越接近表层侧氧化物比率越逐步增加的覆膜。这样，在形成与芯棒母材的相邻部的氧化物比率低、表层部的氧化物比率高的覆膜的情况下，不但能够确保覆膜的表层部的隔热性以及防烧结性，而且在能够确保与芯棒母材的相邻部的密合性方面是有用的。
实施例
为了确认本发明的效果，制造穿孔轧制用芯棒，将制造得到的芯棒安装于穿孔机进行穿孔轧制的试验。试验条件如下所述。
[试验方法]
(1)芯棒的制造
以JIS规定的热作工具钢作为母材，准备多个最大直径为147mm的炮弹形状的芯棒。对各芯棒的表面实施喷丸之后，在各芯棒的母材表面进行使用如前述图1所示的药芯焊丝的电弧喷镀，形成覆膜，从而制造附电弧喷镀覆膜的芯棒。
此时，作为药芯焊丝中的氧化铁颗粒，如下述表1所示，使用采用了FeO颗粒(试验No.1)、Fe3O4颗粒(试验No.2)和Fe2O3颗粒(试验No.3)、以及混合它们而得到的颗粒(试验No.4)的药芯焊丝。药芯焊丝中，氧化铁颗粒所占比例均设为60体积％。需要说明的是，在药芯焊丝的铁制管内，对应氧化铁颗粒的所占比例，除了氧化铁颗粒外，还填充了铁颗粒。此外，在形成电弧喷镀覆膜时，将自喷镀机至芯棒母材表面的喷镀距离设为恒定的100mm进行电弧喷镀。另外，为了比较，使用如前述专利文献1所示的铁线材，将喷镀距离设为比使用了药芯焊丝时更大的恒定的600mm来进行电弧喷镀(试验No.5)。
表1
| No. | 药芯焊丝中的氧化铁颗粒 | 覆膜形成时间比 | 芯棒寿命比 |
| 1 | FeO | 0.3 | 1.2 |
| 2 | Fe3O4 | 0.4 | 1.3 |
| 3 | Fe2O3 | 0.5 | 1.2 |
| 4 | FeO、Fe3O4、Fe2O3的混合 | 0.3 | 1.5 |
| 5 | 使用铁线材代替药芯焊丝 | 1.0 | 1.0 |
(2)穿孔轧制
使用上述各芯棒，对加热到约1200℃的下述被加工材(原材料)重复进行穿孔轧制，制造下述的空心管坯。
·被加工材的尺寸：直径191mm、长度2200mm的圆钢坯
·被加工材的材质：13％Cr钢
·空心管坯：外径196mm、壁厚16.82mm、长度6520mm
[评价方法]
调查利用电弧喷镀形成覆膜的形成时间，评价芯棒的制造效率。对于芯棒的制造效率的评价如下：以如上述表1中的试验No.5那样使用铁线材时的覆膜形成时间作为基准“1”，以使用试验No.1～4的各药芯焊丝时的覆膜形成时间相对于该基准的比率计(以下称为“覆膜形成时间比”)来进行。
进而，每个芯棒重复进行穿孔轧制，在每次结束穿孔轧制时，检查芯棒的外观，覆膜是否剥离使得芯棒变得不能使用，或者调查芯棒前端部发生了熔损或变形时的道次数、即能够连续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芯棒寿命进行评价。对于芯棒寿命的评价如下：以如试验No.5那样使用铁线材形成电弧喷镀覆膜的芯棒的寿命作为基准“1”，以使用试验No.1～4的各药芯焊丝形成电弧喷镀覆膜的芯棒的寿命相对于该基准的比率计(以下称为“芯棒寿命比”)来进行。需要说明的是，重复的穿孔轧制中，各条件均实施了14个芯棒，各条件的芯棒寿命以其平均值计。
[试验结果]
试验结果示于表1中。由该结果表示下述结论。
如试验No.1～4那样使用填充了氧化铁颗粒的药芯焊丝形成电弧喷镀覆膜的情况，与如试验No.5那样使用铁线材的情况相比较，覆膜的形成时间变短。这是因为能够减小喷镀距离。由该结果可知，如果使用填充了氧化铁颗粒的药芯焊丝，则能够缩短覆膜的形成时间，芯棒的制造效率的提高成为可能。并且，如试验No.1～4那样使用填充了氧化铁颗粒的药芯焊丝形成电弧喷镀覆膜的芯棒与如试验No.5那样使用铁线材的情况相比较，可确认到芯棒寿命比的上升，芯棒寿命得以稳定地提高。
产业上的可利用性
本发明能够有效地在高合金钢的无缝钢管的制造中利用。
附图标记
1：药芯焊丝(喷镀线材)、
2：铁制管、
3：氧化铁颗粒、
4：铁颗粒
Claims (2)
1.一种穿孔轧制用芯棒的制造方法，所述芯棒在用于制造无缝钢管的穿孔轧制机中使用，
该穿孔轧制用芯棒的制造方法包括：
对芯棒的表面实施喷丸的喷丸工序，
对实施了喷丸的芯棒的母材表面电弧喷镀喷镀线材而形成覆膜的电弧喷镀工序；
其特征在于，在电弧喷镀工序中，使用铁颗粒以及氧化铁颗粒中的至少氧化铁颗粒填充铁制管的内部而成的药芯焊丝作为喷镀线材进行电弧喷镀，形成由氧化铁和Fe构成的覆膜。
2.根据权利要求1所述的穿孔轧制用芯棒的制造方法，其特征在于，所述氧化铁颗粒为FeO颗粒、Fe3O4颗粒以及Fe2O3颗粒中的一种或两种以上。
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