CN1726100A - 无缝金属管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种由斜辊式穿孔辗轧机进行无缝金属管的穿孔辗轧方法，不会产生坯段的啮合不良，能够大幅度地抑制曼内斯曼破坏和圆周方向剪切变形。从而，能够制造出内表面瑕疵少的内表面质量优异的制品。特别是通过强化顶头前端的辗轧部，实现顶头的尖头化，在可以扩大啮合界限的同时，能够更有效地生产出内表面质量优异的制品。因此，本发明的方法可以适用于无缝金属管穿孔辗轧等广泛的领域。

Description

无缝金属管的制造方法
技术领域
本发明涉及无缝金属管的制造方法，更详细地涉及由斜辊式的穿孔辗轧机进行无缝金属管的穿孔辗轧的方法。
背景技术
作为无缝金属管的制造方法，普遍采用曼内斯曼(Mannesman)制管法，其中，以加热到预定温度的实心圆形坯段(下面称为“坯段”)作为原材料，将其送入具有一对主辊和顶头的斜辊式穿孔辗轧机(下面称为“穿轧机”)，在其轴心部钻出孔而得到中空管坯。
然后，将得到的中空管坯，原封不动或者根据需要通过与上述穿轧机同样结构的伸长轧延机或者壳式定径机来扩径、缩径而被定径之后，由芯棒轧延机、芯轴轧延机等后续的延伸辗轧机进行延伸辗轧。然后，经过由牵伸缩径机、均整机、定径机等精加工辗轧机进行磨管、形状修正以及定径等精整工序而制造出成品管。
图1是表示在曼内斯曼制管法中所使用的穿轧机的结构例的立体图。穿轧机是这样构成的：其具有一对筒状主辊1、1，夹着作为被穿孔材料的坯段4的送入线的通过线X-X而相互在反方向倾斜相对配置；还包括一对盘状辊2、2，与该主辊1、1的位相相差90°，夹着上述通过线X-X而相对配置；同时，在通过线X-X上由芯轴5支持顶头3。
通常，顶头3的前端被设置为位于作为主辊1、1间最短距离的圆凿部(gouge)6的辗轧上游一侧，从圆凿部6向前突出的距离(例如后述图4所示的PL)称为顶头导程。
在上述结构的穿轧机中，主辊1、1相对于通过线X-X呈倾角β在同一方向上旋转。因此，沿着通过线并向着空心箭头方向而被送进的坯段4被咬入主辊1、1之间后呈螺旋状向前移动，通过顶头3在其轴心部穿孔而成为中空管坯。
此时，盘状辊2、2在辗轧的过程中起着坯段4的引导部件的作用，同时，还起到抑制被顶头3穿孔的中空管坯在与主辊1、1相对呈90°的位相上膨胀而整理外径形状的作用。此外，该盘状辊2、2沿着与坯段4的送进方向相同的方向转动驱动，使得减轻与被穿孔的中空管坯的滑动，而不会发生烧结。
而且，在穿轧机中，主辊1、1的形状是圆锥形的，以相对于通过线X-X在进入侧靠近、在送出侧远离的方式配置其辊轴心，形成与上述倾角β不同的交叉角γ，被称为交叉型的穿轧机(参照后述的图11(b))。
近年来，即使对于高合金钢或者不锈钢等难加工性的材料，也使用曼内斯曼制管法进行金属管的辗轧加工。因此，对于上述顶头3，除了使用寿命长的性能以外，还强烈要求在中空管坯的内表面不会产生瑕疵的性能。
为了抑制在中空管坯的内表面产生的瑕疵，例如在日本专利特开昭57-168711号公报中所揭示的那样，抑制(a)曼内斯曼破坏的发生以及抑制(b)在圆周方向上的剪切变形的发生是必不可少的。该(a)和(b)的现象是穿轧机的特有现象，只要没有抑制它们，就不能以高能量效率对高合金钢或者不锈钢等难加工性材料实施曼内斯曼制管。此外，也难以延长所用顶头的寿命。
在上述日本专利特开昭57-168711号公报中，揭示了通过调节主辊的倾角β以及交叉角γ来抑制上述(a)和(b)的方法，但不用说顶头的长寿命化，就是使顶头本身具有抑制上述(a)和(b)的功能也完全没有考虑。
此外，在日本专利特开平10-137818号公报中，提出了在高合金钢或者不锈钢等难加工性材料的穿孔辗轧中所使用的、实现延长寿命的顶头的形状。图2表示的就是在日本专利特开平10-137818号公报中所提出的顶头形状。
如图2所示，所揭示的顶头的整体形状呈单纯炮弹形，是所谓的被称为两区段型的顶头(下面只称为“两区段型顶头”)，规定为在图中所示各部分的尺寸r、R和D之间的关系满足以下(5)至(7)式中所示条件的形状。因此，对于顶头本身则完全没有考虑具有抑制上述(a)和(b)的功能。
R≥-160r+12D                           …(5)
R≥18r+3.6D                            …(6)
-20r+22D≥R≥90r-15D                   …(7)
图3表示的是作为长寿命的顶头而提出的另一种顶头形状的图。该顶头是在德国文献(Neumann著的《钢管制造》(Stahlrohmerstellung)；德语文献，1970年版)中所揭示的，是在曲率半径为r且轴向长度为L1的前端部与作为曲率半径为R的圆弧旋转面的轴向长度为L3的工作部之间，形成有外径为d、轴向长度为L2的圆柱状平行部，由该平行部和上述前端部形成前端辗轧部的结构。
如图3所示形状的顶头，在前端辗轧部的工作部附近形成有不与被穿孔材料相接触的间隙，因为是通过该间隙来释放蓄积在顶头内部的热量的结构，所以使得顶头的前端部难以熔接受损，从而延长了顶头的寿命。
这里，本发明人对上述图2所示的两区段型顶头和图3所示形状的顶头进行了使用比较试验。其结果，图3所示形状的顶头能够在一定程度上延长寿命，在内表面上难以产生瑕疵，但容易发生啮合不良，存在生产率降低的问题。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种无缝金属管的制造方法，能够在使用上述图3所示形状的顶头时，防止发生啮合不良，从而即使在顶头导程比较小的情况下，换句话说，在顶头前端倾角率较大的情况下，也能够得到内表面瑕疵比较少的制品。与此同时，其目的还在于提供一种无缝金属管的制造方法，能够在即使顶头前端的倾角率较小的情况下，也不会发生顶头熔接损坏，扩大了顶头的啮合界限。
图4是说明进行中空管坯的穿孔辗轧时的顶头导程以及顶头前端倾角率的图。如图4所示，在本发明的说明中，顶头导程PL指的是从圆锥形的主辊8的圆凿部6的位置到顶头3前端的距离。
此外，顶头前端倾角率PDR(％)是当坯段4的外径为BD、位于顶头3的前端位置的主辊8、8之间的最短距离为ROP的情况下，由下述公式(8)所定义的值。其中，图4中的RO是位于圆凿部6的主辊8、8之间的最短距离。
PDR＝{(BD-ROP)/BD}×100(％)                    …(8)
从而，在图4中，当将顶头设定成顶头导程PL比较小时，由于与此同时由公式(8)所定义的值变大，所以，如上所述，将顶头导程设定成较小的情况换句话可以说成将顶头前端的倾角率设定成较大的情况。
本发明的主旨是为了实现上述目的而开发的下述(1)和(2)的无缝金属管的制造方法。
(1)是一种无缝金属管的制造方法，其特征在于：
该方法是使用具有下述部分的顶头，通过斜辊式穿孔辗轧机对外径为BD(mm)的实心圆形坯段实施穿孔辗轧的无缝金属管的制造方法，其中，所述顶头具有：
前端辗轧部，是外径d(mm)沿着轴向始终相等或者外径d向着轴向后端逐渐增大的锥度的半角在2°以下的轴向长度为L2(mm)的圆柱状，其前端面形成为曲率半径为r(mm)、轴向长度为L1(mm)的球面状；
工作部，以与该前端辗轧部连接且外径向着轴向后端逐渐增大的方式形成曲率半径为R(mm)的圆弧旋转面，轴向长度为L3(mm)；以及
均整部，以与该工作部连接且外径向着轴向后端的最大外径D(mm)增大的方式形成锥度为2θ(°)的圆锥状，轴向长度为L4(mm)，其中，
所述顶头的外径d、曲率半径R、轴向长度L1、L2以及L3与实心圆形坯段外径BD的关系满足下述公式(1)至(3)中的任何一个，
0.12≤d/BD≤0.35                …(1)
0.020≤(d/2BD)/(R/L3)≤0.046    …(2)
0.5d≤L1+L2≤3d                 …(3)(以下称为第一发明方法)。
(2)是一种无缝金属管的制造方法，其特征在于：
该方法是使用具有下述部分的顶头，通过斜辊式穿孔辗轧机对外径为BD(mm)的实心圆形坯段实施穿孔辗轧的无缝金属管的制造方法，其中，所述顶头具有：
前端辗轧部，是外径d(mm)沿着轴向始终相等或者外径d向着轴向后端逐渐增大的锥度的半角在2°以下的轴向长度为L2(mm)的圆柱状，其前端面形成为曲率半径为r(mm)、轴向长度为L1(mm)的球面状；
工作部，以与该前端辗轧部连接且外径向着轴向后端逐渐增大的方式形成曲率半径为R(mm)的圆弧旋转面，轴向长度为L3(mm)；以及
均整部，以与该工作部连接且外径向着轴向后端的最大外径D(mm)增大的方式形成锥度为2θ(°)的圆锥状，轴向长度为L4(mm)，
而且，所述前端辗轧部在1100℃下的拉伸强度至少为50MPa以上，其中，
所述顶头的外径d、曲率半径R、轴向长度L1、L2以及L3与实心圆形坯段外径BD的关系满足下述公式(2)至(4)中的任何一个，
0.06≤d/BD≤0.12                    …(4)
0.020≤(d/2BD)/(R/L3)≤0.046        …(2)
0.5d≤L1+L2≤3d                     …(3)(以下称为第二发明方法)。
在上述第二发明方法中，希望顶头的前端辗轧部是能够更换的。而对于在上述顶头的前端辗轧部构成工作部和均整部的基本材料上形成氧化层的部件，希望该氧化层的厚度在上述工作部和均整部的氧化层厚度的1.5～3倍的范围内。
在上述第一和第二发明方法中，从确保顶头寿命的方面出发，通常希望构成工作部和均整部的基本材料的氧化层厚度在200μm～1000μm的范围内。
而且，在上述第一和第二发明方法中，作为斜辊式穿孔辗轧机，希望主辊的形状是圆锥形，使用其辊轴和通过线之间的距离在进入端小、在送出端大的交叉型斜辊式穿孔辗轧机，在此情况下能够最大限度地提高生产率。
附图说明
图1表示的是在曼内斯曼制管法中所使用的穿轧机的构成例的立体图。
图2表示的是由整体形状呈单纯的炮弹形所构成的两区段型顶头的一个例子的图。
图3是表示在本发明中所使用的顶头形状的图。
图4是说明在穿孔辗轧中空管坯时的顶头导程和顶头前端倾角率的图。
图5是说明研究由模型轧延机引起的曼内斯曼破坏的发生状况的方法的图。
图6是说明研究由模型轧延机引起的圆周方向剪切变形的发生状况的方法的图。
图7是表示用于确定上述图3所示顶头的形状的参数“(d/2BD)/(R/L3)”、圆周方向剪切变形(rθ/t)以及曼内斯曼破坏大小MC之间的关系的图。
图8是表示在顶头的顶头前端倾角率PDR(％)进行各种变化的情况下，顶头前端倾角率PDR、圆周方向剪切变形(rθ/t)以及曼内斯曼破坏大小MC之间的关系的图。
图9是表示在穿孔辗轧过程中的顶头的轴向各部的旋转圆周速度以及主辊的轴向各部的旋转圆周速度的图。
图10是表示通过不同组装方法制造顶头的情况的分割顶头的结构例的图。
图11是表示模型轧延机的主辊结构和顶头的设定状况的图。
具体实施方式
以下，基于附图，分别对在第一发明方法和第二发明方法中对本发明做出如上规定的理由进行说明。
1.第一发明方法
如上所述，当通过穿轧机来穿孔辗轧时，在内表面发生瑕疵的原因是：(a)发生曼内斯曼破坏以及(b)发生圆周方向上的剪切变形。具体地说，在顶头前端的上游侧的坯段轴心部发生曼内斯曼破坏，该曼内斯曼破坏受到由主辊和顶头加工壁厚时发生的在圆周方向上的剪切变形，在发生的变形成长的同时，直至在内表面上产生瑕疵。
因此，本发明人为了在使用上述图3所示形状的顶头的情况下，把握产生(a)发生曼内斯曼破坏和(b)发生圆周方向剪切变形的状况，使用模型轧延机在各种条件下进行穿孔辗轧的试验。
这里，上述图3所示形状的顶头具有：前端辗轧部、工作部以及均整部，其中，所述前端辗轧部是外径为d、轴向长度为L2的圆柱状，形成为其前端面呈曲率半径为r、轴向长度为L1的球面状；所述工作部与该前端辗轧部连接，外径向着轴向后端逐渐增大，形成为曲率半径为R、轴向长度为L3的圆弧旋转面；所述均整部与该工作部连接，其外径向着轴向后端的最大外径D增大，以倾角2θ形成为轴向长度为L4的圆锥形。
图5是说明通过模型轧延机研究曼内斯曼破坏发生状况的方法的图，在模型轧延机的试验中，使用铅易切削钢的坯段。如图5所示，曼内斯曼破坏发生的状况，是在穿孔辗轧中途停止，将得到的材料沿纵向剖开，研究刚好在顶头前端发生曼内斯曼破坏的状况。得到的材料分成坯段4的部分和中空管坯7的部分。
图6是说明通过模型轧延机研究圆周方向剪切变形发生状况的方法的图，(a)是坯段的立体图，(b)是表示中空管坯端面的图。圆周方向剪切变形的产生，是通过放电加工在坯段4的半径线上的三个地方埋入销子4a，在酸洗之后观察穿孔辗轧得到的中空管坯7的横断面，通过确认三个地方的销子4a的位置来研究圆周方向上的剪切变形(rθ/t)。
图7和图8是示意性地说明由模型轧延机进行研究的结果。
首先，图7是表示本发明人为了表示上述图3所示形状的顶头而创造出的无因次量参数“(d/2BD)/(R/L3)”、圆周方向剪切变形(rθ/t)以及曼内斯曼破坏大小MC之间关系的图。在图7中，若上述参数“(d/2BD)/(R/L3)”变小则表示顶头的形状为尖头状，而变大则表示顶头的形状为钝头状。
然后，图8是表示在顶头的顶头前端倾角率PDR(％)变化的情况下，顶头前端倾角率PDR与圆周方向剪切变形量(rθ/t)以及曼内斯曼破坏大小MC之间关系的图。
如图8所示，其关系为，当顶头的顶头前端倾角率PDR(％)增大时，与此同时圆周方向剪切变形量(rθ/t)和曼内斯曼破坏大小MC都增加。
在上述图7所示的关系中，参数“(d/2BD)/(R/L3)”越小，则越能抑制曼内斯曼破坏。其理由是因为随着顶头形状的尖头化，来自顶头对坯段的轴向反作用力降低，使坯段的前进速度增大，所以使得从坯段与主辊啮合至到达顶头前端的时间缩短。其结果，减少了回转锻造的次数，从而不容易发生曼内斯曼破坏。
与此相反，上述参数“(d/2BD)/(R/L3)”越大则越抑制圆周方向剪切变形量(rθ/t)。下面通过图9来说明其理由。
图9是表示在穿孔辗轧过程中的顶头的轴向各部的旋转圆周速度以及主辊的轴向各部的旋转圆周速度。如在该图的点线所示，在参数“(d/2BD)/(R/L3)”变小的情况下，在将壁厚压下进行到圆凿部期间，顶头的工作部的主辊和顶头的旋转圆周速度差变大，同时也就使得圆周方向剪切变形量(rθ/t)变大。
与此相反，如该图中的实线所示，当参数“(d/2BD)/(R/L3)”变大的情况下，两者的旋转圆周速度差变小，与此同时也就使得圆周方向的剪切变形量(rθ/t)减小。
此外，分别在图9中表示桶形辊(用实线表示)以及锥形辊(用点线表示)，但桶形的主辊的旋转圆周速度在圆凿部的位置变成最大，向着进入侧和送出侧都逐渐减小。
与此相反，锥形主辊的旋转圆周速度，由进入侧向着送出侧逐渐增大。因此，主辊和顶头的旋转圆周速度差在主辊是锥形的情况下变小。
从而，在上述参数“(d/2BD)/(R/L3)”是相同的顶头的情况下，如果使用具有圆锥形主辊的穿轧机，则能够明显地抑制圆周方向剪切变形的发生。
而且，为了使主辊与顶头的旋转圆周速度差减小，如图9中的双点划线所示，有加大从圆凿部位置的顶头导程PL、即减小顶头前端倾角率PDR的方法。
因为通过加大顶头导程PL来缩短从坯段与主辊啮合至顶头前端的距离，所以抑制了曼内斯曼破坏的发生。但是，在此情况下，容易引起坯段的啮合不良。
然而，可以看出，在上述图3所示形状的顶头的各部分尺寸中，当采取前端辗轧部的外径d是坯段外径BD的0.35倍以下，轴向长度L1+L2是d的0.5倍以上，而且曲率半径R和L3满足使上述参数“(d/2BD)/(R/L3)”为0.046以下的形状时，即使顶头前端的倾角率PDR小于两区段型顶头的界限值以上也不会发生啮合不良，抑制了曼内斯曼破坏和圆周方向剪切变形，能够有效地制造出内表面上没有瑕疵的中空管坯。
然而，当d不足BD的0.12倍时，前端辗轧部容易因为熔接损坏而降低顶头的寿命。特别是当L1+L2超过d的三倍时，除了前端辗轧部容易变形以外，因为顶头的全长过长而不能够正常设定顶头长度。
此外，可以看出，当所用形状中的R和L3使上述参数“(d/2BD)/(R/L3)”不到0.020时，不能得到抑制两区段型顶头以上的圆周方向剪切变形的产生的效果。
从而，在第一发明的方法中，当坯段的外径为BD时，在上述图3所示形状的顶头的各部分尺寸中，至少上述外径d、曲率半径R、轴向长度L1、L2和L3满足下述公式(1)～(3)中任何一个。
0.12≤d/BD≤0.35                …(1)
0.020≤(d/2BD)/(R/L3)≤0.046    …(2)
0.5d≤L1+L2≤3d                 …(3)
其中，构成轴向长度为L1+L2的前端辗轧部的前端球面的曲率半径r优选为0.5d(L1＝r)，但是也不一定必须为r＝0.5d，r＞0.5d也可以。但是，若r过大，则其前端面近似于平滑面，来自于顶头的对坯段的轴向反作用力增大，使坯段的前进速度降低，增加了回转锻造的次数，容易发生曼内斯曼破坏，所以希望r的上限最大保持在r＝d的程度。
此外，前端辗轧部的外径为d、轴向长度为L2的圆柱形部分，在轴向上也并非必须是等径的，考虑到反复进行改刀切削和热处理而重新使用，采取从外径d的轴向前端向着后端逐渐增大而成为锥度的半角在2°以下的圆锥形也是可以的。
而且，均整部是为了使壁厚一定而设置的部位，在这里不充分参与壁厚加工。因此希望均整部的角度与辊子送出侧的面角大致相同。
2.第二发明的方法
如上述图8所示，为了在坯段的穿孔辗轧过程中抑制曼内斯曼破坏的发生、制造出在内表面没有瑕疵的中空管坯，在减小设定时的顶头前端倾角率PDR(％)的同时，提高穿孔效率是有效的。这是因为通过降低前端倾角率PDR(％)而实现了缩短坯段从与主辊啮合至顶头前端的距离，从而减少回转锻造的次数，抑制曼内斯曼破坏的发生。
当设辗轧辊送出侧的坯段速度的轴向分量为Vs，辊圆周速度的轴向分量为Vr，主辊的倾斜角为β的情况下，上述穿孔效率FE由下式(9)所规定。
FE＝Vs/Vr×sinβ×100(％)                        …(9)
通过提高穿孔效率FE，同样能够降低回转锻造的次数，从而可以减少曼内斯曼破坏的发生。
然而，当减小顶头前端倾角率PDR(％)时，容易引起坯段的啮合不良，在降低顶头前端倾角率PDR(％)时存在有啮合界限。在发生啮合不良时，为了除去此坯段而不得不停止穿孔辗轧机，因此会明显降低生产率。
对此，根据本发明人的研究可以看出，在上述图3所示形状的顶头中，若改善顶头的形状而将前端辗轧部变尖，则能够在扩大啮合界限的同时，在降低顶头前端倾角率PDR(％)的状态下来维持高穿孔效率FE。
然而，若将顶头的前端辗轧部变尖，则随着热容量的降低，前端辗轧部易于熔接损坏。在此，增加了进一步研究的结果，明确了若能够确保前端辗轧部在预定的高温强度，则即使顶头为尖头化也不会使前端辗轧部因熔接而损坏，从而能够扩大啮合的界限。
具体地说，至少要将顶头前端辗轧部在1100℃的拉伸强度提高到50MPa以上。在此，作为目标温度的1100℃，是在表面上形成氧化层的状态下，构成前端辗轧部的材料能够上升的最高温度。
此时，设必要的强度为50MPa以上，是因为与一般作为顶头材料而使用的含有3％的Cr和1％的Ni的钢在1100℃的拉伸强度相比，必须要具有1.2～2倍以上的强度。这是由于，如果不能确保上述强度以上的特性，则在下述的模型轧延机测试中，就不能看出在顶头寿命上的优越性。
在第二发明的方法中，上述高温强度至少在顶头前端辗轧部是必须要确保的。因此，在这里使用的顶头，在满足这一点的限度内，其前端辗轧部以外的部分，即构成工作部和均整部的主要材料部的强度，只要满足通常的顶头强度就可以。
基于上述认识，当确保顶头前端辗轧部的高温强度，在上述图3所示形状的顶头的各部分的尺寸中，若满足其前端辗轧部外径d是坯段外径BD的0.12倍以下，轴向长度L1+L2是d的0.5倍以上，而且曲率半径R和L3使得上述参数“(d/2BD)/(R/L3)”在0.046以下的形状时，即使顶头前端的倾角率PDR小至在上述第一发明方法中使用的顶头界限值以上，也不会发生啮合不良，不会看出前端辗轧部因熔接而损坏，能够有效地制造出在内表面上没有瑕疵的中空管坯。
另一方面，与上述第一发明方法相同，若d不足BD的0.06倍，则无论如何实现前端辗轧部的强化，也会因为热容量减小而易于发生熔接损坏。而且，当L1+L2超过d的三倍时，除了前端辗轧部变得容易变形以外，还因为顶头整体长度过长而不能进行正常的顶头设定。
此外，当采用R和L3使上述参数“(d/2BD)/(R/L3)”不到0.020的形状时，得不到两区段型顶头以上的的圆周方向剪切变形的抑制效果。
从而，在第二发明方法中，当坯段的外径为BD时，使用在上述图3所示形状的顶头各部分尺寸中，至少上述外径d、曲率半径R、轴向长度L1、L2和L3满足下述公式(2)～(4)中任何一个的形状的顶头。
0.06≤d/BD≤0.12                …(4)
0.020≤(d/2BD)/(R/L3)≤0.046    …(2)
0.5d≤L1+L2≤3d                 …(3)
在第二发明方法中使用的顶头中，必须为预定高温强度的只是该顶头的前端辗轧部。因此，将该顶头在前端辗轧部使用的材料和构成工作部以及均整部的材料分割开是有效的。
因此，在制造顶头时，可以使用铸造法和组装法中的任何一种。但是，用熔接堆焊法构成顶头的前端辗轧部，因为对基本材料产生热影响，所以不能被用来作为制造顶头的方法。
图10是表示通过组装法制造的分离顶头的结构例的图。在该图(a)中，前端辗轧部是构成圆筒状而组装的，而在该图(b)中，前端辗轧部是在圆筒部分加上肩台而构成组装的。
当前端辗轧部是如该图(a)所示的圆筒状时，由于在均整部的损伤会增大，所以根据穿孔辗轧的条件，希望适当地选择在(a)和(b)中所示的前端辗轧部。而且，从顶头的维修保养性的方面出发，希望能够更换顶头的前端辗轧部。
通常，作为顶头的基本材料，希望使用Cr含量为0.5％、Ni含量为1.5％、W含量为3.0％的钢材。在此情况下，从氧化层的紧密性或者顶头寿命的观点出发，希望基本材料的氧化层厚度在200μm～1000μm的范围内。此外，作为在前端辗轧部使用的材料，希望使用含有W、Mo的高强度钢、Nb-10％W-2.5％Zr的Nb合金、或者Mo-0.5％Ti-0.08％Zr的Mo合金。这是因为能够充分地满足所要求的高温强度。
而且，作为在前端辗轧部使用的部件，也可以使用在基本材料上形成氧化层的部件。由于形成厚氧化层的部件表面被覆盖，所以能够在确保耐热性而有效地抑制熔接损坏的同时，厚氧化层在穿孔辗轧时还起着提高润滑性能的作用。
在形成厚氧化层的情况下，其部件的氧化层厚度希望在基本材料氧化层厚度的1.5～3倍的范围内。在不足1.5倍时，不能确保耐热性，而超过3倍时，部件的直径变细而难以装配。
在本发明中的氧化层处理并不限定使用特定种类的处理炉，只需使用通常的热处理炉即可。氧化层处理例如可以在1000℃～1100℃的温度范围内进行，氧化层厚度可以通过处理时间来进行调节。
下面，基于实施例具体说明本发明的第一和第二发明方法。
(实施例1)
在实施例1中，通过使用模型轧延机进行穿孔辗轧来确认第一发明方法的效果。作为使用的顶头，准备两区段型顶头和上述图3所示形状的顶头，它们的各部分尺寸如表1所示。两区段型顶头取一种(表1中的符号F)。任何顶头的材质都是0.5％Cr-1.5％Mo-3.0％W系的不锈钢。
模型轧延机的主辊，在任何一个圆凿部外径都是410mm、倾角β被设定为0°、交叉角γ被设置为后述各角度的状态下，主辊的进入面与和通过线X-X平行的直线构成的角度是进入侧面角，主辊的送出侧面与和通过线X-X平行的直线构成的角度是送出侧面角，总共准备了3.5°的四种(一种桶形，三种锥形)。
图11是表示模型轧延机的主辊结构和顶头设定状况的图，该图(a)表示桶形辊的情况，该图(b)表示锥形辊的情况。省略具体尺寸的记载，但是图11(b)所示的锥形主辊的进入侧直径DF和送出侧直径DR制成下述的每个交叉角γ(5°、10°和15°)不同的直径。
准备的顶头和主辊，设定在模型轧延机上，将外径70mm、长度300mm的由18％Cr-8％Ni-1％Nb的奥氏体不锈钢构成的坯段加热到1250℃，进行穿孔辗轧实验，得到外径74mm、壁厚5.8mm、长度930mm的中空管坯。该18％Cr-8％Ni-1％Nb钢是在热加工性能不好的奥氏体不锈钢中选择的热加工性能特别不好的材料。
在进行穿孔辗轧实验时，主辊的倾角β全部为10°，锥形主辊的交叉角γ分别为5°、10°、15°。此外，顶头前端倾角率PDR按照3％、4％、5％、6％和7％五段变化。此时的主辊间的最短距离RO和ROP、以及顶头导程PL(各自参照图8)的设定尺寸如表2所示。
试验的结果显示在表3中。在使用满足本发明所规定条件的顶头(符号B～D)的情况下，即使顶头前端倾角率PDR低至3％，也不会引起啮合不良，从而得到在内表面没有瑕疵的中空管坯。
与此相反，在使用不满足本发明所规定条件的顶头(符号A、E、G)和两区段型顶头(符号F)的情况下，在顶头前端倾角率PDR为3％时都会引起啮合不良，按照不同的顶头，即使在顶头前端的倾角率PDR增大到4％以上也会引起啮合不良。此外，不满足公式(1)和(2)的顶头(符号H)在任何条件下其前端都会发生熔接损坏。
而且，在使用满足本发明所规定条件的顶头(符号B～D)的情况下，在主辊是桶形且交叉角γ为0°的穿轧机中，不会产生内表面瑕疵的顶头前端倾角率PDR的最大值为6％，而在使用不满足本发明所规定条件的顶头的情况下，其最大值降低到4％。
此外，在主辊是圆锥形且交叉角γ为5°的穿轧机中，不会产生内表面瑕疵的顶头前端倾角率PDR的最大值为7％，而在使用不满足本发明所规定条件的顶头的情况下，其最大值降低到5％，该倾向越是交叉角γ大的穿轧机越明显。与此相反，在使用两区段型顶头情况下不产生内表面瑕疵的前端倾角率PDR，在交叉角γ是10°和15°的穿轧机中只有5％。
                                                                               表1
  符号                                            顶头各部分的尺寸   d/BD   (d/2BD)/(R/L3)   (L1+L2)/d
  D   d   L1   L2   L3   L4   θr   θ   r   R
  A 60.0   17.0   8.5   4.0   60.0   47.5   5.0 4.0   8.5   152.6   0.24   *0.048    *0.74
  B   15.0   7.5   5.0   62.5   45.0   6.0   7.5   168.3   0.21    0.040     0.83
  C   75.0   32.5   245.8    0.033
  D   11.0   5.5   7.0   8.0   5.5   264.4   0.16    0.022     1.14
  E   80.0   27.5   9.5   381.2   *0.016
  F   *_   4.2   *_   70.8   45.0   6.0   7.5   214.9   *_    *_     *_
  G   25.0   5.5   7.0   80.0   27.5   9.5   17.0   1552.0  *0.36   *0.009     0.50
  H   7.0   3.5   82.0   3.5   342.2  *0.10   *0.012     1.50
注1)D、d、L1～L4、r、R的单位是mm，θr和θ的单位是“°”
注2)*表示在本发明的范围以外
                                                                                  表2
                                                       顶头前端倾角率[PDR＝{(BD-ROP)/BD}×100(％)]
               3％               4％               5％               6％               7％
  RO   PL   ROP   RO   PL   ROP   RO   PL   ROP   RO   PL   ROP   RO   PL   ROP
  61.5   50.0   67.9   61.2   47.5   67.2   60.8   45.0   66.5   60.4   42.5   65.8   60.1   40.0   65.1
注)RO、ROP和PL的单位是mm
                                                                                               表3
  交叉角γ                       0°                       5°                     10°                       15°
  PDR(％)   3   4   5   6   7   3   4   5   6   7   3   4   5   6   7   3   4   5   6   7
顶头符号  *A   M   ○   ×   ×   ×   M   ○   ○   ×   ×   M   ○   ○   ○   ×   M   ○   ○   ○   ×
  B   ○   ○   ○   ×   ×   ○   ○   ○   ○   ×   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  C   ○   ○   ○   ○   ×   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○   ○
  D   ○   ○   ○   ×   ×   ○   ○   ○   ○   ×   ○   ○   ○   ○   ×   ○   ○   ○   ○   ○
 *E   ○   ○   ×   ×   ×   ○   ○   ○   ×   ×   ○   ○   ○   ×   ×   ○   ○   ○   ○   ×
 *F   M   M   ×   ×   ×   M   M   ×   ×   ×   M   M   ○   ×   ×   M   M   ○   ×   ×
 *G   M   M   M   M   M   M   M   M   M   M   M   M   M   M   M   M   M   M   M   M
 *H   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P   P
注1)*表示在本发明规定的范围以外
注2)○表示不发生中等斑点瑕疵
×表示发生中等斑点瑕疵
M发生啮合不良
P在顶头前端发生熔接损坏
(实施例2)
在实施例2中，确认使用同样的模型轧延机的第二发明方法的效果。作为使用的顶头，准备在上述图3中所示形状的三种顶头，其各部分的尺寸如下表4中所示。
每一个顶头的基本材料都是3.0％Cr-1.0％Ni系钢，其强度为在1100℃的拉伸强度是30MPa。此外，在前端辗轧部，使用在Nb-10％W-2.5％Zr的Nb合金、Mo-0.5％Ti-0.08％Zr的Mo合金以及铁系高强度钢等四种基本材料上附加了氧化层的部件。
作为使用的顶头的物理性能，测定了前端辗轧部在1100℃下的拉伸强度和基本材料氧化层的厚度，显示在表5(1)～(3)中。此时的氧化层处理在1000～1100℃的温度范围内进行，通过调节处理时间来改变氧化层厚度。氧化层处理炉使用通常的热处理炉。
顶头的结构是前端辗轧部能够更换的，顶头的分离方式从上述图10(a)或者(b)中所示的方式中选择，在区分为(a)或者(b)的表5(1)～(3)中表示分离结构的例子。
模型轧延机的主辊，设定为与在实施例1中使用的锥形辊相同的条件，在进行穿孔辗轧实验时，主辊的倾角β为10°，锥形主辊的交叉角γ是5°。顶头前端倾角率PDR在2.0～7.0％的范围内分七段变化。
在穿孔辗轧实验中使用的坯段与实施例1相同，将由外径70mm、长度300mm的18％Cr-8％Ni-1％Nb的奥氏体系不锈钢构成的坯段在1250℃加热，穿孔辗轧外径74mm、壁厚5.8mm、长度930mm的中空管坯，其试验结果显示在表5(1)～(3)中。
                                                                                           表4
符号 顶头各部分的尺寸 d/BD (d/2BD)/(R/L3) (L1+L2)/d
  D   d   L1   L2   L3   L4   θr   θ   r   R
  I   60.0   7.0   3.5   7.0   82.0   27.5   9.5   4.0   3.5   342.2    0.100    0.027   1.50
  J   60.0   5.0   2.5   8.0   82.0   27.5   7.5   4.0   2.5   251.7    0.071    0.020   1.50
 *K   60.0   3.6   1.8   8.7   82.0   27.5   4.0   4.0   1.8   180.9   *0.015   *0.015   1.50
注1)D、d、L1～L4、r、R的单位是mm，θr和θ的单位是“°”
注2)*表示在本发明的范围以外
                                                                 表5(1)
顶头符号 前端压延部分 顶头物理性能 穿孔压延条件(交叉角γ＝5°)
                                  PDR(％)
  分离方式   部件材质   拉伸强度(MPa)   氧化层厚度(μm) 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
I (a)   3Cr-1Ni0.5Cr-1.5Mo-3W1.5Cr-2.5Ni-0.1W-0.1Mo0.5Cr-1.5Mo-3W1.5Cr-3Ni-0.5Mo-1W3Mn-3Mo-4WNb合金Mo合金3Mn-3Mo-4W3Mn-3Mo-4W  *305550555660＞100＞1006060   6001004006005008009001500 PPPPPP○○PP PP○○○○○○○○ PP○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ ××××××××××
(b)   3Cr-1Ni0.5Cr-1.5Mo-3W1.5Cr-2.5Ni-0.1W-0.1Mo0.5Cr-1.5Mo-3W1.5Cr-3Ni-0.5Mo-1W3Mn-3Mo-4WNb合金Mo合金3Mn-3Mo-4W3Mn-3Mo-4W  *305550555660＞100＞1006060   6001004006005008009501200 PPPPPP○○PP PP○○○○○○○○ PP○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ ××××××××××
注1)*表示在本发明规定的范围以外
注2)○表示不发生中等斑点瑕疵
×表示发生中等斑点瑕疵
P表示顶头前端发生熔接损坏
注3)前端压延部分中厚氧化层表示在薄的材料中形成厚氧化层的部件
                                                                表5(2)
顶头符号 前端压延部分 顶头物理性能 穿孔压延条件(交叉角γ＝5°)
                                      PDR(％)
  分离方式   部件材质   拉伸强度(MPa)   氧化层厚度(μm) 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
J (a)   3Cr-1Ni0.5Cr-1.5Mo-3W1.5Cr-2.5Ni-0.1W-0.1Mo0.5Cr-1.5Mo-3W1.5Cr-3Ni-0.5Mo-1W3Mn-3Mo-4WNb合金Mo合金3Mn-3Mo-4W3Mn-3Mo-4W  *305550555660＞100＞1006060   6001004006005008009002000 PPPPPP○○PP PP○○○○○○○○ PP○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ ××××××××××
(b)   3Cr-1Ni0.5Cr-1.5Mo-3W1.5Cr-2.5Ni-0.1W-0.1Mo0.5Cr-1.5Mo-3W1.5Cr-3Ni-0.5Mo-1W3Mn-3Mo-4WNb合金Mo合金3Mn-3Mo-4W3Mn-3Mo-4W  *305550555660＞100＞1006060   6001004006005008009801200 PPPPPP○○PP PP○○○○○○○○ PP○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ P○○○○○○○○○ ××××××××××
注1)*表示在本发明规定的范围以外
注2)○表示不发生中等斑点瑕疵
×表示发生中等斑点瑕疵
P表示顶头前端发生熔接损坏
注3)前端压延部分中厚氧化层表示在薄的材料中形成厚氧化层的部件
                                                                 表5(3)
顶头符号 前端压延部分 顶头物理性能 穿孔压延条件(交叉角γ＝5°)
                                      PDR(％)
  分离方式   部件材质   拉伸强度(MPa)   氧化层厚度(μm)   2.0   2.5   3.0   4.0   5.0   6.0   7.0
*K (a)   1.5Cr-2.5Ni-0.1W-0.1Mo   50   400   P   P   P   P   P   P   ×
  0.5Cr-1.5Mo-3W   55   600   P   P   P   P   P   P   ×
  1.5Cr-3Ni-0.5Mo-1W   56   500   P   P   P   P   P   P   ×
  3Mn-3Mo-4W   60   800   P   P   P   P   P   P   ×
  Nb合金   ＞100   P   P   P   P   P   P   ×
  Mo合金   ＞100   P   P   P   P   P   P   ×
  3Mn-3Mo-4W   60   900   P   P   P   P   P   P   ×
(b)   1.5Cr-3Ni-0.5Mo-1W   56   500   P   P   P   P   P   P   ×
  3Mn-3Mo-4W   60   800   P   P   P   P   P   P   ×
  Nb合金   ＞100   P   P   P   P   P   P   ×
  Mo合金   ＞100   P   P   P   P   P   P   ×
  3Mn-3Mo-4W   60   850   P   P   P   P   P   P   ×
注1)*表示在本发明规定的范围以外
注2)○表示不发生中等斑点瑕疵
×表示发生中等斑点瑕疵
P表示顶头前端发生熔接损坏
注3)前端压延部分中厚氧化层表示在薄的材料中形成厚氧化层的部件
从上述表5(1)、(2)的结果可以看出，作为满足在本发明规定的关系的顶头(符号I、J)，其前端辗轧部在1100℃的拉伸强度也满足的情况下，即使顶头前端倾角率PDR低至2.5％，也不会发生啮合不良，能够得到中空管坯。但是，氧化层厚度过薄或者在形成厚氧化层的部件中，顶头前端倾角率PDR在2.0～2.5％就会发生熔接损坏。
另一方面，从上述表5(3)的结果看出，在使用不满足本发明规定条件的顶头(符号K)的情况下，在任何条件下前端都会发生熔接，即使是由Nb合金、Mo合金制造的部件，在很宽的范围内也发生熔接损坏。
产业上利用的可能性
按照本发明的无缝金属管的制造方法，不会发生坯段的啮合不良，能够大幅度地抑制曼内斯曼破坏和圆周方向剪切变形。由此能够以很高的生产率制造出内表面瑕疵很少的内表面质量优异的制品。而且，通过强化顶头的前端的辗轧部，实现顶头的尖头化，能够在扩大啮合界限的同时，更有效地生产出内表面质量优异的制品。基于此，可以适用于无缝金属管穿孔辗轧的广泛领域中。

Claims (6)

1.一种无缝金属管的制造方法，其特征在于：
该方法是使用具有下述部分的顶头，通过斜辊式穿孔辗轧机对外径为BD(mm)的实心圆形坯段实施穿孔辗轧的无缝金属管的制造方法，其中，所述顶头具有：
前端辗轧部，是外径d(mm)沿着轴向始终相等或者外径d向着轴向后端逐渐增大的锥度的半角在2°以下的轴向长度为L2(mm)的圆柱状，其前端面形成为曲率半径为r(mm)、轴向长度为L1(mm)的球面状；
工作部，以与该前端辗轧部连接且外径向着轴向后端逐渐增大的方式形成曲率半径为R(mm)的圆弧旋转面，轴向长度为L3(mm)；以及
均整部，以与该工作部连接且外径向着轴向后端的最大外径D(mm)增大的方式形成锥度为2θ(°)的圆锥状，轴向长度为L4(mm)，其中，
所述顶头的外径d、曲率半径R、轴向长度L1、L2以及L3与实心圆形坯段外径BD的关系满足下述公式(1)至(3)中的任何一个，
0.12≤d/BD≤0.35                …(1)
0.020≤(d/2BD)/(R/L3)≤0.046    …(2)
0.5d≤L1+L2≤3d                 …(3)。
2.一种无缝金属管的制造方法，其特征在于：
该方法是使用具有下述部分的顶头，通过斜辊式穿孔辗轧机对外径为BD(mm)的实心圆形坯段实施穿孔辗轧的无缝金属管的制造方法，其中，所述顶头具有：
前端辗轧部，是外径d(mm)沿着轴向始终相等或者外径d向着轴向后端逐渐增大的锥度的半角在2°以下的轴向长度为L2(mm)的圆柱状，其前端面形成为曲率半径为r(mm)、轴向长度为L1(mm)的球面状；
工作部，以与该前端辗轧部连接且外径向着轴向后端逐渐增大的方式形成曲率半径为R(mm)的圆弧旋转面，轴向长度为L3(mm)；以及
均整部，以与该工作部连接且外径向着轴向后端的最大外径D(mm)增大的方式形成锥度为2θ(°)的圆锥状，轴向长度为L4(mm)，
而且，所述前端辗轧部在1100℃下的拉伸强度至少为50MPa以上，其中，
所述顶头的外径d、曲率半径R、轴向长度L1、L2以及L3与实心圆形坯段外径BD的关系满足下述公式(2)至(4)中的任何一个，
0.06≤d/BD≤0.12                 …(4)
0.020≤(d/2BD)/(R/L3)≤0.046     …(2)
0.5d≤L1+L2≤3d                  …(3)。
3.如权利要求2中所述的无缝金属管的制造方法，其特征在于：
所述顶头的前端辗轧部是可更换的。
4.如权利要求1～3中任何一项所述的无缝金属管的制造方法，其特征在于：
构成所述工作部和均整部的基本材料的氧化层厚度为200μm～1000μm。
5.如权利要求2～4中任何一项所述的无缝金属管的制造方法，其特征在于：
所述顶头的前端辗轧部是在构成工作部和均整部的基本材料上形成氧化层的部件，该氧化层厚度在所述工作部和均整部的氧化层厚度的1.5～3倍的范围内。
6.如权利要求1～5中任何一项所述的无缝金属管的制造方法，其特征在于：
所述斜辊式的穿孔辗轧机的主辊形状是圆锥形，使用其辊轴心和通过线之间的距离在进入侧小、在送出侧大的交叉型斜辊式的穿孔辗轧机。
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