热轧无缝管用镀Cr芯棒和它的制造方法
技术领域
本发明涉及热轧无缝管用的工具和它的制造方法,更详细地说,是涉及在热轧无缝管的芯棒式无缝管轧机轧制时,可以实现延长寿命的镀Cr芯棒和它的制造方法。
背景技术
在制造小口径和中口径的热轧无缝管中,采用芯棒式无缝管轧机轧制的制管方法。
图1为简要说明芯棒式无缝管轧机轧制法的制管工序的图。用此制管方法把被加热到规定温度的实心圆坯料1作为被轧制材,用穿孔轧机(所谓的穿孔机)3对轴心部位进行穿孔加工,制造中空的毛管2。然后把得到的中空的毛管2提供给后续的芯棒式无缝管轧机4,进行延伸轧制。
在芯棒式无缝管轧机4中以轧制线为中心设置多组相面对配置的轧辊6,对中空毛管2进行压下,通过装入芯棒5和对毛管外面进行压下的轧辊6把中空的毛管2延伸。一般轧辊6装在轧机机架中,由于在相邻轧机机架之间以90°相位角配置轧辊6,所以中空毛管2的轧制方向在每个轧机机架改变90°进行轧制。
在此芯棒式无缝管轧机轧制中使用的芯棒5现在采用由JISSKD6、SKD61等热加工用工具钢构成的圆棒形原材料。而为了确保韧性和耐龟裂性能,一般把它的表面进行光滑地研磨后,通过芯棒主体的淬火和回火处理,把表面硬度调整到HV350~450左右,而且在芯棒表面形成氧化铁保护膜。
在芯棒式无缝管轧机轧制时,为了防止中空毛管2和芯棒5的发热胶着,在延伸轧制前,预先在芯棒5的表面上涂敷以固体润滑剂为主要成分的水溶性润滑剂,干燥后形成固体润滑保护膜。此外在需要提高润滑性能的情况下,预先向中空毛管内表面提供固体润滑剂,利用中空毛管2具有的热量使其熔融,形成液态润滑保护膜。
利用预先形成的液态润滑保护膜,减小延伸轧制时和芯棒拉拔时产生的在中空毛管2内表面和芯棒5表面之间产生的摩擦力,可以防止中空毛管2的发热胶着(seizure)和芯棒5的磨损。
可是在延伸轧制中,由于中空毛管2内表面和芯棒5表面之间处于严重的滑动摩擦状态,一般在两者之间保持完全的润滑状态是困难的。因此在芯棒反复使用中,产生磨损、发热胶着、表面粗糙和裂纹等表面缺陷,达到使用寿命。此后达到寿命的芯棒对外表面进行机械加工,作为更小外径的芯棒使用。
可是在用芯棒式无缝管轧机生产热轧无缝管的成本中的工具费用高,特别是芯棒需要的费用高。因此现在以降低热轧无缝管制造成本为目的,为了抑制在用芯棒式无缝管轧机轧制中使用的芯棒产生的表面缺陷,实现延长寿命,对改善表面状态进行了研究。
例如在特开昭63-20105号公报(下面称为“专利文献1”)中提出了通过在芯棒表面上设置每1mm两个以上的、最大深度50μm凹坑,使芯棒式无缝管轧机轧制时的摩擦系数减小,同时提高氧化铁皮的贴合性能的处理方法。
此外特开平4-284905号公报(下面称为“专利文献2”)中提出了把芯棒主体表面在圆周方向研磨后,进行精加工研磨,使长度方向的表面粗糙度Ra为4~12μm的轧制无缝管用芯棒的表面处理方法。此外在特开平8-164404号公报(下面称为“专利文献3”)中提出了圆周方向的表面粗糙度在中心线平均粗糙度(Ra)上为1.0~4.0μm的热轧无缝管轧制用芯棒。
在上述专利文献1~3中提出的芯棒和它的处理方法都是以在表面形成氧化铁保护膜为前题,以提高氧化铁保护膜的贴合性能为目的的。
因此如用上述专利文献1~3的芯棒,有关氧化铁保护膜的贴合性能可以看到希望的效果,但是即使对提出的芯棒进行表面处理,由于在延伸轧制中芯棒表层暴露在500~600℃的高温中,在棒表层引起氧化脱碳,表层软化。在表层软化的芯棒上即使形成氧化铁保护膜,也要产生发热胶着。因此用在表面形成氧化铁保护膜的芯棒不能充分实现延长使用寿命。
如上所述,用形成氧化铁保护膜的芯棒对延长寿命有一定限度。因此最近采用形成硬质的镀Cr保护膜来提高耐磨损性能的芯棒。也就是通过使形成的Cr镀层为50μm左右厚的镀层,隔断母材表面和大气中的氧的直接接触,防止氧化脱碳。
图2为在用芯棒式无缝管轧机生产不锈钢管的情况下,比较芯棒寿命的图。在此图中以形成氧化铁保护膜的芯棒的寿命为1,对比镀Cr芯棒的寿命。此外制管的不锈钢为SUS420J1等钢种。
镀Cr芯棒的寿命与形成氧化铁皮的芯棒相比明显提高,因制管尺寸和材质、特别是壁厚压下量的不同而改变,但可以看出平均提高5倍左右。
一般要采用镀Cr芯棒,作为初期的投资要导入施镀设备,作为以后的运转费与现在的形成氧化铁皮的芯棒的情况相同。因此关注使芯棒降低制造成本同时实现长的寿命,正在变成采用以镀Cr芯棒为主。
从这样的观点看关于延长镀Cr芯棒寿命还有几个方案。例如在特开平8-71618号公报(下面称为“专利文献4”)中提出了具有轴向的中心线平均粗糙度(Ra)为1.0~4.0μm的镀Cr保护膜的芯棒,在特开2000-246312号公报(下面称为“专利文献5”)中提出了具有轴向的中心线平均粗糙度(Ra)为0.1μm以上、小于1.0μm的镀Cr保护膜的芯棒。
此外在特开2001-1016号公报(下面称为“专利文献6”)中提出关于镀Cr保护膜的厚度为60~200μm的芯棒,在特开2000-351007号公报(下面称为“专利文献7”)中提出有关规定轴向表面的起伏形状的芯棒。
在上述专利文献4~7中提出的芯棒以镀Cr为前题,可以实现所期望的延长使用寿命。可是强烈要求降低无缝管的芯棒法中制管的成本,特别使把压缩工具费用为重点。从这样的情况考虑,对延长芯棒寿命还要求更大的改善。
发明内容
本发明是鉴于上述延长芯棒使用寿命的要求而进行的发明,目的是提供一种热轧无缝管用的镀Cr芯棒和它的制造方法,在用芯棒把无缝管延伸轧制时,可以抑制表面缺陷的产生,大幅度改善使用寿命。
本发明人为了解决上述课题,达到延长芯棒的寿命,对芯棒的表面状态对使用寿命的影响进行了详细地研究。
具体说,把表面状态有很大不同的专利文献4提出的芯棒和专利文献5提出的芯棒的使用寿命进行了对比。也就是专利文献4的芯棒具有轴向的中心线平均粗糙度(Ra)为1.0~4.0μm的镀Cr保护膜,专利文献5的芯棒具有轴向的中心线平均粗糙度(Ra)为0.1μm以上、小于1.0μm的镀Cr保护膜。
比较它们的使用寿命的结果是专利文献4提出的芯棒寿命长一些,但不能认为二者存在有价值的差别。也就是尽管两种芯棒的表面状态有很大差异,而二者的寿命不能认为存在有显著的有价值的差别。
本发明人为了辨明上述意外的结果,在轧制的中途停止芯棒式无缝管轧机的轧制,详细观察了两种芯棒上润滑剂残留的情况。使用的润滑剂是把以石墨为主要成分的水溶性润滑剂(例如特公昭59-37317号公报中发表)进行涂敷、干燥后的润滑剂。
图3为表示在芯棒式无缝管轧机轧制中途的芯棒表面的润滑剂残留状态的图,(a)为观察芯棒长度方向的残留情况,(b)为观察(a)中的X-X视场的芯棒的圆周方向的残留情况。如上所述,在芯棒式无缝管轧机轧制中,相面对配置的轧辊由于在每个轧机机架上改变90°,边改变90°的轧制区域边进行轧制。因此如图3(a)、(b)所示,轧制区域7和润滑剂残留区域8(斜线部分)沿轧制方向每次改变90°的方向。
专利文献4的轴向的中心线平均粗糙度(Ra)为1.0~4.0μm的芯棒与专利文献5的轴向的中心线平均粗糙度(Ra)为0.1μm以上、小于1.0μm的芯棒相比,轧制中途的润滑剂残留量多,稍有差别。
在图3(a)所示的润滑剂残留区域8中,由于不仅在轴向相面对的8a部位残留大量的润滑剂,而且在圆周方向相面对的8b部位也残留大量的润滑剂,所以推测在延伸轧制中,芯棒5表面的润滑剂不仅在轧制的轴向被挤出,而且在轧制的圆周方向被挤出。
换句话说,容易推测润滑剂在轧制中延伸比大的轧制轴向上被挤出,此外还认识到润滑剂在与轴向相比延伸比非常小的圆周方向也被挤出。
以此认识为基础,就可以理解在象专利文献4和专利文献5中提出的芯棒表面状态有很大差异的情况下,不能认为使用寿命存在有价值的差别的结果。
也就是为了防止芯棒的发热胶着,为了在轧制中使润滑剂残留在表面,仅规定芯棒的一个方向的表面状态是不够的。例如在通过研磨调整表面粗糙度的情况下,在与研磨方向成直角的方向的表面粗糙度即使适当,如与研磨方向平行的方向表面粗糙度过细的话,轧制中润滑剂也不残留。因此在芯棒表面容易产生发热胶着,
本发明是在此认识的基础上完成的发明,要点是下述(1)热轧无缝管用的镀Cr芯棒,和(2)的制造方法。
(1)热轧无缝管用的镀Cr芯棒的特征在于,在轴向和圆周方向的中心线平均粗糙度Ra为1.0~5.0μm,而且轴向和圆周方向的最大深度Rv在10μm以上。
上述镀Cr芯棒还优选,在轴向和圆周方向的最大高度Rp在30μm以下。
(2)热轧无缝管用的镀Cr芯棒制造方法的特征在于,在形成了在表面轴向和圆周方向的中心线平均粗糙度Ra为1.0~5.0μm、而且轴向和圆周方向的最大深度Rv在10μm以上的镀Cr保护膜后进行研磨。
在本发明中规定的“最大深度Rv”如图5所示,表示在断面曲线的基准长度内的最大谷底和平均线的距离,同样“最大高度Rp”表示在断面曲线的基准长度内的最大的峰和平均线的距离。
本发明的研磨可以采用“轻研磨”。所谓“轻研磨”是指不使“最大深度Rv”的值有大的变化,仅使“最大高度Rp”变小的处理,例如用比#280更微细的砂纸进行研磨。
附图说明
图1为说明用芯棒式无缝管轧机轧制法的制管工序的简况的图。
图2为在用芯棒式无缝管轧机生产不锈钢管的情况下比较芯棒寿命的图。
图3为表示在芯棒式无缝管轧机轧制的中途,芯棒表面的润滑剂残留情况的图,(a)为观察到的芯棒长度方向的残留情况,(b)为观察到的(a)中的X-X视场中的芯棒圆周方向的残留情况。
图4为说明规定芯棒表面状态(Ra、Rv)的范围的图,(a)表示轧制前的结构,(b)表示轧制后的结构。
图5为说明在本发明中规定的“最大深度Rv”和“最大高度Rp”的图。
图6为说明中心线平均粗糙度Ra和最大深度Rv对润滑剂滞留的作用不同的图。
图7与上述图6相同,为说明中心线平均粗糙度Ra和最大深度Rv对润滑剂滞留的作用不同的图。
具体实施方式
本发明的芯棒其特征在于,在轴向和圆周方向的中心线平均粗糙度Ra为1.0~5.0μm,而且轴向和圆周方向的最大深度Rv在10μm以上。规定轴向和圆周方向的表面状态是因为要在轧制中在表面上充分残留润滑剂,仅规定芯棒一个方向是不够的,必须规定轴向和圆周方向的两个方向。
图4为说明规定芯棒表面状态(Ra、Rv)的范围的图,(a)表示轧制前的结构,(b)表示轧制后的结构。作为对象的范围是在轧制时芯棒5与被轧制材2接触的整个长度和整个周向。
具体说如图4(a)所示,从轧制前芯棒5插入被轧制材2的状态下的被轧制材的底端2b到图4(b)所示的轧制后被轧制材的头部2t的、在芯棒接触长度L的全长和整周是作为对象的范围。把作为对象的范围例如轴向以1m的间隔、圆周方向每90°测定2个部位,可以把其平均值规定为芯棒的表面状态(Ra、Rv)。
轧制中的润滑剂的残留受到芯棒的中心线平均粗糙度Ra和断面曲线的最大深度Rv的影响。首先平均粗糙度Ra为1.0~5.0μm是必要的。也就是无论是轴向还是圆周方向,Ra在1.0μm以下的情况下,其方向上的保存润滑剂的特性都降低,在表面不残留润滑剂。另一方面如Ra超过5.0μm,在表面凸起部分产生发热胶着,使芯棒的使用寿命变短。
同时无论在轴向还是圆周方向,距平均线的最大深度Rv在10μm以上都是必要的。如最大深度Rv过小,由于不能确保用于保存润滑剂的深度,凹陷部分较早被磨掉,所以保存润滑剂的特性都降低,在表面不残留润滑剂。另一方面不规定最大深度Rv的上限,但优选在50μm以下。
在本发明中中心线平均粗糙度Ra和最大深度Rv都对用于使润滑剂残留的保存特性有非常大的影响,也就是对润滑剂的滞留有很大影响,但两者对润滑剂滞留的作用不同。具体说,中心线平均粗糙度Ra是表示润滑剂滞留的容积的指标,最大深度Rv可以捕捉作为表示润滑剂滞留的深度的指标。
图6和图7为说明中心线平均粗糙度Ra和最大深度Rv对润滑剂滞留的作用不同的图。图中的实线和虚线是示意表示芯棒的断面粗糙度曲线的图。
图6中所示的实线和虚线距平均线的最大深度Rv相同,但用虚线表示的中心线平均粗糙度Ra大,表示润滑剂滞留的容积大。相反用实线表示的由于润滑剂滞留的容积小,担心润滑剂不能保存足够的量。
图7中所示的实线和虚线其中心线的平均粗糙度Ra相同,但用实线表示的距平均线的最大深度Rv大,表示润滑剂滞留的深度深。相反用实线表示的润滑剂滞留的深度浅,所以凹陷部分较早磨掉,担心润滑剂的保存特性降低。
因此为了在轧制中使润滑剂残留,要保持润滑剂滞留的容积的同时,确保润滑剂的深度是必要的。因此表示润滑剂滞留的容积的中心线平均粗糙度Ra和表示润滑剂滞留的深度的最大深度Rv同时满足上述条件是必要的。
此外在本发明的芯棒中,轴向和圆周方向的中心线平均粗糙度Ra和最大深度Rv为适当范围,即使可以确保润滑剂滞留,在距平均线的最大高度Rp大的情况下,存在于表面的凸起部分容易产生发热胶着,有时它成为主要原因,不能延长使用寿命。
为了避免这种情况,优选进行管理,使在轴向和圆周方向距平均线的最大高度Rp在30μm以下。
在制造本发明的芯棒时,如可以调整轴向和圆周方向的表面状态,以使在上述的规定的中心线平均粗糙度Ra和最大深度Rv为适当范围,表面加工方法也可以采用喷丸、磨削、研磨、掩膜蚀刻和激光处理等任何方法。其中简便有效的表面加工方法是喷丸,应该注意把它用于本发明的芯棒表面加工的情况。
首先必须是喷丸前的轴向和圆周方向的中心线平均粗糙度Ra比喷丸后要达到的轴向和圆周方向的中心线平均粗糙度Ra要小。如在芯棒上进行喷丸,由于削去其表面,所以可以认为喷丸前的表面粗糙度对喷丸后的表面粗糙度没有影响,但是对喷丸前的表面粗糙度的管理是重要的。
例如在圆周方向进行磨削、研磨后实施喷丸的情况下,轴向的中心线平均粗糙度Ra为适当范围,但是有时圆周方向的中心线平均粗糙度Ra在适当范围以外。这是因为从外观上即使按照全面进行喷丸的方式来作,喷丸颗粒不具有的足够的能量到达用磨削、研磨形成的凹陷部位,不能充分喷丸。
因此喷丸前的轴向和圆周方向的中心线平均粗糙度Ra比喷丸后作为目标的中心线平均粗糙度Ra要小是必要的。具体说可以例举的有,作为喷丸加工,使用带式机(带式研磨装置)等在精研磨后进行喷丸处理的方法等。
其次需要对从喷丸喷嘴到芯棒表面的喷嘴距离进行管理,要在适当范围。为了确保喷丸的研磨扫描力,有时使喷嘴靠近表面,但是如喷嘴距离过小,喷丸的颗粒分布不均,有时轴向和圆周方向的Ra不同。在这种情况下,轴向或圆周方向中的某一个方向的中心线平均粗糙度Ra偏离适当范围。
因此把喷嘴距离管理在适当范围是必要的。例如在本发明中,在通过固定的喷丸喷嘴对边旋转边前进的芯棒进行喷丸处理的情况下,使用平均颗粒直径:0.1~0.4mm、硬度HRC55以上的钢砂,可以使用喷射压力:35~40Mpa、喷嘴距离:150~300mm的处理条件。可是举例的条件是以硬度Hs:45~55左右的热加工工具钢(SKD6或SKD61)的芯棒为对象的条件,喷嘴距离的适当范围因被喷丸的材料的材质、硬度不同而不同。因此喷嘴距离的适当范围必须根据喷丸条件适当确定。
此外镀Cr处理后镀膜的表面粗糙度可以通过调整镀前的芯棒的表面粗糙度进行调整。一般通过镀Cr,表面粗糙度具有比基底表面粗糙度稍低的倾向。考虑到此情况,必须要预先调整镀Cr处理前的芯棒的轴向和圆周方向的中心线平均粗糙度Ra和最大深度Rv,以及在必要的情况下,也必须要预先调整轴向和圆周方向的最大高度Rp。
在本发明的制造方法中,镀Cr的处理方法和它的条件没有特别的限定,可以是习惯使用的处理方法和条件。例如考虑与芯棒的基底的贴合性能,在与处理一般的机械部件等的情况同样的处理条件下,优选用电镀法进行处理。
上述制造的本发明的芯棒的表面状态距平均线的最大高度Rp在30μm以上的情况下,对表面进行轻研磨是有效的。作为具体的轻研磨的处理条件可以例举的是用比#280更微细的砂纸进行研磨。
实施例
本发明的芯棒的效果在实际的轧制钢管中得到确认。使用的芯棒用JIS中规定的SKD61,调查了轧制尺寸为外径200~450mm、长度为24m的直到使用寿命的根数。是否达到使用寿命的判断根据在芯棒表面是否产生发热胶着,在芯棒表面上在用目测观察到象被挖掉那样的开口形的表面缺陷的情况下,认为发生了发热胶着。作为对象的瑕疵的深度,浅的为200μm左右,深的达1mm。
使用过的芯棒在磨削、研磨到规定尺寸后,实施喷丸加工,然后实施50μm厚的镀Cr。在芯棒的表面加工时,喷丸前的表面粗糙度实施精研磨,使轴向和圆周方向的中心线平均粗糙度Ra为0.5以下。
喷丸用S1~S5的五种颗粒直径(S1:0.1mm、S2:0.15mm、S3:0.23mm、S4:0.36mm、S5:0.7mm)、硬度HRC55以上的钢砂,在喷射压力为35~40Mpa和喷嘴距离150~450mm的处理条件下进行。在实施例中采用的喷丸前的表面粗糙度(Ra)和喷丸条件示于表1。
表1
试验No. |
喷丸前表面粗糙度 |
喷丸条件 |
Ra(μm) |
种类 |
喷射压力(Mpa) |
喷嘴距离(mm) |
轴向 |
圆周方向 |
本发明例 |
1 |
0.5 |
0.5 |
S1 |
35~40 |
150~250 |
2 |
0.4 |
0.5 |
S2 |
35~40 |
150~250 |
3 |
0.5 |
0.4 |
S3 |
35~40 |
150~250 |
4 |
0.4 |
0.5 |
S4 |
35~40 |
150~250 |
对比例 |
5 |
0.5 |
0.4 |
- |
- |
- |
6 |
3.6 |
0.7 |
- |
- |
- |
7 |
3.5 |
0.7 |
S4 |
35~40 |
150~250 |
8 |
0.5 |
0.4 |
S1 |
35~40 |
350~450 |
9 |
0.4 |
0.5 |
S5 |
35~40 |
150~250 |
本发明例No.1~3在喷丸加工后实施镀Cr。本发明例No.4在喷丸加工后实施镀Cr,再最终精加工,用#400砂纸进行研磨。
另一方面对比例No.5用#400砂纸以5N的负荷按压,把表面精加工后实施镀Cr。对比例No6在圆周方向研磨后实施喷丸加工。对比例No.7在圆周方向研磨后实施喷丸,然后实施镀Cr。对比例No.8和9在实施喷丸加工后镀Cr。
使用本发明例No.1~4和对比例No.5~9的轧制结果示于表2。
表2
试验No. |
芯棒表面状态 |
轧制结果 |
Ra(μm) |
Rv(μm) |
Rp(μm) |
使用寿命(根数) | 评价 |
轴向 |
圆周方向 |
轴向 |
圆周方向 |
轴向 |
圆周方向 |
本发明例 |
1 |
1.2 |
1.3 |
15 |
16 |
13 |
12 |
1258 |
◎ |
2 |
3.3 |
3.1 |
24 |
26 |
22 |
21 |
1496 |
◎ |
3 |
4.4 |
4.1 |
33 |
30 |
21 |
23 |
1686 |
◎ |
4 |
4.5 |
4.3 |
36 |
33 |
*38 |
*37 |
1079 |
○ |
对比例 |
5 |
**0.6 |
**0.5 |
**3 |
**4 |
5 |
4 |
654 |
× |
6 |
3.5 |
**0.6 |
21 |
8 |
25 |
9 |
657 |
× |
7 |
2.1 |
**0.8 |
31 |
11 |
27 |
15 |
752 |
× |
8 |
1.2 |
1.3 |
**8 |
**7 |
10 |
9 |
865 |
× |
9 |
**5.6 |
**5.5 |
46 |
44 |
*48 |
*45 |
353 |
× |
注)表中带**的表示在本发明规定的范围以外,带*的表示不具有希望的条件。
从表1所示的结果可以看出,在满足本发明规定的轴向和圆周方向的Ra和RV的本发明例中,都能实现使用寿命在1000根以上的长寿命。此外在轴向和圆周方向的最大高度为30μm以下的本发明例1~3中,使用寿命在1200根以上,实现了进一步使寿命延长。
与此相反,芯棒的某表面状态在本发明规定的范围以外的对比例中,使用寿命都停留在1000根以下,没有实现延长寿命。
工业实用性
如采用本发明的热轧无缝管用的镀Cr芯棒,由于同时规定轴向和圆周方向的中心线平均粗糙度Ra和轴向和圆周方向的最大深度Rv,再限定轴向和圆周方向的最大高度Rp,延伸轧制时在芯棒的表面难以产生发热胶着和其他的表面缺陷,所以可以使使用寿命大幅度提高,达到大幅度压缩工具费的目的。而且也非常有助于改善芯棒式无缝管轧机轧制的无缝管的内表面质量。
因此本发明的制造方法可以以低廉的制造成本而且有效地得到上述热轧无缝管用镀Cr芯棒,可以广泛用于热轧无缝管的制造领域。