JP2000246312A - マンドレルバーおよびマンドレルミル圧延方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中空素管にマンドレルバーを挿入しておこな
う熱間継目無管の圧延に際し、潤滑性能の向上を図り圧
延される継目無管の内面品質の向上が図れるマンドレル
バーならびに圧延方法を提供する。 【解決手段】 マンドレルバーの本体表面に軸方向の中
心線平均粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以上、１．０μｍ未
満のＣｒめっき皮膜を施す。その表面に固体潤滑皮膜を
形成させたマンドレルバーを内面に固体潤滑剤を供給し
液状潤滑皮膜を形成させた高温の中空素管に挿入して圧
延をおこなう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱間継目無管の圧
延工具と圧延方法に関し、さらに詳しくは、熱間での継
目無管の圧延に際し優れた摩擦特性および長期間の製管
寿命を発揮し、圧延される製品の内面品質を向上させる
マンドレルバーならびにそのマンドレルバーを用いた圧
延方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱間での小径ならびに中径の継目無管の
製管方法として、マンドレルミル圧延による方法が多用
されている。

【０００３】この製管方法においては、加熱したビレッ
トを穿孔機で穿孔して中空素管として、この中空素管の
内面に圧延工具であるマンドレルバーを挿入した後、対
向孔型ロールで構成されたスタンドを複数個設けたマン
ドレルミルに通し、中空素管を所定寸法の継目無管に圧
延する。圧延後、挿入されたマンドレルバーは継目無管
から引き抜かれる。

【０００４】一般的に、マンドレルミル圧延の際は、中
空素管とマンドレルバーとの焼き付きやマンドレルバー
の摩耗を防止するために、圧延の前に、マンドレルバー
表面に固体潤滑剤を主成分とした水溶性潤滑剤を塗布・
乾燥させて固体潤滑皮膜を予め形成し、さらに潤滑性を
向上させる必要がある場合にはさらに中空素管内面に固
体潤滑剤を供給して中空素管の熱によりその固体潤滑剤
を溶融させて液状潤滑皮膜を予め形成する。これによ
り、圧延時およびマンドレルバーの引き抜き時に発生す
る中空素管内面とマンドレルバー表面との間に発生する
摩擦力が減少し焼き付きやマンドレルバーの摩耗が防止
される。

【０００５】マンドレルミル圧延に使用されるマンドレ
ルバーとしては、従来からＳＫＤ６やＳＫＤ６１等の熱
間加工用工具鋼からなる丸棒素材が採用され、靭性や耐
き裂性を確保するため、その表面を滑らかに研磨した
後、マンドレルバー本体の焼入れ、焼戻し処理によっ
て、表面硬度をＨＶ３５０〜４５０程度に調整し、かつ
表面にスケール被膜を形成するのが一般的である。しか
し、熱間圧延中においてはマンドレルバー表面と素管内
面との接触面では厳しいすべり摩擦状態になるため、常
に完全な潤滑状態を保つのは容易ではなく、繰り返し使
用をおこなっているうちに摩耗、焼き付き、肌荒れ、ク
ラック等の疵がマンドレルバーの表面に生じて、その製
管寿命が低下する。

【０００６】マンドレルバーの表面に生じる摩耗等を防
止し、寿命の延長を図るために、従来から種々のマンド
レルバー表面の処理方法が提案されている。

【０００７】例えば、特開昭６３−２０１０５号公報で
は、マンドレルバー表面に最大深さ５０μｍの凹みを長
さ１ｍｍ当たり２ヶ以上設けることによって、マンドレ
ルミル圧延時の摩擦係数を小さくするとともに、スケー
ルの密着性を高める処理方法が提案されている。また、
特開平２−２０７９０４号公報にも、マンドレルバー本
体の円周方向に連続して深さが１０〜３０μｍの螺旋状
またはリング状の溝を設けることによって、マンドレル
バー表面の固体潤滑剤を保持し、被圧延材との潤滑状態
を改善する処理方法が開示されている。

【０００８】しかし、近年、油井用や化学工業用として
１３Ｃｒ鋼等からなる長尺の高合金鋼管の需要が高ま
り、これらを効率的に製造するため、マンドレルミル圧
延での製造が増加している。しかし、１３Ｃｒ鋼等の高
合金鋼の変形抵抗は炭素鋼に比べて高いため、高合金鋼
管を圧延する場合にマンドレルバー表面の温度は炭素鋼
を圧延する場合のそれに比べて極めて高くなる。そのた
め、従来から炭素鋼管または低合金鋼管用として汎用さ
れているマンドレルバーを高合金鋼管の圧延に用いる場
合には、マンドレルバー表面が軟化して摩耗し、その表
面に形成された潤滑被膜も部分的に消滅し、素管内面と
マンドレルバー表面との間で焼き付きが生じやすくな
る。

【０００９】マンドレルバー表面に焼き付きが発生する
と、素管内面およびマンドレルバー表面に軸方向の筋状
疵が発生し、管内面の手入れに多大の工数を要するとと
もに、マンドレルバーを交換せねばならず、甚だしい場
合には数十本の圧延ごとに交換する必要が生じて、製管
作業の効率を著しく低下させる。

【００１０】前述のマンドレルバーの処理方法（特開昭
６３−２０１０５号公報および特開平２−２０７９０４
号公報で提案のもの）は炭素鋼管の圧延時に適用するた
めに開発されたものであるが、炭素鋼管を圧延する場合
であっても必ずしも効果が一定しないのが実情であり、
１３Ｃｒ鋼等の高合金鋼管を圧延する場合には、圧延中
にマンドレルバー表面が軟化して表面の凹みや溝が消滅
してしまい、表面に生じる摩耗等を防止して寿命の延長
を図ることができないという問題があった。

【００１１】そこで本発明者らは、炭素鋼管や低合金鋼
管のみならず、１３Ｃｒ鋼等の高合金鋼管の圧延時のマ
ンドレルバーの表面疵を防止して製管寿命を延長し、鋼
管の内面品質を向上させるための手段として、特開平８
−７１６１８号公報で軸方向の中心線平均粗さが１．０
〜４．０μｍであるＣｒめっき被膜を施したマンドレル
バーを提示した。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、継目無管に
対しては従来より内面品質の一層の向上が要求されてお
り、圧延時におけるマンドレルバー表面と中空素管内面
との間の潤滑状態を良好にするため、前述したようにマ
ンドレルバー表面と中空素管内面の双方に予め潤滑皮膜
を形成しておこなう方法が指向されている。

【００１３】しかしながら、上記特開平８−７１６１８
号公報に提示された手段でも、１３Ｃｒ−７Ｎｉ鋼など
の高合金鋼管の圧延の場合に焼き付きの防止効果が不十
分であり、マンドレルバーの製管寿命が不十分であった
り内質不良が問題となることがある。本発明の課題は、
マンドレルバー表面と中空素管内面の双方に潤滑皮膜を
予め形成しておこなう圧延に際し、焼き付き等の疵の発
生を抑制し優れた製管寿命を発揮するとともに圧延され
る継目無管の内面品質を大幅に向上させることができる
マンドレルバーおよびその圧延方法を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、マンドレ
ルバー表面と中空素管の内面に潤滑皮膜を予め形成して
おこなう圧延を前提として、１３Ｃｒ鋼等の高合金鋼を
圧延する際のマンドレルバー寿命ならびに製品内面品質
を向上させるため種々の検討をおこない、以下の（ａ)
〜（ｆ) の知見を得た。

【００１５】(a) 前述の通り、工具の靭性や耐亀裂性を
向上させるため、マンドレルバー素材の表面硬度をＨＶ
３５０〜４５０程度に調整しているが、１３Ｃｒ等の高
合金鋼管を圧延する場合にはマンドレルバー表面の温度
上昇が激しく、軟化してしまうのでこの程度の表面硬度
では不十分である。

【００１６】(b) 高合金鋼管の圧延に用いられるマンド
レルバーの表面硬度は、ＨＶ８００〜１０００程度に高
めておく必要がある。

【００１７】(c) 表面硬度をＨＶ８００〜１０００程度
に高めるには、マンドレルバー表面にＣｒめっき皮膜を
施すのが有効である。

【００１８】(d) しかし、マンドレルバー表面や素管内
面の潤滑皮膜が不十分であるか、または一旦それが欠如
すると、表面にＣｒめっき皮膜を施したマンドレルバー
は、Ｃｒめっき皮膜を施していないものに比べて焼き付
き等の疵を発生しやすい。

【００１９】(e) 上記(d) の問題も、マンドレルバーの
表面に施すＣｒめっき皮膜の粗さを特定範囲に規定する
ことによって軽減することができる。すなわち、マンド
レルバー表面と中空素管内面にそれぞれ固体潤滑皮膜お
よび液状潤滑皮膜を予め形成して圧延する場合、特に１
３Ｃｒ−７Ｎｉ鋼などの高合金鋼管の圧延の場合に、上
記Ｃｒめっき皮膜の粗さを軸方向の中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）で０．１μｍ〜１．０μｍとすることにより、摩擦
係数が大幅に低下し焼き付きなどの疵が著しく低減す
る。

【００２０】(f) 上記摩擦係数の大幅な低下は以下の理
由によるものと考えられる。すなわち、潤滑皮膜が工具
と被圧延材との界面に存在し潤滑効果を発揮する場合、
摩擦力は潤滑皮膜のせん断抵抗によって生じる。固体潤
滑皮膜に比べ液状潤滑皮膜のせん断抵抗は小さい。した
がって、マンドレル表面に固体潤滑皮膜を形成するとと
もに中空素管内面に液状潤滑皮膜を形成することによ
り、界面は液状潤滑の状態となり摩擦係数を低下させる
ことができる。但し、液状潤滑皮膜は流動性が高く、マ
ンドレルバーの表面に施すＣｒめっき皮膜の粗さが粗い
場合には界面に導入された液状潤滑皮膜はＣｒめっき皮
膜の凹部に入り十分な潤滑効果を発揮しない。マンドレ
ルバーの表面に施すＣｒめっき皮膜の厚さを上記範囲と
することにより液状潤滑皮膜による摩擦係数の大幅な低
下が得られる。

【００２１】本発明は上記知見に基づき完成されたもの
で、その要旨は以下のとおりである。 (1) 表面に軸方向の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．１μ
ｍ以上、１．０μｍ未満のＣｒめっき皮膜を有すること
を特徴とするマンドレルミル圧延用マンドレルバー。

【００２２】(2) 表面に固体潤滑皮膜を形成させたマン
ドレルバーを内面に液状潤滑皮膜を形成させた中空素管
に挿入しておこなう圧延方法であって、上記マンドレル
バーとして本体表面に軸方向の中心線平均粗さ（Ｒａ）
が０．１μｍ以上、１．０μｍ未満のＣｒめっき皮膜を
有するマンドレルバーを用いることを特徴とするマンド
レルミル圧延方法。

【００２３】

【発明の実施の形態】マンドレルミル圧延では、マンド
レルバー表面と素管内面との間を完全な潤滑状態に保つ
のは容易ではなく、特に、被加工材が１３Ｃｒ等の高合
金鋼管の場合には、前述のように、マンドレルバー表面
が軟化して潤滑不良になり易い。これを防ぐには、表面
硬度を高めるためにマンドレルバーの表面にＣｒめっき
皮膜を形成するのが有効である。Ｃｒめっきを施すこと
によって、表面硬度をＨＶ８００〜１０００と高めるこ
とができ、マンドレルバー表面の軟化を防ぐことができ
るからである。

【００２４】通常、鋼材表面に硬化処理としてＣｒめっ
き皮膜を施す場合、耐摩耗性および美観を確保する観点
から、Ｃｒめっき後の表面はラッピングなどの後加工に
よって平滑化される（例えば、塑性加工学会、昭和６１
年８月発行、「最新塑性加工要覧」６８頁、参照）。し
かしながら、マンドレルミル圧延のように、マンドレル
バー表面と中空素管内面とが潤滑皮膜を介して接触する
場合においては、マンドレルバー表面のＣｒめっき皮膜
に適度の表面粗さを付加することによって、マンドレル
バー表面の摩擦係数を著しく低減するすることができ、
マンドレルバーの焼き付きなどの疵発生を防止すること
ができる。

【００２５】本発明者らの検討によれば、マンドレルバ
ー表面に固体潤滑剤を主成分とする水溶性潤滑剤を塗布
・乾燥させて固体潤滑皮膜を形成するとともに中空素管
内面に固体潤滑剤を供給し中空素管の熱で溶融させて液
状潤滑皮膜を形成させて圧延する場合、焼き付きなどの
疵を防止するには、マンドレルバーの表面に施されるＣ
ｒめっき皮膜の表面粗さは、マンドレルバーの軸方向に
測定した中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ以上、
１．０μｍ未満の範囲でなければならない。表面粗さの
指標として他に最大深さ（Ｒmax ）もあるが、これによ
って規定されるものではない。

【００２６】圧延中における潤滑剤の保持性は、マンド
レルバーの表面粗さの断面曲線の深さとそのピッチに影
響される。すなわち、表面粗さの断面曲線のうち谷底が
所定の深さを有し、かつ谷底が発生するピッチが比較的
小さければ、潤滑剤は保持性に優れ耐焼き付き性を高め
ることができる。これに対し、断面曲線の谷底が深くて
も、その谷底が発生するピッチが大きくなれば、潤滑剤
の保持性が低下し焼き付きなどの疵を生じやすくなる。
このような潤滑剤の保持性と表面粗さの特性を考慮し
て、表面粗さの断面曲線の谷底の深さとピッチとを総合
的に評価するため、Ｃｒめっき皮膜の表面粗さは中心線
平均粗さ（Ｒａ）で規定することとした。また、表面粗
さの測定方向をマンドレルバーの軸方向としたのは、潤
滑剤の保持性におよぼす影響は軸方向の表面粗さが支配
的であって、円周方向の表面粗さは補助的な役割を果た
すにすぎないからである。

【００２７】液状潤滑皮膜を内面に形成した中空素管に
固体潤滑皮膜を表面に形成したマンドレルを挿入して圧
延する場合、マンドレルバー表面のＣｒめっき皮膜面の
中心線平均粗さが０．１μｍ未満になっても、１．０μ
ｍ以上であっても、マンドレルバー表面での潤滑剤の保
持性が不足して摩擦係数が高くなり、焼き付きなどの疵
が生じ易くなる。したがって、マンドレルバーの表面に
施されるＣｒめっき皮膜の表面粗さは、マンドレルバー
の軸方向に測定した中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１μ
ｍ以上、１．０μｍ未満の範囲とする。好ましくは、
０．３μｍ以上０．８μｍ未満である。

【００２８】上記のようなＣｒめっき処理後のめっき皮
膜の表面粗さは、めっき前のマンドレルバーの表面粗さ
を調整することによって調整することができる。通常、
Ｃｒめっきを施すことによって、表面粗さは下地の粗さ
よりやや低下する傾向にあるから、これを考慮して、Ｃ
ｒめっき処理前のマンドレルバーの表面粗さを予め調整
しておく必要がある。この場合のマンドレルバーの加工
方法は、切削、研削、ブラスト処理等、いずれの方法を
用いても良い。Ｃｒめっきの処理方法やその条件は特に
限定されるものではないが、マンドレルバー素地への密
着性等を考慮すれば、一般の機械部品などを処理する場
合と同様の処理条件の下で、電気めっき法により処理す
るのが好ましい。

【００２９】Ｃｒめっき皮膜の厚みは、薄すぎると効果
が十分でなく、一方、厚すぎると剥離しやすくなるの
で、２０〜１００μｍ程度にするのが好ましい。

【００３０】マンドレルバーに塗布する固体潤滑剤は、
特に限定するものでなく常用の固体潤滑剤でよく、例え
ば、黒鉛、二硫化モリブデン、マイカ（雲母）、窒化ホ
ウ素などを１種または２種以上を混合したものを用いる
ことができる。

【００３１】中空素管内面に供給する固体潤滑剤は、特
に限定するものでなく高温で液状となる潤滑剤でよい
が、中空素管内面の酸化スケールを溶融する作用があれ
ば好ましく、例えば、硼砂、無水硼砂、硼酸、珪酸ナト
リウム、リン酸ナトリウム、塩化ナトリウムなどの１種
または２種以上を混合したものを用いることができる。

【００３２】マンドレルバーの材質は、炭素鋼や低合金
鋼でも良いが、圧延中にマンドレルバー自体に加わる張
力に耐え得ることが必要であるから、ＪＩＳ ＳＫＤ
６、ＪＩＳ ＳＫＤ６１等の熱間加工用工具鋼とするの
が望ましい。

【００３３】上記のように、マンドレルバー表面に、マ
ンドレルバーの軸方向に測定した中心線平均粗さ（Ｒ
ａ）が０．１μｍ以上、１．０μｍ未満であるＣｒめっ
き皮膜を施すことによって、炭素鋼管のみならず１３Ｃ
ｒ鋼等の高合金鋼管をマンドレルミル圧延する場合であ
っても、潤滑性能が向上して優れた摩擦特性が得られ
る。

【００３４】

【実施例】本発明の効果を熱間圧延試験（実施例１）お
よび実機の熱間圧延（実施例２）で確認した。

【００３５】（実施例１）マンドレルミル圧延を模擬し
た熱間圧延試験機（一対の孔型ロールで構成）によっ
て、各種の表面粗さ（軸方向の中心線平均粗さＲａが
０．０５〜４．０μｍの範囲）を有するＣｒめっき皮膜
を施したマンドレルバーを「Ｃｒめっき材」として、圧
延中の摩擦係数を調査した。比較のため、Ｃｒめっき皮
膜を施さないままのマンドレルバーを「従来材」とし
て、同様に調査した。なお、圧延に先立ちマンドレルバ
ーの本体表面には固体潤滑剤として黒鉛を主成分とする
水溶性潤滑剤を塗布し乾燥させて固体潤滑皮膜を予め形
成した。

【００３６】試験方法は、内面に固体潤滑剤として硼砂
粉末を投入した中空素管を１０００℃に加熱した後、本
体表面に固体潤滑皮膜を形成したマンドレルバーを中空
素管に挿入するとともに上下一対の孔型ロールの軸心に
噛み込ませて圧延し、そのときの摩擦係数を測定した。
試験条件（圧延寸法、ロール速度、固体潤滑剤等）は表
１に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】図１はマンドレルバー表面の中心線平均粗
さＲａと測定した摩擦係数との関係を示すグラフであ
る。図１から明らかなように、従来材では、軸方向の中
心線平均粗さＲａがどのような値であっても、圧延中の
摩擦係数は０．１０〜０．１２と高くなった。

【００３９】これに対し、本発明で規定する軸方向の中
心線平均粗さが０．１μｍ以上、１．０μｍ未満となる
Ｃｒめっき材では、圧延中の摩擦係数は０．０２〜０．
０４と著しく低下し、特に中心線粗さが０．３〜０．８
μｍのＣｒめっき材では摩擦係数は０．０２程度と極め
て低くなった。なお、本発明で規定する中心線平均粗さ
の範囲を外れると、同じＣｒめっき材であっても摩擦係
数は高い値を示した。

【００４０】試験後にそれぞれのマンドレルバーの表面
観察をおこなったところ、軸方向の中心線平均粗さを
０．１μｍ以上、１．０μｍ未満としたＣｒめっき材で
は焼き付きは発生していなかったのに対し、それ以外の
Ｃｒめっき材ではミクロ的な焼き付きが、また、従来材
では目視で観察できる程度の焼き付きがそれぞれ発生し
ていた。

【００４１】（実施例２）材質がＪＩＳ ＳＫＤ６で、
外径１３４ｍｍ、長さ２２ｍであるマンドレルバーの表
面をベルト研磨した後、軸方向の中心線平均粗さが０．
６μｍのＣｒめっきを施した本発明例（表面硬度：ＨＶ
９００）と、軸方向の中心線平均粗さが２μｍのＣｒめ
っきを施した比較例（表面硬度：ＨＶ９００）と、Ｃｒ
めっき皮膜を施さない従来例（マンドレルバー本体の軸
方向の中心線平均粗さ：３．１μｍ、表面硬度：ＨＶ４
００）とを用いて、下記の被圧延材を対象にそれぞれ１
００本のマンドレルミル圧延をおこなった。なお、本発
明例、比較例および従来例による圧延において、マンド
レルバー表面に塗布した固体潤滑剤ならびに中空素管内
面に投入した固体潤滑剤は表１と同様とした。

【００４２】 １．圧延素管寸法（材質：１３Ｃｒ−７Ｎｉ鋼） 外径：１８１ｍｍ、内径：１４６ｍｍ、長さ：７ｍ ２．圧延後の鋼管寸法 外径：１４７ｍｍ、内径：１３４ｍｍ、長さ：２１ｍ マンドレルミル圧延の結果、従来例では約３０本の圧延
によりマンドレルバー表面に焼き付きが発生して使用不
能になり、比較例では約８０本の圧延でミクロ的な焼き
付きが発生したのに対し、本発明例では、１００本圧延
後もマンドレルバー表面には焼き付きは発生しておら
ず、更に継続使用が可能であった。また、圧延された管
の内面性状は、従来例では筋疵が確認され、また比較例
では１００本中の２０本で軽度の筋疵が認められたのに
対し、本発明例ではこのような疵の発生もなく、極めて
良好であった。

【００４３】

【発明の効果】本発明のマンドレルバーは、炭素鋼管や
低合金鋼管の圧延のみならず、１３Ｃｒ−７Ｎｉ鋼等の
高合金鋼管の圧延においても優れた摩耗特性と製管寿命
を発揮する。したがって、本発明によれば、マンドレル
ミル圧延された継目無管の内面品質が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】マンドレルバー表面の中心線平均粗さＲａと測
定した摩擦係数との関係を示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に軸方向の中心線平均粗さ（Ｒａ）
   が０．１μｍ以上、１．０μｍ未満のＣｒめっき皮膜を
   有することを特徴とするマンドレルバー。
2. 【請求項２】 表面に固体潤滑皮膜を形成させたマンド
   レルバーを内面に液状潤滑皮膜を形成させた中空素管に
   挿入しておこなう圧延方法であって、上記マンドレルバ
   ーとして本体表面に軸方向の中心線平均粗さ（Ｒａ）が
   ０．１μｍ以上、１．０μｍ未満のＣｒめっき皮膜を有
   するマンドレルバーを用いることを特徴とするマンドレ
   ルミル圧延方法。