JP2002113507A - 継目無鋼管穿孔圧延用プラグおよび継目無鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ステンレス鋼やＮｉ基合金などの高合金鋼の圧
延でも高寿命で、しかも摩擦係数が小さくて内面性状の
優れた管が得られる継目無鋼管穿孔圧延用プラグを提供
する。 【解決手段】本発明のプラグは、外表面に、Ｔｉ含有量
が７〜４５質量％、１５７３Ｋにおける圧縮変形抵抗が
１５０ＭＰａ以上のニオブ基合金からなる被覆層２ａを
有する。この被覆層２ａは、比熱が被覆層よりも大きい
金属製の中間層を介在させて形成させるのがよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、継目無鋼管、なか
でも高合金鋼製の継目無鋼管を製造する場合に用いて優
れた耐久性を発揮し、かつ内面性状の優れた継目無鋼管
を製造することができる継目無鋼管穿孔圧延用プラグ
（以下、単に「プラグ」ともいう）とこのプラグを用い
た継目無鋼管の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】継目無鋼管の製造方法として広く採用さ
れているいわゆるマンネスマン製管法では、周知のよう
に、所定温度に加熱された素材の丸ビレット（以下、単
にビレットともいう）を傾斜ロール式の穿孔圧延機に供
してその軸心部に孔を明けて中空素管に成形する。次い
で、得られた中空素管は、そのまま、あるいは必要に応
じてエロンゲータやサイザで拡径もしくは縮径されて定
径化された後、プラグミルやマンドレルミルと称される
延伸圧延機などで延伸圧延され、所定寸法の製品管に製
造される。

【０００３】図１は、穿孔圧延機による穿孔圧延形態を
示す模式的縦断面図である。図１に示すように、穿孔圧
延機は、互いに逆向きに傾斜させて対向配置され同一方
向に回転する主ロール１ａ、１ｂと、パスライン上に配
置された芯金３により支持され、上記主ロール１ａ、１
ｂ間に配置されたプラグ２を備えている。

【０００４】上記のように構成された穿孔圧延機では、
加熱されたビレットＢはパスラインに沿って主ロール１
ａ、１ｂ間に送り込まれ、砲弾型のプラグ２によりその
軸心部に孔があけられ、徐々に肉厚を減じられて中空素
管Ｈとなる。

【０００５】このような熱間での穿孔圧延に使用される
プラグは、ビレットからの熱伝導、加工熱および摩擦熱
などの熱負荷を受けて表面温度が上昇するため、溶損、
摩耗、えぐれ、焼付、割れなどの損傷が発生しやすい。
特に、プラグを連続して使用する場合には、表面温度が
一段と高くなるために、上記の表面損傷がより発生しや
すくなる。

【０００６】したがって、プラグを連続使用する場合に
は、１本のビッレトを穿孔圧延する度毎に、プラグを芯
金から取り外して水冷し、予め水冷された他のプラグに
取り替えて次の穿孔圧延を行うという方法がとられてい
る。しかし、このような方法では、製管能率が低下した
り、水冷によってプラグ表面に亀裂が生じるといった問
題があった。

【０００７】このため、従来から、上記表面損傷を防止
するための技術が種々提案されてきた。例えば、特開昭
６０−１３７５１１号公報には先端部をセラミックス製
としたプラグ、特開昭６２−２０７５０３号公報には先
端部をモリブデン製またはモリブデン基合金製としたプ
ラグが示されている。また、特開昭６０−８６２６２号
公報には３％Ｃｒ−１％Ｎｉ−残Ｆｅ系の低合金製プラ
グを不活性ガスに水蒸気と酸素ガスを所定の割合で含ま
せた雰囲気中で加熱処理し、その表面に密着性に優れた
緻密なスケールを形成させる方法が提案されている。

【０００８】しかし、特開昭６０−１３７５１１号公報
に開示されたプラグは、セラミックが耐衝撃性に劣るた
めに、破損しやすいという欠点を有している。また、特
開昭６２−２０７５０３号公報に開示されたプラグは、
モリブデンおよびモリブデン基合金が５００℃程度まで
の靱性に劣るため、穿孔圧延中および使用後の水冷によ
る急激な温度変化によって亀裂が生じるといった欠点を
有している。

【０００９】さらに、特開昭６０−８６２６２号公報に
開示されたプラグは、ステンレス鋼や高Ｃｒ−Ｎｉ基合
金およびＮｉ基合金などの高合金製のビレットの穿孔圧
延に供した場合、使用寿命が極端に短いという欠点を有
している。これは、高合金製のビレットは、変形抵抗が
高く、しかもその表面に断熱や潤滑作用を奏する酸化被
膜が生成しにくいため、穿孔圧延中のプラグに加わる熱
的および力学的負荷が増大し、プラグ表面のスケールが
使用早期に剥離脱落してしまうからと考えられる。

【００１０】一方、高温強度の高いモリブデンやタング
ステンをプラグ表層のみに用いてその特性を生かそうと
する試みもいくつか提案されている。例えば、特開平１
−１８０７１１号公報には、モリブデンやモリブデン基
合金のプラグを使用した際に問題となる耐亀裂性を改善
すべく、鋼製の母体部の表面にモリブデンまたはモリブ
デン基合金の外層部を設けたプラグ、特開平２−３０７
７４号公報には、表面にタングステンを主成分とする肉
盛層を形成した熱間加工用工具が示されている。

【００１１】しかし、上記公報に示されるモリブデンや
モリブデン基合金、あるいはタングステンを主成分とす
る合金は、板材成形や粉末焼結、溶接肉盛などのいかな
る製造方法を用いても、靱性を大幅に改善することはで
きず、本発明者の実験によれば比較的早期に外層または
肉盛層に大きな亀裂を生じ、剥離や割損などの損傷を発
生して期待したプラグ寿命延長効果が得られないことが
わかった。

【００１２】そこで、本発明者らは、本体の表面にＮｂ
含有量が５０質量％以上のニオブ基合金からなる被覆層
を形成させたプラグを開発し、先に提案した（特開平１
０−３０６３８３号公報）。このプラグは、(1) 優れた
高温強度、耐摩耗性を有し、溶損や摩耗、えぐれなどの
損傷が生じ難い、(2) 靭性が高く、熱的および力学的負
荷が加わっても亀裂の発生や進展が抑制される、(3) 使
用中にプラグが高温に曝された際に酸化しやすく、この
酸化物が被加工材料と接触するプラグ表面を保護するた
めに焼付きが生じ難い、などの優れた特性を持ち、ステ
ンレス鋼を穿孔する際の寿命は、スケール処理した３％
Ｃｒ−％１Ｎｉ−残Ｆｅ系の低合金製のプラグに比べて
２０倍以上の長寿命を有している。

【００１３】しかし、先に提案したプラグは、プラグと
被加工材との摩擦係数が高く、摩擦発熱が大きくなり、
特に二相ステンレス鋼やＮｉ基合金などの穿孔圧延で圧
延時間が長くなると、被加工材内面の温度が著しく高く
なり、穿孔圧延された管内面に被れなどの疵が発生しや
すいという問題があった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の問題点を解決し、オーステナイト系やフェライト系の
ステンレス鋼はもちろん、二相ステンレス鋼やＮｉ基合
金などの穿孔圧延でも優れた耐久性を発揮し、内面性状
の優れた継目無鋼管を製造することができる継目無鋼管
穿孔圧延用プラグとこのプラグを用いた継目無鋼管の製
造方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を達成するために種々の試験をおこなった。その結
果、被覆層を形成するニオブ基合金中に特定量のＴｉを
添加すると、被圧延材との摩擦係数が小さくなって被れ
などの内面疵が発生しにくくなるだけでなく、プラグの
使用寿命がそのまま維持されることを知見した。

【００１６】上記の知見に基づく本発明の要旨は、下記
（１）の継目無鋼管穿孔圧延用プラグと下記（２）の継
目無鋼管の製造方法にある。 （１）本体の外表面に、Ｔｉ含有量が７〜４５質量％
で、かつ１５７３Ｋにおける圧縮変形抵抗が１５０ＭＰ
ａ以上のニオブ基合金からなる被覆層を備える継目無鋼
管穿孔圧延用プラグ。 （２）プラグを備える穿孔圧延機によって中実ビレット
を中空素管に穿孔圧延するにあたり、前記のプラグとし
て上記（１）に記載のプラグを用いる継目無鋼管の製造
方法。

【００１７】上記（１）に記載の本発明のプラグは、本
体と被覆層の間に、被覆層よりも比熱が大きい材料から
なる中間層を有するものであることが好ましく、この場
合にはプラグ寿命が一段と向上する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明のプラグについて、
添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下におい
て、「％」は特に断らない限り「質量％」を意味する。

【００１９】図２は、本発明のプラグの一例を示す模式
的縦断面図であり、本体２ｂの後端面（図中の右端）を
除く外表面に被覆層２ａが形成されている。

【００２０】被覆層２ａは、Ｔｉ含有量が７〜４５％
で、かつ１５７３Ｋにおける圧縮変形抵抗が１５０ＭＰ
ａのニオブ基合金からなる層である。

【００２１】ここで、上記ニオブ基合金として、Ｔｉ含
有量が７〜４５％のものを用いるのは次の理由による。
すなわち、詳細には不明であるが、Ｔｉは高温にさらさ
れた際にプラグ表面に緻密で均一な酸化被膜を形成し、
これが被加工材（ビレット）内面と接触した時に潤滑膜
として働き、プラグと被加工材との間の摩擦係数を下げ
る作用があると推定される。しかし、Ｔｉ含有量が７％
未満では、摩擦係数を低減する効果が不十分であり、４
５％を超えて添加しても上記の効果が飽和し、逆に高温
における変形抵抗が低下して変形が生じやすくなる。こ
のため、本発明では、Ｔｉ含有量は７〜４５％とした。

【００２２】なお、本発明にいうニオブ基合金とは、Ｎ
ｂ含有量が５０％以上のものをいう。また、上記のＴｉ
以外に添加可能な合金元素としては、例えば、Ｍｏ、
Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆを挙げることができるが、これら
の元素に限らずその他の元素を添加してもよい。これら
の元素を添加する場合には、いずれか１種を単独または
２種以上を複合で添加してよいが、その添加は５０％を
超える部分のＮｂの一部またはＴｉの一部に代えて添加
する必要があり、その場合の各元素の含有量は、Ｍｏは
１５％以下、Ｗは２０％以下、Ｔａは３０％以下、Ｚｒ
は５％以下、Ｈｆは１５％以下とするのがよい。

【００２３】上記の被覆層２ａは、被加工材からの伝熱
と摩擦発熱によって高温になる。このため、被覆層２ａ
は、高温変形抵抗が低いと塑性変形し、プラグ形状の維
持が困難になって中空素管の内面寸法精度が悪化する。
これを防ぐには、被覆層２ａは、１５７３Ｋにおける圧
縮変形抵抗が少なくと１５０ＭＰａ以上であることが必
要であり、望ましくは２００ＭＰａ以上であることが好
ましい。

【００２４】なお、上記の圧縮変形抵抗とは、歪み速度
１／秒で圧縮試験した際における真歪み０．２の時の真
応力値である。

【００２５】被覆層２ａの厚さは、特に制限されない。
しかし、その厚さが１ｍｍ未満であると、摩耗によって
被覆層２ａが徐々に薄くなった際に、比較的早期に所望
の効果が消失する。また、その厚さが厚すぎると、その
効果が飽和するうえ、高価なニオブ基合金を大量に使用
することになり、プラグの製造コストが高くなる。した
がって、被覆層２ａの厚さは、１〜２０ｍｍとするのが
好ましい。

【００２６】本体２ｂの材料としては、例えば、Ｔｉ、
Ｔｉ基合金、Ｎｉ、Ｎｉ基合金など高温強度に優れた材
料を挙げることができ、特にその種類を限定するもので
ないが、プラグ軽量化の観点から、ＴｉやＴｉ基合金が
望ましい。

【００２７】上記のように構成されたプラグを用いるこ
とにより、プラグ表層部に溶損やえぐれなどの損傷の発
生を防止してステンレス鋼などの難加工材料の穿孔圧延
が可能となる。また、急激な温度変化や機械的衝撃がプ
ラグに加わっても、き裂の発生、進展が抑制され、さら
に、その表面に生じる酸化物層が極めて良好な潤滑性を
有するので、被加工材内面における被れなどの内面疵の
発生が抑制される。

【００２８】図３は、本発明のプラグの好適な一例を示
す模式的断面図で、このプラグは本体２ｂと被覆層２ａ
との間に、中間層２ｃを有する。

【００２９】上記の中間層２ｃは、被覆層２ａよりも比
熱の大きい金属材料からなっており、被覆層２ａの残留
応力の緩和や断熱性の向上を図ることができ、被覆層２
ａのき裂発生とそのき裂の本体２ｂ側への進展、ならび
に本体２ｂの温度上昇や変形が抑制され、プラグ寿命が
一層向上する。

【００３０】中間層２ｃの材料としては、被覆層２ａを
構成するニオブ基合金よりも比熱が大きい金属材料であ
りさえすればよく、特にその材質は制限しないが、例え
ば適宜な化学組成を有するＦｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃ
ｏ基合金などを挙げることができる。また、中間層２ｃ
の厚さは、特に限定しないが、１〜２ｍｍ程度とするの
がよい。

【００３１】上記被覆層２ａと中間層２ｃの形成方法
は、特に限定しないが、被加工材料表面に肉盛層を形成
させる際に通常用いられる肉盛溶接法やレーザークラデ
ィング法により容易に形成させることができる。また、
これらの方法は、処理工程が少ないので、比較的安価に
所望の金属被覆層を形成させることができるという利点
がある。

【００３２】

【実施例】《実施例１》高温に加熱した被加工材に相当
するディスク状試験片を水平状態で回転させ、その平面
上に、プラグと同じ材料で製作したリングを押しつける
図４に示す方式の高温摩擦試験を表１に示す試験条件で
おこなった。

【００３３】その際、リングＲとしては、本体のディス
ク状試験片Ｄと対向する端面に、Ｔｉまたは／およびそ
の他の合金元素の含有量を種々変えたニオブ基合金から
なる厚さ３ｍｍの被覆層を肉盛溶接法により形成させた
表２に示す１０種類のリングを用いた。

【００３４】そして、リングＲとディスク状試験片Ｄと
の間の摩擦係数μを下式により求める一方、試験終了
後、リングＲの端面を目視観察してその表面の被覆層の
クラック発生の有無とリング本体の変形有無とを調査
し、その結果を、１５７３Ｋにおける圧縮変形抵抗値と
ともに、表２に併せて示した。

【００３５】μ＝Ｔｒ／Ｒ×Ｐ ここで、 Ｔｒ：リング押付け時にディスク状試験片に生じるトル
ク（Ｎ・ｍ）、 Ｒ ：ディスク状試験片の回転中心からリングの厚さ方
向中央までの平均離間距離（ｍ）、 Ｐ ：ディスク状試験片に対するリングの押付荷重
（Ｎ）。

【００３６】表２に示すように、本発明で規定する条件
を満たすリングを用いたNo. １〜６は、摩擦係数が小さ
く、良好な摩擦特性を示し、被覆層のクラック、本体の
変形ともに認められなかった。

【００３７】これに対し、本発明で規定する条件を満た
さないリングを用いたNo. ７〜１０のうち、No. １０
は、摩擦係数は小さいものの、１５７３Ｋにおける圧縮
変形抵抗値が１４５ＭＰａと低いために、リング本体に
変形が認められた。

【００３８】また、No. ７〜９は、１５７３Ｋにおける
圧縮変形抵抗値が１５０ＭＰａ以上で、リング本体に変
形は認めらないものの、摩擦係数が高く、被覆層にクラ
ックが発生した。

【００３９】

【表１】

【表２】 《実施例２》表３に示す４種類のプラグを準備し、図１
に示すのと同様の傾斜穿孔機の所定の位置に配置して下
記条件の穿孔圧延試験をおこなった。なお、表３中、N
o. １と２は本発明のプラグ、No. ３と４は比較例のプ
ラグであり、被覆層または中間層と被覆層は、いずれ
も、肉盛溶接法により形成させた。

【００４０】試験条件； ビレット：外径６０ｍｍの２５％Ｃｒ−７％Ｎｉのステ
ンレス鋼製、 ビレット加熱温度：１３００℃、 中空素管：外径６０ｍｍ、内径５５ｍｍ、長さ１２００
ｍｍ、 プラグ使用条件：２０本の穿孔圧延に連続使用。

【００４１】評価は、１本の穿孔圧延が終わる都度、得
られた中空素管内面とプラグ表面とを目視観察し、管内
面に疵の発生が認められるか、あるいはプラグに何らか
の変形損傷が認められた時点の使用回数を調べることに
よりおこなった。

【００４２】その結果、No. １と２のプラグでは、２０
本の中空素管の全てに内面疵は発生しておらず、しかも
プラグ自体もさらなる穿孔圧延に使用可能であった。

【００４３】これに対して、No. ３のプラグは、２０本
の穿孔圧延後においても本体の変形や被覆層の損傷が認
められず、さらなる穿孔圧延に使用可能であったが、２
０本中３本の中空素管に内面疵が発生した。

【００４４】一方、No. ４のプラグは、内面疵の発生は
認められなかったが、１０本のビレットを穿孔圧延した
時点でプラグ先端部の変形が大きくなり、継続使用でき
なくなった。

【００４５】

【表３】

【発明の効果】本発明のプラグは、ステンレス鋼やＮｉ
基合金などの穿孔圧延でも優れた耐久性を発揮する。ま
た、被加工材料との摩擦係数が小さいので、内面性状の
優れた鋼管を製造することができる。したがって、高品
質の継目無管を低コストで製造することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】穿孔圧延機による穿孔圧延形態を示す模式的縦
断面図である。

【図２】本発明のプラグの一例を示す模式的縦断面図で
ある。

【図３】本発明のプラグの好適な一例を示す模式的断面
図である。

【図４】実施例１における高温摩擦試験方法を示す模式
図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ：主ロール、 ２：プラグ、 ２ａ：被覆層、 ２ｂ：本体、 ２ｃ：中間層、 ３：マンドレル、 Ｂ：中実丸ビッレト、 Ｈ：中空素管、 Ｒ：リング、 Ｄ：ディスク状試験片。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】本体の外表面に、Ｔｉ含有量が７〜４５質
   量％で、かつ１５７３Ｋにおける圧縮変形抵抗が１５０
   ＭＰａ以上のニオブ基合金からなる被覆層を備える継目
   無鋼管穿孔圧延用プラグ。
2. 【請求項２】本体と被覆層の間に、被覆層よりも比熱が
   大きい材料からなる中間層を有する請求項１に記載の継
   目無鋼管穿孔圧延用プラグ。
3. 【請求項３】プラグを備える穿孔圧延機によって中実ビ
   レットを中空素管に穿孔圧延するにあたり、前記のプラ
   グとして請求項１または２に記載のプラグを用いる継目
   無鋼管の製造方法。