JP2013094823A - 球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール及びその素材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形面に耐摩耗性が付与され、かつ、機械加工して成形面とするときの切削性にも優れる球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールを提供する。
【解決手段】鋼板から鋼管を成形する少なくとも１つの成形面を有する球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールであって、質量％で、Ｃ：３．２〜３．６％、Ｓｉ：１．０〜１．８％、Ｍｎ：０．４〜０．６％、Ｐ：０．０８％未満、Ｓ：０．０８％未満、Ｎｉ：１．５〜２．８％、Ｃｒ：０．８５〜１．９％、Ｍｏ：０．４〜０．８％、及び、Ｍｇ：０．０３〜０．０９％を含有させ、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成とし、前記成形面からの深さが２０ｍｍまでの部位で、マルテンサイト及びベイナイトを基地として、セメンタイトを、面積率で１５〜２５％含有させ、ショア硬さを、５５〜６５にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、鋼板を塑性変形させて鋼管を成形する際に用いられる、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール及びその素材の製造方法に関する。本発明は、特に、電縫鋼管、又は鍛接鋼管を成形する際に用いて好適な、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール及びその素材の製造方法に関する。

電縫管や鍛接鋼管は、シート状の鋼板を筒状に塑性変形させて成形した後、所定の断面形状になるように、さらに塑性変形させて成形される。成形された鋼管は、対向する鋼板の端部を電気溶接又は鍛接して、電縫鋼管又は鍛接鋼管となる。

シート状の鋼板を筒状に塑性変形させるロールをフォーミングロール、筒状に塑性変形された鋼管を、所定の断面形状に仕上げ成形しつつ、成形中の鋼管を成形方向に押し出すロールをプルアウトロールという。

フォーミングロールやプルアウトロールなどの鋼管成形用ロールは、特許文献１に記載されるように、様々な鉄系材料で製造されているが、鋼管成形用ロールの成形面は優れた耐摩耗性を有することが要求される。

したがって、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールの場合、金属組織中に、硬質組織であるセメンタイトを得るために、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールは金型鋳造で製造されることが多い。

しかしながら、金型鋳造を行うには、球状黒鉛鋳鉄の溶湯を注入するための金型鋳型が必要となるが、金型鋳型は、砂型鋳型と比べて高価である。

また、金型鋳型は、溶湯を注湯することにより、大きく変形するため、鋳造の前には、金型鋳型の変形を矯正することが毎回必要になる。

しかしながら、耐摩耗性を要求される部位は、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールの全部位のうち、成形中に鋼板と接触する成形面だけである。

そして、成形面は、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材を機械加工して使用されるが、金型鋳物で球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材を製造すると、機械加工面にセメンタイトが多く存在していることにより、機械加工の工数が多くなることも問題であった。

特開平９−８５４８７号公報

本発明は、成形面に耐摩耗性が付与され、かつ、機械加工して成形面とするときの切削性にも優れる球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール、及び、その素材の製造方法を提供することを目的とする。なお、本発明で成形面とは、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールにおいて、鋼板を塑性変形させる面のことをいう。

本発明者らは、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールの成形面における金属組織及び硬さの深さ方向分布と、成形面における摩耗量の関係について鋭意検討を重ねた。

その結果、成形面から深さ２０ｍｍまでの部位におけるセメンタイト量を、面積率で１５〜２５％とし、かつ、基地組織をマルテンサイト及びベイナイトとしたとき、成形面に所望の耐摩耗性を付与することを見出した。

そして、本発明者らは、金型鋳造では、成形面のセメンタイト量が２５％超と過度になり、このセメンタイトを分解するには、高温で長時間の熱処理をする必要で、工数が増加するだけでなく、熱処理歪の問題も発生することを知見した。

そこで、本発明者らは、砂型鋳造で、成形面に冷し金を配置して鋳造した鋳物を、熱処理歪が問題とならない温度で熱処理することにより、耐摩耗性が必要な成形面に、必要な深さだけ、適正量のセメンタイトを生成し、基地組織をマルテンサイト及びベイナイトとすることができることを知見した。そして、そのような基地組織にすることで、機械加工により成形面を形成するときの切削性も向上させることができることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づきなされたもので、その要旨は次のとおりである。

（１）鋼板から鋼管を成形する少なくとも１つの成形面を有する球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールであって、質量％で、Ｃ：３．２〜３．６％、Ｓｉ：１．０〜１．８％、Ｍｎ：０．４〜０．６％、Ｐ：０．０８％未満、Ｓ：０．０８％未満、Ｎｉ：１．５〜２．８％、Ｃｒ：０．８５〜１．９％、Ｍｏ：０．４〜０．８％、及び、Ｍｇ：０．０３〜０．０９％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成になり、前記成形面からの深さが２０ｍｍまでの部位で、マルテンサイト及びベイナイトを基地として、セメンタイトを、面積率で１５〜２５％を含有する混合組織とし、かつ、該混合組織のショア硬さが、５５〜６５であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール。

（２）前記成形面が、シート状の鋼板を筒状に塑性変形させることを特徴とする前記（１）に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール。

（３）前記成形面が、筒状に塑性変形された鋼管を、所定の断面形状に仕上げ成形しつつ、成形中の鋼管を成形方向に押し出すことを特徴とする前記（１）に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール。

（４）前記鋼管が、電縫鋼管であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール。

（５）前記鋼管が、鍛接鋼管であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール。

（６）鋼板から鋼管を成形する少なくとも１つの成形面を有する球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールの素材の製造方法において、質量％で、Ｃ：３．２〜３．６％、Ｓｉ：０．８５〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜０．６％、Ｐ：０．０８％未満、Ｓ：０．０８％未満、Ｎｉ：１．５〜２．８％、Ｃｒ：０．８５〜１．９％、及び、Ｍｏ：０．４〜０．８％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成になる溶湯を、球状化処理した後、鋳型内に注湯するに際し、機械加工後に成形面となる部位を急冷して局部硬化層とする冷し金を配置し、該冷し金の最大肉厚を、前記局部硬化層を含む最小肉厚部の０．３〜０．６とし、前記注湯中に、鋳型内又は注湯流内でＳｉ：０．１５〜０．２５％を接種しながら鋳造し、凝固、冷却させた後、８３０〜８６０℃に加熱し、３〜５時間保持後に３００℃まで、４００〜６００℃／時の速度で強制冷却し、ついで、５４０〜５６０℃に加熱し、３〜５時間保持後に２００℃まで、３００〜２００℃／時の速度で冷却することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。

（７）前記冷し金が、分割された複数の分割冷し金から構成され、前記複数の分割冷し金それぞれが、分割面３７で前記砂型鋳型の突起部を介して配置され、前記複数の分割冷し金の、前記溶湯が注入されるキャビティに臨む面が、前記砂型鋳型の突起部の先端よりも突出していることを特徴とする前記（６）に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。

（８）前記成形面が、シート状の鋼板を筒状に塑性変形させることを特徴とする前記（６）又は（７）に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。

（９）前記成形面が、筒状に塑性変形された鋼管を、所定の断面形状に仕上げ成形しつつ、成形中の鋼管を成形方向に押し出すことを特徴とする前記（６）〜（８）のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。

（１０）前記鋼管が、電縫鋼管であることを特徴とする前記（６）〜（９）のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。

（１１）前記鋼管が、鍛接鋼管であることを特徴とする前記（６）〜（９）のいずれかに記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。

本発明によれば、高価な金型を用いることなく、鋼板を鋼管に成形するのに必要な耐摩耗性を、成形面に付与した球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールを得ることができる。

また、本発明によれば、成形面の耐摩耗性が良好なのにもかかわらず、成形面の切削性が良好なため、成形面の機械加工の工数を低減させつつ、成形面の耐摩耗性に優れた球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールを得ることができる。

プルアウトロール素材の軸方向断面図である。 プルアウトロール素材鋳造用鋳型の概略を示す説明図である。 分割形式の冷し金を配置した外中子のキャビティ面を示す斜視図である。 図３のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。 フォーミングロール素材の軸方向断面図である。 プルアウトロールの摩耗量の測定位置及び測定方法を説明する図である。 金型鋳造で製造されたプルアウトロール素材と、本発明のプルアウトロール素材を比較説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を、詳細に説明する。まず、本発明の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールの成分組成について説明する。なお、以下の成分組成を表す％は、質量％を意味するものとする。

Ｃ：３．２〜３．６％
Ｃは、セメンタイト量に関係する最も基本的な元素である。Ｃ量が３．２％未満では、セメンタイト量が過剰となり、切削性が低下する。一方、３．６％を超えると、黒鉛の晶出が過剰になり、耐摩耗性を損なう。

Ｓｉ：１．０〜１．８％
Ｓｉは、黒鉛の晶出を促進させる元素である。また、鋳造された鋳物に含有されるＳｉ量（出来上がりＳｉ量）が同じでも、接種で添加されるＳｉ量によって、黒鉛の晶出能は異なり、その結果、セメンタイト量も異なる。ここでは、出来上がりＳｉ量、即ち、鋳造された球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールに含有するＳｉ量について説明する。接種量及び接種方法については、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法のところで説明する。

出来上がりＳｉ量が１．０％未満では、黒鉛晶出能が小さく、セメンタイト量が過剰となり、切削性が低下する。一方、出来上がりＳｉ量が１．８％を超えると、黒鉛の晶出が過剰となり、セメンタイト量が減少し、その結果、耐摩耗性が低下する。

なお、出来上がりＳｉ量は、後述する接種剤で供給されるＳｉも含めて、出来上がりＳｉ量を１．０〜１．８％とする。また、球状化処理剤にＦｅ-Ｓｉ-Ｍｇ合金等のＳｉを含有するものを用いる場合には、球状化剤から供給されるＳｉも含めて、出来上がりＳｉ量を１．０〜１．８％とする。

Ｍｎ：０．４〜０．６％
Ｍｎは、鋳物中の炭化物を安定させる元素である。Ｍｎ量が０．４％未満であると、熱処理後の基地組織にフェライトが多く残留する。一方、０．６％を超えると、鋳放しでパーライトを多く生成し、熱処理してもベイナイト基地にならない。

Ｐ：０．０８％以下
Ｐは、粒界に偏析して鋳物を脆くする元素であるので、Ｐ量は０．０８％以下とする。Ｐ量は可能な限り低減することが好ましいが、Ｐ量の過剰な低減は、材料費の上昇を招くから、工業的には、Ｐ量の下限を０．０３％とすることが好ましい。

Ｓ：０．０８％以下
Ｓは黒鉛の球状化を阻害し、鋳物を脆くするため、Ｓ量は０．０８％以下とする。Ｓ量は可能な限り低減することが好ましいが、Ｓ量の過剰な低減は、材料費の上昇を招くから、工業的には、Ｓの下限を０．０３％とすることが好ましい。

Ｎｉ：１．５〜２．８％
Ｎｉは、基地組織によく固溶し、靭性を向上させるから、１．５％以上含有させる。一方、過剰な添加は、黒鉛の晶出が過度になり、セメンタイト量が低下するので、上限は２．８％とする。

Ｃｒ：０．８５〜１．９％
Ｃｒは、セメンタイト安定化元素である。セメンタイト量を適正にするためには、Ｃｒ量を０．８５％以上含有させることが必要である。一方、１．９％を超えると、セメンタイト量が過度となる。

Ｍｏ：０．４〜０．８％
Ｍｏは、基地組織の硬度を向上させる。この効果を得るには、Ｍｏを０．４％以上含有させることが必要である。一方、０．８％を超えてＭｏを含有させても、硬度向上効果は飽和するので、Ｍｏ量の上限は０．８％とする。

Ｍｇ：０．０３〜０．０９％
Ｍｇは、黒鉛を球状化するのに必要な元素である。ここでいうＭｇ量は残留Ｍｇ量である。Ｍｇ量が０．０３％未満であると、球状化不良を発生させ、一方、０．０９％を超えると、鋳物中に引け巣を発生しやすい。なお、残留Ｍｇ量とは、球状化処理剤に含有するＭｇに由来する、鋳物中に含有するＭｇ量である。

次に、本発明の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールの金属組織について説明する。

上述したように、鋼管成形用ロールにおいては、成形面に耐摩耗性が付与されていればよく、成形面以外の部位には、耐摩耗性が付与されている必要はない。

鋼管を成形したときの成形面の耐摩耗性は、成形面から２０ｍｍの深さまでのセメンタイト量と基地組織で決まる。

したがって、成形面から２０ｍｍの深さまでの部位は、セメンタイト量を、面積率で１５〜２５％の範囲とし、かつ、基地組織をマルテンサイト及びベイナイトとすることが必要である。好ましいセメンタイト量は１９〜２３％の範囲である。また、成形面から１０ｍｍの深さまでの部位を、このような金属組織とすることが好ましい。

ここで、基地組織は、セメンタイト以外の金属組織をいう。また、基地組織をマルテンサイト及びベイナイトにするとは、マルテンサイト及びベイナイトの他に、球状黒鉛と、不可避的に含有される金属組織とで構成されることを意味する。ここで、不可避的に含有される金属組織とは、フェライト、パーライト、レーデブライト、片状黒鉛である。また、これらの不可避的に含有される金属組織の合計は、面積率で５％未満とすることが好ましい。

なお、セメンタイト量、マルテンサイト量、ベイナイト量、及び、不可避的金属組織の量は、面積率で評価する。面積率は、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールから、金属顕微鏡観察用試料を切り出して研磨した後、研磨面を金属顕微鏡で観察し、観察面を画像解析することによって求める。各部位での面積率は、１．３５０ｍｍ×１．０１２ｍｍ四方の領域で３視野観察した結果の平均値とする。

成形面から２０ｍｍの深さまで以外の部位の金属組織は、特に限定されるものではないが、セメンタイト量を可能な限り低減し、かつ基地組織をベイナイトとすることが好ましい。耐摩耗性が要求されない部分に、硬くて脆い組織であるセメンタイトが存在することは好ましくないからである。また、ベイナイトは、強度と靭性を併せもつ金属組織であるから、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールに高荷重の負荷がかかる成形条件のときにも、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールが破損することなく、耐え得るためである。

次に、本発明の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールの硬さについて説明する。

耐摩耗性が要求される成形面については、成形面から２０ｍｍの深さまで、ショア硬さを５５〜６５の範囲とする必要がある。好ましくは、成形面から１０ｍｍの深さまでの部位を、このような硬さとする。硬さは、各部位で７点測定した結果の平均値とする。

成形面から２０ｍｍの深さまで以外の部位の硬さは、特に限定されるものではないが、ショア硬さで４５〜５５の範囲とすることが好ましい。耐摩耗性が要求されない部位については、硬度を若干低くした方が、強度と靭性を両立できるからである。

金型鋳物の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールは、ほとんどの部位で、ショア硬さが５５〜６５の範囲となり、成形面の耐摩耗性は問題ないが、必要のない部分まで、硬い硬度を有するものとなってしまう。

金型鋳物の場合、セメンタイト量を、面積率で２５％以上とし、かつ、基地組織をパーライトとすることで、成形面を含む鋳物の硬さを、ショア硬さで５５〜６５の範囲としている。

これに対し、本発明の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールの成形面から２０ｍｍの深さまでの部位は、セメンタイト量を面積率で１５〜２５％とし、基地組織をマルテンサイト及びベイナイトにすることで、鋳物の硬さを、ショア硬さで５５〜６５の範囲としている。

ここで、マルテンサイト及びベイナイトは、パーライトと比べて、硬い組織であるため、基地組織をマルテンサイト及びベイナイトにすると、その分、セメンタイト量を減少させても、同等の硬度を有する鋳物を得ることができる。そして、その結果、同等の耐摩耗性を得ることができる。

セメンタイトとパーライトの混在組織を機械加工する場合、セメンタイトとパーライトの硬度差が大きいので、一種の断続切削となる。これに対し、マルテンサイト及びベイナイトの基地組織とセメンタイトの混合組織は、混合組織全体として硬さが同一であっても、セメンタイトとパーライトの混合組織と比べて、切削性に優れる。

成形面は、機械加工されるので、マルテンサイト及びベイナイトの基地組織とセメンタイトの混合組織が、切削性に優れることは、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールにとって有利である。

金型鋳物を熱処理して、面積率で２５％以上あるセメンタイトの一部を分解させて、成形面から２０ｍｍまでの深さの部位において、セメンタイト量を１５〜２５％にすることは非常に難しい。熱処理時には、鋳物の表面の方が温度がはやく上昇するため、より成形面に近い部位に存在するセメンタイトが、必要以上に分解してしまうからである。

また、セメンタイトを分解させる熱処理温度は、ベイナイトを生成させるための熱処理温度に比べて高温であるため、熱処理歪も問題になる。

したがって、本発明の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールは、耐摩耗性を確保するために硬さが必要な成形面にだけ、適正量（面積率で１５〜２５％）のセメンタイトを生成させ、基地組織をマルテンサイト及びベイナイトとしているのである。

なお、上述したように、、成形面とは、鋼板を塑性変形する面であり、機械加工された面である。即ち、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールの素材には、成形面も含め、取り代が付与されている。

次に、本発明の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法について説明する。

ここでは、プルアウトロール素材の製造方法について説明する。図１は、プルアウトロール素材の軸方向断面図である。図１中、符号１はプルアウトロール素材である。

プルアウトロール素材１は、外径Ａ、内径Ｂの円筒形の外周部に鋳抜き部２を有する。鋳抜き部２の表面は機械加工されて成形面となる。

プルアウトロール素材１の鋳抜き部２の周辺部には、局部硬化層３を有する。熱処理後の局部硬化層３は、セメンタイト量が面積率で１５〜２５％であり、かつ、基地組織がマルテンサイト及びベイナイトである。

上述したように、成形面からの深さが２０ｍｍまでの部位は、セメンタイト量を面積率で１５〜２５％でとし、かつ、基地組織をマルテンサイト及びベイナイトとする必要がある。したがって、局部硬化層３の厚さＣは、２０ｍｍに、機械加工の際の取り代を加えた厚さとする必要がある。なお、局部硬化層３の取り代は２〜５ｍｍである。

プルアウトロール素材１は、機械加工後に成形面となる鋳抜き部２以外にも、必要な箇所に機械加工が施されてプルアウトロールとなる。

プルアウトロール素材１は、冷し金を有する砂型鋳型に、球状黒鉛鋳鉄溶湯を注入して製造される。

図２は、プルアウトロール素材鋳造用鋳型の概略を示す説明図である。図２中、符号２０は、プルアウトロール素材鋳造用鋳型である。

プルアウトロール素材鋳造用鋳型２０は、上型２１、下型２２、外中子２３、２４、及び、棒心中子２７を備える。上型２１、下型２２、外中子２３、２４、及び、棒心中子２７は、けい砂、クロマイト砂、ジルコン砂、セラミック砂などの鋳型用骨材に、粘結剤を添加して造型される。鋳型用骨材及び粘結剤の種類は、常法のものでよい。また、造型方法も、常法でよい。

上型２１、下型２２、外中子２３、２４、及び、棒心中子２７は、図２のように組み立てられ、鋳造後にプルアウトロール素材１となるキャビティ３５が形成される。

上記の組立前に、外中子２３には、冷し金２５が配置される。冷し金２５で、鋳抜き部２が形成されるとともに、鋳抜き部２の周辺が急冷されて、所望量のセメンタイト量とすることができる。したがって、冷や金２５が配置されることが必要である。

冷し金２５の大きさは、冷し金２５の最大肉厚Ｐ、局部硬化層３を含む最小肉厚部の肉厚Ｑの関係で表される。Ｐは、Ｑの０．３〜０．６とすることが好ましい。ＰがＱの０．３よりも小さいと、成形面から２０ｍｍの深さまでの部位において、セメンタイト量が面積率で１５〜２５％とならない。一方、ＰがＱの０．６を超えると、セメンタイト量が面積率で１５〜２５％となる範囲が、必要以上に深くなる。

なお、ＰとＱが上記の関係を満足する範囲内で、冷し金２５の大きさを変えることにより、鋳抜き部２の大きさが異なるプルアウトロール素材１を得ることができる。これにより、冷し金２５の大きさを変えるだけで、口径の異なる鋼管を成形するプルアウトロールの素材を得ることができる。

冷し金２５は、一体形式としてもよいし、分割形式としてもよい。図３は、分割形式の冷し金２５を配置した外中子２３のキャビティ面を示す斜視図である。また、図４は、図３のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。

外中子２３は、同様に冷し金２５を配置された外中子２４と一対となって、プルアウトロール素材１の鋳抜き部２を含む外径部を形成する鋳型となる。

図３に示したように、冷し金２５を分割形式とする場合には、冷し金２５それぞれを、砂型で形成された突起部３６を介して配置することが好ましい。

このように、冷し金２５を分割形式して、冷し金２５それぞれの分割面３７で突起部３６を挟み込むことで、溶湯の注湯による冷し金２５の膨張を、砂型で形成された突起部３６で吸収することができる。

冷し金２５を一体形式にすると、溶湯の注湯による冷し金２５の膨張により、外中子２３本体が割れて鋳物の形状が崩れてしまう、あるいは、湯洩れとなってしまう。しかし、冷し金２５を、分割形式にすることにより、これらを防止できる。

そして、図４に示したように、分割形式の冷し金２５は、冷し金２５のキャビティ３５に臨む面を、突起部３６の先端よりも突出させて配置することが好ましい。このようにすることで、分割形式の冷し金２５が膨張して突起部３６が崩壊しても、崩壊した突起部３６が、キャビティ３５に入り込むことがない。その結果、プルアウトロール素材１に窪みを生じることはない。

キャビティ３５には、下型２を造型する際に予め設けておいた湯道３３が接続される。湯道３３には、上型１を造型する際に予め設けておいた湯口棒３４が接続される。そして、湯口棒３４には掛け堰３０が接続される。

プルアウトロール素材１が、上述した成分組成になるように調整した、球状化処理溶湯を掛け堰３０から注入し、プルアウトロール素材１を鋳造する。球状化処理方法は、常法でよい。

掛け堰３０には、鋳型内接種剤３１を配置することが好ましい。球状化処理溶湯に、さらに接種をする、いわゆる後期接種におけるＳｉ量は、鋳造される鋳物の黒鉛化能、即ち、セメンタイト量に大きな影響を与える。したがって、鋳型内接種剤３１で添加されるＳｉ量（接種量）は、重要である。なお、鋳型内接種剤３１としては、Ｆｅ−Ｓｉ合金を使用することが一般的であるから、接種量は、Ｓｉ当量で規定することが好ましい。

接種量が０．１５％未満であると、局部硬化層３におけるセメンタイト量が過剰となる。一方、０．２５％を超えると、残留Ｍｇ量が多くなり鋳物中に引け巣が発生しやすくなり、さらには鋳物内に溶け残りＳｉが残留し、好ましくない。

このようにして鋳造された鋳物は、冷却された後、基地組織をマルテンサイト及びベイナイトにする基地組織硬化熱処理と、歪取り熱処理が行われる。

基地組織硬化熱処理は、鋳物を、８３０〜８６０℃に加熱し、３〜５時間保持した後、３００℃まで、４００〜６００℃／時の速度で強制冷却することが好ましい。

加熱温度（保持温度）が８３０℃未満であるとマルテンサイト及びベイナイトの面積率の合計が低くなり、ショア硬度が５５〜６５の範囲外となる。一方、８６０℃を超えると、金属組織の粗大化を招き、摩耗性が劣化する。

保持時間が３時間未満であると、均熱不足により、マルテンサイト及びベイナイトの面積率の合計が低くなる。一方、５時間を超えると、金属組織の粗大化を招く。

３００℃までの強制冷却速度が、４００℃／時未満であると、基地組織がパーライトとなり、一方、６００℃／時を超えると、基地組織がすべてマルテンサイトとなる。

強制冷却方法は、上記の冷却速度の範囲を満足するものであれば、特に制限はないが、送風ファンによる強制空冷が一般的である。

歪取り熱処理は、３００℃以下に冷却されたベイナイト化熱処理後の鋳物を、５４０〜５６０℃に加熱し、３〜５時間保持後に２００℃まで、２００〜３００℃／時の速度で冷却する。

加熱温度（保持温度）が５４０℃未満であると歪み取り不足となり、一方、５６０℃を超えると、ショア硬度が５５〜６５の範囲外となる。

保持時間が３時間未満であると、均熱不足により歪み取りが不十分となり、一方、５時間を超えると、その効果が飽和するため生産性が低下する。

２００℃までの冷却速度が、２００℃／時未満であると、生産性の低下を招き、一方、３００℃／時を超えると、冷却時に歪みが入る。

冷却方法は、上記の冷却速度の範囲を満足するものであれば、特に制限はないが、放冷が一般的である。

次に、球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形ロールが、フォーミングロールである場合について、プルアウトロールである場合との相違点を中心に説明する。図５は、フォーミングロール素材の軸方向断面図である。図５中、符号５０はフォーミングロール用素材である。

フォーミングロール素材５０は、大外径Ａ、小外径Ｅ、内径Ｂを備える。そして、大外径Ａの面と小外径Ｅの面を結ぶ面、及び小外径Ｅの面は、外中子２３、２４（図２を参照）で形成される鋳抜き部２を構成する面である。鋳抜き部２の表面は機械加工されて成形面となる。

フォーミングロール素材５０の鋳抜き部２の周辺部には、局部硬化層３を有する。熱処理後の局部硬化層３は、セメンタイト量が面積率で１５〜２５％であり、かつ、基地組織がマルテンサイト及びベイナイトである。

局部硬化層３の厚さＣは、プルアウトロール素材１の場合と同様、２０ｍｍに、機械加工の際の取り代を加えた厚さとする必要がある。なお、局部硬化層３の取り代は２〜５ｍｍである。

局部硬化層３の厚さＣを上記のようにするため、図２における外中子２３、２４には、鋳抜き部２の表面に沿う形状をした冷し金２５、２６（図示しない）が配置される。

そして、冷し金２５の最大肉厚をＰ、局部硬化層３を含む最小肉厚部の肉厚をＱとしたとき、ＰをＱの０．３〜０．６とすることが好ましい。理由は、プルアウトロール素材１の場合と同様である。なお、フォーミングロール素材５０におけるＱは、図５に示す位置である。

鋳造、熱処理等を、プルアウトロール素材１の場合と同様に行うことで、フォーミングロール素材５０を得ることができる。

以上のようにして得られたプルアウトロール素材１及びフォーミングロール素材５０は、必要な箇所が機械加工され、プルアウトロール及びフォーミングロールとなる。

そして、これらの球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールは、電縫管の成形にも、鍛接管の成形にも使用することができる。

本発明を実施例でさらに説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

図１に示したプルアウトロール素材１と、図５に示したフォーミングロール素材５０を、図２に示した鋳型を用いて鋳造、熱処理し、必要な部位について機械加工した。また、プルアウトロール素材１、及びフォーミングロール素材５０の形状を模擬した試験片を鋳造し、同様に熱処理及び機械加工した。

表１に、プルアウトロール及びフォーミングロールの成分組成を、材質別に示す。表１に示した成分組成は、後期接種後の成分組成である。

表２に、鋳造条件及び熱処理条件を示す。なお、注湯温度は、すべて１４５０〜１５００℃とした。歪取り熱処理条件は、すべて、５５０℃、４時間とした。表２に示したように、Ｎｏ．４、Ｎｏ．１２、及びＮｏ．１３はプルアウトロール素材１、Ｎｏ．５はフォーミングロール素材５０とし、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３、及びＮｏ．６〜Ｎｏ．１１は試験片とした。

表３に、プルアウトロール、フォーミングロール、及び試験片の金属組織の観察結果、及びショア硬さの測定結果を示す。金属組織の観察及びショア硬さの測定は、プルアウトロール及びフォーミングロールについては、図１に示すプルアウトロール素材１及びフォーミングロール素材５０の鋳抜き部２を機械加工して成形面とした後、Ｍ_１−Ｍ_１線、Ｍ_２−Ｍ_２線、及びＭ_３−Ｍ_３線に沿って行った。試験片については、Ｍ_１−Ｍ_１線に相当する部分について金属組織の観察及びショア硬さの測定を行った。

Ｎｏ．４、Ｎｏ．５、Ｎｏ．１２、及びＮｏ．１３については、成形面の切削性の評価結果を示す。成形面の切削性は、ＮＣ旋盤にて同切削条件にて加工を行い、その際の最大負荷（電流値）で評価した。５５Ａ以下の場合を良好、５５Ａ超の場合を不可とした。

表４に、実機試験（耐摩耗試験）の結果を示す。実機試験（耐摩耗試験）は、Ｎｏ．４、Ｎｏ．１２、及びＮｏ.１３について行った。実機試験（耐摩耗試験）は、外径が９２ｍｍのプルアウトロールと、外径がφ１４０ｍｍのプルアウトロールを準備し、試験した。ここで外径とは、図１に示したφＡから取り代を除いたものである。実機試験（耐摩耗試験）は、実際の鋼管成形ラインで使用したプルアウトロールの摩耗量を測定することにより行った。外径が９２ｍｍのプルアウトロールは、鋼管の重量で１０００ｔ成形した後に、外径が１４２ｍｍのプルアウトロールは、鋼管の重量で２０００ｔ成形した後に、図６で示したＡ〜Ｆの部位について、成形面の摩耗量を隙間ゲージで測定した。摩耗量は、使用前の成形面Ｋ_１と使用後の成形面Ｋ_２との差である。摩耗量が０．２０ｍｍ以下の場合を良好、０．２０ｍｍ超える場合を不可とした。

なお、表３及び表４には、従来例として、金型鋳造で製造したプルアウトロール（Ｎｏ．１３）、冷し金を配置しない砂型鋳造で製造したプルアウトロール（Ｎｏ．１２）について、金属組織を観察した結果、ショア硬さを測定した結果、成形面の切削性の評価結果、及び、実機試験（耐摩耗試験）の結果を併記した。

表１〜４から明らかなように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５の発明例はすべて、成形面について、所望の金属組織およびショア硬さが得られていることを確認できた。また、成形面の切削性の評価結果も良好であることを確認できた。そして、Ｎｏ．４の実機試験（耐摩耗試験）の結果は、金型鋳造で製造したプルアウトロール（Ｎｏ．１３）の実機試験（耐摩耗試験）の結果と同等であった。

これに対し、Ｎｏ．６〜Ｎｏ．１１の比較例においては、成形面について硬化してはいるものの、成形面から２０ｍｍの深さにおいて、所望の金属組織もしくはショア硬さが得られていないことを確認できた。これは、Ｐ／Ｑの値が適正でないために、鋳抜き部２から所定の深さまでの部位が、適正な速度で冷却されなかったためである。あるいは、接種量又はＣ量が適正でないために、Ｐ／Ｑの値と冷却速度が適正であっても、黒鉛化能が適正とならず、その結果、所望のセメンタイト量とならなかったためである。

さらに、従来例である金型鋳造で製造したＮｏ．１３のプルアウトロールは、成形面のセメンタイト量が過剰であるだけでなく、成形面以外の部分にも、不必要にセメンタイトが生成していることを確認できた。そして、その結果、成形面の切削性が劣ることも併せて確認できた。

また、従来例である冷し金を配置しない砂型鋳造で製造したＮｏ．１２のプルアウトロールは、成形面のセメンタイト量が不足しており、その結果、成形面の耐摩耗性に劣り、プルアウトロールとして使用することができないことを確認できた。

即ち、本発明においては、金型鋳造の金型鋳型と比較して、冷し金の体積が小さく、それ故、セメンタイトの面積率を所定の範囲にしたい部分を、過剰に冷却することがなく、冷却する必要のある部分だけ冷却できる。

さらに、Ｎｏ．４〜Ｎｏ．５の発明例においては、金属組織及びショア硬さに関し、表３で示したＭ_１−Ｍ_１線に沿う部分と同様の結果が、Ｍ_２−Ｍ_２線及びＭ_３−Ｍ_３線に沿う部分で得られた。即ち、発明例においては、成形面からの距離が同一であれば、同様の金属組織及びショア硬さを得られていることが確認できた。

これに対し、従来例である、金型鋳造で製造したＮｏ．１３のプルアウトロールは、成形面からの距離が同一であっても、表３で示したＭ_１−Ｍ_１線に沿う部分よりも、Ｍ_２−Ｍ_２線及びＭ_３−Ｍ_３線に沿う部分の方が、セメンタイトの面積率が高く、ショア硬さが高かった。

即ち、本発明のプルアウトロールは、成形面のセメンタイト面積率及びショア硬さが均一であるから、偏摩耗し難い。これに対し、金型鋳造で製造したプルアウトロールは、成形面のセメンタイト面積率及びショア硬さが均一でないため、偏摩耗し易いことも、併せて確認できた。

図７は、金型鋳造で製造されたプルアウトロール素材１と、本発明のプルアウトロール素材１を比較説明する図である。図７（ａ）は金型鋳造で製造されたプルアウトロール素材１、図７（ｂ）は本発明のプルアウトロール素材１を示す。図７（ａ）において、プルアウトロール素材１の表面から一点鎖線までの範囲は、金型表面で冷却されセメンタイトの面積率が高くなっている部分である。図７（ｂ）において、鋳抜き部２の表面から一点鎖線までの範囲は、冷し金で冷却されセメンタイトの面積率が所望の範囲になっている部分である。

金型鋳造では、図７（ａ）の二点鎖線で示すように、機械加工後に成形面となる部分を鋳抜かないことが一般的である。金型鋳型の構造が複雑になることを防止するためである。また、鋳抜きを設けると、金型の変形を矯正する工数が膨大となるからである。

鋳物は、図７（ａ）及び図７（ｂ）の矢印に示す方向に冷却される。したがって、図７（ａ）に示した金型鋳造で製造されたプルアウトロール素材１は、プルアウトロール素材１の表面から均一に冷却される。よって、二点鎖線で示した機械加工後に成形面となる部分の冷却速度は、その部分によって異なる。例えば、二点鎖線上において、点Ｚ_１での冷却速度は、点Ｚ_２での冷却速度よりも大きい。その結果、二点鎖線上、即ち、成形面のセメンタイト面積率及びショア硬さは均一とはならない。

これに対し、図７（ｂ）に示した本発明のプルアウトロール素材１は、鋳抜き部２の形状に沿って均一に冷却されるから、鋳抜き部２が機械加工されて形成される成形面のセメンタイト面積率及びショア硬さは均一となる。このことが、本発明のプルアウトロールが偏摩耗しない理由である。フォーミングロールについても同様である。

なお、上述したところは、本発明の実施形態を例示したものにすぎず、本発明は、特許請求の範囲の記載範囲内において種々変更を加えることができる。

例えば、後期接種は、図２に示したような、掛け堰３０に配置した鋳型内接種剤による方法に代えて、注湯流に粉状の接種剤を添加する、いわゆる注湯流接種による方法でもよい。

また、掛け堰３０は、使用しなくてもよく、その場合には、注湯接種を行うか、湯道３３中に鋳型内接種剤を配置すればよい。

そして、図２には、鋳造方案として、押し上げ方案を示したが、これに限られるものではなく、落とし込み方案等にしてもよい。

前述したように、本発明は、高価な鋳造用金型を用いないことから、安価に球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールを製造することができる。よって、本発明は、各種の鉄鋼利用産業において利用可能性が高いものである。

１ プルアウトロール素材
２ 鋳抜き部
３ 局部硬化層
２０ プルアウトロール素材鋳造用鋳型
２１ 上型
２２ 下型
２３、２４ 外中子
２５、２６ 冷し金
２７ 棒芯中子
３０ 掛け堰
３３ 湯道
３４ 湯口棒
３５ キャビティ
３６ 突起部
３７ 分割面
５０ フォーミングロール素材
Ｐ 冷し金の最大肉厚
Ｑ 局部硬化層を含む最小肉厚部の肉厚

Claims (11)

1. 鋼板から鋼管を成形する少なくとも１つの成形面を有する球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールであって、質量％で、Ｃ：３．２〜３．６％、Ｓｉ：１．０〜１．８％、Ｍｎ：０．４〜０．６％、Ｐ：０．０８％未満、Ｓ：０．０８％未満、Ｎｉ：１．５〜２．８％、Ｃｒ：０．８５〜１．９％、Ｍｏ：０．４〜０．８％、及び、Ｍｇ：０．０３〜０．０９％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成になり、前記成形面からの深さが２０ｍｍまでの部位で、マルテンサイト及びベイナイトを基地として、セメンタイトを、面積率で１５〜２５％を含有する混合組織とし、かつ、該混合組織ショア硬さが、５５〜６５であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール。
2. 前記成形面が、シート状の鋼板を筒状に塑性変形させることを特徴とする請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール。
3. 前記成形面が、筒状に塑性変形された鋼管を、所定の断面形状に仕上げ成形しつつ、成形中の鋼管を成形方向に押し出すことを特徴とする請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール。
4. 前記鋼管が、電縫鋼管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール。
5. 前記鋼管が、鍛接鋼管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール。
6. 鋼板から鋼管を成形する少なくとも１つの成形面を有する球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロールの素材の製造方法において、質量％で、Ｃ：３．２〜３．６％、Ｓｉ：０．８５〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜０．６％、Ｐ：０．０８％未満、Ｓ：０．０８％未満、Ｎｉ：１．５〜２．８％、Ｃｒ：０．８５〜１．９％、及び、Ｍｏ：０．４〜０．８％を含有し、残部はＦｅ及び不可避的不純物の組成になる溶湯を、球状化処理した後、鋳型内に注湯するに際し、機械加工後に成形面となる部位を急冷して局部硬化層とする冷し金を配置し、該冷し金の最大肉厚を、前記局部硬化層を含む最小肉厚部の０．３〜０．６とし、前記注湯中に、鋳型内又は注湯流内でＳｉ：０．１５〜０．２５％を接種しながら鋳造し、凝固、冷却させた後、８３０〜８６０℃に加熱し、３〜５時間保持後に３００℃まで、４００〜６００℃／時の速度で強制冷却し、ついで、５４０〜５６０℃に加熱し、３〜５時間保持後に２００℃まで、２００〜３００℃／時の速度で冷却することを特徴とする球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。
7. 前記冷し金が、分割された複数の分割冷し金から構成され、前記複数の分割冷し金それぞれが、分割面で前記砂型鋳型の突起部を介して配置され、前記複数の分割冷し金の、前記溶湯が注入されるキャビティに臨む面が、前記砂型鋳型の突起部の先端よりも突出していることを特徴とする請求項６に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。
8. 前記成形面が、シート状の鋼板を筒状に塑性変形させることを特徴とする請求項６又は７に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。
9. 前記成形面が、筒状に塑性変形された鋼管を、所定の断面形状に仕上げ成形しつつ、成形中の鋼管を成形方向に押し出すことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。
10. 前記鋼管が、電縫鋼管であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。
11. 前記鋼管が、鍛接鋼管であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の球状黒鉛鋳鉄製鋼管成形用ロール素材の製造方法。

Images