JP2013248619A - 穿孔プラグの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】剥離しにくい溶射皮膜を備えた穿孔プラグを提供する。
【解決手段】鉄と、鉄酸化物とを含有する溶射皮膜が表面に形成された穿孔プラグを準備する工程と、穿孔プラグを、４００〜５５０℃で５〜６０分保持する熱処理工程とを備える。熱処理温度が４００℃以上の場合、ウスタイトからマグネタイトへの変態が促進され、溶射皮膜中の鉄比率及びマグネタイト比率が増大する。熱処理温度が４００℃〜５５０℃であれば、溶射皮膜中において、プラグ本体との密着性を高めるマグネタイト比率及び鉄比率が高まる。さらに、溶射皮膜中の引張残留応力は低くなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラグの製造方法に関し、さらに詳しくは、金属材の穿孔圧延に利用される穿孔プラグの製造方法に関する。

マンネスマン製管法は、継目無管の製造方法として広く採用されている。マンネスマン製管法では、１２００℃前後に加熱された丸ビレットを穿孔機（ピアサ）で穿孔圧延する。穿孔機は、一対の傾斜ロールと穿孔プラグとを備える。穿孔プラグは、一対の傾斜ロールの間であって、パスライン上に配置される。穿孔機は、傾斜ロールにより丸ビレットを周方向に回転させながらプラグに押し込み、丸ビレットを穿孔圧延して中空素管（ホローシェル）にする。

上述のとおり、穿孔プラグは、高温の丸ビレットを穿孔するため、高熱及び高面圧を丸ビレットから受ける。そのため、穿孔プラグ表面が摩耗したり、焼き付いたりする。摩耗や焼付きは、穿孔プラグの寿命を短くする。

穿孔プラグの寿命を向上するために、穿孔プラグの表面に溶射皮膜を形成する技術が提案されている。たとえば、国際公開第２００９／０５７４７１号（特許文献１）では、穿孔プラグの表面に、鉄線材をアーク溶射して溶射皮膜を形成する。溶射皮膜により、穿孔プラグの耐焼付き性が高まり寿命が向上すると、特許文献１には記載されている。

国際公開第２００９／０５７４７１号

しかしながら、溶射皮膜は、穿孔プラグ本体に対する密着性が弱い場合がある。密着性が弱い場合、溶射皮膜は剥離する。溶射皮膜が剥離すれば、中空素管の内面疵が発生しやすくなる。さらに、穿孔プラグの寿命も低下する。

本発明の目的は、剥離しにくい溶射皮膜を備えた穿孔プラグの製造方法を提供することである。

本実施形態による穿孔プラグの製造方法は、鉄と、鉄酸化物とを含有する溶射皮膜が表面に形成された穿孔プラグを準備する工程と、穿孔プラグを、４００〜５５０℃で５〜６０分保持する熱処理工程とを備える。

本実施形態による穿孔プラグの製造方法は、溶射皮膜が剥離しにくい穿孔プラグを製造することができる。

図１は、本実施形態による穿孔プラグの縦断面図である。 図２は、熱処理温度と被膜中の鉄及び鉄酸化物の割合との関係を示す図である。 図３は、穿孔プラグの溶射皮膜内の引張残留応力を測定するため試験に使用される試験片の断面図である。 図４は、図３に示す試験片を用いた引張残留応力の測定方法を説明するための模式図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

本実施形態による穿孔プラグの製造方法は、鉄と、鉄酸化物とを含有する溶射皮膜が表面に形成された穿孔プラグを準備する工程と、穿孔プラグを、４００〜５５０℃で５〜６０分保持する熱処理工程とを備える。

準備された穿孔プラグの溶射皮膜内の鉄酸化物は、ウスタイト（ＦｅＯ）が主体である。ウスタイトの密着性は比較的低い。このような溶射皮膜が形成された穿孔プラグを４００〜５５０℃で５〜６０分保持すると、溶射皮膜内のウスタイトがマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）に変態する。マグネタイトの密着性はウスタイトよりも高い。そのため、溶射皮膜のプラグ本体に対する密着性が向上し、剥離しにくくなる。

さらに、溶射によりプラグ本体の表面に形成された溶射皮膜には、引張残留応力が残存する。溶射皮膜に引張残留応力が残存したままの穿孔プラグを穿孔圧延に使用すれば、引張残留応力により溶射皮膜が剥離しやすくなる。本実施形態では、溶射皮膜が形成された穿孔プラグを上記の条件（４００〜５５０℃、５〜６０分）で熱処理する。そのため、溶射皮膜内の引張残留応力が低減し、溶射皮膜が剥離しにくくなる。

以下、本実施形態による穿孔プラグの製造方法の詳細を説明する。

［穿孔プラグの製造方法］
本実施形態による穿孔プラグの製造方法は、溶射皮膜を有する穿孔プラグを準備する工程（準備工程）と、その穿孔プラグを熱処理する工程（熱処理工程）とを備える。
[準備工程]

準備工程では、図１に示すような穿孔プラグ１０を準備する。

穿孔プラグ１０は、プラグ本体１１と、溶射皮膜１２とを備える。プラグ本体１１はたとえば、周知の形状及び材質を有する。

溶射皮膜１２は、鉄（Ｆｅ）と、鉄酸化物とを含有する。好ましくは、溶射皮膜１２は、鉄及び鉄酸化物からなる。鉄及び鉄酸化物からなる溶射皮膜１２は、たとえば、アーク溶射により次のとおり形成される。溶射材となる鉄線材と、アーク溶射装置とを準備する。アーク溶射装置は、溶射ノズルを備える。溶射ノズルは、アークにより溶融した溶射材を圧縮空気又は窒素ガスにより吹き出す。

鉄線材をアーク溶射装置によりアーク溶射して、プラグ本体１１の表面上に溶射皮膜１２を形成する。アーク溶射装置の溶射ノズルとプラグ本体１１との間の距離（以下、溶射距離という）を調整することにより、溶射皮膜中の鉄酸化物の含有量を調整できる。溶射距離はたとえば、２００〜１０００ｍｍである。アーク溶射装置は溶射ノズル位置を調整できる。なお、溶射皮膜１２は、上述のアーク溶射以外の他の溶射により形成されてもよい。

溶射皮膜１２はマトリクスとなる鉄と、鉄酸化物とを有するため、耐摩耗性及び遮熱性を有する。そのため、プラグ本体１１の摩耗及び溶損が抑制される。

しかしながら、溶射により形成される溶射皮膜１２内の鉄酸化物は、主としてウスタイト（ＦｅＯ）である。ウスタイトのプラグ本体１１に対する密着性は低い。そのため、溶射皮膜１２がプラグ本体１１から剥離する場合がある。さらに、溶射皮膜１２は溶射により形成されるため、冷却された後、溶射皮膜１２内に引張残留応力が残存する。引張残留応力は溶射皮膜１２の密着性を低下する。そのため、引張残留応力により、溶射皮膜１２がプラグ本体１１から剥離しやすくなる。

そこで、溶射皮膜１２のプラグ本体１１に対する密着性をさらに高めるため、次の熱処理工程を実施する。

［熱処理工程］
準備された穿孔プラグ１０に対して熱処理を実施する。具体的には、穿孔プラグ１０を熱処理炉に装入する。熱処理炉の炉内温度を４００〜５５０℃にする。これにより、熱処理炉に装入された穿孔プラグ１０の温度は４００〜５５０℃になる。熱処理炉内において、穿孔プラグ１０の温度を４００〜５５０℃で５〜６０分保持する。保持時間が経過した後、穿孔プラグ１０を熱処理炉から抽出する。

以上の工程により製造される穿孔プラグ１０の溶射皮膜１２では、ウスタイトからマグネタイトへの変態が生じ、溶射皮膜１２中のマグネタイトの比率が高まる。さらに、引張残留応力が低減する。そのため、溶射皮膜１２のプラグ本体１１に対する密着性が高まり、剥離しにくくなる。以下、これらの作用について、詳述する。

［ウスタイトからマグネタイトへの変態］
鉄酸化物には、ウスタイト（ＦｅＯ）、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）及びヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）がある。このうち、マグネタイトはウスタイト及びヘマタイトよりも鉄との整合性がよいため、プラグ本体１１との密着性が最も高い。さらに、マグネタイトの遮熱性は、ウスタイト及びヘマタイトと同等である。したがって、穿孔プラグ１０の溶射皮膜の密着性を高めるには、溶射皮膜の鉄酸化物中におけるマグネタイト比率を高めるのが好ましい。

熱処理温度を４００〜５５０℃とし、熱処理時間を５〜６０分とすることにより、溶射皮膜中のウスタイト比率を低下し、マグネタイト比率を高めることができる。

図２は熱処理温度と被膜中のマトリクスである鉄及び各鉄酸化物（ウスタイト、マグネタイト及びヘマタイト）の割合との関係を示す図である。図２は次の方法により得られた。

複数の厚板試験材（いずれも２０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍ）を準備した。各試験材に対して、同じ組成の鉄線材を用いて同じ条件でアーク溶射を実施し、各試験材で同じ厚み（５００μｍ）の溶射皮膜を形成した。

溶射皮膜を形成後、各試験材の溶射皮膜の組成を分析した。具体的には、Ｘ線回折法（ＸＲＤ法）により、各試験材の溶射皮膜中の鉄、及び各鉄酸化物（ウスタイト、マグネタイト、ヘマタイト）のピーク強度を求めた。本検討では便宜的に、得られたピーク強度のうち最大ピークの高さを用いて、溶射皮膜中の鉄及び各鉄酸化物の比率の指標とした。溶射ままの各試験材の溶射皮膜中の鉄及び各鉄酸化物の比率はいずれも同じであった。

続いて、各試験材に対して、熱処理を実施した。熱処理温度は４００〜６５０℃とし、熱処理時間はいずれも６０分とした。熱処理後の試験材の溶射皮膜に対して、ＸＲＤ法により、溶射皮膜中の鉄及び鉄酸化物の比率を分析し、図２を得た。図２中の縦軸は鉄及び各鉄酸化物のピーク強度比率である。ピーク強度比率は次の式により定義した。
ピーク強度比率＝鉄及び各鉄酸化物それぞれの最大ピーク高さ/鉄及び各鉄酸化物の最大ピーク高さの総和

ピーク強度比率が高ければ、溶射皮膜中に占める比率が大きいことを意味する。図２を参照して、熱処理温度が４００℃以上である場合、温度の上昇に伴い、マグネタイトのピーク強度比率が顕著に増大し、鉄（Ｆｅ）のピーク強度比率も増大した。

ここで、ウスタイトからマグネタイトへの変態の化学反応式は、次のとおりである。
４ＦｅＯ→Ｆｅ＋Ｆｅ_３Ｏ_４

上記化学反応式及び図２を参照して、熱処理温度が４００℃以上の場合、ウスタイトからマグネタイトへの変態が促進され、溶射皮膜中の鉄比率及びマグネタイト比率が増大する。一方、ウスタイト比率が減少する。

さらに、熱処理温度が５５０℃を超えると、熱処理温度の上昇に伴い、鉄比率が急速に減少し、ヘマタイト比率が増大する。溶射皮膜自体の酸化が進み、溶射皮膜中の鉄がヘマタイトに変態したため、鉄比率が減少したと考えられる。

以上のとおり、熱処理温度が４００℃〜５５０℃であれば、溶射皮膜１２中において、プラグ本体１１との密着性を高めるマグネタイト比率及び鉄比率が高まる。その結果、溶射皮膜１２のプラグ本体１１に対する密着性が高まる。

［引張残留応力の低減］
４００〜５５０℃で熱処理すればさらに、溶射皮膜中の引張残留応力は低くなる。表１は、各条件（熱処理温度、熱処理時間）で熱処理した場合の、引張残留応力の程度（たわみ量）を示す。表１は次の方法により得られた。

図３に示す複数の試験片２０を準備した。各試験片２０は、土台２１と、母材２２と、溶射皮膜２３と、複数のボルト２４とを備えた。土台２１は、幅２０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍとした。母材２２は、土台２１の上面に配置された。母材２２の形状は、幅２０ｍｍ×長さ５０ｍｍ×厚み１ｍｍであった。図３に示すとおり、母材２２の両端部分（対辺部分）は、ボルト２４により土台２１に固定された。母材２２の上面には溶射皮膜２３が形成された。溶射皮膜２３はアーク溶射により形成され、その条件は図１を得たときの条件と同じであり、厚みは５００μｍであった。

１つの試験片２０に対しては熱処理を実施せず、他の複数の試験片２０に対しては、表１に示す種々の熱処理温度（４００〜６５０℃）及び熱処理時間（５〜７０分）で熱処理を実施した。未熱処理の試験片２０及び熱処理後の試験片２０の両端部分に固定されたボルト２４の一方側を、図４に示すとおり外した。このとき、図４に示すとおり、引張残留応力により、母材２２及び溶射皮膜２３はたわんだ。そこで、図４に示すとおり、土台２１の上面から母材２２の下面の端辺までの距離をたわみ量ＦＬ（ｍｍ）と定義した。たわみ量ＦＬは引張残留応力の指標であり、たわみ量が大きいほど、引張残留応力が大きいと判断した。

表１を参照して、熱処理を実施した試験片２０では、熱処理を実施しなかった試験片２０よりも、たわみ量ＦＬが小さく、引張残留応力が低減する。さらに、熱処理を実施した試験片２０では、熱処理温度が高く、熱処理時間が長いほど、引張残留応力が低減する。

以上のとおり、４００〜５５０℃の熱処理温度で５〜６０分保持すれば、溶射皮膜１２中のマグネタイト比率が増大することにより溶射皮膜１２のプラグ本体１１に対する密着性が高まる。さらに、溶射皮膜１２の引張残留応力も低減する。そのため、上述の条件により熱処理された穿孔プラグ１０では、溶射皮膜１２がプラグ本体１１から剥離しにくくなる。

熱処理時間が短すぎれば、ウスタイトからマグネタイトへの変態が進まず、溶射皮膜１２の密着性が向上しにくい。一方、熱処理時間が長すぎれば、溶射皮膜１２内でさらなる酸化が進み、マトリクスである鉄の比率が低下し、ヘマタイト等の鉄酸化物の比率が増大する。そのため、溶射皮膜１２のプラグ本体１１に対する密着性がかえって低下する。したがって、熱処理時間は５〜６０分である。好ましい熱処理時間の下限は１０分であり、さらに好ましくは、２０分である。

好ましい熱処理温度は５００℃±２５℃（４７５〜５２５℃）である。

以上の工程（準備工程及び熱処理工程）により製造された穿孔プラグでは、溶射皮膜のプラグ本体に対する密着性が高まる。そのため、溶射皮膜が剥離しにくい。

上述の準備工程で準備された穿孔プラグ１０では、溶射皮膜１２が鉄と鉄酸化物とを含有する。しかしながら、溶射皮膜１２はさらに、他の酸化物を含有してもよい。たとえば、溶射皮膜１２は鉄酸化物と共に、Ｗ酸化物（ＷＯ_３）を含有してもよい。たとえば、Ｗを含有する鉄線材をアーク溶射することにより、溶射皮膜１２は鉄と、鉄酸化物と、Ｗ酸化物とを含有する。このような溶射皮膜が形成された穿孔プラグであっても、上記熱処理工程を実施すれば、溶射皮膜中のマグネタイト比率が増大し、引張残留応力は低減する。そのため、溶射皮膜は剥離しにくい。

表２に示す試験番号１〜２０の条件で、溶射皮膜を有する穿孔プラグを熱処理した。製造された穿孔プラグの溶射皮膜の耐剥離性を評価した。

［試験方法］
各試験番号の穿孔プラグは、いずれも図１に示す形状を有した。各穿孔プラグの表面には、厚さ６００μｍの溶射皮膜が形成された。溶射皮膜は鉄線材をアーク溶射して形成した。各穿孔プラグのアーク溶射の条件はいずれも同じとした。各試験番号ごとに１０個の穿孔プラグを準備した。

表２に示す条件（熱処理温度及び熱処理時間）で、各試験番号の１０個の穿孔プラグに対して熱処理を実施した。なお、試験番号２０の穿孔プラグについては熱処理を実施しなかった。

熱処理後、試験番号１〜２０の穿孔プラグを用いて、丸ビレットを穿孔圧延した。丸ビレットはＪＩＳ規格のＳＵＳ３０４に相当する化学組成を有し、直径及び長さはいずれも同じとした。各試験番号の各穿孔プラグを用いて、３本の丸ビレットを穿孔圧延した。このとき、各丸ビレットの加熱条件、穿孔圧延条件は、いずれの試験番号でも同じとした。

３本の丸ビレットを穿孔圧延後、各穿孔プラグの表面を目視で観察し、溶射皮膜の剥離の有無を判断した。そして、次の式に基づいて、試験番号ごとに剥離率（％）を求めた。
剥離率＝剥離が確認された穿孔プラグの個数／１０×１００

要するに、各試験番号の１０個の穿孔プラグのうち、剥離が確認された穿孔プラグの割合を、剥離率（％）と定義した。

［試験結果］
表２を参照して、試験番号３〜６、８〜１１及び１３〜１６では、いずれも熱処理温度が４００〜５５０℃の範囲内であり、熱処理時間が５〜６０分の範囲内であった。そのため、剥離率は３０％以下と低かった。

一方、試験番号１及び２では、熱処理温度が３５０℃と低かった。そのため、剥離率が高かった。

試験番号７、１２及び１７では、熱処理温度は適切だったものの、熱処理時間が８０分と長かった。そのため、剥離率が高かった。

試験番号１８及び１９では、熱処理温度が６００℃と高かった。そのため、剥離率が高かった。

試験番号２０では、熱処理が実施されなかった。そのため、剥離率が高かった。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１０ 穿孔プラグ
１１ プラグ本体
１２ 溶射皮膜

Claims (2)

1. 鉄と、鉄酸化物とを含有する溶射皮膜が表面に形成された穿孔プラグを準備する工程と、
   前記穿孔プラグを、４００〜５５０℃で５〜６０分保持する熱処理工程とを備える、穿孔プラグの製造方法。
2. 請求項１に記載の穿孔プラグの製造方法であってさらに、
   前記穿孔プラグを準備する工程は、
   プラグ本体を準備する工程と、
   前記プラグ本体の表面に、鉄線材でアーク溶射を実施して前記溶射皮膜を形成する工程とを含む、穿孔プラグの製造方法。
   

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