JP2017035745A - 継目無鋼管の切削加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本実施形態による継目無鋼管の切削加工方法は、基材を準備する工程と、切削加工する工程とを備える。基材を準備する工程では、質量%で、Cr:16.0〜18.0%を含有し、フェライト相、マルテンサイト相及び残留オーステナイト相を含む組織を有する基材を準備する。切削加工する工程では、切削工具を用いて基材を切削加工する。切削工具と基材との接触面積(mm2)をSとした時に、0.2≦S≦2.0mm2の場合、切削速度を150〜350m/分、2.0<S≦4.0mm2の場合、切削速度を150〜300m/分、及び、4.0<S≦6.0mm2の場合、切削速度を150〜200m/分とする。
【選択図】図4
Description
S≦5.68×10-1×B−6.76×10-2×H−1.12×10-5×V2−1.68×10-2×C−5.82×10-1
本実施形態による継目無鋼管の切削加工方法は、基材を準備する工程と、切削加工する工程とを備える。
準備工程では、基材を準備する。基材は、17Cr鋼である。以下に、17Cr鋼の化学組成及び組織の一例を説明する。
基材である17Cr鋼は、クロム(Cr)を16.0〜18.0%含有し、そのミクロ組織は、フェライト相、マルテンサイト相及び残留オーステナイト相を含む。化学組成について「%」とは、「質量%」を意味する。
Cr:16.0〜18.0%
クロム(Cr)は、基材の焼入れ性を高め、基材の強度を高める。Crはさらに、基材の耐食性、特に耐SSC性を高める。Cr含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、Cr含有量が高すぎれば、基材の熱間加工性が低下する。したがって、Cr含有量は16.0〜18.0%である。Cr含有量の好ましい下限は16.5%である。Cr含有量の好ましい上限は17.5%である。
炭素(C)は、オーステナイト相を安定化させる。Cはさらに、固溶強化により基材の強度を高める。しかしながら、基材のC含有量が高すぎれば、炭化物が過剰に析出し、基材の耐食性が低下する。したがって、C含有量は0.03%以下であることが好ましい。脱炭コストを考慮すると好ましいC含有量の下限は0.001%である。より好ましいC含有量の上限は0.01%である。
シリコン(Si)は、基材を脱酸する。Siはさらに、基材の強度を高める。Si含有量が低すぎれば、この効果が得られないことがある。一方、Si含有量が高すぎれば、基材の耐SSC性及び熱間加工性が低下する。したがって、Si含有量は、0.50%以下であることが好ましい。好ましいSi含有量の下限は、0.05%である。
マンガン(Mn)は基材を脱酸する。Mnはさらに、基材の強度を高める。しかしながら、Mn含量が高すぎれば、Mnは、燐(P)及び硫黄(S)等の不純物元素とともに、粒界に偏析する。この場合、基材の耐SSC性及び靱性が低下する。したがって、Mn含有量は、2.0%以下であることが好ましい。好ましいMn含有量の下限は、0.05%である。より好ましいMn含有量の上限は、0.50%である。
銅(Cu)は、基材の強度を高める。Cuはさらに、基材の耐SSC性を高める。Cu含有量が低ければ、これらの効果が得られないことがある。一方、Cu含有量が高すぎれば、基材の熱間加工性が低下する。したがって、Cu含有量は1.0〜3.5%であることが好ましい。より好ましいCu含有量の下限は、2.0%である。より好ましいCu含有量の上限は、3.0%である。
ニッケル(Ni)は、基材の耐食性を高める。一方、Ni含有量が高すぎれば、生産コストが高くなる。したがって、Ni含有量は2.5〜6.0%であることが好ましい。より好ましいNi含有量の下限は、4.0%である。より好ましいNi含有量の上限は、5.5%である。
モリブデン(Mo)は、基材の強度及び耐食性を高める。Mo含有量が低すぎれば、これらの効果が得られないことがある。一方、Mo含有量が高すぎれば、基材の熱間加工性が低下する。Mo含有量が高すぎればさらに、不要なコスト上昇を招く。したがって、Mo含有量は1.0〜3.5%であることが好ましい。より好ましいMo含有量の下限は、2.0%である。より好ましいMo含有量の上限は、3.0%である。
バナジウム(V)は、選択元素である。Vは炭素及び窒素と結合して炭化物、窒化物又は炭窒化物を形成する。これらの炭化物、窒化物及び炭窒化物は、基材を析出強化する。Vはさらに、基材の耐SSC性を高める。しかしながら、V含有量が高すぎれば、基材の靱性が低下する。したがって、V含有量は0〜0.1%であることが好ましい。含有する場合の好ましいV含有量の下限は、0.005%である。
タングステン(W)は選択元素である。Wは、高温環境における耐SCC性を高める。Wが少しでも含有されれば、上記効果がある程度得られる。一方、Wの含有量が3.0%を超えるとフェライト分率が過剰になりやすく、高い強度が得られないおそれがある。したがって、W含有量は0〜3.0%であることが好ましい。含有する場合の好ましいW含有量の下限は、0.05%である。より好ましいW含有量の上限は、2.0%である。
基材である17Cr鋼は、上述の通り、フェライト相、マルテンサイト相及び残留オーステナイト相を含む組織を有する。基材は、体積%で、フェライト相が10〜15%、残留オーステナイト相が15%以下、残部がマルテンサイト相であることが好ましい。上述の組織を有する場合、基材の降伏強度が高まる。
上述の化学組成を有する基材を周知の方法で製造する。基材は、継目無鋼管である。基材の製造方法は特に限定されない。たとえば、上述の化学組成を有する溶湯を製造する。続いて、連続鋳造により鋳片(ブルーム)を製造し、得られた鋳片を分塊圧延してビレットにする。ビレットに対して、マンネスマン−マンドレルミル法を用いて穿孔圧延及び延伸圧延する。溶湯を製造した後、造塊法によりインゴットを製造してもよい。マンネスマン−マンドレルミル法に代えて、熱間押出し法により基材を製造してもよい。
切削加工工程では、上述の製造方法により得られた基材に対して、切削工具を用いてねじ切削加工を実施する。ねじ切削加工は、コンピュータで切削速度、切込量及び送り量等が制御できるCNC旋盤装置を用いて行うことができる。図1は、切削加工工程の一例を示す図である。図1を参照して、基材1は、基材1の軸周り方向Xに回転する。切削工具2は固定され、基材1の表面に押し当てられる。基材1を回転させながら、切削工具2を基材1の軸方向Yに進めることによってねじ切削加工を行う。ねじ切削加工は、基材1を固定し、切削工具2を回転させることによっても実施できる。切削加工工程は、1回で完了してもよいし、複数の段階(切削パス)を含んでもよい。複数の段階(切削パス)を含む場合、切削加工工程は、初期段階(粗加工)及び最終段階(仕上げ加工)を含む。必要に応じて、切削加工工程は、中間段階(中間加工)を含む。
切削工具2の一例を図2に示す。図2を参照して、切削工具2は、複数の刃部3を有するねじ切削用チェザーである。切削工具2は、超硬合金を含む。超硬合金は、タングステンカーバイド(WC)を主成分とし、焼結助剤としてコバルト(Co)を含有する。超硬合金はWC、Coの他に、チタンカーバイド(TiC)及びタンタルカーバイド(TaC)等を含有してもよい。切削工具2の最表層には、硬質保護膜が形成される。硬質保護膜は、チタン(Ti)の窒化物を含む。硬質保護膜の厚さは、最大5μmである。
切削工具2と基材1との接触面積をS(mm2)とする。図3は、切削工具2の刃部3の拡大図である。図3を参照して、接触面積Sは、切削工具2のねじ山の形状及び切込量(すくい面が基材1にくいこむ深さ)から求めた、切削工具2と基材1が接する総面積である。すなわち、すくい面4、逃げ面5、側面6及び側面7において、切削工具2と基材1とが接触する面積の合計を接触面積Sとする。
切削速度は、接触面積Sに応じて適切な値に設定される。接触面積Sが0.2≦S≦2.0mm2の場合、切削速度は150〜350m/分、2.0<S≦4.0mm2の場合、切削速度は150〜300m/分、及び、4.0<S≦6.0mm2の場合、切削速度は150〜200m/分である。本発明が対象とする基材1は、切削速度を速くしても、切削抵抗が小さく、凝着が少ない。そのため、切削速度を速くすることで、切削抵抗及び凝着を抑制しつつ、生産効率を改善できる。
切削工具2の刃先へ付加されるせん断応力が切削抵抗である。図1を参照して、基材1の回転方向の分力を主分力Fc、切削工具2の送り方向の分力を送分力Ft、切削工具2を押し付ける基材1被削面の法線方向の分力を背分力Fnとする。切削抵抗Rは、式(1)で表される、これら3方向の分力のベクトル総和である。
R2=Fc2+Fn2+Ft2 (1)
切削抵抗Rが低い程、基材1は切削されやすい。反対に、切削抵抗Rが高い程、基材1は切削され難い。本実施形態による継目無鋼管の切削加工方法では、ねじ切削加工における切削速度を速くした場合であっても、切削抵抗Rが低い。
ねじ切削加工は、通常、複数回の切削パス(粗加工〜(中間加工)〜仕上げ加工)によって行われる。切削パス数、それぞれの切削パスにおける切込量及び回転数の設定はコンピュータプログラムへの入力で行われる。コンピュータ制御器には、たとえば、ファナック社製制御器(型番;FANUC Series Oi−TC)などが使用される。
2種類の基材を準備した。始めに、表1に示す化学組成を有する2種類の溶湯を製造した。それぞれの溶湯から、連続鋳造によりブルームを製造し、得られたブルームを分塊圧延してビレットを製造した。ビレットに対して、マンネスマン−マンドレルミル法を用いて穿孔圧延及び延伸圧延を実施した。得られた基材に対して焼入れ及び焼戻しを実施し、基材A(17Cr鋼)及び基材B(13Cr鋼)を得た。
基材A及び基材Bのビッカース硬さを、JIS Z2244(2009)に基づいて実施した。試験荷重は2.94N(0.3kgf)とした。基材Aのビッカース硬さは345Hv0.3以上であった。基材Bのビッカース硬さは239Hv0.3以上であった。
得られた基材A及び基材Bに対して、被削鋼材回転式の旋盤装置を用いてねじ切削加工を施した。被削鋼材回転式の旋盤装置は、CNC旋盤装置であった。具体的には、基材を主軸台に固定し、切削工具を切削ホルダーと呼ばれる治具に装着した。切削工具は、WC及びCoからなる超硬合金の最表層に、Ti窒化物を含む硬質保護層を備えた切削工具であった。
各接触面積における切削抵抗を測定した。上述の切削ホルダーを、CNC旋盤装置の動力計(機械歪みゲージ)に装着し、CNC旋盤装置を用いて表2に示す条件でねじ切削加工を実施した。このとき、送り量は6.0mm/回転であった。動力計を用いて機械歪みを測定した。機械歪みを動力計毎の補正値で圧電信号に置換し、主分力Fc(工具すくい面方向の分力)、送り分力Ft(工具送り方向の分力)、及び、背分力Fn(工具押し込み方向の分力)として計測した。得られた主分力Fc、送り分力Ft、及び、背分力Fnのベクトル和(合力)を上述の式(1)により算出し、切削抵抗とした。結果を表2及び図4に示す。図4は、接触面積が2.0mm2の場合の、切削速度と切削抵抗との関係を示す図である。鋼種Bに対しては、切削速度が300m/分以上では動力計の測定限界を超えたため、試験を中断した。
ねじ切削加工における、切削速度と凝着量との関係を調べた。具体的には、基材Aを用いて、粗加工、中間加工及び仕上げ加工を含むねじ切削加工を実施した。切削条件は以下の通りとした。粗加工:接触面積6.0mm2、中間加工:接触面積4.0mm2、仕上げ加工:接触面積2.0mm2。切削速度は、粗加工〜仕上げ加工まで通して同一の速度とし、表3に示す通りに設定してねじ切削加工を実施した。次に、ねじ切削加工後の切削工具の刃先部をSEM−EDSを用いて解析した。図5は、ねじ切削加工後の切削工具表面をSEM観察した図である。図5を参照して、切削工具の刃先部10に対して、EDSを用いて解析を行った。具体的には、エネルギー分散形X線分析装置付き走査型電子顕微鏡(日本電子製、JSM−7100型FESEM)を用いて測定した。任意の5箇所を走査型電子顕微鏡にて観察し、組成を分析した。測定倍率1,000倍で、加速電圧;15kV、照射電流;最大200nAの電子ビームを照射し、kα線のX線強度を測定した。各元素のX線強度をもとに、それぞれの金属元素の含有量(質量%)を算出し、測定値とした。接触面積1mm2当たりのFe、Cr及びTiの質量%を5箇所測定の平均値で算出した。結果を表3及び図6に示す。
基材Aを用いて、接触面積Sが2.0mm2の場合、切削速度150〜350m/分、4.0mm2の場合、切削速度150〜300m/分、及び、6.0mm2の場合、切削速度150〜200m/分、としてねじ切削加工した場合、切削抵抗(N)の値は2000N以下となった。切削抵抗は接触面積が大きいほど大きいので、基材Aを用いて、適切な切削速度でねじ切削加工を実施すると、具体的には、接触面積Sが0.2≦S≦2.0mm2の場合、切削速度150〜350m/分、2.0<S≦4.0mm2の場合、切削速度150〜300m/分、及び、4.0<S≦6.0mm2の場合、切削速度150〜200m/分、としてねじ切削加工すると、切削抵抗(N)の値は2000N以下となる。基材Aは基材Bよりもビッカース硬さが高かった。それにも関わらず、いずれの切削速度においても、基材Aの方が基材Bよりも切削抵抗が低かった。
2 切削工具
Claims (1)
- 継目無鋼管の切削加工方法であって、
質量%で、Cr:16.0〜18.0%を含有し、フェライト相、マルテンサイト相及び残留オーステナイト相を含む組織を有する基材を準備する工程と、
切削工具を用いて前記基材を切削加工する工程とを備え、
前記切削加工する工程において、前記切削工具と前記基材との接触面積(mm2)をSとした時に、切削速度は次のとおりとする、継目無鋼管の切削加工方法。
0.2≦S≦2.0mm2の場合、切削速度は150〜350m/分、
2.0<S≦4.0mm2の場合、切削速度は150〜300m/分、及び、
4.0<S≦6.0mm2の場合、切削速度は150〜200m/分。
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