JP2022146562A - ピアサープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】耐剥離性及び耐摩耗性を損なわずに適切に潤滑性を向上させた長寿命のピアサープラグを提供する。【解決手段】ピアサープラグ１は、プラグ本体２と、プラグ本体２の表面に形成された溶射皮膜３とを備える。溶射皮膜３は、先端領域３１、圧延領域３２及び底領域３３の３つの領域に分割される。先端領域３１は、ビレットの穿孔圧延時に耐摩耗性が強く要求されるため、Ｆｅ、Ｏ及び不純物からなる。圧延領域３２は、穿孔圧延時に潤滑性が強く要求されるため、Ｆｅ、Ｏ、Ｗ及び不純物からなる。圧延領域３２におけるＯを除くＷの含有率は４．０重量％以下である。これにより、穿孔圧延時、圧延領域３２の摩耗速度が十分に低下し、圧延領域３２に強く要求される潤滑性を適切に向上できる。その結果、耐剥離性及び耐摩耗性を損なわず適切に潤滑性を向上させた長寿命のピアサープラグ１を得ることができる。【選択図】図４

Description

本開示は、継目無鋼管の穿孔圧延に用いられるピアサープラグに関する。

従来、ピアサープラグは、表面の遮熱性、潤滑性、及び耐焼付き性を確保するため、表面にスケール皮膜を形成して使用されてきた（例えば、特公平４－８４９８号公報、特開平４－７４８４８号公報、特開平４－２７０００３号公報、特公平１－７１４７号公報、特開昭６３－２０３２０５号公報等を参照）。

スケール皮膜は、穿孔圧延ごとに次第に摩耗する。スケール皮膜が完全に摩耗して母材（プラグ本体）が露出すると、母材の溶損や相手材との焼付きが生じる。ステンレス等の難加工材の穿孔ではスケール皮膜の摩耗が顕著であり、数パスで摩耗する場合がある。その度にスケール皮膜を再形成するための熱処理が必要になるが、この熱処理には数時間から数十時間を要するため、能率が悪いという問題がある。

特許第４２７９３５０号公報には、鉄及び酸化物からなる溶射皮膜をピアサープラグの母材の表面に形成する技術が提案されている。溶射皮膜は、スケール皮膜よりも母材との密着性や耐摩耗性に優れ、かつ、数分から数十分で形成することができる。そのため溶射皮膜は、スケール皮膜よりも寿命が長く、摩耗しても短時間で再生することができる。

特許第５３３９０１６号公報には、プラグの母材表面にアーク溶射して皮膜を形成する穿孔圧延用プラグの製造方法において、溶射線材として、酸化鉄よりも熱伝導率が低い粒子（具体的にはＺｒＯ_２粒子）や、固体潤滑剤粒子（具体的にはＢＮ粒子）を含有するコアードワイヤを用いることが開示されている。

ピアサープラグに関するものではないが、特開２００３－１４７５０３号公報には、母材の摺動面に低融点金属（具体的には錫、鉛、亜鉛等）又はその合金と固体潤滑材とからなる溶射皮膜を形成した軸受けが開示されている。また、特表２０１３－５２６６５５号公報には、軸受けの摺動面等を被覆するための溶射ワイヤであって、内層と、内層を取り囲む粉末材料層と、粉末材料層を取り囲む外層とを備える溶射ワイヤが開示されている。

特公平４－８４９８号公報 特開平４－７４８４８号公報 特開平４－２７０００３号公報 特公平１－７１４７号公報 特開昭６３－２０３２０５号公報 特許第４２７９３５０号公報 特許第５３３９０１６号公報 特開２００３－１４７５０３号公報 特表２０１３－５２６６５５号公報

溶射皮膜は、上述のとおりスケール皮膜よりも母材すなわちプラグ本体との密着性や耐摩耗性に優れる。そのため、溶射皮膜の寿命は、スケール皮膜に比べて長い。しかし、低合金ビレットを比較的低温域で穿孔する場合や高合金のような高強度のビレットを穿孔する場合等には、皮膜に剥離が生じ、露出した母材を起点に溶損や焼付きが発生し、プラグ本体を損傷させ得る。

プラグ本体の損傷を抑制するために溶射皮膜に要求される主な特性は、潤滑性、耐剥離性及び耐摩耗性である。しかし、これらの特性を同時に満たすことは困難である。すなわち、鉄ワイヤを原料とするアーク溶射皮膜において、皮膜中の未酸化Ｆｅ比率を高くすれば、図１に示すように穿孔効率（≒潤滑性）は低下傾向となるが、図２に示すように溶射皮膜のせん断密着力（≒耐剥離性）は向上し、また、図３に示すように摩耗量は低下、すなわち耐摩耗性は向上する。また、ビレットとプラグ本体の間で溶射皮膜を溶融させた場合、摩擦係数が低下して潤滑性は向上するが、皮膜の溶融が顕著であればあるほど耐摩耗性及び耐剥離性は低下する。このように、潤滑性、耐剥離性及び耐摩耗性は、トレードオフの関係にある。

本開示の目的は、耐剥離性及び耐摩耗性を損なわず、適切に潤滑性を向上させた長寿命のピアサープラグを提供することである。

本開示の一実施形態によるピアサープラグは、プラグ本体と、プラグ本体の表面に形成された第１の溶射皮膜とを備えてよい。プラグ本体は、先端部と、先端部よりも後方の底部と、先端部と底部との間に形成された圧延部とを含んでよい。第１の溶射皮膜は、先端部の表面に形成された先端領域と、底部の表面に形成された底領域と、圧延部の表面に形成された圧延領域とを含んでよい。先端領域は、Ｆｅと、Ｏと、不純物とからなってよい。圧延領域は、Ｆｅと、Ｏと、Ｗと、不純物とからなってよい。圧延領域におけるＯを除くＷの含有率は、４．０重量％以下であってよい。

本開示によれば、耐剥離性及び耐摩耗性を損なわずに適切に潤滑性を向上させ、長寿命のピアサープラグを得ることができる。

図１は、溶射皮膜の穿孔効率の測定結果を示すグラフである。 図２は、溶射皮膜の密着力の測定結果を示すグラフである。 図３は、溶射皮膜の摩耗量の測定結果を示すグラフである。 図４は、本開示の一実施形態によるピアサープラグを示す縦断面図である。 図５は、溶射皮膜の形成に用いる装置の一例を示す図である。 図６は、コアードワイヤの横断面を示す図である。 図７は、本開示に係るピアサープラグの変形例を示す縦断面図である。 図８は、本開示に係るピアサープラグの変形例を示す縦断面図である。 図９は、実験２において圧延領域のＷ含有率と摩耗速度の関係を示すグラフである。 図１０は、実験３において圧延領域のＷ含有率と摩擦係数との関係を示すグラフである。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、プラグ本体の表面に形成される溶射皮膜において、潤滑性、耐剥離性及び耐摩耗性を要求される領域は、必ずしも同一ではないという知見を得た。具体的に、発明者らは、図４を参照して、プラグ本体２を先端部２１、圧延部２２及び底部２３に分け、これら３つの部位の表面に形成された溶射皮膜３の各々の要求特性について検討した。表１に示すように、先端部２１の表面に形成された溶射皮膜３の先端領域３１、圧延部２２の表面に形成された溶射皮膜３の圧延領域３２及び底部２３の表面に形成された溶射皮膜３の底領域３３について検討した。表１において、「Ａ」は強く要求される特性を示し、「Ｂ」は要求される特性を示し、「Ｃ」は高い方が好ましいが特段の要求はない特性を示す。その結果、潤滑性は、特に圧延領域３２で強く要求され、先端領域３１及び底領域３３では、特段要求されないことが分かった。すなわち、圧延領域３２以外の先端領域３１及び底領域３３については、耐摩耗性及び耐剥離性を重視すればよく、圧延領域３２においては選択的に高潤滑性の溶射皮膜３を形成することにより、高潤滑で長寿命のピアサープラグ１が効率的に得られることが分かった。本発明は上述の知見に基づいて完成された。以下、本開示の実施形態を説明する。

本開示の一実施形態によるピアサープラグは、プラグ本体と、プラグ本体の表面に形成された第１の溶射皮膜とを備えてよい。プラグ本体は、先端部と、先端部よりも後方の底部と、先端部と底部との間に形成された圧延部とを含んでよい。第１の溶射皮膜は、先端部の表面に形成された先端領域と、底部の表面に形成された底領域と、圧延部の表面に形成された圧延領域とを含んでよい。先端領域は、Ｆｅと、Ｏと、不純物とからなってよい。圧延領域は、Ｆｅと、Ｏと、Ｗと、不純物とからなってよい。圧延領域におけるＯを除くＷの含有率は、４．０重量％以下であってよい。これにより、ビレットの穿孔圧延時、圧延領域の摩耗速度が十分に低下し、プラグ本体とビレットとの間に介在する圧延領域が溶融して圧延領域に強く要求される潤滑性を適切に向上できる。その結果、長寿命のピアサープラグを得ることができる。

圧延領域におけるＯを除くＷの含有率は０．５重量％以上であってよい。これにより、圧延領域の摩擦係数が十分に低下する。その結果、長寿命のピアサープラグを得ることができる。

底領域は、圧延領域と同じ元素で構成されてよい。これにより、溶射皮膜を先端領域と先端領域よりも後方の領域（圧延領域と底領域）の２つの領域に表層領域を分割できる。表層領域を２つの領域に分割した場合であっても、圧延領域に相当する領域の潤滑性を向上できるため、長寿命のピアサープラグを得ることができる。

ピアサープラグは、プラグ本体と第１の溶射皮膜との間に形成された第２の溶射皮膜を含んでよい。第２の溶射皮膜は、Ｆｅと、Ｏと、不純物とからなってよい。Ｆｅ酸化物は、耐剥離性に優れる。これにより、プラグ本体の表面と第１の溶射皮膜との密着性を向上させ、第１の溶射皮膜の剥離を抑制することができる。その結果、長寿命のピアサープラグを得ることができる。

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。各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［ピアサープラグの構造］
図４は、本発明の一実施形態によるピアサープラグ１の縦断面図である。ピアサープラグ１は、プラグ本体２と、溶射皮膜３とを備えている。プラグ本体２の全体は、同じ素材で一体的に形成されている。プラグ本体２の素材は、例えば、炭素鋼又はステンレス鋼で構成されてもよい。

プラグ本体２は、砲弾形状を有する。プラグ本体２の横断面は、円形状を有する。プラグ本体２は、先端２ａと、先端２ａと反対側の端の面すなわち後端面２ｂを有している。プラグ本体２は、外径がプラグ本体２の先端２ａから後端面２ｂに向かって大きくなる形状を有している。プラグ本体２の後端面２ｂと、それ以外の面との境は、円形の稜線となっている。プラグ本体２の複数の横断面の外周円の中心を通る線が、プラグ軸心Ｃとなる。プラグ軸心Ｃは、穿孔圧延時のビレットの進行方向となる。

プラグ本体２は、図４に示すように、先端部２１と、先端部２１とは反対側の底部２３と、先端部２１及び底部２３の間に位置付けられた圧延部２２とを有している。圧延部２２は、先端部２１に連続する後方（図示の右側）の部位である。底部２３は、リーリング部２３ａと逃げ部２３ｂとを有する。リーリング部２３ａは、圧延部２２に連続する後方の部位である。逃げ部２３ｂは、リーリング部２３ａに連続する後方の部位であり、後端面２ｂに近い部位である。先端部２１及び圧延部２２は、穿孔圧延において、肉厚圧下の大部分を受け持つ部位である。底部２３は、穿孔圧延において、中空素管（シェルともいう）の肉厚を仕上げる部位である。言い換えれば、先端部２１は、穿孔圧延時に、ビレットを穿孔するための力が主に作用する部分である。圧延部２２は、穿孔圧延時に、ビレットを拡径するための力が主に作用する部分である。リーリング部２３ａは、穿孔圧延時に、ビレットを穿孔又は拡径してできる中空素管の肉厚寸法の均一化又は中空素管の内周面の平滑化をするための力が主に作用する部分である。

プラグ本体２の外径は、プラグ軸心Ｃの前方から後方に行くに従って大きくなる。すなわち、プラグ本体２の外径は、プラグ軸心Ｃの方向において変化している。先端部２１から圧延部２２にかけて、プラグ本体２の外径のプラグ軸心Ｃの方向における変化率は、先端２ａからリーリング部２３ａに近づくに従って小さくなっている。すなわち、縦断面において、先端部２１から圧延部２２にかけての外縁線の接線のプラグ軸心Ｃに対する角度θ２は、先端２ａからリーリング部２３ａに近づくに従って小さくなる。リーリング部２３ａにおける、プラグ本体２の外径のプラグ軸心Ｃ方向における変化率は、先端部２１から圧延部２２にかけての変化率の最小値と同じか又はより小さい。すなわち、縦断面において、リーリング部２３ａの外縁線の接線のプラグ軸心Ｃに対する角度θ１は、先端部２１から圧延部２２にかけての外縁線の接線のプラグ軸心Ｃに対する角度θ２の最小値と同じか又はより小さい。図４に示す例では、リーリング部２３ａの外径のプラグ軸心Ｃ方向における変化率は、ほぼ一定である。

また、圧延部２２の前端は、プラグ本体２の全長（先端２ａから後端面２ｂまでのプラグ軸心Ｃの寸法）をＤ［ｍｍ］として、先端２ａから０．２×Ｄ［ｍｍ］以下の位置とするのがよい。圧延部２２の後端は、先端２ａから０．４×Ｄ［ｍｍ］以上の位置とするのがよい。すなわち、圧延部２２は、プラグ本体２の全長Ｄに対して先端２ａを起点として０．２×Ｄ［ｍｍ］の位置から０．４×Ｄ「ｍｍ」までの範囲を含み、先端部２１と底部２３との間に位置付けられる。

溶射皮膜３は、プラグ本体２の表面に形成されている。溶射皮膜３は、プラグ本体２の後端面２ｂを除き、先端部２１、圧延部２２及び底部２３の各々の表面を覆っている。すなわち、溶射皮膜３は、図４に示すように、先端部２１を覆う先端領域３１、圧延部２２を覆う圧延領域３２及び底部２３を覆う底領域３３という３つの領域を有している。３つの領域は、領域ごとに分割されてプラグ本体２の表面を被覆している。先端領域３１、圧延領域３２及び底領域３３の各々に含まれる構成元素は、各々の領域で求められる特性（耐摩耗性、潤滑性及び耐剥離性）に応じて決定される。すなわち、各々の領域含まれる構成元素は、各々の領域で求められる特性に応じて異なる。

先端領域３１では、上記表１の通り、耐摩耗性が強く要求される。したがって、先端領域３１は、Ｆｅ、Ｏ及び不純物とからなる。これにより、耐摩耗性を向上できる。なお、先端領域３１は、耐摩耗性を向上できれば、これら以外の物質を含んでもよい。

圧延領域３２では、上記表１の通り、潤滑性が強く要求される。したがって、圧延領域３２は、Ｆｅと、Ｏと、Ｗと、不純物とからなる。これにより、圧延領域３２の融点を先端領域３１よりも低くすることができる。すなわち、ビレットを穿孔圧延する際に、ピアサープラグ１の使用温度域において、溶射皮膜３の圧延領域３２を溶融できる。穿孔圧延時、ピアサープラグ１の表面到達温度は、通常、例えば、８５０～１３００℃になる。圧延領域３２は、この温度範囲において溶融するように決定されるのが好ましい。プラグ本体２とビレットとの間に介在する圧延領域３２が溶融することにより、摩擦係数が低下する。これにより、圧延領域３２の潤滑性を向上できる。なお、圧延領域３２は、潤滑性を向上できれば、Ｆｅと、Ｏと、Ｎａ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃａ、Ｖ、Ｎｂ及びＷからなる群から選ばれる１種又は２種以上と、不純物とから構成されてもよく、これら以外の物質を含んでもよい。

底領域３３は、上記表１の通り、特に強く要求される特性を有しない。ただし、底領域３３では、耐剥離性が要求されている。したがって、底領域３３の構成元素は、Ｆｅ及びＯを含むのがよい。これにより、底領域３３の耐剥離性を向上できる。なお、底領域３３では、強く要求される特性がないため、後述する変形例のように潤滑性を向上させてもよい。

圧延領域におけるＷの含有率は、４．０重量％以下である。なお、圧延領域におけるＷの含有率は、圧延領域に含まれるＦｅ、Ｗ及び不純物の合計に対するＷの含有率（Ｗ／（Ｆｅ＋Ｗ＋不純物）×１００）、すなわち、Ｏを除く含有率である（以下、先端領域及び底領域のＷの含有率についても同じ。）。後述するが、圧延領域におけるＷの含有率を４．０重量％以下とした場合、圧延領域の摩耗速度を低下させることができる。その結果、長寿命のピアサープラグ１を得ることができる。圧延領域の摩耗速度を低下させるという観点から、圧延領域におけるＷの含有率は、４．０重量％以下するのがよく、好ましくは、３．０重量％とするのがよく、より好ましくは２．４重量％以下とするのがよい。

圧延領域におけるＷの含有率は、０．５重量％以上である。後述するが、圧延領域におけるＷの含有率を０．５重量％以上とすることにより、圧延領域の摩擦係数を低下させることができる。その結果、長寿命のピアサープラグ１を得ることができる。圧延領域の摩擦係数を十分に低下させるという観点から、圧延領域におけるＷの含有率は、０．５重量％以上とするのがよく、好ましくは０．８重量％以上とするのがよく、より好ましくは１．２重量％以上とするのがよい。

このように、本開示によれば、最適部位、すなわち圧延部２２の表面に対して高潤滑の溶射皮膜３（圧延領域３２）を形成し、適切に潤滑性を向上させたことにより、耐剥離性及び耐摩耗性を損なわず、潤滑性に優れた長寿命のピアサープラグ１を得ることができる。

［ピアサープラグの製造方法］
以下、ピアサープラグ１の製造方法の一例を説明する。以下で説明する方法はあくまで例示であり、ピアサープラグ１の製造方法はこれに限定されない。

プラグ本体２を準備する。プラグ本体２は、後端面２ｂを除く表面の少なくとも一部を含む部分が炭素鋼又はステンレス鋼で構成されたものを用いる。

プラグ本体２に、溶射皮膜３を形成する。溶射皮膜３は、図５に示すアーク溶射装置１００を用いて形成することができる。

アーク溶射装置１００は、溶射ガン１０１と、回転台１０４とを備えている。溶射ガン１０１は、連続的に供給される溶射線材１０２及び１０３の先端でアークを発生させ、溶融した金属を圧縮空気によって噴射する。

本実施形態では、プラグ本体２の先端部２１、圧延部２２及び底部２３の各々の表面に、溶射皮膜３の先端領域３１、圧延領域３２及び底領域３３を別個形成する。

まず、底部２３の表面に対して溶射皮膜３の底領域３３を形成する。底領域３３を形成するために用いられる溶射線材１０２及び１０３は、特に限定されないが、耐剥離性を向上させることが好ましい。そのため、底領域３３を形成するために用いられる溶射線材１０２及び１０３は、鉄線材である。鉄線材は、アーク溶射により、底部２３の表面に鉄酸化物を被覆させる。すなわち、底領域３３の構成元素は、ＦｅとＯとなる。これにより、底領域３３の耐剥離性が向上する。

次に、プラグ本体２の圧延部２２の表面に対して溶射皮膜３の圧延領域３２を形成する。圧延領域３２を形成するために用いられる溶射線材１０２は、いわゆるコアードワイヤ１１０である。図６は、コアードワイヤ１１０の軸方向に垂直な断面図である。コアードワイヤ１１０は、鉄製の外殻１１１と、外殻１１１の内側に封入された充填材１１２とを含む。

充填材１１２は、Ｆｅと、Ｗとを含む。なお、充填材１１２は、先端領域３１よりも融点が低い溶射皮膜を形成することが可能なＮａ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃａ、Ｖ、Ｎｂ及びＷからなる群から選ばれる１種又は２種以上とを含んでもよい。充填材１１２は、これら以外の物質をさらに含んでいてもよい。

本実施形態では、溶射ガン１０１によってコアードワイヤ１１０を溶融させ、圧延部２２の表面に圧延領域３２を形成する。このとき、充填材１１２に含まれる上述の物質により、圧延領域３２の融点を先端領域３１よりも低くすることができる。充填材１１２に含まれる物質は、圧延領域３２中の物質と同じ物質であってもよいし、溶射後に同じ化合物となるように複数の物質を調合したものであってもよい。

充填材１１２に含まれる物質は、Ｎａ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃａ、Ｖ、Ｎｂ及びＷからなる群から選ばれる１種又は２種以上に限定されない。穿孔圧延時のピアサープラグ１の使用温度域において、圧延領域３２を溶融できるように適宜決定することができる。より具体的には、穿孔圧延時、ピアサープラグ１の表面到達温度は、通常、例えば、１１５０℃又は１２００℃など、８５０～１３００℃になる。圧延領域３２は、この温度範囲において溶融するように決定されるのが好ましい。

圧延領域３２を形成する溶射線材１０３は、溶射線材１０２と同様の構成を有するコアードワイヤ１１０であってもよいし、通常の鉄線材であってもよい。鉄線材は、例えば炭素鋼（普通鋼）の線材であり、具体的には、鉄を主成分とし、炭素、シリコン、マンガン、及び不純物等を含む線材である。本実施形態における圧延領域３２の形成工程では、溶射線材１０２及び１０３の少なくとも一方が、先端領域３１よりも融点が低い溶射皮膜を形成することが可能な物質を含むコアードワイヤ１１０であればよい。

次に、先端部２１の表面に対して溶射皮膜３の先端領域３１を形成する。先端領域３１を形成するために用いられる溶射線材１０２及び１０３は、鉄線材である。鉄線材は、アーク溶射により、先端部２１の表面に鉄酸化物を被覆させる。すなわち、先端領域３１の構成元素は、ＦｅとＯとなる。これにより、先端領域３１の耐摩耗性が向上する。

先端領域３１、圧延領域３２及び底領域３３の各々を別個形成するために、アーク溶射しない領域にはマスキングを施してもよい。また、溶融した金属が所定の領域に噴射されるように、溶射ガン１０１の噴射角度を相対的に変え、溶射する領域を適宜変更するようにしてもよい。すなわち、プラグ本体２の先端部、圧延部及び底部の各々の表面に対して、表層領域ごとに別個に溶射皮膜３を形成することができれば、その方法は限定されない。

なお、溶射距離が長いほど、溶射皮膜３中の酸化物の比率が高くなる。これは、溶射ガン１０１の先端から噴射される金属の酸化が溶射距離に応じて進行するためである。溶射距離は、これに限定されないが、例えば１００～１４００ｍｍである。また、溶射距離を徐々に長くしながら溶射することで、プラグ本体２の近傍の金属成分の比率を高くし、表面に向かうにしたがって酸化物の比率を高くすることができる。

回転台１０４によってプラグ本体２を軸周りに回転させながら、溶射皮膜３の表層領域が所定の厚さになるまで溶射する。表層領域の厚さは、これに限定されないが、例えば２００～３０００μｍである。

溶射皮膜３を形成後、拡散のための加熱処理を実施することが好ましい。これによって、プラグ本体２と溶射皮膜３とをより密着させることができる。拡散のための加熱処理として例えば、７００～１２００℃で５分以上である。加熱処理の時間は、さらに好ましくは、１０分以上である。加熱処理の温度は、さらに好ましくは、上述した先端領域３１よりも融点が低い溶射皮膜を形成することが可能な物質の融点よりも低い温度である。例えば、加熱処理の温度を、１１００℃以下、より好ましくは、１０００℃以上とすることができる。また、加熱処理の温度を、８００℃以上、より好ましくは、９００℃以上としてもよい。

このように、本開示のピアサープラグ１の製造方法によれば、先端領域３１、圧延領域３２及び底領域３３の各々を別個形成することにより、耐剥離性及び耐摩耗性を損なわず潤滑性に優れた長寿命のピアサープラグ１を効率的に得ることができる。

［変形例］
上記実施形態では、溶射皮膜３の表層領域を３つの領域（先端領域３１、圧延領域３２及び底領域３３）に分割したが、図７に示すように、先端領域３１と先端領域３１よりも後方の領域（圧延領域３２と底領域３３とを併せた１つの領域）との２つの領域に分割してもよい。以下、この２つの領域をまとめて胴領域と称する場合がある。その際も同様に、先端領域３１の耐摩耗性を向上させ、先端領域３１よりも後方の領域の潤滑性を向上できるように、溶射皮膜３が形成される。これにより、圧延領域３２に相当する領域の潤滑性を向上できるため、耐剥離性及び耐摩耗性を損なわずに高潤滑性のピアサープラグ１を得ることができる。また、表層領域を２分割すればよいため、各々の領域に溶射皮膜を形成する作業を簡略化できる。なお、溶射皮膜３の表層領域は、４つ以上の領域に分割してもよい。表層領域を複数分割した場合であっても、プラグ本体２の表面に対応する位置に各々の領域を形成する工程は、上記表層領域の形成工程と同様である。すなわち、表層領域は、分割された領域ごとにアーク溶射されることによって形成される。

また、図８に示すように、プラグ本体２と溶射皮膜３との間に、溶射皮膜３の溶射皮膜４を形成してもよい。溶射皮膜４は、図示のように、溶射皮膜３の各領域に対応する位置で３つの領域に分割できる。溶射皮膜４は、１つの領域であってもよいし、２つ以上に分割された領域であってもよい。溶射皮膜４は、Ｆｅ及びＯから構成されるのがよい。これにより、プラグ本体２の表面と溶射皮膜３との密着性を向上させ、溶射皮膜３の剥離を抑制することができ、より長寿命のピアサープラグ１を得ることができる。

溶射皮膜４は、溶射皮膜４と同様に、アーク溶射装置１００を用いてプラグ本体２の表面に形成することできる。溶射皮膜４がプラグ本体２の表面に形成されたのち、溶射皮膜３は、溶射皮膜４の表面に形成される。溶射皮膜４の形成工程は、上記溶射皮膜３の形成工程と同様であるため、詳しい説明は省略する。

このように、溶射皮膜３は、プラグ本体２のプラグ軸心Ｃ方向だけでなく、溶射皮膜３の膜厚方向にも領域を分割して形成することができる。これにより、プラグ本体２の各部位（先端部２１、圧延部２２及び底部２３）で求められる特性に応じた溶射皮膜３をより適切に形成することができる。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。この実施例は本発明を限定するものではない。

（実験１）
実験１では、複数種類のワイヤ（溶射線材）を用いてプラグ本体表面にアーク溶射により溶射皮膜を形成し、ビレットの穿孔試験を実施した。この試験に用いられるプラグ本体は、鉄基合金製である。表２に示す通り、プラグ本体の縦断面における最大径が７０ｍｍ、プラグ軸心の全長が２３０ｍｍであるプラグ本体、或いは、プラグ本体の縦断面における最大径が５７ｍｍ、プラグ軸心の全長が１２０ｍｍであるプラグ本体を用いた。これらのプラグ本体の表面に、アーク溶射により先端領域、圧延領域及び底領域の各々の溶射皮膜を形成した。この際、先端領域の厚みは１２００～１５００μｍであり、圧延領域の厚みは５００μｍ、底領域の厚みは３００μｍであった。

溶射皮膜は、Ｆｅワイヤ、又は、Ｆｅ－Ｗコアードワイヤを用いて、先端領域、圧延領域及び底領域の各々に別個に施した。Ｆｅ－Ｗコアードワイヤは、溶射皮膜後のＷの含有率が０～１０．５重量％となるように、充填材の成分を調整した。以下、Ｆｅワイヤを用いて施した溶射皮膜をＦｅワイヤ溶射皮膜と称し、Ｆｅ－Ｗコアードワイヤを用いて施した溶射皮膜をＦｅ－Ｗ溶射皮膜と称する。表２に示すように、Ｆｅワイヤ溶射皮膜の融点は、１３７０℃であり、Ｆｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜の融点は、１１２０℃である。すなわち、Ｆｅ－Ｗ溶射皮膜は、Ｆｅワイヤ溶射皮膜よりも融点を低くすることができる。

このように作製した種々のピアサープラグを用いて、１２００℃又は１１５０℃に加熱したＳＵＳ３０４ビレットの穿孔圧延を実施した。各ピアサープラグが損傷して使用不能となるまで穿孔を繰り返し、各ピアサープラグが使用不能になるまでに穿孔圧延できたビレット本数を「寿命パス数」として比較した。結果を表２に示す。下記表２において、試験Ｎｏ．５、６、９、１０及び１１は実施例であり、試験Ｎｏ．１、２、３、４、７、８、１２、１３、１４、１５及び１６は比較例である。

試験Ｎｏ．１では、先端領域、圧延領域及び底領域の全てにＦｅワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１２００℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、３パス後に圧延領域の溶射皮膜が摩耗して剥離し、プラグ本体が露出した。この場合、プラグ本体が溶損するおそれもあると推察される。これは、圧延領域の潤滑性が劣るためと考えられる。なお、表２の備考欄において「圧延領域摩耗～溶損」とは、プラグ本体が露出し、プラグ本体が溶損するおそれがある場合を示す。

試験Ｎｏ．２では、先端領域にＷの含有率が２．４重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施し、圧延領域と底領域とにＦｅワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１２００℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、試験Ｎｏ．１と同様に、３パス後に圧延領域の溶射皮膜が摩耗して剥離し、プラグ本体が露出した。

試験Ｎｏ．３では、先端領域と圧延領域とに各々のＷの含有率が２．４重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施し、底領域にＦｅワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１２００℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、試験Ｎｏ．１及び２のピアサープラグよりも寿命は長くなったが、４パスで先端領域の溶射皮膜が失われ溶損した。

試験Ｎｏ．４では、先端領域、圧延領域及び底領域の全てに各々のＷの含有率が２．４重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１２００℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、試験Ｎｏ．３と同様に、４パスで先端領域の溶射皮膜が失われ溶損した。

試験Ｎｏ．５では、先端領域と底領域とにＦｅワイヤ溶射皮膜を施し、圧延領域にＷの含有率が２．４重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１２００℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、８パスまでの穿孔で溶射皮膜が損傷せず、寿命を長くすることができた。

試験Ｎｏ．６では、先端領域にＦｅワイヤ溶射皮膜を施し、圧延領域と底領域とにＷの含有率が２．４重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１２００℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、試験Ｎｏ．５と同様に、８パスまでの穿孔で溶射皮膜が損傷せず、寿命を長くすることができた。

試験Ｎｏ．７では、先端領域と圧延領域とにＦｅワイヤ溶射皮膜を施し、底領域にＷの含有率が２．４重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１２００℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、試験Ｎｏ．１と同様に、３パス後に圧延領域の溶射皮膜が摩耗して剥離し、プラグ本体が露出した。

試験Ｎｏ．８では、試験Ｎ０．１とピアサープラグのサイズが異なり（以下の試験Ｎｏ．９～１６において同じ。）、先端領域、圧延領域及び底領域の全てにＦｅワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１１５０℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、試験Ｎ０．１と同様に、３パス後に圧延領域の溶射皮膜が摩耗して剥離し、プラグ本体が露出した。

試験Ｎ０．９では、先端領域にＦｅワイヤ溶射皮膜を施し、圧延領域と底領域とにＷの含有率が０．６重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１１５０℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、５パスまでの穿孔で溶射皮膜が損傷せず、比較的に寿命を長くすることができた。

試験Ｎ０．１０では、先端領域にＦｅワイヤ溶射皮膜を施し、圧延領域と底領域とにＷの含有率が１．２重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１１５０℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、７パスまでの穿孔で溶射皮膜が損傷せず、寿命を長くすることができた。

試験Ｎ０．１１では、先端領域にＦｅワイヤ溶射皮膜を施し、圧延領域と底領域とにＷの含有率が２．４重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１１５０℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、７パスまでの穿孔で溶射皮膜が損傷せず、寿命を長くすることができた。

試験Ｎ０．１２では、先端領域にＦｅワイヤ溶射皮膜を施し、圧延領域と底領域とにＷの含有率が４．９重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１１５０℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、その結果、３パス後に圧延領域の溶射皮膜が摩耗して剥離し、プラグ本体が露出した。

試験Ｎ０．１３では、先端領域にＦｅワイヤ溶射皮膜を施し、圧延領域と底領域とにＷの含有率が１０．５重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１１５０℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、その結果、２パス後に圧延領域の溶射皮膜が摩耗して剥離し、プラグ本体が露出した。

試験Ｎｏ．１４では、先端領域にＷの含有率が０．６重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施し、圧延領域と底領域とにＦｅワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１１５０℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、３パス後に圧延領域の溶射皮膜が摩耗して剥離し、プラグ本体が露出した。

試験Ｎｏ．１５では、先端領域にＷの含有率が１．２重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施し、圧延領域と底領域とにＦｅワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１１５０℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、３パス後に圧延領域の溶射皮膜が摩耗して剥離し、プラグ本体が露出した。

試験Ｎｏ．１６では、先端領域にＷの含有率が２．４重量％であるＦｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜を施し、圧延領域と底領域とにＦｅワイヤ溶射皮膜を施したピアサープラグを用い、１１５０℃でＳＵＳ３０４ビレットを穿孔した。その結果、３パス後に圧延領域の溶射皮膜が摩耗して剥離し、プラグ本体が露出した。

試験Ｎｏ．１～１６の結果、試験Ｎｏ．５、６、９、１０及び１１では、寿命パス回数が比較的多くなった。すなわち、ピアサープラグの寿命を延ばすことができた。特に、試験Ｎ０．５、６、１０及び１１では、寿命パス回数が７～８であり、他の試験に比べて飛躍的にピアサープラグの寿命を延ばすことができた。なお、試験Ｎｏ．５及び６の結果のように、底領域がＦｅ溶射皮膜又はＦｅ－Ｗ溶射皮膜のいずれであっても、寿命パス回数には影響しないこと、及び、胴領域がＦｅ－Ｗ溶射皮膜である場合もピアサープラグの寿命が長くなることを確認できた。

一方で、試験Ｎｏ．１２及び１３では、圧延領域がＦｅ－Ｗ溶射皮膜であるものの、寿命パス回数は比較的少ない３及び２であった。これは、Ｗの含有率を４．９重量％及び１０．５重量％と比較的大きくした結果、圧延領域の溶融が促進されて圧延領域が大きく摩耗したためと考えられる。すなわち、穿孔圧延時において、圧延領域の皮膜溶融による摩耗進行が皮膜溶融の潤滑効果によるせん断応力低減に伴う摩耗軽減よりも大きくなったためと考えれる。そのため、圧延領域におけるＷの含有率は、４．０重量％以下とするのがよい。また、Ｗの含有率が２．４重量％である試験Ｎｏ．１１では寿命パス回数が７と大きくなっているため、圧延領域におけるＷの含有率は、好ましくは３．０重量％以下、より好ましくは２．４重量％以下とするのがよい。

また、試験Ｎｏ．８、９及び１０を比較すると、試験Ｎｏ．９においてＷの含有率を０．６重量％とすることにより寿命パス回数が５となって試験Ｎｏ．８よりも多くなり、さらに、試験Ｎｏ．１０においてＷの含有率を１．２重量％とすることにより、寿命パス回数が７となって、より寿命パス回数が多くなっている。これは、穿孔圧延時において、圧延領域の皮膜溶融による摩耗進行が皮膜溶融の潤滑効果によるせん断応力低減に伴う摩耗軽減よりも小さくなったためと考えられる。すなわち、圧延領域におけるＷの含有率は、０．５重量％以上とするのがよく、好ましくは０．８重量％以上、より好ましくは１．２重量％以上とするのがよい。この圧延領域におけるＷの含有率について、摩耗速度と摩耗係数の観点から下記の実験２及び実験３においてさらに検討した。

（試験２）
実験２では、先端領域、圧延領域及び底領域におけるＷの含有率とこれら各領域の摩耗速度との関係について評価を行った。具体的には、実験１のＮｏ．８～１６と同じ形状のピアサープラグを用い、先端領域及び圧延領域を含む全領域で溶射皮膜中のＷの含有率が０.０重量％、０．６重量％、１．２重量％、２．４重量％、４．９重量％及び１０．５重量％となるピアサープラグをそれぞれ製作した。これらのピアサープラグにおいて、各々、実験１のＮｏ．８～１６と同じ穿孔条件で１パスだけ穿孔を行った際の、穿孔前後での先端領域膜厚及び圧延領域膜厚の減少量を測定することにより、１パスあたりの摩耗速度を評価した。実験２について、図９のグラフを参照して説明する。なお、図９において、胴領域とは、上述の通り、圧延領域及び底領域を示す。図９のグラフに示すように、先端領域の摩耗速度は、Ｗの含有率が増加するに従って逓増している。

一方、胴領域、すなわち圧延領域及び底領域の摩耗速度は、Ｗの含有率が０．０重量％の場合には１２６μｍ／Ｐａｓｓとなり、０．６重量％の場合には８８μｍ／Ｐａｓｓとなり、１．２重量％の場合には５０μｍ／Ｐａｓｓとなり、２．４重量％の場合には６５μｍ／Ｐａｓｓとなり、４．９重量％の場合には１２８μｍ／Ｐａｓｓとなり、１０．５重量％の場合には２００μｍ／Ｐａｓｓとなった。このように、胴領域の摩耗速度は、Ｗの含有率を１．２重量％とするまでは徐々に遅くなり、その後徐々に速くなった。そして、Ｗの含有率が４．９重量％になったとき、胴領域の摩耗速度は、Ｗの含有率が０重量％である場合とほぼ同等の１２８μｍ／Ｐａｓｓとなった。その結果、圧延領域における摩耗速度は、Ｗの含有率が少なくとも４．０重量％以下であれば、Ｗの含有率が０重量％である場合よりも遅くなり、１．２重量％の場合に最も摩耗速度が遅くなることが分かった。また、Ｗの含有率が２．４重量％の場合は、摩耗速度が１．２重量％の場合とほぼ同等であることから、より好ましくは、Ｗの含有率を２．４重量％以下とすれば適切に胴領域の摩耗速度を遅くできると考えられる。このように、摩耗速度の観点からすれば、圧延領域におけるＷの含有率が０．０重量％である場合に比べ、Ｗの含有率を４．０重量％以下、好ましくは３．０重量％以下、より好ましくは２．４重量％以下とすることにより圧延領域の摩耗速度を適切に低下させる、すなわち、長寿命のピアサープラグを得ることできると分かった。

（試験３）
上述の試験２に加え、実験３では、溶射皮膜の摩擦係数とＷの含有率との関係について評価を行った。具体的には、高温摩擦試験機（株式会社米倉製作所製）を使用し、Ｆｅ－Ｗワイヤ溶射皮膜の摩擦係数をＷの含有率に応じて評価した。Ｆｅ製の外殻１１１の内側にＦｅとＷと含む混合粉末である充填材１１２を封入したコアードワイヤ（Ｆｅ－Ｗコアードワイヤ）を作製し、アーク溶射により試験片の表面にＷの含有率が０～１４重量％の溶射皮膜を５００μｍの厚みで作製した。Ｗを含有する溶射皮膜の溶融温度は、実験１の各試験と同様に１１２０℃である。この皮膜を溶射した試験片と、所定温度（１１５０℃又は１２００℃）に加熱した鋼材試験片とを８０ＭＰａの面圧で接触させ、０．２５ｍ／ｓｅｃ．の速度で回転摺動させた。その摺動距離が５ｍの時点における摩擦力実測値から摩擦係数を導出した。結果について図１０を参照して説明する。なお、グラフの横軸に示すＷの含有率は、溶射皮膜を化学分析することにより測定した。図１０のグラフに示すように、溶射皮膜に含まれるＷの含有率が０．５重量％である場合、溶融温度１１２０℃以上で加熱することにより、０．０重量％である場合に比べて摩擦係数が著しく低下している。また、Ｗの含有率が１．２重量％以上であれば、０．０重量％である場合に比べて摩擦係数が大きく低下している。その後Ｗの含有率が多くなるに従って徐々に低下している。したがって、Ｗの含有率を０．５重量％以上、好ましくは０．８重量％以上、より好ましくは１．２重量％以上とすれば、効果的に摩擦係数を低下させることができ、圧延領域における潤滑効果をより効果的に得られる、すなわち、より長寿命のピアサープラグを得ることができると分かった。

以上の実験１～３の結果によれば、圧延領域におけるＷの含有率は、摩耗速度の観点から、４．０重量％以下、好ましくは３．０重量％以下、より好ましくは２．４重量％以下とするのがよく、また、摩擦係数の観点から、０．５重量％以上、好ましくは０．８重量％以上、より好ましくは１．２重量％以上とするのがよいことが確認できた。

１ ピアサープラグ
２ プラグ本体
２ａ 先端
２ｂ 後端面
２１ 先端部
２２ 圧延部
２３ 底部
３ 溶射皮膜
３１ 先端領域
３２ 圧延領域
３３ 底領域
４ 溶射皮膜
Ｃ プラグ軸心

Claims (4)

1. プラグ本体と、
   前記プラグ本体の表面に形成された第１の溶射皮膜とを備え、
   前記プラグ本体は、先端部と、前記先端部よりも後方の底部と、前記先端部と前記底部との間に形成された圧延部とを含み、
   前記第１の溶射皮膜は、前記先端部の表面に形成された先端領域と、前記底部の表面に形成された底領域と、前記圧延部の表面に形成された圧延領域とを含み、
   前記先端領域は、Ｆｅと、Ｏと、不純物とからなり、
   前記圧延領域は、Ｆｅと、Ｏと、Ｗと、不純物とからなり、
   前記圧延領域におけるＯを除くＷの含有率は、４．０重量％以下である、ピアサープラグ。
2. 請求項１に記載のピアサープラグであって、
   前記圧延領域におけるＯを除くＷの含有率は０．５重量％以上である、ピアサープラグ。
3. 請求項１又は２に記載のピアサープラグであって、
   前記底領域は、前記圧延領域と同じ元素で構成される、ピアサープラグ。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のピアサープラグであって、さらに、
   前記プラグ本体と前記第１の溶射皮膜との間に形成された第２の溶射皮膜を含み、
   前記第２の溶射皮膜は、Ｆｅと、Ｏと、不純物とからなる、ピアサープラグ。

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