JP2815732B2 - 使用中の伸び変形の小さいマンドレル圧延用芯金 - Google Patents
使用中の伸び変形の小さいマンドレル圧延用芯金Info
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- JP2815732B2 JP2815732B2 JP3233228A JP23322891A JP2815732B2 JP 2815732 B2 JP2815732 B2 JP 2815732B2 JP 3233228 A JP3233228 A JP 3233228A JP 23322891 A JP23322891 A JP 23322891A JP 2815732 B2 JP2815732 B2 JP 2815732B2
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- rolling
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、継ぎ目無し鋼管の製造
法の一つであるマンドレル圧延で使用されるマンドレル
バーが、繰返し使用によって伸び変形を蓄積していくの
を抑制することができるマンドレル圧延用芯金に関す
る。
法の一つであるマンドレル圧延で使用されるマンドレル
バーが、繰返し使用によって伸び変形を蓄積していくの
を抑制することができるマンドレル圧延用芯金に関す
る。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】継ぎ目無
し鋼管製造法の一つであるマンドレル圧延は、中空素管
にマンドレルバーを串状に挿入し、７〜８スタンドから
構成されるマンドレルミルで連続的に鋼管を成形するも
のである。該圧延で使用されるバーは、合金系工具鋼を
焼きなましの状態で旋削＋表面研磨によりサイズ調整し
た後、最終的に高周波表面焼入れ＋焼戻処理を施され
る。この場合、次の文献に示されているように、一般的
には、中心部の硬さはＨｓ＝３０程度であり、表層の硬
さはＨｓ＝５０〜６０の範囲にある（日本鉄鋼協会編
鉄鋼便覧 第３版 III（２）条鋼・鋼管・圧延共通設備
丸善（株） 昭和５５年１１月２０日刊）。そしてマ
ンドレルバーの寿命は、長時間使用に伴う表面の摩耗に
よって外径の減少が一定値を超える条件で律速され、一
本のバーで１０００〜１００００本の圧延に耐えられる
のが通例である。
し鋼管製造法の一つであるマンドレル圧延は、中空素管
にマンドレルバーを串状に挿入し、７〜８スタンドから
構成されるマンドレルミルで連続的に鋼管を成形するも
のである。該圧延で使用されるバーは、合金系工具鋼を
焼きなましの状態で旋削＋表面研磨によりサイズ調整し
た後、最終的に高周波表面焼入れ＋焼戻処理を施され
る。この場合、次の文献に示されているように、一般的
には、中心部の硬さはＨｓ＝３０程度であり、表層の硬
さはＨｓ＝５０〜６０の範囲にある（日本鉄鋼協会編
鉄鋼便覧 第３版 III（２）条鋼・鋼管・圧延共通設備
丸善（株） 昭和５５年１１月２０日刊）。そしてマ
ンドレルバーの寿命は、長時間使用に伴う表面の摩耗に
よって外径の減少が一定値を超える条件で律速され、一
本のバーで１０００〜１００００本の圧延に耐えられる
のが通例である。
【０００３】ところが従来のマンドレルバーでは、圧延
荷重の大きい合金鋼の圧延や使用条件が苛酷な場合に
は、単なる摩耗による外径の減少に、伸び変形による径
小化が重畳して、耐用寿命が大幅に短縮されることがあ
る。このことは工具費用の増大を招き、鋼管の製造コス
トの上昇につながるという問題の要因となる。また予想
以上の芯金の寿命低下は製品の内径ばらつきやバー取替
のための生産性低下といった問題点を引き起こす。
荷重の大きい合金鋼の圧延や使用条件が苛酷な場合に
は、単なる摩耗による外径の減少に、伸び変形による径
小化が重畳して、耐用寿命が大幅に短縮されることがあ
る。このことは工具費用の増大を招き、鋼管の製造コス
トの上昇につながるという問題の要因となる。また予想
以上の芯金の寿命低下は製品の内径ばらつきやバー取替
のための生産性低下といった問題点を引き起こす。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記現象のうち摩耗によ
る径小化は、比較的進行が遅くかつ予測も精度良く可能
なので、伸びによる径小化を防止することがバーの寿命
の向上および安定化にとって非常に有効かつ重要であ
る。そこで本発明者らは、マンドレルバーの使用中の伸
び変形の原因を究明し、その結果に基づいてこれを格段
に低減せしめる対応策を検討した。
る径小化は、比較的進行が遅くかつ予測も精度良く可能
なので、伸びによる径小化を防止することがバーの寿命
の向上および安定化にとって非常に有効かつ重要であ
る。そこで本発明者らは、マンドレルバーの使用中の伸
び変形の原因を究明し、その結果に基づいてこれを格段
に低減せしめる対応策を検討した。
【０００５】まずマンドレルバーが使用中に伸びる現象
を詳細に考察し、以下の知見を得た。 （１）マンドレルバーは、被圧延材である高温の中空素
管に挿入した直後から、圧延中、圧延後の引抜きまでの
間圧延材より熱の供給を受け続ける。その間の時間はた
かだか１分以内である。この場合、熱はバーの外表面の
みから供給されるので、表面ほど高温となるが、時間が
短いので中心部は温度上昇を起こさない。つまり表面か
ら中心部にかけて急勾配の温度分布を有する状態で加熱
されたことになる。表層のピーク温度は４００〜５００
℃になる。
を詳細に考察し、以下の知見を得た。 （１）マンドレルバーは、被圧延材である高温の中空素
管に挿入した直後から、圧延中、圧延後の引抜きまでの
間圧延材より熱の供給を受け続ける。その間の時間はた
かだか１分以内である。この場合、熱はバーの外表面の
みから供給されるので、表面ほど高温となるが、時間が
短いので中心部は温度上昇を起こさない。つまり表面か
ら中心部にかけて急勾配の温度分布を有する状態で加熱
されたことになる。表層のピーク温度は４００〜５００
℃になる。
【０００６】（２）一方通常のバーは前述のように、表
層と中心部とで硬度差を有している。したがって当然の
ことながら表層と中心部とでは、応力−歪曲線が異なっ
ており、いわば二重構造の複合材料となっている。応力
−歪曲線の差は、弾性範囲ではヤング率が同一なので認
められないが、材料の降伏現象が出始めた後に出てく
る。通常のマンドレルバーでの降伏伸びは次の如く測定
された。 中心部（Ｈｓ＝３０） ｅy ＝０．１５％ 表層部（Ｈｓ＝５５） ｅy ＝０．５０％
層と中心部とで硬度差を有している。したがって当然の
ことながら表層と中心部とでは、応力−歪曲線が異なっ
ており、いわば二重構造の複合材料となっている。応力
−歪曲線の差は、弾性範囲ではヤング率が同一なので認
められないが、材料の降伏現象が出始めた後に出てく
る。通常のマンドレルバーでの降伏伸びは次の如く測定
された。 中心部（Ｈｓ＝３０） ｅy ＝０．１５％ 表層部（Ｈｓ＝５５） ｅy ＝０．５０％
【０００７】（３）（１）の温度分布で高温部は表層硬
化部に対応する。 （４）上記状態にある時、表層の中心との温度差に基づ
く熱膨張（線膨張率×温度差）が発生するが、その熱膨
張はバー全体として一定値となるものの、表層は圧縮変
形、中心は引張変形となり、両者の断面積比で按分され
た平衡値を示す。
化部に対応する。 （４）上記状態にある時、表層の中心との温度差に基づ
く熱膨張（線膨張率×温度差）が発生するが、その熱膨
張はバー全体として一定値となるものの、表層は圧縮変
形、中心は引張変形となり、両者の断面積比で按分され
た平衡値を示す。
【０００８】（５）バー材の線膨張率は成分によって少
し変動するが、室温から６００℃の範囲であれば、ほぼ
１．３×１０-5である。したがって表層部の熱膨張はε
＝１．３×１０-5×（４００〜５００）＝５．２〜６．
５×１０-3となるが、実際のバーの変形は前述の断面積
比による按分となるのでε／ｎとなる。マンドレルバー
の場合、ｎの値は２〜４の範囲で与えられる。したがっ
て表層が４００〜５００℃に一回加熱されたことによる
バーの変形は０．１３〜０．３３％の範囲である。
し変動するが、室温から６００℃の範囲であれば、ほぼ
１．３×１０-5である。したがって表層部の熱膨張はε
＝１．３×１０-5×（４００〜５００）＝５．２〜６．
５×１０-3となるが、実際のバーの変形は前述の断面積
比による按分となるのでε／ｎとなる。マンドレルバー
の場合、ｎの値は２〜４の範囲で与えられる。したがっ
て表層が４００〜５００℃に一回加熱されたことによる
バーの変形は０．１３〜０．３３％の範囲である。
【０００９】（６）（５）に述べた伸び変形の範囲は、
（２）で説明した材料の応力−歪関係において、表層部
は弾性範囲であるが、中心部は降伏伸びを超えている場
合がほとんどであることを示している。そのため、上記
のような温度差がつくと、バー中心部は塑性伸びを起こ
す。
（２）で説明した材料の応力−歪関係において、表層部
は弾性範囲であるが、中心部は降伏伸びを超えている場
合がほとんどであることを示している。そのため、上記
のような温度差がつくと、バー中心部は塑性伸びを起こ
す。
【００１０】（７）この塑性変形は、バーの温度を初期
の状態に戻しても（表層と中心部との温度差を解消して
も）、かなりの部分が残留する。 （８）一回の使用（加熱）で惹起される残留歪は、繰返
し使用の場合、そのまま蓄積されていき、伸び変形が徐
々に増大して行く。
の状態に戻しても（表層と中心部との温度差を解消して
も）、かなりの部分が残留する。 （８）一回の使用（加熱）で惹起される残留歪は、繰返
し使用の場合、そのまま蓄積されていき、伸び変形が徐
々に増大して行く。
【００１１】以上の知見より、バーの伸び変形を抑制す
る手段として、表層と中心との温度差を縮小するか、も
しくは応力−歪曲線の差を小さくすれば良いことが分か
る。しかし表層と中心との温度差を変えることは、バー
の使用条件（主に圧延条件）を変更することになるの
で、簡単には採用できない。そこで有効かつ実現可能な
対策として、表層と中心との応力−歪曲線の差、特に降
伏伸びの差を縮めることを考えた。単純には表層と中心
とを全く同じ材質（硬さ）にしてしまえば、かかる問題
は起こらないわけであるが、マンドレルバーの場合、中
心部は製作時の切削加工、矯正や折損防止のための靭性
確保の点からあまり硬くすることはできない。一方表層
は圧延中の摩耗対策上硬いほど望ましいが、熱疲労割れ
の問題があるのであるレベル以下の硬さに制限される。
いずれにしても、マンドレルバーでは全断面を同一硬さ
にすることは本質的に不可能である。
る手段として、表層と中心との温度差を縮小するか、も
しくは応力−歪曲線の差を小さくすれば良いことが分か
る。しかし表層と中心との温度差を変えることは、バー
の使用条件（主に圧延条件）を変更することになるの
で、簡単には採用できない。そこで有効かつ実現可能な
対策として、表層と中心との応力−歪曲線の差、特に降
伏伸びの差を縮めることを考えた。単純には表層と中心
とを全く同じ材質（硬さ）にしてしまえば、かかる問題
は起こらないわけであるが、マンドレルバーの場合、中
心部は製作時の切削加工、矯正や折損防止のための靭性
確保の点からあまり硬くすることはできない。一方表層
は圧延中の摩耗対策上硬いほど望ましいが、熱疲労割れ
の問題があるのであるレベル以下の硬さに制限される。
いずれにしても、マンドレルバーでは全断面を同一硬さ
にすることは本質的に不可能である。
【００１２】本発明者らは、加工上（製作上）および靭
性確保上許容される硬さの上限値を検討し、一方でバー
使用中の熱膨張による中心部の塑性伸びを防止できる硬
さの下限値を求めて、両者の条件を満足する硬さ範囲に
基づいて本発明を提案するものである。なおバー中心部
の硬さ調節は、焼戻条件の選定により容易に可能であ
る。
性確保上許容される硬さの上限値を検討し、一方でバー
使用中の熱膨張による中心部の塑性伸びを防止できる硬
さの下限値を求めて、両者の条件を満足する硬さ範囲に
基づいて本発明を提案するものである。なおバー中心部
の硬さ調節は、焼戻条件の選定により容易に可能であ
る。
【００１３】
【発明の構成】以上に述べた当該問題点の機構解明に基
づき問題解決の手段を具現化する技術として、本発明は
「マンドレル圧延機で使用する芯金（マンドレルバー）
において、中心部と表層の高周波焼入れ硬化層との硬度
差をショア硬さ（Ｈs)で１５以下にすることによって、
使用中の伸び変形を抑制することを特徴とするマンドレ
ル圧延用芯金」を提案する。
づき問題解決の手段を具現化する技術として、本発明は
「マンドレル圧延機で使用する芯金（マンドレルバー）
において、中心部と表層の高周波焼入れ硬化層との硬度
差をショア硬さ（Ｈs)で１５以下にすることによって、
使用中の伸び変形を抑制することを特徴とするマンドレ
ル圧延用芯金」を提案する。
【００１４】つまりマンドレル圧延用芯金として通常に
使用される工具鋼（ＪＩＳ Ｇ４４０４ 合金工具鋼鋼
材 ＳＫＤ６，６１，６１）において、中心部の硬さを
製造時の熱処理条件を選定することによって従来材より
も大幅に変更したレベルに管理し、使用中の伸び変形の
防止を図ったものである。
使用される工具鋼（ＪＩＳ Ｇ４４０４ 合金工具鋼鋼
材 ＳＫＤ６，６１，６１）において、中心部の硬さを
製造時の熱処理条件を選定することによって従来材より
も大幅に変更したレベルに管理し、使用中の伸び変形の
防止を図ったものである。
【００１５】以下に本発明構成要件の範囲の限定理由に
ついて述べる。本発明の必要条件は、マンドレルバーの
中心部の硬さと表層硬化層との硬さの差をショア硬さ
（Ｈs)で１５以下にすることであるが、これは合金鋼の
圧延を含めて一般的な継ぎ目無鋼管のマンドレル圧延法
において、この硬度差以上になると繰返し使用によって
伸び変形が蓄積されることから制約するものである。硬
度差の下限値は特に規制する必要がないが、切削加工性
や靭性確保の点から△Ｈｓは約１０程度にしておくこと
が望ましい。なお表層硬化部の硬さは、従来レベルと同
じでＨｓ＝５０〜６０の範囲内に管理するものとする。
ついて述べる。本発明の必要条件は、マンドレルバーの
中心部の硬さと表層硬化層との硬さの差をショア硬さ
（Ｈs)で１５以下にすることであるが、これは合金鋼の
圧延を含めて一般的な継ぎ目無鋼管のマンドレル圧延法
において、この硬度差以上になると繰返し使用によって
伸び変形が蓄積されることから制約するものである。硬
度差の下限値は特に規制する必要がないが、切削加工性
や靭性確保の点から△Ｈｓは約１０程度にしておくこと
が望ましい。なお表層硬化部の硬さは、従来レベルと同
じでＨｓ＝５０〜６０の範囲内に管理するものとする。
【００１６】
【実施例】合金工具鋼 ＳＫＤ６１を使用して１５６φ
のマンドレルバーを製造し、各種熱処理条件で中心部の
硬さを変化させた。表層部に対してはＨｓ＝５０〜５５
狙いで従来通りの熱処理を施した。このバーをマンドレ
ル圧延に供試した。マンドレル圧延は２００φ×１７ｔ
の中空素管を１７２φ×７ｔに圧延成形する条件に固定
し、圧延材の鋼種は０．４５％Ｃの炭素鋼と０．２％Ｃ
系の１３％Ｃｒ鋼の二種類とした。
のマンドレルバーを製造し、各種熱処理条件で中心部の
硬さを変化させた。表層部に対してはＨｓ＝５０〜５５
狙いで従来通りの熱処理を施した。このバーをマンドレ
ル圧延に供試した。マンドレル圧延は２００φ×１７ｔ
の中空素管を１７２φ×７ｔに圧延成形する条件に固定
し、圧延材の鋼種は０．４５％Ｃの炭素鋼と０．２％Ｃ
系の１３％Ｃｒ鋼の二種類とした。
【００１７】試験水準および圧延試験後のマンドレルバ
ーの形状変化の測定結果を表１に示す。バーの形状測定
は、圧延パート部の同じ位置について試験前と試験後に
測定した外径と長さの差を求めることによって行った。
長さ測定の評点間距離は１０ｍとした。
ーの形状変化の測定結果を表１に示す。バーの形状測定
は、圧延パート部の同じ位置について試験前と試験後に
測定した外径と長さの差を求めることによって行った。
長さ測定の評点間距離は１０ｍとした。
【００１８】表１の結果は、圧延使用後のバーのサイズ
変化が圧延材の鋼種とバー中心部の硬さとによって相当
変動することを示している。外径の変化は、摩耗による
減少と伸び変形による縮小との重畳したものと考えられ
るが、このうち摩耗分は中心部の硬さとは無関係である
ので、中心部の硬さの変化で伸び変形が大幅に変動し、
その影響で外径も変化したと思われる。従来法では、中
心部と表層部との硬度差は２０以上となるのが一般的で
あるが、この場合には圧延使用後のバーの長手方向伸び
がかなり大きいことが分かる。それに対し、硬度差を１
５以下とした本発明法のバーの場合、伸び変形は非常に
軽微でほぼ完全に変形が抑制されていることが明らかで
ある。
変化が圧延材の鋼種とバー中心部の硬さとによって相当
変動することを示している。外径の変化は、摩耗による
減少と伸び変形による縮小との重畳したものと考えられ
るが、このうち摩耗分は中心部の硬さとは無関係である
ので、中心部の硬さの変化で伸び変形が大幅に変動し、
その影響で外径も変化したと思われる。従来法では、中
心部と表層部との硬度差は２０以上となるのが一般的で
あるが、この場合には圧延使用後のバーの長手方向伸び
がかなり大きいことが分かる。それに対し、硬度差を１
５以下とした本発明法のバーの場合、伸び変形は非常に
軽微でほぼ完全に変形が抑制されていることが明らかで
ある。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【発明の効果】マンドレルバーの伸び変形が、体積一定
の法則から径小に変化すると、伸び比の平方根に比例し
て起こる。したがってバーの伸びが起きると、径小化の
速度が大きくなり、耐用寿命が短縮化される。本発明法
によれば、実施例の結果で明白な如く、比較従来法に比
べてこの伸び変形が格段に抑制され、結果的にバーの使
用寿命が大幅に延長される。このことは継目無鋼管の製
造コストの削減、生産性の向上、寸法精度の向上の点で
大きな工業的成果を創出するものである。
の法則から径小に変化すると、伸び比の平方根に比例し
て起こる。したがってバーの伸びが起きると、径小化の
速度が大きくなり、耐用寿命が短縮化される。本発明法
によれば、実施例の結果で明白な如く、比較従来法に比
べてこの伸び変形が格段に抑制され、結果的にバーの使
用寿命が大幅に延長される。このことは継目無鋼管の製
造コストの削減、生産性の向上、寸法精度の向上の点で
大きな工業的成果を創出するものである。
Claims (1)
- 【請求項１】 マンドレル圧延機で使用する芯金（マン
ドレルバー）において、中心部と表層の高周波焼入れ硬
化層との硬度差をショア硬さ（Ｈｓ）で１５以下にする
ことを特徴とするマンドレル圧延用芯金。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3233228A JP2815732B2 (ja) | 1991-09-12 | 1991-09-12 | 使用中の伸び変形の小さいマンドレル圧延用芯金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3233228A JP2815732B2 (ja) | 1991-09-12 | 1991-09-12 | 使用中の伸び変形の小さいマンドレル圧延用芯金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0569013A JPH0569013A (ja) | 1993-03-23 |
| JP2815732B2 true JP2815732B2 (ja) | 1998-10-27 |
Family
ID=16951765
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3233228A Expired - Fee Related JP2815732B2 (ja) | 1991-09-12 | 1991-09-12 | 使用中の伸び変形の小さいマンドレル圧延用芯金 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2815732B2 (ja) |
-
1991
- 1991-09-12 JP JP3233228A patent/JP2815732B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0569013A (ja) | 1993-03-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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